Циклы отто, аткинсона/миллера, дизеля

Легендарный Saab

Лучших результатов удалось достигнуть компании Saab, когда она в 2000 году выпустила пятицилиндровый мотор, который при 1,6 литрах объема выдавал порядка двухсот двадцати пяти лошадей. Это достижение и сегодня кажется невероятным.

Двигатель разделен надвое, где части соединены друг с другом шарнирным способом. Снизу расположен коленчатый вал, шатуны и поршни, а наверху — цилиндры с головками. Гидропривод способен наклонять моноблок с цилиндрами и головками, изменяя степень сжатия при включении приводного компрессора. Несмотря на всю эффективность, разработки также пришлось отложить из-за дороговизны конструкции.

Отличие от традиционных двигателей

Напомним, что цикл Аткинсона является четырехтактным (впуск, сжатие, расширение, выброс). Обычный четырехтактный двигатель работает по циклу Отто. Вкратце, напомним его работу. В начале рабочего хода в цилиндре поршень идет вверх, до верхней рабочей точки. Смесь из топлива и воздуха сгорает, газ расширяется, давление на максимуме. Под влиянием этого газа поршень едет вниз, приходит в нижнюю мертвую точку. Рабочий ход окончен, открывается выпускной клапан, через который выходит отработанный газ. В этом месте происходят потери выпуска, т.к. отработанный газ все же имеет остаточное давление, использовать которое невозможно.

Аткинсон уменьшил потерю выпуска. В его двигателе объем камеры сгорания меньше при прежнем рабочем объеме. Это значит, что степень сжатия выше, а ход поршня больше. К тому же, длительность такта сжатия по сравнению с рабочим ходом уменьшается, двигатель работает по циклу с увеличенной степенью расширения (степень сжатия ниже степени расширения). Эти условия позволили уменьшить потерю выпуска, используя энергию отработанных газов.

Вернемся к циклу Отто. При всасывании рабочей смеси дроссельная заслонка закрыта и создает сопротивление на впуске. Происходит это при неполном нажатии на педаль газа. Из-за закрытой заслонки двигатель тратит энергию впустую, создавая насосные потери.

Аткинсон поработал и с тактом впуска. Продлив его, сэр Джеймс добился уменьшения насосных потерь. Для этого поршень доходит до нижней мертвой точки, затем поднимается, оставляя впускной клапан открытым примерно до половины поршневого хода. Часть топливной смеси возвращается во впускной коллектор. В нем повышается давление, что дает возможность приоткрывать дроссельную заслонку на малых и средних оборотах.

Но в серию аткинсоновский мотор не выпускали по причине перебоев в работе. Дело в том, что, в отличие от ДВС, мотор работает только на повышенных оборотах. На холостом ходу он может заглохнуть. Но эта проблема решилась в производстве гибридов. На малых скоростях такие машины едут на электоротяге, а на бензиновый движок переходят только в случае разгона или при нагрузках. Подобная модель как убирает недостатки двигателя Аткинсона, так и подчеркивает его достоинства перед другими ДВС.

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона [ править ]

Hyundai Ioniq гибрид

2010 Ford Fusion Hybrid (Северная Америка)

Хотя модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную эффективность, это происходит за счет более низкой мощности на рабочий объем по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем. Если потребность в дополнительной мощности является прерывистой, мощность двигателя может быть дополнена электродвигателем в периоды, когда требуется больше мощности. Это составляет основу гибридной электрической трансмиссии на основе цикла Аткинсона . Эти электродвигатели могут использоваться независимо от двигателя с циклом Аткинсона или в сочетании с ним, чтобы обеспечить наиболее эффективные средства производства желаемой мощности. Эта трансмиссия впервые была запущена в производство в конце 1997 года на Toyota Prius первого поколения .

По состоянию на июль 2018 года во многих трансмиссиях серийных гибридных транспортных средств используются концепции цикла Аткинсона, например:

• Chevrolet Volt
• Chrysler Pacifica (передний привод) подключаемая гибридная модель минивэн
• Ford C-Max (передний привод / рынок США) гибридные и подключаемые гибридные модели
• Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute electric (передний и полный привод) со степенью сжатия 12,4: 1
• Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия 12,3: 1
• Подключаемый модуль Honda Accord Hybrid
• Honda Accord Hybrid (передний привод)
• Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid
• Honda Insight (передний привод)
• Honda Fit (передний привод) некоторые двигатели 3-го поколения переключаются между циклами Аткинсона и Отто.
• Hyundai Sonata Hybrid (передний привод)
• Hyundai Elantra Atkinson-модели цикла
• Hyundai Grandeur hybrid (передний привод)
• Hyundai Ioniq hybrid, plug-in hybrid (передний привод)
• Hyundai Palisade 3.8 L Lambda II V6 GDi
• Infiniti M35h hybrid (задний привод)
• Kia Forte 147 л.с. только бензин 2.0 (передний привод)
• Kia Niro hybrid (передний привод)
• Kia Optima Hybrid Kia K5 hybrid 500h (передний привод) со степенью сжатия 13: 1
• Kia Cadenza Hybrid Kia K7 hybrid 700h (передний привод)
• Киа Теллурид 3.8 Лямбда II V6 GDi
• Kia Seltos 2.0L (передний привод)
• Lexus CT 200h (передний привод)
• Lexus ES 300h (передний привод)
• Lexus GS 450h hybrid electric (задний привод) со степенью сжатия 13: 1
• Lexus RC F (задний привод)
• Lexus GS F (задний привод)
• Lexus HS 250h (передний привод)
• Lexus IS 200t (2016 г.)
• Lexus NX hybrid electric (полный привод)
• Lexus RX 450h hybrid electric (полный привод)
• Lexus LC (задний привод)
• Mazda Mazda6 (2013 для 2014 модельного года)
• Mercedes ML450 Hybrid (полный привод) электрический
• Mercedes S400 Blue Hybrid (задний привод) электрический
• Mitsubishi Outlander PHEV (2018 для модели 2019 года, подключаемый гибридный полный привод)
• Renault Captur MK2 (PHEV)
• Renault Clio MK5 (HEV)
• Renault Mégane MK4 (PHEV)
• Subaru Crosstrek Hybrid (2018 на 2019 модельный год, полный привод)
• Toyota Camry Hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия 12,5: 1
• Toyota Avalon Hybrid (передний привод)
• Toyota Highlander Hybrid (2011 г. и новее)
• Toyota Prius hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия (чисто геометрической) 13,0: 1
• Toyota Yaris Hybrid (передний привод) со степенью сжатия 13,4: 1
• Toyota Auris Hybrid (передний привод)
• Toyota Tacoma V6 (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
• Toyota RAV4 Hybrid (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
• Toyota Sienna (2016 для 2017 модельного года, гибридное начало для 2021 модельного года)
• Toyota Venza (начало гибрида с 2021 модельного года)
• Toyota C-HR Hybrid (2016-настоящее время)

История изобретения[править | править код]

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мертвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона дает ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.

Во-вторых, меняется степень сжатия. Теоретически онa остается постоянной, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а фактически за счет запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создает условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер (англ. Ralph Miller) смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов.Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создает силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

На гибридных автомобилях

возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius, применяют не двигатель Аткинсона, а его упрощённый аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Следует заметить, что номинальная степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, воздушно-топливная смесь некоторое время выталкивается обратно. Поэтому реальная степень сжатия аналогична классическим ДВС цикла Отто. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов.

Toyota Prius Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на бензине (АИ-95).

Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

Внешние ссылки [ править ]

• , еще одно объяснение четырехтактного двигателя.
• , несколько видеороликов об автомобильных компонентах в действии.

Цикл дизеля

Первый дизельный мотор был спроектирован и построен немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем в 1897-м году, силовой агрегат обладал большими размерами, был даже больше паровых машин тех лет. Так же как и двигатель Отто, он был четырехтактным, но отличался превосходным показателем КПД, удобством в эксплуатации, и степень сжатия у ДВС была значительно выше, чем у бензинового силового агрегата. Первый дизели конца XIX века работали на легких нефтепродуктах и растительных маслах, также была попытка в качестве топлива использовать угольную пыль. Но эксперимент провалился практически сразу:

• обеспечить подачу пыли в цилиндры было проблематично;
• обладающий абразивными свойствами уголь быстро изнашивал цилиндро-поршневую группу.

Интересно, что английский изобретатель Герберт Эйкройд Стюарт запатентовал аналогичный двигатель на два года раньше, чем Rudolf Diesel, но Дизелю удалось сконструировать модель с увеличенным давлением в цилиндрах. Модель Стюарта в теории обеспечивала 12% тепловой эффективности, тогда как по схеме Diesel коэффициент полезного действия доходил до 50%.

В 1898 году Густав Тринклер сконструировал нефтяной двигатель высокого давления, оснащенный форкамерой, именно эта модель и является прямым прототипом современных дизельных ДВС.

