1. Класифікація та основні механізми і системи ДВЗ.На мобільні машини сільськогосподарського призначення встановлюють поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Двигуни внутрішнього згоряння класифікують за такими основними ознаками (рис.5).

На тракторах іавтомобілях великої вантажопідйомності як двигуни використовуються головним чином чотирьохтактні багатоциліндрові дизелі, а на автомобілях (легкових, малої і середньої вантажопідйомності) - чотирьохтактні багатоциліндрові карбюраторні двигуни.

Розташуванняциліндрів двигунів сільськогосподарських тракторів буває однорядним вертикальним (рис.6, а), дворядним V-подібним (рис.6, б), а в автомобілів ще й опозитним (рис.6, в). Опозитним називається розміщення при куті між їх рядами 180⁰; V-подібним - при куті між рядами  менше 180⁰ (убільшості двигунів 90⁰). Нумерування циліндрів при однорядному розміщенні починається від радіатора двигуна. При V - подібному розташуванні циліндрів маркування розпочинається від радіатора двигуна лівого ряду, а потім правого. Вітчизняні сільськогосподарські багато­циліндрові двигуни мають парну кількість циліндрів - від 2 до 12.

Двигуни з рядним розміщенням циліндрів мають більші габарити і масу, у порівнянні із двигунами з двохрядним V- подібним розміщенням циліндрів.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння є сукупністю механізмів і систем, які виконують відповідні функції.

Кривошипно-шатунний механізмпризначений для перетворення прямолінійного зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух колінчастого вала і сприймання тиску газів, які утворюються у процесі згоряння робочої суміші. Крім того, за допомогою кривошипно-шатунного механізму відбувається виштовхування відпрацьованих газів із циліндрів двигуна, всмоктування та стиск свіжої паливної суміші або повітря.

Рис.6. Схеми розміщення циліндрів багатоциліндрового двигуна: а – вертикальне однорядне; б – V- подібне; в - опозитне

Газорозподільний механізмзабезпечує своєчасний впуск у циліндри свіжої пальної суміші або повітря і випуск відпрацьова­них газів.

Система живленняпризначена для зберігання, очищення і подачі палива й повітря у циліндри, приготування пальної суміші певного складу і в необхідній кількості залежно від режиму роботи двигуна.

Система запалюванняв карбюраторних двигунах забезпечує своєчасне і безперебійне запалювання робочої суміші.

Система мащеннязабезпечує мащення вузлів і деталей двигуна, часткове охолодження їх тертьових поверхонь та виведення продуктів спрацювання.

Система охолодженнязабезпечує безперервне відведення частини теплоти, що виділяється при згорянні палива, а також підтримує оптимальний тепловий режим роботи двигуна.

Система пускупризначена для надійного пуску двигуна у різних експлуатаційних умовах.

 

2. Основні поняття та визначення. Паливна суміш-суміш повітря та палива у певній пропорції. Паливна суміш, яка заповнює циліндр і змішується з рештками продуктів згоряння, називається робочою сумішшю.

Верхня мертва точка (ВМТ)- положення поршня, при якому віддаль його від днища до осі колінчастого вала найбільша.

Нижня мертва точка(НМТ.)- положення поршня, при якому віддаль від днища до осі колінчастого вала найменша.

Шлях, який проходить поршень між мертвими точками нази­вається ходом поршня S.

Об’єм  Vh (m³), що звільняється поршнем при переміщенні від ВМТ. до НМТ називається робочим об’ємом циліндра:

,

де D - діаметр  циліндра , м ;

S - хід поршня, м.

Об’єм V_c над поршнем, коли поршень перебуває у ВМТ називається об’ємом простору стиску (камера стиску).

Сума об’ємів простору стиску і робочого об’єму, тобто об’єм V_a над поршнем, коли він перебуває у НМТ, називається повним об’ємом циліндра:

                                             V_a = V_h +V_c .

Літражем двигуна V_лназивається сума робочих об’ємів всіх його циліндрів, виражених у літрах:

                                             V_л = 0,001 V_h.і ,

де і-число  циліндрів.

Відношення повного об’єму циліндра до об’єму простору стиску називається ступенем стиску:

                               e=V_a/V_c= (V_h+V_c)/V_c = V_h/V_c +1.

Ступіньстиску  показує  у  скільки  разів  зменшується об’єм робочої суміші (або повітря) при переміщені поршня від НМТ до ВМТ. Орієнтовні значення ступеня стиску для сучасних автотракторних двигунів становлять для: карбюраторних – 6 – 9; дизелів без наддуву – 16 – 20; дизелів з наддувом – 12 –15.

Сукупність послідовних процесів (впуск, стиск, згорання, розширення і випуск), які періодично  повторюються в кожному циліндрі й обумовлюють роботу двигуна називається робочим циклом двигуна.

Частина робочого циклу, яка проходить за час руху поршня від однієї мертвої точки до другої  називається тактом .

У 4-х тактному двигуні робочий цикл завершується за два оберти колінчастого вала, а у 2-х тактному - за один оберт колінчастого вала (за два ходи поршня ).

Робочі ходи у багатоциліндрових двигунах відбуваються через рівні кути обертання колінчастого вала. Їх визначають діленням тривалості циклу (у градусах обертання колінчастого вала) на кількість циліндрів. Зокрема, у чотирициліндровому чотиритактному двигуні робочий хід відбувається через 180° (720:4), у шестициліндровому - через 120° (720:6) тощо.

Порядком роботициліндрів багатоциліндровогодвигуна називають чергування такту розширенняробочого ходу в його циліндрах.

 

3. Робочі цикли ДВЗ. Індикаторні діаграми. Робота двигуна за один цикл визначається за індикаторною діаграмою,  яка  є графіком залежності тиску газу  в  циліндрі від об’єму, що змінюється при переміщенні поршня (координати p-V). Індикаторна діаграма  може бути побудована розрахунковим шляхом, або знята на працюючому двигуні  спеціальним приладом – індикатором.

Процеси циклу наочно характеризуються діаграмою у ко­ординатах «тиск – об'єм» (P-V) або «тиск - кут повороту колінчастого вала»  (P - φ).  Діаграма у координатах P-V дає змогу здійснювати термодинамічний аналіз (визначити індикаторну роботу, по­казники політропи стиску і розширення, температуру процесів стиску і розширення тощо). У координатах P - φ аналізують протікання процесу згоряння (його динамічність, тривалість, характер).

Індикаторні діаграми чотиритактних карбюраторного (а) і дизельного (б) двигунів наведені на рис.7 .

Рис. 7. Індикаторні діаграми чотиритактних карбюраторного (а) ідизельного (б) двигунів

На індикаторній діаграмі чотиритактного дизеля із турбонаддувом лінія впуску повітря у циліндр пролягає вище лінії випуску газів із циліндра (за рахунок дії турбокомпресора).

Робочий цикл чотиритактного дизеля здійснюється так.

Впуск.Впускний клапан 4(рис.8 а) відкритий, а випускний 6 - закритий. Поршень 2 переміщується в циліндрі 3 від ВМТ до НМТ, створюючи в циліндрі розрідження. Під дією різниці тиску атмосферного повітря (0,1 МПа) і відпрацьованих газів у циліндрі (0,08- 0,09 МПа) свіже повітря, пройшовши повітроочисник та впу­скну трубу, заповнює об'єм циліндра. В кінці такту температура повітря, яке нагрівається від деталей двигуна та відпрацьованих газів, підвищується до 30...50°С,

Стиск.Впускний і випускний клапани закриті (рис.8 б). Поршень переміщується від НМТ до ВМТ. Повітря стискається, зменшуючись в об'ємі, і в кінці такту все повітря зосереджується в камері стиску. При цьому тиск повітря зростає до 3,5...4,0 МПа, а температура до 600...700 ⁰С. Чим більше стискається повітря, тим

сильнішим буде спалах після впорскування палива і, відповідно, зростатиме потужність двигуна і його економічність.

 

Рис. 8. Схема роботи чотиритактного дизеля: а)  -впуск;  б)  - стиск; в) - робочий  хід; г) - випуск; 1 - паливний насос;  2 - поршень; 3 - циліндр;  4 - впускний  клапан; 5 - форсунка6 - випускний клапан; 7 - шатун; 8 - колінчастий вал

 Наприкінці такту стиску в камеру згорянняпаливний насос високого тиску 1 впорскує через форсунку 5 дизельне пальне,  яке одразу ж спалахує.

Подача палива в камеру згоряння через форсунку починаєтьсяза 15...30⁰ повороту колінчастого вала до ВМТ. Це потрібно для забезпечення деякого інтервалу від початку самозаймання палива до повного згоряння робочої суміші, протягом якого тиск в камері згоряння зростає до 6,0...9,0 МПа, а температура підвищується до І800...2000"С. Максимальні значення тиску та температури спостерігаються в момент переміщення поршня у ВМТ.

Розширення (робочий хід).Впускний і випускний клапани закриті (рис. 8 в). Поршень під тиском розширених газів, що утворилися при згорянні робочої суміші, рухається від ВМТ до НМТ і через шатун 7 обертас колінчастий вал 8. Сила тиску газів на днище поршня досягає значної величини.

При переміщенні поршня до НМТ тиск газів зменшується до0,4...0.5 МПа, а температура знижується до 700...900°С.

Випуск. Впускний клапан закритий, випускний відкритий (рис.8 г). Поршень (за рахунок інерції маховика) рухається від НМТ до ВМТ і виштовхує відпрацьовані гази з циліндра через ви­пускну трубу в атмосферу. В кінці такту тиск в циліндрі становить 0,11...0,12 МПа, температура 400…500 °С.

Двохтактні двигуни можуть бути як карбюраторні, так і дизельні. Загальним для всіх типів двохтактних двигунів є використання потоку свіжого заряду або повітря для видалення відпрацьованих газів із циліндра. Це явище називають продувкою, яку виконують різними способами.

Двотактний карбюраторний двигун, схема якого наведено на рис.9 працює так.

Перший такт.При переміщенні поршня в циліндрі від НМТ до ВМТ дно поршня перекриває продувне вікно 11 продувного каналу 12, а потім випускне вікно 5. В камері стиску 3 починається стиск робочої суміші до тиску 0,6…0,8 МПа, а в  кривошипній камері 8 картера 9 створюється розрідження. З переміщенням поршня його нижня частина (юбка) відкриває впускне вікно 6. Внаслідок різниці тисків повітря і горючої суміші у кривошипній камері свіже повітря, пройшовши повітроочисник, надходить до карбюратора 7. Тут повітря змішується з пальним, утворюючи пальну суміш, яка всмоктується у кривошипну камеру.

Наприкінці такту стиску (за 25...29⁰ повороту колінчастого ва­ла до ВМТ) до свічки запалювання4 підводиться струм високої на­пруги. Між електродами свічки виникає електрична іскра, яка за­палює робочу суміш. Після проходження поршнем ВМТ тиск газів, що згоряють, зростає до 2,5 МПа, а температура підвищується до 2200°С.

Другий такт.Поршень під тиском розширених газів рухається від ВМТ до НМТ. Юбка поршня закриває впускне вікно і в кривошипній камері починається стискання паливної суміші до 0,12...0,15МПа.

При переміщенні поршня його днище відкриває випускне вікно і відпрацьовані гази, тиск яких в циліндрі зменшився до 0,4...0,5 МПа, через випускну трубу 10 виходять назовні.

Рухаючись униз, поршень відкриває продувне вікно. Оскільки тиск газів у циліндрі становить 0,12...0,13 МПа, починається витискання пальної суміші із кривошипної камери через продувний канал і вікно в циліндр над поршнем. Паливна суміш витискає відпрацьовані гази з циліндра і, змішуючись з ними, утворює робочу суміш. Випускне вікно при цьому відкрите, і частина робочої суміші виходить назовні (продування циліндра). Процес продування збільшує витрату палива, але необхідний для підвищення потужності двигуна.

Після переміщення поршня в НМТ такти повторюються.

У двотактного дизеля основні процеси (стиск, згоряння
та розширення, процеси сумішоутворення,  самозагоряння суміші) відбуваються, як і у чотиритактного. Проте у двотактному двигуні процеси газообміну займають лише частину ходу поршня до НМТ і відповідно від НМТ. Частина ходу поршня, що використовується на газообмін у двотактних двигунів, становить 0,12–0,25.

  Індикаторна діаграма двотактного двигуна наведена на рис.10 .

Рис.10. Індикаторна діаграма двохтактного двигуна

 

4. Порівняльна  оцінка двигунів.Порівняння робочих циклів показує, що при однакових розмірах циліндрів і частоті обертання колінчастих валів по­тужність двотактного двигуна у 1,6 – 1,7 раза більша, ніж чотиритактного. Втрата потужності зумовлюється невикористанням частини робочого об'єму, погіршенням очищення й наповнення ци­ліндра двотактного двигуна.

До переваг двотактного двигуна належить рівно­мірність крутного моменту, оскільки робочий цикл здійсню­ється протягом кожного оберту колінчастого вала, також конструк­тивно вони простіші за чотиритактні однакової потужності, мають менші масу й габаритні розміри.

Недоліки двотактних двигунів:

·        більша, порівняно з чотири­тактними витрата, палива (частина свіжого заряду втрачається під час продування циліндра);

·        менший міжремонтний період, оскільки більша теплова напруженість деталей, а також ускладнене їх мащення (у двигунах такого типу для мащення кривошипно-шатунного механізму використовують суміш з 15–22 час­тин бензину і 1 частини моторного масла).

Двотактні двигуни застосовують там, де, незважаючи на меншу економічність і ресурс, доцільно мати легкий, потужний, простий і дешевий двигун. Тому їх використовують як пускові.

У дизельного двигуна (порівняно з бензиновим) такі пере­ваги:

·        на одиницю виконаної роботи витрачається на 20—25% менше палива;

·        працює на дешевшому, безпечному у пожеж­ному відношенні паливі;

·        простішефорсування потужності шляхом наддуву.

Робота дизеля також характеризується більшим тиском газів у циліндрах, що вимагає підвищеної міцності окремих деталей, а це зумовлює збільшення розмірів і маси. Для дизелів характерний також характерний більш важкий пуск, особливо при низькій температурі, крім того дизельні двигуни відзначаються жорсткою роботою та підвищеним рівнем шуму.