Karakteristike dizajna Miller motora. Atkinsonov ciklus: kako funkcionira

21.09.2019

Millerov ciklus je 1947. godine predložio američki inženjer Ralph Miller kao način da se kombinuju vrline Atkinsonovog motora sa jednostavnijim klipnim mehanizmom Otto motora. Umjesto da kompresijski hod mehanički učini kraćim od pogonskog (kao u klasičnom Atkinsonovom motoru, gdje se klip kreće brže nego dolje), Miller je došao na ideju da skrati hod kompresije na račun usisnog hoda. , održavajući kretanje klipa gore i dolje istom brzinom (kao kod klasičnog Otto motora).

Da bi to učinio, Miller je predložio dva različita pristupa: ili zatvorite usisni ventil mnogo ranije od kraja usisnog takta (ili ga otvorite kasnije od početka ovog takta), ili ga zatvorite znatno kasnije od kraja ovog takta. Prvi pristup među stručnjacima za motore konvencionalno se naziva "skraćeni usis", a drugi - "skraćena kompresija". Na kraju, oba ova pristupa postižu istu stvar: smanjenje stvarni stepen kompresije radne mešavine u odnosu na geometrijski, uz zadržavanje istog stepena ekspanzije (odnosno, hod radnog hoda ostaje isti kao kod Otto motora, a čini se da je kompresijski hod smanjen - kao kod Atkinson, samo što se smanjuje ne vremenom, već omjerom kompresije smjese).

Stoga se mješavina u Millerovom motoru kompresuje manje nego što bi trebala u Otto motoru iste mehaničke geometrije. Ovo omogućava da se geometrijski omjer kompresije (a samim tim i omjer ekspanzije!) poveća iznad granica koje nameću detonacijska svojstva goriva - dovodeći stvarnu kompresiju na prihvatljive vrijednosti zbog gore opisanog "skraćivanja ciklusa kompresije" . Drugim riječima, sa istim stvarni omjer kompresije (ograničen gorivom), Millerov motor ima znatno veći omjer ekspanzije od Otto motora. To omogućava potpunije korištenje energije plinova koji se šire u cilindru, što, u stvari, povećava toplinsku efikasnost motora, osigurava visoku efikasnost motora itd.

Prednost povećanja toplotne efikasnosti Millerovog ciklusa u odnosu na Otto ciklus dolazi sa gubitkom vršne izlazne snage za datu veličinu motora (i masu) zbog degradacije punjenja cilindra. Budući da bi za postizanje iste izlazne snage bio potreban veći Millerov motor od Otto motora, korist od povećane termičke efikasnosti ciklusa će se dijelom potrošiti na mehaničke gubitke (trenje, vibracije, itd.) koji se povećavaju s veličinom motora. motor.

Kompjutersko upravljanje ventilima omogućava vam da promenite stepen punjenja cilindra tokom rada. Ovo omogućava da se iz motora izvuče maksimalna snaga, uz pogoršanje ekonomskih performansi, ili da se postigne bolja efikasnost uz smanjenje snage.

Sličan problem rješava petotaktni motor, u kojem se dodatno širenje vrši u zasebnom cilindru.

[email protected] web stranica
web stranica
Jan 2016

Prioriteti

Još od prvog Priusa, činilo se da se Toyoti sviđa James Atkinson mnogo više nego Ralph Miller. I postepeno se "Atkinsonov ciklus" njihovih saopštenja za javnost proširio novinarskom zajednicom.

Toyota službeno: "Motor toplinskog ciklusa koji je predložio James Atkinson (U.K.) u kojem se takt kompresije i trajanje hoda ekspanzije mogu podesiti nezavisno. Naknadno poboljšanje od strane R. H. Millera (S.A.) omogućilo je podešavanje vremena otvaranja/zatvaranja usisnog ventila kako bi se omogućio praktičan sistem (Millerov ciklus)."
- Toyota neformalno i antinaučno: "Miller Cycle motor je motor Atkinsonovog ciklusa sa kompresorom".

Štaviše, čak iu lokalnom inženjerskom okruženju, "Millerov ciklus" postoji od pamtiveka. Kako bi bilo ispravnije?

Godine 1882. britanski izumitelj James Atkinson predložio je ideju poboljšanja efikasnosti klipnog motora smanjenjem kompresijskog hoda i povećanjem hoda ekspanzije radnog fluida. U praksi je to trebalo da se realizuje složenim klipnim pogonskim mehanizmima (dva klipa po "bokserskoj" šemi, klip sa koljenasto-klackastim mehanizmom). Izgrađene verzije motora pokazale su povećanje mehaničkih gubitaka, prekompliciranje konstrukcije i smanjenje snage u odnosu na motore drugih izvedbi, pa nisu bili u širokoj upotrebi. Atkinsonovi poznati patenti su se posebno odnosili na dizajn, bez razmatranja teorije termodinamičkih ciklusa.

Godine 1947., američki inženjer Ralph Miller vratio se ideji o smanjenoj kompresiji i kontinuiranom širenju, predlažući da je implementira ne zbog kinematike klipnog pogona, već odabirom vremena ventila za motore sa konvencionalni pogonski mehanizam. U patentu, Miller je razmatrao dvije opcije za organizaciju toka posla - sa ranim (EICV) ili kasnim (LICV) zatvaranjem usisnog ventila. Zapravo, obje opcije znače smanjenje stvarnog (efikasnog) omjera kompresije u odnosu na geometrijski. Shvativši da bi smanjenje kompresije rezultiralo gubitkom snage motora, Miller se u početku fokusirao na motore s kompresorom, kod kojih bi gubitak punjenja bio nadoknađen kompresorom. Teoretski Millerov ciklus za motor sa svjećicom je potpuno isti kao i teoretski ciklus za Atkinsonov motor.

Uglavnom, Miller/Atkinsonov ciklus nije nezavisan ciklus, već varijacija dobro poznatih termodinamičkih ciklusa Otta i Diesel-a. Atkinson je autor apstraktne ideje motora s fizički različitim taktama kompresije i ekspanzije. Ralph Miller je predložio stvarnu organizaciju radnih procesa u stvarnim motorima, koja se u praksi koristi do danas.

Principi

Kada motor radi po Millerovom ciklusu sa smanjenom kompresijom, usisni ventil se zatvara mnogo kasnije nego u Otto ciklusu, zbog čega se dio punjenja gura natrag u usisni otvor, a stvarni proces kompresije počinje već u drugom pola ciklusa. Kao rezultat toga, efektivni omjer kompresije je manji od geometrijskog (koji je zauzvrat jednak omjeru ekspanzije plinova u radnom hodu). Smanjenjem gubitaka pri pumpanju i kompresijskim gubicima, termička efikasnost motora se povećava za 5-7% i postiže se odgovarajuća ušteda goriva.

Još jednom možemo uočiti ključne tačke razlike između ciklusa. 1 i 1" - zapremina komore za sagorevanje za motor sa Millerovim ciklusom je manja, geometrijski omjer kompresije i omjer ekspanzije su veći. 2 i 2" - plinovi obavljaju koristan rad na dužem hodu, tako da postoji manji zaostali gubici izduvnih gasova. 3 i 3" - usisni vakuum je manji zbog manjeg prigušivanja i obrnutog pomaka prethodnog punjenja, stoga su gubici pumpanja manji. 4 i 4" - usisni ventil se zatvara i kompresija počinje od sredine ciklusa, nakon obrnuti pomak dijela naboja.

Naravno, pomjeranje povratnog punjenja znači pad performansi motora, a za atmosferske motore rad u takvom ciklusu ima smisla samo u relativno uskom režimu djelomičnog opterećenja. U slučaju konstantnog vremena ventila, samo korištenje pojačanja može to kompenzirati u cijelom dinamičkom rasponu. Na hibridnim modelima nedostatak vuče u nepovoljnim uvjetima nadoknađuje se vučom elektromotora.

Implementacija

U klasičnim Toyotinim motorima 90-ih s fiksnim fazama, koji rade na Otto ciklusu, usisni ventil se zatvara na 35-45 ° nakon BDC (ugao radilice), omjer kompresije je 9,5-10,0. U modernijim VVT motorima, mogući raspon zatvaranja usisnog ventila proširio se na 5-70 ° nakon BDC, omjer kompresije se povećao na 10,0-11,0.

U motorima hibridnih modela koji rade samo na Millerovom ciklusu, raspon zatvaranja usisnog ventila je 80-120° ... 60-100° nakon BDC. Geometrijski omjer kompresije je 13,0-13,5.

Do sredine 2010-ih pojavili su se novi motori sa širokim rasponom varijabilnog vremena ventila (VVT-iW), koji mogu raditi i u konvencionalnom ciklusu i u Millerovom ciklusu. Za atmosferske verzije, raspon zatvaranja usisnog ventila je 30-110 ° nakon BDC s geometrijskim omjerom kompresije od 12,5-12,7, za turbo verzije - 10-100 ° i 10,0, respektivno.

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE) smatra se jednom od najvažnijih komponenti u automobilu; njegove karakteristike, snaga, odziv na gas i ekonomičnost određuju koliko će se vozač osećati udobno za volanom. Iako se automobili stalno usavršavaju, "obrasli" navigacijskim sustavima, modernim napravama, multimedijom i tako dalje, motori ostaju praktički nepromijenjeni, barem se princip njihovog rada ne mijenja.

Ciklus Otto Atkinson, koji je činio osnovu automobilskog motora sa unutrašnjim sagorevanjem, razvijen je krajem 19. veka i od tada nije pretrpeo gotovo nikakve globalne promene. Tek 1947. godine Ralph Miller je uspio poboljšati razvoj svojih prethodnika, uzimajući najbolje iz svakog od modela konstrukcije motora. Ali da biste općenito razumjeli princip rada modernih energetskih jedinica, morate malo pogledati u povijest.

Efikasnost Otto motora

Prvi motor za automobil, koji je mogao normalno da radi ne samo teoretski, razvio je Francuz E. Lenoir daleke 1860. godine, bio je prvi model sa kolenastim mehanizmom. Agregat je radio na plin, korišten je na brodovima, njegov koeficijent performansi (COP) nije prelazio 4,65%. Kasnije se Lenoir udružio sa Nikolausom Ottom, u saradnji sa njemačkim dizajnerom 1863. godine, stvoren je 2-taktni motor s unutrašnjim sagorijevanjem sa efikasnošću od 15%.

Princip četverotaktnog motora prvi je predložio N. A. Otto 1876. godine, upravo se ovaj samouki dizajner smatra tvorcem prvog motora za automobil. Motor je imao sistem za napajanje na gas, dok se ruski dizajner O. S. Kostovich smatra pronalazačem prvog u svetu karburatorskog motora sa unutrašnjim sagorevanjem na benzin.

Rad Otto ciklusa koristi se na mnogim modernim motorima, ukupno su četiri takta:

ulaz (kada se otvori ulazni ventil, cilindrični prostor se puni mješavinom goriva);
kompresija (ventili su zategnuti (zatvoreni), smjesa je komprimirana, na kraju ovog procesa paljenje je osigurano svjećicom);
radni hod (zbog visokih temperatura i visokog pritiska, klip juri prema dolje, tjera klipnjaču i radilicu da se pomaknu);
otpuštanje (na početku ovog takta, ispušni ventil se otvara, oslobađajući put za ispušne plinove, radilica nastavlja rotirati kao rezultat pretvaranja toplinske energije u mehaničku energiju, podižući klipnjaču s klipom prema gore).

Svi hodovi su u petlji i idu u krug, a zamašnjak, koji skladišti energiju, pomaže u okretanju radilice.

Iako se u poređenju sa dvotaktnom verzijom čini da je četvorotaktna šema savršenija, efikasnost benzinskog motora, čak ni u najboljem slučaju, ne prelazi 25%, a dizel motori imaju najveću efikasnost, ovde može povećati na maksimum do 50%.

Atkinsonov termodinamički ciklus

James Atkinson, britanski inženjer koji je odlučio modernizirati Ottov izum, predložio je svoju verziju poboljšanja trećeg ciklusa (radni udar) 1882. godine. Dizajner je postavio cilj da poveća efikasnost motora i smanji proces kompresije, da motor sa unutrašnjim sagorevanjem učini ekonomičnijim, manje bučnim, a razlika u njegovoj konstrukcijskoj šemi bila je promena pogona kolenastog mehanizma (KShM) i da prođe sve cikluse u jednom obrtaju radilice.

Iako je Atkinson uspio poboljšati efikasnost svog motora u odnosu na Ottov već patentirani izum, shema nije provedena u praksi, ispostavilo se da je mehanika previše komplicirana. Ali Atkinson je bio prvi dizajner koji je predložio rad motora s unutrašnjim sagorijevanjem sa smanjenim omjerom kompresije, a princip ovog termodinamičkog ciklusa je dalje uzeo u obzir izumitelj Ralph Miller.

Ideja o smanjenju procesa kompresije i zasićenijem unosu nije otišla u zaborav, Amerikanac R. Miller joj se vratio 1947. godine. Ali ovog puta, inženjer je predložio implementaciju sheme ne kompliciranjem KShM-a, već promjenom vremena ventila. Razmatrane su dvije verzije:

Zaostajanje hoda usisnog ventila (LICV ili kratka kompresija);
hod ranog zatvaranja ventila (EICV ili kratki usis).

Kasnim zatvaranjem usisnog ventila postiže se smanjena kompresija u odnosu na Otto motor, zbog čega se dio mješavine goriva potiskuje natrag u usisni otvor. Ovakvo konstruktivno rješenje daje:

„mekanija“ geometrijska kompresija mješavine goriva i zraka;
dodatna ekonomičnost goriva, posebno pri malim brzinama;
manje detonacije;
nizak nivo buke.

Nedostaci ove sheme uključuju smanjenje snage pri velikim brzinama, jer se proces kompresije smanjuje. Ali zbog potpunijeg punjenja cilindara, efikasnost pri malim brzinama raste i povećava se geometrijski omjer kompresije (stvarni se smanjuje). Grafički prikaz ovih procesa može se vidjeti na slikama sa uslovnim dijagramima ispod.

Motori koji rade prema Millerovoj shemi gube snagu Ottu pri velikim brzinama, ali u urbanim uvjetima rada to nije toliko važno. Ali takvi motori su ekonomičniji, manje detoniraju, rade mekše i tiše.

Miller Cycle Motor na Mazdi Xedos (2.3L)

Poseban mehanizam preklapanja ventila osigurava povećanje omjera kompresije (C3), ako je u standardnoj verziji, na primjer, jednak 11, onda se u motoru s kratkom kompresijom ova brojka, pod svim drugim identičnim uvjetima, povećava na 14 Na 6-cilindarskoj ICE 2.3 L Mazdi Xedos (porodica Skyactiv) teoretski izgleda ovako: ulazni ventil (VK) se otvara kada se klip nalazi u gornjoj mrtvoj točki (skraćeno TDC), zatvara se ne u donjoj tački ( BDC), i kasnije, ostaje otvoren za 70º. U ovom slučaju, dio mješavine goriva i zraka se gura natrag u usisni razvodnik, kompresija počinje nakon što se VC zatvori. Kada se klip vrati u TDC:

volumen u cilindru se smanjuje;
pritisak raste;
do paljenja od svijeće dolazi u nekom određenom trenutku, ovisi o opterećenju i broju okretaja (sistem unaprijed paljenja radi).

Tada se klip spušta, dolazi do ekspanzije, dok prijenos topline na zidove cilindra nije tako visok kao u Otto shemi zbog kratke kompresije. Kada klip dosegne BDC, gasovi se oslobađaju, a zatim se sve radnje ponavljaju.

Posebna konfiguracija usisnog razvodnika (šira i kraća nego inače) i EC ugao otvaranja od 70 stepeni pri 14:1 NW omogućavaju da se paljenje podesi na 8º u praznom hodu bez ikakve primetne detonacije. Također, ova shema pruža veći postotak korisnog mehaničkog rada, ili, drugim riječima, omogućava vam povećanje efikasnosti. Ispada da rad izračunat formulom A = P dV (P je pritisak, dV je promjena volumena) nije usmjeren na zagrijavanje zidova cilindara, glave bloka, već se koristi za završetak radnog hoda. Šematski se cijeli proces može vidjeti na slici, gdje je početak ciklusa (BDC) označen brojem 1, proces kompresije - do tačke 2 (TDC), od 2 do 3 - dovod topline sa stacionarnim klipom . Kada klip ide od tačke 3 do 4, dolazi do širenja. Završeni rad je označen zasjenjenom površinom At.

Takođe, čitava šema se može sagledati u koordinatama T S, gde T označava temperaturu, a S je entropija, koja raste sa dovodom toplote u supstancu, a u našoj analizi to je uslovna vrednost. Oznake Q p i Q 0 - količina ulazne i izlazne topline.

Nedostatak Skyactiv serije je što u odnosu na klasični Otto ovi motori imaju manju specifičnu (stvarnu) snagu; na motoru od 2,3 L sa šest cilindara ima samo 211 konjskih snaga, pa čak i tada, uzimajući u obzir turbo punjenje i 5300 rpm. Ali motori imaju opipljive prednosti:

visok omjer kompresije;
mogućnost instaliranja ranog paljenja, a da pritom ne dođe do detonacije;
osiguravanje brzog ubrzanja iz mjesta;
visok faktor efikasnosti.

I još jedna važna prednost motora Mazda Miller Cycle je ekonomična potrošnja goriva, posebno pri malim opterećenjima i u praznom hodu.

Toyota Atkinson motori

Iako Atkinsonov ciklus nije našao svoju praktičnu primenu u 19. veku, ideja o njegovom motoru se ostvaruje u pogonskim jedinicama 21. veka. Takvi motori su instalirani na nekim modelima Toyotinih hibridnih putničkih automobila, koji rade i na benzinsko gorivo i na struju. Treba pojasniti da se Atkinsonova teorija nikada ne koristi u svom čistom obliku, već se novi razvoji Toyotinih inženjera mogu nazvati ICE-ovima dizajniranim prema Atkinson / Millerovom ciklusu, budući da koriste standardni mehanizam radilice. Smanjenje ciklusa kompresije postiže se promjenom faza distribucije plina, dok se ciklus hoda produžava. Motori koji koriste sličnu shemu nalaze se na Toyotinim automobilima:

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

Asortiman motora sa implementiranom Atkinson/Miller šemom stalno se dopunjuje, pa je početkom 2017. godine japanski koncern pokrenuo proizvodnju 1,5-litarskog četvorocilindričnog motora sa unutrašnjim sagorevanjem koji radi na visokooktanski benzin, koji daje 111 konjskih snaga, sa omjerom kompresije u cilindrima od 13,5:1. Motor je opremljen VVT-IE faznim mjenjačem koji može prebacivati Otto / Atkinson modove ovisno o brzini i opterećenju, s ovom pogonskom jedinicom automobil može ubrzati do 100 km / h za 11 sekundi. Motor je ekonomičan, visoke efikasnosti (do 38,5%), pruža odlično ubrzanje.

dizel ciklus

Prvi dizel motor dizajnirao je i napravio njemački izumitelj i inženjer Rudolf Diesel 1897. godine, agregat je bio velik, čak i veći od parnih motora tih godina. Kao i Otto motor, bio je četverotaktni, ali se odlikovao odličnom učinkovitošću, lakoćom rada, a omjer kompresije motora s unutarnjim izgaranjem bio je znatno veći od onog kod benzinskog pogonskog agregata. Prvi dizel motori kasnog 19. vijeka radili su na lakim naftnim derivatima i biljnim uljima, a bilo je i pokušaja upotrebe ugljene prašine kao goriva. Ali eksperiment je propao gotovo odmah:

bilo je problematično osigurati dovod prašine u cilindre;
Imajući abrazivna svojstva, ugalj je brzo istrošio grupu cilindar-klip.

Zanimljivo je da je engleski izumitelj Herbert Aykroyd Stuart patentirao sličan motor dvije godine ranije nego Rudolf Diesel, ali je Diesel uspio dizajnirati model sa povećanim pritiskom u cilindru. Stewartov model je u teoriji davao 12% toplotne efikasnosti, dok je prema Diesel šemi efikasnost dostizala 50%.

Godine 1898. Gustav Trinkler je dizajnirao visokotlačni uljni motor opremljen predkomorom, ovaj model je direktni prototip modernih dizel motora s unutrašnjim sagorijevanjem.

Moderni dizel motori za automobile

I benzinski motor Otto ciklusa i dizel motor nisu promenili osnovnu konstrukcijsku šemu, ali je savremeni dizel motor sa unutrašnjim sagorevanjem „obrastao“ dodatnim komponentama: turbopunjač, elektronski sistem za kontrolu dovoda goriva, interkuler, razni senzori, i tako dalje. U posljednje vrijeme, Common Rail agregati s direktnim ubrizgavanjem se sve više razvijaju i lansiraju u seriju, osiguravajući ekološki prihvatljive izduvne plinove u skladu sa savremenim zahtjevima, visokim pritiskom ubrizgavanja. Dizeli s direktnim ubrizgavanjem imaju prilično opipljive prednosti u odnosu na motore s konvencionalnim sistemom goriva:

ekonomično troše gorivo;
imaju više snage sa istom zapreminom;
rad sa niskim nivoom buke;
omogućava automobilu da brže ubrza.

Nedostaci Common Rail motora: prilično visoka složenost, potreba za popravkom i održavanjem za korištenje posebne opreme, zahtjevan kvalitet dizel goriva, relativno visoka cijena. Kao i benzinski motori sa unutrašnjim sagorevanjem, dizel motori se stalno unapređuju, postaju tehnološki napredniji i složeniji.

Video: Ciklus OTTO, Atkinson i Miller, koja je razlika:

slajd 2

Classic ICE

Klasični četverotaktni motor izumio je davne 1876. godine njemački inženjer po imenu Nikolaus Otto, ciklus rada takvog motora s unutrašnjim sagorijevanjem (ICE) je jednostavan: usis, kompresija, radni hod, izduv.

slajd 3

Indikatorski dijagram Otto i Atkinsonovog ciklusa.

slajd 4

Atkinsonov ciklus

Britanski inženjer James Atkinson je još prije rata osmislio vlastiti ciklus, koji se malo razlikuje od Otto ciklusa - njegov indikatorski dijagram je označen zelenom bojom. Koja je razlika? Prvo, zapremina komore za izgaranje takvog motora (sa istom radnom zapreminom) je manja, a samim tim i veći omjer kompresije. Stoga se najviša tačka na dijagramu indikatora nalazi lijevo, u području manje zapremine iznad klipa. I omjer ekspanzije (isto kao i omjer kompresije, samo obrnuto) je također veći - što znači da smo efikasniji, koristimo energiju izduvnih plinova na većem hodu klipa i imamo manje gubitke izduvnih gasova (to se odražava na manjim korak desno). Onda je sve po starom - izduvni i usisni ciklusi idu.

slajd 5

E sad, kada bi se sve odvijalo u skladu sa Otto ciklusom i usisni ventil se zatvorio na BDC, onda bi kriva kompresije išla gore, a pritisak na kraju ciklusa bi bio previsok - jer je omjer kompresije ovdje veći! Nakon varnice, ne bi uslijedio bljesak smjese, već detonacijska eksplozija - a motor bi, nakon što nije radio sat vremena, ugasio eksploziju. Ali britanski inženjer James Atkinson nije bio takav! Odlučio je produžiti usisnu fazu - klip dostiže BDC i ide gore, dok usisni ventil u međuvremenu ostaje otvoren do otprilike polovine punog hoda klipa. Istovremeno, dio svježe zapaljive mješavine gura se natrag u usisni razvodnik, što povećava pritisak tamo - odnosno smanjuje vakuum. Ovo vam omogućava da više otvorite gas pri niskim i srednjim opterećenjima. Zbog toga je usisni vod u dijagramu Atkinsonovog ciklusa veći, a gubici pumpanja motora manji nego u Otto ciklusu.

slajd 6

Atkinsonov ciklus

Dakle, hod kompresije, kada se usisni ventil zatvori, počinje pri nižoj zapremini iznad klipa, što je ilustrovano zelenom kompresijskom linijom koja počinje na polovini donje horizontalne usisne linije. Čini se da je lakše: povećati omjer kompresije, promijeniti profil usisnih brega, a trik je u torbi - motor Atkinsonovog ciklusa je spreman! Ali činjenica je da je za postizanje dobrih dinamičkih performansi u cijelom rasponu radnih brzina motora potrebno nadoknaditi izbacivanje zapaljive mješavine tijekom produženog ciklusa usisavanja primjenom nadpunja, u ovom slučaju mehaničkog kompresora. A njegov pogon oduzima motoru lavovski udio energije koja se može vratiti na pumpanje i gubitke izduvnih gasova. Primjena Atkinsonovog ciklusa na hibridni motor Toyota Prius sa prirodnim usisavanjem omogućena je njegovim laganim radom.

Slajd 7

Millerov ciklus

Millerov ciklus je termodinamički ciklus koji se koristi u četverotaktnim motorima s unutrašnjim sagorijevanjem. Millerov ciklus je 1947. predložio američki inženjer Ralph Miller kao način da se kombinuju prednosti Antkinsonovog motora sa jednostavnijim klipnim mehanizmom Otto motora.

Slajd 8

Umjesto da kompresijski hod mehanički učini kraćim od pogonskog (kao u klasičnom Atkinsonovom motoru, gdje se klip kreće brže nego dolje), Miller je došao na ideju da skrati hod kompresije na račun usisnog hoda. , održavajući kretanje klipa gore i dolje istom brzinom (kao kod klasičnog Otto motora).

Slajd 9

Da bi to učinio, Miller je predložio dva različita pristupa: zatvoriti usisni ventil mnogo ranije od kraja usisnog takta (ili ga otvoriti kasnije od početka ovog hoda), zatvoriti ga znatno kasnije od kraja ovog hoda.

Slajd 10

Prvi pristup za motore se konvencionalno naziva "skraćeni usis", a drugi - "skraćena kompresija". Oba ova pristupa daju istu stvar: smanjenje stvarnog omjera kompresije radne smjese u odnosu na geometrijski, uz održavanje istog omjera ekspanzije (to jest, hod snage ostaje isti kao kod Otto motora, a takt kompresije izgleda smanjiti - kao kod Atkinsona, samo se ne smanjuje vremenom, već stepenom kompresije smjese)

slajd 11

Millerov drugi pristup

Ovaj pristup je nešto povoljniji u smislu gubitaka kompresije, pa je upravo taj pristup praktično implementiran u serijskim automobilskim motorima Mazde “MillerCycle”. U takvom motoru, usisni ventil se ne zatvara na kraju usisnog takta, ali ostaje otvoren tokom prvog dijela takta kompresije. Iako je cijela zapremina cilindra bila ispunjena mješavinom zraka i goriva na usisnom hodu, dio mješavine se potiskuje natrag u usisni razvodnik kroz otvoreni usisni ventil kada se klip pomakne prema gore u taktu kompresije.

slajd 12

Kompresija smjese zapravo počinje kasnije, kada se usisni ventil konačno zatvori i smjesa ostane zarobljena u cilindru. Stoga se mješavina u Millerovom motoru kompresuje manje nego što bi trebala u Otto motoru iste mehaničke geometrije. To vam omogućava da povećate geometrijski omjer kompresije (i, prema tome, omjer ekspanzije!) Iznad granica određenih detonacijskim svojstvima goriva - dovodeći stvarnu kompresiju na prihvatljive vrijednosti zbog "skraćenja" ciklus kompresije” opisan gore. Slajd 15

Zaključak

Ako pažljivo pogledate ciklus - i Atkinsona i Millera, primijetit ćete da u oba postoji dodatna peta mjera. Ima svoje karakteristike i zapravo nije ni takt usisavanja ni takt kompresije, već među njima nezavisni hod. Stoga se motori koji rade na principu Atkinsona ili Millera nazivaju petotaktni.

Pogledajte sve slajdove

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem je veoma daleko od idealnog, u najboljem slučaju dostiže 20 - 25%, dizel 40 - 50% (odnosno, ostatak goriva sagoreva gotovo prazan). Da bi se povećala efikasnost (odnosno povećala efikasnost), potrebno je poboljšati dizajn motora. Mnogi inženjeri se bore s tim, i do danas, ali prvi su bili samo nekoliko inženjera, kao što su Nikolaus August OTTO, James ATKINSON i Ralph Miller. Svi su napravili određene promjene i pokušali motore učiniti ekonomičnijim i produktivnijim. Svaki je nudio određeni ciklus rada, koji bi se mogao radikalno razlikovati od protivničkog dizajna. Danas ću pokušati jednostavnim riječima da vam objasnim koje su glavne razlike u radu motora sa unutrašnjim sagorevanjem, i naravno video verziju na kraju...

Članak će biti napisan za početnike, pa ako ste sofisticirani inženjer, ne možete ga čitati, napisan je za opće razumijevanje ciklusa motora s unutarnjim izgaranjem.

Takođe bih želeo da napomenem da postoji mnogo varijacija raznih dizajna, a najpoznatiji koje još možemo da znamo su ciklus DIESEL, STIRLING, CARNO, ERICKSON itd. Ako računate dizajne, onda ih može biti oko 15. I to ne svi motori sa unutrašnjim sagorevanjem, već, na primer, spoljašnji STIRLING.

Ali najpoznatiji, koji se do danas koriste u automobilima, su OTTO, ATKINSON i MILLER. Ovdje ćemo govoriti o njima.

Zapravo, ovo je konvencionalni toplinski motor s unutarnjim sagorijevanjem s prisilnim paljenjem zapaljive smjese (kroz svijeću), koji se sada koristi u 60-65% automobila. DA - da, upravo ovaj koji imate ispod haube radi na OTTO ciklusu.

Međutim, ako zadubite u istoriju, prvi princip takvog motora sa unutrašnjim sagorevanjem predložio je 1862. godine francuski inženjer Alphonse BO DE ROŠ. Ali to je bio teorijski princip rada. OTTO je 1878. (16 godina kasnije) utjelovio ovaj motor u metalu (u praksi) i patentirao ovu tehnologiju

Zapravo, ovo je četverotaktni motor koji karakterizira:

Ulaz . Snabdijevanje svježom mješavinom zraka i goriva. Ulazni ventil se otvara.
Kompresija . Klip ide gore, komprimirajući ovu smjesu. Oba ventila su zatvorena
radni hod . Svijeća pali komprimiranu smjesu, zapaljeni plinovi potiskuju klip prema dolje
Izlaz izduvnih gasova . Klip se podiže, istiskujući sagorele gasove. Izduvni ventil se otvara

Želio bih napomenuti da usisni i ispušni ventili rade u strogom redoslijedu - JEDNAKKO pri velikim i pri malim brzinama. Odnosno, nema promjena u radu pri različitim brzinama.

U svom motoru, OTTO je prvi primijenio kompresiju radne smjese kako bi podigao maksimalnu temperaturu ciklusa. Koja je izvedena duž adijabate (jednostavnim riječima, bez razmjene topline sa vanjskim okruženjem).

Nakon što je smjesa komprimirana, zapaljena je svijećom, nakon čega je započeo proces odvođenja topline, koji se odvijao gotovo duž izohore (tj. pri konstantnoj zapremini cilindra motora).

Pošto je OTTO patentirao svoju tehnologiju, njena industrijska upotreba nije bila moguća. Da bi zaobišao patente, Džejms Atkinson je 1886. odlučio da izmeni OTTO ciklus. I predložio je svoj tip rada motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Predložio je promjenu omjera vremena ciklusa, zbog čega je radni hod povećan kompliciranjem dizajna radilice. Treba napomenuti da je probni primjerak koji je napravio bio jednocilindrični, te nije bio u širokoj upotrebi zbog složenosti dizajna.

Ako ukratko opišem princip rada ovog motora sa unutrašnjim sagorevanjem, ispada:

Sva 4 takta (ubrizgavanje, kompresija, pogonski hod, izduv) - dogodila su se u jednoj rotaciji radilice (OTTO je imao dvije rotacije). Zahvaljujući složenom sistemu poluga koje su bile pričvršćene uz "radilicu".

U ovom dizajnu bilo je moguće implementirati određene omjere dužina poluga. Jednostavnim riječima, hod klipa na usisnom i izduvnom hodu je VIŠI od hoda klipa iu kompresijskom i u pogonskom hodu.

Šta to daje? DA, da se možete "igrati" sa omjerom kompresije (promjenom), zbog omjera dužina poluga, a ne zbog "gašenja" usisa! Iz ovoga proizilazi prednost ACTINSON ciklusa u smislu gubitaka pumpanja

Pokazalo se da su takvi motori prilično efikasni s visokom efikasnošću i malom potrošnjom goriva.

Međutim, bilo je i mnogo negativnih točaka:

Složenost i glomaznost dizajna
Nisko pri niskim obrtajima
Loša kontrola gasa, bilo da je ()

Uporne su glasine da je ATKINSON-ov princip korišten na hibridnim automobilima, posebno od strane TOYOTA-e. Međutim, to malo nije tačno, tu je korišten samo njegov princip, ali je dizajn koristio drugi inženjer, odnosno Miller. U svom čistom obliku, ATKINSON motori su više bili jednostruki nego masovni.

Ralph Miller je također odlučio da se poigra sa omjerom kompresije 1947. godine. Odnosno, on će, takoreći, nastaviti rad ATKINSON-a, ali nije uzeo svoj složeni motor (sa polugama), već uobičajeni OTTO ICE.

Šta je predložio . Nije napravio kompresijski hod mehanički kraćim od pogonskog hoda (kao što je Atkinson predložio, njegov klip se kreće brže gore nego dolje). Došao je na ideju da skrati hod kompresije na račun usisnog hoda, zadržavajući isto kretanje klipova gore i dolje (klasični OTTO motor).

Postojala su dva načina:

Zatvorite usisne ventile prije kraja usisnog hoda - ovaj princip se naziva "Kratki usis"
Ili zatvorite usisne ventile kasnije od usisnog hoda - ova opcija se zove "Skraćena kompresija"

Na kraju krajeva, oba principa daju isto - smanjenje omjera kompresije, radne smjese u odnosu na geometrijsku! Međutim, stupanj ekspanzije je sačuvan, odnosno sačuvan je hod radnog hoda (kao kod OTTO motora s unutarnjim sagorijevanjem), a takt kompresije je, takoreći, smanjen (kao kod Atkinsonovog motora s unutarnjim izgaranjem) .

Jednostavnim riječima - mješavina zraka i goriva kod MILLER-a se kompresuje mnogo manje nego što bi trebala biti komprimirana u istom motoru u OTTO-u. Ovo vam omogućava da povećate geometrijski omjer kompresije, a shodno tome i omjer fizičkog širenja. Mnogo više nego što je zbog detonacijskih svojstava goriva (tj. benzin se ne može kompresovati beskonačno, detonacija će početi)! Dakle, kada se gorivo zapali u TDC (ili bolje rečeno mrtvoj tački), ono ima mnogo veći omjer ekspanzije od OTTO dizajna. To omogućava da se energija plinova koji se šire u cilindru mnogo više koristi, što povećava toplinsku efikasnost konstrukcije, što dovodi do velike uštede, elastičnosti itd.

Također treba uzeti u obzir da se gubici pumpanja smanjuju na taktu kompresije, odnosno lakše je komprimirati gorivo s MILLER-om, potrebno je manje energije.

Negativne strane - Ovo je smanjenje vršne izlazne snage (posebno pri velikim brzinama) zbog lošijeg punjenja cilindara. Da bi se uklonila ista snaga kao OTTO (pri velikim brzinama), motor je morao biti napravljen veći (veći cilindri) i masivniji.

Na modernim motorima

U čemu je razlika?

Članak je ispao komplikovaniji nego što sam očekivao, ali da sumiram. OVO ispada:

OTTO - ovo je standardni princip konvencionalnog motora, koji se sada nalazi na većini modernih automobila

ATKINSON - ponudio efikasniji motor sa unutrašnjim sagorevanjem, promjenom omjera kompresije pomoću složenog dizajna poluga koje su bile spojene na radilicu.

PREDNOSTI - ekonomičnost goriva, fleksibilniji motor, manje buke.

PROTIV - glomazan i složen dizajn, mali obrtni moment pri niskim obrtajima, loša kontrola gasa

U svom čistom obliku, sada se praktički ne koristi.

MILLER - predloženo je korištenje nižeg omjera kompresije u cilindru, uz pomoć kasnog zatvaranja usisnog ventila. Razlika sa ATKINSON-om je ogromna, jer on nije koristio svoj dizajn, već OTTO-a, ali ne u čistom obliku, već sa modifikovanim sistemom vremena.

Pretpostavlja se da klip (na taktu kompresije) ide s manjim otporom (gubici pri pumpanju), i geometrijski bolje komprimira smjesu zraka i goriva (isključujući njenu detonaciju), međutim, omjer ekspanzije (kada se zapali svijećom) ostaje gotovo isto kao u OTTO ciklusu.

PREDNOSTI - ušteda goriva (posebno pri malim brzinama), elastičnost rada, niska buka.

PROTIV - smanjenje snage pri velikim brzinama (zbog najgoreg punjenja cilindara).

Vrijedi napomenuti da se sada MILLER-ov princip koristi na nekim automobilima pri malim brzinama. Omogućuje vam podešavanje faza usisavanja i ispuha (proširivanje ili sužavanje pomoću