Понятие о поршневых двигателях внутреннего сгорания. Поршневые ДВС состоят из различных устройств, выполняющих в процессе их эксплуатации определенные функции. Корпус (остов) двигателя образуют фундаментная рама, станина, цилиндр и крышка цилиндра. Внутри цилиндра передвигается поршень, шарнирно связанный с шатуном, нижняя головка которого в свою очередь шарнирно соединена с коленчатым валом. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками, а расстояние, проходимое поршнем при его движении от одной мертвой точки до другой,—ходом поршня. Поступательное движение поршня с помощью шатуна преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.

При работе двигателя в цилиндрах происходят термодинамические процессы впуска (наполнения цилиндров свежим зарядом); сжатия заряда; воспламенения и сгорания топлива; расширения газообразных продуктов сгорания топлива и выпуска их из цилиндров.

Названные процессы в определенной последовательности периодически повторяются в каждом цилиндре двигателя. В комплексе все эти процессы, обеспечивающие преобразование химической энергии топлива в тепловую и механическую, называют циклом, а часть цикла, осуществляемая в цилиндре за один ход поршня,— тактом.

Цикл у поршневых двигателей внутреннего сгорания может совершаться за четыре или два хода поршня (два оборота или один оборот коленчатого вала).

Поэтому также двигатели называют соответственно четырех- или двухтактными.

Топливо и воздух (свежий заряд) могут поступать в двигатель по отдельности или в виде приготовленной в определенном соотношении смеси.

Устройства, в которых приготовляется такая смесь, называют карбюраторами. Поступившая в цилиндр горючая смесь для лучшего перемешивания сжимается поршнем и воспламеняется электрической искрой. При сгорании смеси в цилиндре двигателя резко возрастают давление и температура. Образовавшиеся при сгорании смеси газы перемещают поршень в цилиндре и совершают полезную работу. Тепловые машины, работающие по такой схеме, называют двигателями с искровым зажиганием.

У большинства двигателей речных судов процесс смесеобразования и подготовки смеси к сгоранию происходит внутри цилиндров. Воздух и топливо поступают в цилиндры судовых двигателей раздельно, и топливо самовоспламеняется вследствие высокой температуры сжатого воздуха. Такие двигатели получили название дизелей по фамилии их изобретателя — немецкого инженера. Дизеля. Рассмотрим принцип работы четырехтактного дизеля. При такте впуска осуществляется заполнение цилиндра воздухом. Коленчатый вал в данном случае, вращаясь перемещает поршень сверху вниз от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.). В этот момент впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт и верхняя полость цилиндра сообщена с впускным коллектором (трубопроводом).

Затем коленчатый вал, вращаясь, перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. С закрытием впускного клапана поршень сжимает поступивший в цилиндр воздух, сжатие воздуха сопровождается повышением его давления и температуры (давление воздуха к концу такта сжатия достигает 3,0—10,0 МПа, а температура — 450—800 °С.

В конце такта сжатия в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо. Соприкасаясь с частицами нагретого от сжатия воздуха, топливо самовоспламеняется. При сгорании топлива выделяется большое количество теплоты, поэтому давление и температура газов возрастают соответственно до 6,0—15,0 МПа и 1400—1900 °С. Поршень под воздействием газов перемещается вниз к н.м.т., поворачивая через шатун 9 коленчатый вал дизеля. Движение поршня вниз сопровождается увеличением объема над ним и снижением давления продуктов сгорания топлива, т.е. расширением газов. При этом тепловая энергия газов превращается в механическую. Ход поршня, соответствующий расширению продуктов сгорания топлива, называют рабочим. В конце такта расширения, когда давление газов в цилиндре уменьшается до 3,0—1,0 МПа, а температура до 800— 1050 °С, с помощью специального устройства открывается выпускной клапан и продукты сгорания топлива при движении поршня вверх удаляются из цилиндра (при температуре 450—750 °С) в выпускной коллектор 3. С подходом поршня к в.м.т. открывается впускной клапан, начинается вновь процесс наполнения цилиндра воздухом и цикл повторяется.

Двухтактные дизели. Процессы сжатия, сгорания и расширения осуществляются в двухтактных дизелях практически так же, как и в четырехтактных.

Как видно из схемы, конструктивно двухтактный дизель отличается от четырехтактного в основном устройством крышек и цилиндров. В крышках цилиндров двухтактных дизелей, как правило, отсутствуют впускные и выпускные клапаны, а цилиндры имеют выпускные а и впускные окна. Через выпускные окна из цилиндров удаляются продукты сгорания топлива, а через впускные их заполняют свежим воздухом. Подача воздуха в цилиндры осуществляется с помощью продувочного насоса (на схеме не показан).

Рассмотрим принцип работы двухтактного дизеля. Когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., в цилиндре дизеля происходит сгорание топлива и расширение газов, т. е. так же, как и у четырехтактного дизеля, тепловая энергия преобразуется в механическую. В момент открытия поршнем выпускных окон а давление газов уменьшается, и они устремляются в выпускной коллектор. При дальнейшем движении поршня к н.м.т. открываются впускные (продувочные) окна. С этого момента в цилиндре будут происходить одновременно два процесса: выпуск газов и впуск свежего воздуха (продувка). Процесс расшрения газов является основным при движении поршня от в.м.т. к н.м.т., его называют рабочим ходом.

Рис. 1. Схема двухтактного дизеля

При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. продувка цилиндра будет осуществляться до тех пор, пока поршень своей верхней кромкой не перекроет продувочные окна. Двигаясь вверх, поршень затем перекрывает выпускные окна а, начинается сжатие свежего воздуха и оставшихся в цилиндре продуктов сгорания топлива. Процесс сжатия является основным при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., этот такт называют тактом сжатия.

Двухтактные двигатели с искровым зажиганием. На некоторых катерах, шлюпках с подвесными моторами и других судах, предназначенных для обслуживания судоходной обстановки и выполнения ряда вспомогательных операций, установлены двухтактные двигатели с искровым зажиганием. При работе двигателя внутреннего сгорания, когда поршень перемещается в сторону крышки и занимает положение, показанное на рис. 3, а, в картерную полость а из карбюратора через окно всасывается топливовоз-душная смесь. В этот же момент в камере г происходит сжатие ранее поступившей рабочей смеси. В конце такта сжатия температура рабочей смеси в камере г повышается до 270—420 °С. Однако при такой температуре не обеспечивается самовоспламенение топлива, поэтому рассматриваемые двигатели оборудуют свечами зажигания, между электродами которых в нужный момент проскакивает электрическая искра, воспламеняющая смесь.

При сгорании рабочей смеси давление газов в камере г возрастает до 2—3 МПа. Под воздействием давления газов поршень смещается в сторону картерной полости а и с закрытием окна сжимает поступившую в нее смесь. В конце хода расширения газов поршень открывает сначала выпускное в, а затем продувочные окна д. Сжатия в картерной полости смесь по каналу е, вытеснив предварительно через окно в продукты сгорания топлива, поступает в цилиндр. Двигатели с искровым зажиганием могут иметь вертикальное или горизонтальное расположение цилиндров. Продувка цилиндра заканчивается, когда поршень при обратном движении к крышке закроет окно в. С закрытием выпускного окна в камере г начинается процесс сжатия и цикл (сжатие — рабочий ход) повторяется.

Рис. 2. Схема двухтактного двигателя о искровым зажиганием

Основные детали, механизмы и системы дизелей. При рассмотрении конструкций двигателей принято их детали компоновать в отдельные группы, являющиеся, как правило, самостоятельными сборочными единицами. В связи с этим в конструкции любого дизеля обычно выделяют корпус, криво-шипно-шатунный механизм и различные системы.

Корпус (остов) дизеля образуют фундаментная рама, станина, цилиндры и крышки цилиндров. К кривошипно-шатунному механизму относят поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик. Под системами понимают комплексы механизмов,аппаратов, приборов и других устройств, выполняющих определенные задачи при подготовке дизелей к пуску и обслуживании их в работе.

Чтобы произвести пуск дизеля, его коленчатый вал должен вращаться с такой частотой вращения, при которой температура и давление в цилиндре оказались бы достаточными для устойчивого самовоспламенения поступившего в цилиндр топлива. Для этого имеется система пуска. Система газораспределения служит для заполнения цилиндров воздухом (свежим зарядом) и для очистки цилиндров в нужный момент от продуктов сгорания топлива. Очистка, хранение и подача топлива в цилиндры осуществляются с помощью устройств топливной системы. Смазочная система служит для непрерывного смазывания трущихся деталей дизеля, для уменьшения их изнашивания, нагревания и механических потерь на трение. При работе дизеля цилиндры и их крышки, поршни, выпускной коллектор и другие детали интенсивно нагреваются. Для отвода лишнего количества теплоты от этих деталей дизеля служит система охлаждения.

Для обеспечения хода судна «Вперед» или «Назад» дизели оборудуют системой реверсирования, с помощью которой изменяется направление вращения коленчатого вала. Система регулирования служит для автоматического поддержания заданной угловой скорости коленчатого вала.

В процессе эксплуатации судна возникает необходимость в изменении частоты вращения коленчатого вала, а также в пуске, реверсировании и остановке дизеля. Эти операции выполняются с помощью системы управления. Нормальная и безаварийная работа дизеля контролируется системой предупредительно-аварийной сигнализации и защиты. Кроме перечисленных групп деталей, механизмов и систем, в конструкции дизелей могут быть и другие устройства, например средства приготовления и хранения сжатого воздуха, утилизации (использования теплоты выпускных газов), нейтрализации выпускных газов и т. п.

Диаграммы циклов дизелей. Как указывалось, у дизелей только один такт (такт расширения) является рабочим, когда продукты сгорания топлива совершают полезную работу. Остальные такты (впуска, сжатия, выпуска) осуществляются в результате затраты части энергии, выделившейся при сгорании топлива.

О характере протекания процессов в цилиндрах дизеля можно судить по диаграмме pV (давление — объем), представляющей графическое изображение изменения давления и объемов газов в цилиндре в течение рабочего цикла. Диаграмма вычерчивается индикатором, который устанавливают на дизель во время его испытаний. Поэтому диаграмму рабочего цикла дизеля называют индикаторной. Следует иметь в виду, что характер про-

текания различных процессов сложен и скоротечен, в рабочих циклах реальных дизелей их нельзя четко разграничить, так как они в некоторой степени совмещаются, а их начало и завершение часто не совпадают с мертвыми точками. На индикаторной диаграмме четырехтактного дизеля изменение давления в период впуска показано линией rda. Положение этой линии в осях координат показывает, что давление при впуске остается практически постоянным. Эффективность процесса впуска оценивается массой поступившего воздуха.

Для четырехтактных дизелей степень сжатия колеблется в пределах 12—20. Выбор степени сжатия ниже указанных пределов не обеспечивает надежность пуска дизеля при низкой температуре наружного (окружающего) воздуха. Значительный рост степени сжатия повышает давление газов при горении топлива, что нежелательно, так как с увеличением действующих давлений и нагрузок на детали для обеспечения прочности необходимо увеличивать их размеры или делать детали из более прочных материалов.

Рис. 3. Диаграммы рабочих циклов и круговые диаграммы четырех- и двухтактных дизелей

В конце такта сжатия в цилиндр дизеля подается топливо. Оно воспламеняется через 0,002—0,003 с после впрыскивания. Время от начала подачи топлива в цилиндр до начала его горения называют периодом задержки самовоспламенения. Оно зависит от свойств топлива, степени сжатия и других факторов. Лучшим считается топливо с наименьшим периодом задержки самовоспламенения. Учитывая изложенное, подачу топлива в цилиндр осуществляют до прихода поршня в в.м.т.

На диаграмме рабочего цикла момент подачи топлива показан точкой, а процесс горения топлива — линией mzn. Процесс расширения на диаграмме заканчивается в точке. В конце такта расширения открывается выпускной клапан и продукты сгорания топлива удаляются из цилиндра во впускной коллектор. Процесс выпуска характеризуется на диаграмме рабочего цикла линией brd. Процессы выпуска из цилиндра продуктов сгорания и наполнения цилиндра свежим воздухом называют процессами газообмена. Продолжительность и последовательность этих процессов в цикле дизеля определяются продолжительностью и последовательностью открытия клапанов. Моменты открытия и закрытия клапанов называют фазами газораспределения. Последовательность действия клапанов наглядно изображается в виде круговой диаграммы. Для увеличения массы воздуха, поступающего в цилиндр, впускной клапан дизеля открывается до прихода поршня в в.м.т., когда кривошип (колено) вала не доходит до в.м.т. на угол, а закрывается в тот момент, когда кривошип вала поворачивается на угол а4 от н.м.т. Начала открытия и закрытия выпускного клапана тоже сдвинуты относительно мертвых точек: открытие начинается с опережением относительно н.м.т. на угол, а закрытие происходит после в.м.т. с запаздыванием на угол. Благодаря открытию выпускного клапана до прихода поршня в н.м.т. обеспечивается падение давления в цилиндре до начала принудительного выпуска газов и, следовательно, снижение затрат энергии на перемещение поршня к в.м.т. при принудительном выпуске газов. При позднем закрытии выпускного клапана обеспечивается более качественная очистка цилиндра от продуктов сгорания топлива.

Большая часть процессов выпуска газов и наполнения цилиндра воздухом протекает раздельно, но около в.м.т. впускной и выпускной клапаны открыты некоторое время одновременно. Продолжительность перекрытия клапанов, равная сумме углов, вызывается необходимостью отсасывания продуктов сгорания топлива из цилиндра вследствие их инерции в выпускном коллекторе и подсасывания в цилиндр дополнительного количества свежего воздуха.

Топливо впрыскивается в цилиндр в конце сжатия, когда поршень не доходит до в.м.т. на угол называемый углом опережения подачи топлива, благодаря чему обеспечивается лучшее перемешивание топлива с воздухом и качественное сгорание.

Фазы газораспределения устанавливаются для каждого дизеля заводом-изготовителем. Углы опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов выбираются тем большими, чем выше частота вращения коленчатого вала. При нарушении фаз газораспределения диаграмма рабочего цикла искажается на участках впуска и выпуска, что может привести к снижению мощности и экономичности дизеля. Поэтому фазы газораспределения периодически проверяют и при необходимости доводят до значений, установленных заводом-изго-товителем.

Рабочий цикл двухтактного дизеля, как отмечалось, совершается за два хода поршня, в течение которых происходят как основные процессы — сжатие по линии, сгорание по линии mzn, расширение по линии, так и процессы газообмена. Выпуск газов из цилиндра двухтактного дизеля осуществляется в два этапа. С открытия поршнем выпускных окон (точка b) до момента открытия продувочных окон газы вытесняются из цилиндра вследствие избыточного давления. При открытых продувочных окнах происходит продувка цилиндра, т. е. впуск предварительно сжатого до давления 0,12—0,13 МПа воздуха, принудительно вытесняющего из цилиндра продукты сгорания топлива. Продувка заканчивается по диаграмме рабочего цикла в точке е, а выпуск в точке а. С закрытием выпускных окон при движении поршня вверх происходит сжатие воздуха до точки с.

На круговой диаграмме газораспределения двухтактного дизеля угол as соответствует положению кривошипа вала в момент начала открытия выпускных окон, угол ae — в момент открытия продувочных окон. Угол а7 характеризует продолжительность процесса выпуска, а угол — продолжительность продувки цилиндра. У некоторых двухтактных дизелей процесс продувки заканчивается позднее выпуска и угол as больше угла ал. Впрыскивание топлива, как и в четырехтактном дизеле, происходит в конце такта сжатия в точке с опережением на угол. Из диаграммы рабочего цикла видно, что часть хода поршня двухтактного дизеля используется для открытия выпускных и продувочных окон. Следовательно, при рабочем объеме полезной его частью является лишь разность между объемом, заключенным над поршнем в момент открытия выпускных окон, и объемом камеры сжатия Vc.

Сравнительные характеристики четырех- и двухтактных дизелей. При сравнении рабочих циклов четырех-и двухтактных дизелей видно, что при одних и тех же размерах (диаметре цилиндра, ходе поршня) и при равной частоте вращения коленчатых валов двухтактные дизели должны развивать вдвое большую мощность, чем четырехтактные. Однако с точки зрения работы газа часть хода поршня двухтактного дизеля, пропорциональная объему Vh, считается потерянной, поэтому практически двухтактный дизель при указанных выше одинаковых условиях развивает мощность не вдвое, а только в 1,7—1,8 раза большую, чем четырехтактный дизель. Двухтактные дизели при одинаковой мощности с четырехтактными имеют меньшие размеры и массу. Устройство двухтактных дизелей с продувкой через окна в цилиндре проще четырехтактных, поэтому их легче обслуживать. Рабочий цикл у двухтактных дизелей совершается за один оборот коленчатого вала, поэтому вращение последнего у двухтактных дизелей осуществляется равномернее, чем у четырехтактных. Детали двухтактных дизелей испытывают большие температурные напряжения, так как в них чаще повторяется процесс сгорания. Несмотря на простоту устройства и обслуживания двухтактные дизели менее экономичны, чем четырехтактные (хуже очищаются цилиндры, требуются дополнительные затраты энергии на привод продувочного насоса г т. п.). Поэтому на речном транспорте получили наибольшее распространение четырехтактные дизели, а двухтактные используют в основном на некоторой части катеров и шлюпок с подвесными моторами. С увеличением мощности и уменьшением угловой скорости коленчатых валов двухтактных дизелей их экономичность резко возрастает и приближается к экономичности четырехтактных. В соответствии со стандартами дизели с рабочим объемом цилиндра более 215 дм3 делают двухтактными.