Descrierea ciclului lui Miller al motorului cu ardere internă. Originale mari

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

Mai întâi, să ne dăm seama care este ciclul motorului. 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 în 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 a fost în amplasarea verticală a cilindrului, 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 ajuns la atmosferă, supapa de evacuare s-a deschis, iar pistonul a deplasat gazele de evacuare cu masa sa. Completitudinea utilizării energiei a făcut posibilă creșterea eficienței la un uluitor de 15% la acel moment, ceea ce a depășit eficiența chiar și a motoarelor cu abur. În plus, acest design a făcut posibilă utilizarea de cinci ori mai puțin combustibil, ceea ce a condus apoi la dominația totală a unui astfel de design pe piață.

Dar principalul merit al lui Otto este inventarea 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 au fost cu cap și umeri deasupra concurenței. Și până în 1897, 42 de mii dintre ele au fost făcute.

Dar ce este mai exact 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 intrare. 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 unități atât de ciudate în Lexus scumpe? 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 dezvălui 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 în mod mecanic cursa de compresie mai scurtă 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 folosind cursa de admisie, menținând miscarea pistonului in sus si in jos la fel ca viteza (ca in 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 dau același lucru: o scădere a raportului real de compresie 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, așa cum ar fi, este redusă - ca și în Atkinson, scade doar nu în timp, ci în gradul de compresie al amestecului).

Astfel, amestecul dintr-un motor Miller se comprimă mai puțin decât ar trebui să se comprima într-un motor Otto de aceeași geometrie mecanică. Acest lucru permite ca raportul de compresie geometrică (și, în consecință, raportul de expansiune!) să fie crescut peste limitele determinate de proprietățile de detonare ale combustibilului - aducând compresia reală la valori acceptabile datorită "scurtării compresiei" descrisă mai sus. 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 completă a energiei gazelor care se extind în cilindru, ceea ce, de fapt, crește 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 creșterii eficienței termice a 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 din randamentul termic crescut al ciclului vor fi parțial cheltuite pe pierderi mecanice crescute (frecare, vibrații etc.), împreună cu dimensiunea motorului.

Ciclu diesel

Și, în cele din urmă, merită să reamintim cel puțin pe scurt ciclul Diesel. Rudolph 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 nu e grozav să răcești motorul la zero absolut, Diesel a mers pe direcția inversă. A crescut temperatura maximă, pentru care a început să comprima 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 diesel.

• , 17 iulie 2015

Înainte de a vorbi despre caracteristicile motorului „Mazda” „Miller” (ciclul Miller), observ că nu este un motor în cinci timpi, ci patru timpi, ca motorul Otto. Motorul Miller nu este altceva decât un motor clasic cu combustie internă îmbunătățit. Din punct de vedere structural, aceste motoare sunt practic aceleași. Diferența constă în sincronizarea supapelor. Ceea ce îi deosebește este că motorul clasic funcționează după ciclul inginerului german Nikolos Otto, iar motorul „Mazda” Miller - după ciclul inginerului britanic James Atkinson, deși, dintr-un anumit motiv, poartă numele inginerului american Ralph Miller. Acesta din urmă și-a creat propriul ciclu de funcționare a motorului cu ardere internă, dar din punct de vedere al eficienței sale 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 unui motor 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 familiarului motor Otto în patru timpi. Prima lovitură este cea de admisie. Acesta începe după deschiderea supapei de admisie atunci când pistonul este aproape de punctul mort superior (TDC). Miscând în jos, pistonul creează un vid în cilindru, ceea ce contribuie la aspirația aerului și a combustibilului din ele. În același timp, în modurile de turații mici și medii ale motorului, când supapa de accelerație este parțial deschisă, apar așa-numitele pierderi de pompare. Esența lor este că, datorită vidului ridicat din galeria de admisie, pistoanele trebuie să funcționeze în modul pompă, care consumă o parte din puterea motorului. În plus, umplerea cilindrilor cu o încărcare proaspătă se înrăutățește și, în consecință, crește consumul de combustibil și emisiile de substanțe nocive în atmosferă. Când pistonul ajunge la punctul mort inferior (BDC), supapa de admisie se închide. După aceea, pistonul, deplasându-se în sus, comprimă amestecul combustibil - are loc o cursă de compresie. Aproape de TDC, amestecul este aprins, presiunea din camera de ardere crește, pistonul se mișcă în jos - o cursă de lucru. Supapa de evacuare se deschide la BDC. Când pistonul se deplasează în sus - cursa de evacuare - gazele de eșapament rămase în cilindri sunt împinse în sistemul de evacuare.

Este de remarcat faptul că atunci când supapa de evacuare este deschisă, gazele din cilindri sunt încă sub presiune, astfel încât eliberarea acestei energii neutilizate se numește pierderi de evacuare. În același timp, funcția de reducere a zgomotului a fost atribuită tobei de eșapament a sistemului de evacuare.

Pentru a reduce fenomenele negative care apar atunci când motorul funcționează cu o schemă clasică de sincronizare a supapelor, sincronizarea supapelor din motorul "Mazda" Miller a fost schimbată în conformitate cu ciclul Atkinson. Supapa de admisie nu se închide în apropierea punctului mort inferior, ci mult mai târziu - când arborele cotit este rotit la 700 de la BDC (la motorul Ralph Miller, supapa se închide dimpotrivă - mult mai devreme decât pistonul trece BDC). Ciclul Atkinson oferă o varietate de avantaje. În primul rând, pierderile de pompare sunt reduse, deoarece o parte a amestecului atunci când pistonul se deplasează în sus este împins în galeria de admisie, reducând vidul din acesta.

În al doilea rând, raportul de compresie se modifică. Teoretic, rămâne aceeași, deoarece cursa pistonului și volumul camerei de ardere nu se schimbă, dar, de fapt, datorită închiderii întârziate a supapei de admisie, aceasta scade de la 10 la 8. Și aceasta este deja o scădere a probabilitatea de a lovi arderea combustibilului, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să măriți turația motorului în sens redus cu creșterea sarcinii. 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, transportă cu el în galeria de admisie o parte din căldura preluată de pereții camerei de ardere.

În al treilea rând, relația dintre rapoartele de compresie și expansiune a fost încălcată, deoarece datorită închiderii ulterioare a supapei de admisie, durata cursei de compresie în raport cu durata cursei de expansiune atunci când supapa de evacuare este deschisă a fost redusă semnificativ. Motorul funcționează conform așa-numitului ciclu cu un raport de expansiune crescut, în care energia gazelor de eșapament este utilizată pentru o perioadă mai lungă, adică. cu o scădere a pierderilor de producție. Acest lucru face posibilă utilizarea mai deplină a energiei gazelor de eșapament, ceea ce, de fapt, a asigurat o eficiență ridicată a motorului.

Pentru a obține puterea și cuplul ridicat necesare pentru modelul Mazda de elită, motorul Miller folosește un compresor mecanic Lisholm instalat în prăbușirea blocului de cilindri.

În plus față de motorul de 2,3 litri al mașinii Xedos 9, ciclul Atkinson a început să fie utilizat și la motorul ușor al instalației hibride a Toyota Prius. Se deosebește de cel „Mazda” prin faptul că nu are o suflantă de aer, iar raportul de compresie are o valoare mare - 13,5.

Motorul cu ardere internă este foarte departe de a fi ideal, în cel mai bun caz atinge 20 - 25%, motorina 40 - 50% (adică restul combustibilului este ars aproape gol). Pentru a crește eficiența (corespunzător pentru a crește eficiența), este necesar să se îmbunătățească proiectarea motorului. Mulți ingineri se luptă până astăzi, dar primii au fost doar câțiva ingineri, precum Nikolaus August OTTO, James ATKINSON și Ralph Miller. Fiecare a făcut anumite modificări și a încercat să facă motoarele mai eficiente și mai eficiente. Fiecare oferea un ciclu specific de lucru, care putea fi radical diferit de designul adversarului. Astăzi voi încerca să vă explic în cuvinte simple care sunt principalele diferențe în funcționarea motorului cu ardere internă și, bineînțeles, versiunea video la sfârșit ...

Articolul va fi scris pentru începători, așa că dacă ești un inginer sofisticat, nu trebuie să-l citești, este scris pentru o înțelegere generală a ciclurilor de funcționare a ICE.

Aș dori, de asemenea, să menționez că există o mulțime de variații ale diferitelor modele, cele mai faimoase pe care le putem ști încă sunt ciclul DIESEL, STIRLING, CARNO, ERIKSONN etc. Dacă numărați proiectele, atunci pot exista aproximativ 15. Și nu toate motoarele cu ardere internă, de exemplu, au STIRLING extern.

Dar cele mai faimoase, care sunt folosite și astăzi în mașini, sunt OTTO, ATKINSON și MILLER. Aici vom vorbi despre ele.

De fapt, acesta este un motor termic convențional cu ardere internă cu aprindere forțată a unui amestec combustibil (printr-o lumânare), care este acum utilizat în 60 - 65% din mașini. DA - da, este cel pe care îl aveți sub capotă care funcționează conform ciclului 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 ROCH. Dar acesta era un principiu teoretic al muncii. 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. Supapa de admisie se deschide.
• Comprimare ... Pistonul se ridică, comprimând acest amestec. Ambele supape sunt închise
• Accident vascular cerebral de lucru ... Lumânarea aprinde amestecul comprimat, gazele aprinse împing pistonul în jos
• Evacuarea gazelor de evacuare ... Pistonul se deplasează în sus, împingând gazele arse. Supapa de evacuare se deschide

Aș dori să observ că supapele de admisie și evacuare funcționează într-o ordine strictă - ÎN egală măsură la viteze mari și mici. Adică, nu există nicio schimbare în lucru la viteze diferite.

În motorul său, OTTO a fost primul care a folosit comprimarea amestecului de lucru pentru a ridica temperatura maximă a ciclului. Care a fost realizat conform adiabatului (în cuvinte simple, fără schimb de căldură cu mediul extern).

După ce amestecul a fost comprimat, acesta s-a aprins de pe o lumânare, după care a început procesul de eliminare a căldurii, care a continuat aproape de-a lungul izocorului (adică cu un volum constant al cilindrului motorului).

Deoarece OTTO și-a brevetat tehnologia, utilizarea industrială nu a fost posibilă. Pentru a ocoli brevetele, James Atkinson a decis în 1886 să modifice ciclul OTTO. Și și-a oferit propriul tip de lucru al motorului cu ardere internă.

El a propus să se modifice raportul timpilor ciclului, datorită căruia cursa de lucru a fost crescută datorită complicației structurii bielei. 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 datorită complexității designului.

Dacă descriem pe scurt principiul funcționării acestei ICE, se dovedește:

Toate cele 4 curse (injecție, compresie, cursă de lucru, evacuare) - au avut loc într-o singură rotație a arborelui cotit (OTTO are două rotații). Datorită unui sistem complex de pârghii care au fost atașate lângă „arborele cotit”.

În acest design, sa dovedit a implementa anumite rapoarte ale lungimii pârghiilor. În termeni simpli - cursa pistonului pe cursa de admisie și evacuare este MAI MULT decât cursa pistonului, de asemenea în cursa de compresie și de lucru.

Ce face? DA, faptul că poți „juca” cu raportul de compresie (schimbându-l), datorită raportului dintre lungimile pârghiilor, și nu datorită „strângerii” admisiei! Din aceasta, se derivă avantajul ciclului ACTINSON, în termeni de pierderi de 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:

• Complexitate și design greoi
• Scăzut la turații mici
• Control slab al clapetei de accelerație, fie el ()

Există zvonuri persistente că principiul ATKINSON a fost folosit pe vehiculele hibride, în special de către TOYOTA. Cu toate acestea, acest lucru este puțin adevărat, doar principiul său a fost folosit acolo, dar designul a fost folosit de un alt inginer, și anume Miller. În forma lor pură, motoarele ATKINSON erau mai mult de un singur caracter decât unul de masă.

De asemenea, Ralph Miller a decis să joace cu raportul de compresie în 1947. Adică, el ar continua, ca să zicem, activitatea lui ATKINSON, dar nu și-a luat motorul complex (cu pârghii), ci obișnuitul ICE OTTO.

Ce a sugerat ... El nu a făcut cursa de compresie mai scurtă mecanic decât cursa cursei (după cum a sugerat Atkinson, pistonul său se mișcă mai repede în sus decât în ​​jos). I-a venit ideea de a reduce cursa de compresie folosind cursa de admisie, menținând aceeași mișcarea în sus și în jos a pistoanelor (motor clasic OTTO).

Există două modalități de urmat:

• Închiderea supapelor de admisie înainte de sfârșitul cursei de admisie - acest principiu se numește „admisie scurtată”
• Sau închideți supapele de admisie mai târziu de cursa de admisie - această opțiune a fost denumită „Compresie scurtă”

În cele din urmă, ambele principii dau același lucru - o scădere a raportului de compresie a amestecului de lucru față de cel geometric! Cu toate acestea, raportul de expansiune rămâne, adică cursa cursei de lucru este menținută (ca în OTTO ICE), iar cursa de compresie este, așa cum spunea, redusă (ca și în Atkinson ICE).

Cu cuvinte simple - amestecul aer-combustibil la MILLER este comprimat mult mai puțin decât ar fi trebuit să fie comprimat în același motor la OTTO. Acest lucru face posibilă creșterea raportului de compresie geometrică și, prin urmare, a raportului de expansiune fizică. Mult mai mult decât datorită proprietăților de detonare ale combustibilului (adică benzina nu poate fi comprimată la infinit, va începe detonarea)! Astfel, atunci când combustibilul este aprins la TDC (sau mai degrabă punctul mort), acesta are un raport de expansiune mult mai mare decât cel al designului OTTO. Acest lucru permite o utilizare mult mai mare a energiei gazelor care se extind în cilindru, ceea ce crește eficiența termică a structurii, ceea ce implică economii mari, elasticitate etc.

De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că pierderile de pompare sunt reduse la cursa de compresie, adică este mai ușor să comprimați combustibilul de la MILLER, este necesară mai puțină energie.

Laturile negative - Aceasta este o scădere a puterii de vârf (mai ales la turații mari) din cauza celei mai slabe umpleri a cilindrilor. Pentru a scoate aceeași putere ca a lui OTTO (la turații 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. Apoi se dovedește:

OTTO - acesta este principiul standard al unui motor convențional, care se găsește acum pe majoritatea mașinilor moderne

ATKINSON - a oferit un motor cu ardere internă mai eficient, prin schimbarea raportului de compresie utilizând un design complex de pârghii care erau conectate la arborele cotit.

PLUSURI - economie de combustibil, motor mai elastic, mai puțin zgomot.

CONTRA - Design voluminos și complex, cuplu redus la turații reduse, control slab al clapetei de accelerație

În forma sa pură, acum nu este practic folosit.

MILLER - se recomandă utilizarea unui raport de compresie redus în cilindru, prin închiderea tardivă a supapei de admisie. Diferența cu ATKINSON este uriașă, deoarece nu a folosit designul său, ci OTTO, dar nu în forma sa pură, ci cu un sistem de sincronizare modificat.

Se presupune că pistonul (pe cursa de compresie) rulează cu o rezistență mai mică (pierderi de pompare) și comprimă geometric mai bine amestecul aer-combustibil (excluzând detonarea acestuia), cu toate acestea, raportul de expansiune (atunci când este aprins de o bujie) rămâne. aproape la fel ca în ciclul OTTO ...

PLUSURI - economie de combustibil (în special la turații mici), elasticitate a muncii, zgomot redus.

CONTRA - o scădere a puterii la turații mari (din cauza celei mai slabe umpleri a cilindrilor).

Trebuie remarcat faptul că acum principiul MILLER este utilizat la unele mașini la turații mici. Vă permite să reglați fazele de admisie și evacuare (extinderea sau restrângerea acestora folosind

În structura auto a autoturismelor, de mai bine de un secol, acestea au fost utilizate în mod standard motoare de combustie internă... Au unele dezavantaje cu 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 creației ciclului Atkinson

Istoria creării unui motor cu ciclul Atkinson are rădăcinile într-o istorie îndepărtată. Să începem cu asta 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 de lucru, evacuare.

La doar 10 ani de la inventarea motorului Otto, un englez James Atkinson a propus modificarea motorului german... În esență, motorul rămâne în patru timpi. Dar Atkinson a schimbat ușor durata a două dintre ele: primele 2 bare sunt mai scurte, celelalte 2 sunt mai lungi. Sir James a implementat această schemă variind lungimea 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 utilizarea masivă a ciclului Atkinson pentru mașini.

Dar inginerii au continuat să lucreze la ciclul lui Sir James. Americanul Ralph Miller în 1947 a îmbunătățit ușor ciclul Atkinson, simplificându-l. Acest lucru a făcut posibilă 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, conform principiului 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, în noua Toyota există un motor Atkinson, nu un motor Miller.

În zilele noastre, motorul cu ciclu Atkinson este utilizat pe hibrizi. Japonezii au reușit în special acest lucru, cărora le pasă întotdeauna de respectarea mediului înconjurător al mașinilor lor. Prius hibrid de la Toyota umple activ piața mondială.

Cum funcționează ciclul Atkinson

După cum sa spus mai devreme, ciclul Atkinson repetă aceleași căpușe ca și ciclul Otto. Dar folosind aceleași principii, Atkinson a creat un motor complet nou.

Motorul este proiectat astfel încât pistonul face toate cele patru curse 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 evacuării. Adică, în ciclul Otto, supapa de admisie se închide aproape imediat. În ciclul Atkinson, asta supapa se închide la jumătatea drumului până la punctul mort superior... Într-un motor convențional cu ardere internă, compresia are deja loc în acest moment.

Motorul este modificat cu un arbore cotit special în care punctele de fixare sunt deplasate. Datorită acestui lucru, raportul de compresie al motorului este crescut, iar pierderile prin frecare sunt minime.

Diferența față de motoarele tradiționale

Reamintim că ciclul Atkinson este în patru timpi(admisie, compresie, expansiune, descărcare). Un motor tipic în patru timpi utilizează ciclul Otto. Pe scurt, să ne reamintim lucrarea sa. La începutul cursei de lucru în cilindru, pistonul urcă în punctul de operare superior. Amestecul de combustibil și aer arde, gazul se dilată, presiunea este la maxim. Sub influența acestui gaz, pistonul coboară, ajunge la punctul mort inferior. Cursa de lucru s-a terminat, supapa de evacuare se deschide, prin care iese gazul de evacuare. În acest moment, se produc pierderi de producție, deoarece gazele de evacuare au încă o presiune reziduală care nu poate fi utilizată.

Atkinson a redus pierderile de eliberare. În motorul său, volumul camerei de ardere este mai mic cu același volum de lucru. Înseamnă că raportul de compresie este mai mare, iar cursa pistonului este mai lungă... În plus, durata cursei de compresie este redusă în comparație cu cursa de lucru, motorul funcționează pe un ciclu cu un raport de expansiune crescut (raportul de compresie este mai mic decât raportul de expansiune). Aceste condiții au făcut posibilă reducerea pierderilor de degajare prin utilizarea energiei gazelor de eșapament.

Să ne întoarcem la ciclul Otto. Când amestecul de lucru este aspirat, supapa de accelerație este închisă și creează rezistență la intrare. Acest lucru se întâmplă atunci când pedala de gaz nu este complet apăsată. Cu un amortizor închis, motorul risipește energie, creând pierderi de pompare.

Atkinson a lucrat și cu accidentul vascular cerebral. Prin extinderea acestuia, Sir James a realizat o reducere a pierderilor prin 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. Presiunea crește în ea că face posibilă deschiderea supapei de accelerație la viteze mici și medii.

Dar motorul Atkinson nu a fost lansat în serie din cauza întreruperilor în lucru. Faptul este că, spre deosebire de un motor cu ardere internă, motorul funcționează doar la turații crescute. La ralanti, se poate bloca. Dar această problemă a fost rezolvată în producția de hibrizi. La viteze mici, astfel de mașini rulează cu o tracțiune electrică și trec la un motor pe benzină numai în caz de accelerație sau sub sarcină. Un astfel de model înlătură atât dezavantajele motorului Atkinson, cât și subliniază avantajele acestuia față de alte ICE-uri.

Avantajele și dezavantajele ciclului Atkinson

Motorul Atkinson are mai multe avantaje, alocându-l în fața restului motorului cu ardere internă: 1. Reducerea pierderilor de combustibil. După cum sa menționat mai devreme, prin schimbarea timpului de ciclu, a devenit posibilă conservarea combustibilului prin utilizarea gazelor reziduale și reducerea pierderilor de pompare. 2. Probabilitate redusă de combustie prin detonare. Raportul de compresie a combustibilului este redus de la 10 la 8. Acest lucru face posibilă nu creșterea turației motorului prin trecerea la o treaptă de viteză mai mică datorită 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 redus de benzină. În noile modele hibride, kilometrajul de gaz este de 4 litri la 100 km. 4. Rentabilitatea, respectarea mediului, eficiență ridicată.

Însă motorul Atkinson are un dezavantaj semnificativ, care nu i-a permis să fie utilizat în producția în masă de mașini. Din cauza indicatoarelor de putere scăzută, motorul se poate bloca la turații mici. Prin urmare, motorul Atkinson a prins foarte bine rădăcini pe hibrizi.

Aplicarea ciclului Atkinson în industria auto

Apropo, despre mașinile pe care sunt instalate motoarele Atkinson. În producția de masă, această modificare a motorului cu ardere internă a apărut nu cu mult timp în urmă. După cum sa menționat anterior, primii utilizatori ai ciclului Atkinson au fost firmele japoneze și Toyota. Una dintre cele mai faimoase mașini - MazdaXedos 9 / Eunos800, care a fost produs în 1993-2002.

Apoi, motorul cu ardere internă Atkinson 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 Escape Hybridși Altima hibrid.

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 reglementările 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 ciclului Atkinson are un viitor productiv și speră la o viață lungă.

Priorități

Încă de la apariția primului Prius, se părea că lui James Atkinson îi plăcea Toyota mult mai mult decât Ralph Miller. Și treptat, „ciclul Atkinson” al comunicatelor lor de presă s-a răspândit în comunitatea jurnalistică.

Toyota oficial: „Un motor cu ciclu termic propus de James Atkinson (Marea Britanie) în care cursa de compresie și durata cursei de expansiune pot fi setate independent. Îmbunătățirea ulterioară de către RH Miller (SUA) a permis ajustarea sincronizării deschiderii / închiderii supapei de admisie pentru a permite un sistem practic (Ciclul Miller). "
- Toyota neoficial și antiștiințific: „Motorul Miller Cycle este un motor Atkinson Cycle cu un compresor”.

În același timp, chiar și în mediul ingineresc local, ciclul Miller a existat din timpuri imemoriale. Cum ar fi mai corect?

În 1882, inventatorul britanic James Atkinson a propus ideea de a crește eficiența unui motor cu piston prin reducerea cursei de compresie și creșterea cursei de expansiune a fluidului de lucru. În practică, acest lucru trebuia să fie realizat prin mecanisme complexe de antrenare a pistonului (două pistoane conform schemei „boxer”, un piston cu un mecanism de manivelă). Versiunile construite ale motoarelor au arătat o creștere a pierderilor mecanice, un design supracomplicat și o scădere a puterii în comparație cu motoarele de alte modele, prin urmare, nu s-au răspândit. Celebrele brevete Atkinson s-au referit în mod specific la structuri, fără a lua în considerare teoria ciclurilor termodinamice.

În 1947, inginerul american Ralph Miller a revenit la ideea compresiei reduse și a expansiunii continue, propunând să o implementeze nu prin cinematica acționării pistonului, ci prin selectarea sincronizării supapelor pentru motoarele cu un mecanism convențional cu manivelă. În brevet, Miller a luat în considerare două opțiuni pentru organizarea fluxului de lucru - cu închiderea timpurie (EICV) sau tardivă (LICV) a supapei de admisie. De fapt, ambele opțiuni înseamnă o scădere a raportului de compresie real (efectiv) în raport cu cel geometric. Dându-și seama că o reducere a compresiei ar duce la o pierdere a puterii motorului, Miller sa concentrat inițial pe motoarele supraalimentate, în care pierderea de umplere ar fi compensată de compresor. Ciclul teoretic Miller pentru un motor cu aprindere prin scânteie este pe deplin în concordanță cu ciclul teoretic al motorului Atkinson.

În general, ciclul Miller / Atkinson nu este un ciclu independent, ci o varietate de cicluri termodinamice bine cunoscute ale Otto și Diesel. Atkinson este autorul ideii abstracte a unui motor cu dimensiuni diferite de curse de compresie și expansiune. Ralph Miller a fost cel care a propus organizarea reală a proceselor de lucru în motoare reale, folosite în practică până astăzi.

Principii

Când motorul funcționează în ciclul Miller cu compresie redusă, supapa de admisie se închide mult mai târziu decât în ​​ciclul Otto, datorită căruia o parte a încărcăturii este deplasată înapoi în canalul de admisie, iar procesul real de compresie începe deja în a doua jumătate. a accidentului vascular cerebral. Ca rezultat, raportul efectiv de compresie este mai mic decât cel geometric (care, la rândul său, este egal cu raportul de expansiune a gazului la cursa de lucru). Prin reducerea pierderilor prin pompare și a pierderilor prin compresie, se asigură o creștere a eficienței termice a motorului cu 5-7% și o economie de combustibil corespunzătoare.

Implementare

La motoarele clasice Toyota din anii 90 cu faze fixe, care funcționează pe ciclul Otto, supapa de admisie se închide cu 35-45 ° după BDC (unghiul arborelui cotit), raportul de compresie este de 9,5-10,0. La motoarele mai moderne cu VVT, intervalul de închidere posibil al 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, pentru versiunile turbo - 10-100 ° și respectiv 10,0.