1

Л-2. Тема: Двигуни внутрішнього згоряння (лекція)

Питання теми:

1. Робочі процеси одноциліндрового чотирьохтактного дизельного двигуна.

2. Загальна будова і робота кривошипного-шатунного та газорозподільного

механізмів.

3. Системи двигуна внутрішнього згоряння.

1. Робочі процеси одноциліндрового чотирьохтактного дизельного двигуна.

Перетворення хімічної енергії на теплову і далі на механічну роботу відбувається

в дизельних чотиритактних двигунах у певній послідовності.

Такт впуску. Колінчастий вал дизеля приводять в обертовий рух, і поршень

починає рухатись від ВМТ до НМТ (рис. 1, а). Об'єм над поршнем _при цьому

збільшується, внаслідок чого тиск у циліндрі спадає до 0,075— 0,09 МПа. Водночас із

переміщенням поршня униз відкривається впускний канал і циліндр заповнює чисте

повітря, температура якого внаслідок теплообміну з нагрітими деталями в кінці

впуску сягає 30—50°С. Коли поршень досягне НМТ, впускний клапан закриє канал.

Такт стиску. При подальшому обертанні колінчастого вала поршень рухається до

ВМТ (рис. 1, б), стискуючи раніше подане повітря в циліндрі. Обидва клапани

закриті. Тиск повітря в кінці ходу сягає 3,5—4,0 МПа. Для надійного

самоспалахування палива в кінці такту стиснення повітря має :бути нагрітим до

температури 600—750°С, що і зумовлює високий ступінь стиску в дизелі.

Рис.1.Схема робочого циклу для чотиритактного дизеля: а — такт впуску; б — такт стиску; в — такт робочого ходу; г — такт випуску

Такт розширення (робочий хід). При наближенні поршня до ВМТ, у кінці такту

стиску в камеру згоряння через форсунку впорскується дрібно розпилене дизельне

паливо. При змішуванні з гарячим повітрям і залишковими газами паливо само

спалахує і згоряє. Тиск газів у циліндрі підвищується до 6,0—9,0 МПа, а температура

до 1800—2000°С. Оскільки обидва клапани залишаються закритими, то тиск газів,

виділених під час згоряння палива, примушує поршень опускатись до НМТ (рис. 1,

в). Поршень через шатун обертає колінчастий вал.

2

Такт випуску. Коли поршень досягне НМТ, випускний клапан відкриває

випускний канал для очищення порожнини циліндра від відпрацьованих газів. З

циліндра гази виштовхуються в атмосферу поршнем. Поршень рухається угору

(рис. 1, г) під дією енергії, накопиченої маховиком у робочому ході. У кінці такту

випуску тиск газів становить 0,11—0,12 МПа, а температура — 400... 600°С.

Випускний клапан закриє випускний канал по досягненні поршнем ВМТ і робочий

цикл повториться знов.

2. Загальна будова і робота кривошипного-шатунного та газорозподільного

механізмів.

Дизель складається з блоку циліндрів, кривошипно-шатунного та газо-

розподільного механізмів, систем охолодження, змащування, живлення і пуску. Всі

механізми та системи двигуна розміщені в середині або назовні остова. Пуск дизелів

здійснюється від електричного стартера або від пускового двигуна, який запускається

електростартером.

Блок циліндрів слугує основою для розміщення основних механізмів і систем

дизеля (рис. 2). Усі фізико-хімічні процеси робочого циклу відбуваються в циліндрах.

Циліндр є напрямною поршня. Його внутрішня поверхня (дзеркало) ретельно

оброблена, що зменшує спрацювання поверхні та тертя. Циліндр виготовляють у

вигляді змінної гільзи 4 (рис. 2.), яка встановлюється у блок-картер 1. Простір між

стінками блоку і гільз утворює сорочку охолодження, в якій циркулює охолоджена

рідина. Проникненню її в картер запобігають ущільнювальні гумові кільця,

встановлені у канавку нижньої частини гільзи.

