Двигатель. Различия между циклами Отто и Аткинсона
С некоторых пор все чаще можно встретить термин «двигатель, работающий в экономичном цикле Аткинсона». Что это за цикл и почему он снижает расход топлива?
Наиболее распространенные сегодня четырехтактные бензиновые двигатели работают по так называемому циклу Отто, разработанному в конце XNUMX века немецким изобретателем Николаусом Отто, конструктором одного из первых удачных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Суть этого цикла состоит из четырех тактов, выполняемых за два оборота коленчатого вала: такта впуска, такта сжатия, рабочего такта и такта выпуска.
В начале такта впуска открывается впускной клапан, через который происходит всасывание топливно-воздушной смеси из впускного коллектора за счет втягивания поршня. Перед началом такта сжатия впускной клапан закрывается и возвращающийся к головке поршень сжимает смесь. Когда поршень достигает пикового положения, смесь воспламеняется под действием электрической искры.
Образовавшиеся горячие выхлопные газы расширяются и толкают поршень, передавая ему свою энергию, а когда поршень оказывается максимально далеко от головки, выпускной клапан открывается. Такт выпуска начинается с возвратного поршня, выталкивающего выхлопные газы из цилиндра в выпускной коллектор.
К сожалению, не вся энергия выхлопных газов используется во время рабочего такта для толкания поршня (и, через шатун, для вращения коленчатого вала). Они все еще находятся под высоким давлением, когда клапан выдоха открывается в начале такта выдоха. Мы можем узнать об этом, когда слышим шум, издаваемый автомобилем со сломанным глушителем — он вызван выходом энергии в воздух. Вот почему КПД традиционных бензиновых двигателей составляет всего около 35 процентов. Если бы можно было увеличить ход поршня в рабочем ходе и использовать эту энергию…
Эта идея пришла в голову английскому изобретателю Джеймсу Аткинсону. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий такт был длиннее такта сжатия.
В результате в начале такта выпуска давление выхлопных газов практически равнялось атмосферному, а их энергия использовалась полностью.
Редакция рекомендует:
Тарелки. Водителей ждет революция?
Самодельные способы зимней езды
Надежный малыш за небольшие деньги
Так почему же идея Аткинсона не использовалась более широко и почему в двигателях внутреннего сгорания уже более века используется менее эффективный цикл Отто? Есть две причины: одна — сложность двигателя Аткинсона, а другая — и что более важно — меньшая мощность, которую он получает от водоизмещающего агрегата.
Однако по мере того, как все больше внимания уделялось расходу топлива и влиянию автомобилизации на окружающую среду, вспоминали о высокой эффективности двигателя Аткинсона, особенно на средних оборотах. Его концепция оказалась отличным решением, особенно в гибридных автомобилях, в которых нехватку мощности, особенно необходимой при трогании и разгоне, компенсирует электродвигатель.
Именно поэтому двигатель, работающий по модифицированному циклу Аткинсона, использовался в первом серийном автомобиле с гибридным приводом — Toyota Prius, а затем и во всех остальных гибридах Toyota и Lexus.
Что такое модифицированный цикл Аткинсона? Благодаря этому умному решению удалось заставить двигатель Toyota сохранить классическую, простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, а поршень проходит одинаковое расстояние при каждом такте, эффективный рабочий ход длиннее, чем такт сжатия.
На самом деле следует сказать иначе: эффективный такт сжатия короче рабочего такта. Это достигается за счет задержки закрытия впускного клапана, который закрывается вскоре после начала такта сжатия. Таким образом, часть воздушно-топливной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество выхлопных газов, образующихся при его сжигании, меньше и способно полностью расширяться до начала такта выпуска, передавая всю энергию поршню, а на сжатие меньшего количества смеси требуется меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя.
Используя это и другие решения, двигатель трансмиссии Toyota Prius четвертого поколения смог достичь теплового КПД на целых 41 процент, ранее доступного только для дизельных двигателей.
Прелесть решения еще и в том, что задержка закрытия впускных клапанов не требует серьезных конструктивных изменений — достаточно использовать электронно-управляемый механизм изменения фаз газораспределения.
А если можно так, то нельзя ли и наоборот? Ну конечно; естественно! Двигатели с переменным рабочим циклом производятся уже некоторое время. Когда потребность в мощности невелика, например, при движении по неспешным дорогам, двигатель работает по циклу Аткинсона для низкого расхода топлива. А когда требуется лучшая производительность — от фар или обгона — переключается на цикл Отто, используя всю доступную динамику. Этот 1,2-литровый двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива используется, например, в Toyota Auris и новом городском внедорожнике Toyota C-HR. Такой же двухлитровый двигатель используется на Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t и RC 200t.
Eugenio,77
Еще со времени появления первого Приуса создавалось впечатление, что Джеймс Аткинсон нравился тойотовцам куда больше, чем Ральф Миллер. И постепенно «цикл Аткинсона» из их пресс-релизов разошелся по всему журналистскому сообществу. — Toyota официально: «A heat cycle engine proposed by James Atkinson (U.K.) in which compression stroke and expansion stroke duration can be set independently. Subsequent improvement by R. H. Miller (U.S.A.) allowed adjustment of intake valve opening/closing timing to enable a practical system (Miller Cycle).» При этом даже в местной инженерной среде «цикл Миллера» существовал еще с незапамятных времен. В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон (James Atkinson) предложил идею повышения эффективности поршневого двигателя за счет сокращения хода сжатия и увеличения хода расширения рабочего тела. Практически реализовать это предполагалось сложными механизмами привода поршня (два поршня по схеме «боксер», поршень с кривошипно-кулисным механизмом). Построенные варианты двигателей показали рост механических потерь, переусложнение конструкции, и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому распространения не получили. Известные патенты Аткинсона относились именно к конструкциям, без рассмотрения теории термодинамических циклов. В 1947 году американский инженер Ральф Миллер (Ralph Miller) вернулся к идее
идее сокращенного сжатия и продолженного расширения, предложив реализовать ее не за счет кинематики привода поршня, а подбором фаз газораспределения для двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В патенте Миллер рассматривал два варианта организации рабочего процесса — с ранним (EICV) или поздним (LICV) закрытием впускного клапана. По большому счету, цикл Миллера/Аткинсона представляет собой не самостоятельный цикл, а разновидность известных термодинамических циклов Отто и Дизеля. Аткинсон является автором абстрактной идеи двигателя с физически разной величиной ходов сжатия и расширения. Реальную организацию рабочих процессов в реальных двигателях, используемую на практике по сей день, предложил именно Ральф Миллер. Принципы При работе двигателя по циклу Миллера с сокращенным сжатием, впускной клапан закрывается значительно позднее, чем в цикле Отто, из-за чего часть заряда вытесняется обратно во впускной канал, и собственно процесс сжатия начинается уже на второй половине такта.
Можно еще раз отметить ключевые моменты отличия циклов. 1 и 1′ — объем камеры сгорания для двигателя с циклом Миллера меньше, геометрическая степень сжатия и степень расширения выше. 2 и 2′ — газы совершают полезную работу на более длинном рабочем ходу, поэтому меньше остаточные потери на выпуске. 3 и 3′ — разрежение на впуске меньше за счет меньшего дросселирования и обратного вытеснения предыдущего заряда, поэтому ниже насосные потери.  4 и 4′ — закрытие впускного клапана и начало сжатия начинается с середины такта, после обратного вытеснения части заряда.Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя. Реализация В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10. В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° … 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия — 13.0-13.5. К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий — соответственно, 10-100° и 10.0. Большой обзор двигателей Toyota
|
|||||||||||||
В результате эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической (которая, в свою очередь, равна степени расширения газов на рабочем ходу). За счет уменьшения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается увеличение термического КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.
Почему двигатели с циклом Аткинсона работают лучше, чем традиционные двигатели с циклом Отто
Автор Дэвид О’Каллаган
Эта система похожа на систему в обычных двигателях, но имеет некоторые ключевые отличия, которые повышают экономию топлива и эффективность.
Чарльз Норт VIВозможно, вы слышали о двигателях с циклом Отто и циклом Аткинсона — оба они представляют собой двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают бензин, и в целом оба двигателя работают почти одинаково. Этот принцип используется в 9Например, 0011 Toyota
в гибриде Prius.Однако между ними есть различия, и один из них исторически более распространен, а другой, возможно, является одной из спасительных льгот для бензиновых двигателей в краткосрочной перспективе.
Таким образом, даже без гибридной технологии есть способ повысить эффективность двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с батареями или без них: использование систем цикла Аткинсона в новых газовых двигателях.
Мы очень кратко и (высокоуровнево) рассмотрим цикл Аткинсона в современных двигателях внутреннего сгорания и посмотрим, как он работает, а также почему он является важной особенностью некоторых двигателей с ДВС в сегодняшнем меняющемся мире.
Современный двигатель внутреннего сгорания в постмодернистском мире
Через: Getty ImagesКак большинство из нас знает или понимает на каком-то уровне, все газовые двигатели следуют одним и тем же основным принципам выработки энергии для питания автомобиля или другой машины.
Поршень внутри цилиндра постоянно приводится в движение вверх и вниз по трубе за счет взрывов, вызванных попаданием топлива и воздуха в сжатое пространство на одном конце того же цилиндра (искра в конечном итоге вызывает взрыв).
Начальное сжатие достигается за счет возвращения того же самого поршня после его предыдущего спуска по цилиндру и возвращения еще раз, в результате чего цикл повторяется миллионы раз.
Несколько движущихся поршней в автомобильном двигателе также постоянно вращают коленчатый вал, который передает это движение колесам автомобиля (через сцепление и трансмиссию посередине), создавая физическое движение, когда вы едете в торговый центр.
СВЯЗАННЫЙ: Двухтактные двигатели: более мощный кузен четырехтактных двигателей
Различия между циклом Отто и циклом Аткинсона в автомобильных двигателях
Фото: Charles North VI Выше было очень простое описание цикла «Отто», который отличается от цикла, используемого в дизельных двигателях.
термически более эффективны и потребляют меньше топлива, но, по-видимому, также рекламируются как вредные для окружающей среды.
Однако благодаря циклу Аткинсона газовые двигатели могут стать более эффективными и поэтому могут использоваться в гибридных и негибридных автомобилях в качестве отличной альтернативы газовому двигателю с циклом Отто.
Это не самая современная система: Toyota Prius первого поколения 1997 года использовала двигатель, работающий по циклу Аткинсона, в сочетании с электрическим оборудованием для создания эффективной гибридной трансмиссии. Многие японские гибридные автомобили от Toyota и Honda предпочитают использовать силовой агрегат Atkinson Cycle ICE, который дополняется электрической системой.
Двигатель Аткинсона обеспечивает более высокую тепловую эффективность и в конечном итоге увеличивает экономию топлива за счет относительно более низкой выходной мощности по сравнению с двигателем Отто в тех же условиях.
СВЯЗАННЫЙ: Разница между барабанами, дисками и пневматическими тормозами
Как цикл Аткинсона работает в реальном выражении
Фото: Charles North VIПо сути, двигатели с циклом Отто и циклом Аткинсона в принципе почти идентичны, но цикл Аткинсона, среди прочих небольших отличий, имеет более длинный ход расширения поршня, чем такт сжатия, что приводит к более высокой эффективности при одинаковом количестве топлива.
Все гибридные автомобили Toyotaиспользуют эту технологию, и электродвигатель компенсирует недостаток мощности, но есть и решение для негибридных установок: двигатели, которые могут плавно переключаться между циклами Аткинсона и Отто в зависимости от условий производительности или эффективности. .
Еще в 2014 году Toyota работала над новыми версиями Atkinson своих небольших 1-литровых и 1,3-литровых двигателей с тепловым КПД 37% и увеличением экономии топлива на 30%.
В настоящее время эта технология используется в основном для повышения эффективности гибридов, при этом многие двигатели при необходимости переключаются между этим циклом и циклом Отто.
Подождите, бензиновые двигатели не умерли
Через: Media.czinger.comНесмотря на появление электромобилей, надежный двигатель внутреннего сгорания еще не исчез, отчасти из-за высокой эффективности гибридов, многие из которых используют в своих двигателях цикл Аткинсона.
Бензиновые двигатели и аккумуляторы вместе — гибриды — доказывают свою ценность с тех пор, как Toyota Prius стала вещью в 1997 году, а современные суперкары, такие как Porsche 918 или гиперкар Czinger 21 C, доказывают, что в старых двигателях еще больше жизни.
ДВСвыходят из употребления; конечно, но автопроизводители находят способы продлить жизнь бесхитростного предшественника электромобиля.
Как оказалось, батареи дорогие, тяжелые, требуют огромной энергии для производства и их трудно утилизировать.
Они также загрязняют окружающую среду во время строительства и косвенно выделяют вредные выбросы, поскольку энергия для их зарядки поступает из энергосистемы, в значительной степени работающей на ископаемом топливе.
Таким образом, если мы сможем какое-то время полагаться на эффективные двигатели с поддержкой Аткинсона в составе гибридных установок, может быть достигнут баланс между фактической устойчивостью, эффективностью и производительностью.
Вот почему до сих пор не вынесено решение по делу циклов Отто против циклов Аткинсона0011 двигателей
мир видел. Подумайте о великолепном Cosworth V-12, который приводит в движение суперкар T.50 Гордона Мюррея, который при 166 л. или 1479 л.с., 488 куб. Дюймов, четырехцилиндровый двигатель W16 с турбонаддувом, который используется в Bugatti Chiron — оба они полагаются на термодинамический цикл Отто в своей работе. Тем не менее, есть новинка, которая может в течение следующих двух десятилетий заменить цикл Отто как самый распространенный тип двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на дорогах. Цикл Аткинсона, из-за его превосходного теплового КПД по сравнению с двигателями типа Отто, быстро дает о себе знать в гибридных электромобилях.
А поскольку Bloomberg Green прогнозирует, что продажи гибридных электромобилей резко вырастут до 64 миллионов единиц с примерно 2 миллионов единиц годового объема продаж в течение следующих двух десятилетий, конец столь любимого Otto Cycle ICE может приближаться.
Но что такое двигатель цикла Аткинсона и что делает его более эффективным, чем ДВС цикла Отто?
СВЯЗАННЫЙ: Проверьте эти странные альтернативные виды топлива для транспортных средств
Прежде чем судить, нам нужно знать разницу между двигателями Отто и Аткинсона
Через: nadaguides.comЦикл Отто, управляющий популярным четырехтактным двигателем, состоит из четырех отдельных фаз, контролируемых точным клапаном и опережением зажигания, выполняемых за два оборота коленчатого вала: 1) впуск, 2) сжатие, 3) сгорание и 4) выпуск. Каждый соответствует полному ходу поршня внутри цилиндра.
Цикл начинается с хода поршня вниз, в результате чего смесь воздуха и паров топлива всасывается через впускное отверстие в камеру сгорания.
Ход обратного поршня вверх сжимает эту смесь примерно до одной десятой ее объема, после чего она воспламеняется от свечи зажигания. Этот взрыв толкает поршень вниз в рабочем такте. Последний обратный ход цикла удаляет отработавшие газы через выпускное отверстие, чтобы процесс мог начаться снова.
Но хотя этот относительно простой цикл может обеспечить потрясающую мощность, он не является самым эффективным из процессов, поскольку двигатели с искровым зажиганием имеют тепловой КПД около 40%. Эта неэффективность приводит к более высокому, чем оптимальный, расходу топлива и, что важно, к повышенным выбросам выхлопных газов.
Модифицируя цикл Отто, двигатели Аткинсона могут значительно улучшить топливную экономичность четырехтактного двигателя с искровым зажиганием.
Хотя четыре основные фазы цикла Отто остаются, в 1882 году Джеймс Аткинсон представил новую временную последовательность для задержки закрытия впускного клапана во время такта сжатия. Удерживание впускного клапана открытым немного дольше эффективно уменьшало рабочий объем двигателя во время цикла впуска, но сохраняло полный коэффициент расширения во время рабочего такта.
Аткинсона использовались сложные механические связи для получения различных коэффициентов хода поршня при одном и том же обороте коленчатого вала. Несмотря на свою эффективность и невероятно умный дизайн, он не был рентабельным для массового производства, поэтому гениальный цикл Аткинсона был в значительной степени забыт на большую часть столетия.
Только в середине 1990-х годов инженеры Toyota, вдохновленные прогрессом в области технологии изменения фаз газораспределения, которая изменила синхронизацию впускных клапанов, пересмотрели идею Аткинсона о задержке закрытия впускного клапана во время такта сжатия.
Хотя двигатель Аткинсона, несомненно, был более эффективным, чем версия с циклом Отто, снижение степени динамического сжатия также означало, что он был менее мощным. Этот недостаток легко устранили, добавив тяговый электродвигатель для увеличения мощности.
Таким образом, первый серийный автомобиль с имитацией клапана типа Аткинсона и гибридной трансмиссией, Toyota Prius 1997 года, демонстрировал показатели расхода топлива, которые обычно характерны только для автомобилей с дизельным двигателем, без какой-либо потери мощности.
В мире, борющемся с выбросами парниковых газов, экономия, предлагаемая электрическими гибридами с двигателем Аткинсона, несомненно, должна вытеснить традиционный ДВС цикла Отто?
К сожалению, вынести вердикт по делу Аткинсон против Отто не так-то просто.
СВЯЗАННЫЙ: Вот почему электромобили не являются «единственным» решением для устойчивого будущего
Вот почему присяжным тяжело вынести вердикт по делу Отто против Аткинсона
Через: iNewsВ то время как гибрид и его более современный собрат, плагин-гибрид с большей батареей, меньше загрязняют окружающую среду, чем эквивалентный Otto ICE, в нескольких отчетах, таких как отчет The Miles Consultancy, подчеркивается относительно высокий расход топлива и выбросы в реальных условиях. вождение гибридных автомобилей.
В отчете TMC указано, что водители подключаемых гибридов потребляют в три раза больше топлива, чем следует из официальных данных. В результате страны ЕС начали менять свою позицию в отношении PHEV с малой емкостью аккумуляторной батареи — например, подключаемым автомобилям в Бельгии предоставляются налоговые льготы только по скользящей шкале, зависящей от емкости аккумуляторной батареи и общей массы автомобиля.