Supraskime variklio darbo ciklus. Otto ciklas

4 skaidrė

Atkinsono ciklas

Britų inžinierius Jamesas Atkinsonas dar prieš karą sugalvojo savo ciklą, kuris šiek tiek skiriasi nuo Otto ciklo – jo indikatorių diagrama pažymėta žalias. Koks skirtumas? Pirma, tokio variklio (su tuo pačiu darbiniu tūriu) degimo kameros tūris yra mažesnis, taigi ir suspaudimo laipsnis yra didesnis. Todėl labiausiai viršutinis taškasįjungta indikatorių diagrama esantis kairėje, mažesnio viršstūmoklio tūrio srityje. Ir išsiplėtimo laipsnis (tas pats kaip suspaudimo laipsnis, tik atvirkščiai) taip pat yra didesnis - tai reiškia, kad esame efektyvesni, didesnė pažanga stūmoklį naudojame išmetamųjų dujų energiją ir turime mažesnius išmetamųjų dujų nuostolius (tai atspindi mažesnis žingsnis dešinėje). Tada viskas yra taip pat – yra išmetimo ir įsiurbimo smūgiai.

5 skaidrė

Dabar, jei viskas vyktų pagal Otto ciklą ir įsiurbimo vožtuvas užsidarytų ties BDC, suspaudimo kreivė būtų viršuje, o slėgis eigos pabaigoje būtų per didelis - juk čia suspaudimo laipsnis didesnis ! Po kibirkšties sektų ne mišinio blyksnis, o detonacinis sprogimas – ir variklis, nedirbęs nė valandos, žūtų per sprogimą. Tačiau taip nebuvo britų inžinieriaus Jameso Atkinsono atveju! Jis nusprendė pratęsti įsiurbimo fazę – stūmoklis pasiekia BDC ir pakyla aukštyn, o įsiurbimo vožtuvas lieka atidarytas maždaug iki pusės viso stūmoklio eigos. Dalis šviežio degiojo mišinio įstumiama atgal į įsiurbimo kolektorius, kuris ten padidina slėgį – tiksliau, sumažina vakuumą. Tai leidžia droselio sklendei labiau atsidaryti esant mažoms ir vidutinėms apkrovoms. Štai kodėl įsiurbimo linija Atkinsono ciklo diagramoje yra didesnė, o variklio siurbimo nuostoliai mažesni nei Otto cikle.

6 skaidrė

Atkinsono ciklas

Taigi suspaudimo eiga, kai įsiurbimo vožtuvas užsidaro, prasideda mažesniu tūriu virš stūmoklio, kaip rodo žalia suspaudimo linija, prasidedanti iki pusės apatinės horizontalios įsiurbimo linijos. Atrodytų, nieko nėra lengviau: padaryti aukštesnis laipsnis suspaudimas, pakeiskite įsiurbimo kumštelių profilį, ir viskas – Atkinsono ciklo variklis paruoštas! Tačiau faktas yra tas, kad norint pasiekti geras dinamines charakteristikas visame variklio sūkių diapazone, būtina kompensuoti degiojo mišinio išmetimą ilgesnio įsiurbimo ciklo metu, naudojant padidinimą, tokiu atveju - mechaninis kompresorius. O jo pavara atima liūto dalį variklio energijos, kuri atgaunama dėl siurbimo ir išmetamųjų dujų nuostolių. Atkinsono ciklą naudoti atmosferiniame Toyota Prius hibridiniame variklyje tapo įmanoma dėl to, kad jis veikia lengvo svorio režimu.

7 skaidrė

Millerio ciklas

Millerio ciklas yra termodinaminis ciklas, naudojamas keturtakčiuose vidaus degimo varikliuose. Millerio ciklą 1947 m. pasiūlė amerikiečių inžinierius Ralphas Milleris, kaip būdą sujungti Antkinsono variklio pranašumus su paprastesniu Otto variklio stūmokliniu mechanizmu.

8 skaidrė

Užuot padaręs suspaudimo taktą mechaniškai trumpesnį už galios taktą (kaip klasikiniame Atkinsono variklyje, kur stūmoklis juda aukštyn greičiau nei žemyn), Milleris sugalvojo sutrumpinti suspaudimo taktą įsiurbimo eigos sąskaita. , išlaikant stūmoklio judėjimą aukštyn ir žemyn tuo pačiu greičiu (kaip ir klasikiniame Otto variklyje).

9 skaidrė

Tam Milleris pasiūlė du skirtingus būdus: uždaryti įsiurbimo vožtuvą žymiai anksčiau nei pasibaigus įsiurbimo taktui (arba atidaryti jį vėliau nei šio smūgio pradžioje), uždaryti žymiai vėliau nei šio smūgio pabaigoje.

10 skaidrė

Pirmasis variklių metodas paprastai vadinamas „trumpu įsiurbimu“, o antrasis – „trumpu suspaudimu“. Abu šie metodai pasiekia tą patį: sumažinamas tikrasis suspaudimo laipsnis darbinis mišinys santykinai geometrinis, išlaikant pastovų išsiplėtimo laipsnį (tai yra, galios taktas išlieka toks pat kaip Otto variklyje, o suspaudimo eiga tarsi sutrumpėja – kaip ir Atkinsono, tik sutrumpėja ne laike, o laipsniu mišinio suspaudimas)

11 skaidrė

Antrasis Millerio požiūris

Šis metodas yra šiek tiek pelningesnis suspaudimo nuostolių požiūriu, todėl būtent šis metodas yra praktiškai įgyvendinamas serijiniu būdu. automobilių varikliai Mazda "MillerCycle" Tokiame variklyje įsiurbimo vožtuvas neužsidaro pasibaigus įsiurbimo taktui, o lieka atviras pirmoje suspaudimo takto dalyje. Nors dėl įsiurbimo smūgio kuro-oro mišinys Kadangi visas cilindro tūris buvo užpildytas, dalis mišinio per atidarytą įsiurbimo vožtuvą grąžinama atgal į įsiurbimo kolektorių, kai stūmoklis juda aukštyn suspaudimo eiga.

12 skaidrė

Mišinio suspaudimas iš tikrųjų prasideda vėliau, kai galiausiai užsidaro įsiurbimo vožtuvas ir mišinys užsifiksuoja cilindre. Taigi Miller variklyje mišinys suspaudžiamas mažiau nei būtų suspaustas tokios pat mechaninės geometrijos Otto variklyje. Tai leidžia padidinti geometrinį suspaudimo laipsnį (ir atitinkamai plėtimosi laipsnį!) virš ribos, kurias nustato degalų detonacijos savybės, todėl tikrasis suspaudimas priimtinos vertės dėl aukščiau aprašyto „suspaudimo ciklo sutrumpinimo“ 15 skaidrė

Išvada

Jei atidžiai pažvelgsite į Atkinsono ir Millerio ciklus, pastebėsite, kad abu turi papildomą penktąją juostą. Jis turi savo savų savybių ir iš tikrųjų nėra nei įsiurbimo, nei suspaudimo taktas, o tarpinis nepriklausomas smūgis tarp jų. Todėl varikliai, veikiantys Atkinsono ar Millerio principu, vadinami penkiatakčiais.

Peržiūrėkite visas skaidres

Vidaus degimo variklis yra labai toli nuo idealo geriausiu atveju siekia 20 - 25%, dyzelinas 40 - 50% (tai yra, likęs kuras sudeginamas beveik tuščias). Norėdami padidinti efektyvumą (atitinkamai padidinkite koeficientą naudingas veiksmas) reikia tobulinti variklio konstrukciją. Daugelis inžinierių šiuo klausimu dirba iki šiol, tačiau pirmieji buvo tik keli inžinieriai, tokie kaip Nikolausas Augustas OTTO, Jamesas ATKINSONAS ir Ralphas Milleris. Visi atliko tam tikrus pakeitimus ir stengėsi, kad varikliai būtų ekonomiškesni ir našesni. Kiekvienas pasiūlė konkretų darbų ciklą, kuris galėjo radikaliai skirtis nuo oponento projekto. Šiandien pabandysiu paprastais žodžiais, paaiškinkite jums, kokie yra pagrindiniai vidaus degimo variklių veikimo skirtumai, ir, žinoma, video versija pabaigoje...