Блок циліндрів і верхню частину картера багатоциліндрових двигунів з

р і д ин н и м охолодженням відливають у вигляді однієї деталі, яку називають блок-

картером. Він є остовом для кріплення всіх деталей двигуна. Зверху блок-картера

встановлюють головку 3 блока, знизу — піддон картера, спереду — картер

розподільних шестерень, позаду — картер маховика. У середині блок-картера

встановлюють колінчастий вал, розподільний вал, масляний насос. Циліндри

двигунів п о в і т р я н о г о охолодження для поліпшення тепловіддачі виготовляють у

вигляді окремої відливки б, закріпленої на картері 5. Циліндри цих двигунів мають

зовнішні ребра та кріпляться болтами до спільного картера.

Головка циліндрів 3 закриває зверху блок та кріпиться до нього шпильками. У

ній розміщені: місце для форсунки, впускні і випускні канали, сорочка охолодження.

Зверху головки встановлено деталі розподільного механізму і кришка.

Азбосталева ущільнювальна прокладка 2 між головкою і блок-картером виключає

прорив газів з циліндрів та попадання в них охолоджувальної рідини.

Картер 9 є масляною ванною дизеля, виконаний з алюмінієвого литва.

Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотно-

поступальний рух поршня на обертовий рух колінчастого вала.

Кривошипно-шатунний механізм складається з циліндрів 6 (рис.2), поршнів 16 з

кільцями та пальцями, шатунів 13 з підшипниками, колінчастого вала 17 і маховика

18. Усі деталі механізму двигунів внутрішнього згоряння розміщені у блоці

циліндрів.

П о р ш н і працюють за умов високих температур і змінних навантажень, тому

мають бути міцними, легкими і добре відводити теплоту. На поршні 16 розрізняють

3

днище, ущільнювальну частину (головку) і напрямну частину (юбку). Під час роботи

поршень дещо розширюється, тому в циліндр його встановлюють з деяким зазором.

Рис. 2. Основні деталі кривошипно-шатунного механізму: 1 — блок-картер; 2, 8 — ущільнювальні прокладки; 3 — головка циліндрів двигуна з рідинним

охолодженням; 4 — гільза; 5 — картер; 6 — циліндр; 7 — головка циліндрів двигуна з повітряним

охолодженням; 9 — піддон картера; 10 — компресійне кільце; 11 — втулка; 12 — маслознімне

кільце; 13 — шатун; 14 — вкладиші; 15 — кришка; 16 — поршень; 17— колінчастий вал;

18 — маховик; 19 — поршневий палець; 20 — стопорне кільце.

Заглиблення в днищі поршня дизеля слугує камерою згоряння. На поршні проточені

канавки для поршневих кілець.

П о р ш н е в і к іль ця . На поршнях тракторних дизелів встановлюють З

компресійних і 1—2 маслознімних кільця. Компресійні кільця 10 закривають зазор

між поршнем і циліндром, а маслознімні 12 кільця запобігають попаданню масла з

картера в камеру згоряння, знімають надлишки масла зі стінок циліндра.

Виготовляють поршневі кільця з розрізом — замком, що дає змогу їм подовжуватись

при нагріванні.

4

В отворах двох бобишок середньої частини поршня встановлюють поршневий

палець 19. П о р ш н е в и й п а л е ц ь шарнірно з'єднує палець із шатуном і має форму

пустотілого циліндра. Осьові переміщення пальця обмежують стопорні кільця 20.

При цьому він може вільно провертатись у поршні та в шатуні. Такий палець

називають плаваючим.

Шатун 13 з'єднує поршень з колінчастим валом. Шатун має стрижень, верхню і

нижню головки. Верхня нерознімна головка слугує для з'єднання з поршнем, у неї

запресовують бронзову втулку, що зменшує тертя пальця. Нижня рознімна головка

охоплює шийку колінчастого вала. Відокремлювана частина шатуна називається

кришкою. Для зменшення тертя між шатуном і шийкою в нижню головку

встановлюють шатунний підшипник 14 (вкладиш). Спрацьовані вкладиші замінюють.

