Двигатель работающий по циклу аткинсона что это
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 июня 2019; проверки требуют 24 правки.
Цикл Аткинсона – модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания.
Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для обхода патентов Николауса Отто.
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.
Анимация работы двигателя по циклу Аткинсона (US Patent US367496A).
Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в двигателе Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требовалось редуктора, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Однако, такой двигатель плохо регулируется дроссельной заслонкой и на низких оборотах выдаёт сравнительно малый момент. Кроме того, в нём значительно усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма. Существовали и другие разновидности двигателя Аткинсона: двигатели со встречно движущимися поршнями, двигатели с одним поршнем и двумя коленчатыми валами.
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.
Ссылки[править | править код]
- HYBRIDs.ru
- КРУГОВОРОТ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДЕ
- Что такое двигатель Миллера
- Зачем менять фазы газораспределения
- Двигатель Аткинсона, принцип работы, конструкция
См. также[править | править код]
- Цикл Миллера
Примечания[править | править код]
Источник
Главная Как это работает Двигатель Бензиновый двигатель Основные виды моторов Цикл Аткинсона: как это работает
Цикл Аткинсона: как это работает
3246
26
Цикл Аткинсона: как это работаетВ 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 цикла Аткинсона
Принцип работы цикла Аткинсона
Отличие от традиционных двигателей
Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
История создания цикла 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.
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.Цикл Аткинсона: как это работает
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.
Отличие от традиционных двигателей
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.
Цикл Аткинсона: как это работаетВернемся 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.
Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
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. Цикл Аткинсона: как это работает
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.
Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
Цикл Аткинсона: как это работаетКстати, о машинах, на которые ставят аткинсоновские двигатели. В массовом выпуске эта модификация ДВС появилась не так давно. Как было сказано ранее, первыми пользователями цикла Аткинсона были японские фирмы Mazda и Toyota. 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. Цикл Аткинсона: как это работает
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.
Источник
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».
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.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
*
data-matched-content-ui-type=”image_sidebyside” data-matched-content-rows-num=”4,2″ data-matched-content-columns-num=”1,2″
Источник
00 07 ноября 2014 в 11:22 | ML
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:
Источник