Cikli Otto. atkinson

Në strukturën automobilistike të makinave të pasagjerëve, për më shumë se një shekull, ato janë përdorur në mënyrë standarde motorët me djegie të brendshme... Ata kanë disa disavantazhe me të cilat shkencëtarët dhe dizajnerët po luftojnë për vite me radhë. Si rezultat i këtyre studimeve fitohen “motorë” mjaft interesantë dhe të çuditshëm. Një prej tyre do të diskutohet në këtë artikull.

Historia e krijimit të ciklit Atkinson

Historia e krijimit të një motori me ciklin Atkinson është i rrënjosur në një histori të largët. Filloni me faktin se motori i parë klasik me katër goditje u shpik nga gjermani Nikolaus Otto në 1876. Cikli i një motori të tillë është mjaft i thjeshtë: marrje, kompresim, goditje pune, shkarkim.

Vetëm 10 vjet pas shpikjes së motorit Otto, një anglez James Atkinson propozoi modifikimin e motorit gjerman... Në thelb, motori mbetet me katër goditje. Por Atkinson ndryshoi pak kohëzgjatjen e dy prej tyre: 2 shiritat e parë janë më të shkurtër, 2 të tjerët janë më të gjatë. Sir James zbatoi këtë skemë duke ndryshuar gjatësinë e goditjeve të pistonit. Por në 1887, një modifikim i tillë i motorit Otto nuk gjeti aplikim. Përkundër faktit se performanca e motorit u rrit me 10%, kompleksiteti i mekanizmit nuk lejoi përdorimin masiv të ciklit Atkinson për makina.

Por inxhinierët vazhduan të punonin në ciklin e Sir James. Amerikani Ralph Miller në 1947 përmirësoi pak ciklin Atkinson, duke e thjeshtuar atë. Kjo bëri të mundur përdorimin e motorit në industrinë e automobilave. Do të dukej më korrekte të quhej cikli Atkinson cikli Miller. Por komuniteti inxhinierik ia la Atkinsonit që të emërtojë motorin sipas emrit të tij, sipas parimit të zbuluesit. Përveç kësaj, me përdorimin e teknologjive të reja, u bë i mundur aplikimi i një cikli më kompleks Atkinson, kështu që cikli Miller u braktis përfundimisht. Për shembull, Toyota e re ka një motor Atkinson, jo një motor Miller.

Në ditët e sotme, motori i ciklit Atkinson përdoret në hibride. Japonezët kanë pasur sukses veçanërisht në këtë, të cilët gjithmonë kujdesen për mirëdashjen mjedisore të makinave të tyre. Hybrid Prius nga Toyota mbushin në mënyrë aktive tregun botëror.

Si funksionon cikli Atkinson

Siç u tha më herët, cikli Atkinson përsërit të njëjtat rriqra si cikli Otto. Por duke përdorur të njëjtat parime, Atkinson krijoi një motor krejtësisht të ri.

Motori është projektuar në mënyrë që pistoni bën të katër goditjet në një rrotullim të boshtit të gungës... Për më tepër, goditjet janë me gjatësi të ndryshme: goditjet e pistonit gjatë ngjeshjes dhe zgjerimit janë më të shkurtra sesa gjatë marrjes dhe shkarkimit. Kjo do të thotë, në ciklin Otto, valvula e marrjes mbyllet pothuajse menjëherë. Në ciklin Atkinson, kjo valvula mbyllet në gjysmë të rrugës në pikën e sipërme të vdekur... Në një motor konvencional me djegie të brendshme, kompresimi po ndodh tashmë në këtë moment.

Motori modifikohet me një bosht me gunga të veçantë në të cilin janë zhvendosur pikat e lidhjes. Si rezultat, raporti i kompresimit të motorit rritet dhe humbjet nga fërkimi minimizohen.

Dallimi nga motorët tradicionalë

Kujtojmë se cikli Atkinson është me katër goditje(marrja, ngjeshja, zgjerimi, emetimi). Një motor tipik me katër goditje përdor ciklin Otto. Shkurtimisht, le të kujtojmë punën e tij. Në fillim të goditjes së punës në cilindër, pistoni ngjitet në pikën e sipërme të funksionimit. Përzierja e karburantit dhe ajrit digjet, gazi zgjerohet, presioni është në maksimum. Nën ndikimin e këtij gazi, pistoni zbret, vjen në qendrën e vdekur të poshtme. Goditja e punës ka mbaruar, valvula e shkarkimit hapet, përmes së cilës del gazi i shkarkimit. Në këtë pikë ndodhin humbje prodhimi, pasi gazi i shkarkimit ka ende një presion të mbetur që nuk mund të përdoret.

Atkinson reduktoi humbjen e lirimit. Në motorin e tij, vëllimi i dhomës së djegies është më i vogël me të njëjtin vëllim pune. Do të thotë se raporti i ngjeshjes është më i lartë dhe goditja e pistonit është më e gjatë... Për më tepër, kohëzgjatja e goditjes së kompresimit zvogëlohet në krahasim me goditjen e punës, motori funksionon në një cikël me një raport zgjerimi të rritur (raporti i ngjeshjes është më i ulët se raporti i zgjerimit). Këto kushte bënë të mundur uljen e humbjes së çlirimit duke përdorur energjinë e gazrave të shkarkimit.

Le të kthehemi te cikli Otto. Kur përzierja e punës thithet, valvula e mbytjes mbyllet dhe krijon rezistencë në hyrje. Kjo ndodh kur pedali i gazit nuk shtypet plotësisht. Me një damper të mbyllur, motori harxhon energji, duke krijuar humbje pompimi.

