Аткинсон, Миллер, Отто и другие в нашем небольшом техническом экскурсе.

Для начала разберемся что такое цикл работы двигателя. ДВС – это объект, который превращает давление от сгорания топлива в механическую энергию, а так как он работает с теплом, то он является тепловой машиной. Так вот, цикл для тепловой машины – это круговой процесс, в котором совпадают начальные и конечные параметры, которые определяют состояние рабочего тела (в нашем случае это цилиндр с поршнем). Такими параметрами являются давление, объем, температура и энтропия.

Именно эти параметры и их изменение задают то, как будет работать двигатель, а другими словами – каким будет его цикл. Поэтому, если у вас есть желание и познания в термодинамике, можете создать свой цикл работы тепловой машины. Главное потом заставить работать ваш двигатель, чтоб доказать право на существование.

Цикл Отто

Начнем мы с самого главного цикла работы, который используют практически все ДВС в наше время. Назван он в честь Николауса Августа Отто, немецкого изобретателя. Первоначально Отто использовал наработки бельгийца Жана Ленуара. Немного понимания первоначальной конструкции даст эта модель двигателя Ленуара.

Так как Ленуар и Отто не были знакомы с электротехникой, то воспламенение в их прототипах создавалось открытым пламенем, которое через трубку зажигало смесь внутри цилиндра. Главное отличие двигателя Отто от двигателя Ленуара было в размещении цилиндра вертикально, что натолкнуло Отто на использование энергии отработанных газов для поднятия поршня после рабочего хода. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления. И после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Именно полнота использования энергии позволила поднять КПД до умопомрачительных на то время 15%, что превышало эффективность даже паровых машин. Кроме того, такая конструкция позволила использовать в пять раз меньше топлива, что потом привело к тотальному доминированию подобной конструкции на рынке.

Но главная заслуга Отто – изобретение четырехтактного процесса работы ДВС. Это изобретение было сделано в 1877 году и тогда же было запатентовано. Но французские промышленники покопались в своих архивах и нашли, что идею четырехтактной работы за несколько лет до патента Отто описал француз Бо де Рош. Это позволило снизить патентные выплаты и заняться разработкой собственных моторов. Но благодаря опыту, двигатели Отто были на голову лучше конкурентов. И к 1897 году их было сделано 42 тысячи штук.

Но что, собственно говоря, такое цикл Отто? Это знакомые нам со школьной скамьи четыре такта ДВС – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы занимают равное количество времени, а тепловые характеристики мотора показаны на следующем графике:

Где 1-2 – это сжатие, 2-3 – рабочий ход, 3-4 – выпуск, 4-1 – впуск. КПД такого двигателя зависит от степени сжатия и показателя адиабаты:

, где n – степень сжатия, k – показатель адиабаты, или отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме.

Другими словами – это количество энергии, которую нужно потратить, чтобы вернуть газ внутри цилиндра к прежнему состоянию.

Цикл Аткинсона

Был изобретен в 1882 году Джеймсом Аткинсоном, британским инженером. Цикл Аткинсона повышает эффективность работы цикла Отто, но уменьшает выделяемую мощность. Основное отличие – разное время выполнения разных тактов работы мотора.

Особенная 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 длиннее, чем во время сжатия и расширения.

Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулачки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу. Это устраняет потребность отдельной установки распределительного вала. К тому же нет необходимости устанавливать редуктор, так как коленчатый вал крутится с вдвое меньшей скоростью. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики, но в конце ХХ века он стал более популярным, так как начал применяться на гибридах.

Так что, в дорогих Lexus стоят такие странные агрегаты? Отнюдь нет, цикл Аткинсона в чистом виде никто и не собирался реализовывать, но модифицировать обычный моторы под него – вполне реально. Поэтому не будем долго разглагольствовать об Аткинсоне и перейдем к циклу, который его воплотил в реальность.

Цикл Миллера

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым двигателем Отто. Вместо того, чтобы сделать механически такт сжатия 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, либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у мотористов 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. Также одним из плюсов цикла Миллера является возможность более широкой вариации времени зажигания без риска детонации, что дает более широкие возможности для инженеров.

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.).

Цикл Дизеля

И напоследок стоит хотя бы кратко вспомнить о цикле Дизеля. Рудольф Дизель изначально хотел создать двигатель, который бы максимально приблизился к циклу Карно, в котором КПД определяется лишь разностью температур рабочего тела. Но так как охлаждать двигатель до абсолютного ноля – не круто, Дизель пошел другим путем. Он увеличил максимальную температуру, для чего начал сжимать топливо до запредельных на то время значений. Мотор у него получился с действительно высоким КПД, но работал изначально на керосине. Первые прототипы Рудольф построил в 1893 году, и только к началу ХХ столетия перешел на другие виды топлива, в том числе и дизельное.

• , 17 Июл 2015

Мало кто задумывается о процессах, происходящих в привычном двигателе внутреннего сгорания. В самом деле, кто вспомнит курс физики уровня 6-7-го класса средней школы? Разве что общие моменты запечатлелись в памяти железно: цилиндры, поршни, четыре такта, впуск и выпуск. Неужели за сто с лишним лет ничего не изменилось? Разумеется, это не совсем так. Усовершенствовались поршневые двигатели, появились и принципиально иные способы заставить вал вращаться.

Помимо прочих заслуг, компания "Мазда" (она же Toyo Cogyo Corp) известна как большой почитатель нетрадиционных решений. Имея изрядный опыт разработки и эксплуатации привычных четырехтактных поршневых двигателей, "Мазда" уделяет большое внимание альтернативным решениям, причем речь идет не о каких-то сугубо экспериментальных технологиях, а о продуктах, устанавливаемых в серийные автомобили. Наиболее известны две разработки: поршневой двигатель с циклом Миллера и роторный двигатель Ванкеля, по отношению к которым стоит отметить, что идеи, лежащие в основе этих моторов, родились не в лабораториях "Мазды", но именно этой компании удалось довести до ума оригинальные инновации. Часто бывает, что вся прогрессивность какой-либо технологии сводится на нет дорогостоящим процессом производства, неэффективностью в составе конечного изделия или еще какими-то причинами. В нашем случае звезды сложились в удачную комбинацию и Миллер с Ванкелем получили путевку в жизнь в качестве узлов автомобилей "Мазда".

Цикл сгорания топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе называется циклом Отто. Но немногие автолюбители знают, что существует усовершенстованный вариант этого цикла - цикл Миллера, и именно "Мазде" удалось построить реально работающий мотор в соответствии с положениями цикла Миллера - этим двигателем в 1993 году оснастили автомобили Xedos 9, известные также как Millenia и Eunos 800. Этот V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 2,3 литра оказался первым в мире работающим серийным двигателем Миллера. По сравнению с обычными моторами он развивает момент трехлитрового мотора с расходом горючего, как у двухлитрового. Цикл Миллера более эффективно использует энергию горения топливовоздушной смеси, поэтому мощный мотор получается более компактным и эффективным с точки зрения экологических требований.

У маздовского Миллера следующие характеристики: мощность 220 л. с. при 5500 об/мин, крутящий момент 295 Нм при 5500 об/мин - и это было достигнуто в 1993 году при объеме 2,3 литра. За счет чего же это было достигнуто? За счет некоторой непропорциональности тактов. Их длительность различна, поэтому степень сжатия и степень расширения, основные величины, описывающие работу ДВС, оказываются неодинаковыми. Для сравнения, в двигателе Отто продолжительность всех четырех тактов одинакова: впуск, сжатие смеси, рабочий ход поршня, выпуск - и степень сжатия смеси равна степени расширения газов сгорания.

Повышение степени расширения приводит к тому, что поршень способен выполнить большую работу - это существенно повышает КПД двигателя. Но, по логике цикла Отто, степень сжатия также повышается, и здесь существует определенный предел, выше которого сжать смесь невозможно, происходит ее детонация. Напрашивается идеальный вариант: степень расширения увеличить, степень сжатия по возможности снизить, что применительно к циклу Отто невозможно.

"Мазда" сумела побороть это противоречие. В ее двигателе с циклом Миллера понижение степени сжатия достигается путем введения задержки впускного клапана - он остается открытым, а часть смеси возвращается обратно во впускной коллектор. В этом случае сжатие смеси начинается не тогда, когда поршень прошел нижнюю мертвую точку, а в момент, когда им пройдена уже пятая часть пути до верхней мертвой точки. Кроме того, предварительно немного сжатую смесь подает в цилиндр компрессор Лисхолма, некий аналог нагнетателя. Вот так просто преодолевается парадокс: длительность такта сжатия несколько меньше такта расширения, а кроме того, уменьшается температура двигателя и процесс сгорания смести становится намного более чистым.

Еще одна удачная идея "Мазды" - разработка роторно-поршневого двигателя на основе идей, предложенных почти полсотни лет назад инженером Феликсом Ванкелем. Сегодняшние вызывающие восторг спорткары RX-7 и RX-8 с характерным "инопланетным" звуком мотора как раз скрывают под капотами роторные двигатели, которые теоретически схожи с обычными поршневыми, но практически - совершенно не от мира сего. Использование роторных двигателей Ванкеля в RX-8 позволило компании "Мазда" сообщить своему детищу 190 или даже 230 лошадиных сил при объеме двигателя всего лишь 1,3 литра.

При массе и габаритах в два-три раза меньше, чем у поршневого мотора, роторный двигатель способен развить мощность, примерно равную мощности поршневого, вдвое большего по объему. Эдакий чертик в табакерке, который заслуживает самого пристального внимания. За всю историю автомобилестроения лишь две фирмы в мире умудрились создать работоспособные и не слишком дорогие роторы - это "Мазда" и... ВАЗ.

Mazda RX-7

Функции поршня в роторно-поршневом двигателе выполняет ротор с тремя вершинами, с помощью которого давление сгоревших газов преобразуется во вращательное движение вала. Ротор как бы обкатывается вокруг вала, заставляя последний вращаться, причем ротор совершает движение по сложной кривой, именуемой "эпитрохоида". За один оборот вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер, на которую ротор делит неподвижный корпус-статор, происходит полный четырехтактный цикл "впуск - сжатие - рабочий ход - выпуск".

Интересно, что для этого процесса не требуется газораспределительный механизм, имеются лишь окна впуска и выпуска, которые перекрываются одной из трех вершин ротора. Еще одно неоспоримое преимущество двигателя Ванкеля - гораздо меньшее по сравнению с привычным поршневым мотором количество движущихся частей, что существенно уменьшает вибрацию и мотора, и автомобиля.

Необходимо признать, что сама эффективная сущность такого двигателя вовсе не исключает многих недостатков. Во-первых, это очень высокооборотистые, а значит, и высоконагруженные моторы, которым требуются дополнительные смазка и охлаждение. Например, расход от 500 до 1000 граммов специального минерального масла для Ванкеля - вполне привычное дело, ведь его приходится впрыскивать прямо в камеру сгорания для уменьшения нагрузок (синтетика не подходит из-за повышенной закоксовки отдельных узлов двигателя).

Конструктивый недостаток, пожалуй, единственный: дороговизна производства и ремонта, ведь прецизионные ротор и статор имеют весьма сложную форму, а потому у многих дилеров "Мазды" серьезный гарантийный ремонт таких моторов крайне прост: замена! Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск - в другой.

Прежде чем рассказать об особенностях «маздовского» двигателя «Миллера» (Miller cycle) замечу, что он не пятитактный, а четырехтактный, как и мотор Отто. Мотор «Миллера» - это не что иное как усовершенствованный классический двигатель внутреннего сгорания. Конструктивно эти моторы практически одинаковы. Разница заключается в фазах газораспределения. Отличает их то, что классический мотор работает по циклу немецкого инженера Николоса Отто, а «маздовский» двигатель «Миллера» - по циклу британского инженера Джеймса Аткинсона, хотя назван почему-то в честь американского инженера Ральфа Миллера. Последний тоже создал свой цикл работы ДВС, однако по своей эффективности он уступает циклу Аткинсона.

Привлекательность V-образной «шестерки», устанавливаемой на модель Xedos 9 (Millenia или Eunos 800), в том, что при рабочем объеме 2,3 л она выдает мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что равноценно характеристикам 3-литровых моторов. В то же время расход топлива у такого сильного мотора очень низкий - на трассе 6,3 (!) л/100 км, в городе - 11,8 л/100 км, что соответствует показателям 1,8-2-литровых двигателей. Неплохо.

Чтобы разобраться, в чем секрет мотора «Миллера», следует вспомнить принцип работы всем знакомого четырехтактного мотора Отто. Первый такт - такт впуска. Начинается он после открытия впускного клапана при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ). Двигаясь вниз, поршень создает в цилиндре разрежение, которое способствует всасыванию в них воздуха и топлива. При этом в режимах малых и средних оборотов двигателя, когда дроссельная заслонка открыта частично, появляются так называемые насосные потери. Их суть - из-за большого разрежения во впускном коллекторе поршням приходится работать в режиме насоса, на что затрачивается часть мощности двигателя. Кроме того, при этом ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и соответственно повышается расход топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу. Когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан закрывается. После этого поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь - протекает такт сжатия. Вблизи ВМТ смесь воспламеняют, давление в камере сгорания повышается, поршень движется вниз - рабочий ход. В НМТ открывается выпускной клапан. При движении поршня вверх - такт выпуска - оставшиеся в цилиндрах отработавшие газы выталкиваются в систему выпуска.

Стоит отметить, что в момент открытия выпускного клапана газы в цилиндрах еще находятся под давлением, поэтому освобождение этой неиспользованной энергии называют потерями выпуска. Функцию снижения шумности при этом возложили на глушитель выхлопной системы.

Чтобы уменьшить негативные явления, возникающие при работе двигателя с классической схемой фаз газораспределения, в «маздовском» моторе «Миллера» фазы газораспределения изменили в соответствии с циклом Аткинсона. Впускной клапан закрывается не вблизи нижней мертвой точки, а значительно позже - при повороте коленвала на 700 от НМТ (в двигателе Ральфа Миллера клапан закрывается наоборот - намного раньше прохождения поршнем НМТ). Цикл Аткинсона дает целый ряд преимуществ. Во-первых, снижаются насосные потери, так как часть смеси при движении поршня вверх выталкивается во впускной коллектор, уменьшая в нем разрежение.

Во-вторых, изменяется степень сжатия. Теоретически она остается прежней, так как ход поршня и объем камеры сгорания не изменяются, а вот фактически, за счет запоздалого закрытия впускного клапана, уменьшается с 10 до 8. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, а значит отсутствие необходимости повышать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки. Снижает вероятность детонационного сгорания и то, что горючая смесь, выталкиваемая из цилиндров при движении поршня вверх до момента закрытия клапана, выносит с собой во впускной коллектор часть тепла, отобранного от стенок камеры сгорания.

В-третьих, нарушилось соотношение между степенями сжатия и расширения, так как за счет более позднего закрытия впускного клапана длительность такта сжатия по отношению к длительности такта расширения, когда открыт выпускной клапан, значительно уменьшилась. Двигатель работает по так называемому циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется более длительный период, т.е. с уменьшением потерь выпуска. Это дает возможность более полно использовать энергию отработавших газов, что, собственно, и обеспечило высокую экономичность двигателя.

Для получения высокой мощности и крутящего момента, которые необходимы для элитной «маздовской» модели, в двигателе «Миллера» применяется механический компрессор Лисхольма, установленный в развале блока цилиндров.

Кроме 2,3-литрового мотора автомобиля Xedos 9, цикл Аткинсона начали применять в малонагруженном двигателе гибридной установки автомобиля Toyota Prius. Отличается он от «маздовского» тем, что в нем нет нагнетателя воздуха, а степень сжатия имеет высокое значение - 13,5.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) считается одним из самых важных узлов в автомобиле, от его характеристик, мощности, приемистости и экономичности зависит, насколько комфортно будет чувствовать себя за рулем водитель. Хотя авто постоянно совершенствуются, «обрастают» навигационными системами, модными гаджетами, мультимедиа и так далее, моторы так и остаются практически неизменными, по крайней мере, принцип их работы не меняется.

Цикл Отто Аткинсона, который лег в основу автомобильного ДВС, был разработан еще в конце 19-го века, и с того времени не претерпел почти никаких глобальных изменений. Лишь в 1947 году Ральф Миллер сумел усовершенствовать разработки своих предшественников, взяв лучшее от каждой из моделей построения двигателя. Но чтобы в общих чертах понять принцип работы современных силовых агрегатов, нужно немного заглянуть в историю.

КПД двигателей Отто

Первый двигатель для автомобиля, который мог нормально работать не только теоретически, был разработан французом Э. Ленуаром в далеком 1860 году, являлся первой моделью с кривошипно-шатунным механизмом. Агрегат работал на газу, использовался на лодках, его коэффициент полезного действия (КПД) не превышал 4,65%. В дальнейшем Ленуар объединился с Николаусом Отто, в сотрудничестве с немецким конструктором в 1863-м году был создан 2-тактный ДВС с КПД 15%.

Принцип четырехтактного двигателя впервые был предложен Н. А. Отто в 1876 году, именно этот конструктор-самоучка считается создателем первого мотора для автомобиля. Движок имел газовую систему питания, изобретателем же 1-го в мире карбюраторного ДВС на бензине считается российский конструктор О. С. Костович.

Работа цикла Отто применяется на многих современных двигателях, всего здесь четыре такта:

• впуск (при открытии впускного клапана цилиндрическое пространство наполняется топливной смесью);
• сжатие (клапана герметичны (закрыты), происходит сжимание смеси, в конце этого процесса – воспламенение, которое обеспечивает свеча зажигания);
• рабочий ход (из-за высоких температур и большого давления поршень устремляется вниз, заставляет двигаться шатун и коленвал);
• выпуск (в начале этого такта открывается выпускной клапан, освобождая путь выпускным газам, коленвал в результате преобразования теплоэнергии в механическую энергию продолжает вращаться, поднимая шатун с поршнем вверх).

Все такты зациклены и идут по кругу, а маховик, который запасает энергию, способствует раскручиванию коленчатого вала.

Хотя по сравнению с двухтактным вариантом четырехтактная схема кажется более совершенной, КПД бензинового мотора даже в самом лучшем случае не превышает 25%, а наибольший коэффициент полезного действия – у дизелей, здесь он может повыситься максимально и до 50%.

Термодинамический цикл Аткинсона

Джеймс Аткинсон – британский инженер, решивший модернизировать изобретение Отто, предложил свой вариант усовершенствования третьего цикла (рабочего хода) в 1882 году. Конструктором была поставлена цель повысить КПД двигателя и сократить процесс сжатия, сделать ДВС более экономичным, менее шумным, а различие его схемы построения заключалось в изменении привода кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и в прохождении всех тактов за один оборот коленвала.

Хотя Аткинсон и сумел повысить эффективность своего мотора по отношению к уже запатентованному изобретению Otto, схема не была реализована на практике, механика оказалась слишком сложной. Но Atkinson стал первым конструктором, который предложил работу ДВС с пониженной степенью сжатия, и принцип этого термодинамического цикла был в дальнейшем учтен изобретателем Ральфом Миллером.

Идея сокращения процесса сжатия и более насыщенного впуска не ушла в забвение, к ней вернулся в 1947 году американец Р. Миллер. Но на этот раз инженер предложил реализовать схему не с помощью усложнения КШМ, а путем изменения фаз газораспределения. Рассматривалось две версии:

• рабочий ход с запаздыванием закрытия впускного клапана (LICV или короткое сжатие);
• ход с ранним закрытием клапана (EICV или укороченный впуск).

При позднем закрытии впускного клапана получается сокращенное сжатие по отношению к двигателю Отто, из-за чего часть топливной смеси попадает назад во впускной канал. Такое конструктивное решение дает:

• более «мягкое» геометрическое сжатие топливно-воздушной смеси;
• дополнительную экономию топлива, особенно на малых оборотах;
• меньшую детонацию;
• низкий уровень шума.

К минусам этой схемы можно отнести уменьшение мощности на больших оборотах, так как процесс сжатия получается сокращенным. Но за счет более полного наполнения цилиндров возрастает КПД на низких оборотах и увеличивается геометрическая степень сжатия (фактическая уменьшается). Графическое изображение этих процессов можно увидеть на рисунках с условными диаграммами ниже.

Двигатели, работающие по схеме Миллера, проигрывают Otto на высоких скоростных режимах по мощности, но в городских условиях эксплуатации это не так и важно. Зато такие моторы более экономичны, меньше детонируют, мягче и тише работают.

Miller Cycle Engine на автомобиле Mazda Xedos (2.3 L)

Особенный механизм газораспределения с перекрытием клапанов обеспечивает повышение степени сжатия (СЗ), если в стандартном варианте, допустим, она равна 11, то в моторе с коротким сжатием этот показатель при всех других одинаковых условиях увеличивается до 14. На 6-цилиндровом ДВС 2.3 L Mazda Xedos (семейство Skyactiv) теоретически это выглядит так: впускной клапан (ВК) открывается, когда поршень расположен в верхней мертвой точке (сокращенно – ВМТ), закрывается не в нижней точке (НМТ), а позднее, остается открытым 70º. При этом часть топливно-воздушной смеси выталкивается назад во впускной коллектор, сжатие начинается после закрытия ВК. По возвращению поршня в ВМТ:

• объем в цилиндре уменьшается;
• давление возрастает;
• воспламенение от свечи происходит в какой-то определенный момент, оно зависит от нагрузки и количество оборотов (работает система опережения зажигания).

Затем поршень идет вниз, происходит расширение, при этом теплоотдача на стенки цилиндров получается не такой высокой, как в схеме Otto из-за короткого сжатия. Когда поршень доходит до НМТ, идет выпуск газов, затем все действия повторяются заново.

Специальная конфигурация впускного коллектора (шире и короче, чем обычно) и угол открытия ВК 70 градусов при СЗ 14:1 дает возможность установить опережение зажигания 8º на холостых оборотах без какой-либо ощутимой детонации. Также эта схема обеспечивают больший процент полезной механической работы, или, другими словами, позволяет поднять КПД. Получается, что работа, вычисляемая по формуле A=P dV (P – давление, dV – изменение объема), направлена не на нагревание стенок цилиндров, головки блока, а идет на совершение рабочего хода. Схематически весь процесс можно посмотреть на рисунке, где начало цикла (НМТ) обозначено цифрой 1, процесс сжатия – до точки 2 (ВМТ), от 2 до 3 – подвод теплоты при неподвижном поршне. Когда поршень идет от точки 3 к 4, происходит расширение. Выполненная работа обозначена заштрихованной областью At.

Также всю схему можно посмотреть в координатах T S, где T означает температуру, а S – энтропию, которая растет с подводом теплоты к веществу, и при нашем анализе это величина условная. Обозначения Q p и Q 0 – количество подводимой и отводимой теплоты.

Недостаток серии Skyactiv – по сравнению с классическими Otto у этих движков меньше удельная (фактическая) мощность, на моторе 2.3 L при шести цилиндрах она составляет всего лишь 211 лошадиных сил, и то при учете турбонаддува и 5300 об/ мин. Зато у моторов есть и ощутимые плюсы:

• высокая степень сжатия;
• возможность установить раннее зажигание, при этом не получить детонации;
• обеспечение быстрого разгона с места;
• большой коэффициент полезного действия.

И еще одно немаловажное преимущество двигателя Miller Cycle от производителя Mazda – экономичный расход топлива, особенно при малых нагрузках и на холостом ходу.

Двигатели Аткинсона на автомобилях Тойота

Хотя цикл Аткинсона не нашел свое практическое применение в 19-м веке, идея его двигателя реализована в силовых агрегатах 21-го столетия. Такие моторы устанавливаются на некоторые модели гибридных легковых автомобилей Тойота, работающих одновременно и на бензиновом топливе, и на электричестве. Нужно уточнить, что в чистом виде теория Atkinson так и не используется, скорее, новые разработки инженеров Toyota можно называть ДВС, сконструированными по циклу Аткинсона/ Миллера, так как в них используется стандартный кривошипно-шатунный механизм. Уменьшение цикла сжатия достигается за счет изменения газораспределительных фаз, при этом цикл рабочего хода удлиняется. Моторы с использованием подобной схемы встречаются на авто компании Toyota:

• Prius;
• Yaris;
• Auris;
• Highlander;
• Lexus GS 450h;
• Lexus CT 200h;
• Lexus HS 250h;
• Vitz.

Модельный ряд моторов с реализованной схемой Atkinson/ Miller постоянно пополняется, так в начале 2017 года японский концерн приступил к выпуску 1,5-литрового четырехцилиндрового ДВС, работающего на высокооктановом бензине, обеспечивающего 111 лошадиных сил мощности, со степенью сжатия в цилиндрах 13,5:1. Двигатель оснащен фазовращателем VVT-IE, способным переключать режимы Otto/ Atkinson в зависимости от скорости и нагрузки, с этим силовым агрегатом автомобиль может ускоряться до 100 км/ч за 11 секунд. Движок отличается экономичностью, высоким КПД (до 38,5%), обеспечивает отличный разгон.

Цикл дизеля

Первый дизельный мотор был спроектирован и построен немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем в 1897-м году, силовой агрегат обладал большими размерами, был даже больше паровых машин тех лет. Так же как и двигатель Отто, он был четырехтактным, но отличался превосходным показателем КПД, удобством в эксплуатации, и степень сжатия у ДВС была значительно выше, чем у бензинового силового агрегата. Первый дизели конца XIX века работали на легких нефтепродуктах и растительных маслах, также была попытка в качестве топлива использовать угольную пыль. Но эксперимент провалился практически сразу:

• обеспечить подачу пыли в цилиндры было проблематично;
• обладающий абразивными свойствами уголь быстро изнашивал цилиндро-поршневую группу.

Интересно, что английский изобретатель Герберт Эйкройд Стюарт запатентовал аналогичный двигатель на два года раньше, чем Rudolf Diesel, но Дизелю удалось сконструировать модель с увеличенным давлением в цилиндрах. Модель Стюарта в теории обеспечивала 12% тепловой эффективности, тогда как по схеме Diesel коэффициент полезного действия доходил до 50%.

В 1898 году Густав Тринклер сконструировал нефтяной двигатель высокого давления, оснащенный форкамерой, именно эта модель и является прямым прототипом современных дизельных ДВС.

Современные дизели для автомобилей

Как у бензинового мотора по циклу Отто, так и у дизеля, принципиальная схема построения не изменилась, зато современный дизельный ДВС «оброс» дополнительными узлами: турбокомпрессором, электронной системой управления подачи топлива, интеркулером, различными датчиками и так далее. Последнее время все чаще разрабатываются и запускаются в серию силовые агрегаты с прямым топливным впрыском «Коммон Рэйл», обеспечивающие экологичный выхлоп газов в соответствии с современными требованиями, высокое давление впрыска. Дизели с непосредственным впрыском обладают достаточно ощутимыми преимуществами перед моторами с обычной топливной системой:

• экономично расходуют топливо;
• имеют более высокую мощность при том же объеме;
• работают с низким уровнем шума;
• позволяет автомобилю быстрее разгоняться.

Недостатки движков Common Rail: достаточно высокая сложность, необходимость при ремонте и обслуживании использовать специальное оборудование, требовательность к качеству солярки, относительно высокая стоимость. Как и бензиновые ДВС, дизели постоянно совершенствуются, становятся все технологичнее и сложнее.

Видео: Цикл ОТТО, Аткинсона и Миллера, в чем различие:

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). Рассмотрим более подробно второй подход Миллера - поскольку он несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «Miller Cycle» (такой мотор V6 объемом 2.3 литра с механическим нагнетателем довольно давно устанавливается на автомобиль Mazda Xedos-9, а недавно новейший «атмосферный» мотор I4 такого типа объемом 1.3 литра получила модель Mazda-2).

В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливо-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия. Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре. 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, обусловленных 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.

Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя.

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.). Именно поэтому инженеры Mazda построили свой первый серийный мотор с циклом Миллера не атмосферным. Когда они присоединили к двигателю нагнетатель типа Lysholm, им удалось восстановить высокую удельную мощность, почти не теряя эффективности, обеспечиваемой циклом Миллера. Именно это решение обусловило привлекательность мотора Mazda V6 «Miller Cycle», устанавливаемого на Mazda Xedos-9 (Millenia или Eunos-800). Ведь при рабочем объеме 2.3 л он выдает мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что равноценно характеристикам обычных 3-литровых атмосферных моторов, и в то же время расход топлива для такого мощного мотора на большой машине очень низкий - на трассе 6.3 л/100 км, в городе - 11.8 л/100 км, что соответствует показателям гораздо менее мощных 1.8-литровых двигателей. Дальнейшее развитие технологий позволило инженерам Mazda построить двигатель Miller Cycle с приемлемыми характеристиками удельной мощности уже без использования нагнетателей - новая система последовательного изменения времени открытия клапанов Sequential Valve Timing System, динамически управляя фазами впуска и выпуска, позволяет частично компенсировать свойственное циклу Миллера падение максимальной мощности. Новый мотор будет выпускаться рядным 4-цилиндровым, объемом 1.3 литра, в двух вариантах: мощностью 74 лошадиные силы (118 Нм крутящего момента) и 83 лошадиные силы (121 Нм). При этом расход топлива у этих двигателей снизился по сравнению с обычным мотором такой же мощности на 20 процентов - до четырех с небольшим литров на сто километров пробега. Кроме того, токсичность мотора с «циклом Миллера» на 75 процентов ниже современных экологических требований. Реализация В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10.0-11.0. В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° ... 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия - 13.0-13.5. К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий - соответственно, 10-100° и 10.0.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА САЙТЕ Honda NR500 8 клапанов на цилиндр с двумя шатунами на цилиндр, очень редкий, очень интересный и довольно дорогой мотоцикл в мире, хондовцы для гонок мудрили и намудрили))) Было выпущенно около 300 штук и сейчас цены... В 1989-м году Тойота представила на рынок новое семейство двигателей, серию UZ. В линейки появилось сразу три двигателя, отличающихся рабочим объемом цилиндров, 1UZ-FE, 2UZ-FE и 3UZ-FE. Конструктивно они представляют собой V-образную восьмерку с отде...