Что такое Цикл Миллера и как он работает?
Mark
DD — Dрифтер в DУше
- #1
На момент написания этого материала новый рабочий цикл двигателей, работающих по принципу цикла Миллера, применяется на двигателях 1.5 TSI (DACA) семейства EA211 EVO и на двигателях 2.0 TSI BZ семейства EA888 gen3B. Отличительно особенностью этих двигателей, в момент знакомства с их ТТХ, является очень высокая для бензиновых турбированных двигателей степень сжатия: 12,5:1 на 1.5 TSI и 11,65:1 на 2.0 TSI BZ.
Особенность цикла Миллера заключается в смещении момента открытия/закрытия клапанов: таким образом впускные клапаны (в зависимости от запрограммированных параметров) закрываются ещё задолго до достижения поршнем нижней мёртвой точки (НМТ), это позволяет создать процесс расширения топливо-воздушной смеси, и к тому моменту, как поршень достигает нижней мёртвой точки, закрытая смесь уже достаточно расширяется и от этого остывает.
Так же на впускном валу расположен фазовращатель, который может изменять момент закрытия впускных клапанов и тем самым менять степень расширения смеси на этапе впуска. Подробнее это отображено на схеме ниже:
Таким образом можно отметить следующие преимущества цикла Миллера в сравнении с обычными рабочими циклами:
- За счёт более холодной смеси снижается конечная температура цикла сжатия, а с ней и склонность к детонации. Степень сжатия можно повысить до 12,5:1, что приводит к увеличению термического КПД и более эффективному сгоранию топлива;
- Времени на впуск в цилиндр необходимой массы воздуха стало меньше, поэтому в режиме частичной нагрузки дроссельная заслонка открывается шире, улучшая газообмен в цилиндрах;
- Увеличение рабочего объёма уменьшает работу сжатия;
- Благодаря более холодной смеси сокращается детонационное сгорание в режиме полной нагрузки, что позволяет двигателю работать со значением лямбда 1 в широком диапазоне крутящего момента / нагрузки.
| Двигатель 1,5 TSI DACA (96 кВт, 130 л.с.) | Двигатель 1,5 TSI DADA (110 кВт, 150 л.с.) |
|---|---|---|
Фаза открытия впускных/выпускных клапанов | 150° / 180° | 194° / 180° |
Ход впускных/выпускных клапанов | 7,2 мм / 9,0 мм | 9,0мм / 9,0мм |
Регулирование фаз газораспределения впускных клапанов | 70° поворота коленвала | 70° поворота коленвала |
Регулирование фаз газораспределения выпускных клапанов | 40° поворота коленвала | 40° поворота коленвала |
Правда при всех плюсах нового цикла возникают и дополнительные требования к навесному оборудованию двигателя.
ex 2013 Skoda Octavia A5 ambition 1.6 MPI (BSE) 102 л.с. АКПП-6 09G
ex 2017 Skoda Yeti 5L style outdoor 1.8 TSI (CDAB) 152 л.с. DSG-6 0D9 4×4
ex 2005 Skoda Fabia 6Y 1.2 HTP (BME) 64 л.с. Rally Green
2008 Volkswagen Passat B6 1.8 TSI (BZB) 160 л.с. МКПП -> 4×4 SchnapsWagen
Oileater
Новичок
- #2
Специально зарегистрировался, что бы спросить.
Я вроде понял, что цикл миллера уменьшают объём подаваемой смеси в цилиндр, закрывая клапан до того как поршень дошёл до нижнего положения, либо закрывая после того как поршень пошёл назад. Получается при объёме двигателя в 1.5 литра, объём подаваемой смеси такой же, как давали бы двигателю 1.0 без цикла миллера. Но 1.5 с циклом миллера экономичнее, т.к. ход поршня в 1,5 раза больше, чем у литрового.
При этом на TFSI моторах установлена турбина, смысл которой — нагнать побольше смеси в мотор (больше в плане веса, при одинаковом объёме по сравнению с нетурбированным двигателем).
Получается что в двигателях TFSI с одной стороны турбина старается побольше закинуть смеси, с другой стороны клапана закрываются раньше (или позже), уменьшая итоговый вес смеси в цилиндре. Так?
Кажется, я что-то плохо понял.
Mark
DD — Dрифтер в DУше
Приветствую, вы всё почти правильно поняли. На моторах с циклом Миллера турбина дует столько же давления, сколько и на аналогичном двигателе без подобного цикла, но впускной клапан закрывается чуть раньше, чем поршень доходит до нижней мёртвой точки в время такта впуска.Oileater написал(а):
Спасибо за статью.
Специально зарегистрировался, что бы спросить.Я вроде понял, что цикл миллера уменьшают объём подаваемой смеси в цилиндр, закрывая клапан до того как поршень дошёл до нижнего положения, либо закрывая после того как поршень пошёл назад. Получается при объёме двигателя в 1.5 литра, объём подаваемой смеси такой же, как давали бы двигателю 1.0 без цикла миллера. Но 1.5 с циклом миллера экономичнее, т.к. ход поршня в 1,5 раза больше, чем у литрового.
Правильно понял?При этом на TFSI моторах установлена турбина, смысл которой — нагнать побольше смеси в мотор (больше в плане веса, при одинаковом объёме по сравнению с нетурбированным двигателем).
Получается что в двигателях TFSI с одной стороны турбина старается побольше закинуть смеси, с другой стороны клапана закрываются раньше (или позже), уменьшая итоговый вес смеси в цилиндре. Так?
Кажется, я что-то плохо понял.Нажмите для раскрытия…
Таким образом движение поршня вниз с закрытым впускным клапаном расширяет наддутый воздух, тем самым охладив его, что крайне полезно для предотвращения детонации. После того как воздух был охлаждён путём расширения, поршень его сжимает со степенью 12.5:1 вместо 10.5:1 на аналогичном моторе без цикла Миллера, тем самым компенсируя то дополнительное расширение перед тактом сжатия. В результате более холодная смесь горит с лучшей эффективностью и меньшим расходом топлива, соответственно.
ex 2013 Skoda Octavia A5 ambition 1.6 MPI (BSE) 102 л.с. АКПП-6 09G
ex 2017 Skoda Yeti 5L style outdoor 1.8 TSI (CDAB) 152 л.с. DSG-6 0D9 4×4
ex 2005 Skoda Fabia 6Y 1.2 HTP (BME) 64 л.с. Rally Green
2008 Volkswagen Passat B6 1.8 TSI (BZB) 160 л.с. МКПП -> 4×4 SchnapsWagen
2020 Skoda Karoq NU First Edition 1.4 TSI (CZEA) 150 л.с. DSG-6 0D9 4×4
Цикл Миллера | это… Что такое Цикл Миллера?
| Термодинамические циклы |
|---|
Статья является частью серии «Термодинамика». |
| Цикл Аткинсона |
| Цикл Брайтона/Джоуля |
| Цикл Гирна |
| Цикл Дизеля |
| Цикл Калины |
| Цикл Карно |
| Цикл Ленуара |
| Цикл Миллера |
| Цикл Отто |
| Цикл Ренкина |
| Цикл Стирлинга |
| Цикл Тринклера |
| Цикл Хамфри |
| Цикл Эрикссона |
| Разделы термодинамики |
| Начала термодинамики |
| Уравнение состояния |
| Термодинамические величины |
| Термодинамические потенциалы |
| Термодинамические циклы |
| Фазовые переходы |
| править |
| См. также «Физический портал» |
Цикл Миллера — термодинамический цикл используемый в четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания.
Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто.
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов 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).
Рассмотрим более подробно второй подход Миллера — поскольку он несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «Miller Cycle» (такой мотор V6 объемом 2.3 литра с механическим нагнетателем довольно давно устанавливается на автомобиль Mazda Xedos-9, а недавно новейший «атмосферный» мотор I4 такого типа объемом 1.3 литра получила модель Mazda-2).
В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливо-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия. Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре.
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.
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.).
Именно поэтому инженеры Mazda построили свой первый серийный мотор с циклом Миллера не атмосферным. Когда они присоединили к двигателю нагнетатель типа Lysholm, им удалось восстановить высокую удельную мощность, почти не теряя эффективности, обеспечиваемой циклом Миллера. Именно это решение обусловило привлекательность мотора Mazda V6 «Miller Cycle», устанавливаемого на Mazda Xedos-9 (Millenia или Eunos-800). Ведь при рабочем объеме 2.3 л он выдает мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что равноценно характеристикам обычных 3-литровых атмосферных моторов, и в то же время расход топлива для такого мощного мотора на большой машине очень низкий — на трассе 6.3 л/100 км, в городе — 11.8 л/100 км, что соответствует показателям гораздо менее мощных 1.8-литровых двигателей.
Дальнейшее развитие технологий позволило инженерам Mazda построить двигатель Miller Cycle с приемлемыми характеристиками удельной мощности уже без использования нагнетателей — новая система последовательного изменения времени открытия клапанов Sequential Valve Timing System, динамически управляя фазами впуска и выпуска, позволяет частично компенсировать свойственное циклу Миллера падение максимальной мощности.
Новый мотор будет выпускаться рядным 4-цилиндровым, объемом 1.3 литра, в двух вариантах: мощностью 74 лошадиные силы (118 Нм крутящего момента) и 83 лошадиные силы (121 Нм). При этом расход топлива у этих двигателей снизился по сравнению с обычным мотором такой же мощности на 20 процентов — до четырех с небольшим литров на сто километров пробега. Кроме того, токсичность мотора с «циклом Миллера» на 75 процентов ниже современных экологических требований.
Двигатели с циклом МиллераДвигатели с циклом Миллера
Ханну Яаскеляйнен
Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.
Abstract : Циклы двигателя, в которых эффективная степень сжатия меньше, чем эффективная степень расширения, называются циклами перерасширения. Цикл Миллера представляет собой чрезмерно расширенный цикл, реализуемый либо с ранним (EIVC), либо с поздним (LIVC) закрытием впускного клапана.
Цикл Миллера реализован как в дизельных двигателях, так и в двигателях с искровым зажиганием. В дизелях цикл Миллера использовался в первую очередь для контроля выбросов NOx при высокой нагрузке двигателя. В двигателях с искровым зажиганием преимущества цикла Миллера включают снижение насосных потерь при частичной нагрузке и повышение эффективности, а также уменьшение детонации.
- Циклы Миллера и Аткинсона
- Коммерческие приложения
- Представление идеального цикла
- Ранний и поздний IVC
- Дизельные двигатели
- Применение в двигателях с искровым зажиганием
Циклы Миллера и Аткинсона
Циклы двигателя, в которых эффективная степень сжатия меньше, чем эффективная степень расширения (см. обсуждение степени сжатия в разделе «Основы двигателя»).0031 ) можно назвать сверхрасширенными циклами. В современной практике перерасширенные циклы реализуются либо с ранним (EIVC), либо с поздним (LIVC) закрытием впускного клапана.
Основным эффектом EIVC и LIVC является снижение температуры в конце такта сжатия. Более низкая температура позволяет использовать более высокие геометрические коэффициенты сжатия, которые обеспечивают более длительный коэффициент расширения и повышение эффективности.
Чрезмерно расширенные циклы обычно называют циклами Миллера или Аткинсона; имея в виду изобретателей Ральфа Миллера и Джеймса Аткинсона. Использование этих терминов в литературе непоследовательно.
Ральф Миллер придумал , а не идею использования фаз газораспределения для управления эффективной степенью сжатия. Об этом свидетельствует тот факт, что он обсуждался в отчете 1927 года как вариант ограничения детонации в авиационных двигателях при использовании низкооктановых топлив [3522] .
Миллера в первую очередь интересовало использование момента закрытия впускного клапана для ограничения температуры ВМТ. В двух своих патентах он описал механизмы изменения фаз газораспределения впускных клапанов, которые позволяли изменять IVC в зависимости от нагрузки двигателя, чтобы контролировать температуру в цилиндрах в конце такта сжатия.
Он заявлял о своих идеях без наддува и с наддувом дизель и искровое зажигание [1938] [1939] . Мотивацией Миллера было увеличение удельной мощности. В патенте 1954 года температура в конце сжатия должна была снижаться по мере увеличения нагрузки, чтобы двигатель мог сжигать больше топлива при полной нагрузке, оставаясь в пределах свойств материала. Он был специально предназначен для двигателей с наддувом / промежуточным охлаждением. Патент 1956 года был нацелен специально на двигатели SI и был предназначен для предотвращения преждевременного зажигания и обеспечения более богатого соотношения топливо/воздух при полной нагрузке при сохранении высокой геометрической степени сжатия.
Патент США 2 670 595 | 2 марта 1954 г.
Хотя Миллер упоминает как раннее, так и позднее закрытие впускного клапана, он, похоже, предпочитал закрывать впускной клапан раньше, когда объем цилиндра все еще увеличивался, потому что дополнительное расширение после закрытия впускного клапана могло еще больше охладить впускной заряд.
Он называл это «внутренним охлаждением» 9.0042 [3520] . Рисунок 1 иллюстрирует стратегию EIVC Миллера для форсированного дизельного двигателя из патента 1954 года. Обратите внимание, что изменение момента закрытия впускного клапана требовалось между 50-100% нагрузки. Современные подходы к проектированию двигателей, называемые использованием цикла Миллера, обычно форсированы и включают как раннее [1912] , так и позднее закрытие впускного клапана [1919] .
Иногда двигатели с поздним закрытием впускных клапанов называют двигателями цикла Аткинсона . Некоторые предпочитают ограничиваться ссылкой на двигатели, работающие по циклу Аткинсона, как на безнаддувные двигатели с поздним закрытием впускного клапана. Однако оригинальные патенты Джеймса Аткинсона относятся не к моменту закрытия клапана, а к двигателю, в котором один цикл двигателя завершается за один оборот коленчатого вала, и с механизмом коленчатого вала, который допускал более высокую степень расширения, чем степень сжатия.
Управление моментом закрытия впускного клапана для достижения этого эффекта не упоминается [1915] [1916] .
В то время как Аткинсон заслуживает похвалы за то, что он, возможно, первым осознал преимущества различных степеней сжатия и расширения, Миллеру следует отдать должное за разработку рецепта достижения ряда целей, который остается актуальным даже для современных двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, было бы оправданно ссылаться на проявления чрезмерно расширенных циклов, которые зависят от переменного момента закрытия впускного клапана для их реализации в качестве двигателей с циклом Миллера — независимо от того, используют ли они принудительную индукцию или нет, и независимо от того, являются ли они воспламенением от сжатия или искровым зажиганием. . Идеи Миллера успешно применялись в коммерческих целях, в то время как механизм Аткинсона имел очень ограниченное коммерческое применение.
Однако широко распространено игнорирование исторического контекста, и Аткинсону и Миллеру часто приписывают современную реализацию чрезмерно расширенных циклов с использованием синхронизации IVC.
Называть некоторые из них двигателями с циклом Аткинсона совершенно произвольно. Примером такого произвольного подхода является терминология, используемая Агентством по охране окружающей среды США, которое считает цикл Аткинсона чрезмерно расширенным циклом, применяемым к двигателям без наддува с EIVC или LIVC, а цикл Миллера — циклом Аткинсона (т. е. EIVC). или LIVC) с турбокомпрессором или нагнетателем [3476] .
Коммерческие приложения
Интерес к применению идей Ральфа Миллера возрос в 1980-х годах, а в 1990-х годах появился ряд коммерческих приложений. Mazda KJ-ZEM объемом 2,3 л, представленная в 1993 году, была ранней бензиновой версией для легковых автомобилей [2823] . Кроме того, с конца 1990-х компания Niigata Power производила среднеоборотные дизельные двигатели 32FX [2586] . Большие стационарные газовые двигатели были еще одним приложением, которое привлекло внимание примерно в это время.0042 [3510] . Многие из этих ранних приложений были мотивированы потенциалом увеличения удельной мощности и эффективности.
Надежное оборудование для изменения фаз газораспределения еще не было доступно (или, возможно, даже не требовалось) для многих из этих приложений, и они полагались на фиксированный EIVC или LIVC.
Интерес к применению цикла Миллера для сокращения выбросов NOx в дизельных двигателях начался в 1990-х годах для некоторых судовых двигателей IMO Tier 1. Некоторые из этих двигателей могут использовать относительно мягкий «эффект Миллера» и, таким образом, могут использовать фиксированные фазы газораспределения 9.0042 [2586] . Дальнейшее сокращение NOx потребует более агрессивного эффекта Миллера и, следовательно, изменения времени закрытия впускного клапана для решения проблем с низкой нагрузкой и запуском двигателя. Одними из первых двигателей для этого были двигатели Caterpillar 2004 года для дорожных двигателей C11, C13 и C15. Кроме того, для среднеоборотных судовых двигателей был принят аналогичный подход к предельным значениям NOx уровня 2 IMO, которые вступили в силу в 2010 году.
В бензиновых двигателях легковых автомобилей преимущества эффективности стратегий LIVC были привлекательными для двигателей гибридных автомобилей. Тойота 1 -й -го поколения Prius перенял эту технологию в 1997 году. Последующие поколения Prius продолжали использовать эту технологию. В 2007 году Mazda представила безнаддувный двигатель SI MZR 1,3 л для японского рынка с фиксированным LIVC и для негибридных автомобилей. Примерно с 2012 года необходимость дальнейшего снижения расхода топлива привела к более широкому применению LIVC к негибридным бензиновым двигателям малой грузоподъемности. Для этих приложений, многие из которых уже имели фазовращатели кулачков, включение цикла Миллера было относительно недорогой мерой. Дизельные двигатели малой грузоподъемности медленнее внедряли идеи Миллера, возможно, из-за дополнительных затрат. Многие дизельные двигатели малой грузоподъемности не используют фазовращатели кулачков.
###
Аткинсон, Миллер или Отто: объяснение циклов внутреннего сгорания
youtube.com/embed/NvtcTXey0U8?rel=0″ frameborder=»0″ allowfullscreen=»allowfullscreen»> Несмотря на широкое использование в качестве движущей силы, четырехтактный двигатель ни в коем случае не является современным изобретением. Фактически, основные функциональные компоненты в этой форме внутреннего сгорания граничат с архаичностью, если их рассматривать в контексте.
Проследите его длинную историю достаточно далеко, и вы найдете первый двигатель «Отто», появившийся на сцене в эпоху, когда лошадиные силы буквально означали то, что влечет за собой название. Шел 1876 год, и немецкий инженер по имени Николаус Отто придумывал революционный механизм, который украсил бы все, от сборочных линий и персональных транспортных средств до дизельных боевых танков и грузовиков, доставляющих наши продукты.
Это устройство на десятилетия опередило свое время, полагалось на подачу воздуха и внутреннее сгорание для создания энергии за счет сжатия, и не требовало использования хлыста, чтобы набрать скорость.
Изобретение, которое почти в одночасье принесло известность немецкому ученому, подготовило почву для рождения «das automobil» и эволюции каждого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания на сегодняшний день.
Но прежде чем слишком углубляться во все грязные детали, которые делают более современные двигатели Миллера и Аткинсона превосходящими оригинальную конструкцию Отто, мы должны сначала воздать должное блестящей силовой установке, которая привела нас к этому моменту.
По сегодняшним меркам грубо сколоченное приспособление, оригинальный четырехтактный двигатель Otto имел рейтинг топливной экономичности, с которым могли соперничать только его ужасные показатели мощности, и мощность выхлопа, которая выбрасывала больше свинца, чем щелчок Грязного Гарри. Тем не менее, если бы не этот устаревший дизайн, современный автомобиль, вероятно, был бы совсем другим…
Первоначальная четырехтактная конструкция Otto была такой же громоздкой и неэффективной, как и раньше… но она работала.
При закрытии впускного клапана до начала такта сжатия вся длина цилиндра использовалась для захвата и сжатия воздушно-топливной смеси и выработки мощности. Фото: вождение 4 ответа / YouTube
Для тех из вас, кто только что присоединился к нам и немного не знаком со всеми схемами четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, вот несколько основ и немного интересной истории, которые помогут вам освоиться.
Во-первых, он не зря называется четырехтактным двигателем . Формула Николауса Отто включала четыре ключевых этапа процесса производства энергии, и все они до сих пор используются в бензиновых силовых установках с поршневым двигателем. Фантастическая четверка, которая фокусируется на тактах впуска, сжатия, сгорания и выпуска.
Вот уже более века эти основные компоненты обеспечивают такой срок службы двигателя, и даже сегодня большая часть оригинальной четырехтактной конструкции Otto все еще используется в более современных двигателях, работающих по циклу Аткинсона и Миллера.
Коленчатый вал, шатуны, поршни, клапаны, камеры сгорания, впускной коллектор, распределительный вал, топливные форсунки, выпускной коллектор… все они остались на месте. Они просто легче, прочнее и эффективнее, чем когда-либо.
В идеальном цикле Отто топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжимается до гораздо более низкой степени сжатия (около 8:1), а затем воспламеняется от искры. Горение приводит к резкому скачку давления, в то время как объем остается практически постоянным. Продолжение цикла, включая процессы расширения и выхлопа, по существу идентично циклу идеального дизеля. — Первый закон термодинамики для закрытых систем, Университет Огайо
Но в то время как четырехтактный двигатель Старика Отто был революционным во многих отношениях, его запатентованная конструкция была довольно устаревшей и безумно неэффективной по сравнению с более современными конструкциями того времени. Такты сжатия и расширения, фазы впуска клапанов, фазы зажигания и низкокачественные внутренние компоненты — все это приводило к таким же (если не большим) паразитным потерям, как и к мощности.
Кроме того, старик Отто позже был лишен своего патента, когда было обнаружено, что другой изобретатель придумал конструкцию до того, как он изобрел четырехтактный двигатель.
Схематическое изображение оригинального четырехтактного двигателя Аткинсона, впервые запатентованного в 1882 году. Фото: Toyota Canada/YouTube ученый и инженер планеты искал способы улучшить четырехтактный двигатель Отто. Хотя он, возможно, никогда не станет таким известным (или богатым), как создатель четырехтактного двигателя, британский инженер Джеймс Аткинсон смог помочь в развитии современного двигателя внутреннего сгорания. Проблема заключалась в том, что Отто уже запатентовал конструкцию своего двигателя, поэтому потребовалось некоторое время, прежде чем Аткинсон смог придумать переделку, которая не нарушала бы оригинал.
Запатентованная в 1882 году четырехтактная конструкция Аткинсона была основана на переменной длине хода для повышения эффективности и мощности по сравнению с традиционным двигателем Отто.
В конструкции используется более короткий и эффективный такт сжатия, в то же время позволяя сгоранию воздействовать на поршень дольше за счет физически более длинного рабочего хода. Это стало возможным благодаря использованию многозвенных шатунов, обеспечивающих гораздо более эффективный термодинамический цикл в поршневой и маховиковой частях блока цилиндров. Это также позволяло всем четырем циклам двигателя происходить в пределах 360 градусов вращения коленчатого вала, в отличие от 720 градусов вращения коленчатого вала, необходимых в цикле Отто.
Анимация цикла Аткинсона, Майкл Фрей
Поначалу неудачный, двигатель Аткинсона получил заслуженную любовь более чем через столетие после его выпуска, во многом благодаря появлению гибридов и модификации цикла Аткинсона для работы с ним. менее сложный двигатель в стиле Отто. Проблема с дизайном Аткинсона заключалась в том, что его более высокие рейтинги эффективности были связаны с меньшим количеством бодрости духа на более низких скоростях.
С введением вспомогательного двигателя или аккумуляторной батареи цикл Аткинсона может достигать своей оптимальной рабочей скорости гораздо быстрее, в свою очередь беря на себя то, где электрическая система гибрида имеет тенденцию к снижению.
Но так как в то время никто особо не заботился о показателях эффективности или ценах на топливо, а заботился только о том, чтобы иметь как можно больше мощности, цикл Аткинсона был отложен как бессмысленное решение.
Сегодня в двигателях с маркировкой «цикл Аткинсона» в основном используется модифицированный цикл Аткинсона, в котором такт сжатия укорачивается за счет открытия впускного клапана в начале сгорания для сброса давления, в отличие от механически более короткого хода. Однако это не настоящий цикл Аткинсона, так как все четыре стадии происходят только при 720 градусах вращения коленчатого вала. Фото предоставлено: Toyota Canada/YouTube
Время Миллера! Следующее большое изменение произошло в 1957 году, когда американец по имени Ральф Миллер запатентовал собственный двигатель.
Он назывался «двигатель цикла Миллера» и был в равной степени простым и умным.
Используя улучшения такта сжатия двигателя Аткинсона и используя гораздо более простую конструкцию шатуна, Миллер смог еще больше повысить эффективность четырехтактного двигателя. Хитрость заключалась в том, чтобы позволить впускному клапану оставаться открытым еще дольше, что обычно соответствует первым 20–30 процентам такта сжатия, и компенсировать потери сжатия с помощью принудительной индукции.
Позволяя поднимающемуся поршню такта сжатия выталкивать воздух обратно во впускной коллектор, сам цилиндр никогда не достигает максимальной производительности, но также снижает насосные потери. Несмотря на то, что эта конструкция оказывает негативное влияние на показатели производительности на более низких скоростях, показатели эффективности воспламенения значительно увеличиваются, когда этот поршень начинает опускаться. Результат? Более короткий ход впуска с меньшей мощностью и полный нисходящий «рабочий ход» для более оптимального процесса сжатия.
Mazda является одним из немногих автопроизводителей, которые производят двигатели, основанные исключительно на четырехтактном двигателе, работающем по циклу Миллера. Фото предоставлено: Mazda
Поскольку двигатель Миллера держит впускной клапан открытым, когда начинается такт сжатия, возврат поршня вверх (также известный как «процесс расширения») выталкивает любые остатки процесса сгорания обратно во впускной коллектор. Это отчасти объясняет, почему такие вещи, как клапаны рециркуляции отработавших газов и маслоуловители, с годами стали настолько обычным явлением.
Кроме того, в конструкцию Миллера был добавлен нагнетатель, чтобы компенсировать потери производительности, возникающие из-за выпуска впускного клапана. Но, как Nissan обнаружил во время разработки концепции HR12DDR, добавление нагнетателя также сделало двигатель более эффективным.
Со временем некоторые автопроизводители начали находить способы заставить двигатели, работающие по циклу Миллера, работать без нагнетателя воздуха, при этом такие компании, как Mazda, производили как варианты с наддувом, так и безнаддувные двигатели с циклом Миллера размером с пинту.
Но ни один из этих производителей автомобилей не добьется успеха, с которым столкнулся крупнейший из всех японских автопроизводителей, когда решил поиграть с конструкциями циклов Миллера и Аткинсона.
Иллюстрированное изображение четырехтактного цикла Миллера по сравнению с традиционной системой цикла Отто. Фото предоставлено: Nissan Motor Corporation
Объединив наши четырехтактные мощности, мы будем… скучнымиПодобно арахисовому маслу, желе и тостам, это была комбинация циклов Миллера и Аткинсона в четырехтактном автомобиле старика Отто. идея двигателя, которая позволила добиться наиболее заметного прироста производительности и эффективности.
Это было в конце 1990-х годов, и Toyota только что представила свой двигатель 1NZ-FXE. Дизайн, который опирался на обе формы четырехтактного гения для максимальной производительности и расхода бензина, но заменил дополнительный нагнетатель гибридным газоэлектрическим двигателем. Автомобиль назывался Toyota Prius, и благодаря ему модифицированный цикл Аткинсона-Миллера стал нарицательным.
Конструкция оказалась настолько надежной, что в конце концов ее стали ставить на каждый двигатель со значком гибридного автомобиля Toyota.
В сочетании с такими вещами, как непосредственный впрыск, регулируемое время клапана (VVT) и компьютеризированный мониторинг рециркуляции отработавших газов (EGR), модифицированный цикл Аткинсона, в частности, быстро стал широко используемой конструкцией двигателя «на лету», поскольку он только реализуется по мере необходимости. Это приводит к большей мощности на низах, лучшим показателям эффективности по всем направлениям и меньшему износу внутренних частей двигателя с течением времени.
Toyota Prius первого поколения была первой в своем роде, в которой использовались четырехтактные схемы Аткинсона и Миллера, а гибридная батарея служила дополнительным источником питания для ускорения на низких скоростях. Кредит Фотографии: Тойота Великобритания
Теперь, что касается цикла четырехтактного двигателя в стиле Миллера, эта конструкция недавно пережила возрождение благодаря Mazda… снова.