Курсовая работа по ДВС: Комплексный расчет, анализ и современные тенденции энергетических установок

Даже в эпоху стремительного развития электромобилей, когда, по данным 2023 года, автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) составляли около 70% мирового автопарка, а в России этот показатель превышал 95%, значимость глубокого изучения и понимания этих энергетических установок остается неоспоримой. ДВС продолжают быть основной движущей силой для большинства транспортных средств, сельскохозяйственной техники и многих промышленных агрегатов. Однако их эволюция не останавливается, и современные двигатели — это высокотехнологичные, экономичные и экологичные системы, требующие от инженеров всесторонних знаний.

Настоящая курсовая работа ставит своей целью не просто обзор, а комплексное и детализированное исследование рабочих процессов, конструктивных особенностей, принципов расчета и анализа характеристик двигателей внутреннего сгорания. Мы углубимся в термодинамические основы, рассмотрим методики инженерных расчетов индикаторных и эффективных параметров, научимся строить и интерпретировать ключевые диаграммы, а также проанализируем факторы, влияющие на тягово-динамические и экономические показатели транспортных средств. Особое внимание будет уделено современным тенденциям развития ДВС, их влиянию на повышение эффективности и снижение экологического воздействия.

Структура работы охватывает все аспекты, необходимые для формирования целостного представления о ДВС: от общих положений и классификации до детальных инженерных расчетов и перспективных технологий. Она призвана стать ценным руководством для студентов технических вузов, готовящих себя к работе в области автомобилестроения, тракторостроения и энергетического машиностроения.

Общие положения, классификация и конструкция двигателей внутреннего сгорания

На заре автомобильной эры, когда Карл Бенц патентовал свой первый автомобиль с бензиновым двигателем, никто не мог предвидеть, что эта технология станет доминирующей на протяжении более чем столетия. Сегодня двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это не просто механизм, преобразующий химическую энергию топлива в механическую работу; это сложнейший комплекс систем, постоянно адаптирующийся к меняющимся требованиям экологии, экономичности и производительности, при этом сохраняя свою актуальность в глобальном масштабе.

Определение, краткая история развития и актуальность ДВС

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой тепловой двигатель, особенностью которого является осуществление процесса сгорания топлива непосредственно внутри его рабочего объема. Результатом этого сгорания является образование горячих газов высокого давления, которые, расширяясь, совершают механическую работу. Этот принцип лег в основу всего современного транспорта.

Исторический путь ДВС начался с экспериментальных машин Леонардо да Винчи и Христиана Гюйгенса в XVII веке, однако практическое применение стало возможным лишь в XIX веке. Николаус Отто в 1876 году создал четырехтактный двигатель, ставший прототипом современных бензиновых агрегатов, а Рудольф Дизель в 1897 году представил миру свой двигатель с воспламенением от сжатия. С тех пор ДВС прошли путь от громоздких и маломощных агрегатов до компактных, высокоэффективных и сложных систем.

Актуальность ДВС, несмотря на рост популярности электромобилей, остается чрезвычайно высокой. По данным 2023 года, автомобили с ДВС составляли около 70% мирового автомобильного парка. В России, по состоянию на 2024 год, легковые автомобили с ДВС по-прежнему доминируют, занимая более 95% автопарка. Это подчеркивает не только огромную существующую инфраструктуру, но и продолжающуюся зависимость многих отраслей от этой технологии. ДВС остаются незаменимыми в грузовом транспорте, сельском хозяйстве, спецтехнике, а также в качестве гибридных силовых установок, обеспечивая гибкость и надежность там, где электрификация еще не достигла полной зрелости.

Классификация ДВС по различным признакам

Многообразие конструктивных решений и принципов работы ДВС привело к необходимости их систематизации. Классификация позволяет лучше понять особенности каждого типа и его область применения.

Основные признаки классификации ДВС:

1. По конструктивному исполнению:
   • Поршневые ДВС: Наиболее распространенный тип, где рабочая камера расположена внутри цилиндров, а возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
   • Роторно-поршневые двигатели (двигатели Ванкеля): Отличаются отсутствием коленчатого вала и поршней в традиционном понимании. Вместо них используется ротор (часто треугольной формы), который движется по планетарной траектории внутри специальной камеры, выполняя функции поршня, газораспределительного механизма и коленчатого вала.
   • Газотурбинные двигатели: Используют роторы с клиновидными лопатками для преобразования энергии расширяющихся газов в механическую работу. Применяются в авиации, энергетике, реже — на наземном транспорте.
2. По тактности рабочего цикла:
   • Четырехтактные двигатели: Завершают полный рабочий цикл (впуск, сжатие, рабочий ход/расширение, выпуск) за два полных оборота коленчатого вала. Это наиболее распространенный тип, характеризующийся хорошей экономичностью и экологичностью.
   • Двухтактные двигатели: Выполняют рабочий цикл за один оборот коленчатого вала, объединяя некоторые такты. Отличаются простотой конструкции и высокой удельной мощностью, но уступают четырехтактным по экономичности и экологичности.
3. По способу смесеобразования и воспламенения:
   • Карбюраторные (бензиновые): Смесь топлива и воздуха образуется вне цилиндра (в карбюраторе или во впускном коллекторе) и воспламеняется от искры свечи зажигания.
   • Инжекторные (бензиновые): Топливо впрыскивается непосредственно во впускной коллектор или в цилиндр (непосредственный впрыск), смешивается с воздухом и воспламеняется от искры.
   • Дизельные (с воспламенением от сжатия): В цилиндр подается воздух, который сильно сжимается, нагреваясь до высокой температуры. Затем впрыскивается дизельное топливо, которое самовоспламеняется от контакта с горячим воздухом.
4. По принципу подачи воздуха:
   • Атмосферные: Воздух поступает в цилиндры за счет разрежения, создаваемого поршнем при его движении вниз.
   • Турбокомпрессорные (наддувные): Используют компрессор (приводимый в действие турбиной, использующей энергию отработавших газов) для нагнетания воздуха в цилиндры под давлением, что значительно повышает мощность.
5. По расположению цилиндров:
   • Рядные: Цилиндры расположены в один ряд.
   • V-образные: Цилиндры расположены под углом друг к другу, образуя форму буквы «V».
   • Оппозитные: Цилиндры расположены горизонтально, друг напротив друга.

Конструктивные особенности автомобильных и тракторных ДВС

Двигатель — это сердце любого транспортного средства, и его конструкция напрямую определяет эксплуатационные и технико-экономические показатели автомобиля или трактора. С 1950-х по 1970-е годы основным критерием развития было повышение литровой мощности и компактности: литровая мощность бензиновых ДВС выросла в среднем на 30-50%, достигая к концу периода значений в 50-70 л.с./литр для массовых моделей. Современные двигатели продолжают эту тенденцию, но с учетом новых требований.

Ключевые составные части ДВС:

• Кривошипно-шатунный механизм (КШМ): Преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Включает поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик.
• Газораспределительный механизм (ГРМ): Обеспечивает своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Включает распредвалы, клапаны, толкатели, коромысла.
• Система питания: Отвечает за подачу и подготовку топливовоздушной смеси. Включает топливный бак, насосы, фильтры, карбюратор/инжектор.
• Система зажигания (для бензиновых ДВС): Создает искру для воспламенения смеси. Включает свечи, катушки зажигания, электронный блок управления.
• Система охлаждения: Поддерживает оптимальный тепловой режим двигателя. Включает радиатор, водяной насос, вентилятор, термостат.
• Система смазки: Снижает трение и охлаждает детали. Включает масляный насос, фильтр, поддон.
• Системы автоматизации и регулирования: Электронные блоки управления (ЭБУ) контролируют и оптимизируют работу всех систем двигателя, адаптируя их к текущим условиям.

Влияние конструктивных решений на эффективность и экологичность:

• Турбонаддув: Является одним из наиболее эффективных средств повышения литровой мощности. Доля бензиновых двигателей с турбонаддувом в легковых автомобилях на мировом рынке выросла с менее чем 10% в начале 2000-х годов до более 40% к 2020 году. Средняя литровая мощность бензиновых ДВС с турбонаддувом для легковых автомобилей достигает 100-120 л.с./литр и более, что в 1.5-2 раза выше, чем у атмосферных аналогов того же рабочего объема. Это позволяет снижать размерность двигателей, сохраняя или даже увеличивая их мощность, что ведет к уменьшению массы и габаритов силового агрегата, а также к более выгодной топливной экономичности.
• Многоклапанные схемы газораспределения: Для повышения эффективности ДВС широко применяются схемы с 4 клапанами на цилиндр (два впускных и два выпускных). Это позволяет увеличить площадь проходного сечения клапанов на 30-40% по сравнению с 2-клапанными схемами, что значительно улучшает наполнение цилиндров свежим зарядом и их очистку от отработавших газов. Как следствие, улучшается процесс сгорания, антидетонационные свойства и снижается токсичность отработавших газов (выбросы оксидов азота (NO_X) и углеводородов (HC) могут снижаться до 20-30%).
• Непосредственный впрыск топлива: Как для бензиновых, так и для дизельных двигателей, позволяет более точно дозировать топливо и формировать оптимальную смесь, что повышает экономичность и снижает выбросы.

Конструкции ДВС постоянно совершенствуются, отвечая на вызовы современности. От повышения литровой мощности и компактности (что было главным до 70-х годов XX века) до снижения расхода топлива и токсичности — каждый новый этап развития вносит свои коррективы в инженерные решения, делая их более совершенными и адаптированными к современным требованиям.

Теоретические основы рабочих процессов и термодинамических циклов ДВС

Для того чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, необходимо глубоко погрузиться в физику процессов, происходящих внутри его цилиндров. Это путешествие от макроуровня движения поршня до микроуровня молекулярных превращений, лежащих в основе термодинамических циклов, ведь именно в этих фундаментальных принципах кроется ключ к оптимизации его работы.

Рабочий цикл поршневого ДВС: такты и их описание

Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания — это последовательность процессов, которые повторяются, обеспечивая непрерывную работу двигателя. Рассмотрим его на примере четырехтактного двигателя, как наиболее распространенного:

1. Впуск (первый такт): Начинается с открытия впускного клапана, когда поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). За счет создаваемого поршнем разрежения, в цилиндр засасывается свежий заряд — горючая смесь (для бензиновых двигателей) или чистый воздух (для дизелей). Этот процесс характеризуется относительно небольшим, почти постоянным разрежением в цилиндре, что обеспечивает максимальное наполнение.
2. Сжатие (второй такт): После прохождения НМТ впускной клапан закрывается (как правило, с небольшим запаздыванием для лучшего наполнения), и поршень начинает движение от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Объем цилиндра уменьшается, сжимая находящуюся в нем горючую смесь или воздух. В результате сжатия значительно повышаются давление и температура рабочего тела. Этот процесс протекает политропно, то есть с некоторым теплообменом с окружающей средой (стенками цилиндра).
3. Сгорание и расширение (рабочий ход, третий такт): Перед достижением поршнем ВМТ (угол опережения зажигания/впрыска) происходит воспламенение. В бензиновых двигателях это искра от свечи зажигания, в дизелях — самовоспламенение топлива при впрыске в сильно сжатый и нагретый воздух. Резкое сгорание топлива приводит к быстрому и значительному повышению давления и температуры газов в цилиндре. Эти горячие, расширяющиеся газы толкают поршень от ВМТ к НМТ, совершая полезную механическую работу, которая через шатун передается на коленчатый вал.
4. Выпуск (четвертый такт): После прохождения НМТ (или несколько раньше) открывается выпускной клапан, и поршень начинает движение от НМТ к ВМТ. Отработавшие газы под давлением, а затем и вытесняемые поршнем, покидают цилиндр, выбрасываясь в выпускной коллектор. Этот процесс также сопровождается фазами опережения и запаздывания открытия/закрытия клапанов для более эффективной очистки цилиндра.

