МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М.А. Ефимов
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО
СГОРАНИЯ И ТРАКТОРА
УЧЕБНИК
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по агроинженерному образованию в качестве
учебника для студентов, осваивающих образовательные программы
бакалавриата по направлению подготовки «Агроинженерия»
Орѐл – 2015
Стр.1
УДК 631(075.8)
Рецензенты:
зав. кафедрой «Тракторы и автомобили» ФГБОУ ВПО «Воронежский
государственный аграрный университет имени Императора Петра I»,
д.т.н., профессор О.И. Поливаев;
проректор, зав. кафедрой «Сервис и ремонт машин» ФГБОУ ВПО
«Государственный университет – учебно-научно-производственный
комплекс» А.Н. Новиков.
Основы теории двигателей внутреннего сгорания и трактора:
учебник / М.А. Ефимов. – Орѐл: Изд-во Орѐл ГАУ, 2015. – 432 с. – ISBN
978-5-93382-256-1.
Автор:
Профессор М.А. Ефимов.
Учебник содержит: тепловой расчет двигателя, расчет и
построение характеристик двигателя, динамический и кинематический
расчеты двигателя, расчет и построение мощностного баланса трактора,
расчет и построение тяговой характеристики трактора со ступенчатой
трансмиссией, примеры расчѐтов, контрольные вопросы для подготовки
к защите курсовой работы, тесты для самоконтроля при подготовке к
защите курсовой работы и экзаменам по разделам «Теория, основы
расчета и анализ работы». Приведены авторские компьютерные
программы для расчета курсовой работы на компьютере.
Учебник предназначен для бакалавров, обучающихся по
направлению «Агроинженерия», профиль 110801 «Технические
системы в агробизнесе», 110804 «Технический сервис в
агропромышленном комплексе», а также может быть полезен
магистрантам, аспирантам и практическим работникам, которые
занимаются конструированием, испытаниями и эксплуатацией машин.
УДК 631(075.8)
© ФГБОУ ВПО Орѐл ГАУ, 2015
ISBN 978-5-93382-256-1 ©Оформление «Издательство Орѐл ГАУ», 2015
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Расчет двигателя внутреннего сгорания1
Тепловой расчѐт двигателя
1.1 Исходные данные для расчѐта
1.2 Параметры рабочего тела
1.2.1 Теоретически необходимое количество воздуха для
сгорания одного килограмма топлива
1.2.2 Количество свежего заряда
1.3.1 Давление воздуха на впуске
1.3.2 Температура воздуха на впуске
1.3.3 Плотность заряда на впуске
1.3.4 Давление в конце впуска
1.3.5 Коэффициент остаточных газов
1.3.6 Температура в конце впуска
1.3.7 Коэффициент наполнения
1.4 Расчѐт сжатия
1.4.1 Показатель политропы сжатия
1.4.2 Давление в конце сжатия
1.4.3 Температура в конце сжатия
1.4.4 Средняя молярная теплоѐмкость заряда в конце сжатия
без учѐта влияния остаточных газов
1.4.5 Число киломолей остаточных газов
1.5 Расчѐт сгорания
1.5.1 Средняя молярная теплоѐмкость продуктов сгорания при
постоянном объѐме
1.5.2 Средняя молярная теплоѐмкость продуктов сгорания при
постоянном давлении (для дизельных двигателей)
1.5.3 Число киломолей газов после сгорания
1.5.4 Действительный коэффициент молекулярного изменения
рабочей смеси
1.5.5 Количество теплоты, передаваемое газам при сгорании
одного килограмма топлива
1.5.6 Максимальная температура сгорания
1.5.7 Максимальное давление сгорания
1.5.8 Степень повышения давления
1.6 Расчѐт расширения
1.6.1 Степень предварительного расширения (для дизельных
3
8
9
10
10
10
10
11
1.2.3 Количество отдельных компонентов продуктов сгорания 12
1.3 Расчѐт впуска
13
13
14
14
15
16
18
18
19
19
20
20
21
21
22
22
22
23
23
23
24
26
26
27
Стр.4
двигателей)
1.6.2 Степень последующего расширения (для дизельных
двигателей)
1.6.3 Показатель политропы расширения
1.6.4 Давление в конце расширения
1.6.5 Температура в конце расширения
1.7 Выпуск
1.7.1 Расчѐтное значение температуры остаточных газов
1.7.2 Проверка ранее принятых параметров процесса выпуска
1.8 Расчѐт и построение индикаторной диаграммы
1.8.1 Выбор масштаба и расположение характерных точек на
диаграмме
1.8.2 Построение линии сжатия и линии расширения
1.9 Расчѐт индикаторных показателей
1.9.1 Теоретическое среднее индикаторное давление
1.9.2 Действительное среднее индикаторное давление
1.9.3 Рабочий объѐм одного цилиндра
1.9.4 Индикаторная мощность
27
27
27
28
28
29
29
29
30
31
32
36
36
37
1.9.5 Индикаторный коэффициент полезного действия (К П Д) 39
1.9.6 Индикаторный удельный расход топлива
1.10 Расчѐт эффективных показателей
1.10.1 Средняя скорость поршня
1.10.2 Давление механических потерь
1.10.3 Мощность механических потерь
1.10.4 Среднее эффективное давление
1.10.5 Механический К П Д
1.10.6 Эффективная мощность
1.10.7 Эффективный К П Д
38
40
1.10.8 Эффективный удельный расход топлива
1.10.9 Эффективный крутящий момент
1.10.10 Часовой расход топлива
1.11 Определение основных параметров цилиндра и
двигателя
1.11.1 Литраж двигателя
1.11.2 Рабочий объѐм цилиндра
1.11.3 Диаметр цилиндра
1.11.4 Ход поршня
2 Расчѐт и построение характеристик двигателя
2.1 Расчѐт и построение характеристики двигателя в функции
от частоты вращения коленчатого вала
4
40
40
40
41
42
42
43
43
43
44
44
44
44
45
45
45
46
46
Стр.5
2.1.1 Определение максимальной частоты вращения
коленчатого вала двигателя на холостом ходу
2.1.2 Определение текущих значений эффективной мощности
2.1.3 Определение текущих значений эффективного
крутящего момента
2.1.4 Определение текущих значений эффективного удельного
расхода топлива
2.1.5 Определение текущих значений часового расхода
топлива
2.2 Построение характеристик в функции от эффективной
мощности и крутящего момента двигателя
3 Тепловой баланс двигателя
4 Кинематический расчѐт кривошипно-шатунного механизма
4.1 Расчѐт перемещения поршня
4.2 Расчѐт скорости поршня
4.3 Расчѐт ускорения поршня
5 Динамический расчет двигателя
5.1 Определение сил, действующих вдоль оси цилиндра на
поршневой палец
6 Тяговый расчѐт трактора
6.1 Расчѐт и построение мощностного баланса трактора
47
47
48
49
51
51
52
54
54
55
56
59
59
67
67
6.1.1 Определение потерь мощности в трансмиссии Nmp, кВт 67
6.1.2 Определение мощности, подведенной к ведущему колесу
(мощность на колесе) Nк , кВт
68
6.1.3 Определение интервала тяговых усилий на крюке от 0 до
Ркр max
, Н
6.1.4 Разбивка интервала тяговых усилий от 0 до Ркр max
на промежуточные значения
6.1.5 Определение силы сопротивления качению Pf , Н
6.1.6 Определение касательной силы тяги на колесе Рк , Н
6.1.7 Определение теоретической скорости движения трактора
Vt , м/с
6.1.8 Определение коэффициентов буксования
каждого значения Ркр
для
6.1.9 Определение действительной скорости движения
трактора Vд , м/с
6.1.10 Определение потери мощности на самопередвижение
5
68
69
69
69
69
69
71
Стр.6
(качение) трактора Nf , кВт
6.1.11 Определение потери мощности на буксование
6.1.12 Определение полезной мощности на крюке
6.1.13 Определение крюкового (тягового) КПД трактора
6.2 Расчѐт и построение характеристики трактора со
ступенчатой трансмиссией
6.2.1 Определение максимального тягового усилия на крюке
трактора для рабочих передач
Р нкр. , Н
6.2.2 Определение минимального значения тягового усилия
для рабочих передач
6.2.3 Определение знаменателя геометрической прогрессии ,
по которому затем можно определить передаточные числа
трансмиссии
6.2.4 Определение передаточного числа на первой рабочей
передаче
6.2.5 Определение передаточного числа трансмиссии на
остальных рабочих передачах
6.2.6 Расчет и построение лучевого графика
6.2.7 Определение теоретической скорости движения трактора
на каждой передаче
6.2.10 Определение коэффициентов буксования
nд на каждой передаче
nдкаждой передаче:
71
71
72
72
76
76
76
77
77
78
79
81
6.2.8 Определение касательной силы тяги на каждой передаче 82
6.2.9 Определение силы тяги на крюке для каждого значения
на
6.2.11 Определение тяговой мощности на крюке для каждого
значения
6.2.12 Определение тягового КПД трактора на каждой
передаче
6.2.13 Определение удельного крюкового расхода топлива на
каждой передаче
6.2.14 Определение часового расхода топлива на каждой
передаче
6.3 Методика поверочного расчѐта тяговой характеристики
трактора
7 Примеры расчѐтов
7.1 Тепловой расчѐт дизельного двигателя без наддува
7.2 Расчѐт и построение характеристик двигателя
7.3 Расчѐт и построение мощностного баланса трактора
6
82
82
83
83
83
83
86
92
92
111
115
Стр.7
7.4 Расчѐт и построение тяговой характеристики трактора со
ступенчатой трансмиссией
8 Применение компьютера для выполнения расчѐтов
8.1 Тепловой расчѐт
8.2 Расчѐт характеристик двигателя
8.3 Расчѐт мощностного баланса трактора
8.4 Расчѐт тяговой характеристики трактора со ступенчатой
трансмиссией
9 Методическое пособие по самостоятельной работе
студентов при подготовке к защите курсовой работы
9.1 Индикаторная диаграмма
9.2 Характеристики двигателя
9.3 Уравнение и график мощностного баланса трактора
9.4 Потенциальная кривая
9.5 Кривая буксования
9.6 Связь тяговой характеристики трактора с регуляторной
характеристикой двигателя
10 Проблемная лекция
10.1 Возникновение эффективной мощности двигателя
10.2 Способы повышения эффективной мощности двигателя
10.3 Возникновение крутящего момента двигателя
10.4 Возникновение силы тяги на колесах трактора
10.5 Характеристика обычного дизеля
10.6 Характеристика двигателя постоянной мощности (ДПМ)
10.7 Взаимодействие движителя с почвой
10.8 Взаимодействие ведомых колѐс с почвой
10.9 Взаимодействие ведущего колеса с почвой. Природа
возникновения толкающей силы трактора
10.10 Тяговый баланс трактора
10.11 Мощностной баланс трактора
10.12 Тяговая характеристика трактора со ступенчатой
трансмиссией
Контрольные вопросы для защиты курсовой работы
Тесты для самоконтроля знаний по теории двигателей
внутреннего сгорания и теории трактора и автомобиля
Литература
Приложения
124
141
141
142
143
145
147
147
150
160
164
166
168
173
174
177
179
180
181
184
185
186
190
195
195
198
200
204
221
222
7
Стр.8
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебник
разработан в соответствии с Федеральным
образовательным стандартов по направлению «Агроинженерия», учебной
программой по дисциплине «Тракторы и автомобили» и предназначен для
бакалавров по профилям обучения «Технические системы в агробизнесе»
и «Технический сервис в агропромышленном комплексе» при изучении и
выполнении курсовой работы по разделам «Основы теории и расчета
двигателя», «Основы теории трактора и автомобиля».
Учебник содержит: тепловой расчет двигателя, расчет и
построение характеристик двигателя, динамический и кинематический
расчеты двигателя, расчет и построение мощностного баланса
трактора, расчет и построение тяговой характеристики трактора со
ступенчатой трансмиссией, примеры расчѐтов, контрольные вопросы
для подготовки к защите курсовой работы, тесты для самоконтроля
при подготовки к защите курсовой работы и экзаменам по разделам
«Теория, основы расчета и анализ работы. Приведены авторские
компьютерные программы для расчета курсовой работы на
компьютере.
Отдельным разделом дано методическое пособие для
самостоятельной работы студентов, в котором рассмотрены основные
положения о рабочих процессах в двигателе и тракторе.
В учебнике впервые дана проблемная лекция «Некоторые
направления дальнейшего развития теории ДВС и трактора», в которой
рассмотрены основные проблемы в современном двигателе и
тракторостроении и разработаны теоретические основы их решения.
В заключительных разделах приведены необходимые
справочные материалы по отечественным и зарубежным двигателям и
тракторам.
Приведенные в учебнике материалы направлены на
формирование у студентов следующих профессиональных
компетенций: способность решать инженерные задачи, связанные с
разработкой, эксплуатацией и обслуживанием тракторов и
автомобилей; готовность к проведению исследований рабочих и
технологических процессов машин; способностью осуществлять сбор,
анализ исходных данных для расчета и проектирования и использовать
информационные технологии и др. Глубокое изучение основ теории
ДВС, тракторов и автомобилей будет способствовать более успешному
освоению дисциплин по эксплуатации МТП и ремонту машин, а также
более качественной подготовки студентов к будущей практической
работе.
8
Стр.9