Ciclul Atkinson: Cum funcționează. Prezentare pe tema „Motoare cu combustie internă alternativă cu ciclul Atkinson-Miller” 2.3 Motor Mazda Programul de lucru al ciclului Miller

Diapozitivul 4

Ciclul Atkinson

Înainte de război, inginerul britanic James Atkinson și-a inventat propriul ciclu, care este ușor diferit de cel al lui Otto - graficul său de indicatori este marcat cu verde. Care este diferența? În primul rând, volumul camerei de ardere a unui astfel de motor (cu același volum de lucru) este mai mic și, în consecință, raportul de compresie este mai mare. Prin urmare, punctul cel mai înalt de pe diagrama indicatorului este situat la stânga, în zona cu un volum mai mic al pistonului. Și raportul de expansiune (la fel ca și raportul de compresie, exact opusul) este, de asemenea, mai mare - ceea ce înseamnă că suntem mai eficienți, la o cursă mai lungă a pistonului folosim energia gazelor de eșapament și avem pierderi mai mici de eșapament (acest lucru se reflectă cu un pas mai mic în dreapta). Atunci totul este la fel - există curse de evacuare și admisie.

Diapozitivul 5

Acum, dacă totul s-ar întâmpla în conformitate cu ciclul Otto și supapa de admisie închisă la BDC, atunci curba de compresie ar crește, iar presiunea la sfârșitul cursei ar fi excesivă - deoarece raportul de compresie aici este mai mare! Scânteia nu va fi urmată de un fulger al amestecului, ci o explozie detonantă - iar motorul, fără să fi funcționat nici măcar o oră, a murit cu o explozie. Dar acesta nu a fost inginerul britanic James Atkinson! El a decis să extindă faza de admisie - pistonul ajunge la BDC și urcă, iar supapa de admisie, între timp, rămâne deschisă până la aproximativ jumătate din cursa completă a pistonului. O parte din amestecul combustibil proaspăt este împins înapoi în galeria de admisie, ceea ce crește presiunea acolo - sau mai bine zis, reduce vidul. Acest lucru permite deschiderea clapetei de accelerație mai mult la sarcini mici sau medii. Acesta este motivul pentru care linia de admisie din diagrama ciclului Atkinson este mai mare, iar pierderile de pompare ale motorului sunt mai mici decât în ​​ciclul Otto.

Diapozitivul 6

Ciclul „Atkinson”

Deci cursa de compresie la închiderea supapei de admisie începe la un volum mai mic deasupra pistonului, așa cum este ilustrat de linia de compresie verde care începe de la jumătate din linia de admisie orizontală inferioară. S-ar părea că ceea ce este mai ușor: creșterea raportului de compresie, schimbarea profilului camelor de admisie, iar trucul este în pungă - motorul cu ciclul Atkinson este gata! Faptul este că, pentru a obține performanțe dinamice bune în întreaga gamă de funcționare a turațiilor motorului, este necesar să se compenseze expulzarea amestecului combustibil în timpul unui ciclu extins de admisie prin aplicarea supraîncărcării, în acest caz a unui supraîncărcător mecanic. Și acționarea acestuia îndepărtează de la motor cea mai mare parte a energiei pe care reușește să o recâștige la pompare și la pierderile de eșapament. Utilizarea ciclului Atkinson pe motorul hibrid aspirat natural Toyota Prius a fost posibilă prin faptul că acesta funcționează într-un mod ușor.

Diapozitivul 7

Ciclul Miller

Ciclul lui Miller este un ciclu termodinamic utilizat în motoarele cu combustie internă în patru timpi. Ciclul Miller a fost propus în 1947 de inginerul american Ralph Miller ca o modalitate de a combina avantajele motorului Antkinson cu mecanismul cu piston mai simplu al motorului Otto.

Diapozitivul 8

În loc să facă cursa de compresie mai scurtă din punct de vedere mecanic decât cursa de putere (ca în cazul motorului clasic Atkinson, unde pistonul se mișcă mai repede decât în ​​jos), lui Miller i-a venit ideea de a reduce cursa de compresie utilizând cursa de admisie, menținând mișcarea pistonului în sus și în jos la fel ca viteză (ca la motorul clasic Otto).

Diapozitivul 9

Pentru a face acest lucru, Miller a propus două abordări diferite: închideți supapa de admisie mult mai devreme decât sfârșitul cursei de admisie (sau deschideți-o mai târziu de la începutul acestei curse) și închideți-o mult mai târziu decât sfârșitul acestei curse.

Diapozitivul 10

Prima abordare pentru motoare se numește în mod convențional „admisie scurtată”, iar a doua - „compresie scurtată”. Ambele abordări oferă același lucru: o scădere a raportului de compresie efectiv al amestecului de lucru în raport cu cel geometric, menținând în același timp același raport de expansiune (adică cursa cursei de lucru rămâne aceeași ca în motorul Otto , iar cursa de compresie, ca să zicem, este redusă - la fel ca la Atkinson, doar se reduce nu în timp, ci în gradul de compresie al amestecului)

Diapozitivul 11

A doua abordare a lui Miller

Această abordare este oarecum mai benefică din punctul de vedere al pierderilor de compresiune și, prin urmare, tocmai această abordare este practic implementată în motoarele de serie Mazda MillerCycle. Într-un astfel de motor, supapa de admisie nu se închide la sfârșitul cursei de admisie, ci rămâne deschisă în timpul primei părți a cursei de compresie. Deși întregul volum al cilindrului a fost umplut cu amestecul de aer / combustibil în timpul cursei de admisie, o parte din amestec este forțată înapoi în colectorul de admisie prin supapa de admisie deschisă atunci când pistonul se deplasează în sus pe cursa de compresie.

Diapozitivul 12

Compresia amestecului începe de fapt mai târziu când supapa de admisie se închide în cele din urmă și amestecul este prins în cilindru. Astfel, amestecul dintr-un motor Miller comprimă mai puțin decât ar trebui să se comprime într-un motor Otto de aceeași geometrie mecanică. Acest lucru vă permite să măriți raportul de compresie geometric (și, în consecință, raportul de expansiune!) Peste limitele cauzate de proprietățile de lovire ale combustibilului - aducând compresia efectivă la valori acceptabile datorită descrierii de mai sus „scurtarea compresiei ciclu ". Slide 15

Concluzie

Dacă vă uitați atent la ciclu - atât Atkinson, cât și Miller, veți observa că există o a cincea bară suplimentară în ambele. Are propriile sale caracteristici și nu este, de fapt, nici o cursă de admisie, nici o cursă de compresie, ci o cursă independentă intermediară între ele. Prin urmare, motoarele care funcționează pe principiul Atkinson sau Miller sunt numite în cinci timpi.

Vizualizați toate diapozitivele

Atkinson, Miller, Otto și alții în micul nostru turneu tehnic.

În primul rând, să ne dăm seama ce este un ciclu de motor. Un motor cu ardere internă este un obiect care transformă presiunea din arderea combustibilului în energie mecanică și, deoarece funcționează cu căldură, este un motor termic. Deci, un ciclu pentru un motor termic este un proces circular în care parametrii inițiali și finali coincid, care determină starea fluidului de lucru (în cazul nostru, este un cilindru cu piston). Acești parametri sunt presiunea, volumul, temperatura și entropia.

Acești parametri și schimbarea lor determină modul în care funcționează motorul, cu alte cuvinte, care va fi ciclul său. Prin urmare, dacă aveți dorința și cunoștințele în termodinamică, vă puteți crea propriul ciclu de funcționare a unui motor termic. Atunci, principalul lucru este să-ți faci motorul să funcționeze pentru a dovedi dreptul de a exista.

Ciclul Otto

Vom începe cu cel mai important ciclu de lucru, care este folosit de aproape toate motoarele cu ardere internă din timpul nostru. Este numit după Nikolaus August Otto, un inventator german. Inițial, Otto a folosit opera belgianului Jean Lenoir. O mică înțelegere a designului original va oferi acest model al motorului Lenoir.

Deoarece Lenoir și Otto nu erau familiarizați cu ingineria electrică, aprinderea din prototipurile lor a fost creată de o flacără deschisă, care a aprins amestecul din interiorul cilindrului printr-un tub. Principala diferență între motorul Otto și motorul Lenoir consta în amplasarea cilindrului pe verticală, ceea ce l-a determinat pe Otto să folosească energia gazelor de eșapament pentru a ridica pistonul după cursa de lucru. Cursa de lucru în jos a pistonului a fost inițiată de presiunea atmosferică. Și după ce presiunea din cilindru a atins atmosfera, supapa de evacuare s-a deschis, iar pistonul cu masa sa a deplasat gazele de evacuare. Completitatea utilizării energiei a făcut posibilă creșterea eficienței la 15% la momentul respectiv, care a depășit eficiența chiar și a motoarelor cu aburi. În plus, acest design a făcut posibilă utilizarea de cinci ori mai puțin combustibil, ceea ce a condus apoi la dominarea totală a unui astfel de design pe piață.

Dar principalul merit al lui Otto este invenția procesului în patru timpi al motorului cu ardere internă. Această invenție a fost făcută în 1877 și a fost brevetată în același timp. Dar industriașii francezi au săpat în arhivele lor și au descoperit că ideea unei operațiuni în patru timpi cu câțiva ani înainte de brevetul lui Otto fusese descrisă de francezul Beau de Roche. Acest lucru a făcut posibilă reducerea plăților de brevet și începerea dezvoltării propriilor motoare. Dar, datorită experienței, motoarele lui Otto erau deasupra concurenței. Și până în 1897 au fost făcute 42 de mii.

Dar ce anume este ciclul Otto? Acestea sunt cele patru lovituri ICE familiare pentru noi din școală - admisie, compresie, cursă de lucru și evacuare. Toate aceste procese necesită o perioadă egală de timp, iar caracteristicile termice ale motorului sunt prezentate în următorul grafic:

Unde 1-2 este compresie, 2-3 este o cursă de lucru, 3-4 este o ieșire, 4-1 este o admisie. Eficiența unui astfel de motor depinde de raportul de compresie și de indicele adiabatic:

, unde n este raportul de compresie, k este indicele adiabatic sau raportul dintre capacitatea de căldură a gazului la presiune constantă și capacitatea de căldură a gazului la volum constant.

Cu alte cuvinte, este cantitatea de energie care trebuie cheltuită pentru a readuce gazul din interiorul buteliei la starea sa anterioară.

Ciclul Atkinson

A fost inventat în 1882 de James Atkinson, un inginer britanic. Ciclul Atkinson crește eficiența ciclului Otto, dar scade puterea de ieșire. Principala diferență este timpul de execuție diferit al diferitelor curse ale motorului.

Designul special al pârghiilor motorului Atkinson permite toate cele patru curse ale pistonului într-o singură rotație a arborelui cotit. De asemenea, acest design face cursele pistonului de diferite lungimi: cursa pistonului în timpul admisiei și evacuării este mai lungă decât în ​​timpul compresiei și expansiunii.

O altă caracteristică a motorului este că came ale temporizării supapei (deschiderea și închiderea supapei) sunt situate direct pe arborele cotit. Acest lucru elimină necesitatea unei instalări separate a arborelui cu came. În plus, nu este nevoie să instalați o cutie de viteze, deoarece arborele cotit se rotește la jumătate din viteză. În secolul al XIX-lea, motorul nu a primit distribuție datorită mecanicii sale complexe, dar la sfârșitul secolului al XX-lea a devenit mai popular, deoarece a început să fie utilizat pe hibrizi.

Deci, există astfel de unități ciudate în scumpul Lexus? În nici un caz, nimeni nu avea de gând să implementeze ciclul Atkinson în forma sa pură, dar este foarte posibil să modificăm motoarele obișnuite pentru acesta. Prin urmare, nu vom vorbi mult despre Atkinson și vom trece la ciclul care l-a adus la realitate.

Ciclul Miller

Ciclul Miller a fost propus în 1947 de inginerul american Ralph Miller ca o modalitate de a combina avantajele motorului Atkinson cu motorul Otto mai simplu. În loc să facă mecanic cursa de compresie mai scurtă decât cursa de putere (la fel ca în motorul clasic Atkinson, unde pistonul se mișcă mai repede decât în ​​jos), lui Miller i-a venit ideea de a reduce cursa de compresie utilizând cursa de admisie, menținând mișcarea pistonului în sus și în jos la fel ca viteză (ca la motorul clasic Otto).

Pentru a face acest lucru, Miller a propus două abordări diferite: fie închideți supapa de admisie mult mai devreme decât sfârșitul cursei de admisie, fie închideți-o mult mai târziu decât sfârșitul acestei curse. Prima abordare dintre îngrijitori este numită în mod convențional „aport scurtat”, iar a doua - „compresie scurtată”. În cele din urmă, ambele abordări oferă același lucru: o scădere a raportului de compresie efectiv al amestecului de lucru în raport cu cel geometric, menținând în același timp același raport de expansiune (adică cursa cursei de lucru rămâne aceeași ca în Otto motorul, iar cursa de compresie, ca să zicem, este redusă - ca la Atkinson, scade doar nu în timp, ci în gradul de compresie al amestecului).

Astfel, amestecul dintr-un motor Miller comprimă mai puțin decât ar trebui să se comprime într-un motor Otto de aceeași geometrie mecanică. Acest lucru face posibilă creșterea raportului de compresie geometric (și, în consecință, a raportului de expansiune!) Peste limitele determinate de proprietățile de lovire ale combustibilului - aducând compresia efectivă la valori acceptabile datorită descrierii de mai sus „scurtarea ciclul de compresie ". Cu alte cuvinte, la același raport de compresie real (combustibil limitat), motorul Miller are un raport de expansiune semnificativ mai mare decât motorul Otto. Acest lucru face posibilă utilizarea mai completă a energiei gazelor care se extind în cilindru, ceea ce, de fapt, mărește eficiența termică a motorului, asigură o eficiență ridicată a motorului și așa mai departe. De asemenea, unul dintre avantajele ciclului Miller este posibilitatea unei variații mai largi a timpului de aprindere fără riscul de detonare, ceea ce oferă mai multe oportunități inginerilor.

Beneficiul randamentului termic crescut al ciclului Miller în raport cu ciclul Otto este însoțit de o pierdere a puterii de vârf pentru o anumită dimensiune (și greutate) a motorului datorită umplerii degradate a cilindrului. Deoarece un motor Miller mai mare ar fi necesar pentru a obține aceeași putere de ieșire decât un motor Otto, câștigurile obținute din eficiența termică îmbunătățită a ciclului vor fi parțial cheltuite pe pierderi mecanice crescute (frecare, vibrații etc.), împreună cu dimensiunea motorului.

Ciclul diesel

Și, în cele din urmă, merită să reamintim cel puțin pe scurt ciclul Diesel. Rudolf Diesel a dorit inițial să creeze un motor care să fie cât mai aproape de ciclul Carnot, în care eficiența este determinată doar de diferența de temperatură a fluidului de lucru. Dar, din moment ce răcirea motorului la zero absolut nu este rece, Diesel a mers pe altă cale. A crescut temperatura maximă, pentru care a început să comprime combustibilul la valori care depășeau limita la acel moment. Motorul său sa dovedit cu o eficiență foarte mare, dar inițial a funcționat pe kerosen. Rudolph a construit primele prototipuri în 1893 și abia la începutul secolului al XX-lea a trecut la alte tipuri de combustibil, inclusiv la motorină.

• , 17 iulie 2015

Ciclul Miller este un ciclu termodinamic utilizat în motoarele cu combustie internă în patru timpi. Ciclul Miller a fost propus în 1947 de inginerul american Ralph Miller ca o modalitate de a combina avantajele motorului Atkinson cu mecanismul cu piston mai simplu al motorului Otto. În loc să facă cursa de compresie mai scurtă din punct de vedere mecanic decât cursa de putere (ca în cazul motorului clasic Atkinson, unde pistonul se mișcă mai repede decât în ​​jos), lui Miller i-a venit ideea de a reduce cursa de compresie utilizând cursa de admisie, menținând mișcarea pistonului în sus și în jos la fel ca viteză (ca la motorul clasic Otto).

Pentru a face acest lucru, Miller a propus două abordări diferite: fie închideți supapa de admisie mult mai devreme decât sfârșitul cursei de admisie (sau deschideți mai târziu de începutul acestei curse), fie închideți-o mult mai târziu decât sfârșitul acestei curse. Prima abordare în rândul inginerilor de motoare se numește în mod convențional „admisie scurtată”, iar a doua - „compresie scurtată”. În cele din urmă, ambele abordări oferă același lucru: o scădere a raportului de compresie real al amestecului de lucru în raport cu cel geometric, menținând în același timp același raport de expansiune (adică cursa cursei de lucru rămâne aceeași ca în Motorul Otto și cursa de compresie, ca să spunem așa, sunt reduse - la fel ca la Atkinson, numai că este redusă nu în timp, ci în gradul de compresie al amestecului). Să aruncăm o privire mai atentă asupra celei de-a doua abordări a lui Miller.- întrucât este ceva mai profitabil din punct de vedere al pierderilor de compresie și, prin urmare, tocmai acesta este implementat practic în motoarele de serie Mazda Miller Cycle (un astfel de motor V6 de 2,3 litri cu un supraîncărcător mecanic a fost instalat pe Mazda Xedos -9 pentru o lungă perioadă de timp, iar recent cel mai nou motor I4 „atmosferic” de acest tip cu un volum de 1,3 litri a fost primit de modelul Mazda-2).

Într-un astfel de motor, supapa de admisie nu se închide la sfârșitul cursei de admisie, ci rămâne deschisă în timpul primei părți a cursei de compresie. Deși întregul volum al cilindrului a fost umplut cu amestecul de aer / combustibil în timpul cursei de admisie, o parte din amestec este forțată înapoi în colectorul de admisie prin supapa de admisie deschisă atunci când pistonul se deplasează în sus pe cursa de compresie. Compresia amestecului începe de fapt mai târziu când supapa de admisie se închide în cele din urmă și amestecul este prins în cilindru. Astfel, amestecul dintr-un motor Miller comprimă mai puțin decât ar trebui să se comprime într-un motor Otto de aceeași geometrie mecanică. Acest lucru permite creșterea raportului de compresie geometric (și, în consecință, a raportului de expansiune!) Peste limitele datorate proprietăților de lovire ale combustibilului - aducând compresia efectivă la valori acceptabile datorită descrierii de mai sus „scurtarea compresiei ciclu". Cu alte cuvinte, la același raport de compresie real (combustibil limitat), motorul Miller are un raport de expansiune semnificativ mai mare decât motorul Otto. Acest lucru face posibilă utilizarea mai deplină a energiei gazelor care se extind în cilindru, ceea ce, de fapt, mărește eficiența termică a motorului, asigură o eficiență ridicată a motorului și așa mai departe.

Desigur, deplasarea inversă a sarcinii înseamnă o scădere a puterii motorului, iar pentru motoarele atmosferice, acest ciclu are sens doar într-un mod relativ îngust de sarcini parțiale. În cazul sincronizării constante a supapei, acest lucru poate fi compensat numai pe întregul interval dinamic, utilizând boost. La modelele hibride, lipsa de tracțiune în condiții nefavorabile este compensată de tracțiunea motorului electric.

Beneficiul randamentului termic crescut al ciclului Miller în raport cu ciclul Otto este însoțit de o pierdere a puterii de vârf pentru o anumită dimensiune (și greutate) a motorului datorită umplerii degradate a cilindrului. Deoarece aceeași putere de putere ar necesita un motor Miller mai mare decât un motor Otto, câștigurile obținute din eficiența termică crescută a ciclului vor fi parțial cheltuite pe pierderi mecanice crescute (frecare, vibrații etc.) cu dimensiunea motorului. De aceea, inginerii Mazda au construit primul lor motor de producție cu un ciclu Miller non-atmosferic. Când au adăugat un motor de supraalimentare Lysholm, au reușit să recâștige densitatea mare de putere fără a pierde mult din eficiența oferită de ciclul Miller. Această decizie a făcut ca motorul Mazda V6 „Miller Cycle” să fie atractiv pentru Mazda Xedos-9 (Millenia sau Eunos-800). Într-adevăr, cu un volum de lucru de 2,3 litri, produce 213 CP. și un cuplu de 290 Nm, care este echivalent cu caracteristicile motoarelor atmosferice convenționale de 3 litri și, în același timp, consumul de combustibil pentru un motor atât de puternic într-o mașină mare este foarte redus - pe autostradă 6,3 l / 100 km, în oraș - 11,8 l / 100 km, ceea ce corespunde performanței motoarelor mult mai puțin puternice de 1,8 litri. Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei a permis inginerilor Mazda să construiască un motor Miller Cycle cu caracteristici acceptabile de densitate a puterii fără a utiliza supraalimentatoare - noul sistem de sincronizare a supapelor secvențiale, care controlează dinamic fazele de admisie și evacuare, permite compensarea parțială a scăderii puterii maxime inerente Miller ciclu. Noul motor va fi produs într-un 4 cilindri în linie, de 1,3 litri, în două versiuni: 74 cai putere (118 Nm cuplu) și 83 cai putere (121 Nm). În același timp, consumul de combustibil al acestor motoare a scăzut în comparație cu un motor convențional de aceeași putere cu 20% - până la patru și puțin litri la suta de kilometri. În plus, toxicitatea unui motor cu ciclu Miller este cu 75% mai mică decât cerințele actuale de mediu. Implementare La motoarele clasice Toyota din anii 90 cu faze fixe care funcționează pe ciclul Otto, supapa de admisie se închide la 35-45 ° după BDC (în ceea ce privește unghiul arborelui cotit), raportul de compresie este de 9,5-10,0. La motoarele mai moderne cu VVT, intervalul posibil de închidere a supapei de admisie sa extins la 5-70 ° după BDC, raportul de compresie a crescut la 10.0-11.0. La motoarele modelelor hibride care funcționează numai conform ciclului Miller, intervalul de închidere a supapei de admisie este de 80-120 ° ... 60-100 ° după BDC. Raportul de compresie geometric este de 13,0-13,5. Până la mijlocul anilor 2010, au apărut motoare noi cu o distribuție variabilă a supapei variabile (VVT-iW), care pot funcționa atât în ​​ciclul normal, cât și în ciclul Miller. În versiunile atmosferice, intervalul de închidere a supapei de admisie este de 30-110 ° după BDC cu un raport de compresie geometrică de 12,5-12,7, în versiunile turbo - 10-100 ° și respectiv 10,0.