ویژگی های طراحی موتور میلر چرخه اتکینسون: چگونه کار می کند

چرخه میلر در سال 1947 توسط مهندس آمریکایی رالف میلر به عنوان راهی برای ترکیب محاسن موتور اتکینسون با مکانیزم پیستونی ساده تر موتور اتو پیشنهاد شد. میلر به جای اینکه حرکت تراکم را از نظر مکانیکی کوتاه‌تر از کورس قدرت کند (مانند موتور کلاسیک اتکینسون، که در آن پیستون سریع‌تر از پایین‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند)، میلر به این فکر افتاد که ضربان تراکم را به قیمت کورس ورودی کوتاه‌تر کند. با حفظ سرعت بالا و پایین پیستون (مانند موتور کلاسیک اتو).

برای انجام این کار، میلر دو رویکرد متفاوت را پیشنهاد کرد: یا شیر ورودی را خیلی زودتر از پایان ضربه مکش ببندید (یا دیرتر از ابتدای این ضربه باز کنید)، یا آن را به میزان قابل توجهی دیرتر از پایان این ضربه ببندید. اولین رویکرد در بین متخصصان موتور به طور معمول "مصرف کوتاه" و دوم - "فشرده سازی کوتاه" نامیده می شود. در نهایت، هر دوی این رویکردها به یک چیز می رسند: کاهش واقعیدرجه تراکم مخلوط کاری نسبت به هندسی، در حالی که همان درجه انبساط را حفظ می کند (یعنی ضربان ضربه کار مانند موتور اتو باقی می ماند و به نظر می رسد سکته فشرده سازی کاهش می یابد - مانند در اتکینسون، فقط نه در زمان، بلکه در نسبت تراکم مخلوط کاهش می یابد).

بنابراین، مخلوط موجود در موتور میلر کمتر از آنچه که باید در موتور اتو با همان هندسه مکانیکی فشرده می شود. این اجازه می دهد تا نسبت تراکم هندسی (و در نتیجه نسبت انبساط!) بالاتر از حدود اعمال شده توسط خواص انفجار سوخت افزایش یابد - به دلیل "کوتاه شدن چرخه تراکم" که در بالا توضیح داده شد فشرده سازی واقعی به مقادیر قابل قبول می رسد. . به عبارت دیگر، با همان واقعینسبت تراکم (محدود شده توسط سوخت)، موتور میلر نسبت انبساط بسیار بالاتری نسبت به موتور اتو دارد. این امکان استفاده کاملتر از انرژی گازهای در حال انبساط در سیلندر را فراهم می کند که در واقع باعث افزایش راندمان حرارتی موتور، تضمین راندمان بالای موتور و غیره می شود.

مزیت افزایش راندمان حرارتی سیکل میلر نسبت به چرخه اتو با از دست دادن حداکثر توان خروجی برای اندازه (و جرم) موتور به دلیل تخریب پر شدن سیلندر همراه است. از آنجایی که برای دستیابی به توان خروجی یکسان به یک موتور میلر بزرگتر از موتور اتو نیاز است، سود حاصل از افزایش راندمان حرارتی چرخه تا حدی صرف تلفات مکانیکی (اصطکاک، ارتعاشات و غیره) می شود که با افزایش اندازه موتور.

کنترل کامپیوتری سوپاپ ها به شما امکان می دهد درجه پر شدن سیلندر را در حین کار تغییر دهید. این امر باعث می شود تا حداکثر توان موتور را با کاهش عملکرد اقتصادی خارج کنید یا با کاهش قدرت به راندمان بهتری دست یابید.

یک مشکل مشابه توسط یک موتور پنج زمانه حل می شود که در آن انبساط اضافی در یک سیلندر جداگانه انجام می شود.

mail@site
سایت اینترنتی
ژانویه 2016

اولویت های

از همان زمان اولین پریوس، به نظر می رسید که تویوتا جیمز اتکینسون را بسیار بیشتر از رالف میلر دوست دارد. و به تدریج "چرخه اتکینسون" از بیانیه های مطبوعاتی آنها در سراسر جامعه روزنامه نگاری گسترش یافت.

تویوتا رسماً: "موتور چرخه حرارتی پیشنهاد شده توسط جیمز اتکینسون (بریتانیا) که در آن می توان مدت زمان تراکم و سکته انبساط را به طور مستقل تنظیم کرد. بهبود بعدی توسط R.H. Miller (ایالات متحده آمریکا) امکان تنظیم زمان باز/بستن دریچه ورودی را برای فعال کردن یک سیستم عملی فراهم کرد. (چرخه میلر).
- تویوتا غیررسمی و ضد علمی: «موتور میلر سیکل موتور سیکل اتکینسون با سوپرشارژر است».

علاوه بر این، حتی در محیط مهندسی محلی، "چرخه میلر" از زمان های بسیار قدیم وجود داشته است. چگونه می تواند صحیح تر باشد؟

در سال 1882، مخترع بریتانیایی جیمز اتکینسون ایده بهبود کارایی موتور پیستونی با کاهش فشار تراکم و افزایش ضربان انبساط سیال کار را ارائه کرد. در عمل، قرار بود این امر با مکانیزم های پیچیده درایو پیستون (دو پیستون مطابق با طرح "بوکسر"، یک پیستون با مکانیزم میل لنگ-راکر) تحقق یابد. نسخه های ساخته شده موتورها افزایش تلفات مکانیکی، پیچیدگی بیش از حد طراحی و کاهش قدرت را در مقایسه با موتورهای طرح های دیگر نشان می دهند، بنابراین به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفتند. ثبت اختراعات معروف اتکینسون بدون در نظر گرفتن تئوری چرخه های ترمودینامیکی، به طور خاص به طرح ها اشاره داشت.

