Рабочие процессы, конструкция и основы расчета двигателей внутреннего сгорания

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Э.В. КЛЕЩИН, В.П. ГИЛЕТА

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ,

КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВЫ

РАСЧЕТА ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 621.43.001.24(075.8)

К 489

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.В. Дьяченко,
канд. техн. наук, доц. В.В. Коноводов

Клещин Э.В. 

К 489
Рабочие процессы, конструкция и основы расчета двигателей 

внутреннего сгорания : учеб. пособие / Э.В. Клещин, В.П. Гилета. − Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. − 256 с.

ISBN 978-5-7782-1335-7

Настоящее учебное пособие должно помочь студентам самостоя
тельно изучить рабочие процессы, конструкции и основы расчета автомобильных двигателей. При разработке пособия использовались 
материалы современных отечественных и зарубежных источников, 
анализировались новейшие достижения в области двигателестроения, 
представленные в отдельных патентах и на сайтах сети Интернет.

Пособие предназначено для студентов автомобильных специально
стей средних и высших учебных заведений, изучающих курсы «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета энергетических установок 
и транспортно-технологического оборудования», «Конструкция, расчет 
и потребительские свойства изделий» и «Автомобильные двигатели», а 
также может быть использовано для самообразования и повышения 
квалификации инженерно-технического персонала.

УДК 621.43.001.24(075.8)

SBN 978-5-7782-1335-7 
© Клещин Э.В., Гилета В.П., 2009
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2009 

ВВЕДЕНИЕ

Инженеру-автомобилисту необходимо знать рабочие процессы, ос
новные принципы расчета и конструирования систем, агрегатов и механизмов двигателей внутреннего сгорания. Особенно важным является умение самостоятельно разобраться с разработками технических 
систем, такими как системы впрыска топлива, электронное управление 
работой двигателя, управление наддувом и другими.

Поскольку системно обобщающей учебно-методической литерату
ры на эту тему недостаточно, предлагаемое пособие решает одну из 
задач учебного процесса, обеспечивая возможность студентам самостоятельно изучать основы конструкции, рабочие процессы и методы 
расчета как серийных энергетических установок, так и перспективных 
тепловых двигателей и двигателей внутреннего сгорания.

В пособии дана классификация тепловых двигателей и двигателей 

внутреннего сгорания (ДВС) и рассмотрен принцип их действия. Более 
подробно рассмотрены расчет и анализ параметров процесса в поршневых двухтактных и четырехтактных ДВС, анализ факторов, влияющих на экономичность, экологические показатели и мощность ДВС, 
основные тенденции развития и конструктивного исполнения двигателей автомобилей, систем их пуска, питания, смазки, охлаждения и отдельные аспекты прочности.

Пособие позволяет ознакомиться с последними достижениями в 

области конструкции автомобильных двигателей и перспективами развития, что является важным для повышения качества подготовки специалистов по курсам «Рабочие процессы, конструкция и основы расчета 
энергетических 
установок 
и 
транспортно-технологического 

оборудования» и «Конструкция, расчет и потребительские свойства 
изделий».

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП

ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Тепловые машины, работающие по прямому термодинамическому 

циклу, называются тепловыми двигателями (теплосиловыми установками). В этих циклах происходит преобразование тепла в работу.

1.1. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ПРИНЦИП

ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Для двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) характерны 

следующие особенности:

теплота к рабочему телу (РТ) подводится вне двигателя (обычно 

в теплообменнике);

РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных со
стояниях по замкнутому контуру;

работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.

1.1.1. ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Конструктивная схема парового двигателя приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Паровая поршневая машина

Пар попеременно подается то по одну, то по другую сторону 

поршня. Его подача регулируется золотником, скользящим в парораспределительной коробке над цилиндром. Шток поршня уплотнен в цилиндре втулкой и соединен с довольно громоздким крейцкопфным механизмом, преобразующим его возвратно-поступательное движение во 
вращательное.

В России был создан трехосный самосвал (1928 г.) с водотрубным 

вертикальным котлом и горизонтальной паровой машиной двойного 
действия. Мощность двигателя – 60 л.с. (44 кВт) при 600 об/мин.

Главные недостатки парового двигателя: низкий коэффициент по
лезного действия (КПД) и значительная масса силовой установки.

1.1.2. ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

К ДВПТ относятся двигатели Стирлинга и Эриксона. В настоящее 

время наибольшее внимание уделяется двигателям Стирлинга, поскольку в термодинамическом цикле Стирлинга, состоящем из двух 
изохор и двух изотерм, можно получить термический коэффициент 
полезного действия, равный термическому КПД цикла Карно.

Двигатели Стирлинга по конструкции подразделяются на следую
щие три типа:

альфа – с двумя цилиндрами (горячий и холодный), между кото
рыми расположен регенератор (рис. 1.2, а);

бета – с одним цилиндром (горячий с одного конца и холодный с 

другого), внутри которого движутся поршень (с которого снимается 
мощность) и вытеснитель, изменяющий объем горячей полости с перекачиванием газа из холодной части цилиндра в горячую через регенератор (рис. 1.2, б);

гамма – где также есть поршень и вытеснитель, но при этом ус
тановлено два цилиндра – один холодный (в нем движется поршень, с 
которого снимается мощность), а второй – горячий с одного конца и 
холодный с другого (в нем движется вытеснитель), с регенератором, 
соединяющим горячую часть второго цилиндра с его холодной частью 
и одновременно с первым (холодным) цилиндром (рис. 1.2, в).

Рабочая полость Vp двигателя Стирлинга включает объем цилиндра 

(цилиндров) над рабочим и вытеснительными поршнями (сумма Vг и 
Vx), а также заполненные рабочим телом объемы нагревателя, регенератора, охладителя и соединительных каналов. Из схем (рис. 1.2, б, в) видно, что перемещение вытеснительного поршня не приводит к изменению объема рабочей полости двигателя. Сжатие и расширение рабочего 

тела происходят только в результате перемещения рабочего поршня. 
На схеме (рис. 1.2, а) каждый поршень выполняет функцию рабочего и 
вытеснительного поршней.

Рис. 1.2. Конструктивные схемы двигателей Стирлинга:

а – два поршня расположены в отдельных цилиндрах; б – рабочий и вытеснительный поршень расположены в одном цилиндре; 
в – рабочий и вытеснительный поршни расположены в отдельных цилиндрах: 1 – рабочий поршень; 2 – охладитель; 3 – реге
нератор; 4 – нагреватель; 5 – вытеснительный поршень

Рабочий объем двигателя представляет собой разницу между мак
симальным и минимальным объемами рабочей полости двигателя. Для 
схем с вытеснительным поршнем (рис. 1.2, б, в) рабочий объем равен 
объему, который описывает рабочий поршень при перемещении из 
одной мертвой точки в другую.

Для накопления энергии, необходимой для осуществления процес
са сжатия, используется не только маховик, но и буферная полость Vб.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили 

двигатели с рабочими и вытеснительными поршнями, размещенными в 
одном цилиндре.

Принцип работы такого двигателя (рис. 1.3), так же как и у двига
телей внутреннего сгорания, основан на сжатии рабочего тела при низкой температуре и расширении при высокой. Разность работ (полученной в процессе расширения и затраченной в процессе сжатия) дает 
работу цикла.

а
б
в

В процессе перекачки рабочего тела в горячую полость Vг ему в ре
генераторе P и нагревателе H сообщается теплота, а в процессе перекачки рабочего тела в холодную полость Vх от него отводится теплота 
в регенераторе P и охладителе О. Для осуществления этих процессов 
движение рабочего поршня 1 сдвинуто по фазе по отношению к движению вытеснительного поршня 2.

В процессе изотермического сжатия ас (рис. 1.3, а) от рабочего те
ла отводится теплота. Поэтому вытеснительный поршень должен находиться в ВМТ (верхняя мертвая точка), при этом объем горячей полости минимальный (Vг min) и основное количество рабочего тела 
располагается в холодной полости, где от него отводится в охладитель 
теплота.

В процессе подвода теплоты по изохоре cz рабочий поршень нахо
дится в ВМТ. Вытеснительный поршень перемещается вправо, увеличивая объем горячей полости, в которую через регенератор и нагреватель поступает нагретое рабочее тело. Происходит подвод теплоты к 
рабочему телу. В момент начала расширения (точка z) рабочая полость 
имеет минимальный объем 
р min
V
. Затем оба поршня в процессе расши
рения zb перемещаются вместе до НМТ. Объем холодной полости минимален (величина его определяется минимально возможным расстоянием между поршнями), а объем горячей полости увеличивается, при 
этом происходит подвод теплоты, т. е. обеспечивается изотермическое 
расширение.

В процессе отвода теплоты по изохоре ba рабочий поршень нахо
дится в НМТ, а вытеснительный перемещается в ВМТ, перекачивая 
рабочее тело из горячей полости в холодную, где от него отводится 
теплота. В дальнейшем рабочий цикл повторяется.

В двигателе Стирлинга холодное рабочее тело сжимается рабочим 

поршнем, при этом поршень-вытеснитель остается неподвижным 
(рис. 1.3, а). Затем поршень-вытеснитель при неподвижном рабочем 
поршне начинает двигаться вправо, переталкивая рабочее тело через нагреватель Н в горячую полость над поршнем-вытеснителем (рис. 1.3, б). 
При расширении рабочего тела рабочий и вытеснительный поршни 
движутся вместе вправо (рис. 1.3, в), причем работу совершает только 
рабочий поршень, так как давление рабочего тела с обеих сторон вытеснительного поршня приблизительно одинаково. Затем вытеснительный поршень возвращается в исходное положение, перемещая рабочее тело через охладитель О (происходит отдача теплоты холодному 
источнику) в холодную полость над рабочим поршнем (рис. 1.3, г). Для 

уменьшения потерь теплоты между нагревателем и охладителем установлен регенератор P. Регенератор накапливает теплоту, отнимая ее от 
нагретого рабочего тела при течении последнего в холодную полость и 
возвращая ее при обратном его течении. Регенератор представляет собой высокопористую со сквозными порами теплоаккумулирющую 
массу (металлическая сетка, путанка, спеченная высокопористая керамика и т.д.). Таким образом, в регенераторе двигателя благодаря внутреннему теплообмену осуществляется подогрев рабочего тела перед 
поступлением в нагреватель за счет аккумулированной теплоты. В результате уменьшается количество теплоты, подведенной извне к нагревателю, и повышается КПД двигателя.

а                                                  б

в                                                г

Рис. 1.3. Схема работы двигателя Стирлинга бета-типа:

1 – поршень-вытеснитель; 2 – рабочий поршень; 3 – буферная

полость; 4 – уплотнение

При сжатии рабочего тела в результате уменьшения суммы объ
емов горячей и холодной полостей выделяющаяся в холодной зоне 
(охладитель, часть регенератора, холодная полость) теплота отводится 
во внешнюю среду в охладителе. Закономерность изменения объемов 
горячей и холодной полостей подбирают таким образом, чтобы при 
сжатии большая часть рабочего тела находилась в холодной зоне. Это 
обусловливает уменьшение работы сжатия. В конце сжатия начинается 
вытеснение рабочего тела из холодной зоны в горячую (часть регенератора, нагреватель, горячая полость). При этом рабочее тело, проходя 
через регенератор, часть своей теплоты передает теплоаккумулирующей насадке регенератора. В результате неполной регенерации теплоты рабочее тело при дальнейшем движении охлаждается до минимальной температуры в охладителе, который отводит теплоту во внешнюю 
среду. Из рассмотренной схемы рабочего цикла двигателя Стирлинга 
видно, что подвод теплоты от внешнего источника позволяет изолировать внутренние полости (внутренний контур) двигателя от внешней 
среды. Благодаря этому становится возможным применение в качестве 
рабочего тела в двигателях Стирлинга газов с наилучшими теплофизическими свойствами (водород, гелий и т.д.). Кроме того, становятся 
ненужными системы, используемые в ДВС (системы газораспределения, газообмена, зажигания и т. д.).

Источником теплоты для двигателя Стирлинга может служить лю
бой источник, генерирующий теплоту при температуре 500 К и выше. 
В качестве источника теплоты могут быть использованы продукты 
сгорания любых видов органических ископаемых и синтетических топлив, солнечная, геотермальная и ядерная энергия. Параметры двигателя Стирлинга по экономичности, удельной мощности такие же, как у 
современных дизелей, а по токсичности и шуму – ниже.

В качестве рабочего тела первоначально использовался воздух, но 

он не отвечает ряду требований, предъявляемых к рабочему телу двигателя Стирлинга (теплоемкость, плотность, вязкость), поэтому в современных конструкциях, как уже указывалось, используется либо водород, либо гелий. Теплота к рабочему телу подводится извне. В 
камеру сгорания при постоянном давлении подается топливо, которое 
сжигается в присутствии кислорода воздуха. При запуске двигателя 
топливо воспламеняется от запального устройства и дальнейшее горение обеспечивается за счет высокой температуры в камере сгорания. 
Нагрузка двигателя Стирлинга обычно регулируется изменением температуры и давления рабочего тела.

Особенности рабочего процесса двигателя Стирлинга обусловили 

сложность его конструкции и системы регулирования и, как следствие 
этого, его значительную стоимость. Для работы с высоким КПД необходимо прежде всего обеспечить качественное уплотнение его рабочей 
части, давление в которой достигает 10,0...25,0 МПа, а рабочим телом 
является газ, имеющий малую плотность. Значительные трудности 
связаны с изготовлением приводного механизма поршней. Для изготовления ряда двигателей, особенно контактирующих с рабочим телом, нужно применять дорогостоящие материалы.

Габаритные размеры и масса двигателя Стирлинга значительно 

выше, чем у ДВС. На автомобиле использование этого двигателя затрудняется также необходимостью применения радиатора увеличенных размеров, так как с отработавшими газами (ОГ) отводится только 
9 % подведенной теплоты.

В то же время двигатель Стирлинга обладает рядом преимуществ 

по сравнению с ДВС. В первую очередь, это высокий КПД, который в 
реальных конструкциях достигает 40...41 %, а следовательно, высокая 
экономичность работы.

Использование внешнего подвода теплоты позволяет применять 

различные виды топлива без существенного изменения конструкции 
двигателя. Известен двигатель Стирлинга, построенный фирмой «Филипс», который мог работать на спирте, бензине, керосине, дизельном 
топливе, мазуте, сырой нефти, оливковом и подсолнечном маслах и на 
некоторых горючих газах.

В двигателях Стирлинга рабочий цикл осуществляется за два такта, 

т. е. за один оборот коленчатого вала. В этом смысле двигатель Стирлинга аналогичен двухтактному двигателю внутреннего сгорания.

Внедрению двигателя Стирлинга в массовое производство препят
ствуют серьезные трудности. По сравнению с поршневыми ДВС он 
очень громоздок и тяжел, медленно набирает обороты. Кроме того, в 
нем технически сложно обеспечить уплотнение рабочих поверхностей.

1.2. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ПРИНЦИП

ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Для ДВС характерны следующие признаки:

сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в ра
боту происходит непосредственно в двигателе;

РТ обновляется в процессе работы двигателя.