Opis cyklu Millera silnika spalinowego. Duże oryginały

Atkinson, Miller, Otto i inni w naszej małej technicznej wycieczce.

Najpierw zastanówmy się, jaki jest cykl silnika. Silnik spalinowy to obiekt, który zamienia ciśnienie ze spalania paliwa na energię mechaniczną, a ponieważ pracuje z ciepłem, jest silnikiem cieplnym. Tak więc cykl dla silnika cieplnego jest procesem kołowym, w którym zbiegają się parametry początkowe i końcowe, które określają stan płynu roboczego (w naszym przypadku jest to cylinder z tłokiem). Te parametry to ciśnienie, objętość, temperatura i entropia.

To właśnie te parametry i ich zmiana decydują o tym, jak silnik będzie pracował, czyli jaki będzie jego cykl. Dlatego jeśli masz chęć i wiedzę z termodynamiki, możesz stworzyć własny cykl pracy silnika cieplnego. Najważniejsze jest więc, aby twój silnik działał, aby udowodnić prawo do istnienia.

Cykl Otto

Zaczniemy od najważniejszego cyklu pracy, z którego w naszych czasach korzystają prawie wszystkie silniki spalinowe. Jego nazwa pochodzi od niemieckiego wynalazcy Nikolausa Augusta Otto. Początkowo Otto korzystał z twórczości Belga Jeana Lenoira. Trochę zrozumienia oryginalnego projektu da ten model silnika Lenoir.

Ponieważ Lenoir i Otto nie byli zaznajomieni z elektrotechniką, zapłon w ich prototypach powstał w wyniku otwartego płomienia, który zapalał mieszankę wewnątrz cylindra przez rurkę. Główna różnica między silnikiem Otto a silnikiem Lenoir polegała na ustawieniu cylindra w pionie, co skłoniło Otto do wykorzystania energii spalin do podniesienia tłoka po suwie roboczym. Skok roboczy tłoka w dół został zainicjowany ciśnieniem atmosferycznym. A gdy ciśnienie w cylindrze osiągnęło ciśnienie atmosferyczne, zawór wydechowy otworzył się, a tłok swoją masą wyparł spaliny. To właśnie całkowite wykorzystanie energii pozwoliło na podniesienie sprawności do zawrotnego w tamtym czasie 15%, co przewyższało sprawność nawet silników parowych. Ponadto konstrukcja ta umożliwiła pięciokrotnie mniejsze zużycie paliwa, co następnie doprowadziło do całkowitej dominacji takiej konstrukcji na rynku.

Ale główną zasługą Otto jest wynalezienie czterosuwowego procesu silnika spalinowego. Ten wynalazek powstał w 1877 roku i został jednocześnie opatentowany. Ale francuscy przemysłowcy pogrzebali w swoich archiwach i odkryli, że pomysł czterosuwowej operacji kilka lat przed patentem Otto został opisany przez Francuza Beau de Roche. Umożliwiło to zmniejszenie opłat patentowych i rozpoczęcie opracowywania własnych silników. Ale dzięki doświadczeniu silniki Otto były o głowę i ramiona ponad konkurencją. A do 1897 r. wykonano ich 42 tys.

Ale czym właściwie jest cykl Otto? Są to cztery skoki ICE znane nam ze szkoły - wlot, sprężanie, skok roboczy i wydech. Wszystkie te procesy zajmują tyle samo czasu, a charakterystykę cieplną silnika przedstawia poniższy wykres:

Gdzie 1-2 to kompresja, 2-3 to skok roboczy, 3-4 to wylot, 4-1 to wlot. Sprawność takiego silnika zależy od stopnia sprężania i wskaźnika adiabatycznego:

, gdzie n to stopień sprężania, k to wskaźnik adiabatyczny, czyli stosunek pojemności cieplnej gazu przy stałym ciśnieniu do pojemności cieplnej gazu przy stałej objętości.

Innymi słowy, jest to ilość energii, którą należy wydać, aby przywrócić gaz wewnątrz butli do poprzedniego stanu.

Cykl Atkinsona

Został wynaleziony w 1882 roku przez Jamesa Atkinsona, brytyjskiego inżyniera. Cykl Atkinsona zwiększa wydajność cyklu Otto, ale zmniejsza moc wyjściową. Główną różnicą jest różny czas wykonania różnych suwów silnika.

Specjalna konstrukcja dźwigni silnika Atkinsona umożliwia wszystkie cztery skoki tłoka w jednym obrocie wału korbowego. Również ta konstrukcja sprawia, że ​​skoki tłoka są różnej długości: skok tłoka podczas wlotu i wydechu jest dłuższy niż podczas sprężania i rozprężania.

Inną cechą silnika jest to, że krzywki rozrządu (otwieranie i zamykanie zaworów) znajdują się bezpośrednio na wale korbowym. Eliminuje to potrzebę oddzielnej instalacji wałka rozrządu. Ponadto nie ma potrzeby instalowania skrzyni biegów, ponieważ wał korbowy obraca się z połową prędkości. W XIX wieku silnik nie otrzymał dystrybucji ze względu na złożoną mechanikę, ale pod koniec XX wieku stał się bardziej popularny, ponieważ zaczął być stosowany w hybrydach.

Czy w drogim Lexusie są takie dziwne jednostki? W żadnym wypadku nikt nie zamierzał zaimplementować cyklu Atkinsona w czystej postaci, ale całkiem możliwe jest zmodyfikowanie do niego zwykłych silników. Dlatego nie będziemy długo narzekać na Atkinsona i przejść do cyklu, który go urzeczywistnił.

Cykl Millera

Cykl Millera został zaproponowany w 1947 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera jako sposób na połączenie zalet silnika Atkinsona z prostszym silnikiem Otto. Zamiast mechanicznie skracać suw sprężania niż suw mocy (jak w klasycznym silniku Atkinsona, gdzie tłok porusza się w górę szybciej niż w dół), Miller wpadł na pomysł zmniejszenia suwu sprężania za pomocą suwu ssania, utrzymując ruch tłoka w górę iw dół z taką samą prędkością (jak w klasycznym silniku Otto).

Aby to zrobić, Miller zaproponował dwa różne podejścia: albo zamknąć zawór wlotowy znacznie wcześniej niż koniec suwu ssania, albo zamknąć go znacznie później niż koniec tego suwu. Pierwsze podejście wśród opiekunów umownie nazywa się „skróconym wlotem”, a drugie – „skróconą kompresją”. Ostatecznie oba te podejścia dają to samo: spadek rzeczywistego stopnia sprężania mieszaniny roboczej względem geometrycznego, przy zachowaniu tego samego stopnia rozszerzalności (czyli skok suwu roboczego pozostaje taki sam jak w Silnik Otto, a skok sprężania jest niejako zmniejszony - tak jak u Atkinsona, zmniejsza się tylko nie w czasie, ale w stopniu sprężenia mieszanki).

Tak więc mieszanka w silniku Millera kompresuje się mniej niż musiałaby skompresować w silniku Otto o tej samej geometrii mechanicznej. Umożliwia to zwiększenie współczynnika kompresji geometrycznej (i odpowiednio współczynnika rozszerzalności!) Powyżej granic określonych przez właściwości stukowe paliwa - doprowadzenie rzeczywistej kompresji do akceptowalnych wartości ze względu na opisane powyżej „skrócenie cykl kompresji". Innymi słowy, przy tym samym rzeczywistym stopniu sprężania (ograniczenie paliwa) silnik Millera ma znacznie wyższy stopień rozprężania niż silnik Otto. Pozwala to na pełniejsze wykorzystanie energii gazów rozprężających się w cylindrze, co w rzeczywistości zwiększa sprawność cieplną silnika, zapewnia wysoką sprawność silnika i tak dalej. Jedną z zalet cyklu Millera jest również możliwość szerszego zróżnicowania czasu zapłonu bez ryzyka detonacji, co daje większe możliwości inżynierom.

Korzyści ze zwiększonej sprawności cieplnej cyklu Millera w stosunku do cyklu Otto towarzyszy utrata szczytowej mocy wyjściowej dla danej wielkości (i wagi) silnika z powodu degradacji wypełnienia cylindra. Ponieważ do uzyskania tej samej mocy wyjściowej niż silnik Otto wymagany byłby większy silnik Millera, korzyści z poprawy sprawności cieplnej cyklu zostaną częściowo wykorzystane na zwiększone straty mechaniczne (tarcie, wibracje itp.) wraz z rozmiarem silnika.

Cykl diesla

I na koniec warto chociaż pokrótce przypomnieć cykl Diesla. Rudolf Diesel początkowo chciał stworzyć silnik jak najbardziej zbliżony do cyklu Carnota, w którym sprawność determinowana jest jedynie różnicą temperatur płynu roboczego. Ale ponieważ chłodzenie silnika do zera absolutnego nie jest fajne, Diesel poszedł w drugą stronę. Zwiększył maksymalną temperaturę, dla której zaczął skompresować paliwo do wartości, które były wówczas poza limitem. Jego silnik okazał się bardzo wydajny, ale początkowo działał na nafcie. Rudolph zbudował pierwsze prototypy w 1893 roku i dopiero na początku XX wieku przeszedł na inne rodzaje paliwa, w tym olej napędowy.

• , 17.07.2015

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 ulepszony klasyczny silnik spalinowy. Strukturalnie silniki te są praktycznie takie same. Różnica polega na rozrządzie zaworowym. To, co ich wyróżnia, to to, że klasyczny silnik pracuje według cyklu niemieckiego inżyniera Nikolosa Otto, a silnik „Mazda” Millera – według cyklu brytyjskiego inżyniera Jamesa Atkinsona, choć z jakiegoś powodu nosi imię amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera. Ten ostatni również stworzył własny cykl pracy silnika spalinowego, ale pod względem sprawności ustępuje cyklowi Atkinsona.

Atrakcyjność „szóstki” w kształcie litery V 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 zużycie paliwa tak mocnego silnika jest bardzo niskie - na autostradzie 6,3 (!) L/100 km, w mieście - 11,8 l/100 km, co odpowiada wydajności 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 tak zwane 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 mieszankę palną - 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 po otwarciu zaworu wydechowego gazy w cylindrach nadal znajdują się pod ciśnieniem, więc uwolnienie tej niewykorzystanej energii nazywamy stratami spalin. Jednocześnie tłumikowi układu wydechowego przypisano funkcję redukcji poziomu hałasu.

W celu ograniczenia negatywnych zjawisk, które powstają podczas pracy silnika z klasycznym schematem 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 obraca się o 700 z BDC (w silniku Ralph Miller zawór zamyka się przeciwnie - znacznie wcześniej niż tłok przechodzi 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, zaburzona została zależność między stopniem sprężania i rozprężania, ponieważ ze względu na późniejsze zamknięcie zaworu ssącego czas trwania suwu sprężania w stosunku do czasu trwania suwu rozprężania przy otwartym zaworze wydechowym uległ znacznemu skróceniu. Silnik pracuje w tzw. cyklu ze zwiększonym stopniem 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 samochodu 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.

Silnik spalinowy jest bardzo daleki od ideału, w najlepszym razie osiąga 20 - 25%, olej napędowy 40 - 50% (czyli reszta paliwa jest spalana prawie całkowicie). 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 wydajniejsze i wydajniejsze. Każdy oferował określony cykl pracy, który mógł 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 najbardziej znane, jakie nadal znamy, to cykl DIESEL, STIRLING, CARNO, ERIKSON itp. Jeśli policzysz projekty, może być ich około 15. I na przykład nie wszystkie silniki spalinowe 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 pracy. 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

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

W swoim silniku OTTO jako pierwszy zastosował sprężanie mieszaniny roboczej do 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, zastosowanie przemysłowe nie było możliwe. Aby obejść patenty, James Atkinson w 1886 roku postanowił zmodyfikować cykl OTTO. I zaproponował własny rodzaj pracy 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 w skrócie 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 wydajności 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, utrzymując ten sam ruch 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 dolotowy - ta opcja została nazwana „Krótka kompresja”

Ostatecznie obie zasady dają to samo - zmniejszenie 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 być skompresowana w tym samym silniku w OTTO. Umożliwia to zwiększenie współczynnika ściskania geometrycznego, a tym samym współczynnika rozszerzalności fizycznej. Znacznie 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 skompresować paliwo z MILLERA, potrzeba 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 większy (większe cylindry) i masywniejszy.

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 obecnie praktycznie nieużywany.

MŁYNARZ - sugerowano zastosowanie zmniejszonego stopnia sprężania w cylindrze poprzez późne zamknięcie zaworu dolotowego. Różnica z ATKINSONEM jest ogromna, ponieważ nie zastosował on swojego projektu, a OTTO, ale nie w czystej postaci, a 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...

PLUSY - 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

W konstrukcji motoryzacyjnej samochodów osobowych od ponad wieku są one standardowo stosowane silniki z zapłonem wewnętrznym... Mają pewne wady, z którymi od lat zmagają 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 inżynierowie pozostawili Atkinsonowi nazwanie silnika jego imieniem, zgodnie z zasadą odkrywcy. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu nowych technologii, możliwe stało się zastosowanie bardziej złożonego cyklu Atkinsona, więc ostatecznie zrezygnowano z cyklu Millera. Na przykład w nowej Toyocie jest 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 jest 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. Dzięki temu zwiększa się stopień sprężania silnika, a straty tarcia są zminimalizowane.

Różnica w stosunku do tradycyjnych silników

Przypomnijmy, że cykl Atkinsona to czterosuwowy(wlot, sprężanie, rozprężenie, wyładowanie). 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, przydzielając go przed resztą silnika spalinowego: 1. Zmniejszenie strat paliwa. Jak wspomniano wcześniej, poprzez zmianę czasu cyklu, możliwe stało się oszczędzanie paliwa poprzez wykorzystanie gazów spalinowych i zmniejszenie strat pompowania. 2. Niskie prawdopodobieństwo spalania detonacyjnego. Stopień sprężania paliwa zmniejsza się z 10 do 8. Dzięki temu nie można zwiększać prędkości obrotowej 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 prędkościach. 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 stosujących ten silnik jest Toyota wydawanie Prius, Camry, Highlander Hybrid i Harrier Hybrid... Te same silniki są używane w Lexus RX400h, GS 450h i LS600h, a rozwój Forda i Nissana Hybrydowa ucieczka oraz Hybryda Altima.

Trzeba 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.

Priorytety

Od czasu pojawienia się pierwszego Priusa wydawało się, że James Atkinson lubił Toyotę znacznie bardziej niż Ralpha Millera. I stopniowo „cykl Atkinsona” ich komunikatów prasowych rozprzestrzenił się w całej społeczności dziennikarskiej.

Toyota oficjalnie: „Silnik z cyklem cieplnym zaproponowany przez Jamesa Atkinsona (Wielka Brytania), w którym suw sprężania i czas trwania suwu rozprężania można ustawiać niezależnie. Późniejsze udoskonalenia wprowadzone przez RH Millera (USA) umożliwiły dostosowanie czasu otwarcia/zamknięcia zaworu dolotowego, aby umożliwić praktyczny system (Cykl Millera).”
- Toyota nieoficjalnie i antynaukowo: „Silnik Miller Cycle to silnik Atkinson Cycle z doładowaniem”.

Jednocześnie, nawet w lokalnym środowisku inżynierskim, cykl Millera istnieje od niepamiętnych czasów. Jak byłoby to bardziej poprawne?

W 1882 roku brytyjski wynalazca James Atkinson zaproponował ideę zwiększenia sprawności silnika tłokowego poprzez zmniejszenie suwu sprężania i zwiększenie suwu rozprężania płynu roboczego. W praktyce miało to być realizowane przez złożone mechanizmy napędu tłokowego (dwa tłoki według schematu „bokser”, tłok z mechanizmem korbowo-wahaczowym). Skonstruowane wersje silników wykazały wzrost strat mechanicznych, zbyt skomplikowaną konstrukcję i spadek mocy w porównaniu z silnikami innych konstrukcji, dlatego nie rozpowszechniły się. Słynne patenty Atkinsona dotyczyły konkretnie struktur, bez uwzględnienia teorii cykli termodynamicznych.

W 1947 roku amerykański inżynier Ralph Miller powrócił do idei zmniejszonej kompresji i dalszej ekspansji, proponując jej realizację nie poprzez kinematykę napędu tłokowego, ale poprzez dobór rozrządu dla silników z konwencjonalnym mechanizmem korbowym. W patencie Miller rozważał dwie opcje organizacji przepływu pracy - z wczesnym (EICV) lub późnym (LICV) zamknięciem zaworu wlotowego. W rzeczywistości obie opcje oznaczają zmniejszenie rzeczywistego (efektywnego) stopnia sprężania w stosunku do geometrycznego. Zdając sobie sprawę, że zmniejszenie kompresji doprowadziłoby do utraty mocy silnika, Miller początkowo skupił się na silnikach z doładowaniem, w których utratę napełnienia kompensowałaby sprężarka. Teoretyczny cykl Millera dla silnika o zapłonie iskrowym jest w pełni zgodny z teoretycznym cyklem silnika Atkinsona.

Ogólnie rzecz biorąc, cykl Millera/Atkinsona nie jest niezależnym cyklem, ale odmianą dobrze znanych cykli termodynamicznych Otto i Diesel. Atkinson jest autorem abstrakcyjnego pomysłu na silnik o fizycznie różnych rozmiarach suwów sprężania i rozprężania. To Ralph Miller zaproponował realną organizację procesów pracy w rzeczywistych silnikach, stosowaną w praktyce do dziś.

Zasady

Gdy silnik pracuje w cyklu Millera ze zmniejszoną kompresją, zawór dolotowy zamyka się znacznie później niż w cyklu Otto, dzięki czemu część wsadu jest przemieszczana z powrotem do kanału dolotowego, a właściwy proces sprężania rozpoczyna się już w drugiej połowie udaru. W rezultacie efektywny stopień sprężania okazuje się być niższy od geometrycznego (który z kolei jest równy stopniowi rozprężania gazu na skoku roboczym). Zmniejszając straty pompowania i straty sprężania, zapewnia się wzrost sprawności cieplnej silnika w granicach 5-7% i odpowiednią oszczędność paliwa.

Realizacja

W klasycznych silnikach Toyoty z lat 90. ze stałymi fazami, pracujących w cyklu Otto, zawór dolotowy zamyka się 35-45 ° po BDC (pod względem kąta wału korbowego), stopień sprężania wynosi 9,5-10,0. W bardziej nowoczesnych silnikach z VVT możliwy zakres zamykania zaworu wlotowego rozszerzył się do 5-70 ° po BDC, stopień sprężania wzrósł do 10,0-11,0.

W silnikach modeli hybrydowych pracujących tylko zgodnie z cyklem Millera zakres zamykania zaworu dolotowego wynosi 80-120°...60-100° po BDC. Geometryczny współczynnik kompresji wynosi 13,0-13,5.

W połowie 2010 roku pojawiły się nowe silniki z szerokim zmiennym rozrządem (VVT-iW), które mogą pracować zarówno w cyklu normalnym, jak i cyklu Millera. W wersjach atmosferycznych zakres zamykania zaworu wlotowego wynosi 30-110° po BDC z geometrycznym stopniem sprężania 12,5-12,7, w wersjach turbo - odpowiednio 10-100° i 10,0.