Цикл АТКИНСОНА

Так как ОТТО запатентовал свою технологию, ее промышленное использование было не возможным. Чтобы обойти патенты Джеймс Аткинсон в 1886 году, решил модифицировать цикл ОТТО. И предложил свой тип работы двигателя внутреннего сгорания.

Он предложил изменить соотношение времен тактов, благодаря чему рабочий ход был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунной конструкции. Нужно отметить что тестовый экземпляр который он построил, был одноцилиндровый, и не получил большого распространения из-за сложности конструкции.

Если в двух словах описать принцип работы этого ДВС, то получается:

Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск) – происходили за одно вращение коленчатого вала (у ОТТО вращений — два). Благодаря сложной системе рычагов, которые крепились рядом с «коленвалом».

В этой конструкции получилось реализовать определенные соотношения длин рычагов. Если сказать простыми словами —  ход поршня на такте впуска и выпуска БОЛЬШЕ, чем ход поршня в также сжатия и рабочего хода.

Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.

Однако отрицательных моментов также было много:

• Сложность и громоздкость конструкции
• Низкий крутящий момент на низких оборотах
• Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то (карбюратор или инжектор)

Ходят упорные слухи, что принцип АТКИНСОНА использовался на гибридных автомобилях, в частности компании TOYOTA. Однако это немного не правда, там использовался только его принцип, а вот конструкция применялась другого инженера, а именно Миллера. В чистом виде моторы АТКИНСОНА скорее имели единичный характер, чем массовый.

Рекомендации по топливу

Проблема двигателей со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное воспламенение. Если это произойдет в неподходящее время и будет слишком энергичным, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти имеют сильно различающиеся точки вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

Склонность сжатой топливной смеси к преждевременному воспламенению ограничивается химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для различных уровней мощности двигателей. Топливо изменяют, чтобы изменить температуру его самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими степенями сжатия, в результате гораздо более вероятно возникновение преждевременного воспламенения, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед преднамеренным воспламенением. Более высокая температура более эффективно испаряет топливо, такое как бензин, что увеличивает эффективность компрессионного двигателя. Более высокие степени сжатия также означают, что расстояние, на которое поршень может толкать для выработки мощности, больше (что называется степенью расширения ).

Октановое число данного топлива является мерой устойчивости топлива к самовоспламенению. Топливо с более высоким числовым октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя из-за преждевременного зажигания. Топливо с высоким октановым числом также дороже.

Многие современные четырехтактные двигатели используют непосредственный впрыск бензина или GDI. В бензиновом двигателе с прямым впрыском сопло форсунки выступает в камеру сгорания. Форсунка прямого впрыска впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к верху.

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с преждевременным зажиганием. Их беспокоит, можно ли начать горение. Описание вероятности возгорания дизельного топлива называется цетановым числом. Поскольку дизельное топливо имеет низкую летучесть, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенными из которых является использование свечи накаливания .

Стационарные двигатели

Зажигание свечи зажигания

Двигатели Отто были оснащены механизмами разной конструкции для инициирования искрообразования. Otto – один из первых двигателей, в котором используется свеча зажигания – устройство, вырабатывающее небольшую электрическую искру для воспламенения топливного заряда. Обычно он состоял из поворотного переключающего рычага, который на короткое время захватывает рычаг выключателя питания и быстро его тянет. Затем рычаг переключателя отпускается, и ему дают вернуться в исходное положение для подготовки к следующему циклу. Эта система требует внешнего электрического аккумулятора , катушки зажигания и системы электрического заряда, аналогичной современным автомобильным двигателям.

Позже двигатели Отто использовали небольшой магнето прямо на двигателе. Вместо срабатывания переключателя запальный рычаг свечи зажигания быстро вращает ротор магнето, который затем возвращается в исходное положение под действием натяжения пружины. Такое быстрое вращение катушки магнето создает очень короткий электрический ток, который зажигает свечу зажигания и воспламеняет топливо. Эта конструкция имеет то преимущество, что не требует внешней батареи, и именно так работают современные портативные газовые двигатели, когда магнитная часть магнето встроена в маховик . Современные портативные двигатели возбуждают магнето при каждом вращении маховика, поэтому используйте кулачковый электрический переключатель, чтобы предотвратить зажигание свечи, за исключением рабочего хода двигателя (см. Потерянную искру ).

Регулировка оборотов двигателя

Это демонстрация того, как работает регулировка скорости в двигателе Отто. Вращающиеся шары являются центробежным регулятором , и по мере того, как машина работает медленнее, маленькое колесо перемещается влево, вставляя стержень в ближайший ролик и толкая его вверх, чтобы вызвать забор топлива, чтобы запустить двигатель на один оборот.

Если машина находится под нагрузкой и все еще работает слишком медленно, кулачок продолжает оставаться вставленным и заставляет двигатель запускаться повторно для каждого цикла зажигания. Когда частота вращения двигателя увеличивается, регулятор тянет маленькое колесо вправо, и машина движется по инерции без впрыска топлива, хотя свеча зажигания продолжает гореть без топлива в цилиндре.

Этот метод управления скоростью часто называют методом попадания или промаха, потому что двигатель запускается неправильно (из-за отсутствия топливной смеси) на тех тактах, где двигатель работает быстрее регулируемой скорости, но попадает в ( огонь) при силовых ударах со слишком низкой скоростью. Топливо не используется в тактах с ошибочным зажиганием.

Цилиндр охлаждения

В двигателях Otto используется обтекаемая водяная рубашка вокруг стенки цилиндра, аналогичная современным системам охлаждения двигателя. Стационарные двигатели Отто, представленные на выставке Western Minnesota Steam Threshers Reunion, используют один большой радиатор тепла снаружи здания. Эта централизованная удаленная система отвода тепла также помогает поддерживать прохладу в двигателе.

Власть

Энергия, производимая циклом Отто, — это энергия, вырабатываемая в единицу времени. Двигатели Отто называются четырехтактными. Такт впуска и такт сжатия требуют одного оборота коленчатого вала двигателя. Рабочий ход и такт выпуска требуют еще одного поворота. На два оборота приходится один рабочий ход.

Из приведенного выше анализа цикла чистая работа, произведенная системой:

∑ Работазнак равноW1-2+W3-4знак равно(U2-U1)+(U4-U3)знак равно+4-5знак равно-1{\ displaystyle \ sum {\ text {Work}} = W_ {1-2} + W_ {3-4} = \ left (U_ {2} -U_ {1} \ right) + \ left (U_ {4} -U_ {3} \ right) = + 4-5 = -1}

(опять же, используя соглашение о знаках, знак минус означает, что энергия покидает систему в качестве работы)

Если бы используемые единицы были MKS, цикл произвел бы один джоуль энергии в форме работы. Для двигателя определенного рабочего объема, например одного литра, масса газа в системе может быть рассчитана, если двигатель работает при стандартной температуре (20 ° C) и давлении (1 атм). Согласно универсальному закону газа, масса одного литра газа находится при комнатной температуре и давлении на уровне моря:

Mзнак равнопVрТ{\ displaystyle M = {\ frac {PV} {RT}}}

V = 0,001 м 3 , R = 0,286 кДж / (кг · К), T = 293 K, P = 101,3 кН / м 2

M = 0,00121 кг

При частоте вращения двигателя 3000 об / мин происходит 1500 рабочих ходов в минуту или 25 рабочих ходов в секунду.

∑ Работазнак равно1J(кг⋅Инсульт)×0,00121кгзнак равно0,00121JИнсульт{\ displaystyle \ sum {\ text {Work}} = 1 \, {\ text {J}} / ({\ text {kg}} \ cdot {\ text {stroke}}) \ times 0.00121 \, {\ text {kg}} = 0,00121 \, {\ text {J}} / {\ text {stroke}}}

Мощность в 25 раз больше, так как 25 рабочих ходов в секунду

пзнак равно25×0,00121знак равно0,0303JsилиW{\ displaystyle P = 25 \ times 0,00121 = 0,0303 \, {\ text {J}} / {\ text {s}} \; {\ text {или}} \; {\ text {W}}}

Если двигатель многоцилиндровый, результат умножается на этот коэффициент. Если каждый цилиндр имеет разный литражный объем, результаты также умножаются на этот коэффициент. Эти результаты являются произведением значений внутренней энергии, которые были приняты для четырех состояний системы в конце каждого из четырех тактов (два вращения). Они были выбраны только для иллюстрации и, очевидно, имеют невысокую ценность. Замена фактических значений из реального двигателя приведет к результатам, близким к результатам двигателя. Чьи результаты были бы выше, чем у реального двигателя, поскольку в анализе сделано много упрощающих допущений, которые не учитывают неэффективность. Такие результаты привели бы к завышению выходной мощности.