Двигун внутрішнього згоряння повинен відповідати своємупризначенню і мати високі техніко-економічні і екологічні показники. Основні вимоги до ДВЗ:

- простота конструкції і надійність роботи на різних експлуатаційних режимах;

- мінімальні габаритні розміри та маса при необхідній потужності, надійності і довговічності;

- висока економічність щодо витрат палива і мастил при роботі на різних експлуатаційних режимах і кліматичних умовах;

- високий моторесурс, протягом якого двигун повинен працювати надійно й економічно до капітального ремонту;

- безвідмовний пуск за різних температурних умов і добра прийомистість;

- найповніше зрівноваження сил та моментів рухомих мас та забезпечення заданого ступеня нерівномірності обертання колінчастого вала;

низький рівень викидів токсичних компонентів та шуму і повна безпечність незалежно від умов експлуатації.

Двигун внутрішнього згоряння класифікують за такими основними ознаками (рис.2.1):

кількістю циліндрів — одноциліндрові та багатоциліндрові;

способом розташування циліндрів — однорядні (лінійні) та дворядні (У-подібні з кутом розташування рядів 90° й опозитні з кутом розташування рядів 180°);

способом здійснення робочого процесу — двотактні та чотиритактні;

способом сумішоутворення — із зовнішнім та внутрішнім;

способом запалювання робочої (пальної) суміші — із примусовим та самозапалюванням;

видом палива — рідинного (бензин, дизельне паливо) та газоподібного;

способом охолодження циліндрів — рідинного та повітряного;

способом повітрозабезпечення — без наддуву та з ним (механічним, газотурбінним, комбінованим).

Схема класифікації ДВЗ

Поршневий ДВЗ складається з кривошипно-шатунного механізму, газорозподільного механізму, системи живлення, системи запалювання (є лише у карбюраторних двигунів), систем мащення, охолодження і пуску.

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

Газорозподільний механізм забезпечує своєчасний впуск в циліндри свіжої пальної суміші або повітря і випуск відпрацьованих газів.

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

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

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

Система охолодження забезпечує безперервне відведення частішії теплоти, що виділяється при згорянні палива, а також підтримує оптимальний тепловий режим роботи двигуна.

Система пуску призначена для надійного пуску двигуна у різних експлуатаційних умовах.

1. Основні поняття і визначення

Пальна суміш — суміш повітря з паливом у певній пропорції. Пальна 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 (рис. 2.2.).

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

Об’єм камери стиску Vс — це об’єм над днищем, коли поршень перебуває у ВМТ.

Робочий об’єм Vр— це об’єм, що звільняє поршень при переміщенні від ВМТ до НМТ.

Повний об’єм циліндра — це сума об'ємів камери стиску й робочого об’єму:

Vа = Vс + Vр.

Відношення повного об’єму циліндра до об’єму камеристиску називається ступенем стиску.

Ступінь стиску показує, у скільки разів зменшується об’єм робочої суміші (або повітря) при переміщенні поршня від НМТ до ВМТ. У сучасних дизелях ступінь стиску становить 15...20, а в карбюраторних двигунах відповідно 6...9.

Сума робочих об’ємів всіх циліндрів двигуна називається літражем двигуна Vл.

Робочий цикл двигуна — сукупність послідовних процесів, починаючи з впуску пальної суміші або повітря, далі — стиску і згоряння, розширення та випуску відпрацьованих газів, які проходять у циліндрах та зумовлюють його роботу. Робочі цикли періодично повторюються в кожному циліндрі працюючого двигуна.

Частина робочого циклу, яка проходить за час переміщення поршня між мертвими точками, називається тактом.

Чотиритактними називаються такі двигуни, в яких робочий цикл відбувається за чотири ходи поршня — такти (два оберти колінчастого вала), двотактними — за два ходи (один оберт).

2. Робочий процес чотиритактного дизеля

Робочий цикл чотиритактного дизеля здійснюється так.

Впуск. Впускний клапан 4 (рис. 2.3, 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. 2.3, 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°С. Чим більше стискається повітря, тим сильніше буде спалах після впорскування палива, відповідно зростатиме потужність двигуна і його економічність.

