Cykl Otto. Atkinson

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, a 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.

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 ssącego czas trwania suwu sprężania w stosunku do czasu trwania suwu rozprężania przy otwartym zaworze wydechowym uległ znacznemu skróceniu. 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.

Cykl Millera to cykl termodynamiczny stosowany w czterosuwowych silnikach spalinowych. Cykl Millera został zaproponowany w 1947 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera jako sposób na połączenie zalet silnika Atkinsona z prostszym mechanizmem tłokowym silnika Otto. Zamiast mechanicznego skracania suwu sprężania od suwu mocy (jak w klasycznym silniku Atkinsona, gdzie tłok porusza się w górę szybciej niż w dół), Miller wpadł na pomysł skrócenia 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 (lub otworzyć później niż początek tego suwu), albo zamknąć go znacznie później niż koniec tego suwu. Pierwsze podejście wśród inżynierów silników jest umownie nazywane „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, tylko że jest zmniejszony nie w czasie, ale w stopniu sprężenia mieszanki). Przyjrzyjmy się bliżej drugiemu podejściu Millera.- ponieważ jest to nieco bardziej opłacalne pod względem strat sprężania, a zatem to właśnie jest praktycznie wdrażane w seryjnych silnikach samochodowych Mazdy „Miller Cycle” (taki silnik V6 o pojemności 2,3 litra z mechaniczną sprężarką został zainstalowany w Mazdzie Xedos-9 przez długi czas, a ostatnio najnowszy „atmosferyczny” silnik I4 tego typu o pojemności 1,3 litra trafił do modelu Mazda-2).

W takim silniku zawór wlotowy nie zamyka się na końcu suwu ssania, ale pozostaje otwarty podczas pierwszej części suwu sprężania. Chociaż podczas suwu ssania cała objętość cylindra była wypełniona mieszanką paliwowo-powietrzną, część mieszanki jest wtłaczana z powrotem do kolektora dolotowego przez otwarty zawór wlotowy, gdy tłok porusza się w górę podczas suwu sprężania. Sprężanie mieszanki faktycznie zaczyna się później, gdy zawór wlotowy w końcu się zamyka, a mieszanka zostaje uwięziona w cylindrze. Tak więc mieszanka w silniku Millera kompresuje się mniej niż musiałaby skompresować w silniku Otto o tej samej geometrii mechanicznej. Pozwala to na zwiększenie geometrycznego współczynnika sprężania (i odpowiednio współczynnika rozszerzalności!) powyżej wartości granicznych ze względu na właściwości stukowe paliwa - doprowadzenie rzeczywistej kompresji do akceptowalnych wartości ze względu na opisane powyżej „skrócenie kompresji cykl". Innymi słowy, przy tym samym rzeczywistym stopniu sprężania (ograniczenie zużycia paliwa) silnik Millera ma znacznie wyższy stopień rozszerzalności niż silnik Otto. Pozwala to na pełniejsze wykorzystanie energii gazów rozprężających się w cylindrze, co de facto zwiększa sprawność cieplną silnika, zapewnia wysoką sprawność silnika i tak dalej.

Oczywiście odwrotne przesunięcie ładunku oznacza spadek parametrów mocy silnika, a dla silników atmosferycznych sensowna jest praca na takim cyklu tylko w stosunkowo wąskim trybie obciążeń częściowych. W przypadku stałych faz rozrządu można to skompensować tylko w całym zakresie dynamiki za pomocą doładowania. W modelach hybrydowych brak trakcji w niesprzyjających warunkach jest kompensowany przez ciąg silnika elektrycznego.

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 wynikające ze zwiększonej sprawności cieplnej cyklu zostaną częściowo wykorzystane na zwiększone straty mechaniczne (tarcie, wibracje itp.) wraz z rozmiarem silnika. Dlatego inżynierowie Mazdy zbudowali swój pierwszy silnik produkcyjny z nieamosferycznym cyklem Millera. Kiedy podłączyli do silnika sprężarkę Lysholm, byli w stanie odzyskać wysoką gęstość mocy bez utraty dużej wydajności zapewnianej przez cykl Millera. To właśnie ta decyzja sprawiła, że ​​silnik Mazdy V6 „Miller Cycle” stał się atrakcyjny dla Mazdy Xedos-9 (Millenia lub Eunos-800). Rzeczywiście, przy pojemności roboczej 2,3 litra wytwarza moc 213 KM. i moment obrotowy 290 Nm, co odpowiada charakterystyce konwencjonalnych 3-litrowych silników atmosferycznych, a jednocześnie zużycie paliwa jak na tak mocny silnik w dużym samochodzie jest bardzo niskie - na autostradzie 6,3 l/100 km, w mieście – 11,8 l/100 km, co odpowiada znacznie słabszym silnikom 1,8 litra. Dalszy rozwój technologii pozwolił inżynierom Mazdy zbudować silnik Miller Cycle o akceptowalnej charakterystyce gęstości mocy już bez użycia doładowania - nowy system sekwencyjnego rozrządu, dynamicznie kontrolujący fazy dolotu i wydechu, pozwala częściowo zrekompensować spadek mocy maksymalnej cykl Millera. Nowy silnik będzie produkowany w rzędowym 4-cylindrowym silniku o pojemności 1,3 litra, w dwóch wersjach: o mocy 74 koni mechanicznych (118 Nm momentu obrotowego) i 83 koni mechanicznych (121 Nm). Jednocześnie zużycie paliwa w tych silnikach spadło w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem o tej samej mocy o 20 procent - do nieco ponad czterech litrów na sto kilometrów. Ponadto toksyczność silnika cyklu Millera jest o 75 procent niższa niż obecne wymagania środowiskowe. Realizacja W klasycznych silnikach Toyoty z lat 90. ze stałymi fazami pracującymi w cyklu Otto, zawór dolotowy zamyka się 35-45 ° po BDC (pod względem kąta wału korbowego), stopień sprężania wynosi 9,5-10,0. W nowocześniejszych 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 szeroką gamą zmiennych faz rozrządu (VVT-iW), które mogą pracować zarówno w cyklu normalnym, jak i cyklu Millera. W przypadku wersji atmosferycznych zakres zamykania zaworu wlotowego wynosi 30-110° po BDC z geometrycznym stopniem sprężania 12,5-12,7, dla wersji turbo - odpowiednio 10-100° i 10,0.

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 już w 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 jednostkową (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 wieku pracowały na lekkich produktach ropopochodnych i olejach roślinnych, próbowano też wykorzystywać 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 komponentami: 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.

Priorytety

Od czasu pojawienia się pierwszego Priusa powstało wrażenie, że James Atkinson lubił Toyotę znacznie bardziej niż Ralpha Millera. I stopniowo „cykl Atkinsona” ich komunikatów prasowych rozprzestrzenił się w środowisku dziennikarskim.

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 regulację czasu otwarcia/zamknięcia zaworu dolotowego, aby umożliwić praktyczny system (Cykl Millera).”
- Toyota nieoficjalnie i antynaukowo: „Silnik Miller Cycle to silnik Atkinson Cycle z doładowaniem”.

Co więcej, nawet w lokalnym środowisku inżynierskim cykl Millera istnieje od niepamiętnych czasów. Jak byłoby 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, nadmiernie skomplikowaną konstrukcję i spadek mocy w porównaniu z silnikami innych konstrukcji, dlatego nie otrzymały szerokiej dystrybucji. 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 rozbudowy, proponując jej realizację nie za pomocą kinematyki napędu tłoka, 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 sprężania doprowadziłoby do utraty mocy silnika, Miller początkowo skupił się na silnikach doładowanych, 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, która jest stosowana w praktyce do dziś.

Zasady

Gdy silnik pracuje na cyklu Millera ze zmniejszoną kompresją, zawór dolotowy zamyka się znacznie później niż w cyklu Otto, dzięki czemu część wsadu jest cofana do kanału dolotowego, a właściwy proces sprężania rozpoczyna się już w drugiej połowie udaru. W efekcie efektywny stopień sprężania jest 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 pracującymi w cyklu Otto, zawór dolotowy zamyka się 35-45 ° po BDC (pod względem kąta wału korbowego), stopień sprężania wynosi 9,5-10,0. W nowocześniejszych 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 szeroką gamą zmiennych faz rozrządu (VVT-iW), które mogą pracować zarówno w cyklu normalnym, jak i cyklu Millera. W przypadku wersji atmosferycznych zakres zamykania zaworu wlotowego wynosi 30-110° po BDC z geometrycznym stopniem sprężania 12,5-12,7, dla wersji turbo - odpowiednio 10-100° i 10,0.