Теория автомобилей и двигателей

А. Н. Карташевич
Г. М. Кухаренок
А. А. Рудашко

ТЕОРИЯ АВТОМОБИЛЕЙ

И ДВИГАТЕЛЕЙ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений
образования, реализующих образовательные программы

среднего специального образования

по специальности «Техническая эксплуатация автомобилей»

Минск
РИПО
2018

УДК 629.113/.115(075.32)
ББК 39.35я723

К27

А в т о р ы:

заведующий кафедрой тракторов, автомобилей и машин для природообустройства
УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового 
Красного Знамени сельскохозяйственная академия», доктор технических наук, 

профессор А. Н. Карташевич;

профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Белорусского
национального технического университета, доктор технических наук,

профессор Г. М. Кухаренок;

доцент кафедры тракторов, автомобилей и машин для природообустройства

УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской Революции и Трудового 
Красного Знамени сельскохозяйственная академия», кандидат технических наук, 

доцент А. А. Рудашко.

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия УО «Поставский государственный колледж» (А. В. Харьков); 
доцент кафедры «Техническая эксплуатация автомобилей» ГУ ВПО «БелорусскоРоссийский университет», кандидат технических наук, доцент Н. А. Коваленко.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образо
вания Республики Беларусь.

Карташевич, А. Н.

К27
Теория автомобилей и двигателей : учеб. пособие / А. Н. Карташевич, 

Г. М. Кухаренок, А. А. Рудашко. – Минск : РИПО, 2018. – 307 с. : ил.

ISBN 978-985-503-828-4.

Изложены основные положения теории двигателей и автомобилей. Рассмотрены 

теоретические основы рабочих процессов, кинематики, динамики и уравновешивания двигателей внутреннего сгорания. Описаны основные эксплуатационные свойства автомобиля, приведены методы расчета этих свойств и показатели оценки их 
эффективности.

Учебное пособие предназначено для учащихся, получающих среднее специальное 

образование по специальности «Техническая эксплуатация автомобилей».

УДК 629.113/.115(075.32)
ББК 39.35я723

ISBN 978-985-503-828-4  
 
© Карташевич А. Н., Кухаренок Г. М.,

 
 
    Рудашко А. А., 2018
 © Оформление. Республиканский институт

  профессионального образования, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Теория автомобилей и двигателей изучает механику движе
ния автомобиля, его взаимодействие с опорной поверхностью и 
воздухом, эксплуатационные свойства. 

Этапы развития теории автомобилей и автомобильных

двигателей. Теория автомобиля формировалась и развивалась в 
результате деятельности ученых многих стран. В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно обосновал рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, соответствующий 
четырем ходам поршня: 1-й – всасывание воздуха; 2-й – сжатие 
его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й – рабочий 
ход – расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й – их 
выпуск.

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) создал в 

1860 г. французский инженер Э. Ленуар, но эта машина была еще 
весьма несовершенной.

В 1862 г. французский изобретатель Б. де Рош предложил 

использовать в ДВС четырехтактный цикл: всасывание, сжатие, 
сгорание и расширение. Эта идея была использована немецким 
изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный ДВС. КПД такого двигателя достигал 22 %, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей 
всех предшествующих типов.

В 1892–1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разработал ком
прессорный ДВС с воспламенением от предварительно сильно 
сжатого в цилиндре воздуха, оказавшийся самым экономичным.

Выдающийся русский теплотехник В.И. Гриневецкий впер
вые предложил метод теплового расчета, которым широко пользуются и в наши дни. 

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор 

Е.К. Мазинг, развивая идеи своего учителя В.И. Гриневецкого, 
усовершенствовал методику теплового расчета двигателей, иссле

Введение

довал вопросы генерирования газа и его использования в двигателях. Большое значение имеет диаграмма Е.К. Мазинга, позволяющая наглядно представить неполноту сгорания топлива в 
двигателях.

Академик АН СССР, профессор Б.С. Стечкин – выдающий
ся ученый в области гидроаэромеханики и теплотехники, ученик 
Н.Е. Жуковского, чьи труды в области термодинамики и газовой 
динамики лопаточных машин широко используются в теории и 
практике поршневых и комбинированных ДВС. Б.С. Стечкин 
внес вклад в исследование индикаторного процесса двигателей.

В 1905 г. знаменитый русский ученый Н.Е. Жуковский ис
следовал движение трехколесной тележки и установил основные 
явления, возникающие при качении жестко связанных между собой колес, имеющих различные диаметры. В 1912 г. немецкий 
ученый А. Ридлер построил стенд с беговыми барабанами для 
испытания автомобилей.

В 1918 г. в СССР была создана автомобильная лаборатория, 

ставшая научным центром, сыгравшим большую роль в развитии 
автомобильной промышленности. В 1921 г. на базе этой лаборатории был организован Центральный научно-исследовательский 
автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), который 
стал базой для большинства новых, научно обоснованных разработок двигателей и автомобилей. Под руководством Н.Р. Брилинга и Е.А. Чудакова в НАМИ были выполнены исследования, 
послужившие основой для дальнейшего развития теории автомобиля. Член-корреспондент АН СССР, профессор Н.Р. Брилинг 
является основоположником теории автомобильных двигателей, 
автором первого учебника по ДВС на русском языке. Известны 
исследования Н.Р. Брилинга по изучению теплопередачи в двигателях. Под его руководством сконструированы перспективные 
быстроходные дизели, ряд оригинальных авиационных и автомобильных двигателей. Профессор Е.А. Чудаков определил цели и 
задачи теории автомобиля, разработал научный метод теоретического и экспериментального исследования эксплуатационных 
свойств, которые являются базовыми в современном курсе «Теория автомобиля». Основные положения теории автомобилей как 
науки были разработаны и сформулированы Е.А. Чудаковым в 
учебнике «Теория автомобиля», впервые вышедшем в 1935 г.

Дальнейшее развитие теория автомобиля получила в рабо
тах учеников и последователей Е.А. Чудакова – профессоров 

Введение

Г.В. Зимелева, Б.С. Фалькевича, Н.А. Бухарина, Я.М. Певзнера, 
Д.П. Великанова и др.

В настоящее время развитием теории двигателей внутреннего 

сгорания занимаются высшие учебные заведения, научно-исследовательские институты, конструкторские бюро заводов, выпускающих автотракторную технику.

Большое влияние на развитие науки об автомобиле оказали 

также работы зарубежных ученых, таких как В. Камм, Е. Марквард, А. Янте, П. Хельдт, Р. Эберан, М. Мичке, Дж. Вонг и др.

Следует отметить, что многие разделы теории автомобиля 

нуждаются в дальнейшей разработке, уточнении и приложении 
их к решению задач эффективной эксплуатации автомобильного 
транспорта.

Тенденции развития и пути повышения надежности и долго
вечности автомобилей. Конструкции автомобилей непрерывно 
совершенствуются. Одним из ведущих направлений современного автомобилестроения является повышение топливной экономичности легковых и грузовых автомобилей. Экономия нефтяного топлива приводит не только к снижению объемов его 
потребления, но и к уменьшению объемов выбросов углекислого 
газа, создающего парниковый эффект. Экономии энергии также способствует уменьшение собственной массы автомобиля. 
Для снижения массы автомобиля проводят работы в трех направлениях: поиск рациональных компоновочных решений; поиск рациональных форм деталей; применение конструкционных 
материалов, обладающих малой плотностью при обеспечении достаточной прочности.

Топливная экономичность может быть снижена при рацио
нальном выборе передаточных чисел трансмиссии. Общей тенденцией является увеличение числа ступеней коробки передач, 
что позволяет в эксплуатационных условиях выбирать передачу, 
наиболее соответствующую требованиям топливной экономичности. Большое распространение получают автоматические системы управления ступенчатыми и бесступенчатыми трансмиссиями.

На снижение расхода топлива оказывает влияние уменьше
ние энергетических потерь в шинах. Экспериментально установлено, что уменьшение сопротивления качению шин на 10 % 
дает в среднем 3 % экономии топлива. Топливная экономичность

Введение

автомобиля в значительной степени зависит от аэродинамического сопротивления автомобиля. Затраты мощности на преодоление аэродинамического сопротивления пропорциональны кубу 
скорости автомобиля. Уже на скорости около 50 км/ч аэродинамические потери мощности близки к потерям на сопротивление 
качению шин по твердой опорной поверхности. По экспериментальным данным снижение затрат мощности на аэродинамическое сопротивление на 10 % позволяет получить экономию топлива 3 %.

Автомобиль является источником загрязнения окружающей 

среды отработавшими газами (ОГ), что определяет непрерывное 
повышение требований к экологической безопасности. В связи с 
этим происходит развитие устройств, позволяющих снижать вредные выбросы традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Значительное внимание уделяется применению альтернатив
ных видов топлив – заменителей нефтяных топлив (природного 
газа, водорода, биотоплива). Применение альтернативных видов 
топлива способствует как снижению количества вредных веществ в ОГ, так и снижению выбросов двуокиси углерода.

Использование альтернативных видов автомобильного то
плива может несколько отдалить перспективу исчерпания мировых запасов нефти, но полностью не решает данной проблемы. 
Поэтому большинство ведущих мировых производителей автомобилей занимаются разработкой силовых установок, где используются альтернативные источники энергии.

Перспективным направлением развития автотранспорта яв
ляются электромобили, у которых колеса приводятся в действие 
электроэнергией. Такие транспортные средства подразделяются 
на три типа: аккумуляторный электромобиль; гибридный автомобиль, у которого ДВС приводит в действие генератор, производящий электроэнергию для привода колес; автомобиль, в котором электроэнергия вырабатывается с помощью топливного 
элемента.

Большое развитие получила автоматизация управления ав
томобилем, которая обеспечивается современными средствами электронной, микропроцессорной техники и направлена на 
повышение топливной экономичности, экологичности и динамичности автомобиля (управление двигателем и трансмиссией), 

Введение

активной безопасности (управление тормозной системой). Немаловажным направлением является распространение устройств, 
повышающих комфорт (системы поддержания климата в салоне, 
управления подвеской и т. д.).

Автомобиль – объект повышенной опасности, поэтому необ
ходимо совершенствование активной и пассивной безопасности 
автомобиля. В связи с тем, что причинами большинства дорожно-транспортных происшествий являются ошибки водителей, 
получают распространение электронные системы, которые будут 
принимать на себя некоторые функции управления автомобилем или помощи водителю в критических режимах. Особую роль 
будет играть широкое применение информационных систем, 
позволяющих водителю получать при движении объективную 
и полную информацию как о работе самого автомобиля (средства встроенной диагностики), так и различную информацию из 
глобальных информационных систем. Такие системы, имеющие 
связь с каждым автомобилем и осуществляющие контроль за состоянием транспортной сети, позволят заранее предупреждать 
водителя о возникновении аварийных ситуаций и рекомендовать 
наиболее рациональные маршруты движения.

Показатели надежности автомобилей присутствуют в техни
ческом задании на проектирование и контролируются при разработке, изготовлении и эксплуатации. Серийные автомобили в течение всего времени их производства подвергаются конструктивному улучшению заводами-изготовителями с целью повышения 
качества и эксплуатационных показателей. Современное автомобилестроение позволяет обеспечивать ресурс основных агрегатов, 
в том числе двигателя, до капитального ремонта, увеличивать 
наработку на отказ других агрегатов и механизмов. Повышение 
надежности автомобилей, обеспечение удобного доступа к обслуживаемым агрегатам и узлам, их совершенствование для облегчения обслуживания и ремонта, уменьшение количества точек 
смазки, увеличение периодичности технического обслуживания 
позволяют сократить простои автомобилей в связи с техническим обслуживанием и ремонтом и тем самым повысить их производительность.

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И КОНСТРУКЦИИ 
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

1.1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамическая система – совокупность тел, которые мо
гут энергетически взаимодействовать между собой и с окружающей средой, а также обмениваться с ней массой вещества.

Термодинамическим процессом называется любое изменение 

термодинамической системы, сопровождающееся изменением 
хотя бы одного из параметров состояния. Энергетическими показателями термодинамического процесса являются теплота q и 
работа l.

Внутренняя энергия – это сумма всех видов энергии, которы
ми обладает тело или система. Внутренняя энергия определяется 
из выражения

U = mCvT,

где U – полная внутренняя энергия тела или системы, Дж; m – 
масса вещества, кг; Cv – удельная изохорная теплоемкость газа, 
Дж/(кмоль∙К); T – термодинамическая (абсолютная) температура, К.

Теплоемкостью называется количество теплоты, которое не
обходимо подвести к телу (или отвести от него) для изменения 
его температуры на 1 К.

Теплоемкость, отнесенную к 1 кг вещества, называют удель
ной (Дж/кг∙К) и обозначают С. Теплоемкость, отнесенную к 1 м3

вещества при нормальных физических условиях, называют объемной (Дж/м3∙К) и обозначают С'. Теплоемкость, отнесенную к 
1 киломоль вещества, называют молярной (Дж/(кмоль∙К))  и обозначают µС.

Моль – единица количества вещества в системе СИ. В моле 

содержится столько молекул (атомов, ионов или других структурных элементов вещества), сколько атомов содержится в 
0,012 кг углерода атомной массой 12 (изотопа 12С), т. е. 6,022∙1023. 

1.1. Основы технической термодинамики

Это число известно как число Авогадро и обозначается 
NА = 6,022∙1023 моль–1.

Первый закон термодинамики является частным случаем 

всеобщего закона превращения и сохранения энергии применительно к тепловым явлениям.

Уравнение первого закона термодинамики имеет вид:

q = ∆U + L.

Формулировка первого закона термодинамики: теплота q, 

подводимая к термодинамической системе, затрачивается на изменение ее внутренней энергии ∆U и совершение работы L против 
внешних сил.

Первый закон термодинамики рассматривает количествен
ное соотношение между теплотой q и работой L и не рассматривает качественную сторону процесса – не указывает условия 
превращения теплоты в работу, направления процесса (нельзя 
определить его характер и конечный результат, а также передается ли теплота от горячего источника к холодному или наоборот).

Второй закон термодинамики определяет направление, по 

которому протекают термодинамические процессы, и устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при 
круговых процессах, поэтому он дополняет первый закон термодинамики. Современная формулировка второго закона термодинамики: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым.

Физический смысл второго закона термодинамики может 

быть пояснен при помощи выражения

dS ≥ 0,
(1.1)

т. е. энтропия изолированной термодинамической системы может оставаться постоянной, если в системе протекают обратимые процессы, или возрастать при протекании в ней необратимых
процессов, но ни при каких условиях не может уменьшаться.

Знак равенства в выражении (1.1) относится к обратимым 

процессам, а знак «>» – к необратимым.

Все действительные термодинамические процессы являются 

необратимыми, поэтому энтропия изолированной термодинамической системы всегда возрастает.

Энтропия S – функция состояния термодинамической си
стемы, изменение которой dS в равновесном процессе равно

1. Основы теории и конструкции автомобильных двигателей

отношению количества подведенной или отведенной теплоты dq 
к термодинамической температуре Т системы:

dS = dq/Т.

Различают энтропию тела или системы S (Дж/К) и удельную 

энтропию dS (Дж/кг∙К).

Совокупность последовательно происходящих термодинами
ческих процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние, называется круговым процессом или 
циклом.

Циклы бывают прямые и обратные. Цикл, в результате ко
торого получается положительная работа, называется прямым 
циклом. По прямым циклам работают все тепловые двигатели. 
Цикл, для осуществления которого необходимо затрачивать работу, называется обратным циклом. По обратным циклам работают холодильные машины.

Эффективность прямого термодинамического цикла (для 

ДВС) оценивается термическим КПД:

1
2
2

1
1
1
,
t
q
q
q

q
q
(1.2)

где q1 – количество подведенной в цикле теплоты; q2 – тепловые 
потери цикла.

Основными термодинамическими процессами, имеющими боль
шое значение в теории тепловых двигателей, являются:

изохорный – процесс подвода или отвода теплоты от газа, 

происходящий при постоянном объеме (V = const);

изобарный – процесс подвода или отвода теплоты от газа, 

происходящий при постоянном давлении (P = const);

изотермический – процесс подвода или отвода теплоты от 

газа, происходящий при постоянной температуре (Т = const);

адиабатный – процесс, протекающий при отсутствии тепло
обмена термодинамической системы с окружающей средой. Необходимые условия адиабатного процесса: dq = 0 и q = 0.

Основное уравнение адиабатного процесса имеет вид:

PV k = const,

где k – показатель адиабаты. Для идеального газа k не зависит 
от параметров его состояния, а зависит только от вида газа и