К о л і н ч а с т и й в а л 17 сприймає через шатуни зусилля від поршнів та

передає їх на механізми трансмісії. На колінчастому валу розрізняють: корінні або

опорні шийки, на яких він обертається в корінних підшипниках; шатунні шийки,

охоплені нижніми головками шатунів; щоки, які з'єднують шийки між собою; носок

(передній кінець); хвостовик (задній кінець).

М а х о в и к 18 — це чавунний диск, закріплений на задньому кінці колінчастого

вала. Маховик забезпечує виведення поршнів із мертвих точок і рівномірне

обертання колінчастого вала. На маховику закріплюють зубчастий вінець, який

використовують під час запуску двигуна.

Під час робочого процесу, що відбувається в тракторних дизелях, періодично

виникає необхідність заповнення циліндрів свіжим зарядом чистого повітря (процес

впуску) та видалення з них відпрацьованих газів (процес випуску).

Газорозподільний механізм вчасно впускає в циліндр паливно-повітряну суміш (у

карбюраторних двигунах) або повітря (в дизелях) та випускає з циліндра продукти

згоряння.

Найбільшого поширення набули клапанні механізми з верхнім (підвісним)

розташуванням клапанів. У кожному циліндрі більшості двигунів встановлено два

клапани: впускний — для впуску свіжого заряду повітря або горючої суміші;

випускний — для випуску з циліндра відпрацьованих газів.

Рис. 3. Газорозподільний механізм:

1 — клапан;

2 — напрямна втулка клапана;

З — пружина;

4 — тарілка пружин;

5 — коромисло;

6 — регулювальний гвинт;

7— штанга;

8 — штовхан;

9 — кулачок;

10 — розподільний вал;

11 — шестірня розподільного вала;

12 — шестірня колінчастого вала;

13 — сухарики;

14— тарілка клапана;

15 — гніздо клапана

5

Газорозподільний механізм утворюють: кулачковий вал 10 (рис. 3.) з приводними

шестірнями 11 і 12, штовхачі 8, штанги 7, коромисла 5 з осями та регулювальними

гвинтами 6, клапани 1 з напрямними втулками 2, пружинами 3, тарілками пружин 4.

Фаска тарілки 14 клапана та гнізда клапана 15 у головці циліндрів виконані під кутом

45°, що забезпечує їх щільне прилягання.

Клапани працюють за умов негативного впливу газів та високого теплового

навантаження: випускні клапани під час роботи двигуна нагріваються до 600...800°С,

а впускні — до 300...400°С. Для збереження механічних якостей впускні клапани

виготовляють із хромонікелевої, а випускні — з жаростійкої сталі.

3. Системи двигуна внутрішнього згоряння.

Система живлення дизеля слугує для очищення циліндрів та подачі в них

палива і повітря.

Для цього система живлення має деталі, прилади та агрегати, що забезпечують:

1) надходження чистого повітря (повітряний очисник, впускний трубопровід,

турбокомпресор);

2) подачу палива, приготування суміші та випуск відпрацьованих газів (бак для

палива, фільтри грубої та тонкої очистки, насоси низького і високого тиску,

форсунки, проводи для пального, випускний трубопровід, глушник);

3) регулювання живлення двигуна (регулятор швидкості).

У дизельних двигунах горюча суміш готується безпосередньо в циліндрі —

всередині камери згоряння. Паливом для дизелів слугує дизельне паливо. Для

збільшення тепловіддачі від згоряння горючої суміші в циліндрі двигуна паливо має

бути подане в нього під великим тиском, дрібно розпиленим. Чим краще змішане

паливо з повітрям, тим краще воно згорить.

У дизелі Д-240 камера згоряння з об’ємно - плівковим сумішоутворенням

розташована в поршні. Камера має шатрову форму, яка сприяє завихренню

повітряного потоку, інтенсивному змішуванню палива і повітря, а

відтак, і кращому згорянню палива.

Рис. 4 Схема системи живлення дизеля

(Д-240):

1 — повітряний очисник;

2 — зливна трубка;

З — форсунка;

4 — паливопровід високого тиску;

5 — фільтр-відстійник;

6 — фільтр тонкої очистки палива;

7 — датчик покажчика рівня палива;

8 — паливомірна трубка;

9 — баки для палива;

10 — забірний кран;

11— зливний кран;

12 — паливний насос низького тиску:

13— трубка перепуску палива;

14 — паливний насос високого тиску;

15 — регулятор.

