Принцип аткинсона двс тойота

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 04.10.2024

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям

Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.

Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.

Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.

Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.

Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в кооперации с Daihatsu. Степень сжатия тут пониже (11,5:1), но у его предшественника (1KR-FE) было 10,5. Японцы утверждают, что одна только замена прежних моторов на новые принесёт экономию топлива в 10%. А в сочетании с несколькими другими мерами (вроде системы start/stop) — до 15% (с двигателем 1.3) и до 30% (с 1.0).

Цикл и двигатели Аткинсона

В автомобильном строении легковых автомобилей уже более века стандартно используются двигатели внутреннего сгорания. У них есть некоторые минусы, над которыми годами бьются ученые и конструкторы. В результате этих исследований получаются довольно интересные и странные «движки».

История создания мотора с циклом Аткинсона корнями уходит в далекую историю. Начнем с того, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876.

Цикл такого мотора довольно прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Всего через 10 лет после изобретения двигателя Отто, англичанин Джеймс Аткинсон предложил модифицировать немецкий мотор. По сути, двигатель остается четырехтактным. Но Аткинсон немного изменил продолжительность двух из них: первые 2 такта короче, остальные 2 длиннее.

Сэр Джеймс реализовал эту схему, с помощью изменения длинны ходов поршней. Но в 1887 году такая модификация двигателя Отто не нашла применения. Несмотря на то, что производительность мотора увеличилась на 10%, сложность механизма не позволяла массово применять цикл Аткинсона для автомобилей.

В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota активно заполняют мировой рынок. Принцип работы цикла Аткинсона Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.

Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала. Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу.

В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке. В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие. Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.

В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В XXI веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времён тактов применяется, например, в автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».

Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

На Приусе особенно выгодно применение двигателя Аткинсона, так как на малых оборотах он не нагружается. Приус разгоняется электро-мотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.

Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800, которая выпускалась в 1993-2002 годы. Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota, выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid. Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h, а «Форд» и «Ниссан» разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid.

Гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы.

Обзоры

Цикл Аткинсона. Двигатели, работающие по Аткинсону экономичнее и мощнее традиционных.

До сих пор двигатели, работающие по циклу Аткинсона, применялись только в сочетании с электромоторами. Но времена меняются.

Клапан открыт дольше

Цикл Аткинсона отличается меньшими потерями на пульсации: пока поршень идет вверх, впускной клапан остается открытым несколько дольше. Часть воздуха выталкивается обратно в коллектор, что позволяет избавиться от разрежения, мешающего впуску воздуха в другие цилиндры. Кроме того, газы расширяются в течение более долгого времени, фактическая степень сжатия уменьшается, а геометрическая увеличивается.

Почему до сих пор Toyota, Lexus, Hyundai и Kia использовали двигатели, работающие по циклу Аткинсона, только в составе гибридной силовой установки? Ответ прост: такие моторы обладают более высоким КПД, чем работающие по циклу Отто, но крутящий момент у них ниже, особенно на низких и средних оборотах. Что и подтверждают приведенные графики.

В гибридном приводе этот недостаток с лихвой компенсируется работой электромотора, который, как известно, обеспечивает максимальный крутящий момент уже при запуске. Кроме того, увеличивают рабочий объем: на маленьком Yaris стоит двигатель объемом 1,5 л, на Auris, Prius и СТ — и вовсе 1,8 л. И вот инженеры Toyota решили поменять подход.

И три цилиндра тоже

В следующем году японцы представят первые двигатели нового семейства, работающие по циклу Аткинсона: трехцилиндровый объемом один литр и 1,3-литровый четырехцилиндровый. Новые моторы, обладая все тем же высоким КПД, способны развивать значительно больший крутящий момент. Устанавливать их будут не только на гибридные модели, ибо главная идея состоит в том, чтобы значительно сократить расход в сравнении с классическими агрегатами, работающими по циклу Отто.

Шуи Адачи, стоящий во главе проекта, пообещал, что КПД 1,3-литрового мотора составит 38%. Геометрическая степень сжатия нового двигателя равна 13,5:1, однако реальный показатель ниже, поскольку во время движения поршня к верхней мертвой точке клапана в течение некоторого времени остаются открытыми. Коэффициент полезного действия литрового трехцилиндрового мотора составит 37%, его геометрическая степень сжатия — 11,5:1.

Чтобы добиться таких результатов, инженеры Toyota заложили в конструкцию ряд оригинальных решений. Это, во-первых, вариаторы фаз газораспределения нового поколения (VVT-iE, где Е означает "электрический"), которые управляют открыванием и закрыванием впускных клапанов. Кроме того, на выходе из впускных коллекторов обеспечивается высокая турбулентность потока воздуха (ось воронки перпендикулярна оси цилиндра). А турбулентность ускоряет сгорание бензина.

В системе рециркуляции отработавших газов EGR предусмотрен газожидкостный теплообменник: возвращаемые в цилиндры отработавшие газы охлаждаются, за счет чего снижается риск детонации и ограничивается выброс N0 . Особое внимание было уделено удалению остаточных отработавших газов из камеры сгорания по завершении рабочего цикла: цилиндр энергично продувается чистым воздухом, причем делается это без применения компрессора — такая же продувка реализована в турбированном двигателе Alfa Romeo 1750 TBi.

Все эти новинки сочетаются с традиционными особенностями японских двигателей, работающих по циклу Аткинсона: коленчатый вал смещен относительно центральной оси цилиндров, за счет чего снижаются напряжения, возникающие в шатуне под воздействием поршня, а поверхности цилиндров, подшипников и цепи привода газораспределительного механизма подвергнуты специальной обработке, снижающей трение.

Бензин сгорает быстрее

На схеме работающего по циклу Аткинсона мотора объемом 1,8 л мы проиллюстрировали технические решения, нашедшие воплощение в конструкции нового семейства двигателей Toyota, дебют которого намечен на 2015 год. Перед инженерами стоял целый ряд задач: увеличить скорость сгорания топлива, обеспечить управление потоками отработавших газов и поступающего в цилиндры воздуха, еще больше сократить потери на трение.

Ну и напоследок простая видео-иллюстрация по принципу работы двигателя Аткинсона:

Циклы Отто, Аткинсона/Миллера, Дизеля – теория и практическое применение

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.

Цикл Миллера

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 Q₀ – 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.

Цикл ОТТО. АТКИНСОНА. МИЛЛЕРА. Что это, какие есть различия в работе ДВС

Двигатель внутреннего сгорания очень далек от идеала, КПД бензинового варианта 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 …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

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.

Цикл 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).

Цикл АТКИНСОНА

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:

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 крутящий момент на низких оборотах
Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то (карбюратор или инжектор)

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.

Цикл МИЛЛЕРА

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).

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.

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.

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 фазовращателей). Так двигатель SKYACTIV, на низких оборотах работает по принципу МИЛЛЕРА, а на высоких по принципу ОТТО. В чистом виде МИЛЛЕР (однако, почему то он называется АТКИНСОН) работает на гибридах ТОЙОТА.

Сейчас видео версия смотрим

НА этом я заканчиваю, думаю было полезно и интересно. Рассказывайте своим друзьям (кидайте им ссылку на статью или видео), будет еще много интересных материалов. ИСКРЕННЕ ВАШ, АВТОБЛОГГЕР.

(24 голосов, средний: 4,21 из 5)

Как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя?

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же

Цикл и двигатели Аткинсона

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Теги: Технологии Аткинсон двигатель КПД Циклон

Предыдущая статья «Российский» перовскит. Искусственное освещение и рекордный КПД

Следующая статья Двигатель ПД-14 для китайского Comac С-919

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на иконку «Play» на иллюстрации)

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ).

Как устроен двигатель внутреннего сгорания?

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь. Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом

. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя

. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.
Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3
Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
Toyota Web site Prius specifications
Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2:
Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Цикл Аткинсона - Atkinson cycle

Двигатель с циклом Аткинсона - это тип двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности .

Вариант этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Первоначально использовавшиеся исключительно в гибридных электрических системах, таких как Toyota Prius более раннего поколения , более поздние гибриды и некоторые негибридные автомобили теперь оснащены двигателями с регулируемыми фазами газораспределения , которые могут работать по циклу Аткинсона в режиме неполной занятости, экономичность при работе в цикле Аткинсона и обычная удельная мощность при работе в качестве обычного двигателя по циклу Отто .

СОДЕРЖАНИЕ

Дизайн

Аткинсон произвел три различных конструкции с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения. Первый двигатель с циклом Аткинсона, дифференциальный двигатель , использовал оппозитные поршни. Второй и наиболее известной конструкцией был циклический двигатель , в котором использовался центральный рычаг для создания четырех тактов поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель имел потребление, сжатие, мощность и выхлопные удары в четырехтактном цикле в одном повороте коленчатого вала , и был разработан , чтобы избежать нарушений определенных патентов , охватывающих Отто цикла двигателей. Третий и последний двигатель Аткинсона, утилитарный двигатель , работал так же, как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что у двигателей ход расширения длиннее хода сжатия, и с помощью этого метода двигатель достигает большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель. Двигатели Аткинсона были произведены British Gas Engine Company, а также лицензированы для других зарубежных производителей.

Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционные фазы газораспределения, чтобы добиться эффекта более короткого хода сжатия / более длительного рабочего хода. Миллер применил эту технику к четырехтактному двигателю, поэтому его иногда называют циклом Аткинсона / Миллера, патент США 2817322 от 24 декабря 1957 года. В 1888 году Харон подал французский патент и представил двигатель на Парижской выставке 1889 года. Газовый двигатель Charon (четырехтактный) использовал цикл, аналогичный Миллеру, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона».

Рой Федден в Бристоле в 1928 году испытал конструкцию в двигателе Bristol Jupiter IV с регулируемой синхронизацией замедления, позволяющей части заряда возвращаться во впускной коллектор, чтобы обеспечить устойчивое снижение рабочего давления во время взлета.

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона.

Аткинсон "Дифференциальный двигатель"

Первая реализация цикла Аткинсона была в 1882 году; В отличие от более поздних версий, он был устроен как оппозитный поршневой двигатель , дифференциальный двигатель Аткинсона. В этом случае один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через шарнирно-рычажный механизм, который имел нелинейность; в течение половины оборота один поршень оставался почти неподвижным, в то время как другой приближался к нему и возвращался, а затем в течение следующего полуоборота упомянутый второй поршень был почти неподвижен, в то время как первый приближался и возвращался.

Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивает такт сжатия и рабочий ход, а затем другой поршень обеспечивает такт выпуска и ход нагнетания. Поскольку силовой поршень оставался втянутым во время выпуска и зарядки, было практично обеспечить выпуск и зарядку с помощью клапанов за отверстием, которое было закрыто во время такта сжатия и рабочего хода, и поэтому клапаны не должны были сопротивляться высокому давлению и могли быть более простого типа, используемого во многих паровых двигателях или даже в язычковых клапанах .

Читайте также: