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.
Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям
Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.
Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.
Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.
Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.
Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в кооперации с Daihatsu. Степень сжатия тут пониже (11,5:1), но у его предшественника (1KR-FE) было 10,5. Японцы утверждают, что одна только замена прежних моторов на новые принесёт экономию топлива в 10%. А в сочетании с несколькими другими мерами (вроде системы start/stop) — до 15% (с двигателем 1.3) и до 30% (с 1.0).
Цикл и двигатели Аткинсона
В автомобилестроении уже более века используют двигатели внутреннего сгорания.Речь идет о странных и особенных «движках» — моторах с циклом Аткинсона.
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.
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. Принцип работы цикла Аткинсона 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.
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.
Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800, которая выпускалась в 1993-2002 годы. 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.
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.