Циклы отто, аткинсона/миллера, дизеля

Устройство двигателей внутреннего сгорания

Разберем устройство и теорию двигателей внутреннего сгорания, рассмотрим из чего состоят и как работают. Приведем основные понятия и термины работы двигателя.Автомобильные двигатели различают: ➤ по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели); ➤ по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе); ➤ по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением; ➤ расположению цилиндров — рядные и V-образные; ➤ по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).Бензиновые – двигатели, работающие на бензине, с принудительным зажиганием. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные и инжекторные системы питания. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.Дизельные — двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.Газовые — двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и не будем их рассматривать. Однако, если переоборудовали машину «на газ», то советую изучить статью «Газобаллонное оборудование».Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания: ➤ кривошипно-шатунный механизм; ➤ газораспределительный механизм; ➤ система питания (топливная); ➤ система выпуска отработавших газов; ➤ система зажигания; ➤ система охлаждения; ➤ система смазки.

Рекомендации по топливу

Проблема двигателей со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное воспламенение. Если это произойдет в неподходящее время и будет слишком энергичным, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти имеют сильно различающиеся точки вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

Склонность сжатой топливной смеси к преждевременному воспламенению ограничивается химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для различных уровней мощности двигателей. Топливо изменяют, чтобы изменить температуру его самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими степенями сжатия, в результате гораздо более вероятно возникновение преждевременного воспламенения, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед преднамеренным воспламенением. Более высокая температура более эффективно испаряет топливо, такое как бензин, что увеличивает эффективность компрессионного двигателя. Более высокая степень сжатия также означает, что расстояние, на которое поршень может толкать для выработки мощности, больше (что называется степенью расширения ).

Октановое число данного топлива является мерой устойчивости топлива к самовоспламенению. Топливо с более высоким числовым октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя из-за преждевременного зажигания. Топливо с высоким октановым числом также дороже.

Многие современные четырехтактные двигатели используют непосредственный впрыск бензина или GDI. В бензиновом двигателе с прямым впрыском сопло форсунки выступает в камеру сгорания. Форсунка прямого впрыска впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к верху.

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с преждевременным зажиганием. Их беспокоит, можно ли начать горение. Описание вероятности возгорания дизельного топлива называется цетановым числом. Поскольку дизельное топливо имеет низкую летучесть, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенными из которых является использование свечи накаливания .

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.

74,29

Похожие новости

Крутящий момент и мощность двигателя. Что важнее? Пару слов про .

Распределенный или непосредственный впрыск (MPI или GDI). Какая .

Добавить комментарий Отменить ответ

Стационарные двигатели

Зажигание свечи зажигания

Двигатели Отто были оснащены механизмами разной конструкции для инициирования искрообразования. Otto – один из первых двигателей, в котором используется свеча зажигания – устройство, вырабатывающее небольшую электрическую искру для воспламенения топливного заряда. Обычно он состоял из поворотного переключающего рычага, который на короткое время захватывает рычаг выключателя питания и быстро его тянет. Затем рычаг переключателя отпускается, и ему дают вернуться в исходное положение для подготовки к следующему циклу. Эта система требует внешнего электрического аккумулятора , катушки зажигания и системы электрического заряда, аналогичной современным автомобильным двигателям.

Позже двигатели Отто использовали небольшой магнето прямо на двигателе. Вместо срабатывания переключателя запальный рычаг свечи зажигания быстро вращает ротор магнето, который затем возвращается в исходное положение под действием натяжения пружины. Такое быстрое вращение катушки магнето создает очень короткий электрический ток, который зажигает свечу зажигания и воспламеняет топливо. Эта конструкция имеет то преимущество, что не требует внешней батареи, и именно так работают современные портативные газовые двигатели, когда магнитная часть магнето встроена в маховик . Современные портативные двигатели возбуждают магнето при каждом вращении маховика, поэтому используйте кулачковый электрический переключатель, чтобы предотвратить зажигание свечи, за исключением рабочего хода двигателя (см. Потерянную искру ).

Регулировка оборотов двигателя

Это демонстрация того, как работает регулировка скорости в двигателе Отто. Вращающиеся шары являются центробежным регулятором , и по мере того, как машина работает медленнее, маленькое колесо перемещается влево, вставляя стержень в ближайший ролик и толкая его вверх, чтобы вызвать забор топлива, чтобы запустить двигатель на один оборот.

Если машина находится под нагрузкой и все еще работает слишком медленно, кулачок продолжает оставаться вставленным и заставляет двигатель запускаться повторно для каждого цикла зажигания. Когда частота вращения двигателя увеличивается, регулятор тянет маленькое колесо вправо, и машина движется по инерции без впрыска топлива, хотя свеча зажигания продолжает гореть без топлива в цилиндре.

Этот метод управления скоростью часто называют методом попадания или промаха, потому что двигатель запускается неправильно (из-за отсутствия топливной смеси) на тех тактах, где двигатель работает быстрее регулируемой скорости, но попадает в ( огонь) при силовых ударах со слишком низкой скоростью. Топливо не используется в тактах с ошибочным зажиганием.

Цилиндр охлаждения

В двигателях Otto используется обтекаемая водяная рубашка вокруг стенки цилиндра, аналогичная современным системам охлаждения двигателя. Стационарные двигатели Отто, представленные на выставке Western Minnesota Steam Threshers Reunion, используют один большой радиатор тепла снаружи здания. Эта централизованная удаленная система отвода тепла также помогает поддерживать прохладу в двигателе.

История изобретения[править | править код]

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мертвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона дает ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.

Во-вторых, меняется степень сжатия. Теоретически онa остается постоянной, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а фактически за счет запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создает условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер (англ. Ralph Miller) смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов.Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создает силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

На гибридных автомобилях

возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius, применяют не двигатель Аткинсона, а его упрощённый аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Следует заметить, что номинальная степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, воздушно-топливная смесь некоторое время выталкивается обратно. Поэтому реальная степень сжатия аналогична классическим ДВС цикла Отто. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов.

Toyota Prius Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на бензине (АИ-95).

Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

Цикл Миллера

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым двигателем Отто. Вместо того, чтобы сделать механически такт сжатия более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска, либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у мотористов носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).

Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива — приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее. Также одним из плюсов цикла Миллера является возможность более широкой вариации времени зажигания без риска детонации, что дает более широкие возможности для инженеров.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся, вместе с размерами двигателя, механические потери (трение, вибрации и т. д.).

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона [ править ]

Hyundai Ioniq гибрид

2010 Ford Fusion Hybrid (Северная Америка)

Хотя модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную эффективность, это происходит за счет более низкой мощности на рабочий объем по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем. Если потребность в дополнительной мощности является прерывистой, мощность двигателя может быть дополнена электродвигателем в периоды, когда требуется больше мощности. Это составляет основу гибридной электрической трансмиссии на основе цикла Аткинсона . Эти электродвигатели могут использоваться независимо от двигателя с циклом Аткинсона или в сочетании с ним, чтобы обеспечить наиболее эффективные средства производства желаемой мощности. Эта трансмиссия впервые была запущена в производство в конце 1997 года на Toyota Prius первого поколения .

По состоянию на июль 2018 года во многих трансмиссиях серийных гибридных транспортных средств используются концепции цикла Аткинсона, например:

• 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 electric (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, plug-in hybrid (передний привод)
• Hyundai Palisade 3.8 L Lambda 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 г.)
• 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 модели 2019 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)

Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота

Хотя цикл Аткинсона не нашел свое практическое применение в 19-м веке, идея его двигателя реализована в силовых агрегатах 21-го столетия. Такие моторы устанавливаются на некоторые модели гибридных легковых автомобилей Тойота, работающих одновременно и на бензиновом топливе, и на электричестве. Нужно уточнить, что в чистом виде теория Atkinson так и не используется, скорее, новые разработки инженеров Toyota можно называть ДВС, сконструированными по циклу Аткинсона/ Миллера, так как в них используется стандартный кривошипно-шатунный механизм. Уменьшение цикла сжатия достигается за счет изменения газораспределительных фаз, при этом цикл рабочего хода удлиняется. Моторы с использованием подобной схемы встречаются на авто компании Toyota:

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

Модельный ряд моторов с реализованной схемой Atkinson/ Miller постоянно пополняется, так в начале 2021 года японский концерн приступил к выпуску 1,5-литрового четырехцилиндрового ДВС, работающего на высокооктановом бензине, обеспечивающего 111 лошадиных сил мощности, со степенью сжатия в цилиндрах 13,5:1. Двигатель оснащен фазовращателем VVT-IE, способным переключать режимы Otto/ Atkinson в зависимости от скорости и нагрузки, с этим силовым агрегатом автомобиль может ускоряться до 100 км/ч за 11 секунд. Движок отличается экономичностью, высоким КПД (до 38,5%), обеспечивает отличный разгон.

История изобретения[править | править код]

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мертвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона дает ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.

