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 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.
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.
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.
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.
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
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?
Николаус Отто, инженер из Германии, предложил в 1876 году цикл, состоящий из:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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 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
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
Маркетологи компании Mazda в свое время преподносили двигатель Скайактив сродни технологическому прорыву. За годы установки агрегатов на CX-5, Mazda 3, 6, CX-3, CX-9 покупатели убедились, что технология Skyactiv не уменьшает ресурс двигателя и не приносит каких-либо серьезных проблем. Но можно ли считать принцип работы чем-то новым в мире двигателестроения? Рассмотрим основные особенности устройства и работы моторов на основе цикла Аткинсона-Миллера.
Цикл Миллера наиболее близок идейно к термодинамическим процессам, на которых построен принцип работы бензиновых двигателей серии Скайактив. Задумывая создать симбиоз преимуществ цикла Аткинсона с обычным поршневым механизмом двигателя Отто, Ральф Миллер предложил увеличить геометрическую степень сжатия за счет уменьшения фазы впуска. Для этого, по задумке инженера, нужно было либо закрывать впускной клапан задолго до подхода поршня к НМТ на такте впуска, либо открывать позже начала такта.
Особенность работы моторов Skyactiv заключается в позднем закрытии впускных клапанов. Это значит, что когда поршень уже движется к ВМТ на такте сжатия, впускные клапаны еще находятся в открытом состоянии, поэтому часть поступившего в цилиндры заряда выталкивается обратно во впускной коллектор. Ограничивая фазу впуска, мы получаем возможность снизить давление в цилиндре на подходе поршня к ВМТ, увеличив при этом геометрическую степень сжатия двигателя.
Заявленная степень сжатия моторов Mazda серии Skyactiv – 14:1, что довольно много, если учитывать среднестатистические характеристики ДВС цикла Отто (9-12:1, в зависимости от степени форсировки). Но в рекламных брошюрах часто не вдаются в подробности и не указывают, что речь идет о геометрической степени сжатия. Соотношение 14:1 показывает, во сколько раз объем надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в НМТ больше объема камеры сгорания. Но для работы двигателя гораздо важнее фактор фактической степени сжатия. Он показывает кратность превосходства объема надпоршневого пространства после закрытия впускных клапанов к объему камеры сгорания.
За счет того, что впускные клапаны моторов Скайактив закрываются с большим запозданием и часть ТПВС выталкивается обратно во впуск, фактическая степень сжатия приближается к 11-12:1. Эти показатели хоть и довольно высокие для бензиновых моторов, но не являются чем-то сверхординарным в современном мире двигателестроения.
Для предотвращения разрушительных последствий детонации принимается целый комплекс мер, среди которых:
непосредственный впрыск топлива в цилиндры и деление фазы впрыска на несколько стадий. Модернизированная топливная система двигателей Skyactiv-G позволила поднять давление впрыска до 200 бар. Высокоточные форсунки впрыскивают бензин в жидкой фазе, что позволяет охладить камеру сгорания;
Главное преимущество использования модифицированного цикла Аткинсона-Миллера – более эффективное преобразование энергии расширяющихся газов в цилиндре. За счет большей геометрической степени сжатия на такте рабочего хода поршень под действием выхлопных газов преодолевает большее расстояние, что и повышает тепловую эффективность мотора. Проблема ДВС цикла Отто в том, что увеличивая рабочий ход, мы увеличиваем и ход поршня на такте сжатия, что неминуемо приводит к чрезмерному повышению давления и возникновению детонации. Фактическая степень сжатия такого двигателя ограничивается детонационной стойкостью топлива.
В моторе Skyactiv-G эта проблема решается поздним закрытием выпускных клапанов. В итоге при одинаковой степени сжатия ТПВС мы имеем большую степень расширения (газы дольше толкают поршень к НМТ). Именно таким образом достигается повышение КПД.
Побочный эффект такого принципа работы – потеря пиковой выходной мощности. Двигатель Skyactiv-G крайне экономичен, но из-за ухудшения наполняемости цилиндров в режиме средних и низки оборотов моторы имеют меньшую удельную мощность. Именно поэтому атмосферные двигатели Mazda при схожих мощностных характеристиках с турбированными ДВС цикла Отто имеют больший объем, что сказывается на размерах и массе блока цилиндров, ЦПГ, шатунов, коленчатого вала. Установка механического нагнетателя – один из способов решения данной проблемы.
Стоит отметить, что по циклу Аткинсона-Миллера мотор Skyactiv-G работает только в режимах низких, средних оборотов и малой нагрузке. В остальном диапазоне его принцип работы не отличается от привычных ДВС цикла Отто.
Для современных ДВС цикла Дизеля характерна степень сжатия порядка 16-18:1. В силовых агрегатах Skyactiv-D конструкторы пошли путем уменьшения соотношения к 14:1. Снижение давление в цилиндре в конце такта сжатия позволило раньше впрыскивать топливо, что способствует лучшему перемешиванию дизеля с разогретым от сжатия воздухом. За счет раннего впрыска повышается степень расширения газов, что позволяет эффективней преобразовывать тепловую энергию в механическую.
Для улучшенного холодного запуска разжатые дизельные двигатели оборудуются усовершенствованными свечами накаливания. В режиме прогрева система гибкого управления выпускными клапанами позволяет подмешивать на такте впуска некоторое количество выхлопных газов.
Для повышения мощности и крутящего момента моторы Skyactiv-D, построенные на базе турбодизеля MZR-CD, оборудуются двойным турбонаддувом. Маленькая и большая турбины дают прибавку в тяге как на низких, так и на высоких оборотах. Увеличить мощность и снизить расход топливо удалось еще и за счет уменьшения механических и гидравлических потерь. Снижение степени сжатия заметно уменьшает нагрузку на детали двигателя. Благодаря эффективному сгоранию топливной смеси инженеры Мазда не спешат устанавливать каталитические нейтрализаторы, систему AdBlue.
neauto.ru
 Toyota Prius Бензиновый 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. |
 |
Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-х-тактного двигателя внутреннего сгорания.
Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном.
В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Николауса Отто.
В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. 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».1-й такт: фаза всасывания смеси бензина и воздуха увеличена за счёт закрытия впускного клапана с небольшим регулируемым запаздыванием, когда поршень уже прошёл нижнюю мертвую точку и начал уменьшать надпоршневой объём. Часть смеси начинает выбрасываться обратно во впускной коллектор. К моменту закрытия клапана в надпоршневом объёме оказывается необходимое точное количество смеси.
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.
Цикл Otto
Wikimedia Foundation. 2010.
Двигатель Стирлинга — Двигатель Стирлинга … Википедия
Двигатель Стрерлинга — Роберт Стирлинг Двигатель Стирлинга тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания. Содержание 1 История 2 Описание … Википедия
Цикл Аткинсона — Термодинамические циклы … Википедия
Поршневой двигатель внутреннего сгорания — 4 тактный цикл двигателя внутреннего сгорания Такты: 1. Всасывание горючей смеси. 2. Сжатие. 3. Рабочий ход. 4. Выхлоп. Двухтактный цикл. Такты: 1. При движении поршня вверх сжатие топливной смеси в … Википедия
Поршневой авиационный двигатель — 4 тактный цикл двигателя внутреннего сгорания Такты: 1.Всасывание горючей смеси. 2.Сжатие. 3.Рабочий ход. 4.Выхлоп. Двухтактный цикл. Такты: 1. При движении поршня вверх сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего… … Википедия
Toyota Prius — Toyota Prius … Википедия
Toyota prius — на викискладе … Википедия
Приус — Toyota Prius Toyota Prius на викискладе … Википедия
Цикл Миллера — Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения … Википедия
Джобс, Стив — Стив Джобс Steve Jobs … Википедия
dic.academic.ru
