Циклу 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.

Цикл Аткинсона — Atkinson cycle

Двигатель с циклом Аткинсона — это тип двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности .

Вариант этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Первоначально использовавшиеся исключительно в гибридных электрических системах, таких как Toyota Prius более раннего поколения , более поздние гибриды и некоторые негибридные автомобили теперь оснащены двигателями с регулируемыми фазами газораспределения , которые могут работать по циклу Аткинсона в режиме неполного рабочего дня, что дает хорошие результаты.

экономичность при работе в цикле Аткинсона и обычная удельная мощность при работе в качестве обычного двигателя по циклу Отто .

Дизайн

Аткинсон произвел три различных конструкции с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения. Первый двигатель с циклом Аткинсона, дифференциальный двигатель , использовал оппозитные поршни. Второй и наиболее известной конструкцией был циклический двигатель , в котором использовался центральный рычаг для создания четырех тактов поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель имел потребление, сжатие, мощность и выхлопные удары в четырехтактном цикле в одном повороте коленчатого вала , и был разработан , чтобы избежать нарушений определенных патентов , охватывающих Отто цикла двигателей. Третий и последний двигатель Аткинсона, утилитарный двигатель , работал так же, как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что у двигателей ход расширения длиннее хода сжатия, и с помощью этого метода двигатель достигает большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель.

Двигатели Аткинсона были произведены British Gas Engine Company, а также лицензированы для других зарубежных производителей.

Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционные фазы газораспределения, чтобы добиться эффекта более короткого хода сжатия / более длительного рабочего хода. Миллер применил эту технику к четырехтактному двигателю, поэтому его иногда называют циклом Аткинсона / Миллера, патент США 2817322 от 24 декабря 1957 года. В 1888 году Харон подал французский патент и представил двигатель на Парижской выставке 1889 года. Газовый двигатель Charon (четырехтактный) использовал цикл, аналогичный Миллеру, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона».

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона.

Аткинсон «Дифференциальный двигатель»

Первая реализация цикла Аткинсона была в 1882 году; В отличие от более поздних версий, он был устроен как оппозитный поршневой двигатель , дифференциальный двигатель Аткинсона. В этом случае один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через шарнирно-рычажный механизм, который имел нелинейность; в течение половины оборота один поршень оставался почти неподвижным, в то время как другой приближался к нему и возвращался, а затем в течение следующего полуоборота упомянутый второй поршень был почти неподвижен, в то время как первый приближался и возвращался.

Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивает такт сжатия и рабочий ход, а затем другой поршень обеспечивает такт выпуска и ход нагнетания. Поскольку силовой поршень оставался втянутым во время выпуска и зарядки, было практично обеспечить выпуск и зарядку с помощью клапанов за отверстием, которое было закрыто во время такта сжатия и рабочего хода, и поэтому клапаны не должны были сопротивляться высокому давлению и могли быть более простого типа, используемого во многих паровых двигателях или даже в язычковых клапанах .

• Патентный рисунок «Дифференциальный двигатель» Аткинсона, 1882 г.

• Анимация дифференциального двигателя Аткинсона, 1882 г.

Аткинсон «Цикловый двигатель»

Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, был назван «Циклический двигатель». В этом двигателе использовались тарельчатые клапаны, кулачок и центральный рычаг, чтобы производить четыре хода поршня на каждый оборот коленчатого вала. Такты впуска и сжатия были значительно короче тактов расширения и выпуска.

Двигатели Cycle производились и продавались в течение нескольких лет British Engine Company. Аткинсон также передал лицензию на производство другим производителям. Размеры варьировались от единиц до 100 лошадиных сил.

• Газовый двигатель Аткинсона, как показано в патенте США 367496, 1887 г.

• Анимация «Циклового двигателя» Аткинсона, 1887 г.

