Тема 8. Двигуни внутрішнього згоряння

1. Класифікація ДВЗ.

2. Допоміжні системи ДВЗ.

3. Тепловий баланс ДВЗ.

4. Індикаторна потужність ДВЗ

Класифікація ДВЗ

В двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) відбувається перетворення теплоти, яка виділяється при згорянні палива. у механічну роботу. ДВЗ має найвищий ККД з усіх теплових двигунів. ДВЗ застосовують на автомобілях, літаках, теплоходах, локомотивах, тракторах т.д. Стаціонарні ДВЗ використовують на електростанціях. Потужність існуючих ДВЗ перевищує потужність усіх електростанцій. За особливостями робочого процесу ДВЗ класифікують наступним чином:

1. за кількістю тактів для здійснення циклу - чотиритактні та двотактні,

2. за способом приготування суміші палива з повітрям двигуни бувають з зовнішнім і внутрішнім сумішоутворенням. У двигунах з зовнішнім сумішоутворенням приготування суміші повітря з паливом здійснюється за межами циліндра у карбюраторах. Зараз на замість карбюраторів двигуни обладнують інжекторами. У двигунах з внутрішнім сумішоутворенням (дизелях) паливо вприскується безпосередньо у повітря, яке знаходиться в циліндрі.

3. За способом наповнення циліндру повітрям розрізняють дизелі з наддуванням і без. У двигунах без наддування повітря всмоктується в циліндр завдяки розрідженню при русі поршня з верхньої до нижньої мертвої точки. При наддуванні повітря нагнітається компресором, маса повітря у циліндрі зростає в 1,4 – 1,5 рази у порівнянні з двигуном без наддування, що дозволяє відповідно збільшити масу спаленого палива і циліндрову потужність двигуна.

За конструктивними ознаками ДВЗ бувають:

1. Тронкові і крейцкопфні. У тронкових двигунах поршень з'єднається з шатуном і сила, діюча поперек руху поршня сприймається боковою поверхнею поршня, після довгої експлуатації втулка циліндра спрацьовується і приймає овальну форму. У крейцкопфних двигунах поршень з'єднується з крейцкопфом, який приєднаний до повзуна, що рухається по направляючих паралелях. Поперечна сила сприймається паралелями і таким чином виключається спрацьовування поршня і втулки циліндра.

2. За розміщенням циліндрів рядні (вертикальні, горизонтальні), V та зірко подібні.

3. Реверсивні і нереверсивні. У реверсивних двигунах можна змінювати напрямок обертання колінчатого вала.

Чотиритактний ДВЗ. Основні елементи чотиритактного ДВЗ наведені на принциповій схемі рис.21. Згоряння палива відбувається в циліндрі 9. Циліндр має подвійні стінки, між котрими циркулює охолоджуюча вода.

Циліндр спирається на фундаментну станину 13, яка установлена на

фундаментній рамі 14. В середині циліндра зворотно-поступально рухається поршень 3, який за допомогою пальця 4 з'єднується з шатуном 10. Протилежна частина шатуна обіймає мотилеву шийку 2 колінвала 1. Опорні шийки колінвала опираються на рамні підшипники розташовані у фундаментній рамі.

Рис. 21 - Схема чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння	Рис. 22 - Індикаторна діаграма чотиритактного ДВЗ

Колінвал забезпечує перетворення поступального руху поршня в обертальний.

Циліндр або блок циліндрів має кришку 7, на якій змонтовані впускний 5 і випускний 8 клапани, а також електрична свіча запалювання у карбюраторному двигуні або форсунка 6 у дизелі.

Відкриття клапанів здійснюється за допомогою кулачкових шайб 12, які знаходяться на розподільних валах і діють на ролики на кінцях штовхачів 11. Закриття клапанів відбувається під дією пружин. Крайні положення поршня називають верхньою (ВМТ) і нижньою (НМТ) мертвими точками. Хід поршня від ВМТ до НМТ або навпаки називається тактом. За один оберт вала здійснюється два такти. ДВЗ, в якому цикл відбувається за два такти (один оберт вала) називається двотактним, якщо цикл здійснюється за чотири такти (два оберту вала) двигун називається чотиритактним. Об’єм, який описує поршень за один хід називається робочим об’ємом циліндру

(D – діаметр циліндру, S – хід поршня). Об’ємом камери згоряння називається об’єм частини циліндру між кришкою і поршнем, який знаходиться у ВМТ. Ступінь стиснення - ( - повний об’єм одного циліндру. Ступінь стиснення дизелів без наддування становить ÷ , з наддуванням - ÷ , карбюраторних ÷ .

