Цикл Аткинсона

В 1898 году Густав Тринклер разработал дизельный двигатель высокого давления с предкамерой, который является прямой моделью для современных дизельных двигателей.

Содержание

цикл Аткинсона — Atkinson cycle

Двигатель цикла Аткинсона — это двигатель внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан таким образом, что эффективность достигается за счет удельной мощности.

. Современная версия этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Первоначально они использовались исключительно в гибридных электромобилях, таких как Toyota Prius первого поколения. Более поздние гибриды и некоторые негибриды теперь оснащаются двигателями с изменяемым фазным распределением клапанов, которые могут работать неполный рабочий день по циклу Аткинсона, обеспечивая хорошую экономичность по циклу Аткинсона и обычную удельную мощность по традиционному циклу Отто.

Аткинсон выпустил три различные модели, которые имели короткий ход сжатия и более длинный ход выхлопа. В первом двигателе цикла Аткинсона, дифференциальном двигателе, использовались поршни, вращающиеся в противоположных направлениях. Второй и наиболее известной конструкцией был цикловой двигатель, в котором центральный рычаг обеспечивал четыре хода поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель имел такты впуска, сжатия, мощности и выхлопа четырехтактного двигателя на один оборот коленчатого вала и был разработан таким образом, чтобы не нарушать некоторые патенты на бензиновые двигатели. Третий и последний двигатель Аткинсона, двигатель общего назначения, функционировал как любой другой двухтактный двигатель.

Общей особенностью всех конструкций Аткинсона является то, что ход выхлопа длиннее хода сжатия, что дает двигателю более высокий тепловой КПД по сравнению с обычным поршневым двигателем. Двигатели Аткинсона производились Британской компанией газовых двигателей, а также лицензировались другими зарубежными производителями.

Во многих современных двигателях сегодня используются нетрадиционные фазы газораспределения для достижения более короткого хода сжатия/более длинного подъема клапана. Миллер применил эту технику к четырехтактному двигателю, который поэтому иногда называют циклом Аткинсона/Миллера (патент США 2817322 от 24 декабря 1957 года). В 1888 году Шарон подал заявку на французский патент и представил двигатель на Всемирной выставке в Париже в 1889 году. Газовый двигатель Charon (четырехтактный) имел цикл, аналогичный циклу Миллера, но без компрессора. Это известно как «цикл Харона».

Современные разработчики двигателей знают о потенциале повышения эффективности использования топлива, который может предложить цикл Аткинсона.

«Дифференциальный двигатель» Аткинсона

Впервые цикл Аткинсона был применен в 1882 году; в отличие от более поздних версий, он был разработан как поршневой двигатель, дифференциальный двигатель Аткинсона. В этом случае коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями нелинейным вращающимся механизмом; на пол-оборота один поршень почти останавливался, пока другой приближался и возвращался, а на следующие пол-оборота второй поршень почти останавливался, пока первый приближался и возвращался.

Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивает ход сжатия и мощности, а другой — ход сжатия и расширения. Поскольку ведущий поршень оставался сжатым во время тактов вытеснения и загрузки, было удобно подавать вытеснение и загрузку через клапаны за отверстием, которое было закрыто во время сжатия и такта, и поэтому клапаны не должны были выдерживать высокое давление и могли быть более простого типа, используемого во многих локомотивах, или даже язычковые клапаны.

Цикл ОТТО

По сути, это обычный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечи зажигания), который используется в 60-65% современных автомобилей. ДА — да, это то, что у вас под капотом, и оно работает с циклом ОТТО.

Однако если вернуться в историю, то первым предложил принцип работы такого двигателя внутреннего сгорания французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ в 1862 году. Но это был теоретический принцип работы. В 1878 году (16 лет спустя) Отто воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал технологию.

По своей конструкции это четырехтактный двигатель:

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

Я хотел бы отметить, что впускные и выпускные клапаны работают в строгой последовательности — ОДИН клапан на высоких оборотах и ОДИН клапан на низких оборотах. Это означает, что работа не меняется на разных скоростях.

Компания OTTO первой использовала сжатие рабочей смеси в своем двигателе для повышения максимальной температуры цикла. Он был адиабатическим (проще говоря, без теплообмена с окружающей средой).

После сжатия смеси она воспламенялась свечой зажигания, а затем происходило рассеивание тепла, которое было почти изохорным (т.е. объем цилиндра двигателя был постоянным).

Поскольку OTTO запатентовала технологию, ее нельзя было использовать в промышленных масштабах. Чтобы обойти патенты, Джеймс Аткинсон решил модифицировать цикл OTTO в 1886 году. И он предложил свой собственный тип двигателя внутреннего сгорания.

Он предложил изменить соотношение путь-время, что удлинило путь и усложнило конструкцию шатуна. Следует отметить, что построенный им тестовый прототип имел одноцилиндровый двигатель, который он не часто использовал из-за сложности конструкции.

Если кратко описать принцип работы этого двигателя внутреннего сгорания, то вырисовывается следующая картина:

Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выхлоп) выполняются за один оборот коленчатого вала (у ОТО два оборота). Благодаря сложной системе рычагов, расположенных рядом с «коленвалом».

С помощью этой конструкции удалось добиться определенного соотношения длин рук. Простыми словами: ход поршня при впуске и выпуске больше, чем ход поршня при сжатии и ходе.

Что это значит для вас? Да, тот факт, что вы можете «играть» со степенью сжатия (изменяя ее), с соотношением длин поршней и что вы не «дросселируете» впуск! Это дает преимущество циклу ACTINSON с точки зрения потерь в насосе.

Эти двигатели были очень эффективными, имели высокий КПД и низкий расход топлива.

Однако было и много негативных моментов:

Сложность и громоздкость конструкции
Низкий крутящий момент на низких оборотах
Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то ( карбюратор или инжектор )

Ходят слухи, что принцип ATKINSON использовался в гибридных автомобилях, особенно компанией TOYOTA. Однако это не совсем так, потому что там использовался только принцип, а конструкцию использовал другой инженер, а именно Миллер. В своем чистом виде двигатели ATKINSON были скорее единичными, чем серийными.

Цикл МИЛЛЕРА

Ральф Миллер также решил поиграть со степенью сжатия в 1947 году. То есть в каком-то смысле он продолжил работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный двигатель ОТТО.

Он предложил не делать ход сжатия механически короче хода впуска (как предлагал Аткинсон, поршень будет двигаться вверх, а не вниз), а укоротить ход сжатия за счет хода впуска, чтобы поршни двигались одинаково вверх и вниз (классический двигатель OTTO).

Можно было пойти двумя путями:

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 счете, оба принципа приводят к одному и тому же — уменьшению степени сжатия, рабочей смеси по сравнению с геометрическим соотношением! Однако коэффициент расширения сохраняется, т.е. ход поршня сохраняется (как в двигателе OTTO), а ход сжатия уменьшается (как в двигателе Аткинсона).

Проще говоря, воздушно-топливная смесь в MILLER сжимается гораздо меньше, чем это должно быть в том же двигателе OTTO. Это увеличивает коэффициент геометрического сжатия и, следовательно, коэффициент естественного расширения. Она намного выше, чем та, которая обусловлена воспламеняющими свойствами топлива (т.е. бензин нельзя сжимать до бесконечности, он воспламенится)! Поэтому, когда топливо воспламеняется в верхней мертвой точке (ВМТ), оно имеет гораздо более высокий коэффициент расширения, чем когда оно находится вне ВМТ. Это позволяет гораздо лучше использовать энергию расширяющихся газов в цилиндре и повышает тепловую эффективность конструкции, что приводит к высокой экономичности, отказоустойчивости и т.д.

Также меньше насосных потерь во время такта сжатия, что означает, что MILLER легче сжимает топливо и требует меньше энергии.

Недостатком является снижение максимальной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за меньшего заряда цилиндра. Для достижения такой же мощности, как у OTTO (на высоких оборотах), двигатель должен был быть больше (более массивные цилиндры) и массивнее.

В современных двигателях

внешние ссылки

Сравнение первичных двигателей, подходящих для экспедиционных источников энергии USMC, Национальная лаборатория Ок-Ридж
Libralato Engines — разработка роторного двигателя цикла Аткинсона
Роторный двигатель с циклом Аткинсона — подробные сведения об этом двигателе, а также сравнение с обычными двигателями и двигателями Ванкеля.
Не такие уж секретные секреты расхода топлива Prius — как Prius использует цикл Аткинсона для получения лучших результатов, чем двигатель с циклом Отто
Джеймс Аткинсон в Find A Grave — личные данные

Рисунок 1: Газовый цикл Аткинсона

Идеальный цикл Аткинсона состоит из:

1-2 Изэнтропический или обратимое, адиабатическое сжатие
2–3 Изохорный нагрев (Qp)
3–4 Изобарический нагрев (Qp ‘)
4–5 Изэнтропическое расширение
5–6 Изохорное охлаждение (Qo)
6–1 Изобарическое охлаждение (Qo ‘)

Легендарный Saab

Наилучших результатов Saab добился, когда в 2000 году выпустил пятицилиндровый двигатель, который выдавал около двухсот двадцати пяти лошадиных сил при рабочем объеме 1,6 литра. Эта сила и сегодня кажется невероятной.

Двигатель разделен на две части, которые соединены шарнирами. Коленчатый вал, шатуны и поршни находятся внизу, цилиндры и головки цилиндров — вверху. Гидравлический привод способен наклонять моноблок с цилиндрами и головками и изменять степень сжатия при включении приводного компрессора. Несмотря на всю эффективность, разработку также пришлось отложить из-за дороговизны конструкции.

Переменная степень сжатия

Этот показатель очень важен. В конце концов, производительность, эффективность и экономичность напрямую зависят от высокой степени сжатия. Конечно, его нельзя увеличивать бесконечно. Поэтому рост на некоторое время приостановился. В противном случае существовал риск дефлаграции, что могло привести к повреждению двигателя.

Это особенно актуально для двигателей с турбонагнетателями. Ведь они сильнее нагреваются, поэтому вероятность воспламенения здесь гораздо выше. По этой причине степень сжатия должна быть уменьшена, что, естественно, приводит к снижению производительности двигателя.

В идеале степень сжатия должна изменяться в зависимости от режима работы и нагрузки. Существует множество конструкций, но все они очень сложные и дорогие.

Аткинсон «Цикловый двигатель»

Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, назывался «Цикловой двигатель». В этом двигателе использовались дисковые клапаны, кулачок и центральный рычаг для создания четырех движений поршня при каждом обороте коленчатого вала. Ходы впуска и сжатия были намного короче, чем ходы расширения и выхлопа.

Цикловые двигатели производились и продавались Британской двигательной компании в течение нескольких лет. Аткинсон также лицензировал их другим производителям. Размеры варьировались от единиц мощностью до 100 лошадиных сил.

Газовый двигатель Аткинсона, как показано в патенте США 367496, 1887 г.

Аткинсон «Утилита Двигатель»

Третий проект Аткинсона назывался Utility Engine.7 «Циклический» двигатель Аткинсона был эффективным, но его сцепление было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. Аткинсон понял, что для того, чтобы сделать его цикл пригодным для использования в качестве высокоскоростного двигателя, необходимы усовершенствования.

С помощью этой новой конструкции Аткинсон смог устранить сцепление и создать более обычный, лучше сбалансированный двигатель, который мог достигать 600 об/мин и производить мощность на каждом обороте без ущерба для эффективности его «Циклического двигателя». » с пропорционально более коротким ходом сжатия и более длинным ходом выхлопа. Utilite работает как обычный двухтактный двигатель, с той лишь разницей, что выпускное отверстие расположено примерно в середине хода.

Во время цикла расширения/декомпрессии кулачковый клапан (который остается закрытым до тех пор, пока поршень не подойдет к концу своего хода) препятствует выходу давления, когда поршень проходит через выпускное отверстие. Выпускной клапан открывается в нижней части хода поршня; он остается открытым, когда поршень движется назад для сжатия, позволяя свежему воздуху заполнять цилиндр и выходить через выпускное отверстие, пока отверстие не будет закрыто поршнем.

Как только выпускное отверстие закрывается, поршень начинает сжимать оставшийся в цилиндре воздух. Небольшой поршневой топливный насос впрыскивает жидкость во время сжатия. Источником зажигания, вероятно, была горячая труба, как и в других двигателях Аткинсона. Эта конструкция привела к созданию двухтактного двигателя с коротким ходом сжатия и более длинным ходом выхлопа.

Двигатель Utilite оказался даже более эффективным, чем более ранние конструкции «дифференциала» и «цикла» Аткинсона. Было выпущено очень мало экземпляров, и ни один не сохранился до наших дней. Британский патент № 2492 от 1892 г. Патент США на двигатель Utilite не известен.

Идеальный термодинамический цикл

Идеальный цикл Аткинсона состоит из:

1–2 Изэнтропический, или же обратимый, адиабатический сжатие
2–3 Изохорический отопление (Qp)
3–4 Изобарический отопление (Qp ‘)
4–5 Изэнтропическое расширение
5–6 Изохорное охлаждение (Qo)
6–1 Изобарическое охлаждение (Qo ‘)

Преимущества и недостатки цикла Аткинсона

Двигатель Аткинсона имеет множество преимуществ, которые отличают его от других двигателей внутреннего сгорания: 1. 1. Как уже упоминалось ранее, изменение длины хода поршня позволяет экономить топливо за счет утилизации выхлопных газов и снижения насосных потерь. 2. меньшая вероятность воспламенения в результате детонации. Степень сжатия топлива снижается с 10 до 8. Запрещается увеличивать обороты двигателя путем переключения на более низкую скорость для восприятия возросшей нагрузки. Кроме того, сгорание происходит с меньшей вероятностью, поскольку тепло уходит из камеры сгорания во впускной коллектор. 3. Снижение расхода топлива. В новых гибридных автомобилях расход достигает 4 литров на 100 км. 4. Экономичность, экологичность, высокая эффективность. Однако двигатель Аткинсона имеет существенный недостаток, который не позволил использовать его в серийных автомобилях. Из-за низкой мощности двигатель мог заглохнуть на низких скоростях. Именно по этой причине двигатель Аткинсона очень распространен в гибридных автомобилях. Кстати, об автомобилях, оснащенных двигателями Аткинсона. Эта модификация двигателя внутреннего сгорания уже некоторое время находится в массовом производстве. Как упоминалось ранее, первыми последователями цикла Аткинсона были японские компании Mazda и Toyota. Одним из самых известных автомобилей является MazdaXedos 9/Eunos800, который выпускался в период 1993-2002 гг. Впоследствии двигатель внутреннего сгорания Аткинсона был принят на вооружение производителями гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот двигатель, является Toyota, которая производит модели Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid. Те же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h, а Ford и Nissan разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid. Надо сказать, что автомобильная промышленность занимает лидирующие позиции в области экологичности. По этой причине гибридные автомобили, работающие по циклу Аткинсона, могут полностью соответствовать потребностям клиентов и экологическим нормам. Более того, прогресс не стоит на месте, новые модификации двигателя Аткинсона улучшают его преимущества и устраняют недостатки. Поэтому можно с уверенностью сказать, что двигатель Аткинсона имеет продуктивное будущее и представляет собой надежду на будущее. Можно сделать вывод, что двигатель с циклом Аткинсона сыграл важную роль в совершенствовании механизма двигателя в будущем. Похоже, что последовательные усовершенствования в конечном итоге приведут двигатель внутреннего сгорания к оптимальному режиму работы.

Эта страница последний раз была отредактирована в 12:12, 5 марта 2020.

Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота

Хотя цикл Аткинсона не имел практического применения в 19 веке, его концепция двигателя была применена в системах привода 21 века. Такие двигатели устанавливаются на некоторые модели гибридных автомобилей Toyota, которые работают одновременно на бензине и электричестве. Следует уточнить, что теория Аткинсона никогда не используется в чистом виде, но новые разработки инженеров Toyota можно назвать двигателями цикла Аткинсона/Миллера, поскольку в них используется стандартный кривошипно-шатунный механизм. Цикл сжатия укорачивается, а цикл рабочего хода удлиняется за счет изменения фаз газораспределения. Двигатели с таким расположением встречаются в автомобилях Toyota:

Prius;
Yaris;
Auris;
Highlander;
Lexus GS 450h;
Lexus CT 200h;
Lexus HS 250h;
Vitz.

Линейка двигателей, использующих систему Аткинсона/Миллера, постоянно расширяется: в начале 2021 года японская компания представит 1,5-литровый четырехцилиндровый двигатель, работающий на высокооктановом бензине, мощностью 111 л.с. и степенью сжатия 13,5:1. Двигатель оснащен фазовращателем VVT-IE, способным переключаться между бензиновым режимом и режимом Аткинсона в зависимости от скорости и нагрузки. С этой силовой установкой автомобиль может разогнаться до 100 км/ч за 11 секунд. Двигатель экономичен, имеет высокий КПД (до 38,5%) и обеспечивает отличное ускорение.

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона

Модифицированный поршневой двигатель Отто, работающий по циклу Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную экономичность, но это достигается ценой меньшей мощности на рабочий объем по сравнению с обычным четырехтактным двигателем. Если потребность в дополнительной мощности носит спорадический характер, мощность двигателя может быть дополнена электромотором, когда требуется большая мощность. Эти электродвигатели могут использоваться независимо от двигателя цикла Аткинсона или в сочетании с двигателем цикла Аткинсона для максимально эффективного производства требуемой мощности. Эта система привода была впервые представлена в Toyota Prius первого поколения в конце 1997 года.

По состоянию на июль 2018 года многие трансмиссии в серийных гибридных автомобилях, например, используют концепции цикла Аткинсона:

Chevrolet Volt
Chrysler Pacifica (передний привод) подключаемая гибридная модель минивэн
Ford C-Max (передний привод / рынок США) гибридные и подключаемые гибридные модели
Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute electric (передний и полный привод) со степенью сжатия 12,4: 1
Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid электрический (передний привод) со степенью сжатия 12,3: 1
Подключаемый модуль Honda Accord Hybrid
Honda Accord Hybrid (передний привод)
Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid
Honda Insight (передний привод)
Honda Fit (передний привод) некоторые двигатели 3-го поколения переключаются между циклами Аткинсона и Отто.
Hyundai Sonata Hybrid (передний привод)
Hyundai Elantra Atkinson-модели цикла
Hyundai Grandeur hybrid (передний привод)
Hyundai Ioniq hybrid, подключаемый гибрид (передний привод)
Hyundai Palisade 3,8 л Лямбда II V6 GDi
Infiniti M35h hybrid (задний привод)
Kia Forte 147 л.с. только бензин 2.0 (передний привод)
Kia Niro hybrid (передний привод)
Kia Optima Hybrid Kia K5 hybrid 500h (передний привод) со степенью сжатия 13: 1
Kia Cadenza Hybrid Kia K7 hybrid 700h (передний привод)
Киа Теллурид 3.8 Лямбда II V6 GDi
Kia Seltos 2.0L (передний привод)
Lexus CT 200h (передний привод)
Lexus ES 300h (передний привод)
Lexus GS 450h hybrid electric (задний привод) со степенью сжатия 13: 1
Lexus RC F (задний привод)
Lexus GS F (задний привод)
Lexus HS 250h (передний привод)
Lexus IS 200t (2016)
Lexus NX hybrid electric (полный привод)
Lexus RX 450h hybrid electric (полный привод)
Lexus LC (задний привод)
Mazda Mazda6 (2013 для 2014 модельного года)
Mercedes ML450 Hybrid (полный привод) электрический
Mercedes S400 Blue Hybrid (задний привод) электрический
Mitsubishi Outlander PHEV (2018 для 2019 модельного года, подключаемый гибридный полный привод)
Renault Captur MK2 (PHEV)
Renault Clio MK5 (HEV)
Renault Mégane MK4 (PHEV)
Subaru Crosstrek Hybrid (2018 на 2019 модельный год, полный привод)
Toyota Camry Hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия 12,5: 1
Toyota Avalon Hybrid (передний привод)
Toyota Highlander Hybrid (2011 г. и новее)
Toyota Prius hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия (чисто геометрической) 13,0: 1
Toyota Yaris Hybrid (передний привод) со степенью сжатия 13,4: 1
Toyota Auris Hybrid (передний привод)
Toyota Tacoma V6 (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
Toyota RAV4 Hybrid (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
Toyota Sienna (2016 для 2017 модельного года, гибридное начало для 2021 модельного года)
Toyota Venza (начало гибрида с 2021 модельного года)
Toyota C-HR Hybrid (2016-настоящее время)