Силовые приводы транспортных комплексов горных предприятий : двигатели внутреннего сгорания

ǘǔǙǔǝǞǑǜǝǞǎǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ ǔ Ǚnjǟǖǔ ǜǠ 
ȱ 2723 
ǠǑǐǑǜnjǗǨǙǚǑ ǏǚǝǟǐnjǜǝǞǎǑǙǙǚǑ njǎǞǚǙǚǘǙǚǑ ǚǍǜnjǓǚǎnjǞǑǗǨǙǚǑ ǟǣǜǑǒǐǑǙǔǑ  
ǎǧǝǤǑǏǚ ǛǜǚǠǑǝǝǔǚǙnjǗǨǙǚǏǚ ǚǍǜnjǓǚǎnjǙǔǫ  
«ǙnjǢǔǚǙnjǗǨǙǧǕ ǔǝǝǗǑǐǚǎnjǞǑǗǨǝǖǔǕ ǞǑǡǙǚǗǚǏǔǣǑǝǖǔǕ ǟǙǔǎǑǜǝǔǞǑǞ «ǘǔǝǴǝ» 
ǖǬȀDZǰǼǬ ǯǺǼǹǺǵ ǸDZȁǬǹǴǶǴ Ǵ ǾǼǬǹǽǻǺǼǾǬ
 
 
 
 
ǎ.nj. ǘǬǷǬȁǺǮ 
 
 
 
 
ǝǴǷǺǮȇDZ ǻǼǴǮǺǰȇ  
ǾǼǬǹǽǻǺǼǾǹȇȁ ǶǺǸǻǷDZǶǽǺǮ  
ǯǺǼǹȇȁ ǻǼDZǰǻǼǴȋǾǴǵ 
 
ǐǮǴǯǬǾDZǷǴ ǮǹǿǾǼDZǹǹDZǯǺ ǽǯǺǼǬǹǴȋ 
ǟȃDZǭǹǺDZ ǻǺǽǺǭǴDZ 
 
 
ǐǺǻǿȅDZǹǺ ǟȃDZǭǹǺ-ǸDZǾǺǰǴȃDZǽǶǴǸ ǺǭȆDZǰǴǹDZǹǴDZǸ ǮǿdzǺǮ  
ǜǺǽǽǴǵǽǶǺǵ ǠDZǰDZǼǬȂǴǴ ǻǺ ǺǭǼǬdzǺǮǬǹǴȊ Ǯ ǺǭǷǬǽǾǴ ǯǺǼǹǺǯǺ ǰDZǷǬ 
Ǯ ǶǬȃDZǽǾǮDZ ǿȃDZǭǹǺǯǺ ǻǺǽǺǭǴȋ ǰǷȋ ǽǾǿǰDZǹǾǺǮ ǮǿdzǺǮ, ǺǭǿȃǬȊȅǴȁǽȋ 
ǻǺ ǹǬǻǼǬǮǷDZǹǴȋǸ ǻǺǰǯǺǾǺǮǶǴ (ǽǻDZȂǴǬǷȈǹǺǽǾȋǸ) «ǏǺǼǹǺDZ ǰDZǷǺ» 
(ǽǻDZȂǴǬǷǴdzǬȂǴȋ «ǞǼǬǹǽǻǺǼǾǹȇDZ ǽǴǽǾDZǸȇ ǯǺǼǹǺǯǺ ǻǼǺǴdzǮǺǰǽǾǮǬ») 
Ǵ «ǙǬdzDZǸǹȇDZ ǾǼǬǹǽǻǺǼǾǹǺ-ǾDZȁǹǺǷǺǯǴȃDZǽǶǴDZ ǽǼDZǰǽǾǮǬ» 
 
ǘǺǽǶǮǬ  2015 

ɍȾɄ 656:622 
 
Ɇ18 
Ɋ ɟ ɰ ɟ ɧ ɡ ɟ ɧ ɬ ɵ :  
ɞ-ɪ. ɬɟɯɧ. ɧɚɭɤ, ɩɪɨɮ. ɤɚɮ. «ɗɤɫɩɥɭɚɬɚɰɢɹ, ɷɥɟɤɬɪɢɮɢɤɚɰɢɹ  
ɢ ɚɜɬɨɦɚɬɢɡɚɰɢɹ ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɯ ɫɪɟɞɫɬɜ ɢ ɫɢɫɬɟɦ ɩɪɢɪɨɞɨɨɛɭɫɬɪɨɣɫɬɜɚ  
ɢ ɡɚɳɢɬɵ ɜ ɱɪɟɡɜɵɱɚɣɧɵɯ ɫɢɬɭɚɰɢɹɯ» Ɇɨɫɤɨɜɫɤɨɝɨ ɝɨɫɭɞɚɪɫɬɜɟɧɧɨɝɨ  
ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬɚ ɩɪɢɪɨɞɨɨɛɭɫɬɪɨɣɫɬɜɚ ȼ.ȼ. ɉɨɩɨɜ; 
ɞ-ɪ ɬɟɯɧ. ɧɚɭɤ, ɩɪɨɮ., Ƚɟɧɟɪɚɥɶɧɵɣ ɞɢɪɟɤɬɨɪ  
ɇɉ «Ƚɨɪɧɨɩɪɨɦɵɲɥɟɧɧɢɤɢ Ɋɨɫɫɢɢ» Ⱥ.ɉ. ȼɟɪɠɚɧɫɤɢɣ 
Ɇɚɥɚɯɨɜ ȼ.Ⱥ. 
Ɇ18  
ɋɢɥɨɜɵɟ ɩɪɢɜɨɞɵ ɬɪɚɧɫɩɨɪɬɧɵɯ ɤɨɦɩɥɟɤɫɨɜ ɝɨɪɧɵɯ ɩɪɟɞɩɪɢɹɬɢɣ : ɞɜɢɝɚɬɟɥɢ ɜɧɭɬɪɟɧɧɟɝɨ ɫɝɨɪɚɧɢɹ : ɭɱɟɛ. ɩɨɫɨɛɢɟ / 
ȼ.Ⱥ. Ɇɚɥɚɯɨɜ. – Ɇ. : ɂɡɞ. Ⱦɨɦ Ɇɂɋɢɋ, 2015. – 83 ɫ. 
ISBN 978-5-87623-914-3 
Ɋɚɫɫɦɨɬɪɟɧɵ ɤɥɚɫɫɢɮɢɤɚɰɢɹ ɢ ɩɪɢɧɰɢɩ ɪɚɛɨɬɵ ɞɜɢɝɚɬɟɥɟɣ ɜɧɭɬɪɟɧɧɟɝɨ 
ɫɝɨɪɚɧɢɹ (Ⱦȼɋ), ɪɚɛɨɱɢɟ ɰɢɤɥɵ ɱɟɬɵɪɟɯɬɚɤɬɧɨɝɨ ɢ ɞɜɭɯɬɚɤɬɧɨɝɨ Ⱦȼɋ, ɩɪɢɜɟɞɟɧ ɬɟɩɥɨɜɨɣ ɪɚɫɱɟɬ ɬɟɨɪɟɬɢɱɟɫɤɢɯ ɬɟɪɦɨɞɢɧɚɦɢɱɟɫɤɢɯ ɢ ɞɟɣɫɬɜɢɬɟɥɶɧɵɯ 
ɰɢɤɥɨɜ, ɪɚɫɫɦɨɬɪɟɧɵ ɨɫɧɨɜɧɵɟ ɩɚɪɚɦɟɬɪɵ ɢ ɯɚɪɚɤɬɟɪɢɫɬɢɤɢ ɞɜɢɝɚɬɟɥɟɣ ɜɧɭɬɪɟɧɧɟɝɨ ɫɝɨɪɚɧɢɹ ɬɪɚɧɫɩɨɪɬɧɵɯ ɫɪɟɞɫɬɜ ɢ ɩɪɨɦɵɲɥɟɧɧɨɝɨ ɨɛɨɪɭɞɨɜɚɧɢɹ. 
ɉɪɢɜɟɞɟɧɵ ɤɪɚɬɤɢɟ ɬɟɨɪɟɬɢɱɟɫɤɢɟ ɫɜɟɞɟɧɢɹ ɨɛ ɢɡɭɱɚɟɦɵɯ ɩɪɨɰɟɫɫɚɯ, 
ɨɩɢɫɚɧɢɹ ɢ ɫɯɟɦɵ, ɩɨɪɹɞɨɤ ɢ ɪɚɫɱɟɬɧɵɟ ɮɨɪɦɭɥɵ ɞɥɹ ɜɵɱɢɫɥɟɧɢɹ ɨɩɪɟɞɟɥɹɟɦɵɯ ɜɟɥɢɱɢɧ. 
ɉɪɟɞɧɚɡɧɚɱɟɧɨ ɜ ɤɚɱɟɫɬɜɟ ɭɱɟɛɧɨɝɨ ɩɨɫɨɛɢɹ ɩɨ ɞɢɫɰɢɩɥɢɧɟ «ɋɢɥɨɜɵɟ 
ɩɪɢɜɨɞɵ ɬɪɚɧɫɩɨɪɬɧɵɯ ɫɪɟɞɫɬɜ» ɞɥɹ ɫɬɭɞɟɧɬɨɜ, ɨɛɭɱɚɸɳɢɯɫɹ ɩɨ ɧɚɩɪɚɜɥɟɧɢɸ ɩɨɞɝɨɬɨɜɤɢ ɢ ɩɨ ɫɩɟɰɢɚɥɶɧɨɫɬɢ 130400 – «Ƚɨɪɧɨɟ ɞɟɥɨ», ɫɩɟɰɢɚɥɢɡɚɰɢɹ – «Ɍɪɚɧɫɩɨɪɬɧɵɟ ɫɢɫɬɟɦɵ ɝɨɪɧɨɝɨ ɩɪɨɢɡɜɨɞɫɬɜɚ», ɢ ɩɨ ɞɢɫɰɢɩɥɢɧɟ 
«ɗɧɟɪɝɨɭɫɬɚɧɨɜɤɢ ɬɟɯɧɢɱɟɫɤɢɯ ɫɪɟɞɫɬɜ ɩɪɢɪɨɞɨɨɛɭɫɬɪɨɣɫɬɜɚ ɢ ɡɚɳɢɬɵ ɜ 
ɱɪɟɡɜɵɱɚɣɧɵɯ ɫɢɬɭɚɰɢɹɯ» ɞɥɹ ɫɬɭɞɟɧɬɨɜ, ɨɛɭɱɚɸɳɢɯɫɹ ɩɨ ɧɚɩɪɚɜɥɟɧɢɸ 
ɩɨɞɝɨɬɨɜɤɢ ɢ ɩɨ ɫɩɟɰɢɚɥɶɧɨɫɬɢ 190109 – «ɇɚɡɟɦɧɵɟ ɬɪɚɧɫɩɨɪɬɧɨ-ɬɟɯɧɨɥɨɝɢɱɟɫɤɢɟ ɫɪɟɞɫɬɜɚ», ɫɩɟɰɢɚɥɢɡɚɰɢɹ – «Ɍɟɯɧɢɱɟɫɤɢɟ ɫɪɟɞɫɬɜɚ ɩɪɢɪɨɞɨɨɛɭɫɬɪɨɣɫɬɜɚ ɢ ɡɚɳɢɬɵ ɜ ɱɪɟɡɜɵɱɚɣɧɵɯ ɫɢɬɭɚɰɢɹɯ». 
ɍȾɄ 656:622 
ISBN 978-5-87623-914-3 
” ȼ.Ⱥ. Ɇɚɥɚɯɨɜ, 2015 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ
 
	











  
		





 
	





  	 
	!





  	"









  
	

#
#

  
		
$%&$'()$*+(,
-(+.
/0(12'$.$,
*
3%/0%/%4
'$3.%'5
3&(
3%*'%677%4
%89$4$ !
	
$%&$'()$*+(,
-(+.
/0(12'$.$,
*
3%/0%/%4
'$3.%'5

3&(
3%*'%677%4
/20.$7((  "
	!
$%&$'()$*+(,
-(+.
/0(12'$.$,
*
3%/0%/%4
'$3.2
3&(
3%*'%677%4
%89$4$
(
3%*'%677%4
/20.$7((
:*4$;2775,
-(+.<  =

$,*'0('$.>75$
-(+.5
 !	
	
28%)($
'$.2
(
(?
*0%,*'02 !

&%-$**
03@*+2  !A
!
&%-$**
*B2'(6 

&%-$**
*1%&27(6  !

&%-$**
&2*;(&$7(6 
"
&%-$**
053@*+2 C
!
7/(+2'%&75$
(
DEE$+'(075$
3%+2F2'$.(
/0(12'$.6 A
!	
7/(+2'%&75$
3%+2F2'$.(
&28%)$1%
-(+.2  A
!
GEE$+'(075$
3%+2F2'$.(
&28%)$1%
-(+.2  "	

*%8$77%*'(
&28%)$1%
-(+.2
(
'$3.%0%1%
&2*)$'2
/0@?'2+'75?
/0(12'$.$, "
!


#




 "C
!	
$3.%0%,
82.27*
/0(12'$.$, "C
!



H#

  "A
!!
*7%075$
32&24$'&5
/0(12'$.$, C 








 C
	
$1@.(&%0%)75$
?2&2+'$&(*'(+( C

+%&%*'75$
?2&2+'$&(*'(+( C
	
7$;766
*+%&%*'726
?2&2+'$&(*'(+2 C"

2*'()75$
*+%&%*'75$
?2&2+'$&(*'(+( CC
!
%*'&%$7($
*+%&%*'75?
?2&2+'$&(*'(+
272.('()$*+(4
4$'%/%4  CA
!
$1@.6'%&726
?2&2+'$&(*'(+2 C=

21&@F%)726
?2&2+'$&(*'(+2  A 
3(*%+
.('$&2'@&5 A
3

ВВЕДЕНИЕ
Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем останутся двигатели внутреннего сгорания (ДВС), которые после почти столетнего развития достигли высокого совершенства. Факторами, влияющими на конструкцию ДВС, являются необходимость увеличения удельной
мощности и повышения надежности, возможность использования двигателя в различных условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимость и затраты материалов. В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс будут определяться также требованиями нормативных ограничений и технологическими требованиями.
В общем виде основную задачу инженера ближайшего будущего
можно было бы сформулировать следующим образом: разработка экологически чистых автомобильных энергоустановок, обеспечивающих высокое качество и эффективность автомобильных перевозок при минимальном
воздействии на окружающую среду, минимальных затратах труда, эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе
эксплуатации.
Взаимодействие автомобильной энергоустановки с окружающей средой происходит посредством потоков вещества, энергии и энтропии на всем
протяжении жизненного цикла установки, т. е. на стадиях получения конструкционных и эксплуатационных материалов, изготовления, выполнения
транспортной работы, восстановления работоспособности и утилизации.
Автомобильная энергоустановка считается экологически чистой, если ее создание, функционирование и утилизация не приводят к нарушению
стабильности экосистемы «автомобильный транспорт — окружающая среда», т. е. выходу характеристик ее состояния за пределы допуска (регламентируемых антропогенных изменений или техногенных воздействий).
Таким образом, можно сформулировать следующие требования к
энергоустановке: безопасность выполнения транспортных услуг, обеспечение транспортного комфорта и сохранности грузов при транспортировке, безвредность воздействия на окружающую среду, сохранение природных (топливно-энергетических, материальных, трудовых) ресурсов. Обязательным остается и требование транспортной эффективности, которому
должна соответствовать любая, в том числе и экологически чистая, энергоустановка.
4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.
Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива,
на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат
природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и
жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а
жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в
диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.
Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:
• по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;
• по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;
• по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и
бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);
• по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;
• по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.
5

Двигатели внутреннего сгорания
газотурбинные
поршневые
комбинированные
газовые
жидкостные
смешанные
многотопливные
работающие на
бензине
работающие на
дизельном
топливе
работающие
на природном
или сжиженном газе
с внутренним
смесеобразованием
с внешним
смесеобразованием
работающие
на газогенераторном
газе
с принудительным
воспламенением
рабочей смеси
с воспламенением
рабочей смеси
от сжатия
двухтактные
четырехтактные
с надувом
без надува
жидкостного
охлаждения
воздушного
охлаждения
стационарные
транспортные
судовые
однорядные
двухрядные
V-образные
с вертикальным расположением цилиндров
оппозитные
с наклонным расположением цилиндров
W-образные
с горизонтальным
расположением цилиндров
Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания
Под действием давления газов поршень совершает возвратнопоступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС.
Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных
понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.
6

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться
в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис.
1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как
усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при
котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его
от оси вала двигателя достигает минимума.
Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого
вала на 180°. 
Рис 1.2. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания Vc.
Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между
мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра Vh.
2
π
=
S
D
Vh
4
,
где D – диаметр цилиндра, мм;
S – ход поршня, мм.
Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ
называют полным объемом цилиндра Va
7

c
h
a
V
V
V
+
=
Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего
объема цилиндра на число цилиндров.
Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания
Vc называют степенью сжатия
h
c
h
a
V
V
V
V
V
V
V
+
=
−
=
=
1
ε
c
c
c
При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии
топлива в механическую.
Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.
Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания
может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3. 
По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется
следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается
сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.
Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая
смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры.
Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит
перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до
высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После
расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и
рабочий цикл повторяется.
8

а)
б)
Рис. 1.3. Схемы рабочего цикла двигателей
В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е.
процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с
впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых
применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с
воздухом при обычных условиях.
Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не
достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная
вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости
от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки
цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.
Если рабочий цикл двигателя осуществляется по схеме, описанной
выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование ра9