Înainte de a vorbi despre caracteristicile motorului „Mazdov” „Miller” (ciclul Miller), observ că nu este un motor în cinci timpi, ci unul în patru timpi, ca și motorul Otto. Motorul Miller nu este altceva decât un motor clasic cu ardere internă îmbunătățit. Din punct de vedere structural, aceste motoare sunt aproape identice. Diferența constă în sincronizarea supapelor. Ceea ce îi deosebește este faptul că motorul clasic funcționează conform ciclului inginerului german Nikolos Otto, iar motorul „Mazdovskiy” al lui Miller funcționează conform ciclului inginerului britanic James Atkinson, deși din anumite motive este numit după Inginerul american Ralph Miller. Acesta din urmă și-a creat și propriul ciclu de funcționare al motorului cu ardere internă, dar în ceea ce privește eficiența este inferior ciclului Atkinson.
Atractivitatea „șase” în formă de V instalată pe modelul Xedos 9 (Millenia sau Eunos 800) este că cu un volum de lucru de 2,3 litri produce 213 CP. și un cuplu de 290 Nm, care este echivalent cu caracteristicile motoarelor de 3 litri. În același timp, consumul de combustibil al unui motor atât de puternic este foarte scăzut - pe autostradă 6,3 (!) L / 100 km, în oraș - 11,8 l / 100 km, ceea ce corespunde performanței de 1,8-2 litri. motoare. Nu-i rău.
Pentru a înțelege care este secretul motorului Miller, ar trebui să ne amintim principiul de funcționare al motorului familiar Otto în patru timpi. Prima lovitură este cursa de admisie. Începe după ce supapa de admisie se deschide când pistonul este aproape de punctul mort superior (PMS). Mișcându-se în jos, pistonul creează un vid în cilindru, care contribuie la absorbția aerului și a combustibilului în el. În același timp, în modurile de turație scăzută și medie a motorului, când supapa de accelerație este parțial deschisă, apar așa-numitele pierderi de pompare. Esența lor este că, datorită vidului mare din galeria de admisie, pistoanele trebuie să funcționeze în modul pompă, ceea ce consumă o parte din puterea motorului. În plus, acest lucru înrăutățește umplerea cilindrilor cu o încărcare proaspătă și, în consecință, crește consumul de combustibil și emisiile de substanțe nocive în atmosferă. Când pistonul atinge punctul mort inferior (BDC), supapa de admisie se închide. După aceea, pistonul, deplasându-se în sus, comprimă amestecul combustibil - cursa de compresie continuă. Aproape de TDC, amestecul este aprins, presiunea din camera de ardere crește, pistonul se mișcă în jos - cursa de lucru. Supapa de evacuare se deschide la BDC. Când pistonul se mișcă în sus - cursa de evacuare - gazele de eșapament rămase în cilindri sunt împinse în sistemul de evacuare.
Este de remarcat faptul că în momentul în care supapa de evacuare se deschide, gazele din cilindri sunt încă sub presiune, astfel încât eliberarea acestei energii neutilizate se numește pierdere de evacuare. Funcția de reducere a zgomotului a fost atribuită amortizorului de eșapament.
Pentru a reduce fenomenele negative care apar atunci când motorul funcționează cu o schemă clasică de sincronizare a supapelor, sincronizarea supapelor în motorul Mazda Miller a fost schimbată în conformitate cu ciclul Atkinson. Supapa de admisie se închide nu aproape de punctul mort inferior, ci mult mai târziu - când arborele cotit se întoarce la 700 de la BDC (la motorul Ralph Miller, supapa se închide invers - mult mai devreme decât pistonul trece BDC). Ciclul Atkinson oferă o serie de beneficii. În primul rând, pierderile prin pompare sunt reduse, deoarece o parte din amestec, atunci când pistonul se mișcă în sus, este împinsă în galeria de admisie, reducând vidul din acesta.
În al doilea rând, raportul de compresie se modifică. Teoretic, rămâne același, deoarece cursa pistonului și volumul camerei de ardere nu se modifică, dar de fapt, din cauza închiderii târzii a supapei de admisie, scade de la 10 la 8. Și aceasta este deja o scădere a probabilitatea detonării arderii combustibilului, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să creșteți turația motorului trecând la o treaptă inferioară atunci când sarcina crește. Reduce probabilitatea arderii prin detonare și faptul că amestecul combustibil împins din cilindri atunci când pistonul se mișcă în sus până când supapa se închide, ia cu el o parte din căldura preluată de pe pereții camerei de ardere în galeria de admisie.
În al treilea rând, raportul dintre rapoartele de compresie și expansiune a fost încălcat, deoarece din cauza închiderii ulterioare a supapei de admisie, durata cursei de compresie în raport cu durata cursei de expansiune atunci când supapa de evacuare a fost deschisă a fost redusă semnificativ. Motorul funcționează într-un așa-numit ciclu de expansiune extins, în care energia gazelor de eșapament este utilizată pentru o perioadă mai lungă, de exemplu. cu scăderea pierderilor de producţie. Acest lucru face posibilă utilizarea mai pe deplin a energiei gazelor de eșapament, care, de fapt, au asigurat eficiența ridicată a motorului.
Pentru a obține puterea și cuplul mare necesare modelului de elită Mazda, motorul Miller folosește un compresor mecanic Lysholm instalat în prăbușirea blocului cilindrilor.
În plus față de motorul de 2,3 litri al lui Xedos 9, ciclul Atkinson a început să fie utilizat în motorul hibrid ușor al lui Toyota Prius. Se deosebește de cel Mazda prin faptul că nu are compresor de aer, iar raportul de compresie are o valoare mare de 13,5.
În industria auto a autoturismelor, de mai bine de un secol, utilizarea standard motoare de combustie internă. Au unele dezavantaje, pentru care oamenii de știință și designerii se luptă de ani de zile. În urma acestor studii, se obțin „motoare” destul de interesante și ciudate. Una dintre ele va fi discutată în acest articol.
Istoria creării ciclului Atkinson
Istoria creării motorului cu ciclul Atkinson are rădăcinile într-o istorie îndepărtată. Începe cu faptul că primul motor clasic în patru timpi a fost inventat de germanul Nikolaus Otto în 1876. Ciclul unui astfel de motor este destul de simplu: admisie, compresie, cursă, evacuare.
La doar 10 ani de la inventarea motorului Otto, un englez James Atkinson a propus modificarea motorului german. De fapt, motorul rămâne în patru timpi. Dar Atkinson a modificat puțin durata a două dintre ele: primele 2 măsuri sunt mai scurte, celelalte 2 sunt mai lungi. Sir James a implementat această schemă prin modificarea lungimii curselor pistonului. Dar în 1887, o astfel de modificare a motorului Otto nu și-a găsit aplicație. În ciuda faptului că performanța motorului a crescut cu 10%, complexitatea mecanismului nu a permis aplicarea în masă a ciclului Atkinson pentru mașini.
Dar inginerii au continuat să lucreze la ciclul Sir James. Americanul Ralph Miller în 1947 a îmbunătățit ușor ciclul Atkinson, simplificându-l. Acest lucru a permis utilizarea motorului în industria auto. Ar părea mai corect să numim ciclul Atkinson ciclul Miller. Dar comunitatea de ingineri i-a lăsat lui Atkinson dreptul de a numi motorul după numele său, pe principiul descoperitorului. În plus, odată cu utilizarea noilor tehnologii, a devenit posibilă utilizarea unui ciclu Atkinson mai complex, astfel încât ciclul Miller a fost în cele din urmă abandonat. De exemplu, noile Toyota au un motor Atkinson, nu Miller.
În zilele noastre, un motor care funcționează pe principiul ciclului Atkinson este pus pe hibrizi. Japonezii au avut un succes deosebit în acest sens, cărora le pasă întotdeauna de respectul ecologic al mașinilor lor. Prius hibrid de la Toyota umple activ piața mondială. 
Cum funcționează ciclul Atkinson
După cum am menționat mai devreme, ciclul Atkinson repetă aceleași cicluri ca și ciclul Otto. Dar folosind aceleași principii, Atkinson a creat un motor complet nou.
Motorul este proiectat astfel încât pistonul completează toate cele patru cicluri într-o singură rotație a arborelui cotit. În plus, cursele au lungimi diferite: cursele pistonului în timpul compresiei și expansiunii sunt mai scurte decât în timpul admisiei și evacuarii. Adică, în ciclul Otto, supapa de admisie se închide aproape imediat. În ciclul Atkinson, asta supapa se închide la jumătatea punctului mort superior. Într-un motor cu ardere internă convențională, compresia are deja loc în acest moment.
Motorul este modificat cu un arbore cotit special, în care punctele de atașare sunt deplasate. Din acest motiv, raportul de compresie al motorului a crescut, iar pierderile prin frecare au fost minimizate.
Diferența față de motoarele tradiționale
Amintiți-vă că ciclul Atkinson este patru timpi(admisie, compresie, expansiune, evacuare). Un motor convențional în patru timpi funcționează pe ciclul Otto. Pe scurt, ne amintim munca lui. La începutul cursei în cilindru, pistonul urcă până la punctul superior de funcționare. Amestecul de combustibil și aer arde, gazul se dilată, presiunea este la maxim. Sub influența acestui gaz, pistonul coboară, ajunge în punctul mort inferior. Cursa de lucru s-a încheiat, supapa de evacuare se deschide, prin care ies gazele de evacuare. În acest loc apar pierderi de ieşire, deoarece. gazele de evacuare au încă o presiune reziduală care nu poate fi utilizată.
Atkinson a redus pierderea de eliberare. În motorul său, volumul camerei de ardere este mai mic cu aceeași cilindree. Înseamnă că raportul de compresie este mai mare, iar cursa pistonului este mai mare. În plus, durata cursei de compresie este redusă în comparație cu cursa de putere, motorul este ciclat cu un raport de expansiune crescut (raportul de compresie este mai mic decât raportul de expansiune). Aceste condiții au făcut posibilă reducerea pierderilor de putere prin utilizarea energiei gazelor de eșapament.
Atkinson a lucrat și la cursul de admisie. Prin extinderea acestuia, Sir James a realizat o reducere a pierderilor de pompare. Pentru a face acest lucru, pistonul ajunge la punctul mort inferior, apoi se ridică, lăsând supapa de admisie deschisă pentru aproximativ jumătate din cursa pistonului. O parte din amestecul de combustibil este returnată în galeria de admisie. Crește presiunea vă permite să deschideți ușor accelerația la viteze mici și medii.
Dar motorul Atkinson nu a fost lansat în serie din cauza întreruperilor de lucru. Cert este că, spre deosebire de motorul cu ardere internă, motorul funcționează doar la turații mari. La ralanti, se poate bloca. Dar această problemă a fost rezolvată în producția de hibrizi. La viteze mici, astfel de mașini circulă cu tracțiune electrică și trec la un motor pe benzină numai în caz de accelerare sau sub sarcină. Un astfel de model înlătură atât deficiențele motorului Atkinson, cât și subliniază avantajele acestuia față de alte motoare cu ardere internă.
Avantajele și dezavantajele ciclului Atkinson
Motorul Atkinson are mai multe beneficii care îl deosebesc de restul motoarelor cu ardere internă: 1. Pierderi reduse de combustibil. După cum am menționat mai devreme, prin modificarea duratei ciclurilor, a devenit posibilă economisirea combustibilului prin utilizarea gazelor de eșapament și reducerea pierderilor prin pompare. 2. Probabilitate mică de ardere de detonare. Raportul de compresie a combustibilului scade de la 10 la 8. Acest lucru vă permite să nu măriți turația motorului prin trecerea în treaptă în jos din cauza creșterii sarcinii. De asemenea, probabilitatea arderii prin detonare este mai mică datorită eliberării de căldură din camera de ardere în galeria de admisie. 3. Consum mic de benzină. La noile modele hibride, consumul de benzină este de 4 litri la 100 km. 4. Rentabilitatea, respectarea mediului, eficiență ridicată. 
Dar motorul Atkinson are un dezavantaj semnificativ, care nu i-a permis să fie utilizat în producția de masă de mașini. Datorită puterii scăzute, la turații mici, motorul se poate bloca. Prin urmare, motorul Atkinson a prins foarte bine rădăcini în hibrizi.
Aplicarea ciclului Atkinson în industria auto
Apropo, despre mașinile pe care au pus motoarele Atkinson. În producția de masă, această modificare a motorului cu ardere internă a apărut nu cu mult timp în urmă. După cum am menționat mai devreme, primii utilizatori ai ciclului Atkinson au fost firmele japoneze și Toyota. Una dintre cele mai cunoscute mașini MazdaXedos 9/Eunos800, care a fost produs în 1993-2002.
Apoi, Atkinson ICE a fost adoptat de producătorii de modele hibride. Una dintre cele mai cunoscute companii care utilizează acest motor este Toyota, emitent Prius, Camry, Highlander Hybrid și Harrier Hybrid. Sunt folosite aceleași motoare Lexus RX400h, GS 450h și LS600h, iar Ford și Nissan s-au dezvoltat hibrid de evadareși Altima Hybrid.
Merită spus că în industria auto există o modă pentru ecologie. Prin urmare, hibrizii care funcționează pe ciclul Atkinson îndeplinesc pe deplin nevoile clienților și standardele de mediu. În plus, progresul nu stă pe loc, noile modificări ale motorului Atkinson îi îmbunătățesc plusurile și distrug minusurile. Prin urmare, putem spune cu încredere că motorul cu ciclu Atkinson are un viitor productiv și speranță pentru o existență lungă.
Motorul cu ardere interna este foarte departe de a fi ideal, in cel mai bun caz ajunge la 20 - 25%, motorina 40 - 50% (adica restul combustibilului se arde aproape gol). Pentru a crește eficiența (respectiv a crește eficiența), este necesară îmbunătățirea designului motorului. Mulți ingineri se luptă cu asta și până astăzi, dar primii au fost doar câțiva ingineri, precum Nikolaus August OTTO, James ATKINSON și Ralph Miller. Toată lumea a făcut anumite schimbări și a încercat să facă motoarele mai economice și mai productive. Fiecare oferea un anumit ciclu de lucru, care putea fi radical diferit de designul adversarului. Astăzi voi încerca în cuvinte simple să vă explic care sunt principalele diferențe în funcționarea motorului cu ardere internă și, desigur, versiunea video de la sfârșit...
Articolul va fi scris pentru începători, așa că, dacă sunteți un inginer sofisticat, nu îl puteți citi, este scris pentru o înțelegere generală a ciclurilor motoarelor cu ardere internă.
De asemenea, aș dori să remarc că există o mulțime de variații ale diferitelor modele, cele mai faimoase pe care le putem cunoaște încă sunt ciclul DIESEL, STIRLING, CARNO, ERICKSON etc. Dacă numărați modelele, atunci pot fi aproximativ 15. Și nu toate motoarele cu ardere internă, ci, de exemplu, STIRLING extern.
Dar cele mai cunoscute, care sunt folosite până astăzi în mașini, sunt OTTO, ATKINSON și MILLER. Aici vom vorbi despre ele.
De fapt, acesta este un motor termic cu ardere internă convențională cu aprindere forțată a unui amestec combustibil (printr-o lumânare), care este acum utilizat în 60 - 65% din mașini. DA - da, exact cel pe care il ai sub capota functioneaza pe ciclul OTTO.
Cu toate acestea, dacă sapă în istorie, primul principiu al unui astfel de motor cu ardere internă a fost propus în 1862 de inginerul francez Alphonse BO DE ROCHE. Dar era un principiu teoretic de funcționare. OTTO în 1878 (16 ani mai târziu) a întruchipat acest motor în metal (în practică) și a brevetat această tehnologie
De fapt, acesta este un motor în patru timpi, care se caracterizează prin:
- Admisie . Furnizare de amestec aer proaspăt-combustibil. Se deschide supapa de admisie.
- Comprimare . Pistonul urcă, comprimând acest amestec. Ambele supape sunt închise
- cursa de lucru . Lumânarea aprinde amestecul comprimat, gazele aprinse împing pistonul în jos
- Ieșirea gazelor de eșapament . Pistonul urcă, împingând gazele arse. Supapa de evacuare se deschide
Aș dori să menționez că supapele de admisie și de evacuare funcționează într-o secvență strictă - EGAL la viteze mari și mici. Adică, nu există nicio schimbare în lucru la viteze diferite.
În motorul său, OTTO a fost primul care a aplicat comprimarea amestecului de lucru pentru a ridica temperatura maximă a ciclului. Care a fost efectuată de-a lungul adiabatului (în cuvinte simple, fără schimb de căldură cu mediul extern).
După ce amestecul a fost comprimat, a fost aprins de o lumânare, după care a început procesul de îndepărtare a căldurii, care a decurs aproape de-a lungul izocorului (adică la un volum constant al cilindrului motorului).
Din moment ce OTTO și-a patentat tehnologia, utilizarea sa industrială nu a fost posibilă. Pentru a evita brevetele, James Atkinson a decis în 1886 să modifice ciclul OTTO. Și și-a propus propriul tip de funcționare a motorului cu ardere internă.
El a propus schimbarea raportului timpilor de ciclu, datorită căruia cursa de lucru a fost mărită prin complicarea designului manivelei. Trebuie remarcat faptul că specimenul de testare pe care l-a construit a fost un singur cilindru și nu a fost utilizat pe scară largă din cauza complexității designului.
Dacă, pe scurt, pentru a descrie principiul de funcționare al acestui motor cu ardere internă, se dovedește:
Toate cele 4 timpi (injecție, compresie, cursă de putere, evacuare) - au avut loc într-o singură rotație a arborelui cotit (OTTO a avut două rotații). Datorită unui sistem complex de pârghii care au fost atașate lângă „arborele cotit”.
În acest design, a fost posibil să se implementeze anumite rapoarte ale lungimii pârghiilor. Cu cuvinte simple, cursa pistonului pe cursa de admisie și evacuare este MAI MULT decât cursa pistonului atât la compresie, cât și la cea de putere.
Ce dă? DA, ca te poti “juca” cu raportul de compresie (schimbandu-l), datorita raportului dintre lungimile manetelor, si nu datorita “accelerarii” admisiei! De aici rezultă avantajul ciclului ACTINSON, în ceea ce privește pierderile prin pompare
Astfel de motoare s-au dovedit a fi destul de eficiente, cu eficiență ridicată și consum redus de combustibil.
Cu toate acestea, au existat și multe puncte negative:
- Complexitatea și volumul designului
- Scăzut la turații mici
- Control slab al accelerației, fie el ()
Există zvonuri persistente că principiul ATKINSON a fost folosit pe mașinile hibride, în special de către TOYOTA. Totuși, acest lucru este puțin adevărat, doar principiul lui a fost folosit acolo, dar designul a fost folosit de un alt inginer, și anume Miller. În forma sa pură, motoarele ATKINSON erau mai mult un singur caracter decât unul de masă.
Ralph Miller a decis, de asemenea, să se joace cu raportul de compresie în 1947. Adică el, așa cum spune, va continua munca lui ATKINSON, dar nu și-a luat complexul motor (cu pârghii), ci obișnuitul OTTO ICE.
Ce si-a propus . El nu a făcut cursa de compresie mecanic mai scurtă decât cursa de putere (după cum a sugerat Atkinson, pistonul său se mișcă mai repede în sus decât în jos). I-a venit ideea de a scurta cursa de compresie în detrimentul cursei de admisie, păstrând aceeași mișcarea în sus și în jos a pistoanelor (motor clasic OTTO).
Au fost două căi de mers:
- Închideți supapele de admisie înainte de sfârșitul cursei de admisie - acest principiu se numește „aport scurt”
- Sau închideți supapele de admisie mai târziu decât cursa de admisie - această opțiune se numește „Compresie scurtată”
În cele din urmă, ambele principii dau același lucru - o scădere a raportului de compresie, amestecul de lucru relativ la geometric! Cu toate acestea, se păstrează gradul de expansiune, adică se păstrează cursa cursei de lucru (ca în motorul cu ardere internă OTTO), iar cursa de compresie, așa cum ar fi, este redusă (ca și în motorul cu ardere internă Atkinson) .
Cu cuvinte simple - amestecul aer-combustibil la MILLER se comprimă mult mai puțin decât ar fi trebuit să se comprima în același motor la OTTO. Acest lucru vă permite să creșteți raportul de compresie geometric și, în consecință, raportul de expansiune fizică. Mult mai mult decât se datorează proprietăților de detonare ale combustibilului (adică benzina nu poate fi comprimată la infinit, va începe detonarea)! Astfel, atunci când combustibilul este aprins la PMS (sau mai degrabă în punctul mort), acesta are un raport de expansiune mult mai mare decât designul OTTO. Acest lucru face posibilă utilizarea mult mai mult a energiei gazelor care se extind în cilindru, ceea ce crește eficiența termică a structurii, ceea ce duce la economii mari, elasticitate etc.
De asemenea, trebuie avut în vedere că pierderile prin pompare scad pe cursa de compresie, adică este mai ușor să comprimați combustibilul cu MILLER, este necesară mai puțină energie.
Laturile negative - Aceasta este o scădere a puterii de vârf (mai ales la viteze mari) din cauza umplerii mai proaste a cilindrului. Pentru a elimina aceeași putere ca OTTO (la viteze mari), motorul a trebuit să fie construit mai mare (cilindri mai mari) și mai masiv.
Pe motoarele moderne
Deci care este diferența?
Articolul s-a dovedit a fi mai complicat decât mă așteptam, dar pentru a rezuma. ASTA se dovedește:
OTTO - acesta este principiul standard al unui motor convențional, care se află acum pe majoritatea mașinilor moderne
ATKINSON - a oferit un motor cu ardere internă mai eficient, prin modificarea raportului de compresie folosind un design complex de pârghii care erau conectate la arborele cotit.
BENEFICII - economie de combustibil, motor mai flexibil, mai putin zgomot.
CONTRA - design voluminos și complex, cuplu scăzut la turații mici, control slab al accelerației
În forma sa pură, acum practic nu este folosit.
