В автомобильном строении легковых автомобилей уже более века стандартно используются двигатели внутреннего сгорания . У них есть некоторые минусы, над которыми годами бьются ученые и конструкторы. В результате этих исследований получаются довольно интересные и странные «движки». Об одном из них и пойдет речь в этой статье.

История создания цикла Аткинсона

История создания мотора с циклом Аткинсона корнями уходит в далекую историю. Начнем с того, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876. Цикл такого мотора довольно прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Всего через 10 лет после изобретения двигателя Отто, англичанин Джеймс Аткинсон предложил модифицировать немецкий мотор . По сути, двигатель остается четырехтактным. Но Аткинсон немного изменил продолжительность двух из них: первые 2 такта короче, остальные 2 длиннее. Сэр Джеймс реализовал эту схему, с помощью изменения длинны ходов поршней. Но в 1887 году такая модификация двигателя Отто не нашла применения. Несмотря на то, что производительность мотора увеличилась на 10%, сложность механизма не позволяла массово применять цикл Аткинсона для автомобилей.

Но инженеры продолжали работать над циклом сэра Джеймса. Американец Ральф Миллер в 1947 немного усовершенствовал цикл Аткинсона, упростив его. Это позволило применять двигатель в автомобилестроении. Казалось бы, правильнее называть цикл Аткинсона циклом Миллера. Но инженерное сообщество оставило за Аткинсоном право называть мотор по его имени по принципу первооткрывателя. К тому же, с применением новых технологий стало возможным применять более сложный Аткинсоновский цикл, поэтому от цикла Миллера со временем отказались. Например, в новых Тойотах стоит мотор Аткинсона, а не Миллера.

В наше время двигатель, работающий по принципу цикла Аткинсона, ставят на гибриды. Особенно преуспели в этом японцы, которые всегда заботятся об экологичности своих авто. Гибридные Prius от Toyota активно заполняют мировой рынок.

Принцип работы цикла Аткинсона

Как говорилось ранее, цикл Аткинсона повторяет те же такты, что и цикл Отто. Но при использовании одинаковых принципов, Аткинсон создал совершенно новый двигатель.

Мотор сконструирован так, что поршень совершает все четыре такта за один поворот коленвала . Кроме того, такты имеют разную длину: ходы поршня во время сжатия и расширения короче, чем во время впуска и выпуска. То есть, в цикле Отто впускной клапан закрывается почти сразу. В цикле Аткинсона этот клапан закрывается на половине пути к верхней мертвой точке . В обычном ДВС в этот момент уже происходит сжатие.

Двигатель модифицирован особым коленвалом, в котором смещены точки крепления. Благодаря этому, степень сжатия мотора возросла, а потери на трении минимизировались.

Отличие от традиционных двигателей

Напомним, что цикл Аткинсона является четырехтактным (впуск, сжатие, расширение, выброс). Обычный четырехтактный двигатель работает по циклу Отто. Вкратце, напомним его работу. В начале рабочего хода в цилиндре поршень идет вверх, до верхней рабочей точки. Смесь из топлива и воздуха сгорает, газ расширяется, давление на максимуме. Под влиянием этого газа поршень едет вниз, приходит в нижнюю мертвую точку. Рабочий ход окончен, открывается выпускной клапан, через который выходит отработанный газ. В этом месте происходят потери выпуска, т.к. отработанный газ все же имеет остаточное давление, использовать которое невозможно.

Аткинсон уменьшил потерю выпуска. В его двигателе объем камеры сгорания меньше при прежнем рабочем объеме. Это значит, что степень сжатия выше, а ход поршня больше . К тому же, длительность такта сжатия по сравнению с рабочим ходом уменьшается, двигатель работает по циклу с увеличенной степенью расширения (степень сжатия ниже степени расширения). Эти условия позволили уменьшить потерю выпуска, используя энергию отработанных газов.

Вернемся к циклу Отто. При всасывании рабочей смеси дроссельная заслонка закрыта и создает сопротивление на впуске. Происходит это при неполном нажатии на педаль газа. Из-за закрытой заслонки двигатель тратит энергию впустую, создавая насосные потери.

Аткинсон поработал и с тактом впуска. Продлив его, сэр Джеймс добился уменьшения насосных потерь. Для этого поршень доходит до нижней мертвой точки, затем поднимается, оставляя впускной клапан открытым примерно до половины поршневого хода. Часть топливной смеси возвращается во впускной коллектор. В нем повышается давление, что дает возможность приоткрывать дроссельную заслонку на малых и средних оборотах .

Но в серию аткинсоновский мотор не выпускали по причине перебоев в работе. Дело в том, что, в отличие от ДВС, мотор работает только на повышенных оборотах. На холостом ходу он может заглохнуть. Но эта проблема решилась в производстве гибридов. На малых скоростях такие машины едут на электоротяге, а на бензиновый движок переходят только в случае разгона или при нагрузках. Подобная модель как убирает недостатки двигателя Аткинсона, так и подчеркивает его достоинства перед другими ДВС.

Преимущества и недостатки цикла Аткинсона

Двигатель Аткинсона имеет несколько преимуществ , выделяющих его перед остальными ДВС: 1. Снижение топливных потерь. Как говорилось ранее, благодаря изменению длительности тактов, стало возможным сохранять топливо, используя отработанные газы и снижая насосные потери. 2. Маленькая вероятность детонационного сгорания. Степень сжатия топлива уменьшается с 10 до 8. Это позволяет не повышать обороты мотора переключением на пониженную передачу в связи с увеличением нагрузки. Так же вероятность детонационного сгорания меньше из-за выхода тепла из камеры сгорания во впускной коллектор. 3. Маленький расход бензина. В новых гибридных моделях расход бензина равен 4 литра на 100 км. 4. Экономичность, экологичность, высокий КПД.

Но у двигателя Аткинсона есть один существенный недостаток, который не позволял применять его в массовом производстве машин. Из-за невысоких показателей мощности, на маленьких оборотах двигатель может заглохнуть. Поэтому двигатель Аткинсона очень хорошо прижился на гибридах.

Применение цикла Аткинсона в автомобилестроении

Кстати, о машинах, на которые ставят аткинсоновские двигатели. В массовом выпуске эта модификация ДВС появилась не так давно. Как было сказано ранее, первыми пользователями цикла Аткинсона были японские фирмы и Toyota. Одна из самых известных машин – MazdaXedos 9/Eunos800 , которая выпускалась в 1993-2002 годы.

Затем, ДВС Аткинсона взяли на вооружение производители гибридных моделей. Одной из самых известных компаний, использующих этот мотор, является Toyota , выпускающая Prius, Camry, Highlander Hybrid и Harrier Hybrid . Такие же двигатели используются в Lexus RX400h, GS 450h и LS600h , а "Форд" и "Ниссан" разработали Escape Hybrid и Altima Hybrid .

Стоит сказать, что в автомобилестроении наблюдается мода на экологию. Поэтому гибриды, работающие на цикле Аткинсона, полностью удовлетворяют потребностям клиентов и экологическим нормам. К тому же прогресс не стоит на месте, новые модификации аткинсоновского мотора улучшают его плюсы и уничтожают минусы. Поэтому с уверенностью можно сказать, что двигатель на основе цикла Аткинсона имеет продуктивное будущее и надежду на долгое существование.

mail@сайт
сайт
Jan 2016

Приоритеты

Еще со времени появления первого Приуса создавалось впечатление, что Джеймс Аткинсон нравился тойотовцам куда больше, чем Ральф Миллер. И постепенно "цикл Аткинсона" из их пресс-релизов разошелся по всему журналистскому сообществу.

Toyota официально: "A heat cycle engine proposed by James Atkinson (U.K.) in which compression stroke and expansion stroke duration can be set independently. Subsequent improvement by R. H. Miller (U.S.A.) allowed adjustment of intake valve opening/closing timing to enable a practical system (Miller Cycle)."
- Toyota неофициально и анти-научно: "Miller Cycle engine is an Atkinson Cycle engine with a supercharger".

При этом даже в местной инженерной среде "цикл Миллера" существовал еще с незапамятных времен. Как будет правильнее?

В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон (James Atkinson) предложил идею повышения эффективности поршневого двигателя за счет сокращения хода сжатия и увеличения хода расширения рабочего тела. Практически реализовать это предполагалось сложными механизмами привода поршня (два поршня по схеме "боксер", поршень с кривошипно-кулисным механизмом). Построенные варианты двигателей показали рост механических потерь, переусложнение конструкции, и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому распространения не получили. Известные патенты Аткинсона относились именно к конструкциям, без рассмотрения теории термодинамических циклов.

В 1947 году американский инженер Ральф Миллер (Ralph Miller) вернулся к идее идее сокращенного сжатия и продолженного расширения, предложив реализовать ее не за счет кинематики привода поршня, а подбором фаз газораспределения для двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В патенте Миллер рассматривал два варианта организации рабочего процесса - с ранним (EICV) или поздним (LICV) закрытием впускного клапана. Собственно, оба варианта означают снижение фактической (эффективной) степени сжатия по отношению к геометрической. Понимая, что сокращение сжатия приведет к потере мощности двигателя, Миллер изначально ориентировался на наддувные двигатели, в которых потери наполнения будут компенсированы за счет компрессора. Теоретический цикл Миллера для двигателя с искровым зажиганием полностью соответствует теоретическому циклу двигателя Аткинсона.

По большому счету, цикл Миллера/Аткинсона представляет собой не самостоятельный цикл, а разновидность известных термодинамических циклов Отто и Дизеля. Аткинсон является автором абстрактной идеи двигателя с физически разной величиной ходов сжатия и расширения. Реальную организацию рабочих процессов в реальных двигателях, используемую на практике по сей день, предложил именно Ральф Миллер.

Принципы

При работе двигателя по циклу Миллера с сокращенным сжатием, впускной клапан закрывается значительно позднее, чем в цикле Отто, из-за чего часть заряда вытесняется обратно во впускной канал, и собственно процесс сжатия начинается уже на второй половине такта. В результате эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической (которая, в свою очередь, равна степени расширения газов на рабочем ходу). За счет уменьшения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается увеличение термического КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.

Можно еще раз отметить ключевые моменты отличия циклов. 1 и 1" - объем камеры сгорания для двигателя с циклом Миллера меньше, геометрическая степень сжатия и степень расширения выше. 2 и 2" - газы совершают полезную работу на более длинном рабочем ходу, поэтому меньше остаточные потери на выпуске. 3 и 3" - разрежение на впуске меньше за счет меньшего дросселирования и обратного вытеснения предыдущего заряда, поэтому ниже насосные потери. 4 и 4" - закрытие впускного клапана и начало сжатия начинается с середины такта, после обратного вытеснения части заряда.
Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя.

Реализация

В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10.0-11.0.

В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° ... 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия - 13.0-13.5.

К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий - соответственно, 10-100° и 10.0.

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.

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 Q 0 – 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:

Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто . Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у двигателистов носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается - как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).

Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива - приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее.

Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся вместе с размерами двигателя механические потери (трение, вибрации и т. д.).

Компьютерное управление клапанами позволяет менять степень наполнения цилиндра в процессе работы. Это даёт возможность выжать из мотора максимальную мощность, при ухудшении экономических показателей, или добиться лучшей экономичности при уменьшении мощности.

Аналогичную задачу решает пятитактный двигатель , у которого дополнительное расширение производится в отдельном цилиндре.

Цикл Миллера (Miller Cycle ) был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером, как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Дизеля или Отто.

Цикл был разработан для снижения (reduce ) температуры и давления свежего заряда воздуха (charge air temperature ) перед сжатием (compression ) в цилиндре. В результате температура горения в цилиндре снижается за счет адиабатического расширения (adiabatic expansion ) свежего заряда воздуха при поступлении в цилиндр.

В понятие цикла Миллера входят два варианта (two variants ):

а) выбор преждевременного времени закрытия (advanced closure timing ) впускного клапана (intake valve ) или опережение закрытия - перед нижней мертвой точкой (bottom dead centre );

б) выбор запоздалого времени закрытия впускного клапана – после нижней мертвой точкой (BDC).

Первоначально цикл Миллера использовался (initially used ) для увеличения удельной мощности некоторых дизельных двигателей (some engines ). Снижение температуры свежего заряда воздуха (Reducing the temperature of the charge ) в цилиндре двигателя приводило к увеличению мощности без каких-либо существенных изменений (major changes ) блока цилиндров (cylinder unit ). Это объяснялось тем, что снижение температуры в начале теоретического цикла (at the beginning of the cycle ) увеличивает плотность воздушного заряда (air density ) без изменения давления (change in pressure ) в цилиндре. В то время как предел механической прочности двигателя (mechanical limit of the engine ) смещается к более высокой мощности (higher power ), предел тепловой нагрузки (thermal load limit ) смещается к более низким средним температурам (lower mean temperatures ) цикла.

В дальнейшем цикл Миллера вызвал заинтересованность с точки зрения снижения эмиссии NОх. Интенсивное выделение вредных выбросов NОх начинается при превышении температуры в цилиндре двигателя выше 1500 °С - в этом состоянии атомы азота становятся химически активными в результате потери одного или нескольких атомов. А при использовании цикла Миллера при снижении температуры цикла (reduce the cycle temperatures ) без изменения мощности (constant power ) было достигнуто 10 % снижение эмиссии NОх на полной нагрузке и на 1 % (per cent ) уменьшение расхода топлива. Главным образом (mainly ) это объясняется уменьшением тепловых потерь (heat losses ) при прежнем давлении в цилиндре (cylinder pressure level ).

Однако значительно более высокое давление наддува (significantly higher boost pressure ) при той же мощности и отношении воздуха к топливу (air/fuel ratio ) затруднило широкое распространение цикла Миллера. Если максимально достижимое давление газотурбонагнетателя (maximum achievable boost pressure ) будет слишком низким относительно желаемого значения среднего эффективного давления (desired mean effective pressure ), то это приведет к существенному ограничению рабочих характеристик (significant derating ). Даже в случае достаточно высокого давления наддува возможность снижения расхода топлива будет частично нейтрализована (partially neutralized ) из-за слишком быстрого (too rapidly ) снижения КПД компрессора и турбины (compressor and turbine ) газотурбонагнетателя при высоких степенях сжатия (high compression ratios ). Таким образом, практическое использование цикла Миллера потребовало применение газотурбонагнетателя с очень высокой степенью сжатия давления (very high compressor pressure ratios ) и высоким КПД при высоких степенях сжатия (excellent efficiency at high pressure ratios ).

Рис. 6. Система двухступенчатого турбонаддува (Two-stage turbocharging system)

Так в высокооборотных двигателях 32FX компании «Niigata Engineering » максимальное давление сгорания P max и температура в камере сгорания (combustion chamber ) поддерживаются на сниженном нормальном уровне (normal level ). Но при этом одновременно увеличено среднее эффективное давление (brake mean effective pressure ) и снижен уровень вредных выбросов NОх (reduce NOx emissions ).

В дизельном двигателе 6L32FX компании Niigata выбран первый вариант цикла Миллера: преждевременное время закрытия впускного клапана за 10 градусов до НМТ (BDC), вместо 35 градусов после НМТ (after BDC) как у двигателя 6L32CX. Так как время наполнения уменьшается, при нормальном давлении наддува (normal boost pressure ) в цилиндр поступает меньший объем свежего заряда воздуха (air volume is reduced ). Соответственно ухудшается протекание процесса сгорания топлива в цилиндре и как следствие снижается выходная мощность и повышается температура выпускных газов (exhaust temperature rises ).

Для получения прежней заданной мощности на выходе (targeted output ) необходимо увеличить объем воздуха при сниженном времени его поступления в цилиндр. Для этого увеличивают давление наддува (increase the boost pressure ).

В тоже время, одноступенчатая система газотурбонаддува (single-stage turbocharging ) не может обеспечить более высокого давления наддува (higher boost pressure ).

Поэтому получила развитие двухступенчатая система (two-stage system ) газотурбонаддува, в которой турбокомпрессора низкого и высокого давления (low pressure and high pressure turbochargers ) расположены последовательно (connected in series ) один за другим. После каждого турбокомпрессора установлены два промежуточных охладителя воздуха (intervening air coolers ).

Внедрение цикла Миллера совместно с двухступенчатой системой газотурбонаддува позволило увеличить коэффициент мощности до 38,2 (среднее эффективное давление - 3,09 МПа, средняя скорость поршня - 12,4 м/с) при 110 % нагрузки (maximum load-claimed ). Это является наилучшим достигнутым результатом для двигателей с диаметром поршня 32 см.

Кроме этого, параллельно было достигнуто снижение на 20 % уровня эмиссии NОх (NOx emission level ) до 5,8 г/кВт·ч при норме требований ИМО 11,2 г/кВт·ч. Расход топлива (Fuel consumption ) был несколько увеличен при работе на низких нагрузках (low loads ) работы. Однако при средних и высоких нагрузках (higher loads ) расход топлива уменьшился на 75 %.

Таким образом, КПД двигателя Аткинсона увеличено за счет механического уменьшения по времени (поршень движется вверх быстрее, чем вниз) такта сжатия по отношению к рабочему ходу (такт расширения). В цикле Миллера такт сжатия по отношению к рабочему ходу сокращен или увеличен за счет процесса впуска . При этом скорость движение поршня вверх и вниз сохранена одинаковой (как в классическом двигателе Отто - Дизеля).

При одинаковом давлении наддува зарядка цилиндра свежим воздухом снижается вследствие уменьшения времени (reduced by suitable timing ) открытия впускного клапана (inlet valve ). Поэтому свежий заряд воздуха (charge air ) в турбокомпрессоре сжимается (compressed ) до большего давления наддува, чем необходимо для цикла двигателя (engine cycle ). Таким образом, за счет увеличения величины давления наддува при уменьшенном времени открытия впускного клапана в цилиндр поступает такая же порция свежего воздуха. При этом свежий заряд воздуха, проходя через относительно узкое входное проходное сечение, расширяется (эффект дросселя) в цилиндрах (cylinders ) и соответственно охлаждается (consequent cooling ).