Наприкінці такту стиску в камеру згоряння із дуже стиснутим й нагрітим повітрям паливний насос високого тиску 1 впорскує через форсунку 5 дизельне, добре розпилене паливо, яке одразу ж спалахує.

Подача палива в камеру згоряння через форсунку починається за 15...30° 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 до1800...2000°С. Максимальні значення тиску та температури спостерігаються в момент переміщення поршня у ВМТ.

Розширення (робочий хід). Впускний і випускний клапани закриті (рис. 2.3, в). Поршень під тиском розширених газів, що утворилися при згорянні робочої суміші, рухається від ВМТ до НМТ і через шатун 7 обертає колінчастий вал 8. Сила тиску газів на днище поршня досягає значної величини. При переміщенні поршня до НМТ тиск газів зменшується до 0,4...0,5 МПа, а температура знижується до 700...900°С.

Випуск. Впускний клапан закритий, випускний відкритий V (рис. 2.3,г). Поршень (за рахунок інерції маховика) рухається від НМТ до ВМТ і виштовхує відпрацьовані гази з циліндра через випускну грубу в атмосферу. В кінці такту тиск в циліндрі становить 0,11 ...0,12 МПа, температура 400...500°С.

Після проходження поршня через ВМТ випускний клапан закривається, тобто, випуск закінчується. Потім знову починаєтьсявпуск і всі такти повторюються.

Таким чином, робочим є тільки такт розширення, а інші (впуск, стиск, випуск) допоміжні.

3. Робочий процес двотактного карбюраторного двигуна

Двотактний карбюраторний двигун, схему якого наведено на рис. 2.4, працює так.

Перший такт. При переміщені поршня в циліндрі 1 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.„29° повороту колінчастого вала до ВМТ) до запальної свічки 4 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 пальної суміші до 0,12...0,15 МПа.

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 в циліндрі становить 0,12...0,13 МПа, починається витискання пальної суміші із кривошипної камери через продувний канал і вікно в циліндр над поршнем. Пальна 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.

Двигуни з наведеним робочим циклом називаються двигунами з кривошипно-камерним продуванням.

Двотактні двигуни порівняно з чотиритактними мають такі переваги:

Двотактні двигуни простіші за конструкцією — вони не мають газорозподільного механізму.

При однакових розмірах і частоті обертання ці двигуни розвивають на 50...60% більшу потужність, оскільки кількість робочих ходів у них вдвічі більша.

У двотактних двигунів більш рівномірне обертання колінчастого вала, бо кількість робочих ходів теж вдвічі більша.

Обслуговувати й ремонтувати двотактні двигуни простіше.

Основні недоліки двотактних карбюраторних двигунів:

Витрати палива більші на 25...30 %, оскільки частина його витрачається під час продування циліндра.

Ускладнене мащення деталей кривошипно-шатунного механізму тому, що в картер не можна заливати масло.

Менші міжремонтні строки роботи через недостатнє мащеннядеталей та більше теплове навантаження на деталі.

Застосовуються двотактні двигуни з кривошипно-камерним продуванням в тих випадках, коли для короткочасної роботи потрібні прості й дешеві двигуни, наприклад, для пуску дизелів.

4. Робота багатоциліндрового двигуна

Істотним недоліком одноциліндрових двигунів є те, що в них виникають проблеми із зрівноваженням ваги поршня і шатуна, а також сили інерції, які виникають при переміщенні цих деталей. Колінчастий вал такого двигуна обертається нерівномірно, двигун має невелику потужність, підвищену вібрацію та погану прийомистість.

На сучасних тракторах, комбайнах і автомобілях застосовують багатоциліндрові двигуни для забезпечення рівномірності обертання колінчастого вала. Рівномірність обертання колінчастого вала також залежить від його тактності та кількості циліндрів у двигуні. Поліпшує прийомистість двигуна та рівномірність обертання колінчастого вала маховик і прикріплені до нього деталі, які накопичують кінетичну енергію при такті розширення і витрачають її на допоміжні такти.

