En la industria automotriz de turismos, desde hace más de un siglo, el uso estándar motores de combustión interna. Tienen algunos inconvenientes, por los que los científicos y diseñadores han estado luchando durante años. Como resultado de estos estudios, se obtienen "motores" bastante interesantes y extraños. Uno de ellos será discutido en este artículo.

Historia de la creación del ciclo de Atkinson

La historia de la creación del motor con el ciclo Atkinson tiene sus raíces en una historia lejana. empecemos con eso primer motor clásico de cuatro tiempos fue inventado por el alemán Nikolaus Otto en 1876. El ciclo de dicho motor es bastante simple: admisión, compresión, carrera, escape.

Apenas 10 años después de la invención del motor Otto, un inglés James Atkinson propuso modificar el motor alemán. De hecho, el motor sigue siendo un cuatro tiempos. Pero Atkinson cambió ligeramente la duración de dos de ellos: los 2 primeros compases son más cortos, los 2 restantes son más largos. Sir James implementó este esquema cambiando la longitud de las carreras del pistón. Pero en 1887, tal modificación del motor Otto no encontró aplicación. A pesar de que el rendimiento del motor aumentó en un 10%, la complejidad del mecanismo no permitió la aplicación masiva del ciclo Atkinson para automóviles.

Pero los ingenieros continuaron trabajando en el ciclo de Sir James. El estadounidense Ralph Miller en 1947 mejoró ligeramente el ciclo de Atkinson, simplificándolo. Esto permitió el uso del motor en la industria automotriz. Parecería más correcto llamar al ciclo de Atkinson el ciclo de Miller. Pero la comunidad de ingenieros dejó a Atkinson el derecho de nombrar el motor con su nombre según el principio del descubridor. Además, con el uso de nuevas tecnologías, se hizo posible utilizar un ciclo de Atkinson más complejo, por lo que finalmente se abandonó el ciclo de Miller. Por ejemplo, los Toyota nuevos tienen un motor Atkinson, no Miller.

Hoy en día, un motor que funciona según el principio del ciclo Atkinson se pone en híbridos. Los japoneses fueron especialmente exitosos en esto, quienes siempre se preocupan por el respeto al medio ambiente de sus automóviles. Prius híbrido de Toyota llenar activamente el mercado mundial.

Cómo funciona el ciclo de Atkinson

Como se mencionó anteriormente, el ciclo de Atkinson repite los mismos ciclos que el ciclo de Otto. Pero utilizando los mismos principios, Atkinson creó un motor completamente nuevo.

El motor está diseñado para que el pistón completa los cuatro ciclos en una rotación del cigüeñal. Además, las carreras tienen diferentes longitudes: las carreras del pistón durante la compresión y la expansión son más cortas que durante la admisión y el escape. Es decir, en el ciclo Otto, la válvula de admisión se cierra casi de inmediato. En el ciclo de Atkinson, este la válvula se cierra a la mitad del punto muerto superior. En un motor de combustión interna convencional, la compresión ya se está produciendo en este momento.

El motor se modifica con un cigüeñal especial, en el que se desplazan los puntos de fijación. Debido a esto, la relación de compresión del motor ha aumentado y las pérdidas por fricción se han minimizado.

Diferencia de los motores tradicionales

Recuerde que el ciclo de Atkinson es de cuatro tiempos(admisión, compresión, expansión, escape). Un motor convencional de cuatro tiempos funciona con el ciclo Otto. Brevemente, recordamos su obra. Al comienzo de la carrera en el cilindro, el pistón sube al punto de operación superior. La mezcla de combustible y aire arde, el gas se expande, la presión es máxima. Bajo la influencia de este gas, el pistón baja, llega al punto muerto inferior. La carrera de trabajo ha terminado, se abre la válvula de escape, a través de la cual sale el gas de escape. En este lugar, se producen pérdidas de producción, porque. el gas de escape todavía tiene una presión residual que no se puede utilizar.

Atkinson redujo la pérdida por liberación. En su motor, el volumen de la cámara de combustión es menor con la misma cilindrada. Esto significa que la relación de compresión es mayor y la carrera del pistón es más larga. Además, la duración de la carrera de compresión se reduce en comparación con la carrera de potencia, el motor se cicla con una mayor relación de expansión (la relación de compresión es más baja que la relación de expansión). Estas condiciones permitieron reducir la pérdida de rendimiento utilizando la energía de los gases de escape.

Volvamos al ciclo de Otto. Cuando se aspira la mezcla de trabajo, la válvula de mariposa se cierra y crea resistencia en la entrada. Esto sucede cuando el pedal del acelerador no está completamente presionado. Debido a la compuerta cerrada, el motor desperdicia energía, creando pérdidas de bombeo.

Atkinson también trabajó en la carrera de admisión. Al extenderlo, Sir James logró una reducción en las pérdidas por bombeo. Para hacer esto, el pistón llega al punto muerto inferior, luego se eleva, dejando la válvula de admisión abierta durante aproximadamente la mitad de la carrera del pistón. Parte de la mezcla de combustible se devuelve al colector de admisión. Aumenta la presión le permite abrir ligeramente el acelerador a velocidades bajas y medias.

Pero el motor Atkinson no se lanzó a la serie debido a interrupciones en el trabajo. El hecho es que, a diferencia del motor de combustión interna, el motor solo funciona a altas velocidades. En reposo, puede detenerse. Pero este problema se resolvió en la producción de híbridos. A bajas velocidades, estos automóviles funcionan con tracción eléctrica y cambian a un motor de gasolina solo en caso de aceleración o bajo carga. Tal modelo elimina las deficiencias del motor Atkinson y enfatiza sus ventajas sobre otros motores de combustión interna.

Ventajas y desventajas del ciclo de Atkinson

El motor Atkinson tiene varios beneficios que lo distinguen del resto de motores de combustión interna: 1. Reducidas pérdidas de combustible. Como se mencionó anteriormente, al cambiar la duración de los ciclos, se hizo posible ahorrar combustible al utilizar los gases de escape y reducir las pérdidas por bombeo. 2. Pequeña probabilidad de combustión por detonación. La relación de compresión de combustible disminuye de 10 a 8. Esto le permite no aumentar la velocidad del motor al reducir la marcha debido a un aumento en la carga. Además, la probabilidad de combustión por detonación es menor debido a la liberación de calor desde la cámara de combustión hacia el colector de admisión. 3. Pequeño consumo de gasolina. En los nuevos modelos híbridos, el consumo de gasolina es de 4 litros a los 100 km. 4. Rentabilidad, respeto al medio ambiente, alta eficiencia.

Pero el motor Atkinson tiene un inconveniente importante, que no permitió su uso en la producción en masa de automóviles. Debido a las bajas clasificaciones de potencia, a bajas velocidades, el motor puede detenerse. Por tanto, el motor Atkinson ha calado muy bien en los híbridos.

Aplicación del ciclo Atkinson en la industria automotriz

Por cierto, sobre las máquinas en las que ponen motores Atkinson. En la producción en masa, esta modificación del motor de combustión interna apareció no hace mucho tiempo. Como se mencionó anteriormente, los primeros usuarios del ciclo Atkinson fueron empresas japonesas y Toyota. Uno de los coches más famosos. MazdaXedos 9/Eunos800, que se produjo en 1993-2002.

Luego, el Atkinson ICE fue adoptado por los fabricantes de modelos híbridos. Una de las empresas más famosas que utilizan este motor es Toyota, emitiendo Prius, Camry, Highlander Híbrido y Harrier Híbrido. Los mismos motores se utilizan en Lexus RX400h, GS 450h y LS600h, y Ford y Nissan desarrollaron híbrido de escape y Altima Híbrido.

Vale decir que en la industria automotriz hay una moda por la ecología. Por lo tanto, los híbridos que funcionan con el ciclo Atkinson satisfacen plenamente las necesidades de los clientes y los estándares ambientales. Además, el progreso no se detiene, las nuevas modificaciones del motor Atkinson mejoran sus ventajas y destruyen las desventajas. Por lo tanto, podemos decir con confianza que el motor de ciclo Atkinson tiene un futuro productivo y la esperanza de una larga existencia.

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enero de 2016

Prioridades

Desde el primer Prius, parecía que a Toyota le gustaba mucho más James Atkinson que Ralph Miller. Y poco a poco el "ciclo Atkinson" de sus comunicados de prensa se extendió por toda la comunidad periodística.

Toyota oficialmente: "Un motor de ciclo térmico propuesto por James Atkinson (Reino Unido) en el que la carrera de compresión y la duración de la carrera de expansión se pueden configurar de forma independiente. La mejora posterior de R. H. Miller (EE. UU.) permitió el ajuste de la sincronización de apertura/cierre de la válvula de admisión para habilitar un sistema práctico (Ciclo Miller)".
- Toyota de manera informal y anticientífica: "El motor de ciclo Miller es un motor de ciclo Atkinson con un sobrealimentador".

Además, incluso en el entorno de la ingeniería local, el "ciclo de Miller" existe desde tiempos inmemoriales. ¿Cómo sería más correcto?

En 1882, el inventor británico James Atkinson propuso la idea de mejorar la eficiencia de un motor de pistón reduciendo la carrera de compresión y aumentando la carrera de expansión del fluido de trabajo. En la práctica, se suponía que esto se realizaría mediante complejos mecanismos de accionamiento de pistón (dos pistones según el esquema "boxer", un pistón con un mecanismo de manivela y balancín). Las versiones construidas de los motores mostraron un aumento de las pérdidas mecánicas, una complicación excesiva del diseño y una disminución de la potencia en comparación con los motores de otros diseños, por lo que no se utilizaron mucho. Las famosas patentes de Atkinson se referían específicamente a diseños, sin considerar la teoría de los ciclos termodinámicos.

En 1947, el ingeniero estadounidense Ralph Miller retomó la idea de la idea de compresión reducida y expansión continua, proponiendo implementarla no debido a la cinemática del accionamiento del pistón, sino seleccionando la sincronización de válvulas para motores con un mecanismo de manivela convencional. En la patente, Miller consideró dos opciones para organizar el flujo de trabajo: con cierre temprano (EICV) o tardío (LICV) de la válvula de admisión. En realidad, ambas opciones suponen una disminución de la relación de compresión real (efectiva) en relación con la geométrica. Al darse cuenta de que reducir la compresión daría como resultado una pérdida de potencia del motor, Miller se centró inicialmente en los motores sobrealimentados, en los que el compresor compensaría la pérdida de llenado. El ciclo teórico de Miller para un motor de encendido por chispa es exactamente el mismo que el ciclo teórico para un motor Atkinson.

En general, el ciclo Miller/Atkinson no es un ciclo independiente, sino una variación de los bien conocidos ciclos termodinámicos de Otto y Diesel. Atkinson es el autor de la idea abstracta de un motor con carreras de compresión y expansión físicamente diferentes. Fue Ralph Miller quien propuso la organización real de los procesos de trabajo en motores reales, que se utiliza en la práctica hasta el día de hoy.

Principios

Cuando el motor está funcionando en el ciclo Miller con compresión reducida, la válvula de admisión se cierra mucho más tarde que en el ciclo Otto, por lo que parte de la carga se fuerza de regreso al puerto de admisión, y el proceso de compresión real ya comienza en el segundo. la mitad del ciclo. Como resultado, la relación de compresión efectiva es menor que la geométrica (que, a su vez, es igual a la relación de expansión de los gases en la carrera de trabajo). Al reducir las pérdidas por bombeo y las pérdidas por compresión, la eficiencia térmica del motor aumenta entre un 5 y un 7 % y se logran los correspondientes ahorros de combustible.

Una vez más podemos señalar los puntos clave de diferencia entre los ciclos. 1 y 1 "- el volumen de la cámara de combustión para el motor con el ciclo Miller es menor, la relación de compresión geométrica y la relación de expansión son más altas. 2 y 2" - los gases realizan un trabajo útil en una carrera más larga, por lo que hay Menos pérdida de escape residual. 3 y 3"- el vacío de admisión es menor debido a la menor estrangulación y desplazamiento inverso de la carga anterior, por lo tanto, las pérdidas de bombeo son menores. 4 y 4"- la válvula de admisión se cierra y la compresión comienza desde la mitad del ciclo, después el desplazamiento inverso de parte de la carga.
Por supuesto, el desplazamiento de carga inversa significa una caída en el rendimiento del motor y, para los motores atmosféricos, la operación en dicho ciclo tiene sentido solo en un modo de carga parcial relativamente estrecho. En el caso de una sincronización de válvulas constante, solo el uso de impulso puede compensar esto en todo el rango dinámico. En los modelos híbridos, la falta de tracción en condiciones adversas se compensa con la tracción del motor eléctrico.

Implementación

En los motores Toyota clásicos de los años 90 con fases fijas, que funcionan en el ciclo Otto, la válvula de admisión se cierra a 35-45 ° después de BDC (ángulo del cigüeñal), la relación de compresión es 9.5-10.0. En los motores VVT más modernos, el posible rango de cierre de la válvula de admisión se ha ampliado a 5-70 ° después de BDC, la relación de compresión ha aumentado a 10,0-11,0.

En los motores de los modelos híbridos que funcionan solo con el ciclo Miller, el rango de cierre de la válvula de admisión es de 80 a 120°... 60 a 100° después del PMI. La relación de compresión geométrica es 13.0-13.5.

A mediados de la década de 2010, aparecieron nuevos motores con una amplia gama de sincronización variable de válvulas (VVT-iW), que pueden operar tanto en un ciclo convencional como en el ciclo Miller. Para las versiones atmosféricas, el rango de cierre de la válvula de admisión es de 30 a 110 ° después del BDC con una relación de compresión geométrica de 12,5 a 12,7, para las versiones turbo, de 10 a 100 ° y 10,0, respectivamente.

El motor de combustión interna (ICE) es considerado uno de los componentes más importantes de un automóvil; sus características, potencia, respuesta del acelerador y economía determinan qué tan cómodo se sentirá el conductor al volante. Aunque los automóviles se mejoran constantemente, se "cubren" con sistemas de navegación, dispositivos de moda, multimedia, etc., los motores permanecen prácticamente sin cambios, al menos el principio de su funcionamiento no cambia.

El ciclo de Otto Atkinson, que constituyó la base del motor de combustión interna del automóvil, se desarrolló a finales del siglo XIX y, desde entonces, no ha sufrido casi ningún cambio global. Recién en 1947, Ralph Miller logró mejorar el desarrollo de sus antecesores, tomando lo mejor de cada uno de los modelos de construcción de motores. Pero para comprender en términos generales el principio de funcionamiento de las unidades de potencia modernas, debe analizar un poco la historia.

Eficiencia de los motores Otto

El primer motor para un automóvil, que podía funcionar normalmente no solo teóricamente, fue desarrollado por el francés E. Lenoir allá por 1860, fue el primer modelo con mecanismo de manivela. La unidad funcionaba con gas, se usaba en barcos, su coeficiente de rendimiento (COP) no superaba el 4,65%. Más tarde, Lenoir se asoció con Nikolaus Otto, en colaboración con un diseñador alemán en 1863, se creó un motor de combustión interna de 2 tiempos con una eficiencia del 15%.

El principio de un motor de cuatro tiempos fue propuesto por primera vez por N. A. Otto en 1876, es este diseñador autodidacta quien se considera el creador del primer motor para un automóvil. El motor tenía un sistema de alimentación de gas, mientras que el diseñador ruso O. S. Kostovich es considerado el inventor del primer motor de combustión interna con carburador del mundo a gasolina.

El trabajo del ciclo Otto se usa en muchos motores modernos, hay cuatro tiempos en total:

• entrada (cuando se abre la válvula de entrada, el espacio cilíndrico se llena con la mezcla de combustible);
• compresión (las válvulas están apretadas (cerradas), la mezcla se comprime, al final de este proceso, la bujía proporciona el encendido);
• carrera de trabajo (debido a las altas temperaturas y la alta presión, el pistón se precipita hacia abajo, hace que la biela y el cigüeñal se muevan);
• liberación (al comienzo de esta carrera, la válvula de escape se abre, dejando paso a los gases de escape, el cigüeñal continúa girando como resultado de convertir la energía térmica en energía mecánica, levantando la biela con el pistón hacia arriba).

Todos los golpes están en bucle y van en círculo, y el volante, que almacena energía, ayuda a hacer girar el cigüeñal.

Aunque en comparación con la versión de dos tiempos, el esquema de cuatro tiempos parece ser más perfecto, la eficiencia de un motor de gasolina, incluso en el mejor de los casos, no supera el 25%, y los motores diésel tienen la mayor eficiencia, aquí puede aumentar hasta un máximo de hasta el 50%.

Ciclo termodinámico de Atkinson

James Atkinson, un ingeniero británico que decidió modernizar el invento de Otto, propuso su propia versión de la mejora del tercer ciclo (golpe de trabajo) en 1882. El diseñador estableció el objetivo de aumentar la eficiencia del motor y reducir el proceso de compresión, hacer que el motor de combustión interna sea más económico, menos ruidoso, y la diferencia en su esquema de construcción fue cambiar el accionamiento del mecanismo de manivela (KShM) y pasar por todos los ciclos en una revolución del cigüeñal.

Si bien Atkinson logró mejorar la eficiencia de su motor en relación al invento ya patentado de Otto, el esquema no se puso en práctica, la mecánica resultó demasiado complicada. Pero Atkinson fue el primer diseñador en proponer el funcionamiento de un motor de combustión interna con una relación de compresión reducida, y el inventor Ralph Miller tuvo más en cuenta el principio de este ciclo termodinámico.

La idea de reducir el proceso de compresión y una admisión más saturada no pasó al olvido, el estadounidense R. Miller volvió a ella en 1947. Pero esta vez, el ingeniero propuso implementar el esquema no complicando el KShM, sino cambiando la sincronización de la válvula. Se consideraron dos versiones:

• Carrera de retraso de la válvula de admisión (LICV o compresión corta);
• carrera de cierre temprano de la válvula (EICV o entrada corta).

Al cerrar tarde la válvula de admisión, se obtiene una compresión reducida en relación con el motor Otto, por lo que parte de la mezcla de combustible es forzada a regresar al puerto de admisión. Tal solución constructiva da:

• compresión geométrica más "suave" de la mezcla aire-combustible;
• economía de combustible adicional, especialmente a bajas velocidades;
• menos detonación;
• bajo nivel de ruido.

Las desventajas de este esquema incluyen una disminución de la potencia a altas velocidades, ya que se reduce el proceso de compresión. Pero debido al llenado más completo de los cilindros, aumenta la eficiencia a bajas velocidades y aumenta la relación de compresión geométrica (la real disminuye). Una representación gráfica de estos procesos se puede ver en las figuras con diagramas condicionales a continuación.

Los motores que funcionan según el esquema de Miller pierden potencia ante Otto a altas velocidades, pero en condiciones de funcionamiento urbano esto no es tan importante. Pero tales motores son más económicos, detonan menos, funcionan más suave y silenciosamente.

Motor de ciclo Miller en un Mazda Xedos (2.3L)

Un mecanismo especial de superposición de válvulas proporciona un aumento en la relación de compresión (C3), si en la versión estándar, por ejemplo, es igual a 11, luego en un motor de compresión corta, esta cifra, en todas las demás condiciones idénticas, aumenta a 14 En un 6 cilindros ICE 2.3 L Mazda Xedos (familia Skyactiv) teóricamente se ve así: la válvula de entrada (VK) se abre cuando el pistón está ubicado en el punto muerto superior (abreviado como TDC), no se cierra en el punto inferior ( BDC), y posteriormente, permanece abierto 70º. En este caso, parte de la mezcla de combustible y aire se empuja de regreso al múltiple de admisión, la compresión comienza después de que se cierra el VC. Cuando el pistón vuelve a TDC:

• el volumen en el cilindro disminuye;
• aumenta la presión;
• el encendido de una vela ocurre en algún momento específico, depende de la carga y el número de revoluciones (funciona el sistema de avance de encendido).

Luego, el pistón desciende, se produce la expansión, mientras que la transferencia de calor a las paredes del cilindro no es tan alta como en el esquema de Otto debido a la breve compresión. Cuando el pistón alcanza BDC, se liberan gases, luego todas las acciones se repiten nuevamente.

Una configuración especial del colector de admisión (más ancho y más corto de lo habitual) y un ángulo de apertura EC de 70 grados a 14:1 NW permite poner el encendido a 8º al ralentí sin detonación perceptible. Además, este esquema proporciona un mayor porcentaje de trabajo mecánico útil, o lo que es lo mismo, te permite aumentar la eficiencia. Resulta que el trabajo calculado por la fórmula A \u003d P dV (P es presión, dV es cambio de volumen) no tiene como objetivo calentar las paredes de los cilindros, la cabeza del bloque, sino que se usa para completar la carrera de trabajo. Esquemáticamente, todo el proceso se puede ver en la figura, donde el comienzo del ciclo (BDC) se indica con el número 1, el proceso de compresión - al punto 2 (TDC), de 2 a 3 - suministro de calor con un pistón estacionario . Cuando el pistón va del punto 3 al 4, se produce la expansión. El trabajo completado está indicado por el área sombreada At.

Además, todo el esquema se puede ver en las coordenadas T S, donde T significa temperatura y S es la entropía, que aumenta con el suministro de calor a la sustancia, y en nuestro análisis este es un valor condicional. Designaciones Q p y Q 0: la cantidad de calor de entrada y salida.

La desventaja de la serie Skyactiv es que, en comparación con el Otto clásico, estos motores tienen menos potencia específica (real); en un motor de 2.3 L con seis cilindros, son solo 211 caballos de fuerza, y aun así, teniendo en cuenta la turboalimentación y 5300 rpm. Pero los motores tienen ventajas tangibles:

• alta relación de compresión;
• la capacidad de instalar encendido temprano, sin obtener detonación;
• asegurando una aceleración rápida desde parado;
• factor de alta eficiencia.

Y otra ventaja importante del motor de ciclo Miller de Mazda es el consumo económico de combustible, especialmente con cargas bajas y al ralentí.

Motores Toyota Atkinson

Aunque el ciclo Atkinson no encontró su aplicación práctica en el siglo XIX, la idea de su motor se materializa en las unidades de potencia del siglo XXI. Dichos motores están instalados en algunos modelos de automóviles de pasajeros híbridos Toyota, que funcionan tanto con combustible de gasolina como con electricidad. Cabe aclarar que la teoría de Atkinson nunca se usa en su forma pura, más bien, los nuevos desarrollos de los ingenieros de Toyota pueden denominarse ICE diseñados según el ciclo Atkinson/Miller, ya que utilizan un mecanismo de manivela estándar. La reducción del ciclo de compresión se logra cambiando las fases de distribución del gas, mientras que el ciclo de carrera se alarga. Los motores que utilizan un esquema similar se encuentran en los automóviles Toyota:

• Prius;
• Yaris;
• auris;
• montañés;
• LexusGS450h;
• Lexus CT 200h;
• Lexus SA 250h;
• Vitz.

La gama de motores con el esquema Atkinson / Miller implementado se repone constantemente, por lo que a principios de 2017, la empresa japonesa lanzó la producción de un motor de combustión interna de cuatro cilindros y 1.5 litros que funciona con gasolina de alto octanaje y proporciona 111 caballos de fuerza. con una relación de compresión en los cilindros de 13,5: uno. El motor está equipado con un cambiador de fase VVT-IE capaz de cambiar los modos Otto / Atkinson según la velocidad y la carga, con esta unidad de potencia, el automóvil puede acelerar a 100 km / h en 11 segundos. El motor es económico, de alta eficiencia (hasta 38,5%), proporciona una excelente aceleración.

ciclo diesel

El primer motor diesel fue diseñado y construido por el inventor e ingeniero alemán Rudolf Diesel en 1897, la unidad de potencia era grande, incluso más grande que las máquinas de vapor de aquellos años. Al igual que el motor Otto, era de cuatro tiempos, pero se distinguía por su excelente eficiencia, facilidad de operación y la relación de compresión del motor de combustión interna era significativamente más alta que la de una unidad de potencia de gasolina. Los primeros motores diésel de finales del siglo XIX funcionaban con productos ligeros de petróleo y aceites vegetales, y también hubo un intento de utilizar polvo de carbón como combustible. Pero el experimento fracasó casi de inmediato:

• era problemático asegurar el suministro de polvo a los cilindros;
• Al tener propiedades abrasivas, el carbón desgasta rápidamente el grupo cilindro-pistón.

Curiosamente, el inventor inglés Herbert Aykroyd Stuart patentó un motor similar dos años antes que Rudolf Diesel, pero Diesel logró diseñar un modelo con mayor presión en los cilindros. El modelo de Stewart en teoría proporcionaba un 12% de eficiencia térmica, mientras que según el esquema Diesel, la eficiencia alcanzaba el 50%.

En 1898, Gustav Trinkler diseñó un motor de aceite de alta presión equipado con una precámara, este modelo es el prototipo directo de los modernos motores diesel de combustión interna.

Motores diesel modernos para automóviles.

Tanto el motor de gasolina de ciclo Otto como el motor diesel no han cambiado el esquema de construcción básico, pero el motor de combustión interna diesel moderno ha sido "superado" con componentes adicionales: un turbocompresor, un sistema electrónico de control de suministro de combustible, un intercooler, varios sensores, y así. Recientemente, las unidades de potencia de inyección directa Common Rail se han desarrollado cada vez más y se han lanzado en serie, proporcionando gases de escape ecológicos de acuerdo con los requisitos modernos, alta presión de inyección. Los diésel con inyección directa tienen ventajas bastante tangibles sobre los motores con un sistema de combustible convencional:

• consumir económicamente combustible;
• tener más potencia con el mismo volumen;
• trabajar con bajo nivel de ruido;
• permite que el coche acelere más rápido.

Desventajas de los motores Common Rail: complejidad bastante alta, la necesidad de reparación y mantenimiento para usar equipos especiales, calidad exigente del combustible diesel, costo relativamente alto. Al igual que los motores de combustión interna de gasolina, los motores diésel se mejoran constantemente, se vuelven más avanzados tecnológicamente y más complejos.

Video: El ciclo de OTTO, Atkinson y Miller, cual es la diferencia:

El ciclo Miller fue propuesto en 1947 por el ingeniero estadounidense Ralph Miller como una forma de combinar las virtudes del motor Atkinson con el mecanismo de pistón más simple del motor Otto. En lugar de hacer que la carrera de compresión sea mecánicamente más corta que la carrera de potencia (como en el clásico motor Atkinson, donde el pistón se mueve hacia arriba más rápido que hacia abajo), a Miller se le ocurrió la idea de acortar la carrera de compresión a expensas de la carrera de admisión. , manteniendo la misma velocidad de subida y bajada del pistón (como en el clásico motor Otto).

Para hacer esto, Miller propuso dos enfoques diferentes: cerrar la válvula de admisión mucho antes del final de la carrera de admisión (o abrirla más tarde del comienzo de esta carrera), o cerrarla mucho más tarde del final de esta carrera. El primer enfoque entre los especialistas en motores se denomina convencionalmente "admisión acortada", y el segundo, "compresión acortada". En última instancia, ambos enfoques logran lo mismo: reducir actual el grado de compresión de la mezcla de trabajo en relación con la geometría, manteniendo el mismo grado de expansión (es decir, la carrera de la carrera de trabajo sigue siendo la misma que en el motor Otto, y la carrera de compresión parece reducirse, como en Atkinson, solo que no se reduce en el tiempo, sino en la relación de compresión de la mezcla).

Así, la mezcla en el motor Miller se comprime menos de lo que debería en un motor Otto de la misma geometría mecánica. Esto permite aumentar la relación de compresión geométrica (¡y por lo tanto la relación de expansión!) por encima de los límites impuestos por las propiedades de detonación del combustible, llevando la compresión real a valores aceptables debido al "acortamiento del ciclo de compresión" descrito anteriormente . En otras palabras, con el mismo actual relación de compresión (limitada por el combustible), el motor Miller tiene una relación de expansión significativamente más alta que el motor Otto. Esto hace posible utilizar más plenamente la energía de los gases que se expanden en el cilindro, lo que, de hecho, aumenta la eficiencia térmica del motor, asegura una alta eficiencia del motor, etc.

El beneficio de aumentar la eficiencia térmica del ciclo Miller en relación con el ciclo Otto viene con una pérdida de potencia máxima para un tamaño (y masa) de motor determinado debido a la degradación del llenado del cilindro. Dado que se necesitaría un motor Miller más grande que un motor Otto para lograr la misma potencia de salida, el beneficio de la mayor eficiencia térmica del ciclo se gastará en parte en pérdidas mecánicas (fricción, vibraciones, etc.) que aumentan con el tamaño del el motor.

El control por computadora de las válvulas le permite cambiar el grado de llenado del cilindro durante la operación. Esto permite exprimir al máximo la potencia del motor, con un deterioro del rendimiento económico, o conseguir una mayor eficiencia con una disminución de la potencia.

Un motor de cinco tiempos resuelve un problema similar, en el que la expansión adicional se lleva a cabo en un cilindro separado.

Ciclo de Miller ( ciclo molinero) fue propuesto en 1947 por el ingeniero estadounidense Ralph Miller como una forma de combinar las ventajas del motor Atkinson con el mecanismo de pistón más simple del motor Diesel u Otto.

El ciclo fue diseñado para reducir ( reducir) temperatura y presión de la carga de aire fresco ( temperatura del aire de carga) antes de la compresión ( compresión) en el cilindro. Como resultado, la temperatura de combustión en el cilindro disminuye debido a la expansión adiabática ( expansión adiabática) nueva carga de aire cuando entra en el cilindro.

El concepto del ciclo de Miller incluye dos variantes ( dos variantes):

a) elegir una hora de cierre temprano ( tiempo de cierre avanzado) válvula de entrada ( válvula de admisión) o cierre anticipado - antes del punto muerto inferior ( punto muerto inferior);

b) selección del tiempo de cierre retardado de la válvula de admisión - después del punto muerto inferior (BDC).

Inicialmente, se utilizó el ciclo de Miller ( utilizado inicialmente) para aumentar la potencia específica de algunos motores diésel ( algunos motores). Reducir la temperatura de la carga de aire fresco ( Reducir la temperatura de la carga.) en el cilindro del motor condujo a un aumento de potencia sin cambios significativos ( cambios principales) bloque cilíndrico ( unidad de cilindro). Esto se explica por el hecho de que la disminución de la temperatura al inicio del ciclo teórico ( al principio del ciclo) aumenta la densidad de carga de aire ( densidad del aire) sin cambio de presión ( cambio de presión) en el cilindro. Mientras que el límite de resistencia mecánica del motor ( limite mecanico del motor) cambia a una potencia superior ( mayor potencia), límite de carga térmica ( límite de carga térmica) cambia a temperaturas medias más bajas ( temperaturas medias más bajas) ciclo.

Posteriormente, el ciclo Miller ha generado interés en términos de reducción de emisiones de NOx. La emisión intensiva de emisiones nocivas de NOx comienza cuando la temperatura en el cilindro del motor supera los 1500 ° C; en este estado, los átomos de nitrógeno se vuelven químicamente activos como resultado de la pérdida de uno o más átomos. Y al usar el ciclo Miller con una disminución en la temperatura del ciclo ( reducir las temperaturas del ciclo) sin cambiar la potencia ( Poder constante) una reducción del 10 % de las emisiones de NOx a plena carga y una reducción del 1 % ( por ciento) reducción del consumo de combustible. Principalmente ( principalmente) esto se debe a una disminución en las pérdidas de calor ( pérdidas de calor) a la misma presión en el cilindro ( nivel de presión del cilindro).

Sin embargo, la presión de refuerzo significativamente más alta ( presión de sobrealimentación significativamente más alta) a la misma potencia y relación aire-combustible ( relación de aire y combustible) obstaculizó el uso generalizado del ciclo de Miller. Si la presión máxima alcanzable del turbocompresor de gas ( presión de sobrealimentación máxima alcanzable) será demasiado bajo en relación con el valor deseado de la presión efectiva media ( presión efectiva media deseada), entonces esto conducirá a una limitación significativa del rendimiento ( reducción significativa). Incluso en el caso de una presión de sobrealimentación suficientemente alta, la posibilidad de reducir el consumo de combustible se neutralizará parcialmente ( parcialmente neutralizado) debido a demasiado rápido ( demasiado rápido) reducir la eficiencia del compresor y la turbina ( compresor y turbina) turbocompresor de gas con altas relaciones de compresión ( altas relaciones de compresión). Por lo tanto, el uso práctico del ciclo Miller requería el uso de un turbocompresor de gas con una relación de compresión de presión muy alta ( relaciones de presión del compresor muy altas) y alta eficiencia a altas relaciones de compresión ( excelente eficiencia a altas relaciones de presión).

Arroz. 6. Sistema de turbocompresor de dos etapas

Así en los motores de alta velocidad 32FX de la empresa” Ingeniería Niigata» presión máxima de combustión P max y temperatura en la cámara de combustión ( cámara de combustión) se mantienen en un nivel normal reducido ( nivel normal). Pero al mismo tiempo, la presión efectiva promedio aumenta ( presión efectiva media del freno) y redujo el nivel de emisiones nocivas de NOx ( reducir las emisiones de NOx).

El motor diésel 6L32FX de Niigata selecciona la primera opción de ciclo Miller: cierre prematuro de la válvula de admisión 10 grados antes del BDC (BDC), en lugar de 35 grados después del BDC ( después BDC) como el motor 6L32CX. Dado que el tiempo de llenado se reduce, a la presión de sobrealimentación normal ( presión de sobrealimentación normal) un menor volumen de carga de aire fresco entra en el cilindro ( el volumen de aire se reduce). En consecuencia, el curso del proceso de combustión de combustible en el cilindro empeora y, como resultado, la potencia de salida disminuye y la temperatura de los gases de escape aumenta ( aumenta la temperatura de escape).

Para obtener la potencia de salida especificada anterior ( resultado objetivo) es necesario aumentar el volumen de aire con un tiempo reducido de su entrada en el cilindro. Para hacer esto, aumente la presión de sobrealimentación ( aumentar la presión de sobrealimentación).

Al mismo tiempo, un sistema de turbocompresor de gas de una sola etapa ( turbocompresor de una sola etapa) no puede proporcionar una mayor presión de sobrealimentación ( mayor presión de sobrealimentación).

Por lo tanto, se desarrolló un sistema de dos etapas ( sistema de dos etapas) turbocompresor de gas, en el que los turbocompresores de baja y alta presión ( turbocompresores de baja y alta presión) son secuenciales ( conectado en serie) en secuencia. Después de cada turbocompresor, se instalan dos intercoolers ( enfriadores de aire intermedios).

La introducción del ciclo Miller junto con un sistema de turbocompresor de gas de dos etapas permitió aumentar el factor de potencia a 38,2 (presión efectiva promedio - 3,09 MPa, velocidad promedio del pistón - 12,4 m/s) al 110% de carga ( carga máxima reclamada). Este es el mejor resultado logrado para motores con un diámetro de pistón de 32 cm.

Además, en paralelo, se logró una reducción del 20% en el nivel de emisiones de NOx ( Nivel de emisión de NOx) hasta 5,8 g/kWh según el estándar IMO de 11,2 g/kWh. El consumo de combustible ( el consumo de combustible) se incrementó ligeramente cuando se trabajaba con cargas bajas ( cargas bajas) trabajar. Sin embargo, a cargas medias y altas ( cargas más altas) el consumo de combustible disminuyó en un 75%.

Por lo tanto, la eficiencia del motor Atkinson aumenta al disminuir mecánicamente en el tiempo (el pistón se mueve hacia arriba más rápido que hacia abajo) la carrera de compresión en relación con la carrera de potencia (carrera de expansión). En el ciclo de Miller carrera de compresión en relacion al trabajo acortado o agrandado por el proceso de admisión . Al mismo tiempo, la velocidad del pistón hacia arriba y hacia abajo se mantiene igual (como en el clásico motor Otto-Diesel).

A la misma presión de sobrealimentación, la carga del cilindro con aire fresco se reduce debido a la disminución del tiempo ( reducido por el tiempo adecuado) apertura de la válvula de admisión ( válvula de entrada). Por lo tanto, una nueva carga de aire ( carga de aire) en el turbocompresor está comprimido ( comprimido) a una presión de sobrealimentación superior a la necesaria para el ciclo del motor ( ciclo del motor). Por lo tanto, al aumentar la cantidad de presión de sobrealimentación con un tiempo de apertura de la válvula de admisión reducido, la misma porción de aire fresco ingresa al cilindro. Al mismo tiempo, una nueva carga de aire, que pasa a través de un área de flujo de entrada relativamente estrecha, se expande (efecto de aceleración) en los cilindros ( cilindros) y se enfría en consecuencia ( enfriamiento consiguiente).