Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля


СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году

В.А. Стуканов



ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И АВТОМОБИЛЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальностям «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» и «Механизация сельского хозяйства»




Электронно-


            znanium.com



Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2020

УДК 629.3.027(075.32)
ББК 39.33-08я723

     С88



      Рецензенты:
         нач. кафедры автомобильной подготовки Воронежского военного авиационного инженерного института, кандидат технических наук, профессор Ю.М. Пурусов;
         преподаватель Отраслевого автомобильного колледжа Мосавто-транса, действительный член Академии изобретательства Российской академии естественных наук, академик И.С. Туревский

      Стуканов В.А.
С88 Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля : учебное пособие / В.А. Стуканов. — Москва : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 368 с. — (Среднее профессиональное образование).


          ISBN 978-5-8199-0770-2 (ИД «ФОРУМ»)
          ISBN 978-5-16-013805-3 (ИНФРА-М, print)
          ISBN 978-5-16-101654-1 (ИНФРА-М, online)


         В книге рассмотрены теоретические основы рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания, основные уравнения гидродинамики и карбюрации, факторы, влияющие на эффективные показатели двигателей. Изложены основы кинематики, динамики и уравновешивания поршневых ДВС. Во второй части рассмотрены вопросы динамики прямолинейного движения и поворота автомобиля, а также управляемость, проходимость и другие его эксплуатационные свойства.
         Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», также может быть использовано инженерно-техническим персоналом автомобильной специальности и студентами вузов.


УДК 629.3.027(075.32)
ББК 39.33-08я723












ISBN 978-5-8199-0770-2 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-013805-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-101654-1 (ИНФРА-М, online)


© Стуканов В.А., 2014
© ИД «ФОРУМ», 2014

                Введение





Такому научно-техническому достижению, как изобретение автомобиля, исполнилось 120 лет. С тех пор конструкция автомобиля так усложнилась, что для его эксплуатации необходим технически подготовленный персонал.
    Грамотная эксплуатация автомобиля предполагает не только знание его устройства и технического обслуживания, но и понимание физических процессов, посредством которых работает данное транспортное средство.
    Особое место в конструкции автомобиля занимает силовая установка, т. е. двгатель внутреннего сгорания (ДВС).
    На автомобильном транспорте применяются карбюраторные и дизельные двигатели, а также бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси.
    Достоинствами карбюраторных двигателей являются:
    • небольшие габаритные размеры и масса;
    • легкий пуск, особенно при низких температурах окружающей среды;
    • низкий уровень шума;
    • простота и низкая себестоимость топливной аппаратуры;
    • более простые регулировки и техническое обслуживание.
    Недостатками карбюраторных двигателей являются:
    • низкая экономичность;
    • значительное загрязнение окружающей среды;
    • высокие требования к качеству топлива;
    • низкие динамические характеристики при переменных режимах работы;
    • зависимость работы системы питания от положения двигателя и автомобиля;
    • высокая пожароопасность.
    По сравнению с карбюраторными двигателями дизели обладают значительно более высокой экономичностью, могут работать (кратковременно) на нестандартных топливах, имеют высокие динамические характеристики. В дизелях допускается форсирование мощности путем наддува.
    Основные недостатки дизелей:
    • большие габаритные размеры и масса;
    • сложная и дорогая топливная аппаратура;
    • высокий уровень шума.

Введение

    Бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси в зависимости от организации процесса смесеобразования и их конструктивных особенностей могут сочетать в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.
    Теория ДВС развивалась вместе с двигателестроением. Профессор МВТУ В. И. Гриневецкий разработал метод теплового расчета, который впоследствии был развит и дополнен профессором Е. К. Мазингом, членом-корреспондентом АН Н. Р. Брилингом, академиками Б. С. Стечкиным, Н. С. Семеновым, А. С. Соколиком, А. Н. Воиновым.
    Динамика автомобиля, его маневренность и проходимость зависят не только от условий эксплуатации — дорог, температуры воздуха, силы ветра, но и от конструктивных особенностей автомобиля — двигателя, силовой передачи, подвески, колес. У одних автомобилей эти элементы достаточно просты, у других они сложнее и работают в сложных и часто меняющихся условиях. Поэтому теория автомобиля включает в себя теорию движения самого автомобиля и теорию работы отдельных его элементов.
    Формирование теории автомобилей как науки принадлежит академику Е. А. Чудакову, который в 1935 г. выпустил первый учебник «Теория автомобиля». В 1932—1939 гг. профессора Г. В. Зиме-лев и Б. С. Фалькевич развили и углубили данную науку. В дальнейшем в теорию автомобиля внесли свой вклад Н. А. Яковлев, А. С. Литвинов, В. А. Иларионов, Я. Е. Фаробин и ряд других ученых.
    Современный этап развития теории автомобиля характеризуется углубленным изучением отдельных его составляющих и эксплуатационных свойств автомобиля, оптимизацией их показателей и технических параметров, что позволяет еще на стадии проектирования создавать наиболее рациональные конструкции автомобилей и обеспечить максимальную эффективность их применения.
    В данной книге приводятся основы теории ДВС и автомобиля, которые позволят учащимся расширить свое представление об автомобиле в целом.

