Duże oryginały. Cykl Atkinsona: jak to działa Zastosowanie cyklu Atkinsona w motoryzacji

Zanim omówię cechy silnika „Mazda” „Miller” (cykl Millera), zaznaczam, że nie jest to silnik pięciosuwowy, ale czterosuwowy, jak silnik Otto. Silnik Millera to nic innego jak udoskonalony klasyczny silnik spalinowy. Strukturalnie silniki te są praktycznie takie same. Różnica polega na rozrządzie zaworowym. Wyróżniają się tym, że klasyczny silnik pracuje według cyklu niemieckiego inżyniera Nikolosa Otto, a silnik "Mazda" "Miller" - według cyklu brytyjskiego inżyniera Jamesa Atkinsona, choć z jakiegoś powodu nosi nazwę po amerykańskim inżynierze Ralphie Millerze. Ten ostatni również stworzył własny cykl pracy silnika spalinowego, ale pod względem sprawności ustępuje cyklowi Atkinsona.

Atrakcyjność V-szóstki zainstalowanej w modelu Xedos 9 (Millenia lub Eunos 800) polega na tym, że przy pojemności roboczej 2,3 litra wytwarza 213 KM. i moment obrotowy 290 Nm, co odpowiada charakterystyce silnika 3-litrowego. Jednocześnie spalanie tak mocnego silnika jest bardzo niskie – na autostradzie 6,3 (!) L/100 km, w mieście – 11,8 l/100 km, co odpowiada osiągom 1,8-2 l silniki. Nie jest zły.

Aby zrozumieć, na czym polega tajemnica silnika Millera, należy przypomnieć zasadę działania znanego czterosuwowego silnika Otto. Pierwszy skok to skok wlotowy. Rozpoczyna się po otwarciu zaworu wlotowego, gdy tłok znajduje się w pobliżu górnego martwego punktu (TDC). Przesuwając się w dół tłok wytwarza w cylindrze podciśnienie, które przyczynia się do zasysania do nich powietrza i paliwa. Jednocześnie przy niskich i średnich obrotach silnika, gdy przepustnica jest częściowo otwarta, pojawiają się tzw. straty pompowania. Ich istotą jest to, że ze względu na wysokie podciśnienie w kolektorze dolotowym tłoki muszą pracować w trybie pompowania, co pochłania część mocy silnika. Ponadto pogarsza się napełnianie cylindrów świeżym ładunkiem, a tym samym wzrasta zużycie paliwa i emisja szkodliwych substancji do atmosfery. Gdy tłok osiągnie dolny martwy punkt (BDC), zawór wlotowy zamyka się. Następnie tłok poruszający się w górę ściska palną mieszankę - następuje skok sprężania. W pobliżu GMP mieszanina jest zapalana, wzrasta ciśnienie w komorze spalania, tłok przesuwa się w dół - skok roboczy. Zawór wylotowy otwiera się w BDC. Gdy tłok porusza się w górę - suw wydechu - spaliny pozostające w cylindrach są wypychane do układu wydechowego.

Warto zauważyć, że gdy zawór wydechowy jest otwarty, gazy w cylindrach wciąż znajdują się pod ciśnieniem, więc uwolnienie tej niewykorzystanej energii nazywamy stratami spalin. Jednocześnie tłumikowi układu wydechowego przypisano funkcję redukcji poziomu hałasu.

Aby zredukować negatywne zjawiska, które powstają podczas pracy silnika z klasycznym układem rozrządu, rozrząd w silniku „Mazda” Millera został zmieniony zgodnie z cyklem Atkinsona. Zawór wlotowy nie zamyka się w pobliżu dolnego martwego punktu, ale znacznie później - gdy wał korbowy jest obracany o 700 z BDC (w silniku Ralph Miller zawór zamyka się przeciwnie - znacznie wcześniej niż tłok mija BDC). Cykl Atkinsona oferuje szereg korzyści. Po pierwsze, zmniejszają się straty pompowania, ponieważ część mieszanki, gdy tłok porusza się w górę, jest wpychana do kolektora dolotowego, zmniejszając w nim próżnię.

Po drugie, zmienia się stopień kompresji. Teoretycznie pozostaje to samo, ponieważ skok tłoka i objętość komory spalania nie zmieniają się, ale w rzeczywistości z powodu opóźnionego zamknięcia zaworu wlotowego zmniejsza się z 10 do 8. A to już jest zmniejszenie prawdopodobieństwo stukowego spalania paliwa, co oznacza, że ​​nie ma potrzeby zwiększania redukcji prędkości obrotowej silnika wraz ze wzrostem obciążenia. Zmniejsza prawdopodobieństwo spalania detonacyjnego oraz fakt, że mieszanina palna wypchnięta z cylindrów, gdy tłok porusza się w górę aż do zamknięcia zaworu, przenosi do kolektora dolotowego część ciepła pobranego ze ścian komory spalania.

Po trzecie, naruszona została zależność między stopniem sprężania i rozprężania, ponieważ ze względu na późniejsze zamknięcie zaworu dolotowego znacznie skrócono czas trwania suwu sprężania w stosunku do czasu trwania suwu rozprężania przy otwartym zaworze wydechowym. Silnik pracuje w tzw. cyklu o podwyższonym stopniu rozprężania, w którym energia spalin jest wykorzystywana przez dłuższy czas, tj. ze spadkiem strat wyjściowych. Pozwala to na pełniejsze wykorzystanie energii spalin, co de facto zapewniało wysoką sprawność silnika.

Aby uzyskać wysoką moc i moment obrotowy wymagane w elitarnym modelu Mazdy, silnik Millera wykorzystuje mechaniczną sprężarkę Lisholm zainstalowaną w zapadnięciu bloku cylindrów.

Oprócz 2,3-litrowego silnika Xedos 9, cykl Atkinsona zaczęto stosować w lekkim silniku instalacji hybrydowej Toyoty Prius. Różni się od „Mazda” tym, że nie ma dmuchawy, a stopień sprężania ma wysoką wartość - 13,5.

W konstrukcji motoryzacyjnej samochodów osobowych od ponad wieku są one standardowo stosowane silniki z zapłonem wewnętrznym... Mają pewne wady, z którymi od lat borykają się naukowcy i projektanci. W wyniku tych badań uzyskuje się dość ciekawe i dziwne „silniki”. Jeden z nich zostanie omówiony w tym artykule.

Historia powstania cyklu Atkinsona

Historia powstania silnika z cyklem Atkinsona ma swoje korzenie w odległej historii. Zacznijmy od tego pierwszy klasyczny silnik czterosuwowy został wynaleziony przez Niemca Nikolausa Otto w 1876 roku. Cykl takiego silnika jest dość prosty: wlot, sprężanie, skok roboczy, wydech.

Zaledwie 10 lat po wynalezieniu silnika Otto, Anglik James Atkinson zaproponował modyfikację niemieckiego silnika... Zasadniczo silnik pozostaje czterosuwowy. Ale Atkinson nieznacznie zmienił czas trwania dwóch z nich: pierwsze 2 takty są krótsze, a pozostałe 2 dłuższe. Sir James wdrożył ten schemat, zmieniając długość skoków tłoka. Ale w 1887 taka modyfikacja silnika Otto nie znalazła zastosowania. Pomimo tego, że osiągi silnika wzrosły o 10%, złożoność mechanizmu nie pozwoliła na masowe zastosowanie cyklu Atkinsona w samochodach.

Ale inżynierowie nadal pracowali nad cyklem sir Jamesa. Amerykanin Ralph Miller w 1947 roku nieco ulepszył cykl Atkinsona, upraszczając go. Umożliwiło to wykorzystanie silnika w przemyśle motoryzacyjnym. Bardziej słuszne wydaje się nazywanie cyklu Atkinsona cyklem Millera. Ale społeczność inżynierów pozostawiła Atkinsonowi nazwanie silnika jego imieniem, zgodnie z zasadą odkrywcy. Ponadto, dzięki wykorzystaniu nowych technologii, możliwe stało się zastosowanie bardziej złożonego cyklu Atkinsona, więc ostatecznie zrezygnowano z cyklu Millera. Na przykład nowa Toyota ma silnik Atkinsona, a nie silnik Millera.

Obecnie w hybrydach stosuje się silnik cyklu Atkinsona. Szczególnie udało się to Japończykom, którzy zawsze dbają o przyjazność dla środowiska swoich samochodów. Hybrydowy Prius od Toyoty aktywnie wypełniają światowy rynek.

Jak działa cykl Atkinsona

Jak wspomniano wcześniej, cykl Atkinsona powtarza te same tiki, co cykl Otto. Ale stosując te same zasady, Atkinson stworzył zupełnie nowy silnik.

Silnik został zaprojektowany tak, aby tłok wykonuje wszystkie cztery suwy w jednym obrocie wału korbowego... Ponadto suwy mają różną długość: suwy tłoka podczas sprężania i rozprężania są krótsze niż podczas ssania i wydechu. Oznacza to, że w cyklu Otto zawór wlotowy zamyka się prawie natychmiast. W cyklu Atkinsona to zawór zamyka się w połowie drogi do górnego martwego punktu... W konwencjonalnym silniku spalinowym sprężanie ma już miejsce w tym momencie.

Silnik jest modyfikowany specjalnym wałem korbowym, w którym przesunięte są punkty mocowania. W rezultacie stopień sprężania silnika jest zwiększony, a straty tarcia są zminimalizowane.

Różnica w stosunku do tradycyjnych silników

Przypomnijmy, że cykl Atkinsona to czterosuwowy(wlot, kompresja, ekspansja, emisja). Typowy silnik czterosuwowy wykorzystuje cykl Otto. Krótko mówiąc, przypomnijmy jego pracę. Na początku suwu roboczego w cylindrze tłok podnosi się do górnego punktu pracy. Mieszanina paliwa i powietrza wypala się, gaz rozszerza się, ciśnienie jest maksymalne. Pod wpływem tego gazu tłok opada, dochodzi do dolnego martwego punktu. Skok roboczy się kończy, otwiera się zawór wydechowy, przez który wypływają spaliny. W tym momencie występują straty produkcyjne, ponieważ spaliny nadal mają ciśnienie resztkowe, którego nie można wykorzystać.

Atkinson zmniejszył straty w wydaniu. W jego silniku objętość komory spalania jest mniejsza przy tej samej objętości roboczej. To znaczy, że stopień sprężania jest wyższy, a skok tłoka dłuższy... Dodatkowo skraca się czas trwania suwu sprężania w stosunku do suwu roboczego, silnik pracuje na cyklu ze zwiększonym stopniem rozprężania (stopień sprężania jest niższy od stopnia rozprężania). Warunki te umożliwiły zmniejszenie strat uwalniania poprzez wykorzystanie energii spalin.

Wróćmy do cyklu Otto. Gdy mieszanina robocza jest zasysana, zawór dławiący jest zamknięty i tworzy opór na wlocie. Dzieje się tak, gdy pedał gazu nie jest do końca wciśnięty. Przy zamkniętej przepustnicy silnik marnuje energię, powodując straty pompowania.

Atkinson pracował również z udarem wlotowym. Wydłużając go, Sir James osiągnął zmniejszenie strat pompowania. W tym celu tłok osiąga dolny martwy punkt, a następnie podnosi się, pozostawiając zawór wlotowy otwarty przez około połowę skoku tłoka. Część mieszanki paliwowej wraca do kolektora dolotowego. Tworzy presję, która umożliwia lekkie otwarcie przepustnicy przy niskich i średnich obrotach.

Ale silnik Atkinsona nie został wprowadzony do serii z powodu przerw w pracy. Faktem jest, że w przeciwieństwie do silnika spalinowego silnik pracuje tylko przy zwiększonych prędkościach. Na biegu jałowym może utknąć. Ale ten problem został rozwiązany w produkcji hybryd. Przy niskich prędkościach takie samochody poruszają się na trakcji elektrycznej, a na silnik benzynowy przełączają się tylko w przypadku przyspieszenia lub pod obciążeniem. Taki model zarówno usuwa wady silnika Atkinsona, jak i podkreśla jego zalety w stosunku do innych ICE.

