0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Циклы Отто, Аткинсона/Миллера, Дизеля – теория и практическое применение

roter › Блог › Цикл Отто, Аткинсона/Миллера … SKYACTIVE и SOHC i-VTEC

Привычный двигатель ДВС работает по Циклу Отто. Выделяется 4 такта: впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Аткинсон взял за основу циклы Отто, но оптимизировал их, фактически он удлинил такт рабочего хода, за счет сложного кривошипно-шатунного механизма. Все 4 такта происходили за один оборот коленчатого вала. Такие двигатели получились эффективными с высоким КПД, с маленьким расходом. Но основной недостаток был низкий крутящий момент на низких оборотах и такой двигатель плохо регулируется дросельной заслонкой (двигатели с таким приципом действия получили широкое распространение среди гибридных, т.к. электромотор обеспечивал высокий крутящий момент и компенсировал с лихвой все недостатки, но двигатель Аткинсона применялся не в чистом виде, а только его идея).
Позже на основе двигателя Аткинсона появился двигатель с циклами Миллера. Фактически идея та же самая, но все это реализовано на классическом поршневом двигателе с обычным КШМ (который применяется и при цикле Отто) за счет системы Фаз газораспределения.
Впускной клапан закрывается позже окончания такта впуска. Данный подход у двигателистов носит условное название «укороченного сжатия». В конечном счете данный подход дает снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).
Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии (она частично выталкивается во впускной коллектор). Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра.
Данный принцип впервые применила компания Мазда на Автомбилях Хедокс 9 и Миления. Что бы при всей своей эффективность не потерять мощность, двигатель использовался не в атмосферном варианте, а с механическим нагнетателем.

В 2012 году Мазда вывела в свет новую технологию СкайАктив. По фату это комплексный подход к автомобилю строению: Двигатель, трансмиссия, ходовая и Кузов.

В частности что касается двигателей, то двигатели для более высокой эффективности стали работать с запредельной степенью сжатия (13:1, 14:1). Чтобы избежать детонации при обычном 95 бензине, инженера предприняли ряда мер: это ионные датчики в катушках зажигания, непосредственный впрыск с давлением 200бар, спортивный выпускной коллектор 4-2-1. Двигатель стал работать по двум цикламм: на низких нагрузках по циклу Аткинсона (фактически Миллера), в котором фактическая степень сжатия ниже геометрической и более эффективное КПД (считай расход и теплонагруженность), и цикл Отто на средних и высоких нагрузках, где фактическая степень сжатия равна геометрической и довольно высокая относительно всего автопрома. Достигается данный эффект за счет системы изменения фаз газораспределения (в Мазде применяется гидравлический фазовращатели на выпуске и элетронные на впуске)

Но существует и другой пример, который я до конца не уверен по какому циклу работает www.drive2.ru/l/7543335/. Но всего скорее речь идет о том же цикле Миллера. Это Хондовский мотор серии R18, R20 SOHC i-VTEC.

Фактически на низких оборотах в данных двигателях клапан после впуска какое то время остается открытым (за счет системы i-VTEC), топливно воздушная смесь полностью заполняет цилиндр и частично выдавливается обратно. Всё это дело происходит при полностью открытой дросельной заслонке, за счет чего минимизируются насосные потери. Фактически впуском полностью управляет система SOHC i-VTEC через электронную педаль акселератора. Получается КПД двигателя на низких оборотах очень высокое, двигатель работает максимально эффективно. Прироста момента на низах как такого нет, но за счет снижения топливных и насосных потерь и равномерного заполнения камеры сгорания двигатель на низких оборотах работает ровно и легко, при этом очень экономично. После того как двигатель выходит из зоны Втэка, а это выше 3500 об/мин он работает в обычном режимме Отто, с фактической и геометрической стандартной степенью сжатия. Она не такая высокая как в моторах СкайАктив, соответсвенно значение мощности и момента (КПД в целом) на высоких оборотах меньше чем в моторах СкайАктив (речь идет не о пиковых значениях).

Что такое Цикл Миллера и как он работает?

Mark Icons
DD — Dрифтер в DУше

Новый рабочий цикл двигателей VAG с высокой степенью сжатия и ЭБУ Bosch MG1

На момент написания этого материала новый рабочий цикл двигателей, работающих по принципу цикла Миллера, применяется на двигателях 1.5 TSI (DACA) семейства EA211 EVO и на двигателях 2.0 TSI BZ семейства EA888 gen3B. Отличительно особенностью этих двигателей, в момент знакомства с их ТТХ, является очень высокая для бензиновых турбированных двигателей степень сжатия: 12,5:1 на 1.5 TSI и 11,65:1 на 2.0 TSI BZ.

Особенность цикла Миллера заключается в смещении момента открытия/закрытия клапанов: таким образом впускные клапаны (в зависимости от запрограммированных параметров) закрываются ещё задолго до достижения поршнем нижней мёртвой точки (НМТ), это позволяет создать процесс расширения топливо-воздушной смеси, и к тому моменту, как поршень достигает нижней мёртвой точки, закрытая смесь уже достаточно расширяется и от этого остывает. В свою очередь подобный процесс приводит к снижению конечной температуры цикла сжатия, таким образом степень сжатия самого двигателя можно повышать и не бояться самопроизвольного воспламенения смеси (детонации). Поэтому двигатели, работающие по принципу цикла Миллера, имеют столь высокую степень сжатия.

Так же на впускном валу расположен фазовращатель, который может изменять момент закрытия впускных клапанов и тем самым менять степень расширения смеси на этапе впуска. Подробнее это отображено на схеме ниже:

Таким образом можно отметить следующие преимущества цикла Миллера в сравнении с обычными рабочими циклами:

  • За счёт более холодной смеси снижается конечная температура цикла сжатия, а с ней и склонность к детонации. Степень сжатия можно повысить до 12,5:1, что приводит к увеличению термического КПД и более эффективному сгоранию топлива;
  • Времени на впуск в цилиндр необходимой массы воздуха стало меньше, поэтому в режиме частичной нагрузки дроссельная заслонка открывается шире, улучшая газообмен в цилиндрах;
  • Увеличение рабочего объёма уменьшает работу сжатия;
  • Благодаря более холодной смеси сокращается детонационное сгорание в режиме полной нагрузки, что позволяет двигателю работать со значением лямбда 1 в широком диапазоне крутящего момента / нагрузки.

Для сравнения цикла Миллера с обычным циклом работы двигателя стоит обратиться к таблице данные впускных и выпускных клапанов двигателей 1.5 TSI семейства EA211 EVO, где двигатель DACA (130 л.с.) работает по принципу цикла Миллера, а двигатель DADA (150 л.с.) работает по обычному рабочему циклу:

Правда при всех плюсах нового цикла возникают и дополнительные требования к навесному оборудованию двигателя. Так, например, из-за раннего закрытия клапанов, короткой фазы их открытия и меньшего хода впускных клапанов (7,2 мм против 9,0 мм), у двигателя остаётся совсем мало времени на наполнение цилиндров достаточным зарядом воздуха. Чтобы компенсировать эту недостачу, нужно поднимать давление наддува и улучшать эффективность охлаждения наддувочного воздуха. Для этого на новых двигателях применяются турбонагнетатели с повышенным избыточным давлением и более производительные интеркулеры (а на двигателе 1.5 TSI (DACA) и вовсе установлен турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG).

В чем разница цикла Отто, Аткинсона и Миллера

Многие привыкли делить двигатели на бензиновые и дизельные. В последнее время широко применяется газовое оборудование. Но мировые лидеры автомобильной промышленности переходят, если не на полностью электрифицированные варианты, то на гибридные версии, комплектуемые силовыми установками, работающими по циклу Аткинсона. Какие принципиальные отличия имеют агрегаты?

Самые обычные двигатели внутреннего сгорания в 80% случаев осуществляют работу по циклу Отто. Nikolaus August Otto – немецкий инженер, который в 1878 году изобрел принцип работы ДВС. Это четыре такта: впуск, сжатие, воспламенение в верхней мертвой точке и рабочий ход поршня, выпуск. Отто получил патент на свои разработки, и для их использования нужно было заплатить определенную сумму денег.

Многие инженера пытались создать альтернативу. Первый, кому удалось это сделать, был Джеймс Аткинсон. В 1886 году он предложил свой вариант работы двигателя, который, по его мнению, был более эффективный и работал при меньшей степени сжатия, издавая меньший шум. Также немаловажным был сниженный расход топлива. При всех этих преимуществах силовая установка имела достаточно сложную структуру. Поршень имел четыре точки опоры, в отличие от одной в версии Отто. Двигатель также использовал такт впуска, далее следовало воспламенение, затем поршень шел вверх и совершался рабочий ход, после чего осуществлялся выпуск отработанных газов. Примечательно то, что все 4 такта проходили за один оборот коленчатого вала, у традиционного мотора это происходит за два оборота. Еще одной проблемой были большие габариты силовой установки. По ряду причин двигатель Аткинсона не пошел в серийное производство.

В 1947 году Американский инженер Ральф Миллер изобрел свою модификацию ДВС, путем синхронизации рабочих схем моторов Отто и Аткинсона. Он взял принцип пониженной степени сжатия и интегрировал его в собственные разработки. Так как ранее на технологию уже был получен патент, многие называют рабочую схему – Миллера-Аткинсона. В момент сжатия в первых двух двигателях, когда поршень двигается вверх, оба клапана закрыты, при этом создается очень высокое давление. У Миллера в этот момент впускной клапан немного приоткрывается, и какая-то часть воздушно-топливной смеси уходит во впускной коллектор. Данный принцип основан на предположениях того, что поршень на такте сжатия идет с меньшим сопротивлением, уменьшая насосные потери и улучшая геометрию сжатия смеси, и в последствие, исключая ее детонацию. К плюсам можно отнести еще более экономичный расход топлива. Слабой стороной является снижение мощности при высоких оборотах из-за худшего наполнения цилиндров. В современных двигателях все чаще применяются данные технологии.

Циклы Отто, Аткинсона/Миллера, Дизеля – теория и практическое применение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) считается одним из самых важных узлов в автомобиле, от его характеристик, мощности, приемистости и экономичности зависит, насколько комфортно будет чувствовать себя за рулем водитель. Хотя авто постоянно совершенствуются, «обрастают» навигационными системами, модными гаджетами, мультимедиа и так далее, моторы так и остаются практически неизменными, по крайней мере, принцип их работы не меняется.

  • 1 КПД двигателей Отто
  • 2 Термодинамический цикл Аткинсона
  • 3 Цикл Миллера
  • 4 Miller Cycle Engine на автомобиле Mazda Xedos (2.3 L)
  • 5 Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота
  • 6 Цикл дизеля
  • 7 Современные дизели для автомобилей
    • 7.1 Статьи по теме:

Цикл Отто Аткинсона, который лег в основу автомобильного ДВС, был разработан еще в конце 19-го века, и с того времени не претерпел почти никаких глобальных изменений. Лишь в 1947 году Ральф Миллер сумел усовершенствовать разработки своих предшественников, взяв лучшее от каждой из моделей построения двигателя. Но чтобы в общих чертах понять принцип работы современных силовых агрегатов, нужно немного заглянуть в историю.

КПД двигателей Отто

Первый двигатель для автомобиля, который мог нормально работать не только теоретически, был разработан французом Э. Ленуаром в далеком 1860 году, являлся первой моделью с кривошипно-шатунным механизмом. Агрегат работал на газу, использовался на лодках, его коэффициент полезного действия (КПД) не превышал 4,65%. В дальнейшем Ленуар объединился с Николаусом Отто, в сотрудничестве с немецким конструктором в 1863-м году был создан 2-тактный ДВС с КПД 15%.

Принцип четырехтактного двигателя впервые был предложен Н. А. Отто в 1876 году, именно этот конструктор-самоучка считается создателем первого мотора для автомобиля. Движок имел газовую систему питания, изобретателем же 1-го в мире карбюраторного ДВС на бензине считается российский конструктор О. С. Костович.

Работа цикла Отто применяется на многих современных двигателях, всего здесь четыре такта:

  • впуск (при открытии впускного клапана цилиндрическое пространство наполняется топливной смесью);
  • сжатие (клапана герметичны (закрыты), происходит сжимание смеси, в конце этого процесса – воспламенение, которое обеспечивает свеча зажигания);
  • рабочий ход (из-за высоких температур и большого давления поршень устремляется вниз, заставляет двигаться шатун и коленвал);
  • выпуск (в начале этого такта открывается выпускной клапан, освобождая путь выпускным газам, коленвал в результате преобразования теплоэнергии в механическую энергию продолжает вращаться, поднимая шатун с поршнем вверх).

Все такты зациклены и идут по кругу, а маховик, который запасает энергию, способствует раскручиванию коленчатого вала.

Хотя по сравнению с двухтактным вариантом четырехтактная схема кажется более совершенной, КПД бензинового мотора даже в самом лучшем случае не превышает 25%, а наибольший коэффициент полезного действия – у дизелей, здесь он может повыситься максимально и до 50%.

Термодинамический цикл Аткинсона

Джеймс Аткинсон – британский инженер, решивший модернизировать изобретение Отто, предложил свой вариант усовершенствования третьего цикла (рабочего хода) в 1882 году. Конструктором была поставлена цель повысить КПД двигателя и сократить процесс сжатия, сделать ДВС более экономичным, менее шумным, а различие его схемы построения заключалось в изменении привода кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и в прохождении всех тактов за один оборот коленвала.

Хотя Аткинсон и сумел повысить эффективность своего мотора по отношению к уже запатентованному изобретению Otto, схема не была реализована на практике, механика оказалась слишком сложной. Но Atkinson стал первым конструктором, который предложил работу ДВС с пониженной степенью сжатия, и принцип этого термодинамического цикла был в дальнейшем учтен изобретателем Ральфом Миллером.

Цикл Миллера

Идея сокращения процесса сжатия и более насыщенного впуска не ушла в забвение, к ней вернулся в 1947 году американец Р. Миллер. Но на этот раз инженер предложил реализовать схему не с помощью усложнения КШМ, а путем изменения фаз газораспределения. Рассматривалось две версии:

  • рабочий ход с запаздыванием закрытия впускного клапана (LICV или короткое сжатие);
  • ход с ранним закрытием клапана (EICV или укороченный впуск).

При позднем закрытии впускного клапана получается сокращенное сжатие по отношению к двигателю Отто, из-за чего часть топливной смеси попадает назад во впускной канал. Такое конструктивное решение дает:

  • более «мягкое» геометрическое сжатие топливно-воздушной смеси;
  • дополнительную экономию топлива, особенно на малых оборотах;
  • меньшую детонацию;
  • низкий уровень шума.
Читать еще:  Выбираем акустику для автомобиля

К минусам этой схемы можно отнести уменьшение мощности на больших оборотах, так как процесс сжатия получается сокращенным. Но за счет более полного наполнения цилиндров возрастает КПД на низких оборотах и увеличивается геометрическая степень сжатия (фактическая уменьшается). Графическое изображение этих процессов можно увидеть на рисунках с условными диаграммами ниже.

Двигатели, работающие по схеме Миллера, проигрывают Otto на высоких скоростных режимах по мощности, но в городских условиях эксплуатации это не так и важно. Зато такие моторы более экономичны, меньше детонируют, мягче и тише работают.

Miller Cycle Engine на автомобиле Mazda Xedos (2.3 L)

Особенный механизм газораспределения с перекрытием клапанов обеспечивает повышение степени сжатия (СЗ), если в стандартном варианте, допустим, она равна 11, то в моторе с коротким сжатием этот показатель при всех других одинаковых условиях увеличивается до 14. На 6-цилиндровом ДВС 2.3 L Mazda Xedos (семейство Skyactiv) теоретически это выглядит так: впускной клапан (ВК) открывается, когда поршень расположен в верхней мертвой точке (сокращенно – ВМТ), закрывается не в нижней точке (НМТ), а позднее, остается открытым 70º. При этом часть топливно-воздушной смеси выталкивается назад во впускной коллектор, сжатие начинается после закрытия ВК. По возвращению поршня в ВМТ:

  • объем в цилиндре уменьшается;
  • давление возрастает;
  • воспламенение от свечи происходит в какой-то определенный момент, оно зависит от нагрузки и количество оборотов (работает система опережения зажигания).

Затем поршень идет вниз, происходит расширение, при этом теплоотдача на стенки цилиндров получается не такой высокой, как в схеме Otto из-за короткого сжатия. Когда поршень доходит до НМТ, идет выпуск газов, затем все действия повторяются заново.

Специальная конфигурация впускного коллектора (шире и короче, чем обычно) и угол открытия ВК 70 градусов при СЗ 14:1 дает возможность установить опережение зажигания 8º на холостых оборотах без какой-либо ощутимой детонации. Также эта схема обеспечивают больший процент полезной механической работы, или, другими словами, позволяет поднять КПД. Получается, что работа, вычисляемая по формуле A=P dV (P – давление, dV – изменение объема), направлена не на нагревание стенок цилиндров, головки блока, а идет на совершение рабочего хода. Схематически весь процесс можно посмотреть на рисунке, где начало цикла (НМТ) обозначено цифрой 1, процесс сжатия – до точки 2 (ВМТ), от 2 до 3 – подвод теплоты при неподвижном поршне. Когда поршень идет от точки 3 к 4, происходит расширение. Выполненная работа обозначена заштрихованной областью At.

Также всю схему можно посмотреть в координатах T S, где T означает температуру, а S – энтропию, которая растет с подводом теплоты к веществу, и при нашем анализе это величина условная. Обозначения Qp и Q – количество подводимой и отводимой теплоты.

Недостаток серии Skyactiv – по сравнению с классическими Otto у этих движков меньше удельная (фактическая) мощность, на моторе 2.3 L при шести цилиндрах она составляет всего лишь 211 лошадиных сил, и то при учете турбонаддува и 5300 об/ мин. Зато у моторов есть и ощутимые плюсы:

  • высокая степень сжатия;
  • возможность установить раннее зажигание, при этом не получить детонации;
  • обеспечение быстрого разгона с места;
  • большой коэффициент полезного действия.

И еще одно немаловажное преимущество двигателя Miller Cycle от производителя Mazda – экономичный расход топлива, особенно при малых нагрузках и на холостом ходу.

Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота

Хотя цикл Аткинсона не нашел свое практическое применение в 19-м веке, идея его двигателя реализована в силовых агрегатах 21-го столетия. Такие моторы устанавливаются на некоторые модели гибридных легковых автомобилей Тойота, работающих одновременно и на бензиновом топливе, и на электричестве. Нужно уточнить, что в чистом виде теория Atkinson так и не используется, скорее, новые разработки инженеров Toyota можно называть ДВС, сконструированными по циклу Аткинсона/ Миллера, так как в них используется стандартный кривошипно-шатунный механизм. Уменьшение цикла сжатия достигается за счет изменения газораспределительных фаз, при этом цикл рабочего хода удлиняется. Моторы с использованием подобной схемы встречаются на авто компании Toyota:

  • Prius;
  • Yaris;
  • Auris;
  • Highlander;
  • Lexus GS 450h;
  • Lexus CT 200h;
  • Lexus HS 250h;
  • Vitz.

Модельный ряд моторов с реализованной схемой Atkinson/ Miller постоянно пополняется, так в начале 2017 года японский концерн приступил к выпуску 1,5-литрового четырехцилиндрового ДВС, работающего на высокооктановом бензине, обеспечивающего 111 лошадиных сил мощности, со степенью сжатия в цилиндрах 13,5:1. Двигатель оснащен фазовращателем VVT-IE, способным переключать режимы Otto/ Atkinson в зависимости от скорости и нагрузки, с этим силовым агрегатом автомобиль может ускоряться до 100 км/ч за 11 секунд. Движок отличается экономичностью, высоким КПД (до 38,5%), обеспечивает отличный разгон.

Цикл дизеля

Первый дизельный мотор был спроектирован и построен немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем в 1897-м году, силовой агрегат обладал большими размерами, был даже больше паровых машин тех лет. Так же как и двигатель Отто, он был четырехтактным, но отличался превосходным показателем КПД, удобством в эксплуатации, и степень сжатия у ДВС была значительно выше, чем у бензинового силового агрегата. Первый дизели конца XIX века работали на легких нефтепродуктах и растительных маслах, также была попытка в качестве топлива использовать угольную пыль. Но эксперимент провалился практически сразу:

  • обеспечить подачу пыли в цилиндры было проблематично;
  • обладающий абразивными свойствами уголь быстро изнашивал цилиндро-поршневую группу.

Интересно, что английский изобретатель Герберт Эйкройд Стюарт запатентовал аналогичный двигатель на два года раньше, чем Rudolf Diesel, но Дизелю удалось сконструировать модель с увеличенным давлением в цилиндрах. Модель Стюарта в теории обеспечивала 12% тепловой эффективности, тогда как по схеме Diesel коэффициент полезного действия доходил до 50%.

В 1898 году Густав Тринклер сконструировал нефтяной двигатель высокого давления, оснащенный форкамерой, именно эта модель и является прямым прототипом современных дизельных ДВС.

Современные дизели для автомобилей

Как у бензинового мотора по циклу Отто, так и у дизеля, принципиальная схема построения не изменилась, зато современный дизельный ДВС «оброс» дополнительными узлами: турбокомпрессором, электронной системой управления подачи топлива, интеркулером, различными датчиками и так далее. Последнее время все чаще разрабатываются и запускаются в серию силовые агрегаты с прямым топливным впрыском «Коммон Рэйл», обеспечивающие экологичный выхлоп газов в соответствии с современными требованиями, высокое давление впрыска. Дизели с непосредственным впрыском обладают достаточно ощутимыми преимуществами перед моторами с обычной топливной системой:

  • экономично расходуют топливо;
  • имеют более высокую мощность при том же объеме;
  • работают с низким уровнем шума;
  • позволяет автомобилю быстрее разгоняться.

Недостатки движков Common Rail: достаточно высокая сложность, необходимость при ремонте и обслуживании использовать специальное оборудование, требовательность к качеству солярки, относительно высокая стоимость. Как и бензиновые ДВС, дизели постоянно совершенствуются, становятся все технологичнее и сложнее.

Цикл и двигатели Аткинсона

В автомобильном строении легковых автомобилей уже более века стандартно используются двигатели внутреннего сгорания. У них есть некоторые минусы, над которыми годами бьются ученые и конструкторы. В результате этих исследований получаются довольно интересные и странные «движки».

История создания мотора с циклом Аткинсона корнями уходит в далекую историю. Начнем с того, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876.

Цикл такого мотора довольно прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Всего через 10 лет после изобретения двигателя Отто, англичанин Джеймс Аткинсон предложил модифицировать немецкий мотор. По сути, двигатель остается четырехтактным. Но Аткинсон немного изменил продолжительность двух из них: первые 2 такта короче, остальные 2 длиннее.

Сэр Джеймс реализовал эту схему, с помощью изменения длинны ходов поршней. Но в 1887 году такая модификация двигателя Отто не нашла применения. Несмотря на то, что производительность мотора увеличилась на 10%, сложность механизма не позволяла массово применять цикл Аткинсона для автомобилей.

В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota активно заполняют мировой рынок. Принцип работы цикла Аткинсона Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.

Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала. Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу.

В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке. В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие. Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.

В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В XXI веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времён тактов применяется, например, в автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».

Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

На Приусе особенно выгодно применение двигателя Аткинсона, так как на малых оборотах он не нагружается. Приус разгоняется электро-мотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.

Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800, которая выпускалась в 1993-2002 годы. Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota, выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid. Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h, а «Форд» и «Ниссан» разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid.

Гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы.

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям

Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.

Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.

Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.

Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.

Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в кооперации с Daihatsu. Степень сжатия тут пониже (11,5:1), но у его предшественника (1KR-FE) было 10,5. Японцы утверждают, что одна только замена прежних моторов на новые принесёт экономию топлива в 10%. А в сочетании с несколькими другими мерами (вроде системы start/stop) — до 15% (с двигателем 1.3) и до 30% (с 1.0).

Цикл ОТТО. АТКИНСОНА. МИЛЛЕРА. Что это, какие есть различия в работе ДВС

Двигатель внутреннего сгорания очень далек от идеала, КПД бензинового варианта в лучшем случае достигает 20 – 25%, дизельного 40 – 50% (то есть остальное топливо сжигается почти в пустую). Чтобы повысить эффективность (соответственно увеличить коэффициент полезного действия) требуется улучшить конструкцию мотора. Над этим бьются многие инженеры, и по сей день, но первыми были всего несколько инженеров, таких как Николаус Август ОТТО, Джеймсом АТКИНСОНОМ и Ральфом Миллером. Каждый вносил определенные изменения, и пытался сделать моторы более экономичными и производительными. Каждый предлагал определенный цикл работы, который мог кардинально отличаться от конструкции оппонента. Сегодня я постараюсь простыми словами, объяснить вам какие основные различия есть в работе ДВС, ну и конечно видео версия в конце …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

  • Цикл ОТТО
  • Цикл АТКИНСОНА
  • Цикл МИЛЛЕРА
  • Так в чем же разница?
  • ВИДЕО ВЕРСИЯ

Статья будет написана для новичков, так что если вы искушенный инженер, можете ее не читать, написана для общего понимания циклов работы ДВС.

Также хочется отметить, что вариаций различных конструкций очень много, самые известные которые мы еще можем знать, цикл ДИЗЕЛЯ, СТИРЛИНГА, КАРНО, ЭРИКСОННА и т.д. Если посчитать конструкции, то их может набраться около 15. И не все двигатели внутреннего сгорания, а например, у СТИРЛИНГА внешнего.

Но самые известные, которые применяются и по сей день в автомобилях, это ОТТО, АТКИНСОН и МИЛЛЕР. Вот про них и будем говорить.

Цикл ОТТО

По сути это обычный тепловой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечу) который применяется сейчас в 60 — 65% автомобилей. ДА – да, именно тот, который у вас стоит под капотом, работает по циклу ОТТО.

Однако если копнуть в историю, первым принцип такого ДВС предложил в 1862 году французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Но это был теоритический принцип работы. ОТТО же в 1878 году (спустя 16 лет) воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал эту технологию

По сути это четырехтактный мотор, которому свойственны:

  • Впуск. Подача свежей воздушнотопливной смеси. Открывается впускной клапан.
  • Сжатие. Поршень идет вверх, сжимая эту смесь. Оба клапана закрыты
  • Рабочий ход. Свеча поджигает сжатую смесь, загоревшиеся газы толкают поршень вниз
  • Отвод отработанных газов. Поршень идет вверх, выталкивая сгоревшие газы. Открывается выпускной клапан
Читать еще:  Передний или задний привод: какой лучше выбрать

Хочется отметить, что впускные и выпускные клапана, работают в строгой последовательности – ОДИНАКОВО при высоких и при низких оборотах. То есть изменения работы при различных оборотах не наблюдается.

В своем двигателе ОТТО первый применил сжатие рабочей смеси, для поднятия максимальной температуры цикла. Которое осуществлялось по адиабате (простыми словами без теплообмена с внешней средой).

После сжатия смеси, она воспламенялась от свечи, после этого начинался процесс отвода тепла, который протекал практически по изохоре (то есть при постоянном объеме цилиндра двигателя).

Цикл АТКИНСОНА

Так как ОТТО запатентовал свою технологию, ее промышленное использование было не возможным. Чтобы обойти патенты Джеймс Аткинсон в 1886 году, решил модифицировать цикл ОТТО. И предложил свой тип работы двигателя внутреннего сгорания.

Он предложил изменить соотношение времен тактов, благодаря чему рабочий ход был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунной конструкции. Нужно отметить что тестовый экземпляр который он построил, был одноцилиндровый, и не получил большого распространения из-за сложности конструкции.

Если в двух словах описать принцип работы этого ДВС, то получается:

Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск) – происходили за одно вращение коленчатого вала (у ОТТО вращений — два). Благодаря сложной системе рычагов, которые крепились рядом с «коленвалом».

В этой конструкции получилось реализовать определенные соотношения длин рычагов. Если сказать простыми словами — ход поршня на такте впуска и выпуска БОЛЬШЕ, чем ход поршня в также сжатия и рабочего хода.

Что это дает? ДА то, что можно «играться» степенью сжатия (меняя ее), за счет соотношения длин рычагов, а не за счет «дросселирования» впуска! Из этого выводится преимущество цикла АКТИНСОНА, по насосным потерям

Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.

Однако отрицательных моментов также было много:

  • Сложность и громоздкость конструкции
  • Низкий крутящий момент на низких оборотах
  • Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то (карбюратор или инжектор)

Ходят упорные слухи, что принцип АТКИНСОНА использовался на гибридных автомобилях, в частности компании TOYOTA. Однако это немного не правда, там использовался только его принцип, а вот конструкция применялась другого инженера, а именно Миллера. В чистом виде моторы АТКИНСОНА скорее имели единичный характер, чем массовый.

Цикл МИЛЛЕРА

Ральф Миллер также решил поиграться со степенью сжатия, в 1947 году. То есть он как бы продолжит работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный ДВС ОТТО.

Что он предложил. Он не стал делать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как предлагал Аткинсон, у него поршень движется быстрее вверх, чем вниз). Он придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршней вверх и вниз одинаковым (классический мотор ОТТО).

Можно было пойти двумя способами:

  • Закрывать впускные клапана раньше окончания такта впуска – такой принцип получил название «Укороченный впуск»
  • Либо закрывать впускные клапана позже такта впуска – этот вариант получил названия «Укороченного сжатия»

В конечном итоге, оба принципа дают одно и тоже – уменьшение степени сжатия, рабочей смеси относительно геометрической! Однако сохраняется степень расширения, то есть такт рабочего хода сохраняется (как в ДВС ОТТО), а такт сжатия как бы сокращается (как в ДВС Аткинсона).

Простыми словами — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.

Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.

Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.

На современных моторах

Так в чем же разница?

Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:

ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей

АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.

ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.

МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой

В чистом виде сейчас практически не применяется.

МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.

Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.

ПЛЮСЫ — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.

МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).

Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи фазовращателей). Так двигатель SKYACTIV, на низких оборотах работает по принципу МИЛЛЕРА, а на высоких по принципу ОТТО. В чистом виде МИЛЛЕР (однако, почему то он называется АТКИНСОН) работает на гибридах ТОЙОТА.

Сейчас видео версия смотрим

НА этом я заканчиваю, думаю было полезно и интересно. Рассказывайте своим друзьям (кидайте им ссылку на статью или видео), будет еще много интересных материалов. ИСКРЕННЕ ВАШ, АВТОБЛОГГЕР.

(23 голосов, средний: 4,17 из 5)

Похожие новости

Крутящий момент и мощность двигателя. Что важнее? Пару слов про .

Распределенный или непосредственный впрыск (MPI или GDI). Какая .

Гидрокомпенсаторы или толкатели (клапанов). Что лучше?

Добавить комментарий Отменить ответ

ТОП статей за месяц

Скоро праздники, а это значит — большая часть нашей страны будет употреблять алкоголь. Легкий: —…

Напряжение аккумулятора транспортного средства, как и его емкость – самые важные показатели этого автомобильного узла,…

Меня часто спрашивают о выхлопе автомобиля. Зачастую новичкам, да и водителем со стажем не нравится,…

Идеальные циклы Отто, Тринклера, Дизеля, Стирлинга. Вывод формул термического КПД циклов

Цикл Отто — цикл ДВС с изохорным подводом теплоты. По этому циклу работают все карбюраторные и газовые двигатели, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндра, а воспламенение происходит от постороннего источника.

Цикл карбюраторного двигателя в координатных системах рг) и Т$ показан на рис. 5.10. Он совершается следующим образом: по адиабате 1—2 происходит сжатие рабочего тела; по изохоре 2—3 — подвод теплоты

Рис. 5.10. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме

Количество подведенной теплоты изображается площадью а—2—З—Ь на диаграмме 7$. По адиабате 3—4 осуществляется расширение, а по изохоре 4— 1 — отвод теплоты #2 к холодному источнику. Количество отведенной теплоты на диаграмме Тэ характеризуется площадью а—1—4—Ь. На диаграмме ръ’ площади 1—2—3—4 соответствует полезная работа, полученная в цикле.

Определим термический КПД цикла:

Количество подводимой qx и отводимой #2 теплоты в изохорных процессах 2—3 и 4— 1 составит

Подставляя значения и ^2 в формулу для термического КПД, получаем

Температуры в основных точках цикла связаны между собой зависимостью

где к — показатель адиабаты; 8 — степень сжатия;

После подстановки последнего выражения в формулу для термического КПД найдем

Из (5.14) следует, что термический КПД цикла с изохорным подводом теплоты зависит только от степени сжатия (в) и показателя адиабаты (/г), характеризующего физические свойства рабочего тела.

Рис. 5.11. Зависимость КПД цикла от степени сжатия и показателя адиабаты

Как видно из графика (рис. 5.11), с увеличением степени сжатия и показателя адиабаты термический КПД цикла возрастает. Однако следует иметь в виду, что величина степени сжатия в двигателях с изохорным подводом зависит от температуры в конце сжатия Т2. У карбюраторных двигателей степень сжатия не превышает 5—10.

Цикл Тринклера (или цикл Сабатэ) — цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты.

По данному циклу работают дизели. В них сжатию подвергается воздух, топливо в цилиндры подается насосом в конце сжатия. Воспламеняется оно от высокой температуры, полученной при сжатии воздуха. Цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты на диаграммах рь и 7$ приведен на рис. 5.12.

Выведем формулу для термического КПД этого цикла. Теплота в цикле подводится по изохоре 2—3

и по изобаре 3—У

а отводится д2 по изохоре 4— 1

Рис. 5.12. Циклы ДВС с комбинированным и изобарным подводом теплоты:

а, б — цикл с комбинированным подводом теплоты (цикл Тринклера); в, г — цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля)

Подставляя в формулу для термического КПД значения ц» и получаем

— степень предварительного расширения;

— степень повышения давления.

Выразим температуры, входящие в выражение (5.15), через температуру Тр воспользовавшись для этого соотношениями между параметрами в адиабатном, изохорном и изобарном процессах:

Подставляя значения найденных температур в формулу (5.15), получаем

Из (5.15а) следует, что термический КПД цикла возрастает с увеличением степени сжатия в и степени повышения давления X и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения р.

Цикл Дизеля. Из (5.15) можно получить цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) — при степени повышения давления X = 1 (см. рис. 5.12, в, г)

Цикл Стирлинга. В 1816 г. в Великобритании пастору Роберту Стирлингу, занимавшему пост министра по делам церкви в Шотландии, был выдан патент на двигатель, использующий нагретый воздух в качестве рабочего тела. Изготовление таких двигателей началось в 1818 г. Они приводили в действие водяные насосы, воздуходувки и станки на мелких фабриках, где не годились громоздкие паровые машины. Изобретение Стирлинга намного опередило свое время. Стирлинг, естественно, не знал термодинамики: в то время этой науки еще не существовало. Но он интуитивно реализовал в своей машине самый экономичный цикл, названный впоследствии обобщенным циклом Карно.

Упрощенная схема двигателя Стирлинга представлена на рис. 5.13.