در سال 1947، مهندس آمریکایی رالف میلر به ایده کاهش تراکم و انبساط ادامه داد و پیشنهاد اجرای آن را نه به دلیل سینماتیک درایو پیستون، بلکه با انتخاب زمان بندی سوپاپ برای موتورهای با مکانیزم میل لنگ معمولی در پتنت، میلر دو گزینه را برای سازماندهی گردش کار در نظر گرفت - با بسته شدن زود هنگام (EICV) یا دیر (LICV) دریچه ورودی. در واقع، هر دو گزینه به معنای کاهش نسبت فشرده سازی واقعی (موثر) نسبت به هندسی است. میلر با درک اینکه کاهش تراکم منجر به از دست دادن قدرت موتور می شود، در ابتدا بر روی موتورهای سوپرشارژ متمرکز شد که در آنها اتلاف پر شدن توسط کمپرسور جبران می شود. چرخه نظری میلر برای موتور جرقه زنی دقیقاً مشابه چرخه نظری موتور اتکینسون است.

به طور کلی، چرخه میلر / اتکینسون یک چرخه مستقل نیست، بلکه یک تغییر از چرخه های ترمودینامیکی شناخته شده اتو و دیزل است. اتکینسون نویسنده ایده انتزاعی یک موتور با ضربات فشرده سازی و انبساط فیزیکی متفاوت است. این رالف میلر بود که سازماندهی واقعی فرآیندهای کاری در موتورهای واقعی را پیشنهاد کرد که تا به امروز در عمل استفاده می شود.

اصول

هنگامی که موتور در چرخه میلر با تراکم کاهش یافته کار می کند، دریچه ورودی بسیار دیرتر از چرخه اتو بسته می شود، به همین دلیل بخشی از شارژ مجدد به درگاه ورودی باز می گردد و فرآیند فشرده سازی واقعی از قبل در دوم شروع می شود. نیمی از چرخه در نتیجه، نسبت تراکم مؤثر کمتر از هندسی است (که به نوبه خود برابر با نسبت انبساط گازها در سکته کاری است). با کاهش تلفات پمپاژ و تلفات تراکمی، راندمان حرارتی موتور 5-7٪ افزایش می یابد و صرفه جویی در مصرف سوخت حاصل می شود.

می توانیم یک بار دیگر به نکات کلیدی تفاوت بین چرخه ها توجه کنیم. 1 و 1 "- حجم محفظه احتراق برای موتور با سیکل میلر کوچکتر است، نسبت تراکم هندسی و نسبت انبساط بیشتر است. 2 و 2" - گازها در یک حرکت طولانی تر کار مفیدی انجام می دهند، بنابراین وجود دارد تلفات اگزوز باقیمانده کمتر 3 و 3 "- خلاء ورودی به دلیل دریچه گاز کمتر و جابجایی معکوس شارژ قبلی کمتر است، بنابراین تلفات پمپاژ کمتر است. 4 و 4" - دریچه ورودی بسته می شود و فشرده سازی از وسط چرخه شروع می شود، پس از آن. جابجایی معکوس بخشی از بار.
البته جابجایی شارژ معکوس به معنای کاهش عملکرد موتور است و برای موتورهای جوی، عملکرد در چنین سیکلی تنها در حالت بار جزئی نسبتاً باریک منطقی است. در مورد زمان‌بندی ثابت سوپاپ، فقط استفاده از بوست می‌تواند این را در کل محدوده دینامیکی جبران کند. در مدل های هیبریدی، عدم کشش در شرایط نامساعد با کشش موتور الکتریکی جبران می شود.

پیاده سازی

در موتورهای کلاسیک تویوتا دهه 90 با فازهای ثابت، که در چرخه اتو کار می کنند، دریچه ورودی پس از BDC (زاویه میل لنگ) در 35-45 درجه بسته می شود، نسبت تراکم 9.5-10.0 است. در موتورهای مدرن VVT، محدوده بسته شدن سوپاپ ورودی احتمالی پس از BDC به 5-70 درجه افزایش یافته است، نسبت تراکم به 10.0-11.0 افزایش یافته است.

در موتورهای مدل های هیبریدی که فقط در چرخه میلر کار می کنند، محدوده بسته شدن سوپاپ ورودی 80-120 درجه ... 60-100 درجه بعد از BDC است. نسبت تراکم هندسی 13.0-13.5 است.

در اواسط دهه 2010، موتورهای جدیدی با طیف گسترده ای از زمان بندی متغیر سوپاپ (VVT-iW) ظاهر شدند که می توانند هم در یک چرخه معمولی و هم در چرخه میلر کار کنند. برای نسخه های جوی، محدوده بسته شدن دریچه ورودی 30-110 درجه بعد از BDC با نسبت تراکم هندسی 12.5-12.7، برای نسخه های توربو - به ترتیب 10-100 درجه و 10.0 است.

موتور احتراق داخلی (ICE) یکی از مهم ترین اجزای یک خودرو در نظر گرفته می شود؛ ویژگی ها، قدرت، واکنش دریچه گاز و صرفه جویی در آن تعیین می کند که راننده تا چه حد پشت فرمان احساس راحتی می کند. اگرچه اتومبیل ها دائماً در حال بهبود هستند ، "بیش از حد" با سیستم های ناوبری ، ابزارهای مد روز ، چند رسانه ای و غیره ، موتورها عملاً بدون تغییر باقی می مانند ، حداقل اصل عملکرد آنها تغییر نمی کند.

چرخه اتو اتکینسون، که اساس موتور احتراق داخلی خودرو را تشکیل داد، در پایان قرن نوزدهم توسعه یافت و از آن زمان تاکنون تقریباً هیچ تغییری در سطح جهانی ایجاد نشده است. تنها در سال 1947، رالف میلر توانست پیشرفت پیشینیان خود را بهبود بخشد و بهترین ها را از هر یک از مدل های ساخت موتور به دست آورد. اما برای درک کلی اصل عملکرد واحدهای برق مدرن، باید کمی به تاریخ نگاه کنید.

کارایی موتورهای اتو

اولین موتور برای یک ماشین، که می تواند به طور معمول نه تنها از نظر تئوری کار کند، توسط فرانسوی E. Lenoir در سال 1860 توسعه یافت، اولین مدل با مکانیزم میل لنگ بود. این واحد با گاز کار می کرد، در قایق ها استفاده می شد، ضریب عملکرد آن (COP) از 4.65٪ تجاوز نمی کرد. بعداً لنوار با نیکولاس اتو همکاری کرد و با همکاری یک طراح آلمانی در سال 1863 یک موتور احتراق داخلی 2 زمانه با راندمان 15 درصد ساخته شد.

اصل موتور چهار زمانه برای اولین بار توسط N. A. Otto در سال 1876 پیشنهاد شد، این طراح خودآموخته است که خالق اولین موتور برای یک خودرو در نظر گرفته می شود. این موتور دارای سیستم قدرت گاز بود، در حالی که طراح روسی O. S. Kostovich مخترع اولین موتور احتراق داخلی کاربراتوری در جهان بر روی بنزین در نظر گرفته می شود.

کار چرخه اتو در بسیاری از موتورهای مدرن استفاده می شود، در مجموع چهار ضربه وجود دارد:

• ورودی (هنگامی که دریچه ورودی باز می شود، فضای استوانه ای با مخلوط سوخت پر می شود).
• فشرده سازی (دریچه ها محکم (بسته) هستند، مخلوط فشرده می شود، در پایان این فرآیند، احتراق توسط شمع تامین می شود.
• سکته کار (به دلیل دماهای بالا و فشار بالا، پیستون به سرعت پایین می آید، میله اتصال و میل لنگ را حرکت می دهد).
• رها کردن (در ابتدای این ضربه، دریچه اگزوز باز می شود، راه را برای گازهای خروجی آزاد می کند، میل لنگ در نتیجه تبدیل انرژی گرما به انرژی مکانیکی به چرخش ادامه می دهد و میله اتصال را با پیستون به سمت بالا بالا می برد).

تمام ضربات حلقه دار هستند و به صورت دایره ای حرکت می کنند و چرخ طیار که انرژی را ذخیره می کند به چرخش میل لنگ کمک می کند.

اگرچه در مقایسه با نسخه دو زمانه، طرح چهار زمانه کامل تر به نظر می رسد، بازده موتور بنزینی، حتی در بهترین حالت، از 25٪ تجاوز نمی کند و موتورهای دیزلی بالاترین راندمان را دارند، در اینجا می توان حداکثر تا 50 درصد افزایش یابد.

چرخه ترمودینامیکی اتکینسون

جیمز اتکینسون، مهندس بریتانیایی که تصمیم گرفت اختراع اتو را مدرن کند، نسخه خود را از بهبود سیکل سوم (سکته کاری) در سال 1882 ارائه کرد. طراح هدف خود را افزایش راندمان موتور و کاهش فرآیند تراکم، اقتصادی تر کردن موتور احتراق داخلی، کم سر و صدا کردن موتور احتراق داخلی تعیین کرد و تفاوت در طرح ساخت آن تغییر درایو مکانیسم میل لنگ (KShM) و برای طی کردن تمام چرخه ها در یک دور میل لنگ.

اگرچه اتکینسون توانست کارایی موتور خود را در رابطه با اختراع قبلاً ثبت شده اتو بهبود بخشد، این طرح عملی نشد، مکانیک بسیار پیچیده بود. اما اتکینسون اولین طراح بود که کار یک موتور احتراق داخلی با نسبت تراکم کاهش یافته را پیشنهاد کرد و اصل این چرخه ترمودینامیکی بیشتر توسط مخترع رالف میلر مورد توجه قرار گرفت.

ایده کاهش فرآیند فشرده سازی و مصرف اشباع بیشتر به فراموشی سپرده نشد؛ آر. میلر آمریکایی در سال 1947 به آن بازگشت. اما این بار مهندس پیشنهاد کرد که این طرح را نه با پیچیده کردن KShM، بلکه با تغییر زمان بندی سوپاپ اجرا کند. دو نسخه در نظر گرفته شد:

• تاخیر دریچه ورودی (LICV یا فشرده سازی کوتاه)؛
• بسته شدن زود هنگام دریچه (EICV یا مکش کوتاه).

با بستن دیره سوپاپ ورودی، تراکم کمتری نسبت به موتور اتو حاصل می شود که به دلیل آن بخشی از مخلوط سوخت به داخل درگاه ورودی باز می گردد. چنین راه حل سازنده ای به دست می دهد:

• فشرده سازی هندسی "نرم" بیشتر مخلوط سوخت و هوا؛
• مصرف سوخت اضافی، به ویژه در سرعت های پایین؛
• انفجار کمتر؛
• سطح سر و صدای کم

از معایب این طرح می توان به کاهش قدرت در سرعت های بالا اشاره کرد، زیرا فرآیند فشرده سازی کاهش می یابد. اما به دلیل پر شدن کاملتر سیلندرها، راندمان در سرعتهای پایین افزایش می یابد و نسبت تراکم هندسی افزایش می یابد (واقعی کاهش می یابد). یک نمایش گرافیکی از این فرآیندها را می توان در شکل ها با نمودارهای شرطی زیر مشاهده کرد.

موتورهایی که طبق طرح میلر کار می کنند در سرعت های بالا قدرت خود را به اتو از دست می دهند ، اما در شرایط کار شهری این چندان مهم نیست. اما چنین موتورهایی مقرون به صرفه تر هستند، کمتر منفجر می شوند، نرم تر و بی صداتر کار می کنند.

موتور سیکل میلر در مزدا Xedos (2.3 لیتر)

مکانیزم ویژه همپوشانی سوپاپ افزایش نسبت تراکم (C3) را فراهم می کند، اگر به عنوان مثال در نسخه استاندارد برابر با 11 باشد، در یک موتور فشرده سازی کوتاه، این رقم، تحت تمام شرایط یکسان دیگر، به 14 افزایش می یابد. در یک مزدا Xedos 6 سیلندر ICE 2.3 L (خانواده Skyactiv) از نظر تئوری به این صورت است: دریچه ورودی (VK) زمانی باز می شود که پیستون در نقطه مرده بالایی قرار دارد (به اختصار TDC نامیده می شود) ، در نقطه پایین بسته نمی شود ( BDC)، و بعداً، 70 درجه باز می ماند. در این حالت، بخشی از مخلوط سوخت و هوا به منیفولد ورودی رانده می شود، فشرده سازی پس از بسته شدن VC آغاز می شود. هنگامی که پیستون به TDC برمی گردد:

• حجم سیلندر کاهش می یابد.
• فشار افزایش می یابد؛
• احتراق از یک شمع در یک لحظه خاص اتفاق می افتد، این بستگی به بار و تعداد چرخش دارد (سیستم پیشروی احتراق کار می کند).

سپس پیستون پایین می آید، انبساط اتفاق می افتد، در حالی که انتقال حرارت به دیواره های سیلندر به دلیل فشرده سازی کوتاه به اندازه طرح اتو بالا نیست. هنگامی که پیستون به BDC رسید، گازها آزاد می شوند، سپس همه اقدامات دوباره تکرار می شوند.

پیکربندی ویژه منیفولد ورودی (عریض‌تر و کوتاه‌تر از حد معمول) و زاویه باز شدن 70 درجه EC در 14:1 شمال غربی این امکان را فراهم می‌کند که اشتعال را روی 8 درجه در حالت آماده به کار بدون هیچ گونه انفجار محسوسی تنظیم کنید. همچنین، این طرح درصد بیشتری از کار مکانیکی مفید را ارائه می دهد، یا به عبارت دیگر، به شما امکان افزایش کارایی را می دهد. به نظر می رسد که کار محاسبه شده با فرمول A \u003d P dV (P فشار است، dV تغییر حجم است) با هدف گرم کردن دیواره سیلندرها، سر بلوک نیست، بلکه برای تکمیل ضربه کار استفاده می شود. به طور شماتیک، کل فرآیند را می توان در شکل مشاهده کرد، جایی که شروع چرخه (BDC) با عدد 1 نشان داده شده است، فرآیند فشرده سازی - به نقطه 2 (TDC)، از 2 تا 3 - تامین حرارت با یک پیستون ثابت . هنگامی که پیستون از نقطه 3 به 4 می رود، انبساط رخ می دهد. کار تکمیل شده با ناحیه سایه دار At نشان داده می شود.

همچنین، کل طرح را می توان در مختصات T S مشاهده کرد، که در آن T به معنی دما است، و S آنتروپی است که با تامین گرما به ماده افزایش می یابد، و در تحلیل ما این یک مقدار شرطی است. نامگذاری Q p و Q 0 - مقدار گرمای ورودی و خروجی.

نقطه ضعف سری Skyactiv این است که در مقایسه با اتو کلاسیک، این موتورها قدرت خاص (واقعی) کمتری دارند؛ در یک موتور 2.3 لیتری با شش سیلندر، فقط 211 اسب بخار قدرت دارد و حتی با در نظر گرفتن توربوشارژ و 5300 دور در دقیقه اما موتورها مزایای ملموسی دارند:

• نسبت تراکم بالا؛
• توانایی نصب احتراق زود هنگام، در حالی که انفجار نمی شود.
• تضمین شتاب سریع از حالت سکون؛
• ضریب راندمان بالا

و یکی دیگر از مزیت های مهم موتور سیکل مزدا میلر مصرف سوخت اقتصادی به خصوص در بارهای کم و در حالت آرام است.

موتورهای تویوتا اتکینسون

اگرچه چرخه اتکینسون در قرن نوزدهم کاربرد عملی خود را پیدا نکرد، ایده موتور آن در واحدهای قدرت قرن بیست و یکم محقق شد. چنین موتورهایی روی برخی از مدل های خودروهای سواری هیبریدی تویوتا نصب می شوند که هم با سوخت بنزین و هم با برق کار می کنند. لازم به توضیح است که نظریه اتکینسون هرگز به شکل خالص خود استفاده نمی شود، بلکه پیشرفت های جدید مهندسان تویوتا را می توان ICEهایی نامید که مطابق با چرخه اتکینسون / میلر طراحی شده اند، زیرا آنها از مکانیزم استاندارد میل لنگ استفاده می کنند. کاهش چرخه تراکم با تغییر فازهای توزیع گاز حاصل می شود، در حالی که چرخه ضربه طولانی تر می شود. موتورهایی که از یک طرح مشابه در خودروهای تویوتا استفاده می کنند:

• پریوس؛
• یاریس;
• اوریس;
• کوهنورد;
• لکسوس GS 450h;
• لکسوس سی تی 200h;
• لکسوس HS 250h;
• ویتز

طیف موتورهای با طرح اتکینسون / میلر اجرا شده به طور مداوم پر می شود، بنابراین در ابتدای سال 2017، کنسرت ژاپنی تولید یک موتور 1.5 لیتری چهار سیلندر احتراق داخلی را راه اندازی کرد که بر روی بنزین با اکتان بالا کار می کرد و 111 اسب بخار قدرت ارائه می کرد. با نسبت تراکم در سیلندرهای 13.5: 1. این موتور مجهز به یک شیفتر فاز VVT-IE است که می تواند حالت های اتو / اتکینسون را بسته به سرعت و بار تغییر دهد، با این واحد قدرت خودرو می تواند در 11 ثانیه به سرعت 100 کیلومتر در ساعت برسد. موتور مقرون به صرفه است، راندمان بالا (تا 38.5٪)، شتاب عالی را فراهم می کند.

چرخه دیزل

اولین موتور دیزل توسط مخترع و مهندس آلمانی رودولف دیزل در سال 1897 طراحی و ساخته شد، واحد قدرت بزرگ بود، حتی بزرگتر از موتورهای بخار آن سالها. مانند موتور اتو، این موتور چهار زمانه بود، اما با راندمان عالی، سهولت کار، و نسبت تراکم موتور احتراق داخلی به طور قابل توجهی بالاتر از یک واحد قدرت بنزینی بود. اولین موتورهای دیزلی در اواخر قرن نوزدهم با فرآورده های نفتی سبک و روغن های گیاهی کار می کردند و همچنین تلاش هایی برای استفاده از غبار زغال سنگ به عنوان سوخت صورت گرفت. اما آزمایش تقریباً بلافاصله شکست خورد:

• اطمینان از تامین گرد و غبار به سیلندرها مشکل ساز بود.
• زغال سنگ با داشتن خواص سایشی به سرعت گروه سیلندر-پیستون را فرسوده کرد.

جالب اینجاست که هربرت آیکروید استوارت، مخترع انگلیسی، دو سال زودتر از رودولف دیزل، یک موتور مشابه را به ثبت رساند، اما دیزل موفق شد مدلی با فشار سیلندر افزایش یافته طراحی کند. مدل استوارت در تئوری بازده حرارتی 12٪ را ارائه می دهد، در حالی که طبق طرح دیزل، راندمان به 50٪ می رسد.

در سال 1898، گوستاو ترینکلر یک موتور روغن پرفشار مجهز به پیش محفظه طراحی کرد، این مدل نمونه اولیه مستقیم موتورهای احتراق داخلی دیزلی مدرن است.

موتورهای دیزل مدرن برای اتومبیل

هم موتور بنزینی چرخه اتو و هم موتور دیزل طرح ساخت و ساز اصلی را تغییر نداده اند، اما موتور احتراق داخلی مدرن دیزلی با اجزای اضافی "بیش از حد رشد" شده است: توربوشارژر، سیستم کنترل عرضه سوخت الکترونیکی، اینترکولر، سنسورهای مختلف، و غیره اخیراً واحدهای برق تزریق مستقیم Common Rail به طور فزاینده ای توسعه یافته و به صورت سری راه اندازی شده اند و گازهای اگزوز سازگار با محیط زیست را مطابق با الزامات مدرن و فشار تزریق بالا ارائه می دهند. دیزل‌های با تزریق مستقیم مزایای کاملاً ملموسی نسبت به موتورهای با سیستم سوخت معمولی دارند:

• مصرف سوخت اقتصادی؛
• قدرت بیشتری با همان حجم داشته باشد.
• کار با سطح سر و صدای کم؛
• به ماشین اجازه می دهد تا شتاب بیشتری بگیرد.

معایب موتورهای Common Rail: پیچیدگی نسبتاً زیاد، نیاز به تعمیر و نگهداری برای استفاده از تجهیزات ویژه، کیفیت تقاضای سوخت دیزل، هزینه نسبتاً بالا. مانند موتورهای احتراق داخلی بنزینی، موتورهای دیزلی دائماً در حال بهبود هستند و از نظر فناوری پیشرفته تر و پیچیده تر می شوند.

ویدئو:چرخه OTTO، اتکینسون و میلر، تفاوت در چیست:

اسلاید 2

یخ کلاسیک

موتور کلاسیک چهار زمانه در سال 1876 توسط یک مهندس آلمانی به نام نیکولاس اتو اختراع شد، چرخه عملکرد چنین موتور احتراق داخلی (ICE) ساده است: ورودی، فشرده سازی، سکته قدرت، اگزوز.

اسلاید 3

نمودار شاخص چرخه اتو و اتکینسون.

اسلاید 4

چرخه اتکینسون

مهندس بریتانیایی جیمز اتکینسون حتی قبل از جنگ با چرخه خود که کمی متفاوت از چرخه اتو است - نمودار نشانگر آن به رنگ سبز مشخص شده است. تفاوت در چیست؟ اولا، حجم محفظه احتراق چنین موتوری (با همان حجم کار) کوچکتر است و بر این اساس، نسبت تراکم بالاتر است. بنابراین، بالاترین نقطه در نمودار نشانگر در سمت چپ، در ناحیه حجم کوچکتر بیش از پیستون قرار دارد. و نسبت انبساط (همان نسبت تراکم، فقط برعکس) نیز بزرگتر است - به این معنی که ما کارآمدتر هستیم، از انرژی گاز خروجی در یک حرکت پیستون بزرگتر استفاده می کنیم و تلفات اگزوز کمتری داریم (این با یک کوچکتر منعکس می شود. قدم در سمت راست). سپس همه چیز یکسان است - چرخه های اگزوز و ورودی حرکت می کنند.

اسلاید 5

حالا اگر همه چیز مطابق با چرخه اتو اتفاق می افتاد و شیر ورودی در BDC بسته می شد، منحنی تراکم بالا می رفت و فشار در پایان سیکل بیش از حد خواهد بود - زیرا نسبت تراکم در اینجا بالاتر است! پس از جرقه، جرقه ای از مخلوط دنبال نمی شود، بلکه یک انفجار انفجاری رخ می دهد - و موتور، پس از یک ساعت کار نکردن، انفجار را از بین می برد. اما مهندس بریتانیایی جیمز اتکینسون اینطور نبود! او تصمیم گرفت فاز ورودی را تمدید کند - پیستون به BDC می رسد و بالا می رود، در حالی که دریچه ورودی تا حدود نیمی از حرکت کامل پیستون باز می ماند. در همان زمان، بخشی از مخلوط قابل احتراق تازه به منیفولد ورودی بازگردانده می شود، که فشار را در آنجا افزایش می دهد - یا بهتر است بگوییم، خلاء را کاهش می دهد. این به شما امکان می دهد در بارهای کم و متوسط ​​دریچه گاز را بیشتر باز کنید. به همین دلیل است که خط مکش در نمودار چرخه اتکینسون بیشتر و تلفات پمپاژ موتور کمتر از سیکل اتو است.

اسلاید 6

چرخه اتکینسون

بنابراین، حرکت تراکم، زمانی که دریچه ورودی بسته می‌شود، با حجم کم‌تر بیش از پیستون شروع می‌شود، که با خط تراکم سبز رنگ که از نیمی از خط ورودی افقی پایین شروع می‌شود، نشان داده می‌شود. به نظر می رسد آسان تر است: افزایش نسبت تراکم، تغییر مشخصات بادامک های ورودی، و ترفند در کیسه است - موتور چرخه اتکینسون آماده است! اما واقعیت این است که برای دستیابی به عملکرد دینامیکی خوب در کل محدوده سرعت عملیاتی موتور، باید با اعمال سوپرشارژر، در این مورد یک سوپرشارژر مکانیکی، دفع مخلوط قابل احتراق را در طول یک چرخه مکش طولانی جبران کرد. و درایو آن سهم اصلی انرژی را که می توان با پمپاژ و تلفات اگزوز بازگرداند، از موتور می گیرد. استفاده از چرخه اتکینسون در موتور هیبریدی تویوتا پریوس تنفس طبیعی با عملکرد سبک آن امکان پذیر شده است.

اسلاید 7

چرخه میلر

چرخه میلر یک چرخه ترمودینامیکی است که در موتورهای احتراق داخلی چهار زمانه استفاده می شود. چرخه میلر در سال 1947 توسط مهندس آمریکایی رالف میلر به عنوان راهی برای ترکیب مزایای موتور Antkinson با مکانیزم پیستونی ساده تر موتور اتو پیشنهاد شد.

اسلاید 8

میلر به جای اینکه حرکت تراکم را از نظر مکانیکی کوتاه‌تر از کورس قدرت کند (مانند موتور کلاسیک اتکینسون، که در آن پیستون سریع‌تر از پایین‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند)، میلر به این فکر افتاد که ضربان تراکم را به قیمت کورس ورودی کوتاه‌تر کند. با حفظ سرعت بالا و پایین پیستون (مانند موتور کلاسیک اتو).

اسلاید 9

برای انجام این کار، میلر دو رویکرد متفاوت را پیشنهاد کرد: شیر ورودی را خیلی زودتر از پایان ضربه مکش ببندید (یا دیرتر از ابتدای این ضربه باز کنید)، آن را به میزان قابل توجهی دیرتر از پایان این ضربه ببندید.

اسلاید 10

رویکرد اول برای موتورها معمولاً "مصرف کوتاه" نامیده می شود و روش دوم - "فشرده سازی کوتاه شده". هر دوی این رویکردها یک چیز را ارائه می دهند: کاهش نسبت تراکم واقعی مخلوط کاری نسبت به هندسی، در حالی که نسبت انبساط یکسان را حفظ می کند (یعنی ضربان قدرت مانند موتور اتو باقی می ماند، و سکته تراکم به نظر می رسد. کاهش می یابد - مانند اتکینسون، فقط نه در زمان، بلکه در درجه فشرده سازی مخلوط کاهش می یابد)

اسلاید 11

رویکرد دوم میلر

این رویکرد از نظر تلفات تراکم تا حدودی سودمندتر است و بنابراین دقیقاً این رویکرد است که عملاً در موتورهای اتومبیل سریال مزدا "MillerCycle" اجرا می شود. در چنین موتوری، سوپاپ ورودی در انتهای کورس مکش بسته نمی شود، اما در اولین قسمت از حرکت تراکم باز می ماند. اگرچه کل حجم سیلندر با مخلوط هوا و سوخت در کورس ورودی پر شده بود، زمانی که پیستون در حرکت فشاری به سمت بالا حرکت می کند، مقداری از مخلوط از طریق دریچه ورودی باز به منیفولد ورودی باز می گردد.

اسلاید 12

فشرده سازی مخلوط در واقع دیرتر شروع می شود، زمانی که دریچه ورودی در نهایت بسته می شود و مخلوط در سیلندر به دام می افتد. بنابراین، مخلوط موجود در موتور میلر کمتر از آنچه که باید در موتور اتو با همان هندسه مکانیکی فشرده می شود. این به شما امکان می دهد تا نسبت تراکم هندسی (و بر این اساس، نسبت انبساط!) را بالاتر از حد تعیین شده توسط خواص انفجار سوخت افزایش دهید - به دلیل "کوتاه شدن" فشرده سازی واقعی را به مقادیر قابل قبول برسانید. چرخه فشرده سازی» که در بالا توضیح داده شد. اسلاید 15

نتیجه

اگر با دقت به چرخه نگاه کنید - هم اتکینسون و هم میلر، متوجه خواهید شد که در هر دو یک اندازه پنجم اضافی وجود دارد. این ویژگی های خاص خود را دارد و در واقع نه یک ضربه ورودی و نه یک ضربه فشرده سازی است، بلکه یک سکته مغزی مستقل بین آنهاست. بنابراین، موتورهایی که بر اساس اصل اتکینسون یا میلر کار می کنند، پنج زمانه نامیده می شوند.

مشاهده همه اسلایدها

موتور احتراق داخلی بسیار دور از ایده آل است ، در بهترین حالت به 20 - 25٪ ، دیزل 40 - 50٪ می رسد (یعنی بقیه سوخت تقریباً خالی می سوزد). برای افزایش راندمان (به ترتیب افزایش راندمان) نیاز به بهبود طراحی موتور است. بسیاری از مهندسان تا به امروز با این مشکل دست و پنجه نرم می کنند، اما اولین آنها تنها چند مهندس بودند، مانند نیکولاس آگوست اوتو، جیمز آتکینسون و رالف میلر. همه تغییرات خاصی ایجاد کردند و سعی کردند موتورها را اقتصادی تر و پربازده تر کنند. هر کدام چرخه خاصی از کار را ارائه می‌کردند که می‌توانست کاملاً متفاوت از طراحی حریف باشد. امروز سعی می کنم به زبان ساده به شما توضیح دهم که تفاوت های اصلی در عملکرد موتور احتراق داخلی و البته نسخه ویدیویی در پایان چیست ...

این مقاله برای مبتدیان نوشته شده است، بنابراین اگر شما یک مهندس ماهر هستید، نمی توانید آن را بخوانید، برای درک کلی از چرخه های موتور احتراق داخلی نوشته شده است.

همچنین می خواهم توجه داشته باشم که تنوع زیادی در طرح های مختلف وجود دارد، معروف ترین آنها که هنوز هم می توانیم بدانیم چرخه دیزل، استیرلینگ، کارنو، اریکسون و غیره است. اگر طرح ها را بشمارید، می توانید حدود 15 مورد از آنها وجود داشته باشد و نه همه موتورهای احتراق داخلی، بلکه مثلاً STIRLING خارجی.

اما معروف ترین آنها که تا به امروز در خودروها استفاده می شود، OTTO، ATKINSON و MILLER هستند. در اینجا ما در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

در واقع، این یک موتور حرارتی احتراق داخلی معمولی با احتراق اجباری مخلوط قابل احتراق (از طریق شمع) است که اکنون در 60-65٪ اتومبیل ها استفاده می شود. بله - بله، دقیقا همان چیزی که زیر کاپوت دارید روی چرخه OTTO کار می کند.

با این حال، اگر به تاریخ بپردازید، اولین اصل چنین موتور احتراق داخلی در سال 1862 توسط مهندس فرانسوی Alphonse BO DE ROCHE پیشنهاد شد. اما این یک اصل نظری عمل بود. OTTO در سال 1878 (16 سال بعد) این موتور را در فلز (در عمل) مجسم کرد و این فناوری را به ثبت رساند.

در واقع، این یک موتور چهار زمانه است که با ویژگی های زیر مشخص می شود:

• ورودی . تامین مخلوط هوای تازه و سوخت. دریچه ورودی باز می شود.
• فشرده سازی . پیستون بالا می رود و این مخلوط را فشرده می کند. هر دو دریچه بسته هستند
• سکته مغزی کار . شمع مخلوط فشرده شده را مشتعل می کند، گازهای مشتعل شده پیستون را به سمت پایین فشار می دهند.
• خروجی گاز اگزوز . پیستون بالا می رود و گازهای سوخته را خارج می کند. دریچه اگزوز باز می شود

می خواهم توجه داشته باشم که دریچه های ورودی و خروجی به ترتیب دقیق کار می کنند - به طور یکسان در سرعت های بالا و پایین. یعنی در سرعت های مختلف تغییری در کار ایجاد نمی شود.

در موتور خود، OTTO اولین کسی بود که فشرده سازی مخلوط کار را برای افزایش حداکثر دمای چرخه اعمال کرد. که در امتداد آدیابات (به عبارت ساده، بدون تبادل حرارت با محیط خارجی) انجام شد.

پس از فشرده شدن مخلوط، توسط یک شمع مشتعل شد، پس از آن فرآیند حذف حرارت آغاز شد، که تقریباً در امتداد ایزوکور (یعنی در حجم ثابت سیلندر موتور) پیش رفت.

از آنجایی که OTTO فناوری خود را به ثبت رساند، استفاده صنعتی از آن ممکن نبود. برای دور زدن اختراعات، جیمز اتکینسون در سال 1886 تصمیم گرفت چرخه OTTO را اصلاح کند. و او نوع عملکرد موتور احتراق داخلی خود را پیشنهاد کرد.

او پیشنهاد داد تا نسبت زمان‌های چرخه را تغییر دهیم، به همین دلیل، با پیچیده‌تر کردن طراحی میل لنگ، سکته کار افزایش یافت. لازم به ذکر است که نمونه آزمایشی که وی ساخته است تک سیلندر بوده و به دلیل پیچیدگی طراحی زیاد مورد استفاده قرار نگرفته است.

اگر به طور خلاصه اصل عملکرد این موتور احتراق داخلی را شرح دهیم، معلوم می شود:

هر 4 ضربه (تزریق، فشرده سازی، ضربه قدرت، اگزوز) - در یک چرخش میل لنگ رخ داده است (OTTO دو چرخش داشت). به لطف سیستم پیچیده ای از اهرم ها که در کنار "میل لنگ" وصل شده بودند.

در این طرح امکان اجرای نسبت های مشخصی از طول اهرم ها وجود داشت. به عبارت ساده، ضربان پیستون در کورس ورودی و خروجی بیشتر از حرکت پیستون در کورس تراکمی و قدرتی است.

چه چیزی می دهد؟ بله، که می توانید با نسبت تراکم (تغییر آن) "بازی" کنید، به دلیل نسبت طول اهرم ها، و نه به دلیل "گسیختگی" ورودی! مزیت چرخه ACTINSON از نظر تلفات پمپاژ به دست می آید

چنین موتورهایی با راندمان بالا و مصرف سوخت کم بسیار کارآمد هستند.

با این حال، نکات منفی زیادی نیز وجود داشت:

• پیچیدگی و حجیم بودن طراحی
• در دور پایین کم است
• کنترل ضعیف دریچه گاز، چه باشد ()

شایعات دائمی مبنی بر استفاده از اصل ATKINSON در خودروهای هیبریدی، به ویژه توسط تویوتا وجود دارد. با این حال، این کمی درست نیست، فقط از اصل او در آنجا استفاده شده است، اما طراحی توسط مهندس دیگری به نام میلر استفاده شده است. موتورهای ATKINSON در شکل خالص خود بیشتر یک کاراکتر بودند تا جرمی.

رالف میلر همچنین تصمیم گرفت در سال 1947 با نسبت تراکم بازی کند. یعنی او، همانطور که بود، کار ATKINSON را ادامه خواهد داد، اما او موتور پیچیده خود را (با اهرم) نگرفت، بلکه OTTO ICE معمولی را گرفت.

چه پیشنهادی داد . او ضربان تراکم را از نظر مکانیکی کوتاه‌تر از ضربه قدرت نکرد (همانطور که اتکینسون پیشنهاد کرد، پیستون او سریع‌تر به سمت بالا حرکت می‌کند تا پایین). او ایده کوتاه کردن سکته فشرده سازی را به قیمت ضربه ورودی، حفظ حرکت بالا و پایین پیستون ها یکسان (موتور کلاسیک OTTO) مطرح کرد.

دو راه وجود داشت:

• دریچه های ورودی را قبل از پایان سکته ورودی ببندید - این اصل "مصرف کوتاه" نامیده می شود.
• یا دیرتر از زمان ورودی شیرهای ورودی را ببندید - این گزینه "فشرده سازی کوتاه" نامیده می شود.

در نهایت، هر دو اصل یک چیز را نشان می دهند - کاهش نسبت فشرده سازی، مخلوط کاری نسبت به هندسی! با این حال ، درجه انبساط حفظ می شود ، یعنی ضربان سکته کار حفظ می شود (مانند موتور احتراق داخلی OTTO) و سکته تراکم ، همانطور که بود ، کاهش می یابد (مانند موتور احتراق داخلی اتکینسون) .

به زبان ساده - ترکیب هوا و سوخت در میلر بسیار کمتر از آن چیزی است که باید در همان موتور در OTTO فشرده شود. این به شما امکان می دهد تا نسبت تراکم هندسی و بر این اساس نسبت انبساط فیزیکی را افزایش دهید. خیلی بیشتر از چیزی که به دلیل خاصیت انفجاری سوخت است (یعنی بنزین را نمی توان به طور نامحدود فشرده کرد، انفجار شروع می شود)! بنابراین، هنگامی که سوخت در TDC (یا بهتر بگوییم نقطه مرگ) مشتعل می شود، نسبت انبساط بسیار بالاتری نسبت به طراحی OTTO دارد. این امکان استفاده از انرژی گازهای در حال انبساط در سیلندر را بسیار بیشتر می کند که باعث افزایش راندمان حرارتی سازه می شود که منجر به صرفه جویی بالا، کشش و غیره می شود.

همچنین باید در نظر داشت که تلفات پمپاژ در زمان تراکم کاهش می یابد، یعنی فشرده سازی سوخت با MILLER آسان تر است، انرژی کمتری مورد نیاز است.

جنبه های منفی - این کاهش در اوج توان خروجی (به ویژه در سرعت های بالا) به دلیل پر شدن بدتر سیلندر است. برای حذف همان قدرت OTTO (در سرعت های بالا)، موتور باید بزرگتر (سیلندرهای بزرگتر) و حجیم تر ساخته می شد.

روی موتورهای مدرن

پس چه فرقی دارد؟

مقاله پیچیده تر از آن چیزی بود که من انتظار داشتم، اما به طور خلاصه. که معلوم می شود:

اتو - این اصل استاندارد یک موتور معمولی است که اکنون در اکثر خودروهای مدرن وجود دارد

اتکینسون - با تغییر نسبت تراکم با استفاده از طراحی پیچیده اهرم هایی که به میل لنگ متصل شده بودند، موتور احتراق داخلی کارآمدتری را ارائه کرد.

مزایا - مصرف سوخت، موتور انعطاف پذیرتر، سر و صدای کمتر.

نکات منفی - طراحی حجیم و پیچیده، گشتاور کم در دورهای پایین، کنترل ضعیف دریچه گاز

در شکل خالص خود، اکنون عملاً استفاده نمی شود.

میلر - پیشنهاد استفاده از نسبت تراکم کمتر در سیلندر، با کمک بسته شدن دیرهنگام دریچه ورودی. تفاوت با ATKINSON بسیار زیاد است، زیرا او از طراحی خود استفاده نکرد، بلکه از OTTO استفاده کرد، اما نه به شکل خالص آن، بلکه با یک سیستم زمان بندی اصلاح شده.

فرض بر این است که پیستون (در حرکت فشاری) با مقاومت کمتری (تلفات پمپاژ) حرکت می کند و از نظر هندسی مخلوط هوا و سوخت را بهتر فشرده می کند (به استثنای انفجار آن)، با این حال، نسبت انبساط (هنگامی که توسط شمع مشتعل می شود) تقریباً باقی می ماند. مانند چرخه OTTO.

مزایا - مصرف سوخت (مخصوصاً در سرعت های پایین)، کشش کار، سر و صدای کم.

منفی - کاهش قدرت در سرعت های بالا (به دلیل بدترین پر شدن سیلندرها).

شایان ذکر است که در حال حاضر از اصل MILLER در برخی خودروها در سرعت های پایین استفاده می شود. به شما امکان می‌دهد فازهای ورودی و خروجی را تنظیم کنید (با استفاده از آن‌ها را گسترش یا باریک کنید