Что значит цикл аткинсона
Цикл Аткинсона
Из Википедии — свободной энциклопедии
Цикл Аткинсона — модифицированный цикл Отто 4-тактного двигателя внутреннего сгорания.
Предложен английским инженером Джеймсом Аткинсоном для обхода патентов Николауса Отто.
В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики.
Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в двигателе Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требовалось редуктора, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Однако, такой двигатель плохо регулируется дроссельной заслонкой и на низких оборотах выдаёт сравнительно малый момент. Кроме того, в нём значительно усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма. Существовали и другие разновидности двигателя Аткинсона: двигатели со встречно движущимися поршнями, двигатели с одним поршнем и двумя коленчатыми валами.
СОДЕРЖАНИЕ
Дизайн
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».
Рой Федден в Бристоле в 1928 году испытал конструкцию двигателя Bristol Jupiter IV с изменяемой синхронизацией замедления, позволяющей части заряда возвращаться во впускной коллектор, чтобы обеспечить устойчивое снижение рабочего давления во время взлета.
Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона.
Аткинсон «Дифференциальный двигатель»
Патентный рисунок «Дифференциального двигателя» 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»
Третий проект Аткинсона получил название «Утилитовый двигатель». Двигатель «Цикла» Аткинсона был эффективен; однако его связь было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. 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 со скоростью до 600 об / мин и вырабатывать мощность на каждом обороте, но при этом он сохранил всю эффективность своего «Циклического двигателя». «имеющий пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает так же, как 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 утечку 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 двухтактному двигателю 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
Идеальный цикл Аткинсона состоит из:
Современные двигатели с циклом Аткинсона
Роторный двигатель с циклом 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.
Двигатель Sachs KC-27 Ванкеля в мотоцикле Hercules W-2000 использовал цикл Аткинсона. Капсула депрессии открывает второстепенный путь для входящего заряда.
Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона
По состоянию на июль 2018 года во многих трансмиссиях серийных гибридных автомобилей используются концепции цикла Аткинсона, например:
Патенты
Цикл и двигатели 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.
В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota активно заполняют мировой рынок. Принцип работы цикла Аткинсона Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.
Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала. Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу.
В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке. В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие. Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.
В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики. В XXI веке двигатель Аткинсона с компьютерным регулированием времён тактов применяется, например, в автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.
На Приусе особенно выгодно применение двигателя Аткинсона, так как на малых оборотах он не нагружается. Приус разгоняется электро-мотором, который выдаёт полный момент в широком диапазоне оборотов.
Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800, которая выпускалась в 1993-2002 годы. Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota, выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid. Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h, а «Форд» и «Ниссан» разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid.
Гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы.
Что значит цикл аткинсона
Еще со времени появления первого Приуса создавалось впечатление, что Джеймс Аткинсон нравился тойотовцам куда больше, чем Ральф Миллер. И постепенно «цикл Аткинсона» из их пресс-релизов разошелся по всему журналистскому сообществу.
— Toyota официально: «A heat cycle engine proposed by James Atkinson (U.K.) in which compression stroke and expansion stroke duration can be set independently. Subsequent improvement by R. H. Miller (U.S.A.) allowed adjustment of intake valve opening/closing timing to enable a practical system (Miller Cycle).»
— Toyota неофициально и анти-научно: «Miller Cycle engine is an Atkinson Cycle engine with a supercharger».
При этом даже в местной инженерной среде «цикл Миллера» существовал еще с незапамятных времен. Как будет правильнее?
В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон (James Atkinson) предложил идею повышения эффективности поршневого двигателя за счет сокращения хода сжатия и увеличения хода расширения рабочего тела. Практически реализовать это предполагалось сложными механизмами привода поршня (два поршня по схеме «боксер», поршень с кривошипно-кулисным механизмом). Построенные варианты двигателей показали рост механических потерь, переусложнение конструкции, и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому распространения не получили. Известные патенты Аткинсона относились именно к конструкциям, без рассмотрения теории термодинамических циклов.
По большому счету, цикл Миллера/Аткинсона представляет собой не самостоятельный цикл, а разновидность известных термодинамических циклов Отто и Дизеля. Аткинсон является автором абстрактной идеи двигателя с физически разной величиной ходов сжатия и расширения. Реальную организацию рабочих процессов в реальных двигателях, используемую на практике по сей день, предложил именно Ральф Миллер.
При работе двигателя по циклу Миллера с сокращенным сжатием, впускной клапан закрывается значительно позднее, чем в цикле Отто, из-за чего часть заряда вытесняется обратно во впускной канал, и собственно процесс сжатия начинается уже на второй половине такта. В результате эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической (которая, в свою очередь, равна степени расширения газов на рабочем ходу). За счет уменьшения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается увеличение термического КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.
 |
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.
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.
Hyundai Motor представила новое поколение Elantra. Цикл Аткинсона или все таки Миллера?
Здравствуйте, в студии Егор Васильев.
Я по-прежнему нахожусь в genesis lounge на территории Москва сити где можно ознакомиться с современными технологиями мобильности премиального корейского бренда. Впрочем, к новостям. Hyundai Motor представила новое поколение модели Elantra. С учетом современных реалий, мировой дебют компактного седана состоялся в формате онлайн-трансляции из студии The Lot Studios в Западном Голливуде (Калифорния). Размеры автомобиля увеличились, и впервые в истории модель получила гибридный привод. Салон, получивший компоновку под названием «иммерсивный кокон», напоминает кабину самолета. Место водителя отделено от зоны переднего пассажира. Новинка будет предлагаться с двумя бензиновыми атмосферными двигателями: 1.6 мощностью 123 л.с. и 2.0 мощностью 150 л.с. Любопытно, что силовая установка первой в истории гибридной версии Elantra построена на базе четырехцилиндрового двигателя GDI объемом 1,6-литра, работающего по циклу Аткинсона. Электродвигатель с постоянными магнитами выдает 32 кВт энергии от литий-ионно-полимерной батареи емкостью 1,32 кВт·ч, что обеспечивает суммарную отдачу системы в 139 л.с. при 264 Нм крутящего момента.
А что же такое цикл Аткинсона? Тут мы с вами немного углубимся в историю. Считается, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876. И не только изобретен, но и запатентован. Как оказалось позже это привело к интересным и позитивных событиям в зарождающемся мире моторов. Рабочий процесс мотора Отто описывается очень просто: цикл впуска, когда при движении поршня вниз в цилиндр попадает рабочая смесь. Цикл сжатия при котором поршень двигаясь вверх сжимает ее. Рабочий ход, при котором воспламеняющаяся рабочая смесь толкает поршень вниз и цикл выпуска, при котором отработанные газы выводятся из цилиндра. На все это необходимо два оборота коленчатого вала. Мотор хорошо себя показал, но была одна проблема. Патент не позоволял сторонним производителям выпускать свои ДВС. В результате, через 10-ть лет последовал ответ с туманного Альбиона. Англичанин Джеймс Аткинсон предложил несколько иное решение. За счет использования коленчатого вала с системой двух рычагов он сделал первые два такта работы двигателя короче, тем самым снизив механические потери, а два других остались прежними. Двигатель так и остался четырехтактным. И при более высоком КПД обладал и минусами. Прежде всего это касалось сложности конструкции.
Поэтому, в 1947 уже американская инженерная мысль смогла достойно ответить. Ральф Миллер предложил свое видение мотора с циклом Аткинсона. При этом, как и в моторе Отто ход поршня опять стал одинаковым, но с так называемым «Укороченным сжатием». Фактически это происходит благодаря тому, что впускной клапан закрывается уже после того, как на цикле сжатия поршень пошел вверх. И это существенно снижает механические потери. Правда, такая конструкция не любит работы на высоких оборотах из-за снижения наполняемости цилиндров. Так, что сейчас автопроизводители говоря о цикле Аткинсона у своих гибридных моделей все-таки несколько лукавят, поскольку на самом деле речь идет о решении, предложенном господином Миллером.