Общие принципы работы тепловозных дизелей

§ 7. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

ОСНОВНЫХ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ ТЕПЛОВОЗА.

В предыдущих разделах сделан обзор самых общих принципов работы локомотивов, не затрагивая особенностей конструкции и функционирования их основных узлов и агрегатов. Переходим к устройству наиболее сложного по конструкции и пока самого эффективного типа локомотива — тепловоза. При этом постараемся в простой и доступной форме объяснить устройство и работу его основных узлов, а также возможные пути повышения эффективности их работы на локомотивах.

При первоначальном изучении тепловоз обычно представляют состоящим из четырех основных частей: дизеля, тяговой передачи, экипажа и вспомогательного оборудования.

Важнейшей частью (узлом) тепловоза является первичный источник механической энергии — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В отличие от паросиловой установки паровоза, являющейся фактически двигателем внешнего сгорания, так как процессы сгорания топлива и преобразования тепловой энергии в механическую работу происходят в разных узлах (котле и паровой машине), в двигателях внутреннего сгорания оба этих процесса совершаются внутри одного рабочего цилиндра.

Общие принципы работы тепловозных дизелей

Первые двигатели внутреннего сгорания. Из справочной и исторической литературы можно узнать, что первый в мире работоспособный образец ДВС с принудительным (от электрической искры) зажиганием рабочей смеси (топлива и воздуха) спроектировал и в 1876 г. построил немецкий инженер Николаус Отто. В 1897 г. его соотечественник, живший во Франции, Рудольф Дизель получил патент на ДВС с самовоспламенением топлива за счет высокой температуры воздуха в цилиндре. Именно такие двигатели, названные в честь изобретателя (дизели), получили преимущественное распространение на тепловозах и других транспортных машинах.

Итак, какова же история возникновения первых ДВС? XIX в. по праву был назван «веком пара» благодаря широкому применению паровых машин в промышленности, распространению и стремительному росту протяженности железных дорог, обслуживаемых исключительно паровозной (паровой) тягой. Отметим, что уже в этом «веке пара» многие ученые, инженеры и изобретатели пытались создать более совершенный, чем паровая машина Джеймса Уатта, тепловой двигатель.

Для большинства специалистов по тепловым машинам того времени было ясно, что рабочим телом нового типа теплового двигателя не должен быть водяной пар. Но его замена продуктами сгорания какого-либо топлива оказалась довольно сложной задачей. Дело в том, что для равноценной замены продукты сгорания топлива должны были обладать основными свойствами сжатого пара — одинаковыми температурой и давлением по всему объему цилиндра тепловой машины.

Рекомендуемые материалы

Теоретической основой для создания нового типа теплового двигателя, который получил название двигатель внутреннего сгорания, мог служить идеальный цикл процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу. Такой цикл предложил в 1824 г. французский инженер Никола Леонар Сади Карно, который назван в его честь «циклом Карно». С особенностями этого теоретического цикла мы познакомимся несколько ниже.

Первыми более или менее работоспособными ДВС считают двигатели, работавшие на светильном газе, которые запатентовал (1860 г.) и построил Жан-Этьен Ленуар (Франция). Необходимо, правда, отметить, что истории известен и ряд других (более ранних) попыток изобретателей построить работоспособные ДВС на газовом, жидком и других видах топлива, однако их работы в целом не привели к заметным положительным результатам. К числу таких изобретений можно отнести попытку англичанина Роберта Стрита (1794 г.) построить ДВС, в котором в качестве жидкого топлива предлагалось использовать спирт. Во Франции братья Ньепс в 1806 г. получили патент на двигатель с искусственным зажиганием, в котором топливом предлагалось использовать измельченный каменный уголь. Были и другие неудачные попытки построить ДВС, в том числе и на газовом топливе.

Вернемся к двигателю Ленуара. Этот ДВС был двухтактным (тактность двигателя — особый разговор) и по конструкции напоминал паровую машину двойного действия с золотниковым газораспределением. Светильный газ (топливо) и воздух подавались в цилиндр двигателя и там они смешивались (наполнение занимало половину хода поршня). Зажигание смеси обеспечивалось электрической искрой от постороннего источника.

Небольшие двигатели Ленуара (их мощность не превышала 1 кВт) сразу же завоевали популярность среди мелких предпринимателей многих стран Европы, в первую очередь, во Франции и Германии, так как, в отличие от паросиловых установок, для работы двигателя Ленуара не требовалось строительство громоздкой котельной.

Такие двигатели особенно широко использовались в качестве приводов машин в ремесленных производствах. Накопленный опыт эксплуатации двигателей Ленуара выявил у них ряд серьезных недостатков: кпд ДВС не превышал 3 %, а их эксплуатация обходилась владельцам в три-четыре раза дороже использования паровой машины аналогичной мощности. Были у этих двигателей и другие менее существенные недостатки.

Решающий вклад в создание работоспособных ДВС (сегодня их называют карбюраторные) внес немецкий изобретатель — самоучка из Кёльна Николаус Аугуст Отто (1832 — 1891 гг.). В 1866 г. ему удалось получить свой первый патент на усовершенствованный газовый двигатель, который по экономичности значительно превосходил двигатели Ленуара и конструкции ДВС многих других изобретателей, о чем свидетельствует золотая медаль, полученная Отто за свой мотор на Всемирной Парижской выставке.

Так, двигатели Отто расходовали вдвое меньше газа, чем двигатели Ленуара. Отто немедленно организовал вместе со своими компаньонами фирму и серийное производство своих двигателей. Успеху двигателестроительной фирмы Отто способствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. Их имена известны и сегодня, до сих пор в Германии существуют созданные ими фирмы и автомобильные заводы.

Необходимо отметить, что ещё ранее первых изобретений Отто, в 1862 г. француз Альфонс Бо де Роша получил патент, в котором изложил теорию рабочего процесса четырехтактного ДВС. (Такт двигателя — это часть цикла, протекающего при перемещении поршня из одного крайнего положения — «мертвой точки» — в другое, или изменение объема цилиндра между наибольшим и наименьшим значениями. Если в цилиндре перемещается один поршень, то такт происходит за один ход поршня.)

Вот как Бо де Роша сформулировал рабочий цикл, протекающий в цилиндре ДВС за 4 хода поршня, т.е. четырехтактный цикл:

первый такт — такт впуска. Поршень опускается и втягивает в цилиндр смесь воздуха с топливом;

второй такт — такт сжатия. В конце такта нагретая смесь поджигается искрой;

третий такт — рабочий такт под действием образовавшихся газов;

четвертый такт — такт выпуска. Поршень выталкивает газы через клапан.

Бо де Роша был теоретиком и в 1862 г. издал книгу «Новые исследования над практическими условиями для большего использования тепла и, вообще, движущей силы», в которой помимо четырехтактного цикла упомянул о теоретической возможности самовоспламенения топлива за счет сжатия. Необходимо сразу же оговориться, что Бо де Роша даже не пытался построить двигатель внутреннего сгорания.

Как уже отмечалось выше, идеи Бо де Роша реализовал в металле немецкий инженер Николас Отто, который в 1876 г. сконструировал первый действующий образец четырехтактного ДВС. Им же были созданы ДВС, работающие на нефти, керосине, и бензине. Все ДВС с искровым воспламенением рабочей смеси в последующем получили название «двигатели Отто» (карбюраторные двигатели), а рабочий цикл этих ДВС «циклом Отто», хотя и следует отметить некоторую историческую несправедливость по отношению к автору идеи четырехтактного цикла Бо де Роша.

Первые дизели. Как уже отмечалось выше, в конце 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель, живший и работавший во Франции, создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха. Р. Дизель создал так называемый компрессорный тип двигателя с самовоспламенением топлива (компрессорный дизель), в котором подача топлива в цилиндр через форсунку осуществлялась при помощи сжатого воздуха, давление которого должно быть значительно больше давления в цилиндре в конце сжатия. Следовательно, для работы такого двигателя в составе энергетической установки требовался отдельный агрегат — компрессор, который должен был обеспечивать сжатие воздуха. Принцип подачи топлива, собственно, и был главным элементом в изобретении Дизеля.

Строго говоря, Р. Дизель не изобрел нового двигателя, поэтому впоследствии его патент неоднократно оспаривался. Тем не менее, новый тип двигателя внутреннего сгорания стали называть именем его реального создателя — «дизель», а идеальный воздушный цикл теплового двигателя с постепенным горением топлива (при постоянном давлении в цилиндре) в современной термодинамике также именуется «циклом Дизеля».

До появления реальных ДВС Отто и Дизеля несколькими поколениями ученых были исследованы идеальные циклы в тепловых двигателях. На них мы и остановимся.

Идеальные циклы тепловых двигателей, В XVII в. возникла новая физическая наука — термодинамика. Опираясь на фундаментальные законы преобразования энергии в различных процессах, ученые стали заниматься проблемами повышения эффективности тепловых машин, использующих эти процессы.

Работа тепловых машин (двигателей) основана на переносе теплоты с использованием газов или паров. Это вещество в термодинамике называют рабочим телом. В отличие от практически несжимаемых жидких и твердых тел, газ и пар допускают значительные изменения своего удельного объема V, например, под воздействием давления Р или температуры Т. Таким образом, физическое состояние рабочего тела в тепловом процессе определяется, в основном, тремя этими параметрами: V, Р, Т.

Во второй половине XVII в. англичанин Роберт Бойль (1661 г.) и независимо от него француз Э. Мариотт (1676 г.) открыли один из важнейших «газовых» законов, получивший впоследствии название «закон Бойля — Мариотта». Коротко его можно сформулировать так. При неизменной температуре Т произведение удельного объема газа V на его давление Р есть величина постоянная т.е. PV=const при Т = const.

Более чем через 100 лет французский физик Жак Шарль (1787 г.) и его соотечественник Жозеф Луи Гей-Люссак (1802 г.) сделали ряд научных открытий, впоследствии названных вторым «газовым» законом (законом Гей-Люссака). Этот закон гласит, что при постоянном давлении Р объем газа V линейно зависит от его температуры Т, т.е. V/T=const.

На основании законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака несколько позже было получено уравнение состояния идеальных газов (объединенный «газовый» закон), которое связало все три термодинамических параметра PV=RT, где R — удельная газовая постоянная для 1 кг газа. Все эти газовые законы подробно изложены в школьном курсе физики.

Было также установлено, что при изменении объема  теплота газа может совершать механическую работу А_м, например, поступательное движение поршня, величина которой равна .

После постройки первых паровых машин (1769 г.) изобретатели многих стран путем усовершенствования конструкции пытались существенно повысить их кпд, но заметных результатов не получили (вспомним § 2, где сказано, что максимальное значение кпд паровых машин паровозов не превышало 15 — 20 %).

Первым в мире человеком, который ответил на вопрос, какую максимальную работу (эффективность) можно получить от тепловой машины, был французский инженер Никола Леонар Сади Карно. В 1824 г. он опубликовал книгу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой впервые ввел в теорию понятие циклического процесса в тепловых машинах и исследовал, как уже говорилось, идеальный цикл с подводом теплоты при постоянной температуре (Т = const). Рабочим телом в нем был газ (не пар!) и эффективность его должна быть наибольшей возможной. Сразу же оговоримся, что трудно даже представить реализацию такого процесса в реальных ДВС.

Рис. 13. Идеальный цикл Карно

Перед объяснением цикла Карно полезно дать некоторые определения и пояснения: обычно циклом называют последовательно и периодически повторяющиеся друг за другом явления (например, смена времен года, дней недели и др.).

Применительно к тепловой машине рабочим циклом называют совокупность процессов, происходящих в ее цилиндре в определенной последовательности, при преобразовании теплоты в механическую работу.

Под идеальным циклом понимают цикл, основанный на следующих допущениях:

· рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

· количество, состав и свойства идеального газа во время цикла не меняются;

· теплота к газу подводится от внешнего источника;

· теплота отводится от идеального газа к внешнему теплоприемнику.

Сади Карно построил замкнутый контур теплового процесса в координатах Р - V— совокупность четырех последовательных процессов, представленную на рис. 13 (идеальный цикл Карно), и показал, что полезную работу в тепловой машине можно получить лишь при условии перехода теплоты от нагретого тела к более холодному. При этом он сформулировал теорему, что величина полезной работы в идеальном цикле зависит только от разности температур источника теплоты и теплоприемника и не зависит от вида рабочего тела, работающего в машине. Результаты научных работ С. Карно привели изобретателей к мысли о том, что процесс горения можно осуществить не в топке парового котла, как для паровых машин, а внутри рабочего цилиндра — т.е. к идее создания ДВС.

Вернемся к циклу Карно. Вначале выделим некоторые особенности поведения газа: при нагревании температура газа повышается, при сжатии газ нагревается (примером может служить нагревание ручного насоса при закачивании велосипедной шины), а при расширении газ охлаждается. Например, расширяясь, влажный атмосферный воздух поднимается на большую высоту и в результате его охлаждения выпадает дождь или снег.

Цикл Карно нагляднее рассмотреть с помощью Р-V-диаграммы, которая позволяет оценить полезную работу, совершаемую в цилиндре машины (А_м = Р∙∆V). Предположим, что идеальный газ (в нем отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, т.е. нет внутреннего трения) находится внутри цилиндра тепловой машины и отделен от внешней среды поршнем. Дно и стенки цилиндра, поршень должны быть абсолютно нетеплопроводными. Необходимо отметить, что в изотермических* процессах (при Т = const) дно цилиндра должно попеременно сообщаться с источником теплоты Q₁ или с теплоприемником (холодильником) Q₂.

Цикл начинается в точке а (см. рис. 13). От внешнего источника к днищу цилиндра подводится теплота Q₁, в результате на участке a - b цикла происходит изотермическое (при Т = const) расширение газа. Идеальный газ, расширяясь, перемещает поршень, который, в свою очередь, совершает механическую работу.

В точке b начинается следующий этап — адиабатное** (без теплообмена с внешней средой) расширение газа за счет его внутренней энергии. Поршень также совершает механическую работу. Температура и давление газа снижаются.

В точке с газ через днище цилиндра вступает в контакт с теплоприемником и на участке c - d происходит изотермическое сжатие. Теплота газа полностью отводится в теплоприемник. Соответственно, в цилиндре происходит уменьшение объема и повышение давления газа.

Адиабатное сжатие d - a завершает цикл. В результате температура и давление идеального газа повышаются до первоначального состояния (точка а на рис. 13). Цикл завершен. Каков же результат данного цикла? На этапах расширения (кривые a – b, b - c) газ производил работу, на этапах сжатия (c – d, d - a) затрачивалась энергия на работу с газом. Таким образом, заштрихованная площадь диаграммы abcd есть не что иное, как полезная работа А_м цикла Карно. Отношение полезной работы А_м к количеству теплоты, поглощенной в процессе изотермического расширения (Q₂ – Q₁), называется коэффициентом полезного действия цикла, т.е. .

Какие же выводы можно сделать из рассмотренного цикла Карно:

· любая тепловая машина не может иметь значение кпд выше кпд теоретического цикла Карно;

· тепловая машина не может производить работу без отдачи тепла низкотемпературному теплоприемнику;

· величина полезной работы, выполненной за цикл, зависит от разности температур между нагревателем и теплоприемником (холодильником).

*Изотерма — происходит от слов изо и греческого thermё — тепло; изотермический процесс — процесс, происходящий при постоянной температуре.

**Адиабата — от греческого слова Adiabatos — непереходимый; адиабатный процесс - процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает ее, т.е. протекающий при постоянной теплоемкости.

Рис. 14. Идеальные циклы Отто (а) и Дизеля (б)

Идеи Карно оказались очень плодотворными, и после опубликования его гениального труда многие конструкторы стали работать над созданием двигателя внутреннего сгорания. Как уже отмечалось, одним из первых эту задачу решил французский изобретатель Жан-Этьен Ленуар, который в 1857 г. построил более или менее работоспособный двигатель, работавший на светильном газе. Но лишь двигатель Отто стал прообразом современных карбюраторных ДВС.

Перейдем к рассмотрению идеального цикла Отто и сразу же оговоримся, что действительны все допущения, принятые для идеального цикла Карно. Проследим за ходом идеального цикла Отто по Р-V-диаграмме (рис. 14,а). Поршень находится в точке а. Цилиндр заполнен смесью воздуха и бензина. В результате движения поршня вверх от V₁ до V₂ в цилиндре происходит адиабатическое сжатие рабочей смеси — линия a - b на Р-V-диаграмме. Объем смеси уменьшается, ее давление возрастает. Так как поршень от положения V₁ до V₂ движется достаточно быстро, можно считать, что во время этого такта теплообмена между смесью и стенками цилиндра не происходит. В точке b искра воспламеняет смесь, которая горит так быстро, что движением поршня можно пренебречь. Следовательно, происходит изохорический (при постоянном объеме) подвод тепла Q₁ — участок b — с, рост давления и температуры до точки с. Таким образом, цикл Отто является циклом быстрого (мгновенного) сгорания рабочей смеси и соответствует идеальному циклу с подводом тепла по изохоре* (V = const). Далее в цилиндре происходит адиабатическое расширение газа, образовавшегося в результате горения смеси. Поршень совершает механическую работу — участок с - d Р-V-диаграммы. Необходимо подчеркнуть, что в реальном двигателе Отто в точке d открывается выпускной клапан и поршень выталкивает газы, а затем объем цилиндра вновь заполняется рабочей смесью. Однако сложный процесс выпуска-впуска в идеальном двигателе можно заменить отводом тепла Q₂ в теплоприемник — участок d - a.

Итак, перечислим еще раз основные этапы цикла Отто (см. рис. 14,а):

ab - адиабатическое сжатие; bc - изохорический подвод тепла;

cd - адиабатическое расширение; da - изохорический отвод тепла.

Таким образом, мы видим в двигателе Отто те же этапы цикла, что и в машине Карно. Однако кпд идеального цикла Карно значительно выше вследствие того, что отдача теплоты в нем происходит при наименьших температурах (см. рис. 13), а в двигателе Отто — при более высоких температурах (в интервале d — а на рис. 14,а). Естественно, разница Q₂ – Q₁ для цикла Отто будет больше, а кпд цикла, соответственно, меньше.

Изохора — происходит от слов изо и греческого chora — занимаемое место, пространство; изохорический процесс — процесс, протекающий в цилиндре (системе) при постоянном объеме.

Перейдем к рассмотрению идеального «цикла Дизеля» (рис. 14,б). Принципиальными различиями в рабочих процессах двигателей Отто и Дизеля является, во-первых, то, каким образом происходит воспламенение рабочей смеси в цилиндрах. В двигателе Отто сжимается готовая смесь бензина с воздухом, которая в конце адиабатного сжатия принудительно поджигается. В дизеле сжимается чистый воздух, но степень его сжатия е примерно в два раза больше, чем у двигателя Отто. Отметим, что объем, занимае­мый воздухом (газами) в цилиндре при положении поршня в V₂, называется объемом камеры сжатия и обозначается V_с. Степенью сжатия ε называют отношение V_c к полному объему цилиндра V_a = V_c + V_h , т.е. ε = V_c/V_a.

Пропорционально величине ε в  дизеле увеличиваются давление и температура воздуха. В результате топливо, впрыснутое в конце адиабатического сжатия (кривая ab на рис. 14,б), самовоспламеняется. Однако впрыскивание, смешение с воздухом и горение топлива требуют относительно большего времени. Поэтому, в отличие от цикла Отто, в идеальном цикле Дизеля движение поршня вниз и горение топлива (подвод теплоты Q₁) происходят одновременно. В этой связи цикл Дизеля можно считать циклом постепенного сгорания, который соответствует идеальному циклу с изобарным* (Р = const) подводом тепла. Т.е. передача тепла Q₁ происходит при постоянном давлении Р₂, а не при постоянном объеме V₂, как в цикле Отто (см. рис. 14). Цикл Дизеля начинается в точке а. От а до b создается адиабатическое сжатие. На участке b - c происходит горение топлива, т.е. подвод теплоты Q₁, и совершается работа (процесс изобарический). Рабочий ход поршня продолжается и при адиабатическом расширении от с до d.

Следующий этап (участок d — а) у четырехтактных циклов Дизеля и Отто одинаковый. Заштрихованная площадь индикаторной диаграммы аbсd идеального цикла Дизеля (см. рис. 14,б) — полезная работа А_м. Зная ее, легко определить кпд такого типа ДВС.

Если перейти от идеальных циклов к реальным конструкциям двигателей Отто и Дизеля, то нужно отметить следующее. В реальных ДВС рабочее тело (газы) практически в каждом такте меняет свой состав: воздух, смесь воздуха с парами топлива, газы — продукты сгорания. Процесс подвода теплоты — горение топлива, а отвода — выброс в атмосферу. Эти и ряд других обстоятельств приводят к определенным различиям в идеальном и реальном циклах ДВС.

Тем не менее, учитывая тот факт, что атмосферный воздух на 77 % состоит из азота, который не участвует в горении и не меняет своего количества, при анализе процесса обычно вместо реального цикла ДВС рассматривается работа идеальной циклической установки, имеющей такую же степень сжатия, как реальный двигатель.

Перейдем к сравнению основных эксплуатационных характеристик двигателей Отто и Дизеля и отметим сферы их рационального применения на транспортных средствах. Одной из важнейших характеристик любой машины является ее коэффициент полезного действия. Особо следует подчеркнуть, что кпд дизелей может достигать 45 %, а карбюраторных (бензиновых) ДВС не превышает 30 %. Другими словами, дизели примерно на 15 % экономичнее ДВС Отто.

Также дизели, по сравнению с карбюраторными ДВС, более надежны и долговечны в эксплуатации, их продукты сгорания менее токсичны, потребляют меньше топлива, т.е. более экономичны в эксплуатации, безопаснее в пожарном отношении и более приспособлены к переменным режимам работы. Эти и целый ряд других несомненных достоинств дизелей явились основанием для их повсеместного использования на транспорте и в энергетике. В настоящее время во всех промышленно развитых странах дизели применяют не только на локомотивах и других мощных транспортных средствах, но и в перспективных конструкциях легковых (в том числе малолитражных) автомобилей.

У читателя может возникнуть вопрос о том, почему на современных автомобилях (особенно легковых) по-прежнему широко применяют двигатели Отто, если столь очевидны преимущества дизелей? Дело в том, что двигатели Отто, по сравнению с дизелями равной мощности, имеют меньший вес и габаритные размеры. Ранее уже отмечалось, что двигатели Отто относятся к ДВС с внешним смесеобразованием, т.е. пары бензина и воздух перемешиваются в специальном устройстве — карбюраторе.

 *Изобара — происходит от слов изо и греческого baros — тяжесть (вес); изобарический процесс — процесс, протекающий в цилиндре (системе) при постоянном давлении.

Условия смесеобразования (хотя бы из-за большего времени, отведенного на этот процесс) значительно лучше, чем в цилиндре дизеля, и нет необходимости в избытке количества воздуха. Другими словами, коэффициент избытка воздуха в двигателях Отто может быть равным 1 и даже меньше. У дизелей величина этого коэффициента достигает величины 2 и более. Как следствие, дизели оборудуются специальными устройствами воздухоснабжения. (Коэффициентом избытка воздуха называется отношение действительного количества воздуха, находящегося в цилиндре перед началом сгорания топлива, к теоретически необходимому для полного сгорания топлива.)

Система принудительного поджигания рабочей смеси, применяемая в двигателях Отто, позволяет конструкторам строить быстроходные двигатели (с частотой вращения вала 3000 — 5000 об/мин) небольшого веса и габаритов. Естественно, при проектировании малолитражных автомобилей и мотоциклов (небольшой мощности и вместимости или грузоподъемности) вес и габариты силовой установки часто имеют первостепенное значение. При выборе типа ДВС большое значение имеет также цена силовой установки — на основе дизеля она, как правило, выше, чем с карбюраторным ДВС.

Как отмечалось ранее, дизели, благодаря несомненным преимуществам перед карбюраторными ДВС, получили широчайшее распространение на тепловозах и других транспортных машинах.

Бесплатная лекция: "17 Методы поверки вертикальных стальных резервуаров" также доступна.

При всем многообразии существующих конструкций дизелей и особенностей организации рабочего процесса в их цилиндрах, все тепловозные ДВС следует различать, прежде всего, по числу тактов, т.е. за сколько ходов поршня (или поршней) организован рабочий процесс в том или ином дизеле. Соответственно, на тепловозах устанавливают четырех- и двухтактные дизели.

Перед объяснением принципов работы четырех- и двухтактных дизелей нелишним будет напомнить некоторые понятия рабочего цикла ДВС.

Такт — это часть рабочего цикла, совершающегося в цилиндре при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое, т.е. за один ход поршня.

Положение поршня при максимальном удалении от вала называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Наиболее близкое к валу положение поршня называется нижней мертвой точкой (НМТ).

Величиной хода поршня S называется расстояние по оси цилиндра между двумя мертвыми точками ВМТ и НМТ. Так как поршень через шатун жестко связан с кривошипом коленчатого вала, то путь S, проходимый поршнем (ход поршня) за один такт, равен двум длинам кривошипа r, т.е. S = 2r.

Объем, занимаемый газами в цилиндре при положении поршня в ВМТ, называется объемом камеры сжатия V_c. Объем между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра V_h. Полный объем цилиндра V_a, соответственно, равен сумме V_c и V_h.