0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое работа двигателя по циклу аткинсона

Отто, Аткинсон, Миллер и ГБО или «Газ» на гибриды на примере Тойоты.

В автомобилестроении применяются десятки термодинамических циклов. О них сегодня и расскажем. А также о том, как тот или иной термодинамический цикл влияет на подбор газобаллонного оборудования.

Главная задача инженеров – добиться максимального КПД, без существенной потери мощности и заоблачного расхода топлива. По этой причине КПД современного бензинового двигателя внутреннего сгорания = 20-25%! На это влияют: первичные и вторичные тепловые потери – до 25%; топливная потеря – до 25%; механические потери – до 20, максимальное теоретическое КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания = 60-65%.

Идеальный цикл Отто состоит из четырёх процессов:
1—2 адиабатное сжатие рабочего тела;
2—3 изохорный подвод теплоты к рабочему телу;
3—4 адиабатное расширение рабочего тела;
4—1 изохорное охлаждение рабочего тела.
p-V диаграмма цикла Отто:

Сбалансированный термодинамический цикл в котором время движения поршня вверх и вниз одинаковое. Большинство современных автомобилей работают по этому принципу. Можно установить любую (кроме откровенно «китайских») комплектацию ГБО.

Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания. В этом двигателе соотношение времен тактов цикла изменено. Такт сжатия механически более короткий, чем такт рабочего хода (поршень движется вверх быстрее чем вниз). В этом двигателе снижен расход топлива и уровень шума за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в цикле Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требуется редуктор, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Минусы цикла Аткинсона: усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма (увеличивает стоимость ремонта); малый момент на низких оборотах.

На Гибридах используется цикл Аткинсона. Двигатель работает в малом диапазоне частот, вращения и нагрузок. Гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт полную мощность в широком диапазоне оборотов. Низкий расход, высокий КПД, что еще нужно для счастья? Подсказка: ГБО)

Теперь о гибриде Toyota Prius. Тойота использует цикл Миллера. Этот цикл совмещает в себе технические характеристики и преимущества циклов Аткинсона и Отто. Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона), цикл Миллера сокращает такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто). Повышенная тепловая эффективность 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 мощности требуется двигатель Миллера огромных размеров. Преимущество в мощности большого двигателя Миллера будет частично потрачено на уменьшение КПД (чем больше двигатель тем больше КПД он теряет при увеличении размера).

Другие модели Toyota работают по принципу Аткинсона.

А теперь давайте вспомним о КПД и поговорим о ГБО. Использование циклов Аткинсона или Миллера увеличивает КПД двигателя до 90-97% (за счёт отсутствия тепловых и механических затрат КПД), при 20-25% у бензинового и 40% у дизельного. И поскольку в ближайшие 100 лет мы вряд ли уведем 100% КПД, покупка гибрида (с последующей установкой ГБО) выглядит более чем оправданной.

А можно ставить ГБО на Гибрид, ведь это такой сложный автомобиль?

Можно, но помните это не «Жигули» и не стоит рассчитывать на дешевое ГБО, оно просто не будет работать.

На не гибридных автомобилях подача газа осуществляется только на теплый редуктор, который прогревается во время работы двигателя на бензине.

На гибридных автомобилях запуск газовых форсунок (с прогретым двигателем) происходит сразу, без использования бензина, или с его минимальным потреблением.

«Моторы» гибридного автомобиля часто сменяют друг друга, процессор газобаллонного оборудования должен быть максимально быстрым и иметь функцию «стоп-старт», форсунки только: BRC, Keihin или Barracuda. Гибридная силовая установка запускает разогретый двигатель (ДВС) на пропан-бутане.

Ок, я получил экономию на заправке, есть ещё какие-то преимущества?

Читать еще:  Асинхронный двигатель работа в воде

Есть, огромный запас хода благодаря установке дополнительного бака (газового). Не всегда есть возможность держать аккумулятор, бензобак и баллон на максимальном уровне, но когда звёзды сойдутся вы можете поддаться импульсивному желанию и рвануть в по-настоящему долгое путешествие. Только вы, автомобиль и дорога (что-то я отвлекся).

Как это отразится на ресурсе двигателя?

Запомните: Износ двигателя автомобиля «на газу» происходит в пределах «бензиновой» нормы. Любое техническое изделие имеет скверную привычку изнашиваться, установка ГБО не убьёт ваш двигатель, но и вечным он тоже не станет. Профилактика и техническое обслуживание происходит как обычно.

Цикл Аткинсона

Термодинамические циклы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Цикл Аткинсона
Цикл Брайтона/Джоуля
Цикл Гирна
Цикл Дизеля
Цикл Калины
Цикл Карно
Цикл Ленуара
Цикл Миллера
Цикл Отто
Цикл Ренкина
Цикл Стирлинга
Цикл Тринклера
Цикл Хамфри
Цикл Эрикссона
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

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.

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 применен не двигатель Аткинсона, а его упрощенный аналог, построенный по принципу цикла Миллера. Приус разгоняется электро-мотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.

Двигатели внутреннего сгорания, о которых мало кто знает

Но, несмотря на все достоинства, хватает у ДВС недостатков, избавиться от которых, изменив конструкцию или схему работы мотора, пытались во все времена. Рассмотрим наиболее интересные из подобных попыток.

Цикл Аткинсона

4-тактные моторы до сих пор работают по циклу, разработанному в далёком 1876 году немецким изобретателем Николаусом Отто. Но в 1886 году британский инженер Джеймс Аткинсон попытался усовершенствовать эту схему. В обычном ДВС впуск закрывается практически сразу после прохождения поршнем нижней мертвой точки. В отличии от него, в цикле Аткинсона такт впуска намного дольше, впускной клапан закрывается лишь на полпути поршня к верхней мертвой точке. Это приводит к лучшему наполнению цилиндров за счет снижению насосных потерь. Как результат, двигатель Аткинсона расходует на 10% меньше топлива.

Но, не обошлось и без недостатков, правильно работает такой мотор только на высоких оборотах. Эту проблему можно решить устанавив механический нагнетатель, но это приводит к удорожанию конструкции. По этой причине серийные автомобили крайне редко оснащают такими двигателями.

Без клапанов

Одним из самых сложных и шумных механизмов в классическом ДВС является ГРМ. Многие изобретатели пытались это исправить, и пожалуй, самой успешной попыткой стал, созданный в начале ХХ века, мотор Чарльза Найта. В конструкции этого двигателя полностью отсутствуют клапаны и их громоздкий привод. Их функцию выполняют специальные золотники. С помощью оригинального привода золотники двигаются в вертикальной плоскости, открывая окна цилиндрах.

Конструкция отличалась практически бесшумной работой, но была весьма дорогой. Поэтому применяли подобные моторы лишь компании, выпускавшие представительские автомобили, такие как Daimler, Mercedes-Benz, Panhard Levassor. Однако эксплуатация выявила серьёзный недостатки. Система Найта оказалась крайне ненадежной и прожорливой, отличаясь, к тому же, высоким расходом масла из-за трения между золотниками и стенками цилиндра. Поэтому, в 40-х годах прошлого века, с появлением усовершенствованных клапанных механизмов, автопроизводители отказались от золотникового ГРМ.

Изменяемая степень сжатия

Одной из важнейших характеристик двигателя является степень сжатия. Чем она выше, тем выше КПД бензинового мотора. Но, из-за риска детонации, бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя. Особенно эта проблема проявляется в наддувных двигателях. Один из способов решить этот вопрос — изменяемая в зависимости от режима работы мотора степень сжатия. Попытки реализовать подобную схему начались еще во второй половине ХХ века, но сложность конструкции пока не позволяет использовать такие моторы на массовых моделях. Тем не менее, это весьма перспективное направление, над которым и сейчас работают многие автопроизводители.

цикл аткинсона

Главная Как это работает Двигатель Бензиновый двигатель Основные виды моторов Цикл Аткинсона: как это работает
Цикл Аткинсона: как это работает
3246
26
Цикл Аткинсона: как это работаетВ автомобильном строении легковых автомобилей уже более века стандартно используются двигатели внутреннего сгорания. У них есть некоторые минусы, над которыми годами бьются ученые и конструкторы. В результате этих исследований получаются довольно интересные и странные «движки». Об одном из них и пойдет речь в этой статье.

История создания цикла Аткинсона
Принцип работы цикла Аткинсона
Отличие от традиционных двигателей
Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
История создания цикла Аткинсона

История создания мотора с циклом Аткинсона корнями уходит в далекую историю. Начнем с того, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876. Цикл такого мотора довольно прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Всего через 10 лет после изобретения двигателя Отто, англичанин Джеймс Аткинсон предложил модифицировать немецкий мотор. По сути, двигатель остается четырехтактным. Но Аткинсон немного изменил продолжительность двух из них: первые 2 такта короче, остальные 2 длиннее. Сэр Джеймс реализовал эту схему, с помощью изменения длинны ходов поршней. Но в 1887 году такая модификация двигателя Отто не нашла применения. Несмотря на то, что производительность мотора увеличилась на 10%, сложность механизма не позволяла массово применять цикл Аткинсона для автомобилей.

Но инженеры продолжали работать над циклом сэра Джеймса. Американец Ральф Миллер в 1947 немного усовершенствовал цикл Аткинсона, упростив его. Это позволило применять двигатель в автомобилестроении. Казалось бы, правильнее называть цикл Аткинсона циклом Миллера. Но инженерное сообщество оставило за Аткинсоном право называть мотор по его имени по принципу первооткрывателя. К тому же, с применением новых технологий стало возможным применять более сложный Аткинсоновский цикл, поэтому от цикла Миллера со временем отказались. Например, в новых Тойотах стоит мотор Аткинсона, а не Миллера.

В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota активно заполняют мировой рынок.Цикл Аткинсона: как это работает

Принцип работы цикла Аткинсона
Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.

Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала. Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу. В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке. В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие.

Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.

Отличие от традиционных двигателей
Напомним, что цикл Аткинсона является четырехтактным (впуск, сжатие, расширение, выброс). Обычный четырехтактный двигатель работает по циклу Отто. Вкратце, напомним его работу. В начале рабочего хода в цилиндре поршень идет вверх, до верхней рабочей точки. Смесь из топлива и воздуха сгорает, газ расширяется, давление на максимуме. Под влиянием этого газа поршень едет вниз, приходит в нижнюю мертвую точку. Рабочий ход окончен, открывается выпускной клапан, через который выходит отработанный газ. В этом месте происходят потери выпуска, т.к. отработанный газ все же имеет остаточное давление, использовать которое невозможно.

Аткинсон уменьшил потерю выпуска. В его двигателе объем камеры сгорания меньше при прежнем рабочем объеме. Это значит, что степень сжатия выше, а ход поршня больше. К тому же, длительность такта сжатия по сравнению с рабочим ходом уменьшается, двигатель работает по циклу с увеличенной степенью расширения (степень сжатия ниже степени расширения). Эти условия позволили уменьшить потерю выпуска, используя энергию отработанных газов.

Цикл Аткинсона: как это работаетВернемся к циклу Отто. При всасывании рабочей смеси дроссельная заслонка закрыта и создает сопротивление на впуске. Происходит это при неполном нажатии на педаль газа. Из-за закрытой заслонки двигатель тратит энергию впустую, создавая насосные потери.

Аткинсон поработал и с тактом впуска. Продлив его, сэр Джеймс добился уменьшения насосных потерь. Для этого поршень доходит до нижней мертвой точки, затем поднимается, оставляя впускной клапан открытым примерно до половины поршневого хода. Часть топливной смеси возвращается во впускной коллектор. В нем повышается давление, что дает возможность приоткрывать дроссельную заслонку на малых и средних оборотах.

Но в серию аткинсоновский мотор не выпускали по причине перебоев в работе. Дело в том, что, в отличие от ДВС, мотор работает только на повышенных оборотах. На холостом ходу он может заглохнуть. Но эта проблема решилась в производстве гибридов. На малых скоростях такие машины едут на электоротяге, а на бензиновый движок переходят только в случае разгона или при нагрузках. Подобная модель как убирает недостатки двигателя Аткинсона, так и подчеркивает его достоинства перед другими ДВС.

Преимущества и недостатки цикла Аткинсона
Двигатель Аткинсона имеет несколько преимуществ, выделяющих его перед остальными ДВС: 1. Снижение топливных потерь. Как говорилось ранее, благодаря изменению длительности тактов, стало возможным сохранять топливо, используя отработанные газы и снижая насосные потери. 2. Маленькая вероятность детонационного сгорания. Степень сжатия топлива уменьшается с 10 до 8. Это позволяет не повышать обороты мотора переключением на пониженную передачу в связи с увеличением нагрузки. Так же вероятность детонационного сгорания меньше из-за выхода тепла из камеры сгорания во впускной коллектор. 3. Маленький расход бензина. В новых гибридных моделях расход бензина равен 4 литра на 100 км. 4. Экономичность, экологичность, высокий КПД. Цикл Аткинсона: как это работает

Но у двигателя Аткинсона есть один существенный недостаток, который не позволял применять его в массовом производстве машин. Из-за невысоких показателей мощности, на маленьких оборотах двигатель может заглохнуть. Поэтому двигатель Аткинсона очень хорошо прижился на гибридах.

Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении
Цикл Аткинсона: как это работаетКстати, о машинах, на которые ставят аткинсоновские двигатели. В массовом выпуске эта модификация ДВС появилась не так давно. Как было сказано ранее, первыми пользователями цикла Аткинсона были японские фирмы Mazda и Toyota. Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800, которая выпускалась в 1993-2002 годы.

Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota, выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid. Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h, а «Форд» и «Ниссан» разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid. Цикл Аткинсона: как это работает

Стоит сказать, что в автомобилестроении наблюдается мода на экологию. Поэтому гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы. Поэтому с уверенностью можно сказать, что двигатель на основе цикла Аткинсона имеет продуктивное будущее и надежду на долгое существование.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector