Millersche Zyklusbeschreibung des Verbrennungsmotors. Große Originale

Atkinson, Miller, Otto und andere in unserer kleinen technischen Tour.

Lassen Sie uns zuerst herausfinden, was der Motorzyklus ist. Ein Verbrennungsmotor ist ein Objekt, das den Druck aus der Verbrennung von Kraftstoff in mechanische Energie umwandelt, und da es mit Wärme arbeitet, handelt es sich um eine Wärmekraftmaschine. Ein Zyklus für eine Wärmekraftmaschine ist also ein kreisförmiger Prozess, bei dem die Anfangs- und Endparameter zusammenfallen, die den Zustand des Arbeitsfluids bestimmen (in unserem Fall ist es ein Zylinder mit einem Kolben). Diese Parameter sind Druck, Volumen, Temperatur und Entropie.

Es sind diese Parameter und ihre Änderung, die bestimmen, wie der Motor funktioniert, mit anderen Worten, wie sein Zyklus sein wird. Wenn Sie also Lust und Kenntnisse in Thermodynamik haben, können Sie Ihren eigenen Betriebszyklus einer Wärmekraftmaschine erstellen. Die Hauptsache ist dann, Ihren Motor zum Laufen zu bringen, um die Existenzberechtigung zu beweisen.

Otto-Zyklus

Wir beginnen mit dem wichtigsten Arbeitszyklus, der von fast allen Verbrennungsmotoren unserer Zeit verwendet wird. Es ist nach Nikolaus August Otto, einem deutschen Erfinder, benannt. Otto bediente sich zunächst der Arbeit des Belgiers Jean Lenoir. Ein wenig Verständnis für das ursprüngliche Design wird dieses Modell des Lenoir-Motors vermitteln.

Da Lenoir und Otto mit Elektrotechnik nicht vertraut waren, wurde die Zündung bei ihren Prototypen durch eine offene Flamme erzeugt, die durch ein Rohr das Gemisch im Inneren des Zylinders entzündete. Der Hauptunterschied zwischen dem Otto-Motor und dem Lenoir-Motor lag in der vertikalen Anordnung der Zylinder, was Otto dazu veranlasste, die Energie der Abgase zu nutzen, um den Kolben nach dem Arbeitstakt anzuheben. Der nach unten gerichtete Arbeitshub des Kolbens wurde durch Atmosphärendruck eingeleitet. Und nachdem der Druck im Zylinder atmosphärisch erreicht hatte, öffnete sich das Auslassventil und der Kolben mit seiner Masse verdrängte die Abgase. Es war die Vollständigkeit des Energieverbrauchs, die es ermöglichte, den Wirkungsgrad zu dieser Zeit auf unglaubliche 15 % zu steigern, was sogar den Wirkungsgrad von Dampfmaschinen übertraf. Außerdem konnte durch diese Konstruktion fünfmal weniger Kraftstoff verbraucht werden, was dann zur totalen Dominanz einer solchen Konstruktion auf dem Markt führte.

Aber das Hauptverdienst von Otto ist die Erfindung des Viertaktverfahrens des Verbrennungsmotors. Diese Erfindung wurde 1877 gemacht und gleichzeitig patentiert. Doch französische Industrielle gruben in ihren Archiven und fanden heraus, dass die Idee eines Viertakt-Betriebs einige Jahre vor Ottos Patent von dem Franzosen Beau de Roche beschrieben worden war. Dies ermöglichte es, die Patentzahlungen zu reduzieren und mit der Entwicklung eigener Motoren zu beginnen. Aber dank der Erfahrung waren Ottos Motoren der Konkurrenz weit voraus. Und bis 1897 wurden 42 Tausend von ihnen hergestellt.

Aber was genau ist der Otto-Zyklus? Das sind die vier aus der Schule bekannten ICE-Takte – Einlass, Verdichtung, Arbeitstakt und Auslass. Alle diese Prozesse dauern gleich lange, und die thermischen Eigenschaften des Motors sind in der folgenden Grafik dargestellt:

Wo 1-2 Kompression ist, ist 2-3 ein Arbeitshub, 3-4 ist ein Auslass, 4-1 ist ein Einlass. Der Wirkungsgrad eines solchen Motors hängt vom Verdichtungsverhältnis und dem adiabatischen Index ab:

, wobei n das Kompressionsverhältnis, k der adiabatische Index oder das Verhältnis der Wärmekapazität des Gases bei konstantem Druck zur Wärmekapazität des Gases bei konstantem Volumen ist.

Mit anderen Worten, es ist die Energiemenge, die aufgewendet werden muss, um das Gas im Zylinder in seinen vorherigen Zustand zurückzubringen.

Atkinson-Zyklus

Es wurde 1882 von James Atkinson, einem britischen Ingenieur, erfunden. Der Atkinson-Zyklus erhöht die Effizienz des Otto-Zyklus, verringert jedoch die Leistungsabgabe. Der Hauptunterschied ist die unterschiedliche Ausführungszeit der verschiedenen Hübe des Motors.

Das spezielle Design der Hebel des Atkinson-Motors ermöglicht alle vier Hübe des Kolbens in nur einer Kurbelwellenumdrehung. Auch macht diese Konstruktion die Kolbenhübe unterschiedlich lang: Der Kolbenhub beim Einlassen und Auslassen ist länger als beim Verdichten und Entspannen.

Eine weitere Besonderheit des Motors ist, dass sich die Nocken der Ventilsteuerung (Ventilöffnung und -schließung) direkt auf der Kurbelwelle befinden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer separaten Nockenwellenmontage. Außerdem muss kein Getriebe eingebaut werden, da sich die Kurbelwelle mit halber Drehzahl dreht. Im 19. Jahrhundert wurde der Motor aufgrund seiner komplexen Mechanik nicht verbreitet, aber Ende des 20. Jahrhunderts wurde er immer beliebter, als er bei Hybriden eingesetzt wurde.

Gibt es so seltsame Einheiten in teuren Lexus? Niemand wollte den Atkinson-Zyklus in seiner Reinform umsetzen, aber es ist durchaus möglich, gewöhnliche Motoren dafür zu modifizieren. Daher werden wir nicht lange über Atkinson schimpfen und zu dem Zyklus übergehen, der ihn in die Realität gebracht hat.

Miller-Zyklus

Der Miller-Zyklus wurde 1947 vom amerikanischen Ingenieur Ralph Miller vorgeschlagen, um die Vorteile des Atkinson-Motors mit dem einfacheren Otto-Motor zu kombinieren. Anstatt den Verdichtungshub mechanisch kürzer als den Arbeitshub zu machen (wie beim klassischen Atkinson-Motor, bei dem sich der Kolben schneller nach oben als nach unten bewegt), kam Miller auf die Idee, den Verdichtungshub durch Nutzung des Ansaughubs zu verkürzen und dabei zu halten die Kolbenbewegung nach oben und unten gleich schnell (wie beim klassischen Ottomotor).

Dazu schlug Miller zwei verschiedene Ansätze vor: Entweder das Einlassventil viel früher als das Ende des Einlasshubs schließen oder es viel später als das Ende dieses Hubs schließen. Der erste Ansatz unter den Aufpassern wird konventionell als "verkürzter Einlass" und der zweite als "verkürzte Kompression" bezeichnet. Letztlich ergeben beide Ansätze das gleiche: eine Verringerung des tatsächlichen Verdichtungsverhältnisses des Arbeitsgemisches gegenüber dem geometrischen bei gleichem Expansionsverhältnis (d. h. der Hub des Arbeitshubes bleibt der gleiche wie beim Otto Motor, und der Verdichtungshub wird sozusagen reduziert - wie bei Atkinson nimmt nur nicht die Zeit ab, sondern der Verdichtungsgrad des Gemischs).

Somit verdichtet sich das Gemisch in einem Miller-Motor weniger, als es in einem Otto-Motor gleicher mechanischer Geometrie verdichten müsste. Dadurch ist es möglich, das geometrische Verdichtungsverhältnis (und dementsprechend das Expansionsverhältnis!) über die durch die Klopfeigenschaften des Kraftstoffs bestimmten Grenzen hinaus zu erhöhen - die tatsächliche Verdichtung auf akzeptable Werte zu bringen aufgrund der oben beschriebenen "Verkürzung der" Kompressionszyklus". Mit anderen Worten, bei gleichem tatsächlichen Verdichtungsverhältnis (kraftstoffbegrenzt) hat der Miller-Motor ein deutlich höheres Expansionsverhältnis als der Otto-Motor. Dies ermöglicht es, die Energie der sich im Zylinder ausdehnenden Gase vollständiger zu nutzen, was tatsächlich den thermischen Wirkungsgrad des Motors erhöht, einen hohen Wirkungsgrad des Motors sicherstellt und so weiter. Einer der Vorteile des Miller-Zyklus ist auch die Möglichkeit einer größeren Variation des Zündzeitpunkts ohne das Risiko einer Detonation, was den Ingenieuren mehr Möglichkeiten bietet.

Der Vorteil des erhöhten thermischen Wirkungsgrades des Miller-Zyklus im Vergleich zum Otto-Zyklus geht mit einem Verlust der Spitzenleistung für eine gegebene Motorgröße (und -gewicht) aufgrund einer verschlechterten Zylinderfüllung einher. Da ein größerer Miller-Motor erforderlich wäre, um die gleiche Ausgangsleistung wie ein Otto-Motor zu erreichen, werden die Gewinne aus dem erhöhten thermischen Wirkungsgrad des Zyklus teilweise für erhöhte mechanische Verluste (Reibung, Vibration usw.) zusammen mit der Größe des Motors ausgegeben.

Dieselzyklus

Und schließlich lohnt es sich, zumindest kurz an den Dieselkreislauf zu erinnern. Rudolf Diesel wollte zunächst einen Motor schaffen, der dem Carnot-Zyklus möglichst nahe kommt, bei dem der Wirkungsgrad nur durch die Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums bestimmt wird. Aber da das Abkühlen des Motors auf den absoluten Nullpunkt nicht cool ist, ging Diesel den anderen Weg. Er erhöhte die Maximaltemperatur, für die er anfing, den Kraftstoff auf Werte zu komprimieren, die damals über dem Grenzwert lagen. Sein Motor erwies sich als sehr effizient, aber zunächst funktionierte er mit Kerosin. Rudolph baute 1893 die ersten Prototypen und stellte erst Anfang des 20. Jahrhunderts auf andere Kraftstoffarten um, darunter Diesel.

• , 17. Juli 2015

Bevor ich über die Eigenschaften des "Mazda" -Motors "Miller" (Miller-Zyklus) spreche, stelle ich fest, dass es sich nicht um einen Fünftakt, sondern um einen Viertakt wie beim Ottomotor handelt. Der Miller-Motor ist nichts anderes als ein verbesserter klassischer Verbrennungsmotor. Konstruktiv sind diese Motoren praktisch gleich. Der Unterschied liegt in der Ventilsteuerung. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass der klassische Motor nach dem Zyklus des deutschen Ingenieurs Nikolos Otto arbeitet und der "Mazda" Miller-Motor - nach dem Zyklus des britischen Ingenieurs James Atkinson, obwohl er aus irgendeinem Grund nach dem US-amerikanischer Ingenieur Ralph Miller. Letzterer hat zwar auch einen eigenen Arbeitszyklus des Verbrennungsmotors geschaffen, ist aber in seiner Effizienz dem Atkinson-Zyklus unterlegen.

Die Attraktivität der V-förmigen "Sechs", die beim Xedos 9-Modell (Millenia oder Eunos 800) installiert ist, besteht darin, dass sie bei einem Arbeitsvolumen von 2,3 Litern 213 PS leistet. und einem Drehmoment von 290 Nm, was der Charakteristik eines 3-Liter-Motors entspricht. Gleichzeitig ist der Kraftstoffverbrauch eines so starken Motors sehr gering - auf der Autobahn 6,3 (!) L / 100 km, in der Stadt - 11,8 l / 100 km, was der Leistung von 1,8-2-Liter entspricht Motoren. Nicht schlecht.

Um das Geheimnis des Miller-Motors zu verstehen, sollte man sich das Funktionsprinzip des bekannten Viertakt-Ottomotors ins Gedächtnis rufen. Der erste Takt ist der Ansaugtakt. Es beginnt nach dem Öffnen des Einlassventils, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Totpunkt (OT) befindet. Beim Abwärtsfahren erzeugt der Kolben im Zylinder ein Vakuum, das zum Ansaugen von Luft und Kraftstoff beiträgt. Gleichzeitig treten bei niedrigen und mittleren Drehzahlen bei teilweise geöffneter Drosselklappe sogenannte Pumpverluste auf. Ihr Wesen ist, dass die Kolben aufgrund des hohen Unterdrucks im Saugrohr im Pumpbetrieb arbeiten müssen, was einen Teil der Motorleistung verbraucht. Außerdem verschlechtert sich die Füllung der Zylinder mit Frischladung und dementsprechend steigen der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen in die Atmosphäre. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht, schließt das Einlassventil. Danach komprimiert der sich nach oben bewegende Kolben das brennbare Gemisch - ein Kompressionshub tritt auf. In der Nähe des OT wird das Gemisch gezündet, der Druck im Brennraum steigt, der Kolben bewegt sich nach unten - ein Arbeitstakt. Das Auslassventil öffnet bei UT. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens – dem Auspufftakt – werden die in den Zylindern verbliebenen Abgase in die Abgasanlage geschoben.

Es ist erwähnenswert, dass beim Öffnen des Auslassventils die Gase in den Zylindern noch unter Druck stehen, sodass die Freisetzung dieser ungenutzten Energie als Abgasverluste bezeichnet wird. Gleichzeitig wurde dem Schalldämpfer der Abgasanlage die Funktion der Geräuschreduzierung zugewiesen.

Um die negativen Phänomene zu reduzieren, die beim Betrieb des Motors mit klassischer Ventilsteuerung auftreten, wurde die Ventilsteuerung beim "Mazda"-Miller-Motor nach dem Atkinson-Zyklus geändert. Das Einlassventil schließt nicht in der Nähe des unteren Totpunkts, sondern viel später - wenn die Kurbelwelle von UT um 700 gedreht wird (beim Ralph Miller-Motor schließt das Ventil im Gegenteil - viel früher als der Kolben UT passiert). Der Atkinson-Zyklus bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Zum einen werden Pumpverluste reduziert, da ein Teil des Gemisches bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens in das Saugrohr geschoben wird und dort den Unterdruck reduziert.

Zweitens ändert sich das Kompressionsverhältnis. Theoretisch bleibt es gleich, da sich der Kolbenhub und das Volumen des Brennraums nicht ändern, aber tatsächlich verringert es sich durch das verzögerte Schließen des Einlassventils von 10 auf 8. Und dies ist bereits eine Abnahme in die Wahrscheinlichkeit einer klopfenden Kraftstoffverbrennung, was bedeutet, dass die Motordrehzahl beim Herunterschalten mit zunehmender Last nicht erhöht werden muss. Verringert die Wahrscheinlichkeit einer Detonationsverbrennung und die Tatsache, dass das brennbare Gemisch, das bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens bis zum Schließen des Ventils aus den Zylindern gedrückt wird, einen Teil der von den Wänden des Brennraums aufgenommenen Wärme in das Saugrohr mitnimmt.

Drittens war der Zusammenhang zwischen Verdichtungs- und Expansionsverhältnis gestört, da durch das spätere Schließen des Einlassventils die Dauer des Kompressionstaktes im Verhältnis zur Dauer des Expansionstaktes bei geöffnetem Auslassventil deutlich verkürzt wurde. Der Motor arbeitet nach dem sogenannten erhöhten Expansionsverhältnis-Zyklus, bei dem die Energie der Abgase über einen längeren Zeitraum genutzt wird, d.h. mit geringeren Leistungsverlusten. Dies ermöglicht es, die Energie der Abgase vollständiger zu nutzen, was in der Tat eine hohe Effizienz des Motors gewährleistet.

