В автомобильном строении легковых автомобилей уже более века стандартно используются двигатели внутреннего сгорания . У них есть некоторые минусы, над которыми годами бьются ученые и конструкторы. В результате этих исследований получаются довольно интересные и странные «движки». Об одном из них и пойдет речь в этой статье.
История создания цикла Аткинсона
История создания мотора с циклом Аткинсона корнями уходит в далекую историю. Начнем с того, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876. Цикл такого мотора довольно прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Всего через 10 лет после изобретения двигателя Отто, англичанин Джеймс Аткинсон предложил модифицировать немецкий мотор . По сути, двигатель остается четырехтактным. Но Аткинсон немного изменил продолжительность двух из них: первые 2 такта короче, остальные 2 длиннее. Сэр Джеймс реализовал эту схему, с помощью изменения длинны ходов поршней. Но в 1887 году такая модификация двигателя Отто не нашла применения. Несмотря на то, что производительность мотора увеличилась на 10%, сложность механизма не позволяла массово применять цикл Аткинсона для автомобилей.
Но инженеры продолжали работать над циклом сэра Джеймса. Американец Ральф Миллер в 1947 немного усовершенствовал цикл Аткинсона, упростив его. Это позволило применять двигатель в автомобилестроении. Казалось бы, правильнее называть цикл Аткинсона циклом Миллера. Но инженерное сообщество оставило за Аткинсоном право называть мотор по его имени по принципу первооткрывателя. К тому же, с применением новых технологий стало возможным применять более сложный Аткинсоновский цикл, поэтому от цикла Миллера со временем отказались. Например, в новых Тойотах стоит мотор Аткинсона, а не Миллера.
В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota
активно заполняют мировой рынок.
Принцип работы цикла Аткинсона
Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.
Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала . Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу. В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке . В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие.
Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.
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.
Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
Двигатель Аткинсона имеет несколько преимуществ
, выделяющих его перед остальными ДВС:
1. Снижение топливных потерь. Как говорилось ранее, благодаря изменению длительности тактов, стало возможным сохранять топливо, используя отработанные газы и снижая насосные потери. 2. Маленькая вероятность детонационного сгорания. Степень сжатия топлива уменьшается с 10 до 8. Это позволяет не повышать обороты мотора переключением на пониженную передачу в связи с увеличением нагрузки. Так же вероятность детонационного сгорания меньше из-за выхода тепла из камеры сгорания во впускной коллектор.
3. Маленький расход бензина. В новых гибридных моделях расход бензина равен 4 литра на 100 км.
4. Экономичность, экологичность, высокий КПД.
Но у двигателя Аткинсона есть один существенный недостаток, который не позволял применять его в массовом производстве машин. Из-за невысоких показателей мощности, на маленьких оборотах двигатель может заглохнуть. Поэтому двигатель Аткинсона очень хорошо прижился на гибридах.
Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
Кстати, о машинах, на которые ставят аткинсоновские двигатели. В массовом выпуске эта модификация ДВС появилась не так давно. Как было сказано ранее, первыми пользователями цикла Аткинсона были японские фирмы и Toyota. Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800
, которая выпускалась в 1993-2002 годы.
Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota
, выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid
. Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h
, а "Форд" и "Ниссан" разработали Escape Hybrid
и Altima Hybrid
.
Стоит сказать, что в автомобилестроении наблюдается мода на экологию. Поэтому гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы. Поэтому с уверенностью можно сказать, что двигатель на основе цикла Аткинсона имеет продуктивное будущее и надежду на долгое существование.
Двигатель внутреннего сгорания очень далек от идеала, в лучшем случае достигает 20 – 25%, дизельного 40 – 50% (то есть остальное топливо сжигается почти в пустую). Чтобы повысить эффективность (соответственно увеличить коэффициент полезного действия) требуется улучшить конструкцию мотора. Над этим бьются многие инженеры, и по сей день, но первыми были всего несколько инженеров, таких как Николаус Август ОТТО, Джеймсом АТКИНСОНОМ и Ральфом Миллером. Каждый вносил определенные изменения, и пытался сделать моторы более экономичными и производительными. Каждый предлагал определенный цикл работы, который мог кардинально отличаться от конструкции оппонента. Сегодня я постараюсь простыми словами, объяснить вам какие основные различия есть в работе ДВС, ну и конечно видео версия в конце …
Статья будет написана для новичков, так что если вы искушенный инженер, можете ее не читать, написана для общего понимания циклов работы ДВС.
Также хочется отметить, что вариаций различных конструкций очень много, самые известные которые мы еще можем знать, цикл ДИЗЕЛЯ, СТИРЛИНГА, КАРНО, ЭРИКСОННА и т.д. Если посчитать конструкции, то их может набраться около 15. И не все двигатели внутреннего сгорания, а например, у СТИРЛИНГА внешнего.
Но самые известные, которые применяются и по сей день в автомобилях, это ОТТО, АТКИНСОН и МИЛЛЕР. Вот про них и будем говорить.
По сути это обычный тепловой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечу) который применяется сейчас в 60 — 65% автомобилей. ДА – да, именно тот, который у вас стоит под капотом, работает по циклу ОТТО.
Однако если копнуть в историю, первым принцип такого ДВС предложил в 1862 году французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Но это был теоритический принцип работы. ОТТО же в 1878 году (спустя 16 лет) воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал эту технологию
По сути это четырехтактный мотор, которому свойственны:
- Впуск . Подача свежей воздушнотопливной смеси. Открывается впускной клапан.
- Сжатие . Поршень идет вверх, сжимая эту смесь. Оба клапана закрыты
- Рабочий ход . Свеча поджигает сжатую смесь, загоревшиеся газы толкают поршень вниз
- Отвод отработанных газов . Поршень идет вверх, выталкивая сгоревшие газы. Открывается выпускной клапан
Хочется отметить, что впускные и выпускные клапана, работают в строгой последовательности – ОДИНАКОВО при высоких и при низких оборотах. То есть изменения работы при различных оборотах не наблюдается.
В своем двигателе ОТТО первый применил сжатие рабочей смеси, для поднятия максимальной температуры цикла. Которое осуществлялось по адиабате (простыми словами без теплообмена с внешней средой).
После сжатия смеси, она воспламенялась от свечи, после этого начинался процесс отвода тепла, который протекал практически по изохоре (то есть при постоянном объеме цилиндра двигателя).
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.
Что это дает? ДА то, что можно «играться» степенью сжатия (меняя ее), за счет соотношения длин рычагов, а не за счет «дросселирования» впуска! Из этого выводится преимущество цикла АКТИНСОНА, по насосным потерям
Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.
Однако отрицательных моментов также было много:
- Сложность и громоздкость конструкции
- Низкий на низких оборотах
- Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то ()
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.
Ральф Миллер также решил поиграться со степенью сжатия, в 1947 году. То есть он как бы продолжит работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный ДВС ОТТО.
Что он предложил . Он не стал делать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как предлагал Аткинсон, у него поршень движется быстрее вверх, чем вниз). Он придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршней вверх и вниз одинаковым (классический мотор ОТТО).
Можно было пойти двумя способами:
- Закрывать впускные клапана раньше окончания такта впуска – такой принцип получил название «Укороченный впуск»
- Либо закрывать впускные клапана позже такта впуска – этот вариант получил названия «Укороченного сжатия»
В конечном итоге, оба принципа дают одно и тоже – уменьшение степени сжатия, рабочей смеси относительно геометрической! Однако сохраняется степень расширения, то есть такт рабочего хода сохраняется (как в ДВС ОТТО), а такт сжатия как бы сокращается (как в ДВС Аткинсона).
Простыми словами — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.
Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.
Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.
На современных моторах
Так в чем же разница?
Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:
ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей
АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.
ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.
МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой
В чистом виде сейчас практически не применяется.
МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.
Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.
ПЛЮСЫ — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.
МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).
Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи
Слайд 2
Классический ДВС
Классический четырехтактный мотор был изобретен в далеком 1876 году одним немецким инженером по имени Николаус Отто, цикл работы такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Слайд 3
Индикаторная диаграмма цикла Отто и Аткинсона.
Слайд 4
Цикл Аткинсона
Британский инженер Джеймс Аткинсон еще до войны придумал свой цикл, который немного отличается от цикла Отто - его индикаторная диаграмма отмечена зеленым цветом. В чем же отличие? Во-первых, объем камеры сгорания такого мотора (при том же рабочем объеме) меньше, и соответственно, выше степень сжатия. Поэтому самая верхняя точка на индикаторной диаграмме располагается левее, в области меньшего надпоршневого объема. И степень расширения (то же самое, что и степень сжатия, только наоборот) тоже больше - а значит, мы эффективнее, на большем ходе поршня используем энергию отработавших газов и имеем меньшие потери выпуска (это отражено меньшей ступенькой справа). Дальше все то же самое - идут такты выпуска и впуска.
Слайд 5
Теперь, если бы все происходило в соответствии с циклом Отто и впускной клапан закрылся бы в НМТ то кривая сжатия прошла бы вверху, и давление в конце такта оказалось бы чрезмерным - ведь степень сжатия здесь больше! После искры последовала бы не вспышка смеси, а детонационный взрыв - и двигатель, не проработав и часа, почил бывзрыв. Но не таков был британский инженер Джеймс Аткинсон! Он решил продлить фазу впуска - поршень доходит до НМТ и идет вверх, а впускной клапан меж тем остается открытым примерно до половины полного хода поршня. Часть свежей горючей смеси при этом выталкивается обратно во впускной коллектор, что повышает там давление - вернее, уменьшает разрежение. Это позволяет на малых и средних нагрузках больше открывать дроссельную заслонку. Вот почему линия впуска на диаграмме цикла Аткинсона проходит выше, и насосные потери двигателя оказываются ниже, чем в цикле Отто.
Слайд 6
Цикл «Аткинсона»
Так что такт сжатия, когда закрывается впускной клапан, начинается при меньшем надпоршневом объеме, что и иллюстрирует зеленая линия сжатия, начинающаяся с половины нижней горизонтальной линии впуска. Казалось бы, чего проще: сделать повыше степень сжатия, измени профиль впускных кулачков, и дело в шляпе - двигатель с циклом Аткинсона готов! Но дело в том, что для достижения хороших динамических показателей во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя надо компенсировать выталкивание горючей смеси во время продленного впускного цикла, применяя наддув, в данном случае - механический нагнетатель. А его привод отбирает у мотора львиную долю той энергии, что удается отыграть на насосных и выпускных потерях. Применение цикла Аткинсона на безнаддувном двигателе гибрида ToyotaPrius стало возможным благодаря тому, что он работает в облегченном режиме.
Слайд 7
Цикл «Миллера»
Цикл Миллера - термодинамический цикл используемый в четырёхтактных ДВС. Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Анткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто.
Слайд 8
Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).
Слайд 9
Для этого Миллер предложил два разных подхода: закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), закрывать его существенно позже окончания этого такта.
Слайд 10
Первый подход у двигателей носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». Оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается - как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси)
Слайд 11
Второй подход «Миллера»
Такой подход несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «MillerCycle». В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливно-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия.
Слайд 12
Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре. Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива - приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия».Слайд 15
Заключение
Если внимательно присмотреться к циклу – как Аткинсона, так и Миллера, можно заметить, что в обоих присутствует дополнительный пятый такт. Он имеет свои собственные характеристики и не является, по сути, ни тактом впуска, ни тактом сжатия, а промежуточным самостоятельным тактом между ними. Поэтому двигатели, работающие по принципу Аткинсона или Миллера называют пятитактными.
Посмотреть все слайды
Мало кто задумывается о процессах, происходящих в привычном двигателе внутреннего сгорания. В самом деле, кто вспомнит курс физики уровня 6-7-го класса средней школы? Разве что общие моменты запечатлелись в памяти железно: цилиндры, поршни, четыре такта, впуск и выпуск. Неужели за сто с лишним лет ничего не изменилось? Разумеется, это не совсем так. Усовершенствовались поршневые двигатели, появились и принципиально иные способы заставить вал вращаться.Помимо прочих заслуг, компания "Мазда" (она же Toyo Cogyo Corp) известна как большой почитатель нетрадиционных решений. Имея изрядный опыт разработки и эксплуатации привычных четырехтактных поршневых двигателей, "Мазда" уделяет большое внимание альтернативным решениям, причем речь идет не о каких-то сугубо экспериментальных технологиях, а о продуктах, устанавливаемых в серийные автомобили. Наиболее известны две разработки: поршневой двигатель с циклом Миллера и роторный двигатель Ванкеля, по отношению к которым стоит отметить, что идеи, лежащие в основе этих моторов, родились не в лабораториях "Мазды", но именно этой компании удалось довести до ума оригинальные инновации. Часто бывает, что вся прогрессивность какой-либо технологии сводится на нет дорогостоящим процессом производства, неэффективностью в составе конечного изделия или еще какими-то причинами. В нашем случае звезды сложились в удачную комбинацию и Миллер с Ванкелем получили путевку в жизнь в качестве узлов автомобилей "Мазда".
Цикл сгорания топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе называется циклом Отто. Но немногие автолюбители знают, что существует усовершенстованный вариант этого цикла - цикл Миллера, и именно "Мазде" удалось построить реально работающий мотор в соответствии с положениями цикла Миллера - этим двигателем в 1993 году оснастили автомобили Xedos 9, известные также как Millenia и Eunos 800. Этот V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 2,3 литра оказался первым в мире работающим серийным двигателем Миллера. По сравнению с обычными моторами он развивает момент трехлитрового мотора с расходом горючего, как у двухлитрового. Цикл Миллера более эффективно использует энергию горения топливовоздушной смеси, поэтому мощный мотор получается более компактным и эффективным с точки зрения экологических требований.
У маздовского Миллера следующие характеристики: мощность 220 л. с. при 5500 об/мин, крутящий момент 295 Нм при 5500 об/мин - и это было достигнуто в 1993 году при объеме 2,3 литра. За счет чего же это было достигнуто? За счет некоторой непропорциональности тактов. Их длительность различна, поэтому степень сжатия и степень расширения, основные величины, описывающие работу ДВС, оказываются неодинаковыми. Для сравнения, в двигателе Отто продолжительность всех четырех тактов одинакова: впуск, сжатие смеси, рабочий ход поршня, выпуск - и степень сжатия смеси равна степени расширения газов сгорания.
Повышение степени расширения приводит к тому, что поршень способен выполнить большую работу - это существенно повышает КПД двигателя. Но, по логике цикла Отто, степень сжатия также повышается, и здесь существует определенный предел, выше которого сжать смесь невозможно, происходит ее детонация. Напрашивается идеальный вариант: степень расширения увеличить, степень сжатия по возможности снизить, что применительно к циклу Отто невозможно.
"Мазда" сумела побороть это противоречие. В ее двигателе с циклом Миллера понижение степени сжатия достигается путем введения задержки впускного клапана - он остается открытым, а часть смеси возвращается обратно во впускной коллектор. В этом случае сжатие смеси начинается не тогда, когда поршень прошел нижнюю мертвую точку, а в момент, когда им пройдена уже пятая часть пути до верхней мертвой точки. Кроме того, предварительно немного сжатую смесь подает в цилиндр компрессор Лисхолма, некий аналог нагнетателя. Вот так просто преодолевается парадокс: длительность такта сжатия несколько меньше такта расширения, а кроме того, уменьшается температура двигателя и процесс сгорания смести становится намного более чистым.
Еще одна удачная идея "Мазды" - разработка роторно-поршневого двигателя на основе идей, предложенных почти полсотни лет назад инженером Феликсом Ванкелем. Сегодняшние вызывающие восторг спорткары RX-7 и RX-8 с характерным "инопланетным" звуком мотора как раз скрывают под капотами роторные двигатели, которые теоретически схожи с обычными поршневыми, но практически - совершенно не от мира сего. Использование роторных двигателей Ванкеля в RX-8 позволило компании "Мазда" сообщить своему детищу 190 или даже 230 лошадиных сил при объеме двигателя всего лишь 1,3 литра.
При массе и габаритах в два-три раза меньше, чем у поршневого мотора, роторный двигатель способен развить мощность, примерно равную мощности поршневого, вдвое большего по объему. Эдакий чертик в табакерке, который заслуживает самого пристального внимания. За всю историю автомобилестроения лишь две фирмы в мире умудрились создать работоспособные и не слишком дорогие роторы - это "Мазда" и... ВАЗ.
 |
| Mazda RX-7 |
Функции поршня в роторно-поршневом двигателе выполняет ротор с тремя вершинами, с помощью которого давление сгоревших газов преобразуется во вращательное движение вала. Ротор как бы обкатывается вокруг вала, заставляя последний вращаться, причем ротор совершает движение по сложной кривой, именуемой "эпитрохоида". За один оборот вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер, на которую ротор делит неподвижный корпус-статор, происходит полный четырехтактный цикл "впуск - сжатие - рабочий ход - выпуск".
Интересно, что для этого процесса не требуется газораспределительный механизм, имеются лишь окна впуска и выпуска, которые перекрываются одной из трех вершин ротора. Еще одно неоспоримое преимущество двигателя Ванкеля - гораздо меньшее по сравнению с привычным поршневым мотором количество движущихся частей, что существенно уменьшает вибрацию и мотора, и автомобиля.
Необходимо признать, что сама эффективная сущность такого двигателя вовсе не исключает многих недостатков. Во-первых, это очень высокооборотистые, а значит, и высоконагруженные моторы, которым требуются дополнительные смазка и охлаждение. Например, расход от 500 до 1000 граммов специального минерального масла для Ванкеля - вполне привычное дело, ведь его приходится впрыскивать прямо в камеру сгорания для уменьшения нагрузок (синтетика не подходит из-за повышенной закоксовки отдельных узлов двигателя).
Конструктивый недостаток, пожалуй, единственный: дороговизна производства и ремонта, ведь прецизионные ротор и статор имеют весьма сложную форму, а потому у многих дилеров "Мазды" серьезный гарантийный ремонт таких моторов крайне прост: замена! Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск - в другой.
| Рис. 6. Система двухступенчатого турбонаддува (Two-stage turbocharging system) |
Так в высокооборотных двигателях 32FX компании «Niigata Engineering » максимальное давление сгорания P max и температура в камере сгорания (combustion chamber ) поддерживаются на сниженном нормальном уровне (normal level ). Но при этом одновременно увеличено среднее эффективное давление (brake mean effective pressure ) и снижен уровень вредных выбросов NОх (reduce NOx emissions ).
В дизельном двигателе 6L32FX компании Niigata выбран первый вариант цикла Миллера: преждевременное время закрытия впускного клапана за 10 градусов до НМТ (BDC), вместо 35 градусов после НМТ (after BDC) как у двигателя 6L32CX. Так как время наполнения уменьшается, при нормальном давлении наддува (normal boost pressure ) в цилиндр поступает меньший объем свежего заряда воздуха (air volume is reduced ). Соответственно ухудшается протекание процесса сгорания топлива в цилиндре и как следствие снижается выходная мощность и повышается температура выпускных газов (exhaust temperature rises ).
Для получения прежней заданной мощности на выходе (targeted output ) необходимо увеличить объем воздуха при сниженном времени его поступления в цилиндр. Для этого увеличивают давление наддува (increase the boost pressure ).
В тоже время, одноступенчатая система газотурбонаддува (single-stage turbocharging ) не может обеспечить более высокого давления наддува (higher boost pressure ).
Поэтому получила развитие двухступенчатая система (two-stage system ) газотурбонаддува, в которой турбокомпрессора низкого и высокого давления (low pressure and high pressure turbochargers ) расположены последовательно (connected in series ) один за другим. После каждого турбокомпрессора установлены два промежуточных охладителя воздуха (intervening air coolers ).
Внедрение цикла Миллера совместно с двухступенчатой системой газотурбонаддува позволило увеличить коэффициент мощности до 38,2 (среднее эффективное давление - 3,09 МПа, средняя скорость поршня - 12,4 м/с) при 110 % нагрузки (maximum load-claimed ). Это является наилучшим достигнутым результатом для двигателей с диаметром поршня 32 см.
Кроме этого, параллельно было достигнуто снижение на 20 % уровня эмиссии NОх (NOx emission level ) до 5,8 г/кВт·ч при норме требований ИМО 11,2 г/кВт·ч. Расход топлива (Fuel consumption ) был несколько увеличен при работе на низких нагрузках (low loads ) работы. Однако при средних и высоких нагрузках (higher loads ) расход топлива уменьшился на 75 %.
Таким образом, КПД двигателя Аткинсона увеличено за счет механического уменьшения по времени (поршень движется вверх быстрее, чем вниз) такта сжатия по отношению к рабочему ходу (такт расширения). В цикле Миллера такт сжатия по отношению к рабочему ходу сокращен или увеличен за счет процесса впуска . При этом скорость движение поршня вверх и вниз сохранена одинаковой (как в классическом двигателе Отто - Дизеля).
При одинаковом давлении наддува зарядка цилиндра свежим воздухом снижается вследствие уменьшения времени (reduced by suitable timing ) открытия впускного клапана (inlet valve ). Поэтому свежий заряд воздуха (charge air ) в турбокомпрессоре сжимается (compressed ) до большего давления наддува, чем необходимо для цикла двигателя (engine cycle ). Таким образом, за счет увеличения величины давления наддува при уменьшенном времени открытия впускного клапана в цилиндр поступает такая же порция свежего воздуха. При этом свежий заряд воздуха, проходя через относительно узкое входное проходное сечение, расширяется (эффект дросселя) в цилиндрах (cylinders ) и соответственно охлаждается (consequent cooling ).
