11. ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ (ДВЗ)

 11.1. Основи роботи ДВЗ

Поршневі двигуни внутрішнього згоряння відносяться до того класу теп­лових двигунів, у яких хімічна енергія палива перетворюється в теплову безпо­середньо всередині робочого циліндра. В результаті хімічної реакції палива з киснем повітря, що надходить у циліндр, утворюються газоподібні продуктизгоряння з високими тиском і температурою. Перетворення отриманої теплової енергії в механічну здійснюється за допомогою передачі роботи розширення продуктів згоряння на поршень, поступально-зворотний рух якого перетворю­ється за допомогою шатунного механізму в обертальний на колінчатому валу двигуна.

Створюваний колінчатим валом крутний момент, робить корисну роботу, переборюючи опір зовнішнього навантаження.

Передбачений конструкцією двигуна газорозподільний механізм дозволяє здійснювати періодичне відкриття і закриття впускних і випускних органів, що забезпечують своєчасне заповнення циліндра свіжим зарядом повітря і вида­лення газів, що відпрацювали, а система паливоподачі - упорскування палива в циліндр.

Здійснення комплексу зазначених вище послідовних процесів, що періоди­чно повторюються в кожнім циліндрі і зумовлюють роботу двигуна, називаєть­ся робочим циклом.

Високі температури процесу згоряння, що досягають 1800 -2000° К, не є перешкодою для надійної роботи двигуна, тому що процес згоряння палива ві­дбувається періодично, а стінки циліндра охолоджуються водою (чи повітрям).

Значний температурний перепад між найбільшою температурою газів при згорянні і найменшій їхній температурі наприкінці процесу розширення (близь­ко 800 -1000° К) обумовлює одержання високого коефіцієнта корисної дії ро­бочого циклу.

Застосовуваний у двигунах спосіб використання хімічної енергії палива є одним з найбільш раціональних, тому що дозволяє обійтися при здійсненні ро­бочого циклу без будь-якого проміжного робочого тіла (наприклад, пару), ви­робництво якого вимагає наявності додаткових агрегатів (казан, конденсатор, пароперегрівник), і, крім того, призводить до неминучої додаткової втрати де­якої частини хімічної енергії палива.

Незважаючи на наявність досить значних теплових втрат (в основному з відпрацьованими газами і в охолоджуюче циліндр середовище), сучасні двигу­ни внутрішнього згоряння й особливо двигуни із самозапалюванням палива чи так звані дизелі є найбільш економічними серед інших видів теплових двигунів, а отже, і найбільш досконалими. 11.2. Класифікація ДВЗ

Двигуни внутрішнього згоряння можуть бути поділені за наступними ос­новними ознаками.

За способом здійснення робочого циклу:

- чотиритактні (Ч), в яких робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня, що відповідають двом оборотам колінчатого вала;

- двотактні (Д), в яких робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, що відповідають одному обороту колінчатого вала.

Під тактом мають на увазі частину робочого циклу, що протікає в інтер­валі між двома суміжними точками мінімального і максимального обсягів ро­бочого циліндра. У зв'язку з зазначеними особливостями здійснення робочих циклів конструктивне оформлення чотирьох- і двотактних двигунів різне.

За способом дії:

- простої дії (Ч і Д), в яких робочий цикл відбувається в одній тільки верх­ній порожнині циліндра (мають переважне поширення);

- подвійної дії (ДД), в яких робочий цикл відбувається в двох порожнинах циліндра: верхній (над поршнем) і нижній (під поршнем).

- двотактні з протилежно рухомими поршнями (ПДП), що є, власне кажу­чи, двома 2-тактними двигунами простої дії з загальною камерою згоряння (мають обмежене застосування).

За способом наповнення робочого циліндра:

- без наддування, в яких усмоктування робочої суміші чи повітря здійсню­ється безпосередньо робочим поршнем (чотиритактні), чи заповнення циліндра відбувається продувним повітрям з тиском, необхідним лише для здійснення процесу зміни заряду (двотактні);

- з наддуванням, в яких робоча суміш чи повітря подають в циліндр з під­вищеним тиском з особливого наддувного агрегату (чотиритактні), чи продувкуциліндра здійснюють повітрям підвищеного тиску, що забезпечує як зміну за­ряду, так і збільшення його ваги.

Під наддуванням мають на увазі збільшення кількості (ваги) свіжого заряду за рахунок підвищення тиску на впуску, а отже, і збільшення щільності заряду.

За родом застосовуваного палива:

- легкого рідкого палива (бензин, бензол, гас, спирт);

- важкого рідкого палива («дизельне» паливо, моторне паливо, мазут, со­лярова олія, газолін);

- газоподібного палива (гази - генераторний, природний, стиснутий, зрід­жений);

- газорідинні (основне паливо - газ, запальне паливо - рідке);

- багатопаливні, що працюють на різноманітному асортименті рідких па­лив, від легких до важких;

- пилоподібного палива, в яких тверде паливо (вугілля) підводять до сис­теми сумішоутворення в здрібненому стані і розпилюють стисненим повітрям.

За способом сумішоутворення:

- з внутрішнім сумішоутворенням, в яких робоча суміш утворюється все­редині робочого циліндра в результаті розпилювання палива, що впорскується в циліндр насосом під високим тиском - усі двигуни із самозапалюванням палива (дизелі), а також легкого палива, що мають безпосереднє упорскування палива в циліндр;

- із зовнішнім сумішоутворенням, в яких пальна суміш, що складається з парів рідкого легкого палива з повітрям чи з газу з повітрям, утворюється поза робочим циліндром: усі двигуни - карбюраторні, а також газоподібного палива з запалюванням від іскри.

Під сумішоутворенням мають на увазі процес готування пальної суміші з метою підготовки до спалювання в двигуні.

Під робочою сумішшю мають на увазі суміш свіжого заряду (повітря і роз­пиленого палива - у двигунах із внутрішнім сумішоутворенням) з газами, що залишилися в циліндрі після завершення робочого циклу (так звані «залишкові»гази).

За способом запалення робочої суміші:

- із самозапалюванням палива (дизелі), в яких рідке паливо, що впорску­ється в камеру згоряння, самозаймається завдяки досить високій температурі, отриманій наприкінці процесу стиску;

- з примусовим запалюванням, в яких запалення пальної суміші відбува­ється в результаті запалювання її від стороннього джерела (електричної іскри) -всі карбюраторні й газові двигуни;

- зі змішаним запаленням, в яких запалення робочої суміші відбувається під впливом, з одного боку, температури стиснутого повітря (недостатньої для самозапалювання), а з іншого боку - під впливом розпечених стінок камери чи стиску особливого запальника («калоризатора») - усі так звані калоризаторні двигуни;

- з комбінованим запаленням, що, наприклад, працюють за «газорідин­ним» процесом, в яких паливна газова суміш примусово запалюється за раху­нок самозапалювання рідкого запального палива, чи так звані «газодизелі».

За родом робочого циклу:

- з підведенням тепла при майже постійному обсязі - всі двигуни, що ма­ють низький ступінь стиску і примусове запалювання палива (карбюраторні й газові);

- з підведенням тепла при майже постійному тиску - всі двигуни, що ма­ють високий ступінь стиску із пневматичним (повітряним) розпилюванням па­лива і з самозапалюванням - усі так звані «компресорні дизелі»;

- зі змішаним підведенням тепла, в яких процес підведення тепла сприй­мається таким, що проходить частково при постійному об'ємі і частково при постійному тиску - усі сучасні двигуни з високим ступенем стиску з безпосере­днім упорскуванням рідкого палива та із самозапалюванням (дизелі).

Під ступенем стиснення є мають на увазі відношення повного обсягу ци­ліндра V (сума обсягу простору стиску Ус і робочого обсягу циліндра У8) до об­сягу простору стиску Vс (коли обсяг робочого тіла досягає мінімуму).

Під робочим обсягом циліндра Vs мають на увазі обсяг циліндра, що звільняється поршнем при переміщенні його від положення мінімального обся­гу до положення максимального обсягу.

За конструктивним виконанням (основні ознаки):

- тронкові, в яких роль направляючої виконує тронкова частина робочого поршня;

- з повзунами, так звані "крейцкопфні" (К), в яких роль направляючої за­мість поршня виконує повзун, що ковзає по паралелях;

- з вертикальним розташуванням циліндрів;

- з горизонтально розташованими циліндрами;

- однорядні, з розташуванням циліндрів в один ряд, у яких осі циліндрів паралельні і розташовані в одній площині;

- дворядні з паралельним розташуванням рядів (здвоєні) чи з розташуван­ням рядів під визначеним кутом ^-образні);

- багаторядні з розташуванням циліндрів під різними кутами (Х-образні, Н-образні, \У-образні й інші швидкохідні й легкі типи двигунів;

- зіркоподібні однорядні з радіальним розташуванням циліндрів, що ле­жать в одній площині - швидкохідні ДВЗ;

- зіркоподібні багаторядні з паралельно розташованими рядами - швидко­хідні ДВЗ, що мають, як правило, горизонтальне розташування колінчатого ва­ла і, як виключення, - вертикальне;

- з протилежно рухомими поршнями з одним, двома чи більше колінчати­ми валами (в залежності від розташування рядів), з'єднаними між собою зубча­стою передачею.

За напрямком обертання колінчатого вала:

- нереверсивні, що мають один постійний напрямок обертання;

- реверсивні, в яких зміна напрямку обертання здійснюється особливим реверсивним механізмом, що змінює фази газорозподілу;

- правої моделі (так звані «праві»), в яких напрямок обертання відбуваєть­ся за годинниковою стрілкою;

- лівої моделі (так звані «ліві»), в яких напрямок обертання відбувається проти годинникової стрілки.

За середньою швидкістю поршня двигуни умовно поділяються на тихохід­ні - із середньою швидкістю поршня менш 6,5 м/с і на швидкохідні - із серед­ньою швидкістю поршня 6,5 м/с і більше.

11.3. Сфера застосування ДВЗ

Двигуни внутрішнього згоряння одержали винятково широке поширення в найрізноманітніших галузях народного господарства, таких як: водний транс­порт (головні і допоміжні двигуни на суднах); авіаційний транспорт (літаки, ве­ртольоти); залізничний транспорт (тепловози, мотовози); безрейковий транс­порт (автомобілі, трактори); рибна промисловість (головні й допоміжні двигуни на суднах); дорожня й будівельна індустрія (екскаватори, катки, пересувні електростанції); сільське господарство (МТС, електростанції, комбайни); лісова промисловість (пересувні електростанції, тягачі); нафтова промисловість (лебі­дки, бурові установки); комунальне господарство (дрібні й середні електроста­нції, насосні установки).

Основною причиною настільки широкого застосування ДВЗ у найрізнома­нітніших за призначенням енергетичних установках є те, що агрегатна потуж­ність ДВЗ покриває величезний діапазон потужностей, а також те, що ДВЗ і особливо - дизелі - найбільш економічні серед існуючих теплових двигунів.

Найбільші споживачі два - цивільний і військовий морський і річковий флоти, де двигуни використовуються в якості головних і допоміжних агрегатів.

11.4. Конструкція ДВЗ

Корпус складається з наступних нерухомих основних частин двигуна: кар­тера, циліндрів і кришок. Ці частини повинні бути зв'язані між собою в єдину жорстку систему для запобігання деформації при роботі двигуна під дією сил тиску газів і сил інерції рухомих частин.

Підшипники для колінчатого вала встановлюються в гніздах картера. Під­шипники складаються з двох циліндричних напіввкладишів (або одного вкла­диша) і кришки, що притискається до рами шпильками або болтами.

Основне призначення картера - зв'язати блок-циліндр з фундаментною рамою і утворити повністю закриту і непроникну для газів і масла порожнину для колінчатого валу і шатунно-поршневого механізму.

Найбільш відповідальною частиною корпуса є верхня частина - блок-циліндри. Блок-циліндри 4-тактних двигунів мають найбільш просту коробчату конструкцію, що складається безпосередньо з блока з вертикальними перего­родками між циліндрами, в яких повинні бути передбачені отвори для перепус­ку охолоджуючої рідини. Блок-циліндри 2-тактних двигунів мають більш скла­дну конструкцію, оскільки крім порожнин для охолоджуючої рідини, повинні бути оснащені порожнинами для підведення продувочного повітря і відведення випускних газів.

Кришка (головка) циліндрів замикає верхню частину камери згоряння і ви­значає разом із днищем поршня форму й обсяг камери згоряння (стиску). Кришка циліндра піддається тиску газів і дії високих температур. Зовнішня фо­рма кришки - циліндрична, квадратна, шести - чи восьмигранна. При діаметрі циліндра менше 200 мм звичайно переходять з індивідуальних кришок на блок -кришки, що представляють один загальний виливок для декількох циліндрів чи для всього двигуна.

Поршнева група складається з наступних основних деталей: поршня, пор­шневих кілець і поршневого пальця. Умови роботи поршня важкі, оскільки крім механічних напружень від тиску газів і сил інерції в поршні виникають темпе­ратурні напруження внаслідок відводу тепла від нагрітої газами голівки в охо­лоджуюче середовище.

Раціональна конструкція поршня повинна забезпечити: а) надійне ущіль­нення камери згоряння від пропуску газів; б) такий відвід тепла від голівки поршня, щоб температура днища і поршневих кілець не перевершили величин, що допускаються; в) надійне змащення направляючої поршня, кілець і пальця; г) видалення надлишків масла, що можуть проникати в камеру згоряння.

Конструкція поршня залежить від типу двигуна, його розмірів, ступеня швидкохідності, обраних матеріалів і способу виготовлення. За конструктив­ним виконанням розрізняють поршні простої і подвійної дії.

У голівці розміщають канавки для поршневих кілець, кількість яких зале­жить від швидкохідності двигуна й тиску в камері згоряння. Поршневі кільця поділяються на ущільнювальні (компресійні) і маслознімні.

Ущільнювальні кільця служать для запобігання прориву газів з камери згоряння в картер, а також для відводу тепла від голівки поршня в охолоджую­чу рідину. Маслознімні кільця видаляють надлишки масла з дзеркала циліндра, щоб воно не могло проникнути в камеру згоряння.

Поршневі кільця у вільному стані (поза циліндром) мають трохи більший діаметр, ніж циліндр, завдяки чому, будучи стиснутими і вставленими в ци­ліндр, вони натискають на його стінку.

Поршневий палець з'єднує поршень з шатуном. Шатун служить для пере­дачі на шатунну шийку колінчатого вала зусилля від тиску газів на поршень. Шатун складається з верхньої (поршневий) голівки, стрижня, нижньої голівки і шатунних болтів. Шатун повинен забезпечувати необхідну міцність і твердість конструкції при мінімальній її вазі і надійній роботі підшипників верхньої і ни­жньої голівок.

Колінчатий вал є однією з найбільш відповідальних деталей «руху», тому що передає роботу окремих циліндрів у виді змінного крутного моменту на ви­хідний вал. Шийки колінчатого вала, обертаючись в картерних підшипниках, піддаються зносу. Колінчатий вал складається з корінних і шатунних шийок, щік і сполучних фланців; на валу встановлюють противаги, приводні шестірні, маховики, валоповоротні пристрої й ін.

Основне призначення механізму газорозподілу - керування процесами впуску свіжого заряду і випуску газів, що відпрацювали. Механізм газорозподі­лу в 4-тактних двигунах складається з розподільного вала з приводом до нього, кулачних шайб (на валу), штовхальників, штанг, важелів, клапанів - впускних і випускних; у 2-тактних двигунах газорозподіл здійснюється самим поршнем через продувні і випускні вікна в циліндрі, чи через вікна (продувка) і клапани в кришці (випуск). Передавальне відношення чисел обертів розподільного валадо колінчатого складає в 4-тактних двигунах 1:2 (тому що відкриття клапанів відбувається один раз за два оберти колінчатого вала), тоді як у 2-тактних - 1:1.

Основними деталями клапанного комплекту є: клапан, корпус клапана, на­правляюча втулка, пружина і її тарілка. Клапани під час роботи піддаються впливу високих температур, а також значним динамічним навантаженням. Тем­ператури впускних клапанів досягають 300-400° С, а випускних - 600-800° С.

Привід клапанів здійснюється від кулачних шайб розподільного вала, роз­ташованого паралельно колінчатому валу уздовж усього двигуна. Як виклю­чення, застосовується привід вихлопних клапанів від шайби, закріпленої на ко­лінчатому валі.

Розподільний вал роблять суцільним або складеним, установлюють на роз-німних опорних підшипниках, залитих антифрикційним сплавом, і забезпечу­ють опорним підшипником, що сприймає зусилля від механізмів приводу.