Энергетические установки подъемно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Епифанов В.С.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ПОДЪЁМНО
ТРАНСПОРТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ СРЕДСТВ 

И ОБОРУДОВАНИЯ

Курс лекций

Альтаир–МГАВТ

Москва

2015

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

Епифанов В.С.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ПОДЪЁМНО
ТРАНСПОРТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ СРЕДСТВ 

И ОБОРУДОВАНИЯ

Курс лекций

Альтаир–МГАВТ

Москва

2015

УДК 629.12-8

Епифанов В.С. Энергетические установки подъѐмно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования. Курс лекций.— М.: Альтаир–
МГАВТ, 2015,— 80 с., ил. 44, табл. 2.

Курс лекций «Энергетические установки подъѐмно-транспортных, строитель
ных, дорожных средств и оборудования» является пособием, в котором конкретизируются теоретические вопросы эксплуатации энергетических установок. 

Основная задача конспекта лекций — детальное знакомство с устройством, 

расчетом, индикаторными и эффективными показателями, а также с основами 
технического обслуживания дизельных двигателей, являющихся главными элементами подъѐмно-транспортных, строительных, дорожных средств и оборудования.

Рецензенты: к.т.н., доцент Мокеров Л.Ф.,к.т.н.доцент кафедры СЭУ и А Зябров В.А.

Рекомендованы к изданию Учебно-методическим советом МГАВТ.

Рассмотрено и рекомендвано к использованию в учебном процессе на засе
дании кафедры Судовых энергетических установок и автоматики (протокол №6 
от 20 февраля 2015 г.)

Ответственность за оформление и содержание представленных к изданию 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.

© МГАВТ.,2015
© Епифанов В.С.,2015

Содержание

Условные обозначения и сокращения .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.
4

Тема 1:Введение в курс «Энергетические установки подъемнотранспортных, строительных, дорожных средств и оборудования». .
. .
.
6

Лекция №1
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
.
6

Тема: 2 Рабочие процессы и эффективные показатели 
процессов в энергетических установках
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 10

Лекция №2
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 10

Лекция №3
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 15

Лекция №4
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 20

Лекция №5
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 25

Лекция №6
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 29

Лекция №7
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 45

Лекция №8
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 48

Лекция №9
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 52

Лекция №10
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 58

Лекция №11
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 62

Лекция №12
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 69

Лекция №13
.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 74

Список литературы.
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. .
. 77

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

eP
— эффективная мощность, кВт ;

me
p
— среднее эффективное давление, кПа ;

В
— часовой расход топлива, 
ч
кг ;

int
p , 
int
T
— давление и температура на входе в двигатель с наддувом, кПа и К ;

а
p , 
a
T
— давление и температура окружающей среды, кПа и К ;

tp , 
tT
— давление и температура в конце такта впуска, кПа и К ;

zp ,
zT
— давление и температура рабочего тела в точке Z, кПа и К ; 

cp ,
cT
— давление и температура рабочего тела в конце такта сжатия; 

y
p , 
y
T
— давление и температура в конце быстрого сгорания, кПа и К ;

b
p ,
b
T
— давление и температура отработавших газов в конце такта выпус
p
— давление, кПа ; 

д
Р
— движущая сила, действующая на поршень, кН;

P
— суммарная сила, действующая на поршень, кН;

N
P
— нормальная сила, действующая на втулку цилиндра, кН;

ш
Р
— сила, действующая вдоль шатуна, кН;

en
— частота вращения коленчатого вала двигателя, 
1
мин
при 
eP ;

с
— степень сжатия; 

i
— число цилиндров двигателя;

п
F
— площадь поршня,
2
м ;

T
— температура, К ;

s
— ход поршня, м ;

m
— средняя скорость поршня, 

с
м ;

d
— диаметр цилиндра, м ;

r
— радиус кривошипа коленчатого вала, м;

1
— коэффициент избытка воздуха при сгорании;
— угловая частота вращения коленчатого вала, 1/с;
— угол заклинки кривошипа коленчатого вала, °ПКВ;

оп
— угол опережения впрыска топлива, °ПКВ;

шl
— длина шатуна, м ;

ш
— постоянная кривошипно-шатунного механизма – отношение r / шl ;

z
— тактность двигателя;

x
NO
— оксиды азота.

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ВМТ
— верхняя мертвая точка;

ВОД
— высокооборотный двигатель;

ДВС
— двигатель внутреннего сгорания;

КПД
— коэффициент полезного действия;

КС
— камера сгорания;

КШМ
— кривошипно-шатунный механизм;

МГР
— механизм газораспределения;

МОД
— малооборотный двигатель;

НМТ
— нижняя мертвая точка;

ОНВ
— охладитель наддувочного воздуха;

°ПКВ
— градус ПКВ;

ДВС
— двигатель внутреннего сгорания;

СО
— система охлаждения;

СОД
— среднеоборотный двигатель;

ТОА
— теплообменный аппарат;

ТНВД
— топливный насос высокого давления;

ФГО
— фильтр грубой очистки;

ФТО
— фильтр тонкой очистки;

ЦПГ
— цилиндропоршневая группа.

ТЕМА: 1. ВВЕДЕНИЕ В КУРС «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ 
ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ 

СРЕДСТВ И ОБОРУДОВАНИЯ»

Лекция № 1

Требования к энергетическим установкам подъемно-транспортных, строи
тельных, дорожных средств и оборудования.

Технический уровень и качество ДВС

Классификация и конструкция энергетических установок, тенденции развития

1.1.Требования к энергетическим установкам подъемно-транспортных, 

строительных, дорожных средств и оборудования

Возросшие механические и тепловые нагрузки предъявляют повышенные 

требования к прочности, жесткости деталей и их рациональному охлаждению. 
Остов ДВС характеризуется повышенной жесткостью. Например, в дизеле 6ЧН 
35/42 нет фундаментной рамы, но блок-картер, в поперечном сечении практически 
представляющий собой прямоугольник, отличается высокой жесткостью. У ДВС 
6ЧН 24/24 жесткость остова повышена за счет мощной стальной сварной фундаментной рамы. 

Особое внимание обращено на охлаждение днища КС. Традиционной стала 

конструкция крышки цилиндра с двойным днищем. Тонкое днище КС опирается 
на толстое промежуточное, которое воспринимает нагрузки от газов. В полости 
между днищами с повышенной скоростью движется поток воды, обеспечивая интенсивное охлаждение. При малой толщине днища КС перепад температур (по 
толщине днища), а значит, и термические напряжения снижаются. В некоторых 
конструкциях интенсивное охлаждение днища обеспечивается благодаря высоким скоростям воды, проходящей по сверлениям в нем.

Впускные и выпускные клапаны имеют охлаждаемые седла. Выпускные клапа
ны снабжены механизмом вращения типа «Ротокап». У некоторых дизелей на 
стержне выпускного клапана, омываемом газами, расположена крыльчатка, заставляющая клапан вращаться при набегании на нее потока газов. Эти мероприятия снижают температуру рабочей фаски клапана и делают ее более равномерной, что увеличивает надежность клапана. Выпускные клапаны имеют собственный корпус, что 
позволяет демонтировать их, не снимая крышки цилиндра.

В конструкцию втулки цилиндра внесено много изменений. Из-за высо
ких механических нагрузок усилена верхняя часть втулки, появилась дополнительная опора, воспринимающая боковые усилия (в плоскости качения 
шатуна). Чтобы предотвратить коррозию опорной поверхности втулки, в дизеле ЧН 24/24 она не контактирует с водой. Для выравнивания температур по 
длине втулки цилиндра ее нижняя часть охлаждается воздухом, а верхняя —
водой, движущейся с повышенной скоростью. При этом в толстом верхнем 
опорном бурте втулки делаются наклонные отверстия для прохода воды, что 
заметно интенсифицирует охлаждение.

Диаметры шеек коленчатого вала увеличены по отношению к диаметру ци
линдра. Например, у дизелей ЧН 35/42 и ЧН 24/24 отношение диаметра шатунных 
шеек к диаметру цилиндра примерно равно 0,84.

1.2.Технический уровень и качество ДВС

Как всякая продукция, ДВС характеризуется единичными (частными) пока
зателями качества, каждый из которых количественно характеризует пригодность 
ДВС удовлетворять определенным требованиям. Например, единичными показателями качества являются удельные эффективные расходы топлива и масла, ресурс ДВС до капитального ремонта, шумность и др.

В ходе оценки уровня качества ДВС определяется перечень и значение еди
ничных показателей качества, а затем они сопоставляются с базовыми значениями. Если оценивается технический уровень ДВС, то такое сопоставление выполняется только по тем единичным показателям качества, которые характеризуют 
техническое совершенство ДВС.

При оценке ДВС, выпускаемого промышленностью в качестве базовых, прини
маются среднестатистические показатели большого числа современных дизелей. 
Они позволяют оценить уровень совершенства нового ДВС с точки зрения мирового 
дизелестроения и сделать вывод об его целесообразности. При проектировании нового ДВС базовые значения, выбираемые для сравнения, должны определяться прогнозированием развития дизелей данного класса на 8–12 лет и более. 

В отечественной практике применяется одновременное сопоставление дизе
лей с перспективным образцом и показателями двигателей, установленными Государственным стандартом.

1.3.Классификация и конструкция энергетических

установок, тенденции развития

Двигатели классифицируют по основным признакам:
- по роду рабочего цикла — с подводом теплоты к рабочему телу при посто
янном объеме, с подводом теплоты при постоянном давлении газов и со смешанным подводом теплоты;

- по способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные, у которых 

цикл совершается за четыре последовательных хода поршня (за два оборота коленчатого вала), и двухтактные, у которых цикл осуществляется за два последовательных хода поршня (за один оборот коленчатого вала);

- по способу воздухоснабжения — с наддувом и без наддува. В четырех
тактных ДВС без наддува цилиндр наполняется свежим зарядом (воздухом или 
горючей смесью), а в двухтактных ДВС — продувочным компрессором с механическим приводом от двигателя. Во всех ДВС с наддувом наполнение цилиндра 
осуществляется турбокомпрессором. Двигатели с наддувом называют комбинированными;

- по способу воспламенения топлива — с воспламенением от сжатия (дизе
ли) и с искровым зажиганием (карбюраторные и газовые);

- по роду применяемого топлива — жидкого топлива и газовые. К ДВС 

жидкого топлива относятся и многотопливные двигатели, которые без конструктивных изменений могут работать на различных топливах. К газовым ДВС относятся и двигатели с воспламенением от сжатия (газодизели), в которых основное 
топливо газообразное, а жидкое топливо в небольшом количестве используется 
как запальное, т. е. для воспламенения.. К газовым ДВС относятся и с искровым 
зажиганием;

- по способу смесеобразования — с внутренним смесеобразованием, когда топ
ливовоздушная смесь образуется внутри цилиндра (дизели), и с внешним смесеобразованием, когда эта смесь приготовляется до ее подачи в цилиндр (карбюраторные и 
газовые двигатели с искровым зажиганием). Основные способы внутреннего смесеобразования — объемное, объемно-пленочное и пленочное;

- по типу камеры сгорания (КС) — с неразделенными однополостными КС, 

с полуразделенными КС (КС в поршне) и разделенными КС (предкамерные, 
вихрекамерные и воздушно-камерные КС);

- по частоте вращения коленчатого вала п — среднеоборотные (СОД) с 

240 < п ≤ 750 мин-1, повышенной оборотности (ПОД) с 750 < п ≤ 1500 мин-1 и 
высокооборотные (ВОД) с п > 1500 мин-1;

- по назначению — для привода трансмиссии транспортных средств, привод 

на электрические генераторы электростанций;

- по принципу действия — простого действия (рабочий цикл совершается 

только в одной полости цилиндра). Двойного действия (рабочий цикл совершается в двух полостях цилиндра над и под поршнем) и с противоположно движущимися поршнями. Здесь в каждом цилиндре двигателя имеется два механически связанных поршня, движущихся в противоположных направлениях, с помещенным между ними рабочим телом;

- по конструктивному исполнению КШМ — тронковые и крейцкопфные. В 

тронковом двигателе силы нормального давления передаются направляющей частью поршня — тронком, скользящим во втулке цилиндра. У крейцкопфного 
двигателя поршень не создает сил нормального давления, возникающих при наклоне шатуна, нормальное усилие создается в крейцкопфном соединении и передается ползунами на параллели, которые закреплены вне цилиндра на станине 
двигателя;

- по расположению цилиндров — вертикальные, горизонтальные, одноряд
ные, двухрядные, V-образные, звездообразные и т. п.
Существуют и другие признаки, по которым классифицируют ДВС.

Основными определениями, которые относятся ко всем ДВС, являются:
-верхняя и нижняя мертвые точки (ВМТ и НМТ), соответствующие 

верхнему и нижнему крайнему положению поршня в цилиндре (в вертикальном двигателе);

- ход поршня, т. е. расстояние при перемещении поршня из одного крайнего 

положения в другое;

- объем камеры сгорания (или сжатия), соответствующий объему полости 

цилиндра при нахождении поршня в ВМТ;

- рабочий объем цилиндра — объем при ходе поршня между мертвыми точками.

Развитие отечественного двигателестроения связано с развитием теории рабо
чего процесса и конструкции ДВС. Проф. МВТУ им. Н. Э. Баумана Гриневецкий В. 
И. в 1907 г опубликовал монографию: «Тепловой расчет рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания». Метод расчета был положен в основу теории процессов в 
ДВС и развит Н. Р. Брилингом, Е. К. Мазингом, Б. С. Стечкиным, А. Н. Шелестом и 
др. Последние достижения в области ЭВМ позволили использовать математическое 
моделирование при создании и доводке ДВС. 

ТЕМА: 2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ 

ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Лекция №2

Идеальные и действительные циклы двигателей внутреннего сгорания.

Показатели эффективности и экономичности циклов — среднее давление 

цикла и теоретический КПД.

Расчетные и рабочие циклы двухтактного и четырехтактного дизелей

2.1. Идеальные и действительные циклы двигателей внутреннего сгорания

Понятие и основные отличия идеального цикла от действительного изложе
ны в курсе термодинамики, где дан анализ идеальных циклов поршневых ДВС. 
Подавляющее большинство современных дизелей имеет газотурбинный наддув. 
Если предварительное сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры дизеля, производится центробежным (или осевым) компрессором, а энергия ОГ используется в 
газовой турбине (или турбинах), то такой комбинированный дизель называется 
также турбопоршневым. Его идеальный цикл имеет особенности по сравнению с 
идеальным циклом дизеля.

Теоретический цикл комбинированного двигателя. Один из наиболее общих 

(и наиболее приближенных к 4-тактным турбопоршневым дизелям) идеальных 
циклов представлен на рис. 2.1. 

Рис. 2.1. Идеальный обобщенный цикл на p, v — диаграмме (а) и на Т, s — диаграмме (б)

Адиабата А—В моделирует сжатие воздуха в компрессоре, изобара В—t —

его охлаждение в ОНВ до поступления в цилиндр. Сжатие воздуха в цилиндре, 
повышение давления и температуры заряда в результате сгорания топлива и последующее расширение газа до начала выпуска из цилиндра моделируется процессами t — с — у — r — b. Реальный необратимый процесс перетекания газа из 
цилиндра дизеля в газовую турбину заменен двумя обратимыми: изохорой b—М