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Ciclo di Atkinson

L'ingegnere britannico James Atkinson anche prima della guerra inventò il suo ciclo, che è leggermente diverso dal ciclo Otto: il suo diagramma indicatore è contrassegnato in verde. Qual è la differenza? Innanzitutto, il volume della camera di combustione di un tale motore (a parità di volume di lavoro) è inferiore e, di conseguenza, il rapporto di compressione è maggiore. Pertanto, il punto più alto del diagramma dell'indicatore si trova a sinistra, nell'area di un volume più piccolo sopra il pistone. E anche il rapporto di espansione (uguale al rapporto di compressione, solo viceversa) è maggiore, il che significa che siamo più efficienti, utilizziamo l'energia dei gas di scarico su una corsa del pistone maggiore e abbiamo minori perdite di scarico (questo si riflette in una minore passo a destra). Quindi tutto è uguale: i cicli di scarico e aspirazione vanno.

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Ora, se tutto avvenisse secondo il ciclo Otto e la valvola di aspirazione si chiudesse al PMI, la curva di compressione aumenterebbe e la pressione alla fine del ciclo sarebbe eccessiva, perché qui il rapporto di compressione è più alto! Dopo la scintilla, non sarebbe seguito un lampo della miscela, ma un'esplosione di detonazione - e il motore, non avendo funzionato per un'ora, sarebbe morto per l'esplosione. Ma l'ingegnere britannico James Atkinson non era così! Ha deciso di prolungare la fase di aspirazione: il pistone raggiunge il PMI e sale, mentre la valvola di aspirazione, nel frattempo, rimane aperta fino a circa metà della corsa completa del pistone. Allo stesso tempo, parte della miscela combustibile fresca viene respinta nel collettore di aspirazione, il che aumenta la pressione lì, o meglio, riduce il vuoto. Ciò consente di aprire maggiormente l'acceleratore a carichi bassi e medi. Questo è il motivo per cui la linea di aspirazione nel diagramma del ciclo Atkinson è più alta e le perdite di pompaggio del motore sono inferiori rispetto al ciclo Otto.

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Il ciclo Atkinson

Quindi la corsa di compressione, quando la valvola di aspirazione si chiude, inizia a un volume superiore al pistone inferiore, che è illustrato dalla linea di compressione verde che inizia a metà della linea di aspirazione orizzontale inferiore. Sembrerebbe più semplice: aumentare il rapporto di compressione, modificare il profilo delle camme di aspirazione e il trucco è nella borsa: il motore del ciclo Atkinson è pronto! Ma il fatto è che per ottenere buone prestazioni dinamiche su tutta la gamma di velocità di funzionamento del motore, è necessario compensare l'espulsione della miscela combustibile durante un ciclo di aspirazione prolungato applicando la sovralimentazione, in questo caso un compressore meccanico. E la sua spinta toglie al motore la parte del leone dell'energia che può essere riconquistata con il pompaggio e le perdite di scarico. L'applicazione del ciclo Atkinson al motore ibrido Toyota Prius aspirato è resa possibile dal suo funzionamento leggero.

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Il ciclo di Miller

Il ciclo Miller è un ciclo termodinamico utilizzato nei motori a combustione interna a quattro tempi. Il ciclo Miller fu proposto nel 1947 dall'ingegnere americano Ralph Miller come un modo per combinare i vantaggi del motore Antkinson con il meccanismo a pistoni più semplice del motore Otto.

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Invece di accorciare meccanicamente la corsa di compressione rispetto alla corsa di potenza (come nel classico motore Atkinson, dove il pistone si muove più velocemente verso l'alto che verso il basso), Miller ha avuto l'idea di accorciare la corsa di compressione a scapito della corsa di aspirazione , mantenendo la stessa velocità di movimento su e giù del pistone (come nel classico motore Otto).

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Per fare ciò, Miller ha proposto due diversi approcci: chiudere la valvola di aspirazione molto prima della fine della corsa di aspirazione (o aprirla più tardi dell'inizio di questa corsa), chiuderla molto più tardi della fine di questa corsa.

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Il primo approccio per i motori è convenzionalmente chiamato "aspirazione accorciata" e il secondo - "compressione accorciata". Entrambi questi approcci danno la stessa cosa: riducendo il rapporto di compressione effettivo della miscela di lavoro rispetto a quello geometrico, pur mantenendo lo stesso rapporto di espansione (ovvero, la corsa di potenza rimane la stessa del motore Otto e la corsa di compressione sembra da ridurre - come in Atkinson, diminuisce solo non nel tempo, ma nel grado di compressione della miscela)

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Il secondo approccio di Miller

Questo approccio è in qualche modo più vantaggioso in termini di perdite di compressione, e quindi è proprio questo approccio che è praticamente implementato nei motori automobilistici seriali Mazda "MillerCycle". In un tale motore, la valvola di aspirazione non si chiude alla fine della corsa di aspirazione, ma rimane aperta durante la prima parte della corsa di compressione. Sebbene l'intero volume del cilindro sia stato riempito con la miscela aria-carburante durante la corsa di aspirazione, parte della miscela viene forzata nuovamente nel collettore di aspirazione attraverso la valvola di aspirazione aperta quando il pistone si sposta verso l'alto durante la corsa di compressione.

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La compressione della miscela inizia effettivamente più tardi, quando la valvola di aspirazione si chiude definitivamente e la miscela rimane intrappolata nel cilindro. Pertanto, la miscela nel motore Miller si comprime meno di quanto dovrebbe in un motore Otto della stessa geometria meccanica. Ciò consente di aumentare il rapporto di compressione geometrica (e, di conseguenza, il rapporto di espansione!) Al di sopra dei limiti determinati dalle proprietà di detonazione del carburante - portando la compressione effettiva a valori accettabili a causa dell '"accorciamento del ciclo di compressione" descritto sopra. Diapositiva 15

Conclusione

Se guardi da vicino il ciclo, sia Atkinson che Miller, noterai che in entrambi c'è una quinta misura aggiuntiva. Ha le sue caratteristiche e non è, infatti, né una corsa di aspirazione né una corsa di compressione, ma una corsa indipendente intermedia tra loro. Pertanto, i motori che funzionano secondo il principio di Atkinson o Miller sono chiamati cinque tempi.

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Tra gli altri meriti, Mazda (aka Toyo Cogyo Corp) è conosciuta come una grande fan delle soluzioni non convenzionali. Avendo una discreta esperienza nello sviluppo e nel funzionamento di familiari motori a pistoni a quattro tempi, Mazda presta grande attenzione a soluzioni alternative e non stiamo parlando di alcune tecnologie puramente sperimentali, ma di prodotti installati su auto di serie. Due sviluppi sono i più famosi: il motore a pistoni a ciclo Miller e il motore rotativo Wankel, in relazione al quale vale la pena notare che le idee alla base di questi motori non sono nate nei laboratori Mazda, ma è stata questa azienda che è riuscita a portare innovazioni originali a mente. Accade spesso che tutta la progressività di una tecnologia venga vanificata da un costoso processo produttivo, da inefficienza nella composizione del prodotto finale o da altri motivi. Nel nostro caso, le stelle hanno formato una combinazione di successo e Miller e Wankel hanno iniziato la loro vita come nodi delle auto Mazda.

Il ciclo di combustione della miscela aria-carburante in un motore a quattro tempi è chiamato ciclo Otto. Ma pochi appassionati di auto sanno che esiste una versione migliorata di questo ciclo: il ciclo Miller, ed è stata Mazda a riuscire a costruire un motore davvero funzionante secondo le disposizioni del ciclo Miller: questo motore era equipaggiato con le auto Xedos 9 in 1993, noto anche come Millenia ed Eunos 800. Questo V-6 da 2,3 litri si è rivelato essere il primo motore Miller di produzione funzionante al mondo. Rispetto ai motori convenzionali, sviluppa il momento di un motore da tre litri con un consumo di carburante simile a quello da due litri. Il ciclo Miller utilizza l'energia di combustione della miscela aria-carburante in modo più efficiente, quindi un motore potente è più compatto e più efficiente in termini di requisiti ambientali.

La Mazda Miller ha le seguenti caratteristiche: potenza 220 cv. Insieme a. a 5500 giri / min, una coppia di 295 Nm a 5500 giri / min - e questo è stato raggiunto nel 1993 con un volume di 2,3 litri. Con quali mezzi è stato ottenuto questo risultato? A causa di una certa sproporzione dei cicli. La loro durata è diversa, quindi il grado di compressione e il grado di espansione, le principali grandezze che descrivono il funzionamento del motore a combustione interna, non coincidono. Per confronto, nel motore Otto, la durata di tutti e quattro i tempi è la stessa: aspirazione, compressione della miscela, corsa del pistone, scarico - e il grado di compressione della miscela è uguale al grado di espansione dei gas di combustione.

L'aumento del grado di espansione porta al fatto che il pistone è in grado di svolgere più lavoro, aumentando notevolmente l'efficienza del motore. Ma, secondo la logica del ciclo Otto, aumenta anche il rapporto di compressione, e qui c'è un certo limite, oltre il quale è impossibile comprimere la miscela, fa esplodere. Una variante ideale suggerisce se stessa: aumentare il rapporto di espansione, ridurre il rapporto di compressione se possibile, cosa impossibile in relazione al ciclo Otto.

Mazda è riuscita a superare questa contraddizione. Nel suo motore a ciclo Miller, l'abbassamento del rapporto di compressione si ottiene introducendo un ritardo nella valvola di aspirazione: rimane aperta e parte della miscela viene restituita al collettore di aspirazione. In questo caso la compressione della miscela non inizia quando il pistone ha superato il punto morto inferiore, ma nel momento in cui ha già superato la quinta parte del percorso fino al punto morto superiore. Inoltre, una miscela leggermente compressa viene immessa nel cilindro da un compressore Leesholm, una sorta di analogo di un compressore. È così che si supera facilmente il paradosso: la durata della corsa di compressione è leggermente inferiore alla corsa di espansione, inoltre la temperatura del motore diminuisce e il processo di combustione diventa molto più pulito.

Un'altra idea di successo di Mazda è lo sviluppo di un motore a pistoni rotanti basato su idee proposte quasi cinquant'anni fa dall'ingegnere Felix Wankel. Le deliziose auto sportive di oggi RX-7 e RX-8 con un caratteristico suono del motore "alieno" nascondono solo motori rotativi sotto i cofani, che sono teoricamente simili ai motori a pistoni convenzionali, ma in pratica - completamente fuori dal mondo. L'uso dei motori rotativi Wankel nella RX-8 ha permesso a Mazda di dare alla sua progenie 190 o addirittura 230 cavalli da una cilindrata di soli 1,3 litri.

Con una massa e dimensioni da due a tre volte inferiori a quelle di un motore a pistoni, un motore rotativo è in grado di sviluppare una potenza approssimativamente uguale alla potenza di un motore a pistoni, di volume doppio. Una specie di diavolo in tabacchiera, che merita la massima attenzione. Nell'intera storia dell'industria automobilistica, solo due aziende al mondo sono riuscite a creare rotori funzionanti e non troppo costosi: Mazda e ... VAZ.

Mazda RX-7

La funzione di un pistone in un motore a pistoni rotanti è svolta da un rotore a tre picchi, con l'aiuto del quale la pressione dei gas combusti viene convertita in un movimento rotatorio dell'albero. Il rotore, per così dire, rotola attorno all'albero, costringendolo a ruotare, e il rotore si muove lungo una curva complessa chiamata "epitrocoide". Per un giro dell'albero, il rotore ruota di 120 gradi e per un giro completo del rotore in ciascuna delle camere in cui il rotore divide l'alloggiamento fisso-statore, un ciclo completo a quattro tempi "ingresso - compressione - corsa di lavoro - si verifica lo scarico".

È interessante notare che questo processo non richiede un meccanismo di distribuzione del gas, ci sono solo finestre di aspirazione e scarico che si sovrappongono a una delle tre parti superiori del rotore. Un altro indiscutibile vantaggio del motore Wankel è il numero molto inferiore di parti mobili rispetto al solito motore a pistoni, che riduce notevolmente le vibrazioni sia del motore che dell'auto.

Bisogna ammettere che l'essenza molto efficace di un tale motore non esclude affatto molti difetti. In primo luogo, si tratta di motori ad altissima velocità e quindi altamente caricati che richiedono lubrificazione e raffreddamento aggiuntivi. Ad esempio, il consumo da 500 a 1000 grammi di olio minerale speciale per Wankel è abbastanza comune, perché deve essere iniettato direttamente nella camera di combustione per ridurre i carichi (i sintetici non sono adatti a causa dell'aumento della coke dei singoli componenti del motore).

Il difetto di progettazione è forse l'unico: l'alto costo di produzione e riparazione, perché il rotore e lo statore di precisione hanno una forma molto complessa, e quindi molti concessionari Mazda hanno una seria riparazione in garanzia di tali motori estremamente semplice: la sostituzione! La difficoltà è anche che lo statore deve sopportare con successo le deformazioni della temperatura: a differenza di un motore convenzionale, dove una camera di combustione caricata termicamente viene parzialmente raffreddata nella fase di aspirazione e compressione con una miscela di lavoro fresca, qui il processo di combustione avviene sempre in una parte di il motore e l'aspirazione - in un altro .

Il ciclo Miller è un ciclo termodinamico utilizzato nei motori a combustione interna a quattro tempi. Il ciclo Miller fu proposto nel 1947 dall'ingegnere americano Ralph Miller come un modo per combinare i vantaggi del motore Atkinson con il meccanismo a pistoni più semplice del motore Otto. Invece di accorciare meccanicamente la corsa di compressione rispetto alla corsa di potenza (come nel classico motore Atkinson, dove il pistone si muove più velocemente verso l'alto che verso il basso), Miller ha avuto l'idea di accorciare la corsa di compressione a scapito della corsa di aspirazione , mantenendo la stessa velocità di movimento su e giù del pistone (come nel classico motore Otto).

Per fare ciò, Miller ha proposto due diversi approcci: chiudere la valvola di aspirazione molto prima della fine della corsa di aspirazione (o aprirla più tardi rispetto all'inizio di questa corsa), oppure chiuderla molto più tardi rispetto alla fine di questa corsa. Il primo approccio tra gli specialisti del motore è convenzionalmente chiamato "aspirazione accorciata" e il secondo - "compressione accorciata". In definitiva, entrambi questi approcci danno la stessa cosa: ridurre il rapporto di compressione effettivo della miscela di lavoro rispetto a quello geometrico, mantenendo lo stesso rapporto di espansione (ovvero, la corsa della corsa di potenza rimane la stessa del motore Otto , e la corsa di compressione, per così dire, è ridotta - come in Atkinson, solo che non è ridotta nel tempo, ma nel grado di compressione della miscela). Consideriamo più in dettaglio il secondo approccio di Miller- poiché è un po 'più redditizio in termini di perdite di compressione, e quindi è proprio questo che è praticamente implementato nei motori automobilistici seriali Mazda "Miller Cycle" (un tale motore V6 da 2,3 litri con compressore meccanico è stato installato sulla Mazda Auto Xedos-9 per molto tempo, e recentemente il nuovissimo motore I4 "atmosferico" di questo tipo con un volume di 1,3 litri è stato ricevuto dal modello Mazda-2).

In un tale motore, la valvola di aspirazione non si chiude alla fine della corsa di aspirazione, ma rimane aperta durante la prima parte della corsa di compressione. Sebbene l'intero volume del cilindro sia stato riempito con miscela aria-carburante durante la corsa di aspirazione, parte della miscela viene forzata nuovamente nel collettore di aspirazione attraverso la valvola di aspirazione aperta quando il pistone si sposta verso l'alto durante la corsa di compressione. La compressione della miscela inizia effettivamente più tardi, quando la valvola di aspirazione si chiude definitivamente e la miscela rimane intrappolata nel cilindro. Pertanto, la miscela nel motore Miller si comprime meno di quanto dovrebbe in un motore Otto della stessa geometria meccanica. Ciò consente di aumentare il rapporto di compressione geometrica (e, di conseguenza, il rapporto di espansione!) al di sopra dei limiti dovuti alle proprietà di detonazione del carburante - portando la compressione effettiva a valori accettabili a causa dell'"accorciamento del ciclo di compressione" descritto sopra. In altre parole, a parità di rapporto di compressione effettivo (limitato dal carburante), il motore Miller ha un rapporto di espansione significativamente più alto rispetto al motore Otto. Ciò consente di utilizzare in modo più completo l'energia dei gas che si espandono nel cilindro, che, di fatto, aumenta l'efficienza termica del motore, garantisce un'elevata efficienza del motore e così via.

Ovviamente, lo spostamento della carica inversa significa un calo delle prestazioni del motore e, per i motori atmosferici, il funzionamento in un tale ciclo ha senso solo in una modalità di carico parziale relativamente ristretta. In caso di fasatura costante delle valvole, solo l'uso del boost può compensare questo in tutta la gamma dinamica. Sui modelli ibridi, la mancanza di trazione in condizioni avverse è compensata dalla trazione del motore elettrico.

Il vantaggio di aumentare l'efficienza termica del ciclo Miller rispetto al ciclo Otto deriva da una perdita di potenza di picco per una data dimensione del motore (e massa) a causa del degrado del riempimento del cilindro. Poiché per ottenere la stessa potenza sarebbe necessario un motore Miller più grande di un motore Otto, il beneficio derivante dalla maggiore efficienza termica del ciclo sarà in parte speso in perdite meccaniche (attrito, vibrazioni, ecc.) che aumentano con la dimensione del motore il motore. Ecco perché gli ingegneri Mazda hanno costruito il loro primo motore di serie con un ciclo Miller non atmosferico. Quando hanno collegato un compressore di tipo Lysholm al motore, sono stati in grado di ripristinare l'elevata densità di potenza senza quasi perdere l'efficienza del ciclo Miller. È stata questa decisione a rendere attraente il motore Mazda V6 "Miller Cycle", installato sulla Mazda Xedos-9 (Millenia o Eunos-800). Dopotutto, con un volume di lavoro di 2,3 litri, produce 213 CV. e una coppia di 290 Nm, che equivale alle caratteristiche dei tradizionali motori atmosferici da 3 litri e, allo stesso tempo, il consumo di carburante per un motore così potente su un'auto di grandi dimensioni è molto basso: 6,3 l / 100 km in autostrada , 11,8 l/100 km in città, in linea con i motori da 1,8 litri molto meno potenti. L'ulteriore sviluppo della tecnologia ha consentito agli ingegneri Mazda di costruire un motore Miller Cycle con caratteristiche di densità di potenza accettabili già senza l'uso di compressori: il nuovo sistema di fasatura sequenziale delle valvole, che controlla dinamicamente le fasi di aspirazione e scarico, compensa parzialmente il calo della potenza massima inerente nel ciclo di Miller. Il nuovo motore sarà prodotto 4 cilindri in linea da 1.3 litri, in due versioni: 74 cavalli (118 Nm di coppia) e 83 cavalli (121 Nm). Allo stesso tempo, il consumo di carburante di questi motori è diminuito del 20 percento rispetto a un motore convenzionale della stessa potenza, fino a quattro litri per cento chilometri. Inoltre, la tossicità del motore con il "ciclo Miller" è inferiore del 75% rispetto ai moderni requisiti ambientali. Implementazione Nei classici motori Toyota degli anni '90 a fasi fisse, funzionanti sul ciclo Otto, la valvola di aspirazione si chiude a 35-45 ° dopo il PMI (angolo dell'albero motore), il rapporto di compressione è 9,5-10,0. Nei motori VVT più moderni, il possibile intervallo di chiusura della valvola di aspirazione si è ampliato a 5-70 ° dopo il BDC, il rapporto di compressione è aumentato a 10,0-11,0. Nei motori dei modelli ibridi funzionanti solo sul ciclo Miller, l'intervallo di chiusura della valvola di aspirazione è 80-120° ... 60-100° dopo il PMI. Il rapporto di compressione geometrica è 13,0-13,5. Entro la metà degli anni 2010 sono comparsi nuovi motori con un'ampia gamma di fasatura variabile delle valvole (VVT-iW), che possono funzionare sia in un ciclo convenzionale che in un ciclo Miller. Per le versioni atmosferiche, l'intervallo di chiusura della valvola di aspirazione è di 30-110 ° dopo il PMI con un rapporto di compressione geometrico di 12,5-12,7, per le versioni turbo rispettivamente di 10-100 ° e 10,0.

Il ciclo Miller fu proposto nel 1947 dall'ingegnere americano Ralph Miller come un modo per combinare le virtù del motore Atkinson con il meccanismo a pistoni più semplice del motore Otto. Invece di accorciare meccanicamente la corsa di compressione rispetto alla corsa di potenza (come nel classico motore Atkinson, dove il pistone si muove più velocemente verso l'alto che verso il basso), Miller ha avuto l'idea di accorciare la corsa di compressione a scapito della corsa di aspirazione , mantenendo la stessa velocità di movimento su e giù del pistone (come nel classico motore Otto).

Per fare ciò, Miller ha proposto due diversi approcci: chiudere la valvola di aspirazione molto prima della fine della corsa di aspirazione (o aprirla più tardi rispetto all'inizio di questa corsa), oppure chiuderla molto più tardi rispetto alla fine di questa corsa. Il primo approccio tra gli specialisti del motore è convenzionalmente chiamato "aspirazione accorciata" e il secondo - "compressione accorciata". In definitiva, entrambi questi approcci ottengono la stessa cosa: ridurre effettivo il grado di compressione della miscela di lavoro rispetto al geometrico, pur mantenendo lo stesso grado di espansione (ovvero, la corsa della corsa di lavoro rimane la stessa del motore Otto, e la corsa di compressione sembra essere ridotta - come in Atkinson, solo che si riduce non nel tempo, ma nel rapporto di compressione della miscela) .

Pertanto, la miscela nel motore Miller si comprime meno di quanto dovrebbe in un motore Otto della stessa geometria meccanica. Ciò consente di aumentare il rapporto di compressione geometrica (e quindi il rapporto di espansione!) al di sopra dei limiti imposti dalle proprietà di detonazione del carburante - portando la compressione effettiva a valori accettabili a causa dell'"accorciamento del ciclo di compressione" sopra descritto . In altre parole, con lo stesso effettivo rapporto di compressione (limitato dal carburante), il motore Miller ha un rapporto di espansione notevolmente superiore rispetto al motore Otto. Ciò consente di utilizzare in modo più completo l'energia dei gas che si espandono nel cilindro, che, di fatto, aumenta l'efficienza termica del motore, garantisce un'elevata efficienza del motore e così via.

Il vantaggio di aumentare l'efficienza termica del ciclo Miller rispetto al ciclo Otto deriva da una perdita di potenza di picco per una data dimensione del motore (e massa) a causa del degrado del riempimento del cilindro. Poiché per ottenere la stessa potenza sarebbe necessario un motore Miller più grande di un motore Otto, il beneficio derivante dalla maggiore efficienza termica del ciclo sarà in parte speso in perdite meccaniche (attrito, vibrazioni, ecc.) che aumentano con la dimensione del motore il motore.

Il controllo computerizzato delle valvole consente di modificare il grado di riempimento del cilindro durante il funzionamento. Ciò consente di spremere la massima potenza dal motore, con un peggioramento delle prestazioni economiche, o di ottenere una migliore efficienza con una diminuzione della potenza.

Un problema simile è risolto da un motore a cinque tempi, in cui viene eseguita un'ulteriore espansione in un cilindro separato.

Atkinson, Miller, Otto e altri nella nostra piccola escursione tecnica.

Innanzitutto, diamo un'occhiata a cos'è un ciclo del motore. Un motore a combustione interna è un oggetto che converte la pressione della combustione del carburante in energia meccanica e, poiché funziona con il calore, è un motore termico. Quindi, il ciclo per un motore termico è un processo circolare in cui coincidono i parametri iniziale e finale, che determinano lo stato del fluido di lavoro (nel nostro caso si tratta di un cilindro con pistone). Questi parametri sono pressione, volume, temperatura ed entropia.

Sono questi parametri e il loro cambiamento che determinano come funzionerà il motore e, in altre parole, quale sarà il suo ciclo. Pertanto, se hai il desiderio e la conoscenza della termodinamica, puoi creare il tuo ciclo di funzionamento del motore termico. La cosa principale quindi è far funzionare il tuo motore per dimostrare il diritto di esistere.

Ciclo Otto

Inizieremo con il ciclo di lavoro più importante, utilizzato da quasi tutti i motori a combustione interna del nostro tempo. Prende il nome da Nikolaus August Otto, un inventore tedesco. Inizialmente, Otto ha utilizzato il lavoro del belga Jean Lenoir. Una piccola comprensione del design originale sarà data da questo modello del motore Lenoir.

Poiché Lenoir e Otto non avevano familiarità con l'ingegneria elettrica, l'accensione nei loro prototipi è stata creata da una fiamma libera, che ha acceso la miscela all'interno del cilindro attraverso un tubo. La principale differenza tra il motore Otto e il motore Lenoir era il posizionamento verticale del cilindro, che spingeva Otto a utilizzare l'energia dei gas di scarico per sollevare il pistone dopo la corsa di potenza. La corsa verso il basso del pistone è iniziata sotto l'azione della pressione atmosferica. E dopo che la pressione nel cilindro ha raggiunto l'atmosfera, la valvola di scarico si è aperta e il pistone ha spostato i gas di scarico con la sua massa. È stata la completezza dell'uso dell'energia che ha permesso di aumentare l'efficienza a un incredibile 15% in quel momento, che ha superato l'efficienza anche dei motori a vapore. Inoltre, questo progetto ha consentito l'uso di carburante cinque volte inferiore, il che ha portato al predominio totale di tale progetto sul mercato.

Ma il merito principale di Otto è l'invenzione del processo a quattro tempi del motore a combustione interna. Questa invenzione è stata fatta nel 1877 ed è stata poi brevettata. Ma gli industriali francesi hanno scavato nei loro archivi e hanno scoperto che l'idea del lavoro a quattro tempi era stata descritta dal francese Beau de Roche pochi anni prima del brevetto di Otto. Ciò ha permesso di ridurre i pagamenti dei brevetti e iniziare a sviluppare i propri motori. Ma grazie all'esperienza, i motori Otto erano di gran lunga superiori alla concorrenza. E nel 1897 ne erano stati realizzati 42.000.

Ma cos'è esattamente il ciclo di Otto? Questi sono i quattro tempi del motore a combustione interna che ci sono familiari dalla scuola: aspirazione, compressione, corsa e scarico. Tutti questi processi richiedono la stessa quantità di tempo e le caratteristiche termiche del motore sono mostrate nel grafico seguente:

Dove 1-2 è la compressione, 2-3 è la corsa, 3-4 è lo scarico, 4-1 è l'aspirazione. L'efficienza di un tale motore dipende dal grado di compressione e dall'indice adiabatico:

, dove n è il rapporto di compressione, k è l'indice adiabatico, ovvero il rapporto tra la capacità termica di un gas a pressione costante e la capacità termica di un gas a volume costante.

In altre parole, questa è la quantità di energia che deve essere spesa per riportare il gas all'interno del cilindro allo stato precedente.

Ciclo di Atkinson

Fu inventato nel 1882 da James Atkinson, un ingegnere britannico. Il ciclo Atkinson aumenta l'efficienza del ciclo Otto, ma riduce la potenza erogata. La differenza principale è il diverso tempo di esecuzione per i diversi cicli del motore.

Lo speciale design della leva del motore Atkinson consente di completare tutte e quattro le corse del pistone in un solo giro dell'albero motore. Inoltre, questo design rende le corse del pistone di diverse lunghezze: la corsa del pistone durante l'aspirazione e lo scarico è più lunga che durante la compressione e l'espansione.

Un'altra caratteristica del motore è che le camme di distribuzione (valvole di apertura e chiusura) si trovano direttamente sull'albero motore. Ciò elimina la necessità di un'installazione separata dell'albero a camme. Inoltre, non è necessario installare un cambio, poiché l'albero motore ruota a metà velocità. Nel 19° secolo, il motore non guadagnò popolarità a causa di una meccanica complessa, ma alla fine del 20° secolo divenne più popolare poiché iniziò ad essere utilizzato sugli ibridi.

Quindi, nella costosa Lexus ci sono unità così strane? Tutt'altro, nessuno avrebbe implementato il ciclo Atkinson nella sua forma pura, ma modificare i normali motori per esso è abbastanza realistico. Pertanto, non parleremo a lungo di Atkinson e passeremo al ciclo che lo ha reso una realtà.

Ciclo Miller

Il ciclo Miller fu proposto nel 1947 dall'ingegnere americano Ralph Miller come un modo per combinare i vantaggi del motore Atkinson con il più semplice motore Otto. Invece di rendere la corsa di compressione meccanicamente più corta della corsa di potenza (come in un classico motore Atkinson, dove il pistone si muove più velocemente verso l'alto che verso il basso), Miller ha avuto l'idea di accorciare la corsa di compressione a scapito della corsa di aspirazione , mantenendo la stessa velocità di movimento su e giù del pistone (come nel classico motore Otto).

Per fare ciò, Miller ha proposto due diversi approcci: o chiudere la valvola di aspirazione molto prima della fine della corsa di aspirazione, oppure chiuderla bene dopo la fine di questa corsa. Il primo approccio tra i badanti è convenzionalmente chiamato "assunzione abbreviata" e il secondo - "compressione abbreviata". In definitiva, entrambi questi approcci danno la stessa cosa: una diminuzione del rapporto di compressione effettivo della miscela di lavoro rispetto a quella geometrica mantenendo lo stesso rapporto di espansione (ovvero, la corsa di potenza rimane la stessa del motore Otto, e la corsa di compressione, per così dire, è ridotta - come in Atkinson, diminuisce solo non nel tempo, ma nel grado di compressione della miscela).

Pertanto, la miscela nel motore Miller si comprime meno di quanto dovrebbe in un motore Otto della stessa geometria meccanica. Ciò consente di aumentare il rapporto di compressione geometrica (e quindi il rapporto di espansione!) al di sopra dei limiti imposti dalle proprietà di detonazione del carburante - portando la compressione effettiva a valori accettabili a causa dell'"accorciamento del ciclo di compressione" sopra descritto . In altre parole, a parità di rapporto di compressione effettivo (limitato dal carburante), il motore Miller ha un rapporto di espansione significativamente più alto rispetto al motore Otto. Ciò consente di utilizzare in modo più completo l'energia dei gas che si espandono nel cilindro, che, di fatto, aumenta l'efficienza termica del motore, garantisce un'elevata efficienza del motore e così via. Inoltre, uno dei vantaggi del ciclo Miller è la possibilità di una variazione più ampia del tempo di accensione senza il rischio di detonazione, che offre maggiori opportunità agli ingegneri.

Il vantaggio di aumentare l'efficienza termica del ciclo Miller rispetto al ciclo Otto deriva da una perdita di potenza di picco per una data dimensione del motore (e massa) a causa del degrado del riempimento del cilindro. Poiché per ottenere la stessa potenza sarebbe necessario un motore Miller più grande di un motore Otto, il beneficio derivante dalla maggiore efficienza termica del ciclo sarà in parte speso per maggiori perdite meccaniche (attrito, vibrazioni, ecc.) insieme alle dimensioni del motore il motore.

Ciclo diesel

E infine, vale la pena ricordare almeno brevemente il ciclo Diesel. Rudolf Diesel inizialmente voleva creare un motore che fosse il più vicino possibile al ciclo di Carnot, in cui l'efficienza è determinata solo dalla differenza di temperatura del fluido di lavoro. Ma poiché non è bello raffreddare il motore fino allo zero assoluto, Diesel è andato dall'altra parte. Aumentò la temperatura massima, per la quale iniziò a comprimere il carburante a valori proibitivi per quel tempo. Si è scoperto che aveva un motore con un'efficienza davvero elevata, ma inizialmente ha lavorato sul cherosene. Rudolph costruì i primi prototipi nel 1893 e solo all'inizio del XX secolo passò ad altri tipi di carburante, incluso il diesel.

• , 17 luglio 2015