6

Дизельне паливо з паливного бака 9 (рис. 4) проходить через фільтр-відстійник

5, очищується в ньому від води і грубих механічних часток та спрямовується до

підкачувального насоса низького тиску 12. Підкачувальний поршневий насос

нагнітає паливо у фільтр тонкого очищення 6. Очищене від найдрібніших домішок

паливо надходить до паливного насоса високого тиску 14, з якого відповідно до

порядку роботи циліндрів двигуна подається по паливопроводам високого тиску 4

через форсунки 3 в циліндри.

Повітря під дією розрідження, створеного в циліндрах дизеля, надходить з

атмосфери і проходить триступеневе очищення в повітряному очиснику 1.

Нормальну частоту обертання колінчастого вала двигуна підтримує автоматично

регулятор частоти обертання, змінюючи подачу палива насосом. Впускний та

випускний колектори з'єднують камеру згоряння з повітряним очисником і

випускною трубою. Остання приєднана до випускного колектора і має глушник

шуму, який знижує рівень шуму відпрацьованих газів і гасить іскри.

Система охолодження підтримує нормальний температурний режим

працюючого двигуна.

Наслідками перегріву може бути заклинювання поршнів у циліндрах через

надмірне теплове розширення, зменшення наповнення циліндра робочою сумішшю.

Шкідливим для двигуна є й переохолодження: погіршуються сумішоутворення та

згоряння. Перелічені недоліки призводять до зниження потужності двигуна, підвищення

витрати палива та спрацювання деталей.

З метою підтримування нормального теплового стану необхідно відводити надлишки

тепла від нагрітих деталей двигуна, тобто охолоджувати їх. Відведення тепла в

двигунах здійснюється штучним, примусовим охолодженням за допомогою повітря

(повітряне охолодження) або рідини (рідинне охолодження). Система охолодження

утворена сукупністю пристроїв та приладів, що відводять надлишки тепла від деталей

двигуна. Вона може бути повітряною або рідинною.

Повітряне охолодження. Циліндри 1 (рис. 5, а) двигунів з повітряним

охолодженням виготовляють окремо, для збільшення поверхні охолодження вони

Повітря

Рис.5. Повітряна система охолодження:

а - схема роботи; б - циліндр; 1 - циліндр; 2 - дефлектори; 3 - місце виходу повітря;

4 - вентилятор; 5 - кожух розподілу повітря

мають охолоджувальні ребра зовні. Притік повітря, створюваний вентилятором 4,

спрямовується кожухом 5 на циліндрі. Дефлектори (напрямні щитки) 2 примушують

потік повітря проходити між ребрами головок і циліндрів (рис. 5, б) та відводити

7

тепло від нагрітих частин двигуна. Звужений кожух з дефлекторами забезпечують

рівномірне обдування циліндрів.

Інтенсивність дії повітряної системи охолодження двигуна дещо нижча

порівняно з рідинною, а перевагами є такі: простота в експлуатації, малі затрати праці

на технічне обслуговування системи, виключена небезпека розморожування.

Рідинне охолодження (рис. 6). Рідинна система охолодження може бути

термосифонна і примусова.

У термосифонній системі охолоджена рідина циркулює внаслідок різної

щільності гарячої й холодної води у верхній і нижній частинах системи (гаряча вода з

меншою щільністю витискається нагору холодною водою, яка має більшу щільність). Охолоджуюча рідина

Повітря

Рис. 6. Рідинна система охолодження: а — схема роботи; б — дія серцевини радіатора; 1 — шторка радіатора; 2 — радіатор;

З — вентилятор; 4 — термостат; 5 — термометр; 6 — сорочка охолодження основного двигуні;7

— сорочка охолодження пускового двигуна; 8 — водорозподільний канал;

9 — водяний насос; 10 — зливний краник Така циркуляція відбувається при запуску дизеля пусковим двигуном. Нагріта

рідина піднімається в його водяній сорочці 7 в гору до головки, а звідти по трубці

через корпус термостата 4 надходить в сорочку головки блока дизеля, де і віддає

тепло. Охолоджена вода опускається і через водорозподільний канал 8 знову

надходить у сорочку пускового двигуна.

