Принцип аткинсона двс тойота

Обновлено: 31.05.2024

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 .

Современный 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 .

Содержание

Аткинсон произвел три различных конструкции, которые имели короткий ход сжатия и более длинный ход 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. [1] Третий и последний двигатель Аткинсона, утилитарный двигатель, работает как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что двигатели имеют ход расширения, который длиннее, чем ход 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.

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона. [4]

Первая реализация цикла Аткинсона была в 1882 году; В отличие от более поздних версий, он был устроен как оппозитный поршневой двигатель , дифференциальный двигатель Аткинсона. [5] [6] 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 .

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 .

СОДЕРЖАНИЕ

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.

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"

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.

С начала апреля японская корпорация Toyota предлагает новые модели Corolla — одного из самых продаваемых автомобилей в мире: покупатели могут выбирать между седаном Corolla Axio и универсалом Corolla Fielder.

Машины получили несколько изменённый внешний облик и некоторые улучшения в салоне. За обеспечение безопасности отвечает комплекс Safety Sense C с лазерным радаром и камерой: он обеспечивает контроль полосы движения, предупреждение столкновений и автоматическое управление дальним светом. Но, пожалуй, самое интересное новшество скрывается под капотом: это двигатель внутреннего сгорания с маркировкой 2NR-FKE.

Названный четырёхцилиндровый агрегат имеет объём 1,5 литра и работает по циклу Аткинсона. Обычно ДВС с таким циклом устанавливаются на гибридные автомобили, но в обновлённой модели Corolla силовая установка трудится в одиночку (хотя возможность объединения с электрическим мотором также присутствует).

Двигатель с циклом Аткинсона позволяет получить более высокие показатели экономичности. В частности, в случае Corolla Axio расход топлива составляет только 4,27 литра на 100 км пути, а в случае Corolla Fielder — 4,35 литра. Речь идёт об автомобилях с переднеприводным исполнением и бесступенчатой трансмиссией. В гибридном варианте с дополнительным электромотором расход и вовсе падает до 2,96 литра на 100 км.

Двигатель 2NR-FKE характеризуется степенью сжатия 13,5 и термическим КПД в 38 %. Выдаваемая мощность составляет 109 лошадиных сил.

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.

Цикл Миллера

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:

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 Q₀ – 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

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.

Читайте также: