Цикл Аткинсона на практике. Двигатель по циклу Аткинсона. Цикл аткинсона описание работы двс


Цикл Аткинсона: как это работает

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». Об одном из них и пойдет речь в этой статье.

История создания цикла Аткинсона

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.

Но инженеры продолжали работать над циклом сэра Джеймса. Американец Ральф Миллер в 1947 немного усовершенствовал цикл Аткинсона, упростив его. Это позволило применять двигатель в автомобилестроении. Казалось бы, правильнее называть цикл Аткинсона циклом Миллера. Но инженерное сообщество оставило за Аткинсоном право называть мотор по его имени по принципу первооткрывателя. К тому же, с применением новых технологий стало возможным применять более сложный Аткинсоновский цикл, поэтому от цикла Миллера со временем отказались. Например, в новых Тойотах стоит мотор Аткинсона, а не Миллера.

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.

Отличие от традиционных двигателей

Напомним, что цикл Аткинсона является четырехтактным (впуск, сжатие, расширение, выброс). Обычный четырехтактный двигатель работает по циклу Отто. Вкратце, напомним его работу. В начале рабочего хода в цилиндре поршень идет вверх, до верхней рабочей точки. Смесь из топлива и воздуха сгорает, газ расширяется, давление на максимуме. Под влиянием этого газа поршень едет вниз, приходит в нижнюю мертвую точку. Рабочий ход окончен, открывается выпускной клапан, через который выходит отработанный газ. В этом месте происходят потери выпуска, т.к. отработанный газ все же имеет остаточное давление, использовать которое невозможно.

Аткинсон уменьшил потерю выпуска. В его двигателе объем камеры сгорания меньше при прежнем рабочем объеме. Это значит, что степень сжатия выше, а ход поршня больше. К тому же, длительность такта сжатия по сравнению с рабочим ходом уменьшается, двигатель работает по циклу с увеличенной степенью расширения (степень сжатия ниже степени расширения). Эти условия позволили уменьшить потерю выпуска, используя энергию отработанных газов.

Вернемся к циклу Отто. При всасывании рабочей смеси дроссельная заслонка закрыта и создает сопротивление на впуске. Происходит это при неполном нажатии на педаль газа. Из-за закрытой заслонки двигатель тратит энергию впустую, создавая насосные потери.

Аткинсон поработал и с тактом впуска. Продлив его, сэр Джеймс добился уменьшения насосных потерь. Для этого поршень доходит до нижней мертвой точки, затем поднимается, оставляя впускной клапан открытым примерно до половины поршневого хода. Часть топливной смеси возвращается во впускной коллектор. В нем повышается давление, что дает возможность приоткрывать дроссельную заслонку на малых и средних оборотах.

Но в серию аткинсоновский мотор не выпускали по причине перебоев в работе. Дело в том, что, в отличие от ДВС, мотор работает только на повышенных оборотах. На холостом ходу он может заглохнуть. Но эта проблема решилась в производстве гибридов. На малых скоростях такие машины едут на электоротяге, а на бензиновый движок переходят только в случае разгона или при нагрузках. Подобная модель как убирает недостатки двигателя Аткинсона, так и подчеркивает его достоинства перед другими ДВС.

Преимущества и недостатки цикла Аткинсона

Двигатель Аткинсона имеет несколько преимуществ, выделяющих его перед остальными ДВС: 1. Снижение топливных потерь. Как говорилось ранее, благодаря изменению длительности тактов, стало возможным сохранять топливо, используя отработанные газы и снижая насосные потери. 2. Маленькая вероятность детонационного сгорания. Степень сжатия топлива уменьшается с 10 до 8. Это позволяет не повышать обороты мотора переключением на пониженную передачу в связи с увеличением нагрузки. Так же вероятность детонационного сгорания меньше из-за выхода тепла из камеры сгорания во впускной коллектор. 3. Маленький расход бензина. В новых гибридных моделях расход бензина равен 4 литра на 100 км. 4. Экономичность, экологичность, высокий КПД.

Но у двигателя Аткинсона есть один существенный недостаток, который не позволял применять его в массовом производстве машин. Из-за невысоких показателей мощности, на маленьких оборотах двигатель может заглохнуть. Поэтому двигатель Аткинсона очень хорошо прижился на гибридах.

Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении

Кстати, о машинах, на которые ставят аткинсоновские двигатели. В массовом выпуске эта модификация ДВС появилась не так давно. Как было сказано ранее, первыми пользователями цикла Аткинсона были японские фирмы Mazda и Toyota. 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.

Стоит сказать, что в автомобилестроении наблюдается мода на экологию. Поэтому 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. Поэтому с уверенностью можно сказать, что двигатель на основе цикла Аткинсона имеет продуктивное будущее и надежду на долгое существование.

Подписывайтесь на наши ленты в Facebook, Вконтакте и Instagram: все самые интересные автомобильные события в одном месте.

Была ли эта статья полезна?Да Нет

auto.today

Цикл Аткинсона: разбираемся в принципе действия

Цикл Аткинсона: разбираемся в принципе действия

Внимательно изучив двигатель внутреннего сгорания, работающий по циклу Отто, талантливый британский инженер Джеймс Аткинсон задумался над его усовершенствованием и еще в позапрошлом веке создал двигатель. который только в веке XXІ начали устанавливать на передовые автомобили.

История создания

Задуманные им изменения, должны были сделать двигатель экономичнее и повысить его КПД. Также Аткинсону надо было обойти некоторые патенты Отто. Так в 1882-м году появился двигатель внутреннего сгорания, работающий по циклу Аткинсона.

Патенты на двигатель внутреннего сгорания собственной конструкции были получены Аткинсоном в Европе и США в 1886-1887 годах. Как и многие другие изобретатели, Джеймс Аткинсон намного опередил свое время, его двигатель так и не приобрел широкую популярность при его жизни, про изобретение столетней давности вспомнили уже автомобильные инженеры конца 20-го века.

В наше время термин «цикл Аткинсона» используется для описания модифицированного двигателя, работающего по циклу Отто, в котором впускной клапан остается открытым дольше обычного, создавая обратный поток топливно-воздушной смеси во впускной коллектор. Американский патент Аткинсона (номер 367496) достаточно прост: приблизительно тысяча слов текста и несколько диаграмм. Мы же попробуем рассказать о цикле Аткинсона более понятным языком. Наиболее распространенный двигатель внутреннего сгорания – четырехтактный двигатель цикла Отто, в котором все четыре такта совершаются за два оборота коленчатого вала.

Принцип работы

В оригинальном двигателе Аткинсона изобретатель добавил несколько связей так, чтобы все четыре такта могли быть закончены за один оборот. Это само по себе повысило бы эффективность, но у Аткинсона была еще одна идея: если бы давление в цилиндре было понижено, и рабочий ход поршня был более длинным, чем ход впуска, то двигатель работал бы еще эффективнее. Такому двигателю потребовалось бы также меньше топлива.

Представьте себе цилиндр и поршень. На такте впуска поршень не двигается весь путь вниз по цилиндру. Впускной клапан, где воздух и топливо попадают в цилиндр, не позволяет всей смеси в него попасть. Меньшему количеству смеси требуется меньшее сжатие. Поршень перемещается назад на такте сжатия, и в верхней точке смесь воспламеняется. Сила посылает поршень обратно вниз по шахте цилиндра в рабочем такте, на этот раз до конца, чтобы воспользоваться всей мощностью, генерируемой при сгорании. Затем поршень движется назад, чтобы избавиться от выхлопных газов за такт выпуска.

Конечно, меньше топлива и меньшая сила сжатия означают меньше мощности. Даже при том, что поршню позволяют двигаться вниз на рабочем такте дальше, чем он это делает на такте впуска, это не позволяет производить столько энергии, сколько это делает двигатель с более высоким сжатием и более богатой газовой смесью.

Другая проблема этого двигателя состоит в том, что ему требуется много дополнительных частей, которые делают его сложным для сборки и дорогим. Конструкцию значительно усложнял и коленчатый вал особой формы, придуманной Аткинсоном.

Отличия от традиционных ДВС

Главное отличие двигателя Аткинсона от обычного четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания – изменение длительности тактов. В традиционном двигателе все такты (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) одинаковы по длительности. Аткинсон за счет изменения длины ходов поршней сделал первые два такта короче, а два следующих длиннее. То, что Аткинсону удалось достичь с помощью особого размещения коленчатого вала, в наше время можно сделать, применив изменяемые фазы газораспределения, это решение гораздо дешевле и проще. Поэтому в наше время двигатель Аткинсона внешне практически неотличим от обычного ДВС.

В оригинальном двигателе Аткинсона, впускные клапаны должны были закрываться рано, чтобы в цилиндр попало меньше воздушно-топливной смеси. В настоящее время впускной клапан удерживается открытым дольше обычного, так что, когда поршень движется вверх на такте сжатия, немного газо-воздушной смеси удаляется из цилиндра. Цель современного цикла Аткинсона состоит в том, чтобы давление в камере сгорания в конце рабочего хода было равным атмосферному давлению, это означает, что из процесса сгорания была получена вся доступная энергия. Преимущества и недостатки

За 20-й век для автомобильной промышленности были разработаны новые материалы и технологии. Облегченные поршни, кольца и пружины клапанов, например, уменьшили трение и общий вес автомобиля. Перемещение меньшего веса, в свою очередь, требует меньшей энергии. Но современная версия двигателя Аткинсона, как и его предшественник, по-прежнему проигрывает по мощности и крутящему моменту двигателям, работающим по циклу Отто.

Особенно эти недостатки проявляются на низких оборотах двигателя. Достоинства двигателя Аткинсона также не изменились. Топливно-воздушная смесь сгорает в нем с большим КПД, а расход топлива значительно ниже, чем у обычных ДВС. Так как выхлопные газы дольше остаются в цилиндре, двигатель прогревается быстрее и меньше загрязняет атмосферу. Это позволяет двигателям, работающим по циклу Аткинсона, укладываться в строгие экологические рамки.

Но есть случаи, когда недостатки двигателя, работающего по циклу Аткинсона не являются особенно критичными: гибридные автомобили. Когда в паре с двигателем, работающим по циклу Аткинсона, работает электрический двигатель, который может выдавать весь крутящий момент, начиная с 0 оборотов в минуту, они компенсируют недостатки друг друга. Проблема электродвигателя в том, что он переносит высокую скорость не так хорошо, как ДВС, решается включением ДВС при достижении определенной скорости. Когда у вас есть возможность такого комбинирования, вы можете спроектировать двигатель Аткинсона для объединения его с электродвигателем и достижения оптимальной эффективности всей силовой установки. Управлять обоими двигателями одновременно стало возможно благодаря развитию автомобильной электроники.

Можно не беспокоиться, что вы будете глотать пыль позади автомобилей с классическими ДВС, нажмите на педаль газа посильнее и на следующем светофоре вы окажетесь одновременно. А на АЗС намного позже. Именно в городе, при частом подключении электродвигателя, гибридные автомобили и показывают свои рекордные показатели расхода топлива.

Применение на автомобилях

В наше время большинство моделей гибридных автомобилей использует двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу Аткинсона, в паре с электродвигателями. Ford, Honda, Hyundai, Kia, Lexus, Mercedes, Toyota – вот далеко не полный список. Среди них можно найти автомобили на любой вкус: японские, европейские и американские; хэтчбеки, седаны и даже внедорожники. Однако символом гибридных автомобилей остается Toyota Prius, выпускающийся с 1997 года.

Самый первый серийный гибридомобиль, переживший уже несколько обновлений. Самый продаваемый гибрид в мире, преодолевший отметку в 4,8 миллиона экземпляров в сентябре 2014 (посчитаны все автомобили семейства). Обладатель звания Европейский автомобиль года 2005, обошедший Citroen C4 и Ford Focus со значительным перевесом: 406 голосов против 267 и 228 соответственно.

Вряд ли кто-то в 1887 году мог предсказать такое будущее изобретению британского инженера.

ukrautoportal.com

Цикл Аткинсона на практике. Двигатель по циклу Аткинсона

ДВС применяются на автомобилях уже целое столетие. В целом принцип работы их не претерпел серьезных изменений с начала выпуска. Но так как этот двигатель имеет большое количество недостатков, инженеры не перестают изобретать нововведения, чтобы усовершенствовать мотор. Обратимся к тому из них, которое называется цикл Аткинсона. Сегодня можно услышать, что в некоторых машинах он применяется. Но что он собой представляет и как двигатель становится с ним лучше?

Цикл Аткинсона

цикл аткинсона

Николаус Отто, инженер из Германии, предложил в 1876 году цикл, состоящий из:

  • впуска;
  • сжатия;
  • рабочего хода;
  • выпуска.

А десятилетие спустя английский изобретатель Джеймс Аткинсон развил его. Однако, разобравшись в деталях, можно назвать совершенно оригинальным видом цикл Аткинсона.

Двигатели внутреннего сгорания качественно отличаются. Ведь коленчатый вал имеет смещенные точки крепления, благодаря чему потеря энергии при трении сокращена, а степень сжатия увеличена.

