Особливості конструкції двигуна міллера. Цикл Аткінсона: як це працює

Цикл Міллера був запропонований в 1947 році американським інженером Ральфом Міллером як спосіб поєднання переваг двигуна Аткінсона з більш простим поршневим механізмом двигуна Отто. Замість того, щоб зробити такт стиснення механічно більш коротким, ніж такт робочого ходу (як у класичному двигуні Аткінсона, де поршень рухається вгору швидше, ніж вниз), Міллер придумав скоротити такт стиснення за рахунок такту впуску, зберігаючи рух поршня вгору і вниз однаковим по швидкості.

Для цього Міллер запропонував два різні підходи: або закривати впускний клапан значно раніше закінчення такту впуску (або відкривати пізніше початку цього такту), або закривати його значно пізніше закінчення цього такту. Перший підхід у двигуністів має умовну назву «укороченого впуску», а другий - «укороченого стиснення». Зрештою обидва ці підходи дають те саме: зниження фактичноюступеня стиснення робочої суміші щодо геометричної, при збереженні незмінного ступеня розширення (тобто такт робочого ходу залишається таким самим, як у двигуні Отто, а такт стиснення як би скорочується - як у Аткінсона, тільки скорочується не за часом, а за ступенем стиснення суміші).

Таким чином суміш у двигуні Міллера стискується менше, ніж мала б стискатися у двигуні Отто такої ж механічної геометрії. Це дозволяє збільшити геометричний ступінь стиснення (і, відповідно, ступінь розширення!) вище за межі, що обумовлюються детонаційними властивостями палива - привівши фактичне стиск до допустимих значень за рахунок вищеописаного «укорочення циклу стиснення». Іншими словами, при тій же фактичноюступеня стиснення (обмеженої паливом) мотор Міллера має значно більший рівень розширення, ніж мотор Отто. Це дає можливість більш повно використовувати енергію газів, що розширюються в циліндрі, що, власне, і підвищує теплову ефективність мотора, забезпечує високу економічність двигуна і так далі.

Вигода від підвищення теплової ефективності циклу Міллера щодо циклу Отто супроводжується втратою пікової вихідної потужності для даного розміру (і маси) двигуна через погіршення наповнення циліндра. Так як для отримання такої ж вихідної потужності потрібен двигун Міллера більшого розміру, ніж двигун Отто, виграш від підвищення теплової ефективності циклу буде частково витрачений на механічні втрати, що збільшилися разом з розмірами двигуна (тертя, вібрації і т. д.).

Комп'ютерне керування клапанами дозволяє змінювати ступінь наповнення циліндра у процесі роботи. Це дає можливість вичавити з двигуна максимальну потужність, при погіршенні економічних показників, або досягти кращої економічності при зменшенні потужності.

Аналогічне завдання вирішує п'ятитактний двигун, у якого додаткове розширення проводиться в окремому циліндрі.

mail@сайт
сайт
Jan 2016

Пріоритети

Ще з часу появи першого Пріуса створювалося враження, що Джеймс Аткінсон подобався тойотівцям набагато більше, ніж Ральф Міллер. І поступово "цикл Аткінсона" з їхніх прес-релізів розійшовся по всій журналістській спільноті.

Тойота офіційно: "Вирішний цикл інструменту підтримується James Atkinson (U.K.) в яких спрямування stroke і expansion stroke duration може бути самостійно.
- Toyota неофіційно та анти-науково: "Miller Cycle engine is an Atkinson Cycle engine with a supercharger".

При цьому навіть у місцевому інженерному середовищі "цикл Міллера" існував ще з давніх-давен. Як буде правильніше?

У 1882 році британський винахідник Джеймс Аткінсон (James Atkinson) запропонував ідею підвищення ефективності поршневого двигуна за рахунок скорочення ходу стиснення та збільшення ходу розширення робочого тіла. Практично реалізувати це передбачалося складними механізмами приводу поршня (два поршні за схемою "боксер", поршень із кривошипно-кулісним механізмом). Побудовані варіанти двигунів показали зростання механічних втрат, переускладнення конструкції та зниження потужності в порівнянні з двигунами інших конструкцій, тому поширення не отримали. Відомі патенти Аткінсона належали саме до конструкцій, без розгляду теорії термодинамічних циклів.

У 1947 році американський інженер Ральф Міллер (Ralph Miller) повернувся до ідеї ідеї скороченого стиснення та продовженого розширення, запропонувавши реалізувати її не за рахунок кінематики приводу поршня, а підбором фаз газорозподілу для двигунів із звичайним кривошипно-шатунним механізмом. У патенті Міллер розглядав два варіанти організації робочого процесу – з раннім (EICV) або пізнім (LICV) закриттям впускного клапана. Власне, обидва варіанти означають зниження фактичного (ефективного) ступеня стиснення по відношенню до геометричного. Розуміючи, що скорочення стиснення призведе до втрати потужності двигуна, Міллер спочатку орієнтувався на наддувні двигуни, у яких втрати наповнення компенсуються за рахунок компресора. Теоретичний цикл Міллера для двигуна з іскровим запаленням повністю відповідає теоретичному циклу двигуна Аткінсона.

За великим рахунком, цикл Міллера/Аткінсона є не самостійним циклом, а різновидом відомих термодинамічних циклів Отто і Дизеля. Аткінсон є автором абстрактної ідеї двигуна з фізично різною величиною ходів стиснення та розширення. Реальну організацію робочих процесів у реальних двигунах, що використовується на практиці до цього дня, запропонував саме Ральф Міллер.

Принципи

При роботі двигуна по циклу Міллера зі скороченим стисненням, впускний клапан закривається значно пізніше, ніж у циклі Отто, через що частина заряду витісняється у впускний канал, і власне процес стиснення починається вже на другій половині такту. В результаті ефективний ступінь стиснення виявляється нижче геометричної (яка, у свою чергу, дорівнює ступеню розширення газів на робочому ході). За рахунок зменшення насосних втрат та втрат на стиск забезпечується збільшення термічного ККД двигуна в межах 5-7% та відповідна економія палива.

Можна ще раз наголосити на ключових моментах відмінності циклів. 1 і 1" - об'єм камери згоряння для двигуна з циклом Міллера менше, геометричний ступінь стиснення і ступінь розширення вище. 2 і 2" - гази роблять корисну роботу на більш довгому робочому ході, тому менші залишкові втрати на випуску. 3 і 3" - розрідження на впуску менше за рахунок меншого дроселювання і зворотного витіснення попереднього заряду, тому нижче насосні втрати. 4 і 4" - закриття впускного клапана і початок стиснення починається з середини такту після зворотного витіснення частини заряду.
Зрозуміло, зворотне витіснення заряду означає падіння потужних показників двигуна, й у атмосферних двигунів робота з такому циклу має сенс лише щодо вузькому режимі часткових навантажень. У разі постійних фаз газорозподілу компенсувати це у всьому динамічному діапазоні дозволяє лише застосування наддуву. На гібридних моделях недолік тяги у несприятливих режимах компенсується тягою електродвигуна.

Реалізація

У класичних двигунах Toyota 90-х років з фіксованими фазами, що працюють за циклом Отто, впускний клапан закривається в 35-45 ° після НМТ (по куту повороту колінчастого валу), ступінь стиснення становить 9.5-10.0. У сучасних двигунах з VVT можливий діапазон закриття впускного клапана розширився до 5-70° після НМТ, ступінь стиснення зросла до 10.0-11.0.

У двигунах гібридних моделей, що працюють тільки за циклом Міллера, діапазон закриття впускного клапана припадає на 80-120 ° ... 60-100 ° після НМТ. Геометричний ступінь стиснення – 13.0-13.5.

До середини 2010-х з'явилися нові двигуни з широким діапазоном зміни фаз газорозподілу (VVT-iW), які можуть працювати як у звичайному циклі, так і циклу Міллера. У атмосферних версій діапазон закриття впускного клапана становить 30-110° після НМТ при геометричному ступені стиснення 12.5-12.7, турбоверсій - відповідно, 10-100° і 10.0.

Двигун внутрішнього згоряння (ДВС) вважається одним із найважливіших вузлів в автомобілі, від його характеристик, потужності, прийомистості та економічності залежить, наскільки комфортно почуватиметься за кермом водій. Хоча автомобілі постійно удосконалюються, «обростають» навігаційними системами, модними гаджетами, мультимедіа і так далі, мотори так і залишаються практично незмінними, принаймні принцип їхньої роботи не змінюється.

Цикл Отто Аткінсона, який ліг в основу автомобільного ДВС, був розроблений ще наприкінці 19 століття, і з того часу не зазнав майже жодних глобальних змін. Лише у 1947 році Ральф Міллер зумів удосконалити розробки своїх попередників, взявши найкраще від кожної з моделей побудови двигуна. Але щоб загалом зрозуміти принцип роботи сучасних силових агрегатів, потрібно трохи зазирнути в історію.

