Розберемося в циклах роботи двигуна

Аткінсон, Міллер, Отто і інші в нашому невеликому технічному екскурсі.

Для початку розберемося що таке цикл роботи двигуна. ДВС - це об'єкт, який перетворює тиск від згоряння палива в механічну енергію, а так як він працює з теплом, то він є теплової машиною. Так ось, цикл для теплової машини - це круговий процес, в якому збігаються початкові і кінцеві параметри, які визначають стан робочого тіла (в нашому випадку це циліндр з поршнем). Такими параметрами є тиск, обсяг, температура і ентропія.

Саме ці параметри і їх зміна задають те, як буде працювати двигун, а іншими словами - яким буде його цикл. Тому, якщо у вас є бажання і пізнання в термодинаміки, можете створити свій цикл роботи теплової машини. Головне потім змусити працювати ваш двигун, щоб довести право на існування.

Так як Ленуар і Отто не були знайомі з електротехнікою, то займання в їх прототипах створювалося відкритим полум'ям, яке через трубку запалювало суміш всередині циліндра. Головна відмінність двигуна Отто від двигуна Ленуара було в розміщенні циліндра вертикально, що наштовхнуло Отто на використання енергії відпрацьованих газів для підняття поршня після робочого ходу. Робочий хід поршня вниз починався під дією атмосферного тиску. І після того, як тиск в циліндрі досягало атмосферного, відкривався випускний вентиль, і поршень своєю масою витісняв відпрацьовані гази. Саме повнота використання енергії дозволила підняти ККД до запаморочливих на той час 15%, що перевищувало ефективність навіть парових машин. Крім того, така конструкція дозволила використовувати в п'ять разів менше палива, що потім призвело до тотального домінування подібної конструкції на ринку.

Але головна заслуга Отто - винахід чотиритактного процесу роботи ДВС. Цей винахід було зроблено в 1877 році і тоді ж було запатентовано. Але французькі промисловці попорпалися в своїх архівах і знайшли, що ідею чотиритактної роботи за кілька років до патенту Отто описав француз Бо де Рош. Це дозволило знизити патентні виплати і зайнятися розробкою власних моторів. Але завдяки досвіду, двигуни Отто були на голову краще конкурентів. І до 1897 року їх було зроблено 42 тисячі штук.

Але що, власне кажучи, таке цикл Отто? Це знайомі нам зі шкільної лави чотири такту ДВС - впуск, стиснення, робочий хід і випуск. Всі ці процеси займають однакову кількість часу, а теплові характеристики мотора показані в наступній діаграмі:

Де 1-2 - це стиснення, 2-3 - робочий хід, 3-4 - випуск, 4-1 - впуск. ККД такого двигуна залежить від ступеня стиснення і показника адіабати:

, де n - ступінь стиснення, k - показник адіабати, або відношення теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності газу при постійному обсязі.

Іншими словами - це кількість енергії, яку потрібно витратити, щоб повернути газ всередині циліндра до попереднього стану.

цикл Аткінсона

Був винайдений в 1882 році Джеймсом Аткинсоном, британським інженером. Цикл Аткінсона підвищує ефективність роботи циклу Отто, але зменшує виділяється потужність. Основна відмінність - різний час виконання різних тактів роботи мотора.

Особлива конструкція важелів двигуна Аткінсона дозволяє здійснювати всі чотири ходи поршня всього за один поворот колінчастого вала. Також дана конструкція робить ходи поршня різної довжини: хід поршня під час впуску та випуску довше, ніж під час стиснення і розширення.

Ще одна з особливостей двигуна в тому, що кулачки газорозподілу (відкриття і закриття клапанів) розташовані прямо на колінчастому валу. Це усуває потребу окремої установки розподільного вала. До того ж немає необхідності встановлювати редуктор, так як колінчастий вал крутиться з удвічі меншою швидкістю. У XIX столітті двигун поширення не отримав через складну механіки, але в кінці ХХ століття він став більш популярним, так як почав застосовуватися на гібридах.

Так що, в дорогих Lexus стоять такі дивні агрегати? Аж ніяк ні, цикл Аткінсона в чистому вигляді ніхто і не збирався реалізовувати, але модифікувати звичайний мотори під нього - цілком реально. Тому не будемо довго просторікувати про Аткінсоні і перейдемо до циклу, який його втілив в реальність.

цикл Міллера

Цикл Міллера був запропонований в 1947 році американським інженером Ральфом Міллером як спосіб поєднання достоїнств двигуна Аткінсона з більш простим двигуном Отто. Замість того, щоб зробити механічно такт стиснення коротшим, ніж такт робочого ходу (як в класичному двигуні Аткінсона, де поршень рухається вгору швидше, ніж вниз), Міллер придумав скоротити такт стиснення за рахунок такту впуску, зберігаючи рух поршня вгору і вниз однаковим по швидкості (як в класичному двигуні Отто).

Для цього Міллер запропонував два різних підходи: або закривати впускний клапан істотно раніше закінчення такту впуску, або закривати його значно пізніше закінчення цього такту. Перший підхід у мотористів носить умовну назву «укороченого впуску», а другий - «укороченого стиснення». В кінцевому рахунку обидва ці підходи дають одне і те ж: зниження фактичного ступеня стиснення робочої суміші щодо геометричній при збереженні незмінної ступеня розширення (тобто такт робочого ходу залишається таким же як в двигуні Отто, а такт стиснення як би скорочується - як у Аткінсона, тільки скорочується не по часу, а за ступенем стиснення суміші).

Таким чином суміш в двигуні Міллера стискається менше, ніж повинна була б стискатися в двигуні Отто такий же механічної геометрії. Це дозволяє збільшити геометричну ступінь стиснення (і, відповідно, ступінь розширення!) Вище меж, обумовлених детонаційними властивостями палива - привівши фактичне стиснення до допустимих значень за рахунок вищеописаного «укорочення циклу стиснення». Іншими словами, при тій же фактичного ступеня стиснення (обмеженою паливом) мотор Міллера має значно більший ступінь розширення, ніж мотор Отто. Це дає можливість більш повно використовувати енергію розширюються в циліндрі газів, що, власне, і підвищує теплову ефективність мотора, забезпечує високу економічність двигуна і так далі. Також одним з плюсів циклу Міллера є можливість більш широкої варіації часу запалювання без ризику детонації, що дає більш широкі можливості для інженерів.

Вигода від підвищення теплової ефективності циклу Міллера щодо циклу Отто супроводжується втратою пікової вихідної потужності для даного розміру (і маси) двигуна через погіршення наповнення циліндра. Так як для отримання такої ж вихідної потужності потрібен був би двигун Міллера більшого розміру, ніж двигун Отто, виграш від підвищення теплової ефективності циклу буде частково витрачений на збільшені, разом з розмірами двигуна, механічні втрати (тертя, вібрації і т. Д.).

цикл Дизеля

І наостанок варто хоча б коротко згадати про цикл Дизеля. Рудольф Дизель спочатку хотів створити двигун, який би максимально наблизився до циклу Карно, в якому ККД визначається лише різницею температур робочого тіла. Але так як охолоджувати двигун до абсолютного нуля - не круто, Дизель пішов іншим шляхом. Він збільшив максимальну температуру, для чого почав стискати паливо до позамежних на той час значний. Мотор у нього вийшов з дійсно високим ККД, але працював спочатку на гасі. Перші прототипи Рудольф побудував в 1893 році, і тільки до початку ХХ століття перейшов на інші види палива, в тому числі і дизельне.