циклу миллера что это
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
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:
Цикл Миллера
| Термодинамические циклы |
|---|
 |
| Статья является частью серии «Термодинамика». |
| Цикл Аткинсона |
| Цикл Брайтона/Джоуля |
| Цикл Гирна |
| Цикл Дизеля |
| Цикл Калины |
| Цикл Карно |
| Цикл Ленуара |
| Цикл Миллера |
| Цикл Отто |
| Цикл Ренкина |
| Цикл Стирлинга |
| Цикл Тринклера |
| Цикл Хамфри |
| Цикл Эрикссона |
| Разделы термодинамики |
| Начала термодинамики |
| Уравнение состояния |
| Термодинамические величины |
| Термодинамические потенциалы |
| Термодинамические циклы |
| Фазовые переходы |
| править |
| См. также «Физический портал» |
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).
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 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).
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.).
Компьютерное управление клапанами позволяет менять степень наполнения цилиндра в процессе работы. Это даёт возможность выжать из мотора максимальную мощность, при ухудшении экономических показателей, или добиться лучшей экономичности при уменьшении мощности.
Аналогичную задачу решает пятитактный двигатель, у которого дополнительное расширение производится в отдельном цилиндре.
Аткинсон, Миллер, процесс B-цикла: что это на самом деле означает
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.
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:
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%.
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:
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).
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:
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:
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.
Аткинсон «Цикловый двигатель»
Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, был назван «Циклический двигатель». В этом двигателе использовались тарельчатые клапаны, кулачок и центральный рычаг, чтобы производить четыре хода поршня на каждый оборот коленчатого вала. Такты впуска и сжатия были значительно короче тактов расширения и выпуска.
Двигатели Cycle производились и продавались в течение нескольких лет British Engine Company. Аткинсон также передал лицензию на производство другим производителям. Размеры варьировались от единиц до 100 лошадиных сил.
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:
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 Q0 – 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:
И еще одно немаловажное преимущество двигателя Miller Cycle от производителя Mazda – экономичный расход топлива, особенно при малых нагрузках и на холостом ходу.
Аткинсон «Утилита Двигатель»
Аткинсон Утилита Двигатель Двигатель Аткинсона Utilite 1892
Третий проект Аткинсона получил название «Утилитовый двигатель». Двигатель «цикла» Аткинсона был эффективен; однако его связь было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. Аткинсон понял, что необходимы улучшения, чтобы сделать его цикл более применимым в качестве высокоскоростного двигателя.
С помощью этой новой конструкции Аткинсон смог устранить связи и создать более традиционный, хорошо сбалансированный двигатель, способный работать со скоростью до 600 об / мин и вырабатывать мощность на каждом обороте, при этом он сохранил всю эффективность своего «Циклового двигателя». «имеющий пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает так же, как и стандартный двухтактный двигатель, за исключением того, что выпускной канал расположен примерно в середине хода.
Во время такта расширения / рабочего хода кулачковый клапан (который остается закрытым до тех пор, пока поршень не приблизится к концу хода) предотвращает выброс давления, когда поршень движется мимо выпускного отверстия. Выпускной клапан открывается в нижней части хода; он остается открытым, пока поршень движется обратно в сторону сжатия, позволяя свежему воздуху заряжать цилиндр и выходить из выхлопных газов, пока порт не будет закрыт поршнем.
После закрытия выпускного отверстия поршень начинает сжимать оставшийся в цилиндре воздух. Маленький поршневой топливный насос впрыскивает жидкость во время сжатия. Источником воспламенения, вероятно, была горячая труба, как и в других двигателях Аткинсона. Эта конструкция привела к созданию двухтактного двигателя с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения.
Двигатель Utilite Engine оказался даже более эффективным, чем предыдущие «дифференциальные» и «цикловые» конструкции Аткинсона. Было произведено очень мало, и никто не выжил. Британский патент № 2492 от 1892 г. Патент США на двигатель Utilite не известен.
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:
Модельный ряд моторов с реализованной схемой Atkinson/ Miller постоянно пополняется, так в начале 2021 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.
История изобретения [ править | править код ]
Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что ее можно серьезно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe в 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 все еще 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.
Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклy с увеличеннoй 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) – это изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счет 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 сокращен путем 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 рабоч. ход и выпускa 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 разделен 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 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:
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:
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.
Видео: Цикл ОТТО, Аткинсона и Миллера, в чем различие: