Динамика и энергетика силовых установок на частичных режимах

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ 

 

 

 
А.В. БОГАТЫРЕВ 

 

 

 

 
 

ДИНАМИКА И ЭНЕРГЕТИКА 

СИЛОВЫХ УСТАНОВОК 

НА ЧАСТИЧНЫХ РЕЖИМАХ 

 
 

МОНОГРАФИЯ 

 

 

 

 

 

Москва 

ИНФРА-М 

2022 

УДК 629.03(075.4)

ББК 39.15 

        Б73 

ФЗ  

№ 436-ФЗ 

Издание не подлежит маркировке  

в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 

Р е ц е н з е н т: 
Пильщиков В.Л., кандидат технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта Российского государственного аграрного университета — Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева 
 

Богатырев А.В.  

Б73 

Динамика и энергетика силовых установок на частичных режимах : 
монография / А.В. Богатырев. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 82 с. — 
(Научная мысль). 
 

ISBN 978-5-16-110993-9 (online) 

 

В монографии представлено решение технических задач методом создания математических моделей и использования электронных вычислительных машин для различных видов силовых установок.  
Рассмотрены механическая, гидромеханическая, электрические силовые установки с двойным преобразованием энергии и с последовательной 
системой, а также гибридные силовые установки. Приведены новые методы 
расчета и построения всех видов силовых установок, их характеристик на частичных режимах, расчет их энергетики. Введено понятие энергетического 
(полного) коэффициента полезного действия как средства сравнительной 
оценки силовых установок разных видов. Определены характер и границы 
воздействия скачков нагрузки на одной ветви отбора мощности на другие 
ветви. Рассмотрены условия рекуперации мощности для зарядки аккумуляторов на режиме свободного выбега машины. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей инженерно-технических 
и физико-математических вузов. Может быть полезна работникам транспортных организаций. 
 
УДК 629.03(075.4) 
ББК 39.15 
ISBN 978-5-16-110993-9 (online) 
© Богатырев А.В., 2022 
 
 

Оглавление 

Предисловие ........................................................................................................... 7 

Часть I. Методика и расчет работы силовых установок ................................ 8 

на частичных режимах ......................................................................................... 8 

Глава 1. Общие понятия ................................................................................... 8 

1.1. Оценка ступенчатых и бесступенчатых трансмиссий ............... 10 

Глава 2. Расчет использования частичных характеристик ДВС ........... 12 

на машинах со ступенчатой трансмиссией ................................................ 12 

2.1. Расчет частичных режимов дизеля с всережимным  

регулятором .................................................................................................. 12 

2.2. Методика решения вышеприведенных задач .................................. 14 

2.3.  Порядок выполнения работы ............................................................ 17 

Глава 3. Методика расчета работы двигателя БИЗ .................................. 20 

на частичных режимах с впрыскиванием бензина .................................. 20 

3.1. Расчет частичных характеристик двигателя БИЗ ..................... 20 

3.2. Методика расчета частичных характеристик момента  

и удельного расхода топлива ..................................................................... 21 

3.3. Автоматический расчет величины ge .............................................. 25 

3.4. Частичные режимы дизеля без всережимного регулятора ......... 27 

3.5. Сравнение экономичности двигателей с всережимным 

регулятором и без него ................................................................................ 30 

Выводы по главе ............................................................................................ 32 

 

 

Глава 4. Невостребованные типы источников энергии ........................... 33 

4.1. Двигатели постоянной мощности ................................................... 33 

4.2. Другие невостребованные источники энергии ................................ 35 

Глава 5. Расчет использования частичных режимов работы машин ... 37 

с гидромеханической трансмиссией ............................................................ 37 

5.1. Новая методика построения частичных характеристик 

гидротрансформатора ............................................................................... 37 

5.2. Пример построения частичных характеристик 

гидромеханической трансмиссии транспортера БМП-15 .................. 40 

Глава 6. Определение экономичности работы силовой установки  

ДВС – ГМТ на частичных режимах ............................................................ 44 

6.1. Экономичность системы ДВС – Г МТ на частичных  

режимах ........................................................................................................ 44 

6.2. Тяговая характеристика машины с ГМТ ........................................ 45 

    Выводы по главе ............................................................................................ 47 

Часть II. Динамика ............................................................................................... 49 

Глава 7. Динамика многоприводных агрегатов ........................................ 49 

7.1. Динамика ветвей при изменении соотношения нагружающих 

моментов и моментов инерции ветвей .................................................. 50 

    Выводы по главе ............................................................................................ 54 

Часть III. Энергетика силовых установок ....................................................... 55 

Глава 8. Оценка силовой установки по энергетическому (полному) 

КПД .................................................................................................................... 55 

8.1. Структурная схема гибридных установок ...................................... 55 

8.2. Определение расчетных формул КПД привода и всей  

установки ...................................................................................................... 57 

Глава 9. Соотношение затрат энергии на выполнение ............................ 58 

различных видов с.-х. работ для разных видов силовых установок .... 58 

9.1. Работа при полной нагрузке ............................................................... 58 

9.2. Расчет для механической трансмиссии .......................................... 60 

9.3. Расчет электрического привода от индивидуального источника 

энергии ........................................................................................................... 60 

9.4. Пример расчета емкости аккумуляторов гибридного  

автомобиля ................................................................................................... 61 

9.5. Электропривод на тракторе .............................................................. 62 

Глава 10. Определение энергетического КПД и системы  

ДВС – ГМТ ........................................................................................................ 63 

10.1.  Определение абсолютного КПД для ГМТ и системы  

ДВС – ГМТ .................................................................................................... 63 

10.2. Расчет энергетики частичных режимов ...................................... 64 

10.3. Расчет энергетического (полного) КПД силовой установки 

многоприводного агрегата .......................................................................... 66 

Глава 11. Расчет режима рекуперации ........................................................ 71 

11.1. Методика расчета пути и времени выбега машин ...................... 71 

Глава 12. Расчет энергоемкости гибридных СУ при частичной загрузке 

(транспорт) ....................................................................................................... 76 

12.1. Нагрузка на колесах машины с учетом энергии  

на прокрутку ................................................................................................. 76 

12.2. Электропривод с независимым источником тока....................... 77 

12.3. Расчет энергетики гибрида при частичном нагружении .......... 77 

12.4. Расчет потребной емкости аккумуляторов ................................. 78 

Выводы .................................................................................................................. 80 

Заключение ........................................................................................................... 81 

Библиографический список .............................................................................. 82 

 

 
 
 

Предисловие 

 

           Когда я был студентом, то во время обучения в вузе, меня восхитил 

параграф в учебнике В.Н.Болтинского «О преимуществах всережимного ре
гулятора»[2]. Он произвел большое впечатление лаконичностью и изяще
ством  доказательства. Хотя на занятиях этого не давали, но стало ясным, что 

повысить экономичность дизеля при работе с недогрузкой двигателя можно 

путем перевода его всережимным регулятором рычагом акселератора  на по
ниженную частоту вращения.    

             Позднее, когда был приобретен значительный опыт работы препода
вателем, я вновь обратился к этому материалу. При объяснении студентам,   

когда и насколько загружен двигатель на различных с.-х. работах,  стало по
нятным, что 80% времени в году трактор работает при коэффициенте загруз
ки двигателя 40…60%, а не 100% как это обычно  преподают студентам, т.е. 

на частичных режимах. Еще разительнее картина для автомобильных  двига
телей, которые практически вообще почти  не используют внешнюю харак
теристику двигателя.  Поэтому данная работа посвящена именно частичным 

режимам силовых установок разных видов. 

 
В любом исследовании, испытании всегда нужно выдерживать общую 

методику испытаний, которая состоит из 5 пунктов: 

1. Постановка цели. 

2. Выбор оценочных и измеряемых показателей. 

3. Выбор техники проведения испытаний, которая определяется пунктом 2. 

4. Разработка порядка проведения испытаний («частная методика»  опытов). 

5.  Анализ и выводы. 

Вот в таком же порядке  будем подходить  к каждой задаче. 

    

 
 

Часть I. Методика и расчет работы силовых установок 

на частичных режимах 

 Глава 1. Общие понятия 

 
Под понятием «силовые установки»  обычно понимают источник энер
гии мобильных машин с преобразованием этой  энергии в механическую 

энергию.  К ним можно отнести двигатели внутреннего сгорания (ДВС, ДВС 

с гидротрансформатором (ГТ)).  Источники электрической энергии  (ИЭ)  + 

электромотор,   ДВС + генератор эл. тока + электромотор. Это может быть и 

паровая машина, газовые турбины  и др.).   В качестве автономных источни
ков энергии могут быть использованы  аккумуляторы, топливные элементы и 

т.п.  В гибридных силовых установках может применяться схема параллель
ной передачи энергии, а именно, ДВС с механической трансмиссией в соче
тании с электрической частью - источник эл. энергии плюс электромотор. 