Принципова схема примусових рідинних систем охолодження сучасних

двигунів однакова. Система охолодження складається з сорочок охолодження 6

(рис. 6, а) блока і головки блока, радіатора 2, водяного насоса 9, вентилятора 3,

термостата 4, шторки радіатора 1 з'єднувальної арматури і зливних краників 10.

Під час роботи дизеля циркуляція охолодженої рідини в системі охолодження

створюється відцентровим насосом 9, що приводиться у дію від колінчастого вала

через пасову передачу. Рідина відбирає тепло від нагрітих стінок циліндрів і, коли її

температура перевищить 70°С, через термостат 4 надходить до верхнього бачка

радіатора 2 (вода рухається по великому колу). У процесі руху по трубках серцевини

радіатора (рис. 6, б) до нижнього бачка відбувається теплообмін між рідиною і

потоком повітря, створюваним вентилятором 3. Рідина охолоджується і знов

надходить в сорочку охолодження дизеля. Охолоджена рідина при температурі нижче

70°С в радіатор не попадає — термостат автоматично спрямовує весь потік безпо-

середньо до насоса (рух по малому колу). Вимірюють температуру робочої рідини

дистанційним термометром 5. Нормальна температура становить 85—95°С.

Підняттям або опусканням шторки 7 регулюють ступінь нагріву двигуна.

8

Система змащування слугує для подачі масла до тертьових поверхонь деталей

двигуна, їх охолодження та видалення продуктів спрацювання.

Рис. 7. Схема комбінованої

системи змащування: 1 - піддон;

2 — шестеренний насос;

3 — редукційний клапан насоса;

4 — мастиломірний щуп;

5 — проміжна шестірня;

6 — фільтр;

7 — радіаторний клапан;

8 — радіатор;

9 — зливний клапан;

10 — розподільний вал;

11 — манометр;

12 — вісь коромисел;

13 — головний мастильний канал; 14

— порожнина шатунної шийки; 15 -

колінчастий вал;

16 — заливна горловина.

Крім того, масляна плівка ущільнює поршень у циліндрі, поліпшує дію

компресійних кілець, запобігає прориву газів із циліндра в картер. Система

складається з масляного шестеренного насоса 2 (рис. 7), масляного фільтра

відцентрового типу (центрифуги) 6, радіатора 8, маслопроводів, клапанів 3, 7,

манометра 11 і термометра, піддона 1. Залежно від способу подачі масла до тертьових

поверхонь деталей розрізняють системи мащення розбризкуванням, під тиском

(примусова) та комбіновану.

У дизелях застосовується комбінована система змащування.

Діє комбінована система у такий спосіб. Насос 2 подає масло з піддона картера

1 до фільтра 6. Очищене від домішок масло спрямовується у масляну магістраль

дизеля: якщо масло холодне, воно надходить у магістраль через клапан 7, а якщо

гаряче — через масляний радіатор. Найнавантаженіші деталі, наприклад підшипники

валів двигуна, змащуються під тиском, створеним шестеренним насосом 2, а решта

(гільзи, поршні, штанги, штовхачі та інші деталі) — розбризкуванням.

Електричний пуск застосовують на карбюраторних пускових і дизельних

двигунах. Електричний стартер за допомогою пускової шестерні, встановленої на

його валу, вводять у щеплення з вінцем маховика. При одночасному ввімкненні в

коло акумуляторні батареї, вал з шестірнею починає обертатись і передає обертовий

рух на колінчастий вал двигуна. Після запуску стартер відключається.

Система запалювання забезпечує запалювання в циліндрі робочої суміші у

карбюраторних пускових двигунів.

Запитання для самоконтролю 1. Що називається двигуном внутрішнього згоряння?

2.Що називають робочим циклом і тактом?

3.Назвіть основні механізми та системи двигуна.

4. Охарактеризуйте відомі вам типи систем охолодження тракторних двигунів.

5.Яке призначення систем пуску та запалювання?