Прогрессивные конструкции и рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания

 
 
 
 
 
Г. Г. Тер-Мкртичьян 
 
 
 
 
ПРОГРЕССИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ  
И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ДВИГАТЕЛЕЙ  
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

УДК 621.43 
ББК 31.365 
Т35 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф., профессор кафедры «Теплотехника и АТД» МАДИ ТУ 
Козлов А. В.; 
д-р техн. наук, проф., ведущий эксперт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»  
Сайкин А. М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тер-Мкртичьян, Г. Г. 
Т35   
Прогрессивные конструкции и рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания : учебное пособие / Г. Г. Тер-Мкртичьян. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 116 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1802-7 
 
Рассматриваются вопросы создания двигателей внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами и преобразующие механизмы для реализации таких циклов. 
Описан траверсный силовой механизм НАМИ, позволяющий управлять движением 
поршней, изменяя степень сжатия и рабочий объем. Показано, что управление тактами 
и рабочими циклами позволяет осуществлять альтернативные рабочие процессы, такие 
как управляемое самовоспламенение смеси и частично гомогенный процесс сгорания.  
Для студентов, магистрантов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки «Наземные транспортно-технологические комплексы» (23.04.02), «Эксплуатация 
транспортно-технологических машин и комплексов» (23.04.03), «Энергетическое машиностроение» (13.04.03), «Техносферная безопасность» (20.04.01), а также может 
быть полезно аспирантам, инженерам и научным работникам других специальностей, 
связанных с данной тематикой. 
 
УДК 621.43 
ББК 31.365 
 
 
ISBN 978-5-9729-1802-7 
” Тер-Мкртичьян Г. Г., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4 
1. Направления и методы модифицирования рабочего цикла ДВС ...................... 5 
2. Циклы с тактами разной протяженности (Аткинсона и Миллера) .................... 8 
Двигатели Honda ..................................................................................................... 8 
Двигатели Audi ...................................................................................................... 10 
Двигатели Toyota 
................................................................................................... 12  
3. Двигатели с разделенными тактами .................................................................... 17 
Двигатель Кушуля 
................................................................................................. 18 
Двигатель Скудери 
................................................................................................ 19 
Двигатель ZajacMotors .......................................................................................... 20 
Двигатель TourEngine ........................................................................................... 21 
Разделенный цикл с рабочим процессом HCPC ................................................ 22 
Двигатель DIRO Konstruktion .............................................................................. 22 
4. Двигатели с добавленными тактами ................................................................... 26 
Пятитактный двигатель ILMOR .......................................................................... 27 
Реализация пятитактного цикла в двигателях традиционной конструкции ... 29 
Шеститактные двигатели ..................................................................................... 35 
Двигатель Кроуэра ................................................................................................ 35 
Двигатель Баюласа ................................................................................................ 36 
Двигатель Revelation Power 
.................................................................................. 38 
5. Двигатели с изменяемой комбинацией тактов 
................................................... 40 
Двигатель или Двигатель-Эспандер (Д или ДЭ) 
................................................ 44  
Двигатель-Компрессор или Двигатель-Эспандер (ДК или ДЭ) 
....................... 46  
6. Двигатели с регулируемыми степенью сжатия и рабочим объемом ............... 48  
Одноэлементный преобразующий механизм 
..................................................... 49  
Вариация длины шатуна и радиуса кривошипа 
................................................. 55  
Механизмы с зубчатыми передачами ................................................................. 56  
Трехэлементные преобразующие механизмы 
.................................................... 59  
Балансирные механизмы ...................................................................................... 61  
Траверсные механизмы ........................................................................................ 62  
7. Гибридные рабочие процессы с самовоспламенением  
гомогенного заряда и низкотемпературным сгоранием 
........................................ 67  
Низкотемпературное сгорание гомогенной смеси ............................................ 67  
Способы гомогенизации топливовоздушной смеси .......................................... 71  
Стратегия подачи топлива 
.................................................................................... 71  
Рециркуляция отработавших газов 
...................................................................... 72  
Способы осуществления частично-гомогенного сгорания 
............................... 72  
Двигатели Mazda Skyactiv .................................................................................... 74  
8. Альтернативные конструкции ДВС (на примере РПД) .................................... 79  
ПРИЛОЖЕНИЕ. Реализация циклов Аткинсона/Миллера манипулированием 
коэффициентом наполнения и фактической степенью сжатия 
............................ 84  
ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ...................................................................................................... 107 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 108  
3

ВВЕДЕНИЕ 
 
Анализ перспектив развития двигателестроения свидетельствует о том, что 
в обозримом будущем поршневые двигатели внутреннего сгорания сохранят 
свое доминирующее положение в традиционных отраслях их применения (автомобильный и железнодорожный транспорт, сельскохозяйственное машиностроение, судостроение) при одновременном расширении их использования в транспортных средствах специального назначения.  
Поршневые двигатели постоянно совершенствуются в первую очередь по 
экологическим и экономическим показателям, определяемым совершенством рабочего процесса. Однако в последние годы наметилась тенденция к снижению 
темпов улучшения этих показателей.  
Улучшение показателей рабочего процесса ДВС осуществляется за счет развития гибко управляемых систем подачи топлива и воздуха. При этом схема реализации рабочего процесса базируется на традиционных двух или четырехтактных циклах, практически не претерпевших изменений за более чем столетнюю 
историю развития ДВС.  
Совершенствование традиционных циклов уже оказывается недостаточно 
эффективным и могут быть востребованы нетрадиционные модифицированные 
рабочие циклы ДВС. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4

1. НАПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ  
РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС 
 
При описании циклов используются следующие термины и определения.  
Рабочим циклом ДВС называют периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в цилиндре двигателя и обуславливающих превращение тепловой (химической) энергии в механическую работу. 
Такт (ход поршня) – часть рабочего цикла (совокупность процессов), происходящая в цилиндре, осуществляемая в интервале перемещения поршня 
между двумя смежными мертвыми точками (ВМТ и НМТ). 
Свежий заряд – смесь топлива и окислителя, поступившая в цилиндр.   
Рабочее тело – газы, с помощью которых в цилиндре осуществляется преобразование тепловой энергии в механическую работу.  
Выпускные газы – газы, удаляемые из цилиндра ДВС после завершения 
рабочего цикла.  
В традиционном цикле присутствуют следующие такты: впуск; сжатие; рабочий ход, состоящий из процессов сгорания и расширения рабочего тела; выпуск – удаление выпускных газов из цилиндра в атмосферу, или в турбину турбокомпрессора.  
С целью совершенствования рабочих процессов и получения новых качеств 
предлагались и предлагаются отличные от классических модифицированные 
циклы ДВС. 
На рис. 1.1 дана классификация модифицированных рабочих циклов ДВС. 
Модифицированные рабочие циклы могут состоять из комбинации нескольких элементарных циклов, отличающихся тактами, или используемым рабочим 
телом. Элементарный цикл начинается с такта впуска и завершается тактом выпуска. Комбинированный цикл, например, состоящий из четырехтактного и 
двухтактного циклов обозначается как 4+2. 
В двигателях с модифицированным рабочим циклом такты могут совместно 
осуществляться не в одном, а в двух, или более цилиндрах. Поэтому тактом будем называть часть рабочего цикла при изменении объема модуля1 от минимального до максимального значения. Такты могут быть равной и неравной протяженности. 
В двигателях с модифицированным циклом рабочим телом кроме продуктов сгорания также могут являться пар, смесь пара с продуктами сгорания, сжатый воздух. 
В модифицированном цикле могут присутствовать процессы и такты, отличные от традиционных, или являющиеся их разновидностью. 
Вытеснение – удаление выпускных газов или воздуха из одного цилиндра 
в другой цилиндр двигателя с целью дополнительного расширения.  
 
 

1Модуль – двигатель с минимальным количеством цилиндров, необходимым для совершения рабочего цикла. 
5

Расширение – рабочий ход, в котором имеется процесс расширения, но отсутствует процесс сгорания2. 
Сгорание – так будем называть традиционный рабочий ход с процессами 
сгорания и расширения, чтобы отличить его от такта Расширение. 
Изохорное сгорание – сгорание в камере постоянного объема. 
Нагнетание – сжатие рабочего тела (как правило воздуха) в одном цилиндре и его перемещение в воздушный ресивер, или использование для наддува 
другого цилиндра. 
 
Рис. 1.1. Классификация модифицированных рабочих циклов ДВС 
 
На рис. 1.2 представлены основные направления и методы модифицирования рабочего цикла ДВС. 
 

2 Встречаются следующие определения рабочего хода: 
топливный рабочий ход – сгорание топлива и расширение газов;  
воздушный рабочий ход – расширение воздуха; 
паровой рабочий ход – расширение пара 
6

 
 
Рис. 1.2. Направления и методы модифицирования рабочего цикла 
 
Рассмотрим более подробно примеры модификации цикла ДВС при разделении тактов между его рабочими объемами – двигатели с разделенным циклом 
и двигатели с добавленными тактами, а также двигатели с тактами разной протяженности. 
 
 
 
7

2. ЦИКЛЫ С ТАКТАМИ РАЗНОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ  
(АТКИНСОНА И МИЛЛЕРА) 
 
В традиционных четырехтактных ДВС каждый такт рабочего цикла (впуск – 
сжатие – расширение – выпуск) имеет одинаковую продолжительность.  
При этом каждому такту соответствует ход поршня одинаковой величины.  
Однако, еще в начальный период истории ДВС предпринимались попытки 
создания двигателей с неодинаковыми тактами. В первую очередь разработчиков 
интересовали конструкции, в которых можно было бы реализовать так называемое продолженное расширение, при котором величина хода сжатия больше величины хода расширения. Продолженное расширение позволяет ощутимо увеличить индикаторный КПД двигателя за счет более полного использования теплоты сгорания топлива. 
Наиболее известным примером реализации идеи неравных тактов является 
цикл Аткинсона. В 1887 году британский инженер Д. Аткинсон (J. Atkinson) 
предложил конструкцию двигателя (см. рис. 2.1), который отличался от обычного четырехтактного двигателя, работающего по циклу Отто.  
 
а                                                                        б 
Рис. 2.1. Двигатель Аткинсона: 
а – поршень в НМТ перед тактом сжатия; 
б – поршень в НМТ перед тактом выпуска 
 
В двигателе Аткинсона была изменена конструкция кривошипно-шатунного механизма, и поэтому все четыре такта совершаются за один оборот коленчатого вала, а ход поршня во время впуска и выпуска больше, чем во время сжатия и расширения. 
 
Двигатели Honda 
Стремясь повысить топливную экономичность, фирма Honda разработала 
преобразующий механизм, названный EXlink (Extended Expansion Linkage Engine), позволяющий осуществлять в двигателе цикл Аткинсона с продолженным 
расширением. Параметры первого коммерческого двигателя EXlink, предназначенного для привода электрического генератора, даны в табл. 2.1. 
 
         
8

Таблица 2.1. Параметры двигателя Honda EXlink 
 
Диаметр цилиндра, мм 
53 
Ход поршня на такте впуска, мм 
50 
Ход поршня на такте расширения, мм 
74 
Объем цилиндра на такте впуска, см3 
110 
Объем цилиндра на такте расширения, см3 
163 
Объем камеры сжатия, см3 
9,8 
Степень сжатия 
12,2 
Степень расширения 
17,6 
Частота вращения коленчатого вала, мин-1 
1950 
Электрическая мощность в режиме генератора, кВт 
1,0 

Рис. 2.2. Двигатель Honda EXlink: 
1 – выпускной клапан; 
2 – впускной клапан; 3 – поршень; 
4 – коленчатый вал; 5 – шатун;  
6 – треугольник; 7 – коромысло; 
8 – эксцентриковый вал
 
Основным элементом механизма EXlink является звено 6 в виде треугольника3, расположенного между шатуном 5 и коленчатым валом 4 (рис. 2.2). В каждом из углов треугольника 6 размещены шарниры, один из  которых соединен  
с шатунной шейкой коленчатого вала 4, другой – с нижней головкой шатуна 5,  
а третий – с верхней головкой коромысла 7. Нижняя головка коромысла 7 соединена с эксцентриковым валом 8, частота вращения которого в два раза ниже частоты вращения коленчатого вала 4. 
Конструкция обеспечивает короткий ход 
впуска и сжатия и длинный ход расширения и 
выпуска. При этом степень расширения в двигателе EXlink на 45 % превышает степень сжатия, 
обеспечивая снижение насосных потерь и увеличение индикаторного КПД по сравнению с 
двигателем с традиционным КШМ. 
В двигателе с механизмом EXlink угол 
наклона шатуна к оси цилиндра во время такта 
расширения крайне незначителен, и поршень 
перемещается практически параллельно стенкам цилиндра (рис. 2.3). Это приводит к уменьшению боковой силы, действующей на поршень, и вызывает снижение потерь трения. 
Идеи, заложенные в двигателе Аткинсона, 
в конце XX века были реализованы в двигателях 
с традиционным КШМ, имеющих регулируемые механизмы газораспределения. При этом 
обеспечивалось значительно более позднее закрытие впускных клапанов после НМТ, чем в 
двигателях традиционного типа. Такой рабочий 
процесс известен, как цикл Аткинсона.  

3 В двигателях НАМИ с управляемым движением поршней аналогичный элемент называется «траверса» 
9

 
Рис. 2.3. Боковая сила, действующая на поршень: 
а – КШМ; б – EXlink 
 
В цикле Аткинсона реализуется продолженное расширение рабочего тела 
вследствие того, что реальная степень сжатия меньше геометрической и меньше 
как геометрической, так и реальной степени расширения. 
Одной из первых цикл Аткинсона реализовала MAZDA на автомобиле 
Xedos 9.  Двигатель MAZDA с рабочим объемом 2,3 л и геометрической степенью сжатия 10 имеет объемный нагнетатель Lysholm и развивает 155 кВт.  
В настоящее время цикл Аткинсона успешно применяется в двигателях комбинированных энергоустановок TOYOTA автомобилей Prius. Степень сжатия в 
этих двигателях равна 13,5. 
Другим направлением развития идей Д. Аткинсона стали работы американского инженера Р. Миллера (R. Miller), который в 1947 году экспериментируя с 
судовыми двигателями с впрыском природного газа, видоизменил цикл Аткинсона, закрывая впускные клапаны не позже, а раньше НМТ. Такой рабочий процесс известен, как цикл Миллера. В цикле Миллера при движении поршня к НМТ 
после закрытия впускных клапанов происходит внутреннее охлаждение рабочего тела, что снижает теплонапряженность деталей двигателя и благоприятно 
при использовании высокого наддува. 
В конечном счете, и в цикле Аткинсона с «укороченным сжатием» и в цикле 
Миллера с «укороченным впуском» обеспечивается снижение фактической степени сжатия и продолженное расширение. 
 
Двигатели Audi 
В двигателях AUDI реализован один из вариантов цикла Миллера, названный В-циклом (Budack Cycle). Изменение времени открытия клапанов на стороне впуска реализуется с помощью системы Audi Valvelift System (AVS). В системе AVS для каждого клапана предусмотрены по два кулачка с разными профилями, переключаемых в зависимости от режима работы двигателя. Фазы газораспределения, управляемые кулачками, рассчитаны на достижение необходимых характеристик двигателя. Регулируемыми параметрами являются продолжительность и момент открытия клапана, а также ход клапана, определяющий 
его проходное сечение (рис. 2.4). 
10