Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) відносяться до класу теплових двигунів, в яких процес згоряння палива і перетворення отриманої при цьому теплоти в механічну роботу відбувається в робочому циліндрі самого двигуна. Робочим тілом тут є продукти згоряння палива, що навіть зумовлено назву «двигуни внутрішнього згоряння». Газоподібні продукти згоряння палива характеризуються високим тиском і температурою. Сили тиску продуктів згоряння діють на розташований в циліндрі поршень, викликаючи його переміщення уздовж осі циліндра. Поступальний рух поршня перетворюється в обертальний рух колінчастого вала двигуна за допомогою кривошипно-шатунного механізму і передається валу приводного механізму або Валопроводи. Робочим циклом двигуна називається комплекс процесів по перетворенню енергії палива в механічну роботу.
Розглянемо принципи класифікації двигунів.
За призначенням суднові двигуни поділяються на головні і допоміжні. Перші забезпечують рух судна, а другі приводять в рух допоміжні механізми енергетичної установки (насоси, компресори, генератори суднової електростанції і т. Д.).
За способом здійснення робочого циклу розрізняють двотактні двигуни, в яких робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, відповідних одному обороту колінчатого вала, і чотиритактні двигуни, в яких робочий цикл відбувається за чотири ходи поршня або за два оберти колінчастого вала. Таким чином, тактом називається частина робочого циклу двигуна, що відповідає одному ходу поршня. Ходом поршня називається відстань між мертвими точками поршня; мертвими точками поршня називаються його крайні положення при русі в циліндрі.
За способом дії розрізняють двигуни простого і подвійного дії. У перших робочий цикл відбувається тільки в одній порожнині робочого циліндра - над поршнем, а у других - в обох порожнинах робочого циліндра.
За способом наповнення робочого циліндра свіжим зарядом розрізняють двигуни без наддуву, у яких всмоктування робочої суміші або повітря проводиться поршнем (у чотиритактних ДВС) або за рахунок незначного надлишкового тиску, створюваного продувальним насосом (у двотактних ДВЗ), і двигуни з наддувом, у яких робоча суміш або повітря подається в циліндр під підвищеним тиском за допомогою спеціального нагнітача.
За способом займання робочої суміші можна виділити двигуни з примусовим займанням, у яких займання робочої суміші відбувається від електричної іскри, і двигуни з самозаймання робочої суміші (дизелі), в циліндрі яких повітря стискається і нагрівається настільки, що впорскується в нього рідке паливо самозаймається .
За способом утворення робочої суміші розрізняються двигуни із зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторні і газові), у яких робоча суміш готується поза циліндра, а запалювання її в циліндрі здійснюється від електричної іскри, і двигуни з внутрішнім сумішоутворенням (компресорні і безкомпресорні дизелі), у яких робоча суміш готується всередині циліндра і самозаймається від стиснення повітря. В даний час найбільшого поширення на морських судах отримали безкомпресорні двигуни, як найбільш економічні. Карбюраторні і газові двигуни зустрічаються на легких річкових і озерних катерах, а компресорні дизелі зняті з виробництва. Безкомпресорним називається такий дизель, у якого розпилювання палива в циліндрі через форсунку здійснюється під високим тиском подачі самого палива. Іноді такі дизелі ще називають дизелями з механічним розпилюванням палива. У компресорних дизелів розпилювання палива проводилося через форсунку за допомогою стиснутого повітря, а для цього потрібно мати постійно діючий компресор.
Швидкохідність дизеля оцінюється частотою обертання його колінчастого вала або середньою швидкістю поршня
де s - хід поршня, м, а n - частота обертання валу, об / хв. Відповідно до ГОСТ 4393-74 у тихохідних дизелів 4,5<ст<7 м/с, у дизелей средней быстроходности 7<ст<10 м/с, а у быстроходных ст>10 м / с. Малооборотних вважають дизелі, у яких 100
Схема роботи чотиритактного Безкомпресорні дизеля показана на рис. 52. Відкриття впускного 1 і випускного 3 клапанів здійснюється кулачковими шайбами розподільного вала двигуна.
Мал. 52. Схема роботи чотиритактного Безкомпресорні дизеля.
Перший такт - всмоктування (зарядка циліндра). При русі поршня від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ) в робочий циліндр двигуна засмоктується повітря з навколишнього середовища через впускний клапан 1 (випускний клапан 3 закритий). Для максимального наповнення робочого циліндра свіжим повітрям клапан 1 відкривається при знаходженні кривошипа в точці 5 (до приходу поршня в ВМТ) і закривається при знаходженні його в точці 4, після того як кривошип перейде НМТ. При всмоктуванні тиск в циліндрі дещо менше атмосферного.
Другий такт - стиск. При зворотному русі поршня від низу до верху впускний і випускний клапани закриті; відбувається стиснення повітря, в результаті чого тиск його підвищується до 2800-4500 Н / м 2 (28-45 кгс / см 2), а температура до 600-700 ° С (873-973 К).
Третій такт - робочий хід (горіння і розширення). Випускний і впускний клапани продовжують залишатися закритими. Форсункою 2 паливо впорскується в циліндр (камеру стиснення) в розпиленому вигляді в момент, коли кривошип, перебуваючи в точці 6, ще не дійшов на кілька градусів до ВМТ, т. Е. З деякими попереджанням уприскування, яке необхідно для підготовки палива до самозаймання. Під дією високої температури паливо запалюється і утворюється велика кількість газу. При цьому за короткий час, що вимірюється частками секунди, тиск в циліндрі зростає до 5000-12 500 кН / м 2 (50-125 кгс / см 2), а температура газу до 1600-2200 ° С (1873-2473 К). Під дією розширюються газів поршень переміщується вниз від ВМТ до НМТ.
Четвертий такт - випуск. Коли кривошип, перебуваючи в точці 8, ще не доходить до НМТ, відкривається випускний клапан, а поршень, переміщаючись від НМТ до ВМТ, витісняє з робочого циліндра відпрацьовані гази. В цей час випускний клапан повністю відкритий, а впускний закритий. Тиск в циліндрі знижується до 105-110 кН / м 2 (1-1,1 кгс / см2), а температура газів до 350-400 ° С (623-673 К). Кінець випуску, т. Е. Закриття випускного клапана, відбувається після того, як кривошип пройде ВМТ (в точці 7). Це сприяє кращому очищенню циліндра від продуктів згоряння палива.
Для здійснення тактів всмоктування (зарядки), стиснення і випуску потрібно витрата деякої механічної енергії двигуна. Ця енергія накопичується в період робочого ходу в маховику і у всіх частинах, що рухаються двигуна, а потім витрачається за рахунок інерції їх руху протягом трьох зазначених тактів. Тому двигуни постачають маховиком, який є як би акумулятором кінетичної енергії. У багатоциліндрових двигунів підготовчі такти в одному циліндрі здійснюються також за рахунок робочих ходів в інших циліндрах, так як у таких двигунів циліндри працюють не одночасно, а через рівні проміжки часу. Це ж забезпечує більшу рівномірність обертання валу двигуна.
Робочий цикл двотактного двигуна здійснюється за два ходи поршня, або один оборот колінчастого валу. Двотактні двигуни, на відміну від чотиритактних, або взагалі не мають клапанів, або мають тільки випускні клапани. В обох випадках продування робочого циліндра свіжим повітрям здійснюється через спеціальні щілини в його стінках - продувні вікна. Як продувних насосів (нагнітачів) для двотактних двигунів застосовують поршневі, трилопатеві ротативних і відцентрові насоси, які приводяться в рух від колінчастого вала двигуна. Повітря від нагнітача подається в кільцевої короб - ресивер, розташований по окружності циліндра, а з нього через продувні вікна - в циліндр.
На рис. 53 показана схема роботи двотактного дизеля з найбільш простий безклапанних щілинний контурної продувкою циліндра. Принцип роботи двигуна доцільно розглядати з того моменту, коли в результаті займання палива і подальшого за цим підвищення тиску і розширення газів поршень починає переміщатися від ВМТ до НМТ (положення I) і відбувається робочий хід до моменту відкриття поршнем випускних вікон 3 (положення II). При подальшому переміщенні поршня до НМТ, коли тиск в циліндрі падає до 120-140 кН / м 2 (1,2-1,4 кгс / см 2), відкриваються продувні вікна 2 і починається продувка циліндрів свіжим повітрям, що поступає з нагнітача в ресивер , а з нього в продувні вікна (положення III) під тиском 1300-1500 кН / м 2 (1,3-1,5 кгс / см 2).
Мал. 53. Схема роботи двотактного дизеля.
Після цього поршень починає переміщатися від НМТ до ВМТ (положення III), і до моменту закриття їм продувних вікон 2 процес продувки циліндра триває. Випускні вікна залишаються деякий час відкритими для забезпечення більш повного очищення циліндра від газів. При подальшому русі поршня до ВМТ випускні вікна закриваються, і відбувається стиснення повітря (положення IV). При підході поршня до ВМТ через форсунку 1 впорскується паливо, яке внаслідок високої температури стисненого повітря самозаймається, і цикл повторюється. Таким чином, тут можна виділити два основних такту - стиснення і розширення (робочий хід), а такти впуску і випуску як окремі самостійні такти відсутні. Процеси очищення циліндра від газів і наповнення його повітрям відбуваються поряд з основними тактами, як би накладаючись на них. Можна також зробити висновок, що робота двотактного двигуна без (продувочного насоса неможлива.
Основним способом підвищення потужності сучасних чотиритактних і двотактних дизелів є наддув - примусова подача повітря в циліндри. Це дозволяє спалити в тому ж обсязі камери згоряння більшу кількість палива і отримати відповідний приріст потужності. Розрізняють механічний і газотурбінний наддув. При механічному способі наддуву повітряний нагнітач приводиться в дію від колінчастого вала дизеля з витратою частини його потужності. Більш досконалим є газотурбінний наддув, коли нагнітач приводиться в дію газовою турбіною, що працює на випускних газах дизеля.
Конструкція чотиритактного дизеля і загальна компоновка його основних вузлів і деталей показані на рис. 54. До складу нерухомих деталей, що утворюють остов двигуна, входять фундаментна рама 1, станина (картер) 2, блок циліндрів 3 і кришки циліндрів 4. Порожнина, утворена станиною 2 і фундаментної рамою 1, називається картерів простором, а сама станина, приєднана болтами до фундаментної рами, утворює картер.
Мал. 54. Пристрій двигуна внутрішнього згоряння.
До складу рухомих деталей, що утворюють кривошипно-шатунний механізм, входять поршень 9, поршневі кільця 8, поршневий палець 10, шатун 11, колінчастий вал 16 (поршневі штоки у крейцкопфних двигунів), маховик і ін.
Механізм газорозподілу складається з впускних і випускних клапанів 6 з пружинами, деталей приводу клапанів (штанг штовхачів) 7, роликів 12 штовхачів, розподільного вала 13 з відомою шестернею 18, кулачкових шайб 14 і шестерень 15 і 17 приводу розподільного вала клапанних важелів 5.