работающий по циклу аткинсона

Также на нем присутствуют иные газораспределительные фазы. На обычном двигателе поршень закрывается сразу же после прохождения мертвой точки. Иную схему имеет цикл Аткинсона. Здесь такт существенно длиннее, так как клапан закрывается только на половине пути поршня к верхней мертвой точке (где по Отто уже происходит сжатие).

Теоретически цикл Аткинсона эффективнее Отто приблизительно на десять процентов. Однако долго его не применяли на практике из-за того, что он способен функционировать в рабочем режиме лишь при больших оборотах. Дополнительно необходим механический нагнетатель, с которым иногда называют все это «цикл Аткинсона-Миллера». Однако оказывалось, что с ним преимущества рассматриваемой разработки терялись.

двигатель по циклу аткинсона

Поэтому в легковых автомобилях такой цикл Аткинсона на практике почти не применялся. Но вот в гибридных моделях, наподобие Toyota Prius, производители стали использовать его даже серийно. Это стало возможным благодаря специфической работе этих видов движков: на небольшой скорости автомобиль передвигается за счет электрической тяги и лишь при разгоне переходит на бензиновый агрегат.

Газораспределение

Первый двигатель по циклу Аткинсона имел громоздкий газораспределительный механизм, издающий большой шум. Но когда благодаря открытию американца Чарльза Найта вместо привычных клапанов с приводом стали использовать специальные золотники в форме пары гильз, которые устроили между цилиндром и поршнем, мотор почти перестал шуметь. Однако сложность используемой конструкции обходилась совсем недешево, но в престижных марках машин автовладельцы были готовы платить за такое удобство.

Тем не менее уже в тридцатых годах от такого усовершенствования отказались, потому что двигатели были недолговечными, а расход бензина и масла являлся слишком большим.

Разработки двигателей в этом направлении известны и сегодня — может быть, инженерам удастся избавиться от недостатков модели Чарльза Найта и воспользоваться преимуществами.

Универсальная модель будущего

В настоящее время многими производителями ведутся разработки универсальных двигателей, где будут совмещены и мощность бензиновых агрегатов, и отличная тяга и экономичность дизелей.

В этом отношении уже то, что бензиновые агрегаты, имеющие непосредственный впрыск топлива, достигли высокого показателя сжатия порядка тринадцати-четырнадцати единиц (у дизельных моторов этот уровень является немногим больше семнадцати-девятнадцати), доказывает успешные шаги в этом направлении. Они даже работают так же, как и агрегаты с воспламенением от сжатия. Только рабочая смесь должна искусственно поджигаться свечой.

В экспериментальных моделях сжатие доходит еще выше - до пятнадцати-шестнадцати единиц. Но до самовоспламенения пока уровень не дотягивается. Зато свеча отключается при равномерном движении, благодаря чему двигатель переходит на режим, подобный дизелю, и потребляет мало топлива.

Сгорание регулируется электроникой, вносящей коррективы в зависимости от внешних обстоятельств.

Разработчики уверяют, что такой двигатель является очень экономичным. Однако для серийного производства исследований проводилось недостаточно.

Переменная степень сжатия

Показатель является очень важным. Ведь мощность, коэффициент полезного действия и экономичность напрямую зависят от высокой степени сжатия. Естественно, повышать бесконечно ее нельзя. Поэтому с некоторых пор развитие остановилось. В противном случае появлялся риск детонации, которая могла привести к порче двигателя.

Особенно сильно этот показатель отражается на моторах с наддувом. Ведь нагреваются они сильнее, а поэтому и процент вероятности срабатывания детонации здесь существенно выше. Поэтому степень сжатия иногда приходится снижать, из-за чего, естественно, и падает эффективность мотора.

В идеале степень сжатия должна меняться плавно в зависимости от рабочего режима и нагрузки. Разработок было очень много, но все они слишком сложные и дорогостоящие.

Легендарный Saab

цикл аткинсона миллера

Лучших результатов удалось достигнуть компании Saab, когда она в 2000 году выпустила пятицилиндровый мотор, который при 1,6 литрах объема выдавал порядка двухсот двадцати пяти лошадей. Это достижение и сегодня кажется невероятным.

Двигатель разделен надвое, где части соединены друг с другом шарнирным способом. Снизу расположен коленчатый вал, шатуны и поршни, а наверху - цилиндры с головками. Гидропривод способен наклонять моноблок с цилиндрами и головками, изменяя степень сжатия при включении приводного компрессора. Несмотря на всю эффективность, разработки также пришлось отложить из-за дороговизны конструкции.

цикл аткинсона на практике

Проще и доступнее

Таким образом, можно заключить, что двигатель, работающий по циклу Аткинсона, сыграл значительную роль на пути усовершенствования механизма мотора в будущем. Представляется, что совершенствования, основываясь одно на другом, приведут ДВС, наконец, к оптимальному режиму работы.

fb.ru

Двигатель Аткинсона, принцип работы, конструкция

двигатель Аткинсона

Двигатель Аткинсона - это по существу двигатель, работающий по циклу Отто, но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. В 1886 Двигатель был предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для конкурирования с двигателем Отто, но не посягая ни на один из его патентов.

 

двигатель Аткинсона

Особенность конструкция рычагов двигателя Аткинсона позволяет совершать все четыре хода поршня всего за один поворот коленчатого вала. Также данная конструкция делает ходы поршня разной длинны: ход поршня во время впуска и выпуска длинне, чем во время сжатия и расширения. Стоит заметить, что аннимированная иллюстрация показывает не оригинальный двигатель, поскольку в оригинальном двигателе Аткинсона ход поршня во время расширения был сделан длиннее чем во время впуска.

Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулочки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу. Это в свою очередь устраняет потребность отдельной установки распедилительного вала.

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.

Toyota Prius

Toyota PriusБензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на обычном супер-бензине (АИ-95).Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

ingenerov.net

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 …

Цикл АТКИНСОНА. ОТТО. МИЛЛЕРА

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

По сути это обычный тепловой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечу) который применяется сейчас в 60 — 65% автомобилей. ДА – да, именно тот, который у вас стоит под капотом, работает по циклу ОТТО.

Однако если копнуть в историю, первым принцип такого ДВС предложил в 1862 году французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Но это был теоритический принцип работы. ОТТО же в 1878 году (спустя 16 лет) воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал эту технологию

По сути это четырехтактный мотор, которому свойственны:

  • Впуск. Подача свежей воздушнотопливной смеси. Открывается впускной клапан.
  • Сжатие. Поршень идет вверх, сжимая эту смесь. Оба клапана закрыты
  • Рабочий ход. Свеча поджигает сжатую смесь, загоревшиеся газы толкают поршень вниз
  • Отвод отработанных газов. Поршень идет вверх, выталкивая сгоревшие газы. Открывается выпускной клапан

Цикл ОТТО

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:

Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск) – происходили за одно вращение коленчатого вала (у ОТТО вращений — два). Благодаря сложной системе рычагов, которые крепились рядом с «коленвалом».

Цикл АТКИНСОНА

В этой конструкции получилось реализовать определенные соотношения длин рычагов. Если сказать простыми словами —  ход поршня на такте впуска и выпуска БОЛЬШЕ, чем ход поршня в также сжатия и рабочего хода.

Что это дает? ДА то, что можно «играться» степенью сжатия (меняя ее), за счет соотношения длин рычагов, а не за счет «дросселирования» впуска! Из этого выводится преимущество цикла АКТИНСОНА, по насосным потерям

Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.

Двигатель АТКИНСОНА - работа

Однако отрицательных моментов также было много:

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).

Цикл МИЛЛЕРА

Простыми словами  — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.

Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.

Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.

На современных моторах

Так в чем же разница?

Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:

ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей

АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.

ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.

МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой

В чистом виде сейчас практически не применяется.

МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.

Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.

ПЛЮСЫ  — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.

МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).

Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи 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.

avto-blogger.ru

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:

uacar.net

Разберемся в циклах работы двигателя

Аткинсон, Миллер, Отто и другие в нашем небольшом техническом экскурсе.

Для начала разберемся что такое цикл работы двигателя. ДВС – это объект, который превращает давление от сгорания топлива в механическую энергию, а так как он работает с теплом, то он является тепловой машиной. Так вот, цикл для тепловой машины – это круговой процесс, в котором совпадают начальные и конечные параметры, которые определяют состояние рабочего тела (в нашем случае это цилиндр с поршнем). Такими параметрами являются давление, объем, температура и энтропия.

Именно эти параметры и их изменение задают то, как будет работать двигатель, а другими словами – каким будет его цикл. Поэтому, если у вас есть желание и познания в термодинамике, можете создать свой цикл работы тепловой машины. Главное потом заставить работать ваш двигатель, чтоб доказать право на существование.

Цикл Отто

Начнем мы с самого главного цикла работы, который используют практически все ДВС в наше время. Назван он в честь Николауса Августа Отто, немецкого изобретателя. Первоначально Отто использовал наработки бельгийца Жана Ленуара. Немного понимания первоначальной конструкции даст эта модель двигателя Ленуара.

Так как Ленуар и Отто не были знакомы с электротехникой, то воспламенение в их прототипах создавалось открытым пламенем, которое через трубку зажигало смесь внутри цилиндра. Главное отличие двигателя Отто от двигателя Ленуара было в размещении цилиндра вертикально, что натолкнуло Отто на использование энергии отработанных газов для поднятия поршня после рабочего хода. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления. И после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Именно полнота использования энергии позволила поднять КПД до умопомрачительных на то время 15%, что превышало эффективность даже паровых машин. Кроме того, такая конструкция позволила использовать в пять раз меньше топлива, что потом привело к тотальному доминированию подобной конструкции на рынке.

Но главная заслуга Отто – изобретение четырехтактного процесса работы ДВС. Это изобретение было сделано в 1877 году и тогда же было запатентовано. Но французские промышленники покопались в своих архивах и нашли, что идею четырехтактной работы за несколько лет до патента Отто описал француз Бо де Рош. Это позволило снизить патентные выплаты и заняться разработкой собственных моторов. Но благодаря опыту, двигатели Отто были на голову лучше конкурентов. И к 1897 году их было сделано 42 тысячи штук.

Но что, собственно говоря, такое цикл Отто? Это знакомые нам со школьной скамьи четыре такта ДВС – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы занимают равное количество времени, а тепловые характеристики мотора показаны на следующем графике:

Otto-Prozess

Где 1-2 – это сжатие, 2-3 – рабочий ход, 3-4 – выпуск, 4-1 – впуск. КПД такого двигателя зависит от степени сжатия и показателя адиабаты:

ba3799e99831b1b6b60d514f982fa09a, где n – степень сжатия, k – показатель адиабаты, или отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме.

Другими словами – это количество энергии, которую нужно потратить, чтобы вернуть газ внутри цилиндра к прежнему состоянию.

Цикл Аткинсона

Был изобретен в 1882 году Джеймсом Аткинсоном, британским инженером. Цикл Аткинсона повышает эффективность работы цикла Отто, но уменьшает выделяемую мощность. Основное отличие – разное время выполнения разных тактов работы мотора.

Atkinson_Engine_with_Intake

 

Особенная конструкция рычагов двигателя Аткинсона позволяет совершать все четыре хода поршня всего за один поворот коленчатого вала. Также данная конструкция делает ходы поршня разной длинны: ход поршня во время впуска и выпуска длиннее, чем во время сжатия и расширения.

Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулачки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу. Это устраняет потребность отдельной установки распределительного вала. К тому же нет необходимости устанавливать редуктор, так как коленчатый вал крутится с вдвое меньшей скоростью. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики, но в конце ХХ века он стал более популярным, так как начал применяться на гибридах.

Так что, в дорогих Lexus стоят такие странные агрегаты? Отнюдь нет, цикл Аткинсона в чистом виде никто и не собирался реализовывать, но модифицировать обычный моторы под него – вполне реально. Поэтому не будем долго разглагольствовать об Аткинсоне и перейдем к циклу, который его воплотил в реальность.

Цикл Миллера

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым двигателем Отто. Вместо того, чтобы сделать механически такт сжатия более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска, либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у мотористов носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).

Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее. Также одним из плюсов цикла Миллера является возможность более широкой вариации времени зажигания без риска детонации, что дает более широкие возможности для инженеров.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся, вместе с размерами двигателя, механические потери (трение, вибрации и т. д.).

Цикл Дизеля

Diesel's_Engine

И напоследок стоит хотя бы кратко вспомнить о цикле Дизеля. Рудольф Дизель изначально хотел создать двигатель, который бы максимально приблизился к циклу Карно, в котором КПД определяется лишь разностью температур рабочего тела. Но так как охлаждать двигатель до абсолютного ноля – не круто, Дизель пошел другим путем. Он увеличил максимальную температуру, для чего начал сжимать топливо до запредельных на то время значений. Мотор у него получился с действительно высоким КПД, но работал изначально на керосине. Первые прототипы Рудольф построил в 1893 году, и только к началу ХХ столетия перешел на другие виды топлива, в том числе и дизельное.

Система Orphus

veddro.com