Цикл аткинсона: Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ

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.

В цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного. Так фактическая степень сжатия смеси оказывается ниже, чем геометрическая. А вот расширение происходит полное. В результате удаётся лучше использовать энергию горячих газов и выбрасывать меньше полезного тепла в выхлопную трубу. Правда, для корректной работы такого цикла на разных нагрузках и оборотах не обойтись без фазовращателей.

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.

На рисунке показаны выпускной коллектор новой «четвёрки» и вихрь на впуске, который генерируется специально подобранной формой впускных каналов.

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.

Интересно, что мотор 1.8 2ZR-FXE на нынешнем Приусе показывает тепловой КПД 38,5% при степени сжатия 13:1. Но то агрегат, специально созданный под гибридную систему, которая может уравновесить недостатки цикла Аткинсона (скажем, неустойчивость работы на малых оборотах).

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).

Мы полагаем, что улучшенный литровый агрегат после запуска на поток достанется новому малышу Aygo, а заодно и его собратьям Peugeot 108 и Citroen C1. Наверняка его подарят и обновлённому Ярису.

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.

Двигатель Аткинсона, принцип работы, конструкция

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 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.

Toyota показала новый мотор 1.5, работающий по циклам Отто и Аткинсона — Авторевю

На польском заводе Toyota Motor Industries Poland в Ельч-Лясковице начали производство нового бензинового двигателя объемом 1,5 литра. Уже известно, что им будет оснащаться обновленный хэтчбек Toyota Yaris, который покажут в марте на Женевском автосалоне, хотя впоследствии он появится и на других моделях. Агрегат придет на смену мотору 1NR-FE объемом 1,33 литра, который в России известен по базовым версиям седана Toyota Corolla.

Toyota Vitz для японского рынка после рестайлинга. Так же будет выглядеть обновленный Yaris

Двигатель входит в новое семейство ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficiency) с повышенной термической эффективностью, хотя заявленный КПД 38,5% все-таки ниже, чем у мотора 1.8, которым оснащается нынешний Prius (40%). Двигатель проектировали в расчете на новые нормы Евро-6C и сертификацию по требованиям RDE с ездовым циклом испытаний, приближенных к реальной эксплуатации. Новый мотор развивает максимальную мощность 110 л.с., пиковый крутящий момент — 136 Нм при 4400 об/мин (против 99 л.с. и 125 Нм ранее). Это даст прибавку в динамике при заметно улучшенной экономичности: в ныне используемом цикле NEDC выигрыш достигает 12%.

Все это заслуга нового рабочего процесса. Изменена форма камеры сгорания (другими сделаны поршни), степень сжатия доведена до 13,5:1 (почти как у моторов Mazda Skyactiv), а в разных режимах двигатель переключается между циклами Отто и Аткинсона. Под нагрузкой он работает как Отто-мотор, а в переходных режимах — по циклу Аткинсона с поздним закрытием впускных клапанов. Ради этого тойотовцы внедрили новый вариант системы изменения фаз газораспределения VVTi-E с расширенным диапазоном работы. Также введена система рециркуляции отработавших газов, причем впервые на Тойоте использован выпускной коллектор с жидкостным охлаждением.

Это позволяет снизить температуру в камере сгорания, увеличить степень сжатия без возникновения детонации и уменьшить выбросы окислов азота NO_x.

Любопытно, что в Японии с 2014 года выпускают похожий двигатель, работающий по циклу Аткинсона: речь о версии мотора объемом 1,33 литра с индексом 1NR-FKE, которым оснащаются хэтчбеки Vitz. Он также имеет степень сжатия 13,5:1, оснащен системами изменения фаз газораспределения VVTi-E и рециркуляции отработавших газов, но выпускной коллектор у него обычный, без охлаждения.

Analysis of constructions providing the maximum thermodynamic effectiveness of reciprocating engines | Khripach

In the article there is carried out the analysis of various concepts of gasoline internal combustion engines with prolonged expansion of reaction mass used for improving economic and environmental factors. There is considered classic concept of Atkinson cycle, Otto-Atkinson and Atkinson-Miller schemes and also discussed measures to improve the combustion process.

Одним из перспективных направлений улучшения основных показателей автомобильных бензиновых двигателей, особенно экономических и экологических, является оптимизация рабочего процесса за счет применения цикла с продолженным расширением рабочего тела. Впервые такой цикл был реализован в дифференциальном газовом двигателе Дж. Аткинсона в 1884 году [1], эскиз которого показан на рисунке 1. Двигатель Аткинсона не получил однако широкого распространения из-за сложной кинематической схемы силового механизма и пониженных энергетических показателей по сравнению с обычным двигателем сопоставимых размеров, работающим по классическому циклу Отто (с подводом тепла при постоянном объеме). Рисунок 1 — Дифференциальный газовый двигатель Аткинсона: D = 148 мм; S = 88 мм на такте сжатия и 160 мм на такте расширения; Ре = 4,15 кг/см2 Позже, в 1947 году Р. Миллер предложил другой путь реализации цикла с продолженным расширением – за счет задержки закрытия впускного клапана, наддува и промежуточного охлаждения сжатого воздуха [2]. Он использовал позднее закрытие впускного клапана для уменьшения эффективной степени сжатия εс (делая ее заметно меньше геометрической степени сжатия), чтобы устранить повышенную склонность двигателя к детонации при наддуве. При этом для достижения высокой топливной экономичности использовалась высокая степень расширения εp, поскольку термический кпд двигателя определяется, вообще говоря, не степенью сжатия, а степенью расширения рабочего тела [3, 4], которая в обычном двигателе, как правило, равна степени сжатия. В последние годы, в связи с разработкой технологий регулируемого клапанного привода [5] регулируемой степени сжатия [6], а также гибридных энергетических установок [7] снова возрождается интерес к концепции бензинового двигателя с продолженным расширением. Использование механизмов регулирования движения клапанов и/или степени сжатия представляет благоприятные возможности для реализации разных концепций двигателя с продолженным расширением рабочего тела. Настоящая работа проведена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации и посвящена анализу некоторых современных концепций двигателей с продолженным расширением с целью выбора наиболее приемлемой для реализации в серийных двигателях. 1. Классическая концепция Классический подход осуществления цикла с продолженным расширением в поршневом двигателе заключается в применении специального механизма преобразования движения между коленчатым валом и поршнем, который позволяет иметь более продолжительные такты расширения и выпуска по сравнению с тактами впуска и сжатия. Впервые такая схема была реализована Дж. Аткинсоном. Модифицированная схема Аткинсона применена университетом г. Калгари (Канада) на экспериментальном одноцилиндровом двигателе, построенном на базе двигателя Honda GX160K1 рабочим объемом 163 см3, D x S = 68 х 45 мм, со степенью сжатия 8,5 и воздушным охлаждением [8]. Эскиз двигателя показан на рисунке 2. В экспериментальном двигателе использован ряд компонентов серийного двигателя, в том числе поршни, распределительный вал, толкатели, клапаны, головка цилиндров. Рисунок 2 — Эскиз опытного двигателя университета Калгари с продолженным расширением Распределительный вал приводится от коленчатого вала цепью с передаточным отношением 1:1, так как двигатель с продолженным расширением совершает четырехтактный цикл за один оборот коленчатого вала. Нижняя часть серийного двигателя изменена для адаптации рычажного механизма преобразования движения. В отличие от классического двигателя Аткинсона отношение степени расширения к степени сжатия можно изменять поворотом эксцентрика D на 40 градусов. Это обеспечивает изменение степени продолженного расширения от 1,0 до 1,9, а эффективной степени сжатия – от 6,85 до 13,02. Диаграмма, приведенная на рисунке 3, дает представление о законе движения поршня при разной степени продолженного расширения . Потенциал этой концепции был изучен в большей степени теоретически, чем экспериментально. Расчетный анализ, в частности, показал, что по сравнению с обычным двигателем экспериментальный обеспечивает снижение расхода топлива на 21-24% на малых нагрузках и до 10% на средних нагрузках. Эффект достигнут благодаря устранению дроссельных потерь на частичных нагрузках, снижению (на 10%) потерь на трение и повышению термического КПД. Энергетические показатели двигателя не оценивались. Предсказанное расчетами снижение потерь на трение и снижение расхода топлива (на холостом ходу) подтверждено стендовыми испытаниями двигателя. Рисунок 3 — Закон движения поршня опытного двигателя университета Калгари с продолженным расширением: — — — — σ = 1,0; ——— σ = 2,2; угол поворота 0 град. соответствует концу сжатия — началу расширения С другой стороны, принятая кинематическая схема механизма преобразования движения увеличила на 30-64% инерционную нагрузку на поршень, а также усложнила балансировку механизма преобразования по сравнению с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В целом реализация классической концепции в современном двигателе остается проблематичной из-за повышенной инерционности механизма регулирования степени сжатия/расширения и проблем его производственной совместимости с выпускаемыми сегодня обычными двигателями. 2. Схема Отто-Аткинсона Другая концепция двигателя с продолженным расширением, условно названная схемой Отто-Аткинсона, исследовалась теоретически и экспериментально компанией «Форд» [9]. Двигатель работает по обычному циклу Отто на полной нагрузке для обеспечения высоких энергетических показателей и по циклу Аткинсона на частичных нагрузках для уменьшения расхода топлива. При работе по циклу Аткинсона степень расширения больше, чем степень сжатия. В экспериментальном двигателе это достигнуто за счет увеличения геометрической степени сжатия/расширения и применения позднего закрытия впускного клапана. Основная идея этой схемы – улучшить топливную экономичность двигателя на частичных нагрузках не только за счет устранения потерь термического кпд, связанных в обычном двигателе с применением неоптимальной степени сжатия/расширения, но и за счет устранения насосных потерь, связанных с дросселированием впуска. Как известно, увеличение степени расширения (путем увеличения степени сжатия) позволяет повысить термический кпд, однако степень сжатия обычного бензинового двигателя приходится ограничивать, чтобы исключить детонацию при работе с полностью открытым дросселем [10]. В экспериментальном двигателе «Форд» с продолженным расширением, созданном на базе бензинового двигателя рабочим объемом 1,6 л, степень сжатия/расширения регулировалась поршнем с подвижным днищем в диапазоне от 9,3 до 16,0 в зависимости от нагрузки. В двигателе были применены также распределительные валы с подвижными кулачками, чтобы контролировать нагрузку без дросселирования. Задержка закрытия впускного кулачка и открытия выпускного кулачка позволяли уменьшить насосные потери и увеличить уровень внутренней рециркуляции ОГ (и соответственно индикаторный кпд) благодаря разбавлению стехиометрической смеси. Максимальное смещение впускного кулачка достигало 80 град. поворота коленчатого вала (п.к.в.). Математическое моделирование экспериментального двигателя позволило выбрать оптимальную стратегию регулирования степени сжатия и фазирования кулачков и показало потенциальную возможность уменьшения удельного эффективного расхода топлива до 16% в диапазоне средних эффективных давлений от 2,0 до 5,5 бар. Стендовые испытания экспериментального двигателя в диапазоне 1500-2500 мин-1, работающего с теми же законами регулирования степени сжатия и фаз газораспределения, подтвердили прогнозируемое расчетами улучшение топливной экономичности, а также показали возможность значительного уменьшения выбросов NOx и СО. Вместе с тем, отмечен рост выбросов СН на малых нагрузках на 55-58% из-за увеличения щелевых объемов камеры сгорания и повышения максимального давления цикла. Результаты экологических испытаний показаны на рисунке 4. Рисунок 4 — Изменение выбросов CO, CH, NOx и температуры ОГ по нагрузочной характеристике: ——— экспериментальный двигатель; — — — — базовый двигатель; n = 1500 мин-1 Испытания показали также недостаточно быстрое для предотвращения детонации срабатывание поршня с регулируемой степенью сжатия. Полное перемещение его подвижной части под давлением масла (для понижения степени сжатия) осуществлялось за 0,92 с и увеличивалось до 1,0 с при уменьшении температуры моторного масла от 50 до 39 град. С. Это время является критическим для обеспечения надежной работы двигателя в составе автомобиля. По данным [11] оно не должно превышать 100 мс. Аналогичная концепция исследовалась методами математического моделирования и экспериментально на 1-цилиндровом двигателе Индийским технологическим институтом [12]. Регулирование эффективной степени сжатия экспериментального двигателя при изменении фазы закрытия впускного клапана (ЗВпК) обеспечивалось заменой поршней. Регулирование фаз впуска осуществлялось вручную, путем изменения углового положения кулачков. Конструкция позволяла изменять фазу ЗВпК на 100 град. п.к.в от 35 до 135 град. п.к.в. после ВМТ. Более позднее закрытие впускного клапана было нежелательно, так как из-за уменьшения степени сжатия ухудшался процесс сгорания. Исследования в основном подтвердили основные выводы, полученные в рассмотренной выше работе компании «Форд». Расчетами показана и экспериментально подтверждена возможность улучшения топливной экономичности двигателя до 14% (в варианте с εp = 17,5 и εс = 8,0) и до 22% (в варианте с εp = 17,5 и εс = 7,0) за счет реализации цикла с продолженным расширением рабочего тела. Экспериментально было установлено, что эффективность цикла зависит от степени продолженного расширения , причем максимум эффективного кпд достигался при σ = 1,5. Дальнейшее увеличение степени продолженного расширения вело к заметному снижению эффективного кпд из-за роста относительных потерь на трение. Испытания экспериментального двигателя подтвердили также уменьшение на 43% насосных потерь вследствие позднего закрытия впускного клапана и, в отличие от исследований «Форд», показали снижение выбросов СН на 35% при увеличении степени продолженного расширения. Вероятной причиной снижения выбросов называется увеличение продолжительности окисления несгоревших углеводородов в цилиндре. 3. Схема Аткинсона-Миллера Необходимость регулирования геометрической степени сжатия/расширения с помощью специального механизма делает практическую реализацию классической концепции продолженного расширения, или схемы Отто-Аткинсона, в серийно выпускаемом двигателе проблематичной из-за отсутствия в настоящее время приемлемого (по быстродействию, надежности и другим факторам) механизма регулирования степени сжатия. Более реальной для применения в серийно выпускаемых двигателях является так называемая схема Миллера [13], или Аткинсона-Миллера [7], не требующая регулирования геометрической степени сжатия/расширения. Примером успешной реализации этой концепции в серийном производстве является двигатель внутреннего сгорания 1NZ-FXE, входящий в состав гибридной энергетической установки автомобиля «Toyota Prius» [7]. Двигатель имеет рабочий объем 1,5 л и развивает мощность 42,7 кВт при 4000 мин-1. Бездетонационную работу двигателя с геометрической степенью сжатия/расширения 13,5 обеспечивают позднее закрытие впускного клапана и компактная камера сгорания с наклонным вытеснителем. Регулирование фазы ЗВпК осуществляется мехатронной системой регулирования привода впускных клапанов VVT-i. Система регулирования позволяет снижать на больших нагрузках эффективную степень сжатия до 9,0 для предотвращения детонации, а на частичных нагрузках – уменьшать насосные потери для дополнительного улучшения расхода топлива. В концепции Аткинсона-Миллера цикл с продолженным расширением обеспечивают сочетание позднего закрытия впускного клапана с высокой степенью расширения. В отличие от концепции Отто-Аткинсона геометрическая степень сжатия в схеме Аткинсона-Миллера не регулируется, что не позволяет поддерживать оптимальную величину эффективной степени сжатия при регулировании фазы ЗВпК. Это существенно упрощает конструкцию двигателя ценой некоторого ограничения потенциал цикла вследствие ухудшения процесса сгорания на режимах с низкой эффективной степенью сжатия. Для устранения этого недостатка желательно предусмотреть меры, направленные на улучшение процесса сгорания. Один из возможных вариантов решения проблемы предложен компанией «AVL» [13]. На рисунке 5 показана принципиальная схема системы быстрого сгорания AVL CBR. Для улучшения процесса сгорания и снижения расхода топлива в четырехклапанном двигателе AVL CBR применено: · регулирование движения заряда в цилиндре с помощью вихревых заслонок, установленных между впускной трубой и головкой цилиндров; · впускные каналы ассиметричной конструкции – тангенциальный и нейтральный. Рисунок 5 — Принципиальная схема системы сгорания AVL CBR Дросселирование нейтрального канала на частичных нагрузках с помощью вихревой заслонки позволяет создавать в цилиндре интенсивный осевой вихрь, высокий уровень турбулентности в конце такта сжатия, очень быстрое сгорание и, в конечном счете, пониженные расход топлива и вредные выбросы. На полной нагрузке индивидуальные вихревые заслонки открываются. Это приводит к формированию радиально-осевого вихря умеренной интенсивности, благоприятного для предотвращения детонационного сгорания. Комбинация цикла Миллера и системы быстрого сгорания AVL CBR обеспечивает дополнительное улучшение топливной экономичности и снижение вредных выбросов. На частичных нагрузках впускной кулачок максимально смещают на ход сжатия и часть заряда вытесняется во впускную трубу, уменьшая наполнение цилиндра, поэтому двигатель может работать с меньшим дросселированием. На повышенных нагрузках впускной кулачок смещают в противоположную сторону для увеличения коэффициента наполнения. Выпускной кулачок также смещается. На частичных нагрузках он смещается параллельно с впускным кулачком. Поэтому ОГ засасываются в цилиндр, обеспечивая внутреннюю рециркуляцию. Так как ОГ не забрасываются во впускную трубу, они не нарушают равномерности распределения смеси по цилиндрам и не перегревают впускную трубу. Таблица 1 Потенциал концепции Аткинсона-Миллера ф. «AVL» в сравнении с обычным бензиновым двигателем Параметры Потенциал улучшения Удельный расход топлива 14% Выбросы СН 40% Выбросы NOx 30% Цикловые вариации среднего индикаторного давления 40% Особенностью системы является стратегия впрыска. Когда двигатель работает по циклу Миллера, желательно, чтобы обратный выброс воздуха не приводил к выбросу топлива во впускную трубу. Отключение впускного канала вихревой заслонкой создает осевой вихрь, который позволяет формировать расслоение заряда в направлении оси цилиндра при впрыске топлива на открытый впускной клапан. В этом случае относительно бедная смесь без капель располагается в верхней части цилиндра, а более богатая смесь – ближе к поршню, поэтому при движении поршня вверх через открытый еще впускной клапан только бедная смесь без капель топлива выталкивается во впускную трубу. Приведенная таблица 1 иллюстрирует потенциал концепции Аткинсона-Миллера ф. «AVL» в сравнении с обычным бензиновым двигателем, работающим на стехиометрической смеси на режиме 1500 мин-1 со средним эффективным давлением 1 бар. Выводы Анализ разных концепций двигателя с продолженным расширением рабочего тела, позволяет сделать следующие выводы: 1. Наибольшим потенциалом улучшения экономических и экологических показателей обладает концепция двигателя с продолженным расширением рабочего тела Отто-Аткинсона, которая предусматривает применение термодинамически оптимальной геометрической степени расширения (на уровне 13-15 единиц), регулирование эффективной степени сжатия и устранение дроссельных потерь на впуске. Реализация ее требует применения механотронных систем регулирования геометрической степени сжатия/расширения и клапанного привода. Осуществление концепции позволяет на частичных нагрузках улучшить топливную экономичность и выбросы парникового газа СО2 на 15-22%, значительно сократить вредные выбросы с ОГ по сравнению с современными двигателями при сохранении энергетических показателей. Основной проблемой является отсутствие эффективной технологии регулирования геометрической степени сжатия/расширения. Недостаточно быстрая, чем необходимо, скорость срабатывания существующих механизмов регулирования, проблемы производственной совместимости с обычным двигателем сдерживают практическое применение концепции Отто-Аткинсона в серийно выпускаемых двигателях. 2. Существенный, хотя и несколько меньший, потенциал улучшения экономических и экологических показателей предоставляет концепция Аткинсона-Миллера, в которой продолженное расширение достигается благодаря сочетанию позднего закрытия впускного клапана и высокой геометрической степени сжатия/расширения. В отличие от концепции Отто-Аткинсона геометрическая степень сжатия не регулируется, что не позволяет оптимизировать эффективную степень сжатия при регулировании фазы закрытия впускного клапан. Реализация концепции позволяет на частичных нагрузках улучшить топливную экономичность и выбросы СО2 на 8-15%, значительно сократить выбросы СО, СН и NOx с ОГ по сравнению с современным бензиновым двигателем ценой снижения энергетических показателей на 10-25%. 3. Наиболее приемлемой для реализации в серийных двигателях (в краткосрочном и среднесрочном плане) является схема Аткинсона-Миллера. Ее можно адаптировать в существующие двигатели с помощью освоенных технологий регулирования клапанного привода и конструктивных мер, направленных на улучшение процесса сгорания. Применение этой концепции наиболее целесообразно в двигателях гибридных энергетических установок.

1. Гюльднер Г. Газовые, нефтяные и прочие двигатели внутреннего сгорания, М. 1907.
2. Miller, R.H. Supercharging and internally cooling for high output. ASME Transactions, Vol.69, с. 453-464, 1947.
3. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаxа, М., «Машиностроение», 1977.
4. Obert E.F. Internal Combustion Engine and Air Pollution. Intext Educational Publisher, New York, 1973.
5. Сонкин В. И., Цапов Н.Н. Анализ состояния и тенденций развития автомобильных бензиновых двигателей. Автомобильные двигатели: Сб. науч. тр. НАМИ, вып. 233, 2005.
6. Зленко М.А., Кутенев В.Ф., Тер–Мкртичьян Г.Г. Некоторые вопросы создания бензинового двигателя с регулируемой степенью сжатия. Проблемы конструкции двигателей и экология: Сб. науч. тр. НАМИ, вып. 224, 1999.
7. Yamaguchi J. Toyota Prius. Automotive Engineering International, № 1, 1998.
8. Kentfield J.A.C., Fernandes L.C.V. Friction Losses of a Novel Prototype Variable Expansion-Ratio, Spark Ignition, Four-Stroke Engine. SAE Paper № 972659, 1997.
9. Boggs D.L., Hilbert H.S., Schechter M.M. The Otto-Atkinson Cycle Engine – Fuel Economy and Emissions Results and Hardware Design. SAE Paper № 950089, 1995.
10. Вoинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. М., «Машиностроение», 1977.
11. Schwanderlapp M. , Habermann K., Yapici K. Variable Compression Ratio – A Design Solution for Fuel Economy Concepts. SAE Paper, № 2002-01-1103, 2002.
12. Mallikarjuna J.M., Ganesan V. Theoretical and Experimental Investigations of Extended Expansion Concept for SI Engines. SAE Paper, № 2002-01-1740, 2002.
13. Kapus P.E., Denger D., Holland T. Intelligent Simplification – Ways Towards Improved Fuel Economy. SAE Paper, № 2002-01-0236, 2002.
14. Ипатов А.А., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю., Кириллов В.А., Папкин Б.А. Автономные системы выработки тепловой и электрической энергии на биотопливе. Энергия: экономика, техника, экология. — 2010. — № 3. — с. 6-12.
15. Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю., Папкин Б.А., Сонкин В.И., Шустров Ф.А. Совершенствование бензинового двигателя с продолженным расширением рабочего тела. Тезисы докладов научно-технической конференции 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе. – М.: МАДИ (ГТУ), 2011 г. – с. 110 – 112.
16. Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю., Папкин Б.А., Тингаев Н.В., Шустров Ф.А., Татарников А.П. Механотронные системы управления газообменом и сгоранием. Современные проблемы науки и образования — 2011. -№ 6. (приложение «Технические науки»). (Электронный журнал) URL: http://online.rae.ru/889 (дата обращения: 19.01.2012 г.).
17. Ипатов А.А., Кутенёв В.Ф., Каменев В.Ф., Фомин В.М., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю., Артёмов А.А. Разработка автомобилей с гибридной силовой установкой, работающей на водородных видах топлива. Труды НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». – Вып. №242: Комбинированные энергоустановки автотранспортных средств: сб. научн. ст. – М., 2009. – с. 26 – 66.

Views

Abstract — 16

PDF (Russian) — 3

Cited-By

Article Metrics

Применение цикла Аткинсона

Toyota положила цикл Аткинсона в основу бензиновых двигателей

Изображение: официальный сайт Toyota

Японская компания Toyota представила два новых бензиновых двигателя объемами 1,0 и 1,3 литра, работающих по циклу Аткинсона, сообщает Automotive News Europe. Работа по циклу Аткинсона позволяет сократить расход топлива и увеличить экологические показатели. Однако недостатком таких силовых установок является плохая работа на низких оборотах, при которых они могут заглохнуть. Новый трехцилиндровый двигатель объемом 1,0 литра имеет степень сжатия 11,5:1, мощность 68 лошадиных сил и крутящий момент 95 ньютон-метров. Расход топлива ─ 3,9 литра на каждые сто километров пробега. Термические коэффициенты полезного действия двигателей ─ 37 и 38 процентов соответственно. В цикле Аткинсона, как и в стандартном цикле Отто, присутствуют изохорные (при постоянном объеме) нагрев и охлаждение рабочего тела, но модифицированы нечетные циклы ─ адиабатные (без обмена теплотой) сжатие и расширение. В результате этого два адиабатных цикла заменяются на два изобарных (при постоянном давлении) нагревания и охлаждения и два изоэнтропийных (цикл, протекающий при постоянной энтропии). До конца 2015 года Тойота планирует выпустить еще 12 аналогичных двигателей, которые компания установит на трети своих современных автомобилей.

Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-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», «Lexus GS 450h», «Lexus CT 200h» и «Ford Fusion (Северная Америка)», хотя примененный там принцип больше напоминает цикл Миллера.

Toyota PriusСхематическое изображение двигателя Аткинсона

Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть. 

На Toyota Prius особенно выгодно применение двигателя Аткинсона, так как на малых оборотах он не нагружается.

 Фактически на данном автомобиле применён не двигатель Аткинсона, а его упрощенный 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. Приус разгоняется электромотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.

Цикл Миллера — термодинамический цикл используемый в четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания.

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически 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 (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов 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.

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.).

Были использованы материалы:
www.Wikipedia.org
www.Lenta.ru
http://www.ingenerov.net

Цикл Аткинсона на практике. Двигатель по циклу Аткинсона

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?

Цикл Аткинсона

Николаус Отто, инженер из Германии, предложил в 1876 году цикл, состоящий из:

• впуска;
• сжатия;
• рабочего хода;
• выпуска.

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.

Газораспределение

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.

Универсальная модель будущего

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.

Переменная степень сжатия

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.

Легендарный Saab

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.

Проще и доступнее

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.

Вот как двигатели с циклом Аткинсона работают для экономии газа

Несмотря на то, что это очень старая технология, бензиновый двигатель с циклом Аткинсона вернулся благодаря своей экономии топлива. Он идеально подходит для гибридов, где электродвигатель автомобиля помогает преодолеть недостатки Аткинсона.

Чтобы понять Аткинсона, вы должны знать, как работает двигатель. В двигателе просверлены цилиндры — как бы это ни звучало, у четырехцилиндрового двигателя их четыре, а у V6 или V8 шесть или восемь цилиндров, расположенных попарно, каждый из которых образует V-образную форму, и каждый содержит поршень.Эти поршни перемещаются вверх и вниз, чтобы поворачивать центральный коленчатый вал, подобно тому, как ваши ноги крутят педали при езде на велосипеде. Коленчатый вал в конечном итоге вращает колеса.

Поршни приводятся в действие бензином, который впрыскивается в двигатель и приводится в действие свечой зажигания. Поршень перемещается четыре раза в каждом цикле: вниз, чтобы втягивать пары бензина, вверх, чтобы сжимать их, вниз, когда пар воспламеняется и взрывается, и затем вверх, чтобы вытолкнуть выхлоп. В то время как все это происходит, клапаны открываются и закрываются точно в нужный момент, чтобы впустить бензин и выйти из системы выхлопа.

Двигатель с циклом Аткинсона работает так же, но с одной особенностью. В обычном двигателе впускной клапан остается закрытым, когда поршень движется вверх на такте сжатия, создавая давление в цилиндре. В двигателе с циклом Аткинсона клапан остается открытым немного дольше. Поскольку теперь в цилиндре меньше давления, поршню не нужно прилагать столько усилий, чтобы преодолеть трение, что, в свою очередь, улучшает топливную экономичность. Часть паров бензина выходит обратно во впускной коллектор через этот открытый клапан, но при следующем открытии клапана они отводятся обратно, так что ничего не теряется.

Главный инженер Toyota Prius Кодзи Тойосима стоит рядом с гибридным автомобилем Toyota, новым Prius, во время пресс-конференции компании по новым технологиям в Токио 13 октября 2015 года. Prius четвертого поколения выйдет на мировой рынок с декабря этого года.

Когда Джеймс Аткинсон разработал свой оригинальный двигатель еще в 1882 году, в нем использовалась сложная механическая система, которая фактически изменяла расстояние, которое поршень проходил во время цикла. Сегодняшние двигатели используют электронику и программное обеспечение для достижения волшебства.Более длительное удержание клапана в открытом состоянии существенно увеличивает рабочий объем цилиндра, аналогично механическому созданию Аткинсона, но расстояние, на которое перемещается поршень, не меняется.

Так в чем же обратная сторона всего этого? Хотя цикл Аткинсона улучшает экономию топлива, он менее мощный, чем обычный двигатель. Этого достаточно для устойчивого крейсерского движения или движения на низкой скорости, но он не даст вам того резкого скачка скорости, которого вы ожидаете, когда вы нажимаете на дроссель для ускорения.

Несмотря на то, что это не позволяет использовать его в большинстве обычных автомобилей, он идеально подходит для гибридной системы.Он использует электродвигатель рядом с бензиновым двигателем и переключается между бензином, электричеством или их комбинацией, в зависимости от условий. Газовый двигатель с циклом Аткинсона может управлять умеренным движением, когда это необходимо, но когда требуется дополнительная мощность, включается электродвигатель, чтобы увеличить его мощность. Гибриды, в которых используется бесступенчатая трансмиссия (CVT), которая содержит шкивы и ремень вместо шестерен, также поддерживают оптимальный уровень оборотов двигателя для обеспечения мощности и эффективности.

Идея «мощность только при необходимости» лежит в основе малолитражных силовых установок с турбонаддувом, таких как двигатели Ford EcoBoost.Эти меньшие двигатели потребляют меньше топлива, чем более крупные, при умеренном дросселировании, но когда вам нужно больше мощности, включается турбонаддув. Тем не менее, они могут испытывать жажду, когда работает турбонагнетатель, в то время как электродвигатель гибрида не расходует топлива, когда он добавляет мощность.

2,0-литровый 16-клапанный четырехцилиндровый двигатель DOHC i-VTEC по циклу Аткинсона с электродвигателем и литий-ионным аккумулятором развивает мощность 196 л.с. и 226 фунт-футов. крутящего момента

Но не всем нужен гибрид, и Toyota представила новый двигатель в своем пикапе Tacoma 2016 года, который представляет собой еще один вариант. Двигатель работает нормально, когда требуется мощность, например, при ускорении. Но при постоянной скорости, когда полная мощность не требуется, фазы газораспределения переключаются на цикл Аткинсона для экономии топлива; переключатель работает плавно и не может быть обнаружен водителем. Двигатель также включает в себя два метода подачи топлива в двигатель, прямой впрыск и впрыск в порт, и использует один или оба метода по мере необходимости для каждого уровня требуемой мощности, от холодного запуска до буксировки, наряду с максимальной эффективностью в каждом из них.

Это одна из многих стратегий экономии топлива, которые используют автопроизводители, наряду с такими вещами, как отключение цилиндров, многоскоростная трансмиссия, облегченная конструкция и улучшенная аэродинамика.Пока расход топлива остается проблемой, инженеры будут заняты.

Что такое двигатель цикла Аткинсона? Autoweek объясняет

Все больше и больше производителей используют двигатели, которые используют преимущества так называемого цикла Аткинсона для сгорания двигателей, особенно с гибридами. Прекрасным примером является Toyota Prius Prime, новинка 2017 года. Но что такое цикл Аткинсона и что он означает, если вы покупаете автомобиль с двигателем с циклом Аткинсона? Проще говоря, это регулировка фаз газораспределения по стандартному циклу Отто, который используется во всех современных бензиновых двигателях, чтобы сделать двигатель немного более эффективным.

Цикл Отто состоит из четырех тактов (отсюда и термин «четырехтактный двигатель»):

1. Такт впуска , когда поршень движется вниз из верхней мертвой точки с открытыми впускными клапанами и закрытыми выпускными клапанами, впуская воздух и подливаем немного топлива.
2. Ход сжатия — Все клапаны закрыты, и смесь топлива и воздуха сжимается, когда поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Вот где степень сжатия, скажем, 10: 1.
3. Рабочий ход — Все клапаны остались закрытыми, поршень находится в верхней мертвой точке, и свеча зажигания воспламеняет эту горячую сжатую топливно-воздушную смесь, заставляя поршень опускаться обратно.
4. Наконец, — такт выпуска , который открывает выпускные клапаны, когда поршень снова возвращается в верхнюю мертвую точку и выталкивает сгоревшие углеводороды.

Цикл Аткинсона изменяет этот процесс, оставляя впускные клапаны открытыми в первые моменты такта сжатия, когда поршень движется к верхней мертвой точке, что эффективно снижает степень сжатия, скажем, с 10: 1 до примерно 8: 1 или около того.Эта регулировка снижает усилие на поршень во время рабочего хода.

В цикле Отто часть силы во время рабочего хода идет на толкание поршня вниз, но создается большее усилие, чем необходимо. Эта дополнительная сила, по сути, является потраченной впустую энергии, регулировка цикла Аткинсона уменьшает эту потерянную энергию и тем самым делает двигатель более эффективным.

У этого метода есть явный недостаток: меньшая мощность. Двигатель с циклом Аткинсона вырабатывает меньшую мощность, чем аналогичный блок с циклом Отто, поэтому конструкция более популярна среди гибридных моделей, которые стремятся к экономии топлива по сравнению с ускорением и имеют электродвигатели, которые могут компенсировать разницу.

Для дальнейшего объяснения цикла Аткинсона посмотрите это видео из Engineering Explained.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io

Как работает двигатель с циклом Аткинсона?

В большинстве двигателей с искровым зажиганием с момента зарождения автомобилестроения использовался четырехтактный термодинамический цикл, разработанный в конце 19 века немецким инженером Николаусом Отто. Но в последние годы выросла популярность модифицированная версия этого цикла «Отто».

Обычно известный как цикл «Аткинсона», он применялся во всех автомобилях с технологией Lexus Hybrid Drive и теперь используется в некоторых из последних высокопроизводительных моделей производителя, таких как Lexus RC F .

Почему это так и в чем разница между этими двумя циклами?

Цикл Отто

Четырехтактные двигатели имеют четыре отдельные фазы в рамках традиционного цикла Отто, которые производятся двумя оборотами коленчатого вала и точной синхронизацией клапана и зажигания. Как видно из приведенной ниже анимации, это следующие фазы: 1) впуск, 2) сжатие, 3) сгорание и 4) выпуск. Каждый соответствует полному ходу поршня внутри цилиндра.

Цикл начинается с хода поршня вниз, который втягивает смесь воздуха и испарившегося топлива через впускной канал в камеру сгорания.Ход поршня возврата вверх сжимает эту смесь примерно до одной десятой ее объема, после чего она воспламеняется свечой зажигания. Этот взрыв заставляет поршень опускаться вниз, создавая тягу двигателя. При последнем обратном ходе цикла отработанные газы удаляются через выхлопное отверстие, так что процесс может начаться снова.

Но хотя этот относительно простой цикл обеспечивает удовлетворительную выходную мощность, это не самый экономичный способ выработки энергии четырехтактным поршневым двигателем. Эта награда достается двигателям, работающим по циклу Аткинсона.

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона, запатентованный в 1882 году британским инженером Джеймсом Аткинсоном, значительно повысил топливную экономичность четырехтактного двигателя с искровым зажиганием за счет одной особенно гениальной модификации.

Четыре основных фазы цикла Отто остались, но Аткинсон ввел новую временную последовательность для задержки закрытия впускного клапана во время такта сжатия. Удержание впускного клапана открытым немного дольше эффективно уменьшало рабочий объем двигателя во время впускного цикла, но сохранял полный коэффициент расширения при сгорании или рабочем такте.

Проще говоря, цикл Аткинсона был разработан, чтобы минимизировать использование топлива во время такта впуска, но при этом использовать ту часть цикла, которая генерирует мощность.

Как работает современный двигатель с циклом Аткинсона

В двигателе первоначальной разработки Джеймса Аткинсона использовались сложные механические связи для создания различных соотношений хода поршня при одном и том же обороте коленчатого вала. Несмотря на то, что эта конструкция была эффективной и невероятно умной, она не была рентабельной для массового производства. Более того, преимущества в топливной экономичности могут быть достигнуты только за счет некоторой мощности — в результате уменьшенного рабочего объема двигателя во время такта впуска.Из-за этих проблем гениальный цикл Аткинсона был по большей части забыт на протяжении большей части столетия.

Перенесемся в середину 1990-х, и у инженеров Toyota был момент, когда они поняли, что теперь они могут создать самую важную функцию экономии топлива двигателя с циклом Аткинсона — отложенное закрытие впускного клапана во время такта сжатия. — немеханическими средствами. Это стало возможным благодаря новой технологии изменения фаз газораспределения, которая использовала гидравлику для управления положением распределительного вала и изменения фаз впускных клапанов.

Между тем появившаяся технология гибридных приводов оказалась идеальным средством решения характерной для Аткинсона нехватки мощности. Электродвигатели с батарейным питанием использовались для помощи бензиновому двигателю, когда это было необходимо, но также обеспечивали независимый источник мотивации. В конце концов, самый эффективный способ экономии топлива — это вообще не запускать двигатель!

Мощность и эффективность

Первым серийным автомобилем с имитацией клапана типа Аткинсона и гибридной трансмиссией стала Toyota Prius 1997 года, а Lexus впервые применил эту технологию в RX 400h 2005 года.Он оказался настолько успешным, что каждая последующая модель с технологией Toyota Hybrid Synergy Drive или Lexus Hybrid Drive использовала один и тот же цикл и архитектуру экономии топлива.

Дальнейшее развитие этой технологии последовательности клапанов происходит в новом высокопроизводительном, но совместимом с выбросами Lexus RC F . Двигатель V8 мощностью 471 л.с. в этом купе (см. Выше) использует новую систему изменения фаз газораспределения с электроприводом VVT-iE для незаметного переключения между циклами сгорания — более экономичный цикл Аткинсона во время круиза и традиционный цикл Отто для обеспечения захватывающей мощности.

Кто бы мог подумать, что технология двигателей, которой более 130 лет, может позволить современному водителю Lexus съесть свой пирог и съесть его?

Car Throttle объясняет в своем собственном стиле, как работают циклы Отто и Аткинсона в своем обзоре RC F. Посмотрите ниже.

Как это работает: Цикл Аткинсона Toyota Tacoma 2016 года

Отправленный Марком Уильямсом | 25 января 2015 г.




Тим Эстердал

Большинство поклонников пикапов, вероятно, знают, что в новой Toyota Tacoma 2016 года будет представлена ​​новая модель 3.5-литровый двигатель V-6, но это еще не все. Этот новый двигатель будет использовать цикл «Аткинсона», наиболее характерный для Toyota Prius. Это обещает обеспечить лучшую экономию топлива, но потенциально может запутать покупателей. Это то что тебе нужно знать.

Типичный цикл двигателя Отто

Прежде чем мы перейдем к циклу Аткинсона, мы должны сначала объяснить, что подавляющее большинство бензиновых двигателей используют цикл двигателя «Отто». Этот цикл получил свое название от немецкого изобретателя Николауса Отто и его партнера Ойгена Лангена, которые продемонстрировали его использование в четырехтактной модели в 1876 году.Это цикл, который знает большинство людей: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Он использует топливо, воздух и свечи зажигания для зажигания поршня, поворота коленчатого вала и запуска двигателя.

Цикл настолько популярен, что большинство людей не думают о нем как о цикле Отто. Они просто думают об этом как о бензиновом двигателе. Цикл Отто был основой всех бензиновых двигателей до появления Prius.

Что такое цикл Аткинсона?

Проще говоря, цикл Аткинсона направлен на использование всей энергии в цилиндре.Это достигается за счет того, что впускной клапан остается открытым дольше, создавая более короткий ход сжатия.

В двигателе Prius конечный результат — эффективная степень сжатия 8: 1, а степень расширения — около 13: 1. Эта дифференциация приводит к тому, что двигатель на 12–14 процентов эффективнее цикла Отто с точки зрения выходной мощности на расход топлива.

Когда типичный цикл Отто заканчивается, в цилиндре остается некоторое давление окружающей среды. Это давление помогает «выталкивать» отработанные газы из цилиндра в выпускной коллектор и выхлоп.Пока эта система работает, она тратит впустую энергию, выталкивая газы, вместо того, чтобы использовать энергию для поворота колес транспортного средства.

В цикле Аткинсона после завершения рабочего такта (т. Е. Выполнения четырех циклов) в цилиндре почти не остается давления. Это достигается за счет того, что впускной клапан остается открытым на небольшую часть хода сжатия. Когда головка поршня движется вниз, закачивается новая свежая топливная смесь. В заданной точке хода поршня впускной клапан закрывается.В результате сокращается рабочий ход.

Как мощность, так и такты выпуска остаются неизменными в цикле Отто, однако в цикле Аткинсона используется почти весь ход поршня.

Обратной стороной цикла Аткинсона является то, что вам все равно нужно выводить выхлопные газы из цилиндра, поскольку вы больше не используете давление окружающей среды. Ранние двигатели с циклом Аткинсона имели нагнетатели для решения этой проблемы. Однако для решения этой проблемы Toyota разработала на Prius систему впуска с «падающим потоком».Эта уникальная система использует атмосферное давление для вытеснения выхлопных газов.

Еще одним недостатком цикла Аткинсона является более короткий рабочий ход, обеспечивающий более узкий диапазон оборотов. В Prius Toyota решила эту проблему с помощью бесступенчатой ​​трансмиссии и электродвигателя. Эти стратегии поддерживают работу двигателя в оптимальном диапазоне, обеспечивая плавное вождение.

Кроме того, интеллектуальная система изменения фаз газораспределения Prius регулирует синхронизацию впускных клапанов для достижения максимальной топливной эффективности.

Мы знаем, что Tacoma 2016 будет оснащена технологией Toyota D-4S, которая включает прямой и порт впрыска топлива. Эта система в настоящее время используется на Scion FR-S и Subaru BR-Z. По словам Toyota, он «сочетает в себе форсунки, которые впрыскивают топливо под высоким давлением непосредственно в цилиндры, вместе с обычными форсунками, впрыскивающими топливо во впускные каналы». Две системы включаются и выключаются в зависимости от оборотов двигателя.

Система также впрыскивает топливо во время запуска и в определенных точках нагрузки для улучшения стабильности сгорания без использования ограничительной конструкции впускного канала, которая увеличивает поток в барабане.

Что это означает для покупателей грузовиков?

Цикл Аткинсона более эффективен, чем цикл Отто, поэтому новый двигатель Tacoma 2016 года будет предлагать лучшую экономию топлива, чем другие обычные двигатели V-6, без необходимости прибегать к турбонагнетателям или дизельному топливу.

В то время как цикл Аткинсона отлично справляется с максимальной экономией топлива в Prius, еще предстоит увидеть, как этот цикл будет работать в пикапе с очень разными рабочими циклами. Будет улучшена экономия топлива на шоссе и в пустом кузове, но мы действительно не знаем, как это повлияет на буксировку или транспортировку груза.Мы предполагаем, что Toyota это поняла, и поэтому потребовалось так много времени, чтобы внедрить цикл Аткинсона в другие автомобили (Prius впервые поступил в продажу в 1997 году).

В конце концов, новый 3,5-литровый двигатель Tacoma с двигателем Аткинсона V-6 с новой шестиступенчатой ​​автоматической коробкой передач и новым задним дифференциалом, вероятно, будет иметь лучшую в своем классе экономию топлива. Насколько хорошо он может справиться с обязанностями пикапа, еще предстоит ответить.

Cars.com Фото: Эван Сирс

Цикл Аткинсона — обзор

Влияние клапанного механизма на чрезмерное расширение

Одним из методов повышения теплового КПД двигателей внутреннего сгорания является концепция большего цикла расширения или чрезмерного расширения.Об этом упоминалось в [3] [167] и реализован в двигателе мотоцикла [168] как так называемый двигатель цикла Аткинсона. Этот метод оценивает улучшение теплового КПД и снижение удельной мощности в зависимости от отношения степени расширения к степени сжатия [14].

Оригинальный цикл Аткинсона был реализован в двигателях внутреннего сгорания, увеличивая ход расширения и поддерживая постоянным ход сжатия с помощью различных и сложных механических решений [169].

В системе VVA можно реализовать новую версию цикла Аткинсона, сохраняя постоянную степень расширения и регулируя эффективную степень сжатия путем опережения или замедления IVC [170]. В двигателях SI переход от стандартного цикла Отто к циклу Аткинсона с опережением или замедлением IVC подразумевает уменьшение массы воздушно-топливной смеси внутри цилиндра, и это снижает удельную мощность двигателя. В двигателях CI цикл Аткинсона только уменьшает массу воздуха внутри цилиндра, но количество впрыскиваемого топлива можно поддерживать постоянным.

Три версии цикла Аткинсона были оценены путем постепенного продвижения IVC к такту сжатия (EIVC), а также регулировки открытия впускного клапана и максимального подъема [108]. Результаты подтвердили сокращение выбросов NO _x от 17,5% в режиме холостого хода до 12,9% при полной нагрузке. Это было связано с более низкой эффективной степенью сжатия и массой воздуха, захваченной в цилиндре. Это снижает температуру, давление и плотность в конце такта сжатия, что приводит к более низким температурам пламени и выбросам NO _x .Полученные высокие выбросы CO указывают на ухудшение процесса горения.

Использование усовершенствованной IVC было выгодно для выбросов NO _x и расхода топлива при полной нагрузке [171]. В свою очередь, выбросы дыма увеличились, но всегда были относительно низкими. Также сообщалось, что при работе цикла Миллера с частичной нагрузкой наблюдались проблемы из-за неоптимизированной (слишком ранней) IVC.

Были получены сопоставимые результаты для шестицилиндрового двигателя HD CI, работающего с EIVC и двухступенчатой ​​системой наддува [172].Потребление топлива сократилось на 2%, тогда как выбросы NO _x снизились на 10%.

В исх. [170] сообщалось, что продвижение IVC является подходящей стратегией для воспроизведения новой концепции цикла Аткинсона в двигателях CI. Цикл Аткинсона снижает эффективную степень сжатия и массу на входе, давление газа в цилиндрах, температуру и плотность. Цикл Аткинсона увеличивает время задержки самовоспламенения, способствуя сгоранию с высоким содержанием предварительного смешения при более низких температурах пламени.Это также уменьшает INO _x , но увеличивает выбросы Isoot и ICO из-за контролируемого смешением ухудшения диффузионного горения. Опережающая IVC, генерируемая циклом Аткинсона, немного снижает КПД двигателя из-за уменьшения эффективной степени сжатия и смещения процесса сгорания в сторону такта расширения. Использование системы рециркуляции ОГ позволяет лучше снизить концентрацию кислорода на входе. Цикл Аткинсона позволяет контролировать выбросы NO _x , но гораздо лучшие результаты с точки зрения сажи, CO и расхода топлива могут быть достигнуты путем увеличения давления на входе до восстановления исходного соотношения воздух: топливо.

Toyota разработала сверхэкономичные малолитражные двигатели с циклом Аткинсона [173]. Эти двигатели имеют впускной канал измененной формы, предназначенный для создания сильного качающегося потока внутри цилиндра, и охлаждаемую систему рециркуляции выхлопных газов, интеллектуальную электрическую технологию регулирования фаз газораспределения Toyota (VVT-iE), предназначенную для выполнения функции остановки на холостом ходу.

В справочнике [174] обсуждается двигатель V6 объемом 3,5 л с циклом Аткинсона и VVT-iW (регулируемая фаза газораспределения с интеллектуальным расширенным впуском), оснащенный технологией Toyota D-4S, обеспечивающей как прямой, так и портовый впрыск топлива.

Одним из способов использования эффекта большего расширения является раннее или позднее закрытие впускного клапана. 10% -ное преимущество BSFC может быть достигнуто в газовом двигателе SI с когенерационным наддувом как за счет раннего закрытия поворотного клапана, так и за счет позднего закрытия исходного впускного клапана [175]. Коммерческий гибридный автомобиль, в котором использовался бензиновый двигатель без наддува, достиг примерно 12% улучшения теплового КПД при степени расширения 14,7, где применялись позднее закрытие и ожидаемая степень сжатия 9 [176].

В некоторых исследованиях изучался эффект большего расширения в двигателе SI с измененной синхронизацией впуска и фиксированным фазированием кулачка [177, 178] [177] [178]. Согласно исх. [177], EIVC может обеспечить повышение теплового КПД на 7% при степени расширения более 16, когда сравнение проводилось при постоянном среднем эффективном давлении тормоза (b _MEP ). Существенное начало сжатия соответствует моменту закрытия впускного клапана, определяемому как точка подъема на 1 мм. Согласно исх. [178], применение LIVC улучшает тепловой КПД, хотя сопровождается уменьшением b _MEP .

Управление количеством заряда с помощью переменной синхронизации IVC может улучшить механический КПД многоцилиндровых двигателей за счет снижения насосных потерь [179].

В двигателе Mazda V6 с циклом Миллера впускные клапаны закрываются при 47 градусах после НМТ (т. Е. В самом нижнем положении поршня во время цикла) [180]. Следовательно, в течение первых 20% хода сжатия впускные клапаны остаются открытыми, и, таким образом, воздух выходит без сжатия. Настоящее сжатие активируется в течение оставшихся 80% хода.Следовательно, реальная полезная мощность двигателя составляет всего 80% от объема камеры сгорания. Степень сжатия уменьшена с 10: 1 до чуть менее 8: 1 [181].

В исх. [180] сообщалось, что двигатель цикла Миллера требует использования нагнетателя. Конечным результатом более короткого хода сжатия цикла Миллера является повышенная степень расширения двигателя.

Турбонаддув высокого давления включает внедрение двухступенчатой ​​системы турбонаддува вместе с экстремальным циклом Миллера (EIVC) и может снизить NO _x до 40%.Если требуется лишь незначительное снижение NO _x , еще одним преимуществом двухступенчатой ​​системы турбонаддува вместе с экстремальным циклом Миллера является экономия топлива на 4,8% во всем рабочем диапазоне двигателя за счет повышения эффективности системы турбонаддува. и улучшенная эффективность цикла, как показано в Refs. [182–185] [182] [183] ​​[184] [185].

Анимированные двигатели — Аткинсон

Двигатель Аткинсона

Двигатель Аткинсона по сути является четырехтактным двигателем Отто. с различными способами соединения поршня с коленчатый вал.

Продуманное расположение рычагов позволяет двигателю Аткинсона поршень через все четыре хода всего за один оборот основного коленчатого вала, и допускает разную длину хода.

Конструкция исключает необходимость в отдельном кулачковом валу. Прием (если б / у), выпускной кулачок и кулачки зажигания расположены на главном коленчатом валу. На моей иллюстрации показан только выпускной кулачок.

---

Отклонение от правильного цикла Аткинсона

С тех пор, как эта страница была впервые опубликована, я многое узнал о Двигатель Аткинсона.Посетители этого сайта изначально подсказали мне, что побудило меня прочитать еще немного.

Этот рисунок точно соответствует размерам двигателя модели , описан в превосходной книге: Building the Atkinson Cycle Двигатель . В этой конструкции впуск и выпуск удары кажутся длиннее, чем удары сжатия и мощности. Его не ясно, было ли это намеренно; Подозреваю, что модель конструктора больше интересовала связь, чем тепловой цикл.

В цикле Аткинсона истинного мощность и выхлоп ходы длиннее, чем такты впуска и сжатия. ⁸ Начав с небольшого начального заряда и позволив ему расшириться до больший объем, чем он занимал изначально, большая степень топлива эффективность реализована.

Аткинсон разработал более одного двигателя, чтобы извлечь выгоду из этого важного имущество. Я надеюсь, что когда-нибудь у всех будет получше анимация.

Для получения дополнительной информации об Аткинсоне и всех двигателях внутреннего сгорания я настоятельно рекомендую рекомендую Lyle Cummins ‘ Internal Fire .

---

Toyota Prius и цикл Аткинсона

Количество посетителей пришло на эту страницу, прочитав где-то что популярный гибридный автомобиль Toyota , Prius , использует цикл Аткинсона двигатель. Я не знаю, откуда взялось это утверждение, но я сомневаюсь, что В двигателе Prius используется рычажный механизм, показанный выше.

Можно создать такой же эффект, как у Аткинсона. цикл путем изменения фаз газораспределения на обычном Otto four тактный двигатель.Я действительно должен проиллюстрировать это, но пока я надеюсь, что следующего объяснения будет достаточно:

Кулачок используется как на впускных, так и на выпускных клапанах (в отличие от моих четырех штриховой рисунок). Кулачок впускного клапана предназначен для удержания впускной клапан открыт на больше , чем на один ход:

• Такт впуска начинается как обычно, первоначально цилиндр топливно-воздушной смеси.
• Когда поршень начинает движение вверх, впускной клапан остается открытым .Поршень перекачивает часть свежей топливной смеси. обратно во впускной канал. Чистый эффект точно такой же, как если такт впуска был укорочен.
• Впускной клапан закрывается после того, как поршень немного сдвинулся. заданная часть этого хода. Сжатие не фактически начать до этого момента, эффективно сокращая такт сжатия, чтобы соответствовать укороченному такту впуска.
• Такты мощности и выхлопа остаются такими же, как у четырехтактного, используя почти всю длину хода поршня.

Возможно, именно так работает двигатель Prius , но я так не иметь авторитетной ссылки. На сайте Toyota говорится, что Prius использует VVT-i или Variable Valve Timing с Разведка ⁹ . Эта технология, вероятно, связанные с.

Буду признателен за хорошую, авторитетную, ссылку на эту предмет. Вы можете направить меня к нему?

Почему Toyota использует двигатели цикла Аткинсона?

До конца 20 века большинство серийных автомобилей, оснащенных двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием, использовали традиционный четырехтактный поршневой цикл типа Отто.

Как следует из названия, эти четырехтактные двигатели имеют четыре отдельные фазы в одном цикле — впуск, сжатие, сгорание и выпуск — и каждая фаза соответствует полному ходу поршня внутри цилиндра.

Цикл начинается с хода поршня вниз, который втягивает смесь воздуха и испаренного топлива через отверстие впускного клапана в камеру сгорания. Ход поршня возврата вверх сжимает эту смесь примерно до одной десятой ее объема, после чего она воспламеняется свечой зажигания.Этот взрыв заставляет поршень опускаться вниз, создавая тягу двигателя. При последнем обратном ходе цикла отработанные газы удаляются через выпускной клапан, так что процесс может начаться снова.

Этот относительно простой термодинамический цикл имеет равные степени сжатия и расширения в каждом цилиндре. Но хотя он дает удовлетворительную мощность при любом заданном объеме, цикл Отто не является самым экономичным способом выработки энергии.

В 1882 году британский инженер Джеймс Аткинсон разработал и запатентовал модифицированный четырехтактный цикл, в котором для повышения эффективности использовался ход поршня переменной длины и задержка закрытия впускного клапана.

Хотя эта конструкция была эффективной и невероятно умной, она не подходила для массового производства с финансовой точки зрения. Сложные механические связи были необходимы для достижения различной длины хода за один оборот коленчатого вала, в то время как преимущества в эффективности могли быть достигнуты только за счет некоторой мощности. Из-за этих проблем гениальный дизайн Аткинсона был в значительной степени забыт на протяжении большей части 100 лет.

Однако с внедрением технологии изменения фаз газораспределения инженеры Toyota поняли, что они могут обеспечить наиболее важное и экономичное качество цикла Аткинсона — отсроченное закрытие впускного клапана во время такта сжатия — за счет отсутствия механические средства; гидравлическое управление положением распредвала.

Это открытие позволило компании Toyota создать первый в мире двигатель с циклом Отто с имитацией клапана типа Аткинсона для значительного повышения топливной экономичности. Известный внутри как 1NR-FXE, 1,5-литровый четырехцилиндровый бензиновый двигатель был установлен на Toyota Prius 1997 года в сочетании с фантастической новой гибридной системой Toyota (теперь известной как Hybrid Synergy Drive).

Использование электродвигателя для помощи бензиновому двигателю позволило решить проблему нехватки мощности цикла Аткинсона, но также обеспечило независимый источник мотивации для того, чтобы двигатель можно было выключить, когда это возможно.