В цилиндре установлены один над другим два поршня: вытеснитель 2 и рабочий поршень 1. Вытеснитель 2 делит полость над рабочим поршнем на две части: «горячую» 3 и «холодную» 7. Обе полости соединяются между собой через перепускную магистраль, в которой последовательно установлены холодильник 6, регенератор 5 и нагреватель 4. Поршни в цилиндре движутся попеременно, и их мертвые точки смещены. В начале рабочего цикла вытеснитель находится в ВМТ, а рабочий поршень движется от НМТ к вытеснителю, уменьшая объем «холодной» полости. При этом теплота от сжимаемого рабочего тела отводится в холодильнике и сжатие происходит при постоянной температуре (процесс 1—2 рис. 5.14).

Рис. 5.13. Схема двигателя Стирлинга:

1 — рабочий поршень; 2 — вытеснитель; 3 — «горячая» полость; 4 — нагреватель; 5 — регенератор; 6 — холодильник; 7 — «холодная» полость

Рис. 5.14. Цикл Стирлинга

После того как рабочий поршень достигает своей ВМТ, вытеснитель начинает перемещаться от ВМТ к рабочему поршню. При этом рабочее тело перетекает из «холодной» полости в «горячую» при постоянном их суммарном объеме. В процессе перетекания происходит подвод теплоты к рабочему телу через нагреватель при постоянном объеме (процесс 2—3). В момент приближения вытеснителя к рабочему поршню почти все рабочее тело находится в «горячей» полости и имеет максимальную температуру. Затем рабочий поршень начинает перемещаться вниз, и дальнейшее движение поршней происходит совместно. При этом происходит изотермическое расширение (процесс 3—4). Давление расширяющихся газов с обеих сторон вытеснителя одинаково, а перепад давлений на рабочий поршень в процессе его перемещения к НМТ приводит к тому, что он передает работу расширения на вал отбора мощности. Эта работа больше, чем работа сжатия охлажденного газа. В нижней мертвой точке рабочий поршень снова останавливается, а вытеснитель изменяет направление движения и при этом вытесняет рабочее тело из «горячей» части в «холодную». В процессе вытеснения рабочее тело охлаждается, а поскольку суммарный объем «горячей» и «холодной» частей постоянен, происходит изохорный отвод теплоты (процесс 4—1). Затем цикл повторяется.

Регенератор, установленный между холодильником и нагревателем, позволяет использовать теплоту отработавшего расширившегося рабочего тела для подвода ее к рабочему телу перед нагревом.

Двигатель Стирлинга может работать на любом топливе, однако серьезным недостатком является подвод теплоты через теплообменник. Двигатель становится громоздким, тяжелым, с большим временем перехода с режима на режим. Эти двигатели имеют преимущество в тех случаях, когда нельзя или трудно организовать подвод горючего и окислителя для горения, но можно использовать солнечную энергию (поэтому они применяются в гелиоэнергетике) или энергию распада (например, в космосе или под водой).

Цикл Миллера

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).

Читать еще:  Что такое Webasto в машине и как им правильно пользоваться

Рассмотрим более подробно второй подход Миллера — поскольку он несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «Miller Cycle» (такой мотор V6 объемом 2.3 литра с механическим нагнетателем довольно давно устанавливается на автомобиль Mazda Xedos-9, а недавно новейший «атмосферный» мотор I4 такого типа объемом 1.3 литра получила модель Mazda-2).

В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливо-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия. Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре.

Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся вместе с размерами двигателя механические потери (трение, вибрации и т. д.).

Именно поэтому инженеры Mazda построили свой первый серийный мотор с циклом Миллера не атмосферным. Когда они присоединили к двигателю нагнетатель типа Lysholm, им удалось восстановить высокую удельную мощность, почти не теряя эффективности, обеспечиваемой циклом Миллера. Именно это решение обусловило привлекательность мотора Mazda V6 «Miller Cycle», устанавливаемого на Mazda Xedos-9 (Millenia или Eunos-800). Ведь при рабочем объеме 2.3 л он выдает мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что равноценно характеристикам обычных 3-литровых атмосферных моторов, и в то же время расход топлива для такого мощного мотора на большой машине очень низкий — на трассе 6.3 л/100 км, в городе — 11.8 л/100 км, что соответствует показателям гораздо менее мощных 1.8-литровых двигателей.

Дальнейшее развитие технологий позволило инженерам Mazda построить двигатель Miller Cycle с приемлемыми характеристиками удельной мощности уже без использования нагнетателей — новая система последовательного изменения времени открытия клапанов Sequential Valve Timing System, динамически управляя фазами впуска и выпуска, позволяет частично компенсировать свойственное циклу Миллера падение максимальной мощности.

Новый мотор будет выпускаться рядным 4-цилиндровым, объемом 1.3 литра, в двух вариантах: мощностью 74 лошадиные силы (118 Нм крутящего момента) и 83 лошадиные силы (121 Нм). При этом расход топлива у этих двигателей снизился по сравнению с обычным мотором такой же мощности на 20 процентов — до четырех с небольшим литров на сто километров пробега. Кроме того, токсичность мотора с «циклом Миллера» на 75 процентов ниже современных экологических требований.

ⓘ Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания. Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для обхода патентов Ни ..

ⓘ Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания.

Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для обхода патентов Николауса Отто.

В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход 3-й такт цикла Отто был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики.

Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в двигателе Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требовалось редуктора, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Однако, такой двигатель плохо регулируется дроссельной заслонкой и на низких оборотах выдаёт сравнительно малый момент. Кроме того, в нём значительно усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма. Существовали и другие разновидности двигателя Аткинсона: двигатели со встречно движущимися поршнями, двигатели с одним поршнем и двумя коленчатыми валами.

1. История изобретения

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мертвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона дает ряд преимуществ.

  • Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.
  • Во-вторых, меняется степень сжатия. Теоретически онa остается постоянной, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а фактически за счет запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создает условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя цикла Отто является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер англ. Ralph Miller смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов. Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создает силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

На гибридных автомобилях возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius, применяют не двигатель Аткинсона, а его упрощённый аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Следует заметить, что номинальная степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, воздушно-топливная смесь некоторое время выталкивается обратно. Поэтому реальная степень сжатия аналогична классическим ДВС цикла Отто. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов.

Цикл ОТТО, АТКИНСОНА и МИЛЛЕРА. Что это? В чем разница

KOMMENTARE • 70

*Советую почитать текстовую версию видео* — avto-blogger.ru/dv/cikl-atkinsona-otto-millera.html
*Там более подробно разжевано!*
*Если понравилось ставим ЛАЙКИ, рассказываем друзьям, подписываемся на канал*

Что-то я не понял, как у аткинсона понижена степень сжатия чуть дольше открытым впускным клаппаном? Степень сжатия это же отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания

@Павел Иванов там вроде изменяемая степень сжатия

Расскажи про цикл Тринклера, русские должны знать, что это русский изобрел дизельный двигатель

ДА сейчас цикл Миллера пытаются внедрить все производители. И сейчас это вроде как уже в порядке вещей для машин с фазовращателями .

Нормально. Имею Тойота Аурис гибрид на цикле Аткинсона. И поскольку я езжу как пенсионер, с расчётом трафика движения, за светофорами слежу издалека и корректирую педаль газа, гонки не устраиваю, из правой полосы выхожу только для поворота или разворота, то и годовой расход топлива стабильно 4.5л/100км при пробеге 15 тыс в год. Ощутимая экономия моей пенсии.

Аткинсон применяется в Honda Clarity

Очень понятно, спасибо, теперь всё понял 🙂

На высоких лучше всего Иббадулаев =)))

Всё чётко и понятно,понятнее не расскажешь.

2 GR FKS от Тоета ,пишут что цикл Аткинсона. Правда,или имеется ввиду Миллера-Аткинсона ?

Объяснения колхозное, дикция не приятная, слова паразиты. Это так раздражает

Топливо-воздушная смесь вышла во впускной коллектор — и что дальше? Вы рассказали только половину работы цикла

Дёшево и сердито 🙂 вернее коротко и по делу, спасибо за видео.

А если впускным клапаном будет двигать электромагит или шаговый электромотор под управлением контроллера, то можно будет совместить положительные эффекты обоих циклов.

Очень полезное видео. Спасибо.

Как то странно, для повышения мощности на высоких оборотах устанавливается более широкая впуска, что подразумевает цикл Миллера, хотя автор видео говорит об обратном

В 10 минут уложился, гениально! Очень информативное видео.

Всё доступно объяснил.

Ну ОК, теперь, когда компрессия по к-л причине упала можно не движок ремонтировать а просто всем говорить — у меня по циклу Миллера

Достойнейшее объяснение, спасибо!

спасибо большое ,вы очень спокойно обьяснили что к чему !

Дурачина, у стирлинга вообще двигатель внешнего сгорания, что ты мать твою несешь

совершенно верно , гибриды у тоёты многие работают по циклу миллера, а не по циклу аткинсона, как обычно народ говорит, нету в природе моторов которые работают по циклу аткинсона, все пашут или по отто или по отто-миллер , или по миллеру как у приусов например , так как старт-стоп там мотор делает милиарды раз за свою жизнь и полносильный мотор крутить очень тяжело , даже с ввти .

Расскажите пожалуйста о цыкле Ибадулаева .

Бредятина. Почти всё не правильно.

Короче Отто молодец, остальные лохи, мозгов не было чего-то нового придумать. как китайцы, «спиздить, доработать и выдать за своё»

Вобщем интересно, но термодинамика знает только два цикла, — P- const. и V- const. остальное -конструктивные решения, и , желание как то их совместить. Ещё раз спасибо за видео, интересн

Так я всегда считал что высокая сж это плюс на всех своих двигателях любыми способами пытаюсь её поднять

у актинсона просто передача момента с кривошипа ускорена, СЖ снижение снижает кпд

Любопытно слушать рассуждения человека который сам едва едва разобрался в вопросе. но уже пытается объяснять другим.
Отсутствие хорошей теоретической базы не позволяет понять сути.
Отто мотор несовершенен тем, что в нем все такты одинаковы.
Но это не правильно. На рабочем такте требуется больший ход чем на всасывании и сжатии. Отто мотор теряет КПД на том, что на выхлоп попадают газы которые еще имеют запас давления, но эта мощность бесполезно улетает в трубу.
Присмотритесь к мотору Аткинсона.
На одном обороте коленвала все 4 такта, но эти такты имеют неодинаковый ход.
Но таки да, получилось громоздко. Но тут есть возможность регулировать положение шарнира под опорным шатуном и тем самым изменять степень сжатия.
«Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения», что снижает потери, увеличивает КПД.
Где ни будь в стационарных или корабельных моторах такая схема очень даже имеет смысл. но нет, слишком сложно.
———————————————————
Миллер пошел по более простому пути и уменьшил наполнение цилиндра за счет того, что впускной клапан закрывается позже и часть топливной смеси выталкивается обратно в коллектор.
Сейчас на очень многих моторах стоят 2 распредвала, отдельно на впускные и отдельно на выпускные клапана.
и так называемые «фазовращатели» на впуске. это и есть реализация цикла Миллера.

Кроме того эти фазовращатели позволяют регулировать степень сжатия.
КШМ сделан с существенным запасом по степени сжатия, но позднее закрытие впускного клапана уменьшает наполнение, снижает давление, позволяет гибко регулировать давление в цилиндрах, использовать по полной антидетонационные свойства топлива, избегать детонации если октанового числа не хватает.

Цыкл Дизеля имеет самый высокий КПД, он самый распространенный среди колесных и гусеничных механизмов. Это нефтяной двигатель (полудизель) уже почти не применяется,

У мазды на скайэктив наоборот степень сжатия повышенная, ближе к дизельной. да, был такой мотор, но это не скайэктив, а вот на приусе используется во всю

Дилетант объяснил дилетантам.
Зачем снижать степень сжатия? О каком худшем наполнении идёт речь в цикле Миллера? И т.д.
Главного не сказал или не понял или не знает.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector