Четырехтактный дизельный двигатель устройство и принцип работы

Принцип работы 4х тактного бензинового(дизельного) двигателя.

Рабочие циклы четырёхтактных двигателей – Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из последовательно происходящих в цилиндре процессов: всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

1. Первый такт — впуск.
2. Устройство двигателя
3. История
4. Виды двигателей внутреннего сгорания
5. Преимущества четырёхтактных двигателей:
6. Устройство и принцип работы четырёхтактного двигателя и двухтактного двигателя
7. Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя:
8. Камера сгорания топливной смеси
9. Компановка двигателя
10. Что такое Common Rail
11. Минусы четырехтактных силовых агрегатов

Особенности конструкции

Дизельные двигатели, разумеется, не имеют таких колоссальных отличий как роторно-поршневой двигатель Ванкеля, устройство которого абсолютно не похоже на «анатомию» традиционного ДВС, но у него имеется ряд особенностей, которые проводят между ним и бензиновыми моторами черту.

У дизеля также есть кривошипно-шатунный механизм, но его степень сжатия существенно выше – 19-24 единицы против 9-11 единиц соответственно. Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как формируется, воспламеняется и сгорает топливно-воздушная смесь.

У дизельного ДВС отсутствуют свечи зажигания и, соответственно, воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от сжатия. При этом, воздух и солярка подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения рабочих характеристик агрегата. Для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов используются турбонагнетатели с изменяемой геометрией. Дизельный агрегат имеет более высокий коэффициент полезного действия, но он тяжелее и выдает больший крутящий момент при низких оборотах, нежели бензиновый ДВС.

Отличие 4-тактного двигателя от 2-тактного

Цикл работы ДВС – это несколько процессов, которые направлены на получение порции силы, которая будет воздействовать на коленвал. Цикл этот состоит из впрыска топлива, сжатия, зажигания топливной смеси, расширения газов, выпуска.

Такт в двигателе внутреннего сгорания – это один ход поршня либо вверх, либо вниз. В двухтактном моторе за один оборот коленвала совершается два такта. Когда газы расширяются, поршень совершает полезную работу.

Агрегаты, где рабочий ход происходит в два такта, называют двухтактными. А если за два оборота коленчатого вала совершается четыре такта, то это уже четырехтактный двигатель.

И те, и другие могут быть как бензиновыми, так и для дизельного топлива. Чтобы понять особенности конструкции и эксплуатации, различия между разными моторами, нужно рассмотреть принципы их работы.

Газотурбинные установки

Но существуют, правда в небольших экземплярах, такие очень мощные локомотивы, как газотурбовозы (читайте в моих статьях на нашем сайте). В них силовая установка представлена газовой турбиной – газотурбинная установка (ГТУ).

Газотурбинные установки состоят из компрессора для сжатия воздуха, камеры сгорания и непосредственно газовой турбины. Так же как и поршневые двигатели внутреннего сгорания, ГТУ преобразовывают энергию топлива в механическую работу. Надо сказать, что ГТУ работают на всю свою мощь в авиации, для данной отрасли, это самый лучший двигатель.

Принцип работы ГТУ

Рассмотрим вкратце работу ГТУ: в компрессором засасывается воздух из атмосферы и сжимается в нем до рабочего давления. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где происходит сгорание топлива (керосина). Нагреваясь до температуры 600 – 900 градусов Цельсия смесь сжатого воздуха с продуктами горения топлива поступает в газовую турбину. В турбине, расширяясь, горячий газ вращает рабочее колесо. Отработанный в турбине газ выбрасывается в атмосферу.

Часть мощности турбины (65 – 70%) расходуется на приведение в действие лопаточного компрессора, оставшаяся часть через муфты передается на потребителя или (как в турбореактивных ГТУ ) через сопло Лавваля горячий газ выбрасывается в атмосферу под большим давлением. Для нагревания воздуха в ГТУ, после сжатия его в компрессоре, установлены камеры сгорания. Разогрев производится путем сжигания топлива при постоянном давлении. В камере сгорания температура должна быть очень высокой, это необходимо для того, чтобы реакции окисления топлива происходили достаточно быстро и максимально полно. Для этого в камеру сгорания поступает только часть воздуха, нагнетаемого компрессором (назовем его – первичным). Температура газов в камере сгорания достигает 1800˚ – 2000˚ градусов Цельсия. Остальной воздух (вторичный), который не принимает участия в процессе горения топлива, поступает в смеситель. В нём температуры воздуха и продуктов сгорания доводятся до температуры газов перед турбиной (около 600˚ – 900˚ градусов Цельсия).

