Ciclul Otto. atkinson

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 creării ciclului Atkinson

Istoria creării unui motor 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 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 modificat puțin 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 să numească motorul după numele său, conform principiului descoperitorului. În plus, odată cu utilizarea noilor tehnologii, a devenit posibilă aplicarea unui ciclu Atkinson mai complex, astfel încât ciclul Miller a fost în cele din urmă abandonat. De exemplu, noua Toyota are un motor Atkinson, nu un motor Miller.

În zilele noastre, motorul cu ciclu Atkinson este folosit 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 tură a arborelui cotit... În plus, cursele sunt de 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. Ca rezultat, raportul de compresie al motorului este crescut și pierderile prin frecare sunt minime.

Diferență față de motoarele tradiționale

Amintiți-vă că ciclul Atkinson este în patru timpi(admisie, compresie, expansiune, emisie). Un motor tipic în patru timpi utilizează ciclul Otto. Pe scurt, să ne amintim munca lui. La începutul cursei de lucru în cilindru, pistonul urcă până la punctul de lucru superior. 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 moment apar pierderi de producție, 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 același volum de lucru. 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 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 eliberare 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 admisie. Acest lucru se întâmplă atunci când pedala de accelerație nu este apăsată complet. Cu un amortizor închis, motorul irosește energie, creând pierderi prin pompare.

Atkinson a lucrat și cu accidentul vascular cerebral de admisie. Prin extinderea acestuia, Sir James a realizat o reducere a pierderilor de pompare. Pentru a face acest lucru, pistonul atinge 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. Se acumulează presiune care face posibilă deschiderea ușoară a supapei de accelerație 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 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 pe o tracțiune electrică și trec la un motor pe benzină doar în caz de accelerare 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, alocandu-l in fata restului motorului cu ardere interna: 1. Reducerea pierderilor de combustibil. După cum am menționat mai devreme, prin modificarea timpului ciclului, a devenit posibilă conservarea combustibilului prin utilizarea gazelor de eșapament și reducerea pierderilor prin pompare. 2. Probabilitate scăzută de ardere prin detonare. Raportul de compresie al combustibilului este redus de la 10 la 8. Acest lucru vă permite să nu măriți turația motorului prin trecerea într-o treaptă inferioară 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 redus de benzină. La noile modele hibride, consumul de gaz 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. 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 lui 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 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 hibrid Altima.

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 aduse 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 viață lungă.

Înainte de a vorbi despre caracteristicile motorului „Mazda” „Miller” (ciclul Miller), observ că nu este un motor în cinci timpi, ci 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 practic aceleași. Diferența constă în sincronizarea supapelor. Se disting prin faptul că motorul clasic funcționează conform ciclului inginerului german Nikolos Otto, iar motorul „Mazda” „Miller” - 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 V-six-ului instalat 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 motorului familiar Otto în patru timpi. Prima lovitură este cea de admisie. Pornește după deschiderea supapei de admisie când pistonul este aproape de punctul mort superior (PMS). Mișcându-se în jos, pistonul creează un vid în cilindru, care contribuie la aspirarea aerului și a combustibilului din ele. În același timp, la 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, ceea ce consumă o parte din puterea motorului. În plus, umplerea cilindrilor cu încărcătură proaspătă se înrăutățește 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, mișcându-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 - 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 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 nivelului de zgomot 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 cu 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 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 întârziate a supapei de admisie, scade de la 10 la 8. Și aceasta este deja o scădere a probabilitatea de declanșare a arderii combustibilului, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să creșteți turația motorului în treapta inferioară odată cu creșterea sarcinii. Reduce probabilitatea de detonare a arderii 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 pe pereții camerei de ardere.

În al treilea rând, a fost încălcată relația dintre rapoartele de compresie și expansiune, 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 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 scăderea pierderilor de producţie. Acest lucru face posibilă utilizarea mai pe deplin a energiei gazelor de eșapament, care, de fapt, au asigurat o eficiență ridicată a motorului.

Pentru a obține puterea și cuplul mare necesare modelului de elită Mazda, motorul Miller folosește un compresor mecanic Lisholm instalat în prăbușirea blocului cilindrilor.

Pe lângă motorul de 2,3 litri al lui Xedos 9, ciclul Atkinson a început să fie utilizat în motorul cu încărcare ușoară a 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.

Ciclul Miller este un ciclu termodinamic utilizat la motoarele cu ardere 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 mecanic decât cursa de putere (ca în motorul clasic Atkinson, unde pistonul se mișcă mai repede în sus decât în ​​jos), Miller a venit cu ideea de a scurta cursa de compresie folosind cursa de admisie, păstrând 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 (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 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 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, iar cursa de compresie, așa cum ar fi, este redusă - ca și în Atkinson, numai că este redusă nu în timp, ci în gradul de compresie al amestecului). Să aruncăm o privire mai atentă la a doua abordare a lui Miller.- deoarece este ceva mai avantajos în ceea ce privește pierderile de compresie și, prin urmare, tocmai acesta este implementat practic în motoarele de automobile de serie Mazda „Miller Cycle” (un astfel de motor V6 de 2,3 litri cu un compresor mecanic a fost instalat pe Mazda Xedos-9 pentru o lungă perioadă de timp, iar recent cel mai nou motor „atmosferic” I4 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 aer/combustibil în timpul cursei de admisie, o parte din amestec este forțată înapoi în galeria de admisie prin supapa de admisie deschisă atunci când pistonul se mișcă în sus pe cursa de compresie. Comprimarea 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 se comprimă mai puțin decât ar trebui să se comprima într-un motor Otto de aceeași geometrie mecanică. Acest lucru permite ca raportul geometric de compresie (și, în consecință, raportul de expansiune!) să fie crescut peste limite datorită proprietăților 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 (limitat de combustibil), motorul Miller are un raport de expansiune semnificativ mai mare decât motorul Otto. Acest lucru face posibilă utilizarea mai pe deplin 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.

Desigur, deplasarea inversă a încărcăturii înseamnă o scădere a indicatorilor de putere ai motorului, iar pentru motoarele atmosferice, acest ciclu are sens numai într-un mod relativ îngust de sarcini parțiale. În cazul unei sincronizari constante a supapelor, aceasta poate fi compensată numai în întregul interval dinamic prin utilizarea boost-ului. La modelele hibride, lipsa tracțiunii în condiții nefavorabile este compensată de forța motorului electric.

Beneficiul creșterii eficienței termice a ciclului Miller în raport cu ciclul Otto este însoțit de o pierdere a puterii de vârf pentru o dimensiune (și greutate) dată a motorului din cauza 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 creșterea eficienței termice a ciclului vor fi parțial cheltuite pe pierderi mecanice crescute (frecare, vibrații etc.) odată cu dimensiunea motorului. De aceea, inginerii Mazda și-au construit primul motor de producție cu un ciclu Miller non-atmosferic. Când au atașat un compresor Lysholm la motor, 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 o putere de 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 scăzut - pe autostradă 6,3 l / 100 km, în oraș - 11,8 l / 100 km, ceea ce este în concordanță cu motoarele 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 Ciclul Miller. Noul motor va fi produs într-un 4 cilindri în linie cu un volum de 1,3 litri, în două versiuni: cu o capacitate de 74 de cai putere (118 Nm cuplu) și 83 de cai putere (121 Nm). În același timp, consumul de combustibil al acestor motoare a scăzut cu 20% în comparație cu un motor convențional de aceeași putere - până la puțin peste patru litri la suta de kilometri. În plus, toxicitatea unui motor cu ciclu Miller este cu 75 la sută mai mică decât cerințele actuale de mediu. Implementarea La motoarele Toyota clasice 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 s-a 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, domeniul de închidere al supapei de admisie este de 80-120 ° ... 60-100 ° după BDC. Raportul de compresie geometric este de 13,0-13,5. La mijlocul anilor 2010, au apărut noi motoare cu o gamă largă de sincronizare variabilă a supapelor (VVT-iW), care pot funcționa atât în ​​ciclu normal, cât și în ciclul Miller. Pentru versiunile atmosferice, intervalul de închidere a supapei de admisie este de 30-110 ° după BDC cu un raport de compresie geometric de 12,5-12,7, pentru versiunile turbo - 10-100 ° și, respectiv, 10,0.

Motorul cu ardere internă (ICE) este considerat una dintre cele mai importante componente ale unei mașini; caracteristicile sale, puterea, răspunsul la accelerație și economia depind de cât de confortabil se va simți șoferul la volan. Desi masinile sunt in permanenta imbunatatite, „invazute” cu sisteme de navigatie, gadgeturi la moda, multimedia si asa mai departe, motoarele raman practic neschimbate, cel putin principiul functionarii lor nu se schimba.

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 numai 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, randamentul său nu a depășit 4,65%. Mai târziu, Lenoir a făcut echipă cu Nikolaus Otto, în cooperare 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 inventatorul primului carburator ICE din lume care funcționează pe benzină este considerat a fi designerul rus O.S. Kostovich.

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 un amestec de combustibil);
• compresie (supapele sunt sigilate (închise), amestecul este comprimat, la finalul acestui proces - aprindere, care 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);
• evacuare (la începutul acestei curse, supapa de evacuare se deschide, eliberând calea gazelor de evacuare, arborele cotit, ca urmare a conversiei energiei termice în energie mecanică, continuă să se rotească, ridicând biela cu pistonul în sus) .

Toate cursele sunt în buclă și merg în cerc, iar volantul, care stochează energie, ajută la derularea arborelui cotit.

Deși, în comparație cu versiunea în doi timpi, schema în patru timpi pare a fi mai perfectă, eficiența unui motor pe benzină, chiar și în cel mai bun caz, nu depășește 25%, iar cea mai mare eficiență se regăsește la motoarele diesel. , aici 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 de îmbunătățire a celui de-al treilea ciclu (curs de lucru) în 1882. Proiectantul și-a stabilit obiectivul 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 constat în schimbarea mecanismului manivelei (KShM) și în trecerea tuturor curselor într-o singură rotație a arborelui cotit.

Deși Atkinson a reușit să îmbunătățească eficiența motorului său în raport cu invenția deja patentată Otto, circuitul nu a fost implementat în practică, mecanica s-a dovedit a fi prea complexă. 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 în considerare în continuare de inventatorul Ralph Miller.

Ideea reducerii procesului de compresie și a unui aport mai saturat nu a intrat în uitare, iar americanul R. Miller a revenit la el în 1947. Dar de data aceasta, inginerul a propus să implementeze schema nu complicând KShM, ci schimbând sincronizarea supapei. Au fost luate în considerare două versiuni:

• cursa de lucru cu inchiderea intarziata a supapei de admisie (LICV sau compresie scurta);
• cursă de închidere precoce (EICV sau intrare scurtă).

Închiderea târzie a supapei de admisie are ca rezultat o compresie redusă în comparație cu motorul Otto, determinând o parte din amestecul de combustibil să curgă înapoi în orificiul de admisie. Această soluție constructivă oferă:

• compresie geometrică mai moale a amestecului combustibil-aer;
• economie suplimentară de combustibil, în special la turații 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 regimurile de mare viteză, 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 Mazda Xedos (2,3 L)

Un mecanism special de sincronizare a supapelor cu supape suprapuse asigură o creștere a raportului de compresie (SZ), dacă în versiunea standard, de exemplu, este 11, atunci într-un motor cu compresie scurtă acest indicator, toate celelalte condiții fiind aceleași, crește la 14. La un motor cu 6 cilindri cu ardere internă 2.3 L Mazda Xedos (familia Skyactiv) teoretic arată astfel: 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), dar 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 este închis. La întoarcerea pistonului la PMS:

• volumul în cilindru scade;
• presiunea crește;
• aprinderea de la bujie are loc la un moment dat, depinde de sarcină și de numărul de rotații (sistemul de sincronizare a aprinderii funcționează).

Apoi pistonul coboară, are loc dilatarea, în timp ce transferul de căldură către pereții cilindrului nu este la fel de mare ca în circuitul Otto din cauza compresiei scurte. Când pistonul ajunge la BDC, gazele sunt eliberate, apoi toate acțiunile sunt repetate din nou.

Configurația specială a galeriei de admisie (mai lată și mai scurtă decât de obicei) și unghiul de deschidere al VK 70 de grade la NW 14: 1 face posibilă setarea unui avans de aprindere de 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 = P dV (P - presiune, dV - modificarea volumului) nu are ca scop încălzirea pereților cilindrilor, capul blocului, ci este folosită 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 este până la punctul 2 (TDC), de la 2 la 3 este furnizarea de căldură atunci când pistonul este staționar. Pe măsură ce pistonul trece de la punctul 3 la 4, are loc dilatarea. Lucrarea efectuată este indicată de zona umbrită At.

De asemenea, întreaga schemă poate fi vizualizată în coordonatele T S, unde T reprezintă temperatură și 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 furnizată și îndepărtată.

Dezavantajul seriei Skyactiv este că în comparație cu clasicul Otto, aceste motoare au o putere specifică (reală) mai mică, la un motor de 2,3 L cu șase cilindri este de doar 211 cai putere, iar apoi ținând cont de turbocompresor și 5300 rpm. Dar motoarele au avantaje tangibile:

• raport ridicat de compresie;
• capacitatea de a seta aprinderea timpurie, fără a obține detonarea;
• asigurarea unei accelerații rapide de la oprire;
• Eficiență ridicată.

Și un alt avantaj important al motorului Miller Cycle de la Mazda este consumul economic de combustibil, mai ales la sarcini mici și la ralanti.

Motoarele Atkinson pe mașinile Toyota

Deși ciclul Atkinson nu și-a găsit aplicația practică în secolul al XIX-lea, ideea motorului său este implementată în sistemele de propulsie ale secolului al XXI-lea. Aceste motoare sunt instalate pe unele autoturisme hibride Toyota care funcționează atât cu benzină, cât și cu electricitate. 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 conform ciclului Atkinson / Miller, deoarece folosesc un mecanism de manivelă standard. O reducere a ciclului de compresie se realizează prin modificarea fazelor de distribuție a gazului, în timp ce se prelungește cursa de lucru. 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 este în continuă creștere, 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 de 13,5 în cilindri: 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 Rudolph Diesel în 1897, unitatea de putere era mare, era chiar mai mare decât motoarele cu abur din acei ani. La fel ca motorul Otto, era în patru timpi, dar se distingea printr-un indicator de eficiență excelent, ușurință în utilizare, iar raportul de compresie al motorului cu ardere internă era semnificativ mai mare decât cel al unității de alimentare pe benzină. Primele motoare diesel de la sfârșitul secolului al XIX-lea funcționau cu produse petroliere ușoare și uleiuri vegetale; a existat și o încercare de a folosi praful de cărbune drept combustibil. Dar experimentul a eșuat aproape imediat:

• furnizarea de praf la cilindri a fost problematică;
• carbonul abraziv a uzat rapid grupul cilindru-piston.

Interesant este că inventatorul englez Herbert Aykroyd Stewart 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. În teorie, modelul lui Stewart a oferit o eficiență termică de 12%, în timp ce modelul lui Diesel a atins o eficiență de până la 50%.

În 1898, Gustav Trinkler a proiectat un motor cu ulei de înaltă presiune echipat cu o precamera, acest model este un prototip direct al motoarelor diesel moderne cu ardere internă.

Motoare diesel moderne pentru mașini

Atât motorul pe benzină cu ciclu Otto, cât și motorul diesel, principiul construcției nu s-a schimbat, dar motorul modern diesel cu ardere internă este „încărcat” cu componente suplimentare: un turbocompresor, un sistem electronic de control al alimentării cu combustibil, un intercooler, diverși senzori și curând. Recent, tot mai multe unități de putere cu injecție directă de combustibil „Common Rail” sunt dezvoltate și lansate în serie, furnizând gaze de eșapament ecologice în conformitate cu cerințele moderne, presiune mare de injecție. Diesel-urile cu injecție directă au avantaje destul de tangibile față de motoarele cu sistem de combustibil convențional:

• consuma economic combustibil;
• au o putere mai mare pentru același volum;
• lucrați 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, exigența la calitatea motorinei, cost relativ ridicat. La fel ca motoarele cu combustie internă pe benzină, motoarele diesel sunt în mod constant îmbunătățite, devenind mai avansate din punct de vedere tehnologic și mai complexe.

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 reglarea temporizării de deschidere/închidere a 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”.

Mai mult, 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, o structură prea complicată și o scădere a puterii în comparație cu motoarele de alte modele, prin urmare, nu au primit o distribuție pe scară largă. Celebrele brevete Atkinson se refereau în mod specific la structuri, fără a lua în considerare teoria ciclurilor termodinamice.

În 1947, inginerul american Ralph Miller a revenit la ideea unei compresii reduse și a unei expansiuni continue, propunând să o implementeze nu prin cinematica antrenării pistonului, ci prin selectarea sincronizarii supapelor pentru motoarele cu mecanism convențional de 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 variante înseamnă o scădere a raportului de compresie efectiv (eficient) 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 a binecunoscutelor cicluri termodinamice ale lui Otto și Diesel. Atkinson este autorul ideii abstracte a unui motor cu dimensiuni fizice diferite ale curselor de compresie și expansiune. Ralph Miller a fost cel care a propus organizarea reală a proceselor de lucru în motoare reale, care este folosită 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 urmare, raportul efectiv de compresie este mai mic decât cel geometric (care, la rândul său, este egal cu raportul de dilatare 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.

Implementarea

La motoarele Toyota clasice 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 s-a 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, domeniul de închidere al supapei de admisie este de 80-120 ° ... 60-100 ° după BDC. Raportul de compresie geometric este de 13,0-13,5.

La mijlocul anilor 2010, au apărut noi motoare cu o gamă largă de sincronizare variabilă a supapelor (VVT-iW), care pot funcționa atât în ​​ciclu normal, cât și în ciclul Miller. Pentru versiunile atmosferice, intervalul de închidere a supapei de admisie este de 30-110 ° după BDC cu un raport de compresie geometric de 12,5-12,7, pentru versiunile turbo - 10-100 ° și, respectiv, 10,0.