Глава
I
ОСНОВЫ РАБОТЫ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1.	Классификация тепловых двигателей
Локомотивные двигатели внутреннего сгорания принадлежат
к тепловым двигателям. Тепловая энергия в тепловых двигателях
преобразуется в механическую посредством различных газообразных
веществ: воздуха, горючей смеси, продуктов сгорания топлива, водя-
ного пара и др. Эти газообразные вещества называют рабочим телом.
В зависимости от устройств для сгорания топлива и места подвода
тепла к рабочему телу тепловые двигатели делят на две основные
группы (рис. 1): двигатели внутреннего сгорания и двигатели внеш-
него сгорания.
В двигателе внутреннего сгорания (д. в. с.) топливо вводится
непосредственно в двигатель, в котором совершается сгорание топ-
лива, сообщение тепла рабочему телу и преобразование частц тепла
в механическую работу. В двигателе внешнего сгорания передача
тепла рабочему телу и сгорание топлива происходят во внешних уст-
ройствах, а преобразование части тепла в работу — в двигателе.
По типу основных рабочих органов, участвующих в преобразова-
нии тепловой энергии в механическую, различают: поршневые, лопа-
точные и роторно-поршневые двигатели1.
В поршневом двигателе (рис. 2) рабочее тело заключено в цилиндре.
При расширении рабочего тела его тепловая энергия преобразуется
в механическую работу поступательного движения поршня 1. Ша-
тунно-кривошипный механизм преобразует поступательное движение
поршня во вращательное движение вала. Существуют также бесша-
тунные механизмы для преобразования прямолинейного движения
во вращательное.
В лопаточной машине (газовой турбине, рис. 3) рабочее тело пе-
ремещается по криволинейным каналам, образованным лопатками
специального профиля. Лопатки 1 укреплены в статоре и составляют
сопловой аппарат, а лопатки 2 укреплены в роторе 3 и вместе с ним
образуют турбинное колесо. В результате расширения рабочего тела
в каналах его тепловая энергия преобразуется в механическую работу
вращения ротора. Газотурбинные двигатели (г. т. д.) представляют
собой тепловые двигатели с лопаточными машинами.
1 Реактивные двигатели не рассмотрены.
5
Рис. 1. Классификация тепловых двигателей
Рабочее тело
Рис. 2. Схема поршневого двигателя:
1 — поршень; 2 — шатун; 3 — кривошип коленчатого вала
Рис. 3. Схема лопаточной машины
(газовой турбины):
/“Лопатки соплового аппарата; 2 —
лопатки турбины; 3 — ротор
Рис. 4. Схема роторно-поршневого
двигателя:
1— корпус; 2 — ротор; 3 — свеча зажи->
гания; 4 — эксцентрик
6
В роторно-поршневом двигателе (рис. 4) рабочее тело заключено
в трех отдельных серповидных камерах, образованных корпусом
1 со специальными криволинейными очертаниями и ротором 2 с тре-
мя вершинами. Стороны ротора также имеют специальную форму.
Ротор расположен на эксцентрике 4 вала и передает ему вращение
через планетарную зубчатую передачу. Вершины ротора при его вра-
щении безотрывно перемещаются по корпусу. Объем каждой серпо-
видной камеры за время одного оборота ротора изменяется дважды
от наименьшего до наибольшего. Изменение объема используется
для наполнения камер рабочим телом в виде топливо-воздушной сме-
си, его сгорания и расширения. Тепловая энергия, сообщенная ра-
бочему телу, преобразуется в механическую работу вращения ротора.
Ротор вращается под действием разности давления на его боко-
вые поверхности со стороны рабочего тела в серповидных ка-
мерах.
Двигатели внутреннего сгорания могут быть также совокупностью
поршневых и лопаточных машин, совместно участвующих в преоб-
разовании тепловой энергии в механическую. В этом случае двига-
тель называют комбинированным или турбопоршневым. Современные
мощные тепловозные поршневые двигатели имеют лопаточные машины,
которые в подавляющем большинстве не производят механической
энергии, а предназначены для обеспечения поршневого двигателя воз-
духом. Их также относят к комбинированным двигателям. По таким же
признакам лопаточные двигатели внутреннего сгорания, например
газотурбинные двигатели со свободно-поршневым генератором газа,
также относятся к комбинированным двигателям.
По способу воспламенения топлива д. в. с. делят на две группы:
с самовоспламенением и с посторонним источником зажигания. В дви-
гателях с самовоспламенением топливо подается непосредственно
в цилиндр, где находится сжатый воздух, нагретый путем сжатия
до температуры, превосходящей температуру самовоспламенения топ-
лива. Такой способ образования смеси топлива с воздухом в цилиндре
называют внутренним. Чтобы воздух нагревался до высокой темпе-
ратуры, необходимо иметь высокую степень сжатия. Поэтому порш-
невые двигатели с самовоспламенением иначе называют двигателями
высокого сжатия, или дизелями. Для тепловозов и дизель-поездов
применяют только дизели. В принципе высокая степень сжатия мо-
жет быть получена и в роторно-поршневых двигателях, но пока тех-
нические трудности не позволяют создать такой двигатель.
К двигателям с посторонним источником зажигания принадлежат
поршневые и роторно-поршневые бензиновые двигатели автотрактор-
ного типа. У этих двигателей смесь топлива с воздухом образуется
вне рабочей полости в специальном устройстве—карбюраторе. Такой
способ смесеобразования называют внешним. Горючая смесь сжимается
в цилиндре при невысоких степенях сжатия и воспламеняется от элект-
рической искры. Степень сжатия этих двигателей ограничивается де-
тонационными явлениями при сгорании, которые сопровождаются вы-
сокой скоростью распространения пламени, взрывным характером
горения, стуками и перегревом двигателя, обильным выделением са-
7
жи и потерей мощности. Степень сжатия у этих двигателей зависит
от качества применяемого топлива.
В камерах сгорания газотурбинных двигателей происходит непре-
рывное горение топлива, а поступающее топливо воспламеняется
от горящего факела. При пуске двигателя топливо воспламеняется
от электрической искры. Поэтому такие г. т. д. следует отнести к д. в. с.
с посторонним источником зажигания. В г. т. д. с поршневыми гене-
раторами газа используется самовоспламенение топлива.
Двигатели внутреннего сгорания получили широкое распрост-
ранение в различных отраслях народного хозяйства. По области их
применения различают стационарные, локомотивные, судовые, авто-
тракторные и авиационные двигатели. В зависимости от специфики
применения к двигателям предъявляются вполне определенные тех-
нические требования по расходу топлива, массе, габаритам, срокам
службы, степени автоматизации управления и т. д. Разнообразие
этих требований определяет целесообразные области применения
рассмотренных видов двигателей.
Для двигателей народнохозяйственного назначения затраты на топ-
ливо составляют значительную долю в эксплуатационных расходах
силовых установок. Так, например, для магистральных тепловозов
эта доля достигает 30—45%. Поэтому повышение топливной эконо-
мичности первичного двигателя оказывает существенное влияние
на снижение эксплуатационных расходов.
Расход топлива двигателем находится в обратной зависимости
от эффективного к. п. д. Различные типы двигателей имеют следую-
щие интервалы изменения эффективного к. п. д. т]е:
Двигатели внутреннего сгорания:
дизели и комбинированные двигатели	0,35—0,41
карбюраторные двигатели (поршневые и роторно-
поршиевые)	0,22—0,30
газотурбинные двигатели	0,18—0,30
Двигатели внешнего сгорания:
паровые машины (совместно	с	котельной установкой) 0,09—0,14
паровые турбины	0,15—0,35
двигатели Стирлинга	0,30—0,35
Из приведенных данных видно, что дизели имеют наибольший
эффективный к. п. д. среди других тепловых двигателей. Это достоин-
ство дизелей послужило причиной широкого применения их для теп-
ловозов и дизель-поездов на отечественных и зарубежных железных
дорогах.
Для автономных локомотивов могут быть использованы и газо-
турбинные двигатели. Основное достоинство газотурбинного двига-
теля по сравнению с поршневым состоит в возможности снижения
массы и габарита силовой установки при заданной мощности. В свя-
зи с этим в отечественной промышленности проводятся опытные и
поисковые разработки газотурбовозов.
8
2.	Тепловозные четырехтактные двигатели
Двигатели внутреннего сгорания, установленные на тепловозах,
различают по основным общим признакам: числу тактов, расположе-
нию цилиндров, числу валов и др.
По числу тактов двигатели или дизели могут быть четырехтактные,
у которых рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня или
два оборота коленчатого вала; двухтактные — рабочий цикл осу-
ществляется за два хода поршня или один оборот коленчатого вала.
Тактом называют часть рабочего цикла, совершающуюся между
двумя последовательными положениями поршня или поршней, одно
из которых соответствует наибольшему объему цилиндра, а другое —
наименьшему.
По расположению цилиндров тепловозные двигатели преимущест-
венно бывают (рис. 5) однорядные вертикальные и V-образные.
Более сложное расположение цилиндров, например V- или Х-образ-
ное, является исключением. Дизели однорядные с горизонтальным
расположением цилиндров изредка применяются на зарубежных
дизель-поездах. Коленчатых валов обычно бывает один или два
(см. рис. 5). По частоте вращения коленчатого вала тепловозные дви-
гатели делят на две группы: до 1000 и выше 1000 об/мин. Другие клас-
сификационные признаки тепловозных дизелей не являются доста-
точно общими.
Четырехтактный комбинированный двигатель с газотурбинным над-
дувом и охлаждением воздуха (рис. 6) состоит из поршневой и лопа-
точных машин, причем лопаточные машины используются в качестве
агрегатов подачи воздуха под давлением в поршневую машину, где
происходит сгорание топлива и преобразование энергии. Поршень 3,
шатун 2 и кривошип 1 коленчатого вала образуют шатунно-криво-
шипный механизм. Он предназначен для преобразования возвратно-
поступательного движения поршня во вращательное движение ко-
ленчатого вала.
В объем, заключенный между верхней поверхностью поршня и
стенками цилиндра, периодически подается топливо через форсунку
9. Периодичность подачи топлива зависит от числа тактов и частоты
вращения коленчатого вала. Начало и количество подачи топлива
Рис. 5. Схема расположения цилиндров в тепловозных двигателях:
а, в — однорядное, вертикальное; б — V-образное; г — V-образное
9
регулируются топливовпрыскивающей аппаратурой, В пространство
над поршнем периодически подается воздух, необходимый для сго-
рания топлива. Продукты сгорания удаляются из цилиндра через вы-
пускной клапан 11. Периодичность подачи воздуха и удаления про-
дуктов сгорания регулируется работой впускного 5 и выпускного 11
клапанов, которые кинематически связаны с коленчатым валом по-
средством газораспределительного механизма.
Распределительный вал 15 приводится во вращение от коленчатого
вала через систему зубчатых передач. На распределительном валу раз-
мещен кулачок, который сообщает возвратно-поступательное движение
толкателю 14. Через штангу 13 и рычаг 10 движение от толкателя
передается выпускному клапану 11. Привод впускного клапана 5
от распределительного вала аналогичен приводу выпускного. Профиль
кулачков на распределительном валу, управляющих работой клапа-
нов, и положение кулачков относительно кривошипа коленчатого вала
определяют продолжительность и моменты их открытия и закрытия.
Продукты сгорания, удаляемые через выпускной клапан, посту-
пают в газовую турбину 8. Здесь
Рис. 6. Принципиальная схема устрой-
ства и работы четырехтактного ком-
бинированного двигателя:
1— кривошип коленчатого вала; 2— ша-
тун; 3 — поршень; 4 — впускной коллектор;
5 — впускной клапан; 6 — холодильник воз-
духа; 7 — компрессор; 8 — турбина; 9 —
форсунка; 10— рычаг; // — выпускной кла-
пан; 12 — выпускной коллектор; 13 — штан-
га; 14 — толкатель; 15— вал; в — воздух;
т — топливо, ог — отработавшие газы
часть тепловой энергии газа преоб-
разуется в механическую энергию
вращения ротора турбины. На од-
ном валу с турбинным колесом
размещено компрессорное колесо.
Компрессор 7 служит для забора
воздуха из атмосферы, сжатия его
и подачи к полости впускного кла-
пана двигателя. Агрегат, состоя-
щий из турбины и компрессора,
называют турбокомпрессором. Та-
ким образом, часть тепловой энер-
гии выпускных газов двигателя
используется для предварительно-
го сжатия воздуха, поступающего
в двигатель. Перед поступлением
в двигатель производится охлаж-
дение воздуха в холодильнике 6.
Подача топлива и воздуха в
двигатель и удаление отработав-
ших газов из двигателя произво-
дятся в определенные периоды
рабочего цикла. В течение рабо-
чего цикла происходит одноразо-
вая подача топлива, воздуха и
удаление продуктов сгорания.
Поэтому частота вращения газо-
распределительного вала и вала
топливоподающих устройств дол-
жна быть в два раза меньше, т. е.
один оборот за два оборота колен-
чатого вала.
10
Рис. 7. Изменение объема цилиндра V,
сечений впускного FK и выпускного
FB клапанов в зависимости от угла <р
поворота коленчатого вала (п. к. в.):
Vc=Vmin — объем камеры сжатия; Vh—
= Vmax— Vmln — рабочий объем; Va — пол-
ный объем цилиндра (объем начала сжа-
тия)
При вращении коленчатого
вала поршень в процессе своего
движения может занимать одно из
двух крайних положений по отно-
шению к оси вала. Наиболее уда-
ленное положение поршня от оси
вала называют верхней мертвой
точкой (в. м. т.); положение пор-
шня при наибольшем его прибли-
жении к оси вала называют ниж-
ней мертвой точкой (н. м. т.).
Соответственно этому различают
и положения шатунной шейки
вала в в. м. т. и н. м. т. За нача-
ло отсчета угла ф поворота колен-
чатого вала (п. к. в.) условимся
принимать положение кривоши-
па в в. м. т., при этом поло-
жительные значения угла совпадают с направлением вращения.
Для качественного анализа процессов, происходящих в цилиндре
двигателя за рабочий цикл (ф — 0 4- 720°), необходимо рассмотреть
изменение объема рабочей полости цилиндра V и проходных сечений
впускного fKH выпускного FB, клапанов в зависимости от угла ф
поворота коленчатого вала (рис. 7). При положении поршня в в. м. т.
(ф — 0, ±360°) объем рабочей полости достигает наименьших зна-
чений Vmln и, наоборот, в н. м. т. (ф = ±180°) — наибольших Кшах.
Впускной клапан начинает открываться при угле поворота криво-
шипа фк, когда поршень еще не доходит до в. м. т., и закрывается
при угле <рие, когда поршень минует н. м. т. При открытом впускном
клапане полость цилиндра сообщается с впускным коллектором. Вы-
пускной клапан открывается и закрывается соответственно при углах
поворота кривошипа фв и фве, когда поршень не дошел до н. м. т. и
перешел в. м. т. При открытом выпускном клапане полость цилиндра
сообщается с выпускным коллектором.
Углы <рк, фке, фв, фве называют фазами газораспределения дви-
гателя. Существует опережение открытия клапанов и запаздывание
их закрытия по отношению к положениям поршня в своих мертвых
точках. Изменение сечений FK и FB в зависимости от угла ф при от-
крытии и закрытии клапанов происходит не мгновенно, а по неко-
торому закону, определяемому профилями кулачков. Профили выби-
раются из условий допустимых ударных нагрузок при посадке клапа-
нов, нагрузок от сил инерции в газораспределительном механизме,
безотрывного движения толкателей и др. При ф = фт, когда пор-
шень не доходит до в. м. т. (ф = 0°), в цилиндр начинает подаваться
топливо; подача заканчивается после в. м. т. Количество подаваемого
топлива и момент окончания его подачи зависят от нагрузки.
Процессы движения поршня, горения топлива, впуска воздуха и
удаления отработавших газов приводят к непрерывному изменению
количества рабочего тела в цилиндре, его состава и параметров сос-
11
тояния — давлений и температур. К этим изменениям добавляется
теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра. Совокупность
всех изменений рабочего тела в цилиндре называют рабочим процес-
сом двигателя. В цилиндре за рабочий цикл, т. е. в четырехтактном
двигателе за два оборота коленчатого вала, рабочее тело претерпе-
вает последовательно ряд изменений своего состояния, и при устано-
вившемся режиме его параметры принимают свое первоначальное
состояние.
Рассмотрим изменение одного из параметров состояния рабочего
тела в цилиндре — давления р в зависимости от угла поворота колен-
чатого вала ф и объема цилиндра V. Зависимости р — f (ф) или р =
= f (V) называют индикаторной диаграммой. Эти зависимости яв-
ляются равноценными, поскольку переход от координаты ф к коор-
динате V может быть сделан из кинематического соотношения
К = f (ф) (см. рис. 7). Обозначим параметры состояния воздуха
во впускном коллекторе рк, Тк, отработавших газов в выпускном кол-
лекторе рт, 7\ и рабочего тела в цилиндре р, Т (см. рис. 6). Давле-
ния в коллекторах будем считать постоянными. Обычно в четырех-
тактных тепловозных комбинированных двигателях, имеющих толь-
ко газовую связь поршневого двигателя с турбокомпрессором, при
работе на режимах с нагрузкой более 50% номинальной давление
во впускном коллекторе превышает давление в выпускном, т. е.
Рк > Рт- На режимах малых нагрузок, а также в двигателях других
схем, например с силовой газовой турбиной, может быть обратное
соотношение давлений в коллекторах рт > рк.
Основная доля процесса заряда цилиндра воздухом у четырех-
тактного двигателя совершается за один такт, который называется так-
том наполнения. В процессе наполнения поршень движется от в. м. т.
(ф = —360°) к н. м. т. (ф = —180°) и объем цилиндра увеличивается.
При ф = —360° поршень находится в в. м. т., объем цилиндра наи-
меньший, впускной и выпускной клапаны открыты. Таким образом,
полость цилиндра сообщается с впускным и выпускным коллекторами.
Такту наполнения предшествовал такт выпуска, когда продукты
сгорания удалялись в выпускной коллектор. Часть продуктов сгора-
Рис. 8. Индикаторная диаграмма четырехтактного комбинированного двигателя
в координатах р—<р
12
ния осталась в объеме камеры сжа-
тия. Поэтому в в. м. т. давление в
цилиндре р должно несколько пре-
вышать давление в выпускном
коллекторе рт. Соотношение меж-
ду р и рк в этот момент зависит от
соотношения давлений во впуск-
ном и выпускном коллекторах.
Если рк > рт, как показано на
рис. 8 и 9, то величина давления
в цилиндре р будет больше давле-
ния рт и меньше давления рк,
т. е. рт < р <z рк. Состояние ра-
бочего тела в цилиндре в этот
момент характеризуется точкой г.
Так как впускной и выпускной
клапаны открыты, то под действием
разности давлений воздух посту-
пает из впускного коллектора
в цилиндр, смешивается с остаточными продуктами сгорания, а из ци-
линдра продукты сгорания вместе с воздухом вытекают в выпускной
коллектор. Благодаря этому цилиндр продувается свежим воздухом
и более полно удаляются из него продукты сгорания.
Если рт > рк, то при <р = —360° давление в цилиндре будет пре-
вышать давление во впускном коллекторе, т. е. р>рк. При открытом
впускном клапане под действием разности давлений продукты сго-
рания из цилиндра будут забрасываться во впускной коллектор -до тех
пор, пока давление р не станет равным или меньше давления рк.
