Interested Article - Цикл Аткинсона

Чертёж двигателя, работающего по циклу Аткинсона.
( Просмотреть анимированную версию )

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.

Анимация работы двигателя по циклу Аткинсона (US Patent US367496A).

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.

История изобретения

Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.

По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мёртвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона даёт 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, меняется степень сжатия. Теоретически онa остаётся постоянной, так как ход поршня и не изменяются, а фактически за счёт запоздалого закрытия впускного клапана уменьшается. А это уже снижение вероятности появления детонационного сгорания топлива, и следовательно — отсутствие необходимости увеличивать обороты двигателя переключением на пониженную передачу при увеличении нагрузки.

Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создаёт условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую .

Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.

Позже, в начале 1950-х годов американский инженер Ральф Миллер (англ. ) смог решить эту же задачу по-другому. Такт сжатия был сокращён путём внесения изменений в работу клапанов. Обычно на такте впуска открывается впускной клапан, и до наступления такта сжатия он уже закрыт. Но в цикле Миллера впускной клапан продолжает находиться в открытом состоянии некоторую часть такта сжатия. Таким образом, часть смеси удаляется из камеры сгорания, само сжатие начинается позже и соответственно его степень оказывается ниже. По сравнению с тактом сжатия, такт рабочего хода и выпуска оказываются продолжительными. Именно от них и зависит КПД двигателя. Рабочий ход создаёт силу для движения, а длительный выпуск лучше сохраняет энергию выхлопных газов.

Второй такт условно разделён на две части. Такую схему иногда называют пятитактным двигателем. В первой части впускной клапан открыт и происходит вытеснение смеси, далее он закрывается, и только тогда происходит сжатие.

Toyota Prius
Бензиновый двигатель работает по термодинамическому циклу Миллера со сжатием 13:1 на бензине АИ-95 и выше.
Время закрытия впускного клапана, обороты и нагрузку на двигатель контролирует бортовой компьютер.

На гибридных автомобилях возможно применение двигателя Аткинсона, так как в них двигатель работает в малом диапазоне частот вращения и нагрузок. Однако на современных автомобилях, таких как Toyota Prius , применяют не двигатель Аткинсона, а двигатель Отто, работающий по циклу Миллера . Следует заметить, что геометрическая степень сжатия 13:1 данных двигателей не соответствует фактической, т.к. сжатие начинается не сразу в начале хода поршня вверх, а с запозданием, и топливно-воздушная смесь (ТВС) некоторое время выталкивается обратно во впуск. Поэтому реальная степень сжатия определяется фазорегуляторами , которые устанавливают момент закрытия впускного клапана на такте сжатия. При этом рабочий ход движения поршня вниз становится длиннее обычного, тем самым используя энергию расширяющихся газов с большей эффективностью, что увеличивает КПД и снижает расход топлива. Но эта эффективность возможна только на средних оборотах.

Потому гибридный автомобиль разгоняется электромотором, который выдаёт максимальный крутящий момент в нижнем диапазоне оборотов, где двигатель, работающий по циклу Миллера , имеет низкий КПД и таким образом они дополняют друг друга.