Silnik spalinowy (ICE) jest uważany za jeden z najważniejszych elementów samochodu; jego charakterystyka, moc, reakcja na pedał gazu i wydajność decydują o tym, jak komfortowo będzie się czuł kierowca za kierownicą. Choć samochody są ciągle udoskonalane, „zarastane” systemami nawigacyjnymi, modnymi gadżetami, multimediami itp., to silniki praktycznie pozostają niezmienione, przynajmniej nie zmienia się zasada ich działania.
Cykl Otto Atkinsona, który stanowił podstawę samochodowego silnika spalinowego, został opracowany pod koniec XIX wieku i od tego czasu nie przeszedł prawie żadnych globalnych zmian. Dopiero w 1947 roku Ralphowi Millerowi udało się ulepszyć rozwiązania swoich poprzedników, czerpiąc to, co najlepsze z każdego z modeli konstrukcji silnika. Aby jednak ogólnie zrozumieć zasadę działania nowoczesnych bloków energetycznych, trzeba trochę zajrzeć do historii.
Sprawność silników Otto
Pierwszy silnik do samochodu, który mógł normalnie pracować nie tylko teoretycznie, został opracowany przez Francuza E. Lenoira już w 1860 roku i był pierwszym modelem z mechanizmem korbowym. Agregat zasilany gazem, użytkowany był na łodziach, jego współczynnik sprawności (sprawności) nie przekraczał 4,65%. Następnie Lenoir nawiązał współpracę z Nikolausem Otto, we współpracy z niemieckim projektantem w 1863 roku powstał 2-suwowy silnik spalinowy o sprawności 15%.
Zasada działania silnika czterosuwowego została po raz pierwszy zaproponowana przez N. A. Otto w 1876 r. To właśnie ten samouk uważany jest za twórcę pierwszego silnika samochodowego. Silnik miał układ zasilania gazem, a wynalazcą pierwszego na świecie gaźnika ICE zasilanego benzyną jest rosyjski projektant O. S. Kostowicz.
Cykl Otto jest stosowany w wielu nowoczesnych silnikach, w sumie są cztery suwy:
- wlot (po otwarciu zaworu dolotowego cylindryczna przestrzeń jest wypełniona mieszanką paliwową);
- kompresja (zawory są uszczelnione (zamknięte), mieszanina jest sprężana, a na końcu tego procesu następuje zapłon, który zapewnia świeca zapłonowa);
- skok roboczy (z powodu wysokich temperatur i wysokiego ciśnienia tłok opada, powodując ruch korbowodu i wału korbowego);
- wydech (na początku tego suwu zawór wydechowy otwiera się, torując drogę spalinom; wał korbowy w wyniku zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną nadal się obraca, unosząc korbowód z tłokiem do góry).
Wszystkie pociągnięcia są zapętlone i poruszają się po okręgu, a koło zamachowe, które magazynuje energię, pomaga obracać wał korbowy.
Choć w porównaniu do wersji dwusuwowej obwód czterosuwowy wydaje się bardziej zaawansowany, sprawność silnika benzynowego nawet w najlepszym przypadku nie przekracza 25%, a najwyższą sprawność charakteryzują silniki Diesla, tutaj może wzrosnąć maksymalnie do 50%.
Termodynamiczny cykl Atkinsona
James Atkinson, brytyjski inżynier, który zdecydował się zmodernizować wynalazek Otto, zaproponował w 1882 roku własną wersję ulepszenia trzeciego cyklu (skoku mocy). Projektant postawił sobie za cel zwiększenie wydajności silnika i zmniejszenie procesu sprężania, uczynienie silnika spalinowego bardziej ekonomicznym, cichszym, a różnica w jego schemacie konstrukcyjnym polegała na zmianie napędu mechanizmu korbowego (korby) i uzupełnieniu wszystkich skoków w jednym obrocie wału korbowego.
Chociaż Atkinsonowi udało się zwiększyć wydajność swojego silnika w stosunku do opatentowanego już wynalazku Otto, schemat nie został wdrożony w praktyce; Ale Atkinson był pierwszym projektantem, który zaproponował pracę silnika spalinowego o obniżonym stopniu sprężania, a zasadę tego cyklu termodynamicznego uwzględnił później wynalazca Ralph Miller.
Pomysł ograniczenia procesu sprężania i bardziej nasyconego dolotu nie poszedł w zapomnienie; Amerykanin R. Miller powrócił do niego w 1947 roku. Ale tym razem inżynier zaproponował wdrożenie schematu nie poprzez komplikowanie wału korbowego, ale poprzez zmianę rozrządu zaworowego. Brano pod uwagę dwie wersje:
- skok mocy z opóźnionym zamknięciem zaworu dolotowego (LICV lub krótka kompresja);
- skok z wczesnym zamknięciem zaworu (EICV lub krótki dolot).
Późne zamknięcie zaworu dolotowego powoduje zmniejszenie kompresji w porównaniu z silnikiem Otto, powodując przedostanie się części mieszanki paliwowej z powrotem do otworu dolotowego. To konstruktywne rozwiązanie zapewnia:
- „miększe” geometryczne sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej;
- dodatkowa oszczędność paliwa, szczególnie przy niskich prędkościach;
- mniejsza detonacja;
- niski poziom hałasu.
Wady tego schematu obejmują spadek mocy przy dużych prędkościach, ponieważ proces kompresji ulega skróceniu. Jednak ze względu na pełniejsze wypełnienie cylindrów wzrasta wydajność przy niskich prędkościach i wzrasta geometryczny stopień sprężania (rzeczywisty stopień sprężania maleje). Graficzną reprezentację tych procesów można zobaczyć na poniższych diagramach.
Silniki działające zgodnie ze schematem Millera są gorsze od Otto przy dużych prędkościach pod względem mocy, ale w miejskich warunkach pracy nie jest to tak ważne. Ale takie silniki są bardziej ekonomiczne, rzadziej wybuchają, działają ciszej i ciszej.
Silnik cyklu Millera w Mazdzie Xedos (2,3 l)
Specjalny mechanizm dystrybucji gazu z zakładką zaworów zapewnia wzrost stopnia sprężania (CR), jeśli w wersji standardowej, powiedzmy, wynosi 11, to w silniku z krótkim sprężaniem liczba ta we wszystkich innych identycznych warunkach wzrasta do 14 W 6-cylindrowym silniku spalinowym 2,3 l Mazdy Xedos (rodzina Skyactiv) teoretycznie wygląda to tak: zawór dolotowy (IV) otwiera się, gdy tłok znajduje się w górnym martwym punkcie (w skrócie GMP), a nie zamyka się w górnym martwym punkcie. dolny martwy punkt (BDC), a później pozostaje otwarty 70°. W takim przypadku część mieszanki paliwowo-powietrznej jest wpychana z powrotem do kolektora dolotowego, sprężanie rozpoczyna się po zamknięciu VC. Gdy tłok powraca do GMP:
- objętość w cylindrze maleje;
- wzrasta ciśnienie;
- zapłon ze świecy zapłonowej następuje w określonym momencie, zależy to od obciążenia i liczby obrotów (działa układ rozrządu zapłonu).
Następnie tłok opada, następuje rozszerzanie, a przenoszenie ciepła do ścianek cylindra nie jest tak wysokie, jak w schemacie Otto z powodu krótkiego sprężania. Gdy tłok osiągnie BDC, uwalniane są gazy, po czym wszystkie czynności powtarza się ponownie.
Specjalna konfiguracja kolektora dolotowego (szerszy i krótszy niż zwykle) oraz kąt otwarcia 70 stopni przy stosunku 14:1, pozwala ustawić czas zapłonu na biegu jałowym na 8 stopni bez zauważalnej detonacji. Ponadto obwód ten zapewnia większy procent użytecznej pracy mechanicznej lub, innymi słowy, pozwala zwiększyć wydajność. Okazuje się, że praca obliczona ze wzoru A=P dV (P to ciśnienie, dV to zmiana objętości) nie ma na celu nagrzania ścianek cylindra czy głowicy bloku, lecz służy do wykonania suwu roboczego. Schematycznie cały proces można zobaczyć na rysunku, gdzie początek cyklu (BDC) jest oznaczony cyfrą 1, proces sprężania - do punktu 2 (GMP), od 2 do 3 - dostarczanie ciepła za pomocą nieruchomy tłok. Gdy tłok przemieszcza się z punktu 3 do 4, następuje rozszerzanie. Zakończone prace są oznaczone zacienionym obszarem At.
Cały wykres można również zobaczyć we współrzędnych T S, gdzie T oznacza temperaturę, a S to entropia, która rośnie wraz z dostarczaniem ciepła do substancji i w naszej analizie jest to wartość warunkowa. Oznaczenia Q p i Q 0 – ilość ciepła dostarczonego i odebranego.
Wadą serii Skyactiv jest to, że w porównaniu do klasycznego Otto silniki te mają mniejszą moc właściwą (rzeczywistą); na silniku 2,3 l z sześcioma cylindrami jest to zaledwie 211 koni mechanicznych, i to biorąc pod uwagę turbodoładowanie i 5300 obr/min. Ale silniki mają również wymierne zalety:
- wysoki stopień kompresji;
- możliwość ustawienia wczesnego zapłonu bez powodowania detonacji;
- zapewnienie szybkiego przyspieszenia od zatrzymania;
- wysoka wydajność.
Kolejną ważną zaletą silnika Miller Cycle producenta Mazdy jest ekonomiczne zużycie paliwa, szczególnie przy małych obciążeniach i na biegu jałowym.
Silniki Atkinsona w samochodach Toyoty
Choć cykl Atkinsona nie znalazł praktycznego zastosowania w XIX wieku, idea jego silnika została wdrożona w jednostkach napędowych XXI wieku. Takie silniki są instalowane w niektórych modelach hybrydowych samochodów osobowych Toyoty, które działają zarówno na benzynie, jak i na energii elektrycznej. Należy wyjaśnić, że teoria Atkinsona nigdy nie jest stosowana w czystej postaci; raczej nowe rozwiązania inżynierów Toyoty można nazwać silnikami spalinowymi zaprojektowanymi zgodnie z cyklem Atkinsona/Millera, ponieważ wykorzystują one standardowy mechanizm korbowy. Skrócenie cyklu sprężania osiąga się poprzez zmianę faz dystrybucji gazu, przy jednoczesnym wydłużeniu cyklu skoku mocy. Silniki korzystające z podobnego schematu można znaleźć w samochodach Toyoty:
- Priusa;
- Yaris;
- Auris;
- Góral;
- Lexus GS 450h;
- Lexus CT 200h;
- Lexus HS 250h;
- Wit.
Gama silników w układzie Atkinson/Miller jest stale uzupełniana, dlatego na początku 2017 roku japoński koncern rozpoczął produkcję czterocylindrowego silnika spalinowego o pojemności 1,5 litra, zasilanego benzyną wysokooktanową, zapewniającego 111 koni mechanicznych, z cylindrem stopień sprężania 13,5:1. Silnik wyposażony jest w przesuwnik fazowy VVT-IE, umożliwiający przełączanie trybów Otto/Atkinson w zależności od prędkości i obciążenia, dzięki temu silnikowi samochód może przyspieszyć do 100 km/h w 11 sekund. Silnik jest oszczędny, ma wysoką sprawność (do 38,5%) i zapewnia doskonałe przyspieszenie.
Cykl diesla
Pierwszy silnik wysokoprężny został zaprojektowany i zbudowany przez niemieckiego wynalazcę i inżyniera Rudolfa Diesela w 1897 roku. Jednostka napędowa była duża i była nawet większa niż silniki parowe tamtych lat. Podobnie jak silnik Otto, był to czterosuw, ale wyróżniał się doskonałą wydajnością, łatwością obsługi, a stopień sprężania silnika spalinowego był znacznie wyższy niż benzynowego zespołu napędowego. Pierwsze silniki wysokoprężne z końca XIX w. napędzane były lekkimi produktami naftowymi i olejami roślinnymi, próbowano także wykorzystywać jako paliwo pył węglowy. Ale eksperyment niemal natychmiast się nie powiódł:
- zapewnienie dopływu pyłu do cylindrów było problematyczne;
- Węgiel, który ma właściwości ścierne, szybko zużywał grupę cylinder-tłok.
Co ciekawe, angielski wynalazca Herbert Aykroyd Stewart opatentował podobny silnik dwa lata wcześniej niż Rudolf Diesel, jednak Dieselowi udało się zaprojektować model o podwyższonym ciśnieniu w cylindrze. Model Stewarta w teorii zapewniał sprawność cieplną na poziomie 12%, podczas gdy według schematu Diesela sprawność sięgała 50%.
W 1898 roku Gustav Trinkler zaprojektował wysokociśnieniowy silnik olejowy wyposażony w komorę wstępną; model ten jest bezpośrednim prototypem nowoczesnych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym.
Nowoczesne silniki Diesla do samochodów
Zarówno silnik benzynowy pracujący w cyklu Otto, jak i silnik wysokoprężny mają tę samą podstawową konstrukcję, ale nowoczesny silnik spalinowy z silnikiem wysokoprężnym zyskał dodatkowe elementy: turbosprężarkę, elektroniczny układ kontroli zasilania paliwem, chłodnicę powietrza doładowującego, różne czujniki i tak dalej. Ostatnio coraz częściej opracowywane i wprowadzane do serii są jednostki napędowe z bezpośrednim wtryskiem paliwa „Common Rail”, które zapewniają przyjazne dla środowiska spaliny zgodnie z nowoczesnymi wymaganiami, wysokie ciśnienie wtrysku. Diesle z bezpośrednim wtryskiem mają dość wymierne zalety w porównaniu z silnikami z konwencjonalnym układem paliwowym:
- oszczędnie zużywaj paliwo;
- mieć większą moc przy tej samej głośności;
- pracować przy niskim poziomie hałasu;
- pozwala samochodowi szybciej przyspieszać.
Wady silników Common Rail: dość duża złożoność, konieczność stosowania specjalnego sprzętu do napraw i konserwacji, wymagająca jakość oleju napędowego, stosunkowo wysoki koszt. Podobnie jak benzynowe silniki spalinowe, silniki wysokoprężne są stale udoskonalane, stając się coraz bardziej zaawansowane technologicznie i bardziej złożone.
Wideo: Cykl OTTO, Atkinsona i Millera, jaka jest różnica:
Zanim opowiem o cechach silnika Mazdy Miller, zauważę, że nie jest to pięciosuw, ale czterosuw, jak silnik Otto. Silnik Millera to nic innego jak ulepszony klasyczny silnik spalinowy. Strukturalnie te silniki są prawie identyczne. Różnica polega na rozrządzie zaworowym. Wyróżnia je to, że klasyczny silnik pracuje według cyklu niemieckiego inżyniera Nicholasa Otto, natomiast silnik Mazdy Miller działa według cyklu brytyjskiego inżyniera Jamesa Atkinsona, choć z jakiegoś powodu nosi imię amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera . Ten ostatni stworzył także własny cykl pracy silnika spalinowego, jednak pod względem wydajności ustępuje cyklowi Atkinsona.
Atrakcyjność „szóstki” w kształcie litery V zainstalowanej w modelu Xedos 9 (Millenia lub Eunos 800) polega na tym, że przy pojemności skokowej 2,3 litra wytwarza 213 KM. i moment obrotowy 290 Nm, co odpowiada charakterystyce silników 3-litrowych. Jednocześnie zużycie paliwa tak mocnego silnika jest bardzo niskie – w trasie 6,3 (!) l/100 km, w mieście – 11,8 l/100 km, co odpowiada osiągom 1,8-2 l silniki. Nie jest zły.
Aby zrozumieć tajemnicę silnika Millera, należy pamiętać o zasadzie działania znanego czterosuwowego silnika Otto. Pierwszy skok to skok wlotowy. Rozpoczyna się po otwarciu zaworu dolotowego, gdy tłok znajduje się w pobliżu górnego martwego punktu (GMP). Poruszając się w dół tłok wytwarza w cylindrze podciśnienie, które pomaga zassać do nich powietrze i paliwo. Jednocześnie w trybach niskich i średnich obrotów silnika, gdy przepustnica jest częściowo otwarta, pojawiają się tzw. Straty pompowania. Ich istota polega na tym, że ze względu na duże podciśnienie w kolektorze dolotowym tłoki muszą pracować w trybie pompy, co pochłania część mocy silnika. Ponadto pogarsza to napełnianie cylindrów świeżym ładunkiem, a co za tym idzie, zwiększa zużycie paliwa i emisję szkodliwych substancji do atmosfery. Kiedy tłok osiąga dolny martwy punkt (BDC), zawór wlotowy zamyka się. Następnie tłok poruszając się w górę ściska palną mieszaninę - następuje suw sprężania. W pobliżu GMP następuje zapłon mieszanki, wzrasta ciśnienie w komorze spalania, tłok przesuwa się w dół – skok mocy. W BDC otwiera się zawór wydechowy. Gdy tłok porusza się w górę – suw wydechu – gazy spalinowe pozostające w cylindrach są wypychane do układu wydechowego.
Warto zaznaczyć, że po otwarciu zaworu wydechowego gazy w cylindrach znajdują się nadal pod ciśnieniem, dlatego uwolnienie tej niewykorzystanej energii nazywane jest stratami spalin. Tłumikowi układu wydechowego przypisano funkcję tłumienia hałasu.
Aby ograniczyć negatywne zjawiska powstające, gdy silnik pracuje z klasycznym schematem rozrządu, w silniku Mazdy Miller zmieniono rozrząd zaworowy zgodnie z cyklem Atkinsona. Zawór dolotowy nie zamyka się w dolnym martwym punkcie, ale znacznie później - gdy wał korbowy obróci się o 700 od GMP (w silniku Ralpha Millera zawór zamyka się odwrotnie - znacznie wcześniej niż tłok mija GMP). Cykl Atkinsona zapewnia szereg korzyści. Po pierwsze, zmniejszają się straty pompowania, ponieważ część mieszanki, gdy tłok porusza się w górę, jest wciskana do kolektora dolotowego, zmniejszając w nim podciśnienie.
Po drugie, zmienia się stopień kompresji. Teoretycznie pozostaje taki sam, ponieważ skok tłoka i objętość komory spalania się nie zmieniają, ale w rzeczywistości z powodu opóźnionego zamknięcia zaworu dolotowego zmniejsza się z 10 do 8. A to już zmniejsza prawdopodobieństwo spalanie detonacyjne paliwa, co oznacza brak konieczności zwiększania obrotów silnika przy zmianie biegu na niższy w przypadku wzrostu obciążenia. Prawdopodobieństwo spalania detonacyjnego zmniejsza także fakt, że mieszanina palna wypychana z cylindrów podczas ruchu tłoka w górę aż do zamknięcia zaworu, przenosi ze sobą do kolektora dolotowego część ciepła pobranego ze ścianek komory spalania .
Po trzecie, zakłócona została zależność pomiędzy stopniem sprężania i rozprężania, gdyż w wyniku późniejszego zamknięcia zaworu dolotowego czas trwania suwu sprężania w stosunku do czasu trwania suwu rozprężania przy otwartym zaworze wydechowym znacznie się zmienił zredukowany. Silnik pracuje w tzw. cyklu wysokiego rozprężania, w którym energia gazów spalinowych wykorzystywana jest przez dłuższy okres, tj. z redukcją strat wyjściowych. Pozwala to na pełniejsze wykorzystanie energii gazów spalinowych, co w istocie zapewnia wysoką sprawność silnika.
Aby uzyskać wysoką moc i moment obrotowy wymagany w elitarnym modelu Mazdy, w silniku Millera zastosowano mechaniczną sprężarkę Lysholm zamontowaną w wypukłości bloku cylindrów.
Oprócz 2,3-litrowego silnika Xedos 9, cykl Atkinsona zaczęto stosować w silniku o lekkim obciążeniu instalacji hybrydowej Toyoty Prius. Różni się od Mazdy tym, że nie ma dmuchawy, a stopień sprężania jest wysoki - 13,5.
Cykl Millera ( Cykl Millera) został zaproponowany w 1947 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera jako sposób na połączenie zalet silnika Atkinsona z prostszym mechanizmem tłokowym silnika Diesla lub Otto.
Cykl został zaprojektowany w celu zmniejszenia ( zmniejszyć) temperatura i ciśnienie wsadu świeżego powietrza ( temperatura powietrza doładowującego) przed kompresją ( kompresja) w cylindrze. W rezultacie temperatura spalania w cylindrze spada na skutek rozprężania adiabatycznego ( ekspansja adiabatyczna) dopływ świeżego powietrza po wejściu do butli.
Koncepcja cyklu Millera obejmuje dwie opcje ( dwa warianty):
a) wybrania przedwczesnego czasu zamknięcia ( zaawansowany termin zamknięcia) zawór wlotowy ( zawór wlotowy) lub wyprzedzenie zamknięcia - przed dolnym martwym punktem ( dolny martwy punkt);
b) wybór opóźnionego czasu zamykania zaworu dolotowego - po dolnym martwym punkcie (BDC).
Pierwotnie stosowano cykl Millera ( początkowo używany) w celu zwiększenia gęstości mocy niektórych silników wysokoprężnych ( niektóre silniki). Obniżenie temperatury napływu świeżego powietrza ( Obniżenie temperatury wsadu) w cylindrze silnika spowodował wzrost mocy bez znaczących zmian ( główne zmiany) blok cylindrów ( zespół cylindrów). Wyjaśniono to faktem, że spadek temperatury na początku cyklu teoretycznego ( na początku cyklu) zwiększa gęstość ładunku powietrza ( gęstość powietrza) bez zmiany ciśnienia ( zmiana ciśnienia) w cylindrze. Chociaż granica wytrzymałości mechanicznej silnika ( ograniczenie mechaniczne silnika) przechodzi do wyższej mocy ( wyższa moc), ograniczenie obciążenia termicznego ( ograniczenie obciążenia termicznego) przesuwa się w stronę niższych średnich temperatur ( niższe średnie temperatury) cykl.
W dalszej kolejności zainteresowanie z punktu widzenia ograniczenia emisji NOx wzbudził cykl Millera. Intensywne wydzielanie szkodliwych emisji NOx rozpoczyna się, gdy temperatura w cylindrze silnika przekroczy 1500°C – w tym stanie atomy azotu stają się aktywne chemicznie na skutek utraty jednego lub większej liczby atomów. A przy stosowaniu cyklu Millera, gdy temperatura cyklu spada ( zmniejszyć temperaturę cyklu) bez zmiany mocy ( stała moc) uzyskano 10% redukcję emisji NOx przy pełnym obciążeniu i 1% ( procent) zmniejszenie zużycia paliwa. Głównie ( głównie) tłumaczy się to zmniejszeniem strat ciepła ( straty ciepła) przy tym samym ciśnieniu w cylindrze ( poziom ciśnienia w cylindrze).
Jednak znacznie wyższe ciśnienie doładowania ( znacznie wyższe ciśnienie doładowania) przy tej samej mocy i stosunku powietrza do paliwa ( stosunek powietrze/paliwo) utrudniło upowszechnienie się cyklu Millera. Jeżeli maksymalne osiągalne ciśnienie w turbosprężarce gazowej ( maksymalne osiągalne ciśnienie doładowania) będzie zbyt niska w stosunku do pożądanej wartości średniego ciśnienia efektywnego ( pożądane średnie efektywne ciśnienie), doprowadzi to do znacznego ograniczenia wydajności ( znaczne obniżenie wartości znamionowych). Nawet jeśli ciśnienie doładowania będzie odpowiednio wysokie, możliwość zmniejszenia zużycia paliwa zostanie częściowo zneutralizowana ( częściowo zneutralizowany) z powodu zbyt szybkiego ( zbyt szybko) zmniejszenie sprawności sprężarki i turbiny ( kompresor i turbina) turbosprężarka gazowa przy wysokich stopniach sprężania ( wysokie współczynniki kompresji). Zatem praktyczne wykorzystanie cyklu Millera wymagało zastosowania turbosprężarki gazowej o bardzo wysokim stopniu sprężania ( bardzo wysokie współczynniki ciśnień sprężarki) i wysoką sprawność przy wysokich stopniach sprężania ( doskonała wydajność przy wysokich stosunkach ciśnień).
| Ryż. 6. Dwustopniowy układ turbodoładowania |
Tak więc w szybkich silnikach 32FX firmy „ Inżynieria Niigaty» maksymalne ciśnienie spalania P max i temperatura w komorze spalania ( Komora spalania) utrzymują się na obniżonym normalnym poziomie ( normalny poziom). Ale jednocześnie zwiększa się średnie efektywne ciśnienie ( średnie ciśnienie skuteczne hamulca) i zmniejszył poziom szkodliwych emisji NOx ( zmniejszyć emisję NOx).
Silnik wysokoprężny 6L32FX firmy Niigata wybiera pierwszą opcję cyklu Millera: przedwczesne zamknięcie zaworu dolotowego o 10 stopni przed BDC (BDC) zamiast 35 stopni za BDC ( Po BDC) jak silnik 6L32CX. Ponieważ czas napełniania jest skrócony, przy normalnym ciśnieniu doładowania ( normalne ciśnienie doładowania) do cylindra dostaje się mniejsza ilość świeżego powietrza ( objętość powietrza jest zmniejszona). W związku z tym proces spalania paliwa w cylindrze ulega pogorszeniu, w wyniku czego spada moc wyjściowa i wzrasta temperatura spalin ( wzrasta temperatura spalin).
Aby uzyskać tę samą określoną moc wyjściową ( ukierunkowane wyjście) konieczne jest zwiększenie objętości powietrza przy skróconym czasie jego wejścia do cylindra. W tym celu należy zwiększyć ciśnienie doładowania ( zwiększyć ciśnienie doładowania).
Jednocześnie jednostopniowy układ turbodoładowania gazowego ( jednostopniowe turbodoładowanie) nie może zapewnić wyższego ciśnienia doładowania ( wyższe ciśnienie doładowania).
Dlatego opracowano system dwustopniowy ( układ dwustopniowy) turbodoładowanie gazowe, w którym turbosprężarki nisko i wysokociśnieniowe ( turbosprężarki niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe) są ułożone sekwencyjnie ( połączone szeregowo) kolejno. Za każdą turbosprężarką montowane są dwie chłodnice powietrza doładowującego ( pośrednie chłodnice powietrza).
Wprowadzenie obiegu Millera wraz z dwustopniowym układem turbodoładowania gazowego umożliwiło zwiększenie współczynnika mocy do 38,2 (średnie ciśnienie efektywne – 3,09 MPa, średnia prędkość tłoka – 12,4 m/s) przy 110% obciążeniu ( maksymalne deklarowane obciążenie). To najlepszy wynik uzyskany dla silników o średnicy tłoka wynoszącej 32 cm.
Ponadto równolegle osiągnięto 20% redukcję emisji NOx ( Poziom emisji NOx) do 5,8 g/kWh przy wymaganiach IMO wynoszących 11,2 g/kWh. Zużycie paliwa ( Zużycie paliwa) nieznacznie wzrosła podczas pracy przy małych obciążeniach ( niskie obciążenia) praca. Jednak przy średnich i dużych obciążeniach ( wyższe obciążenia) zużycie paliwa spadło o 75%.
W ten sposób wydajność silnika Atkinsona wzrasta w wyniku mechanicznego skrócenia czasu (tłok porusza się szybciej w górę niż w dół) suwu sprężania w stosunku do suwu mocy (suwu rozprężania). W cyklu Millera skok sprężania w odniesieniu do skoku roboczego zmniejszona lub zwiększona w procesie przyjmowania . Jednocześnie prędkość ruchu tłoka w górę i w dół pozostaje taka sama (jak w klasycznym silniku Otto-Diesel).
Przy tym samym ciśnieniu doładowania ładowanie cylindra świeżym powietrzem zmniejsza się ze względu na skrócenie czasu ( zmniejszona poprzez odpowiedni czas) otwarcie zaworu dolotowego ( zawór wlotowy). Dlatego świeży ładunek powietrza ( ładowanie powietrza) w turbosprężarce jest sprężany ( sprężony) do wyższego ciśnienia doładowania niż wymagane dla cyklu silnika ( cykl silnika). Zatem zwiększając ciśnienie doładowania przy skróconym czasie otwarcia zaworu dolotowego, do cylindra dostaje się ta sama porcja świeżego powietrza. W tym przypadku ładunek świeżego powietrza przechodząc przez stosunkowo wąską powierzchnię przepływu wlotowego rozpręża się (efekt dławiący) w cylindrach ( cylindry) i jest odpowiednio chłodzony ( w konsekwencji ochłodzenie).
Cykl Millera to cykl termodynamiczny stosowany w czterosuwowych silnikach spalinowych. Cykl Millera został zaproponowany w 1947 roku przez amerykańskiego inżyniera Ralpha Millera jako sposób na połączenie zalet silnika Atkinsona z prostszym mechanizmem tłokowym silnika Otto. Zamiast mechanicznie skracać suw sprężania od suwu mocy (jak w klasycznym silniku Atkinsona, gdzie tłok porusza się szybciej niż w dół), Miller wpadł na pomysł skrócenia suwu sprężania kosztem suwu ssania , utrzymując tę samą prędkość ruchu tłoka w górę i w dół (jak w klasycznym silniku Otto).
Aby to zrobić, Miller zaproponował dwa różne podejścia: albo zamknąć zawór dolotowy znacznie wcześniej niż koniec suwu ssania (lub otworzyć później niż na początku tego suwu), albo zamknąć go znacznie później niż koniec tego suwu. Pierwsze podejście wśród ekspertów od silników nazywa się umownie „skróconym wlotem”, a drugie – „krótką kompresją”. Ostatecznie oba te podejścia dają to samo: zmniejszenie rzeczywistego stopnia sprężania mieszanki roboczej w stosunku do geometrycznego, przy zachowaniu stałego stopnia rozprężania (czyli skok mocy pozostaje taki sam jak w silniku Otto, i skok sprężania wydaje się być skrócony - jak u Atkinsona, tyle że zmniejsza się nie czasem, a stopniem sprężania mieszanki). Przyjrzyjmy się bliżej drugiemu podejściu Millera.- ponieważ jest to nieco korzystniejsze pod względem strat kompresji i dlatego jest praktycznie stosowane w seryjnych silnikach samochodowych Mazdy „Miller Cycle” (taki 2,3-litrowy silnik V6 z mechaniczną doładowaniem został zainstalowany w Mazdzie Xedos -9 samochód już od dłuższego czasu, a ostatnio najnowszy „wolny” silnik I4 tego typu o pojemności 1,3 litra otrzymał model Mazda-2).
W takim silniku zawór dolotowy nie zamyka się pod koniec suwu ssania, lecz pozostaje otwarty przez pierwszą część suwu sprężania. Chociaż podczas suwu ssania cała objętość cylindra została wypełniona mieszanką paliwowo-powietrzną, część tej mieszanki jest wtłaczana z powrotem do kolektora dolotowego przez otwarty zawór dolotowy, gdy tłok porusza się w górę podczas suwu sprężania. Sprężanie mieszanki faktycznie rozpoczyna się później, kiedy zawór wlotowy zostaje ostatecznie zamknięty, a mieszanka zostaje zablokowana w cylindrze. Zatem mieszanina w silniku Millera jest sprężana mniej niż w silniku Otto o tej samej geometrii mechanicznej. Umożliwia to zwiększenie geometrycznego stopnia sprężania (a co za tym idzie również stopnia rozprężenia!) powyżej granic określonych przez właściwości detonacyjne paliwa - doprowadzenie rzeczywistego sprężania do akceptowalnych wartości na skutek opisanego powyżej „skrócenia cykl sprężania”. Innymi słowy, przy tym samym rzeczywistym stopniu sprężania (ograniczonym paliwem) silnik Millera ma znacznie wyższy współczynnik rozprężania niż silnik Otto. Umożliwia to pełniejsze wykorzystanie energii gazów rozprężających się w cylindrze, co w rzeczywistości zwiększa sprawność cieplną silnika, zapewnia wysoką wydajność silnika i tak dalej.
Oczywiście przemieszczenie odwrotnego ładowania oznacza spadek mocy silnika, a w przypadku silników wolnossących praca w takim cyklu ma sens tylko w stosunkowo wąskim trybie częściowego obciążenia. W przypadku stałego rozrządu zaworowego jedynie zastosowanie doładowania może to zrekompensować w całym zakresie dynamiki. W modelach hybrydowych brak przyczepności w niesprzyjających warunkach rekompensowany jest przyczepnością silnika elektrycznego.
Korzyści wynikającej ze zwiększonej sprawności cieplnej cyklu Millera w porównaniu z cyklem Otto towarzyszy utrata mocy szczytowej dla danej wielkości silnika (i masy) z powodu zmniejszonego napełnienia cylindra. Ponieważ uzyskanie tej samej mocy wyjściowej wymagałoby większego silnika Millera niż silnik Otto, zyski ze zwiększonej sprawności cieplnej cyklu zostaną częściowo wydane na straty mechaniczne (tarcie, wibracje itp.), które zwiększają się wraz z wielkością silnika. Właśnie dlatego inżynierowie Mazdy zbudowali swój pierwszy produkcyjny silnik z niezasysającym cyklem Millera. Kiedy do silnika dołączono doładowanie typu Lysholm, udało im się przywrócić wysoką gęstość mocy bez znacznej utraty wydajności zapewnianej przez cykl Millera. To właśnie ta decyzja określiła atrakcyjność silnika Mazdy V6 „Miller Cycle” zainstalowanego w Mazdzie Xedos-9 (Millenia lub Eunos-800). W końcu przy pojemności roboczej 2,3 litra wytwarza moc 213 KM. i moment obrotowy 290 Nm, co odpowiada charakterystyce konwencjonalnych 3-litrowych silników wolnossących, a jednocześnie zużycie paliwa jak na tak mocny silnik w dużym samochodzie jest bardzo niskie – w trasie 6,3 l/100 km, w mieście – 11,8 l/100 km, co odpowiada osiągom znacznie słabszych silników 1,8-litrowych. Dalszy rozwój technologii umożliwił inżynierom Mazdy zbudowanie silnika pracującego w cyklu Millera o akceptowalnej charakterystyce mocy właściwej bez użycia doładowań - nowy sekwencyjny układ rozrządu zaworów, dynamicznie kontrolujący fazy dolotowe i wydechowe, pozwala częściowo kompensować nieodłączny spadek mocy maksymalnej w cyklu Millera. Nowy silnik będzie produkowany rzędowy, 4-cylindrowy, o pojemności 1,3 litra, w dwóch wersjach: 74 KM (118 Nm momentu obrotowego) i 83 KM (121 Nm). Jednocześnie zużycie paliwa tych silników spadło o 20 procent w porównaniu do konwencjonalnego silnika o tej samej mocy – do nieco ponad czterech litrów na sto kilometrów. Ponadto toksyczność silnika pracującego w cyklu Millera jest o 75 procent niższa niż współczesne wymagania środowiskowe. Realizacja W klasycznych silnikach Toyoty z lat 90-tych ze stałymi fazami, pracującymi według cyklu Otto, zawór dolotowy zamyka się przy 35-45° za DMP (w zależności od kąta wału korbowego), stopień sprężania wynosi 9,5-10,0. W nowszych silnikach z VVT możliwy zakres zamknięcia zaworów dolotowych po BDC wzrósł do 5-70°, a stopień sprężania wzrósł do 10,0-11,0. W silnikach modeli hybrydowych pracujących wyłącznie w cyklu Millera zakres zamknięcia zaworu dolotowego wynosi 80-120°... 60-100° za BDC. Geometryczny współczynnik kompresji - 13,0-13,5. W połowie 2010 roku pojawiły się nowe silniki z szerokim zakresem zmiennych faz rozrządu (VVT-iW), które mogą pracować zarówno w cyklu konwencjonalnym, jak i cyklu Millera. Dla wersji atmosferycznych zakres zamknięcia zaworów dolotowych wynosi 30-110° po BDC przy geometrycznym stopniu sprężania 12,5-12,7, dla wersji turbo wynosi odpowiednio 10-100° i 10,0.
CZYTAJ TAKŻE NA STRONIEHonda NR500 8 zaworów na cylinder z dwoma korbowodami na cylinder, bardzo rzadki, bardzo ciekawy i dość drogi motocykl na świecie, ludzie z Hondy byli mądrzy i sprytni do wyścigów))) Wyprodukowano około 300 sztuk i teraz są ceny. .. W 1989 roku Toyota wprowadziła na rynek nową rodzinę silników – serię UZ. W linii pojawiły się trzy silniki różniące się pojemnością cylindrów: 1UZ-FE, 2UZ-FE i 3UZ-FE. Konstrukcyjnie są to ósemki w kształcie litery V z... |
poczta@strona
strona internetowa
styczeń 2016
Priorytety
Od czasu pojawienia się pierwszego Priusa wydawało się, że ludzie z Toyoty znacznie bardziej polubili Jamesa Atkinsona niż Ralpha Millera. Stopniowo „cykl Atkinsona” ich komunikatów prasowych rozprzestrzenił się po całym środowisku dziennikarskim.
Toyota oficjalnie: „Silnik pracujący w cyklu grzewczym zaproponowany przez Jamesa Atkinsona (Wielka Brytania), w którym można niezależnie ustawić czas trwania suwu sprężania i suwu rozprężania. Późniejsze ulepszenia dokonane przez R. H. Millera (USA) umożliwiły dostosowanie czasu otwierania/zamykania zaworów dolotowych w celu umożliwienia praktycznego zastosowania systemu (cykl Millera).”
- Nieoficjalne i antynaukowe stanowisko Toyoty: „Silnik pracujący w cyklu Millera to silnik pracujący w cyklu Atkinsona z doładowaniem”.
Co więcej, nawet w lokalnym środowisku inżynierskim „cykl Millera” istnieje od niepamiętnych czasów. Co byłoby bardziej poprawne?
W 1882 roku brytyjski wynalazca James Atkinson zaproponował pomysł zwiększenia sprawności silnika tłokowego poprzez skrócenie suwu sprężania i zwiększenie suwu rozprężania płynu roboczego. W praktyce miało to być realizowane za pomocą skomplikowanych mechanizmów napędu tłokowego (dwa tłoki w konstrukcji „bokserowej”, tłok z mechanizmem korbowym). Zbudowane warianty silników wykazywały wzrost strat mechanicznych, większą złożoność konstrukcji i spadek mocy w porównaniu z silnikami innych konstrukcji, dlatego nie były one powszechnie stosowane. Słynne patenty Atkinsona dotyczyły konkretnie projektów, bez uwzględnienia teorii cykli termodynamicznych.
W 1947 roku amerykański inżynier Ralph Miller powrócił do idei zmniejszonego sprężania i dalszej rozbudowy, proponując jego realizację nie poprzez kinematykę napędu tłokowego, ale poprzez dobór rozrządu zaworowego do silników z konwencjonalnym mechanizmem korbowym. W patencie Miller rozważył dwie opcje organizacji pracy - z wczesnym (EICV) lub późnym (LICV) zamknięciem zaworu dolotowego. Właściwie obie opcje oznaczają zmniejszenie rzeczywistego (efektywnego) stopnia sprężania w stosunku do geometrycznego. Zdając sobie sprawę, że zmniejszenie kompresji doprowadzi do utraty mocy silnika, Miller początkowo skupił się na silnikach z doładowaniem, w których utratę napełnienia kompensowałby kompresor. Teoretyczny cykl Millera dla silnika o zapłonie iskrowym jest w pełni zgodny z teoretycznym cyklem silnika Atkinsona.
Ogólnie rzecz biorąc, cykl Millera/Atkinsona nie jest cyklem niezależnym, ale odmianą dobrze znanych cykli termodynamicznych Otto i Diesela. Atkinson jest autorem abstrakcyjnej koncepcji silnika o fizycznie różnej wielkości skoków sprężania i rozprężania. Rzeczywistą organizację procesów pracy w rzeczywistych silnikach, stosowaną w praktyce do dziś, zaproponował Ralph Miller.
Zasady
Gdy silnik pracuje w cyklu Millera ze zmniejszonym sprężaniem, zawór dolotowy zamyka się znacznie później niż w cyklu Otto, przez co część ładunku jest wtłaczana z powrotem do otworu dolotowego, a sam proces sprężania rozpoczyna się w drugiej połowie cyklu udar. W efekcie efektywny stopień sprężania jest niższy od geometrycznego (który z kolei jest równy współczynnikowi rozszerzalności gazów podczas suwu). Zmniejszając straty pompowania i straty sprężania, zapewniony jest wzrost sprawności cieplnej silnika w granicach 5-7% i odpowiednia oszczędność paliwa.
Po raz kolejny możemy zauważyć kluczowe punkty różnicy między cyklami. 1 i 1" - w przypadku silnika z obiegiem Millera objętość komory spalania jest mniejsza, geometryczny stopień sprężania i stopień rozprężania są większy. 2 i 2" - gazy wykonują pracę użyteczną przy dłuższym suwie roboczym, dlatego nie ma są mniejsze straty resztkowe na wylocie. 3 i 3" - podciśnienie na dolocie jest mniejsze ze względu na mniejsze dławienie i cofanie się poprzedniego wsadu, przez co straty pompowania są mniejsze. 4 i 4" - zamknięcie zaworu dolotowego i początek sprężania rozpoczyna się od środka udar, po przemieszczeniu części ładunku do tyłu.
 |
Oczywiście przemieszczenie odwrotnego ładowania oznacza spadek mocy silnika, a w przypadku silników wolnossących praca w takim cyklu ma sens tylko w stosunkowo wąskim trybie częściowego obciążenia. W przypadku stałego rozrządu zaworowego jedynie zastosowanie doładowania może to zrekompensować w całym zakresie dynamiki. W modelach hybrydowych brak przyczepności w niesprzyjających warunkach rekompensowany jest przyczepnością silnika elektrycznego.
Realizacja
W klasycznych silnikach Toyoty z lat 90-tych ze stałymi fazami, pracującymi według cyklu Otto, zawór dolotowy zamyka się przy 35-45° za DMP (w zależności od kąta wału korbowego), stopień sprężania wynosi 9,5-10,0. W nowszych silnikach z VVT możliwy zakres zamknięcia zaworów dolotowych po BDC wzrósł do 5-70°, a stopień sprężania wzrósł do 10,0-11,0.
W silnikach modeli hybrydowych pracujących wyłącznie w cyklu Millera zakres zamknięcia zaworu dolotowego wynosi 80-120°... 60-100° za BDC. Geometryczny współczynnik kompresji - 13,0-13,5.
W połowie 2010 roku pojawiły się nowe silniki z szerokim zakresem zmiennych faz rozrządu (VVT-iW), które mogą pracować zarówno w cyklu konwencjonalnym, jak i cyklu Millera. Dla wersji atmosferycznych zakres zamknięcia zaworów dolotowych wynosi 30-110° po BDC przy geometrycznym stopniu sprężania 12,5-12,7, dla wersji turbo wynosi odpowiednio 10-100° i 10,0.