Термодинамические циклы ДВС: Отто, Дизеля, Тринклера (Сельингера)

Для упрощенного теоретического анализа рабочих процессов ДВС используются идеализированные термодинамические циклы. Эти циклы представляют собой круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу, позволяя оценить максимальный потенциал двигателя без учета реальных потерь.

Основные допущения идеальных циклов:

• Рабочее тело: Идеальный газ с постоянными теплоемкостями.
• Процессы сжатия и расширения: Предполагаются адиабатическими (без теплообмена с окружающей средой).
• Процессы подвода и отвода теплоты: Идеализированы (мгновенный подвод/отвод, постоянный объем или давление).

По способу подвода теплоты идеальные циклы поршневых ДВС подразделяются на три группы:

1. Цикл Отто (с подводом теплоты при постоянном объеме): Является идеализированной моделью работы бензиновых двигателей (карбюраторных и инжекторных). Теплота подводится мгновенно при постоянном объеме (в ВМТ), имитируя быстрое сгорание смеси от искры.
2. Цикл Дизеля (с подводом теплоты при постоянном давлении): Моделирует работу компрессорных дизельных двигателей, где топливо впрыскивается и сгорает постепенно, поддерживая постоянное давление в начале рабочего хода. Подвод теплоты происходит при постоянном давлении.
3. Цикл Тринклера или Сельингера (со смешанным подводом теплоты): Наиболее точно отражает реальные процессы в современных безкомпрессорных дизельных двигателях. В этом цикле часть теплоты подводится при постоянном объеме (быстрое сгорание), а оставшаяся часть — при постоянном давлении (продолжительное сгорание).

Термический КПД циклов и влияние степени сжатия

Одним из ключевых показателей эффективности любого теплового двигателя является термический коэффициент полезного действия (КПД), который показывает, какая часть подведенной теплоты преобразуется в полезную работу.

Для цикла Отто термический КПД (η_т) определяется исключительно степенью сжатия (ε) и показателем адиабаты (k) рабочего тела:


ηт = 1 - 1/εk-1


где:

• η_т — термический КПД цикла Отто;
• ε — степень сжатия (отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания);
• k — показатель адиабаты (для воздуха при нормальных условиях k ≈ 1.4).

Анализ влияния степени сжатия:

Из формулы видно, что с повышением степени сжатия ε термический КПД цикла возрастает. Это объясняется тем, что при более высоком сжатии начальная температура и давление рабочего тела перед сгоранием выше, что увеличивает разность температур, между которыми работает цикл. Например, увеличение степени сжатия с 7 до 10 может повысить термический КПД цикла Отто примерно на 10-15%, при прочих равных условиях.

Однако существует и ограничение: слишком высокие значения ε (как правило, более 12 для бензиновых двигателей) могут привести к самовоспламенению топливной смеси до искры свечи зажигания. Это явление, известное как детонация, сопровождается ударными волнами и может разрушать элементы двигателя. Поэтому в бензиновых двигателях степень сжатия обычно находится в диапазоне 6-8 (для атмосферных) или до 10-11 (для турбированных с непосредственным впрыском).

У дизельных двигателей ситуация иная. Здесь воспламенение происходит именно за счет сжатия и повышения температуры воздуха, поэтому их степень сжатия значительно выше — обычно 12-18. Это обеспечивает дизелям более высокий термический КПД и, как следствие, лучшую экономичность. Типичный термический КПД современных дизельных двигателей достигает 40-45%, в то время как у бензиновых двигателей этот показатель составляет 30-35%. Эта разница в КПД является одной из фундаментальных причин различий в топливной эффективности этих двух типов двигателей, демонстрируя, почему выбор типа двигателя часто зависит от приоритетов в экономии топлива.

Тепловой расчет и индикаторные параметры ДВС

Тепловой расчет двигателя – это краеугольный камень в проектировании и анализе работы ДВС. Он позволяет не только определить ключевые параметры рабочего цикла, но и предсказать поведение двигателя в различных условиях, а также оценить его потенциальную мощность и экономичность, что является критически важным для создания оптимальных инженерных решений.

Методика теплового расчета двигателя

Тепловой расчет представляет собой комплексный инженерный процесс, направленный на определение индикаторных и эффективных параметров рабочего цикла, а также основных размеров цилиндра и двигателя в целом. Он служит основой для последующих динамических, прочностных и других расчетов.

Последовательность теплового расчета:

1. Выбор исходных данных: Этот этап критически важен, поскольку от него зависят все последующие результаты. Исходные данные включают:
   • Данные технического задания: Требуемая эффективная мощность, частота вращения коленчатого вала, число цилиндров, тип двигателя (бензиновый/дизельный, двух-/четырехтактный).
   • Параметры топлива: Низшая теплота сгорания, стехиометрический коэффициент воздуха. Эти данные определяют энергетический потенциал топлива.
   • Параметры рабочего тела: Для идеализированного цикла это воздух, для реального — продукты сгорания. Важны их газовые постоянные, теплоемкости.
   • Параметры окружающей среды: Температура и давление воздуха на впуске (обычно принимаются стандартные атмосферные условия).
   • Коэффициенты: Коэффициенты наполнения, избытка воздуха, полноты сгорания, потерь теплоты, механический КПД — эти эмпирические значения учитывают реальные процессы и потери, отличающиеся от идеальных.
2. Определение массовой плотности свежего заряда на впуске: Это первый шаг к расчету массы рабочего тела, поступающего в цилиндр. Используются параметры окружающей среды и коэффициент наполнения.
3. Расчет параметров в различных точках цикла: Последовательно определяются давление, температура и объем в характерных точках цикла (конец впуска, конец сжатия, начало/конец сгорания, конец расширения). Для этого используются уравнения состояния идеального газа и политропные/адиабатические уравнения для процессов сжатия и расширения.
4. Определение средней молярной теплоемкости продуктов сгорания: Теплоемкость газов меняется с температурой, поэтому для точных расчетов используются средние значения, учитывающие состав продуктов сгорания.
5. Расчет индикаторной работы и мощности: Интегрирование давления по объему (или расчет площади индикаторной диаграммы) позволяет определить индикаторную работу, а затем и индикаторную мощность.
6. Контроль соответствия вычисленных параметров: Важный этап, на котором полученные расчетные значения (например, максимальное давление сгорания, температура газов) сравниваются с типовыми значениями для реальных двигателей. В случае значительных расхождений производится корректировка исходных коэффициентов.

Индикаторные параметры рабочего цикла

Индикаторное среднее давление (P_i) — это гипотетическое постоянное давление, которое, действуя на поршень на протяжении всего его хода, совершило бы ту же работу, что и реальные газы за один рабочий цикл. Оно является одним из основных показателей, характеризующих работу, совершаемую газами в цилиндре, и напрямую связано с индикаторной мощностью двигателя.

Значения индикаторного среднего давления существенно различаются для разных типов двигателей:

• Для карбюраторных (атмосферных бензиновых) двигателей P_i обычно находится в пределах 0.7 ÷ 1.5 МПа.
• Для дизельных двигателей P_i составляет 0.75 ÷ 1.8 МПа.
• Для современных турбонаддувных ДВС эти значения значительно выше: для бензиновых двигателей с турбонаддувом типичные значения P_i находятся в диапазоне 1.2-1.8 МПа, а для дизельных двигателей с турбонаддувом — 1.5-2.5 МПа. Это объясняется увеличением количества рабочего тела в цилиндре благодаря наддуву.

Индикаторная мощность (N_i) — это мощность, развиваемая газами внутри цилиндров двигателя. Она представляет собой работу, совершаемую газами в единицу времени. Индикаторная мощность является мерой потенциальной энергии, преобразованной в механическую работу до учета механических потерь на трение, привод вспомогательных механизмов и т.д.

Расчет термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера или Сельингера) является наиболее универсальной моделью, применяемой для дизельных двигателей. Его термический КПД учитывает не только степень сжатия, но и характер подвода теплоты.

Формула для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты:


ηт = 1 - (1/εk-1) ⋅ (λρk - 1) / (( λ - 1) + kλ(ρ - 1))


Где:

• η_т — термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты;
• ε — степень сжатия;
• k — показатель адиабаты;
• λ — степень повышения давления (отношение давления после сгорания при постоянном объеме P₃ к давлению до него P₂, то есть λ = P₃/P₂);
• ρ — степень предварительного расширения (отношение объема после сгорания при постоянном давлении V₃ к объему до него V₂, то есть ρ = V₃/V₂).

Эта формула демонстрирует, что эффективность дизельного цикла зависит от баланса между быстрым и замедленным сгоранием, что позволяет инженерам оптимизировать процесс впрыска топлива для достижения максимального КПД и минимальных выбросов. Понимание этих зависимостей является фундаментом для разработки более эффективных и экологичных двигателей.

Диаграммы ДВС: Индикаторная и фаз газораспределения

Инженерное искусство в двигателестроении неотделимо от графического представления сложных процессов. Две ключевые диаграммы – индикаторная и круговая диаграмма фаз газораспределения – служат мощными инструментами для анализа, диагностики и оптимизации работы двигателя. Они позволяют не только «увидеть» термодинамические процессы, но и оценить эффективность газообмена.

Построение и анализ индикаторной диаграммы

Индикаторная диаграмма – это графическое представление зависимости давления газов в цилиндре от изменения его объема за один полный рабочий цикл. Это своего рода «отпечаток» работы двигателя, позволяющий в мельчайших деталях изучить термодинамические процессы.

Методы получения индикаторной диаграммы:

1. По данным теплового расчета: После выполнения теплового расчета, когда определены давления и объемы в характерных точках цикла, диаграмма может быть построена графически или с помощью специализированного программного обеспечения.
2. Экспериментальное снятие: В реальных двигателях индикаторная диаграмма снимается с помощью специального прибора – индикатора. Это высокоточный датчик давления, который фиксирует изменения давления в цилиндре синхронно с положением поршня.

Построение индикаторной диаграммы:

• По оси абсцисс откладывается объем цилиндра V (или угол поворота коленчатого вала, который однозначно связан с объемом).
• По оси ординат откладывается абсолютное давление газа P.

Анализ индикаторной диаграммы:

• Площадь диаграммы: В принятом масштабе площадь, ограниченная кривыми рабочего цикла, численно характеризует индикаторную работу, совершаемую газами в цилиндре за один цикл. Чем больше площадь, тем больше работы совершает двигатель.
• Характерные точки: На диаграмме четко видны точки, соответствующие началу и концу тактов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Анализ этих точек позволяет оценить фазы газообмена, максимальное давление сгорания, степень сжатия и другие важные параметры.
• Отличия действительной диаграммы от теоретической:
  • Округлые вершины: Реальные процессы сгорания не мгновенны, поэтому «острые углы» теоретических циклов сглаживаются.
  • Насосные потери: На диаграмме появляется «петля» на тактах впуска и выпуска, площадь которой отражает потери работы на газообмен.
  • Снижение давления в конце расширения: Действительное давление в конце такта расширения будет меньше, чем в теоретическом цикле, так как выпускные клапаны начинают открываться до прихода поршня в НМТ для более эффективной очистки цилиндра.

Индикаторная диаграмма является бесценным инструментом для инженеров, позволяя оптимизировать фазы газораспределения, момент зажигания/впрыска, а также выявлять и устранять неисправности в работе двигателя, что критически важно для повышения его надежности и эффективности.

Круговая диаграмма фаз газораспределения

Круговая диаграмма фаз газораспределения – это визуальное представление процесса газообмена двигателя, которое показывает углы поворота коленчатого вала, соответствующие моментам открытия и закрытия каждого клапана. Она позволяет наглядно оценить «дыхание» двигателя.

Основы фаз газораспределения:

Фазы газораспределения – это моменты открытия и закрытия клапанов относительно верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точек поршня, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала. Эти моменты не совпадают с мертвыми точками, а специально сдвигаются (опережение или запаздывание) для улучшения качества и эффективности газообмена.

Детальный анализ фаз в четырехтактном двигателе:

1. Впускной клапан:
   • Опережение открытия впускного клапана (ОО ВК): Впускные клапаны открываются еще до прихода поршня в ВМТ в конце такта выпуска (обычно на 10–32° поворота коленчатого вала). Это позволяет создать предварительное разрежение в цилиндре и начать процесс наполнения еще до того, как поршень достигнет ВМТ и начнет движение вниз, что улучшает инерционный наддув и наполнение.
   • Запаздывание закрытия впускного клапана (ЗЗ ВК): Впускные клапаны закрываются со значительным запаздыванием, после прохождения поршнем НМТ (на 40–85° поворота коленчатого вала после НМТ). Это делается для использования инерции потока свежего заряда. Даже когда поршень уже начал двигаться вверх, инерция потока продолжает «дозаполнять» цилиндр, что увеличивает коэффициент наполнения.
2. Выпускной клапан:
   • Опережение открытия выпускного клапана (ОО ВК): Выпускные клапаны открываются до прихода поршня в НМТ в конце такта расширения (угол опережения открытия выпускного клапана для различных двигателей составляет 40 ÷ 70°). Раннее открытие позволяет снизить давление газов в цилиндре до того, как поршень начнет двигаться вверх, уменьшая работу, затрачиваемую на выталкивание отработавших газов (насосные потери).
   • Запаздывание закрытия выпускного клапана (ЗЗ ВК): Выпускные клапаны закрываются после прохождения поршнем ВМТ (угол запаздывания закрытия выпускного клапана составляет 10 ÷ 50°). Это позволяет максимально эффективно удалить отработавшие газы из цилиндра, используя инерцию газового потока.

Практическое значение диаграммы фаз газораспределения:

• Оптимизация газообмена: Правильно подобранные фазы газораспределения критически важны для достижения высокой мощности, крутящего момента и экономичности двигателя в различных режимах работы.
• Регулирование и диагностика: Данные о фазах газораспределения используются для проверки правильности установки газораспределительных органов двигателя и их регулирования. Отклонения от заданных углов могут указывать на износ деталей ГРМ или неправильную сборку.
• Перекрытие клапанов: Важным элементом диаграммы является угол перекрытия клапанов (момент, когда оба клапана — впускной и выпускной — открыты одновременно в районе ВМТ). Это способствует лучшему наполнению и очистке, особенно на высоких оборотах, но может ухудшать работу на холостом ходу.

Изучение и анализ этих двух диаграмм дают студенту глубокое понимание динамики и термодинамики ДВС, позволяя не просто выполнять расчеты, но и критически оценивать их результаты, что формирует базу для инноваций в двигателестроении.

Характеристики ДВС и расчет тягово-динамических показателей транспортных средств

Понимание внутренних процессов двигателя — это лишь половина пути. Другая, не менее важная часть, заключается в том, как эта «мощь» передается на колеса транспортного средства и как она влияет на его поведение на дороге. Здесь на сцену выходят внешние характеристики ДВС и методы расчета тягово-динамических показателей, которые позволяют оценить реальную применимость двигателя в транспортной системе.

Внешняя скоростная характеристика двигателя

Внешняя скоростная характеристика двигателя — это фундаментальное графическое представление, демонстрирующее зависимость его основных эксплуатационных параметров от частоты вращения коленчатого вала. Она строится при полностью открытой дроссельной заслонке (для бензиновых двигателей) или при максимальной подаче топлива (для дизелей), то есть при максимальной нагрузке на двигатель.

Что включает внешняя скоростная характеристика:

• Эффективная мощность (N_e): Показывает мощность, которую двигатель реально передает на маховик, то есть ту часть индикаторной мощности, которая остается после вычета механических потерь.
• Крутящий момент (M_k): Измеряет вращательную силу, развиваемую двигателем. Это показатель «тяги», способности двигателя преодолевать сопротивление.
• Удельный эффективный расход топлива (g_e): Характеризует экономичность двигателя, показывая, сколько топлива расходуется для выработки единицы эффективной работы (например, грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)).

Факторы, влияющие на внешнюю скоростную характеристику:

• Конструктивные особенности двигателя: Объем цилиндров, степень сжатия, фазы газораспределения, количество клапанов, наличие турбонаддува – все это непосредственно формирует кривые мощности и крутящего момента.
• Тип топлива: Октановое число бензина или цетановое число дизельного топлива влияют на процесс сгорания, а значит, и на характеристики.
• Условия окружающей среды: Температура и плотность воздуха влияют на наполнение цилиндров и, как следствие, на мощность.
• Настройки систем двигателя: Момент зажигания/впрыска, система подачи топлива, система наддува — оптимальные настройки критически важны для достижения заявленных характеристик.

Анализ внешней скоростной характеристики позволяет инженерам и водителям понять, при каких оборотах двигатель развивает максимальную мощность, максимальный крутящий момент и где достигается наилучшая топливная экономичность. Это знание является краеугольным камнем для выбора оптимального режима движения и эффективной эксплуатации транспортного средства.

Тягово-динамический расчет транспортного средства

Тягово-динамическая характеристика транспортного средства представляет собой графическую зависимость тяговой силы на ведущих колесах и скорости движения на различных передачах. Она комплексно отражает способность автомобиля или трактора к ускорению, преодолению подъемов и поддержанию заданной скорости.

Тяговая динамичность — это свойство транспортного средства перевозить грузы и пассажиров с максимально возможной скоростью в заданных дорожных условиях, то есть его способность эффективно реализовывать мощность двигателя.

Оценка тягово-скоростных свойств автомобиля производится путем решения уравнения его движения. Это уравнение связывает силу, движущую автомобиль, с силами сопротивления, действующими на него. В общем виде оно выглядит так:


Fт = Fк + Fв + Fi + Fj


где:

• F_т — тяговая сила на ведущих колесах;
• F_к — сила сопротивления качению;
• F_в — сила сопротивления воздуха;
• F_i — сила сопротивления подъему;
• F_j — сила инерции (сила, необходимая для ускорения автомобиля).

Это уравнение позволяет определить ускорение автомобиля, скорость, время движения и пройденный путь при различных режимах работы двигателя и дорожных условиях, являясь основой для проектирования и оптимизации транспортных средств.

Методика расчета сил сопротивления

Для точного расчета тягово-динамических показателей необходимо подробно рассмотреть каждую из сил сопротивления:

1. Сила сопротивления качению (F_к): Возникает из-за деформации шин и дорожного покрытия, трения в элементах трансмиссии и подшипниках.
   
Fк = G ⋅ f


   где:

   • G — полный вес автомобиля (включая груз и пассажиров), Н;
   • f — коэффициент сопротивления качению.

   Коэффициент сопротивления качению f не является постоянным и зависит от скорости движения, а также от типа ��орожного покрытия и давления в шинах. Его можно определить по формуле:

   
f = f0 + kf ⋅ v2


   где:

   • f₀ — коэффициент сопротивления качению при малой скорости (например, для легковых автомобилей на асфальте f₀ находится в диапазоне 0.010-0.015);
   • k_f — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние скорости (для легковых автомобилей на асфальте k_f находится в диапазоне 1.5·10^-7 — 3.0·10^-7 с²/м²);
   • v — скорость движения автомобиля, м/с.
2. Сила сопротивления воздуха (F_в): Возникает из-за аэродинамического сопротивления движению автомобиля.
   
Fв = 0.5 ⋅ ρ ⋅ Cx ⋅ F ⋅ v2


   где:

   • ρ — плотность воздуха (при нормальных условиях ρ ≈ 1.225 кг/м³);
   • C_x — коэффициент аэродинамического сопротивления (для современных легковых автомобилей C_x находится в диапазоне 0.25-0.35, а для грузовых автомобилей может достигать 0.6-0.8);
   • F — лобовая площадь автомобиля (площадь проекции автомобиля на плоскость, перпендикулярную направлению движения), м²;
   • v — скорость движения автомобиля, м/с.
3. Сила сопротивления подъему (F_i): Возникает при движении автомобиля на подъем.
   
Fi = G ⋅ sin(α)


   где:

   • α — угол наклона дороги. Часто его выражают в процентах или промилле (i = tan(α)). Тогда F_i = G ⋅ i.

Анализ топливной экономичности

Топливная экономичность транспортного средства характеризуется удельным расходом топлива, который показывает, какое количество топлива (в граммах или литрах) расходуется на единицу работы или пути. Этот показатель зависит от эффективного КПД двигателя, режима его работы, нагрузок, а также от массы транспортного средства и дорожных условий.

Удельный эффективный расход топлива (g_e):

• Для бензиновых двигателей: 220-300 г/(кВт·ч).
• Для дизельных двигателей: 180-220 г/(кВт·ч).

Дизельные двигатели традиционно показывают лучшую топливную экономичность благодаря более высокому термическому КПД, обусловленному более высокой степенью сжатия. Однако современные бензиновые двигатели с турбонаддувом и непосредственным впрыском сокращают этот разрыв, что открывает новые перспективы для всех типов силовых установок. Анализ топливной экономичности позволяет не только оценить эксплуатационные расходы, но и оптимизировать режимы движения, выбирать наиболее эффективные передачи и учитывать влияние различных факторов на потребление топлива.

Современные тенденции развития и совершенствования ДВС

Мир ДВС не стоит на месте. Несмотря на дискуссии о «конце эры» и бурное развитие альтернативных силовых установок, инженеры продолжают активно совершенствовать двигатели внутреннего сгорания, адаптируя их к строжайшим экологическим нормам и постоянно растущим требованиям к экономичности и производительности. Главные направления этой эволюции – это сложный танец между традициями и инновациями.

Главные направления развития и роль турбонаддува

Ключевые векторы развития поршневых ДВС сегодня сосредоточены на трех взаимосвязанных целях:

1. Повышение механического КПД и экономических показателей: Снижение потерь на трение, оптимизация вспомогательных систем и улучшение термодинамического цикла для извлечения максимальной энергии из каждой капли топлива.
2. Снижение токсичности отработавших газов: Разработка более совершенных систем очистки (нейтрализаторов, сажевых фильтров), а также оптимизация процесса сгорания для минимизации выбросов вредных веществ (NO_X, CO, HC, PM).
3. Повышение литровой мощности и понижение размерности: Создание более компактных и легких двигателей, развивающих ту же или даже большую мощность.

В этом контексте турбонаддув стал одним из самых мощных и универсальных инструментов. Его роль невозможно переоценить. Принцип прост: использовать энергию отработавших газов для привода турбины, которая, в свою очередь, вращает компрессор, нагнетающий дополнительный воздух в цилиндры. Это позволяет сжигать больше топлива и, как следствие, получать больше мощности из того же рабочего объема.

Влияние турбонаддува:

• Значительный рост литровой мощности: Позволяет уменьшить рабочий объем двигателя без потери мощности, что снижает его массу и габариты.
• Улучшение топливной экономичности: Современные турбированные двигатели часто превосходят атмосферные аналоги по экономичности за счет возможности работы на обедненных смесях и более эффективного сгорания.
• Снижение выбросов CO₂: За счет лучшей экономичности и меньшего рабочего объема.

Прогнозы говорят сами за себя: ожидается, что к 2030 году около 70-80% новых бензиновых легковых автомобилей будут оснащаться турбонаддувом, что подтверждает его статус фундаментальной технологии, способной значительно повысить эффективность ДВС.

Повышение степени расширения и борьба с детонацией

Другая важнейшая тенденция в развитии бензиновых ДВС – это повышение степени расширения (сжатия). Как было рассмотрено ранее, увеличение степени сжатия напрямую повышает термический КПД цикла. Инженеры стремятся увеличить этот показатель до 13-15 единиц (по сравнению с традиционными 9-11), что может привести к повышению топливной экономичности бензинового двигателя на 5-7% при увеличении степени сжатия с 10 до 14.

Однако увеличение степени сжатия неизбежно обостряет проблему детонационного сгорания – явления самопроизвольного воспламенения топливной смеси до поджига искрой, сопровождающегося взрывными волнами. Борьба с детонацией – это многоуровневая задача, решаемая с помощью целого комплекса технологий:

• Непосредственный впрыск бензина (GDI): Позволяет точно дозировать топливо и впрыскивать его непосредственно в цилиндр в конце такта сжатия, что дает возможность охлаждать воздух в цилиндре испаряющимся топливом и тем самым повысить сопротивление детонации.
• Регулируемый клапанный привод (VVT, VVL): Системы, изменяющие фазы газораспределения и/или высоту подъема клапанов в зависимости от режима работы двигателя. Это позволяет оптимизировать наполнение и продувку цилиндров, а также использовать эффект внутреннего ЕГР (рециркуляции отработавших газов) для снижения температуры в камере сгорания.
• Цикл Миллера/Аткинсона: Модифицированные термодинамические циклы, которые используют раннее или позднее закрытие впускного клапана для эффективного увеличения степени расширения при умеренной степени сжатия, что также улучшает экономичность.
• Рециркуляция охлажденных отработавших газов (EGR): Отработавшие газы, будучи инертными, снижают температуру в камере сгорания и концентрацию кислорода, что подавляет образование NO_X и повышает стойкость к детонации.
• Регулирование степени сжатия: Футуристические, но уже существующие в прототипах системы, которые могут изменять геометрическую степень сжатия «на ходу» в зависимости от нагрузки и оборотов, обеспечивая оптимальные условия для сгорания.

Перспективные технологии и материалы

В отдаленной перспективе, после 2025 года, ожидается дальнейшее повышение эффективности ДВС за счет реализации сгорания гомогенной бедной смеси, в том числе с использованием режима низкотемпературного сгорания (HCCI). Эти подходы позволяют достичь высокой топливной экономичности, приближающейся к дизельным двигателям, при снижении выбросов.

Ключевые факторы прогресса:

• Поиск новых материалов и технологий: Применение легких композитов, высокопрочных сплавов, керамики для деталей двигателя позволяет снизить его массу, повысить прочность и износостойкость в условиях ужесточающихся требований. Например, за последние 10-15 лет масса бензиновых двигателей аналогичной мощности снизилась в среднем на 10-20% благодаря применению легких сплавов, новых конструктивных решений и оптимизации.
• Разработка более совершенных систем наддува: От электрических наддувов до турбокомпрессоров с изменяемой геометрией — все это направлено на улучшение отклика двигателя и расширение эффективного диапазона работы.
• Широкое применение ЭВМ для моделирования и оптимизации: Современные вычислительные мощности позволяют детально моделировать процессы в цилиндре, оптимизировать форму камеры сгорания, каналов, поршней, что раньше было возможно только экспериментально.
• Гибридные силовые установки: Для гибридных ДВС при низкой степени электрификации акцент делается на улучшение пуска, снижение вибраций и шума, повышение общей эффективности. При высокой степени электрификации, когда ДВС работает в более узком, оптимальном режиме, более важными становятся его мощность, виброакустика, размеры и стоимость.

Утверждение о «90% эффективности» требует уточнения. Обычно речь идет о достижении эффективного КПД до 50-55% для перспективных ДВС (по сравнению с 30-40% для традиционных бензиновых и 40-45% для дизельных), что является значительным прогрессом. В контексте сокращения потерь, некоторые технологии позволяют сократить определенные потери (например, на трение или насосные потери) на десятки процентов, но не общую неэффективность на 90%. Максимальная теоретическая эффективность цикла Карно для ДВС при типичных температурах ограничена значениями до 60-70%. Таким образом, «90% эффективнее» следует понимать как значительное снижение потерь и повышение общего КПД, а не достижение 90% абсолютной эффективности, что представляет собой значительное достижение в инженерной практике.

Оптимизация размеров и массы ДВС

Снижение массы и габаритов двигателя является важнейшим направлением, тесно связанным с общей тенденцией автомобилестроения к облегчению конструкции для повышения топливной экономичности и снижения выбросов. Достигается это за счет:

• Применения легких сплавов: Алюминий, магний и их сплавы активно используются для блоков цилиндров, головок блока, поршней.
• Оптимизации конструкции: Компьютерное моделирование позволяет убрать «лишний» металл, не снижая прочности.
• Понижения размерности (downsizing): Уменьшение рабочего объема двигателя при сохранении или увеличении мощности за счет турбонаддува и других технологий.

Однако эти меры приводят к ужесточению условий эксплуатации деталей высокофорсированных ДВС. Детали подвергаются более высоким температурам, давлениям и нагрузкам, что требует применения новых материалов, покрытий и систем охлаждения. Таким образом, современные ДВС – это результат постоянного поиска баланса между мощностью, экономичностью, экологичностью и надежностью, воплощенный в сложных инженерных решениях, которые постоянно пересматриваются и совершенствуются.

Заключение

На протяжении данной курсовой работы мы совершили глубокое погружение в мир двигателей внутреннего сгорания, начиная с их фундаментального определения и исторических вех, и заканчивая сложными инженерными расчетами и перспективными технологиями. Были всесторонне рассмотрены ключевые аспекты, определяющие функционирование и эффективность этих энергетических установок, что позволило сформировать комплексное понимание их работы.

В ходе исследования были достигнуты все поставленные цели:

1. Изучены рабочие процессы ДВС: Мы детально описали каждый такт четырехтактного двигателя, а также проанализировали идеализированные термодинамические циклы Отто, Дизеля и Тринклера, подчеркнув их теоретическую основу и влияние степени сжатия на КПД.
2. Освещены конструктивные особенности: Была представлена детальная классификация ДВС, а также проанализировано влияние конкретных конструктивных решений, таких как многоклапанные схемы газораспределения и турбонаддув, на литровую мощность, экономичность и экологичность.
3. Освоены основы расчета ДВС: Мы рассмотрели методику теплового расчета, позволяющую определить индикаторные и эффективные параметры рабочего цикла, и представили ключевые формулы для индикаторного среднего давления и термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты.
4. Проанализированы характеристики и диаграммы: Были изучены методы построения и анализа индикаторной диаграммы, а также круговой диаграммы фаз газораспределения, что позволило понять их значение для оценки и регулирования работы двигателя.
5. Выполнены расчеты тягово-динамических показателей: Мы сформулировали уравнение движения транспортного средства, детализировали методику расчета сил сопротивления (качения, воздуха, подъема) и проанализировали факторы, влияющие на топливную экономичность.
6. Изучены современные тенденции развития: Особое внимание было уделено актуальным направлениям совершенствования ДВС, включая роль турбонаддува, повышение степени сжатия, методы борьбы с детонацией и применение новых материалов и технологий, подтверждающих, что ДВС продолжают активно развиваться, достигая эффективного КПД до 50-55%.

Результаты работы подтверждают важность комплексного инженерного подхода к изучению и проектированию ДВС. Каждый элемент, от мельчайшего поршневого кольца до сложнейших электронных систем управления, играет свою роль в общей эффективности и производительности двигателя. Понимание взаимосвязей между термодинамикой, конструкцией, расчетами и эксплуатационными характеристиками является ключевым для будущих специалистов в области машиностроения и транспортной инженерии.

Несмотря на глобальные тренды электрификации, двигатели внутреннего сгорания остаются важнейшей частью мирового энергетического и транспортного ландшафта. Их непрерывное совершенствование, направленное на повышение экономичности, снижение токсичности и адаптацию к гибридным схемам, гарантирует им актуальность еще на многие десятилетия, требуя от инженеров глубоких знаний и инновационного мышления.

Список использованной литературы

1. Колчин, А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учебное пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 496 с.
2. Силовые установки транспортных средств: метод. указания к контрольной работе №1 для студентов заочного факультета специальности 1-37 01 06 «Техническая эксплуатация автомобилей» / Сост. В.А. Ким, А.М. Скребунов, А.А. Метто. Могилёв: Белорус.-Рос. ун-т, 2006. 23 с.
3. Рожанский, В.А., Сарапин А.Н., Железко Б.Е. Тепловой и динамический расчет автотракторных двигателей. Минск: Выс. шк., 1984. 265 с.
4. Кутенёв, В.Ф. Бензиновые двигатели: тенденции развития. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/benzinovye-dvigateli-tendentsii-razvitiya (дата обращения: 29.10.2025).
5. Круговая диаграмма фаз газораспределения главного двигателя. URL: https://studbooks.net/1355466/tehnika/krugovaya_diagramma_faz_gazoraspredeleniya_glavnogo_dvigatelya (дата обращения: 29.10.2025).
6. Макушев, Ю.П., Полякова Т.А., Михайлова Л.Ю. Расчет и анализ индикаторной диаграммы двигателя с использованием математических методов. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-i-analiz-indikatornoy-diagrammy-dvigatelya-s-ispolzovaniem-matematicheskih-metodov (дата обращения: 29.10.2025).
7. Алексеев, И.В. [и др.]. Методика выполнения динамического расчета. Учебное пособие по курсовому проектированию двигателей внутреннего сгорания. Ч. 2. URL: https://madi.ru/upr-files/files/metodichki/po_dvigatelyam/chast_2_metodika_vypolneniya_dinamicheskogo_rascheta.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
8. Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания (Судостроение / Технологии / 1987). URL: https://www.barque.ru/technology/1987/perspektivy_razvitiya_dvigatelej_vnutrennego_sgoraniya (дата обращения: 29.10.2025).
9. Гаврилов, А.А., Игнатов М.С., Эфрос В.В. Расчет поршневых двигателей внутреннего сгорания: Ч. 1. Расчет циклов и нагрузок, действующих в кривошипно-шатунном механизме. URL: https://www.vlsu.ru/files/33923_1322045585.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
10. Руктешель, О.С. [и др.]. Расчёт тягово-скоростных и экономических свойств автомобиля. Учебно-методическое пособие. URL: http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/464/79464/50017 (дата обращения: 29.10.2025).
11. Масленников, В.А. Расчет двигателя внутреннего сгорания: Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Автомобильные двигатели». URL: https://ivgpu.ru/sites/default/files/documents/faculties/avtf/kaf_avto_i_transportnye_mashiny/maslennikov_v.a._raschet_dvs.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
12. Динамика и расчет двигателя: Методические указания. URL: https://lib.istu.edu/metod/dinamika_dvs.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
13. ГОСТ 10448—2014. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Приемка. Методы испытаний. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200112185 (дата обращения: 29.10.2025).
14. ГОСТ 10150-2014. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические требования. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200111192 (дата обращения: 29.10.2025).
15. Дёмин, В.А., Жилицков А.В., Кожухова О.И. Расчет тяговой динамики и топливной экономичности автомобиля. URL: https://repo.tltsu.ru/bitstream/123456789/22026/1/Р_2550.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
16. Оценка тягово-скоростных свойств автомобиля. Методические указания. URL: http://osu.ru/docs/training/mu/1715.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
17. Ивандиков, М.П. Конструкция двигателей автомобилей и тракторов: учебно-методическое пособие. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/106367/konstruktsiya_dvigateley_avtomobiley_i_traktorov.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
18. Антонов, И.В., Васильев Е.С. Обзор современного состояния перспективных технологий повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-sovremennogo-sostoyaniya-perspektivnyh-tehnologiy-povysheniya-effektivnosti-dvigateley-vnutrennego-sgoraniya (дата обращения: 29.10.2025).
19. Безотечество, В.А. Перспективы развития автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. URL: https://moluch.ru/archive/555/121667 (дата обращения: 29.10.2025).
20. Шило, И.Н. [и др.]. Конструкция тракторов и автомобилей: пособие. URL: https://www.bsatu.by/sites/default/files/pages/uchebnye_izdaniya_2012_g./konstrukciya_traktorov_i_avtomobiley.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
21. Конструкция тракторов и автомобилей. URL: http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pr2013_02/gribanov.pdf (дата обращения: 29.10.2025).
22. Альферович, В.В., Бармин В.А., Предко А.В. Требования к конструированию и расчетам двигателей внутреннего сгорания: пособие. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/38118/trebovaniya_k_konstruirovaniyu_i_raschetam_dvigateley_vnutrennego_sgoraniya.pdf (дата обращения: 29.10.2025).