Аткинсон «Утилита Двигатель»

Аткинсон Утилита Двигатель Двигатель Аткинсона Utilite 1892

Третий проект Аткинсона получил название «Утилитовый двигатель». Двигатель «Цикла» Аткинсона был эффективен; однако его связь было трудно сбалансировать для работы на высоких скоростях. Аткинсон понял, что необходимы улучшения, чтобы сделать его цикл более применимым в качестве высокоскоростного двигателя.

С помощью этой новой конструкции Аткинсон смог устранить связи и создать более традиционный, хорошо сбалансированный двигатель, способный работать на скоростях до 600 об / мин и вырабатывать мощность на каждом обороте, при этом он сохранил всю эффективность своего «Циклического двигателя». «имеющий пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает так же, как и стандартный двухтактный двигатель, за исключением того, что выпускной канал расположен примерно в середине хода.

Во время такта расширения / рабочего хода кулачковый клапан (который остается закрытым до тех пор, пока поршень не приблизится к концу хода) предотвращает выход давления, когда поршень движется мимо выпускного отверстия. Выпускной клапан открывается в нижней части хода; он остается открытым, пока поршень движется обратно в сторону сжатия, позволяя свежему воздуху заряжать цилиндр и выходить из выхлопных газов, пока порт не будет закрыт поршнем.

После того, как выхлопное отверстие закрыто, поршень начинает сжимать оставшийся в цилиндре воздух. Небольшой поршневой топливный насос впрыскивает жидкость во время сжатия. Источником воспламенения, вероятно, была горячая труба, как и в других двигателях Аткинсона. Эта конструкция привела к созданию двухтактного двигателя с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения.

Двигатель Utilite Engine оказался даже более эффективным, чем предыдущие «дифференциальные» и «цикловые» конструкции Аткинсона. Было произведено очень мало, и никто не выжил. Британский патент от 1892 г. № 2492. Патент США на двигатель Utilite не известен.

Идеальный термодинамический цикл

Рисунок 1: Газовый цикл Аткинсона

Идеальный цикл Аткинсона состоит из:

Современные двигатели с циклом Аткинсона

Небольшой двигатель с рычажным механизмом в стиле Аткинсона между поршнем и маховиком. Современные двигатели с циклом Аткинсона избавляются от этого сложного энергетического пути.

В конце 20-го века термин «цикл Аткинсона» начал использоваться для описания модифицированного двигателя с циклом Отто, в котором впускной клапан удерживается открытым дольше, чем обычно, что обеспечивает обратный поток всасываемого воздуха во впускной коллектор. Этот «смоделированный» цикл Аткинсона наиболее часто используется в двигателе Toyota 1NZ-FXE раннего Prius .

Эффективная степень сжатия уменьшается — на время, когда воздух свободно выходит из цилиндра, а не сжимается, — но степень расширения не изменяется (т. Е. Степень сжатия меньше степени расширения). Цель современного цикла Аткинсона — сделать давление в камере сгорания в конце рабочего такта равным атмосферному давлению. Когда это происходит, вся доступная энергия получается в процессе сгорания. Для любой данной части воздуха большая степень расширения преобразует больше энергии из тепла в полезную механическую энергию, что означает, что двигатель более эффективен.

Недостатком четырехтактного двигателя с циклом Аткинсона по сравнению с более распространенным двигателем с циклом Отто является пониженная удельная мощность. Из-за того, что меньшая часть хода сжатия посвящена сжатию всасываемого воздуха, двигатель с циклом Аткинсона не потребляет столько воздуха, как двигатель с циклом Отто аналогичной конструкции и размера. Четырехтактные двигатели этого типа, которые используют тот же тип движения впускного клапана, но используют принудительную индукцию для компенсации потери удельной мощности, известны как двигатели цикла Миллера .

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Цикл Аткинсона можно использовать в роторном двигателе . В этой конфигурации может быть достигнуто увеличение как мощности, так и КПД по сравнению с циклом Отто. Этот тип двигателя сохраняет одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами сжатия и расширения исходного цикла Аткинсона.

Выхлопные газы удаляются из двигателя продувкой сжатым воздухом. Эта модификация цикла Аткинсона позволяет использовать альтернативные виды топлива, такие как дизельное топливо и водород.

К недостаткам этой конструкции относятся требование, чтобы наконечники ротора очень плотно прилегали к внешней стенке корпуса, а также механические потери, возникающие из-за трения между быстро колеблющимися частями неправильной формы. См. Внешние ссылки ниже для получения дополнительной информации.

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона

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

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

• Chevrolet Volt
• Chrysler Pacifica (передний привод) подключаемая гибридная модель минивэн
• Ford C-Max (передний привод / рынок США) гибридные и подключаемые гибридные модели
• Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute electric (передний и полный привод) со степенью сжатия 12,4: 1
• Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid электрический (передний привод) со степенью сжатия 12,3: 1
• Подключаемый модуль Honda Accord Hybrid
• Honda Accord Hybrid (передний привод)
• Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid
• Honda Insight (передний привод)
• Honda Fit (передний привод) некоторые двигатели 3-го поколения переключаются между циклами Аткинсона и Отто.
• Hyundai Sonata Hybrid (передний привод)
• Hyundai Elantra Atkinson-модели цикла
• Hyundai Grandeur hybrid (передний привод)
• Hyundai Ioniq hybrid, подключаемый гибрид (передний привод)
• Hyundai Palisade 3,8 л Лямбда II V6 GDi
• Infiniti M35h hybrid (задний привод)
• Kia Forte 147 л.с. только бензин 2.0 (передний привод)
• Kia Niro hybrid (передний привод)
• Kia Optima Hybrid Kia K5 hybrid 500h (передний привод) со степенью сжатия 13: 1
• Kia Cadenza Hybrid Kia K7 hybrid 700h (передний привод)
• Киа Теллурид 3.8 Лямбда II V6 GDi
• Kia Seltos 2.0L (передний привод)
• Lexus CT 200h (передний привод)
• Lexus ES 300h (передний привод)
• Lexus GS 450h hybrid electric (задний привод) со степенью сжатия 13: 1
• Lexus RC F (задний привод)
• Lexus GS F (задний привод)
• Lexus HS 250h (передний привод)
• Lexus IS 200t (2016)
• Lexus NX hybrid electric (полный привод)
• Lexus RX 450h hybrid electric (полный привод)
• Lexus LC (задний привод)
• Mazda Mazda6 (2013 для 2014 модельного года)
• Mercedes ML450 Hybrid (полный привод) электрический
• Mercedes S400 Blue Hybrid (задний привод) электрический
• Mitsubishi Outlander PHEV (2018 для 2019 модельного года, подключаемый гибридный полный привод)
• Renault Captur MK2 (PHEV)
• Renault Clio MK5 (HEV)
• Renault Mégane MK4 (PHEV)
• Subaru Crosstrek Hybrid (2018 на 2019 модельный год, полный привод)
• Toyota Camry Hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия 12,5: 1
• Toyota Avalon Hybrid (передний привод)
• Toyota Highlander Hybrid (2011 г. и новее)
• Toyota Prius hybrid electric (передний привод) со степенью сжатия (чисто геометрической) 13,0: 1
• Toyota Yaris Hybrid (передний привод) со степенью сжатия 13,4: 1
• Toyota Auris Hybrid (передний привод)
• Toyota Tacoma V6 (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
• Toyota RAV4 Hybrid (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
• Toyota Sienna (2016 для 2017 модельного года, гибридное начало для 2021 модельного года)
• Toyota Venza (начало гибрида с 2021 модельного года)
• Toyota C-HR Hybrid (2016-настоящее время)

Патенты

Патент 1887 г. (US 367496) описывает механические связи, необходимые для получения всех четырех тактов четырехтактного цикла газового двигателя в пределах одного оборота коленчатого вала. Также имеется ссылка на патент Аткинсона 1886 года (US 336505), в котором описывается газовый двигатель с оппозитными поршнями . Британский патент на «Утилите» датируется 1892 годом (№ 2492).

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Цикл Аткинсона, что это ?

При описании гибридных машин, часто встречается фраза – основной бензиновый двигатель машины работает по циклу Аткинсона. Так, что же это такое ?