 
Обычно,  испытывая двигатели, снимают только внешнюю характери
стику.  Однако,  большую часть рабочего времени двигатели автомобилей и 

тракторов работают с недогрузкой  -  на частичных характеристиках. 

Внешняя характеристика – это характеристика силовой установки  (ДВС. 

электро- и  гидропередачи, газовых турбин и т.п. машины),  полученная при 

полном перемещении акселератора  (педали  акселератора, рычага  управле
ния).  

Частичная характеристика - это характеристика, которую мы получаем 

при подаче топлива или энергии  в любом другом положении акселератора .   

Из самого определения можно сделать вывод, что внешняя характери
стика одна, она характеризует  максимальные возможности  двигателя. А вот 

частичных характеристик  бесчисленное множество, оно определяется  мно
жеством положений акселератора, которые водитель может установить . 

   
По статистическим данным  автомобильный  двигатель при полной за
грузке (т.е на внешней характеристике) работает только 5…10%  от общего 

времени  (трогание с места, разгон, обгон и т.д.).  

Рис.1. Загрузка  автомобильного двигателя легкового (а)    

и  (б)  грузового   (КамАЗ-740)  автомобилей 

(данные д.т.н. Девянина С.Н.) 

 
 

 
Тракторный двигатель у тракторов общего назначения (пахотных) с 

полной нагрузкой работает 70…90%, а пропашные тракторы  -  30…50% ра
бочего времени (транспортные работы, междурядная обработка, ограничение 

скорости движения по требованиям агротехники или других факторов).  Ав
томобильные двигатели имеют еще меньший коэффициент загрузки  –  в 

среднем 50…70% у грузовых и  30…50%  у легковых автомобилей . Это 

означает, что основными режимами работы, силовой установки мобильных 

машин – это режимы работы при недогрузке, т.е.  используя частичные ре
жимы. При этом возникает проблема:  сохранения производительности ма
шины, агрегата  при наилучшей экономичности. 

Поэтому изучение частичных режимов  ─ это существенно необходи
мая задача.  

 

1.1. Оценка ступенчатых и бесступенчатых трансмиссий 

 
В учебниках приводилось обоснование,   почему для мобильных машин 

желательной является бесступенчатая трансмиссия [   ]. Еще раз давайте рас
смотрим это доказательство. При ступенчатой трансмиссии скорость маши
ны зависит,  в основном, от передаточного числа трансмиссии  iтр  = nд/nк. :     

vк = ωк rк = π nд rк /( iтр 30) 

где  nд, nк –частота вращения двигателя и колеса; 
 
Т.е. при постоянной частоте вращения двигателя nд = const   (это характерно 

для дизелей с всережимным регулятором) скорость на каждой передаче  бу
дет также постоянна. На графике (рис.2) это прямые линии  

         Соединив крайние  точки этих линий , получим кривую, которая харак
теризует максимальную потребную  мощность  Nк (рис.1). Произведение   

Рк vк = Nк,  -– это   мощность  на колесе, а мощность на  колесе пропорцио
нальна мощности двигателя Nк  ≡ Nе ,  эта кривая, в сущности, ─ это гипербо
ла (ху=с)   Следовательно,  гипербола Рк vк = Nк –  это  граница предельной 

мощности, которую  может  создать двигатель 

      Из графика видно, что  полностью   загрузить двигатель мы можем 

  только при  силе тяги  Рк,  Рк. Рк. Рк.  А если нагрузка  будет  Рк , то  работать 

на третьей передаче мы не можем – точка  А’  находится за границей макси
мальной мощности – двигатель  такую нагрузку «не потянет». Значит, мы 

вынуждены работать на второй передаче, с недогрузкой двигателя.       

Все. что попадает в большой заштрихованный треугольник  abc ─ все это 

недоиспользуемая мощность.  Мы вынуждены работать не на второй переда
че, а на первой (точка А)  с большой недогрузкой двигателя