По мере увеличения угла ф объем цилиндра увеличивается и впускной
клапан все больше открывает сечение для прохода воздуха в цилиндр,
пока оно не достигнет своих наибольших значений. Выпускной
клапан закрывается с некоторым запаздыванием после в. м. т.
(ф фВе)-
Изменение давления в цилиндре в процессе наполнения зависит
от ряда факторов: скорости изменения объема* цилиндра, величины и
соотношения давлений в коллекторах, проходных сечений впускных
и выпускных органов. На начальном этапе движения поршня при
недостаточном открытии впускного клапана, затрудняющем поступле-
ние воздуха в цилиндр, давление р может понизиться настолько, что
оно станет меньше давления в выпускном коллекторе. Если к этому
моменту выпускной клапан еще открыт, то может произойти заброс
газов из выпускного коллектора в цилиндр.
Для хорошего наполнения цилиндра воздухом необходимо, чтобы
впускной клапан после в. м. т. как можно, быстрее открывал все сече-
ние для прохода воздуха. После закрытия выпускного клапана на-
полнение цилиндра воздухом определяется величинами открытого
сечения впускного клапана и давления рк. Примерный характер
изменения давления в цилиндре в процессе наполнения изображен
линией г — а.
13
Такт сжатия совершается при движении поршня от н. м. т.
(Ф = —180°; V = Кпах) к в- м- т- (Ф = 0°;	= I'min)- Объем цилинд-
ра уменьшается, и впускной клапан закрывается с некоторым запаз-
дыванием после н. м. т. (ф = фке). До момента закрытия впускного
клапана давление в цилиндре может повыситься до величины, пре-
вышающей давление во впускном коллекторе, т. е. р > рк. В этом
случае может произойти заброс рабочего тела из цилиндра во впускной
коллектор. На явления заброса влияют не только перепад давлений,
но и инерционные силы -движущихся потоков газов.
По мере движения поршня к в. м. т. объем цилиндра уменьшается,
а давление и температура рабочего тела, заключенного в цилиндре,
повышаются. При сжатии рабочего тела повышается его внутренняя
энергия, на что затрачивается механическая работа, подводимая
от коленчатого вала.
При угле ф = фт, когда поршень еще не дошел до в. м. т., включа-
ется топливоподающая аппаратура и начинает подавать в цилиндр топ-
ливо. Мелко распыленное топливо распределяется в объеме цилиндра
в среде сжатого воздуха. Под действием высоких температур рабо-
чего тела топливо испаряется и, реагируя с кислородом воздуха, пре-
терпевает ряд химических превращений. В результате этих процессов
создаются условия, при которых начинаются реакции бурного окис-
ления топлива, т. е. происходит его сгорание с выделением тепла.
От момента начала поступления топлива в цилиндр до начала его ви-
димого сгорания проходит некоторое время, которое называют перио-
дом задержки воспламенения.
Начало видимого сгорания отмечается на индикаторной диаграмме
заметным повышением давления в цилиндре по сравнению с линией
сжатия. К моменту прихода поршня в в. м. т., которым завершается
такт сжатия, часть поступившего в цилиндр топлива сгорает, и за счет
выделившегося тепла происходит дальнейшее повышение внутренней
энергии рабочего тела.
Такт горения — расширения, или рабочий ход, совершается при
движении поршня от в. м. т. (ф = 0°; V=l/min) кн.м.т. (ф = 180°;
У — Vmax). В начале этого такта продолжается поступление топлива
в цилиндр и его горение. Несмотря на увеличивающийся объем ци-
линдра, давление и температура рабочего тела возрастают и достигают
своих наибольших значений при некотором угле поворота коленчатого
вала после в. т. м. Дальнейшее движение поршня сопровождается
понижением давлений и температур рабочего тела, при этом в течение
еще некоторого времени продолжается горение топлива. Продол-
жительность подачи топлива соответствует разности углов конца и
начала подачи фте — фт и изменяется в зависимости от нагрузки
двигателя.
Выделяющееся при сгорании топлива тепло затрачивается на из-
менение внутренней энергии рабочего тела, потери тепла в систему
охлаждения и совершение механической работы. Часть этой работы
расходуется на такт сжатия и покрытие механических потерь
в самом двигателе, а другая часть используется потребителем
энергии.
14
С некоторым опережением, когда поршень еще не дошел до н. м. т.,
при <р = Фв открывается выпускной клапан. В этот момент давление
в цилиндре значительно больше давления в выпускном коллекторе и
продукты сгорания начинают вытекать в выпускной коллектор.
Истечение газов из цилиндра при рабочем ходе под действием разно-
сти давлений в цилиндре и коллекторе называют свободным выпуском.
Отношение давлений в этот период обычно ниже критического
{рт/р <0,54) и истечение происходит с критической скоростью (равной
скорости звука), соответствующей критическому отношению давле-
ний. Выпускной клапан все больше открывает сечение для прохода
газов, и давление в цилиндре быстро понижается.
Такт выпуска совершается при движении поршня от н. м. т. (ф =
= 180°; V = Етах) к в. м. т. (ф = 360°, V = Emin). На протяжении
всего такта выпускной клапан открыт. Истечение газов из цилиндра
происходит главным образом вследствие выталкивающего действия
поршня при уменьшающемся объеме цилиндра. Давление в цилиндре
в начале такта понижается и сохраняется при последующем ходе
поршня к в. м. т. несколько выше давления в выпускном коллекторе.
При подходе поршня к в. м. т. с некоторым опережением открывается
впускной клапан (ф = фк). На протяжении определенного времени ос-
таются открытыми одновременно впускной и выпускной клапаны.
Это время называют перекрытием клапанов, и оно соответствует раз-
ности углов фве —• фк. В этот период выпуск газов из цилиндра про-
должается, но одновременно возможно поступление свежего воздуха
в цилиндр, а также продувка цилиндра. С приходом поршня в в. м. т.
(ф = 360°) рабочий цикл завершается и давление в цилиндре соот-
ветствует давлению в точке г.
Таким образом, в четырехтактном дизеле для очистки цилиндра
от продуктов сгорания и наполнения его воздухом существуют два
вспомогательных такта — выпуска и наполнения. Такты сжатия и
рабочий ход являются основными в рабочем цикле; их выполнение
обеспечивает преобразование выделяющейся при сгорании топлива
тепловой энергии в механическую.
3.	Тепловозные двухтактные двигатели
В цилиндре двухтактного комбинированного двигателя (рис. 10)
в противоположных направлениях движутся верхний 5 и нижний 9
поршни. Шатунами 4 и 10 они связаны с верхним и нижним коленчаты-
ми валами. Коленчатые валы между собой имеют строгую кинемати-
ческую связь, которая обеспечивает закономерное движение валов и,
следовательно, поршней по отношению друг к другу. Каждый из порш-
ней и соответствующие им шатунные шейки кривошипов могут нахо-
диться в своих внутренних и наружных мертвых точках (в. м. т. и
н. м. т.). Поршни не находятся одновременно в своих мертвых точ-
ках. У дизелей типаДЮО взаимное расположение кривошипов таково,
что когда нижний поршень находится в в. м. т., то верхний поршень
еще не дошел до в. м. т. на некоторый угол ф0 (ф0 = 12°). Если выра-
15
ёГлаЖа 2.Классификация
и технические
характеристики
локомотивных
энергетических
установок
Среди других тепловых двигателей дизели имеют наиболь-
ший эффективный к.п.д. Это достоинство дизелей послужило
причиной широкого применения их для тепловозов и дизель-
поездов на отечественных и зарубежных железных дорогах.
Для автономных локомотивов могут быть использованы и
газотурбинные двигатели. Основное достоинство газотурбинно-
го двигателя по сравнению с поршневым состоит в возможности
снижения массы и габаритов силовой установки при заданной
мощности. В связи с этим в отечественной промышленности
проводят опытные и поисковые разработки газотурбовозов.
Чтобы различать отдельные конструктивные разновидности
дизелей им присваивают различные марки.
Согласно ГОСТ 10150-88 на дизели судовые, тепловозные и
промышленные (типы и основные параметры) условные обозна-
чения должны состоять из букв и цифр, которые означают:
Ч — четырехтактный;
Д — двухтактный;
ДД — двухтактный двойного действия;
Р — реверсивный;
С — с реверсивной муфтой;
П — с реверсивной передачей;
40
К — крейцкопфный;
Г — газовый;
Н — с наддувом;
1А; 2А; ЗА; 4А — степень автоматизации по ГОСТ 10150-88.
Первая цифра означает число цилиндров; цифра над чер-
той — диаметр цилиндра в сантиметрах; цифра под чертой —
ход поршня в сантиметрах. Отсутствие в условном обозначении
букв К означает, что дизель тронковый, а буквы Р — что дизель
нереверсивнный.
Пример: 16ЧН26/26 — дизель шестнадцатицилиндровый, четы-
рехтактный, с наддувом, с диаметром цилиндра 26 см и ходом пор-
шня 26 см.
Заводом-изготовителем разрешены дополнительные условные
обозначения, когда на базе двигателя выпускаются его модифика-
ции, различающиеся по мощности, т.е. двигатель либо форсирован,
либо дефорсирован.
Примеры:
16ЧН 26/26
( обозначение по ГОСТ 4393-82)
2А-5Д49
1А-5Д49
(обозначение
заводское)
Ас = 2940 кВт
Ас = 2210 кВт
1ОДН20,7 / (2X25,4)
(обозначение по ГОСТ 4393-82)
2Д100
10Д100
Ае = 1470 кВт
(обозначение заводское)
Ас = 2210 кВт
41
Дизели, построенные в Германии, Чехии, Польше, Франции,
США и др. странах маркируют согласно принятым нормам этих
стран или заводов-изготовителей, например:
K6S310DR — производственные объединения ЧКД — Прага,
согласно ГОСТ 4393-82 — 6ЧН 31/36. По классификации произ-
водственного объединения ЧКД - Прага из обозначения следует:
К — двигатель с наддувом;
6 — шестицилиндровый;
310 — диаметр цилиндра в мм;
DR — дизель предназначен для установки на тепловозах.
Дизель 20PA6V280 — фирмы «SEMT Pielstick», Франция, при-
менительно к обозначению по ГОСТ 10150-88 — 20 ЧН28/29.
Дизель V16TR240CO — фирмы «СосКепП», Бельгия — 16ЧН
21,1/30,5.
Двигатели классифицируют по следующим признакам:
По способу осуществления рабочего цикла:
—	четырехтактные (Ч), рабочий цикл осуществляется за четы-
ре хода поршня;
—	двухтактные (Д), рабочий цикл осуществляется за два хода
поршня.
Под тактом следует понимать часть цикла между двумя смеж-
ными точками минимального и максимального объемов ци-
линдра.
По числу цилиндров:
с увеличением числа цилиндров двигатель усложняется. Од-
нако увеличение числа цилиндров в разумных пределах имеет
ряд положительных сторон:
—	более равномерный вращающий момент М , так как чаще
следуют рабочие ходы поршня;
—	облегчается (воздушный) пуск двигателя. Двухтактные дви-
гатели должны иметь не менее 4-х цилиндров, 4-тактные —
не менее шести, при этом один из цилиндров всегда нахо-
дится в пусковом положении;
—	легче достигнуть уравновешенности сил инерции движу-
щихся масс и моментов от этих сил.
По расположению цилиндров:
—	рядное — до десяти цилиндров;
—	рядное с противоположно движущимися поршнями
(ПДП);
—	V-образное, с углом развала блока цилиндров 42, 45, 60,
42
90 и 120°. Основное преимущество этих двигателей перед
однорядными — меньшая длина, меньшая металлоем-
кость, вследствие чего повышается жесткость таких ответ-
ственных деталей, как картер, головка цилиндров и колен-
чатый вал, но менее удобны в обслуживании;
—	звездообразное, количество звезд может быть разное; ци-
линдры одной звезды работают как правило на один криво-
шип;
—	горизонтальное — применяют в двигателях на зарубеж-
ных дизель-поездах.
На отечественных тепловозных дизелях применяют: рядное,
V-образное и рядное с ПДП расположение цилиндров.
По степени быстроходности, в зависимости от средней скоро-
сти движения поршня — См, м/с, различают двигатели: тихоход-
ные См < 6,5; средней быстроходности 6,5 < См < 8,5; быстроход-
ные 8,5 < См < 12; повышенной быстроходности См > 12.
Чем выше средняя скорость поршня См, тем двигатель той же
мощности компактнее, легче, но при этом снижается его мото-
ресурс М = KDI(C~Pc), повышается расход топлива и смазки,
увеличивается шумность его работы.
На тепловозах применяют дизели средней быстроходности и
быстроходные с частотой вращения коленчатого вала п = 750 +
1500 об/мин, которая связана со средней скоростью поршня
зависимостью См = —, м/с.
30
По способу подачи воздуха в цилиндр различают дизели:
—	безнаддувные, наполнение цилиндра воздухом обеспечи-
вается за счет перемещения поршня (при перемещении
поршня в цилиндре создается разрежение и воздух из ат-
мосферы устремляется в цилиндр);
— с наддувом, воздух перед подачей в цилиндр предвари-
тельно сжимается в специальных агрегатах до давления Рк.
Величина давления наддува достигает 0,4 МПа у высоко-
форсированных двигателей.
По конфигурации камер сгорания (КС):
—	дизели с неразделенными КС (однокамерные или однопо-
лостные);
—	дизели с полуразделенными КС (КС расположена в пор-
шне);
43
— дизели с разделенными КС — с двумя или более полостя-
ми (вихрекамерные, предкамерные).
Широкое распространение разделенные КС нашли в дизелях
французской фирмы «Semt Pielstick». Такие двигатели допускают
работу на тяжелых сортах топлива, включая природную нефть,
природный газ, дизельное топливо с повышенным содержанием
серы.
По степени сжатия, г = И/К — степень сжатия для тепловоз-
ных дизелей находится в пределах £ = 114-22. Большие значения
относятся к быстроходным дизелям, меньшие — к тихоходным.
По степени форсирования, оценивается мощностью дизеля,
приходящейся на единицу площади поршня кВт/дм2: нефорси-
рованные — NE< 15 ; форсированные — 15 < ^.< 45; высокофор-
сированные — Ny> 45.
Наиболее действенным способом форсирования дизелей яв-
ляется применение газотурбинного наддува.
Q
По удельной массе, Ge=—^, кг/кВт:
Ne
—	среднефорсированные 8 < G_ < 19;
—	высокофорсированные 2,7 < Ge < 8.
