Существует ли существенная разница в рабочих циклах ДВС (Отто, Аткинсон, Миллер)?
Двигатель внутреннего сгорания является сердцем автомобиля. Первый ДВС, имеющий близкую конструкцию к представлению о современном автомобильном двигателе, был построен в 1860 году и его рабочая мощность была всего 11,97 л. с. или 8.8 кВт. Первый же двигатель, который был установлен на мотоцикл (а после и на авто), создали немецкие инженеры Г. Даймлер и В. Майбах. Первым обладателем этого движка стал мотоцикл Даймлера.
С тех пор ДВС были неоднократно модифицировались, за исключением только их базовой идеи. Современная индустрия машиностроения пытается усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания путем повышения коэффициента полезного действия. Даже сейчас часть топлива тратится впустую. При этом, важно сохранить высокую производительность.
Следовательно, существует 15 различных циклов работы двигателя. Комбинируя различные конструкции и принципы работы устройств, инженеры пытаются создать ДВС близкий к идеалу. Так или иначе, наиболее распространены три цикла работы мотора, они хорошо известны как: цикл Отто, цикл Миллера, цикл Аткинсона.
Двигатель работающий по циклу Отто, установлен более чем на половине автомобилей. После него, идут дизельные моторы. Принцип функционирования этого ДВС построен в 4 такта, которые прекрасно известным всем водителям, а именно: впуск/сжатие/рабочий ход/выпуск отработанных газов.
Двигатель, работающий по циклу Aткинсона оказался эффективным за счет более сложной конструкции. Однако это наградило его большими габаритными, низким крутящим моментом (что особенно заметно на малых оборотах) и вызвало проблемы в работе дросселя. Моторы Аткинсона были незначительно изменены и применяются на гибридных авто, однако все еще являются единичным случаем, то есть не имеют широкого распространения.
Двигатель Миллера — это попытка совместить достоинства двух предыдущих циклов работы. При этом при конструировании был сделан упор на такт сжатия за счет такта впуска. В данном случае, КПД двигателя вырос и, следовательно, снизился расход топлива, сохранена конструкция двигателя Отто, двигатель довольно тихий. Но главный минус — это низкая мощность, что особенно заметно на высоких оборотах. ДВС современных авто прекрасно работают по циклу Миллера, так же применим на гибридных автомобилях компании Toyota. SKYACTIV отличный пример движка работающего по принципу Миллера только на низких оборотах, а уже на высоких оборотах по циклу Отто.
При покупке автомобиля, цикл работы двигателя не играет существенной роли. Скорее всего вы купите, или уже обладаете авто, двигатель которого работает в цикле Отто. От него отталкивались многие инженеры и в последующем. Если у вас авто-гибрид, то работает мотор по принципу Миллера. Тут не стоит брать во внимание дизельной ДВС, который имеет свои уникальные особенности.
Цикл Отто, Аткинсона/Миллера … SKYACTIVE и SOHC i-VTEC
Привычный двигатель ДВС работает по Циклу Отто. Выделяется 4 такта: впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Аткинсон взял за основу циклы Отто, но оптимизировал их, фактически он удлинил такт рабочего хода, за счет сложного кривошипно-шатунного механизма. Все 4 такта происходили за один оборот коленчатого вала. Такие двигатели получились эффективными с высоким КПД, с маленьким расходом. Но основной недостаток был низкий крутящий момент на низких оборотах и такой двигатель плохо регулируется дросельной заслонкой (двигатели с таким приципом действия получили широкое распространение среди гибридных, т.к. электромотор обеспечивал высокий крутящий момент и компенсировал с лихвой все недостатки, но двигатель Аткинсона применялся не в чистом виде, а только его идея).
Позже на основе двигателя Аткинсона появился двигатель с циклами Миллера. Фактически идея та же самая, но все это реализовано на классическом поршневом двигателе с обычным КШМ (который применяется и при цикле Отто) за счет системы Фаз газораспределения.
Впускной клапан закрывается позже окончания такта впуска. Данный подход у двигателистов носит условное название «укороченного сжатия». В конечном счете данный подход дает снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).
Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии (она частично выталкивается во впускной коллектор). Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра.
Данный принцип впервые применила компания Мазда на Автомбилях Хедокс 9 и Миления. Что бы при всей своей эффективность не потерять мощность, двигатель использовался не в атмосферном варианте, а с механическим нагнетателем.
В 2012 году Мазда вывела в свет новую технологию СкайАктив. По фату это комплексный подход к автомобилю строению: Двигатель, трансмиссия, ходовая и Кузов.
В частности что касается двигателей, то двигатели для более высокой эффективности стали работать с запредельной степенью сжатия (13:1, 14:1). Чтобы избежать детонации при обычном 95 бензине, инженера предприняли ряда мер: это ионные датчики в катушках зажигания, непосредственный впрыск с давлением 200бар, спортивный выпускной коллектор 4-2-1. Двигатель стал работать по двум цикламм: на низких нагрузках по циклу Аткинсона (фактически Миллера), в котором фактическая степень сжатия ниже геометрической и более эффективное КПД (считай расход и теплонагруженность), и цикл Отто на средних и высоких нагрузках, где фактическая степень сжатия равна геометрической и довольно высокая относительно всего автопрома. Достигается данный эффект за счет системы изменения фаз газораспределения (в Мазде применяется гидравлический фазовращатели на выпуске и элетронные на впуске)
Но существует и другой пример, который я до конца не уверен по какому циклу работает www.drive2.ru/l/7543335/. Но всего скорее речь идет о том же цикле Миллера. Это Хондовский мотор серии R18, R20 SOHC i-VTEC.
Фактически на низких оборотах в данных двигателях клапан после впуска какое то время остается открытым (за счет системы i-VTEC), топливно воздушная смесь полностью заполняет цилиндр и частично выдавливается обратно. Всё это дело происходит при полностью открытой дросельной заслонке, за счет чего минимизируются насосные потери. Фактически впуском полностью управляет система SOHC i-VTEC через электронную педаль акселератора. Получается КПД двигателя на низких оборотах очень высокое, двигатель работает максимально эффективно. Прироста момента на низах как такого нет, но за счет снижения топливных и насосных потерь и равномерного заполнения камеры сгорания двигатель на низких оборотах работает ровно и легко, при этом очень экономично. После того как двигатель выходит из зоны Втэка, а это выше 3500 об/мин он работает в обычном режимме Отто, с фактической и геометрической стандартной степенью сжатия. Она не такая высокая как в моторах СкайАктив, соответсвенно значение мощности и момента (КПД в целом) на высоких оборотах меньше чем в моторах СкайАктив (речь идет не о пиковых значениях).
Цикл ОТТО. АТКИНСОНА. МИЛЛЕРА. Что это, какие есть различия в работе ДВС
Двигатель внутреннего сгорания очень далек от идеала, КПД бензинового варианта в лучшем случае достигает 20 – 25%, дизельного 40 – 50% (то есть остальное топливо сжигается почти в пустую). Чтобы повысить эффективность (соответственно увеличить коэффициент полезного действия) требуется улучшить конструкцию мотора. Над этим бьются многие инженеры, и по сей день, но первыми были всего несколько инженеров, таких как Николаус Август ОТТО, Джеймсом АТКИНСОНОМ и Ральфом Миллером. Каждый вносил определенные изменения, и пытался сделать моторы более экономичными и производительными. Каждый предлагал определенный цикл работы, который мог кардинально отличаться от конструкции оппонента. Сегодня я постараюсь простыми словами, объяснить вам какие основные различия есть в работе ДВС, ну и конечно видео версия в конце …
СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ
Статья будет написана для новичков, так что если вы искушенный инженер, можете ее не читать, написана для общего понимания циклов работы ДВС.
Также хочется отметить, что вариаций различных конструкций очень много, самые известные которые мы еще можем знать, цикл ДИЗЕЛЯ, СТИРЛИНГА, КАРНО, ЭРИКСОННА и т.д. Если посчитать конструкции, то их может набраться около 15. И не все двигатели внутреннего сгорания, а например, у СТИРЛИНГА внешнего.
Но самые известные, которые применяются и по сей день в автомобилях, это ОТТО, АТКИНСОН и МИЛЛЕР. Вот про них и будем говорить.
Цикл ОТТО
По сути это обычный тепловой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечу) который применяется сейчас в 60 — 65% автомобилей. ДА – да, именно тот, который у вас стоит под капотом, работает по циклу ОТТО.
Однако если копнуть в историю, первым принцип такого ДВС предложил в 1862 году французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Но это был теоритический принцип работы. ОТТО же в 1878 году (спустя 16 лет) воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал эту технологию
По сути это четырехтактный мотор, которому свойственны:
- 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
Хочется отметить, что впускные и выпускные клапана, работают в строгой последовательности – ОДИНАКОВО при высоких и при низких оборотах. То есть изменения работы при различных оборотах не наблюдается.
В своем двигателе ОТТО первый применил сжатие рабочей смеси, для поднятия максимальной температуры цикла. Которое осуществлялось по адиабате (простыми словами без теплообмена с внешней средой).
После сжатия смеси, она воспламенялась от свечи, после этого начинался процесс отвода тепла, который протекал практически по изохоре (то есть при постоянном объеме цилиндра двигателя).
Цикл АТКИНСОНА
Так как ОТТО запатентовал свою технологию, ее промышленное использование было не возможным. Чтобы обойти патенты Джеймс Аткинсон в 1886 году, решил модифицировать цикл ОТТО. И предложил свой тип работы двигателя внутреннего сгорания.
Он предложил изменить соотношение времен тактов, благодаря чему рабочий ход был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунной конструкции. Нужно отметить что тестовый экземпляр который он построил, был одноцилиндровый, и не получил большого распространения из-за сложности конструкции.
Если в двух словах описать принцип работы этого ДВС, то получается:
Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск) – происходили за одно вращение коленчатого вала (у ОТТО вращений — два). Благодаря сложной системе рычагов, которые крепились рядом с «коленвалом».
В этой конструкции получилось реализовать определенные соотношения длин рычагов. Если сказать простыми словами — ход поршня на такте впуска и выпуска БОЛЬШЕ, чем ход поршня в также сжатия и рабочего хода.
Что это дает? ДА то, что можно «играться» степенью сжатия (меняя ее), за счет соотношения длин рычагов, а не за счет «дросселирования» впуска! Из этого выводится преимущество цикла АКТИНСОНА, по насосным потерям
Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.
Однако отрицательных моментов также было много:
- Сложность и громоздкость конструкции
- Низкий крутящий момент на низких оборотах
- Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то (карбюратор или инжектор)
Ходят упорные слухи, что принцип АТКИНСОНА использовался на гибридных автомобилях, в частности компании TOYOTA. Однако это немного не правда, там использовался только его принцип, а вот конструкция применялась другого инженера, а именно Миллера. В чистом виде моторы АТКИНСОНА скорее имели единичный характер, чем массовый.
Цикл МИЛЛЕРА
Ральф Миллер также решил поиграться со степенью сжатия, в 1947 году. То есть он как бы продолжит работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный ДВС ОТТО.
Что он предложил. Он не стал делать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как предлагал Аткинсон, у него поршень движется быстрее вверх, чем вниз). Он придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршней вверх и вниз одинаковым (классический мотор ОТТО).
Можно было пойти двумя способами:
- 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 итоге, оба принципа дают одно и тоже – уменьшение степени сжатия, рабочей смеси относительно геометрической! Однако сохраняется степень расширения, то есть такт рабочего хода сохраняется (как в ДВС ОТТО), а такт сжатия как бы сокращается (как в ДВС Аткинсона).
Простыми словами — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.
Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.
Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.
На современных моторах
Так в чем же разница?
Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:
ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей
АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.
ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.
МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой
В чистом виде сейчас практически не применяется.
МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.
Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.
ПЛЮСЫ — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.
МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).
Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи фазовращателей). Так двигатель SKYACTIV, на низких оборотах работает по принципу МИЛЛЕРА, а на высоких по принципу ОТТО. В чистом виде МИЛЛЕР (однако, почему то он называется АТКИНСОН) работает на гибридах ТОЙОТА.
Сейчас видео версия смотрим
НА этом я заканчиваю, думаю было полезно и интересно. Рассказывайте своим друзьям (кидайте им ссылку на статью или видео), будет еще много интересных материалов. ИСКРЕННЕ ВАШ, АВТОБЛОГГЕР.
(40 голосов, средний: 4,40 из 5)
В чем разница цикла Отто, Аткинсона и Миллера
Многие привыкли делить двигатели на бензиновые и дизельные. В последнее время широко применяется газовое оборудование. Но мировые лидеры автомобильной промышленности переходят, если не на полностью электрифицированные варианты, то на гибридные версии, комплектуемые силовыми установками, работающими по циклу Аткинсона. Какие принципиальные отличия имеют агрегаты?
Самые обычные двигатели внутреннего сгорания в 80% случаев осуществляют работу по циклу Отто. Nikolaus August Otto – немецкий инженер, который в 1878 году изобрел принцип работы ДВС. Это четыре такта: впуск, сжатие, воспламенение в верхней мертвой точке и рабочий ход поршня, выпуск. Отто получил патент на свои разработки, и для их использования нужно было заплатить определенную сумму денег.
Многие инженера пытались создать альтернативу. Первый, кому удалось это сделать, был Джеймс Аткинсон. В 1886 году он предложил свой вариант работы двигателя, который, по его мнению, был более эффективный и работал при меньшей степени сжатия, издавая меньший шум. Также немаловажным был сниженный расход топлива. При всех этих преимуществах силовая установка имела достаточно сложную структуру. Поршень имел четыре точки опоры, в отличие от одной в версии Отто. Двигатель также использовал такт впуска, далее следовало воспламенение, затем поршень шел вверх и совершался рабочий ход, после чего осуществлялся выпуск отработанных газов. Примечательно то, что все 4 такта проходили за один оборот коленчатого вала, у традиционного мотора это происходит за два оборота. Еще одной проблемой были большие габариты силовой установки. По ряду причин двигатель Аткинсона не пошел в серийное производство.
В 1947 году Американский инженер Ральф Миллер изобрел свою модификацию ДВС, путем синхронизации рабочих схем моторов Отто и Аткинсона. Он взял принцип пониженной степени сжатия и интегрировал его в собственные разработки. Так как ранее на технологию уже был получен патент, многие называют рабочую схему – Миллера-Аткинсона. В момент сжатия в первых двух двигателях, когда поршень двигается вверх, оба клапана закрыты, при этом создается очень высокое давление. У Миллера в этот момент впускной клапан немного приоткрывается, и какая-то часть воздушно-топливной смеси уходит во впускной коллектор. Данный принцип основан на предположениях того, что поршень на такте сжатия идет с меньшим сопротивлением, уменьшая насосные потери и улучшая геометрию сжатия смеси, и в последствие, исключая ее детонацию. К плюсам можно отнести еще более экономичный расход топлива. Слабой стороной является снижение мощности при высоких оборотах из-за худшего наполнения цилиндров. В современных двигателях все чаще применяются данные технологии.