Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто . 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).
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». В конечном счете 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).
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». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся вместе с размерами двигателя механические потери (трение, вибрации и т. д.).
Компьютерное управление клапанами позволяет менять степень наполнения цилиндра в процессе работы. Это даёт возможность выжать из мотора максимальную мощность, при ухудшении экономических показателей, или добиться лучшей экономичности при уменьшении мощности.
Аналогичную задачу решает пятитактный двигатель , у которого дополнительное расширение производится в отдельном цилиндре.
mail@сайт
сайт
Jan 2016
Приоритеты
Еще со времени появления первого Приуса создавалось впечатление, что Джеймс Аткинсон нравился тойотовцам куда больше, чем Ральф Миллер. И постепенно "цикл Аткинсона" из их пресс-релизов разошелся по всему журналистскому сообществу.
Toyota официально: "A heat cycle engine proposed by James Atkinson (U.K.) in which compression stroke and expansion stroke duration can be set independently. Subsequent improvement by R. H. Miller (U.S.A.) allowed adjustment of intake valve opening/closing timing to enable a practical system (Miller Cycle)."
- Toyota неофициально и анти-научно: "Miller Cycle engine is an Atkinson Cycle engine with a supercharger".
При этом даже в местной инженерной среде "цикл Миллера" существовал еще с незапамятных времен. Как будет правильнее?
В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон (James Atkinson) предложил идею повышения эффективности поршневого двигателя за счет сокращения хода сжатия и увеличения хода расширения рабочего тела. Практически реализовать это предполагалось сложными механизмами привода поршня (два поршня по схеме "боксер", поршень с кривошипно-кулисным механизмом). Построенные варианты двигателей показали рост механических потерь, переусложнение конструкции, и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому распространения не получили. Известные патенты Аткинсона относились именно к конструкциям, без рассмотрения теории термодинамических циклов.
В 1947 году американский инженер Ральф Миллер (Ralph Miller) вернулся к идее идее сокращенного сжатия и продолженного расширения, предложив реализовать ее не за счет кинематики привода поршня, а подбором фаз газораспределения для двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В патенте Миллер рассматривал два варианта организации рабочего процесса - с ранним (EICV) или поздним (LICV) закрытием впускного клапана. Собственно, оба варианта означают снижение фактической (эффективной) степени сжатия по отношению к геометрической. Понимая, что сокращение сжатия приведет к потере мощности двигателя, Миллер изначально ориентировался на наддувные двигатели, в которых потери наполнения будут компенсированы за счет компрессора. Теоретический цикл Миллера для двигателя с искровым зажиганием полностью соответствует теоретическому циклу двигателя Аткинсона.
По большому счету, цикл Миллера/Аткинсона представляет собой не самостоятельный цикл, а разновидность известных термодинамических циклов Отто и Дизеля. Аткинсон является автором абстрактной идеи двигателя с физически разной величиной ходов сжатия и расширения. Реальную организацию рабочих процессов в реальных двигателях, используемую на практике по сей день, предложил именно Ральф Миллер.
Принципы
При работе двигателя по циклу Миллера с сокращенным сжатием, впускной клапан закрывается значительно позднее, чем в цикле Отто, из-за чего часть заряда вытесняется обратно во впускной канал, и собственно процесс сжатия начинается уже на второй половине такта. В результате эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической (которая, в свою очередь, равна степени расширения газов на рабочем ходу). За счет уменьшения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается увеличение термического КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.
Можно еще раз отметить ключевые моменты отличия циклов. 1 и 1" - объем камеры сгорания для двигателя с циклом Миллера меньше, геометрическая степень сжатия и степень расширения выше. 2 и 2" - газы совершают полезную работу на более длинном рабочем ходу, поэтому меньше остаточные потери на выпуске. 3 и 3" - разрежение на впуске меньше за счет меньшего дросселирования и обратного вытеснения предыдущего заряда, поэтому ниже насосные потери. 4 и 4" - закрытие впускного клапана и начало сжатия начинается с середины такта, после обратного вытеснения части заряда.
 |
Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя.
Реализация
В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10.0-11.0.
В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° ... 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия - 13.0-13.5.
К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий - соответственно, 10-100° и 10.0.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) считается одним из самых важных узлов в автомобиле, от его характеристик, мощности, приемистости и экономичности зависит, насколько комфортно будет чувствовать себя за рулем водитель. Хотя авто постоянно совершенствуются, «обрастают» навигационными системами, модными гаджетами, мультимедиа и так далее, моторы так и остаются практически неизменными, по крайней мере, принцип их работы не меняется.
Цикл Отто Аткинсона, который лег в основу автомобильного ДВС, был разработан еще в конце 19-го века, и с того времени не претерпел почти никаких глобальных изменений. Лишь в 1947 году Ральф Миллер сумел усовершенствовать разработки своих предшественников, взяв лучшее от каждой из моделей построения двигателя. Но чтобы в общих чертах понять принцип работы современных силовых агрегатов, нужно немного заглянуть в историю.
КПД двигателей Отто
Первый двигатель для автомобиля, который мог нормально работать не только теоретически, был разработан французом Э. Ленуаром в далеком 1860 году, являлся первой моделью с кривошипно-шатунным механизмом. Агрегат работал на газу, использовался на лодках, его коэффициент полезного действия (КПД) не превышал 4,65%. В дальнейшем Ленуар объединился с Николаусом Отто, в сотрудничестве с немецким конструктором в 1863-м году был создан 2-тактный ДВС с КПД 15%.
Принцип четырехтактного двигателя впервые был предложен Н. А. Отто в 1876 году, именно этот конструктор-самоучка считается создателем первого мотора для автомобиля. Движок имел газовую систему питания, изобретателем же 1-го в мире карбюраторного ДВС на бензине считается российский конструктор О. С. Костович.
Работа цикла Отто применяется на многих современных двигателях, всего здесь четыре такта:
- впуск (при открытии впускного клапана цилиндрическое пространство наполняется топливной смесью);
- сжатие (клапана герметичны (закрыты), происходит сжимание смеси, в конце этого процесса – воспламенение, которое обеспечивает свеча зажигания);
- рабочий ход (из-за высоких температур и большого давления поршень устремляется вниз, заставляет двигаться шатун и коленвал);
- выпуск (в начале этого такта открывается выпускной клапан, освобождая путь выпускным газам, коленвал в результате преобразования теплоэнергии в механическую энергию продолжает вращаться, поднимая шатун с поршнем вверх).
Все такты зациклены и идут по кругу, а маховик, который запасает энергию, способствует раскручиванию коленчатого вала.
Хотя по сравнению с двухтактным вариантом четырехтактная схема кажется более совершенной, КПД бензинового мотора даже в самом лучшем случае не превышает 25%, а наибольший коэффициент полезного действия – у дизелей, здесь он может повыситься максимально и до 50%.
Термодинамический цикл Аткинсона
Джеймс Аткинсон – британский инженер, решивший модернизировать изобретение Отто, предложил свой вариант усовершенствования третьего цикла (рабочего хода) в 1882 году. Конструктором была поставлена цель повысить КПД двигателя и сократить процесс сжатия, сделать ДВС более экономичным, менее шумным, а различие его схемы построения заключалось в изменении привода кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и в прохождении всех тактов за один оборот коленвала.
Хотя Аткинсон и сумел повысить эффективность своего мотора по отношению к уже запатентованному изобретению Otto, схема не была реализована на практике, механика оказалась слишком сложной. Но Atkinson стал первым конструктором, который предложил работу ДВС с пониженной степенью сжатия, и принцип этого термодинамического цикла был в дальнейшем учтен изобретателем Ральфом Миллером.
Идея сокращения процесса сжатия и более насыщенного впуска не ушла в забвение, к ней вернулся в 1947 году американец Р. Миллер. Но на этот раз инженер предложил реализовать схему не с помощью усложнения КШМ, а путем изменения фаз газораспределения. Рассматривалось две версии:
- рабочий ход с запаздыванием закрытия впускного клапана (LICV или короткое сжатие);
- ход с ранним закрытием клапана (EICV или укороченный впуск).
При позднем закрытии впускного клапана получается сокращенное сжатие по отношению к двигателю Отто, из-за чего часть топливной смеси попадает назад во впускной канал. Такое конструктивное решение дает:
- более «мягкое» геометрическое сжатие топливно-воздушной смеси;
- дополнительную экономию топлива, особенно на малых оборотах;
- меньшую детонацию;
- низкий уровень шума.
К минусам этой схемы можно отнести уменьшение мощности на больших оборотах, так как процесс сжатия получается сокращенным. Но за счет более полного наполнения цилиндров возрастает КПД на низких оборотах и увеличивается геометрическая степень сжатия (фактическая уменьшается). Графическое изображение этих процессов можно увидеть на рисунках с условными диаграммами ниже.
Двигатели, работающие по схеме Миллера, проигрывают Otto на высоких скоростных режимах по мощности, но в городских условиях эксплуатации это не так и важно. Зато такие моторы более экономичны, меньше детонируют, мягче и тише работают.
Miller Cycle Engine на автомобиле Mazda Xedos (2.3 L)
Особенный механизм газораспределения с перекрытием клапанов обеспечивает повышение степени сжатия (СЗ), если в стандартном варианте, допустим, она равна 11, то в моторе с коротким сжатием этот показатель при всех других одинаковых условиях увеличивается до 14. На 6-цилиндровом ДВС 2.3 L Mazda Xedos (семейство Skyactiv) теоретически это выглядит так: впускной клапан (ВК) открывается, когда поршень расположен в верхней мертвой точке (сокращенно – ВМТ), закрывается не в нижней точке (НМТ), а позднее, остается открытым 70º. При этом часть топливно-воздушной смеси выталкивается назад во впускной коллектор, сжатие начинается после закрытия ВК. По возвращению поршня в ВМТ:
- объем в цилиндре уменьшается;
- давление возрастает;
- воспламенение от свечи происходит в какой-то определенный момент, оно зависит от нагрузки и количество оборотов (работает система опережения зажигания).
Затем поршень идет вниз, происходит расширение, при этом теплоотдача на стенки цилиндров получается не такой высокой, как в схеме Otto из-за короткого сжатия. Когда поршень доходит до НМТ, идет выпуск газов, затем все действия повторяются заново.
Специальная конфигурация впускного коллектора (шире и короче, чем обычно) и угол открытия ВК 70 градусов при СЗ 14:1 дает возможность установить опережение зажигания 8º на холостых оборотах без какой-либо ощутимой детонации. Также эта схема обеспечивают больший процент полезной механической работы, или, другими словами, позволяет поднять КПД. Получается, что работа, вычисляемая по формуле A=P dV (P – давление, dV – изменение объема), направлена не на нагревание стенок цилиндров, головки блока, а идет на совершение рабочего хода. Схематически весь процесс можно посмотреть на рисунке, где начало цикла (НМТ) обозначено цифрой 1, процесс сжатия – до точки 2 (ВМТ), от 2 до 3 – подвод теплоты при неподвижном поршне. Когда поршень идет от точки 3 к 4, происходит расширение. Выполненная работа обозначена заштрихованной областью At.
Также всю схему можно посмотреть в координатах T S, где T означает температуру, а S – энтропию, которая растет с подводом теплоты к веществу, и при нашем анализе это величина условная. Обозначения Q p и Q 0 – количество подводимой и отводимой теплоты.
Недостаток серии Skyactiv – по сравнению с классическими Otto у этих движков меньше удельная (фактическая) мощность, на моторе 2.3 L при шести цилиндрах она составляет всего лишь 211 лошадиных сил, и то при учете турбонаддува и 5300 об/ мин. Зато у моторов есть и ощутимые плюсы:
- высокая степень сжатия;
- возможность установить раннее зажигание, при этом не получить детонации;
- обеспечение быстрого разгона с места;
- большой коэффициент полезного действия.
И еще одно немаловажное преимущество двигателя Miller Cycle от производителя Mazda – экономичный расход топлива, особенно при малых нагрузках и на холостом ходу.
Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота
Хотя цикл Аткинсона не нашел свое практическое применение в 19-м веке, идея его двигателя реализована в силовых агрегатах 21-го столетия. Такие моторы устанавливаются на некоторые модели гибридных легковых автомобилей Тойота, работающих одновременно и на бензиновом топливе, и на электричестве. Нужно уточнить, что в чистом виде теория Atkinson так и не используется, скорее, новые разработки инженеров Toyota можно называть ДВС, сконструированными по циклу Аткинсона/ Миллера, так как в них используется стандартный кривошипно-шатунный механизм. Уменьшение цикла сжатия достигается за счет изменения газораспределительных фаз, при этом цикл рабочего хода удлиняется. Моторы с использованием подобной схемы встречаются на авто компании Toyota:
- Prius;
- Yaris;
- Auris;
- Highlander;
- Lexus GS 450h;
- Lexus CT 200h;
- Lexus HS 250h;
- Vitz.
Модельный ряд моторов с реализованной схемой Atkinson/ Miller постоянно пополняется, так в начале 2017 года японский концерн приступил к выпуску 1,5-литрового четырехцилиндрового ДВС, работающего на высокооктановом бензине, обеспечивающего 111 лошадиных сил мощности, со степенью сжатия в цилиндрах 13,5:1. Двигатель оснащен фазовращателем VVT-IE, способным переключать режимы Otto/ Atkinson в зависимости от скорости и нагрузки, с этим силовым агрегатом автомобиль может ускоряться до 100 км/ч за 11 секунд. Движок отличается экономичностью, высоким КПД (до 38,5%), обеспечивает отличный разгон.
Цикл дизеля
Первый дизельный мотор был спроектирован и построен немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем в 1897-м году, силовой агрегат обладал большими размерами, был даже больше паровых машин тех лет. Так же как и двигатель Отто, он был четырехтактным, но отличался превосходным показателем КПД, удобством в эксплуатации, и степень сжатия у ДВС была значительно выше, чем у бензинового силового агрегата. Первый дизели конца XIX века работали на легких нефтепродуктах и растительных маслах, также была попытка в качестве топлива использовать угольную пыль. Но эксперимент провалился практически сразу:
- обеспечить подачу пыли в цилиндры было проблематично;
- обладающий абразивными свойствами уголь быстро изнашивал цилиндро-поршневую группу.
Интересно, что английский изобретатель Герберт Эйкройд Стюарт запатентовал аналогичный двигатель на два года раньше, чем Rudolf Diesel, но Дизелю удалось сконструировать модель с увеличенным давлением в цилиндрах. Модель Стюарта в теории обеспечивала 12% тепловой эффективности, тогда как по схеме Diesel коэффициент полезного действия доходил до 50%.
В 1898 году Густав Тринклер сконструировал нефтяной двигатель высокого давления, оснащенный форкамерой, именно эта модель и является прямым прототипом современных дизельных ДВС.
Современные дизели для автомобилей
Как у бензинового мотора по циклу Отто, так и у дизеля, принципиальная схема построения не изменилась, зато современный дизельный ДВС «оброс» дополнительными узлами: турбокомпрессором, электронной системой управления подачи топлива, интеркулером, различными датчиками и так далее. Последнее время все чаще разрабатываются и запускаются в серию силовые агрегаты с прямым топливным впрыском «Коммон Рэйл», обеспечивающие экологичный выхлоп газов в соответствии с современными требованиями, высокое давление впрыска. Дизели с непосредственным впрыском обладают достаточно ощутимыми преимуществами перед моторами с обычной топливной системой:
- экономично расходуют топливо;
- имеют более высокую мощность при том же объеме;
- работают с низким уровнем шума;
- позволяет автомобилю быстрее разгоняться.
Недостатки движков Common Rail: достаточно высокая сложность, необходимость при ремонте и обслуживании использовать специальное оборудование, требовательность к качеству солярки, относительно высокая стоимость. Как и бензиновые ДВС, дизели постоянно совершенствуются, становятся все технологичнее и сложнее.
Видео: Цикл ОТТО, Аткинсона и Миллера, в чем различие: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
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
