Цикл Аткинсона, что это ?
Начнем с азов. Практически все современные бензиновые двигатели работают по, так называемому, «циклу Отто». Он включает в себя четыре фазы, или такта работы — впуск, сжатием, рабочий ход, выпуск. Разработчиком его считается немецкий изобретатель Николаус Август Отто (Nicolaus August Otto).
Цикл Аткинсона, является одним из вариантов модернизации цикла Отто, которую, еще в конце девятнадцатого века предложил английский инженер Джеймс Аткинсон. В то время, двигатель Аткинсона не смог найти применения, из-за сложной конфигурации кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, несмотря на лучшую экономично и высокую эффективность, мотор с такой схемой практически не тянул на низких оборотах.
Появление же гибридных машин, таких как Toyota Prius вдохнула вторую жизнь в почти забытую схему. На малых оборотах, электромотор Приуса компенсирует недостаток мощности бензинового двигателя. А при средних и высоких оборотах мотора, цикл Аткинсона реализует свои лучшие качества.
Отличие цикла Аткинсона от общепринятого цикла Отто в том, что благодаря измененной конструкции шатунов, он проходит все четыре фазы работы за один оборот коленчатого вала. При этом, ходы поршня при тактах впуска и выпуска длиннее, чем при тактах сжатия и рабочего хода. Интересной особенностью конструкции, является отсутствие распределительного вала. Кулачки системы газораспределения расположены прямо на коленвале.
На этом видео, хорошо видно, как все это происходит —
В гибридной установке Toyota Prius установлен, строго говоря, двигатель, работающий не совсем по циклу Аткинсона, Используется его вариант, упрощенный на основании исследований американского инженера Ральфа Миллера. Такой мотор имеет более технологичную конструкцию и под управлением компьютера позволяет добиться высокой экономичности и большего КПД.
Существует ли существенная разница в рабочих циклах ДВС (Отто, Аткинсон, Миллер)?
Двигатель внутреннего сгорания является сердцем автомобиля. Первый ДВС, имеющий близкую конструкцию к представлению о современном автомобильном двигателе, был построен в 1860 году и его рабочая мощность была всего 11,97 л. с. или 8.8 кВт. Первый же двигатель, который был установлен на мотоцикл (а после и на авто), создали немецкие инженеры Г. Даймлер и В. Майбах. Первым обладателем этого движка стал мотоцикл Даймлера.
С тех пор ДВС были неоднократно модифицировались, за исключением только их базовой идеи. Современная индустрия машиностроения пытается усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания путем повышения коэффициента полезного действия. Даже сейчас часть топлива тратится впустую. При этом, важно сохранить высокую производительность.
Следовательно, существует 15 различных циклов работы двигателя. Комбинируя различные конструкции и принципы работы устройств, инженеры пытаются создать ДВС близкий к идеалу. Так или иначе, наиболее распространены три цикла работы мотора, они хорошо известны как: цикл Отто, цикл Миллера, цикл Аткинсона.
Двигатель работающий по циклу Отто, установлен более чем на половине автомобилей. После него, идут дизельные моторы. Принцип функционирования этого ДВС построен в 4 такта, которые прекрасно известным всем водителям, а именно: впуск/сжатие/рабочий ход/выпуск отработанных газов.
Двигатель, работающий по циклу Aткинсона оказался эффективным за счет более сложной конструкции. Однако это наградило его большими габаритными, низким крутящим моментом (что особенно заметно на малых оборотах) и вызвало проблемы в работе дросселя. Моторы Аткинсона были незначительно изменены и применяются на гибридных авто, однако все еще являются единичным случаем, то есть не имеют широкого распространения.
Двигатель Миллера — это попытка совместить достоинства двух предыдущих циклов работы. При этом при конструировании был сделан упор на такт сжатия за счет такта впуска. В данном случае, КПД двигателя вырос и, следовательно, снизился расход топлива, сохранена конструкция двигателя Отто, двигатель довольно тихий. Но главный минус — это низкая мощность, что особенно заметно на высоких оборотах. ДВС современных авто прекрасно работают по циклу Миллера, так же применим на гибридных автомобилях компании Toyota. SKYACTIV отличный пример движка работающего по принципу Миллера только на низких оборотах, а уже на высоких оборотах по циклу Отто.
При покупке автомобиля, цикл работы двигателя не играет существенной роли. Скорее всего вы купите, или уже обладаете авто, двигатель которого работает в цикле Отто. От него отталкивались многие инженеры и в последующем. Если у вас авто-гибрид, то работает мотор по принципу Миллера. Тут не стоит брать во внимание дизельной ДВС, который имеет свои уникальные особенности.
Цикл Отто, Аткинсона/Миллера … SKYACTIVE и SOHC i-VTEC
Привычный двигатель ДВС работает по Циклу Отто. Выделяется 4 такта: впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Аткинсон взял за основу циклы Отто, но оптимизировал их, фактически он удлинил такт рабочего хода, за счет сложного кривошипно-шатунного механизма. Все 4 такта происходили за один оборот коленчатого вала. Такие двигатели получились эффективными с высоким КПД, с маленьким расходом. Но основной недостаток был низкий крутящий момент на низких оборотах и такой двигатель плохо регулируется дросельной заслонкой (двигатели с таким приципом действия получили широкое распространение среди гибридных, т.к. электромотор обеспечивал высокий крутящий момент и компенсировал с лихвой все недостатки, но двигатель Аткинсона применялся не в чистом виде, а только его идея).
Позже на основе двигателя Аткинсона появился двигатель с циклами Миллера. Фактически идея та же самая, но все это реализовано на классическом поршневом двигателе с обычным КШМ (который применяется и при цикле Отто) за счет системы Фаз газораспределения.
Впускной клапан закрывается позже окончания такта впуска. Данный подход у двигателистов носит условное название «укороченного сжатия». В конечном счете данный подход дает 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 (она частично выталкивается во впускной коллектор). Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра.
Данный принцип впервые применила компания Мазда на Автомбилях Хедокс 9 и Миления. Что бы при всей своей эффективность не потерять мощность, двигатель использовался не в атмосферном варианте, а с механическим нагнетателем.
В 2012 году Мазда вывела в свет новую технологию СкайАктив. По фату это комплексный подход к автомобилю строению: Двигатель, трансмиссия, ходовая и Кузов.
В частности что касается двигателей, то двигатели для более высокой эффективности стали работать с запредельной степенью сжатия (13:1, 14:1). Чтобы избежать детонации при обычном 95 бензине, инженера предприняли ряда мер: это ионные датчики в катушках зажигания, непосредственный впрыск с давлением 200бар, спортивный выпускной коллектор 4-2-1. Двигатель стал работать по двум цикламм: на низких нагрузках по циклу Аткинсона (фактически Миллера), в котором фактическая степень сжатия ниже геометрической и более эффективное КПД (считай расход и теплонагруженность), и цикл Отто на средних и высоких нагрузках, где фактическая степень сжатия равна геометрической и довольно высокая относительно всего автопрома. Достигается данный эффект за счет системы изменения фаз газораспределения (в Мазде применяется гидравлический фазовращатели на выпуске и элетронные на впуске)
Но существует и другой пример, который я до конца не уверен по какому циклу работает www.drive2.ru/l/7543335/. Но всего скорее речь идет о том же цикле Миллера. Это Хондовский мотор серии R18, R20 SOHC i-VTEC.
Фактически на низких оборотах в данных двигателях клапан после впуска какое то время остается открытым (за счет системы i-VTEC), топливно воздушная смесь полностью заполняет цилиндр и частично выдавливается обратно. Всё это дело происходит при полностью открытой дросельной заслонке, за счет чего минимизируются насосные потери. Фактически впуском полностью управляет система SOHC i-VTEC через электронную педаль акселератора. Получается КПД двигателя на низких оборотах очень высокое, двигатель работает максимально эффективно. Прироста момента на низах как такого нет, но за счет снижения топливных и насосных потерь и равномерного заполнения камеры сгорания двигатель на низких оборотах работает ровно и легко, при этом очень экономично. После того как двигатель выходит из зоны Втэка, а это выше 3500 об/мин он работает в обычном режимме Отто, с фактической и геометрической стандартной степенью сжатия. Она не такая высокая как в моторах СкайАктив, соответсвенно значение мощности и момента (КПД в целом) на высоких оборотах меньше чем в моторах СкайАктив (речь идет не о пиковых значениях).
Цикл Аткинсона: как это работает
0 23 Июня 2015
Цикл Аткинсона: как это работает
- Цикл Аткинсона: как это работает
- История создания цикла Аткинсона
- Принцип работы цикла Аткинсона
- Отличие от традиционных двигателей
- Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
- Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
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
- Принцип работы цикла Аткинсона
- Отличие от традиционных двигателей
- Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
- Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
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 таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.