Циклы Отто, Аткинсона/Миллера, Дизеля – теория и практическое применение

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.

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:

• 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 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

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: