Теоретические положения термодинамики

и теплотехники............................................................................. 59

2.1. История теплоэнергетики....................................................................... 59

2.2. Энергия как мера работоспособности физических тел.......................... 66

2.3. Топливо — источник тепловой энергии. Виды,

физико_химические и эксплуатационные свойства топлива................. 68

2.4. Основные термодинамические характеристики и уравнения

состояния парогазовых систем................................................................ 75

2.5. Теплота и работа. Первое начало термодинамики................................. 82

2.6. Второе начало термодинамики. Цикл Карно......................................... 87

Глава 3. Теоретические основы рабочих процессов

и их организация в транспортных двигателях......................... 95

3.1. Теоретические основы рабочих процессов тепловых двигателей.......... 95

3.1.1. Классификация основных рабочих процессов............................. 95

___

3.1.2. Идеальный, теоретический и рабочий (действительный)

термодинамические циклы поршневых двигателей.................... 97

3.1.3. Газотурбинный двигатель........................................................... 109

3.1.4. Паросиловые установки............................................................... 112

3.1.5. Двигатель внешнего сгорания с возвратно_поступательно

движущимися поршнями (двигатель Стирлинга)....................... 114

3.1.6. Роторный двигатель Ванкеля....................................................... 116

3.2. Организация рабочих процессов

транспортных двигателей внутреннего сгорания.................................. 118

3.2.1. Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто)................. 118

3.2.2. Дизель......................................................................................... 124

3.2.3. Гибридные двигатели.................................................................. 129

3.3. Основные системы обеспечения работы транспортных

двигателей внутреннего сгорания.......................................................... 131

3.3.1. Система питания.......................................................................... 131

3.3.2. Цилиндропоршневая группа, кривошипно_шатунный

и газораспределительный механизмы........................................ 132

3.3.3. Система наддува......................................................................... 136

3.3.4. Система охлаждения и смазочная система................................ 139

3.3.5. Система выпуска отработавших газов....................................... 140

Глава 4. Энергетика автотранспортных средств.................................. 146

4.1. Продвижение и реализация потока энергии

в автотранспортных средствах............................................................... 146

4.2. Качественная картина диссипации энергии движущимся

автотранспортным средством................................................................ 153

4.3. Энергетика колебательных процессов.................................................. 154

4.3.1. Основные понятия колебательных процессов........................... 154

4.3.2. Свободные колебания диссипативной системы

с одной степенью свободы.......................................................... 157

4.3.3. Диссипативные характеристики механических систем............. 158

4.3.4. Колебания и вязкоупругое поведение материалов.....................161

4.4. Производство механической энергии двигателями

транспортных средств в эксплуатационных условиях.......................... 164

4.4.1. Стендовые однопараметрические характеристики

двигателей внутреннего сгорания............................................... 164

4.4.2. Рабочее поле и многопараметровые характеристики

двигателей внутреннего сгорания............................................... 168

4.4.3. Образование механических потерь в двигателе.......................... 172

4.4.4. Влияние комплектации, атмосферных условий

и технического состояния двигателя

на его эксплуатационные показатели.......................................... 174

4.4.5. Неустановившиеся режимы работы двигателя........................... 176

4.4.6. Совместное влияние нелинейности характеристик

и гистерезиса на показатели движения

автотранспортных средств.......................................................... 182

4.5. Передача энергии трансмиссией.......................................................... 184

4.6. Энергетика колесного движителя......................................................... 188

4.7. Преодоление аэродинамического сопротивления............................... 202

___

4.8. Оптимальное управление автотранспортными средствами................ 204

4.9. Энергообеспечение вспомогательных и специальных

функций автотранспортных средств, сохранности грузов

и жизнедеятельности.............................................................................. 211

Глава 5. Энергетика компонентов и инфраструктуры

транспорта.................................................................................. 214

5.1. Производство автотранспортных средств............................................. 214

5.2. Строительство и содержание автомобильных дорог............................. 217

5.3. Поддержание работоспособности техники

и персонала............................................................................................ 229

5.3.1. Поддержание работоспособности подвижного состава............. 229

5.3.2. Производственно_технологические и коммунально_бытовые

тепло_ и топливопотребители предприятий автомобильного

транспорта................................................................................... 230

5.3.3. Нормирование расхода топлива на автомобильном

транспорте................................................................................... 232

5.4. Погрузочно_разгрузочные и транспортно_складские работы............. 235

5.5. Связь и управление............................................................................... 237

5.6. Утилизация транспортных конструкций как завершение

их жизненного цикла............................................................................. 240

5.7. Парк машин на дорожной сети............................................................. 241

5.7.1. Уровни моделирования транспортного потока.......................... 241

5.7.2. Нестационарные режимы транспортных потоков..................... 242

5.8. Энергетическая эффективность автомобильного транспорта............ 245

5.8.1. Единица измерения эффективности транспорта тран.............. 245

5.8.2. Обобщенный коэффициент энергоэффективности

перевозок..................................................................................... 246

Глава 6. Применение энергосберегающих и природоохранных

Технологий на транспорте как способ защиты

окружающей среды и общества............................................... 249

6.1. Взаимодействие транспортно_дорожного комплекса

с окружающей природной средой......................................................... 249

6.2. Системы, обеспечивающие топливную экономичность, снижение

дымности и токсичности транспортных двигателей внутреннего

сгорания................................................................................................. 254

6.3. Обеспечение экологической безопасности моторного топлива,

контроль его качества при испытаниях и реализации.......................... 260

Заключение.................................................................................................. 266

Список литературы...................................................................................... 268

_

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Транспортная энергетика» занимает особое

место в процессе формирования специалистов в области авто_

мобильного транспорта. С одной стороны, для успешного осво_

ения этой инженерной дисциплины требуется хорошая подго_

товка студентов по предшествующим предметам: высшей мате_

матике, прикладной информатике, физике, теоретической и

прикладной механике, теории эксплуатационных свойств авто_

мобиля, экологии. С другой стороны, для ряда последующих

предметов, связанных с изучением транспортной логистики,

технологии транспортного производства, взаимодействия видов

транспорта, грузовых и пассажирских перевозок, а также эко_

номики транспорта, транспортная энергетика — одна из базо_

вых дисциплин.

Несмотря на то что энергетика является физической основой

транспорта, а специалист_транспортник должен иметь соот_

ветствующую подготовку, учебника по этой дисциплине до сих

пор не было. Более того, авторам не удалось найти ни одной

книги с таким названием, хотя имеется много литературы по

вопросам, которые могут быть отнесены к транспортной энер_

гетике. Объяснить это можно тем, что данная дисциплина долж_

на органично и вместе с тем концентрированно соединить в себе

множество разнородных знаний в связи с выходом транспорт_

ной науки и практики на логистический уровень.

Проникнуть в существо процессов общей энергетики, понять

и оценить роль транспорта, изучить энергетику процессов, в

которых участвуют физические и организационные объекты

транспорта (двигательные установки, автотранспортные сред_

ства, парк машин), приобрести соответствующие знания, спо_

собствующие выработке и принятию оптимальных, всесторон_

не взвешенных решений в области предстоящей профессио_

нальной деятельности, — вот цель, которую ставит перед вами

этот курс. Вам предстоит большая работа, требующая трудолю_

бия и интеллектуальных усилий.

Настоящий курс формировался в течение многих лет в про_

цессе подготовки специалистов в области автомобильного

транспорта в Автомобильно_дорожном институте Санкт_Петер_

бургского государственного архитектурно_строительного уни_

верситета (АДИ СПбГАСУ). Использован опыт авторов, накоп_

ленный в процессе многолетних исследований эксплуатацион_

_

ных свойств автомобилей и их энергосиловых элементов на

Камском автозаводе, в Центральном научно_исследовательском

институте топливной аппаратуры, на предприятиях Главлен_

автотранса. Авторы выражают особую признательность специ_

алистам этих предприятий, оказавшим в свое время весомое

влияние на становление идей и решение задач будущего учеб_

ного курса, В.Н.Баруну, Р.А.Азаматову, Д.Х. Валееву, Б. В.Ма_

мину, Ю.И.Будыко.

Предисловие, введение, гл. 1, 4, 5 и заключение написаны

Ю.Г.Котиковым; гл. 2, 3, 6 — В.Н.Ложкиным.

Замечания и пожелания, возникшие при прочтении книги,

просьба присылать по адресу: 198103, Санкт_Петербург, ул. Кур_

ляндская, д. 2/5, АДИ СПбГАСУ, кафедра ОПУБАТ либо по од_

ному из адресов электронной почты: [e-mail],

[e-mail].

_

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ — асфальтобетон

АБЗ — асфальтобетонный завод

АБС — асфальтобетонная смесь

АД — автомобильная дорога

АП — автопоезд

АРЗ — авторемонтный завод

АТ — автомобильный транспорт

АТП — автотранспортное предприятие

АТ_поток — автотранспортный поток

АТС — автотранспортное средство

АЭС — атомная электростанция

ВВП — валовой внутренний продукт

ВМТ — верхняя мертвая точка

ВСХ — внешняя скоростная характеристика

ГИС — геоинформационная система

ГРМ — газораспределительный механизм

ГТД — газотурбинный двигатель

ГТУ — газотурбинная установка

ГЭС — гидроэлектростанция

ДВС — двигатель внутреннего сгорания

ДУ — дифференциальное уравнение

ЖДТ — железнодорожный транспорт

ЖЦ — жизненный цикл

ИТ — информационные технологии

КА — космический аппарат

КВ — коленчатый вал

КП — коробка передач

КС — камера сгорания

КШМ — кривошипно_шатунный механизм

ЛЭП — линия электропередачи

МПХ — многопараметровая характеристика

МТ — моторный тормоз

НМТ — нижняя мертвая точка

НПЗ — нефтеперерабатывающий завод

НУР — неустановившийся режим

НЧ — несущая часть (конструкции АТС)

ОГ — отработавшие газы

ОС — окружающая среда

ПГУ — парогазовая установка

_

ПДК — предельно допустимая концентрация

ПРиТСР — погрузочно_разгрузочные и транспортно_

складские работы

ПРР — погрузочно_разгрузочные работы

ПРХ — предельная регуляторная характеристика

ПХХ — принудительный холостой ход

ПТМ — подъемно_транспортные машины

ПТХ — предельная тормозная характеристика

ПЭС — приливная электростанция

СНГ — сжиженный нефтяной газ

СПГ — сжатый природный газ

СТО — станция технического обслуживания

СУ — силовая установка

СУПБ — система улавливания паров бензина

СУР — стиль управления разгоном

ТА — топливная аппаратура

ТД — торможение двигателем

ТДК — транспортно_дорожный комплекс

ТНВД — топливный насос высокого давления

ТО — техническое обслуживание

ТР — текущий ремонт

ТС — транспортное средство

ТСР — транспортно_складские работы

ТЭ — топливный элемент

ТЭБ — топливно_энергетический баланс

ТЭК — топливно_энергетический комплекс

ТЭС — теплоэлектростанция

ТЭЦ — теплоэлектроцентраль

ТЭХ — топливно_экономическая характеристика

УДД — управление дорожным движением

УДС — улично_дорожная сеть

у. т. — условное топливо

ХХ — холостой ход

ХЧ — ходовая часть

ЦБЗ — цементобетонный завод

ЦПГ — цилиндропоршневая группа

ЭК — энергетический комплекс

ЭС — электростанция

ЭСЭ — энергосиловой элемент

ЭУ — энергетическая установка

_

ВВЕДЕНИЕ

Источником жизни на Земле, а также источником энергии

для всей техноструктуры и жизнеобеспечения человечества яв_

ляется Солнце.

Транспорт, будучи одним из основных элементов экономики

и жизнедеятельности, требует для своей работы до четверти всех

используемых энергоресурсов. Продвижение энергии от пер_

вичных источников через множество различных преобразовате_

лей до парка транспортных машин, а затем превращение ее в

транспортную работу по сути представляют собой логистичес_

кий процесс.

Потребление энергии — необходимое условие существования

человечества. История цивилизации — это история освоения

новых источников энергии, изобретения методов ее преобразо_

вания, увеличения ее потребления. На первом этапе энергопо_

требления человек научился добывать огонь и использовать его

для приготовления пищи и обогрева. Следующий этап связан с

созданием орудий труда. В XV в. человек потреблял энергии в

десять, а к концу XX в. — в сто раз больше, чем первобытный

предок. Темпы развития энергетики опережали темпы развития

других отраслей.

В то же время энергетика — источник вредного воздействия

на среду обитания. Она влияет на атмосферу (потребление кис_

лорода, выбросы вредных веществ), гидросферу (потребление

воды, сбросы загрязнений) и литосферу (потребление ископае_

мых, изменение ландшафта).

Энергия — это общая количественная мера движения и

взаимодействия всех видов материи. В физическом смысле энер_

гия есть способность совершать работу.

Тысячелетия человек для выполнения работы довольствовал_

ся своей мускульной силой, расходуя около 2 тыс. ккал в сутки.

Затем на помощь пришли животные. Но потребность в энер_

гии росла. Начали создаваться устройства, способные исполь_

 

зовать естественные источники механической энергии, осва_

ивалась теплота природного топлива. Изобретение двигателя

внутреннего сгорания позволило создать транспортные маши_

ны. Энерговооруженность человека значительно увеличилась

благодаря применению электрической энергии, а затем энергии

атомного ядра. Современному человеку для обеспечения ком_

фортных условий жизни требуется в среднем 250 тыс. ккал

в сутки. Поиск новых форм энергии остается одной из основ_

ных задач человечества.

Цель настоящего учебного издания — преподать будущим

специалистам автотранспортной отрасли структурированную

совокупность знаний, называемую транспортной энергетикой.

Эта совокупность обладает многоаспектностью: взаимосвязь

транспортной и общей (интегрированной) энергетики, оценка

и методы снижения энергозатрат, разработка новых видов топ_

лива и создание соответствующих конструкций двигателей, эко_

логические ограничения, логистические аспекты обеспечения

парка машин энергией, организация эффективной работы это_

го парка и многое другое.

 

Гл а в а 1

ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