Во-вторых, меняется степень сжатия. Теоретически онa остается постоянной, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а фактически за счет запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создает условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер (англ. Ralph Miller) смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов.Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создает силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

На гибридных автомобилях возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius, применяют не двигатель Аткинсона, а его упрощённый аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Следует заметить, что номинальная степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, воздушно-топливная смесь некоторое время выталкивается обратно. Поэтому реальная степень сжатия аналогична классическим ДВС цикла Отто. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов.

Toyota Prius

Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона со сжатием 13:1 на бензине (АИ-95).

Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

Развитие идеи

Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много

В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки

Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.

Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).

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 …

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.

BMW M52

• Установлен в: BMW 3 E36/E46, 5 серии E39, 7-серии E38, Z3
• Годы производства: 1994-2000
• Объем: 1991-2793 см3
• Мощность макс.: 150-193 л.с.
• Срок годности: около 500 тысяч. км

Основные конструктивные особенности:

• – алюминиевый блок
• – двигатель цепной
• – переменные фазы газораспределения (Vanos)
• – 24 клапана
• – 6 цилиндров,
• многоточечный впрыск.

BMW

Популярен и используется во многих моделях BMW. Двигатель прочный и стойко переносит даже серьезное небрежное обращение и расходные материалы или необходимость езды на LPG. Лучший вариантом считается самая мощная, 193 л.с. версия M52B28TU объемом 2.8 л, которая появилась в модельном ряду в 1998 году. Двигатели M52 были доступны как двухлитровые (M52B20, 150 л. с.), так и моторы 2.5 (M52B25, 170 л.с.).

Власть

Энергия, производимая циклом Отто, — это энергия, вырабатываемая в единицу времени. Двигатели Отто называются четырехтактными. Такт впуска и такт сжатия требуют одного оборота коленчатого вала двигателя. Рабочий ход и такт выпуска требуют еще одного поворота. На два оборота приходится один рабочий ход.

Из приведенного выше анализа цикла чистая работа, произведенная системой:

∑ Работазнак равноW1-2+W3-4знак равно(U2-U1)+(U4-U3)знак равно+4-5знак равно-1{\ displaystyle \ sum {\ text {Work}} = W_ {1-2} + W_ {3-4} = \ left (U_ {2} -U_ {1} \ right) + \ left (U_ {4} -U_ {3} \ right) = + 4-5 = -1}

(опять же, используя соглашение о знаках, знак минус означает, что энергия покидает систему в качестве работы)

Если бы используемые единицы были MKS, цикл произвел бы один джоуль энергии в форме работы. Для двигателя определенного рабочего объема, например одного литра, масса газа в системе может быть рассчитана, если двигатель работает при стандартной температуре (20 ° C) и давлении (1 атм). Согласно универсальному закону газа, масса одного литра газа находится при комнатной температуре и давлении на уровне моря:

Mзнак равнопVрТ{\ displaystyle M = {\ frac {PV} {RT}}}

V = 0,001 м 3 , R = 0,286 кДж / (кг · К), T = 293 K, P = 101,3 кН / м 2

M = 0,00121 кг

При частоте вращения двигателя 3000 об / мин происходит 1500 рабочих ходов в минуту или 25 рабочих ходов в секунду.

∑ Работазнак равно1J(кг⋅Инсульт)×0,00121кгзнак равно0,00121JИнсульт{\ displaystyle \ sum {\ text {Work}} = 1 \, {\ text {J}} / ({\ text {kg}} \ cdot {\ text {stroke}}) \ times 0.00121 \, {\ text {kg}} = 0,00121 \, {\ text {J}} / {\ text {stroke}}}

Мощность в 25 раз больше, так как 25 рабочих ходов в секунду

пзнак равно25×0,00121знак равно0,0303JsилиW{\ displaystyle P = 25 \ times 0,00121 = 0,0303 \, {\ text {J}} / {\ text {s}} \; {\ text {или}} \; {\ text {W}}}

Если двигатель многоцилиндровый, результат умножается на этот коэффициент. Если каждый цилиндр имеет разный литражный объем, результаты также умножаются на этот коэффициент. Эти результаты являются произведением значений внутренней энергии, которые были приняты для четырех состояний системы в конце каждого из четырех тактов (два вращения). Они были выбраны только для иллюстрации и, очевидно, имеют невысокую ценность. Замена фактических значений из реального двигателя приведет к результатам, близким к результатам двигателя. Чьи результаты были бы выше, чем у реального двигателя, поскольку в анализе сделано много упрощающих допущений, которые не учитывают неэффективность. Такие результаты привели бы к завышению выходной мощности.