MILLER - a propus utilizarea unui raport de compresie mai mic in cilindru, cu ajutorul unei inchideri tardive a supapei de admisie. Diferența cu ATKINSON este uriașă, pentru că nu și-a folosit designul, ci OTTO, dar nu în forma sa pură, ci cu un sistem de cronometrare modificat.
Se presupune că pistonul (pe cursa de compresie) merge cu o rezistență mai mică (pierderi de pompare) și comprimă geometric mai bine amestecul aer-combustibil (excluzând detonarea acestuia), totuși, raportul de expansiune (atunci când este aprins de o lumânare) rămâne aproape la fel ca in ciclul OTTO .
BENEFICII - economie de combustibil (mai ales la viteze mici), elasticitate a muncii, zgomot redus.
CONTRA - o scădere a puterii la viteze mari (datorită celei mai proaste umpleri a cilindrilor).
Este de remarcat faptul că acum principiul MILLER este utilizat pe unele mașini la viteze reduse. Vă permite să reglați fazele de admisie și evacuare (extinderea sau îngustarea acestora folosind
ciclul Miller ( Ciclul Miller) a fost propusă în 1947 de inginerul american Ralph Miller ca o modalitate de a combina avantajele motorului Atkinson cu mecanismul cu piston mai simplu al motorului Diesel sau Otto.
Ciclul a fost conceput pentru a reduce ( reduce) temperatura și presiunea încărcăturii aerului proaspăt ( temperatura aerului de încărcare) înainte de compresie ( comprimare) în cilindru. Ca urmare, temperatura de ardere în cilindru scade din cauza expansiunii adiabatice ( expansiunea adiabatică) încărcare proaspătă de aer când intră în cilindru.
Conceptul ciclului Miller include două variante ( doua variante):
a) alegerea unei ore de închidere anticipată ( sincronizare avansată de închidere) supapă de admisie ( supapa de admisie) sau închidere anticipată - înainte de punctul mort inferior ( punct mort inferior);
b) selectarea timpului de închidere întârziat a supapei de admisie - după punctul mort inferior (BDC).
Inițial, a fost folosit ciclul Miller ( utilizat inițial) pentru a crește puterea specifică a unor motoare diesel ( unele motoare). Reducerea temperaturii încărcăturii de aer proaspăt ( Reducerea temperaturii încărcăturii) în cilindrul motorului a dus la o creștere a puterii fără modificări semnificative ( schimbari majore) corp cilindric ( unitate de cilindru). Acest lucru s-a explicat prin faptul că scăderea temperaturii la începutul ciclului teoretic ( la începutul ciclului) crește densitatea de încărcare a aerului ( densitatea aerului) fără schimbare de presiune ( modificarea presiunii) în cilindru. În timp ce limita de rezistență mecanică a motorului ( limita mecanică a motorului) trece la putere mai mare ( putere mai mare), limita de sarcină termică ( limita de sarcină termică) trece la temperaturi medii mai scăzute ( temperaturi medii mai scăzute) ciclu.
Ulterior, ciclul Miller a generat interes în ceea ce privește reducerea emisiilor de NOx. Emisia intensivă de emisii nocive de NOx începe atunci când temperatura din cilindrul motorului depășește 1500 ° C - în această stare, atomii de azot devin activi chimic ca urmare a pierderii unuia sau mai multor atomi. Și atunci când utilizați ciclul Miller cu o scădere a temperaturii ciclului ( reduce temperaturile ciclului) fără a schimba puterea ( putere constantă) o reducere cu 10% a emisiilor de NOx la sarcină maximă și o reducere cu 1% ( la sută) reducerea consumului de combustibil. În principal ( în principal) aceasta se datorează scăderii pierderilor de căldură ( pierderi de căldură) la aceeași presiune în cilindru ( nivelul presiunii cilindrului).
Cu toate acestea, presiunea de supraalimentare semnificativ mai mare ( presiune de supraalimentare semnificativ mai mare) la aceeași putere și raport aer-combustibil ( raportul aer/combustibil) a împiedicat utilizarea pe scară largă a ciclului Miller. Dacă presiunea maximă posibilă a turbocompresorului cu gaz ( presiunea de supraalimentare maximă realizabilă) va fi prea scăzută în raport cu valoarea dorită a presiunii efective medii ( presiunea medie efectivă dorită), atunci aceasta va duce la o limitare semnificativă a performanței ( reducere semnificativă). Chiar și în cazul unei presiuni de supraalimentare suficient de mare, posibilitatea reducerii consumului de combustibil va fi parțial neutralizată ( parțial neutralizat) din cauza prea repede ( prea repede) reduce eficiența compresorului și a turbinei ( compresor și turbină) turbocompresor cu gaz la rapoarte mari de compresie ( rapoarte mari de compresie). Astfel, utilizarea practică a ciclului Miller a necesitat utilizarea unui turbocompresor cu gaz cu un raport de compresie a presiunii foarte mare ( rapoarte foarte mari ale presiunii compresorului) și eficiență ridicată la rapoarte mari de compresie ( eficiență excelentă la rapoarte de presiune ridicate).
| Orez. 6.Sistem turbocompresor în două etape |
Deci, în motoarele de mare viteză 32FX ale companiei " Niigata Engineering» presiunea maximă de ardere P max și temperatura din camera de ardere ( camera de ardere) sunt menținute la un nivel normal redus ( nivel normal). Dar, în același timp, presiunea medie efectivă este crescută ( presiune medie efectivă de frână) și a redus nivelul de emisii nocive de NOx ( reduce emisiile de NOx).
Motorul diesel 6L32FX de la Niigata selectează prima opțiune de ciclu Miller: închiderea prematură a supapei de admisie cu 10 grade înainte de BDC (BDC), în loc de 35 de grade după BDC ( după BDC) ca motorul 6L32CX. Deoarece timpul de umplere este redus, la presiunea de supraalimentare normală ( presiune de supraalimentare normală) un volum mai mic de încărcătură de aer proaspăt intră în cilindru ( volumul de aer este redus). În consecință, cursul procesului de ardere a combustibilului în cilindru se înrăutățește și, ca urmare, puterea de ieșire scade și temperatura gazelor de eșapament crește ( temperatura de evacuare crește).
Pentru a obține puterea de ieșire specificată anterior ( ieșire vizată) este necesară creșterea volumului de aer cu un timp redus de intrare a acestuia în cilindru. Pentru a face acest lucru, creșteți presiunea de supraalimentare ( crește presiunea de supraalimentare).
În același timp, un sistem de turboalimentare cu gaz într-o singură treaptă ( turbocompresor într-o singură treaptă) nu poate furniza o presiune de supraalimentare mai mare ( presiune de supraalimentare mai mare).
Prin urmare, a fost dezvoltat un sistem în două etape ( sistem în două etape) turbocompresoare cu gaz, în care turbocompresoarele de joasă și înaltă presiune ( turbocompresoare de joasă presiune și de înaltă presiune) sunt secvențiale ( conectate în serie) in secvență. După fiecare turbocompresor sunt instalate două intercooler ( răcitoare de aer intermediare).
Introducerea ciclului Miller împreună cu un sistem de turboalimentare cu gaz în două etape a făcut posibilă creșterea factorului de putere la 38,2 (presiune efectivă medie - 3,09 MPa, viteza medie a pistonului - 12,4 m/s) la sarcină de 110% ( sarcina maximă revendicată). Acesta este cel mai bun rezultat obținut pentru motoarele cu diametrul pistonului de 32 cm.
În plus, în paralel, s-a realizat o reducere cu 20% a nivelului de emisii de NOx ( Nivelul emisiilor de NOx) până la 5,8 g/kWh la standardul IMO de 11,2 g/kWh. Consum de combustibil ( consum de combustibil) a fost ușor crescută când se lucrează la sarcini mici ( sarcini mici) muncă. Cu toate acestea, la sarcini medii și mari ( sarcini mai mari) consumul de combustibil a scăzut cu 75%.
Astfel, randamentul motorului Atkinson este crescut prin scaderea mecanica in timp (pistonul se misca mai repede in sus decat in jos) a cursei de compresie in raport cu cursa de putere (cursa de expansiune). În ciclul Miller cursa de compresie în raport cu munca scurtat sau mărit prin procesul de aport . În același timp, viteza pistonului în sus și în jos este păstrată la fel (ca și în motorul clasic Otto-Diesel).
La aceeași presiune de supraalimentare, încărcarea cilindrului cu aer proaspăt este redusă datorită scăderii timpului ( redusă de o sincronizare adecvată) deschiderea supapei de admisie ( supapă de admisie). Prin urmare, o încărcare proaspătă de aer ( aer de încărcare) în turbocompresor este comprimat ( comprimat) la o presiune de supraalimentare mai mare decât cea necesară pentru ciclul motorului ( ciclul motorului). Astfel, prin creșterea cantității de presiune de supraalimentare cu un timp de deschidere redus al supapei de admisie, aceeași porțiune de aer proaspăt intră în cilindru. În același timp, o încărcătură proaspătă de aer, care trece printr-o zonă de flux de admisie relativ îngustă, se extinde (efect de accelerație) în cilindri ( cilindrii) și se răcește corespunzător ( răcire ulterioară).
Motorul cu ardere internă (ICE) este considerat una dintre cele mai importante componente ale unei mașini; caracteristicile sale, puterea, răspunsul la accelerație și economia determină cât de confortabil se va simți șoferul la volan. Deși mașinile sunt în permanență îmbunătățite, „acoperite” cu sisteme de navigație, gadgeturi la modă, multimedia și așa mai departe, motoarele rămân practic neschimbate, cel puțin principiul funcționării lor nu se schimbă.
Ciclul Otto Atkinson, care a stat la baza motorului cu ardere internă a automobilului, a fost dezvoltat la sfârșitul secolului al XIX-lea și, de atunci, nu a suferit aproape nicio schimbare globală. Abia în 1947, Ralph Miller a reușit să îmbunătățească dezvoltarea predecesorilor săi, luând tot ce este mai bun din fiecare dintre modelele de construcție a motoarelor. Dar pentru a înțelege în termeni generali principiul de funcționare a unităților de putere moderne, trebuie să vă uitați puțin în istorie.
Eficiența motoarelor Otto
Primul motor pentru o mașină care putea funcționa normal nu doar teoretic a fost dezvoltat de francezul E. Lenoir încă din 1860, a fost primul model cu mecanism de manivelă. Unitatea a funcționat pe gaz, a fost folosită pe bărci, coeficientul său de performanță (COP) nu a depășit 4,65%. Mai târziu, Lenoir a făcut echipă cu Nikolaus Otto, în colaborare cu un designer german în 1863, a fost creat un motor cu ardere internă în 2 timpi cu o eficiență de 15%.
Principiul unui motor în patru timpi a fost propus pentru prima dată de N. A. Otto în 1876, acest designer autodidact este considerat creatorul primului motor pentru o mașină. Motorul avea un sistem de alimentare cu gaz, în timp ce designerul rus O. S. Kostovich este considerat inventatorul primului motor cu ardere internă cu carburator din lume pe benzină.
Lucrarea ciclului Otto este folosită pe multe motoare moderne, există patru timpi în total:
- admisie (când supapa de admisie este deschisă, spațiul cilindric este umplut cu amestecul de combustibil);
- compresie (supapele sunt etanșe (închise), amestecul este comprimat, la sfârșitul acestui proces, aprinderea este asigurată de bujie);
- cursa de lucru (datorită temperaturilor ridicate și presiunii ridicate, pistonul se grăbește în jos, face să se miște biela și arborele cotit);
- eliberare (la începutul acestei curse, supapa de evacuare se deschide, eliberând calea gazelor de evacuare, arborele cotit continuă să se rotească ca urmare a transformării energiei termice în energie mecanică, ridicând biela cu pistonul în sus).
Toate cursele sunt în buclă și merg în cerc, iar volantul, care stochează energie, ajută la rotirea arborelui cotit.
Deși, comparativ cu versiunea în doi timpi, schema în patru timpi pare a fi mai perfectă, randamentul unui motor pe benzină, nici în cel mai bun caz, nu depășește 25%, iar motoarele diesel au cel mai mare randament, aici este poate crește până la maximum 50%.
Ciclul termodinamic Atkinson
James Atkinson, un inginer britanic care a decis să modernizeze invenția lui Otto, a propus propria sa versiune a îmbunătățirii celui de-al treilea ciclu (curs de lucru) în 1882. Proiectantul și-a stabilit un obiectiv de a crește eficiența motorului și de a reduce procesul de compresie, pentru a face motorul cu ardere internă mai economic, mai puțin zgomotos, iar diferența în schema de construcție a fost schimbarea mecanismului de manivelă (KShM) și pentru a parcurge toate ciclurile într-o singură rotație a arborelui cotit.
Deși Atkinson a reușit să îmbunătățească eficiența motorului său în raport cu invenția deja patentată a lui Otto, schema nu a fost pusă în practică, mecanica s-a dovedit a fi prea complicată. Dar Atkinson a fost primul proiectant care a propus funcționarea unui motor cu ardere internă cu un raport de compresie redus, iar principiul acestui ciclu termodinamic a fost luat ulterior în considerare de inventatorul Ralph Miller.
Ideea reducerii procesului de compresie și a unui aport mai saturat nu a intrat în uitare, americanul R. Miller a revenit la el în 1947. Dar de data aceasta, inginerul a propus să implementeze schema nu prin complicarea KShM, ci prin schimbarea sincronizarii supapei. Au fost luate în considerare două versiuni:
- Cursa de întârziere a supapei de admisie (LICV sau compresie scurtă);
- cursa de închidere precoce a supapei (EICV sau admisie scurtă).
Prin închiderea tardivă a supapei de admisie se obține o compresie redusă în raport cu motorul Otto, datorită căreia o parte din amestecul de combustibil este forțat înapoi în orificiul de admisie. O astfel de soluție constructivă oferă:
- compresie geometrică mai „moale” a amestecului combustibil-aer;
- economie suplimentară de combustibil, în special la viteze mici;
- mai puțină detonare;
- nivel scăzut de zgomot.
Dezavantajele acestei scheme includ o scădere a puterii la viteze mari, deoarece procesul de compresie este redus. Însă datorită umplerii mai complete a cilindrilor, randamentul la turații mici crește și raportul de compresie geometrică (cel efectiv scade). O reprezentare grafică a acestor procese poate fi văzută în figurile cu diagrame condiționate de mai jos.
Motoarele care funcționează conform schemei Miller pierd putere în fața lui Otto la viteze mari, dar în condiții urbane de funcționare acest lucru nu este atât de important. Dar astfel de motoare sunt mai economice, detonează mai puțin, funcționează mai moale și mai silențios.
Motor cu ciclu Miller pe o Mazda Xedos (2.3L)
Un mecanism special de suprapunere a supapelor asigură o creștere a raportului de compresie (C3), dacă în versiunea standard, de exemplu, este egal cu 11, atunci într-un motor de compresie scurtă, această cifră, în toate celelalte condiții identice, crește la 14. Pe un ICE 2.3 L cu 6 cilindri Mazda Xedos (familia Skyactiv) arată teoretic așa: supapa de admisie (VK) se deschide când pistonul este situat în punctul mort superior (abreviat ca TDC), nu se închide în punctul de jos ( BDC), iar mai târziu, rămâne deschis la 70º. În acest caz, o parte din amestecul combustibil-aer este împins înapoi în galeria de admisie, compresia începe după ce VC se închide. Când pistonul revine la PMS:
- volumul în cilindru scade;
- presiunea crește;
- aprinderea de la o lumânare are loc la un moment dat, depinde de sarcină și de numărul de rotații (sistemul de avans la aprindere funcționează).
Apoi pistonul coboară, are loc dilatarea, în timp ce transferul de căldură către pereții cilindrului nu este la fel de mare ca în schema Otto din cauza compresiei scurte. Când pistonul ajunge la BDC, gazele sunt eliberate, apoi toate acțiunile se repetă din nou.
O configurație specială a galeriei de admisie (mai lată și mai scurtă decât de obicei) și un unghi de deschidere EC de 70 de grade la 14:1 NV fac posibilă setarea aprinderii la 8º la ralanti fără nicio detonare perceptibilă. De asemenea, această schemă oferă un procent mai mare de lucru mecanic util sau, cu alte cuvinte, vă permite să creșteți eficiența. Se pare că munca calculată prin formula A \u003d P dV (P este presiunea, dV este modificarea volumului) nu are ca scop încălzirea pereților cilindrilor, ai capului blocului, ci este utilizată pentru a finaliza cursa de lucru. Schematic, întregul proces poate fi văzut în figură, unde începutul ciclului (BDC) este indicat cu numărul 1, procesul de compresie - până la punctul 2 (TDC), de la 2 la 3 - alimentare cu căldură cu un piston staționar . Când pistonul trece de la punctul 3 la 4, are loc dilatarea. Lucrarea finalizată este indicată de zona umbrită At.
De asemenea, întreaga schemă poate fi vizualizată în coordonatele T S, unde T înseamnă temperatură, iar S este entropia, care crește odată cu furnizarea de căldură a substanței, iar în analiza noastră aceasta este o valoare condiționată. Denumirile Q p și Q 0 - cantitatea de căldură de intrare și de ieșire.
Dezavantajul seriei Skyactiv este că, în comparație cu clasicul Otto, aceste motoare au o putere specifică (reală) mai mică; pe un motor de 2,3 L cu șase cilindri, este de doar 211 cai putere, și chiar și atunci, ținând cont de turbocompresor și 5300. rpm. Dar motoarele au avantaje tangibile:
- raport ridicat de compresie;
- capacitatea de a instala aprinderea timpurie, fără a obține detonație;
- asigurarea unei accelerații rapide de la oprire;
- factor de eficiență ridicat.
Și un alt avantaj important al motorului Mazda Miller Cycle este consumul economic de combustibil, mai ales la sarcini mici și la ralanti.
Motoare Toyota Atkinson
Deși ciclul Atkinson nu și-a găsit aplicația practică în secolul al XIX-lea, ideea motorului său este realizată în unitățile de putere ale secolului al XXI-lea. Astfel de motoare sunt instalate pe unele modele de autoturisme hibride Toyota, care funcționează atât pe benzină, cât și cu energie electrică. Trebuie clarificat faptul că teoria Atkinson nu este niciodată folosită în forma sa pură, mai degrabă, noile dezvoltări ale inginerilor Toyota pot fi numite ICE-uri proiectate în conformitate cu ciclul Atkinson / Miller, deoarece folosesc un mecanism de manivelă standard. Reducerea ciclului de compresie se realizează prin modificarea fazelor de distribuție a gazului, în timp ce ciclul de cursă este prelungit. Motoarele care folosesc o schemă similară se găsesc pe mașinile Toyota:
- Prius;
- Yaris;
- Auris;
- muntean;
- Lexus GS 450h;
- Lexus CT 200h;
- Lexus HS 250h;
- Vitz.
Gama de motoare cu schema Atkinson / Miller implementată este reîncărcată în mod constant, așa că la începutul anului 2017, concernul japonez a lansat producția unui motor cu ardere internă de 1,5 litri cu patru cilindri, care funcționează pe benzină cu octan mare, oferind 111 cai putere, cu un raport de compresie în cilindri de 13,5: unu. Motorul este echipat cu un schimbător de fază VVT-IE capabil să comute modurile Otto / Atkinson în funcție de viteză și sarcină, cu această unitate de putere mașina poate accelera până la 100 km/h în 11 secunde. Motorul este economic, de înaltă eficiență (până la 38,5%), oferă o accelerație excelentă.
ciclu diesel
Primul motor diesel a fost proiectat și construit de inventatorul și inginerul german Rudolf Diesel în 1897, unitatea de putere era mare, chiar mai mare decât motoarele cu abur din acei ani. La fel ca motorul Otto, era un în patru timpi, dar se distingea prin eficiența sa excelentă, ușurința în exploatare, iar raportul de compresie al motorului cu ardere internă era semnificativ mai mare decât cel al unei unități de putere pe benzină. Primele motoare diesel de la sfârșitul secolului al XIX-lea funcționau cu produse petroliere ușoare și uleiuri vegetale și a existat și o încercare de a folosi praful de cărbune drept combustibil. Dar experimentul a eșuat aproape imediat:
- era problematică asigurarea aprovizionării cu praf a cilindrilor;
- având proprietăți abrazive, cărbunele a uzat rapid grupul cilindru-piston.
Interesant este că inventatorul englez Herbert Aykroyd Stuart a brevetat un motor similar cu doi ani mai devreme decât Rudolf Diesel, dar Diesel a reușit să proiecteze un model cu presiune crescută în cilindru. Modelul Stewart a furnizat teoretic o eficiență termică de 12%, în timp ce conform schemei Diesel, eficiența a ajuns la 50%.
În 1898, Gustav Trinkler a proiectat un motor cu ulei de înaltă presiune echipat cu o precamera, acest model este prototipul direct al motoarelor diesel moderne cu ardere internă.
Motoare diesel moderne pentru mașini
Atât motorul pe benzină cu ciclu Otto, cât și motorul diesel nu au modificat schema de construcție de bază, dar motorul modern diesel cu ardere internă a fost „încărcat” cu componente suplimentare: un turbocompresor, un sistem electronic de control al alimentării cu combustibil, un intercooler, diverși senzori, și așa mai departe. Recent, unitățile de putere cu injecție directă Common Rail au fost din ce în ce mai dezvoltate și lansate în serie, furnizând gaze de eșapament ecologice în conformitate cu cerințele moderne, presiune mare de injecție. Dieselurile cu injecție directă au avantaje destul de tangibile față de motoarele cu sistem de alimentare convențional:
- consuma economic combustibil;
- au mai multă putere cu același volum;
- lucru cu un nivel scăzut de zgomot;
- permite mașinii să accelereze mai repede.
Dezavantajele motoarelor Common Rail: complexitate destul de mare, necesitatea reparațiilor și întreținerii pentru utilizarea echipamentelor speciale, cerințe privind calitatea motorinei, cost relativ ridicat. La fel ca motoarele pe benzină cu ardere internă, motoarele diesel sunt în mod constant îmbunătățite, devenind mai avansate din punct de vedere tehnologic și mai complexe.
Video: Ciclul lui OTTO, Atkinson și Miller, care este diferența: