Как работает цикл Аткинсона? | Что такое двигатель цикла Аткинсона?

Вопросы электрификации автомобилей необходимо решать для того, чтобы уменьшить зависимость от ископаемого топлива и соответствовать будущим нормам выбросов. Однако чисто электрические автомобили все еще содержат множество недостатков. Поэтому гибридные автомобили являются лучшим вариантом перехода. Двигатель с циклом гиперрасширения (Аткинсона или Миллера) идеально подходит для гибридных автомобилей.

В отличие от обычных бензиновых двигателей, двигатели с циклом гиперрасширения могут достигать более высоких коэффициентов расширения, что приводит к более высокой тепловой эффективности при сохранении стандартной эффективной степени сжатия для предотвращения проблем со стуком. Поэтому все гибридные автомобили Toyota работают по циклу Аткинсона.

Что такое цикл Аткинсона?

Двигатель с циклом Аткинсона — это один из типов двигателей внутреннего сгорания. Цикл Аткинсона в основном предназначен для повышения эффективности 4-тактного бензинового двигателя за счет одного конкретного усовершенствования. Проще говоря, этот цикл изобретен для того, чтобы использовать преимущества энергогенерирующей части цикла и одновременно минимизировать расход топлива во время такта всасывания.

В 1882 году инженер Джеймс Аткинсон изобрел цикл Аткинсона.

Хотя четыре основные фазы цикла Отто все еще существуют, Аткинсон ввел новый порядок синхронизации закрытия всасывающего клапана во время такта сжатия. Оставляя всасывающий клапан открытым немного дольше, он эффективно уменьшает рабочий объем двигателя в процессе всасывания, но сохраняет максимальный коэффициент расширения во время сгорания или такта расширения. Это позволяет двигателю извлечь максимальную энергию из воспламененной воздушно-топливной смеси перед ее выходом в камеру.

Работа по циклу Аткинсона

• Адиабатическое сжатие (такт сжатия): Прежде всего, поршень помогает двигателю всасывать воздушно-топливную смесь снаружи в цилиндр. После этого поршень движется вверх (от BDC до TDC), чтобы сжать воздушно-топливную смесь. Во время этого движения поршня вверх (от 1 до 2) он повышает температуру и давление смеси за счет ее сжатия. Однако во время этого процесса энтальпия воздушно-топливной смеси остается постоянной, а объем уменьшается (как показано на приведенной ниже диаграмме).
• Изохорное сжатие (фаза воспламенения): Когда поршень и сжатая воздушно-топливная смесь достигают точки 2, внешний источник тепла обеспечивает нагрев сжатой смеси. В результате воспламенения энтальпия и давление воздушно-топливной смеси увеличиваются. Однако в этой фазе объем не изменяется. Эта фаза совпадает с фазой изохорного сжатия цикла Отто. Во время этого процесса поршень движется больше и сжимает смесь без изменения ее объема.

• Адиабатическое расширение (такт мощности) — После процесса зажигания начинается такт мощности. На этом этапе газ (сгоревшая воздушно-топливная смесь) совершает работу над поршнем и перемещает его от TDC до BDC. Вследствие движения поршня вниз газ расширяется, и движение поршня вниз вращает коленчатый вал, который далее вращает маховик. В этом процессе объем газа увеличивается, а давление уменьшается. Этот процесс известен как изэнтропийный, поскольку в нем не происходит изменения энтальпии.
• Изобарический выхлоп (такт выхлопа) : Цель новейшего цикла Аткинсона — обеспечить давление внутри цилиндра, равное атмосферному давлению в конце такта расширения. В этом цикле декомпрессия не происходит в цилиндре, как в цикле Отто. После такта выхлопа поршень движется к TDC от BDC, и весь цикл повторяется.

PV-диаграмма цикла Аткинсона

Для лучшего понимания посмотрите следующее видео:

Типы двигателей цикла Аткинсона

Двигатель цикла Аткинсона имеет следующие основные типы:

1) «Дифференциальный двигатель» Аткинсона

Во-первых, цикл Аткинсона был реализован в 1882 году.

В отличие от усовершенствованной версии, этот цикл был реализован как оппозитный поршневой двигатель (дифференциальный двигатель Аткинсона). В этом случае один коленчатый вал был связан с двумя противоположными поршнями через нелинейный шатун.

В течение половины оборота один поршень остается неизменным, в то время как другой поршень приближается к нему и возвращается. В то время как на следующем полуобороте второй поршень идет равномерно, а первый поршень приближается к нему и возвращается.

Таким образом, за каждый оборот один поршень дифференциального двигателя Аткинсона совершает такты сжатия и мощности, а другой поршень совершает такты выхлопа и всасывания.

2) «Циклический двигатель» Аткинсона

В 1887 году Аткинсон изобрел другой двигатель, который был назван «циклическим». Он имел кулачок, маковые клапаны и эксцентриковый рычаг для создания четырех ходов поршня на каждый оборот коленчатого вала. Цикл Аткинсона этого двигателя имел более короткий ход всасывания и ход сжатия, чем ход мощности и ход нагнетания.

Двигатели «цикла» производились и продавались британскими производителями двигателей в течение многих лет. Аткинсон также давал разрешение на производство другим компаниям.

3) «Утилитарный двигатель» Аткинсона

Аткинсон разработал 3-й двигатель, который был известен как «Utilite Engine». 2-й двигатель (двигатель «Cycle») Аткинсона был эффективным, но у него была навеска, которую было очень трудно сбалансировать для быстрой работы. Поэтому Аткинсон посчитал, что ему следует провести модификации, чтобы сделать свой «цикл» более подходящим для использования в качестве более скоростного двигателя.

После усовершенствования предыдущей модели Аткинсон разработал новую модель «Utilite Engine». В этой новой конструкции он устранил шатун и создал более сбалансированный, более традиционный двигатель, который мог работать со скоростью около 600 об/мин и вырабатывать мощность на каждом обороте. Его «циклический двигатель» имел пропорционально более длинный ход расширения и более короткий ход сжатия.

Работа двигателя Utilite очень похожа на работу стандартного двухтактного двигателя, за исключением того, что выпускное отверстие находится в центре хода.

В этой конструкции в такте мощности используется кулачковый клапан (который не открывается, пока поршень не подойдет к концу хода), чтобы остановить обратный поток давления, когда поршень проходит через выпускной клапан. Этот выпускной клапан открывается, когда поршень достигает нижней точки хода.

Когда поршень возвращается для такта сжатия, выпускной клапан остается открытым, и свежий воздух заполняет камеру сгорания и вытесняет отработавшие газы до тех пор, пока выпускное отверстие не будет закрыто поршнем.

Когда выпускное или выхлопное отверстие закрывается, поршень начинает нагнетать оставшийся в камере сгорания воздух.

Небольшой топливный насос впрыскивает топливо во время процесса сжатия. Источником зажигания служили горячие трубки, как и в других двигателях Аткинсона. Такая конструкция обеспечивает 2-тактный двигатель с большой мощностью и коротким ходом сжатия.

Почему для цикла Аткинсона необходимо уменьшать степень сжатия?

В цикле Отто после процесса сгорания сила, действующая на поршень во время такта мощности, увеличивается настолько, что когда поршень достигает BDC, выпускной клапан открывается, и бесполезное тепло выходит из камеры сгорания.

Поэтому в данном цикле используется уменьшение степени сжатия для большего расширения во время такта расширения, чтобы вся сила, возникающая в процессе сгорания, могла быть использована на поршне до того, как поршень достигнет BDC.

Это означает, что цикл Аткинсона всегда имеет более низкую/эквивалентную производительность, чем цикл Отто. Однако цикл Отто имеет более низкий термический КПД, чем цикл Аткинсона.

Эффективность цикла Аткинсона

Эффективность цикла Аткинсона можно рассчитать по приведенной ниже формуле:

В приведенном выше уравнении работа, выполненная системой, рассчитывается как:

W = Работа, выполненная системой = Q_S — Q_R

В приведенном выше уравнении

Q_R = Тепло, отводимое системой

Q_S = Тепло, добавляемое в систему

Для процессов изоэнтропического сжатия (1 — 2):

Для изохорного процесса сжатия (2 — 3):

Адиабатическое расширение (от 3 до 4):

После подстановки значений T₄, T₂, T₃ в формулу эффективности. После подстановки этих значений окончательная формула КПД будет иметь вид:

Преимущества эффекта цикла Аткинсона

1. Обычные двигатели автомобилей работают в диапазоне частичной нагрузки. Использование дроссельной заслонки особенно удобно и гибко для регулирования подачи свежего воздуха в цилиндр. Правда, дроссельная заслонка создает большое отрицательное давление во впускном коллекторе, что приводит к значительной потере воздуха на впускном клапане. Если вы сможете контролировать ущерб от дросселирования, то сможете сэкономить от 15% до 20% на расходе топлива. Эффект цикла Аткинсона показал, что он является ценным способом улучшения экономии топлива при частичной нагрузке за счет управления нагрузкой двигателя и снижения насосных потерь.
2. Этот цикл подходит для гибридных автомобилей, так как электродвигатель компенсирует потерю мощности на низкой скорости.
3. Цикл Отто имеет меньшую степень сжатия, чем степень расширения цикла Аткинсона. Поэтому двигатель Аткинсона имеет более высокий КПД.

Недостатки цикла Аткинсона

1. Двигатель с циклом Аткинсона потребляет меньше топлива, но и вырабатывает меньше мощности.
2. Этот цикл имеет более низкую степень сжатия.

Разница между циклом Аткинсона и циклом Отто

Раздел часто задаваемых вопросов

Почему цикл Аткинсона более эффективен?

Цикл Аткинсона более эффективен, потому что у него коэффициент расширения больше, чем коэффициент сжатия. Он задерживает закрытие всасывающего клапана до тех пор, пока поршень не совершит от 20% до 30% хода вверх во время такта сжатия.

Какой самый большой двигатель в мире?

Wärtsilä RT-flex96C — самый большой двигатель в мире. Wärtsilä RT-flex 96C — это двухтактный поршневой дизельный двигатель с турбонаддувом, который был разработан для привода больших контейнерных судов.