                ЧАСТЬ I ОСНОВЫ ТЕОРИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ





Глава 1
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ


1.1. Понятие о термодинамическом процессе

1.1.1. Рабочее тело и параметры его состояния

Всякая тепловая машина приводится в действие вследствие происходящего в ней изменения состояния вещества, называемого рабочим телом или рабочим агентом.
   Совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой, называется термодинамической системой.
   Рабочее тело определяет тип и назначение тепловой машины. Так у паровой машины рабочим телом является водяной пар, у поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей — продукты сгорания топлива, у компрессоров холодильных машин рабочим агентом является пар аммиака, фреона и т. д. Для расчета термодинамического анализа работы тепловой машины необходимо знать термодинамические свойства рабочего тела.
   Наиболее эффективными рабочими телами для тепловых машин являются газы и пары, обладающие наибольшим коэффициентом объемного расширения.
   В технической термодинамике в качестве рабочего тела принимается идеальный газ — условное газообразное вещество, силами взаимодействия между молекулами которого пренебрегают.
   В реальных же газах учитываются силы притяжения между молекулами, а молекулы имеют объем. Если реальные газы сильно разряжены, их свойства близки к свойствам идеального газа.
   В качестве идеальных газов могут рассматривать такие газы, как азот, гелий, водород.

ЧАСТЬ I. Основы теории автомобильных двигателей

    В общем случае для теплотехнических расчетов вполне допустимо распространение свойств идеального газа на все рассматриваемые газы. Это позволяет упростить математические выражения законов термодинамики.
    Очевидно, что одно и то же вещество при различных условиях может находиться в различных состояниях.
    Для того чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривается данное вещество и тем самым однозначно определить его состояние, вводятся параметры состояния вещества.
    Параметрами состояния газа называются величины, характеризующие данное состояние газа.
    К параметрам состояния газа относятся абсолютная температура, абсолютное давление, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия и др. Абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем являются основными параметрами газообразного вещества.

Абсолютная температура

Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует степень его нагрева. Температуру газа измеряют приборами, основанными на тех или иных свойствах вещества, меняющихся с изменением температуры. Эти приборы имеют градуировку, т. е. температурную шкалу.
    Создателем первого такого прибора — термометра был немецкий ученый Фаренгейт, который за начало шкалы принял уровень, соответствующий температуре таяния смеси, состоящей из равных масс нашатыря и тающего льда. Верхней точкой был уровень, соответствующий температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими двумя уровнями он разделил на 180 частей и, таким образом, получил один градус.
    В 1723 г. французский физик Реомюр предложил шкалу, основанную на двух опорных точках, соответствующих температурам таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между двумя точками он разделил на 80 равных частей.
    В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил температурную шкалу с теми же опорными точками, на которых построена шкала Реомюра, но расстояние между ними он разделил на 100 частей. Обозначается градус Цельсия — °C.
    В настоящее время в термодинамике в качестве основной принята термодинамическая температурная шкала, где нижней грани

Глава 1. Основы технической термодинамики

7

цей шкалы является температура абсолютного нуля (практически недостижимая), когда прекращается тепловое движение молекул.
    Единица температуры по термодинамической температурной шкале получила название Кельвин по имени ученого У. Томпсона, лорда Кельвина, предложившего начало отсчета вести от абсолют

ного нуля.
    Тройной точке воды, т. е. когда в равновесии находятся три фазы воды: лед, жидкость и пар, присвоена температура 273,15 K. Она находится на 0,01 °C выше точки плавления льда.

На рис. 1.1 показано соотношение меж-

ду шкалой Цельсия и шкалой Кельвина, т. е. °с       к         
                                           --- 1300           
                                           1000 ---           
T(K) = t (°C) + 273,15,                    --- 1200           
                                           900 ---            
где T --- температура по термодинамической 800      1100      
шкале, K; t --- температура по шкале Цель- 700      1000      
сия, °C.                                   600 ---  900       
К преимуществам термодинамической          500 ~  800         
температурной шкалы можно отнести следу-   400      700       
ющее:                                      300 ---  600       
во-первых, значения температур по этой     200      500       
шкале не зависят от физических свойств     100 ---  400       
термометрических тел;                      0 -- 273,15        
во-вторых, температура по этой шкале       - 100 -- 200       
может быть воспроизведена с большой точ-   -200      100      
ностью, так как она строится по одной      --- 273,15 ------ 0

опорной точке;
    в-третьих, все температуры — величины положительные, что упрощает расчеты.

Рис. 1.1. Сопоставление шкалы Цельсия и термодинамической шкалы

Абсолютное давление

Давление — физическая величина, характеризующая интенсивность сил, действующих по нормали к поверхности тела и отнесенных к единице площади этой поверхности.
    Различают следующие виды давлений: барометрическое (атмосферное ), нормальное, абсолютное, манометрическое (избыточное) и вакууметрическое (разряжения).
    Для измерения давления применяются различные единицы: Паскаль (Па), бар, техническая атмосфера или просто атмосфера, миллиметр ртутного или водяного столба, которые находятся в следующих соотношениях:
    1 Па = 10“⁵ бар = 1,02 • 10“⁵ кгс/см² = 7,5024 • 10“³ мм рт. ст.