Atkinson gjithashtu punoi me goditjen e marrjes. Duke e zgjeruar atë, Sir James arriti një reduktim të humbjeve të pompimit. Për ta bërë këtë, pistoni arrin në pjesën e poshtme të tij të vdekur, pastaj ngrihet, duke e lënë valvulën e marrjes të hapur për rreth gjysmën e goditjes së pistonit. Një pjesë e përzierjes së karburantit kthehet në kolektorin e marrjes. Ajo krijon presion që bën të mundur hapjen e lehtë të valvulës së mbytjes me shpejtësi të ulët dhe të mesme.

Por motori Atkinson nuk u lëshua në seri për shkak të ndërprerjeve në punë. Fakti është se, ndryshe nga një motor me djegie të brendshme, motori funksionon vetëm me shpejtësi të rritur. Në gjendje boshe, mund të ngecë. Por ky problem u zgjidh në prodhimin e hibrideve. Me shpejtësi të ulët, makina të tilla funksionojnë me një tërheqje elektrike dhe kalojnë në një motor benzine vetëm në rast përshpejtimi ose nën ngarkesë. Një model i tillë heq disavantazhet e motorit Atkinson dhe thekson avantazhet e tij ndaj ICE-ve të tjerë.

Avantazhet dhe disavantazhet e ciklit Atkinson

Motori Atkinson ka disa Përparësitë, duke e ndarë atë përpara pjesës tjetër të motorit me djegie të brendshme: 1. Reduktimi i humbjeve të karburantit. Siç u përmend më herët, duke ndryshuar kohën e ciklit, u bë i mundur kursimi i karburantit duke përdorur gazrat e shkarkimit dhe duke reduktuar humbjet e pompimit. 2. Probabilitet i ulët i djegies së shpërthimit. Raporti i kompresimit të karburantit zvogëlohet nga 10 në 8. Kjo ju lejon të mos rrisni shpejtësinë e motorit duke kaluar në një marsh më të ulët për shkak të rritjes së ngarkesës. Gjithashtu, mundësia e djegies së shpërthimit është më e vogël për shkak të lëshimit të nxehtësisë nga dhoma e djegies në kolektorin e marrjes. 3. Konsumi i ulët i benzinës. Në modelet e reja hibride, kilometrazhi i gazit është 4 litra për 100 km. 4. Rentabiliteti, mirëdashësi mjedisore, efikasitet i lartë.

Por motori Atkinson ka një pengesë të rëndësishme që nuk e lejoi atë të përdoret në prodhimin masiv të makinave. Për shkak të treguesve të fuqisë së ulët, motori mund të ngecë në rrotullime të ulëta. Prandaj, motori Atkinson zuri rrënjë shumë mirë në hibride.

Zbatimi i ciklit Atkinson në industrinë e automobilave

Nga rruga, në lidhje me makinat në të cilat janë instaluar motorët e Atkinson. Në prodhimin masiv, ky modifikim i motorit me djegie të brendshme u shfaq jo shumë kohë më parë. Siç u përmend më herët, përdoruesit e parë të ciklit Atkinson ishin firmat japoneze dhe Toyota. Një nga makinat më të famshme - MazdaXedos 9 / Eunos800, e cila është prodhuar në vitet 1993-2002.

Pastaj, motori me djegie të brendshme të Atkinson u miratua nga prodhuesit e modeleve hibride. Një nga kompanitë më të famshme që përdor këtë motor është Toyota nxjerrjen Prius, Camry, Highlander Hybrid dhe Harrier Hybrid... Të njëjtët motorë përdoren në Lexus RX400h, GS 450h dhe LS600h, dhe Ford dhe Nissan janë zhvilluar Escape Hybrid dhe Altima hibrid.

Vlen të thuhet se në industrinë e automobilave ekziston një modë për ekologjinë. Prandaj, hibridet që operojnë në ciklin Atkinson plotësojnë plotësisht nevojat e klientëve dhe rregulloret mjedisore. Për më tepër, përparimi nuk qëndron ende, modifikimet e reja në motorin Atkinson përmirësojnë avantazhet e tij dhe shkatërrojnë minuset. Prandaj, mund të themi me besim se motori i ciklit Atkinson ka një të ardhme produktive dhe shpresë për një jetë të gjatë.

Para se të flas për tiparet e motorit "Mazda" "Miller" (cikli Miller), vërej se nuk është një pesë-stroke, por me katër goditje, si motori Otto. Motori Miller nuk është gjë tjetër veçse një motor klasik i përmirësuar me djegie të brendshme. Strukturisht, këta motorë janë praktikisht të njëjtë. Dallimi qëndron në kohën e valvulës. Ajo që i dallon është se motori klasik punon sipas ciklit të inxhinierit gjerman Nicholas Otto, dhe motori "Mazda" "Miller" - sipas ciklit të inxhinierit britanik James Atkinson, megjithëse për disa arsye është emëruar sipas Inxhinieri amerikan Ralph Miller. Ky i fundit gjithashtu krijoi ciklin e vet të funksionimit të motorit me djegie të brendshme, por për sa i përket efikasitetit të tij është inferior ndaj ciklit Atkinson.

Atraktiviteti i V-six i instaluar në modelin Xedos 9 (Millenia ose Eunos 800) është se, me një vëllim pune prej 2.3 litrash, prodhon 213 kf. dhe një çift rrotullues prej 290 Nm, i cili është i barabartë me karakteristikat e një motori 3-litërsh. Në të njëjtën kohë, konsumi i karburantit i një motori kaq të fortë është shumë i ulët - në autostradë 6.3 (!) L / 100 km, në qytet - 11.8 l / 100 km, që korrespondon me performancën e 1.8-2 litra. motorët. Jo keq.