Розташування циліндрів двигунів сільськогосподарських тракторів буває однорядним вертикальним (рис. 2.5, а), дворядним У-подібним (рис. 2.5, б), а в автомобілів ще й опозитним (рис. 2.5, в). Опозитним є розміщення циліндрів при куті між їх рядами 180°, У-подібним — при куті менше 180° (у більшості двигунів 90°). Нумерування циліндрів при однорядному розміщенні починається від радіатора двигуна, при У-подібному — від радіатора двигуна спочатку лівого ряду, а потім правого. Вітчизняні сільськогосподарські багатоциліндрові двигуни мають парну кількість циліндрів — від 2 до 12.

Порядком роботи циліндрів багатоциліндрового двигуна називають чергування такту розширення робочого ходу в його циліндрах. Він залежить від розташування циліндрів, взаємного розміщення кривошипів колінчастого вала і послідовності роботи клапанів газорозподільного механізму, подачі палива паливним насосом високого тиску або системи запалювання у карбюраторних двигунах. Порядок роботи циліндрів потрібно знати при регулю- ванні теплового зазора в клапанах газорозподільного механізму, встановленні кута випередження впорскування палива в дизелях або випередження запалювання в карбюраторних двигунах.

Робочі ходи у багатоциліндрових двигунах відбуваються через рівні кути обертання колінчастого вала. їх визначають діленням тривалості цикла (у градусах обертання колінчастого вала) на кількість циліндрів. Зокрема, у чотирициліндровому чотиритактному двигуні робочий хід буває через 180° (720:4), у шестициліндровому—через 120° (720:6) тощо. Інші такти мають таку саму послідовність роботи.

Порядок роботи чотирициліндрових вітчизняних тракторних двигунів 1 — 3 — 4 — 2. Шатунні шийки колінчастого вала цих двигунів розташовані в одній площині і під кутом 180°: шийки першого і четвертого циліндрів спрямовані в один бік, другого і третього — в протилежний. Шестициліндрові двигуни з дворядним У-подібним розміщенням циліндрів компактніші порівняно з такими ж двигунами з рядним розміщенням циліндрів і мають меншу масу. Шатунні шийки їх колінчастого вала розташовані попарно в трьох площинах  під кутом 120°; порядок роботи циліндрів 1—4 — 2 — 5 — 3 — 6.

У чотиритактного восьмициліндрового У-подібного двигуна шатунні шийки розміщені хрестоподібно під кутом 90°. За два оберти колінчастого вала в такому двигуні відбувається вісім робочих  ходів; порядок роботи восьмициліндрових двигунів 1 — 5 — 4 — 2 — 6 — 3 — 7 — 8.

Шість шатунних шийок колінчастого вала дванадцятициліндрового дизеля ЯМЗ-240Б розташовані під кутом 120°. Така форма колінчастого вала забезпечує рівномірне чергування робочих ходів та достатню зрівноваженість двигуна. Порядок роботи циліндрів 1 — 12 — 5 — 8 —3 —10 — 6 — 7 — 2—11 — 4 — 9. Робочі ходи в циліндрах відбуваються з перекриттям на 45° і 75° кута повороту колінчастого вала.

5. Показники ефективності роботи двигуна

Основні показники роботи двигуна — його ефективна потужність, частота обертання колінчастого вала за хвилину, крутний момент, годинна та питома ефективна витрата палива, ефективний та механічний коефіцієнт корисної дії, літрова потужність, питома вага, витрата масла1.

При згорянні палива в циліндрах двигунів не вся енергія перетворюється в корисну роботу. В карбюраторних двигунах на корисну роботу припадає лише 20...28% теплоти, у дизелях відповідно — 29...45%.

В поршневих ДВЗ розрізняють індикаторну Ni (кВт) та ефективну Ne (кВт), або корисну, потужність. Індикаторна потужність — це потужність, яку розвивають гази у циліндрах двигуна, ефективна — яку створює двигун на колінчастому валу.

Ефективна потужність менша від індикаторної, оскільки значна частина останньої витрачається на подолання механічного тертя в кривошипно-шатунному і газорозподільному механізмах, а також на приведення в дію паливного, водяного і масляного насосів, вентилятора, регулятора, магнето та інших механізмів. Потужність, яку витрачає двигун на привод і тертя в КПІМ і ГРМ називають потужністю механічних витрат Nм (кВт). Вона залежить від стану поверхні деталей, якості масла, спрацювання деталей.

Ефективна потужність залежить від розміру циліндрів та їх кількості, обертання колінчастого вала, циклової подачі палива та інших показників.

Відношення ефективної потужності до індикаторної називається механічним коефіцієнтом корисної дії(ККД).

Величина механічного ККД двигуна внутрішнього згоряння при номінальному навантаженні в середньому становить 0,70...0,75. Механічний ККД значно залежить від ступеня навантаження двигуна, зменшуючись при неповних навантаженнях. Робота двигуна з малим ККД стає невигідною, оскільки у кілька разів зростає витрата палива. Величина ефективного ККД для карбюраторних двигунів 0,2...0,3, для дизелів 0,3...0,4.

Номінальна потужність — це ефективна потужність двигуна, виготовленого і відрегульованого відповідно до технічної документації заводу, без вентилятора, повітроочисника, глушника шумів, іскрогасника, вихлопної труби, нейтралізатора відпрацьованих газів, з відключеним генератором, масляним насосом і компресором; двигуна, який працював не більше 60 годин, що гарантується виготівником за умов роботи при номінальній частоті обертання колінчастого вала і повній подачі палива, а також стандартних атмосферних умовах, температурі і густині палива.

Експлуатаційна потужність — це ефективна потужність двигуна, виготовленого і відрегульованого відповідно з технічною документацією заводу, з вентилятором, повітроочисником, глушником шумів, іскрогасником, вихлопною трубою і нейтралізатором відпрацьованих газів, якщо вони є в комплекті двигуна, встановленого на тракторі; двигуна з відключеними (або працюючими без навантаження) генератором, масляним насосом і компресором, який працював не більше 60 год, за умов роботи при номінальній частоті обертання колінчастого вала і повній подачі палива, стандартних атмосферних умовах, температурі і густині палива.

Крутний момент — середній за цикл момент, який передається від колінчастого вала двигуна до трансмісії, дорівнює силі, яка діє на кривошип колінчастого вала, помноженій на радіус кривошипа (Ме, Н-м).

Економічність роботи двигуна в умовах експлуатації оцінюється за питомою ефективною витратою палива і годинною витратою.

Годинна витрата палива (Gп) — витрата палива двигуном за одну годину роботи у даному режимі (даній частоті обертання колінчастого вала і даній подачі палива), кг/год.

Ефективна питома витрата палива — кількість палива у грамах, що витрачається на одиницю ефективної потужності двигуна за годину роботи ge, г/(ДкВт год).

Ефективна питома витрата палива на номінальному режимі такторних дизелів становить 217...248 г/ (кВт год).

Номінальна частота обертання колінчастого вала — це частота обертання, встановлена заводом, за якою визначають номінальну потужність двигуна.

Літрова потужність характеризує ефективність використання робочого об’єму циліндрів двигуна. Чим більша літрова потужність двигуна, тим менші його розміри і вага. Літрова потужність сучасних дизелів без турбонаддуву 8... 13 кВт/л, а з турбонаддувом 12...25 кВт/л.

Розглянемо, наприклад, технічну характеристику тракторного двигуна СМД-62, загальний вигляд якого представлено на рис. 2.6:

Кількість і розташування циліндрів…………………………6У

Тип системи газообміну………………………………...……Турбонаддув

Діаметр циліндра і хід поршня, мм………………………………..130/115

Робочий об’єм циліндрів, л…………………………………………..9,15

Ступінь стиску………………………………………………………….15

Номінальна потужність, кВт……………………………....................128,8

Номінальна частота обертання, хв_1 (об/хв)…………………….….2100

Максимальний крутний момент, Н • м………………………….……638

Частота обертання при максимальному крутному моменті, хв1 (об/хв)...1600

Питома витрата палива, г/(кВт • год)……………………..................228

Тип пуску…………………..Пусковим двигуном або електростартером

Маса, кг……………………………….………………………………955