Теория двигателей внутреннего сгорания

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ — БАКАЛАВРИАТ

В.С. КУРАСОВ
В.В. ДРАГУЛЕНКО

ТЕОРИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ 

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Учебное пособие

Москва

ИНФРА-М

2021

УДК 621.43.01(042.4)(075.8)
ББК 31.365я73

К93

Рецензенты:

Л.М.  Хажметов — доктор технических наук, профессор (Кабардино
Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова);

А.Д. Таран — кандидат технических наук, доцент (Кубанский государ
ственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина)

Курасов В.С.

К93
Теория двигателей внутреннего сгорания
: учебное пособие / 

В.С. Курасов, В.В. Драгуленко. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 86 с. —
(Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-16-109793-9 (online)

В учебном пособии рассматриваются методы теоретического моделирова
ния и расчета процессов, составляющих рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Анализируется влияние различных факторов на процессы наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Приводятся методы определения индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла, а также основных конструктивных параметров двигателей.

Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по 

направлениям подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» (уровень бакалавриата), 
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» (уровень 
бакалавриата) 
и 
специальности 
23.05.01
«Наземные 
транспортно
технологические средства» (уровень специалитета).

УДК 621.43.01(042.4)(075.8)

ББК 31.365я73

ISBN 978-5-16-109793-9 (online)
© Курасов В.С., Драгуленко В.В., 

2021

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Оглавление

1 Классификация и принцип работы двигателей внутреннего 

сгорания ………………………………………………………….............
5

1.1 Общие сведения и классификация …………………………....
5

1.2 Рабочий цикл четырехтактного ДВС …………………………
10

1.3 Рабочий цикл двухтактного ДВС ……………………………..
16

2 Тепловой расчет двигателей внутреннего сгорания …………..
21

2.1 Теоретические термодинамические циклы ДВС …………....
22

2.1.1 Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном 

объеме ……………………………………………………………………
22

2.1.2 Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном 

давлении …………………………………………………………………
24

2.1.3 Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном 

объеме и постоянном давлении (смешанный цикл) …………………..
26

2.2 Действительные циклы ДВС ……………………………….....
28

2.2.1 Рабочие тела и их свойства ………………………………….

28

2.2.2 Процесс впуска ………………………………………………
32

2.2.3 Процесс сжатия ………………………………………………
36

2.2.4 Процесс сгорания …………………………………………….
37

2.2.5 Процесс расширения ………………………………………...
45

2.2.6 Процесс выпуска …………………………………………….
46

2.3 Индикаторные и эффективные показатели двигателя ………
47

2.3.1 Индикаторные показатели двигателей ……………………..
47

2.3.2 Эффективные показатели двигателей ………………………
49

2.4 Особенности рабочего цикла и теплового расчета двухтакт
ных двигателей ……………………………………………………..........
52

3 Параметры двигателей внутреннего сгорания …………………
55

3.1 Тепловой баланс двигателей ……………………………….....
55

3.2 Определение основных размеров двигателей ………………..
56

3.3 Основные параметры двигателей ……………………………..
58

4 Характеристики двигателей внутреннего сгорания …………...
59

4.1 Регулировочные характеристики ……………………………..
60

4.2 Скоростные характеристики …………………………………..
62

4.2.1 Внешняя скоростная характеристика ………………………
63

4.2.2 Частичные скоростные характеристики ……………………
64

4.2.3 Построение скоростных характеристик аналитическим 

методом …………………………………………………………………..
65

4.3 Регуляторная характеристика …………………………………
65

4.4 Нагрузочная характеристика ……………………………….....
5 Кинематика кривошипно-шатунного механизма двигателя 

внутреннего сгорания …………………………………………………...

5.1 Путь, скорость и ускорение поршня ………………………….
5.2 Уравновешивание двигателей ………………………………...
5.3 Маховой момент и определение размеров маховика ……….
5.4 Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме 

ДВС ………………………………………………………………………

5.5 Путь, скорость и ускорение поршня ………………………….
Список использованных источников ……………………………..

66

68
68
69
72

75
83
86

1 Классификация и принцип работы двигателей внутреннего сго
рания

1.1 Общие сведения и классификация 

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую 

тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в 
тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего ци-
линдра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и 
термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведе
на на рисунке 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, 
на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат 
природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет 
собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и 
др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого 
топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой 
нефти до высокооктанового бензина.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим 

признакам:


по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия; 


по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува; 


по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и 
бензиновые с впрыском топлива в цилиндр); 


по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением; 


по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением. 
Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре 

двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием 
давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью 
кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие 
процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для 
двигателей внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания 

Газотурбинные 
Поршневые 
Комбинированные 

Паровые 
Жидкостные 
Смешанные 

Работающие на 

дизельном  

топливе 

 

Иного топливные 

Работающие  
на бензине 

С внутренним 

смесеобразованием 

С внешним 

смесеобразованием 

С принудительным 
воспламенением 

рабочей смеси 

С воспламенением 
рабочей смеси от 

сжатия 

Воздушное 
охлаждение 

Жидкостное 
охлаждение 

Стационарные 
Транспортные 
Судовые 

Однорядные 
Двухрядные 

Работающие  
на бензине 

Работающие  
на бензине 

С вертикальным 
расположением 

цилиндров 

С вертикальным 
расположением 

цилиндров 

С вертикальным 
расположением 

цилиндров 

 

V - образные 

 

Оппозитные 

 
W –  образные 

Двухтактные 
Четырехтактные 

С наддувом 
Без наддува 

Рисунок 1.1 - Классификация двигателей внутреннего сгорания

Работающие 
На дизельном 
топливе  

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в 

крайних положениях, где изменяется направление его движения (рисунок
1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками, так как 
усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называется 
верхней мертвой точкой (ВМТ). Нижней мертвой точкой (НМТ) называют 
такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала 
двигателя достигает минимума.

Рисунок 1.2 - Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом 

поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 
180°.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема 

надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания Vc. 

Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между 

мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра Vh

   

    

   
(1.1)

где D – диаметр цилиндра, мм; 

S – ход поршня, мм.

Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ 

называют полным объемом цилиндра Va

        .                                               (1.2)

Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего 

объема цилиндра на число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc

называют степенью сжатия

  

  
   

     

  
   

  
  .                                      (1.3)

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабоче
го тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя 
энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.

Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помо
щью специальных механизмов и систем двигателя.

Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания 

может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рисунке
1.3.

а) 
б)

Рисунок 1.3 - Схемы рабочего цикла двигателей

По схеме, изображенной на рисунке 1.3,а рабочий цикл осуществляется 

следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. 
Сжатие смеси необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом 
расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. 
Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси 
воздуха с топливом.

Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнитель
ное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие 
быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение 
поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения, нагретые до высокой температуры газы, совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним, и 
температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения сле

дует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск) и рабочий цикл повторяется.

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т.е. про
цесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение 
цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива 
во впускной трубопровод, т.е. двигатели, в которых применяется топливо, 
легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных 
условиях.

Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием 

должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка 
или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и 
т.д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием 
находится в пределах 1,0–2,0 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, 

то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет 
улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на ри
сунке 1.3,б процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. 
Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом 
(впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр 
через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. 
Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя 
топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по 
этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия (дизельный двигатель) или от электрической искры через определенный угол поворота коленчатого вала после впрыска бензина (бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндры). Впрыск топлива во избежание 
преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия за определенный угол поворота коленчатого вала. В дизельных двигателях к моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается, а в некоторых дизелях впрыскивается несколькими порциями за такт. Топливовоздушная смесь в дизелях, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, лучшего смесеобразования и распределения его в район свечи зажигания, допу

стимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка 
цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели 
называются двигателями с внутренним смесеобразованием. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, 
называются двигателями с воспламенением от сжатия или дизелями.

1.2 Рабочий цикл четырехтактного ДВС

Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или 

за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным. Рабочий 
цикл в таком двигателе происходит следующим образом. 

Первый такт – впуск (рисунок 1.4). В начале первого такта поршень

находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10…30° до ВМТ. 

Рисунок 1.4 – Такт впуска

Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего про
цесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной 
диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r. При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной 

клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с 
впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую 
щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к 
моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси 
в цилиндр. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью).

При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных 

клапанов давление в цилиндре становится на 0,01…0,03 МПа меньше давления во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия rа.

Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении 

движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.

Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала 

опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В 
начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в 
цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, 
оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и 
давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем 
с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере 
опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное 
отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в 
цилиндр проходит в больших количествах. 

Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента до
стижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси 
(или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в 
НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь 
(или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, 
освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом 
давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубопроводе.

Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосфер
ному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0,13…0,45 МПа) в двигателях с наддувом. 

Впуск оканчивается в момент закрытия впускного отверстия (40…60°) 

после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при посте

пенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.

При малых числах оборотов вала, например, при пуске двигателя, сила 

инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или 
воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.

При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом 

начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема 
поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.

При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубо
проводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка 
цилиндра, а обратный выброс не наступает.

Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рису
нок 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда. 

Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором 

перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым 
с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия 
клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точка с) 
будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.

Рисунок 1.5 – Такт сжатия