Millera dzinēja konstrukcijas iezīmes. Atkinsona cikls: kā tas darbojas

Millera ciklu 1947. gadā ierosināja amerikāņu inženieris Ralfs Millers kā veidu, kā apvienot Atkinsona dzinēja priekšrocības ar vienkāršāku Otto dzinēja virzuļu mehānismu. Tā vietā, lai kompresijas gājienu mehāniski padarītu īsāku par jaudas gājienu (kā klasiskajā Atkinsona dzinējā, kur virzulis virzās uz augšu ātrāk nekā uz leju), Millers nāca klajā ar ideju saīsināt kompresijas gājienu uz ieplūdes gājiena rēķina. , saglabājot virzuļa kustības augšup un lejup vienādu ātrumu (kā klasiskajā Otto dzinējā).

Lai to izdarītu, Millers ierosināja divas dažādas pieejas: vai nu aizveriet ieplūdes vārstu daudz agrāk par ieplūdes gājiena beigām (vai atveriet to vēlāk nekā šī gājiena sākumā), vai arī aizveriet to ievērojami vēlāk nekā šī gājiena beigās. Pirmo pieeju dzinēju speciālistu vidū nosacīti sauc par "saīsinātu ieplūdi", bet otro - "saīsinātu kompresiju". Galu galā abas šīs pieejas panāk vienu un to pašu: samazina faktiskais darba maisījuma saspiešanas pakāpe attiecībā pret ģeometrisko, vienlaikus saglabājot tādu pašu izplešanās pakāpi (tas ir, darba gājiena gājiens paliek tāds pats kā Otto dzinējā, un šķiet, ka kompresijas gājiens ir samazināts - tāpat kā Atkinson, tikai tas tiek samazināts nevis laikā, bet gan maisījuma kompresijas pakāpē) .

Tādējādi maisījums Millera dzinējā saspiežas mazāk, nekā vajadzētu tādas pašas mehāniskās ģeometrijas Otto dzinējā. Tas ļauj palielināt ģeometrisko saspiešanas pakāpi (un līdz ar to arī izplešanās pakāpi!) virs robežvērtībām, ko nosaka degvielas detonācijas īpašības, palielinot faktisko kompresiju līdz pieņemamām vērtībām iepriekš aprakstītā "saspiešanas cikla saīsināšanas" dēļ. . Citiem vārdiem sakot, ar to pašu faktiskais kompresijas pakāpe (ierobežota ar degvielu), Millera dzinējam ir ievērojami augstāka izplešanās pakāpe nekā Otto dzinējam. Tas ļauj pilnīgāk izmantot cilindrā izplešanās gāzu enerģiju, kas faktiski palielina motora siltuma efektivitāti, nodrošina augstu dzinēja efektivitāti utt.

Millera cikla termiskās efektivitātes palielināšanas priekšrocības salīdzinājumā ar Otto ciklu ir saistītas ar maksimālās jaudas zudumu konkrētam dzinēja izmēram (un masai) cilindru pildījuma pasliktināšanās dēļ. Tā kā, lai sasniegtu tādu pašu jaudu, būtu nepieciešams lielāks Millera dzinējs nekā Otto dzinējam, ieguvums no palielinātas cikla termiskās efektivitātes daļēji tiks iztērēts mehāniskajiem zudumiem (berzei, vibrācijām utt.), kas palielinās līdz ar dzinēja lielumu. dzinējs.

Vārstu datorvadība ļauj mainīt cilindra piepildījuma pakāpi darbības laikā. Tas ļauj izspiest maksimālo jaudu no motora, pasliktinot ekonomiskos rādītājus, vai sasniegt labāku efektivitāti, samazinot jaudu.

Līdzīgu problēmu atrisina piectaktu dzinējs, kurā atsevišķā cilindrā tiek veikta papildu paplašināšana.

[aizsargāts ar e-pastu] tīmekļa vietne
tīmekļa vietne
2016. gada janvāris

Prioritātes

Jau kopš pirmā Prius likās, ka Toyota Džeimss Atkinsons patīk daudz vairāk nekā Ralfs Millers. Un pamazām viņu preses relīžu "Atkinsona cikls" izplatījās visā žurnālistu aprindās.

Toyota oficiāli: "Džeimsa Atkinsona (Apvienotā Karaliste) piedāvātais karstuma cikla dzinējs, kurā kompresijas gājienu un izplešanās gājiena ilgumu var iestatīt neatkarīgi. Turpmākie uzlabojumi, ko veica R. H. Millers (ASV), ļāva pielāgot ieplūdes vārsta atvēršanas/aizvēršanas laiku, lai nodrošinātu praktisku sistēmu. (Millera cikls)."
- Toyota neformāli un antizinātniski: "Miller Cycle dzinējs ir Atkinsona cikla dzinējs ar kompresoru".

Turklāt pat vietējā inženieru vidē "Millera cikls" pastāv jau kopš neatminamiem laikiem. Kā būtu pareizāk?

1882. gadā britu izgudrotājs Džeimss Atkinsons ierosināja ideju uzlabot virzuļdzinēja efektivitāti, samazinot kompresijas gājienu un palielinot darba šķidruma izplešanās gājienu. Praksē tas bija jārealizē ar sarežģītiem virzuļu piedziņas mehānismiem (divi virzuļi pēc "boksera" shēmas, virzulis ar kloķa-šūpošanas mehānismu). Izbūvētās dzinēju versijas uzrādīja mehānisko zudumu pieaugumu, konstrukcijas pārlieku sarežģītību un jaudas samazināšanos salīdzinājumā ar citu konstrukciju dzinējiem, tāpēc tās netika plaši izmantotas. Atkinsona slavenie patenti īpaši attiecās uz dizainparaugiem, neņemot vērā termodinamisko ciklu teoriju.

1947. gadā amerikāņu inženieris Ralfs Millers atgriezās pie idejas par samazinātu kompresiju un nepārtrauktu paplašināšanu, ierosinot to īstenot nevis virzuļa piedziņas kinemātikas dēļ, bet gan izvēloties vārstu laiku dzinējiem ar parasts kloķa mehānisms. Patentā Millers apsvēra divas iespējas, kā organizēt darbplūsmu - ar agrīnu (EICV) vai vēlu (LICV) ieplūdes vārsta aizvēršanu. Faktiski abas iespējas nozīmē faktiskās (efektīvās) kompresijas pakāpes samazināšanos attiecībā pret ģeometrisko. Apzinoties, ka kompresijas samazināšana izraisītu dzinēja jaudas zudumu, Millers sākotnēji pievērsās kompresordzinējiem, kuros uzpildes zudumu kompensē kompresors. Teorētiskais Millera cikls dzirksteļaizdedzes dzinējam ir tieši tāds pats kā Atkinsona dzinēja teorētiskais cikls.

Kopumā Millera / Atkinsona cikls nav neatkarīgs cikls, bet gan labi zināmo Otto un Diesel termodinamisko ciklu variācija. Atkinsons ir abstraktas idejas par dzinēju ar fiziski atšķirīgiem kompresijas un izplešanās gājieniem autors. Tas bija Ralfs Millers, kurš ierosināja reālu darba procesu organizēšanu reālos dzinējos, kas praksē tiek izmantots līdz mūsdienām.

Principi

Kad dzinējs darbojas Millera ciklā ar samazinātu kompresiju, ieplūdes vārsts aizveras daudz vēlāk nekā Otto ciklā, kā rezultātā daļa lādiņa tiek spiesta atpakaļ ieplūdes atverē, un faktiskais saspiešanas process sākas jau otrajā. puse no cikla. Rezultātā efektīvā kompresijas pakāpe ir zemāka par ģeometrisko (kas, savukārt, ir vienāda ar gāzu izplešanās koeficientu darba gājienā). Samazinot sūknēšanas zudumus un kompresijas zudumus, dzinēja siltuma efektivitāte tiek palielināta par 5-7% un tiek panākts atbilstošs degvielas ietaupījums.

Mēs vēlreiz varam atzīmēt galvenos atšķirību punktus starp cikliem. 1 un 1 "- sadegšanas kameras tilpums dzinējam ar Millera ciklu ir mazāks, ģeometriskā kompresijas pakāpe un izplešanās pakāpe ir lielāka. 2 un 2" - gāzes veic noderīgu darbu pie ilgāka gājiena, tāpēc ir mazāks atlikušais izplūdes zudums. 3 un 3 "- ieplūdes vakuums ir mazāks, jo ir mazāks droseles un iepriekšējā uzlādes reversais nobīde, tāpēc sūknēšanas zudumi ir mazāki. 4 un 4" - ieplūdes vārsts aizveras un kompresija sākas no cikla vidus, pēc plkst. lādiņa daļas apgrieztā pārvietošanās.
Protams, reversās uzlādes darba tilpums nozīmē dzinēja veiktspējas kritumu, un atmosfēras dzinējiem darbībai šādā ciklā ir jēga tikai salīdzinoši šaurā daļējas slodzes režīmā. Pastāvīgas vārsta laika regulēšanas gadījumā to var kompensēt tikai pastiprinājuma izmantošana visā dinamiskajā diapazonā. Hibrīda modeļos vilces trūkumu nelabvēlīgos apstākļos kompensē elektromotora vilce.

Īstenošana

Deviņdesmito gadu klasiskajos Toyota dzinējos ar fiksētām fāzēm, kas darbojas Otto ciklā, ieplūdes vārsts aizveras 35–45 ° pēc BDC (kloķvārpstas leņķis), kompresijas pakāpe ir 9,5–10,0. Mūsdienīgākos VVT dzinējos iespējamais ieplūdes vārsta aizvēršanās diapazons ir paplašinājies līdz 5-70 ° pēc BDC, kompresijas pakāpe ir palielinājusies līdz 10,0-11,0.

Hibrīda modeļu dzinējos, kas darbojas tikai Millera ciklā, ieplūdes vārsta slēgšanas diapazons ir 80-120° ... 60-100° pēc BDC. Ģeometriskā saspiešanas pakāpe ir 13,0-13,5.

Līdz 2010. gadu vidum parādījās jauni dzinēji ar plašu mainīgo vārstu laika iestatīšanas diapazonu (VVT-iW), kas var darboties gan parastajā ciklā, gan Millera ciklā. Atmosfēras versijām ieplūdes vārsta aizvēršanas diapazons ir 30-110 ° pēc BDC ar ģeometrisko kompresijas pakāpi 12,5-12,7, turbo versijām - attiecīgi 10-100 ° un 10,0.

Iekšdedzes dzinējs (ICE) tiek uzskatīts par vienu no svarīgākajām automašīnas sastāvdaļām, tā īpašības, jauda, ​​droseles reakcija un ekonomija nosaka, cik ērti vadītājs jutīsies pie stūres. Lai arī automašīnas tiek nepārtraukti pilnveidotas, “aizaugušas” ar navigācijas sistēmām, modīgiem gadžetiem, multimediju un tā tālāk, motori paliek praktiski nemainīgi, vismaz nemainās to darbības princips.

