Pierwszenstwo: Opublikowano: 5. IV. 1965 49369 KI.MKP UKD Twórca wynalazku: doc. inz. Witold Kreglewski Wlasciciel patentu: Zjednoczenie Przemyslu Taboru Kolejowego Przed siebiorstwo Panstwowe, Poznan (Polska) Cylinder silnika spalinowego, nadajacy sie do bardzo wysokich obciazen mechanicznych i cieplnych Wynalazek dotyczy konstrukcji cylindra sil¬ nika spalinowego nadajacego sie do wysokich obciazen mechanicznych i cieplnych.W budowie silników spalinowych obserwuje sie wyrazna tendencje do stalego wzrostu mocy jednostkowych i to zarówno w odniesieniu do jednostki objetosci jak i w odniesieniu do 1 cylin¬ dra. Moc jednostkowa w odniesieniu do jednostki objetosci jest proporcjonalna do iloczynu sred¬ niego uzytecznego cisnienia w cylindrze i ilosci obrotów walu korbowego. Wysilki konstruktorów zmierzaja do stalego zwiekszenia kazdego z po¬ wyzszych czynników. Jednakze powiekszanie ilosci obrotów jest zwiazane z powiekszaniem szybkosci tloków, co odbija sie ujemnie na zywotnosci ogladzi cylindrowej i pierscieni tlokowych. Pozo¬ staje wiec sposób, polegajacy na powiekszeniu koncentracji energii w cylindrze silnika spali¬ nowego poprzez zwiekszenie sredniego uzytecz¬ nego cisnienia w cylindrze. Wiadomo, ze po¬ wiekszenie tej wartosci mozna uzyskac przez powiekszenie ladunku powietrza w cylindrze czyli przez doladowanie, stosowane juz powszechnie w konstrukcjach silników wysokopreznych sred¬ niej i duzej mocy. Przez zastosowanie doladowa¬ nia silnika spalinowego podnosi sie poziom pra¬ wie wszystkich cisnien w cyklu roboczym silnika.Dla konstruktora i dla obliczen wytrzymaloscio- 10 20 25 wych istotne jest zwiekszenie cisnien w fazach sprezania, spalania i rozprezania.Podwyzszenie cisnien, glównie w fazach spala¬ nia i rozprezania, powoduje dwojaki wzrost na¬ prezen w sciance tulei cylindrowej: a) Naprezenia pochodzenia czysto mechanicz¬ nego, jako wynik przejmowania przez material tulei sil wynikajacych z cisnienia gazów; sa to naprezenia normalne, dodatnie (rozciaganie), skie¬ rowane obwodowo w przekroju poprzecznym tulei, w przyblizeniu o stalej wartosci w calej grubosci tulei, b) Naprezenia pochodzenia cieplnego, jako wy¬ nik róznej rozszerzalnosci wewnetrznych i zew¬ netrznych warstw materialu, spowodowanej róz¬ nymi temperaturami tych warstw; powstajaca róznica temperatur jest proporcjonalna do inten¬ sywnosci strumienia cieplnego przeplywajacego przez scianke tulei. Z kolei, wartosc ta zalezy od wielkosci wspólczynnika powierzchniowej wy¬ miany ciepla po stronie gazowej, który jest pro¬ porcjonalny do pierwiastka kwadratowego z cis¬ nienia gazów.Tak wiec wzrost cisnien w cylindrze rzeczywi¬ scie powoduje wzrost naprezen pochodzenia me¬ chanicznego oraz naprezen cieplnych, przy czym naprezenia mechaniczne maleja ze wzrostem gru¬ bosci scianki, natomiast naprezenia cieplne rosna ze wzrostem grubosci scianki. W znanych kon* 493693 49369 4 strukcjach silników spalinowych suma tych na¬ prezen decyduje zazwyczaj o dopuszczalnym do¬ ladowaniu silnika, a zarazem o osiagalnym sred¬ nim uzytecznym cisnieniu.Znane sa juz konstrukcje cylindrów, w których wlasciwa scianka cylindra stanowi scianke prze¬ dzialowa majaca za zadanie przewodzenie ciepla.Scianki te w znanych konstrukcjach sa zaopa¬ trzone w pierscieniowe zebra, które na swym zewnetrznym obwodzie opieraja sie o wewnetrz¬ na powierzchnie tulei wzmacniajacej. Te znane konstrukcje wykazywaly te wade, ze trudno bylo uzyskac kompensacje wzdluzna róznicy wydluzen pomiedzy cieplejsza scianka przedzialowa cylindra a chlodniejsza zewnetrzna tuleja wzmacniajaca.Ponadto chlodzenie samej scianki przedzialowej na calej powierzchni nie bylo przy zastosowaniu pierscieniowych zeber dostatecznie równomierne.Równiez przenoszenie promieniowych sil gazo¬ wych na zewnetrzna tuleje wzmacniajaca nie bylo w pelni równomierne wzdluz cylindra.W cylindrze wedlug wynalazku zostala zasto¬ sowana powyzsza zasada, wedlug której wlasciwa scianka cylindra przejmuje funkcje scianki prze¬ dzialowej przewodzacej cieplo, zas funkcje wy¬ trzymalosciowa przejmuje pierscien zewnetrzny, nasadzony na "cylinder w miejscu najwiekszych naprezen mechanicznych. Uzyskuje sie przy tym calkowite rozgraniczenie funkcji cienkosciennej, niesamonosnej przegrody miedzy wnetrzem cylin¬ dra, gdzie znajduja sie gorace gazy, a czynnikiem chlodzacym (najczesciej woda) od funkcji wy¬ trzymalosciowej grubosciennego pierscienia zew¬ netrznego.Wedlug wynalazku, przegrode od zewnetrznej strony cylindra zaopatruje sie w drobnowymiaro- wane rowki srubowe prawo^ i lewoskretne, po¬ wodujace powstanie miedzy tymi rowkami ma¬ lych, mozliwie regularnych i regularnie rozmiesz¬ czonych wysepek. Do wykonania takich rowków i powstania tych wysepek mozna zastosowac na przyklad frezy do obróbki kól zebatych lub in¬ nych narzedzi. Taka technologia zapewnia zadana intensywnosc i równomiernosc chlodzenia tulei na calym obwodzie i nie dopuszcza w ten spo¬ sób do owalizacji tulei cylindrowej wskutek nie¬ równomiernego rozkladu temperatur.Cylinder wedlug wynalazku uwidoczniono przy¬ kladowo na zalaczonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia cylinder silnika, czesciowo w przekroju wzdluznym i w widoku z zewnatrz z czesciowym wykrojem uwidaczniajacym kanalki naciete na tulei; fig. 2 cylinder w przekroju po¬ przecznym.Rozwiazanie uwidocznione na rysunku przezna¬ czone jest zasadlniczó dla wysokopreznego silnika dwusuwowego z przeciwbieznymi tlokami, lecz moze tez byc zastosowane do innych silników spalinowych. Wysokie obciazenia, o których uprzednio byla mowa, wystepuja tylko na nie¬ wielkich dlugosciach liczac od górnego (zewnetrz¬ nego) zwrotnego punktu kazdego tloka; dlugosci te na pewno nie przekraczaja okolo polowy skoku kazdego tloka i odpowiadaja obrotom walów kor¬ bowych o okolo 90°, W przypadku silnika z przeciwbieznymi tlokami wystepuje pewna asymetria ukladu, wynikajaca, z katowego przestawienia wykorbien 12 i 13 dla wlasciwego sterowania szczelin wlotowych 3 i wy¬ lotowych 5r. Poza tym niebezpiecznym obszarem,, wystarczy zwyczajna konstrukcja cylindra zlozo¬ na z tulei cylindrycznej 1 o okreslonej, normal¬ nej grubosci scianki, z plaszcza wodnego 2 po stronie szczelin wlotowych 3 oraz z plaszcza wod¬ nego 4 po stronie szczelin wylotowych 5. W czesci srodkowej nacina sie w wyjsciowej grubosci scian¬ ki tulei 1 zewnetrzne, drobnowymiarowe rowki 6, wykonane wzdluz prawo- i lewoskretnej linii srubowej tak, by miedzy tymi rowkami pozostaly male, mozliwie równe i regularnie rozmieszczone wysepki 7, przy czym nie moze byc naruszona srednica zewnetrzna wlasciwego cylindra 1.Powstale srubowe krzyzujace sie pod dowolnym katem rowki 6 stanowia jak gdyby luki miedzy- zebne. Nalezy je frezowac na taka glebokosc, aby pozostawala tylko minimalna grubosc materialu, wynikajaca z lokalnej, miedzywysepkowej wy¬ trzymalosci. Ta minimalna grubosc wypada znacz¬ nie mniejsza od normalnych grubosci scianek po¬ dobnych tulei cylindrowych, pod warunkiem wy¬ konania rzeczywiscie drobnowymiarowych rowków, to znaczy pod warunkiem nacinania po kilka¬ dziesiat luk miedzyzebnych (= ilosci zebów) pra¬ wo- i lewoskretnych. Po nasunieciu na tak przy¬ gotowana tuleje zewnetrznego, grubosciennega pierscienia 9 powstaja zamkniete kanalki dla przeplywu cieczy chlodzacej. Male wymiary i ge¬ sta siatka tych kanalków zapewniaja bardzo intensywne chlodzenie w miejscach najbardziej tego wymagajacych. Ponadto duza intensywnosc odprowadzenia ciepla w polaczeniu z mala od¬ legloscia chlodziwa od wewnatrz cylindra ze wzgledu na mala grubosc przegrody 8 prowadza do obnizenia temperatury wewnetrznej powierzch¬ ni scianki tulei, a tym samym do polepszenia smarowania gladzi cylindrowej oraz do zmniej¬ szonego zuzycia tej gladzi i pierscieni tlokowych.Miedzykanalkowe, regularnie rozmieszczone wy¬ sepki 7 sluza do promieniowego, symetrycznego przenoszenia sil, wywolanych cisnieniem gazów na zewnetrzny pierscien 9, który winien byc jedy¬ nym elementem przejmujacym naprezenia obwo¬ dowe. Przez odpowiedni dobór wymiarów piers¬ cienia zewnetrznego 9 mozna uzyskac takie po¬ wiekszenie jego srednicy wewnetrznej pod wply¬ wem obciazen mechanicznych, by odpowiadalo- ono cieplnemu powiekszeniu zewnetrznej sredni¬ cy wysepek 7, wynikajacemu z róznicy miedzy srednia temperatura przegrody 8 i wysepek 7,, a temperatura pierscienia zewnetrznego 9; wtedy zanikaja w materiale przegrody 8 naprezenia obwodowe pochodzenia mechanicznego. Oczywis¬ cie, przy innych wartosciach cisnien gazów i ob¬ ciazen cieplnych, odbiegajacych od wielkosci przy¬ jetych do obliczen, moga znowu wystapic pewne naprezenia obwodowe w przegrodzie 8, ale piers¬ cien zewnetrzny 9, jako podstawowy element nosny, pozostanie nadal zasadniczo wolny od na¬ prezen cieplnych. Wobec znacznie zmniejszonej 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6049369 grubosci przegrody 8, a tym samym, wobec znacz¬ nego obnizenia naprezen cieplnych w materiale przegrody, te róznicowe naprezenia obwodowe ty¬ pu mechanicznego nie zagrazaja proponowanej konstrukcji cylindra, która dopuszcza w ten spo¬ sób znacznie wieksze wartosci obciazen mecha¬ nicznych i cieplnych anizeli to bylo mozliwe w dotychczasowych konstrukcjach.Wobec rozdzielenia charakteru obciazen otrzy¬ muje sie duza swobode w doborze materialów na tuleje cylindrowa (mala scieralnosc, dobre wlasnosci ruchowe, niska wytrzymalosc mecha¬ niczna) oraz na pierscien zewnetrzny (duza wy¬ trzymalosc mechaniczna, brak obciazen cieplnych).Dla uzyskania kompensacji wzdluznej róznicy wydluzen miedzy cieplejsza przegroda 8 a chlod¬ niejszym pierscieniem zewnetrznym 9, ten ostatni posiada kilka promieniowych wciec wewnetrz¬ nych 10 i zewnetrznych 11.Konstrukcja cylindra wedlug wynalazku umoz¬ liwia dalsze znaczne podwyzszenie doladowania silników spalinowych, a zarazem podwyzszenie osiagalnych wartosci sredniego uzytecznego cis¬ nienia, które jest miernikiem nowoczesnosci sil¬ nika.Omówiona szczególowo zasada konstrukcyjna 5 cylindra dla 2-suwowego silnika wysokopreznego z zaplonem samoczynnym i przeciwbieznymi tlo¬ kami moze byc odpowiednio wykorzystana przy konstrukcji innych typów silników spalinowych. 10 25 PL