WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ

KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

Kierownik katedry: prof. dr hab. inż. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG

LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH

Dr inż. Maciej Ziółkowski

Ćwiczenie 1

BUDOWA I IDENTYFIKACJA ELEMENTÓW SILNIKA SPALINOWEGO

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z ogólną budową silnika spalinowego oraz identyfikacją podstawowych zespołów

i części na przykładzie czterosuwowego silnika o zapłonie iskrowym – Audi KP.

Dane techniczne silnika Audi model KP

Układ / liczba cylindrów

rzędowy / 5

Pojemność skokowa

1994 cm

3

Ś

rednica cylindra

81 mm

Stopień spręzania

10

Moc nominalna / prędkość obrotowa

85 kW / 5200 obr/min

Max. moment obrotowy / prędkość obrotowa

170 Nm / 3000 obr/min

Układ zapłonowy

Elektroniczny Bosch

Układ zasilania paliwem

Bosch K-Jetronic

2. Budowa silnika

2.1 Kadłub

Kadłub jest częścią wiążącą wszystkie

elementy i osprzęt silnika w jeden zespół.
Składa się z bloku cylindrowego i skrzyni
korbowej. Kadłub stanowi bazę konstrukcyjną
silnika i nadaje mu odpowiednią sztywność.

Blok cylindrowy stanowi górną część ka-

dłuba, składa się z cylindrów i płaszcza wod-
nego ograniczonego dolną i górną płytą ka-
dłuba. Prezentowany silnik posiada tuleje cy-
lindrowe odlewane razem z kadłubem jako
pięciocylindrowy żeliwny monoblok (rys.1),
wewnątrz którego poprowadzone są prze-
strzenie wodne umożliwiające chłodzenie czę-
ś

ci cylindrowej kadłuba. Dolną część mono-

bloku stanowi skrzynia korbowa, w której
mocowany jest wał korbowy. Zarówno
w skrzyni korbowej jak i w bloku cylindro-
wym poprowadzone są kanały magistrali ole-
jowej doprowadzającej olej smarujący do wa-
łu korbowego i do głowicy.

Rys. 1. Kadłub prezentowanego silnika. 1 – blok cylindrowy, 2 – misa
olejowa, 3 – obudowa uszczelniacza wału korbowego, 4 – uszczelka,
5 – uszczelniacz wału korbowego, 6 – separator oleju

2

2.2 Układ korbowo-tłokowy

Układ korbowo-tłokowy (rys.2) składa się z wału korbowego, korbowodów oraz tłoków. Zadaniem

układu korbowo-tłokowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału kor-
bowego oraz przeniesie siły gazowej z denka tłoków na wał korbowy gdzie przybiera postać momentu
obrotowego.

Rys. 2. Układ korbowo-tłokowy silnika Audi KP

1- wał korbowy, 2 – korbowód, 3 – tłok, 4 – pierścienie tłokowe, 5 – sworzeń tłoka, 6 – pierścień zabezpieczający

sworzeń, 7 – panewki korbowodowe, 8 – panewki wału korbowego, 9 – półpierścień ustalający , 10 – koło zamachowe,

11 – łożysko centrujące wałek sprzęgłowy, 12 – koło zębate napędzające pasek rozrządu, 13 – koło pasowe

2.2.1 Wał korbowy

Elementami składowymi wału są (rys.3):
-

czopy główne – umożliwiają zamocowanie i ustalenie wału w kadłubie silnika,

-

czopy korbowe – na nich zamocowane są korbowody,

-

ramiona wykorbień – łączą czopy główne i korbowe (długość ramion determinuje skok tłoka),

-

przeciwciężary – umożliwiają wyrównoważenie układu korbowo-tłokowego.

Rys.3. Schemat budowy wału korbowego

Podstawowym materiałem na wały korbowe jest stal węglowa o wyższej jakości lub stale stopowe.

Ukształtowanie stalowego wału następuje przez kucie lub odlewanie, obrabiane (szlifowane) są tylko
czopy. Obróbka cieplna sprowadza się do wyżarzania i normalizowania w celu zmniejszenia twardości

3

powierzchni obrabianych i usunięcia naprężeń wewnętrznych wywołanych kuciem. Przed szlifowaniem
powierzchnie czopów są utwardzane poprzez hartowanie powierzchniowe.

2.2.2 Korbowody

Korbowody przenoszą na wał korbowy siły nacisku wywoływane na tłoku gazami spalinowymi oraz

biorą udział w zamianie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy wału korbowego. Obciąże-
nie korbowodu wynika z nacisku gazów na tłok oraz z siły bezwładności tłoka i korbowodu.

Rys. Schemat budowy korbowodu

Korbowód składa się z trzech części (rys.4): główki – w której ułożyskowany jest sworzeń tłokowy,

dzielonej stopy – obejmującej czop korbowy i trzonu łączącego stopę z główką.

Najczęściej stosowanym materiałem na korbowody jest stal węglowa do ulepszania. Śruby korbowo-

dowe i nakrętki wykonywane są ze stali węglowych wyższych jakości, ulepszanych cieplnie. Korbowody
odkuwane są w foremnikach razem z pokrywą stopy lub bez niej. Obróbka cieplna polega na stabilizowa-
niu i ulepszaniu cieplnym. Obróbce mechanicznej podlegają wewnętrzne i boczne powierzchnie stopy
i główki.

2.2.3 Tłoki

Tłoki przekazują siły, wynikające z działania ciśnienia gazów wewnątrz przestrzeni roboczej silnika,

poprzez korbowody na wał korbowy. Zadaniem tłoków jest również prowadzenie górnej części korbowo-
dów. Ukształtowanie tłoka musi zapewniać: wytrzymałość na wysokie obciążenia, możliwość odprowa-
dzenia ciepła z denka, możliwość zamontowania i prowadzenia pierścieni tłokowych oraz odpowiednie
połączenie korbowodem poprzez sworzeń tłokowy.

Rys.4. Schemat budowy tłoka
1 – denko,
2 – korona,
3 – część nośna,
4 – piasta sworznia tłokowego

Denko tłoka jest odpowiedzialne za przejmowanie siły gazowej, ze względu na znaczne obciążenia

mechaniczne i termiczne bywa użebrowane od wewnątrz w celu związania go z piastami sworznia oraz

4

powiększenia powierzchni wymiany ciepła oddawanego do omywającego denko od spodu oleju silniko-
wego.

Część pierścieniowa służy wyłącznie do uchwycenia i prowadzenia pierścieni tłokowych. Sama nie

uszczelnia przestrzeni roboczej cylindra, jej średnica jest mniejsza niż średnica części nośnej tłoka.

Część nośna centruje tłok w tulei cylindrowej (jest w niej odpowiednio pasowana) oraz przenosi na

tuleję siłę normalną powstającą na sutek podziału siły gazowej działającej na denko podczas wychylania
się korbowodu od pozycji pionowej.

Piasty sworznia tłokowego odpowiadają za połączenie, poprzez sworzeń, tłoka z korbowodem. Ele-

menty te muszą być sztywne i jednoczenie na tyle elastyczne by odkształcenia, jakim podlega sworzeń,
nie powodowały w tłoku nadmiernych naprężeń miejscowych.

Materiały, z których wytwarzane są tłoki to żeliwa niestopowe i stopowe oraz stopy aluminium. Tłoki

wykonuje się głównie jako odlewy, obróbka cieplna ma za zadanie polepszenie własności wytrzymało-
ś

ciowych i zwiększenie twardości powierzchni oraz usunięcie naprężeń wewnętrznych i stabilizacja wy-

miarów.

2.2.4 Pierścienie tłokowe

W silnikach tłokowych stosuje się dwa rodzaje pierścieni tłokowych (rys. 5):

Rys. 5. Pierścienie tłokowe
- uszczelniające (2 górne)
- zgarniający (dolny)

- uszczelniające – mają za zadanie uszczelnienie przestrzeni roboczej ponad tłokiem oraz odprowa-

dzanie ciepła z korony tłoka do chłodzonej tulei cylindrowej,

- zgarniające – zgarniają nadmiar oleju z gładzi cylindrowej uniemożliwiając przedostawanie się zbyt

dużych ilości oleju do komory spalania.

