Теория поршневых двигателей. Специальные главы

 

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 
———————————— 

Теория 

поршневых 
двигателей 

Специальные главы 

 
2-е издание, исправленное и дополненное 
 
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» 
 

 

 

 

УДК 621.43(075.8) 
ББК 31.365 
 К13 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
заведующий кафедрой двигателей внутреннего сгорания СПбГПУ,  
д-р техн. наук, профессор Ю.В. Галышев;  
заведующий кафедрой гидравлики СПбГПУ, 
д-р техн. наук, профессор М.Р. Петриченко; 
д-р техн. наук, профессор кафедры теплотехники 
и тепловых двигателей РУДН Н.Н. Патрахальцев 
 
 Кавтарадзе, Р. З.  
       Теория поршневых двигателей. Специальные главы : учебник для вузов / Р. З. Кавтарадзе. — 2-е изд., испр. и доп.— Москва : Издательство 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. — 589, [3] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-4117-4 
 
Изложены основы создания высокоэффективных и высокоэкологичных двигателей, проанализированы термодинамические циклы поршневых и комбинированных 
двигателей, особенности и теплофизические свойства используемых топлив и рабочего тела. Описаны нульмерные и трехмерные модели рабочего процесса и способы его 
организации в двигателях с внешним и внутренним смесеобразованием, а также формы камеры сгорания. Значительное внимание уделено процессам впрыскивания, распыливания, испарения топлива, задержки воспламенения и тепловыделения в бензиновых двигателях и в дизелях. Рассмотрены процессы сгорания топлива, образования 
вредных выбросов, проанализированы методы снижения их концентрации, а также 
проблемы усовершенствования и перспективы развития двигателей с непосредственным впрыскиванием бензина и дизельного топлива. Приведены математические модели основных внутрицилиндровых процессов и методы их экспериментального исследования. 2-ое издание книги дополнено новыми материалами, отражающими достижения последних лет в области двигателестроения. 
Содержание учебника соответствует курсу лекций, читаемых автором в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана. 
Для магистрантов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего 
сгорания». Может быть полезен аспирантам, научным и инженерно-техническим работникам, занимающимся созданием перспективных двигателей, а также исследованием и доводкой уже существующих. 
 
 
 
УДК 621.43(075.8) 
ББК 31.365   
 
 
 
           
 
   Кавтарадзе Р.З., 2016  
 
ISBN 978-5-7038-4117-4 
   Оформление.  Издательство    
      МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016 

К13 

Оглавление                                                               5 

Оглавление 

От автора  ....................................................................................................................  
8 
Введение  ......................................................................................................................  
11 

Глава 1. Термодинамические циклы поршневых и комбинированных 
двигателей  ......................................................................................................  
14 
1.1. Рабочий процесс в поршневых двигателях  ...................................................  
14 
1.2. Цикл Карно  ......................................................................................................  
22 
1.3. Обобщенный термодинамический цикл поршневых и комбинированных 
двигателей  ........................................................................................................  
30 
1.4. Цикл Отто  .........................................................................................................  
32 
1.5. Цикл Дизеля  .....................................................................................................  
36 
1.6. Цикл Тринклера  ...............................................................................................  
41 
1.7. Термодинамические циклы  комбинированных двигателей  .......................  
48 
1.8. Термодинамический цикл Стирлинга  ............................................................  
57 
1.9. О термодинамических циклах роторных двигателей внутреннего 
сгорания  ...........................................................................................................  
60 

Глава 2. Термодинамические параметры рабочего тела  ...................................  
62 
2.1. Особенности изменения параметров рабочего тела. Локальные  
параметры ........................................................................................................  
62 
2.2. Рабочее тело как многофазная среда  .............................................................  
65 
2.3. Теплофизические свойства компонентов рабочего тела  ..............................  
68 
2.4. Релаксация скорости  .......................................................................................  
75 
2.5. Релаксация температуры  .................................................................................  
80 

Глава 3. Моделирование рабочего процесса  в поршневых двигателях  .........  
85 
3.1. Понятие модели  ...............................................................................................  
85 
3.2. Однозонная модель  .........................................................................................  
87 
3.3. Двухзонная модель  ..........................................................................................  
98 
3.4. Многозонная модель  .......................................................................................  113 

Глава 4. Организация рабочего процесса в поршневых двигателях  ..............  122 
4.1. Генерация вихревого движения заряда  .........................................................  122 
4.2. Интенсивность вихревого движения заряда и методы ее определения  ......  126 
4.3. Интенсивность вихревого движения воздушного заряда в быстроходном 
двигателе с тангенциальным и спиральным впускными каналами  ............  135 
4.4. Камеры сгорания и способы смесеобразования в поршневых двигателях   142 
4.5. О рабочих процессах гибридных двигателей ................................................  198 