Um die hohe Leistung und das Drehmoment zu erreichen, die für das Elite-Modell von Mazda erforderlich sind, verwendet der Miller-Motor einen mechanischen Lisholm-Kompressor, der in den Zylinderblock eingebaut ist.

Neben dem 2,3-Liter-Motor des Xedos 9-Autos wurde der Atkinson-Zyklus im leicht belasteten Motor der Hybridinstallation des Toyota Prius verwendet. Es unterscheidet sich vom "Mazda" dadurch, dass es kein Luftgebläse hat und das Verdichtungsverhältnis einen hohen Wert von 13,5 hat.

Der Verbrennungsmotor ist sehr weit vom Ideal entfernt, bestenfalls erreicht er 20 - 25 %, Diesel 40 - 50 % (dh der Rest des Kraftstoffs wird fast leer verbrannt). Um den Wirkungsgrad zu erhöhen (entsprechend den Wirkungsgrad zu erhöhen) ist es erforderlich, das Design des Motors zu verbessern. Viele Ingenieure tun sich bis heute schwer, aber die ersten waren nur wenige Ingenieure wie Nikolaus August OTTO, James ATKINSON und Ralph Miller. Jeder hat bestimmte Änderungen vorgenommen und versucht, die Motoren effizienter und effizienter zu machen. Jeder bot einen spezifischen Arbeitszyklus, der sich radikal vom Entwurf des Gegners unterscheiden konnte. Heute werde ich versuchen, Ihnen in einfachen Worten zu erklären, was die Hauptunterschiede in der Bedienung des Verbrennungsmotors sind, und natürlich die Videoversion am Ende ...

Der Artikel ist für Anfänger geschrieben. Wenn Sie also ein erfahrener Ingenieur sind, müssen Sie ihn nicht lesen, er wurde für ein allgemeines Verständnis der ICE-Betriebszyklen geschrieben.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass es viele Variationen verschiedener Designs gibt, die bekanntesten, die wir noch kennen können, sind der Zyklus DIESEL, STIRLING, CARNO, ERIKSONN usw. Zählt man die Bauformen, dann können es etwa 15. Und nicht alle Verbrennungsmotoren zum Beispiel haben ein externes STIRLING.

Aber die bekanntesten, die auch heute noch in Autos zum Einsatz kommen, sind OTTO, ATKINSON und MILLER. Hier werden wir über sie sprechen.

Tatsächlich handelt es sich um eine konventionelle Wärmekraftmaschine mit Verbrennungsmotor mit Zwangszündung eines brennbaren Gemisches (durch eine Kerze), die heute in 60 - 65% der Autos verwendet wird. JA - ja, es ist diejenige, die Sie unter der Haube haben, die nach dem OTTO-Zyklus funktioniert.

Wenn man jedoch in die Geschichte eintaucht, wurde das erste Prinzip eines solchen Verbrennungsmotors 1862 vom französischen Ingenieur Alphonse BO DE ROCH vorgeschlagen. Aber das war ein theoretisches Arbeitsprinzip. OTTO baute diesen Motor 1878 (16 Jahre später) in Metall (in der Praxis) und patentierte diese Technologie

Tatsächlich handelt es sich um einen Viertaktmotor, der sich auszeichnet durch:

• Einlass ... Zufuhr von frischem Luft-Kraftstoff-Gemisch. Das Einlassventil öffnet.
• Kompression ... Der Kolben geht nach oben und komprimiert diese Mischung. Beide Ventile sind geschlossen
• Arbeitshub ... Die Kerze entzündet das komprimierte Gemisch, die entzündeten Gase drücken den Kolben nach unten
• Abgasableitung ... Der Kolben bewegt sich nach oben und drückt die verbrannten Gase aus. Das Auslassventil öffnet

Ich möchte darauf hinweisen, dass die Einlass- und Auslassventile in einer strengen Reihenfolge arbeiten – GLEICHZEITIG bei hohen und niedrigen Geschwindigkeiten. Das heißt, es gibt keine Änderung der Arbeit bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

OTTO nutzte in seinem Motor als Erster die Verdichtung des Arbeitsgemisches, um die maximale Temperatur des Kreislaufs anzuheben. Was nach dem Adiabat durchgeführt wurde (in einfachen Worten, ohne Wärmeaustausch mit der äußeren Umgebung).

Nachdem die Mischung komprimiert wurde, entzündete sie sich an einer Kerze, woraufhin der Prozess der Wärmeabfuhr begann, der fast entlang der Isochore (dh mit einem konstanten Volumen des Motorzylinders) ablief.

Da OTTO seine Technologie patentieren ließ, war eine industrielle Nutzung nicht möglich. Um Patente zu umgehen, beschloss James Atkinson 1886, den OTTO-Zyklus zu modifizieren. Und er bot seine eigene Art der Arbeit des Verbrennungsmotors an.

Er schlug vor, das Verhältnis der Taktzeiten zu ändern, wodurch der Arbeitshub aufgrund der Kompliziertheit der Kurbel-Pleuel-Struktur erhöht wurde. Es sei darauf hingewiesen, dass das von ihm gebaute Testexemplar ein Einzylinder war und aufgrund der Komplexität des Designs keine große Verbreitung erhielt.

Wenn wir das Funktionsprinzip dieses ICE kurz beschreiben, stellt sich heraus:

Alle 4 Takte (Einspritzung, Kompression, Arbeitstakt, Auslass) - erfolgten in einer Umdrehung der Kurbelwelle (OTTO hat zwei Umdrehungen). Dank eines komplexen Hebelsystems, das neben der „Kurbelwelle“ angebracht wurde.

