Loading

Rozwój konstrukcji krajowych silników spalinowych do kolejowych pojazdów trakcyjnych

Trakcja i Wagony nr 11/1984

mgr inż. Leon Płachta
ZPM H. Cegielski


Konieczność szerszego wprowadzenia trakcji spalinowej w PKP stała się sprawą bezsporną i wymagającą szybkiego działania już w połowie lat 50., przy czym jako najpilniejsze oceniono potrzeby w dziedzinie spalinowych lokomotyw manewrowo-liniowych o mocy 588 kW oraz lokomotyw liniowych o mocy 1176 do 1250 kW. Rozwiązanie tego zadania powierzono równolegle dwom zakładom: ZPM H. Cegielski w Poznaniu i Zakładom Mechanicznym im. Nowotki w Warszawie.

Postawienie takiego zadania przed wymienionymi zakładami nie było pierwszym krokiem krajowego przemysłu silnikowego w dziedzinie produkcji silników spalinowych do napędu pojazdów szynowych. Silniki wysokoprężne były już bowiem od kilku lat produkowane przez Wytwórnię Silników Wysokoprężnych w Andrychowie i Zakłady Mechaniczne im. M. Nowotki w Warszawie. Pomimo tego, że silniki produkowane w tych zakładach nie były konstruowane do pojazdów kolejowych, ich odmiany przystosowane do tego celu służyły do napędu lekkich i średnich lokomotyw manewrowych oraz wagonów spalinowych. Zestawienie podstawowych parametrów tych silników podano w tablicy 1.

Tablica I
Krajowe silniki wysokoprężne zastosowane do napędu lokomotyw spalinowych przed rokiem 1960

Typ
silnika
Liczba
cylindrów
Moc
silnika
[kW]
Prędkość
obrotowa
[1/min]
Rodzaj
przekładni
Producent
silnika
Zastosowanie
kolejowe
S324 4 55 1500 mechaniczna W.S.W. Andrychów lokomotywa manewrowa
D-Z17 6 110.3 1500 mechaniczna ZMiN Warszawa lokomotywa manewrowa
S560 6 110.3 1800 mechaniczna ZMiN Warszawa wagon spalinowy
DVSa350 12 (V) 257,4 1500 mechaniczna ZMiN Warszawa wagon spalinowy, lokomotywa manewrowa

Silniki do lokomotyw manewrowo-liniowych

Uruchomienie produkcji silników do tych lokomotyw o mocy 588 kW zamierzono początkowo oprzeć na dokumentacji licencyjnej. Pertraktacje o zakup odpowiedniej licencji nie dały jednak pozytywnego rezultatu. Zapadła zatem decyzja opracowania własnej dokumentacji. Zadanie to powierzono dwom jednostkom zaplecza rozwojowego przemysłu silnikowego:
1) Centralnemu Biuru Konstrukcyjnemu Silników Spalinowych w Warszawie - dla silników, których produkcję miały podjąć Zakłady H. Cegielski w Poznaniu,
2) biuru konstrukcyjnemu Zakładów Mechanicznych im. M. Nowotki w Warszawie - dla silników, których produkcja miała być podjęta w tych Zakładach.
Jednostki te zaproponowały swoje koncepcje założeń konstrukcyjnych do budowy potrzebnych silników, różniące się tak w konstrukcji samych silników, jak i w zasadach przeniesienia napędu, a mianowicie:
1) zastosowanie silnika wysokoprężnego, średnioobrotowego (600 do 1000 obr./min) i przekładni elektrycznej z prądnicą prądu stałego,
2) zastosowanie silnika wysokoprężnego, szybkoobrotowego (1500 obr./min) i przekładni hydraulicznej.

Tablica 2
Porównanie podstawowych danych dla lokomotywowych silników wysokoprężnych typu C22 i CDI9

Typ silnika C22 CD19
Średnica cylindrów [mm] 220 190
Skok tłoka [mm| 270 210/222
Prędkość obrotowa [l/min] 1000 1500
Moc z cylindra [kW] 73,5 49 (66,7)
Średnie ciśnienie użyteczne [MPa] 0,88 1) (1,32) 2) 0,65 (0,98) 1) 1,1 2)
Średnia prędkość tłoka (m/s) 9,0 10,5/11,1
Masa [t] 7,4 3,7
Wskaźnik masowy |kg/kW| 12,6 6,3
Liczba cylindrów przy 588 kW V8 V12
Wersje cylindrowe V8 V12 V 16 V6 V8 V12 V16
Kąt rozwidlenia 50° 90°
Kadłub silnika staliwno-stalowy spawany aluminiowy odlewany
Silnik doświadczalny 1C22 V2CD19

1) z doładowaniem
2) z doładowaniem i chłodzeniem powietrza

Wynikające z tych koncepcji założenia do dwóch ,,konstrukcyjnych" rodzin silników zostały przedstawione w tablicy 2.

Na podstawie badań silników doświadczalnych 1C22 (jednocylindrowego) i V2CD19 (dwucylindrowego widlastego) wykonano po 5 silników prototypowych 8C22 (ośmiocylindrowych) i 12CD19 (dwunastocylindrowych) i oddano je do eksploatacji na przełomie lat 1961-1962.

Obserwacje ich pracy w eksploatacji oraz specjalne próby i badania eksploatacyjne, a także stanowiskowe wykazały wyższość silników typu C22. Silniki te cechowały się większą pewnością ruchową, miały mniejsze zużycie elementów i mniejsze jednostkowe zużycie paliwa. Dodatkowym argumentem przemawiającym za tym silnikiem było zastosowanie w lokomotywie przekładni elektrycznej, której produkcja mogła być podjęta przez krajowy przemysł elektrotechniczny. W wyniku przyjęcia takiej koncepcji przeniesienia napędu zmniejszył się import kooperacyjny elementów silnika i całej lokomotywy.

Po wprowadzeniu zmian konstrukcyjnych - mających na celu usunięcie usterek i niedoskonałości silnika, wykrytych w czasie eksploatacji i badań silników prototypowych - w 1967 roku wprowadzono do produkcji seryjnej w ZPM H. Cegielski silnik ośmiocylindrowy widlasty o mocy 588 kW, oznaczając go symbolem a8C22. Przekroje poprzeczne silników a8C22 i V12CD19T (wersja z doładowaniem turbosprężarkowym) przedstawiono na rysunkach l i 2.

Konstrukcja silników a8C22 cechowała się rozwiązaniami znamiennymi dla okresu, w którym silnik ten został wprowadzony do produkcji. Z nowoczesnych rozwiązań zastosowanych w silnikach a8C22 trzeba wymienić:
- turbosprężarkowe doładowanie cylindrów,
- regulator hydrauliczny ,,Woodward",
- panewki trójwarstwowe brązowe i ze stopu siatkowego AL-Sn,
- czopy wału korbowego hartowane powierzchniowo,
- czterozaworowe głowice cylindrowe,
- podwójny system filtrowania oleju z zastosowaniem samoczynnych filtrów odśrodkowych dokładnej filtracji,
- układ wstępnego smarowania z napędem elektrycznym,
- rozruch elektryczny za pomocą prądnicy głównej zespołu napędowego, wyposażonej w specjalne uzwojenia rozruchowe.
- tłoki ze stopu lekkiego z zalaną wężownicą chłodzenia olejem smarowym i również zalaną żeliwną wkładką pierścieniową, w której jest osadzony ogniowy pierścień uszczelniający,
- kadłub silnika w wersji mieszanej lano-spawanej, a w późniejszym okresie kadłub w wersji lanej z żeliwa,
- zawieszenia elastyczne silnika i prądnicy typu "Metalastic",
- kadłuby silnika i prądnicy połączone kołnierzowo.

Tablica 3
Parametry i najważniejsze wskaźniki dla silników z rodziny C22 (d = 220 mm, s = 270 mm)

Typ silnika Parametry Wskaźniki
Nc [kW] n [obr./ /min| Cśr. (m/s] Pe [MPa] Gs [t] G [kg/ /kW] N (kW/ cm2]
a8C22 588 1000 9,0 0,88 7,4 12,6 0,19
a8C22W 882,4 1000 9,0 1,32 7,7 8,7 0,29
a8C22HS 1176,5 1000 9,0 1,76 7,7 6.5 0,39
6C22 588 1000 9,0 1,17 6,3 10,7 0,26
12C22W 1323,5 1000 9,0 1,32 10,5 7,9 0,29

Tablica 4
Parametry i najważniejsze wskaźniki dla silników licencyjnych GMT A210 (d = 210 mm, s = 230 mm)

Typ silnika 2) Parametry Wskaźniki
N |kW] n [obr./ /min] Cśr [m/s] Pe |MPa| Gs [t| G [kg/ /kW| N [kW/cm2]
2112SSF 1250 1500 11,5 1,065 8,6 6,88 0,3
W2112SSF 1650 1500 11,5 1,410 8,6 5,20 0.4
2116SSF 2200 1500 11,5 1,410 11,1 5.05 0,4

2) Po -wygaśnięciu licencji silniki A210 oznaczono symbolem C21

Na podstawie doświadczeń produkcyjnych, eksploatacyjnych i badawczych z silnikami a8C22, została opracowana konstrukcja silnika a8C22W o mocy znamionowej 882 kW, przeznaczonego do ciężkich lokomotyw manewrowo-liniowych. Silnik ten różnił się. od silnika a8C22 zmienionym układem doładowania i zastosowaniem chłodzenia powietrza doładowczego. Po uzyskaniu doświadczeń eksploatacyjnych konieczne było zastosowanie tłoków o obniżonej koronie oraz rozpylaczy o innym kącie padania strug rozpylonego paliwa.

. Prace rozwojowe nad konstrukcją silników C22 nie zatrzymały się na opisanych dwóch odmianach silników ośmiocylindrowych, dających moc 74 i 111 kW z cylindra. Opracowano bowiem konstrukcję i przeprowadzono badania prototypów trzech dalszych silników.
- 6C22 - sześciocylindrowy widlasty 99 kW/cylinder,
- a8C22HS - ośmiocylindrowy widlasty 148 kW/cylinder,
- 12C22W - dwunastocylindrowy widlasty 111 kW/ /cylinder. -
Silnik 12C22W był przewidywany do stosowania w lokomotywach liniowych.
Porównawcze zestawienie parametrów wszystkich silników typu C22. przedstawiono w tablicy 3.

Silniki do lokomotyw liniowych

Początkowo przewidywano zastosowanie do spalinowych lokomotyw liniowych silników 12C22 o mocy znamionowej 1323,5 kW. Parametry tego silnika podano w tablicy 3. Wykonane zostały nawet dwa prototypy tych silników. Jednak ze względu na trudności, jakie wystąpiły w układzie łożyskowania wału korbowego w tym silniku, postanowiono w spalinowych lokomotywach liniowych zastosować rozwiązanie licencyjne. Rozpoznanie licencyjne prowadzono w. dwu kierunkach:
- silnik średnioobrotowy 1000 obr./min,
- silnik szybkoobrotowy l500 obr./min.
W obydwu przypadkach przewidywano zastosowanie przekładni elektrycznej (do przeniesienia napędu z silnika na układ jezdny lokomotywy). W rezultacie został wybrany - jak wiadomo - silnik szybkoobrotowy typu A210 firmy GMT (FIAT), który wyeliminował z konkurencji zarówno krajowy 12C22, jak i średnioobrotowe silniki innych firm (np. Sulzer LVA24). Podstawowe dane techniczne dla silników 12- i 16-cylindrowych oraz wskaźniki porównawcze podano w tablicy 4. Silnik 2112SSF pokazano na rysunku 3.

Są to silniki wysokoprężne 4-suwowe, z bezpośrednim wtryskiem paliwa, doładowywane za pomocą turbosprężarek, z chłodzeniem powietrza doładowczego. Układ cylindrów jest widlasty, o kącie rozwidlenia 90°. Konstrukcja silnika jest nowoczesna, przy czym szczególną uwagę zwracają następujące rozwiązania:
- przyjęcie bardzo wysokiej średniej prędkości tłoka Cśr = 11,5 m/s, dzięki czemu zmniejszono masę jednostkową silnika aż do wielkości 5,2 kg/kW,
- zastosowanie skrzynkowego kadłuba silnika wykonanego jako cienkościenny odlew żeliwny,
- zastosowanie indywidualnych głowic żeliwnych, czterozaworowych,
- zastosowanie wału korbowego, z czopami hartowanymi powierzchniowo,
- zastosowanie panewek trójwarstwowych, cienkościennych,
- zastosowanie tłoków aluminiowych z wężownicą chłodzącą i zalewaną wstawką podpierścieniową,
- zastosowanie dwu układów chłodzenia, oddzielnie dla chłodzenia samego silnika i oddzielnie dla chłodnic oleju i powietrza.

Prace nad rozwojem konstrukcji silników A210 odbywały się głównie z ZPM H. Cegielski i były spowodowane koniecznością usunięcia niedomagań konstrukcyjnych oraz wykonawczych, jakie wystąpiły w początkowym okresie produkcji i eksploatacji. Do najważniejszych zmian wprowadzonych w silnikach 12-cylindrowych 2112SSF należą:
- zmiana konstrukcji wału korbowego, polegająca na powiększeniu średnicy czopów głównych i zastosowaniu przeciwciężarów na każdym ramieniu korb; wał tak zmieniony oznaczono symbolem MA,
- zastosowanie ząbkowania na połączeniu pokrywy korbowodu z korbowodem oraz wprowadzenie nowej technologii napinania śrub korbowodowych, z kontrolą ich wydłużenia,
- zastosowanie panewek o innej konstrukcji, tak w łożyskach głównych, jak i korbowodowych,
- zastosowanie elastycznego napędu pomp,
- zastosowanie innej technologii napinania śrub łożysk głównych (przyrząd hydrauliczny),
- zmiany w przewodach paliwowych,
- zmiana technologii mocowania przeciwciężarów wału korbowego oraz materiału śrub mocujących przeciwciężary i wiele innych drobniejszych zmian.

Wymienione zmiany, jak i wiele innych, miały na celu poprawę niezawodności i trwałości silników 2112SSF i W2112SSF, które cechowały się zbyt dużą awaryjnością.
Obecnie na liniach PKP pracują lokomotywy SP45 z silnikami 2112SSF (1250 kW) i lokomotywy SU46 z silnikami W2112SSF (1654 kW), a także dwie lokomotywy SP47 z silnikami 2116SSF (2205 kW). Dane opisowe i statystyczne z eksploatacji oraz napraw tych silników są zbierane przez specjalne służby Zakładowego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Wysokoprężnych Silników Okrętowych i Kolejowych ZPM H. Cegielski - przyczyniają się do prowadzenia dalszych prac rozwojowych dotyczących tych silników. Prace te koncentrują się na zagadnieniach zwiększenia trwałości i niezawodności silników; nie pomija się jednak i zadań dotyczących zwiększenia mocy cylindrowej tych silników nawet do 154 kW z cylindra.

Prowadzone są również prace nad wersją rzędową silnika i przystosowaniem go do innych zastosowań oraz nad widlastym silnikiem 8-cylindrowym o mocy 882 do 1103 kW, który mógłby zastąpić w przyszłości silniki z rodziny C22.

Silniki A210 (obecnie oznaczane symbolem C21) są niewątpliwie wyrobem o znacznie nowocześniejszych rozwiązaniach i wyższym poziomie technicznym od silników a8C22 i a8C22W (tabl. 3 i 4). Są one jednak również wyrobem znacznie trudniejszym w produkcji i stawiającym wyższe wymagania w stosunku do obsługi eksploatacyjnej. Niedoskonałości produkcji, jak też trudności zaopatrzeniowe i obsługowe w eksploatacji, ujawniły się w wielu przypadkach, powodując ciężkie awarie silników bądź przedwczesne zużywanie .się niektórych ich elementów. Wnioski z tych przykrych doświadczeń są wyciągane na bieżąco i przyczyniają się do ulepszenia konstrukcji i stawiania zaostrzonych wymagań eksploatacji.




Rys.1.
Silnik a8C22. Przekrój poprzeczny


Rys.2. Silnik CD19T
T-wersja z doładowaniem


Rys.3.
Silnik 2112SSF. Przekrój poprzeczny