Blok silnika jest największą ciągłą częścią silników spalinowych, w której zamontowane są wszystkie inne komponenty. Blok dla laika wygląda po prostu jak bryła metalu, ale w rzeczywistości jest to zaawansowany element spełniający wiele funkcji, których brak miałby drastyczne konsekwencje dla całości silnika.

Opis ogólny

Silnik spalinowy składa się z bloku silnika będącego zwartym elementem. W niektórych starszych publikacjach nazywany jest on skrzynią korbową. Część ta zawiera układ smarowania silnika i źródło zasilania urządzeń pomocniczych, zapewniając jednocześnie sztywne podparcie jednostki napędowej. W przypadku silników chłodzonych cieczą, blok silnika zawiera również blok cylindrów, choć w przypadku starszych modeli chłodzonych powietrzem skrzynia korbowa i blok cylindrów stanowiły oddzielne komponenty.

Skrzynia korbowa graniczy z głowicą cylindrów od strony otworów na cylindry i miską olejową po przeciwnej stronie. Otwory znajdujące się po bokach bloku służą różnym funkcjom i są zakryte odlewanymi lub blaszanymi pokrywami.

Konstrukcja

Konstrukcje bloku silnikowego mogą znacznie różnić się między sobą, choć wszystkie mają jedną wspólną cechę: możliwie największa sztywność. Jest to oczywiście uzasadnione, ponieważ ta część bierze na siebie wszystkie siły występujące w silniku, zarówno wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Momenty zginające i skręcające powstające podczas pracy nie mogą powodować znacznych lub trwałych odkształceń bloku, gdyż w przeciwnym razie doszłoby do awarii.

Najważniejszym z obciążeń wewnętrznych jest ciśnienie gazu w komorze spalania, które oddziałuje zarówno na głowicę cylindrów, jak i na tłok. Głównym obciążeniem bloku silnikowego jest siła przenoszona przez tłok, korbowód i wał korbowy – siły te są najlepiej absorbowane przez śruby napinające o odpowiedniej wytrzymałości.

Nic więc dziwnego, że głównym parametrem uwzględnianym przy wymiarowaniu bloku jest szczytowe ciśnienie spalania występujące w cylindrze. W odróżnieniu od dawnych czasów nie jest to oczywiście jedyny czynnik, na który należy zwrócić uwagę, choć dzisiejsi inżynierowie potrafią konstruować bloki silnikowe o znacznie mniejszej masie, wymiarach i zapotrzebowaniu na materiał. Nie zmienia to faktu, że nawet dzisiaj niemożliwe jest osiągnięcie całkowicie równomiernego rozkładu naprężeń i przenoszenia sił bez strat.

Drugim źródłem obciążenia są okresowe siły i momenty obrotowe generowane przez mechanizm korbowy. W przypadku silnika z symetrycznym układem cylindrów generowane są tylko wewnętrzne momenty obrotowe, w wyniku czego najbardziej narażone na obciażenia są czopy główne wału korbowego. Luz na wale łożyska jednak nie jest aż tak wielki, aby pozwolić na dowolne odkształcenie. Z tego możemy wywnioskować, że jedną z najważniejszych cech bloku silnika jest sztywność niezbędna do zapewnienia bezpiecznego osadzenia ruchomych części i tłumienia hałasu, który przekracza przewidzianą wartość.

Idąc dalej, ważne jest również, aby sztywność skrzyni korbowej wzrastała wraz ze wzrostem liczby cylindrów. Na przykład, zwiększenie 6-cylindrowego silnika rzędowego do 10 cylindrów przy założeniu tej samej ilości odkształceń wymaga 4,63 razy sztywniejszego bloku silnika. Duże wibracje powodowane przez nadzwyczajnie długi wał korbowy wyjaśniają aż nadto dobitnie, dlaczego rzędowe silniki o liczbie cylindrów większej niż 6 nie są stosowane w praktyce.

Na szczególną uwagę zasługuje silnik z poziomą orientacją cylindrów (tzw. bokser, 180° V). Ponieważ obciążenia pojazdów działające równolegle do ich osi są znacznie większe niż obciążenia poprzeczne, to same bloki też są usztywnione w tym kierunku. Silniki w układzie V o bardziej stromym kącie między głowicami cylindrów są ze względów konstrukcyjnych szersze w kierunku poprzecznym, dlatego uważa się je za dostatecznie usztywnione ze względu na własną moc.

W ostatnich dziesięcioleciach osiągnięto znaczący postęp w projektowaniu bloków silnika z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Dzięki niej nie jest już konieczne budowanie prototypu w celu określenia odkształceń i naprężeń. Metoda polega na tym, że skrzynia korbowa jest podzielona na tzw. węzły o rozmiarze, w którym można założyć, że stany naprężeń są jednolite. Dzięki tej metodzie – przy znajomości obciążeń i przewidywanych odkształceń – możliwe jest określenie ogólnego obrazu napreżeń za pomocą symulacji komputerowej.

Masa i materiały oraz dodatkowe obciążenia

Oprócz odpowiedniej wytrzymałości, z kilku punktów widzenia uzasadnione jest, aby skrzynia korbowa była jak najlżejsza, co z jednej strony jest kwestią doboru materiału, a z drugiej strony oznacza również dodatkowy wysiłek ze strony konstruktorów włożony w dobranie możliwie najkorzystniejszego materiału. Wyjątkiem są w pewnym stopniu silniki Otta, w których osadzona jest tylko co druga korba wału, przez co moment obrotowy obciążający blok jest stosunkowo duży.

W przypadku zwiększenia rozmiaru silnika, efektywność wykorzystania materiału można poprawić, jeśli zastosuje się mniejszą grubość ścianki. Tego parametru nie można jednak – rzecz jasna – redukować w nieskończoność. Sztywność zginania przedmiotu w kształcie rury zależy od grubości jej ścianki. Przy takim samym naprężeniu wymagana grubość ścianki i ilość materiału jest tym mniejsza, im większa jest średnica zewnętrzna.

W praktyce, ze względu na technologię odlewania, konstruktorzy są w stanie osiągnąć grubość ścianki mniejszą niż 5-6 milimetrów tylko w wyjątkowych przypadkach. Wyjątkiem są odlewy z metali lekkich, które od dziesięcioleci są w stanie przezwyciężyć te ograniczenia.

Oprócz naprężeń spowodowanych rozszerzalnością cieplną różnych materiałów, na skrzynię korbową oddziałują również siły zewnętrzne. Reakcja momentu obrotowego, a także niezrównoważone siły swobodnej masy, obciążają podpory silnika w ten sposób, że reakcja momentu obrotowego próbuje przechylić silnik w kierunku przeciwnym do kierunku obrotów.

Należy również wspomnieć o czynnikach dynamicznych, jakim podlegają silniki. Przy wymiarowaniu łoża silnika i jego mocowania należy uwzględnić przyspieszenia działające na środek masy elastycznie zawieszonego zespołu silnika.