Тракторы и автомобили: теория ДВС

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.К. Кобозев, И.И. Швецов

ТРАКТОРЫ И АВТОМОБИЛИ:

ТЕОРИЯ ДВС

(Курс лекций)

для студентов 3 курса факультета механизации сельского хозяйства,

обучающихся по направлению подготовки 190800.62 - Агроинженерия

СТАВРОПОЛЬ – 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание.......................................................................................... 2
Литература ........................................................................................... 5
Лекция 1 Тема 1: Перспективы и проблемы развития 

автотракторных  ДВС, история развития конструкции и теории 
ДВС.  Термодинамические процессы............................................. 6

1.1 Перспективы, проблемы и задачи  развития автотракторных 

ДВС............................................................................................... 6

1.2 Роль отечественных и зарубежных ученых в  создании и 

развитии ДВС............................................................................. 10

1.3 Классификация автотракторных двигателей............................ 12
1.4 Термодинамические процессы.................................................. 14

1.4.1 Изохорный процесс........................................................... 15
1.4.2 Изобарный процесс........................................................... 17
1.4.3 Изотермический процесс................................................. 18
1.4.4 Адиабатный процесс........................................................ 19
1.4.5 Политропный процесс...................................................... 21

1.5 Основные показатели теплоиспользования циклов................. 23
1.6 Адиабатно-изотермический цикл (цикл С. Карно) .................... 24

Лекция 2   Тема 2: Теоретические циклы двс ................................. 27

2.1 Общие сведения........................................................................ 27
2.2 Цикл со смешанным подводом теплоты................................... 28

2.2.1 Термический КПД смешанного цикла .............................. 30
2.2.2 Среднее давление смешанного цикла ............................. 31

2.3 Цикл с подводом теплоты при V=const..................................... 32
2.4 Цикл с подводом теплоты при P=const..................................... 35
2.5 Теоретический смешанный продолженный цикл  с переменным 

давлением газов перед газовой турбиной ................................ 37
2.5.1 Термический КПД этого цикла ........................................ 38
2.5.2 Среднее давление цикла .................................................. 38

2.6 Теоретический смешанный продолженный цикл с  постоянным 

давлением газов перед газовой турбиной ................................ 39
2.6.1 Термический КПД.............................................................. 39
2.6.2 Среднее давление продолженного цикла с постоянным 

давлением газов перед газовой турбиной...................................... 40

Лекция 3 Тема 3: Действительные циклы двс............................... 41

3.1 Индикаторные диаграммы ДВС ................................................ 42
3.2 Процесс впуска.......................................................................... 45

3.2.1 Среднее давление в конце впуска.................................... 46
3.2.2 Температура в конце впуска............................................ 48
3.2.3 Коэффициент наполнения............................................... 49

3.2.4 Давление и температура остаточных газов................ 52
3.2.5  Коэффициент остаточных газов .................................. 53

3.3 Процесс сжатия.......................................................................... 55

Лекция 4 Тема 3: Действительные циклы двс............................... 57

3.4 Процесс сгорания ...................................................................... 57
3.5 Термохимические соотношения ................................................ 65

3.5.1 Теоретически необходимое количество воздуха ........... 65
3.5.2 Количество молей свежего заряда.................................. 67
3.5.3 Определение числа молей продуктов сгорания (М2) 1 кг 

топлива при 
1


: .............................................................................. 67

3.5.4 Определение числа молей продуктов сгорания 1 кг 

топлива при α < 1 (CО2 , СО, Н2О, Н2, N2) ......................................... 68

3.5.5 Изменение количества кмолей продуктов сгорания...... 68

3.6 Процесс расширения................................................................. 70
3.7. Процесс выпуска....................................................................... 72
3.8. Состав отработанных газов и методы снижения их токсичности

.................................................................................................... 74

Лекция 5 Тема 4: Индикаторные и эффективные показатели 

двигателей........................................................................................ 76

4.1 Порядок построения индикаторной  диаграммы двигателей ... 76

4.1.1 Аналитический метод построения политроп сжатия и 

расширения........................................................................................ 79

4.1.2 Графический способ построения политроп сжатия и 

расширения (Брауэра)....................................................................... 81

4.2  Индикаторные показатели двигателя....................................... 82

4.2.1 Среднее индикаторное давление .................................... 82
4.2.2 Среднее теоретическое индикаторное давление цикла

............................................................................................................ 85

4.2.3 Индикаторная мощность двигателя.............................. 87
4.2.4 Индикаторный удельный расход топлива ...................... 88
4.2.5 Индикаторный КПД........................................................... 88

4.3 Механические потери в двигателе............................................ 89
4.4 Эффективные показатели двигателя........................................ 90

4.4.1 Среднее эффективное давление..................................... 90
4.4.2 Эффективная мощность................................................. 91
4.4.3 Литровая мощность ........................................................ 92
4.4.4 Удельная масса двигателя .............................................. 92
4.4.5 Механический КПД ............................................................ 93
4.4.6 Эффективный КПД........................................................... 93
4.4.7 Эффективный удельный расход топлива ...................... 94
4.4.8 Часовой расход топлива .................................................. 94

4.5 Определение основных размеров цилиндра двигателя. ......... 94
4.6  Тепловой баланс двигателя..................................................... 96

Лекция 6  Тема 5 Характеристики автотракторных ДВС..............100

5.1 Назначение и виды испытаний.................................................100
5.2 Условия проведения испытаний ..............................................101
5.3 ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ПАРАМЕТРЫ, 

ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ..........................102
5.3.1 Мощностные показатели...............................................102
5.3.2 Экономические показатели ............................................103
5.3.3. Оценочные показатели..................................................103

5.4 ИСПЫТАНИЕ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ..............................104

5.4.1 Регулировочная характеристика дизеля по составу 

смеси (по расходу топлива) ............................................................104

5.4.2 Регулировочная характеристика дизеля по углу 

опережения начала впрыска топлива ............................................107

5.4.3 Нагрузочная характеристика дизеля ............................111
5.4.4 Скоростная характеристика дизеля.............................113
5.4.5 Регуляторная характеристика дизеля.........................115

5.5 ИСПЫТАНИЕ КАРБЮРАТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ....................120

5.5.1 Регулировочная характеристика двигателя по  составу 

смеси (по расходу топлива) ............................................................120

5.5.2 Регулировочная характеритика двигателя  по углу 

опережения зажигания ....................................................................123

5.5.3 Нагрузочная характеристика карбюраторного 

двигателя ........................................................................................126

5.5.4 Скоростная характеристика карбюраторного 

двигателя ........................................................................................128

Лекция 7 Тема 6 Кинематика и динамика КШМ двигателя...........132

6.1 Основные понятия и определения...........................................132
6.2 Определение перемещения поршня........................................135
6.3 Определение скорости поршня................................................137
6.4 Определение ускорения поршня..............................................139
6.5 Динамика КШМ .........................................................................140

6.5.1 Определение сил давления газов ...................................141
6.5.2 Приведение масс частей КШМ .......................................143
6.5.3 Силы инерции в КШМ.......................................................145
6.5.4 Суммарная и составляющие силы, действующие в КШМ

..........................................................................................................146

6.5.5 Крутящий и опрокидывающий моменты двигателя ....148

Лекция № 8  Тема 6 (Продолжение)................................................151

6.6 Равномерность вращения коленчатого вала и  определение 

размеров маховика .................................................................. 151

6.7 Силы, действующие на шатунные шейки  коленчатого вала 

(RШ.Ш)......................................................................................... 155

6.8. Силы, действующие на коренные  шейки коленчатого вала. 161

Лекция 9   Тема 7. Уравновешивание двигателей........................ 163

7.1 Уравновешенность и уравновешивание поршневых двс ....... 163
7.2 Уравновешивание одноцилиндрового двигателя. .................. 166

7.2.1Силы инерции первого порядка Pj1.................................. 167
7.2.2 Сила инерции второго порядка – Pj2.............................. 169
7.2.3 Центробежная сила КR. .................................................. 170

7.3 Уравновешивание двух цилиндрового двигателя................... 170

7.3.1 Одностороннее расположение кривошипов.................. 170
7.3.2 Кривошипы расположены под углом 1800...................... 171

7.4 Уравновешивание однорядного четырехцилиндрового 

двигателя (с кривошипами под углом 1800)............................. 173

7.5 Уравновешивание шестицилиндрового рядного  двигателя.. 175
7.6 Уравновешивание двухцилиндрового  V - образного двигателя

.................................................................................................. 177

7.7 Уравновешивание V -образного шести цилиндрового двигателя

.................................................................................................. 180

7.8 Уравновешивание V – образного восьмицилиндрового 

двигателя.................................................................................. 185

ЛИТЕРАТУРА

1. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский, М.М.Вихерт, 

А.Н. Войнов и др. Под ред. М.С. Ховаха. – М., Машиностроение, 1977. 
– 591 с.

2. Автомобильные и тракторные двигатели ч. II. Конструкция и 

расчет двигателей. Под ред. И.М. Ленина. – М.: Высшая школа, 1976. 
– 280 с.

3. Артамонов, М.Д. – Основы теории и конструкции автомобиля / 

М.Д. Артамонов, В.А. Иларионов, М.М. Морин. – М.: Машиностроение, 
1974. – 288 с.

4. Болтинский, В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и 

автомобильных двигателей / В.Н. Болтинский. – М.: Из-во с.-х. литературы, 1962. – 391 с.

5. Кобозев, А.К. Испытания ДВС. Методические указания для 

студентов факультета механизации с.х. (специальность 311300) / А.К. 
Кобозев. – Ставропольская ГСА, Ставрополь, 1996. - 89 с.

6. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей 

/ А.И. Колчин, В.П. Демидов. – М.: Высшая школа, 1980. – 400 с.

7. Ленин, И.М. теория автомобильных и тракторных двигателей / 

И.М. Ленин. – М.: Машиностроение, 1969. – 368 с.

8. Марков, В.Р. Современные двигатели с.-х. тракторов и авто
мобилей и особенности их технической эксплуатации в условиях межхозяйственных предприятий. Уч. пособие / В.Р. Марков, В.М. Тимченко, В.Д. Груздов, Н.Ф. Булахов. – Ставрополь, ССХИ, 1982. – 79 с.

9. Николаенко, А.В. Теория, конструкция и расчет автотрактор
ных двигателей / А.В. Николаенко. – М.: Колос, 1984. – 335 с.

10. Трубников, Г.И. Практикум по автотракторным двигателям / 

Г.И. Трубников.– М.: Колос, 1968.

11. Хитрюк, В.А. Практикум по автотракторным двигателям: Учеб. 

пособие / В.А. Хитрюк, Е.С. Цехов. – Мн.: Ураджай, 1989.

12. Ховах, М.С. Автомобильные двигатели / М.С. Ховах М.С., Г.С. 

Маслов. – М.: Машиностроение, 1971. – 456 с.

13. Ганькин,Ю.А. Основы теории автотракторных двигателей. Уч. 

пособие для вузов по спец. «Механизация с. х.», «Сервис и техническая эксплуатация транспортных и технологических машин и оборудования в с. х.» / Ю.А. Ганькин, М.Ю. Карелина, В.А. Кравченко, В.Г. 
Яровой. – М.: Из-во РГАЗУ, 1997. – 304 с.

ЛЕКЦИЯ 1

ТЕМА 1: Перспективы и проблемы развития автотракторных 

ДВС, история развития конструкции и теории ДВС. 

Термодинамические процессы

Цель лекции: Рассмотреть необходимость изучения теории ДВС 

для инженера с.х. Вспомнить основы термодинамических процессов.

1.1 Перспективы, проблемы и задачи 

развития автотракторных ДВС

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механиче
скую работу, называются двигателями.

Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую 

работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех

видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный 
и 
воздушный), 
на 
сельскохозяйственных 
и 
дорожно
строительных машинах. 

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ - это суб
станция, с помощью которой происходит преобразование тепловой 
энергии в механическую работу) различают двигатели с внешним 
подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания
(ДВС).

Для ДВПТ характерны следующие особенности:
• теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двигателя 

(обычно в теплообменнике);

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

• работа совершается в турбине или в расширительном цилин
дре.

Классический пример этого типа ТД - паровой двигатель.
Для ДВС характерно следующее:
• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в 

механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя;

• РТ обновляется в процессе работы двигателя.
ДВС по сравнению с ДВПТ имеют, как правило, существенно 

меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, 
вследствие чего они являются в настоящее время основным типом 
транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия 

сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают: 

поршневые
ДВС с возвратно-поступательно движущимися 

поршнями (ПДВС); 

двигатели 
с 
вращающимися 
поршнями, 
или 
роторно
поршневые ДВС (РПД); 

- газотурбинные двигатели (ГТД); 
- реактивные двигатели (РД).

Необходимость осуществления больших объемов грузовых и 

пассажирских перевозок вызвала увеличение выпуска автомобилей. 
Эта тенденция устойчиво сохраняется и в настоящее время.

Основой автотранспортной энергетики в ближайшем будущем 

останутся поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС), 
которые после почти столетнего развития достигли высокого 
совершенства. Факторами, влияющими на конструкцию ПДВС, являются необходимость увеличения удельной мощности, повышение 
надежности и возможность использования двигателя в различных 
условиях эксплуатации при минимальных расходах топлива, стоимости и затратах материалов. 

В дополнение к этим факторам конструкция и рабочий процесс 

будут определяться также требованиями нормативных ограничений и 
технологическими требованиями. Поясним несколько подробнее сказанное.

Правильным является положение о том, что двигатель и потреб
ляемое им топливо дают максимальный эффект в том случае, когда 
двигатель создан в расчете именно на потребляемое им топливо. В 
ближайшем будущем виды топлива нефтяного происхождения 
останутся основными энергоносителями для ПДВС. Однако следует предположить, что спрос на энергию в ближайшее десятилетие 
будет расти. Это справедливо потому, что повышение благосостояния и уровень жизни прямо пропорционально зависят от потребления 
энергии на душу населения. Это обстоятельство заставит если не в 
настоящее время, то в ближайшем будущем сделать выбор между 
альтернативными видами топлива. Этот процесс в мире и в нашей 
стране уже начался.

Усложнение конструкции двигателя потребует увеличения затрат 

труда, главным образом в сфере эксплуатации, что крайне нежелательно. Следовательно, предполагая дефицит рабочей силы, будет 
действовать тенденция, направленная на разработку и технологию 
изготовления двигателей, требующих минимальных затрат труда при 
обслуживании и ремонте.

Если еще раз обратиться к топливу, то здесь можно отметить, что 

в мире наметилась тенденция к выработке топлив по техническим 
требованиям, близким к предельным. Это происходит из-за желания 

производить больше топлива для удовлетворения растущей в нем 
потребности. Снижение качества топлива заставит искать решения, 
которые позволили бы избежать возможных негативных последствий 
в эксплуатации. Это обстоятельство предъявит более высокие требования к точности и стабильности регулировок, что приведет к усложнению конструкции ПДВС и потребует повышенных затрат труда в 
эксплуатации. Уже сейчас можно отметить снижение квалификации 
обслуживающего персонала. Другими словами, более совершенные 
ПДВС будут передаваться в эксплуатацию в руки в среднем менее 
квалифицированных работников. Здесь можно было бы назвать несколько причин: расширение сферы применения ПДВС, медленный 
рост производительности труда при обслуживании и ремонте ПДВС. 
Следовательно, необходимо обеспечить надежную работу ПДВС даже при нарушении номинальных параметров технических характеристик или неправильном использовании ПДВС.

Серьезные требования к конструкции двигателей предъявляются 

с точки зрения ограничения токсичных выделений и величины акустического излучения.

Практика показывает, что резервы их дальнейшего совершен
ствования далеко не исчерпаны. Многие достижения связаны с использованием микропроцессорной техники для управления системами ПДВС. Это, в свою очередь, обусловило прогресс в организации рабочих процессов и конструкции систем двигателей, рассчитанных на управление микропроцессором: топливоподача и искровое 
зажигание смеси, фазы газораспределения, управляемые системы 
впуска и наддува, управляемая интенсивность вихревого движения 
заряда в цилиндре, нейтрализация отработавших газов и т. п.
Продолжаются активные поиски работоспособных конструкций, позволяющих осуществлять управляемое изменение рабочего объема 
цилиндров, степени сжатия, утилизации теплоты.

Глубокое понимание принципов работы ПДВС, строгая научная 

обоснованность путей и методов дальнейшего совершенствования 
ПДВС - главные требования к специалисту будущего.

Из всего комплекса проблем выделим главные: 
1) улучшение топливной экономичности; 
2) совершенствование экологических характеристик ПДВС; 

3) повышение надежности ПДВС.
В общем виде основную задачу инженера ближайшего будущего 

можно было бы сформулировать следующим образом: 

разработка экологически чистых энергоустановок, обеспечи
вающих высокое качество и эффективность выполнения автотракторых работ при минимальном воздействии на окружающую 
среду, минимальных затратах труда, эксплуатационных материалов и энергии при их производстве и в процессе эксплуатации.

Мобильная энергоустановка считается экологически чистой, если 

ее создание, функционирование и утилизация не приводят к нарушению стабильности экосистемы «автомобильный транспорт — окружающая среда», т. е. выходу характеристик ее состояния за пределы 
допуска.

Таким образом, можно сформулировать следующие требования к 

энергоустановке: безопасность выполнения транспортных услуг, 
обеспечение транспортного комфорта и сохранности грузов при 
транспортировке, безвредность воздействия на окружающую среду, сохранение природных (топливно-энергетических, материальных, трудовых) ресурсов. Обязательным остается и требование 
транспортной эффективности, которому должна соответствовать любая, в том числе и экологически чистая, энергоустановка.

Для энергоустановок мобильных транспортных средств наиболь
шую значимость имеют высокая удельная мощность, минимальные 
выбросы оксидов азота, полиароматических углеводородов, допустимый уровень звука и минимальный удельный расход топлива.

Общая цель курса: «Основы теории и расчета ДВС» - это изуче
ние свойств и показателей ДВС, влияние на них регулировок и др. 
эксплуатационных факторов, влияние режимов работы двигателей на 
показатели работы мобильных энергетических средств в процессе 
эксплуатации.

1.2 Роль отечественных и зарубежных ученых в 

создании и развитии ДВС

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в ко
тором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, 
преобразуется в механическую работу.