Kolejność projektowania

Na przykład modele elastooptyczne lub zmniejszone modele dużych konstrukcji umożliwiające zastosowanie metody kruchych pokryć (na prototypie często niewykonalnej ze względu na jego wielkość). Projektowanie silnika przebiega zwykle w następującej kolejności.

1. Ustalenie średniego ciśnienia użytecznego pe, na podstawie założeń wstępnych, przyjętych dla projektowanego silnika.

2. Ustalenie wymiarów głównych silnika, tj. średnicy cylindra D i skoku tłoka S.

3. Wykonanie rysunku i obliczeń wytrzymałościowych tłoka z pierścieniami i sworzniem.

4. Ustalenie X = r/l = S/2 l (a stąd długości korbowodu) oraz średnicy czopa korbowego.

5. Wykonanie szkicu korbowodu i wykorbienia wału, sprawdzenie nacisków i naprężeń występujących w tych elementach; w razie pozytywnego wyniku – wykończenie projektu tłoka, korbowodu i wykorbienia wału.

6. Ustalenie zarysu przeciwciężaru i obliczenie jego grubości oraz śrub mocujących.

7. Wyznaczenie na przekroju poprzecznym krzywych opisywanych przez zewnętrzne punkty obrysu korbowodu.

Dalsze kroki

W tym celu wycina się z papieru makietę korbowodu i na rysunku naśladuje jego ruch podczas pracy, tzn. przesuwa łeb korbowodu wzdłuż osi cylindra, a stopę – po okręgu zatoczonym promieniem wykorbienia zaznaczając na rysunku punkty krzywych opisywanych przez najbardziej wystające części korbowodu oraz największe wychylenia boczne obrysu trzon. Obwiednią tych krzywych określa granicę, do której można się zbliżyć projektując dalej silnik. 8. Obliczenie średnic zaworów i rozwiązanie układu komory spalania (rozmieszczenie zaworów, wtryskiwacza lub świecy, komory pomocniczej itp.) oraz kanałów dolotowych i wylotowych. 9. Ustalenie położenia wału rozrządu oraz zaprojektowanie jego napędu. 10. Zaprojektowanie tulei cylindrowej, bloku cylindrowego oraz reszty kadłuba i głowicy. Przebieg ostatnich z wymienionych prac jak również dalsze prace projektowe nad rozwiązaniem układu chłodzenia, układu olejenia, układu zasilania paliwem, koła zamachowego itp., zależą od konstrukcji i nie dają się ująć w ramowy schemat postępowania.

Wybór współczynnika nadmiaru powietrza

Wybór współczynnika nadmiaru powietrza X, który w trakcie obliczeń cieplnych jest zasadniczym wskaźnikiem określającym wysokość średniego ciśnienia użytecznego, lub też bezpośredni dobór pe zależy w głównej mierze od przewidywanych warunków pracy charakteryzujących obciążenie silnika. W latach powojennych ustaliło się wyraźnie – zwłaszcza w zakresie silników szybko- i średniobieżnych – dążenie do budowy silników o możliwie szerokim zastosowaniu. Przystosowanie silnika do różnych celów odbywa się przez odpowiednią regulację, a w razie potrzeby również przez zmianę niektórych jego elementów lub wyposażenia. Typowym przykładem silnika uniwersalnego może być silnik PERKINS 99, który zależnie od przeznaczenia jest różnie przez wytwórcę regulowany; w zastosowaniu do samochodu osobowego moc użyteczna wynosi 31,8 kW przy 4000 obr/min, w zastosowaniu do samochodu ciężarowego – 31,7 kW przy 3600 obr/min, w zastosowaniu do ciągnika – 26 kW przy 3000 obr/min, a jako silnik przemysłowy 26 kW przy 2850 obr/min.

Wielkości objętości skokowej

Wymiary te wyznaczają wielkość objętości skokowej która charakteryzuje również i większość innych parametrów geometrycznych silnika. Przystępując do projektowania silnika należy więc zawsze rozważyć możliwość ewentualnego zastosowania go w innych dziedzinach i w oparciu o to przyjąć do obliczeń odpowiednią wielkość. Po ustaleniu średniego ciśnienia użytecznego oblicza się najpierw objętość skokową jednego cylindra Vs, wykorzystując wzór na moc użyteczną silnika, współczynnik uwzględniający liczbę suwów na jeden obieg silnika; dla dwusuwu x = 1, dla czterosuwu t = 2, moc użyteczna silnika w kW, średnie ciśnienie użyteczne w MPa, prędkość obrotowa silnika w obr/min, liczba cylindrów. Znalezioną wielkość D zaokrągla się do najbliższej średnicy normalnej. Według PN/S-02010 w zakresie od 30 do 100 mm normalne wartości D kończą się na 0, 2, 5, oraz 8, w zakresie D = IOO-H 180 – na 0 oraz 5, a w zakresie ponad 180 mm wynoszą: 190, 200, 210 oraz 225. Następnie oblicza się skok tłoka S = k-D [cm].

Średnie ciśnienie użyteczne

Na podstawie ustalonej średnicy cylindra D oraz skoku tłoka S należy obliczyć ponownie średnie ciśnienie użyteczne, sprawdzając czy wynikające z zaokrąglenia wymiarów D oraz S’ odchylenie pe od wielkości założonej nie jest zbyt duże. Po ustaleniu średnicy cylindra D i skoku tłoka S oraz wyznaczeniu stopnia sprężania s zwykle oblicza się od razu kilka innych wielkości charakterystycznych, potrzebnych do dalszych obliczeń silnika, jak: objętość skokową, przy czym w ostatnim wzorze skok tłoka S podstawia się w metrach. Wybór typu silnika. W zakresie silników dużej mocy panuje niepodzielnie silnik z zapłonem samoczynnym. Podobnie przedstawia się sytuacja w zakresie średniej mocy, chociaż sporą grupę stanowią tu silniki z zapłonem iskrowym zasilane gazem ziemnym, rzadziej gazem wodnoczadowym. Zupełnie odmiennie przedstawia się sytuacja w zakresie silników małej mocy, w którym znajdują zastosowanie niemal wszystkie typy silników. Najbardziej rozpowszechnione są silniki z zapłonem samoczynnym oraz gaźnikowe silniki z zapłonem iskrowym.

Obecnie bez użycia EMC wykonuje się tylko obliczenia bardzo proste lub przybliżone, ponieważ obszerne obliczenia, np. dotyczące zagadnień optymalizacji nie mogą być ręcznie w ogóle wykonane. Znając warunki brzegowe można za pomocą elementarnych metod obliczeniowych (np. zasady Castigliano) wyznaczyć przebieg sił i momentów, a stąd rozkład i wartości naprężeń w stopie korbowodu. Wskutek tego bardzo uproszczonego założenia, tą metodą można względnie prawidłowo oszacować tylko rząd wielkości obciążeń oraz określić tendencję ich wzrostu przy zmianie głównych wymiarów stopy. Z prawej strony pokazano zastępczy schemat stopy korbowodu przygotowany do obliczeń metodą elementów skończonych (układ dwuwymiarowy). Cała stopa jest przedstawiona jako zbiór prostych, geometrycznych elementów płaskich, w tym przypadku trójkątów. Warunek zapewnienia równowagi statycznej i zgodności kinematycznej elementów prowadzi do układu równań liniowych z bardzo dużą liczbą niewiadomych – nie jest to łatwe zadanie.

Zmniejszanie wymiarów

Taki układ równań może być rozwiązany jedynie za pomocą dużej maszyny cyfrowej. Przez dowolne zmniejszanie wymiarów elementów można bardzo dokładnie odwzorować geometryczny kształt rozważanej części, dzięki czemu obliczone odkształcenia i naprężenia będą bardzo bliskie wartościom występującym w rzeczywistości. Za pomocą podobnego schematu zastępczego można rozwiązywać dowolne przypadki rozkładu obciążeń, np. takie jak pokazano na rysunku w książce Niewiarowskiego: od siły ciśnienia gazów Pg, siły bezwładności Pb i wstępnego napięcia śrub Ps. Porównanie “ręcznych” metod obliczeniowych z obliczeniami wykonywanymi na maszynach matematycznych pod względem nakładu czasu i środków na pewno w wielu przypadkach wypadnie na korzyść tych pierwszych. Z drugiej jednak strony możliwości wszechstronnych rozwiązań na EMC są nieporównywalnie większe. Dlatego pierwsze zgrubne obliczenie wykonuje się ręcznie. Dopiero gdy dochodzi się do przekonania, że ma się do czynienia prawie z ostatecznie wybraną konstrukcją stosuje się metodę elementów skończonych.

Uproszczenia przy projektowaniu silnika

W praktyce nie jest możliwe przeprowadzenie obliczania odzwierciedlającego w pełni rzeczywiste warunki pracy danego elementu, rzeczywiste wielkości obciążeń i przebieg ich oddziaływania na ten element. Zmusza to do wprowadzania w obliczeniach znacznych uproszczeń. Zasadniczo wyniki obliczeń mają więc tylko wartość porównawczą. Uzyskane wyniki porównuje się bowiem z wynikami obliczeń przeprowadzonych z zachowaniem takich samych założeń dla analogicznych elementów silników uznanych za konstrukcje udane. Z tego względu nie należy przyjmować dopuszczalnych naprężeń określonych dla odmiennych lub nieznanych warunków pracy, bądź też dla innych maszyn niż tłokowe silniki spalinowe. Ten sam materiał bowiem zależnie od warunków pracy może dopuszczać bardzo różnorodne naprężenia. Przykładem mogą tu być dopuszczalne wartości nacisku jednostkowego dla stopu cynowego, użytego na różne łożyska silnika wodzikowego: sanki wodzika pdop = 0,4-=-0,8 MPa, łożyska główne wału korbowego pdop = 8-J-10 MPa, łożyska wodzika pdop = 12H- 18 MPa.

Postęp w technice

Znaczny postęp w technice projektowania przede wszystkim dało wprowadzenie do obliczeń elektronicznych maszyn cyfrowych (EMC), co wymaga jednak istnienia odpowiednich metod obliczeniowych, dostosowanych do rozwiązania na EMC, oraz opracowania odpowiednich programów obliczeniowych. Dzięki rozwojowi dużych i szybkich maszyn matematycznych można obecnie wykorzystać znane już wcześniej skomplikowane metody obliczeń wytrzymałościowych oparte na teorii sprężystości, ujmowane obecnie pod wspólną nazwą “metoda elementów skończonych”. Różnicę, jaka leży obecnie między metodami obliczeń “ręcznych” a metodami obliczeń przystosowanych do wykonania na EMC, można prześledzić na przykładzie obliczenia korbowodu. Z lewej strony na rysunku u Niewiarowskiego pokazano schemat obliczeniowy stopy korbowodu, którą do szacunkowej oceny naprężeń traktuje się jako pręt silnie zakrzywiony o stałym przekroju i stałym momencie bezwładności na całym obwodzie (na rysunku przedstawiono tylko symetryczną połowę stopy).