Почему дизелю нужно два оборота коленвала, чтобы один раз толкнуть поршень? Крути коленвал по градусу, смотри на клапаны, впрыск и давление в цилиндре и считай рабочий объем, литраж и степень сжатия.
Поршень ходит в цилиндре вверх-вниз между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ), шатун превращает это движение во вращение коленчатого вала. Каждый ход поршня называется тактом. Работу делает только один такт из четырех, рабочий ход: остальные три коленвал проворачивает сам за счет маховика и соседних цилиндров. В дизеле нет свечи зажигания. Воздух сжимают так сильно, что он нагревается до 600–700 °C, и топливо, впрыснутое форсункой, загорается само.
Из двух размеров, диаметра и хода, считают объем, степень сжатия и скорость поршня. Числа под формулами берутся из опыта.
Сколько воздуха вдыхает цилиндр?
Площадь круга поршня умножаем на его ход: получается объем, который поршень «прометает» за один ход. Сложив объемы всех цилиндров, получаем литраж: V = Vh · i.
Во сколько раз сжимается воздух?
Когда поршень внизу, над ним рабочий объем плюс камера сгорания. Когда наверху, остается только камера. Отношение этих объемов и есть степень сжатия.
Как быстро ходит поршень?
За один оборот поршень проходит путь 2S: вниз и вверх. За минуту n оборотов, а в минуте 60 секунд: 2S · n / 60 = S · n / 30. От этой скорости зависит износ гильзы и колец.
На круговой диаграмме видно: впускной клапан открывается за 15° до ВМТ и закрывается через 35° после НМТ. Выпускной открывается за 50° до НМТ и закрывается через 15° после ВМТ. Около ВМТ в конце выпуска оба клапана открыты сразу, это перекрытие клапанов.
Причина в инерции газа. Воздух во впускном канале разогнан, и даже когда поршень уже пошел вверх, он еще несколько градусов продолжает влетать в цилиндр. Выпуск открывают заранее, чтобы газы успели выйти под собственным давлением и поршню не пришлось их выдавливать. Время на все это мизерное: на 1900 об/мин один такт длится 16 мс.
Чем сильнее сжат воздух, тем он горячее. При быстром сжатии тепло не успевает уйти в стенки, и температура растет почти по закону адиабаты (см. газовые законы):
Тепловой зазор выставляют, когда в цилиндре конец сжатия: оба клапана закрыты. Механик проворачивает коленвал до метки ВМТ и по порядку работы цилиндров знает, какие клапаны регулировать.
Компрессометр в стакане форсунки показывает давление в конце сжатия. Если в одном цилиндре на 10–15 % меньше, чем в соседних, значит, изношены кольца или не садится клапан.
У V16 рабочий ход случается каждые 720 / 16 = 45° поворота. Поэтому большой двигатель крутится ровно, а одноцилиндровый мотоблок трясет.
Ресурс карьерного дизеля 20–30 тысяч моточасов. Его считают по износу гильз и колец, а износ растет со средней скоростью поршня и с запыленностью воздуха.
Холодные стенки забирают тепло сжатого воздуха, и он не нагревается до воспламенения топлива. Поэтому зимой ставят подогреватель охлаждающей жидкости и свечи накала или факельный подогрев воздуха.
Распредвал крутится вдвое медленнее коленвала: за цикл каждый клапан открывается один раз. При замене шестерен привода метки на них совмещают, иначе фазы собьются и клапан встретится с поршнем.
Показан один цилиндр. Давление на графике посчитано упрощенно: сжатие и расширение без потерь тепла в стенки с показателем 1,35, выгорание топлива по плавной кривой Вибе, давление наддува 2,8 бар, без колебаний во впуске и выпуске. Пик давления у реальных карьерных дизелей 160–220 бар, в модели он ниже и зависит только от степени сжатия. Фазы газораспределения взяты типичные для дизеля с наддувом, у конкретной модели они свои и даны в руководстве по ремонту. Наборы «класс QSK60» и «класс MTU 16V4000» близки к настоящим размерам цилиндров, но это учебные числа, а не паспорт. Анимация сильно замедлена.