Глава 5. Впрыскивание и распыливание топлива в поршневых двигателях  .....  
202 
5.1. Впрыскивание топлива  ...................................................................................  202 
5.2. Теория распада струи жидкого топлива  ........................................................  225 
5.3. Вторичное дробление и оптимальные размеры капель ................................  231 
5.4. Топливный факел как статистический ансамбль капель различных 
размеров  ...........................................................................................................  233 
5.5. Средний диаметр капель топлива  ..................................................................  239 

Оглавление 

5.6. Вывод формулы среднего диаметра капель на основе теории подобия 
и размерности  ..................................................................................................  242 
5.7. Полуэмпирические формулы для расчета среднего диаметра капель  ........  244 
5.8. Динамика топливного факела  .........................................................................  251 
5.9. Полуэмпирические формулы для расчета динамики топливного факела  .....  259 

Глава 6. Испарение топлива  в поршневых двигателях  ....................................  264 
6.1. Некоторые особенности испарения топлива  .................................................  264 
6.2. Нестационарная диффузия паров топлива  ....................................................  270 
6.3. Подобие процессов тепло- и массообмена. Стефанов поток  .......................  274 
6.4. Испарение капель топлива в объеме камеры сгорания  ................................  278 
6.5. Испарение капель топлива  на нагретой поверхности стенки камеры  
сгорания  ...........................................................................................................  282 
6.6. Расчет пограничного слоя при наличии топливной пленки  ........................  291 

Глава 7. Основы теории горения в поршневых двигателях  .............................  307 
7.1. Понятие горения. Скорость химической реакции. Закон действующих 
масс  ...................................................................................................................  307 
7.2. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса  ...................................  312 
7.3. Коэффициент молекулярного изменения и его зависимость 
от способа смесеобразования  .........................................................................  314 
7.4. Влияние температуры на тепловой эффект реакции. Молекулярность 
и порядок реакции  ...........................................................................................  321 
7.5. Определение константы скорости реакции на основе теории  
Максвелла — Больцмана  .................................................................................  327 
7.6. Влияние давления на скорость химической реакции  ...................................  330 
7.7. Механизм и кинетика цепных химических реакций  ....................................  332 
7.8. Образование токсичных веществ  ...................................................................  337 

Глава 8. Задержка воспламенения  .........................................................................  357 
8.1. Высоко- и низкотемпературное воспламенение. Химическая 
задержка воспламенения  ................................................................................  357 
8.2. Время задержки воспламенения  .....................................................................  362 
8.3. Основные факторы, влияющие на задержку воспламенения  ......................  370 
8.4. Роль химических и физических процессов в задержке воспламенения  .....  376 
8.5. Полуэмпирические формулы для расчета времени задержки  
воспламенения  .................................................................................................  382 
8.6. Определение времени задержки воспламенения на основе 
уравнения сохранения энергии  ......................................................................  389 
8.7. Теория теплового взрыва. Теория зажигания  ...............................................  394 
8.8. Экспериментальное исследование задержки воспламенения для  
различных топлив  ...........................................................................................  406 

Глава 9. Методы расчета тепловыделения в поршневых двигателях  ............  423 
9.1. Основные виды тепловыделения  ...................................................................  423 
9.2. Расчет тепловыделения  на основе бимолекулярной реакции .....................  427 
9.3. Полуэмпирические зависимости  для расчета скорости тепловыделения  ....  
430 
9.4. Расчет тепловыделения на основе теории цепных реакций. Закон Вибе  ...  434 
9.5. Скорость тепловыделения как плотность распределения вероятности  ......  449 

Оглавление                                                               7 

9.6. Моделирование процесса сгорания с учетом процессов испарения,  
диффузии и химических превращений  ..........................................................  451 
Глава 10. Трехмерное моделирование процессов переноса  
и турбулентного горения  в поршневых двигателях  ..............................  467 
10.1. Модель нестационарного турбулентного движения и горения  
рабочего тела  .................................................................................................  467 
10.2. Модели турбулентности  ...............................................................................  472 
10.3. Моделирование турбулентного течения с горением. Модели горения  ....  488 
10.4. Метод численного интегрирования уравнений переноса  ..........................  496 
10.5. Результаты численных экспериментов по влиянию формы КС  
на изменение локальных параметров рабочего тела и концентраций  
оксидов азота  .................................................................................................  503 

Глава 11. Проблемы усовершенствования и перспективы развития поршне- 
вых двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива  ..........  508 
11.1. Бензиновые двигатели  ...................................................................................  508 
11.2. Дизели с непосредственным впрыскиванием топлива  ...............................  549 
Список литературы  ..................................................................................................  562 
Предметный указатель .............................................................................................  579 
Именной указатель  ...................................................................................................  583 
 
 
 
 
 

От автора 

От автора 

Поршневые двигатели — чрезвычайно экономичные и удобные источники энергии — используют практически во всех областях человеческой деятельности. 
Теория поршневых двигателей как научная дисциплина сформировалась 
в конце XIX в., т. е. практически одновременно с их появлением. Блестящая 
работа С. Карно и базирующаяся на ее основе классическая термодинамика 
стали тем прочным фундаментом, на котором построена теория поршневых 
двигателей. Современная теория поршневых двигателей, помимо термодинамики, требует глубокого знания теории тепло- и массообмена, гидро- и газодинамики, теории горения и др. Очевидно, что для создания конкурентоспособного поршневого двигателя в жестких условиях рынка наряду с хорошими 
теоретическими и экспериментальными базами нужен специалист, обладающий превосходной интуицией и способный синтезировать результаты исследований и принимать верные решения. Формирование такого специалиста 
начинается в технических университетах и продолжается в условиях исследовательской и производственной работы. 
Настоящий учебник предназначен как для студентов, обучающихся в магистратуре, так и для аспирантов, инженеров-исследователей и научных работников. При его написании преследовались следующие цели. 
Сформировать у читателя представление об основных концепциях и  
о фундаментальной теории, базирующейся на них; теоретически обосновать 
взаимосвязанные физические явления, имеющие место в поршневых двигателях и, что особенно важно, показать их роль в формировании экологических и 
эффективных характеристик двигателя; проанализировать и сравнить современные экспериментальные и расчетно-теоретические методы исследования 
внутрицилиндровых процессов; ознакомить читателя с историческими аспектами развития поршневых двигателей, их создателями и исследователями.  
Неоценимый вклад в развитие теории поршневых двигателей внесли 
представители различных научных школ и прежде всего МГТУ (МВТУ)  
им. Н.Э. Баумана, где еще в 1907 г. началась подготовка специалистов по 
двигателям внутреннего сгорания. Так, метод теплового расчета двигателя, 
предложенный В.И. Гриневецким и развитый в дальнейшем его учениками 
Е.К. Мазингом и Н.Р. Брилингом, в течение почти всего прошлого столетия 
был основой практически для всех учебников по теории поршневых двигателей, на которых воспитывались целые поколения инженеров, конструкторов 
и исследователей. Большая роль в создании этого направления отводится и 
работам Г.Г. Калиша (динамические явления в топливоподающей системе), 
Д.Н. Вырубова (процессы испарения и смесеобразования), Б.Г. Либровича 
(рабочий процесс в разделенных камерах), А.С. Орлина (метод расчета процессов газообмена), М.Г. Круглова (нестационарные газодинамические про

От автора                                                                 9 

цессы), В.И. Крутова (автоматическое регулирование двигателя), С.Г. Роганова и Г.Н. Мизернюка (газовый анализ), О.Б. Леонова (неустановившиеся 
режимы работы двигателя), В.П. Алексеева (тепловыделение в дизелях),  
С.И. Ефимова (рабочий процесс в двигателях с внешним подводом теплоты) 
и др. Огромны заслуги в развитии теории поршневых двигателей и представителей других научных школ, в первую очередь следует назвать ученых — 
авторов известных учебников и монографий: В.А. Ваншейдт, Г.А. Варшавский, 
И.И. Вибе, А.Н. Воинов, Н.М. Глаголев, Б.М. Гончар, Н.Х. Дьяченко, Н.Н. Иванченко, В.Н. Луканин, А.С. Лышевский, М.М. Масленников, В.В. Махалдиани, Р.М. Петриченко, Д.А. Портнов, Н.Ф. Разлейцев, Ю.Б. Свиридов,  
А.С. Соколик, Б.С. Стечкин, А.И. Толстов, М.С. Ховах и других. Из современных зарубежных изданий наибольшей популярностью пользуются книги 
Дж. Хейвуда, Х. Хироясу, Г. Меркера, Р. Пишингера, А. Урлауба, Г. Вошни. 
Безусловно, отдельные вопросы из их работ нашли отражение и в этом учебнике, в котором основное внимание уделено новейшим методам и результатам 
теории поршневых двигателей. В связи с этим он принципиально отличается 
от существующих сегодня учебников и монографий по теории поршневых 
двигателей как по форме, так и по глубине изложения рассмотренных в ней 
вопросов. Это обусловлено тем, что специальные главы теории поршневых 
двигателей студенты изучают после курса «Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей», предусмотренного учебной программой для подготовки бакалавров. Сравнительный анализ методов и зависимостей на основе различных подходов и гипотез придает учебнику 
характер справочного пособия, что должно заинтересовать читателя, у которого появляется возможность выбора того или иного метода, подхода или 
формулы для расчета.  
Книга состоит из 11 глав.  
Термодинамические циклы практически всех известных типов поршневых и комбинированных двигателей описаны в гл. 1, которую следует рассматривать как связующее звено между общей теорией поршневых двигателей, предусмотренной программой подготовки бакалавров, и специальными 
главами.  
В гл. 2 изложены особенности рабочего тела и характер изменения его теплофизических параметров. Моделирование рабочего процесса рассмотрено  
в гл. 3, основанной на материалах учебного пособия, которое ранее было опубликовано автором совместно с профессором Н.А. Иващенко по результатам исследований, полученным в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Гл. 4–8 посвящены организации рабочего процесса в цилиндре двигателя 
(гл. 4); описанию процессов впрыскивания и распыливания топлива как  
в бензиновых двигателях, так и в дизелях (гл. 5); основ нестационарных процессов испарения жидкого топлива и диффузии паров в воздухе (гл. 6); фундаментальным положениям теории горения (гл. 7) и задержки воспламенения 
в двигателях (гл. 8). В гл. 9 проанализированы практически все существующие 
методы расчета тепловыделения, даны их сравнительные характеристики, указаны существующие проблемы при прогнозировании тепловыделения. 

От автора 

Гл. 10 посвящена исследованию многомерных моделей рабочего процесса с учетом основ химической кинетики и использованию современных моделей турбулентности в теории поршневых двигателей. 
В гл. 11 проанализированы проблемы усовершенствования и перспективы развития поршневых двигателей с непосредственным впрыскиванием 
топлива легковых автомобилей, поскольку именно в этой области наблюдается жесткая конкуренция между бензиновыми двигателями и дизелями. 
Второе издание книги дополнено новыми материалами, в нем также 
устранены опечатки, замеченные в первом издании. 
В книге использованы результаты исследований, проведенных непосредственно автором, а также полученные совместно с профессором Н.А. Иващенко (многозонные модели рабочего процесса) и с коллегами из Мюнхенского технического университета: профессором Г. Вошни и доктором  
К. Цайлингером (вихревое движение в цилиндре), докторами К. Цайлингером 
и Г. Цитцлером (задержка воспламенения). Ряд расчетов выполнен доктором 
технических наук Д.О. Онищенко, кандидатами технических наук А.С. Голосовым, З.Р. Кавтарадзе, А.В. Шибановым, А.А. Зеленцовым на кафедре 
поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана.  
С большим вниманием к работе над книгой относился профессор М.Г. Круглов, не доживший, к сожалению, до выхода книги в свет. Он успел ознакомиться с частью рукописи и дал ряд ценных замечаний, способствующих, 
прежде всего, повышению практической значимости изложенного материала. 
Автор выражает искреннюю благодарность академику РАН А.И. Леонтьеву за ценные замечания и полезные советы по фундаментальным вопросам 
теплофизики, затронутым в книге, зав. кафедрой профессору Н.А. Иващенко, 
без поддержки которого был бы невозможен выход в свет первого издания 
этого учебника, а также доктору К. Цайлингеру за поддержку и плодотворное 
сотрудничество. 
Автор признателен рецензентам, заведующим кафедрами Санкт-Петербургского государственного политехнического университета профессору 
Ю.В. Галышеву и профессору М.Р. Петриченко, профессору Московского 
университета Дружбы народов Н.Н. Патрахальцеву за ценные замечания, которые были учтены при подготовке второго издания учебника, а также главному редактору Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана г-же М.К. Петросян за 
помощь в подготовке второго издания. 
Автор выражает признательность всем коллегам и слушателям курса, 
приславшим свои отзывы и указавшим на ряд опечаток в первом издании 
книги. Они по возможности были учтены при подготовке второго издания. 
Все замечания можно присылать по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, кафедра «Поршневые двигатели» или по 
e-mail: kavtaradzerz@mail.ru. Они будут приняты с благодарностью.  
 
Доктор технических наук,  
профессор  
Р.З. Кавтарадзе