Теория и расчет автотракторных двигателей

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное образовательное  
учреждение высшего образования 
«Самарский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
А. П. Быченин, О. С. Володько, О. Н. Черников 
 
 
 
Теория и расчет 
автотракторных двигателей 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кинель 2020 
 
2 

УДК 621.431 
   Б95 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. кафедры «Технический сервис машин»,  
ФГБОУ ВО Пензенский ГАУ, 
А. П. Уханов; 
канд. техн. наук, зав. кафедрой «Технический сервис»,  
ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 
С. Н. Жильцов 
 
 
Быченин, А. П. 
Б95 Теория и расчет автотракторных двигателей : учебное пособие / А. П. Быченин, О. С. Володько, О. Н. Черников. – Кинель : РИО Самарского ГАУ, 2020. – 181 с. 
ISBN 978-5-88575-612-9 
 
В пособии рассмотрены классификация современных двигателей 
сгорания, особенности рабочих циклов и отдельных термодинамических 
процессов, кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма, 
способы уравновешивания двигателей различной компоновки. Приведены основы расчета систем и механизмов двигателей внутреннего сгорания. Проанализированы режимы работы, представлены расчетные и рабочие характеристики, а также влияние регулировок на показатели рабочего цикла. Рассмотрены особенности эксплуатации и перспективы развития автотракторных двигателей. 
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 
программам подготовки бакалавров, специалистов и магистров инженерных направлений. 
 
 
 
 
УДК 621.431 
ISBN 978-5-88575-612-9 
 
 
 
 
© ФГБОУ ВО Самарский ГАУ, 2020 
© Быченин А. П., Володько О. С., Черников О. Н., 2020 
 
 
3 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Успешная эксплуатация автотракторной техники, оснащенной 
двигателями внутреннего сгорания (д.в.с.), не представляется возможной без владения инженерами теоретическими основами тепловых процессов, кинематики и динамики основных механизмов  
и систем д.в.с., а также без знания основных режимов работы двигателей и влияния на них основных настроек и регулировок. Инженер должен не только в совершенстве знать устройство д.в.с., но 
и иметь представление о методике расчета как непосредственно 
двигателя, так и его основных систем. Решению названных задач 
посвящено учебное пособие «Теория и расчет автотракторных 
двигателей». 
Учебное пособие «Теория и расчет автотракторных двигателей» охватывает целый спектр проблем. В их рамках рассмотрены: 
- классификация д.в.с.; 
- анализ рабочих циклов бензиновых и дизельных д.в.с.; 
- кинематика и динамика д.в.с.; 
- основы расчета систем и механизмов д.в.с.; 
- характеристики режимов работы д.в.с.; 
- влияние регулировок на режимы работы д.в.с.; 
- особенности эксплуатации автотракторных д.в.с. в различных 
условиях; 
- перспективы развития автотракторных двигателей. 
Часть поставленных вопросов рассмотрена на конкретных 
примерах. Глубина их проработки достаточна для успешного 
освоения теории и основ теплового и динамического расчетов автотракторных двигателей, а также отдельных элементов их систем 
и механизмов. Даны основы прочностных расчетов деталей кривошипно-шатунного механизма, приведены способы уравновешивания двигателей различной компоновки.  
Представленный в учебном пособии материал способствует 
формированию у студентов общепрофессиональных и профессиональных компетенций в соответствии с ФГОС ВО. 
 
 
 
 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее 
распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в полезную работу. 
Процессы сгорания топлива, выделение теплоты и преобразование 
ее в механическую энергию осуществляются в данном случае 
непосредственно внутри двигателя. 
К двигателям внутреннего сгорания относятся поршневые 
двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели. На тракторах 
и автомобилях преимущественное распространение получили 
поршневые д.в.с. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью и долговечностью. 
Начало развития д.в.с. относится к середине XIX века. Первый двухтактный двигатель Ленуара (Франция, 1860 г.) с золотниковым распределением и посторонним источником зажигания работал на светильном газе. Аналогичный двигатель был построен 
Н. Отто и Э. Лангеном в 1867 г. в Германии. Четырехтактный двигатель Н. Отто (1876 г.) работал по предложенному Бо де Роша в 
1862 г. способу предварительного сжатия рабочей смеси и сжигания при постоянном объеме, а построенный им в 1887 г. двигатель 
расходовал вдвое меньше газа и получил широкое промышленное 
применение. К концу XIX века получили распространение двигатели, работающие на жидком топливе (бензиновые, керосиновые с 
воспламенением от искры и с воспламенением от сжатия). 
В России первый бензиновый двигатель был построен  
в 1884 г. (двигатель О. С. Костовича). Десять лет спустя в Петербурге был создан первый в мире экономичный и работоспособный 
двигатель с воспламенением от сжатия, рабочий цикл которого 
отличался от предложенного немецким инженером Р. Дизелем 
цикла Карно со сгоранием по изотерме. В дальнейшем получили 
распространение 
бескомпрессорные 
дизели 
конструкции  
Г. В. Тринклера (1901 г.) и Я. В. Мамина (1910 г.). 
Успешное развитие д.в.с., разработка новых конструкций  
и повышение мощностных и экономических показателей основаны в значительной мере на результатах исследований и разработке 
 
5 

теории рабочего процесса двигателей. В 1906 г. профессор  
Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий 
впервые разработал метод теплового расчета двигателя. В дальнейшем этот метод был развит и дополнен чл.-корр. АН СССР  
Н. Р. Брилингом, проф. Е. К. Мазингом и акад. Б. С. Стечкиным. 
Результаты исследований российских ученых позволяют в настоящее время иметь стройную систему методов расчета д.в.с. с учетом назначения, конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров проектируемого двигателя. 
Массовое производство д.в.с. в нашей стране началось с двадцатых годов ХХ века. На современном этапе основными задачами по развитию и совершенствованию д.в.с., при разработке новых типов двигателей и их модернизации являются дальнейшее 
повышение мощности, снимаемой с единицы объема при высокой 
надежности конструкций, снижение удельной массы, удельного и 
эксплуатационного расходов топлива, стоимости производства 
двигателей и их эксплуатации. Намечается дальнейшее расширение сферы применения дизельных двигателей, в производстве 
уделяется особое внимание развитию семейства унифицированных 
двигателей, решается социальная проблема – снижение токсичности отработавших газов и шума двигателей. 
Наряду с совершенствованием находящихся в производстве 
д.в.с. ведутся работы по применению на транспортных машинах 
других типов тепловых двигателей, а также электрических двигателей. 
Несмотря на тенденцию к увеличению доли альтернативной 
энергетике, в автомобильном транспорте и тракторной технике в 
настоящее время полноценной альтернативы двигателям внутреннего сгорания не существует. Однако перспективным является 
внедрение энергетических средств с так называемой «гибридной 
силовой установкой» – комбинацией двигателя внутреннего сгорания с электродвигателем. Данный тип привода еще более расширяет возможности традиционных д.в.с., поскольку появляется 
возможность помимо широко известных и применяемых в двигателях термодинамических циклов Отто (бензиновые и газовые 
д.в.с.) и Сабатэ-Тринклера (дизельные д.в.с.) внедрение специфических циклов, позволяющих максимально снизить расход топлива и выбросов токсичных веществ на режимах холостого хода  
 
6 

и малых нагрузок – например, циклы Аткинсона и Миллера,  
позволяющие снизить давление на выпуске за счет применения 
механизма изменения фаз газораспределения, или цикл с самовоспламенением гомогенной горючей смеси от сжатия в двигателе с 
принудительным воспламенением (HCCI – Homogeneous charge 
compression ignition). Помимо этого, представляют определенный 
интерес двигатель с внешним подводом теплоты (двигатель Стирлинга) и газотурбинный двигатель, широко распространенный в 
авиации, но слабо представленный в автотракторной технике. 
Таким образом, совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания представляет собой комплексную проблему, решить которую невозможно без соответствующих знаний. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

 
1. КЛАССИФИКАЦИЯ Д.В.С. АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ЦИКЛА 
 
1.1. Классификация д.в.с. 
 
С каждым годом растет число моделей и модификаций автотракторных двигателей, но единой общепринятой системы их 
классификации в настоящее время не было создано. 
Это связано, главным образом, с тем, что все автотракторные 
двигатели, являясь силовыми установками, должны обеспечивать 
движение любого транспортного средства и удовлетворять самые 
различные требования этих очень различных транспортных 
средств при постоянно изменяющихся условиях и режимах их 
движения и работы. Вместе с тем, являясь достаточно сложным 
агрегатом, любой двигатель должен включать в себя многие достижения постоянно развивающихся различных направлений и отраслей науки: химии и физики, гидравлики и аэродинамики, теплотехники и электроники, металлургии и сопротивления материалов, математики и вычислительной техники и т.д. 
В учебном пособии представлена одна из возможных схем 
классификации основных типов автотракторных двигателей. 
Поршневые двигатели внутреннего сгорания современных тракторов и автомобилей классифицируются по различным признакам 
(рис. 1). 
По способу осуществления рабочего цикла поршневые д.в.с. 
разделяются на четырехтактные без наддува (впуск воздуха из атмосферы) и с наддувом (впуск свежего заряда под давлением),  
а также двухтактные с наддувом и без наддува. 
По способу регулирования в связи с изменением нагрузки 
различают двигатели: 
- с качественным регулированием, в которых при постоянном 
количестве вводимого в цилиндр воздуха увеличивается или 
уменьшается количество подаваемого топлива и состав смеси изменяется; 
- с количественным регулированием, в которых состав смеси 
остается постоянным и меняется только ее количество; 
- со смешанным регулированием, когда изменяется количество и состав смеси. 
 
8 

 
 
 
 
Рис. 1. Классификация автотракторных д.в.с. 
 
По способу охлаждения различают двигатели с воздушным и 
жидкостным охлаждением. 
По конструкции поршневые двигатели различают по расположению цилиндров на вертикальные рядные и V-образные. 
На автомобилях и тракторах получили наибольшее распространение поршневые двигатели с воспламенением от искры (карбюраторные, газовые, с впрыском топлива) и с воспламенением от 
сжатия (дизели). 
 
9 

Получают применение также роторно-поршневые двигатели, 
которые могут быть трех типов: 
- ротор (поршень) совершает планетарное движение в корпусе, при этом между ротором и корпусом образуются камеры переменного объема, в которых совершается цикл; 
- корпус совершает планетарное движение, а поршень неподвижен; 
- ротор и корпус совершают вращательное движение (бироторный двигатель). 
На некоторых опытных автомобилях устанавливают двигатели газотурбинные, паровые, а также с внешним подводом теплоты, 
работающие по циклу Стирлинга. Для автомобилей малой грузоподъемности иногда используются электрические двигатели, работающие от аккумуляторных батарей. 
 
1.2. Общее устройство и рабочий цикл д.в.с. 
 
Современный поршневой двигатель внутреннего сгорания 
представляет собой сложный агрегат. Последовательное преобразование в нем тепловой энергии сгорающего топлива в механическую осуществляется благодаря четкому взаимодействию трех механизмов и пяти систем двигателя. 
Система питания обеспечивает приготовление горючей топливо-воздушной смеси и подвод ее к цилиндрам (карбюраторные и 
газовые двигатели) или для подачи топлива в цилиндры и наполнения их воздухом (дизельные двигатели). 
Механизм регулирования изменяет количество подаваемой в 
цилиндр горючей смеси или топлива и, следовательно, совместно 
с системой питания формирует горючую смесь в соответствии с 
режимом работы двигателя. 
Механизм газораспределения предназначен для впуска в цилиндр горючей смеси или воздуха и выпуска из цилиндра отработавших газов. 
Система зажигания (бензиновые и газовые двигатели) обеспечивает принудительное воспламенение рабочей смеси (горючая 
смесь плюс остаточные газы продуктов сгорания предыдущего 
цикла) в цилиндре двигателя в оптимальный момент рабочего 
цикла. 
 
10 

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) воспринимает давление газов в процессе сгорания и преобразует возвратнопоступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. 
Система охлаждения осуществляет отвод тепла от нагретых 
деталей двигателя в окружающую среду. 
Смазочная система служит для подвода масла к трущимся поверхностям с целью уменьшения трения и отвода выделяющейся в 
узлах трения теплоты. 
Система пуска осуществляет пуск двигателя и может включать различные устройства и механизмы, обеспечивающие надежность работы системы в различных условиях эксплуатации. 
Прежде чем рассмотреть рабочий цикл двигателя, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания. 
Положения КШМ, при которых ось шатуна лежит в плоскости кривошипа, называются мертвыми точками, т. к. в этих случаях усилие, приложенное к поршню, не вызывает вращательного 
движения коленчатого вала. Угол поворота кривошипа 

0

 для 
верхней мертвой точки (ВМТ) и 

180

 для нижней мертвой 
точки (НМТ) (рис. 2). Расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое называется ходом поршня S  
и соответствует половине оборота коленчатого вала. 
Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода 
поршня, называются тактом. Такт является частью рабочего цикла 
двигателя. При перемещении поршня объем внутренней полости 
цилиндра меняется. Характерными объемами при этом принимаются следующие: 
Vc – объем камеры сгорания, характеризующий объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ; 
Va – полный объем цилиндра или объем полости цилиндра 
при положении поршня в НМТ; 
Vh – рабочий объем цилиндра, освобождаемый поршнем при 
перемещении между мертвыми точками. 
Из приведенных определений очевидно, что 
2
,
S
D
Vh



 дм3,                                 (1.1) 
4
 
11