ККД двигунів Отто

Перший двигун для автомобіля, який міг нормально працювати не тільки теоретично, був розроблений французом Е. Ленуаром у далекому 1860, був першою моделлю з кривошипно-шатунним механізмом. Агрегат працював на газу, використовувався на човнах, його коефіцієнт корисної дії (ККД) не перевищував 4,65%. Надалі Ленуар об'єднався з Ніколаусом Отто, у співпраці з німецьким конструктором у 1863 році був створений 2-тактний ДВС з ККД 15%.

Принцип чотиритактного двигуна вперше був запропонований Н. А. Отто в 1876 році, саме цей конструктор-самоук вважається творцем першого мотора для автомобіля. Двигун мав газову систему живлення, винахідником ж одного у світі карбюраторного ДВС на бензині вважається російський конструктор О. С. Костович.

Робота циклу Отто застосовується на багатьох сучасних двигунах, всього тут чотири такти:

• впуск (при відкритті впускного клапана циліндричний простір наповнюється паливною сумішшю);
• стиск (клапана герметичні (закриті), відбувається стискання суміші, наприкінці цього процесу – займання, яке забезпечує свічка запалювання);
• робочий хід (через високі температури і великий тиск поршень спрямовується вниз, змушує рухатися шатун і колінвал);
• випуск (на початку цього такту відкривається випускний клапан, звільняючи шлях випускним газам, колінвал в результаті перетворення теплоенергії на механічну енергію продовжує обертатися, піднімаючи шатун з поршнем вгору).

Всі такти зациклені і йдуть по колу, а маховик, що запасає енергію, сприяє розкручування колінчастого валу.

Хоча в порівнянні з двотактним варіантом чотиритактна схема здається більш досконалою, ККД бензинового мотора навіть у найкращому разі не перевищує 25%, а найбільший коефіцієнт корисної дії – у дизелів, він може підвищитися максимально і до 50%.

Термодинамічний цикл Аткінсона

Джеймс Аткінсон – британський інженер, який вирішив модернізувати винахід Отто, запропонував свій варіант удосконалення третього циклу (робочого ходу) у 1882 році. Конструктором була поставлена ​​мета підвищити ККД двигуна і скоротити процес стиснення, зробити ДВС більш економічним, менш галасливим, а відмінність його схеми побудови полягала у зміні приводу кривошипно-шатунного механізму (КШМ) та у проходженні всіх тактів за один оборот коленвала.

Хоча Аткінсон і зумів підвищити ефективність свого мотора по відношенню до вже запатентованого винаходу Otto, схема не була реалізована на практиці, механіка виявилася надто складною. Але Atkinson став першим конструктором, який запропонував роботу ДВС зі зниженим ступенем стиснення, і принцип цього термодинамічного циклу був надалі врахований винахідником Ральфом Міллером.

Ідея скорочення процесу стиснення і більш насиченого впуску не забула, до неї повернувся в 1947 році американець Р. Міллер. Але цього разу інженер запропонував реалізувати схему не через ускладнення КШМ, а шляхом зміни фаз газорозподілу. Розглядалося дві версії:

• робочий хід із запізненням закриття впускного клапана (LICV або короткий стиск);
• хід із раннім закриттям клапана (EICV або укорочений впуск).

При пізньому закритті впускного клапана виходить скорочений стиск по відношенню до двигуна Отто, через що частина паливної суміші потрапляє назад у впускний канал. Таке конструктивне рішення дає:

• більш «м'яке» геометричне стиск паливно-повітряної суміші;
• додаткову економію палива, особливо у малих оборотах;
• меншу детонацію;
• низький рівень шуму.

До мінусів цієї схеми можна віднести зменшення потужності великих оборотах, оскільки процес стиснення виходить скороченим. Але за рахунок повнішого наповнення циліндрів зростає ККД на низьких оборотах і збільшується геометрична ступінь стиснення (фактична зменшується). Графічне зображення цих процесів можна побачити на малюнках із умовними діаграмами нижче.

Двигуни, що працюють за схемою Міллера, програють Otto на високих швидкісних режимах потужності, але в міських умовах експлуатації це не так і важливо. Зате такі мотори економічніші, менше детонують, м'якше і тихіше працюють.

Miller Cycle Engine на автомобілі Mazda Xedos (2.3 L)

Особливий механізм газорозподілу з перекриттям клапанів забезпечує підвищення ступеня стиснення (СЗ), якщо в стандартному варіанті, припустимо, вона дорівнює 11, то в моторі з коротким стисненням цей показник при всіх інших однакових умовах збільшується до 14. На 6-циліндровому ДВС 2.3 L Mazda Xedos коли поршень розташований у верхній мертвій точці (скорочено – ВМТ), закривається не в нижній точці (НМТ), а пізніше залишається відкритим 70º. При цьому частина паливно-повітряної суміші виштовхується назад у впускний колектор, стиск починається після закриття ВК. Після повернення поршня у ВМТ:

• об'єм у циліндрі зменшується;
• тиск зростає;
• займання від свічки відбувається в певний момент, воно залежить від навантаження і кількість оборотів (працює система випередження запалення).

Потім поршень йде вниз, відбувається розширення, при цьому тепловіддача на стінки циліндрів виходить не такою високою, як у схемі Otto через короткий стиск. Коли поршень доходить до НМТ, йде випуск газів, потім усі дії знову повторюються.

Спеціальна конфігурація впускного колектора (ширше і коротше, ніж зазвичай) та кут відкриття ВК 70 градусів при СЗ 14:1 дає можливість встановити випередження запалення 8º на холостих обертах без будь-якої відчутної детонації. Також ця схема забезпечують більший відсоток корисної механічної роботи, або, іншими словами, дозволяє підняти ККД. Виходить, що робота, що обчислюється за формулою A = P dV (P - тиск, dV - зміна об'єму), спрямована не на нагрівання стінок циліндрів, головки блоку, а йде на виконання робочого ходу. Схематично весь процес можна подивитися на малюнку, де початок циклу (НМТ) позначено цифрою 1, процес стиснення – до точки 2 (ВМТ), від 2 до 3 – підведення теплоти за нерухомого поршня. Коли поршень йде від точки 3 до 4 відбувається розширення. Виконана робота позначена заштрихованою областю At.

Також усю схему можна подивитися в координатах T S, де T означає температуру, а S – ентропію, яка росте з підведенням теплоти до речовини, і за нашого аналізу це величина умовна. Позначення Q p і Q 0 – кількість теплоти, що підводиться і відводиться.

Недолік серії Skyactiv – в порівнянні з класичними Otto у цих двигунів менше питома (фактична) потужність, на моторі 2.3 L при шести циліндрах вона становить лише 211 кінських сил, і то при обліку турбонаддува і 5300 об/хв. Зате мотори мають і відчутні плюси:

• високий рівень стиснення;
• можливість встановити раннє запалення, у своїй не отримати детонації;
• забезпечення швидкого розгону з місця;
• великий коефіцієнт корисної дії.

І ще одна важлива перевага двигуна Miller Cycle від виробника Mazda – економічна витрата палива, особливо при малих навантаженнях та на холостому ході.

Двигуни Аткінсона на автомобілях Toyota

Хоча цикл Аткінсона не знайшов своє практичне застосування в 19 столітті, ідея його двигуна реалізована в силових агрегатах 21-го століття. Такі мотори встановлюються на деякі моделі гібридних легкових автомобілів Toyota, що працюють одночасно і на бензиновому паливі, і на електриці. Потрібно уточнити, що в чистому вигляді теорія Atkinson так і не використовується, швидше за все, нові розробки інженерів Toyota можна називати ДВС, сконструйованими за циклом Аткінсона/Міллера, оскільки в них використовується стандартний кривошипно-шатунний механізм. Зменшення циклу стиску досягається за рахунок зміни газорозподільних фаз, при цьому цикл робочого ходу подовжується. Мотори з використанням подібної схеми зустрічаються на авто компанії Toyota:

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

Модельний ряд моторів з реалізованою схемою Atkinson/Miller постійно поповнюється, так на початку 2017 року японський концерн приступив до випуску 1,5-літрового чотирициліндрового ДВС, що працює на високооктановому бензині, що забезпечує 111 кінських сил потужності, зі ступенем стиснення3,5: Двигун оснащений фазообертачем VVT-IE, здатним перемикати режими Otto/Atkinson залежно від швидкості та навантаження, з цим силовим агрегатом автомобіль може прискорюватися до 100 км/год за 11 секунд. Двигун відрізняється економічності, високим ККД (до 38,5%), забезпечує відмінний розгін.

Цикл дизеля

Перший дизельний мотор був спроектований і побудований німецьким винахідником і інженером Рудольфом Дизелем в 1897-му році, силовий агрегат мав великі розміри, був навіть більше парових машин тих років. Так само як і двигун Отто, він був чотиритактним, але відзначався чудовим показником ККД, зручністю в експлуатації, і ступінь стиснення у ДВЗ була значно вищою, ніж у бензинового силового агрегату. Перші дизелі кінця XIX століття працювали на легких нафтопродуктах і рослинних оліях, також була спроба як паливо використовувати вугільний пил. Але експеримент провалився практично відразу:

• забезпечити подачу пилу до циліндрів було проблематично;
• вугілля, що володіє абразивними властивостями, швидко зношував циліндро-поршневу групу.

Цікаво, що англійський винахідник Герберт Ейкройд Стюарт запатентував аналогічний двигун на два роки раніше Rudolf Diesel, але Дизелю вдалося сконструювати модель зі збільшеним тиском в циліндрах. Модель Стюарта теоретично забезпечувала 12% теплової ефективності, тоді як за схемою Diesel коефіцієнт корисної дії сягав 50%.

В 1898 Густав Трінклер сконструював нафтовий двигун високого тиску, оснащений форкамерою, саме ця модель і є прямим прототипом сучасних дизельних ДВС.

Сучасні дизелі для автомобілів

Як у бензинового мотора за циклом Отто, так і у дизеля, принципова схема побудови не змінилася, зате сучасний дизельний ДВС «закидання» додатковими вузлами: турбокомпресором, електронною системою управління подачі палива, інтеркулером, різними датчиками тощо. Останнім часом все частіше розробляються і запускаються в серію силові агрегати з прямим паливним упорскуванням «Коммон Рейл», що забезпечують екологічний вихлоп газів відповідно до сучасних вимог, високий тиск упорскування. Дизелі з безпосереднім упорскуванням мають досить відчутні переваги перед моторами зі звичайною паливною системою:

• економічно витрачають паливо;
• мають більш високу потужність у тому ж обсязі;
• працюють із низьким рівнем шуму;
• дозволяє автомобілю швидше розганятися.

Недоліки движків Common Rail: досить висока складність, необхідність ремонту та обслуговування використовувати спеціальне обладнання, вимогливість до якості солярки, відносно висока вартість. Як і бензинові ДВС, дизелі постійно вдосконалюються, стають дедалі технологічнішими і складнішими.

Відео:Цикл ОТТО, Аткінсона та Міллера, у чому відмінність:

Слайд 2

Класичний ДВС

Класичний чотиритактний мотор був винайдений у далекому 1876 одному німецьким інженером на ім'я Ніколаус Отто, цикл роботи такого двигуна внутрішнього згоряння (ДВС) простий: впуск, стиск, робочий хід, випуск.

Слайд 3

Індикаторна діаграма циклу Отто та Аткінсона.

Слайд 4

Цикл Аткінсона

Британський інженер Джеймс Аткінсон ще до війни вигадав свій цикл, який трохи відрізняється від циклу Отто – його індикаторна діаграма відзначена зеленим кольором. У чому відмінність? По-перше, об'єм камери згоряння такого мотора (при тому ж робочому об'ємі) менший, і відповідно, вищий ступінь стиснення. Тому верхня точка на індикаторній діаграмі розташовується лівіше, в області меншого надпоршневого об'єму. І ступінь розширення (те ж саме, що й ступінь стиснення, тільки навпаки) теж більший - а значить, ми ефективніше, на більшому ході поршня використовуємо енергію газів, що відпрацювали, і маємо менші втрати випуску (це відображено меншою сходинкою праворуч). Далі все те саме - йдуть такти випуску та впуску.

Слайд 5

Тепер, якби все відбувалося відповідно до циклу Отто і впускний клапан закрився б у НМТ, то крива стиснення пройшла б угорі, і тиск в кінці такту виявився б надмірним - адже ступінь стиснення тут більший! Після іскри був би не спалах суміші, а детонаційний вибух - і двигун, не пропрацювавши і години, спочив би вибух. Але не таким був британський інженер Джеймс Аткінсон! Він вирішив продовжити фазу впуску - поршень доходить до НМТ і йде вгору, а впускний клапан тим часом залишається відкритим приблизно до половини повного ходу поршня. Частина свіжої горючої суміші при цьому виштовхується назад у впускний колектор, що підвищує тиск - вірніше, зменшує розрідження. Це дозволяє на малих та середніх навантаженнях більше відкривати дросельну заслінку. Ось чому лінія впуску на діаграмі циклу Аткінсона проходить вище, і насосні втрати двигуна виявляються нижчими, ніж у циклі Отто.

Слайд 6

Цикл «Аткінсона»

Так що такт стиснення, коли закривається впускний клапан, починається при меншому надпоршневому об'ємі, що ілюструє зелена лінія стиснення, що починається з половини нижньої горизонтальної лінії впуску. Здавалося б, чого простіше: зробити вище ступінь стиснення, зміни профіль впускних кулачків, і справа в капелюсі - двигун з циклом Аткінсона готовий! Але річ у тому, що для досягнення хороших динамічних показників у всьому робочому діапазоні оборотів двигуна треба компенсувати виштовхування горючої суміші під час продовженого впускного циклу, застосовуючи наддув, в даному випадку – механічний нагнітач. А його привід відбирає у двигуна левову частку тієї енергії, що вдається відіграти на насосних та випускних втратах. Застосування циклу Аткінсона на безнаддувному двигуні гібрида ToyotaPrius стало можливим завдяки тому, що він працює у полегшеному режимі.

Слайд 7

Цикл «Міллера»

Цикл Міллера - термодинамічний цикл, що використовується в чотиритактних ДВС. Цикл Міллера був запропонований в 1947 році американським інженером Ральфом Міллером як спосіб поєднання переваг двигуна Анткінсона з більш простим поршневим механізмом двигуна Отто.

Слайд 8

Замість того, щоб зробити такт стиснення механічно більш коротким, ніж такт робочого ходу (як у класичному двигуні Аткінсона, де поршень рухається вгору швидше, ніж вниз), Міллер придумав скоротити такт стиснення за рахунок такту впуску, зберігаючи рух поршня вгору і вниз однаковим по швидкості.

Слайд 9

Для цього Міллер запропонував два різні підходи: закривати впускний клапан значно раніше закінчення такту впуску (або відкривати пізніше початку цього такту), закривати його значно пізніше закінчення цього такту.

Слайд 10

Перший підхід у двигунів носить умовну назву "укороченого впуску", а другий - "укороченого стиснення". Обидва ці підходи дають одне й те саме: зниження фактичного ступеня стиснення робочої суміші щодо геометричної, при збереженні незмінного ступеня розширення (тобто такт робочого ходу залишається таким же, як у двигуні Отто, а такт стиснення як би скорочується - як у Аткінсона, тільки скорочується не за часом, а за ступенем стиснення

Слайд 11

Другий підхід «Міллера»

Такий підхід дещо вигідніший з погляду втрат на стиск, і тому саме він практично реалізований у серійних автомобільних моторах Mazda «MillerCycle». У такому моторі впускний клапан не закривається із закінченням такту впуску, а залишається відкритим протягом першої частини такту стиснення. Хоча на такті впуску паливно-повітряною сумішшю був заповнений весь об'єм циліндра, частина суміші витісняється назад у впускний колектор через відкритий клапан впуску, коли поршень рухається вгору на такті стиснення.

Слайд 12

Стиснення суміші фактично починається пізніше, коли впускний клапан нарешті закривається, і суміш виявляється замкненою в циліндрі. Таким чином суміш у двигуні Міллера стискується менше, ніж мала б стискатися у двигуні Отто такої ж механічної геометрії. Це дозволяє збільшити геометричний ступінь стиснення (і, відповідно, ступінь розширення!) вище за межі, що обумовлюються детонаційними властивостями палива - привівши фактичний стиск до допустимих значень за рахунок вищеописаного «укорочення циклу стиснення». Слайд 15

Висновок

Якщо уважно придивитися до циклу - як Аткінсона, так і Міллера, можна помітити, що в обох є додатковий п'ятий такт. Він має власні характеристики і не є, по суті, ні тактом впуску, ні тактом стиснення, а проміжним самостійним тактом між ними. Тому двигуни, що працюють за принципом Аткінсона чи Міллера, називають п'ятитактними.

Переглянути всі слайди

Двигун внутрішнього згоряння дуже далекий від ідеалу, у кращому разі досягає 20 – 25%, дизельного 40 – 50% (тобто решта палива спалюється майже порожня). Щоб підвищити ефективність (відповідно збільшити коефіцієнт корисної дії) потрібно покращити конструкцію двигуна. Над цим б'ються багато інженерів, і до цього дня, але першими були лише кілька інженерів, таких як Ніколаус Август ОТТО, Джеймсом Аткінсоном і Ральфом Міллером. Кожен вносив певні зміни, і намагався зробити мотори економічнішими та продуктивнішими. Кожен пропонував певний цикл роботи, який міг кардинально відрізнятись від конструкції опонента. Сьогодні я постараюся простими словами, пояснити вам які основні відмінності є в роботі ДВС, і відео версія в кінці …

Стаття буде написана для новачків, тому якщо ви досвідчений інженер, можете її не читати, написана для загального розуміння циклів роботи ДВС.

Також хочеться відзначити, що варіацій різних конструкцій дуже багато, найвідоміші, які ми ще можемо знати, цикл ДИЗЕЛЯ, СТИРЛІНГУ, КАРНО, ЕРІКСОННА і т.д. Якщо порахувати конструкції, їх може набратися близько 15. І не всі двигуни внутрішнього згоряння, а наприклад, у СТИРЛІНГА зовнішнього.

Але найвідоміші, які застосовуються і до цього дня в автомобілях, це ОТТО, Аткінсон і Міллер. Ось про них і говоритимемо.

По суті це звичайний тепловий двигун внутрішнього згоряння з примусовим займанням горючої суміші (через свічку), який застосовується зараз у 60-65% автомобілів. ТАК – так, саме той, що у вас стоїть під капотом, працює за циклом ОТТО.

Однак якщо копнути в історію, першим принцип такого ДВС запропонував у 1862 році французький інженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Але це був теоритичний принцип роботи. ОТТО ж у 1878 році (через 16 років) втілив цей двигун у металі (на практиці) та запатентував цю технологію

По суті, це чотиритактний мотор, якому властиві:

• Впуск . Подача свіжої повітряної суміші. Відкривається впускний клапан.
• Стиснення . Поршень йде нагору, стискаючи цю суміш. Обидва клапани закриті
• Робочий хід . Свічка підпалює стислу суміш, гази, що загорілися, штовхають поршень вниз
• Відведення відпрацьованих газів . Поршень йде вгору, виштовхуючи згорілі гази. Відкривається випускний клапан

Хочеться відзначити, що впускні та випускні клапани, працюють у суворій послідовності – ОДНАКОВО при високих і при низьких оборотах. Тобто, зміни роботи при різних оборотах не спостерігається.

У своєму двигуні ОТТО перший застосував стиск робочої суміші для підвищення максимальної температури циклу. Яке здійснювалося за адіабатом (простими словами без теплообміну із зовнішнім середовищем).

Після стиснення суміші, вона спалахувала від свічки, після цього починався процес відведення тепла, який протікав практично по ізохоре (тобто при постійному обсязі циліндра двигуна).

Оскільки ОТТО запатентував свою технологію, її промислове використання було неможливо. Щоб обійти патенти Джеймс Аткінсон у 1886 році, вирішив модифікувати цикл ОТТО. І запропонував свій тип роботи двигуна внутрішнього згоряння.

Він запропонував змінити час тактів, завдяки чому робочий хід був збільшений за рахунок ускладнення кривошипно-шатунної конструкції. Потрібно відзначити, що тестовий екземпляр який він побудував, був одноциліндровий, і не отримав великого поширення через складність конструкції.

Якщо двома словами описати принцип роботи цього ДВС, то виходить:

Усі 4 такти (уприскування, стиснення, робочий хід, випуск) – відбувалися за одне обертання колінчастого валу (у ОТТО обертань — два). Завдяки складній системі важелів, які кріпилися поряд із «колінвалом».

У цій конструкції вдалося реалізувати певні співвідношення довжин важелів. Якщо сказати простими словами - хід поршня на такті впуску і випуску БІЛЬШЕ, ніж хід поршня в стиснення і робочого ходу.

Що дає? ТАК те, що можна «грати» ступенем стиснення (змінюючи її), за рахунок співвідношення довжин важелів, а не за рахунок «дроселювання» впуску! З цього виводиться перевага циклу АКТИНСОНУ, за насосними втратами

Такі мотори вийшли досить ефективними з високим ККД та невеликою витратою палива.

Проте негативних моментів також було багато.

• Складність та громіздкість конструкції
• Низький на низьких обертах
• Погано керується дросельною заслінкою, чи то ()

Ходять чутки, що принцип АТКІНСОНА використовувався на гібридних автомобілях, зокрема компанії TOYOTA. Однак це трохи не правда, там використовувався лише його принцип, а ось конструкція застосовувалася іншого інженера, а саме Міллера. У чистому вигляді мотори Аткінсона швидше мали одиничний характер, ніж масовий.

Ральф Міллер також вирішив погратися зі ступенем стиснення у 1947 році. Тобто він ніби продовжить роботу АТКІНСОНА, але взяв не його складний двигун (з важелями), а звичайний ДВЗ ОТТО.

Що він запропонував . Він не став робити такт стиснення механічно коротшим, ніж такт робочого ходу (як пропонував Аткінсон, у нього поршень рухається швидше вгору, ніж вниз). Він придумав скоротити такт стиснення за рахунок такту впуску, зберігаючи рух поршнів вгору та вниз однаковим (класичний мотор ОТТО).

Можна було піти двома способами:

• Закривати впускні клапани раніше закінчення такту впуску – такий принцип отримав назву «Укорочений впуск»
• Або закривати впускні клапани після такту впуску – цей варіант отримав назви «Укороченого стиснення»

Зрештою, обидва принципи дають те саме – зменшення ступеня стиснення, робочої суміші щодо геометричної! Однак зберігається ступінь розширення, тобто такт робочого ходу зберігається (як у ДВС ОТТО), а такт стиснення як би скорочується (як у ДВС Аткінсона).

Простими словами - Повітряно-паливна суміш у МІЛЛЕРА стискається набагато менше, ніж повинна була стискатися в такому ж моторі у ОТТО. Це дозволяє збільшити геометричний ступінь стиснення, і відповідно фізичний ступінь розширення. Набагато більшу, ніж обумовлено детонаційними властивостями палива (тобто бензин не можна стискати нескінченно, почнеться детонація)! Таким чином, коли паливо займається ВМТ (вірніше мертвої точці), воно має набагато більший ступінь розширення ніж у конструкції ОТТО. Це дає набагато більше використовувати енергію газів, що розширюються в циліндрі, що і підвищує теплову ефективність конструкції, що тягне за собою високу економію, еластичність і т.д.

Варто також враховувати, що на такті стиснення зменшуються насосні втрати, тобто стискати паливо у МІЛЛЕРА легше, потрібно менше енергії.

Негативні сторони – це зменшення пікової вихідної потужності (особливо на високих оборотах) через найгірше наповнення циліндрів. Щоб зняти таку ж потужність як у ОТТО (при високих оборотах), двигун потрібно було будувати більше (об'ємніше циліндри) і масивніше.

На сучасних двигунах

То в чому ж різниця?

Стаття вийшла складніше, ніж я припускав, але якщо підбити підсумок. ТО виходить:

ОТТО – це стандартний принцип звичайного мотора, який зараз стоять на більшості сучасних автомобілів

Аткінсон - Пропонував більш ефективний ДВС, за рахунок зміни ступеня стиснення за допомогою складної конструкції з важелів які приєднувалися до колінчастого валу.

ПЛЮСИ - економія палива, еластичніший мотор, менше шуму.

МІНУСИ – громіздка та складна конструкція, низький крутний момент на низьких обертах, погано керується дросельною заслінкою

У чистому вигляді зараз практично не застосовується.

МІЛЕР – запропонував використовувати знижений ступінь стиснення в циліндрі за допомогою пізнього закриття впускного клапана. Різниця з Аткінсона величезна, тому що він використовував не його конструкцію, а ОТТО, але не в чистому вигляді, а з доопрацьованою системою ГРМ.

Передбачається, що поршень (на такті стиснення) йде з меншим опором (насосні втрати), і краще геометрично стискає повітряно-паливну суміш (виключаючи її детонацію), проте ступінь розширення (при запаленні від свічки) залишається майже таким самим, як і в циклі ОТТО.

ПЛЮСИ - економія палива (особливо на низьких оборотах), еластичність роботи, низький шум.

МІНУСИ – зменшення потужності при високих оборотах (через найгірше наповнення циліндрів).

Варто зазначити, що зараз принцип МІЛЛЕРА використовується на деяких автомобілях при невисоких обертах. Дозволяє регулювати фази впуску та випуску (розширюючи або звужуючи їх за допомогою