МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «Харьковский политехнический институт»

В.Г. Дьяченко ТЕОРИЯ

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Учебник

для студентов высших учебных заведений

Харьков 2009

УДК 621.43 ЬБК 31.365 Д93

Рецензенты:

К). Ф. Гутаревич. д-р техн. наук, профессор Национального транспортного университета:

М.К. Рязанцеву л-р техн. наук, профессор, г лавный научный сотрудник Харьковского конструкторского бюро двигателестроения:

//.//. Тимченко, канд. техн. наук, профессор Харьковского Национального ав I омобил ыю-дорожного университета.

Дьяченко В.Г.

Д93 Теория двигателей внутреннего сгорания. Учебник / В .Г. Дьяченко - Перевод с украинского языка. - Харьков: ХНАДУ, 2009. - 500 с.

ISBN 978-966-303-247-4

Рассмотрены основные определения в двигателях внутреннего сгорания, термо­динамические и реальные циклы двигателей, их показатели, характеристики топлив и рабочего тела, принципы организации н математическое моделирование рабочих про­цессов, методы оценки технико-жономичееких показателей, выбор napaMeipoe рабо- чих процессов н консфукшш двигателя.

11редназначен для студенте специальности «Двигатели внутреннего сгорания»

Ил. 156. Табл. 30. Библиоф. 112 найм.

Розглянутт ocHOBHi визначення в двигунах, термодшшмчш та дшеш цикли дви- гунт, Гх показники, характеристики палив i робочого iina, принцип» оргашзацп га ма- тематичне модслювання робочих процеав. методи оцшки техшко-економ1чних показ - ник1в. Bii6ip параметр1в робочих npouecie i конструкцн двигуна.

Призначсмий для студент спешальноеп «Двигуни внутршнього згоряння».

1д. 156. Табл. 30. Bi6fliorp. 112 назв.

УДК 621.43 ББК 31.365

Isbn 978-966-303-247-4

© В.Г. Дьяченко, 2009.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЕ О ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ 11

§1. Основные определения 11

§2. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания 16 §3. Действительные циклы четырёхтактных двигателей внутрен­него сгорания 28

§4. Действительные циклы двухтактных двигателей внутреннего

сгорания 43

§5. Краткая история развития двигателей внутреннего сгорания . . 58

§6. Классификация двигателей внутреннего сгорания 67

ГЛАВА 2. ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРА­НИЯ 71

§1. Сырьевые ресурсы моторного топлива 71

§2. Состав нефти и нефтепродуктов 75

§3. Основные характеристики моторных топлив 80

§4. Марки моторных топлив 96

ГЛАВА 3. РАБОЧЕЕ ТЕЛО В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРА­НИЯ И ЕГО СВОЙСТВА 101

§1. Основные определения 101

§2. Состав и основные характеристики свежего заряда 104

§3. Состав продуктов сгорания при полном сгорании топлива . . . 106 §4. Состав продуктов сгорания при неполном сгорании топлива . . 111

§5. Токсичность отработавших газов 113

§6. Теплоемкость рабочего тела 121

ГЛАВА 4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ В РА­БОЧЕЙ ПОЛОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРА­НИЯ 127

§1. Уравнение объемного баланса Н.М. Глаголева 127

§2. Дифференциальные уравнения процессов массообмена и теп­лообмена в надпоршневой полости 132

§3. Теплообмен между рабочим телом и стенками надпоршневой

полости 139

ГЛАВА 5. ТЕЧЕНИЕ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЧЕРЕЗ ОРГАНЫ ГАЗОРАС­ПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 147

§1. Площадь проходных сечений клапанов 147

§2. Площадь проходных сечений окон в стенке цилиндра 152

§3. Истечение газа через органы газораспределения 154

§4. Эффективная площадь проходных сечений органов газорас­пределения 167

3

Глава 6. Процессы газообмена в четырёхтактных дви­гателях внутреннего сгорания 171

§1. Особенности организации процессов газообмена в четырёх­тактных двигателях 172

§2. Показатели процессов газообмена 177

§3. Приближенная оценка показателей газообмена четырёхтакт­ного двигателя 182

§4. Расчет процесса выпуска 186

§5. Расчет процессов в надпоршневой полости на участке пере­крытия клапанов 201

§6. Расчет процесса впуска 215

§7. Возможности использования численного моделирования про­цессов газообмена четырёхтактных двигателей для решения

практических инженерных задач 223

Глава 7. Процессы газообмена в двухтактных двига­телях внутреннего сгорания 236

§1. Особенности организации процессов газообмена в двухтакт­ных двигателях 236

§2. Расчет процессов газообмена в двухтактных двигателях с на­гнетателем 240

§3. Расчет процессов газообмена в двухтактных двигателях с

кривошипно-камерной продувкой 255

Глава 8. Газодинамические процессы в газовоздуш­ных каналах двигателей внутреннего сгора­ния 275

§1. Методы моделирования газодинамических процессов в газо­воздушных каналах двигателей 275

§2. Основные посылки моделирования неустановившегося тече­ния газа в газовоздушных каналах двигателей 277

§3. Процессы разгона газа в газовоздушных каналах двигателей 291 §4. Процессы торможения газа в газовоздушных каналах двига­телей 303

§5. Влияние газодинамических процессов во впускной и выпу­скной системах на процессы газообмена в надпоршневой по­лости 309

Глава 9. Процесс сжатия 318

§1. Процессы, происходящие в надпоршневой полости при сжа­тии рабочего тела 318

§2. Моделирование процесса сжатия в двигателях с неразделен­ными (полуразделенными) камерами сгорания 324

§3. Моделирование процесса сжатия в двигателях с разделенны­ми камерами сгорания 327

4

Глава10. Процессы смесеобразования, сгорания и рас­ширения в двигателях с искровым зажига­нием 334

§1. Процессы смесеобразования 334

§2. Зажигание топливовоздушных смесей от искры электричес­кого разряда 344

§3. Процессы сгорания топливовоздушных смесей 348

§4. Методы расчета процессов сгорания и расширения 367

Глава11. Процессы смесеобразования, воспламенения, сгорания и расширения в двигателях с вос­пламенением топлива от сжатия 378

§1. Системы подачи топлива в камеру сгорания дизеля 378

§2. Процессы смесеобразования 382

§3. Процессы воспламенения, сгорания и расширения 393

§4. Методы расчета процессов сгорания и расширения в двигате­лях с воспламенением топлива от сжатия 404

Глава12. Технико-экономические показатели двигате­лей внутреннего сгорания 420

§1. Индикаторные показатели 420

§2. Механические потери 427

§3. Эффективные показатели 431

§4. Составляющие теплового баланса 433

Глава13. Характеристики двигателей внутреннего сго­рания 441

§ 1. Режимы работы 441

§2. Регулировочные характеристики 441

§3. Эксплуатационные характеристики 447

§4. Специальные характеристики 452

Глава14. Выбор основных параметров конструкции и рабочих процессов двигателя внутреннего

СГОРАНИЯ 459

§1. Требования, предъявляемые к двигателю 459

§2. Частота вращения коленчатого вала 464

§3. Ход поршня и отношение хода поршня к диаметру цилиндра 468

§4. Число и расположение цилиндров 472

§5. Пример выбора основных параметров конструкции и рабочих

процессов двигателя 474

5

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

D	—	диаметр цилиндра, мм
S	—	ход поршня, мм
n	—	число оборотов коленчатого вала: об/мин, мин-1
с ^m	—	средняя скорость поршня, м/с полный объем надпоршневой полости: см3, л, м3
Va	—
Vc	—	объем камеры сжатия: см3, л, м3
Vh	—	рабочий объем надпоршневой полости: см3, л, м3
8	—	геометрическая степень сжатия
8a	—	действительная степень сжатия
P0	—	атмосферное давление: Па, МПа
To	—	температура атмосферного воздуха, К
Pa	—	давление смеси газов в надпоршневой полости в НМТ: Па, МПа
Ta	—	температура смеси газов в надпоршневой полости в НМТ, К
Mh	—	потенциальный заряд надпоршневой полости, кг
Лv	—	коэффициент наполнения при условиях окружающей среды
Y	—	коэффициент остаточных газов
Ps	—	давление воздуха (смеси) перед впускными клапанами: Па, МПа
T s	—	температура воздуха (смеси) перед впускными клапанами, К
4vs		коэффициент наполнения при условиях перед впускными клапанами
Ф	—	коэффициент избытка продувочного воздуха
U	—	коэффициент утечки продувочного воздуха
Pc	—	давление смеси газов в конце такта сжатия: Па, МПа
Pz	—	максимальное давление газов в надпоршневой полости: Па, МПа
Pi	—	среднее индикаторное давление: Па, МПа
Рид	—	среднее давление механических потерь: Па, МПа
рн.п	—	среднее давление насосных потерь: Па, МПа
Pe	—	среднее эффективное давление: Па, МПа
N	—	индикаторная мощность, кВт
Ne	—	эффективная мощность, кВт
Лм	—	механический коэффициент полезного действия
4i	—	индикаторный коэффициент полезного действия
gi	—	удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт-ч)
Ле	—	эффективный коэффициент полезного действия
ge	—	удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт-ч)
B4	—	часовой расход топлива, кг/ч.

6

ВВЕДЕНИЕ

Эффективность производства, темпы научно-технического прогресса, рациональное использование топливных ресурсов все в большей мере зависят от состояния топливно-энергетического комплекса страны. Важнейшей составной частью топливно­энергетического комплекса, наряду с электроэнергетикой, явля­ются двигатели внутреннего сгорания. Высокая экономичность, относительно небольшие габариты и масса, надежность и авто­номность обеспечили широкое применение двигателей внутрен­него сгорания в качестве энергетической установки на автомо­бильном, железнодорожном и водном транспорте, в сельском хо­зяйстве и строительстве. Исключительно велика роль двигателей внутреннего сгорания в экономике развивающихся стран. Во многих развивающихся странах двигатели внутреннего сгорания широко используются и для производства электроэнергии. Труд­но переоценить значение двигателей внутреннего сгорания и для экономики Украины. Суммарная мощность действующего на Ук­раине парка двигателей внутреннего сгорания более чем на поря­док превышает мощность стационарных электростанций. Это со­отношение сохранится и в будущем.

Развитие двигателей внутреннего сгорания (как и энергети­ки в целом) все в большей степени предопределяется ужесточе­нием требований в отношении экономичности, выбросов токсич­ных веществ с отработавшими газами. Это обусловлено, во- первых, ограниченными запасами органического топлива и в первую очередь нефти, во-вторых, повышением уровня загрязне­ния атмосферы токсичными веществами отработавших газов дви­гателей внутреннего сгорания.

Насколько остро сегодня стоит вопрос о снижении загряз­нения воздуха в крупных промышленных центрах многих стран выбросами токсичных веществ с отработавшими газами двигате­лей внутреннего сгорания можно судить по тем мероприятиям, которые предпринимаются для снижения токсичности отрабо­тавших газов двигателей (организация производства неэтилиро­ванных высокооктановых бензинов, электронных систем впрыска и управления; установка на автомобилях каталитических нейтра-

7

лизаторов, существенно повышающих их стоимость). Проектами норм на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами предусматривается их дальнейшее ужесточение, что потребует дополнительных капиталовложений, прежде всего, в автомо­бильную промышленность.

В ряде стран разработаны долговременные планы снижения эксплуатационного расхода топлива различными типами двига­телей. Расширяются исследования по использованию альтерна­тивных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания (природного газа, метанола, этанола, синтетического бензина, во­дорода и дизельного топлива из растительных масел). Примени­тельно к условиям стран СНГ перспективным является расшире­ние использования природного газа, этилового спирта и дизель­ного топлива из рапсового масла, организация производства син­тетических моторных топлив на базе глубокой технологической переработки угля с водородом или с водяным паром при объеди­нении углехимического комплекса с атомной энергетикой и ди­зельного топлива из рапсового масла. Нефть и газ все в большем количестве будут направляться на технологические нужды хими­ческой и микробиологической промышленности. Существенная экономия органического жидкого топлива может быть достигну­та за счет совершенствования структуры топливно-энергетичес­кого баланса и более рационального использования всех видов топлива и энергии, снижения расхода моторного топлива на транспорте, в сельском хозяйстве как за счет повышения эконо­мичности двигателей, так и за счет организационно-технических мероприятий.

Экономичность, экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания определяются, в основном, уровнем довод­ки рабочих процессов, отличающихся сложностью процессов массообмена, теплообмена, химических реакций окисления топ­лива. Строгое аналитическое описание этих явлений, взаимосвя­зей параметров конструкции и рабочих процессов с конечными технико-экономическими показателями двигателя нереально и в обозримом будущем. Поэтому конечной целью теории двигате­лей внутреннего сгорания является установление на базе практи­ческого опыта создания двигателей и их эксплуатации взаимосвя­

8

зей между важнейшими эксплуатационными показателями, опре­деляющими потребительские качества двигателя (мощность, рас­ход топлива, масса, габариты) и параметрами конструкции, рабо­чих процессов как на стадии проектирования и доводки двигате­ля, так и при модернизации выпускаемых двигателей.

Важнейшим источником исходных данных при оценке вы­бора параметров конструкции и рабочих процессов, оценки уров­ня показателей рабочих процессов является индикаторная диа­грамма. Индикаторная диаграмма необходима и при оценке на­грузок на детали двигателя при расчетах на прочность.

Простейший метод построения индикаторной диаграммы - построение диаграммы термодинамического цикла с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме или с подводом части теплоты к рабочему телу при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении. Однако термодинамический цикл слишком схематично отражает действительные процессы, происходящие в рабочей полости, и позволяет оценить только влияние на термический коэффициент полезного действия и удельную работу газов степени сжатия, степени повышения дав­ления или степени предварительного и последующего расшире­ния.

Более полно учитывает особенности действительных про­цессов, происходящих в рабочей полости двигателя (состав и ко­личество рабочего тела, интенсивность выделения теплоты при сгорании, теплообмен между рабочим телом и стенками рабочей полости), метод построения индикаторной диаграммы, предло­женный в 1907 году В.И. Гриневецким (1871-1919 г.г.). С по­следующими дополнениями и уточнениями этот метод построе­ния индикаторной диаграммы и сегодня широко используется для приближенного расчета параметров и показателей рабочих процессов двигателя. При этом точность определения параметров и показателей цикла зависит от нескольких коэффициентов, зна­чения которых принимаются по экспериментальным данным для подобных двигателей. Поэтому методы анализа эксперименталь­ных индикаторных диаграмм действительных циклов различных двигателей, систематизация коэффициентов, используемых при

9

расчетах рабочих процессов проектируемых двигателей, также являются одной из важных составных частей теории двигателей.

Возможности метода построения индикаторной диаграммы В.И. Гриневецкого также значительно ограничены, поскольку не позволяют рассчитать изменение состава, количества и парамет­ров рабочего тела по углу поворота кривошипа на участке газо­обмена, сгорания - расширения, оценить влияние внешней на­грузки и других факторов на показатели цикла и двигателя в це­лом. Не учитываются в данном методе с достаточной точностью и особенности физических и химических явлений в рабочей по­лости.

Значительно сложнее уточненные методы построения инди­каторной диаграммы, достаточно полно учитывающие физиче­ские явления, происходящие в рабочей полости. Основы этих ме­тодов были предложены и доведены до уровня инженерных рас­четов Н.М. Глаголевым (1903-1976 г.г.) [1]. В данных методах значения ряда более простых по физическому смыслу коэффици­ентов также необходимо принимать по экспериментальным дан­ным для подобных двигателей. Это позволяет более полно учи­тывать особенности протекания реальных рабочих процессов, влияние различных факторов на показатели действительного цикла. Однако, несмотря на то, что при этом необходимо прини­мать значения меньшего количества коэффициентов, чем в мето­де построения индикаторной диаграммы В.И. Гриневецкого, их связи с параметрами и конечными показателями действительного цикла определяется более сложными аналитическими зависимо­стями. Широкое применение данных методов в инженерной практике стало возможно только при появлении вычислительной техники.

Не менее важными в теории двигателей внутреннего сгора­ния являются и методы оценки влияния различных факторов на основные эксплуатационные показатели двигателя, методы оцен­ки выбора основных конструктивных параметров и параметров рабочих процессов, разработка алгоритмов и программ расчета действительных циклов современных двигателей внутреннего сгорания, прогнозирование направлений совершенствования как рабочих процессов, так и конструкции двигателей.

10