Artykuł polecam osobom, które chcą wiedzieć wszystko o silnikach serii K :-), jest to kompendium wiedzy na temat ich budowy, nowoczesności i zasady działania.

W 1984 r. konstruktorzy Rovera rozpoczęli prace konstrukcyjne i badawcze nad nową serią silników, nazwaną "K", z wyróżnikiem cyfrowym zależnym od liczby zaworów w cylindrze. Rezultatem tych prac są trzy silniki: 1,1 K8, 1.4K8 i 1,4 K16. Mając na uwadze zmniejszenie masy opracowanych silników, postanowiono że głowica, kadłub i skrzynia korbowa zostaną wykonane ze stopu aluminium w postaci czterech odlewów. Pod pokrywą głowicy, wykonaną jako odlew ciśnieniowy, znajduje się "ruszt", na którym mieszczą się dolne połówki dwóch z sześciu łożysk wału rozrządu. Pozostałe dolne obsady łożysk wału rozrządu są wykonane w górnej części obsady głowicy.

Kadłub silnika, w którym są osadzone mokre tuleje cylindrów, jest głównym odlewem aluminiowym. Jego podstawa znajduje się na wysokości osi geometrycznej wału korbowego. Zamiast konwencjonalnego mocowania wału korbowego w kadłubie za pomocą oddzielnych pokryw przykręcanych śrubami, zastosowano pokrywy zintegrowane w jeden odlew. Jest on podobny do górnego, występującego w łożyskowaniu wału rozrządu, ale jego wymiary są większe. Od spodu silnik ma miskę olejową wykonana z blaszanej, stalowej wytłoczki. Oba zintegrowane odlewy wykonano ze stopu aluminium LM24, stosując używaną u Rovera technologię odlewania w piasku, pod małym ciśnieniem. Kadłub silnika wykonano z ulepszanego cieplnie lekkiego stopu LM25. Wszystkie odlewy, z których składa się zewnętrzna obudowa silnika są wzajemnie centrowane za pomocą kołków. Po złączeniu zintegrowanych w jeden dolny odlew pokryw z kadłubem i wzajemnym ustaleniu kołkami, podzespół ten jest nadzwyczaj sztywny i nie powstają przekoszenia osi otworów w ścianach czołowych. Jest to bardzo istotne, gdyż umożliwia się w ten sposób pracę silnika ze znaczną prędkością obrotową, zmniejszone zostają drgania, a sztywne i pewne podparcie łożysk głównych wału korbowego zapewnia trwałość. A poza tym silnik o sztywnej konstrukcji i wysokim kadłubie, z "głęboką" skrzynią korbową, może być nieco lżejszy, gdyż w niektórych miejscach można wykonać cieńsze ścianki odlewu lub zrezygnować z użebrowań.

Osobliwością konstrukcji jest sposób łączenia śrubami głównych odlewów silnika, zupełnie odmienny od powszechnie stosowanego, w silniku K zamiast łączeń części parami (głowica z kadłubem ze zintegrowanymi pokrywami dolnymi i górnymi) zastosowano metodę łączenia części długimi śrubami. W pierwszym silniku 1.3 K8, który pracował w 1985r. Zastosowano już metodę łączenia części, tworzący kadłub kompletny z głowicą i zintegrowanymi pokrywami, długimi śrubami - 412 mm. Śruby te miały średnicę 9 mm i byty wykonane z odkuwek stalowych. Gwinty tych śrub są walcowane. Łby śrub są umieszczone u góry silnika, a ich gwintowane końce są wkręcane w odlew o kształcie walka, który pełni podwójną rolę podpierając podkładki nakrętek długich śrub oraz służąc jako kanał oleju, dostarczanego do olejenia łożysk głównych wału korbowego.

Śruby długie wydłużają się po nagrzaniu silnika do normalnej temperatury pracy znacznie mniej niż łączone przez nie odlewy aluminiowe. Dlatego podczas montażu śruby te są dokręcane dosyć małym momentem, znacznie mniejszym niż w montażu konwencjonalnym. Po nagrzaniu silnika do normalnej temperatury pracy wzrasta siła docisku śrubami i wzajemny docisk części połączonych Ciągliwość w ramach sprężystości materiału śrub wystarcza dla skompensowania naprężeń, które mogą być wywołane dynamika pracy wewnętrznej silnika. Śruby przenoszą także wszelkie obciążenia spowodowane pulsacją ciśnienia i ruchem posuwisto-zwrotnym układu tłokowego. Skutkiem tego kadłub i głowica mogą być nieco lżejsze niż w przypadku, gdyby ich odlewy były narażone na przenoszenie wszystkich obciążeń. W silniku o konwencjonalnej budowie zbyt mocne dokręcenie śrub głowicy może spowodować poważne uszkodzenia. Konstrukcja silnika serii K wyklucza ten rodzaj uszkodzeń. Ponadto symetryczne rozłożenie śrub powoduje unikanie uszkodzeń, które wynikają z nierównomiernego rozmieszczenia obciążeń. Aluminium jest wrażliwe na asymetrię obciążeń, gdyż ma mały moduł sprężystości.

Pierwsze silniki K miały śruby częściowo widoczne. W celu poprawienia wyglądu zewnętrznego silnika zostały one osłonięte. W wyniku tego zabiegu silnik wygląda estetycznie i nie ma potencjalnych miejsc przecieków oleju, Osłony zalane w odlewie są wykorzystywane do spływu oleju z górnej części silnika do miski olejowej i powodują, że gorący olej spływający z góry silnika nie zalewa obracającego się wału korbowego i nie oddaje mu ciepła zawartego w oleju. Rozwiązanie to ma jednak pewne konsekwencje i skutki uboczne. Dlatego też wprowadzone zostały dodatkowe krótkie śruby mocujące zintegrowane pokrywy, konieczne zwłaszcza wtedy, gdy z jakichkolwiek powodów trzeba poluzować śruby długie.

Elementy układu tłokowego i korbowego

Zarówno silnik o pojemności skokowej 1,4 dm3, Jak silnik 1,1dm3 mają średnice cylindrów równe 75 mm. Silniki te różnią się skokiem tłoków. Silnik 1,4 dm³ ma skok 69 mm, a silnik 1,1 dm³ - 63 mm. Wał korbowy jest wykonany z żeliwa z grafitem sferoidalnym i jest podparty w pięciu łożyskach głównych. Średnica czopów głównych wynosi 45 mm. Cienkościenne panewki są wykonane z aluminium, powleczonego indem. Czopy korbowe wału mają średnice 43 mm. Wal jest kompletnie wyważony, za pomocą przeciwwag (dwie na każdym wykorbieniu). Siła poosiowa, działająca na wal korbowy od sprzęgła jest przenoszona przez środkowe łożysko główne. Krzywkowa pompa oleju z wbudowanym na wlocie zaworem bezpieczeństwa jest umieszczona na przednim czopie wału korbowego. Wiercone i zalane w odlewach przewody rurowe oleju wystarczają do prawidłowego olejenia silnika. Dzięki temu nie ma dodatkowych zewnętrznych przewodów oleju.

Oba silniki mają koła zamachowe tej samej średnicy. Na kołach tych są osadzone pierścienie magnetyczne, wykorzystywane do pomiaru prędkości obrotowej silników oraz położenia tłoka pierwszego cylindra.

Rozstaw osi otworów określający długość korbowodu wynosi 131,5 mm. Tak znaczną długość korbowodu uzyskano dzięki zwiększeniu o 14 mm wysokości kadłuba silnika, Tłoki są żebrowane wewnętrznie i mają po trzy pierścienie.

Wał rozrządu wykonany z odbielonego żeliwa Jest napędzany pasem zębatym o szerokości 25 mm którego przewidywana żywotność wynosi 160 tyś. km. Po zdjęciu pokrywy napędu pasowego są dostępne i widoczne koła pasowej przekładni zębatej. Pas zębaty napędzający również pompę wody jest naprężany za pomocą półautomatycznego napinacza, co ułatwia przede wszystkim montaż silnika i jego obsługę.

Szybkie nagrzewanie silnika

Tuleje cylindrów wykonane są z odlewów wykonywanych metodą odlewania odśrodkowego. Są one osadzone w kadłubie silnika za pomocą kołnierzy, znajdujących się w górnej części tulei. Rozstaw sąsiednich tulei wynosi 88 mm, u dołu tuleje są wprowadzone w odpowiednie Otwory w kadłubie silnika. Szczelność w tym miejscu uzyskuje się dzięki zastosowaniu dwóch uszczelniaczy pierścieniowych. Szczeliny dla przepływu płynu chłodzącego wokół tulei cylindrowych w opisywanej konstrukcji silnika są gwarantowane i mogą być dobierane konstrukcyjnie nieco mniejsze, niż w silniku z tulejami wykonanymi w odlewie kadłuba lub z tulejami suchymi. Płyn chłodzący jest dostarczany przez pompę wody, napędzana pasem zębatym przekładni napędu wału rozrządu. Przepływ płynu jest poprzeczny, wydostaje się on z kanałów, umieszczonych pod uszczelką podgłowicową, wzdłuż obu ścian kadłuba silnika płyn jest przepompowywany i rozprowadzany w sposób przemyślany i dokładny. Skutkiem tego objętość płynu w kadłubie silnika nie przekracza 1,2 dm. co jest wielkością bardzo małą, ale dzięki temu nagrzewanie silnika do normalnej temperatury pracy następuje szybko.

Uszczelka podgłowicowa jest wykonana bardzo nowocześnie. Jej okładziny są ze stali nierdzewnej. Otwory dla cylindrów mają brzegi osłonięte pierścieniami ognioodpornymi, które zostają ściśnięte pomiędzy powierzchniami przylegania głowicy i kadłuba. Brzegi otworów w uszczelce podgłowicowej, służące dla przepływu płynu chłodzącego, są osłonięte elastomerem. W ogólności, uszczelka podgłowicowa wymaga małego nacisku pomiędzy powierzchniami przylegania głowicy i kadłuba. Tego rodzaju uszczelka została zastosowana po raz pierwszy w małym silniku benzynowym. Okazała się jednak bardzo trwała we wszystkich przeprowadzonych próbach.

We wszystkich silnikach serii K są montowane popychacze hydrauliczne, przystosowane do pracy w silnikach o prędkości obrotowej do 7200 obr/min. W ten sposób rozrząd silnika K jest bezobsługowy. Zawory dolotowe silnika K16 mają średnicę 28 mm, a zawory wylotowe - 24 mm. Zawory są rozmieszczone symetrycznie w dwóch szeregach, pochylonych względem siebie pod kątem 45°. W jednym szeregu żebrowane są zawory dolotowe, a w drugim wylotowe. Każdy z dwóch wałów rozrządu napędza tylko jeden rodzaj zaworów. Skok zaworów obu rodzajów wynosi 8,2 mm. Świeca zapłonowa z gwintem M14, jest umieszczona w centralnym punkcie komory spalania, która ma kształt namiotu. Sprężyny zaworów są pojedyncze. Krzywki na wałkach rozrządu mają profil umożliwiający bezszumową pracę i zapewniają wysoką sprawność napędu. Kanały doprowadzające olej do popychaczy i napędu zaworów, są odlewane w głowicy od strony jej powierzchni przylegania do kadłuba i mają wyprowadzenie do łożysk wałka rozrządu.
Z założenia, które miało minimalizować koszty wytwarzania, oba rodzaje silników K16 i K8 powinny być wykonywane na tych samych, elastycznych (przezbrajanych) liniach obróbczych. W wyniku rozważań konstrukcyjnych okazało się, że klinowy kształt komory spalania umożliwia umieszczenie wału rozrządu silnika K8, w tym samym położeniu, co wał rozrządu napędzający zawory dolotowe silnika K16. Jednakże dla optymalizacji procesu spalania konieczne okazało się nachylenie zaworów o 28°, względem osi pionowej, zamiast o około 23°, jak w silniku K16. W celu zapewnienia maksymalnej sprawności wolumetrycznej i równocześnie najlepszego możliwie zawirowania ładunku, 4-zaworową komorę silnika K16 zaprojektowano ze szczególna troskliwością. Było to zresztą tym bardziej konieczne, że należało zapewnić szybkie spalanie, umożliwiające zastosowanie ubogiej mieszanki. Ładunek mieszanki dostarczany przez zawór dolotowy jest wprawiany w silny ruch wirowy około osi poziomej (nazywany "barrel swirl"), skierowanej w głąb komory spalania. W miarę podnoszenia się tłoka ku ZZ maleje średnica wiru, ale wzrasta prędkość jego obrotu. W pobliżu ZZ objętość, w której odbywa się zjawisko zawirowania, maleje do tego stopnia, ze wirowanie ładunku staje się niemożliwe. Jednak zgromadzona energia powoduje rozpadanie się monolitycznego dotychczas wiru na drobne miejscowe zawirowania. Są one szczególnie korzystne dla szybkiego zapalenia mieszanki i błyskawicznego rozprzestrzeniania się płomienia w komorze spalania. W ten sposób, wykorzystując zawartość komory ?namiotowej" i centralne położenie świecy zapłonowej, stworzono w silnikach K wszelkie warunki dla poprawnego spalania ubogiej mieszanki.

W produkowanych obecnie silnikach serii K najuboższe mieszanki powietrza z paliwem, które mogą być poprawnie spalane w silniku K16, mają wartości 21...24 stosunku powietrze/paliwo. Wynik ten uzyskano w silniku o pojemności 1397 cm³, ze stopniem sprężania E = 9,5:1, używając bezołowiowej benzyny 95 ROŃ i uzyskując moc 68 kM/dm³ pojemności silnika. Silnik K16 miał podczas tej próby prędkość obrotową 6250 obr/min, co dowodziło, że nie był u kresu wydolności układu dolotowego, gdyż prędkość obrotowa nie przekroczyła dopuszczalnego maksimum. Ten postęp w zakresie spalania ubogich mieszanek odpowiada powziętym w Brukseli postanowieniom, o stosowaniu układów dolotowych spalin z katalitycznym dopalaniem w samochodach o mniejszym litrażu. Dobrze zaprojektowana komora spalania, umożliwiająca sprawne spalanie ubogiej mieszanki, sprzyja wykorzystaniu bardzo sprawnej regulacji sondą lambda, zapewniającej stały skład stechiometryczny mieszanki (i = 1). Cykliczne zmiany składu mieszanki mogą być w komorze spalania silnika K16 bardzo dokładnie regulowane podczas jego pracy z prędkością obrotową biegu jałowego lub w jej pobliżu, kiedy to spalanie ubogiej mieszanki przyczynia się w znacznym stopniu do zachowania czystości spalin.

Zasilanie paliwem i zapłon elektroniczny

Jednopunktowy układ wtrysku stosowany w silniku K16 został skonstruowany przez Rovera. Wykorzystano w nim wtryskiwacz Boscha i znany elektryczny podgrzewacz mieszanki (PTC), umieszczony w specjalnie wydłużonym przewodzie wlotowym silnika. Wtryskiwacz został umieszczony w obudowie przepustnicy. Układy wtrysku paliwa i zapłonu są sterowane za pomocą nowego modułu (MEMS), który skonstruowano w centrum elektroniki Rovera w Gaydon. Moduł jest zintegrowany z mikroprocesorem Intel 8096, który ma pamięć 8-bitową i jest wykonany nowoczesnymi metodami montażu powierzchniowego, umożliwiającymi zmniejszenie wymiarów tego urządzenia. Układ sterujący ma własny system diagnostyczny, identyfikujący uszkodzenia. Z pomocą diagnoskopów warsztatowych, dołączanych do wtyczki kontrolnej, można dokonać kompletnej diagnostyki systemu, w zakresie normy US 83.

Świeca zapłonowa przewidziana dla silnika K ma obie elektrody miedziane w celu polepszenia przepływu ciepła. Elektroda masowa jest wykonana ze stopu niklu i ma rdzeń miedziany. Jej trapezoidalny przekrój ma pole o 50% większe niż w zwykłej świecy. Skutkiem tego erozja wywołana iskrzeniem niszczy elektrodę w mniejszym stopniu niż ma to miejsce w zwykłej świecy. W rezultacie świeca jest trwalsza i bardziej odporna na zanieczyszczenie podczas pracy w okresie nagrzewania silnika. Mniejsze jest również zagrożenie samozapłonem podczas wyłączania gorącego silnika.

Badania silników serii K

Spośród wszystkich wyrobów Rovera silniki serii K były badane najdokładniej i bardzo wszechstronnie. Samochody z silnikami K przejechały w próbach drogowych 3,2 mln km. W próbach na hamowniach silniki K przepracowały 73 tys. godzin, z cyklicznie następującymi zmianami prędkości obrotowej. 72 samochody Montego z silnikami K znalazły się w eksploatacji kontrolowanej, podczas której jeździli nimi niefachowi kierowcy. Fabryczna próba homologacyjna silników K została wydłużona do 800 godzin pracy na hamowni. Zwykła próba homologacyjna u Rovera trwa tylko 400 godzin. Wykonano ogółem 875 silników prototypowych, w tym 487 silników K16 i 388 K8.

Silniki K należą do wyrobów o zmniejszonym zakresie obsługi. Bezobsługowość uzyskano dzięki zastosowaniu popychaczy hydraulicznych, elektronicznego sterowania funkcjami silnika, przekładni pasowej napędu rozrządu z napinaczem itp. Okresy międzyobsługowe wymiany filtra i oleju wynoszą 20 tyś. km przebiegu samochodu. Bezobsługowość spowodowała, że zmniejszono o 60% kalkulację czasu, potrzebnego na wykonanie rutynowych obsług w okresie 4-letniego przebiegu, wynoszącego 80 tyś. km.

Artykuł powstał na podstawie materiałów zawartych w archiwalnych numerach gazety "Autotechnika motoryzacyjna".

Pozdr. AndrewS