Zalety i wady cyklu Atkinsona

Silnik Atkinsona ma kilka Zalety, przeznaczając go przed resztą silnika spalinowego: 1. Zmniejszenie strat paliwa. Jak wspomniano wcześniej, poprzez zmianę czasu cyklu, możliwe stało się oszczędzanie paliwa poprzez wykorzystanie spalin i zmniejszenie strat pompowania. 2. Niskie prawdopodobieństwo spalania detonacyjnego. Stopień sprężania paliwa zostaje zmniejszony z 10 do 8. Pozwala to nie zwiększać prędkości silnika poprzez zmianę biegu na niższy z powodu wzrostu obciążenia. Również prawdopodobieństwo spalania detonacyjnego jest mniejsze ze względu na uwalnianie ciepła z komory spalania do kolektora dolotowego. 3. Niskie zużycie benzyny. W nowych modelach hybrydowych przebieg na gazie wynosi 4 litry na 100 km. 4. Rentowność, przyjazność dla środowiska, wysoka wydajność.

Ale silnik Atkinsona ma jedną istotną wadę, która nie pozwoliła na zastosowanie go w masowej produkcji samochodów. Ze względu na wskaźniki niskiej mocy silnik może zgasnąć przy niskich obrotach. Dlatego silnik Atkinsona bardzo dobrze zakorzenił się w hybrydach.

Zastosowanie cyklu Atkinsona w przemyśle motoryzacyjnym

Nawiasem mówiąc, o samochodach, w których zainstalowane są silniki Atkinsona. W masowej produkcji ta modyfikacja silnika spalinowego pojawiła się nie tak dawno temu. Jak wspomniano wcześniej, pierwszymi użytkownikami cyklu Atkinsona były firmy japońskie oraz Toyota. Jeden z najbardziej znanych samochodów - MazdaXedos 9 / Eunos800, który był produkowany w latach 1993-2002.

Następnie silnik spalinowy Atkinsona został przyjęty przez producentów modeli hybrydowych. Jedną z najbardziej znanych firm używających tego silnika jest Toyota wydawanie Prius, Camry, Highlander Hybrid i Harrier Hybrid... Te same silniki są używane w Lexus RX400h, GS 450h i LS600h, a Ford i Nissan opracowali Hybrydowa ucieczka oraz Hybryda Altima.

Warto powiedzieć, że w motoryzacji panuje moda na ekologię. Dlatego hybrydy działające w cyklu Atkinsona w pełni odpowiadają potrzebom klientów i przepisom środowiskowym. Ponadto postęp nie stoi w miejscu, nowe modyfikacje silnika Atkinsona poprawiają jego plusy i niszczą minusy. Dlatego możemy śmiało powiedzieć, że silnik cyklu Atkinsona ma produktywną przyszłość i nadzieję na długie życie.

Silnik spalinowy jest bardzo daleki od ideału, w najlepszym razie osiąga 20 - 25%, olej napędowy 40 - 50% (czyli reszta paliwa jest spalana prawie bez). Aby zwiększyć sprawność (odpowiednio zwiększyć sprawność) konieczna jest poprawa konstrukcji silnika. Wielu inżynierów zmaga się do dziś, ale pierwszymi byli tylko nieliczni inżynierowie, tacy jak Nikolaus August OTTO, James ATKINSON i Ralph Miller. Każdy z nich dokonał pewnych zmian i starał się, aby silniki były bardziej ekonomiczne i wydajne. Każdy oferował określony cykl pracy, który mógłby radykalnie różnić się od projektu przeciwnika. Dziś postaram się wyjaśnić Wam prostymi słowami jakie są główne różnice w działaniu silnika spalinowego, no i oczywiście wersja wideo na koniec...

Artykuł zostanie napisany dla początkujących, więc jeśli jesteś wyrafinowanym inżynierem, nie musisz go czytać, jest napisany w celu ogólnego zrozumienia cykli pracy ICE.

Chciałabym również zauważyć, że istnieje wiele wariacji różnych projektów, z których najsłynniejsze, które wciąż znamy, to cykl DIESEL, STIRLING, CARNO, ERIKSON itp. Jeśli policzysz struktury, to może być ich około 15. I nie wszystkie silniki spalinowe, na przykład, mają zewnętrzny STIRLING.

Ale najbardziej znane, które są nadal używane w samochodach, to OTTO, ATKINSON i MILLER. Tutaj porozmawiamy o nich.

W rzeczywistości jest to konwencjonalny silnik cieplny spalinowy z wymuszonym zapłonem mieszanki palnej (poprzez świecę), który jest obecnie używany w 60 - 65% samochodów. TAK - tak, to ten, który masz pod maską, pracuje zgodnie z cyklem OTTO.

Jeśli jednak zagłębisz się w historię, pierwszą zasadę takiego silnika spalinowego zaproponował w 1862 roku francuski inżynier Alphonse BO DE ROCH. Ale to była teoretyczna zasada działania. OTTO w 1878 (16 lat później) wcielił ten silnik w metal (w praktyce) i opatentował tę technologię

W rzeczywistości jest to silnik czterosuwowy, który charakteryzuje się:

• Wlot ... Dostawa świeżej mieszanki paliwowo-powietrznej. Otwiera się zawór wlotowy.
• Kompresja ... Tłok podnosi się, ściskając tę ​​mieszankę. Oba zawory są zamknięte
• Skok roboczy ... Świeca zapala sprężoną mieszankę, zapalone gazy popychają tłok w dół
• Odprowadzanie spalin ... Tłok porusza się w górę, wypychając spalone gazy. Zawór wylotowy otwiera się

Pragnę zauważyć, że zawory dolotowy i wydechowy działają w ścisłej kolejności - RÓWNIE NA wysokich i niskich obrotach. Oznacza to, że nie ma zmian w pracy przy różnych prędkościach.

OTTO jako pierwszy zastosował w swoim silniku sprężanie mieszaniny roboczej w celu podniesienia maksymalnej temperatury cyklu. Który został przeprowadzony zgodnie z adiabatą (w prostych słowach, bez wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym).

Po ściśnięciu mieszanki zapalała się od świecy, po czym rozpoczął się proces odprowadzania ciepła, który przebiegał praktycznie wzdłuż izochory (czyli ze stałą objętością cylindra silnika).

Ponieważ OTTO opatentowało swoją technologię, jej przemysłowe zastosowanie nie było możliwe. Aby obejść patenty, James Atkinson w 1886 roku postanowił zmodyfikować cykl OTTO. I zaproponował własny rodzaj pracy dla silnika spalinowego.

Zaproponował zmianę stosunku czasów cykli, dzięki której zwiększono skok roboczy ze względu na komplikację konstrukcji korbowodu. Należy zauważyć, że egzemplarz testowy, który zbudował, był jednocylindrowy i nie był zbyt rozpowszechniony ze względu na złożoność projektu.

Jeśli krótko opiszemy zasadę działania tego ICE, okazuje się:

Wszystkie 4 suwy (wtrysk, sprężanie, suw roboczy, wydech) - odbywały się w jednym obrocie wału korbowego (OTTO ma dwa obroty). Dzięki złożonemu systemowi dźwigni, które zostały zamocowane obok „wału korbowego”.

W tym projekcie okazało się, że zaimplementowano pewne proporcje długości dźwigni. Mówiąc prościej - skok tłoka na suwie ssania i wydechu jest WIĘCEJ niż skok tłoka również w suwie sprężania i suwu roboczego.

Co to robi? TAK, to, że można „bawić się” stopniem sprężania (zmieniając go), ze względu na stosunek długości dźwigni, a nie ze względu na „dławienie” dolotu! Z tego wynika zaleta cyklu ACTINSON pod względem strat pompowania

Takie silniki okazały się dość wydajne, o wysokiej sprawności i niskim zużyciu paliwa.

Było jednak również wiele negatywnych punktów:

• Złożoność i kłopotliwy projekt
• Niska przy niskich obrotach
• Słaba kontrola przepustnicy, czy to ()

Krążą plotki, że zasada ATKINSON została zastosowana w pojazdach hybrydowych, w szczególności przez firmę TOYOTA. To jednak trochę nieprawda, zastosowano tam tylko jego zasadę, ale z konstrukcji skorzystał inny inżynier, a mianowicie Miller. W czystej postaci silniki ATKINSON były bardziej jednorodne niż masowe.

Ralph Miller również zdecydował się pobawić współczynnikiem kompresji w 1947 roku. Oznacza to, że niejako kontynuowałby pracę ATKINSONA, ale nie wziął swojego złożonego silnika (z dźwigniami), ale zwykłego OTTO ICE.

Co on zasugerował ... Nie uczynił suwu sprężania mechanicznie krótszego niż suw suwu (jak sugerował Atkinson, jego tłok porusza się szybciej w górę niż w dół). Wpadł na pomysł zmniejszenia suwu sprężania za pomocą suwu ssania, przy zachowaniu tego samego ruchu tłoka w górę iw dół (klasyczny silnik OTTO).

Były dwie drogi:

• Zamykanie zaworów wlotowych przed końcem suwu ssania - ta zasada nazywa się „Skrócony wlot”
• Albo zamknij zawory dolotowe później niż skok wlotowy - ta opcja została nazwana „Krótka kompresja”

Ostatecznie obie zasady dają to samo - spadek stopnia sprężania mieszaniny roboczej w stosunku do geometrycznej! Jednak współczynnik rozszerzalności pozostaje, to znaczy, skok suwu roboczego jest zachowany (jak w OTTO ICE), a suw sprężania jest niejako zmniejszony (jak w Atkinson ICE).

W prostych słowach - mieszanka paliwowo-powietrzna w firmie MILLER jest skompresowana znacznie mniej niż powinna była być sprężona w tym samym silniku w OTTO. Umożliwia to zwiększenie współczynnika kompresji geometrycznej, a tym samym współczynnika rozszerzalności fizycznej. Dużo więcej niż ze względu na właściwości detonacyjne paliwa (tzn. benzyny nie można sprężać w nieskończoność, rozpocznie się detonacja)! Tak więc, gdy paliwo jest zapalane w GMP (lub raczej martwym punkcie), ma znacznie większy współczynnik rozszerzalności niż w konstrukcji OTTO. Pozwala to na znacznie większe wykorzystanie energii gazów rozprężających się w butli, co zwiększa sprawność cieplną konstrukcji, co pociąga za sobą duże oszczędności, elastyczność itp.

Należy również pamiętać, że na suwie sprężania zmniejszają się straty pompowania, czyli łatwiej jest sprężać paliwo w MILLERZE, zużywa się mniej energii.

Negatywne strony - jest to spadek mocy szczytowej (szczególnie przy wysokich obrotach) ze względu na gorsze napełnienie cylindrów. Aby uzyskać taką samą moc jak OTTO (przy wysokich obrotach), silnik musiał być zbudowany z większymi (większymi cylindrami) i masywniejszym.

Na nowoczesnych silnikach

Więc jaka jest różnica?

Artykuł okazał się bardziej skomplikowany niż się spodziewałem, ale podsumowując. Potem okazuje się:

OTTO - to standardowa zasada konwencjonalnego silnika, którą można obecnie znaleźć w większości nowoczesnych samochodów

ATKINSON - oferował wydajniejszy silnik spalinowy, zmieniając stopień sprężania za pomocą złożonej konstrukcji dźwigni, które były połączone z wałem korbowym.

PLUSY - oszczędność paliwa, bardziej elastyczny silnik, mniejszy hałas.

MINUSY - Masywna i złożona konstrukcja, niski moment obrotowy przy niskich obrotach, słaba kontrola przepustnicy

W czystej postaci jest teraz praktycznie nieużywany.

MŁYNARZ - sugerowano zastosowanie obniżonego stopnia sprężania w cylindrze, poprzez późne zamknięcie zaworu dolotowego. Różnica w stosunku do ATKINSON jest ogromna, ponieważ zastosował on nie swoją konstrukcję, a OTTO, ale nie w czystej postaci, tylko ze zmodyfikowanym systemem rozrządu.

Zakłada się, że tłok (na suwie sprężania) pracuje z mniejszymi oporami (straty na pompowaniu) i lepiej spręża geometrycznie mieszankę paliwowo-powietrzną (z wyłączeniem jej detonacji), jednak stopień rozprężenia (przy zapłonie świecą zapłonową) pozostaje prawie tak samo jak w cyklu OTTO...

ZALETY - oszczędność paliwa (szczególnie przy niskich obrotach), elastyczność pracy, niski poziom hałasu.

MINUSY - spadek mocy przy wysokich obrotach (ze względu na najgorsze wypełnienie cylindrów).

Należy zauważyć, że obecnie w niektórych samochodach przy niskich obrotach stosowana jest zasada MILLERA. Umożliwia regulację faz dolotu i wydechu (rozszerzenie lub zawężenie ich za pomocą

Cykl Millera ( Cykl Millera) został zaproponowany w 1947 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera jako sposób na połączenie zalet silnika Atkinsona z prostszym mechanizmem tłokowym silnika Diesla lub Otto.

Cykl został zaprojektowany w celu zmniejszenia ( zmniejszyć) temperatura i ciśnienie doładowania świeżego powietrza ( temperatura powietrza doładowującego) przed skompresowaniem ( kompresja) w cylindrze. W rezultacie temperatura spalania w cylindrze spada z powodu rozszerzalności adiabatycznej ( ekspansja adiabatyczna) ładowanie świeżego powietrza po wejściu do butli.

Koncepcja cyklu Millera obejmuje dwie opcje ( dwa warianty):

a) wybór czasu przedwczesnego zamknięcia ( zaawansowany termin zamknięcia) zawór wlotowy ( zawór wlotowy) lub przed zamknięciem - przed dolnym martwym punktem ( dolny martwy punkt);

b) wybór późnego czasu zamknięcia zaworu wlotowego - po dolnym martwym punkcie (BDC).

Cykl Millera był pierwotnie używany ( początkowo używany) w celu zwiększenia mocy właściwej niektórych silników wysokoprężnych ( niektóre silniki). Spadek temperatury świeżego powietrza ( Obniżenie temperatury ładowania) w cylindrze silnika doprowadziło do wzrostu mocy bez większych zmian ( główne zmiany) blok cylindrów ( jednostka cylindryczna). Wynikało to z faktu, że spadek temperatury na początku cyklu teoretycznego ( na początku cyklu) zwiększa gęstość ładunku powietrza ( gęstość powietrza) bez zmiany ciśnienia ( zmiana ciśnienia) w cylindrze. Podczas gdy wytrzymałość mechaniczna silnika ( mechaniczne ograniczenie silnika) przechodzi na wyższą moc ( wyższa moc), limit obciążenia cieplnego ( ograniczenie obciążenia termicznego) przechodzi do niższych średnich temperatur ( niższe średnie temperatury).

Następnie cykl Millera wzbudził zainteresowanie w zakresie redukcji emisji NOx. Intensywna emisja szkodliwych NOx rozpoczyna się, gdy temperatura w cylindrze silnika przekracza 1500 °C – w tym stanie atomy azotu stają się chemicznie aktywne w wyniku utraty jednego lub więcej atomów. A podczas korzystania z cyklu Millera, gdy temperatura cyklu spada ( zmniejszyć temperatury cyklu) bez zmiany mocy ( stała moc) 10% redukcja emisji NOx przy pełnym obciążeniu i 1% ( procent) zmniejszenie zużycia paliwa. Głównie ( głównie) tłumaczy się to spadkiem strat ciepła ( straty ciepła) przy tym samym ciśnieniu w butli ( poziom ciśnienia w butli).

Jednak znacznie wyższe ciśnienie doładowania ( znacznie wyższe ciśnienie doładowania) przy tej samej mocy i stosunku powietrza do paliwa ( stosunek powietrza do paliwa) utrudniło szerokie rozpowszechnienie cyklu Millera. Jeśli maksymalne osiągalne ciśnienie turbosprężarki gazowej ( maksymalne osiągalne ciśnienie doładowania) będzie zbyt niska w stosunku do żądanej wartości średniego ciśnienia efektywnego ( pożądane średnie ciśnienie efektywne), to doprowadzi to do znacznego ograniczenia wydajności ( znaczne obniżenie wartości). Nawet jeśli ciśnienie doładowania jest wystarczająco wysokie, potencjał mniejszego zużycia paliwa zostanie częściowo zneutralizowany ( częściowo zneutralizowany) z powodu zbyt szybkiego ( zbyt szybko) spadek sprawności sprężarki i turbiny ( kompresor i turbina) turbosprężarki gazowej przy wysokich stopniach sprężania ( wysokie współczynniki kompresji). Praktyczne zastosowanie cyklu Millera wymagało zatem zastosowania turbosprężarki gazowej o bardzo wysokim stosunku ciśnień ( bardzo wysokie współczynniki ciśnienia w sprężarkach) i wysoka sprawność przy wysokich stopniach sprężania ( doskonała wydajność przy wysokich ciśnieniu).

A więc w szybkich silnikach 32FX firmy ” Inżynieria Niigaty»Maksymalne ciśnienie spalania P max i temperatura w komorze spalania ( Komora spalania) są utrzymywane na obniżonym normalnym poziomie ( normalny poziom). Ale jednocześnie średnie ciśnienie efektywne ( hamulec średnie efektywne ciśnienie) oraz poziom szkodliwych emisji NOх ( zmniejszyć emisje NOx).

W silniku wysokoprężnym 6L32FX firmy Niigata wybierana jest pierwsza opcja cyklu Millera: przedwczesne zamknięcie zaworu dolotowego 10 stopni przed BDC, zamiast 35 stopni po BDC ( po BDC) jak dla silnika 6L32CX. Wraz ze skróceniem czasu napełniania, przy normalnym ciśnieniu doładowania ( normalne ciśnienie doładowania) do cylindra dostaje się mniejsza ilość świeżego powietrza ( ilość powietrza jest zmniejszona). W związku z tym pogarsza się postęp procesu spalania w cylindrze, a w konsekwencji spada moc wyjściowa i wzrasta temperatura spalin ( temperatura spalin wzrasta).

Aby uzyskać taką samą ustawioną moc wyjściową ( docelowy wynik) konieczne jest zwiększenie objętości powietrza przy skróceniu czasu jego wejścia do butli. Aby to zrobić, zwiększ ciśnienie doładowania ( zwiększyć ciśnienie doładowania).

Jednocześnie jednostopniowy system turbodoładowania gazowego ( turbodoładowanie jednostopniowe) nie może zapewnić wyższego ciśnienia doładowania ( wyższe ciśnienie doładowania).

Dlatego system dwustopniowy ( system dwustopniowy) turbodoładowanie gazowe, w którym turbosprężarka niskiego i wysokiego ciśnienia ( turbosprężarki niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe) są ułożone sekwencyjnie ( połączone szeregowo) kolejno. Po każdej turbosprężarce instalowane są dwie chłodnice międzystopniowe ( interweniujące chłodnice powietrza).

Wprowadzenie cyklu Millera wraz z dwustopniowym układem turbodoładowania gazowego umożliwiło zwiększenie współczynnika mocy do 38,2 (średnie ciśnienie efektywne – 3,09 MPa, średnia prędkość tłoka – 12,4 m/s) przy 110% obciążeniu ( maksymalne żądane obciążenie). To najlepszy wynik osiągnięty dla silników o średnicy tłoka 32 cm.

Dodatkowo równolegle 20% redukcja poziomu NOx ( Poziom emisji NOx) do 5,8 g/kWh przy standardzie IMO 11,2 g/kWh. Zużycie paliwa ( Zużycie paliwa) została nieznacznie zwiększona podczas pracy przy niskich obciążeniach ( niskie obciążenia) Praca. Jednak przy średnich i wysokich obciążeniach ( większe obciążenia) zużycie paliwa spadło o 75%.

Tym samym zwiększa się sprawność silnika Atkinsona dzięki mechanicznemu skróceniu czasu (tłok porusza się szybciej w górę niż w dół) suwu sprężania w stosunku do suwu roboczego (suwu rozprężania). W cyklu Millera skok ściskania w stosunku do skoku roboczego zmniejszone lub zwiększone przez proces spożycia ... Jednocześnie prędkość ruchu tłoka w górę iw dół jest utrzymywana na tym samym poziomie (jak w klasycznym silniku Otto-Diesel).

Przy tym samym ciśnieniu doładowania ładunek cylindra świeżym powietrzem zmniejsza się z powodu skrócenia czasu ( zmniejszona przez odpowiedni czas) otwarcie zaworu wlotowego ( zawór wlotowy). Dlatego świeży ładunek powietrza ( powietrze doładowujące) w turbosprężarce jest sprężone ( sprężony) do wyższego ciśnienia doładowania niż jest to konieczne dla cyklu silnika ( cykl silnika). W ten sposób, zwiększając ciśnienie doładowania przy skróconym czasie otwarcia zaworu dolotowego, ta sama porcja świeżego powietrza dostaje się do cylindra. W tym przypadku ładunek świeżego powietrza, przechodząc przez stosunkowo wąski obszar przepływu wlotowego, rozszerza się (efekt dławienia) w cylindrach ( cylindry) i odpowiednio jest chłodzony ( konsekwentne chłodzenie).

Silnik spalinowy (ICE) jest uważany za jeden z najważniejszych elementów samochodu, a jego charakterystyka, moc, reakcja na przepustnicę i ekonomia zależą od tego, jak komfortowo poczuje się kierowca za kierownicą. Choć samochody są ciągle ulepszane, „zarośnięte” systemami nawigacji, modnymi gadżetami, multimediami itd., silniki pozostają praktycznie niezmienione, przynajmniej zasada ich działania nie ulega zmianie.

Cykl Otto Atkinsona, który stanowił podstawę samochodowego silnika spalinowego, został opracowany pod koniec XIX wieku i od tego czasu nie przeszedł prawie żadnych globalnych zmian. Dopiero w 1947 roku Ralph Miller zdołał udoskonalić rozwój swoich poprzedników, czerpiąc to, co najlepsze z każdego z modeli budowy silników. Aby jednak ogólnie zrozumieć zasadę działania nowoczesnych bloków energetycznych, trzeba trochę zajrzeć do historii.

Sprawność silników Otto

Pierwszy silnik do samochodu, który mógł normalnie pracować nie tylko teoretycznie, został opracowany przez Francuza E. Lenoira w odległym 1860 roku, był pierwszym modelem z mechanizmem korbowym. Jednostka pracowała na gazie, była używana na łodziach, jej sprawność nie przekraczała 4,65%. Później Lenoir we współpracy z Nikolausem Otto, we współpracy z niemieckim konstruktorem w 1863 roku, powstał dwusuwowy silnik spalinowy o sprawności 15%.

Zasada działania silnika czterosuwowego została po raz pierwszy zaproponowana przez N.A.Otto w 1876 roku, to właśnie ten samouk konstruktor jest uważany za twórcę pierwszego silnika do samochodu. Silnik miał system zasilania gazem, a za wynalazcę pierwszego na świecie gaźnika ICE napędzanego benzyną uważa się rosyjskiego projektanta OS Kostowicza.

Praca cyklu Otto jest wykorzystywana w wielu nowoczesnych silnikach, w sumie są cztery takty:

• wlot (gdy zawór wlotowy jest otwarty, cylindryczna przestrzeń jest wypełniona mieszanką paliwową);
• kompresja (zawory są uszczelnione (zamknięte), mieszanina jest sprężana, pod koniec tego procesu - zapłon, który zapewnia świeca zapłonowa);
• skok roboczy (z powodu wysokich temperatur i wysokiego ciśnienia tłok opada, wprawia w ruch korbowód i wał korbowy);
• wydech (na początku tego skoku zawór wydechowy otwiera się, otwierając drogę spalinom, wał korbowy w wyniku zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną nadal się obraca, unosząc korbowód tłokiem do góry) .

Wszystkie uderzenia są zapętlone i krążą po okręgu, a koło zamachowe, które magazynuje energię, pomaga w odkręceniu wału korbowego.

Choć w porównaniu z wersją dwusuwową układ czterosuwowy wydaje się doskonalszy, sprawność silnika benzynowego nawet w najlepszym przypadku nie przekracza 25%, a najwyższą sprawność mają silniki wysokoprężne, tutaj może wzrosnąć maksymalnie do 50%.

Cykl termodynamiczny Atkinsona

James Atkinson, brytyjski inżynier, który postanowił unowocześnić wynalazek Otto, w 1882 roku zaproponował własną wersję udoskonalenia trzeciego cyklu (skoku roboczego). Projektant postawił sobie za cel zwiększenie sprawności silnika i zmniejszenie procesu sprężania, aby silnik spalinowy był bardziej ekonomiczny, mniej hałaśliwy, a różnica w jego schemacie konstrukcyjnym polegała na zmianie napędu mechanizmu korbowego (KShM) i w przejściu wszystkich suwów w jednym obrocie wału korbowego.

Chociaż Atkinsonowi udało się poprawić sprawność swojego silnika w stosunku do opatentowanego już wynalazku Otto, obwód nie został wdrożony w praktyce, mechanika okazała się zbyt skomplikowana. Ale Atkinson był pierwszym projektantem, który zaproponował działanie silnika spalinowego o zmniejszonym stopniu sprężania, a zasada tego cyklu termodynamicznego została dalej uwzględniona przez wynalazcę Ralpha Millera.

Pomysł zmniejszenia procesu kompresji i bardziej nasyconego spożycia nie odszedł w zapomnienie, a Amerykanin R. Miller powrócił do niego w 1947 roku. Ale tym razem inżynier zaproponował wdrożenie schematu nie przez komplikowanie KShM, ale przez zmianę rozrządu. Rozważano dwie wersje:

• skok roboczy z opóźnionym zamknięciem zaworu wlotowego (LICV lub krótkie sprężanie);
• suw wczesnego zamykania (EICV lub krótki wlot).

Późne zamknięcie zaworu wlotowego powoduje zmniejszenie kompresji w stosunku do silnika Otto, powodując cofanie się części mieszanki paliwowej z powrotem do portu wlotowego. To konstruktywne rozwiązanie daje:

• bardziej miękka geometryczna kompresja mieszanki paliwowo-powietrznej;
• dodatkowa oszczędność paliwa, szczególnie przy niskich obrotach;
• mniej detonacji;
• niski poziom hałasu.

Wady tego schematu obejmują spadek mocy przy dużych prędkościach, ponieważ proces kompresji jest zmniejszony. Ale ze względu na pełniejsze wypełnienie cylindrów wzrasta sprawność przy niskich obrotach i wzrasta geometryczny stopień sprężania (rzeczywisty maleje). Graficzną reprezentację tych procesów można zobaczyć na poniższych rysunkach z diagramami warunkowymi.

Silniki pracujące według schematu Millera tracą moc na rzecz Otto w trybach dużych prędkości, ale w miejskich warunkach eksploatacyjnych nie jest to tak ważne. Ale takie silniki są bardziej ekonomiczne, mniej detonują, pracują ciszej i ciszej.

Silnik Miller Cycle w Mazdzie Xedos (2,3 l)

Specjalny mechanizm rozrządu z zachodzącymi na siebie zaworami zapewnia wzrost stopnia sprężania (SZ), jeśli w wersji standardowej np. 11, to w silniku z krótkim sprężaniem ten wskaźnik, przy wszystkich innych warunkach bez zmian, wzrasta do 14. W 6-cylindrowym ICE 2,3 L Mazda Xedos (rodzina Skyactiv) teoretycznie wygląda to tak: zawór wlotowy (VK) otwiera się, gdy tłok znajduje się w górnym martwym punkcie (w skrócie TDC), nie zamyka się przy dolny punkt (BDC), ale później pozostaje otwarty na 70º. W takim przypadku część mieszanki paliwowo-powietrznej jest wpychana z powrotem do kolektora dolotowego, sprężanie rozpoczyna się po zamknięciu VC. Po powrocie tłoka do GMP:

• zmniejsza się objętość cylindra;
• wzrasta ciśnienie;
• zapłon ze świecy zapłonowej następuje w pewnym momencie, zależy to od obciążenia i ilości obrotów (działa układ rozrządu zapłonu).

Następnie tłok opada, następuje rozprężenie, natomiast przenoszenie ciepła do ścianek cylindra nie jest tak duże jak w schemacie Otto ze względu na krótkie sprężanie. Gdy tłok dotrze do BDC, uwalniane są gazy, a następnie wszystkie czynności są powtarzane od nowa.

Specjalna konfiguracja kolektora dolotowego (szerszego i krótszego niż zwykle) oraz kąt otwarcia VK 70 stopni przy NW 14:1 umożliwia ustawienie wyprzedzenia zapłonu o 8º na biegu jałowym bez zauważalnego stukania. Ponadto ten schemat zapewnia większy procent użytecznej pracy mechanicznej, czyli innymi słowy, pozwala na zwiększenie wydajności. Okazuje się, że praca, obliczona według wzoru A = P dV (P - ciśnienie, dV - zmiana objętości), nie ma na celu ogrzewania ścian cylindra, głowicy bloku, ale służy do zakończenia suwu roboczego. Schematycznie cały proces można zobaczyć na rysunku, gdzie początek cyklu (BDC) jest oznaczony cyfrą 1, proces sprężania jest do punktu 2 (TDC), od 2 do 3 to dopływ ciepła, gdy tłok jest nieruchomy. Gdy tłok przechodzi z punktu 3 do 4, następuje rozszerzenie. Wykonana praca jest zaznaczona zacienionym obszarem At.

Również cały schemat można zobaczyć we współrzędnych T S, gdzie T oznacza temperaturę, a S to entropia, która rośnie wraz z dopływem ciepła do substancji iw naszej analizie jest to wartość warunkowa. Oznaczenia Q p i Q 0 - ilość dostarczonego i odebranego ciepła.

Wadą serii Skyactiv jest to, że w porównaniu do klasycznego Otto, silniki te mają mniejszą moc właściwą (rzeczywistą), na silniku 2,3 ​​l z sześcioma cylindrami to tylko 211 koni mechanicznych, a przy uwzględnieniu turbodoładowania i 5300 obr./min. Ale silniki mają wymierne zalety:

• wysoki stopień kompresji;
• możliwość ustawienia wczesnego zapłonu, bez detonacji;
• zapewnienie szybkiego przyspieszenia z postoju;
• wysoka wydajność.

Kolejną ważną zaletą silnika Miller Cycle firmy Mazda jest oszczędne zużycie paliwa, szczególnie przy małych obciążeniach i na biegu jałowym.

Silniki Atkinsona w samochodach Toyoty

Choć cykl Atkinsona nie znalazł praktycznego zastosowania w XIX wieku, idea jego silnika jest wdrażana w układach napędowych XXI wieku. Silniki te są instalowane w niektórych hybrydowych samochodach osobowych Toyoty, które są zasilane zarówno benzyną, jak i energią elektryczną. Należy wyjaśnić, że teoria Atkinsona nigdy nie jest używana w czystej postaci, a raczej nowe rozwiązania inżynierów Toyoty można nazwać ICE, zaprojektowanymi zgodnie z cyklem Atkinsona / Millera, ponieważ wykorzystują one standardowy mechanizm korbowy. Skrócenie cyklu sprężania uzyskuje się poprzez zmianę faz dystrybucji gazu przy jednoczesnym wydłużeniu skoku roboczego. Silniki wykorzystujące podobny schemat można znaleźć w samochodach Toyoty:

• Prius;
• Yaris;
• Auris;
• Góral;
• Lexus GS 450h;
• Lexus CT 200h;
• Lexus HS 250h;
• Witz.

Gama silników ze schematem Atkinsona/Millera stale się powiększa, dlatego na początku 2017 roku japoński koncern uruchomił produkcję 1,5-litrowego czterocylindrowego silnika spalinowego napędzanego wysokooktanową benzyną o mocy 111 koni mechanicznych, stopień sprężania 13,5 w cylindrach: 1. Silnik jest wyposażony w przesuwnik fazowy VVT-IE zdolny do przełączania trybów Otto / Atkinson w zależności od prędkości i obciążenia, dzięki tej jednostce napędowej samochód może przyspieszyć do 100 km / hw 11 sekund. Silnik jest ekonomiczny, wysoka sprawność (do 38,5%), zapewnia doskonałe przyspieszenie.

Cykl diesla

Pierwszy silnik wysokoprężny został zaprojektowany i zbudowany przez niemieckiego wynalazcę i inżyniera Rudolpha Diesela w 1897 roku, jednostka napędowa była duża, przewyższała nawet ówczesne silniki parowe. Podobnie jak silnik Otto, był czterosuwowy, ale wyróżniał się doskonałą wydajnością, łatwością obsługi, a stopień sprężania silnika spalinowego był znacznie wyższy niż jednostki benzynowej. Pierwsze silniki Diesla z końca XIX w. pracowały na lekkich produktach naftowych i olejach roślinnych, próbowano też wykorzystać jako paliwo pył węglowy. Ale eksperyment prawie natychmiast się nie powiódł:

• dostarczanie pyłu do butli było problematyczne;
• węgiel ścierny szybko zniszczył grupę cylinder-tłok.

Co ciekawe, angielski wynalazca Herbert Aykroyd Stewart opatentował podobny silnik dwa lata wcześniej niż Rudolf Diesel, ale Diesel zdołał zaprojektować model z podwyższonym ciśnieniem w cylindrach. Model Stewarta teoretycznie zapewniał 12% sprawność cieplną, podczas gdy model Diesela osiągał sprawność do 50%.

W 1898 roku Gustav Trinkler zaprojektował wysokociśnieniowy silnik olejowy wyposażony w komorę wstępną i to właśnie ten model jest bezpośrednim prototypem nowoczesnych silników spalinowych Diesla.

Nowoczesne silniki wysokoprężne do samochodów

Zarówno w przypadku silnika benzynowego z cyklem Otto, jak i silnika wysokoprężnego, koncepcja konstrukcji nie uległa zmianie, ale nowoczesny dieslowski silnik spalinowy jest „zarośnięty” dodatkowymi podzespołami: turbosprężarką, elektronicznym układem sterowania dopływem paliwa, intercoolerem, różnymi czujnikami, wkrótce. Ostatnio coraz więcej jednostek napędowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa „Common Rail” jest opracowywanych i wprowadzanych do serii, dostarczających przyjazne dla środowiska spaliny zgodnie z nowoczesnymi wymaganiami, wysokie ciśnienie wtrysku. Diesle z bezpośrednim wtryskiem mają dość wymierną przewagę nad silnikami z konwencjonalnym układem paliwowym:

• ekonomicznie zużywają paliwo;
• mieć wyższą moc przy tej samej głośności;
• pracować przy niskim poziomie hałasu;
• pozwala na szybsze przyspieszanie samochodu.

Wady silników Common Rail: dość duża złożoność, konieczność naprawy i konserwacji przy użyciu specjalnego sprzętu, dokładność do jakości oleju napędowego, stosunkowo wysoki koszt. Podobnie jak benzynowe silniki spalinowe, silniki wysokoprężne są stale ulepszane, stając się bardziej zaawansowane technologicznie i bardziej złożone.