Массогабаритные показатели тепловозных дизелей ограниче-
ны осевыми нагрузками, а также габаритами ж.д. подвижного
состава. Масса дизеля, приходящаяся на ось тепловоза, не долж-
на превышать 2+2,3 (3,0) т, т.к. с ее увеличением растет масса
вспомогательных агрегатов тепловоза.
Для современных тепловозных дизелей характерна тенденция
к снижению массы. Массу двигателя определяет, в основном,
масса остова.
Современные тепловозные дизели имеют удельную массу:
4-тактные форсированные 4,5+5,5 кг/кВт; 2-тактные 9+12 кг/кВт.
По мощности:
дизели по агрегатной мощности делят на четыре группы:
—	до 74 кВт — маломощные;
—	74+736 кВт — средней мощности;
—	736+7360 кВт — мощные;
—	>7360 кВт сверхмощные.
По направлению вращения коленчатого вала:
дизели правого и левого вращения. Направление вращения
44
определяют при взгляде со стороны тягового генератора или
гидродинамической передачи (нагрузки) на фланец отбора мощ-
ности. (Двигатели типов Д49, Д50 и др. — правого вращения;
двигатель K6S310DR — левого).
2.1.	Технические требования и основные
характеристики тепловозных дизелей
При создании новых и модернизации эксплуатируемых теп-
ловозов дизели выбирают по таким показателям как мощность,
надежность, топливная экономичность, габаритные размеры,
масса и стоимость единицы выполненной работы.
Экономичность работы тепловоза определяется экономично-
стью его силовой установки - дизеля. Основные требования к
конструкции дизеля направлены на экономию затрат на топли-
во, техническое обслуживание, ремонт и прочие расходы в про-
цессе его эксплуатации.
Общие требования к дизелям определяются существующими
и перспективными потребностями тепловозостроения, уровнем
и возможностями развития дизелестроения, а также с учетом
многолетнего опыта эксплуатации автономных локомотивов
они постоянно изменяются, возрастают и должны удовлетво-
рять:
1)	требуемой величине эффективной мощности (350+4420 кВт)
при соответствии габаритных размеров и весовых норм для ло-
комотивов и обладать возможностями повышения эффективной
мощности на перспективу;
2)	экономичности по расходу топлива и смазочных матери-
алов во всем диапазоне рабочих режимов в эксплуатации;
3)	возможности работы на дешевых низкосортных топливах
(содержание серы в топливе до 2,5%);
4)	быть технологичными и относительно простыми по конст-
рукции, обеспечивая низкую стоимость и удобство при изготов-
лении, монтаже, демонтаже, ремонте и обслуживании в эксплу-
атации;
5)	требованиям безотказности пуска при минимальном рас-
ходе энергии;
6)	приемлемым массам и габаритным размерам вспомога-
тельных систем (очистка воздуха, охлаждение, смазка и т.д.), а
45
также расходам мощности на их функционирование, не снижа-
ющих механический к.п.д. двигателя на номинальном режиме
работы менее 0,85;
7)	возможности быстрого изменения режима работы при со-
хранении экономичности;
8)	возможности создания мощного ряда, обеспечивающего
потребности железнодорожного транспорта с целью максималь-
ной унификации конструкций отдельных узлов и деталей, при-
водящей к снижению стоимости изготовления, ремонта и обслу-
живания локомотивов;
9)	нормам вредного воздействия на локомотивную бригаду и
на окружающую среду (шум, вибрация, загрязнения атмосферы,
вредные для здоровья излучения);
10)	минимальной передачей динамических сил и вибраций на
раму локомотива;
11)	безопасности локомотивной бригады в процессе обслужи-
вания.
Дизельные силовые установки, характеризуются: высокой
экономичностью (эффективный к.п.д. достигает 42+46%), доста-
точной надежностью и т.д. (см. выше требования 1-11), наиболее
полно удовлетворяют в настоящее время предъявляемым (при-
веденным выше) требованиям по сравнению с силовыми уста-
новками других типов. Это обеспечило широкое использование
таких установок на тепловозах и в обозримом будущем они
сохранят ведущую роль в транспортном машиностроении.
Анализ показателей силовых установок других типов, при-
менение которых возможно на автономных локомотивах, пока-
зывает, что на ближайшую перспективу в отдельных специфи-
ческих условиях эксплуатации конкурентоспособными по отно-
шению к дизельным являются газотурбинные установки (ГТУ).
Газовые турбины широко применяют в современных тепловоз-
ных дизелях с газотурбинным наддувом, что существенно изме-
нило характеристики классических поршневых ДВС, привело к
увеличению их топливной экономичности на 3+4% и значитель-
ному возрастанию агрегатной мощности при почти неизменных
габаритных размерах и массе.
Основные технические характеристики отечественных локо-
мотивных газотурбинных двигателей приведены в табл. 2.1, теп-
ловозных дизелей в табл. 2.2.
46