Процеси, які відбуваються в ДВЗ, записують спеціальним приладом – індикатором. Індикатор записує величину тиску на рухому стрічку. Рух стрічки здійснюється приводом від колінвала. Індикаторна діаграма чотиритактного дизеля без наддування показана на рис.21. Якщо вважати, положення поршня у ВМТ початковим і впускний клапан відкритим, то при русі поршня до НМТ відбувається всмоктування повітря. Цьому процесу на діаграмі відповідає лінія 0-1 (1-й такт). В кінці ходу поршня закривається впускний клапан, поршень рухається з НМТ до ВМТ, здійснюється стиснення повітря процес 1-2, температура повітря після стиснення перевищує температуру загоряння палива 500^о С (2-й такт). Коли поршень наближається до ВМТ, наприкінці стиснення, через форсунку вприскується паливо, яке самозаймається в результаті контакту з гарячим повітрям. Процес згоряння майже 40% палива наближається до ізохорного (лінія 2-3), інші 60% згоряють в умовах близьких до ізобарного процесу (лінія 3-4). Після закінчення згоряння відбувається розширення продуктів згоряння (лінія 4-5), при якому гази виконують корисну роботу. Згоряння палива і розширення газів становлять 3-й такт. Після закінчення розширення відкривається випускний клапан, поршень рухається з НМТ до ВМТ, при цьому відбувається випуск відпрацьованих газів (лінія 5-0, 4-й такт). В кінці випуску закривається випускний клапан і цикл повторюється.

Двотактний ДВЗ. На рис.23 показана схема двотактного ДВЗ. На кришці циліндру знаходиться електрична свіча запалювання у інжекторному двигуні або форсунка 4 у дизелі. На боковій стінці циліндра розташовані випускні вікна 3, з'єднані з випускним колектором 2, і продувні вікна 5,

з'єднані з ресивером 6.

Рис. 23 - Схема двотактного ДВЗ	Рис. 24 - Індикаторна діаграма двотактного ДВЗ

В цьому двигуні відсутні клапани, їх роль виконує поршень 1, який перекриває і відкриває при своєму русі продувні і випускні вікна. В ресивер нагнітається повітря або суміш повітря з паливом. Індикаторна діаграма двотактного дизеля показана на рис.24. Нехай поршень рухається з нижньої мертвої точки до верхньої. Через продувні вікна надходить повітря, яке рухається в напрямку кришки циліндра і виштовхує продукти згоряння палива. Траєкторія руху повітря - петлева. Процес продування 1-2 закінчується, коли поршень перекриває продувні вікна. При подальшому русі поршня зачиняються випускні вікна (лінія 2-3) і з циліндра виштовхується частина свіжого заряду повітря. Процес стиснення 3-4 починається після того, як поршень перекриває випускні вікна. В той момент, коли поршень трохи не доходить до ВМТ (точка 4), через форсунку вприскується паливо, починається процес горіння палива 4-5-6. Частина палива згоряє при незначній зміні об'єму - процес 4-5, інша при майже сталому тиску – процес 5-6. В процесі горіння тиск в циліндрі над поршнем підвищується і поршень починає рухатись з ВМТ до НМТ, виконуючи робочий хід, процес 6-7. При подальшому русі поршня відкриваються випускні 3, а потім продувні вікна 5 - процес 7-2-1. При цьому відбувається вихід відпрацьованих газів, продування, тобто виштовхування відпрацьованих газів повітрям і заповнення циліндра свіжим зарядом повітря. Таким чином здійснюється цикл. Потужність двотактного двигуна у порівнянні з чотиритактним зростає не в 2 рази, а лише в 1,6-1,7 рази внаслідок нижчої економічності двотактного двигуна.