Описание устройства и принципа работы основных агрегатов тепловозов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

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.



1. 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.

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 Ам, 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. 1 - 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. 1 (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 (Ам = 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.). 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.). 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 Ам цикла Карно. Отношение полезной работы Ам 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. 2 - 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. 2,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.,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.), а в двигателе Отто - при более высоких температурах (в интервале d - а на рис.,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.,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 Vс. Степенью сжатия е называют отношение Vc к полному объему цилиндра Va = Vc + Vh , т.е. е = Vc/Va.

Пропорционально величине е в дизеле увеличиваются давление и температура воздуха. В результате топливо, впрыснутое в конце адиабатического сжатия (кривая ab на рис.,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.). 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.,б) - полезная работа Ам. 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.

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 Vc. Объем между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра Vh. Полный объем цилиндра Va, соответственно, равен сумме Vc и Vh.

2. ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬ

В четырехтактном тепловозном дизеле рабочий цикл протекает в каждом цилиндре за четыре хода поршня (такта) или за два оборота коленчатого вала двигателя. На рис. изображен один цилиндр четырехтактного дизеля, на примере которого рассмотрим последовательность осуществления рабочего цикла в таком типе ДВС.

Первый такт - впуск воздуха (см. рис.а). При движении поршня 3 вниз от ВМТ и открытии впускного клапана цилиндр 4 заполняется воздухом из впускного ресивера 6 (или атмосферы). Ресивер, т.е. воздуховод, в отличие от трубопровода может иметь самую разнообразную форму поперечного сечения, например в виде прямоугольника, и является составной частью остова (корпуса) дизеля.

При достижении поршнем 3 НМТ впускной клапан закрывается. Первый такт завершен. Объем цилиндра V1 заполнен свежим зарядом воздуха. Во время первого такта кривошип коленчатого вала 1 вращается по часовой стрелке с угловой скоростью n принудительно, например, от стартер-генератора и совершает 1/2 оборота (заштрихованная площадь на рис. а).

Такт впуска воздуха также изображен в координатах Р-V (на индикаторной диаграмме) линией (изобарой) 1 - 2 (см. рис. а). Здесь Р0 - величина атмосферного давления воздуха.

Второй такт - сжатие (рис. б). При движении поршня 3 вверх от НМТ за счет принудительного вращения кривошипа 1 в цилиндре происходит сжатие воздуха.

Как отмечалось ранее при рассмотрении идеального цикла Дизеля, в тепловозных дизелях обычно осуществляется довольно высокая степень сжатия е, которая может достигать величины е = 12 - 16. При таком уменьшении объема воздуха при подходе поршня к ВМТ он, естественно, нагревается (вспомним закон Гей-Люссака) обычно до температуры 500... 700°С, а его давление становится равным 5... 10 МПа (а было примерно 0,1 МПа при заборе воздуха из атмосферы).

При подходе поршня к ВМТ в конце такта сжатия (точка 3 на Р-V-диаграмме, см. рис. б) в нагретый воздух форсункой 5 впрыскивается порция топлива. Это топливо попадает в цилиндр через мельчайшие отверстия диаметром примерно 0,3 мм в наконечнике форсунки 5 под давлением до 100 МПа. В результате топливо впрыскивается в цилиндр в распыленном почти до молекулярного состояния виде и с большой скоростью распространяется по объему камеры сжатия, где перемешивается с молекулами воздуха.



Рис. 3 - Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы четырехтактного дизеля: а - такт I - впуск воздуха; б - такт II - сжатие; в - такт III - расширение газа; г - такт IV - выпуск отработавших газов; 1 - кривошип коленчатого вала; 2 - шатун; 3 - поршень; 4 - цилиндр; 5 - форсунка; 6 - впускной ресивер; 7 - выпускной коллектор

На индикаторной диаграмме в координатах Р-V политропный процесс сжатия воздуха показан линией 2 - 3 (см. рис. ,б). Здесь же штриховой линией показана изобара 1 - 2, соответствующая первому такту.