Процессы сжатия воздуха, сгорания топлива в ГТУ происходят непрерывно, поэтому средние температуры рабочих органов приближаются к максимальным. Так как эти температуры существенно ограничены жаропрочностью самих материалов, то их приходится снижать. В связи с этим КПД газотурбинных установок значительно ниже КПД дизельных двигателей и составляет 20 – 25 %.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания: история создания и принцип действия

В 1876 году немецкий инженер Николаус Отто изобрел и запатентовал первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Конструкции четырехтактных дизельных и бензиновых двигателей очень похожи. В обоих случаях смесь топлива и воздуха подается в цилиндр, снабженный поршнем. Цилиндров может быть от 4 до 8 и даже более. Они работают последовательно, чтобы поддерживать постоянную мощность двигателя. Цикл работы каждого цилиндра состоит из 4 тактов — движения поршня.

Цикл начинается с 1 такта — впуска. Открывается впускной клапан, под действием коленчатого вала поршень двигается вниз, засасывая в цилиндр топливо и воздух.

Затем впускной клапан закрывается, и поршень толкаемый кривошипом, возвращается в цилиндр, сжимая топливо-воздушную смесь и тем самым разогревая ее. Этот 2 такт называется сжатием. В бензиновых двигателях в этот момент смесь воспламеняется свечой зажигания. При сгорании смесь расширяется. Происходит 3 такт — рабочий ход. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз и вращать коленчатый вал.

В конце рабочего хода открывается впускной клапан, и начинается выход отработанных газов. Этот 4 такт называется выпуском. В это же время коленчатый вал толкает поршень обратно вверх, вытесняя из цилиндра оставшиеся газы. Когда процесс заканчивается, начинается новый 4-тактный цикл.

Схема работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Далее на инфографике изображена принципиальная схема всех четырех тактов.

1. Впуск: поршень идет вниз, засасывая воздух и топливо в цилиндр.
2. Сжатие: поршень поднимается и сжимает топливную смесь.

3. Рабочий ход: искра воспламеняет топливно-воздушную смесь и газы толкают поршень вниз.
4. Выпуск: поршень поднимается и цилиндр и выталкивает отработанные газы.

Конструкция двигателя Отто была усовершенствована и доработана другим немецким инженером Готлибом Даймлером (1834 — 1900). Даймлер запатентовал более мощную и быстроходную модель двигателя в 1887 г. Обычный двигатель внутреннего сгорания может иметь 8 или даже дольше цилиндров. В каждом цилиндре поршень после поджигания топливно-воздушной смеси движется вниз и вращает коленчатый вал. Специальные клапаны осуществляют впуск топливно-воздушной смеси и выпуск отработанных газов.

Четырехтактные двигатели применяются в основном в автомобилестроении. Цикл их работы состоит из 4 тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Только такт рабочего хода заставляет коленчатый вал вращаться. В современных автомобильных двигателях имеется сразу несколько цилиндров. Поршни, находящиеся в этих цилиндрах, последовательно выполняют каждый из 4 тактов рабочего цикла.

Функционирование двухтактного агрегата

Хоть и статья не об этом, однако стоит коротко описать функционирование двухтактного двигателя с целью сравнить их. Как становится понятно из наименования, функционирование такого мотора проходит только через два такта.

1. Поршень продвигается наверх, что приводит к сжатию горючей смеси, после которого (без достижения верхней мертвой точки) она воспламеняется. По достижению поршнем верхней мертвой точки открываются окна впуска в стене цилиндра, из-за чего горючая смесь перетекает в кривошипную камеру.
2. Под действием растягивающихся газов поршень продвигается в нижнюю сторону. Пребывая в нижнем положении, поршень открывает окна впуска и выпуска. Газы попадают в трубу выхлопа, а на их месте оказывается горючая смесь.

Баланс энергии

Двигатели Отто имеют КПД около 35 % — иными словами, 35 % энергии, генерируемой при сжигании топлива, преобразуется в энергию вращательного движения выходного вала двигателя, а остальное теряется в виде тепла. Для сравнения: шеститактный двигатель может преобразовывать в полезную вращательную энергию более 50 % энергии, высвобождаемой при горении топлива.

Современные двигатели часто конструктивно имеют намеренно меньший КПД, чем они могли бы иметь. Это необходимо для уменьшения выбросов с помощью таких средств как система рециркуляции выхлопных газов и каталитический конвертер.

Уменьшению КПД можно препятствовать с помощью системы контроля двигателя (англ.), использующей технологии эффективного сжигания топлива. [1]

Начальное положение, такт впуска и такт сжатия.

Воспламенение топлива, рабочий ход и такт выпуска