Straipsnis bus parašytas pradedantiesiems, todėl jei esate patyręs inžinierius, jo skaityti neprivalote, kad suprastumėte vidaus degimo variklio veikimo ciklus.

Taip pat noriu pastebėti, kad yra labai daug įvairių konstrukcijų variacijų, žinomiausi, kuriuos dar galime žinoti, yra DIESEL, STIRLING, CARNO, ERICSONN ciklas ir kt. Jei suskaičiuosite konstrukcijas, jų gali būti apie 15 Ir ne visi vidaus degimo varikliai, o, pavyzdžiui, STIRLING išoriniai.

Tačiau žinomiausi, kurie ir šiandien naudojami automobiliuose, yra OTTO, ATKINSON ir MILLER. Apie tai ir pakalbėsime.

Tiesą sakant, tai yra įprastas vidaus degimo šiluminis variklis su priverstiniu degiojo mišinio uždegimu (per uždegimo žvakę), kuris dabar naudojamas 60–65% automobilių. TAIP – taip, tas, kurį turite po gaubtu, veikia pagal OTTO ciklą.

Tačiau pasigilinus į istoriją, pirmąjį tokio vidaus degimo variklio principą 1862 metais pasiūlė prancūzų inžinierius Alphonse'as BEAU DE ROCHE. Bet tai buvo teorinis veikimo principas. OTTO 1878 m. (po 16 metų) šį variklį įkūnijo į metalą (praktiškai) ir užpatentavo šią technologiją

Iš esmės tai yra keturtaktis variklis, kuriam būdingos:

• Įvadas . Gryno oro ir kuro mišinio tiekimas. Atsidaro įleidimo vožtuvas.
• Suspaudimas . Stūmoklis pakyla aukštyn, suspaudžiant šį mišinį. Abu vožtuvai yra uždaryti
• Darbinis insultas . Uždegimo žvakė uždega suslėgtą mišinį, užsidegusios dujos stumia stūmoklį žemyn
• Išmetamųjų dujų šalinimas . Stūmoklis pakyla aukštyn, išstumdamas sudegusias dujas. Atsidaro Išmetimo vožtuvas

Noriu pastebėti, kad įsiurbimo ir išmetimo vožtuvai veikia griežta seka – TAIP pat aukštai ir esant žemų apsukų. Tai reiškia, kad esant skirtingam greičiui veikimas nesikeičia.

Savo variklyje OTTO pirmasis panaudojo darbinio mišinio suspaudimą, kad padidintų maksimalią ciklo temperatūrą. Kuris buvo atliktas adiabatiškai (paprasčiau tariant, be šilumos mainų su išorine aplinka).

Po to, kai mišinys buvo suspaustas, jis buvo uždegtas uždegimo žvake, po kurio prasidėjo šilumos pašalinimo procesas, kuris vyko beveik išilgai izochoro (ty esant pastoviam variklio cilindro tūriui).

Kadangi OTTO patentavo savo technologiją, jos pramoninis naudojimas nebuvo įmanomas. Siekdamas apeiti patentus, Jamesas Atkinsonas nusprendė pakeisti OTTO ciklą 1886 m. Ir jis pasiūlė savo vidaus degimo variklio veikimo tipą.

Jis pasiūlė keisti eigos laikų santykį, dėl to galios eiga buvo padidinta apsunkinant švaistiklio konstrukciją. Pažymėtina, kad jo sukurta bandomoji kopija buvo vieno cilindro ir negavo plačiai paplitęs dėl dizaino sudėtingumo.

Jei trumpai apibūdintume šio vidaus degimo variklio veikimo principą, paaiškėtų:

Visi 4 taktai (įpurškimo, suspaudimo, galios takto, išmetimo) įvyko vienu alkūninio veleno apsisukimu (OTTO turi du apsisukimus). Dėl sudėtingos svirčių sistemos, pritvirtintos prie „alkūninio veleno“.

Šioje konstrukcijoje buvo galima įgyvendinti tam tikrus svirties ilgio santykius. Paprastais žodžiais tariant, įsiurbimo ir išmetimo eigos stūmoklio eiga yra ILGESNIS nei stūmoklio eiga suspaudimo ir galios eigose.

Ką tai duoda? TAIP, tai, kad suspaudimo laipsniu galima „žaisti“ (jį keisti) dėl svirtelių ilgių santykio, o ne dėl įsiurbimo „akceleratoriaus“! Iš to išvedame ACTISON ciklo pranašumą siurbimo nuostolių atžvilgiu

Tokie varikliai pasirodė gana efektyvūs didelis efektyvumas ir mažos degalų sąnaudos.

Tačiau buvo ir daug neigiamų aspektų:

• Sudėtingumas ir sudėtingas dizainas
• Žemas esant žemiems sūkiams
• Prasta droselio valdymas, ar ()

Sklando gandai, kad buvo naudojamas ATKINSON principas hibridiniai automobiliai, ypač TOYOTA kompanija. Tačiau tai yra šiek tiek netiesa, ten buvo naudojamas tik jo principas, tačiau dizainą naudojo kitas inžinierius, būtent Milleris. Gryna forma ATKINSON varikliai labiau buvo izoliuoti, o ne plačiai paplitę.

Ralphas Milleris taip pat nusprendė žaisti su suspaudimo laipsniu 1947 m. Tai yra, jis tarsi tęs ATKINSON darbą, bet jo nepriėmė sudėtingas variklis(su svirtimis), o įprastas vidaus degimo variklis yra OTTO.

Ką jis pasiūlė . Jis nepadarė suspaudimo takto mechaniškai trumpesnio už galios taktą (kaip pasiūlė Atkinsonas, jo stūmoklis juda greičiau aukštyn nei žemyn). Jis sugalvojo sutrumpinti suspaudimo eigą įsiurbimo eigos sąskaita, išlaikant stūmoklių judėjimą aukštyn ir žemyn vienodai ( klasikinis variklis OTTO).

Buvo du keliai:

• Uždarykite įsiurbimo vožtuvus prieš įsiurbimo takto pabaigą – šis principas vadinamas „trumpas įsiurbimas“.
• Arba uždarykite įsiurbimo vožtuvus vėliau nei įsiurbimo eiga – ši parinktis vadinama „Sutrumpintas suspaudimas“

Galiausiai abu principai suteikia tą patį - darbinio mišinio suspaudimo santykio sumažėjimas, palyginti su geometriniu! Tačiau išsiplėtimo laipsnis išlaikomas, tai yra išlaikomas galios taktas (kaip OTTO vidaus degimo variklyje), o suspaudimo eiga tarsi sutrumpėja (kaip Atkinsono vidaus degimo variklyje).

Paprastais žodžiais — oro ir kuro mišinys MILLER suslėgtas daug mažiau, nei turėjo būti suspaustas tame pačiame variklyje OTTO. Tai leidžia padidinti geometrinį suspaudimo laipsnį ir atitinkamai fizinį išsiplėtimo laipsnį. Daug didesnis nei dėl kuro detonacinių savybių (tai yra, benzino negalima suspausti neribotą laiką, prasidės detonacija)! Taigi, kai kuras užsidega TDC (arba, tiksliau, mirusioje vietoje), jis turi daug didesnį išsiplėtimo laipsnį nei OTTO konstrukcija. Tai leidžia kur kas labiau išnaudoti balione besiplečiančių dujų energiją, o tai padidina konstrukcijos šiluminį efektyvumą, o tai lemia didelį taupymą, elastingumą ir kt.

Taip pat verta atsižvelgti į tai, kad suspaudimo takto metu sumažėja siurbimo nuostoliai, tai yra lengviau suspausti kurą su MILLER ir sunaudojama mažiau energijos.

Neigiamos pusės – tai didžiausios išėjimo galios sumažėjimas (ypač esant didelis greitis) dėl prasčiausias užpildymas cilindrai Norint pagaminti tokią pat galią kaip OTTO (dideliu greičiu), variklis turėjo būti didesnis (didesni cilindrai) ir masyvesnis.

Šiuolaikiniuose varikliuose

Taigi koks skirtumas?

