Wymagania objętościowe stawiane układom dolotowym silnika Fiat126p

ukl.dolotowyUkład dolotowy wraz z zaworami i szczelinami zaworowymi spełnia w silniku złożone i odpowiedzialne zadania: doprowadzenia i rozdziału do cylindrów silnika świeżego ładunku, a w przypadku zasilania gaźnikowego — także przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej. Ponadto budowa układu dolotowego ma wpływ na wstępne zawirowanie ładunku w cylindrze oraz na przebieg charakterystyki momentu obrotowego (a więc na elastyczność silnika). W związku z pulsującym charakterem przepływu ładunku istotne są również właściwości dynamiczne układu dolotowego. Kompleksowe obliczenia, mające na celu ocenę właściwości układu dolotowego uwzględniające wszystkie istotne w pracy silnika czynniki, są zadaniem trudnym i pracochłonnym (a obecnie tylko w części możliwym do realizacji). W niniejszej pracy dokonano próby oceny wpływu objętości układu dolotowego na jego parametry przepływowe i charakterystyki gaźnikowych silników spalinowych.

Wymagania objętościowe stawiane układom dolotowym silnika
Spośród wielu czynników warunkujących poprawny przebieg procesu przygotowania mieszanki, do najważniejszych — zależnych od konstrukcji układu dolotowego — należą: prędkość przepływu mieszanki oraz jej ciśnienie. W literaturze brak jest informacji i opracowań precyzujących cechy geometryczne układu dolotowego oraz ich wpływ na wymienione czynniki. Także niepełne są informacje dotyczące własności przepływowych układów dolotowych większości eksploatowanych w kraju silników spalinowych.

W celu uzyskania koniecznych informacji o układach dolotowych typowych tłokowych silników spalinowych, autorzy przeprowadzili ich analizę oraz obliczyli najbardziej charakterystyczny wskaźnik porównawczy kd.
Vd — objętość układu dolotowego silnika mierzona od punktu zamocowania gaźnika (silniki ZI) lub od punktu wlotu do kolektora (silniki ZS),
Vc — pojemność skokowa jednego cylindra,
k — współczynnik wynikający z zachodzenia na siebie faz napełniania (k = 1 — silniki 2-, 3-, 4-cylindrowe; k = 1,5 — silniki 6-cylindrowe; k — 2 — silniki 8-cylindrowe).

Wartość wskaźnika kd, dla silników samochodu Polski Fiat 126p jest kilkakrotnie niższa niż dla silników innych pojazdów. W znacznym stopniu wynika to z rozwiązania konstrukcyjnego tych silników, kanały kolektora dolotowego stanowią integralną część głowicy silnika. Występowanie geometrii układu dolotowego powinien decydować świadomy i celowy kompromis. Wydaje się jednak, że wskutek niedoceniania znaczenia wielkości objętości układu dolotowego spotykane układy dolotowe nie spełniają w zadowalającym stopniu swych zadań.

Wpływ objętości układu dolotowego na przepływ powietrza przez gaźnik
Stosunkowo duża rozbieżność charakterystycznych wskaźników objętościowych była powodem wykonania analizy numerycznej mającej na celu ocenę przepływu powietrza przez układ dolotowy silnika, przy założeniu jego różnych objętości, w zależności od położenia kątowego wału korbowego. Obliczeń prędkości przepływu powietrza przez zawór dolotowy i gardziel gaźnika (wynikających ze zmian ciśnienia) oraz masowego natężenia przepływu powietrza dokonano przyjmując następujące założenia:

– każdy cylinder zasilany jest własnym gaźnikiem,
– temperatura w układzie dolotowym równa jest temperaturze otoczenia,
–  cylinder napełniany jest powietrzem.

Przy małej objętości u!kładu dolotowego (Vd/Vc = 0,2) występuje zmienność natężenia przepływu przez gardziel gaźnika, bardzo zbliżona do natężenia przepływu przez szczelinę zaworową. Z przebiegu podanych wielkości wynika, że ze wzrostem objętości układu dolotowego do wartości V/Vc = 1,0 maksymalna wartość masowego natężenia przepływu maleje i przesuwa się w kierunku zwrotu wewnętrznego tłoka. Wynika to stąd, że aktualnie napełniany cylinder najpierw zasysa mieszankę zgromadzoną już w układzie dolotowym silnika, a dopiero w miarę obniżania w nim ciśnienia (na skutek odsysania do cylindra) wzrasta natężenie przepływu przez gardziel gaźnika i następuje uzupełnienie mieszanki w układzie dolotowym.

Od pewnej granicznej wartości objętości układu dolotowego nie ma zwrotnego przepływu mieszanki po minięciu przez tłok zwrotu wewnętrznego. Zwrotny przepływ mieszanki przez gaźnik powoduje dodatkowe jej wzbogacenie. Wynika ono z faktu, że mieszanka przepływająca przez gaźnik (nawet w kierunku przeciwnym) zasysa pewną ilość paliwa wskutek wytwarzanego w gardzieli podciśnienia. Tak wzbogacona mieszanka dostaje się do cylindra przy kolejnym suwie napełnienia.

Z punktu widzenia warunków pracy gaźnika pożądane jest, aby pulsacja przepływu powietrza przez gaźnik była jak najmniejsza. Zwiększenie stosunku objętości układu dolotowego do pojemności skokowej cylindra powoduje zmniejszenie pulsacji przepływu mieszanki przez gardziel gaźnika oraz zmniejszenie (lub nawet zanik) przepływu zwrotnego przez gaźnik. Umożliwia to lepsze przygotowanie mieszanki oraz zmniejszenie zużycia paliwa. Należy zaznaczyć, że pulsacja przepływu przez gaźnik zależy przede wszystkim (oprócz omówionych czynników) od liczby cylindrów zasilanych przez jeden gaźnik.

Zwiększenie objętości układu dolotowego
Przedstawione zestawienie charąkterystycznych wskaźników objętościowych oraz analiza przepływu powietrza przez silnik, dla różnych objętości układu dolotowego, wskazuje na celowość zwiększenia objętości układu dolotowego silnika PF 126p. W celu zwiększenia pojemności układu dolotowego, należy zainstalować między głowicą silnika a gaźnikiem dodatkową metalową podkładkę i podłączyć do niej szczelne naczynie ciśnieniowe (o objętości ok. 0,2 dm8). Podana modyfikacja umożliwia zwiększenie objętości układu dolotowego silnika do wartości Vd = 248 cm8 (w rozwiązaniu wytwórcy Vd = 108 cm3). Wówczas, np. dla silnika 126A1 wskaźnik porównawczy kd wzrasta od wartości 0,33 (standard) do 0,76 (z dodatkową pojemnością), tj. przyjmuje wartość zbliżoną do występujących w innych konstrukcjach.

Analiza cech konstrukcyjnych samochodu dostawczego z poprzecznie usytuowanym silnikiem

Konsekwencje zastosowania w samochodzie dostawczym przedniego napędu i usytuowania silnika poprzecznie, podobnie jak to ma miejsce w nowoczesnych samochodach osobowych, są liczne i w większości przypadków pozytywne. Można je kolejno przeanalizować rozpatrując następujące zagadnienia.

Liczba i jakość miejsc w kabinie.
Poprzeczne umieszczenie silnika w kabinie pozwala uzyskać płaską podłogę w strefie nóg kierowcy i pasażerów oraz przesunąć do przodu przednią ścianę kabiny. Dzięki temu kabina staje się przelotowa, wszystkie trzy miejsca są pełnowartościowe, zapewniając wygodną pozycję kierowcy i obydwu pasażerom. W dotychczasowych rozwiązaniach miejsce jednego z pasażerów było bardzo niewygodne ze względu na rozbudowaną pokrywę silnika

Izolacja termo-akustyczna kabiny
Z doświadczeń nad wyciszaniem kabin pojazdów wynika, że warunkiem uzyskania niskiej głośności wewnętrznej jest zapewnienie szczelności ścian kabiny sąsiadujących ze źródłem hałasu. Najlepsze wyniki, spełniające nawet z pewnym zapasem wymagania wynikające z odnośnych norm i przepisów, uzyskuje się w kabinach pozbawionych jakichkolwiek odejmowanych pokryw. Usytuowanie silnika w poprzek samochodu umożliwia zrezygnowanie z dostępu do niego od strony kabiny, co stwarza warunki uzyskania niskiej głośności wewnętrznej. Jest rzeczą oczywistą, że szczelna ściana przednia i połączona z nią na stałe podłoga zapewniają dobrą izolację cieplną i skutecznie chronią przed przedostawaniem się spalin.

Dostęp do silnika i jego osprzętu
Silnik znajduje się w wydzielonej komorze zaopatrzonej w pokaźnych rozmiarów pokrywę. Zapewnia to dobry dostęp do poszczególnych węzłów silnika w czasie czynności obsługowych i bieżących napraw. Celowi temu służy również wyjmowana przednia ściana nadwozia, a także pochylenie silnika do przodu lu’b do tyłu, stosownie do jego budowy.

Strefa zgniotu nadwozia
Z punktu widzenia czołowego zderzenia pojazdu, stworzenie niezbędnej strefy zgniotu nadwozia musi być brane pod uwagę w nowych konstrukcjach, toteż poprzeczne usytuowanie silnika jest korzystne. Szerokość silnika jest znacznie mniejsza niż jego długość. Umożliwia to uzyskanie wymaganej na zgnioty przestrzeni przy zachowaniu komory silnikowej o niewielkiej długości.

Siła napędowa
Cechą charakterystyczną samochodów z przednim napędem jest duży nacisk kół napędzanych — korzystny z uwagi na możliwość przeniesienia siły napędowej. Szczególnie cenne jest to, że duży nacisk występuje także przy nie obciążonym pojeździe. Cecha ta, nawet w nieco większym stopniu, występuje również przy silniku usytuowanym poprzecznie.

Zwartość i prostota układu napędowego
Układ napędowy napędzający koła przednie pojazdu usytuowany wzdłużnie lub poprzecznie ma zbliżony stopień zwartości konstrukcji, z nieznaczną przewagą na rzecz bloku poprzecznego. Również pod względem prostoty technologicznej układ poprzeczny jest korzystniejszy głównie dzięki zastąpieniu stożkowej przekładni głównej parą kół zębatych walcowych i możliwości stosowania tańszych łożysk.

Długość samochodu
Wskaźnikiem zwartości konstrukcji ,pojazdu może być stosunek długości przestrzeni użytkowej do długości całkowitej samochodu. W przypadku samochodów z poprzecznym silnikiem wartość tego wskaźnika wynosi, w zależności od odmiany, 0,56 do 0,62. Jest ona porównywalna do wartości spotykanych w innych samochodach z przednim napędem.

Kształt przestrzeni użytkowej
Samochody dostawcze z przednim napędem, dzięki zgrupowaniu mechanizmów napędowych w przedniej części pojazdu mają korzystnie rozwiązaną przestrzeń użytkową (mały wznios podłogi, duża wysokość wnętrza ułatwiająca prace przeładunkowe, płaska podłoga, stosunkowo duża długość i objętość strefy przeznaczonej na umieszczenie ładunków). Usytuowanie silnika wzdłuż lub w poprzek samochodu nie ma istotnego znaczenia ani wpływu na omówione wyżej zalety.

Problemy hamowania pojazdu
Usytuowanie silnika i mechanizmów napędu w strefie przedniej osi samochodu dostawczego sprawia, że rozkład nacisków na osie nie jest korzystny zwłaszcza przy nieobciążonym pojeździe. Na oś przednią przypada ponad 60% masy pojazdu, a w czasie hamowania następuje dalsze dociążanie przednich kół i odciążanie tylnej osi. Wyłania się więc problem takiego zaprojektowania pojazdu, aby przy jeździe bez ładunku, lecz z trzema osobami w kabinie nie dochodziło do odrywania tylnych kół od jezdni nawet w czasie najostrzejszego hamowania. Poprzeczne usytuowanie silnika pogarsza sytuację, gdyż znajduje się on przed przednią osią i nieco wyżej niż w przypadku usytuowania wzdłużnego. Pojawienie się jednak w produkcji seryjnej samochodu dostawczego z poprzecznie usytuowanym silnikiem dowodzi, że problem ten daje się rozwiązać.

Napęd wszystkich kół pojazdu
W samochodzie o klasycznym układzie napędu oraz w pojazdach przednionapędowych z silnikiem usytuowanym wzdłużnie uzyskanie odmiany z napędem wszystkich kół jest możliwe aczkolwiek okupione rozbudowaniem układu napędowego. Przy poprzecznym usytuowaniu silnika napędzanie wszystkich kół jest również możliwe, ale w stosunku do rozwiązania podstawowego zakres zmian jest większy. W szczególności konieczne jest wprowadzenie do układu napędowego dwu par przekładni stożkowych, co w sposób istotny odbija się na koszcie pojazdu. Jednakże obecnie, kiedy samochody szosowe (z napędzaną jedną osią) produkowane są wielkoseryjnie, a samochody uterenowione powstają jako odrębne konstrukcje w specjalistycznych zakładach są wytwarzane w nieporównywalnie mniejszych ilościach, warunek łatwego uzyskania odmiany 4 X 4 z każdego samochodu podstawowego rzadko kiedy jest wymagany i nie ma uzasadnienia ekonomicznego.