Bei dieser Konstruktion hat es sich herausgestellt, bestimmte Längenverhältnisse der Hebel umzusetzen. Einfach ausgedrückt - der Hub des Kolbens beim Einlass- und Auslasshub ist MEHR als der Hub des Kolbens auch beim Verdichtungs- und Arbeitshub.

Was tut es? JA, die Tatsache, dass man mit dem Verdichtungsverhältnis "spielen" kann (verändern), liegt am Verhältnis der Hebellängen und nicht an der "Drosselung" der Ansaugung! Daraus ergibt sich der Vorteil des ACTINSON-Zyklus hinsichtlich der Pumpverluste

Solche Motoren erwiesen sich als recht effizient mit hohem Wirkungsgrad und geringem Kraftstoffverbrauch.

Allerdings gab es auch viele negative Punkte:

• Komplexität und umständliches Design
• Niedrig bei niedrigen Drehzahlen
• Schlechte Drosselklappensteuerung, sei es ()

Es halten sich hartnäckig Gerüchte, dass das ATKINSON-Prinzip bei Hybridfahrzeugen, insbesondere von TOYOTA, eingesetzt wurde. Dies ist jedoch ein wenig nicht wahr, nur sein Prinzip wurde dort verwendet, aber das Design wurde von einem anderen Ingenieur, nämlich Miller, verwendet. In ihrer reinen Form waren ATKINSON-Motoren eher ein einzelner Charakter als ein Massenmotor.

Auch Ralph Miller entschied sich 1947, mit dem Kompressionsverhältnis zu spielen. Das heißt, er würde sozusagen die Arbeit von ATKINSON fortsetzen, aber er nahm nicht seinen komplexen Motor (mit Hebeln), sondern einen herkömmlichen OTTO ICE.

Was hat er vorgeschlagen? ... Er machte den Kompressionshub nicht mechanisch kürzer als den Hub (wie Atkinson vorschlug, bewegt sich sein Kolben schneller nach oben als nach unten). Er kam auf die Idee, den Verdichtungshub durch Nutzung des Ansaughubs zu verkleinern, wobei die Auf- und Abbewegung der Kolben gleich bleibt (klassischer OTTO-Motor).

Es gab zwei Möglichkeiten:

• Schließen der Einlassventile vor dem Ende des Ansaugtaktes – dieses Prinzip nennt man „Shortened Intake“
• Oder schließen Sie die Einlassventile später als den Einlasshub - diese Option wurde "Kurze Kompression" genannt.

Letztlich ergeben beide Prinzipien dasselbe - eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses des Arbeitsgemisches gegenüber dem geometrischen! Das Expansionsverhältnis bleibt jedoch erhalten, dh der Hub des Arbeitshubes wird beibehalten (wie beim OTTO-ICE) und der Kompressionshub wird sozusagen reduziert (wie beim Atkinson-ICE).

In einfachen Worten - das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei MILLER viel weniger komprimiert wird, als es im selben Motor bei OTTO hätte komprimiert werden sollen. Dadurch kann das geometrische Verdichtungsverhältnis und damit das physikalische Ausdehnungsverhältnis erhöht werden. Viel mehr als aufgrund der Detonationseigenschaften des Kraftstoffs (dh Benzin kann nicht unbegrenzt komprimiert werden, die Detonation beginnt)! Somit hat der Kraftstoff bei Zündung im OT (bzw. Totpunkt) ein deutlich höheres Expansionsverhältnis als bei der OTTO-Ausführung. Dies ermöglicht eine viel stärkere Nutzung der Energie der sich im Zylinder ausdehnenden Gase, was die thermische Effizienz der Struktur erhöht, was hohe Einsparungen, Elastizität usw. mit sich bringt.

Zu berücksichtigen ist auch, dass die Pumpverluste beim Verdichtungstakt reduziert werden, dh der Kraftstoff von MILLER lässt sich leichter verdichten, es wird weniger Energie benötigt.

Negative Seiten - Dies ist eine Abnahme der Spitzenleistung (insbesondere bei hohen Drehzahlen) aufgrund der schlechteren Füllung der Zylinder. Um die gleiche Leistung wie bei OTTO (bei hohen Drehzahlen) abzuholen, musste der Motor größer (größere Zylinder) und massiver gebaut werden.

Auf modernen Motoren

Was ist also der Unterschied?

Der Artikel erwies sich als komplizierter als ich erwartet hatte, aber zusammenfassend. Dann stellt sich heraus:

OTTO - das ist das Standardprinzip eines konventionellen Motors, der heute in den meisten modernen Autos zu finden ist

ATKINSON - bot einen effizienteren Verbrennungsmotor, indem das Verdichtungsverhältnis mithilfe einer komplexen Konstruktion von Hebeln geändert wurde, die mit der Kurbelwelle verbunden waren.

PLUS - Kraftstoffverbrauch, elastischerer Motor, weniger Lärm.

NACHTEILE - Sperriges und komplexes Design, niedriges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, schlechte Drosselklappensteuerung

In seiner reinen Form wird es heute praktisch nicht mehr verwendet.

MÜLLER - vorgeschlagen, ein reduziertes Verdichtungsverhältnis im Zylinder durch spätes Schließen des Einlassventils zu verwenden. Der Unterschied zu ATKINSON ist gewaltig, denn er verwendete nicht sein Design, sondern OTTO, allerdings nicht in seiner reinen Form, sondern mit einem modifizierten Zeitmesssystem.

Es wird davon ausgegangen, dass der Kolben (im Verdichtungstakt) mit weniger Widerstand läuft (Pumpverluste) und das Luft-Kraftstoff-Gemisch geometrisch besser verdichtet (ohne Detonation), das Expansionsverhältnis (bei Zündung durch eine Zündkerze) bleibt jedoch erhalten fast wie im OTTO-Zyklus ...

VORTEILE - Kraftstoffverbrauch (insbesondere bei niedrigen Drehzahlen), Arbeitselastizität, geringe Geräuschentwicklung.

CONS - Leistungsabfall bei hohen Drehzahlen (aufgrund der schlechtesten Füllung der Zylinder).

Es ist zu beachten, dass das MILLER-Prinzip jetzt bei einigen Autos bei niedrigen Drehzahlen verwendet wird. Ermöglicht die Anpassung der Einlass- und Auslassphase (erweitern oder verengen mit

In der Automobilstruktur von Pkw werden sie seit mehr als einem Jahrhundert standardmäßig eingesetzt Verbrennungsmotoren... Sie haben einige Nachteile, mit denen Wissenschaftler und Designer seit Jahren zu kämpfen haben. Als Ergebnis dieser Studien werden recht interessante und seltsame "Motoren" erhalten. Einer von ihnen wird in diesem Artikel besprochen.

Die Entstehungsgeschichte des Atkinson-Zyklus

Die Geschichte der Entwicklung eines Motors mit dem Atkinson-Zyklus hat ihre Wurzeln in einer fernen Geschichte. Fangen wir damit an der erste klassische Viertaktmotor wurde 1876 vom Deutschen Nikolaus Otto erfunden. Der Zyklus eines solchen Motors ist recht einfach: Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Auspuff.

Nur 10 Jahre nach der Erfindung des Motors Otto, ein Engländer James Atkinson schlug vor, den deutschen Motor zu modifizieren... Im Wesentlichen bleibt der Motor ein Viertakter. Aber Atkinson hat die Dauer von zwei von ihnen leicht geändert: Die ersten 2 Takte sind kürzer, die anderen 2 länger. Sir James implementierte dieses Schema, indem er die Länge der Kolbenhübe variierte. 1887 fand eine solche Modifikation des Ottomotors jedoch keine Anwendung. Trotz der Tatsache, dass die Leistung des Motors um 10% zunahm, erlaubte die Komplexität des Mechanismus nicht den massiven Einsatz des Atkinson-Zyklus für Autos.

Aber die Ingenieure arbeiteten weiter an Sir James' Zyklus. Der Amerikaner Ralph Miller verbesserte 1947 den Atkinson-Zyklus leicht und vereinfachte ihn. Dies ermöglichte den Einsatz des Motors in der Automobilindustrie. Es erscheint richtiger, den Atkinson-Zyklus als Miller-Zyklus zu bezeichnen. Aber die Ingenieursgemeinde überließ es Atkinson, den Motor nach seinem Namen zu benennen, ganz nach dem Prinzip des Entdeckers. Darüber hinaus wurde es durch den Einsatz neuer Technologien möglich, einen komplexeren Atkinson-Zyklus zu verwenden, sodass der Miller-Zyklus schließlich aufgegeben wurde. Zum Beispiel hat der neue Toyota einen Atkinson-Motor, keinen Miller-Motor.

Heutzutage wird der Atkinson-Zyklus-Motor bei Hybriden verwendet. Das ist vor allem den Japanern gelungen, denen die Umweltfreundlichkeit ihrer Autos stets am Herzen liegt. Hybrid-Prius von Toyota aktiv den Weltmarkt füllen.

So funktioniert der Atkinson-Zyklus

Wie bereits erwähnt, wiederholt der Atkinson-Zyklus die gleichen Ticks wie der Otto-Zyklus. Aber nach den gleichen Prinzipien schuf Atkinson einen völlig neuen Motor.

Der Motor ist so ausgelegt, dass der Kolben macht alle vier Hübe in einer Kurbelwellenumdrehung... Zudem sind die Hübe unterschiedlich lang: Die Kolbenhübe beim Verdichten und Entspannen sind kürzer als beim Einlassen und Auslassen. Das heißt, im Otto-Zyklus schließt das Einlassventil fast sofort. Im Atkinson-Zyklus ist dies Ventil schließt auf halbem Weg zum oberen Totpunkt... Bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor findet zu diesem Zeitpunkt bereits eine Verdichtung statt.

Der Motor wird mit einer speziellen Kurbelwelle modifiziert, bei der die Befestigungspunkte verschoben sind. Dadurch wird das Verdichtungsverhältnis des Motors erhöht und Reibungsverluste minimiert.

Unterschied zu herkömmlichen Motoren

Denken Sie daran, dass der Atkinson-Zyklus Viertakt(Einlass, Kompression, Expansion, Auslass). Ein typischer Viertaktmotor verwendet den Otto-Zyklus. Erinnern wir uns kurz an seine Arbeit. Zu Beginn des Arbeitshubes im Zylinder fährt der Kolben in den oberen Arbeitspunkt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt, das Gas dehnt sich aus, der Druck ist maximal. Unter dem Einfluss dieses Gases geht der Kolben nach unten, kommt zum unteren Totpunkt. Der Arbeitshub ist beendet, das Auslassventil öffnet, durch das das Abgas austritt. An dieser Stelle treten Produktionsausfälle auf, da das Abgas hat noch einen Restdruck, der nicht genutzt werden kann.

Atkinson reduzierte den Freisetzungsverlust. Bei seinem Motor ist das Volumen des Brennraums bei gleichem Arbeitsvolumen geringer. Es bedeutet, dass das Verdichtungsverhältnis ist höher und der Kolbenhub länger... Außerdem wird die Dauer des Verdichtungstakts im Vergleich zum Arbeitstakt verkürzt, der Motor arbeitet in einem Zyklus mit einem erhöhten Expansionsverhältnis (das Kompressionsverhältnis ist niedriger als das Expansionsverhältnis). Diese Bedingungen ermöglichten es, den Freisetzungsverlust durch Nutzung der Energie der Abgase zu reduzieren.

Kehren wir zum Otto-Zyklus zurück. Beim Ansaugen des Arbeitsgemisches wird die Drosselklappe geschlossen und erzeugt einen Widerstand am Einlass. Dies geschieht, wenn das Gaspedal nicht vollständig durchgetreten ist. Bei geschlossener Klappe verschwendet der Motor Energie und verursacht Pumpverluste.

Atkinson arbeitete auch mit dem Ansaugtakt. Durch seine Erweiterung erreichte Sir James eine Reduzierung der Pumpverluste. Dazu erreicht der Kolben seinen unteren Totpunkt, steigt dann an und lässt das Einlassventil für etwa den halben Kolbenhub geöffnet. Ein Teil des Kraftstoffgemisches wird zum Ansaugkrümmer zurückgeführt. Es baut Druck auf, dass ermöglicht das Öffnen der Drosselklappe bei niedrigen und mittleren Geschwindigkeiten.

Der Atkinson-Motor wurde jedoch aufgrund von Arbeitsunterbrechungen nicht in die Serie aufgenommen. Tatsache ist, dass der Motor im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor nur bei erhöhten Drehzahlen arbeitet. Im Leerlauf kann es zum Stillstand kommen. Aber dieses Problem wurde bei der Herstellung von Hybriden gelöst. Bei niedrigen Geschwindigkeiten fahren solche Autos mit Elektroantrieb und schalten nur beim Beschleunigen oder unter Last auf einen Benzinmotor um. Ein solches Modell beseitigt sowohl die Nachteile des Atkinson-Motors als auch seine Vorteile gegenüber anderen Verbrennungsmotoren.

Vor- und Nachteile des Atkinson-Zyklus

Der Atkinson-Motor hat mehrere Vorteile, vor dem Rest des Verbrennungsmotors verteilen: 1. Reduzierung der Kraftstoffverluste. Wie bereits erwähnt, wurde es durch die Änderung der Zykluszeit möglich, Kraftstoff zu sparen, indem Abgase verwendet und Pumpverluste reduziert werden. 2. Geringe Wahrscheinlichkeit einer Detonationsverbrennung. Das Verdichtungsverhältnis des Kraftstoffs wird von 10 auf 8 reduziert. Dadurch ist es möglich, die Motordrehzahl nicht durch Schalten in einen niedrigeren Gang aufgrund einer Erhöhung der Last zu erhöhen. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit einer Detonationsverbrennung aufgrund der Freisetzung von Wärme aus der Brennkammer in den Ansaugkrümmer geringer. 3. Geringer Benzinverbrauch. Bei den neuen Hybridmodellen beträgt der Benzinverbrauch 4 Liter pro 100 km. 4. Rentabilität, Umweltfreundlichkeit, hohe Effizienz.

Der Atkinson-Motor hat jedoch einen erheblichen Nachteil, der es nicht ermöglichte, in der Massenproduktion von Autos verwendet zu werden. Aufgrund von Niedrigleistungsanzeigen kann der Motor bei niedrigen Drehzahlen absterben. Daher hat sich der Atkinson-Motor bei Hybriden sehr gut etabliert.

Anwendung des Atkinson-Zyklus in der Automobilindustrie

Übrigens über die Autos, auf denen die Motoren von Atkinson installiert sind. In der Massenproduktion erschien diese Modifikation des Verbrennungsmotors vor nicht allzu langer Zeit. Wie bereits erwähnt, waren die ersten Benutzer des Atkinson-Zyklus japanische Firmen und Toyota. Eines der berühmtesten Autos - MazdaXedos 9 / Eunos800, die in den Jahren 1993-2002 produziert wurde.

Dann wurde der Atkinson ICE von den Herstellern von Hybridmodellen übernommen. Eine der bekanntesten Firmen, die diesen Motor verwenden, ist Toyota Ausgabe Prius, Camry, Highlander Hybrid und Harrier Hybrid... Dieselben Motoren werden verwendet in Lexus RX400h, GS 450h und LS600h, und Ford und Nissan entwickelten Flucht Hybrid und Altima-Hybrid.

Es sollte gesagt werden, dass Ökologie in der Automobilindustrie Mode ist. Daher erfüllen Hybride, die im Atkinson-Zyklus betrieben werden, die Kundenbedürfnisse und Umweltvorschriften vollständig. Darüber hinaus steht der Fortschritt nicht still, neue Modifikationen des Atkinson-Motors verbessern seine Pluspunkte und zerstören die Minuspunkte. Daher können wir mit Zuversicht sagen, dass der Atkinson-Zyklus-Motor eine produktive Zukunft hat und auf eine lange Lebensdauer hoffen.

Prioritäten

Seit dem Erscheinen des ersten Prius schien James Atkinson Toyota viel mehr zu mögen als Ralph Miller. Und nach und nach verbreitete sich der "Atkinson-Zyklus" ihrer Pressemitteilungen in der journalistischen Gemeinschaft.

Toyota offiziell: "Ein von James Atkinson (UK) vorgeschlagener Wärmezyklusmotor, bei dem die Dauer des Verdichtungshubs und des Expansionshubs unabhängig voneinander eingestellt werden können. Eine spätere Verbesserung durch RH Miller (USA) ermöglichte die Anpassung der Öffnungs- / Schließzeit der Einlassventile, um ein praktikables System zu ermöglichen." (Miller-Zyklus). "
- Toyota inoffiziell und anti-wissenschaftlich: "Miller-Zyklus-Motor ist ein Atkinson-Zyklus-Motor mit Kompressor".

Gleichzeitig existiert der Miller-Zyklus auch im lokalen Engineering-Umfeld seit jeher. Wie wäre es richtiger?

Im Jahr 1882 schlug der britische Erfinder James Atkinson die Idee vor, die Effizienz eines Hubkolbenmotors durch Verringern des Kompressionshubs und Erhöhen des Expansionshubs des Arbeitsfluids zu erhöhen. In der Praxis sollte dies durch aufwendige Kolbenantriebe (zwei Kolben nach dem „Boxer“-Schema, ein Kolben mit Kurbel-Kurbel-Mechanik) realisiert werden. Die konstruierten Versionen der Motoren zeigten eine Zunahme der mechanischen Verluste, ein zu kompliziertes Design und eine Leistungsabnahme im Vergleich zu Motoren anderer Bauarten, weshalb sie sich nicht verbreiteten. Die berühmten Patente von Atkinson bezogen sich speziell auf Strukturen, ohne die Theorie der thermodynamischen Zyklen zu berücksichtigen.

1947 kehrte der amerikanische Ingenieur Ralph Miller zu der Idee der reduzierten Verdichtung und fortgesetzten Expansion zurück und schlug vor, sie nicht durch die Kinematik des Kolbenantriebs, sondern durch die Wahl der Ventilsteuerung für Motoren mit konventionellem Kurbeltrieb umzusetzen. In dem Patent betrachtete Miller zwei Möglichkeiten zur Organisation des Arbeitsablaufs – mit frühem (EICV) oder spätem (LICV) Schließen des Einlassventils. Tatsächlich bedeuten beide Optionen eine Verringerung des tatsächlichen (effektiven) Verdichtungsverhältnisses im Verhältnis zum geometrischen. Da Miller erkannte, dass eine Verringerung der Verdichtung zu einem Leistungsverlust des Motors führen würde, konzentrierte sich Miller zunächst auf aufgeladene Motoren, bei denen der Füllverlust durch den Kompressor ausgeglichen würde. Der theoretische Miller-Zyklus für einen Ottomotor stimmt vollständig mit dem theoretischen Zyklus des Atkinson-Motors überein.

Im Großen und Ganzen ist der Miller/Atkinson-Zyklus kein eigenständiger Zyklus, sondern eine Vielzahl der bekannten thermodynamischen Zyklen von Otto und Diesel. Atkinson ist der Autor der abstrakten Idee eines Motors mit physikalisch unterschiedlich großen Kompressions- und Expansionshüben. Ralph Miller war es, der die bis heute praktizierte reale Organisation von Arbeitsabläufen in realen Motoren vorschlug.

Grundsätze

Arbeitet der Motor im Miller-Zyklus mit reduzierter Verdichtung, schließt das Einlassventil deutlich später als beim Otto-Zyklus, wodurch ein Teil der Ladung zurück in den Ansaugkanal verdrängt wird und der eigentliche Verdichtungsvorgang bereits in der zweiten Hälfte beginnt des Schlaganfalls. Als Ergebnis stellt sich heraus, dass das effektive Kompressionsverhältnis niedriger ist als das geometrische (das wiederum gleich dem Gasexpansionsverhältnis beim Arbeitshub ist). Durch die Reduzierung von Pumpverlusten und Kompressionsverlusten wird eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads des Motors innerhalb von 5–7% und eine entsprechende Kraftstoffeinsparung bereitgestellt.

Implementierung

Bei klassischen Toyota-Motoren der 90er Jahre mit festen Phasen, die im Otto-Zyklus arbeiten, schließt das Einlassventil 35-45° nach UT (bezogen auf den Kurbelwellenwinkel), das Verdichtungsverhältnis beträgt 9,5-10,0. Bei moderneren Motoren mit VVT hat sich der mögliche Schließbereich des Einlassventils auf 5-70° nach UT erweitert, das Verdichtungsverhältnis hat sich auf 10,0-11,0 erhöht.

Bei Motoren von Hybridmodellen, die nur nach dem Miller-Zyklus arbeiten, beträgt der Schließbereich des Einlassventils 80-120° ... 60-100° nach UT. Das geometrische Kompressionsverhältnis beträgt 13,0-13,5.

Bis Mitte der 2010er Jahre erschienen neue Motoren mit einer breiten variablen Ventilsteuerung (VVT-iW), die sowohl im Normalzyklus als auch im Miller-Zyklus arbeiten können. Bei atmosphärischen Versionen beträgt der Schließbereich des Einlassventils 30-110° nach UT mit einem geometrischen Verdichtungsverhältnis von 12,5-12,7, bei Turboversionen - 10-100° bzw. 10,0.