Për të kuptuar se cili është sekreti i motorit Miller, duhet të kujtojmë parimin e funksionimit të motorit të njohur me katër goditje Otto. Goditja e parë është goditja e marrjes. Fillon pas hapjes së valvulës së marrjes kur pistoni është afër qendrës së vdekur të sipërme (TDC). Duke lëvizur poshtë, pistoni krijon një vakum në cilindër, i cili kontribuon në thithjen e ajrit dhe karburantit në to. Në të njëjtën kohë, me shpejtësi të ulët dhe të mesme të motorit, kur valvula e mbytjes është pjesërisht e hapur, shfaqen të ashtuquajturat humbje të pompimit. Thelbi i tyre është se për shkak të vakumit të lartë në kolektorin e marrjes, pistonët duhet të punojnë në modalitetin e pompës, e cila konsumon një pjesë të fuqisë së motorit. Për më tepër, mbushja e cilindrave me një ngarkesë të freskët përkeqësohet dhe, në përputhje me rrethanat, rritet konsumi i karburantit dhe emetimet e substancave të dëmshme në atmosferë. Kur pistoni arrin në pikën e vdekur të poshtme (BDC), valvula e marrjes mbyllet. Pas kësaj, pistoni, duke lëvizur lart, ngjesh përzierjen e djegshme - ndodh një goditje kompresimi. Pranë TDC, përzierja ndizet, presioni në dhomën e djegies rritet, pistoni lëviz poshtë - goditja e punës. Valvula e daljes hapet në BDC. Kur pistoni lëviz lart - goditja e shkarkimit - gazrat e shkarkimit që mbeten në cilindra shtyhen në sistemin e shkarkimit.

Vlen të theksohet se kur hapet valvula e shkarkimit, gazrat në cilindra janë ende nën presion, kështu që çlirimi i kësaj energjie të papërdorur quhet humbje e shkarkimit. Në të njëjtën kohë, funksioni i uljes së nivelit të zhurmës iu caktua silenciatorit të sistemit të shkarkimit.

Për të zvogëluar fenomenet negative që lindin kur motori funksionon me një skemë klasike të kohës së valvulave, koha e valvulave në motorin "Mazda" Miller u ndryshua në përputhje me ciklin Atkinson. Valvula e marrjes nuk mbyllet afër qendrës së vdekur të poshtme, por shumë më vonë - kur boshti me gunga kthehet 700 nga BDC (në motorin Ralph Miller, valvula mbyllet përkundrazi - shumë më herët se sa pistoni kalon BDC). Cikli Atkinson ofron një sërë përfitimesh. Së pari, humbjet e pompimit zvogëlohen, pasi një pjesë e përzierjes kur pistoni lëviz lart, shtyhet në kolektorin e marrjes, duke zvogëluar vakumin në të.

Së dyti, raporti i kompresimit ndryshon. Teorikisht, ajo mbetet e njëjtë, pasi goditja e pistonit dhe vëllimi i dhomës së djegies nuk ndryshojnë, por në fakt, për shkak të mbylljes së vonuar të valvulës së marrjes, zvogëlohet nga 10 në 8. Dhe kjo tashmë është një rënie në gjasat e goditjes së djegies së karburantit, që do të thotë se nuk ka nevojë të rritet shpejtësia e motorit duke ulur shpejtësinë me rritjen e ngarkesës. Zvogëlon mundësinë e djegies së shpërthimit dhe faktin që përzierja e djegshme e shtyrë nga cilindrat kur pistoni lëviz lart derisa valvula të mbyllet, mbart me vete në kolektorin e marrjes pjesën e nxehtësisë së marrë nga muret e dhomës së djegies.

Së treti, lidhja midis raporteve të ngjeshjes dhe zgjerimit u shkel, pasi për shkak të mbylljes së mëvonshme të valvulës së marrjes, kohëzgjatja e goditjes së ngjeshjes në lidhje me kohëzgjatjen e goditjes së zgjerimit kur valvula e shkarkimit është e hapur u zvogëlua ndjeshëm. Motori funksionon sipas të ashtuquajturit cikël me një raport të rritur të zgjerimit, në të cilin energjia e gazrave të shkarkimit përdoret për një periudhë më të gjatë, d.m.th. me një ulje të humbjeve të prodhimit. Kjo bën të mundur përdorimin më të plotë të energjisë së gazrave të shkarkimit, të cilat, në fakt, siguruan efikasitet të lartë të motorit.

Për të marrë fuqinë dhe çift rrotullues të lartë të kërkuar për modelin elitar Mazda, motori Miller përdor një kompresor mekanik Lisholm të instaluar në kolapsin e bllokut të cilindrit.

Përveç motorit 2.3 litra të Xedos 9, cikli Atkinson filloi të përdoret në motorin me ngarkesë të lehtë të instalimit hibrid të Toyota Prius. Ai ndryshon nga ai "Mazda" në atë që nuk ka një ventilator ajri, dhe raporti i kompresimit ka një vlerë të lartë - 13.5.

Cikli Miller është një cikël termodinamik i përdorur në motorët me djegie të brendshme me katër goditje. Cikli Miller u propozua në 1947 nga inxhinieri amerikan Ralph Miller si një mënyrë për të kombinuar avantazhet e motorit Atkinson me mekanizmin më të thjeshtë të pistonit të motorit Otto. Në vend që ta bënte goditjen e ngjeshjes mekanikisht më të shkurtër se ajo e fuqisë (si në motorin klasik Atkinson, ku pistoni lëviz më shpejt se poshtë), Miller doli me idenë për të shkurtuar goditjen e kompresimit duke përdorur goditjen e marrjes, duke mbajtur lëvizja e pistonit lart e poshtë është e njëjtë në shpejtësi (si në motorin klasik Otto).

Për ta bërë këtë, Miller propozoi dy mënyra të ndryshme: ose mbyllni valvulën e marrjes shumë më herët se fundi i goditjes së marrjes (ose hapeni më vonë se fillimi i kësaj goditjeje), ose mbylleni atë shumë më vonë se fundi i kësaj goditjeje. Qasja e parë midis inxhinierëve të motorit quhet konvencionalisht "marrje e shkurtuar", dhe e dyta - "ngjeshje e shkurtuar". Në fund të fundit, të dyja këto qasje japin të njëjtën gjë: një rënie në raportin aktual të ngjeshjes së përzierjes së punës në raport me atë gjeometrik, duke ruajtur të njëjtin raport zgjerimi (d.m.th., goditja e goditjes së punës mbetet e njëjtë si në Motori Otto, dhe goditja e kompresimit, si të thuash, zvogëlohet - si në Atkinson, vetëm se zvogëlohet jo në kohë, por në shkallën e ngjeshjes së përzierjes). Le të hedhim një vështrim më të afërt në qasjen e dytë të Millerit.- pasi është disi më fitimprurës për sa i përket humbjeve të kompresimit, dhe për këtë arsye është pikërisht ai që zbatohet praktikisht në motorët serialë të automobilave Mazda "Miller Cycle" (një motor i tillë 2.3 litra V6 me një mbingarkues mekanik është instaluar në Mazda Xedos-9 për një kohë të gjatë, dhe së fundmi motori më i ri "atmosferik" I4 i këtij lloji me një vëllim prej 1.3 litrash u mor nga modeli Mazda-2).

Në një motor të tillë, valvula e marrjes nuk mbyllet në fund të goditjes së marrjes, por mbetet e hapur gjatë pjesës së parë të goditjes së kompresimit. Megjithëse i gjithë vëllimi i cilindrit ishte i mbushur me përzierjen e ajrit/karburantit gjatë goditjes së marrjes, një pjesë e përzierjes detyrohet të kthehet në kolektorin e marrjes përmes valvulës së hapur të marrjes kur pistoni lëviz lart në goditjen e kompresimit. Kompresimi i përzierjes në fakt fillon më vonë kur valvula e marrjes mbyllet përfundimisht dhe përzierja bllokohet në cilindër. Kështu, përzierja në një motor Miller ngjesh më pak se sa do të duhej të kompresohej në një motor Otto me të njëjtën gjeometri mekanike. Kjo lejon që raporti gjeometrik i ngjeshjes (dhe, në përputhje me rrethanat, raporti i zgjerimit!) të rritet mbi kufijtë për shkak të vetive të goditjes së karburantit - duke e çuar ngjeshjen aktuale në vlera të pranueshme për shkak të "shkurtimit të kompresimit" të përshkruar më sipër. ciklit". Me fjalë të tjera, me të njëjtin raport aktual të kompresimit (karburant i kufizuar), motori Miller ka një raport zgjerimi dukshëm më të lartë se motori Otto. Kjo bën të mundur përdorimin më të plotë të energjisë së gazrave që zgjerohen në cilindër, gjë që, në fakt, rrit efikasitetin termik të motorit, siguron efikasitet të lartë të motorit, etj.

Sigurisht, zhvendosja e kundërt e ngarkesës nënkupton një rënie të parametrave të fuqisë së motorit, dhe për motorët atmosferikë ka kuptim të punohet në një cikël të tillë vetëm në një mënyrë relativisht të ngushtë të ngarkesave të pjesshme. Në rastin e kohës së vazhdueshme të valvulave, kjo mund të kompensohet vetëm në të gjithë diapazonin dinamik duke përdorur përforcim. Në modelet hibride, mungesa e tërheqjes në kushte të pafavorshme kompensohet nga shtytja e motorit elektrik.

Përfitimi i rritjes së efikasitetit termik të ciklit Miller në krahasim me ciklin Otto shoqërohet me një humbje të fuqisë maksimale të prodhimit për një madhësi të caktuar motori (dhe peshë) për shkak të mbushjes së cilindrit të degraduar. Meqenëse një motor Miller më i madh do të kërkohej për të arritur të njëjtën fuqi dalëse se një motor Otto, përfitimet nga rritja e efikasitetit termik të ciklit do të shpenzohen pjesërisht në rritjen e humbjeve mekanike (fërkime, dridhje, etj.) me madhësinë e motorit. Kjo është arsyeja pse inxhinierët e Mazda ndërtuan motorin e tyre të parë të prodhimit me një cikël Miller jo-atmosferik. Kur ata lidhën një superngarkues Lysholm në motor, ata ishin në gjendje të rifitonin densitetin e lartë të fuqisë pa humbur shumë nga efikasiteti i siguruar nga cikli Miller. Ishte ky vendim që e bëri motorin Mazda V6 "Miller Cycle" tërheqës për Mazda Xedos-9 (Millenia ose Eunos-800). Në të vërtetë, me një vëllim pune prej 2.3 litrash, ai prodhon një fuqi prej 213 kf. dhe një çift rrotullues prej 290 Nm, i cili është i barabartë me karakteristikat e motorëve atmosferikë konvencionale 3 litra, dhe në të njëjtën kohë, konsumi i karburantit për një motor kaq të fuqishëm në një makinë të madhe është shumë i ulët - në autostradë 6.3 l / 100 km, në qytet - 11.8 l / 100 km, që korrespondon me performancën e motorëve shumë më pak të fuqishëm 1.8 litra. Zhvillimi i mëtejshëm i teknologjisë i lejoi inxhinierët e Mazda të ndërtonin një motor të ciklit Miller me karakteristika të pranueshme të densitetit të fuqisë pa përdorur mbingarkues - Sistemi i ri i Kohës së Valvulave Sekuenciale, që kontrollon në mënyrë dinamike fazat e marrjes dhe shkarkimit, lejon të kompensojë pjesërisht rënien e fuqisë maksimale të natyrshme në Cikli Miller. Motori i ri do të prodhohet në një 4 cilindra në linjë me vëllim 1.3 litra, në dy versione: me një kapacitet prej 74 kuaj fuqi (118 Nm çift rrotullues) dhe 83 kuaj fuqi (121 Nm). Në të njëjtën kohë, konsumi i karburantit i këtyre motorëve është ulur në krahasim me një motor konvencional me të njëjtën fuqi me 20 përqind - deri në pak më shumë se katër litra për njëqind kilometra. Përveç kësaj, toksiciteti i një motori të ciklit Miller është 75 përqind më i ulët se kërkesat aktuale mjedisore. Zbatimi Në motorët klasikë Toyota të viteve '90 me faza fikse, që funksionojnë në ciklin Otto, valvula e marrjes mbyllet 35-45 ° pas BDC (për sa i përket këndit të boshtit të gungës), raporti i ngjeshjes është 9.5-10.0. Në motorët më modernë me VVT, diapazoni i mundshëm i mbylljes së valvulës së marrjes është zgjeruar në 5-70 ° pas BDC, raporti i kompresimit është rritur në 10.0-11.0. Në motorët e modeleve hibride që funksionojnë vetëm sipas ciklit Miller, diapazoni i mbylljes së valvulës së marrjes është 80-120 ° ... 60-100 ° pas BDC. Raporti gjeometrik i ngjeshjes është 13.0-13.5. Nga mesi i viteve 2010, u shfaqën motorë të rinj me një gamë të gjerë të kohës së ndryshueshme të valvulave (VVT-iW), të cilët mund të funksionojnë si në ciklin normal ashtu edhe në ciklin Miller. Për versionet atmosferike, diapazoni i mbylljes së valvulës së marrjes është 30-110 ° pas BDC me një raport gjeometrik kompresimi prej 12.5-12.7, për versionet turbo - përkatësisht 10-100 ° dhe 10.0.

Motori me djegie të brendshme (ICE) konsiderohet si një nga komponentët më të rëndësishëm në një makinë; karakteristikat e tij, fuqia, reagimi i mbytjes dhe ekonomia varen nga sa rehat do të ndihet shoferi në timon. Edhe pse makinat po përmirësohen vazhdimisht, "të mbingarkuara" me sisteme navigimi, vegla në modë, multimedia e kështu me radhë, motorët mbeten praktikisht të pandryshuar, të paktën parimi i funksionimit të tyre nuk ndryshon.

Cikli Otto Atkinson, i cili formoi bazën e motorit me djegie të brendshme të automobilave, u zhvillua në fund të shekullit të 19-të, dhe që nga ajo kohë nuk ka pësuar pothuajse asnjë ndryshim global. Vetëm në vitin 1947 Ralph Miller arriti të përmirësojë zhvillimin e paraardhësve të tij, duke marrë më të mirën nga secili prej modeleve të ndërtimit të motorit. Por për të kuptuar në terma të përgjithshëm parimin e funksionimit të njësive moderne të energjisë, duhet të shikoni pak në histori.

Efikasiteti i motorëve Otto

Motori i parë për një makinë, i cili mund të funksiononte normalisht jo vetëm teorikisht, u zhvillua nga francezi E. Lenoir në vitin 1860, ishte modeli i parë me një mekanizëm maniak. Njësia punonte me gaz, përdorej në varka, efikasiteti i tij nuk kalonte 4.65%. Më vonë Lenoir u bashkua me Nikolaus Otto, në bashkëpunim me një projektues gjerman në 1863, u krijua një motor me djegie të brendshme 2-stroke me një efikasitet prej 15%.

Parimi i një motori me katër goditje u propozua për herë të parë nga N.A.Otto në 1876; është ky projektues autodidakt që konsiderohet krijuesi i motorit të parë për një makinë. Motori kishte një sistem energjie gazi, ndërsa shpikësi i karburatorit të parë në botë ICE që funksiononte me benzinë ​​konsiderohet të jetë projektuesi rus O.S. Kostovich.

Puna e ciklit Otto përdoret në shumë motorë modernë, ka gjithsej katër goditje:

• hyrje (kur hapet valvula e hyrjes, hapësira cilindrike mbushet me një përzierje karburanti);
• kompresim (valvulat janë të mbyllura (të mbyllura), përzierja është e ngjeshur, në fund të këtij procesi - ndezja, e cila sigurohet nga kandela);
• goditje pune (për shkak të temperaturave të larta dhe presionit të lartë, pistoni nxiton poshtë, bën që shufra lidhëse dhe boshti me gunga të lëvizin);
• shkarkimi (në fillim të kësaj goditjeje, valvula e shkarkimit hapet, duke liruar rrugën për gazrat e shkarkimit, boshti me gunga, si rezultat i shndërrimit të energjisë së nxehtësisë në energji mekanike, vazhdon të rrotullohet, duke ngritur shufrën lidhëse me pistonin lart) .

Të gjitha goditjet janë të lakuara dhe shkojnë në një rreth, dhe volantja, e cila ruan energjinë, ndihmon në zbërthimin e boshtit me gunga.

Megjithëse, në krahasim me versionin me dy goditje, skema me katër goditje duket të jetë më e përsosur, efikasiteti i një motori me benzinë, edhe në rastin më të mirë, nuk kalon 25%, dhe efikasiteti më i lartë gjendet në motorët me naftë. , këtu mund të rritet në maksimum 50%.

Cikli termodinamik i Atkinsonit

James Atkinson, një inxhinier britanik që vendosi të modernizonte shpikjen e Otto-s, propozoi versionin e tij të përmirësimit të ciklit të tretë (goditja e punës) në 1882. Projektuesi vendosi qëllimin për të rritur efikasitetin e motorit dhe për të zvogëluar procesin e kompresimit, për ta bërë motorin me djegie të brendshme më ekonomik, më pak të zhurmshëm, dhe ndryshimi në skemën e tij të ndërtimit konsistonte në ndryshimin e lëvizjes së mekanizmit të fiksimit (KShM) dhe në kalimin e të gjitha goditjeve në një rrotullim të boshtit të gungës.

Megjithëse Atkinson ishte në gjendje të përmirësonte efikasitetin e motorit të tij në lidhje me shpikjen tashmë të patentuar Otto, qarku nuk u zbatua në praktikë, mekanika doli të ishte shumë komplekse. Por Atkinson ishte projektuesi i parë që propozoi funksionimin e një motori me djegie të brendshme me një raport të reduktuar të kompresimit, dhe parimi i këtij cikli termodinamik u mor më tej në konsideratë nga shpikësi Ralph Miller.

Ideja e reduktimit të procesit të kompresimit dhe një marrjeje më të ngopur nuk u harrua dhe amerikani R. Miller iu kthye asaj në 1947. Por këtë herë inxhinieri propozoi zbatimin e skemës jo duke ndërlikuar KShM, por duke ndryshuar kohën e valvulave. U konsideruan dy versione:

• goditje pune me mbyllje të vonuar të valvulës së marrjes (LICV ose kompresim i shkurtër);
• goditje e hershme e mbylljes (EICV ose hyrje e shkurtër).

Mbyllja e vonshme e valvulës së marrjes rezulton në kompresim të reduktuar në krahasim me motorin Otto, duke bërë që një pjesë e përzierjes së karburantit të rrjedhë përsëri në portën e marrjes. Kjo zgjidhje konstruktive jep:

• kompresim më i butë gjeometrik i përzierjes karburant-ajër;
• ekonomi shtesë e karburantit, veçanërisht në rrotullime të ulëta;
• më pak shpërthim;
• niveli i ulët i zhurmës.

Disavantazhet e kësaj skeme përfshijnë një ulje të fuqisë me shpejtësi të lartë, pasi procesi i kompresimit është zvogëluar. Por për shkak të mbushjes më të plotë të cilindrave, efikasiteti në rrotullime të ulëta rritet dhe raporti gjeometrik i ngjeshjes rritet (ai aktual zvogëlohet). Një paraqitje grafike e këtyre proceseve mund të shihet në figurat me diagrame të kushtëzuara më poshtë.

Motorët që funksionojnë sipas skemës Miller humbasin fuqinë ndaj Otto në mënyrat e shpejtësisë së lartë, por në kushtet e funksionimit urban kjo nuk është aq e rëndësishme. Por motorë të tillë janë më ekonomikë, shpërthejnë më pak, punojnë më të butë dhe më të qetë.

Motori i ciklit Miller në Mazda Xedos (2,3 litra)

Një mekanizëm i veçantë i kohës së valvulave me valvola të mbivendosura siguron një rritje të raportit të kompresimit (SZ), nëse në versionin standard, për shembull, është 11, atëherë në një motor me kompresim të shkurtër ky tregues, me të gjitha kushtet e tjera të njëjta, rritet në 14. Në një motor 6 cilindrash me djegie të brendshme 2.3 L Mazda Xedos (familja Skyactiv) teorikisht duket kështu: valvula e hyrjes (VK) hapet kur pistoni ndodhet në pikën e sipërme të vdekur (shkurtuar si TDC), nuk mbyllet në pikën e poshtme (BDC), por më vonë, mbetet e hapur në 70º. Në këtë rast, një pjesë e përzierjes së karburantit-ajrit shtyhet përsëri në kolektorin e marrjes, kompresimi fillon pasi të mbyllet VC. Pas kthimit të pistonit në TDC:

• vëllimi në cilindër zvogëlohet;
• presioni rritet;
• ndezja nga kandela ndodh në një moment të caktuar, varet nga ngarkesa dhe numri i rrotullimeve (sistemi i kohës së ndezjes funksionon).

Pastaj pistoni zbret, ndodh zgjerimi, ndërsa transferimi i nxehtësisë në muret e cilindrit nuk është aq i lartë sa në skemën Otto për shkak të ngjeshjes së shkurtër. Kur pistoni arrin BDC, gazrat lëshohen, pastaj të gjitha veprimet përsëriten përsëri.

Konfigurimi i veçantë i kolektorit të marrjes (më i gjerë dhe më i shkurtër se zakonisht) dhe këndi i hapjes së VK 70 gradë në NW 14: 1 bën të mundur vendosjen e një avancimi të ndezjes prej 8º në boshe pa ndonjë trokitje të dukshme. Gjithashtu, kjo skemë siguron një përqindje më të madhe të punës së dobishme mekanike, ose, me fjalë të tjera, ju lejon të rrisni efikasitetin. Rezulton se puna, e llogaritur me formulën A = P dV (P - presioni, dV - ndryshimi i vëllimit), nuk ka për qëllim ngrohjen e mureve të cilindrit, kokës së bllokut, por përdoret për të përfunduar goditjen e punës. Në mënyrë skematike, i gjithë procesi mund të shihet në figurë, ku fillimi i ciklit (BDC) tregohet me numrin 1, procesi i kompresimit është deri në pikën 2 (TDC), nga 2 në 3 është furnizimi me nxehtësi kur pistoni është i palëvizshëm. Ndërsa pistoni shkon nga pika 3 në 4, ndodh zgjerimi. Puna e kryer tregohet nga zona e hijezuar At.

Gjithashtu, e gjithë skema mund të shihet në koordinatat T S, ku T qëndron për temperaturën, dhe S është entropia, e cila rritet me furnizimin me nxehtësi të substancës, dhe në analizën tonë kjo është një vlerë e kushtëzuar. Emërtimet Q p dhe Q 0 - sasia e nxehtësisë së furnizuar dhe të hequr.

Disavantazhi i serisë Skyactiv është se në krahasim me Otto klasik, këta motorë kanë më pak fuqi specifike (aktuale), në një motor 2.3 L me gjashtë cilindra është vetëm 211 kuaj fuqi, dhe më pas duke marrë parasysh turbocharging dhe 5300 rpm. Por motorët kanë avantazhe të prekshme:

• raport i lartë i kompresimit;
• aftësia për të vendosur ndezjen e hershme, duke mos marrë shpërthim;
• sigurimi i përshpejtimit të shpejtë nga ndalesa;
• efikasitet të lartë.

Dhe një avantazh tjetër i rëndësishëm i motorit Miller Cycle nga Mazda është konsumi i tij ekonomik i karburantit, veçanërisht në ngarkesa të ulëta dhe me shpejtësi boshe.

Motorët Atkinson në makinat Toyota

Edhe pse cikli Atkinson nuk gjeti aplikimin e tij praktik në shekullin e 19-të, ideja e motorit të tij zbatohet në motorët e shekullit të 21-të. Këta motorë janë instaluar në disa makina hibride të pasagjerëve Toyota që punojnë me benzinë ​​dhe energji elektrike. Duhet të sqarohet se teoria e Atkinson nuk përdoret kurrë në formën e saj të pastër; përkundrazi, zhvillimet e reja të inxhinierëve të Toyota mund të quhen ICE, të dizajnuara sipas ciklit Atkinson / Miller, pasi ato përdorin një mekanizëm standard të fiksimit. Zvogëlimi i ciklit të kompresimit arrihet duke ndryshuar fazat e shpërndarjes së gazit, ndërkohë që goditja e punës zgjatet. Motorët që përdorin një skemë të ngjashme gjenden në makinat Toyota:

• Prius;
• Yaris;
• Auris;
• malësor;
• Lexus GS 450h;
• Lexus CT 200h;
• Lexus HS 250h;
• Vitz.

Gama e motorëve me skemën Atkinson / Miller po rritet vazhdimisht, kështu që në fillim të vitit 2017, shqetësimi japonez nisi prodhimin e një motori me djegie të brendshme me katër cilindra 1.5 litërsh me benzinë ​​me oktan të lartë, duke siguruar 111 kuaj fuqi, me një raport kompresimi prej 13.5 në cilindra: një. Motori është i pajisur me një ndërrues fazor VVT-IE i aftë për të ndërruar modalitetet Otto / Atkinson në varësi të shpejtësisë dhe ngarkesës, me këtë njësi fuqie makina mund të përshpejtojë në 100 km / orë në 11 sekonda. Motori është ekonomik, me efikasitet të lartë (deri në 38.5%), siguron përshpejtim të shkëlqyeshëm.

Cikli i naftës

Motori i parë me naftë u projektua dhe u ndërtua nga shpikësi dhe inxhinieri gjerman Rudolph Diesel në 1897, njësia e fuqisë ishte e madhe, ishte edhe më e madhe se motorët me avull të atyre viteve. Ashtu si motori Otto, ai ishte me katër goditje, por dallohej nga efikasiteti i shkëlqyer, lehtësia e përdorimit dhe raporti i ngjeshjes së motorit me djegie të brendshme ishte dukshëm më i lartë se ai i njësisë së fuqisë së benzinës. Motorët e parë me naftë të fundit të shekullit të 19-të punonin me produkte të lehta të naftës dhe vajra bimore; kishte gjithashtu një përpjekje për të përdorur pluhurin e qymyrit si lëndë djegëse. Por eksperimenti dështoi pothuajse menjëherë:

• furnizimi me pluhur në cilindra ishte problematik;
• karboni gërryes e konsumoi shpejt grupin cilindër-piston.

Është interesante se shpikësi anglez Herbert Aykroyd Stewart patentoi një motor të ngjashëm dy vjet më herët se Rudolf Diesel, por Diesel arriti të projektonte një model me presion të rritur të cilindrit. Modeli i Stewart-it në teori siguronte efikasitet termik 12%, ndërsa modeli i Diesel-it arriti efikasitet deri në 50%.

Në 1898, Gustav Trinkler projektoi një motor vaji me presion të lartë të pajisur me një dhomë paraprake, dhe është ky model që është një prototip i drejtpërdrejtë i motorëve modernë me djegie të brendshme me naftë.

Motorë modernë me naftë për makina

Si motori i benzinës së ciklit Otto ashtu edhe motori me naftë, parimi i ndërtimit nuk ka ndryshuar, por motori modern me djegie të brendshme me naftë është "i tejmbushur" me komponentë shtesë: një turbongarkues, një sistem elektronik të kontrollit të furnizimit me karburant, një ndërftohës, sensorë të ndryshëm dhe kështu me radhë. Kohët e fundit, gjithnjë e më shumë njësi të energjisë me injeksion të drejtpërdrejtë të karburantit "Common Rail" po zhvillohen dhe lëshohen në seri, duke siguruar gazra shkarkimi miqësore me mjedisin në përputhje me kërkesat moderne, presion të lartë injektimi. Dieselët me injeksion të drejtpërdrejtë kanë avantazhe mjaft të prekshme ndaj motorëve me një sistem karburanti konvencional:

• konsumoni ekonomikisht karburant;
• kanë një fuqi më të lartë për të njëjtin vëllim;
• punë me një nivel të ulët zhurme;
• lejon që makina të përshpejtojë më shpejt.

Disavantazhet e motorëve Common Rail: kompleksitet mjaft i lartë, nevoja për riparim dhe mirëmbajtje për të përdorur pajisje speciale, saktësi ndaj cilësisë së karburantit dizel, kosto relativisht e lartë. Ashtu si motorët me djegie të brendshme me benzinë, motorët me naftë po përmirësohen vazhdimisht, duke u bërë më të avancuar teknologjikisht dhe më kompleks.

Prioritetet

Që nga shfaqja e Prius-it të parë, u krijua përshtypja se James Atkinson i pëlqente shumë më shumë Toyota-s se Ralph Miller-it. Dhe gradualisht "cikli Atkinson" i deklaratave të tyre për shtyp u përhap në të gjithë komunitetin gazetaresk.

Toyota zyrtarisht: "Një motor me ciklin e nxehtësisë i propozuar nga James Atkinson (MB) në të cilin kohëzgjatja e goditjes së ngjeshjes dhe e goditjes së zgjerimit mund të vendoset në mënyrë të pavarur. Përmirësimi i mëvonshëm nga RH Miller (SHBA) lejoi rregullimin e kohës së hapjes / mbylljes së valvulës së marrjes për të mundësuar një sistem praktik (Cikli i Millerit).
- Toyota jozyrtarisht dhe antishkencore: "Motor Miller Cycle është një motor i ciklit Atkinson me një superngarkues".

Për më tepër, edhe në mjedisin inxhinierik lokal, cikli Miller ka ekzistuar që nga kohra të lashta. Si do të ishte më e saktë?

Në 1882, shpikësi britanik James Atkinson propozoi idenë e rritjes së efikasitetit të një motori reciprok duke reduktuar goditjen e kompresimit dhe duke rritur goditjen e zgjerimit të lëngut të punës. Praktikisht, kjo ishte menduar të realizohej nga mekanizma komplekse të drejtimit të pistonit (dy pistona sipas skemës "boksier", një pistoni me një mekanizëm fiksues). Versionet e ndërtuara të motorëve treguan një rritje të humbjeve mekanike, një strukturë tepër të ndërlikuar dhe një rënie të fuqisë në krahasim me motorët e modeleve të tjera, prandaj, ato nuk morën shpërndarje të gjerë. Patentat e famshme të Atkinson lidhen posaçërisht me strukturat, pa marrë parasysh teorinë e cikleve termodinamike.

Në vitin 1947, inxhinieri amerikan Ralph Miller iu kthye idesë së ngjeshjes së reduktuar dhe zgjerimit të vazhdueshëm, duke propozuar zbatimin e tij jo me anë të kinematikës së makinës së pistonit, por me zgjedhjen e kohës së valvulave për motorët me një mekanizëm konvencional të fiksimit. . Në patentë, Miller shqyrtoi dy opsione për organizimin e rrjedhës së punës - me mbylljen e hershme (EICV) ose të vonë (LICV) të valvulës së marrjes. Në fakt, të dy opsionet nënkuptojnë një ulje të raportit aktual të kompresimit (efektiv) në raport me atë gjeometrik. Duke kuptuar se një reduktim i kompresimit do të çonte në një humbje të fuqisë së motorit, Miller fillimisht u përqendrua në motorët me mbingarkesë, në të cilët humbja e mbushjes do të kompensohej nga kompresori. Cikli teorik i Millerit për një motor me ndezje me shkëndijë është plotësisht në përputhje me ciklin teorik të motorit Atkinson.

Në përgjithësi, cikli Miller / Atkinson nuk është një cikël i pavarur, por një shumëllojshmëri e cikleve të njohura termodinamike të Otto dhe Diesel. Atkinson është autori i idesë abstrakte të një motori me madhësi fizike të ndryshme të goditjeve të ngjeshjes dhe zgjerimit. Ishte Ralph Miller ai që propozoi organizimin real të proceseve të punës në motorë realë, i cili përdoret në praktikë edhe sot e kësaj dite.

Parimet

Kur motori funksionon në ciklin Miller me kompresim të reduktuar, valvula e marrjes mbyllet shumë më vonë se në ciklin Otto, për shkak të së cilës një pjesë e ngarkesës zhvendoset përsëri në kanalin e marrjes, dhe procesi aktual i kompresimit fillon tashmë në gjysmën e dytë. të goditjes në tru. Si rezultat, raporti efektiv i ngjeshjes është më i ulët se ai gjeometrik (i cili, nga ana tjetër, është i barabartë me raportin e zgjerimit të gazit në goditjen e punës). Duke reduktuar humbjet e pompimit dhe humbjet e kompresimit, sigurohet një rritje e efikasitetit termik të motorit brenda 5-7% dhe një ekonomi përkatëse e karburantit.

Zbatimi

Në motorët klasikë Toyota të viteve '90 me faza fikse, që funksionojnë në ciklin Otto, valvula e marrjes mbyllet 35-45 ° pas BDC (për sa i përket këndit të boshtit të gungës), raporti i ngjeshjes është 9.5-10.0. Në motorët më modernë me VVT, diapazoni i mundshëm i mbylljes së valvulës së marrjes është zgjeruar në 5-70 ° pas BDC, raporti i kompresimit është rritur në 10.0-11.0.

Në motorët e modeleve hibride që funksionojnë vetëm sipas ciklit Miller, diapazoni i mbylljes së valvulës së marrjes është 80-120 ° ... 60-100 ° pas BDC. Raporti gjeometrik i ngjeshjes është 13.0-13.5.

Nga mesi i viteve 2010, u shfaqën motorë të rinj me një gamë të gjerë të kohës së ndryshueshme të valvulave (VVT-iW), të cilët mund të funksionojnë si në ciklin normal ashtu edhe në ciklin Miller. Për versionet atmosferike, diapazoni i mbylljes së valvulës së marrjes është 30-110 ° pas BDC me një raport gjeometrik kompresimi prej 12.5-12.7, për versionet turbo - përkatësisht 10-100 ° dhe 10.0.