Локальный теплообмен в поршневых двигателях

 

К 150-летию Научно-учебного комплекса  
«Энергомашиностроение» 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА  

 И ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ 

 
 

 
 
 

Список сокращений 

 

Редакционный совет 

А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук  
А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук  
В. Л. Бондаренко, д-р техн. наук  
А. Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН  
К. Е. Демихов, д-р техн. наук  
Ю. Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН  
Н. А. Иващенко, д-р техн. наук 
В. И. Крылов, канд. техн. наук  
М. К. Марахтанов, д-р техн. наук  
С. Е. Семенов, канд. техн. наук  
В. И. Хвесюк, д-р техн. наук  
Д. А. Ягодников, д-р техн. наук  
 
 
 

 

Р.З. Кавтарадзе 

Локальный теплообмен  
в поршневых двигателях 

Допущено УМО вузов России по образованию  
в области энергетики и электротехники  
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки  
141100 «Энергетическое машиностроение» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Список сокращений 

УДК 621.434:536.24(075.8) 
ББК 31.31:31.365 
        К13 
 

Р е ц е н з е н т ы: 

д-р техн. наук, профессор С.З. Сапожников  
(Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПбГПУ)); 
д-р техн. наук, профессор М.Г. Шатров (Московский автомобильно-дорожный  
государственный технический университет (МАДИ)) 
 

Кавтарадзе, Р.З. 

Локальный теплообмен в поршневых двигателях: учебник для вузов / Р. З. Кавтарадзе. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 515, [5] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4118-1 
 
Учебник посвящен исследованию локального теплообмена в поршневых двигателях. 
Значительная его часть написана на основе результатов, полученных в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Ряд вопросов в теории поршневых двигателей рассматривается впервые. В данный 
учебник, написанный на основе учебного пособия с тем же названием (1-е изд. — 2001 г.,  
2-е изд. — 2007 г.), включены новые материалы, отражающие достижения последних лет  
в этой области науки. Содержание учебника соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
Для магистрантов, аспирантов, научных и инженерно-технических работников, занимающихся созданием перспективных двигателей, а также исследованием и доводкой существующих моделей. 

УДК 621.434:536.24(075.8) 
                                                                                      ББК 31.31:31.365 

 
 Кавтарадзе Р.З., 2016 
 
 Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4118-1 
    МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

К13 

 
Предисловие 
5 

Предисловие председателя редакционного совета 

Кафедра «Поршневые двигатели» является одной из старейших из специализированных кафедр не только факультета «Энергомашиностроение», но и МГТУ им. Н.Э. Баумана. Формирование научной школы поршневых двигателей внутреннего сгорания Университета связано с именем выдающегося ученого В.И. Гриневецкого (1871–1919), по 
инициативе которого в 1906 г. в Императорском Московском техническом училище 
(ИМТУ) были созданы первые лабораторные установки с поршневыми двигателями 
внутреннего сгорания и заложены основы исследованиям рабочих процессов этих машин. В 1907 г. В.И. Гриневецкий начал читать курс лекций по ДВС и опубликовал фундаментальный труд «Тепловой расчет рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания», являющийся в течении многих лет основой теории поршневых двигателей. 
Ученики В.И. Гриневецкого, воспитанники ИМТУ член-корреспондент АН СССР 
Н.Р. Брилинг и профессор Е.К. Мазинг положили начало школы двигателистов, воспитали многих талантливых учеников, ставших впоследствии выдающимися учеными и 
руководителями промышленности, среди которых академики В.Я. Климов, А.А. Микулин, Б.С. Стечкин, Е.А. Чудаков; генеральные конструкторы авиационных двигателей 
А.Д. Швецов, В.А. Добрынин, министры В.А. Малышев, С.А. Степанов и др. В МВТУ 
была создана мощная лабораторная база для исследования двигателей различного 
назначения, ставшая после реорганизации МВТУ в 1930-е гг. основой для создания 
таких самостоятельных научных учреждений, как Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ), Научный автомоторный институт (НАМИ), Научный автотракторный институт (НАТИ). В предвоенные, военные и послевоенные годы двигателестроение в стране развивалось благодаря первоклассным экспериментальным и 
теоретическим разработкам ученых-двигателистов из МВТУ им. Н.Э. Баумана профессоров Д.Н. Вырубова, И.Н. Иноземцева, Г.Г. Калиша, Б.Г. Либровича, А.С. Орлина, 
Ф.Ф. Симакова, В.И. Сороко-Новицкого, М.С. Ховаха, М.Г. Круглова, В.И. Крутова, 
Н.И. Нигматулина, С.Г. Роганова, М.М. Чурсина и др.  
В настоящее время кафедра является ведущей в России. На ее базе созданы два 
научно-образовательных центра, оснащенных современным оборудованием для исследования поршневых двигателей. Здесь актуальными научными проблемами проектирования и создания перспективных двигателей под руководством опытных преподавателей кафедры активно занимаются студенты нашего университета. Усилиями коллектива кафедры подготовлены уникальные публикации, монографии и учебники, получившие заслуженное признание не только в России, но и за ее пределами. 
Настоящее издание книги профессора Р.З. Кавтарадзе отражает достижения в исследованиях процесса теплообмена в поршневых двигателях и базируется на результатах, 
полученных автором и его учениками в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Учебник не имеет аналогов как по содержанию, так и по построению и изложению материала, он, безусловно, 
будет полезным в процессе подготовки высококвалифицированных специалистов не 
только в МГТУ им. Н.Э. Баумана, но и в других технических университетах страны.  
 
 
Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
доктор технических наук, профессор                                                        
А.А. Александров 

Предисловие 

 

 

Предисловие 

Исследование теплообмена в поршневых двигателях, начатое еще в начале прошлого века В. Нуссельтом, а затем продолженное М. Якобом, Г. Эйхельбергом и другими видающимися учеными, и в настоящее время остается наиболее актуальным в 
теории этих машин. Столь постоянный интерес к данному вопросу обусловлен не 
только тем, что поршневой двигатель — самый экономичный, и поэтому самый распространенный из всех тепловых двигателей, но и тем, что основу современного двигателестроения составляет производство высокофорсированных двигателей. Следует 
отметить, что форсирование двигателя, как правило, связано с увеличением тепловых 
нагрузок на его основные детали, возникающих в течение рабочего цикла. Это требует глубокого изучения процесса нестационарного теплообмена в цилиндре, во многом определяющего долговечность и надежность двигателя в целом.  
Существует ряд факторов, которые осложняют процесс теплообмена в поршневых двигателях: многофазное рабочее тело, турбулентность, горение, необходимость 
учета всех видов теплообмена (теплопроводность, конвекция, радиация), а также взаимосвязи между ними. В то же время сложность процесса теплообмена в поршневых 
двигателях делает его исследование привлекательным не только для специалистов в 
области двигателестроения, но и для представителей других направлений теплофизики. В связи с этим не будет преувеличением сказать, что знакомство с расчетными и 
экспериментальными методами исследования локального теплообмена в поршневых 
двигателях может способствовать расширению кругозора современных инженеровтеплофизиков. 
Предлагаемая читателям книга написана известным ученым, профессором 
МГТУ им. Н.Э. Баумана Р.З. Кавтарадзе, который взял на себя большой труд систематически изложить теоретические и экспериментальные методы исследования 
сложного теплообмена в поршневых двигателях. Большую часть книги занимают 
результаты, полученные непосредственно автором, а также его учениками в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана. Эти материалы в разное время были представлены на международных симпозиумах, конференциях и семинарах по актуальным вопросам теплообмена в энергетических установках и всегда вызывали большой интерес. Созданный автором на их основе специальный курс лекций в МГТУ им. Н.Э. Баумана,  
а также краткие курсы лекций и научные доклады, прочитанные Р.З. Кавтарадзе  
в ряде зарубежных университетов, легли в основу учебного пособия с тем же 
названием.  
Учебник автором переработан и дополнен материалами, опубликованными после 
выхода первого (2001) и второго (2007) изданий учебного пособия, которые были 
встречены научной общественностью с большим интересом (первое издание удостоено престижной премии МГТУ им. Н.Э. Баумана за 2002 г.). Достоинство книги — 
сочетание ясного изложения фундаментальных законов теплофизики (глава 1) на фоне 

 
Предисловие 
7 

их исторического развития с описанием разработанных методов расчетно-теоретического (главы 2–5, 8) и экспериментального исследований (главы 6, 7) теплообмена в поршневых двигателях. 
Символично, что учебник выходит накануне 150-летнего юбилея факультета 
«Энергомашиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (ранее Императорское Московское техническое училище), где подготовка инженеров по специальности «Двигатели 
внутреннего сгорания» ведется с 1907 г. Основоположник этой специальности, профессор В.И. Гриневецкий, а также его последователи — профессора Н.Р. Брилинг, 
Е.К. Мазинг, Д.Н. Вырубов, А.С. Орлин, М.Г. Круглов уделяли особое внимание  
исследованию теплофизических процессов в поршневых двигателях и оставили после себя ряд фундаментальных работ.  
Предлагаемая книга вносит вклад в развитие славных научных школ МГТУ  
им. Н.Э. Баумана и, несомненно, с интересом будет встречена специалистами. 
 
Академик РАН А.И. Леонтьев 

От автора 

 

От автора 

Среди источников энергии XXI в. важнейшая роль отводится поршневым двигателям внутреннего сгорания. Обладая рядом преимуществ, в первую очередь высокой топливной экономичностью, поршневые двигатели в настоящее время занимают 
господствующее положение в транспортной энергетике, их общая мощность в несколько раз превышает установленную мощность всех электростанций. 
Развитие современного двигателестроения связано с форсированием удельной 
мощности двигателей, улучшением экономических и экологических показателей. 
Оно сопровождается дальнейшим ростом теплонапряженности основных деталей, 
образующих камеру сгорания (КС), что обусловлено изменением условий теплообмена. Расширение температурных пределов цикла, приводящее к повышению КПД 
поршневого двигателя, одновременно увеличивает тепловые нагрузки на основные 
детали и способствует повышению концентрации оксидов азота в выпускных газах. 
Но если гипотетически еще допускается создание поршневого двигателя с абсолютно безвредными выпускными газами (неважно, каким путем это достигается), 
то форсированный двигатель без теплонапряженных деталей представить трудно. 
Поэтому в последние годы неуклонно возрастает интерес к вопросам локального 
теплообмена, определяющего жизнеспособность конструкции и эффективность 
двигателя в целом. Вполне закономерно также, что в учебных программах по теории двигателей раздел «Теплообмен в поршневых двигателях» занимает значительное место, а в ведущих технических университетах он преобразован в самостоятельную дисциплину. 
Настоящая книга написана на основе лекций спецкурса и предназначена для магистрантов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». Она 
будет полезна аспирантам, научным работникам и инженерам, занимающимся исследованием, проектированием и доводкой поршневых двигателей. Следуя термину академика Л.И. Седова, книгу, посвященную решению одной конкретной проблемы локального тепообмена, можно назвать учебником монографического характера, основная цель которого — показать достижения в этой области науки и стимулировать 
интерес читателя к решению существующих проблем. Изложенный материал неоднократно обсуждался на научных семинарах, конференциях и симпозиумах, он послужил также основой для цикла докладов и кратких курсов лекций, прочитанных 
мною в Ростокском (1986–1987, 1994), Мюнхенском техническом (1990, 1995, 2000, 
2011), Пекинском технологическом (1998, 2002) и Брайтонском (2008) университетах. В полном объеме он предназначен для магистрантов второго (завершающего) 
года обучения в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Из публикаций по вопросам теплообмена в первую очередь следует назвать монографии профессоров Н.Р. Брилинга (1931), М.К. Овсянникова (1975), Г.Б. Розенблита (1977), Б.С. Стефановского (1978), А.Ф. Шеховцова (1978), А.К. Костина 
(1979), Р.М. и М.Р. Петриченко (1975, 1979, 1983), а также изданную на немецком 
языке книгу В. Пфлаума и К.М. Моленхауера (1977). Несмотря на то что со времени 

 
От автора 
9 

их выхода в свет прошло уже много лет, некоторые идеи и результаты, изложенные в 
этих книгах, не утратили своей актуальности. Они нашли отражение (правда, в разной степени) и в настоящей книге. Однако читатель легко найдет разницу и в подходах к конкретным задачам, и в изложении. В работе над книгой использованы прежде 
всего результаты исследований, полученные в МГТУ им. Н.Э. Баумана мною и моими 
учениками.  
При написании книги я исходил из предположения, что читатель владеет основами теории теплообмена в объеме, излагаемом в учебниках для технических университетов, что освобождало меня от необходимости подробного изложения ряда вопросов. Однако в некоторых случаях избежать этого не удалось, поскольку преобладающая часть вопросов в теории двигателей обсуждается впервые. 
Данный учебник значительно отличается от учебного пособия с тем же названием (1-е изд. — 2001 г., 2-е изд. — 2007 г.): добавлена новая глава 4, переработаны практически все главы, особенно это касается глав 1, 2 и 8, которые дополнены 
новыми материалами. При подготовке книги были использованы результаты ряда 
исследований, полученные совместно с докторами технических наук, профессорами 
Д.О. Онищенко и И.Е. Лобановым, кандидатами технических наук И Чунь Ваном, 
А.С. Голосовым, В.А. Федоровым, А.А. Скрипником, З.Р. Кавтарадзе, А.В. Шибановым, А.А. Зеленцовым, С.С. Сергеевым.  
В главе 1 изложена краткая история развития обшей теории теплообмена, в таком 
аспекте рассмотрены фундаментальные определения этой теории. Причиной включения в учебник данных материалов послужило то обстоятельство, что в технических 
вузах уделяется мало внимания преподаванию истории науки и техники, в то время 
как студенты и аспиранты проявляют интерес к этим вопросам. Необходимость изучения материалов этой главы определяется подготовленностью читателя.  
Глава 2 отводится традиционному для теории поршневых двигателей направлению, основанному В. Нуссельтом, — исследованию осредненного по поверхности 
КС коэффициента теплообмена. Проанализированы наиболее известные зависимости 
и указаны границы их применения. 
Метод расчета локальных нестационарных температур рабочего тела в объеме 
камеры сгорания, необходимых для оценки как тепловых нагрузок на основные детали, так и содержания оксидов азота в продуктах сгорания, описан в главе 3. Метод 
базируется на термодинамической концепции и многозонном представлении объема 
цилиндра. Он учитывает процессы испарения и сгорания топлива в отдельных зонах 
(контрольных объемах), а также тепло- и массообмен между контрольными объемами и теплообмен между рабочим телом и поверхностями камеры сгорания. Этот метод в том изложении, в каком он приведен в данном учебнике, предназначен прежде 
всего для дизелей с объемным смесеобразованием, но его можно модифицировать и 
для других типов КС. В конце главы проанализированы современные экспериментальные методы оценки локальных нестационарных температур рабочего тела. 
В главе 4 изложены трехмерные модели рабочего процесса и теплообмена в 
поршневых двигателях, основанные на фундаментальных уравнениях количества 
движения (Навье — Стокса), энергии, диффузии и неразрывности. Кратко рассмотрены модели турбулентности, горения, а также течения и теплообмена в турбулентном пограничном слое, наиболее часто используемые в современных CRFD-кодах, 
которые предназначены для исследования поршневых двигателей. Приведены примеры 3D-моделирования локальных нестационарных температур и локального теплообмена в камерах сгорания различных поршневых двигателей. 

От автора 

Глава 5 полностью посвящена разработке, реализации и экспериментальной проверке математической модели сложного (радиационно-конвективного) теплообмена, 
основанной на классической теории пограничного слоя. Предложена «струйная модель» течения рабочего тела как излучающего и поглощающего лучистую энергию 
турбулентной среды, обтекающего криволинейные поверхности КС. Расчет проводится на основе интегральных соотношений, представляющих собой обобщения известных интегральных условий Кармана (для динамического) и Польгаузена — Кружилина (для теплового пограничного слоя). При этом используются известные положения фундаментальной теории пограничного слоя («полуэмпирическая теория» 
Прандтля, консервативность профилей пограничного слоя в формулировке Кутателадзе — Леонтьева и др.). Приведены результаты расчета локального теплообмена в 
полуразделенных КС; показано, что многие известные из фундаментальной теплофизики задачи — это частный случай рассмотренных в книге задач. В конце главы описана экспериментальная установка, применяемая для проверки адекватности принятой 
модели, и проанализированы полученные результаты расчетно-экспериментального 
исследования локального теплообмена в быстроходных дизелях. 
В главе 6 изложены современные экспериментальные методы определения локальных нестационарных тепловых нагрузок на поверхностях КС. Рассмотрены различные типы датчиков (поверхностные термопары, пленочные термометры сопротивления), предназначенные для регистрации колебаний температур поверхности КС 
поршневых двигателей. Основное внимание уделено теплофизической части эксперимента, а также точности измерений. 
В главе 7 исследованы вопросы уменьшения тепловых потерь в поршневых двигателях посредством как искусственной, так и естественной теплоизоляции. Проанализирована концепция «адиабатного двигателя», изложен эффективный метод оценки толщины слоя нагара, описан известный эффект Вошни, приводящий вопреки 
ожиданиям к повышенному удельному расходу топлива в случае применения искусственной теплоизоляции. Рассмотрен также ряд особенностей, присущих рабочему 
процессу поршневого двигателя при повышенных температурах поверхности КС. 
Глава 8 является заключительной, в ней приведены численные решения краевых 
задач теплопроводности. Материалы предыдущих глав, касающиеся расчетного и 
экспериментального определения граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела, нашли в этой главе практическое применение для оценки теплового состояния основных деталей двигателя. При этом используются методы контрольных объемов и конечных элементов, проведен сравнительный анализ этих методов. В заключение приведены результаты решения ряда стационарных и нестационарных задач 
теплопроводности для основных деталей поршневого двигателя. 
Список основных обозначений и условных сокращений дан в начале книги. Стараясь не нарушать традиционные для теории тепломассообмена и теории поршневых 
двигателей обозначения, мне не удалось избежать повторения некоторых символов 
при введении различных физических величин, поэтому зачастую они поясняются в 
тексте независимо от их наличия в перечне основных обозначений. 
Считаю своим долгом выразить глубокую признательность всем, кто в той или 
иной мере способствовал выходу в свет этого учебника. В первую очередь, это мой 
учитель, профессор М.Г. Круглов, которому я благодарен за постоянное внимание к 
моим исследованиям, активное участие в обсуждении содержания рукописи и поддержку при подготовке первого издания учебного пособия. 
Необходимо вспомнить безвременно ушедших из жизни профессора Е.А. Максимова (Институт технической теплофизики АН Украины), который непосредственно участвовал в ряде экспериментов; профессора К. Штипера — директора Институ