 

Начнем с азов. Практически все современные бензиновые двигатели работают по, так называемому, «циклу Отто». Он включает в себя четыре фазы, или такта работы —  впуск, сжатием, рабочий ход, выпуск. Разработчиком его считается немецкий изобретатель Николаус Август Отто (Nicolaus August Otto).

 

Цикл Аткинсона, является одним из вариантов модернизации цикла Отто, которую, еще в конце девятнадцатого века предложил английский инженер Джеймс Аткинсон. В то время, двигатель Аткинсона не смог найти применения, из-за сложной конфигурации кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, несмотря на лучшую экономично и высокую эффективность, мотор с такой схемой практически не тянул на низких оборотах.

 

Появление же гибридных машин, таких как Toyota Prius вдохнула вторую жизнь в почти забытую схему. На малых оборотах, электромотор Приуса компенсирует недостаток мощности бензинового двигателя. А при средних и высоких оборотах мотора, цикл Аткинсона реализует свои лучшие качества.

 

Отличие цикла Аткинсона от общепринятого цикла Отто в том, что благодаря измененной конструкции шатунов, он проходит все четыре фазы работы за один оборот коленчатого вала. При этом, ходы поршня при тактах впуска и выпуска длиннее, чем при тактах сжатия и рабочего хода. Интересной особенностью конструкции, является отсутствие распределительного вала. Кулачки системы газораспределения расположены прямо на коленвале. 

 

На этом видео, хорошо видно, как все это происходит —

 

 

 

 

В гибридной установке Toyota Prius установлен, строго говоря, двигатель, работающий не совсем по циклу Аткинсона, Используется его вариант, упрощенный на основании исследований американского инженера Ральфа Миллера. Такой мотор имеет более технологичную конструкцию и под управлением компьютера позволяет добиться высокой экономичности и большего КПД.

 

 

 

Реклама от Google

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

Что такое цикл горения Аткинсона и каковы его преимущества?

Подобно бесчисленному множеству других изобретателей, предпринимателей и мастеров 19-го века, британский инженер Джеймс Аткинсон искал способы улучшить четырехтактный двигатель внутреннего сгорания Отто, впервые выпущенный в 1876 году. Двигатель, который он запатентовал в 1882 году, имел переменную длину хода, обеспечиваемую многорычажной системой. шатун между поршнем и маховиком. Хотя двигатели Аткинсона не увенчались успехом, его термодинамический цикл все еще широко используется, в основном в газо-электрических гибридах. Ключевым преимуществом является более высокий КПД по сравнению с двигателем Отто, хотя и с некоторой потерей мощности на низких оборотах. Цикл Аткинсона идеально подходит для гибридов, потому что их электродвигатели компенсируют потерю мощности на низких оборотах.

Цикл Аткинсона задерживает закрытие впускного клапана до тех пор, пока поршень не завершит от 20 до 30 процентов своего движения вверх на такте сжатия. В результате часть свежего заряда возвращается во впускной коллектор поднимающимся поршнем, поэтому цилиндр никогда не заполняется полностью (отсюда и снижение мощности на низких оборотах).Выплата составляет после зажигания, когда поршень начинает опускаться на такте расширения (также называемом силовым). В соответствии с оригинальным мышлением Аткинсона, укороченный ход впуска в сочетании с полным ходом расширения выжимает больше работы из каждого приращения топлива.

В большинстве двигателей степень сжатия устанавливается настолько высокой, насколько двигатель может выдержать детонацию в погоне за мощностью и эффективностью. Степени сжатия и расширения в двигателе Отто такие же. Аткинсон выигрывает по эффективности, потому что его степень расширения значительно больше, чем степень сжатия.

Американский инженер Ральф Миллер присоединился к другому полезному патенту в 1957 году. Его цикл был предназначен для использования с двух- и четырехтактными двигателями, работающими на бензине, дизельном или газообразном топливе, таком как пропан. Добавленный ингредиент представляет собой нагнетатель, который обеспечивает всасываемый заряд с промежуточным охлаждением и давлением, чтобы компенсировать потерю мощности на низкой скорости при подходе Аткинсона.Миллер также призвал к созданию «клапана контроля сжатия», чтобы время от времени стравливать избыточное давление из камеры сгорания. Mazda Millenia, продаваемая здесь с 1994 года, была самым известным серийным автомобилем, в котором использовался цикл Миллера.

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 сайте piano.io.

Как работает двигатель цикла Аткинсона

У. Аткинсона.Патент S. (номер 367 496, для нас, фанатов патентов) довольно прост: около тысячи слов текста и несколько полезных диаграмм. Или вы можете просто прочитать это объяснение, которое намного остроумнее любого патента.

В наши дни наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный двигатель с циклом Отто, в котором поршень поднимается и опускается внутри цилиндра, а искра воспламеняет смесь газа и воздуха. То же самое и с двигателем с циклом Аткинсона, поэтому вот краткое описание процесса:

Такт впуска: Всасывает воздух и топливо в цилиндр

Ход сжатия: Сдавливает смесь, поэтому, когда искра погаснет, она взорвется — большое время

Мощность или ход расширения: Использует силу, создаваемую взрывом, для перемещения поршня вниз по цилиндру

Такт выпуска: Выталкивает неприятные остатки процесса сгорания из цилиндра

В двигателе с циклом Отто это выполняется за два оборота коленчатого вала: впуск / зажигание, затем мощность / выпуск. В первоначальном двигателе Аткинсона изобретатель добавил пару рычагов, чтобы все четыре хода могли быть выполнены за один оборот коленчатого вала.

Это само по себе улучшило бы эффективность, но у Аткинсона была другая реализация: если бы компрессия в цилиндре была уменьшена, а рабочий ход был длиннее, чем такт впуска, двигатель работал бы более эффективно. Чтобы повернуть двигатель, который вращает колеса и заставляет машину двигаться, потребуется меньше топлива.

Представьте себе цилиндр и поршень. На такте впуска поршень не движется полностью вниз по цилиндру. Впускной клапан, через который воздух и топливо попадают в цилиндр, не пропускает столько смеси в цилиндр. Меньшее количество смеси требует меньшего сжатия. Поршень движется обратно вверх для такта сжатия, и наверху смесь воспламеняется. Бум! Сила направляет поршень обратно вниз по валу цилиндра в рабочем такте, на этот раз полностью вниз, чтобы использовать все силы, генерируемые сгоранием.Затем поршень движется обратно вверх, чтобы удалить мусор для такта выпуска. Да да! Четыре такта, меньше топлива!

Конечно, вы, умный читатель, наверное, поняли, что меньшее количество топлива и меньшая компрессия означают меньшую мощность. Ты прав. Несмотря на то, что поршню позволяют перемещаться дальше вниз во время рабочего такта, чем во время такта впуска, он не будет генерировать такую ​​большую мощность, как в двигателе с более высокой степенью сжатия и более богатой газовой смесью.

Другая проблема, связанная с этим двигателем, заключается в том, что он требует большого количества дополнительных деталей, что усложняет сборку, не говоря уже о том, что это дорого. Бедному Аткинсону пришлось добиться всей этой эффективности с помощью пружин, вибрирующих звеньев и раскаленной трубки зажигания, что звучит как отличное название для группы. Современным инженерам это намного проще.

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 мотоциклетном двигателе [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 отработавших газов 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 (VVT-iE) от Toyota, 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 собственного 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: Создание цикла Аткинсона 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 и мощность и выхлоп ходы длиннее, чем ходы 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 свойство. 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 один ход:

• Такт впуска начинается как обычно, сначала 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 нет 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.

Несмотря на то, что эта конструкция была эффективной и невероятно умной, она не подходила для массового производства с финансовой точки зрения. Для достижения разной длины хода за один оборот коленчатого вала требовались сложные механические связи, 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 качество цикла Аткинсона с точки зрения экономии топлива — отсроченное закрытие впускного клапана во время такта сжатия — с помощью немеханических средств; гидравлическое управление положением распредвала.

Это открытие позволило компании Toyota построить 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 в качестве вспомогательного средства для бензинового двигателя решило проблему нехватки мощности, характерную для цикла Аткинсона, но также обеспечило независимый источник мотивации для того, чтобы двигатель можно было выключить, когда это возможно.В конце концов, самый эффективный способ экономии топлива — это вообще не запускать двигатель!

Это сочетание имитируемого двигателя цикла Аткинсона с гибридной электрической трансмиссией оказалось настолько успешным, что каждая бензиновая и электрическая гибридная модель Toyota и Lexus, производимая после Prius первого поколения, использовала ту же самую экономичную архитектуру.

Что такое цикл Аткинсона в гибридной трансмиссии? | Car News

Стремясь к превосходной экономии топлива, в ряде гибридных автомобилей используется двигатель «цикла Аткинсона» в соответствии с термодинамическим циклом Джеймса Аткинсона.Термодинамический цикл — это математический инструмент, показывающий, как работает любой двигатель. Например, цикл «Отто» — это цикл для четырехтактного бензинового двигателя.

Цикл Аткинсона похож на цикл Отто с рабочей точки зрения. Во время первого хода выпускной клапан закрывается, впускной клапан открывается, поршень опускается из верхней части цилиндра, и в него нагнетается смесь топлива и воздуха. В этот момент давление внутри цилиндра составляет около одного бара. Эта операция сжигает энергию.

1,5-литровый 4-цилиндровый двигатель с циклом Аткинсона, установленный под капотом Toyota Prius 2010 года выпуска.

Во время второго хода впускной клапан закрывается, поршень поднимается вверх и сжимает топливовоздушную смесь. Внутреннее давление подскакивает до 10 бар, что означает значительную нагрузку и столь же значительный расход энергии.

Затем смесь воспламеняется, и давление резко возрастает до 100 бар. Во время третьего хода, также известного как рабочий ход, возникающее давление горящих газов толкает поршень вниз. Давление теперь составляет 4 или 5 бар.

Наконец, в четвертом такте поршень выталкивает продукты сгорания из цилиндра через выпускной клапан. Давление снова упало до одного бара. При этом двигатель сжигает энергию, и вот-вот начнется новый цикл.

Соотношение между объемом камеры сгорания, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объемом камеры сгорания, когда поршень находится в верхней части своего хода, называется степенью сжатия.Например, он пропорционален 10: 1.

Степень сжатия показывает, сколько энергии затрачивается на сжатие топливовоздушной смеси во время второго такта двигателя, а степень расширения указывает, сколько энергии вырабатывается во время рабочего такта.

Использование коленчатого вала подразумевает, что степени сжатия и расширения равны — где-то между 9: 1 и 12: 1 для бензинового двигателя. Все, что выше, приведет к детонации двигателя, также известной как детонация.

Дизели также имеют одинаковые степени сжатия и расширения; однако они выше, чем с газовым двигателем, обычно от 14: 1 до 22: 1. Вот почему большая экономия топлива достигается за счет дизельных силовых установок. С другой стороны, значение ниже 14: 1 приведет к сбою сгорания.

В 1885 году Джеймс Аткинсон придумал конструкцию двигателя, в которой рабочий ход был длиннее, чем ход сжатия, что означало, что расширение превышало сжатие. Сегодняшние современные двигатели достигают того же результата, когда впускной клапан остается открытым достаточно долго, чтобы позволить 20-30 процентам топливовоздушной смеси выйти из камеры сгорания.

Таким образом, двигателю с циклом Аткинсона требуется на 20 процентов меньше энергии для сжатия смеси. Кроме того, давление перед сгоранием на 20 процентов ниже, что позволяет увеличить степень сжатия на 20 процентов (до 13: 1 в случае Toyota Prius) без риска детонации двигателя.

Более высокая степень сжатия также означает более высокий выход за счет давления сгорания. Благодаря меньшему количеству энергии, необходимой для сжатия, и большему количеству энергии, вырабатываемой при расширении, этот тип двигателя более производительный и более экономичный, чем бензиновый двигатель такой же мощности. С другой стороны, поскольку впускная смесь на 20 процентов ниже, двигатель с циклом Аткинсона с таким же рабочим объемом будет развивать на 20 процентов меньше лошадиных сил.
фото: Toyota

Исследователи предлагают стратегию оптимизации для двигателей с циклом Аткинсона в гибридах

.

Команда из Пекинского технологического института и Beiqi Foton Motor предлагает стратегию оптимизации производительности бензинового двигателя с циклом Аткинсона, который играет ключевую роль в разработке гибридных электромобилей благодаря большей экономии топлива, чем обычный цикл Отто. двигатель.Статья об их работе опубликована в журнале Fuel .

Поскольку традиционный бензиновый двигатель имеет некоторые недостатки, такие как большие насосные потери и низкая топливная экономичность при частичной нагрузке, он больше не может удовлетворять потребности HEV в отношении экономии и выбросов. Двигатель цикла Аткинсона стал основным выбором для разработки HEV из-за его собственных преимуществ. Соответствующие исследования показывают, что 20–30% экономии топлива HEV связано с разработкой и применением двигателя с циклом Аткинсона.В настоящее время принято считать, что двигатель с циклом Аткинсона является идеальным типом двигателя для гибридной энергетической системы.

… Цель данной статьи — представить новую стратегию оптимизации рабочих характеристик двигателей с циклом Аткинсона и детально изучить механизм экономии топлива двигателей с циклом Аткинсона при низкой скорости и частичной нагрузке.

—Niu et al.

Команда сосредоточилась на диапазоне степени сжатия в соответствии с эффективностью цикла при малой степени повышения давления и оптимизации высокой степени сжатия и позднего закрытия впускного клапана (LIVC) при ограничении давления сжатия.

Цикл

Аткинсона имеет значительное преимущество в эффективности цикла при всех степенях повышения давления, особенно при высоком коэффициенте роста давления. Степень повышения давления и отношение степени расширения к эффективной степени сжатия оказывают значительное влияние на цикл Аткинсона. При фиксированной степени повышения давления эффективность Аткинсона сначала увеличивается до максимального значения, а затем уменьшается с увеличением ε _e / ε _c .

Диапазон степени сжатия был предварительно определен в соответствии с эффективностью цикла Аткинсона при малой степени повышения давления посредством термодинамического анализа; Оптимизация IVC при степенях сжатия была представлена ​​при ограничении давления сжатия, а степень сжатия и другие фазы газораспределения оптимизированы посредством одномерного моделирования.

Основные результаты исследования:

• Команда добилась значительных улучшений в насосных потерях и экономии топлива, проверив эффективность стратегии оптимизации. Повышение механического КПД за счет снижения PMEP является основной причиной улучшения экономии топлива при низкой и средней нагрузке, в то время как увеличение указанного теплового КПД является основной причиной улучшения экономии топлива при высокой нагрузке.

• BSFC двигателя цикла Аткинсона была улучшена на 9% при 2000 об / мин при 2 барах и на 8% при 3000 об / мин при 3 барах.Повышение давления на входе — основная причина снижения PMEP. Двигатель с циклом Аткинсона может достичь более очевидного сгорания с постоянным объемом, и качество сгорания было значительно улучшено.

Дальнейшие исследования будут проводиться в следующих аспектах: мощность, выбросы и эффективное использование эффекта обратного потока на впуске будут изучены путем изучения рабочего процесса многоцилиндрового двигателя с циклом Аткинсона.

—Niu et al.

Ресурсы

• Qingyu Niu, Baigang Sun, Dongsheng Zhang, Qinghe Luo (2020) «Исследование механизма оптимизации производительности и экономии топлива бензинового двигателя с циклом Аткинсона на низких оборотах и ​​частичной нагрузке», Fuel , Volume 265, doi: 10.1016 / j.fuel.2020.117010.

.