Otto Atkinsona cikls, kas veidoja automobiļu iekšdedzes dzinēja pamatu, tika izstrādāts 19. gadsimta beigās un kopš tā laika nav piedzīvojis gandrīz nekādas globālas izmaiņas. Tikai 1947. gadā Ralfam Milleram izdevās uzlabot savu priekšgājēju attīstību, paņemot labāko no katra dzinēja konstrukcijas modeļa. Bet, lai vispārīgi izprastu mūsdienu spēka agregātu darbības principu, jums nedaudz jāielūkojas vēsturē.

Otto dzinēju efektivitāte

Pirmo dzinēju automašīnai, kas varēja normāli darboties ne tikai teorētiski, francūzis E. Lenuārs izstrādāja tālajā 1860. gadā, bija pirmais modelis ar kloķa mehānismu. Agregāts darbojās ar gāzi, tika izmantots laivās, tā veiktspējas koeficients (COP) nepārsniedza 4,65%. Vēlāk Lenoir apvienojās ar Nikolausu Otto, sadarbībā ar vācu konstruktoru 1863. gadā tika izveidots 2-taktu iekšdedzes dzinējs ar 15% efektivitāti.

Četrtaktu dzinēja principu pirmo reizi ierosināja N. A. Otto 1876. gadā, tieši šis autodidaktiskais dizainers tiek uzskatīts par pirmā motora radītāju automašīnai. Dzinējam bija gāzes barošanas sistēma, savukārt krievu konstruktors O. S. Kostovičs tiek uzskatīts par pasaulē pirmā benzīna karburatora iekšdedzes dzinēja izgudrotāju.

Otto cikla darbs tiek izmantots daudziem mūsdienu dzinējiem, kopā ir četri takti:

• ieplūde (atverot ieplūdes vārstu, cilindriskā telpa ir piepildīta ar degvielas maisījumu);
• kompresija (vārsti ir cieši (aizvērti), maisījums tiek saspiests, šī procesa beigās aizdedzi nodrošina aizdedzes svece);
• darba gājiens (augstas temperatūras un augsta spiediena dēļ virzulis steidzas uz leju, liek savienojošajam stienim un kloķvārpstai kustēties);
• atlaišana (šī gājiena sākumā atveras izplūdes vārsts, atbrīvojot ceļu izplūdes gāzēm, kloķvārpsta turpina griezties, pārvēršot siltumenerģiju mehāniskajā enerģijā, paceļot savienojošo stieni ar virzuli uz augšu).

Visi gājieni ir cilpas un iet pa apli, un spararats, kas uzkrāj enerģiju, palīdz griezt kloķvārpstu.

Lai gan, salīdzinot ar divtaktu versiju, četrtaktu shēma šķiet perfektāka, benzīna dzinēja efektivitāte pat labākajā gadījumā nepārsniedz 25%, un dīzeļdzinējiem ir visaugstākā efektivitāte, šeit tas var palielināt līdz maksimāli 50%.

Atkinsona termodinamiskais cikls

Džeimss Atkinsons, britu inženieris, kurš nolēma modernizēt Otto izgudrojumu, 1882. gadā ierosināja savu versiju par trešā cikla (darba gājiena) uzlabošanu. Projektētājs izvirzīja mērķi palielināt dzinēja efektivitāti un samazināt kompresijas procesu, padarīt iekšdedzes dzinēju ekonomiskāku, mazāk trokšņainu, un tā konstrukcijas shēmā atšķirība bija kloķa mehānisma (KShM) piedziņas maiņa un iziet visus ciklus vienā kloķvārpstas apgriezienā.

Lai gan Atkinsons spēja uzlabot sava motora efektivitāti attiecībā pret Otto jau patentēto izgudrojumu, shēma netika īstenota praksē, mehānika izrādījās pārāk sarežģīta. Bet Atkinsons bija pirmais konstruktors, kurš ierosināja darboties iekšdedzes dzinējam ar samazinātu kompresijas pakāpi, un šī termodinamiskā cikla principu tālāk ņēma vērā izgudrotājs Ralfs Millers.

Ideja par kompresijas procesa samazināšanu un piesātinātāku uzņemšanu neaizmirstībā aizgāja, amerikānis R. Millers pie tās atgriezās 1947. gadā. Bet šoreiz inženieris ierosināja ieviest shēmu, nevis sarežģījot KShM, bet gan mainot vārsta laiku. Tika izskatītas divas versijas:

• Ieplūdes vārsta nobīdes gājiens (LICV vai īsa kompresija);
• agrīns vārsta aizvēršanas gājiens (EICV vai īsa ieplūde).

Vēlu aizverot ieplūdes vārstu, tiek panākta samazināta kompresija attiecībā pret Otto dzinēju, kā rezultātā daļa degvielas maisījuma tiek spiesta atpakaļ ieplūdes atverē. Šāds konstruktīvs risinājums nodrošina:

• vairāk "mīksta" degvielas-gaisa maisījuma ģeometriskā saspiešana;
• papildu degvielas ekonomija, īpaši zemā ātrumā;
• mazāka detonācija;
• zems trokšņa līmenis.

Šīs shēmas trūkumi ietver jaudas samazināšanos lielā ātrumā, jo tiek samazināts saspiešanas process. Bet pilnīgākas cilindru piepildīšanas dēļ efektivitāte pie maziem apgriezieniem palielinās un ģeometriskā kompresijas pakāpe palielinās (faktiskais samazinās). Šo procesu grafisks attēlojums ir redzams attēlos ar nosacījumu diagrammām zemāk.

Dzinēji, kas darbojas saskaņā ar Millera shēmu, lielā ātrumā zaudē jaudu Otto, taču pilsētas ekspluatācijas apstākļos tas nav tik svarīgi. Bet šādi motori ir ekonomiskāki, mazāk detonē, darbojas mīkstāk un klusāk.

Millera cikla dzinējs automašīnai Mazda Xedos (2,3 l)

Īpašs vārstu pārklāšanās mehānisms nodrošina kompresijas pakāpes (C3) palielināšanu, ja standarta versijā, piemēram, tas ir vienāds ar 11, tad īsas kompresijas dzinējā šis rādītājs visos citos identiskos apstākļos palielinās līdz 14 6 cilindru ICE 2,3 L Mazda Xedos (Skyactiv saime) teorētiski izskatās šādi: ieplūdes vārsts (VK) atveras, kad virzulis atrodas augšējā nāves punktā (saīsināti kā TDC), nevis aizveras apakšējā punktā ( BDC) un vēlāk paliek atvērts par 70º. Šajā gadījumā daļa degvielas un gaisa maisījuma tiek iespiesta atpakaļ ieplūdes kolektorā, saspiešana sākas pēc VC aizvēršanās. Kad virzulis atgriežas TDC:

• tilpums cilindrā samazinās;
• spiediens palielinās;
• aizdegšanās no sveces notiek kādā konkrētā brīdī, tas ir atkarīgs no slodzes un apgriezienu skaita (strādā aizdedzes padeves sistēma).

Tad virzulis nolaižas, notiek izplešanās, savukārt siltuma pārnese uz cilindra sienām nav tik augsta kā Otto shēmā īsas saspiešanas dēļ. Kad virzulis sasniedz BDC, tiek atbrīvotas gāzes, pēc tam visas darbības tiek atkārtotas vēlreiz.

Īpaša ieplūdes kolektora konfigurācija (plašāka un īsāka nekā parasti) un 70 grādu EC atvēršanas leņķis 14:1 ZR ļauj iestatīt aizdedzi uz 8º tukšgaitā bez jūtamas detonācijas. Arī šī shēma nodrošina lielāku lietderīgā mehāniskā darba procentuālo daļu vai, citiem vārdiem sakot, ļauj palielināt efektivitāti. Izrādās, ka darbs, kas aprēķināts pēc formulas A \u003d P dV (P ir spiediens, dV ir tilpuma izmaiņas), nav vērsts uz cilindru sienu, bloka galvas sildīšanu, bet tiek izmantots darba gājiena pabeigšanai. Shematiski viss process ir redzams attēlā, kur cikla sākumu (BDC) norāda ar ciparu 1, kompresijas procesu - uz punktu 2 (TDC), no 2 līdz 3 - siltuma padevi ar stacionāru virzuli. . Kad virzulis iet no punkta 3 uz 4, notiek izplešanās. Pabeigto darbu norāda ēnotais laukums At.

Tāpat visu shēmu var aplūkot koordinātēs T S, kur T nozīmē temperatūru, bet S ir entropija, kas palielinās līdz ar siltuma padevi vielai, un mūsu analīzē tā ir nosacīta vērtība. Apzīmējumi Q p un Q 0 - ievadītā un izvadītā siltuma daudzums.

Skyactiv sērijas trūkums ir tāds, ka, salīdzinot ar klasisko Otto, šiem dzinējiem ir mazāka specifiskā (faktiskā) jauda, ​​2,3 L dzinējam ar sešiem cilindriem tā ir tikai 211 zirgspēki, un arī tad, ņemot vērā turbokompresoru un 5300 apgr./min. Bet motoriem ir taustāmas priekšrocības:

• augsta kompresijas pakāpe;
• spēja uzstādīt agrīnu aizdedzi, vienlaikus nesaņemot detonāciju;
• ātra paātrinājuma nodrošināšana no vietas;
• augsts efektivitātes koeficients.

Un vēl viena svarīga Mazda Miller Cycle dzinēja priekšrocība ir ekonomisks degvielas patēriņš, īpaši pie zemas slodzes un tukšgaitā.

Toyota Atkinson dzinēji

Lai gan Atkinsona cikls neatrada savu praktisko pielietojumu 19. gadsimtā, ideja par tā dzinēju tiek realizēta 21. gadsimta spēka agregātos. Šādi motori ir uzstādīti dažiem Toyota hibrīdautomobiļu modeļiem, kas darbojas gan ar benzīnu, gan ar elektrību. Jāprecizē, ka Atkinsona teorija nekad netiek izmantota tīrā veidā, drīzāk Toyota inženieru jaunos sasniegumus var saukt par ICE, kas izstrādāti atbilstoši Atkinsona / Millera ciklam, jo ​​tie izmanto standarta kloķa mehānismu. Kompresijas cikla samazināšana tiek panākta, mainot gāzes sadales fāzes, bet gājiena cikls tiek pagarināts. Motori, kas izmanto līdzīgu shēmu, ir atrodami Toyota automašīnās:

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

Dzinēju klāsts ar ieviesto Atkinsona/Millera shēmu tiek nepārtraukti papildināts, tāpēc 2017. gada sākumā Japānas koncerns uzsāka 1,5 litru četru cilindru iekšdedzes dzinēja ražošanu, kas darbojas ar benzīnu ar augstu oktānskaitli, nodrošinot 111 zirgspēkus. ar kompresijas pakāpi cilindros 13,5: 1. Dzinējs ir aprīkots ar VVT-IE fāzes pārslēdzēju, kas spēj pārslēgt Otto / Atkinson režīmus atkarībā no ātruma un slodzes, ar šo spēka agregātu automašīna var paātrināties līdz 100 km/h 11 sekundēs. Dzinējs ir ekonomisks, augsta efektivitāte (līdz 38,5%), nodrošina lielisku paātrinājumu.

dīzeļa cikls

Pirmo dīzeļdzinēju 1897. gadā projektēja un uzbūvēja vācu izgudrotājs un inženieris Rūdolfs Dīzels, spēka agregāts bija liels, pat lielāks par to gadu tvaika dzinējiem. Tāpat kā Otto dzinējs, tas bija četrtaktu, taču tas izcēlās ar izcilu efektivitāti, vieglu darbību, un iekšdedzes dzinēja kompresijas pakāpe bija ievērojami augstāka nekā benzīna spēka agregātam. Pirmie 19. gadsimta beigu dīzeļdzinēji darbojās ar vieglajiem naftas produktiem un augu eļļām, kā arī tika mēģināts izmantot ogļu putekļus kā degvielu. Taču eksperiments gandrīz uzreiz neizdevās:

• bija problemātiski nodrošināt putekļu padevi uz cilindriem;
• kam piemīt abrazīvas īpašības, ogles ātri nolietoja cilindru-virzuļu grupu.

Interesanti, ka angļu izgudrotājs Herberts Eikroids Stjuarts līdzīgu dzinēju patentēja divus gadus agrāk nekā Rūdolfs Dīzelis, taču Dīzelim izdevās izveidot modeli ar paaugstinātu cilindra spiedienu. Stjuarta modelis teorētiski nodrošināja 12% siltuma efektivitāti, savukārt pēc dīzeļdegvielas shēmas efektivitāte sasniedza 50%.

1898. gadā Gustavs Trinklers izstrādāja augstspiediena eļļas dzinēju, kas aprīkots ar priekškameru, šis modelis ir tiešs mūsdienu dīzeļdegvielas iekšdedzes dzinēju prototips.

Mūsdienīgi dīzeļdzinēji automašīnām

Gan Otto cikla benzīna dzinējs, gan dīzeļdzinējs pamata uzbūves shēmu nav mainījuši, taču modernais dīzeļa iekšdedzes dzinējs ir “aizaudzis” ar papildu komponentēm: turbokompresoru, elektronisko degvielas padeves vadības sistēmu, starpdzesētāju, dažādiem sensoriem, un tā tālāk. Pēdējā laikā arvien vairāk tiek izstrādāti Common Rail tiešās iesmidzināšanas spēka agregāti un laisti klajā sērijā, nodrošinot videi draudzīgas izplūdes gāzes atbilstoši mūsdienu prasībām, augstu iesmidzināšanas spiedienu. Dīzeļiem ar tiešo iesmidzināšanu ir diezgan taustāmas priekšrocības salīdzinājumā ar dzinējiem ar parasto degvielas sistēmu:

• ekonomiski patērē degvielu;
• ir lielāka jauda ar tādu pašu skaļumu;
• strādāt ar zemu trokšņa līmeni;
• ļauj automašīnai paātrināties ātrāk.

Common Rail dzinēju trūkumi: diezgan augsta sarežģītība, nepieciešamība pēc remonta un apkopes, izmantojot speciālu aprīkojumu, prasīga dīzeļdegvielas kvalitāte, salīdzinoši augstas izmaksas. Tāpat kā benzīna iekšdedzes dzinēji, arī dīzeļdzinēji tiek pastāvīgi pilnveidoti, kļūstot tehnoloģiski progresīvāki un sarežģītāki.

Video: OTTO, Atkinsona un Millera cikls, kāda ir atšķirība:

2. slaids

Klasisks ICE

Klasisko četrtaktu dzinēju tālajā 1876. gadā izgudroja vācu inženieris Nikolauss Otto, šāda iekšdedzes dzinēja (ICE) darbības cikls ir vienkāršs: ieplūde, kompresija, jaudas gājiens, izplūde.

3. slaids

Oto un Atkinsona cikla indikatoru diagramma.

4. slaids

Atkinsona cikls

Britu inženieris Džeimss Atkinsons vēl pirms kara nāca klajā ar savu ciklu, kas nedaudz atšķiras no Otto cikla – tā indikatoru diagramma iezīmēta zaļā krāsā. Kāda ir atšķirība? Pirmkārt, šāda dzinēja sadegšanas kameras tilpums (ar tādu pašu darba tilpumu) ir mazāks, un attiecīgi kompresijas pakāpe ir lielāka. Tāpēc indikatora diagrammas augstākais punkts atrodas pa kreisi, mazāka virzuļa tilpuma apgabalā. Un izplešanās pakāpe (tāda pati kā kompresijas pakāpe, tikai otrādi) ir arī lielāka - tas nozīmē, ka esam efektīvāki, izplūdes gāzu enerģiju izmantojam lielāka virzuļa gājienā un mums ir mazāki izplūdes zudumi (to atspoguļo mazāks solis pa labi). Tad viss ir pa vecam - izplūdes un ieplūdes cikli iet.

5. slaids

Tagad, ja viss notiktu saskaņā ar Otto ciklu un ieplūdes vārsts aizvērtos pie BDC, tad kompresijas līkne paceltos uz augšu, un spiediens cikla beigās būtu pārmērīgs - jo kompresijas pakāpe šeit ir lielāka! Pēc dzirksteles sekotu nevis maisījuma uzplaiksnījums, bet gan detonācijas sprādziens - un dzinējs, stundu nestrādājis, sprādzienā būtu miris. Bet britu inženieris Džeimss Atkinsons tāds nebija! Viņš nolēma pagarināt ieplūdes fāzi - virzulis sasniedz BDC un iet uz augšu, savukārt ieplūdes vārsts tikmēr paliek atvērts līdz apmēram pusei pilna virzuļa gājiena. Tajā pašā laikā daļa no svaigā degmaisījuma tiek iespiesta atpakaļ ieplūdes kolektorā, kas tur palielina spiedienu - vai drīzāk, samazina vakuumu. Tas ļauj vairāk atvērt droseļvārstu pie zemas un vidējas slodzes. Tāpēc Atkinsona cikla diagrammā ieplūdes līnija ir augstāka un dzinēja sūknēšanas zudumi ir mazāki nekā Otto ciklā.

6. slaids

Atkinsona cikls

Tātad kompresijas gājiens, kad ieplūdes vārsts aizveras, sākas ar mazāku virzuļa tilpumu, ko ilustrē zaļā kompresijas līnija, kas sākas ar pusi no apakšējās horizontālās ieplūdes līnijas. Šķiet, ka tas ir vienkāršāk: palielināt kompresijas pakāpi, mainīt ieplūdes izciļņu profilu, un triks ir maisā - Atkinsona cikla dzinējs ir gatavs! Bet fakts ir tāds, ka, lai sasniegtu labu dinamisko veiktspēju visā dzinēja darbības apgriezienu diapazonā, ir nepieciešams kompensēt degmaisījuma izplūdi pagarinātā ieplūdes cikla laikā, izmantojot kompresoru, šajā gadījumā mehānisko kompresoru. Un tā piedziņa atņem motoram lauvas tiesu no enerģijas, ko var atgūt ar sūknēšanas un izplūdes zudumiem. Atkinsona cikla pielietošana atmosfēriskajam Toyota Prius hibrīddzinējam ir iespējama, pateicoties tā vieglajai darbībai.

7. slaids

Millera cikls

Millera cikls ir termodinamisks cikls, ko izmanto četrtaktu iekšdedzes dzinējos. Millera ciklu 1947. gadā ierosināja amerikāņu inženieris Ralfs Millers kā veidu, kā apvienot Antkinsona dzinēja priekšrocības ar vienkāršāku Otto dzinēja virzuļu mehānismu.

8. slaids

Tā vietā, lai kompresijas gājienu mehāniski padarītu īsāku par jaudas gājienu (kā klasiskajā Atkinsona dzinējā, kur virzulis virzās uz augšu ātrāk nekā uz leju), Millers nāca klajā ar ideju saīsināt kompresijas gājienu uz ieplūdes gājiena rēķina. , saglabājot virzuļa kustības augšup un lejup vienādu ātrumu (kā klasiskajā Otto dzinējā).

9. slaids

Lai to izdarītu, Millers ierosināja divas dažādas pieejas: aizveriet ieplūdes vārstu daudz agrāk par ieplūdes gājiena beigām (vai atveriet to vēlāk nekā šī gājiena sākumā), aizveriet to ievērojami vēlāk nekā šī gājiena beigās.

10. slaids

Pirmo pieeju dzinējiem parasti sauc par "saīsinātu ieplūdi", bet otro - "saīsinātu kompresiju". Abas šīs pieejas dod vienu un to pašu: samazina darba maisījuma faktisko kompresijas pakāpi attiecībā pret ģeometrisko, vienlaikus saglabājot to pašu izplešanās pakāpi (tas ir, jaudas gājiens paliek tāds pats kā Otto dzinējam, un šķiet, ka kompresijas gājiens jāsamazina - tāpat kā Atkinsonā, tikai samazinās nevis laikā, bet maisījuma saspiešanas pakāpē)

11. slaids

Millera otrā pieeja

Šī pieeja ir nedaudz izdevīgāka kompresijas zudumu ziņā, un tāpēc tieši šī pieeja ir praktiski ieviesta Mazda “MillerCycle” sērijveida automobiļu dzinējos. Šādā dzinējā ieplūdes vārsts neaizveras ieplūdes gājiena beigās, bet paliek atvērts kompresijas gājiena pirmajā daļā. Lai gan viss cilindra tilpums ieplūdes gājienā tika piepildīts ar gaisa un degvielas maisījumu, daļa no maisījuma tiek spiesta atpakaļ ieplūdes kolektorā caur atvērto ieplūdes vārstu, kad virzulis virzās uz augšu ar kompresijas gājienu.

12. slaids

Maisījuma saspiešana faktiski sākas vēlāk, kad ieplūdes vārsts beidzot aizveras un maisījums tiek iesprostots cilindrā. Tādējādi maisījums Millera dzinējā saspiežas mazāk, nekā vajadzētu tādas pašas mehāniskās ģeometrijas Otto dzinējā. Tas ļauj palielināt ģeometrisko saspiešanas pakāpi (un attiecīgi izplešanās koeficientu!) Virs robežām, ko nosaka degvielas detonācijas īpašības - faktisko saspiešanu sasniedzot līdz pieņemamām vērtībām "saīsināšanas dēļ". saspiešanas cikls”, kas aprakstīts iepriekš. 15. slaids

Secinājums

Uzmanīgi aplūkojot ciklu – gan Atkinsonu, gan Milleru, pamanīsit, ka abos ir papildus piektā josla. Tam ir savas īpašības, un tas faktiski nav ne ieplūdes gājiens, ne kompresijas gājiens, bet gan starpposma neatkarīgs gājiens starp tiem. Tāpēc dzinējus, kas darbojas pēc Atkinsona vai Millera principa, sauc par piectaktu.

Skatīt visus slaidus

Iekšdedzes dzinējs ir ļoti tālu no ideāla, labākajā gadījumā tas sasniedz 20 - 25%, dīzelis 40 - 50% (tas ir, pārējā degviela tiek sadedzināta gandrīz tukša). Lai palielinātu efektivitāti (attiecīgi palielinātu efektivitāti), ir jāuzlabo motora konstrukcija. Daudzi inženieri ar to cīnās un līdz pat šai dienai, taču pirmie bija tikai daži inženieri, piemēram, Nikolauss Augusts OTTO, Džeimss ATKINSONS un Ralfs Millers. Ikviens veica noteiktas izmaiņas un centās padarīt motorus ekonomiskākus un produktīvākus. Katrs piedāvāja noteiktu darbu ciklu, kas varēja kardināli atšķirties no pretinieka dizaina. Šodien es mēģināšu vienkāršos vārdos jums izskaidrot, kādas ir galvenās atšķirības iekšdedzes dzinēja darbībā, un, protams, video versija beigās ...

Raksts tiks rakstīts iesācējiem, tāpēc, ja esat sarežģīts inženieris, nevarat to izlasīt, tas ir rakstīts vispārējai izpratnei par iekšdedzes dzinēja cikliem.

Vēl gribu atzīmēt, ka ir ļoti daudz dažādu dizainu variāciju, slavenākie, ko vēl varam zināt, ir cikls DĪZEĻA, STIRLINGA, CARNO, ERICKSON u.c. Ja saskaita konstrukcijas, tad to var būt ap 15. Un ne jau visi iekšdedzes dzinēji, bet, piemēram, ārējais STIRLING.

Bet slavenākie, kas līdz mūsdienām tiek izmantoti automašīnās, ir OTTO, ATKINSON un MILLER. Šeit mēs par tiem runāsim.

Faktiski šis ir parasts iekšdedzes siltumdzinējs ar degmaisījuma piespiedu aizdedzi (caur sveci), ko tagad izmanto 60-65% automašīnu. JĀ - jā, tieši tas, kas jums ir zem pārsega, darbojas OTTO ciklā.

Tomēr, ja iedziļināties vēsturē, pirmo šāda iekšdedzes dzinēja principu 1862. gadā ierosināja franču inženieris Alfons BO DE ROCHE. Bet tas bija teorētisks darbības princips. OTTO 1878. gadā (pēc 16 gadiem) iemiesoja šo dzinēju metālā (praksē) un patentēja šo tehnoloģiju

Faktiski tas ir četrtaktu dzinējs, kam raksturīgs:

• Ieplūde . Svaiga gaisa-degvielas maisījuma padeve. Atveras ieplūdes vārsts.
• Saspiešana . Virzulis iet uz augšu, saspiežot šo maisījumu. Abi vārsti ir aizvērti
• darba insults . Svece aizdedzina saspiesto maisījumu, aizdedzinātās gāzes nospiež virzuli uz leju
• Izplūdes gāzu izvads . Virzulis iet uz augšu, izspiežot sadegušās gāzes. Atveras izplūdes vārsts

Vēlos atzīmēt, ka ieplūdes un izplūdes vārsti strādā stingrā secībā - VIENĀDI pie lieliem un maziem apgriezieniem. Tas ir, darbā dažādos ātrumos nav izmaiņu.

Savā dzinējā OTTO bija pirmais, kas izmantoja darba maisījuma kompresiju, lai paaugstinātu cikla maksimālo temperatūru. Kas tika veikts pa adiabātu (vienkāršiem vārdiem sakot, bez siltuma apmaiņas ar ārējo vidi).

Pēc maisījuma saspiešanas tas tika aizdedzināts ar sveci, pēc tam sākās siltuma noņemšanas process, kas noritēja gandrīz pa izohoru (tas ir, pie nemainīga motora cilindra tilpuma).

Tā kā OTTO patentēja savu tehnoloģiju, tās rūpnieciskā izmantošana nebija iespējama. Lai apietu patentus, Džeimss Atkinsons 1886. gadā nolēma modificēt OTTO ciklu. Un viņš ierosināja savu iekšdedzes dzinēja darbības veidu.

Viņš ierosināja mainīt cikla laiku attiecību, kā rezultātā tika palielināts darba gājiens, sarežģījot kloķa konstrukciju. Jāatzīmē, ka viņa uzbūvētais testa paraugs bija viena cilindra un netika plaši izmantots konstrukcijas sarežģītības dēļ.

Ja īsumā aprakstīt šī iekšdedzes dzinēja darbības principu, izrādās:

Visi 4 takti (iesmidzināšana, kompresija, jaudas gājiens, izplūde) - notika vienā kloķvārpstas apgriezienā (OTTO bija divi apgriezieni). Pateicoties sarežģītai sviru sistēmai, kas tika piestiprinātas blakus "kloķvārpstai".

Šajā konstrukcijā bija iespējams ieviest noteiktas sviru garuma attiecības. Vienkāršiem vārdiem sakot, virzuļa gājiens ieplūdes un izplūdes gājienā ir VAIRĀK nekā virzuļa gājiens gan kompresijas, gan jaudas gājienā.

Ko tas dod? JĀ, ka var “spēlēties” ar kompresijas pakāpi (to mainot), sviru garumu attiecības, nevis ieplūdes “droseles” dēļ! No tā tiek iegūta ACTINSON cikla priekšrocība sūknēšanas zudumu ziņā

Šādi motori izrādījās diezgan efektīvi ar augstu efektivitāti un zemu degvielas patēriņu.

Tomēr bija arī daudz negatīvu punktu:

• Dizaina sarežģītība un apjomīgums
• Zems pie zemiem apgriezieniem
• Slikta droseles vadība, vai tā ()

Pastāv pastāvīgas baumas, ka ATKINSON princips tika izmantots hibrīdautomobiļos, jo īpaši TOYOTA. Tomēr tā mazliet neatbilst patiesībai, tur tika izmantots tikai viņa princips, bet dizainu izmantoja cits inženieris, proti, Millers. Tīrā veidā ATKINSON motori bija vairāk par vienu raksturu, nevis masu.

Ralfs Millers arī nolēma spēlēt ar kompresijas pakāpi 1947. gadā. Tas ir, viņš, it kā, turpinās ATKINSON darbu, taču viņš neņēma savu sarežģīto dzinēju (ar svirām), bet gan parasto OTTO ICE.

Ko viņš ierosināja . Viņš nepadarīja kompresijas gājienu mehāniski īsāku par jaudas gājienu (kā ieteica Atkinsons, viņa virzulis kustas ātrāk uz augšu nekā uz leju). Viņš nāca klajā ar ideju saīsināt kompresijas gājienu uz ieplūdes gājiena rēķina, saglabājot vienādu virzuļu kustību uz augšu un uz leju (klasiskais OTTO dzinējs).

Bija divi veidi, kā rīkoties:

• Aizveriet ieplūdes vārstus pirms ieplūdes gājiena beigām - šo principu sauc par "īsu ieplūdi"
• Vai aizveriet ieplūdes vārstus vēlāk nekā ieplūdes gājiens — šo opciju sauc par "Saīsināta kompresija"

Galu galā abi principi dod vienu un to pašu - kompresijas pakāpes samazināšanos, darba maisījumu attiecībā pret ģeometrisko! Tomēr tiek saglabāta izplešanās pakāpe, tas ir, tiek saglabāts darba gājiena gājiens (kā OTTO iekšdedzes dzinējā), un kompresijas gājiens it kā tiek samazināts (kā Atkinsona iekšdedzes dzinējā) .

Vienkāršiem vārdiem sakot - gaisa-degvielas maisījums pie MILLER saspiež daudz mazāk, nekā tam vajadzētu būt saspiestam tajā pašā dzinējā pie OTTO. Tas ļauj palielināt ģeometrisko saspiešanas pakāpi un attiecīgi arī fiziskās izplešanās pakāpi. Daudz vairāk nekā degvielas detonācijas īpašību dēļ (tas ir, benzīnu nevar bezgalīgi saspiest, sāksies detonācija)! Tādējādi, kad degviela tiek aizdedzināta TDC (vai drīzāk mirušajā centrā), tai ir daudz augstāka izplešanās pakāpe nekā OTTO konstrukcijai. Tas ļauj daudz vairāk izmantot balonā izplešanās gāzu enerģiju, kas paaugstina konstrukcijas siltuma efektivitāti, kas rada lielu ietaupījumu, elastību utt.

Jāņem vērā arī tas, ka uz kompresijas gājiena samazinās sūknēšanas zudumi, tas ir, ar MILLER ir vieglāk saspiest degvielu, ir nepieciešams mazāk enerģijas.

Negatīvās puses - Tas ir maksimālās jaudas samazinājums (īpaši lielā ātrumā) sliktākas cilindru uzpildes dēļ. Lai noņemtu tādu pašu jaudu kā OTTO (lielos ātrumos), motoram bija jābūt lielākam (lielākiem cilindriem) un masīvākam.

Uz mūsdienu dzinējiem

Tātad, kāda ir atšķirība?

Raksts izrādījās sarežģītāks nekā biju gaidījis, bet rezumējot. TĀ izrādās:

OTO - tas ir parastā motora standarta princips, kas tagad ir lielākajā daļā mūsdienu automašīnu

ATKINSONS - piedāvāja efektīvāku iekšdedzes dzinēju, mainot kompresijas pakāpi, izmantojot sarežģītas konstrukcijas sviras, kas bija savienotas ar kloķvārpstu.

PRIEKŠROCĪBAS - degvielas ekonomija, elastīgāks motors, mazāks troksnis.

Mīnusi - apjomīgs un sarežģīts dizains, zems griezes moments pie zemiem apgriezieniem, slikta droseles kontrole

Tīrā veidā to tagad praktiski neizmanto.

MILLERS - ierosināja izmantot zemāku kompresijas pakāpi cilindrā, izmantojot ieplūdes vārsta vēlu aizvēršanu. Atšķirība ar ATKINSON ir milzīga, jo viņš neizmantoja savu dizainu, bet gan OTTO, bet ne tīrā veidā, bet gan ar modificētu laika sistēmu.

Tiek pieņemts, ka virzulis (uz kompresijas gājiena) iet ar mazāku pretestību (sūknēšanas zudumi) un ģeometriski labāk saspiež gaisa un degvielas maisījumu (izņemot tā detonāciju), tomēr izplešanās koeficients (aizdedzinot ar sveci) saglabājas gandrīz tāds pats kā OTTO ciklā .

IEGUVUMI - degvielas ekonomija (īpaši pie maziem ātrumiem), darba elastība, zems trokšņa līmenis.

Mīnusi - jaudas samazināšanās pie lieliem apgriezieniem (sliktākās cilindru uzpildes dēļ).

Ir vērts atzīmēt, ka tagad MILLER princips tiek izmantots dažām automašīnām ar mazu ātrumu. Ļauj regulēt ieplūdes un izplūdes fāzes (paplašinot vai sašaurinot tās, izmantojot