Теория и конструкция силовых установок

ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

серия основана в 2017 г.





К.С. КРЮКОВ




            ТЕОРИЯ И КОНСТРУКЦИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК



УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ







znanium.com

Москва
ИНФРА-М
2023

УДК 623.438(075.8)
ББК 68.513я73
     К85

     Автор:
        К.С. Крюков, начальник цикла — старший преподаватель военной кафедры Института военно-технического образования Омского государственного технического университета

     Рецензенты:
        О.А. Серяков, кандидат технических наук, доцент;
        В.И. Денисенко, кандидат технических наук, доцент





      Крюков К.С.
К85 Теория и конструкция силовых установок : учебное пособие / К.С. Крюков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 211 с. — (Военное образование).
         ISBN 978-5-16-014822-9 (print)
         ISBN 978-5-16-107567-8 (online)
         В учебном пособии рассматриваются общие вопросы устройства и функционирования силовых установок, применяемых на различных образцах бронетанкового вооружения и техники.
         Разработано применительно к программам подготовки офицеров контрактной службы в учебных военных центрах или государственных образовательных учреждениях высшего образования по военно-учетным специальностям «Эксплуатация и ремонт базовых боевых машин бронетанковой техники» и «Эксплуатация и ремонт электро- и спецоборудования и автоматики базовых машин бронетанковой техники». Может быть использовано для обучения офицеров танковых войск в системе командирской подготовки, курсантов военно-учебных заведений и специалистов по эксплуатации, обслуживанию и ремонту бронетанкового вооружения и техники.

УДК 623.438(075.8)
ББК 68.513я73

ISBN 978-5-16-014822-9 (print)
ISBN 978-5-16-107567-8 (online)

© Омский государственный технический университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ...................................................7
ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ДВС...........................8


Раздел № 1. ТЕОРИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Глава I. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ОСНОВНОГО ТАНКА................14
       1.1. Основные понятия и определения.................................14
       1.2. Конструктивная схема двигателя.................................15
       1.3. Отличие действительного цикла поршневого ДВС от термодинамического цикла..........................................16
       1.4. Действительный цикл двухтактового двигателя....................17
       1.5. Индикаторная диаграмма рабочего цикла..........................18
       1.6. Процессы газообмена в двухтактном двигателе и их оценка........21

Глава 2. ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
И ЕГО ОТЛИЧИЯ ОТ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ. ПРОЦЕССЫ ГАЗООБМЕНА В ЧЕТЫРЕХТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ И ИХ ОЦЕНКА.....................................
       2.1. Основные понятия и определения.................................
       2.2. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя...............
       2.3. Влияние различных факторов на процессы газообмена в двигателе..
       2.4. Внутреннее смесеобразование в поршневых ДВС....................
       2.5. Сгорание топлива в двигателе...................................
       2.6. Теплотворная способность топлива...............................
       2.7. Общие сведения о карбюрации....................................
          2.7.1. Главная дозирующая система................................
          2.7.2. Система холостого хода....................................
          2.7.3. Экономайзер...............................................
          2.7.4. Ускорительный насос.......................................
          2.7.5. Пусковое устройство.......................................
       2.8. Впрыск жидкого топлива и его распиливание в цилиндре двигателя.
       2.9. Оценка качества распыления топлива ............................
       2.10. Смесеобразование в дизельных двигателях с впрыском легкого топлива.....................................................

26
26
27
30
31
32
34
35
37
38
38
39
39
40
41

43

Глава 3. ПРОЦЕСС СЖАТИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПОРШНЕВОМ ДВС. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО ТЕЛА В КОНЦЕ ПРОЦЕССА СЖАТИЯ............................45
       3.1. Влияние различных факторов на процесс сжатия в бензиновом двигателе.47
       3.2. Процесс сжатия рабочего тела в дизельном двигателе.............49
          3.2.1. Параметры рабочего тела в конце процесса сжатия...........49
          3.2.2. Влияние различных факторов на процесс сжатия рабочего тела.....51
       3.3. Основные нарушения процесса сгорания топлива в двигателях с принудительным воспламенением топлива.............................52
       3.4. Влияние различных факторов на процесс сгорания топлива.........54
       3.5. Воспламенение и сгорание топлива в дизельном двигателе.........58
       3.6. Параметры рабочего тела в процессе сгорания топлива............64
       3.7. Тепловой (энергетический) баланс двигателя..........................65
       3.8. Процесс расширения рабочего тела в двигателях с воспламенением от сжатия............................................................67
       3.9. Влияние различных факторов на процесс расширения рабочего тела.68

3

       3.10.        Процесс выпуска рабочего тела. Свернутая и развернутая индикаторные диаграммы поршневого ДВС.......................................................69
       3.11. Тепловой баланс двигателя Адиабатные двигатели.................70

Глава 4 ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ПОРШНЕВОГО ДВС..............................................................71
       4.1. Графическое представление полезной индикаторной работы цикла.....71
       4.2. Индикаторные энергетические показатели...........................73
           4.2.1. Индикаторная работа.......................................73
           4.2.2. Среднее индикаторное давление.............................73
           4.2.3. Индикаторная мощность.....................................74
           4.2.4. Индикаторный крутящий момент..............................74
       4.3. Индикаторные экономические показатели............................74
       4.4. Взаимосвязь индикаторных показателей рабочего цикла двигателя...76
       4.5. Влияние различных факторов на индикаторные показатели поршневого ДВС . 77
       4.6  Механические потери в двигателе.................................78
       4.7  Эффективные энергетические показатели двигателя.................80
       4.8. Эффективные экономические показатели двигателя..................82
       4.9. Взаимосвязь эффективных показателей двигателя...................83
       4.10. Влияние различных факторов на эффективные показатели двигателя..84
       4.11.  Термодинамическое и техническое обоснование возможности увеличения мощности двигателя...................................................85
Глава 5. ФОРСИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ............................................86
       5   1 Техническая реализация различных способов форсирования.........86
       5.2. Оценка степени форсирования двигателя...........................90
       5.3.  Проблема форсирования двигателей с принудительным воспламенением топлива............................................................  90
       5.4. Характеристики поршневых ДВС....................................91
       5.5. Нагрузочная характеристика ДВС и ее анализ .....................92
           5.5.1. Определение нагрузочной характеристики....................92
           5.5.2. Методика снятия нагрузочной характеристики................92
           5.5.3. Анализ нагрузочной характеристики.........................94
       5.6. Внешняя скоростная характеристика поршневого ДВС и ее анализ....95
       5.7. Устойчивость режима работы двигателя............................97
       5.8. Корректирование внешней скорости характеристики двигателя.......98


Раздел № 2. КОНСТРУКЦИЯ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
Глава 6. НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ДЕТАЛИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ..........99
       6.1. Нагрузки, действующие на картер, и требования, предъявляемые к картерам ...99 6.2. Нагрузки, действующие на цилиндры, и требования, предъявляемые
          к цилиндрам................................................101
       6.3. Нагрузки, действующие на поршень, и требования, предъявляемые к поршням.....................................................106
          6.3.1. Устройство поршня...................................107
          6.3.2. Особенности поршней карбюраторных двигателей........108
          6.3.3 Поршневой палец......................................110
       6.4. Нагрузки, действующие на шатуны, и требования, предъявляемые к шатунам.....................................................111
          6.4.1. Применяемые материалы...............................112
          6.4.2. Виды шатунов........................................113
          6.4.3. Конструкции элементов шатуна........................114

4

       6.5. Нагрузки, действующие на коленчатый вал, и требования, предъявляемые к коленчатым валам.................................................116
Глава 7. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ.......................................119
       7.1. Уравновешивание возвратно-поступательно движущихся масс......120
       7.2. Способы уравновешивания многоцилиндрового двигателя..........122
       7.3. Уравновешивание центробежных сил в двигателях с несимметричными коленчатыми валами...............................126
Глава 8. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОРГАНАМ ГАЗООБМЕНА, И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ОРГАНОВ ГАЗООБМЕНА................................130
       8.1. Классификация и конструктивный обзор газораспределительных механизмов.........................................................130
       8.2. Расположение клапанов........................................131
       8.3. Привод к распределительному валу.............................136
       8.4. Элементы механизма газораспределения.........................136
       8.5. Общее устройство силовой установки и двигателя танка Т-72....143
       8.6. Техническая характеристика В-46-6............................145
       8.7. Особенности устройства силовой установки и двигателя боевой машины пехоты БМП-2.......................................................146

Глава 9. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТОПЛИВОМ.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ТОПЛИВОМ......................148
       9.1. Конструктивная схема системы питания двигателя топливом.........148
          9.1.1. Система питания карбюраторного двигателя...................148
          9.1.2. Системы питания двигателя с впрыском бензина...............149
          9.1.3. Системы питания топливом дизельных двигателей..............152
       9.2. Назначение, техническая характеристика и общее устройство системы питания двигателя топливом танка Т-72.........................153
       9.3. Устройство наиболее важных узлов системы........................154
       9.4. Назначение, техническая характеристика и общее устройство системы питания двигателя БМП-2......................................158
       9.5. Работа систем питания двигателя топливом........................159
       9.5.1. Принцип работы системы питания двигателя топливом танка Т-72..159
       9.5.2. Принцип работы системы питания двигателя топливом БМП-2.......160
       9.6. Назначение, техническая характеристика и общее устройство системы питания двигателя ГТД........................................160

Глава 10. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ И ПОДОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ.........................161
        10.1. Требования, предъявляемые к системе охлаждения поршневого ДВС.161
        10.2. Классификация систем охлаждения..............................163
        10.3. Конструктивные схемы систем охлаждения.......................164
        10.3.1. Жидкостная система охлаждения..............................164
        10.3.2. Воздушная система охлаждения...............................171
        10.4. Конструктивные схемы системы подогрева.......................172
        10.5. Назначение, техническая характеристика, общее устройство системы охлаждения и подогрева двигателя..........................173
        10.6. Расположение, крепление агрегатов и узлов системы.
             Назначение, техническая характеристика, устройство и принцип работы составных частей системы......................................174
        10.7. Работа системы охлаждения и подогрева.........................178
Глава 11. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВОЗДУХОМ................................178
        11.1. Способы очистки воздуха от пыли. Классификация воздухоочистителей .... 179
             11.1.1. Инерционные воздухоочистители.........................180

5

            11.1.2. Контактные воздухоочистители .........................182
11.1.3. Комбинированные воздухоочистители....................183
        11.2. Компоновка системы питания двигателя воздухом в силовых установках БТВТ..................................................184
        11.3. Форсирование двигателя. Агрегаты наддува...................185
        11.4. Устройство и работа составных частей системы питания двигателя воздухом.........................................................188
        11.5. Расположение, крепление агрегатов и приборов системы. Назначение, техническая характеристика, устройство и принцип работы составных частей системы.........................................189
Глава 12 МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ......................................193
        12.1. 11азначение, техническая характеристика и общее устройство системы смазки...................................................195
        12.2. Работа системы смазки двигателя............................200
        12.3. Особенности устройства системы смазки БМП-2................201
Глава 13. ВОЗДУШНАЯ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ     ДВИГАТЕЛЯ..................202
        13.1. Назначение, размещение, устройство и принцип работы приборов системы.................................................203
        13.2. Назначение, техническая характеристика, общее устройство и порядок пользования системой ТДА и ПВВ..........................208

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................210

ВВЕДЕНИЕ

     Одно из основных свойств МГМ - маневренность - во многом зависит от совершенства их силовой установки.
     Высокая габаритная мощность, безотказность и долговечность при работе в условиях резко изменяющихся нагрузок и температуры, а также хорошая ремонтопригодность, удобство и простота технического обслуживания - это основные качества, которыми должна обладать силовая установка в целом и ее ведущая составная часть - двигатель.
     Современный двигатель внутреннего сгорания является сложной машиной, в конструкции которой используются все достижения нашей науки и техники. Успешная эксплуатация силовых установок требует от военного инженера глубоких знаний устройства, теории, конструкции двигателя и обслуживающих его систем.
     Настоящее учебное пособие написано в соответствии с программой «Конструкция силовых установок бронетанковой техники» и предназначено для самостоятельного изучения дисциплины «Конструкция силовых установок» курсантами учебного военного центра, обучающимися по специальностям Главного автобронетанкового управления МО РФ.
      В первой части учебного пособия рассматриваются вопросы теории силовых установок, а именно процессы, происходящие внутри цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания.
     Во второй части данного учебного пособия рассматриваются вопросы, связанные с конструктивной особенностью различных силовых установок.
     Дано краткое устройство силовых установок основных МГМ, находящихся на вооружении сухопутных войск РФ.

7

ИСТОРИЯ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ две


        К середине XIX в. развитие паровых поршневых машин создало предпосылки к формированию конструктивных черт второго типа теплового двигателя

   - внутреннего сгорания (ДВС). Появление ДВС стало ответом на стремление владельцев небольших промышленных и кустарных предприятий получить в свое распоряжение легкую и экономичную ЭУ, не требующую применения громоздкого и взрывоопасного парового котла. Такие предприятия, как правило, не имели непрерывного производственного цикла, почему устанавливать на них мощные крупногабаритные паровые машины, обладающие большим временем запуска, было экономически неэффективно. Поэтому первые по-настоящему работоспособные ДВС, появившиеся в 1850-х гг., были разработаны как установки стационарного назначения. В печати тех лет их называли «спасителями ремесла».
        Использование в тепловых машинах газообразного рабочего тела взамен водяного пара впервые нашло теоретическое обоснование в знаменитой работе С. Карно «Размышление о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу». В ней Карно утверждал, что «воздух представляется более предпочтительным, чем пар, для использования движущей силы падения теплоты при высоких градусах...». Тем самым он обратил внимание на то, что срабатываем

  Рис. I. Первый паровой двигатель

в цилиндре перепад температур газа

   значительно больше, чем водяного пара, а значит - экономичность «газового» двигателя должна быть более высокой, чем парового.
        Прообразами ДВС считаются «атмосферные двигатели» Жана Готфейля и Христиана Гюйгенса, созданные в начале 80-х гг. XVII в. В их конструкциях

   так же, как и в паровых машинах, использовалось сочетание «поршень-цилиндр». В качестве рабочей среды применялись газы, получаемые в результате сгорания твердого порошкообразного топлива - пороха. Газы поднимали

8

поршень, который, опускаясь под действием атмосферного давления, производил полезную pa-         I
боту. Для опускания поршня под ним следовало создать разряжение. В двигателе Гюйгенса оно         Ж19 IX -Ж
обеспечивалось за счет охлаждения газов, т.е. он
работал так же, как и пароатмосферная машина.        ЛИОиИю/Ч Я
     Немного иначе действовал двигатель Гот-                       V/
фейля. В нем разряжение в цилиндре использова- I лось для всасывания в него воды, которая затем I вытеснялась опускавшимся поршнем. В 1688 г. подобную установку построил физик Д. Папен. Совершенство конструкции этих машин хорошо иллюстрируется тем фактом, что Гюйгенс, пыта- Рис. 2. Двигатель Готфейля ясь уменьшить зазор между поршнем и цилиндром для предотвращения прорыва пороховых газов, покрывал стенки последнего слоем гипса. Существенные недостатки подобных «двигателей», среди которых главными были низкая надежность и быстродействие, не позволяли рассматривать их в качестве конкурентов даже несовершенных пароатмосферных машин.
     Более чем через сто лет после опытов Готфейля, Гюйгенса и Папена несколько попыток применить в тепловых двигателях порошкообразное топливо предприняли жившие во Франции братья Ньепсы. Они последовательно использовали в своих разработках легковоспламеняющиеся семена плауна, мел-коразмолотый уголь в смеси со смолой и измельченный природный асфальт.
     Ньепсы одними из первых предлагали использовать ДВС в качестве судового двигателя и даже попытались построить с ними несколько небольших судов. Не получив удовлетворительных результатов, они отказались от применения твердого топлива, и в 1816 г. обратились к идее использовать для этой цели сырую нефть. К концу 1816 г. братья создали опытное судно, снабженное нефтяным двигателем. Проблемы, связанные с организацией сжигания в цилиндрах двигателей порошкообразного топлива, а также отсутствие недорогого, доступного и удобного сырья для его получения подтолкнули изобретателей к использованию газообразного и жидкого горючего.
     Главные задачи, которые следовало решить для создания машин, способных работать на них, заключались в разработке методов:
     - подачи топлива в рабочий цилиндр;
     - образования топливовоздушной смеси;
     - воспламенения готовой рабочей смеси.
     Первыми реально работавшими стали газовые ДВС, т.е. использовавшие газообразное топливо. В качестве рабочего тела в них применялась смесь воздуха и светильного газа. Светильный газ являлся продуктом сухой перегонки твердого органического топлива (угля или дров), нагревавшихся в закрытом сосуде без доступа воздуха. Впервые светильный газ получил француз Филипп Лебон. В 1799 г. он запатентовал способ его производства. В 1801 г. Лебону выдали патент на двигатель, в котором должно было вначале осуществляться

9

Рис. 3. Двигатель Лсбона

действия и по устройству напоминал паровую машину. Его цилиндр имел два плоских золотника. Верхний -служил для выпуска отработавших продуктов сгорания, нижний - обеспечивал раздельное поступление в цилиндр воздуха и газа, смешивавшихся непосредственно в камере сгорания. Смесь поступала в цилиндр в течение половины хода поршня, посчет охлаждения оставшихся после выпуска из цилиндра продуктов сгорания. Воспламенение газовоздушной смеси производилось при помощи открытого пламени. В двигателе Брауиа впервые предусматривалось водяное охлаждение.
     Первые газовые ДВС работали без предварительного сжатия рабочей смеси. Теоретически необходимость такого сжатия была обоснована еще в 1824 г. в упомянутой ранее работе С. Карно. На практике впервые предварительное сжатие газа и воздуха вне рабочего цилиндра и дополнительное повышение давления горючей смеси уже в его полости в 1838 г. пытался осуществить англичанин В. Барнет. Непосредственное сжатие горючей смеси в рабочем цилиндре спустя два десятилетия (в 1858 г.) впервые реализовал француз Деге-ран. В 1842 г. был построен газовый двигатель англичанина Дрейка. Всасывание смеси в его цилиндр протекало на протяжении первой половины хода поршня. Она воспламенялась от раскаленной чугунной запальной трубки, сообщавшейся с полостью цилиндра в середине хода поршня. Двигатель Дрейка мог работать как на газообразном, гак и на жидком топливе (керосине). Во время испытаний, проведенных в 1847 г., он развивал мощность до 14,7 кВт при частоте вращения выходного вала 60 об/мин. Воспламенение рабочей смеси из светильного газа и воздуха при помощи электрической искры впервые в 1854 г. осуществили Барзанти и Матеукки. Впускные и выпускные клапаны их машины приводились в действие от распределительного вала. Она также являлась атмосферной: давление продуктов сгорания использовалось в ней для поднятия поршня. Последний, опускаясь под действием атмосферного давления, через рейку, соединенную со штоком, приводил во вращение вал с маховиком. Этот двигатель был построен, но практического применения не нашел.
     В 1860 г. патент на двигатель, работающий на светильном газе, получил французский изобретатель Этьен Ленуар. Двигатель Ленуара был двойного

раздельное сжатие газа и воздуха, затем их смешивание, наполнение цилиндра газовоздушной смесью и сгорание. Эта установка не была построена.
     Действующий атмосферный двигатель, работавший на светильном газе, в 1823 г. в Англии создал Сэмюэль Браун. Поршень в цилиндре его машины поднимался за счет давления сгоравшей газовоздушной смеси, а опускался под действием атмосферного давления. Разряжение под поршнем создавалось за

Рис. 4. Первая машина с паровым двигателем

10