2.2.5 Sworzeń tłokowy

Sworzeń tłokowy służy do przeniesienia nacisku tłoka na korbowód i jednocześnie umożliwia kor-

bowodowi ruch wahadłowy. Sworzeń zbudowany jest z odcinka rury grubościennej odpowiednio osadzo-
nej w główce korbowodu i piastach tłoka.

2.3 Głowica

Głowica służy jako górne zamknięcie roboczej przestrzeni cylindra, wraz z tłokiem wyznacza kształt

i wielkość komory spalania. Warunki pracy głowicy są ciężkie ze względu na znaczne obciążenie mecha-
niczne i cieplne jakim podlegają. Dodatkowe obciążenia wywołuje nierównomierne nagrzewanie głowic
(większe od strony kanału wylotowego) co wywołuje niesymetryczne odkształcenia cieplne powodujące
powstawanie naprężeń wewnętrznych.

5

Głowica

silnika

czterosuwowego

jest

skomplikowanym elementem spełniającym na-
stępujące funkcje:
-

doprowadzenie ładunku świeżego powietrza

i odprowadzenie spalin poprzez kanały do-
lotowe i wylotowe,

-

mocowanie zaworów i układu rozrządu,

-

chłodzenie gniazd zaworowych poprzez od-

powiednio poprowadzone kanały z cieczą
chłodzącą,

-

smarowanie elementów układu rozrządu

poprzez poprowadzone wewnątrz głowicy
kanały olejowe.

Znaczne skomplikowanie kształtu głowic

powoduje, że są one prawie wyłącznie odlewa-
ne. Głowice wykonywane są z żeliwa lub sto-
pów aluminium z krzemem (siluminy). Głowica
jest przykręcana do bloku silnika za pomocą
odpowiednio rozmieszczonych śrub. Szczelność
przestrzeni roboczej cylindra zapewnia uszczel-
ka umieszczona pomiędzy głowicą i blokiem
cylidrowym.

Rys. 6. Zespół głowicy silnika Audi KP. 1 – głowica, 2 – uszczelka
pod głowicę, 3 – uszczelka pokrywy głowicy, 4 – pokrywa głowicy,
5 – el. układu smarowania, 6 – uszczelniacz wałka rozrządu, 7 – za-
ś

lepka, 8 – prowadnica zaworu, 9 – pokrywa łożyska wałka rozrzą-

du, 10 – dysza natryskowa oleju, 11 – śruba łącząca głowicę z ka-
dłubem silnika

2.4 Układ rozrządu

Rozrząd silnika stanowi zespół mechanizmów sterujących wlotem świeżego ładunku powietrza do

komory spalania i wylotem spalin.

Rys.7. Układ rozrządu (z osprzętem) silnika Audi KP.
1 – wał korbowy, 2 – koło zębate napędzające pasek roz-
rządu, 3 – pasek napędowy rozrządu, 4 – pompa cieczy
chłodzącej, 5 – koło zębate napędzające wałek rozrządu,
6 – wałek rozrządu, 7 – koło zębate napędu aparatu zapło-
nowego, 8 – obudowa paska rozrządu, 9 – mechaniczny
kompensator (z podkładkami) luzu zaworowego , 10 – hy-
drauliczny kompensator luzu zaworowego, 11 – zamek za-
woru, 12 – podkładki, 13 – sprężyna zaworu, 14 – zawór,
15 – uszczelniacz zaworu , 16 – napinacz paska rozrządu

6

Na rys.7 zaprezentowano budowę i sposób napędu układu rozrządu prezentowanego na ćwiczeniu

silnika. Podstawowe elementy tego układu to:

- wałek rozrządu poprzez krzywki steruje otwieraniem i zamykaniem zaworów dolotowych i wylo-

towych. Napędzany wału korbowego poprzez pasek zębaty, który oprócz wałka napędza również
pompę cieczy chłodzącej. Prawidłowe napięcie paska zapewniane jest przez rolkę napinacza;

- zawór – składa się z trzonka i grzybka, umożliwia wymianę ładunku i szczelne zamknięcie prze-

strzeni roboczej. Zamocowany głowicy poprzez prowadnicę i posadowiony na gnieździe zaworo-
wym,

- sprężyna zaworowa zapewnia docisk zaworu do gniazda,
- zespół hydraulicznego kompensatora luzu zaworowego, stanowi element przeniesienia napędu z

krzywki wałka rozrządu na trzonek zaworu oraz zapewnia automatyczne kasowanie luzu zaworo-
wego.

2.5 Układ smarowania

Silniki tłokowe smarowane są ciśnieniowo, olej krążący w silniku spełnia ważną rolę w zapewnieniu

prawidłowej pracy silnika spełniając następujące zadania:

- wypełnia nierówności współpracujących powierzchni i rozdziela je zmniejszając tarcie występujące

między nimi zmniejszając ich zużycie,

- chłodzi części silnika od wewnątrz,
- poprawia szczelność komory spalania,
- zapobiega korozji części silnika, w okresie gdy silnik nie jest eksploatowany,
- rozpuszcza i zmywa osady, głównie powstające na tulei, tłoku i pierścieniach.

Głównymi węzłami kinematycznymi, do których doprowadzany jest olej są łożyska ślizgowe główne

i korbowe, łożyska ślizgowe wałka rozrządu oraz gładź tulei cylindrowych.

Zbiornikiem oleju w silniku jest misa olejowa, z niej olej zasysany jest pompą zębatą napędzaną od

wału korbowego i podawany dalej do magistrali olejowej w kadłubie silnika. Układ kanałów umożliwia
doprowadzenie oleju do łożysk głównych wału korbowego a dalej kanałami wewnątrz wału (rys.3) do ło-
ż

ysk korbowych. Odpowiednie kanały olejowe wewnątrz kadłuba łączą się z kanałami w głowicy umoż-

liwiając doprowadzenie oleju do łożysk wałka rozrządu i hydraulicznych kompensatorów luzu zaworo-
wego. W drodze powrotnej do misy olejowej olej przepływa przez filtr.

2.6 Układ chłodzenia

Układ chłodzenia ma za zadanie utrzymywać stała temperaturę pracy silnika, co pozwala przede

wszystkim na utrzymanie poprawnych parametrów smarnych oleju oraz utrzymanie założonych przez
projektanta luzów konstrukcyjnych wewnątrz silnika.

Przepływ cieczy chłodzącej przez kanały wewnątrz silnika zapewnia pompa napędzana paskiem roz-

rządu od wału korbowego. Ciecz w pierwszej kolejności omywa tuleje cylindrowe, dalej przepływa od-
powiednimi kanałami do głowicy. W głowicy głównymi elementami wymagającymi chłodzenia są gniaz-
da zaworów (poprzez gniazda odprowadzane jest ciepło z zaworów). Z silnika ciecz przepływa do chłod-
nicy będącej wymiennikiem ciepła typu woda – powietrze. Na wylocie cieczy z silnika znajduje się zawór
termostatyczny, regulujący w zależności od temperatury cieczy, jej przepływ przez chłodnicę. Jeżeli sil-
nik jest zimny (po rozruchu) termostat odcina przepływ cieczy do chłodnicy i kieruje ją kanałem poza
chłodnicą ponownie do silnika. W miarę rozgrzewania się silnika zawór stopniowo otwiera przepływ cie-
czy przez chłodnicę a przy rozgrzanym silniku cała ciecz krąży przepływając przez chłodnicę. W przy-
padku niewystarczającego przepływu powietrza przez chłodnicę (samochód stoi) uruchamiany jest wen-
tylator wymuszający przepływ powietrza.

7

Literatura

1. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe. WKŁ, Warszawa 1988.
2. Niewiarowski K.: Tłokowe silniki spalinowe. WKŁ, Warszawa 1983.
3. Wajand J.A.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe. Wydawnictwo Naukowo – Tech
niczne, Warszawa 1995.
4. Instrukcja obsługi i napraw samochodu Audi 100.

8

KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH

Nazwisko i imię: ................................................................................. Grupa: ......... Data: .......................

Ćwiczenie 1

B

udowa i identyfikacja elementów silnika spalinowego

1. Pomiar wielkości charakterystycznych:

Ś

rednica cylindra D

=

mm

Skok tłoka S

=

mm

Liczba cylindrów i

=

mm

2. Wyznaczenie objętości skokowej

[ ]

3

3

2

10

4

cm

i

S

D

V

ss

⋅

⋅

⋅

⋅

=

π

3

cm

V

ss

=