Третий такт - расширение газа (см. рис. ,в). Учитывая, что дизельное топливо самовоспламеняется уже при температуре около 200 °С, третий такт начинается с горения смеси молекул кислорода воздуха и углеводорода топлива по всему объему камеры сжатия, сопровождающегося интенсивным образованием газов. При сгорании топлива температура газов достигает 1500... 2000 °С, а давление в цилиндре повышается до 10... 14 МПа. Под действием давления газов поршень начинает двигаться от ВМТ вниз. В цилиндре происходит политропическое расширение газов, во время которого их тепловая энергия преобразуется в механическую энергию поступательного движения поршня, а затем, с помощью шатуна, во вращательное движение коленчатого вала дизеля.

Более наглядно рабочий процесс дизеля за время третьего такта может быть представлен на Р-V-диаграмме (рис. ,в). Горение топлива 3 - 3' - 3" происходит в два этапа: сначала при постоянном объеме (линия 3 - 3'), затем при условно-постоянном давлении (линия 3' - 3"), Именно на этом участке (3' - 3") достигается давление газов до величины 10... 14 МПа. Расширение газов происходит по линии 3" - 4. В точке 4 (НМТ) третий такт завершается.

Четвертый такт - выпуск отработавших газов (рис. г). В конце третьего такта при подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан и отработавшие газы вначале под избыточным давлением устремляются из цилиндра в выхлопной коллектор 7 и далее в атмосферу. Коленчатый вал (кривошип 1) продолжает свое вращение по часовой стрелке, но уже за счет инерционных сил, приобретенных во время третьего такта. Поршень 3, жестко связанный с кривошипом 1 вала, через шатун 2 начинает (после прохождения НМТ) двигаться вверх и своим днищем выталкивает оставшиеся продукты сгорания - газы. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, на этом очистка цилиндра от газов завершается.

Цилиндр дизеля готов к началу нового цикла, во время которого все такты и рабочие процессы повторяются.

Такт выпуска отработавших газов также изображен на рис. г в координатах Р-V линией 4 - 1 (изобарой).

Сравнение Р-V-диаграмм идеального (рис. б) и реального (рис. в и г) циклов четырехтактных дизелей показывает, что они заметно отличаются. Это различие, в основном, связано с тем, что в действительных рабочих процессах в отличие от идеальных моменты открытия и закрытия клапанов и подачи топлива не совпадают по времени с положениями поршня в мертвых точках, а отклоняются от них. Поэтому реальный цикл дизеля более соответствует так называемому смешанному идеальному циклу со смешанным подводом теплоты.



3. ДВУХТАКТНЫЙ ДИЗЕЛЬ

Изучая рабочий процесс, протекающий в четырехтактном ДВС, инженеры-конструкторы создали принципиально новый тип дизеля, в котором впуск воздуха, сжатие, расширение газов и очистка цилиндра осуществляются уже за два хода поршня и, соответственно, за один оборот коленчатого вала. Т.е. была предпринята попытка увеличить полезную работу, производимую дизелем в единицу времени (цилиндровую мощность), за счет уменьшения продолжительности вспомогательных тактов (наполнения и очистки цилиндра) - фактически путем интенсификации работы дизеля.

Устройство такого дизеля отличается от четырехтактного тем, что в крышке цилиндра (рис. 4) размещаются только выпускные клапаны 7 (в ряде конструкций ДВС клапаны отсутствуют вообще), а в стенках цилиндра 4 сделаны продувочные окна 6, которые постоянно сообщаются с ресивером, заполненным свежим зарядом воздуха под избыточным давлением Рк > Р0- Функции впускных клапанов (в ряде конструкций ДВС и выпускных клапанов) выполняет поршень, открывая и закрывая продувочные окна (в ряде конструкций и выпускных окон). Первый такт - впуск воздуха и сжатие (рис. 4,а). При движении поршня 3 вверх от НМТ через открытые продувочные окна 6 воздух под избыточным давлением Рк заполняет объем цилиндра. При достижении поршнем верхней кромки окон (точка m на рис. а) впуск воздуха завершается, и при дальнейшем движении поршня 3 вверх происходит сжатие свежего заряда воздуха. При уменьшении объема воздух нагревается, а давление возрастает в десятки раз. В конце этого такта в нагретый воздух через форсунку 5 в цилиндр впрыскивается топливо. На индикаторной диаграмме (рис. 4,а) процесс впуска воздуха показан линией 1 - т, а сжатия - линией т - 2. В точке S - впрыск топлива и его распространение по камере сгорания по аналогии с четырехтактным дизелем.



Рис. 4 - Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы двухтактного дизеля: а - такт I - впуск воздуха и сжатие; б - такт II - расширение газа и продувка цилиндра; 1 - кривошип коленчатого вала; 2 - шатун; 3 - поршень; 4 - цилиндр; 5 - форсунка; 6 - продувочные окна; 7 - выпускные клапаны

Второй такт - расширение газа и продувка цилиндра (рис. б). Процессы самовоспламенения и горения, расширение газов в цилиндре двухтактного дизеля не отличаются от тех, которые были отмечены выше при объяснении работы четырехтактного дизеля. Соответственно, поршень 3 под давлением газов двигается вниз от ВМТ, совершая полезную механическую работу Апол.

В конце такта (точка n на Р-V-диаграмме, см. рис. б) открываются выпускные клапаны 7 и отработавшие газы выходят из цилиндра в выхлопной коллектор. Давление газов резко падает и становится меньше давления воздуха в ресивере. При дальнейшем движении вниз от ВМТ поршень открывает продувочные окна (точка т на Р-V-диаграмме), и свежий заряд воздуха под давлением Рк выталкивает оставшиеся газы из цилиндра через открытые выпускные клапаны. Происходит продувка цилиндра. В конце второго такта клапаны 7 закрываются, и цилиндр дизеля готов к началу нового цикла.

На Р-V-диаграмме (рис. б) горение топлива 2 - 2' - 2" происходит в два этапа, так же как и в четырехтактных ДВС. Расширение газов происходит по линии 2" - n. В точке n открываются выпускные клапаны, а в точке m - продувочные окна. Следовательно, продувка цилиндра показана линией т - 1.

При сравнении двух- и четырехтактных циклов реальных дизелей у читателя может сформироваться мнение, что двухтактные дизели являются более совершенными и экономичными тепловыми машинами, чем четырехтактные ДВС. На самом деле, вроде бы напрашивается вывод, что, заменив клапаны окнами, можно в два раза увеличить цилиндровую мощность дизеля при прочих равных условиях. Однако однозначного ответа на вопрос какой дизель - двух- или четырехтактный лучше - на сегодняшний день не получено. Почему? Об этом в следующем параграфе.

4. МОЩНОСТЬ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Из школьного курса физики известно, что механической мощностью N. например, машины называют физическую величину, равную отношению механической работы Ам к промежутку времени t, в течение которого она совершена, т.е. N = Ам/t. Мощность обычно измеряют в ваттах (Вт). Как уже отмечалось ранее (см. § 2), эта единица измерения была названа в честь создателя первой в мире работоспособной паровой машины английского инженера Джеймса Уатта. В природе такая физическая величина как мощность отсутствует. Ее придумали люди, например, для сравнений и оценки возможностей животных или машин, выполняющих какую-либо работу.

Механической работой Ам в физике называют величину, равную произведению модуля вектора силы F и длины перемещения (пути) S, умноженному на косинус угла между этими направлениями. Сразу же оговоримся, что применительно к рабочим процессам, протекающим в цилиндрах дизелей, направления действия силы газов на поршень и его перемещения совпадают, соответственно, величина , а такого угла, как известно, равняется 1. Следовательно, механическую работу Ам можно определить из выражения Ам = F•S, а механическую мощность - по формуле N = F•S/t. Итак, для определения мощности тепловозного дизеля нужно, как минимум, установить величины F, S и t. Перейдем к реальным рабочим процессам, протекающим в тепловозных дизелях.

При политропном расширении газов, например, во время третьего такта в четырехтактном дизеле, под их давлением Р поршень (рис. 5) перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Давление газов Р не является векторной величиной, т.е. силой, так как равномерно действует на всю поверхность днища поршня площадью . Для определения силы давления газов F в одном цилиндре дизеля достаточно перемножить величины Р и . Механическая работа Ам, совершаемая в одном цилиндре диаметром D за один ход поршня, определяется как произведение силы давления газов на пройденный поршнем путь, т.е. расстояние между мертвыми точками S (ход поршня).

Рис. 5 - Схема цилиндра дизеля: S - ход поршня; ne - частота вращения вала; P - давление газов

Как уже отмечалось, механической мощностью N называют скорость совершения механической работы Ам. Применительно к тепловозному дизелю эта скорость, в первую очередь, зависит от числа тактов (т.е. числа ходов поршня) за единицу времени (в секунду, так как Вт = Н•м/с). За каждый оборот коленчатого вала поршень в цилиндре совершает два хода от одной мертвой точки до другой. Следовательно, при прочих равных условиях скорость совершения механической работы в цилиндре дизеля напрямую связана с частотой вращения вала дизеля nе. Число ходов поршня в цилиндре дизеля за 1 мин будет определяться величиной 2nе, а за 1 с - 2nе/60.

Итак, мощность одного цилиндра двигателя при условии, что его коленчатый вал вращается с постоянной частотой nе = const, может быть определена по следующей формуле:

, Вт, (1)

где 2nе/60 - число ходов поршня за 1 с.

Рис. 6 - Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля: Рi - индикаторное давление; Ре - эффективное давление; Рz - давление газов; Ро - атмосферное давление; Рм - давление газов на преодоление механических потерь в дизеле; f - площадь индикаторной диаграммы; S - ход поршня

Вспомним, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания (ДВС) из четырех ходов поршня, необходимых для осуществления рабочего цикла, только один (третий) является рабочим. В двухтактном из двух ходов поршня лишь во втором газами совершается механическая работа. Влияние тактности на мощность обычно учитывают с помощью коэффициента : для четырехтактных дизелей принимают , двухтактных . Также несложно учесть влияние на мощность дизеля изменение числа его цилиндров z. С учетом величин и z формула (1) примет вид:

, Вт (2)

Несколько сложнее обстоит дело с оценкой влияния на мощность дизеля давления газов Р. Обратимся к индикаторной диаграмме, например, четырехтактного дизеля, изображенной на рис. штриховыми линиями. Третий (рабочий) такт - расширение газов, происходит по линии 3-3'-3"-4. Давление газов Р плавно меняется по политропическому закону (линия 3"-4) с Рz до атмосферного Р0, т.е. уменьшается примерно в 100 - 140 раз. Как же при расчете мощности дизеля учесть переменную величину давления газов Р за третий такт? Данную задачу, разумеется, можно решить путем интегрирования dР/dV, но это сделает формулу по определению мощности малопригодной для практического использования.

Как мы уже знаем, механическая работа определяется как произведение силы и величины перемещения (пути). Площадь f индикаторной диаграммы, очерченная линией 2-3-4 (см. рис. 6), эквивалентна полезной механической работе газов, которую они совершают за цикл. Если измерить площадь f Р-V-диаграммы специальным прибором, например, планиметром, то среднее давление газов за цикл можно определить, разделив величину f на перемещение поршня S, с учетом масштаба индикаторной диаграммы. Такое давление называют индикаторным (внутрицилиндровым):

Рi, = f/S•m, Па, (3)

где m - масштаб давлений Р-V-диаграммы, мм/Па.

Следует отметить, что измерять прибором величину f во многих случаях бывает неудобно. Поэтому специалисты в области дизелестроения предложили для практического использования условный параметр - среднее индикаторное давление Рi,. Величиной Рi называют условное постоянное в течение хода поршня давление в цилиндре, равное высоте (в соответствующем масштабе) прямоугольника (см. рис. 6), основанием которого является величина хода поршня S, а площадь равна площади ( реальной индикаторной диаграммы, очерченной линией 2-3-4.

В соответствии с формулой (2) индикаторная (внутрицилиндровая) мощность тепловозного дизеля Ni, будет равна:

, кВт, (4)

где 1/103 - коэффициент размерности, с помощью которого Вт переводятся в кВт.

Однако полезная (или эффективная) мощность Nе дизеля, измеряемая на коленчатом вале и идущая на привод потребителей механической энергии, всегда будет меньше индикаторной мощности Nе < Ni. Это обусловлено тем обстоятельством, что часть индикаторной мощности затрачивается на преодоление сил трения внутри двигателя Nм, например, сил трения поршней о стенки цилиндров, а также на привод клапанов, насосов и т.п.:

Nе = Ni - Nм, кВт. (5)

Для тепловозных дизелей в среднем Nм ? 0,2Ni.

По аналогии с уравнением (4) можно записать:

, кВт, (6)

где Ре - среднее эффективное давление - это такое условное постоянное давление, которое меньше индикаторного давления Рi, на величину потерь давления газов Рм на преодоление механических потерь внутри дизеля и условно приведенное к валу дизеля:

Ре = Рi, - Рм, МПа. (7)

На рис. 6 над индикаторной диаграммой геометрически показан смысл величины Ре в виде высоты прямоугольника аb'с'd, основанием которого является ход поршня S.

Анализируя формулу (6), можно сделать вывод, что эффективная мощность дизеля Nе зависит от шести параметров: диаметра цилиндра D, хода поршня S, частоты вращения коленчатого вала nе, тактности , числа цилиндров z и среднего эффективного давления Ре.

Учитывая, что рабочий объем цилиндра Vh определяют по формуле

(м3),

то формулу (6) можно заметно упростить:

, кВт, (8)

где 100/3 - коэффициент, зависящий от единиц измерения; Ре - эффективное давление. МПа; Vh - рабочий объем цилиндра тепловозного дизеля, м3; nе - частота вращения вала дизеля, об/мин; z - число цилиндров; - тактность дизеля. Эффективная мощность является основной характеристикой дизеля, так как для потребителя (эксплуатационника) наиболее важна, прежде всего, выходная мощность двигателя, которую можно использовать для выполнения определенной работы. Необходимо также отметить, что одним из основных направлений развития отечественного и зарубежного дизелестроения является увеличение агрегатной эффективной мощности тепловозных дизелей. Остановимся на этом более подробно.

Таблица 1 - Параметры основных типов дизелей магистральных тепловозов

Основные параметры	Тип дизеля (заводское обозначение)
	14Д40	2Д100	10Д100	11Д45	1А-5Д49	2Д70	2А-5Д49	1Д49	Д56*
Серия тепловоза	2М62У	2ТЭЗ	2ТЭ10Л(В, М)	ТЭП60	2ТЭ116	2ТЭ116*	ТЭП70, 2ТЭ121	2ТЭ136*,ТЭП75*	ТЭП80*
Номинальная эффективная мощность, кВт	1470	2200	2940	4400
Обозначение по ГОСТ	12ДН 23/30	10ДН20,7/25,4х2	16ДН23/30	16ЧН26/26	16ЧН24/27	16ЧН26/26	20ЧН26/26	124 Н 32/32
Диаметр цилиндра, мм	230	207	230	260	240	260	320
Ход поршня, мм	300	254x2	300	260	270	260	320
Частота вращения коленчатого вала, об/мин	750	850	750	1000	1100	900
Число цилиндров	12	10	16	20	12
Расположение цилиндров	V-образное	вертикальное рядное	V-образное
Число тактов	2	4
Среднее эффективное давление, МПа	0,8	0,61	0,91	0,89	1,22	1,35	1,6	1,83	1,91
Удельный расход топлива, г/кВт-ч	218	231	218	231	208	205	210	214
Эффективный кпд	0,340	0,364	0,377	0,364	0,405	0,415	0,398	0,392



5. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ

Повысить агрегатную эффективную мощность дизеля можно, изменяя следующие шесть его параметров: диаметр цилиндра D, ход поршня S, частоту вращения вала nе, число тактов , число цилиндров z и, наконец, эффективное давление Ре. Рассмотрим возможные пути повышения эффективной мощности тепловозных дизелей и попробуем дать оценку их эффективности.

Увеличение диаметра цилиндра D. Это достаточно простой и эффективный способ повышения мощности дизеля вследствие их квадратичной зависимости (см. формулу 6). Другими словами, увеличение диаметра цилиндра, например, в два раза позволяет повысить эффективную мощность дизеля в 4 раза.

Обратимся к данным табл. 19, где приведены основные параметры отечественных тепловозных дизелей. Из нее следует, что данный путь повышения агрегатной мощности широко используется в практике отечественного дизелестроения. Так, если диаметр цилиндров дизелей типа 2Д100 первых серийных магистральных тепловозов ТЭЗ составлял 207 мм, то этот же параметр для современных дизелей типа Д49 (установлен на сериях тепловозов 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭП70БС, 2ТЭ116, ТЭМ7, ТГМ6 и др.) уже равен 260 мм, а для опытных дизелей типа Д56 даже 320 мм.

Что же может ограничить увеличение диаметра цилиндра? Обратимся к рис. 3, на котором показано размещение дизеля на односекционном магистральном тепловозе. Как отмечалось ранее, отечественные магистральные тепловозы строят исключительно кузовного типа. Для прохода локомотивной бригады из одной кабины машиниста в другую (или из одной секции в другую) и обслуживания силового оборудования между дизелем и стенками кузова предусмотрены проходы, ширина которых (размеры «а») по логике не должна быть меньше ширины взрослого человека. Габаритные размеры отечественных тепловозов, в свою очередь, ограничены габаритами подвижного состава Т или 1Т. Наиболее распространенный на российских железных дорогах габарит 1Т имеет наибольшие предельные размеры ВЧH = 3400Ч5300, мм.

Рис. 7 - Расположение дизеля в машинном отделении тепловоза: Д - дизель; КМ - кабина машиниста; L, В, Н - соответственно длина, ширина и высота тепловоза; I, b, h - соответственно длина, ширина и высота дизеля; а - проход в кузове тепловоза

Итак, ширина тепловоза В ограничена габаритом 1Т, поэтому дальнейшее увеличение диаметров цилиндров и, соответственно, ширины дизеля «b» (см. рис.) возможно лишь за счет сокращения ширины проходов, что вряд ли целесообразно. Уже сегодня на некоторых сериях магистральных тепловозов (2ТЭ121, 2ТЭ136, ТЭП70 и др.) вследствие сокращения величины «а» проход обслуживающего персонала через машинное отделение во время их движения представляется довольно непростой задачей, так как температура поверхности дизеля при эксплуатации тепловоза может достигать 100 °С и более.

На маневровых тепловозах капотного типа данное ограничение величины D менее ощутимо. Например, дизель типа ПД1М тепловоза ТЭМ2 имеет диаметр цилиндров D = 318 мм, а тепловоза ЧМЭЗ - D = 310 мм.

Увеличение хода поршня S. Второй путь повышения эффективной мощности дизеля - увеличение S. Для тепловозных дизелей ход поршня обычно выбирают по отношению к диаметру цилиндра D из соотношения S/D = 1... 1,3. Для современных дизелей, например, типа Д49 S = D (т.е. S/D = 1). Другими словами, поперечное сечение дизеля напоминает форму квадрата или прямоугольника, высота h которого больше ширины b. Именно такая форма поперечного сечения дизеля наиболее эффективна с позиций отвода теплоты от его узлов в процессе эксплуатации на тепловозе. От величины S напрямую зависит высота дизеля h (см. рис.). Ограничением здесь является наибольшее предельное значение высоты тепловоза Н, устанавливаемое габаритами подвижного состава.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала nе. При повышении быстроходности дизеля (величины nе), как уже отмечалось ранее, возрастает число ходов и скорость движения поршня и, соответственно, число рабочих циклов за единицу времени. С другой стороны, увеличение скорости движения поршня приводит к росту интенсивности износа многих деталей шатунно-кривошипной группы, работающих в условиях трения скольжения, и ухудшению условий очистки цилиндров в двухтактных дизелях. В результате снижаются надежность работы и моторесурс дизеля (срок службы). Срок службы российских магистральных тепловозов обычно составляет 20 - 25 лет (требования ГОСТ).

Очевидно, моторесурс дизеля должен соответствовать сроку службы тепловоза. В этой связи на отечественных магистральных тепловозах применяют дизели средней быстроходности с частотой вращения вала nе = 750 - 1100 об/мин и средней скоростью поршня 7 - 9 м/с, обеспечивающие заданный срок службы локомотивов (см. табл. 1).

В свою очередь, на морских судах, которые месяцами могут находиться в плавании, нашли применение, в основном, тихоходные дизели с nе = 60 - 100 об/мин, что обеспечивает более высокий уровень надежности и больший моторесурс их силовых установок.

Увеличение числа цилиндров z. Это, пожалуй, на сегодня наиболее распространенный в тепловозостроении способ увеличения эффективной мощности дизеля. Обычно на базе одной отработанной конструкции дизеля создают мощностной ряд с различным числом цилиндров. В качестве примера в табл. 2 приведен мощностной ряд дизеля типа Д49, созданного на Коломенском тепловозостроительном заводе (ныне ОАО ХК «Коломенский завод»). Применение на тепловозах дизелей одного мощностного ряда, с одной стороны, позволяет унифицировать многие узлы дизелей и упростить ремонтное производство, с другой - более эффективно решать задачи повышения их топливной экономичности и надежности работы узлов в эксплуатации.

Таблица 2 - Мощностной ряд дизеля Д49

Серии тепловозов	Число цилиндров	Эффективная мощность	Среднее эффективное давление
ТГМ6Б, ТЭМ18	8	880	1,22
ТЭМ7, М62*, ТЭЗ*	12	1470	1,07
2ТЭ116	16	2200	1,22
ТЭП70, 2ТЭ121		2940	1,6
ТЭП75*, 2ТЭ136*	20	4400	1,83

Чем ограничено увеличение числа цилиндров? Во-первых, габаритными размерами тепловоза. Увеличение величины z неизбежно приведет к увеличению длины рядного дизеля I (см. рис. 8) и, как следствие, к росту длины тепловоза L. Наибольшая предельная длина одной секции магистрального тепловоза составляет примерно 25 м и обусловлена минимальным радиусом кривых, проходимых локомотивом (примерно 125 м).

Во-вторых, увеличение числа цилиндров приводит к усложнению конструкции и, что самое главное, увеличению длины коленчатого вала дизеля, так как все поршни работают на один вал. В многоцилиндровом дизеле каждый цилиндр включается (когда поршень совершает рабочий ход) в строго определенной последовательности. Интервал времени или угол поворота коленчатого вала включения цилиндров: зависит от величины z.