Straipsnis pasirodė sudėtingesnis nei tikėjausi, bet apibendrinti. TADA paaiškėja:

OTTO - tai yra standartinis įprasto variklio principas, kuris dabar montuojamas daugelyje šiuolaikinių automobilių

ATKINSONAS - pasiūlė efektyvesnį vidaus degimo variklį, pakeitus suspaudimo laipsnį naudojant sudėtingą svirčių, kurios buvo sujungtos su alkūniniu velenu, struktūrą.

Pliusai – degalų taupymas, lankstesnis variklis, mažesnis triukšmas.

TRŪKUMAI – stambi ir sudėtinga konstrukcija, mažas sukimo momentas esant mažam greičiui, prastas droselio valdymas

Gryna forma dabar praktiškai nenaudojama.

MILLER - pasiūlė naudoti mažesnį suspaudimo laipsnį cilindre, naudojant vėlyvą įsiurbimo vožtuvo uždarymą. Skirtumas su ATKINSON yra didžiulis, nes jis naudojo ne savo dizainą, o OTTO, bet ne gryna forma, o su modifikuota laiko sistema.

Daroma prielaida, kad stūmoklis (suspaudimo taktu) eina su mažesniu pasipriešinimu (siurbimo nuostoliai) ir geriau susispaudžia geometriškai oro ir kuro mišinys(išskyrus jo detonaciją), tačiau išsiplėtimo laipsnis (uždegus žvake) išlieka beveik toks pat kaip ir OTTO cikle.

Pliusai - degalų ekonomija (ypač važiuojant mažu greičiu), veikimo elastingumas, mažas triukšmas.

TRŪKUMAI – galios sumažėjimas važiuojant dideliu greičiu (dėl prastesnio cilindrų užpildymo).

Verta paminėti, kad MILLER principas dabar naudojamas kai kuriuose automobiliuose esant mažam greičiui. Leidžia reguliuoti įsiurbimo ir išmetimo fazes (naudojant jas išplėsti arba susiaurinti

Prieš kalbėdamas apie „Mazda Miller“ variklio ypatybes, pastebėsiu, kad tai ne penkiataktis, o keturtaktis, kaip ir Otto variklis. Miller variklis yra ne kas kita, kaip patobulintas klasikinis variklis vidaus degimas. Struktūriškai šie varikliai yra beveik identiški. Skirtumas slypi vožtuvo paskirstyme. Juos išskiria tai, kad klasikinis variklis veikia pagal vokiečių inžinieriaus Nicholaso ​​Otto ciklą, o Mazda Miller variklis – pagal britų inžinieriaus Jameso Atkinsono ciklą, nors kažkodėl pavadintas amerikiečių inžinieriaus Ralfo Millerio vardu. . Pastarasis taip pat sukūrė savo vidaus degimo variklio darbo ciklą, tačiau savo efektyvumu nusileidžia Atkinsono ciklui.

„Xedos 9“ modelyje (Millenia arba Eunos 800) sumontuoto V formos „šešiuko“ patrauklumas yra tas, kad su 2,3 ​​litro darbiniu tūriu jis sukuria 213 AG. ir 290 Nm sukimo momentas, kuris prilygsta 3 litrų variklių charakteristikoms. Tuo pačiu tokio galingo variklio degalų sąnaudos yra labai mažos - užmiestyje 6,3 (!) l/100 km, mieste - 11,8 l/100 km, o tai atitinka 1,8-2 litrų našumą. varikliai. Neblogai.

Norėdami suprasti Miller variklio paslaptį, turėtumėte prisiminti pažįstamo veikimo principą keturtaktis variklis Otto. Pirmasis smūgis yra įsiurbimo smūgis. Jis prasideda po to, kai atsidaro įsiurbimo vožtuvas, kai stūmoklis yra arti top miręs taškų (TDC). Judėdamas žemyn, stūmoklis sukuria vakuumą cilindre, kuris padeda į juos įsiurbti orą ir degalus. Be to, esant žemo ir vidutinio greičio režimams, kai droselio vožtuvas yra iš dalies atviras, atsiranda vadinamieji siurbimo nuostoliai. Jų esmė ta, kad dėl didelio vakuumo įsiurbimo kolektoriuje stūmokliai turi dirbti siurblio režimu, kuris sunaudoja dalį variklio galios. Be to, pablogėja cilindrų pripildymas. naujas mokestis ir atitinkamai didėja degalų sąnaudos bei emisija kenksmingų medžiagų atmosferoje. Kai stūmoklis pasiekia dugną miręs centras(BDC), įsiurbimo vožtuvas užsidaro. Po to stūmoklis, judėdamas aukštyn, suspaudžia degųjį mišinį - įvyksta suspaudimo eiga. Netoli TDC, mišinys užsidega, slėgis degimo kameroje didėja, stūmoklis juda žemyn - galios taktas. Prie BDC atsidaro išmetimo vožtuvas. Stūmokliui judant aukštyn – išmetimo eiga – cilindruose likusios išmetamosios dujos nustumiamos į išmetimo sistemą.

Verta atkreipti dėmesį, kad atsidarius išmetimo vožtuvui, dujos cilindruose vis dar yra spaudžiamos, todėl šios nepanaudotos energijos išsiskyrimas vadinamas išmetamųjų dujų nuostoliais. Triukšmo mažinimo funkcija buvo priskirta išmetimo sistemos duslintuvui.

Siekiant sumažinti neigiamus reiškinius, atsirandančius varikliui veikiant pagal klasikinę vožtuvų paskirstymo schemą, Mazda Miller variklyje vožtuvų laikas buvo pakeistas pagal Atkinsono ciklą. Įsiurbimo vožtuvas užsidaro ne šalia apatinio negyvojo taško, o daug vėliau – kai alkūninis velenas sukasi 700 nuo BDC (Ralph Miller variklyje vožtuvas užsidaro atvirkščiai – daug anksčiau nei stūmoklis praeina BDC). Atkinsono ciklas suteikia visa linija naudos. Pirma, sumažėja siurbimo nuostoliai, nes dalis mišinio, kai stūmoklis juda aukštyn, stumiamas į įsiurbimo kolektorių, sumažinant jame esantį vakuumą.

Antra, keičiasi suspaudimo laipsnis. Teoriškai jis išlieka toks pat, nes stūmoklio eiga ir degimo kameros tūris nesikeičia, bet iš tikrųjų dėl pavėluoto įsiurbimo vožtuvo užsidarymo sumažėja nuo 10 iki 8. O tai jau mažina tikimybę įvykis detonacinis degimas kuro, o tai reiškia, kad nereikia didinti variklio sūkių perjungiant į perjungti žemyn didėjant apkrovai. Sumažina detonacinio užsidegimo tikimybę ir tai, kad degus mišinys, išstumtas iš cilindrų, kai stūmoklis juda aukštyn, kol vožtuvas užsidaro, su savimi į įsiurbimo kolektorių neša dalį šilumos, paimtos iš degimo kameros sienelių.

Trečia, buvo sutrikdytas suspaudimo ir išsiplėtimo laipsnių santykis, nes dėl vėlesnio įsiurbimo vožtuvo uždarymo suspaudimo takto trukmė, palyginti su išsiplėtimo takto trukme, kai išmetimo vožtuvas yra atidarytas, gerokai sumažėjo. sumažintas. Variklis veikia vadinamuoju didelio išsiplėtimo ciklu, kurio metu išmetamosiose dujose sunaudojama daugiau energijos. ilgas laikotarpis, t.y. sumažėjus produkcijos nuostoliams. Tai leidžia visapusiškiau panaudoti išmetamųjų dujų energiją, o tai iš tikrųjų užtikrina aukštą variklio efektyvumą.

Už gavimą Aukšta įtampa o sukimo momentas, būtinas elitiniam Mazda modeliui, naudojamas Miller variklyje mechaninis kompresorius Lysholm, sumontuotas cilindrų bloko kampe.

Be 2,3 litro Xedos 9 variklio, Atkinsono ciklas buvo pradėtas naudoti hibridinio įrenginio lengvos apkrovos variklyje Toyota automobilis Priusas. Nuo „Mazda“ jis skiriasi tuo, kad neturi oro pūstuvo, o suspaudimo laipsnis yra Aukšta vertė - 13,5.