ЧАСТЬ I. Основы теории автомобильных двигателей

    Барометрическое давление зависит от массы слоя воздуха. Самое большое барометрическое давление было зарегистрировано на уровне моря и составило 809 мм рт. ст., а самое низкое — 684 мм рт. ст. Барометрическое давление выражается высотой столба ртути в мм, приведенного к 0 °C.
    Нормальное давление — это среднее значение давления воздуха за год на уровне моря, которое определяется ртутным барометром при температуре ртути 273 К. Оно равно примерно 101,3 кПа (750 мм рт. ст.). То есть нормальным давлением называется барометрическое давление, равное одной физической атмосфере и является частным случаем барометрического давления.
    Абсолютным давлением называется давление газов и жидкостей в закрытых объемах. Оно не зависит от состояния окружающей среды.
    Манометрическим давлением называется разность между абсолютным давлением и барометрическим давлением, если первое больше второго.
    Манометр — прибор с помощью которого измеряют давление в закрытом сосуде, находясь вне этого сосуда, испытывает давление как со стороны окружающей среды, так и со стороны сосуда. Поэтому полное или абсолютное давление газа в сосуде равно сумме манометрического давления и барометрического.
    Вакуумметрическим давлением называется разность между барометрическим давлением и абсолютным давлением, если последнее меньше первого.

Удельный объем

Удельный объем вещества — это величина, равная отношению его объема к его массе:
                           v = V/m, где m — масса вещества; V — объем вещества.
    Величина, обратная удельному объему, есть плотность вещества: р = m/V.

1.1.2. Законы идеальных газов

В XVII—XIX-х столетиях исследователями, изучавшими поведение газов при давлениях, близких к атмосферному, опытным путем были установлены важнейшие закономерности.

Глава 1. Основы технической термодинамики        9

    В 1662 г. Р. Бойлем, а в 1676 г. независимо от него Э. Мариоттом было доказано, что при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно, т. е. в изотермическом процессе расширения или сжатия газа

pv = const.

    Иначе говоря, при постоянной температуре удельные объемы газа обратно пропорциональны его давлениям:

v 2/v1 = Р1/Р 2

и

P1V1 = Р2V2 (при T = COnSt),

где v 1 и v₂ — удельные объемы в начальном и конечном состояниях газа; p 1 и p₂ — соответствующие им давления.
    В 1802 г. французский ученый Гей-Люссак открыл закон, согласно которому объем данной массы газа при постоянном давлении меняется линейно с температурой, т. е. для начального и конечного состояний газа

V1 /V 2 ⁼ TI/T2.
    За 15 лет до того, как Гей-Люссак открыл свой закон, французский физик Шарль доказал, что при постоянном удельном объеме изменение давления газа прямо пропорционально его абсолютным температурам:

Р2/Р1 = T2/Т₁ (при v = const)

или

Р2 T2 - Р1T₍.

1.1.3. Уравнение состояния идеальных газов

Законы Бойля—Мариотта, Гей-Люссака и Шарля устанавливают связь только между двумя из трех основных параметров газа p, v и Т при условии, что значение третьего параметра остается постоянным. Уравнение состояния идеального газа устанавливает связь между всеми тремя основными его параметрами.
    Допустим, что идеальный газ, заключенный в цилиндре с поршнем имеет параметры p 1, v 1 и Т₍ (рис. 1.2, а). Если уменьшить давление газа в цилиндре и подвести к нему некоторое количество

ЧАСТЬ I. Основы теории автомобильных двигателей

а)                    б)                     в)

Рис. 1.2. Иллюстрация уравнения состояния идеального газа

теплоты, то газ перейдет в новое состояние, где будут иметь место параметры p₂, v₂ и Т₂ (рис. 1.2, б).
    Чтобы установить связь между начальным и конечным состояниями газа, осуществим переход из первого состояния в последнее двумя промежуточными операциями. Сначала уменьшим давление газа от p 1 до p₂, поддерживая температуру Т1 постоянной путем подвода теплоты к газу. Тогда газ окажется в промежуточном состоянии (рис. 1.2, в) и будет иметь параметры p₂, v₃ и Т1. Затем будем подогревать газ так, чтобы он продолжал расширяться, сохраняя свое давление неизменным, его температура при этом повысится до Т₂ (рис. 1.2, б).
    Сопоставим эти три состояния газа. Так как в первом состоянии и третьем температуры одинаковы, то между удельными объемами и давлением газа в этих состояниях должна по закону Бойля-Мариотта существовать следующая связь:

                           v3/v1 = й/ p 2, тогда
v3 = pxv1/p 2-
    Так как в третьем и втором состояниях давления одинаковы, то по закону Гей-Люссака

                           v3/v2 ~ TI/T2, откуда
v3 ~ v2T1 /T2.