snímka 4

Atkinsonov cyklus

Britský inžinier James Atkinson ešte pred vojnou prišiel s vlastným cyklom, ktorý sa mierne líši od Ottovho cyklu – jeho indikátorový diagram je označený zelenou farbou. V čom je rozdiel? Po prvé, objem spaľovacej komory takéhoto motora (s rovnakým pracovným objemom) je menší, a preto je kompresný pomer vyšší. Preto je najvyšší bod na diagrame indikátora umiestnený vľavo, v oblasti menšieho objemu nad piestom. A expanzný pomer (rovnaký ako kompresný pomer, len naopak) je tiež väčší - čo znamená, že sme efektívnejší, energiu výfukových plynov využívame na väčší zdvih piestu a máme nižšie straty výfukových plynov (to sa prejavuje menšou krok vpravo). Potom je všetko po starom - cykly výfuku a nasávania idú.

snímka 5

Ak by sa všetko stalo v súlade s Ottovým cyklom a sací ventil by sa uzavrel pri BDC, krivka kompresie by stúpala a tlak na konci cyklu by bol nadmerný - pretože kompresný pomer je tu vyšší! Po iskre by nenasledoval záblesk zmesi, ale detonačný výbuch - a motor, ktorý by hodinu nepracoval, by výbuch zabil. Ale britský inžinier James Atkinson taký nebol! Rozhodol sa predĺžiť saciu fázu – piest dosiahne BDC a ide hore, zatiaľ čo sací ventil medzitým zostáva otvorený asi do polovice plného zdvihu piestu. Zároveň sa časť čerstvej horľavej zmesi vytlačí späť do sacieho potrubia, čím sa tam zvýši tlak – alebo skôr zníži podtlak. To umožňuje viac otvoriť plyn pri nízkej a strednej záťaži. To je dôvod, prečo je sacie potrubie v diagrame Atkinsonovho cyklu vyššie a čerpacie straty motora sú nižšie ako v Ottovom cykle.

snímka 6

Atkinsonov cyklus

Takže kompresný zdvih, keď sa sací ventil zatvorí, začína pri nižšom objeme nad piestom, čo je znázornené zelenou kompresnou čiarou začínajúcou v polovici spodnej horizontálnej línie nasávania. Zdá sa, že je to jednoduchšie: zvýšiť kompresný pomer, zmeniť profil sacích vačiek a trik je v taške - motor s Atkinsonovým cyklom je pripravený! Faktom ale je, že na dosiahnutie dobrého dynamického výkonu v celom rozsahu prevádzkových otáčok motora je potrebné kompenzovať vypudzovanie horľavej zmesi pri predĺženom sacom cykle preplňovaním, v tomto prípade mechanickým preplňovaním. A jeho pohon odoberá motoru leví podiel energie, ktorú možno získať späť na čerpacích a výfukových stratách. Aplikácia Atkinsonovho cyklu na atmosférický hybridný motor Toyota Prius umožňuje jeho nenáročná prevádzka.

Snímka 7

Millerov cyklus

Millerov cyklus je termodynamický cyklus používaný v štvortaktných spaľovacích motoroch. Millerov cyklus navrhol v roku 1947 americký inžinier Ralph Miller ako spôsob, ako spojiť výhody Antkinsonovho motora s jednoduchším piestovým mechanizmom Ottovho motora.

Snímka 8

Namiesto toho, aby bol kompresný zdvih mechanicky kratší ako výkonový zdvih (ako v klasickom Atkinsonovom motore, kde sa piest pohybuje rýchlejšie ako dole), prišiel Miller s myšlienkou skrátiť kompresný zdvih na úkor sacieho zdvihu. , pričom piest drží hore a dole rovnaký pohyb.rýchlosť (ako pri klasickom Ottovom motore).

Snímka 9

Miller na tento účel navrhol dva rôzne prístupy: zatvorte sací ventil oveľa skôr, ako je koniec sacieho zdvihu (alebo ho otvorte neskôr ako na začiatku tohto zdvihu), zatvorte ho výrazne neskôr, ako je koniec tohto zdvihu.

Snímka 10

Prvý prístup pre motory sa bežne nazýva „skrátený prívod“ a druhý – „skrátená kompresia“. Oba tieto prístupy poskytujú to isté: zníženie skutočného kompresného pomeru pracovnej zmesi vzhľadom na geometrický pomer pri zachovaní rovnakého expanzného pomeru (to znamená, že zdvih zostáva rovnaký ako v Ottovom motore a zdá sa, že kompresný zdvih sa má znížiť - ako v Atkinsonovi, iba sa znižuje nie v čase, ale v stupni stlačenia zmesi)

snímka 11

Millerov druhý prístup

Tento prístup je o niečo výhodnejší z hľadiska kompresných strát, a preto je to práve tento prístup, ktorý je prakticky implementovaný v sériových automobilových motoroch Mazda „MillerCycle“. V takomto motore sa sací ventil nezatvára na konci sacieho zdvihu, ale zostáva otvorený počas prvej časti kompresného zdvihu. Aj keď bol celý objem valca pri sacom zdvihu naplnený zmesou vzduchu a paliva, časť zmesi je pri pohybe piestu pri kompresnom zdvihu tlačená späť do sacieho potrubia cez otvorený sací ventil.

snímka 12

Stláčanie zmesi vlastne začína až neskôr, keď sa konečne uzavrie sací ventil a zmes sa zachytí vo valci. Zmes v Millerovom motore sa teda stlačí menej, ako by mala v Ottovom motore s rovnakou mechanickou geometriou. To umožňuje zvýšiť geometrický kompresný pomer (a podľa toho aj expanzný pomer!) Nad limity určené detonačnými vlastnosťami paliva - uvedenie skutočnej kompresie na prijateľné hodnoty v dôsledku „skrátenia kompresie“ cyklus“ popísaný vyššie. Snímka 15

Záver

Ak sa pozriete pozorne na cyklus - Atkinsona aj Millera, všimnete si, že v oboch existuje ďalšie piate opatrenie. Má svoje vlastné charakteristiky a v skutočnosti to nie je ani sací zdvih, ani kompresný zdvih, ale stredný nezávislý zdvih medzi nimi. Preto sa motory pracujúce na princípe Atkinsona alebo Millera nazývajú päťtaktné.

Zobraziť všetky snímky

Okrem iných predností je Mazda (aka Toyo Cogyo Corp) známa ako veľký fanúšik nekonvenčných riešení. Mazda, ktorá má značné skúsenosti s vývojom a prevádzkou známych štvortaktných piestových motorov, venuje veľkú pozornosť alternatívnym riešeniam, pričom nehovoríme o nejakých čisto experimentálnych technológiách, ale o produktoch inštalovaných do sériových áut. Najznámejšie sú dva vylepšenia: piestový motor s Millerovým cyklom a Wankelov rotačný motor, v súvislosti s ktorými stojí za zmienku, že myšlienky, na ktorých sú tieto motory založené, sa nezrodili v laboratóriách Mazdy, ale bola to práve táto spoločnosť, ktorá dokázala priniesť originálne inovácie do myseľ. Často sa stáva, že celá progresívnosť technológie je anulovaná drahým výrobným procesom, neefektívnosťou v zložení finálneho produktu alebo inými dôvodmi. V našom prípade hviezdy vytvorili úspešnú kombináciu a Miller a Wankel dostali štart do života ako uzly automobilov Mazda.

Spaľovací cyklus zmesi vzduchu a paliva v štvortaktnom motore sa nazýva Ottov cyklus. Máloktorý automobilový nadšenec však vie, že existuje vylepšená verzia tohto cyklu – Millerov cyklus a práve Mazde sa podarilo postaviť skutočne fungujúci motor v súlade s ustanoveniami Millerovho cyklu – tento motor bol vybavený automobilmi Xedos 9 v r. 1993, tiež známy ako Millenia a Eunos 800. Tento 2,3-litrový V-6 sa ukázal ako prvý funkčný sériový motor Miller na svete. Oproti bežným motorom rozvíja moment trojlitrového motora so spotrebou paliva, ako dvojlitrový. Millerov cyklus efektívnejšie využíva energiu spaľovania zmesi vzduchu a paliva, takže výkonný motor je kompaktnejší a efektívnejší z hľadiska environmentálnych požiadaviek.

Mazda Miller má nasledujúce charakteristiky: výkon 220 k. od. pri 5500 ot./min., krútiaci moment 295 Nm pri 5500 ot./min. - a to sa podarilo v roku 1993 pri objeme 2,3 litra. Akými prostriedkami sa to dosiahlo? Kvôli určitej neproporcionalite cyklov. Ich trvanie je rôzne, takže stupeň kompresie a stupeň expanzie, hlavné veličiny, ktoré popisujú činnosť spaľovacieho motora, nie sú rovnaké. Pre porovnanie, v Ottovom motore je trvanie všetkých štyroch zdvihov rovnaké: sanie, stlačenie zmesi, zdvih piesta, výfuk - a stupeň stlačenia zmesi sa rovná stupňu expanzie spalín.

Zvýšenie stupňa expanzie vedie k tomu, že piest je schopný vykonať viac práce - to výrazne zvyšuje účinnosť motora. Ale podľa logiky Ottovho cyklu sa zvyšuje aj kompresný pomer a tu existuje určitá hranica, nad ktorou nie je možné zmes stlačiť, vybuchne. Ideálny variant sa navrhuje: zvýšiť expanzný pomer, ak je to možné, znížiť kompresný pomer, čo je vo vzťahu k Ottovmu cyklu nemožné.

Mazde sa tento rozpor podarilo prekonať. V motore s Millerovým cyklom sa zníženie kompresného pomeru dosahuje zavedením oneskorenia v sacom ventile - ten zostáva otvorený a časť zmesi sa vracia späť do sacieho potrubia. V tomto prípade stláčanie zmesi nezačína, keď piest prejde spodnou úvraťou, ale v momente, keď už prejde piatu časť cesty do hornej úvrate. Mierne stlačenú zmes navyše do valca privádza kompresor Leesholm, akýsi analóg kompresora. Paradox sa dá ľahko prekonať: trvanie kompresného zdvihu je o niečo kratšie ako expanzného zdvihu a navyše sa zníži teplota motora a proces spaľovania sa stane oveľa čistejším.

Ďalším úspešným nápadom Mazdy je vývoj motora s rotačnými piestami na základe nápadov, ktoré pred takmer päťdesiatimi rokmi navrhol inžinier Felix Wankel. Dnešné rozkošné športové autá RX-7 a RX-8 s charakteristickým „mimozemským“ zvukom motora akurát pod kapotami ukrývajú rotačné motory, ktoré sú teoreticky podobné bežným piestovým motorom, no v praxi - úplne mimo tohto sveta. Použitie Wankelových rotačných motorov v RX-8 umožnilo Mazde dať svojim potomkom výkon 190 alebo dokonca 230 koní z objemu motora iba 1,3 litra.

S hmotnosťou a rozmermi dvakrát až trikrát menšou ako piestový motor je rotačný motor schopný vyvinúť výkon približne rovnaký ako výkon piestového motora, ktorý má dvojnásobný objem. Akýsi diabol v tabatierke, ktorý si zaslúži najväčšiu pozornosť. V celej histórii automobilového priemyslu sa iba dvom spoločnostiam na svete podarilo vytvoriť funkčné a nie príliš drahé rotory - sú to Mazda a ... VAZ.

Mazda RX-7

Funkciu piestu v motore s rotačným piestom plní rotor s tromi vrcholmi, pomocou ktorého sa tlak spalín premieňa na rotačný pohyb hriadeľa. Rotor sa otáča okolo hriadeľa a núti ho otáčať sa a rotor sa pohybuje pozdĺž komplexnej krivky nazývanej "epitrochoid". Na jednu otáčku hriadeľa sa rotor otočí o 120 stupňov a na celú otáčku rotora v každej z komôr, na ktoré rotor rozdeľuje stacionárnu skriňu-stator, prebehne kompletný štvortaktný cyklus „vstup – kompresia – pracovný zdvih. - dochádza k výfuku“.

Zaujímavosťou je, že tento proces nevyžaduje mechanizmus distribúcie plynu, existujú iba nasávacie a výfukové okná, ktoré prekrývajú jeden z troch vrcholov rotora. Ďalšou nespornou výhodou Wankelovho motora je oveľa menší počet pohyblivých častí v porovnaní s bežným piestovým motorom, čo výrazne znižuje vibrácie motora aj auta.

Treba priznať, že samotná účinná podstata takéhoto motora vôbec nevylučuje mnohé nedostatky. Po prvé, ide o veľmi vysokorýchlostné, a teda vysoko zaťažované motory, ktoré vyžadujú dodatočné mazanie a chladenie. Napríklad spotreba 500 až 1000 gramov špeciálneho minerálneho oleja pre Wankel je celkom bežná vec, pretože sa musí vstrekovať priamo do spaľovacieho priestoru, aby sa znížilo zaťaženie (syntetika nie je vhodná kvôli zvýšenému koksovaniu jednotlivých komponentov motora) .

Konštrukčná chyba je možno jediná: vysoké náklady na výrobu a opravu, pretože presný rotor a stator majú veľmi zložitý tvar, a preto mnohí predajcovia Mazda majú serióznu záručnú opravu takýchto motorov, je mimoriadne jednoduchá: výmena! Problémom je aj to, že stator musí úspešne odolávať teplotným deformáciám: na rozdiel od klasického motora, kde je tepelne zaťažený spaľovací priestor čiastočne ochladzovaný v nasávacej a kompresnej fáze čerstvou pracovnou zmesou, tu prebieha spaľovací proces vždy v jednej časti motora. motor a sanie - v inom .

Millerov cyklus je termodynamický cyklus používaný v štvortaktných spaľovacích motoroch. Millerov cyklus navrhol v roku 1947 americký inžinier Ralph Miller ako spôsob, ako spojiť výhody Atkinsonovho motora s jednoduchším piestovým mechanizmom Ottovho motora. Namiesto toho, aby bol kompresný zdvih mechanicky kratší ako výkonový zdvih (ako v klasickom Atkinsonovom motore, kde sa piest pohybuje rýchlejšie ako dole), prišiel Miller s myšlienkou skrátiť kompresný zdvih na úkor sacieho zdvihu. , pričom piest drží hore a dole rovnaký pohyb.rýchlosť (ako pri klasickom Ottovom motore).

Miller na tento účel navrhol dva rôzne prístupy: buď zatvorte sací ventil oveľa skôr, ako je koniec sacieho zdvihu (alebo ho otvorte neskôr ako na začiatku tohto zdvihu), alebo ho zatvorte výrazne neskôr, ako je koniec tohto zdvihu. Prvý prístup medzi odborníkmi na motory sa bežne nazýva "skrátený príjem" a druhý - "skrátená kompresia". V konečnom dôsledku oba tieto prístupy dávajú to isté: zníženie skutočného kompresného pomeru pracovnej zmesi vzhľadom na geometrický pomer pri zachovaní rovnakého expanzného pomeru (to znamená, že zdvih silového zdvihu zostáva rovnaký ako v Ottovom motore). , a kompresný zdvih, ako to bolo, je znížený - ako v Atkinsonovi, len sa neznižuje v čase, ale v stupni stlačenia zmesi). Pozrime sa podrobnejšie na druhý Millerov prístup- pretože je to o niečo výnosnejšie z hľadiska kompresných strát, a preto je to práve to, čo sa prakticky implementuje v sériových automobilových motoroch Mazda „Miller Cycle“ (na Mazde bol nainštalovaný taký 2,3-litrový motor V6 s mechanickým kompresorom Auto Xedos-9 po dlhú dobu a nedávno najnovší „atmosférický“ motor I4 tohto typu s objemom 1,3 litra dostal model Mazda-2).

V takomto motore sa sací ventil nezatvára na konci sacieho zdvihu, ale zostáva otvorený počas prvej časti kompresného zdvihu. Hoci bol celý objem valca pri sacom zdvihu naplnený zmesou vzduchu a paliva, časť zmesi je pri pohybe piestu pri kompresnom zdvihu tlačená späť do sacieho potrubia cez otvorený sací ventil. Stláčanie zmesi vlastne začína až neskôr, keď sa konečne uzavrie sací ventil a zmes sa zachytí vo valci. Zmes v Millerovom motore sa teda stlačí menej, ako by mala v Ottovom motore s rovnakou mechanickou geometriou. To umožňuje zvýšiť geometrický kompresný pomer (a teda aj expanzný pomer!) nad limity v dôsledku detonačných vlastností paliva - skutočné stlačenie sa dostane na prijateľné hodnoty vďaka vyššie uvedenému " skrátenie kompresného cyklu“. Inými slovami, pre rovnaký skutočný kompresný pomer (obmedzený palivom) má Millerov motor výrazne vyšší expanzný pomer ako Ottov motor. To umožňuje lepšie využiť energiu plynov expandujúcich vo valci, čo v skutočnosti zvyšuje tepelnú účinnosť motora, zabezpečuje vysokú účinnosť motora atď.

Zdvihový objem spätného dobíjania znamená samozrejme pokles výkonu motora a pri atmosférických motoroch má prevádzka v takomto cykle zmysel len v pomerne úzkom režime čiastočného zaťaženia. V prípade konštantného časovania ventilov to môže v celom dynamickom rozsahu kompenzovať iba použitie boostu. Na hybridných modeloch je nedostatok trakcie v nepriaznivých podmienkach kompenzovaný ťahom elektromotora.

Výhoda zvýšenia tepelnej účinnosti Millerovho cyklu v porovnaní s Ottovým cyklom prichádza so stratou špičkového výkonu pre danú veľkosť (a hmotnosť) motora v dôsledku degradácie plnenia valcov. Keďže na dosiahnutie rovnakého výkonu by bol potrebný väčší Millerov motor ako Ottov motor, prínos zo zvýšenej tepelnej účinnosti cyklu bude čiastočne vynaložený na mechanické straty (trenie, vibrácie atď.), ktoré sa zvyšujú s veľkosťou motor. Preto inžinieri Mazdy postavili svoj prvý sériový motor s neatmosférickým Millerovým cyklom. Keď do motora pridali kompresor typu Lysholm, dokázali obnoviť vysokú hustotu výkonu s malou alebo žiadnou stratou účinnosti Millerovho cyklu. Práve toto rozhodnutie urobilo motor Mazda V6 „Miller Cycle“, ktorý je nainštalovaný na Mazde Xedos-9 (Millenia alebo Eunos-800), atraktívnym. Koniec koncov, s pracovným objemom 2,3 litra, produkuje 213 koní. a krútiacim momentom 290 Nm, čo zodpovedá charakteristikám bežných 3-litrových atmosférických motorov, a zároveň spotreba paliva na tak výkonný motor na veľkom aute je veľmi nízka - 6,3 l / 100 km na diaľnica, 11,8 l / 100 km v meste, čo je v súlade s oveľa menej výkonnými 1,8-litrovými motormi. Ďalší vývoj technológie umožnil inžinierom Mazdy postaviť motor Miller Cycle s prijateľnou charakteristikou hustoty výkonu už bez použitia kompresorov – nový systém sekvenčného časovania ventilov, ktorý dynamicky riadi fázu nasávania a výfuku, čiastočne kompenzuje pokles maximálneho výkonu. v Millerovom cykle. Nový motor sa bude vyrábať radový 4-valec s objemom 1,3 litra v dvoch verziách: 74 koní (krútiaci moment 118 Nm) a 83 koní (121 Nm). Zároveň sa spotreba paliva týchto motorov znížila o 20 percent v porovnaní s bežným motorom rovnakého výkonu – až o štyri litre na sto kilometrov. Okrem toho je toxicita motora s „Millerovým cyklom“ o 75 percent nižšia ako moderné environmentálne požiadavky. Implementácia V klasických motoroch Toyota z 90. rokov s Ottovým cyklom s pevnou fázou sa sací ventil zatvára pri 35-45 ° po BDC (uhol kľuky), kompresný pomer je 9,5-10,0. V modernejších motoroch VVT sa možný rozsah zatvárania sacích ventilov po BDC rozšíril na 5-70 °, kompresný pomer sa zvýšil na 10,0-11,0. V motoroch hybridných modelov pracujúcich iba v Millerovom cykle je rozsah zatvárania sacieho ventilu 80-120° ... 60-100° po BDC. Geometrický kompresný pomer je 13,0-13,5. V polovici roku 2010 sa objavili nové motory so širokým rozsahom variabilného časovania ventilov (VVT-iW), ktoré môžu pracovať v konvenčnom cykle aj v Millerovom cykle. Pre atmosférické verzie je rozsah zatvárania sacích ventilov 30-110 ° po BDC s geometrickým kompresným pomerom 12,5-12,7, pre turbo verzie - 10-100 ° a 10,0, resp.

Millerov cyklus navrhol v roku 1947 americký inžinier Ralph Miller ako spôsob, ako spojiť prednosti Atkinsonovho motora s jednoduchším piestovým mechanizmom Ottovho motora. Namiesto toho, aby bol kompresný zdvih mechanicky kratší ako výkonový zdvih (ako v klasickom Atkinsonovom motore, kde sa piest pohybuje rýchlejšie ako dole), prišiel Miller s myšlienkou skrátiť kompresný zdvih na úkor sacieho zdvihu. , pričom piest drží hore a dole rovnaký pohyb.rýchlosť (ako pri klasickom Ottovom motore).

Miller na tento účel navrhol dva rôzne prístupy: buď zatvorte sací ventil oveľa skôr, ako je koniec sacieho zdvihu (alebo ho otvorte neskôr ako na začiatku tohto zdvihu), alebo ho zatvorte výrazne neskôr, ako je koniec tohto zdvihu. Prvý prístup medzi odborníkmi na motory sa bežne nazýva "skrátený príjem" a druhý - "skrátená kompresia". V konečnom dôsledku oba tieto prístupy dosahujú to isté: zníženie skutočné stupeň kompresie pracovnej zmesi vo vzťahu ku geometrickému, pri zachovaní rovnakého expanzného pomeru (to znamená, že zdvih pracovného zdvihu zostáva rovnaký ako v Ottovom motore a zdá sa, že kompresný zdvih je znížený - ako napr. Atkinson, len sa neznižuje v čase, ale v kompresnom pomere zmesi).

Zmes v Millerovom motore sa teda stlačí menej, ako by mala v Ottovom motore s rovnakou mechanickou geometriou. To umožňuje zvýšiť geometrický kompresný pomer (a teda aj expanzný pomer!) nad limity dané detonačnými vlastnosťami paliva – skutočné stlačenie na prijateľné hodnoty v dôsledku opísaného „skrátenia kompresného cyklu“. vyššie. Inými slovami, s tým istým skutočné kompresný pomer (obmedzený palivom), Millerov motor má výrazne vyšší expanzný pomer ako Ottov motor. To umožňuje lepšie využiť energiu plynov expandujúcich vo valci, čo v skutočnosti zvyšuje tepelnú účinnosť motora, zabezpečuje vysokú účinnosť motora atď.

Výhoda zvýšenia tepelnej účinnosti Millerovho cyklu v porovnaní s Ottovým cyklom prichádza so stratou špičkového výkonu pre danú veľkosť (a hmotnosť) motora v dôsledku degradácie plnenia valcov. Keďže na dosiahnutie rovnakého výkonu by bol potrebný väčší Millerov motor ako Ottov motor, prínos zo zvýšenej tepelnej účinnosti cyklu bude čiastočne vynaložený na mechanické straty (trenie, vibrácie atď.), ktoré sa zvyšujú s veľkosťou motor.

Počítačové ovládanie ventilov umožňuje meniť stupeň plnenia valca počas prevádzky. To umožňuje vyžmýkať z motora maximálny výkon so zhoršením ekonomického výkonu alebo dosiahnuť lepšiu účinnosť s poklesom výkonu.

Podobný problém rieši päťtaktný motor, v ktorom sa dodatočná expanzia vykonáva v samostatnom valci.

Atkinson, Miller, Otto a ďalší v našej malej technickej exkurzii.

Najprv sa pozrime na to, čo je cyklus motora. Spaľovací motor je predmet, ktorý premieňa tlak zo spaľovania paliva na mechanickú energiu a keďže pracuje s teplom, ide o tepelný motor. Cyklus pre tepelný motor je teda kruhový proces, v ktorom sa počiatočné a konečné parametre zhodujú, ktoré určujú stav pracovnej tekutiny (v našom prípade ide o valec s piestom). Týmito parametrami sú tlak, objem, teplota a entropia.

Práve tieto parametre a ich zmena rozhodujú o tom, ako bude motor fungovať, a inými slovami, aký bude jeho cyklus. Preto, ak máte túžbu a znalosti z termodynamiky, môžete si vytvoriť svoj vlastný prevádzkový cyklus tepelného motora. Hlavná vec potom je, aby váš motor fungoval, aby ste preukázali právo na existenciu.

Ottov cyklus

Začneme najdôležitejším pracovným cyklom, ktorý v našej dobe využívajú takmer všetky spaľovacie motory. Je pomenovaný po nemeckom vynálezcovi Nikolausovi Augustovi Ottovi. Otto spočiatku využíval prácu Belgičana Jeana Lenoira. Trochu pochopenia pôvodného dizajnu dá tento model motora Lenoir.

Keďže Lenoir a Otto sa nevyznali v elektrotechnike, zapaľovanie v ich prototypoch bolo vytvorené otvoreným plameňom, ktorý cez trubicu zapálil zmes vo vnútri valca. Hlavným rozdielom medzi Ottovým motorom a Lenoirovým motorom bolo vertikálne uloženie valca, čo podnietilo Otta využiť energiu výfukových plynov na zdvihnutie piestu po silovom zdvihu. Zdvih piestu smerom nadol začal pôsobením atmosférického tlaku. A keď tlak vo valci dosiahol atmosférický tlak, výfukový ventil sa otvoril a piest svojou hmotnosťou vytlačil výfukové plyny. Práve úplnosť využitia energie umožnila zdvihnúť na tú dobu účinnosť až na dych vyrážajúcich 15 %, čím prevyšovala účinnosť aj parných strojov. Tento dizajn navyše umožňoval použiť päťkrát menej paliva, čo potom viedlo k úplnej dominancii takéhoto dizajnu na trhu.

Ale hlavnou zásluhou Otta je vynález štvortaktného procesu spaľovacieho motora. Tento vynález bol vyrobený v roku 1877 a potom bol patentovaný. Francúzski priemyselníci sa však prehrabali vo svojich archívoch a zistili, že myšlienku štvortaktnej práce pár rokov pred Ottovým patentom opísal Francúz Beau de Roche. To umožnilo znížiť platby za patenty a začať s vývojom vlastných motorov. Ale vďaka skúsenostiam boli Otto motory hlavou a ramenami nad konkurenciou. A do roku 1897 ich bolo vyrobených 42 000 kusov.

Ale čo je vlastne Ottov cyklus? To sú štyri takty spaľovacieho motora, ktoré poznáme zo školy – sanie, kompresia, zdvih a výfuk. Všetky tieto procesy trvajú rovnako dlho a tepelné charakteristiky motora sú znázornené v nasledujúcom grafe:

Kde 1-2 je kompresia, 2-3 je zdvih, 3-4 je výfuk, 4-1 je nasávanie. Účinnosť takéhoto motora závisí od stupňa kompresie a adiabatického indexu:

, kde n je kompresný pomer, k je adiabatický index alebo pomer tepelnej kapacity plynu pri konštantnom tlaku k tepelnej kapacite plynu pri konštantnom objeme.

Inými slovami, toto je množstvo energie, ktoré je potrebné minúť, aby sa plyn vo vnútri valca vrátil do predchádzajúceho stavu.

Atkinsonov cyklus

Vynašiel ho v roku 1882 britský inžinier James Atkinson. Atkinsonov cyklus zvyšuje účinnosť Ottovho cyklu, ale znižuje výkon. Hlavným rozdielom je rozdielny čas vykonávania pre rôzne cykly motora.

Špeciálna páková konštrukcia Atkinsonovho motora umožňuje dokončiť všetky štyri zdvihy piestu iba jedným otočením kľukového hriadeľa. Táto konštrukcia tiež robí zdvihy piestu rôznymi dĺžkami: zdvih piestu počas nasávania a výfuku je dlhší ako počas kompresie a expanzie.

Ďalšou vlastnosťou motora je, že rozvodové vačky (otváracie a zatváracie ventily) sú umiestnené priamo na kľukovom hriadeli. To eliminuje potrebu samostatnej inštalácie vačkového hriadeľa. Okrem toho nie je potrebné inštalovať prevodovku, pretože kľukový hriadeľ sa otáča polovičnou rýchlosťou. V 19. storočí si motor nezískal obľubu kvôli zložitej mechanike, no koncom 20. storočia sa stal populárnejším, keďže sa začal používať na hybridoch.

Takže v drahom Lexuse sú také zvláštne jednotky? Zďaleka sa nikto nechystal implementovať Atkinsonov cyklus v jeho čistej forme, ale úprava bežných motorov je celkom reálna. O Atkinsonovi sa preto nebudeme dlho vyhovárať a prejdeme do kolobehu, ktorý z neho urobil realitu.

Millerov cyklus

Millerov cyklus navrhol v roku 1947 americký inžinier Ralph Miller ako spôsob, ako spojiť výhody Atkinsonovho motora s jednoduchším Ottovým motorom. Namiesto mechanického skracovania kompresného zdvihu oproti silovému zdvihu (ako v klasickom Atkinsonovom motore, kde sa piest pohybuje rýchlejšie ako dole), prišiel Miller s myšlienkou skrátiť kompresný zdvih na úkor sacieho zdvihu. , pričom sa pohyb piestu nahor a nadol udržiava na rovnakej rýchlosti (ako pri klasickom Ottovom motore).

Miller na tento účel navrhol dva rôzne prístupy: buď zatvorte sací ventil v dostatočnom predstihu pred koncom sacieho zdvihu, alebo ho dobre zatvorte po skončení tohto zdvihu. Prvý prístup medzi mindrákmi sa bežne nazýva „skrátený príjem“ a druhý – „skrátená kompresia“. V konečnom dôsledku oba tieto prístupy dávajú to isté: zníženie skutočného kompresného pomeru pracovnej zmesi vzhľadom na geometrický pomer pri zachovaní rovnakého expanzného pomeru (to znamená, že zdvih pri výkone zostáva rovnaký ako pri Ottovom motore a kompresný zdvih, ako to bolo, je znížený - ako v Atkinsonovi, iba sa znižuje nie v čase, ale v stupni stlačenia zmesi).

Zmes v Millerovom motore sa teda stlačí menej, ako by mala v Ottovom motore s rovnakou mechanickou geometriou. To umožňuje zvýšiť geometrický kompresný pomer (a teda aj expanzný pomer!) nad limity dané detonačnými vlastnosťami paliva – skutočné stlačenie na prijateľné hodnoty v dôsledku opísaného „skrátenia kompresného cyklu“. vyššie. Inými slovami, pre rovnaký skutočný kompresný pomer (obmedzený palivom) má Millerov motor výrazne vyšší expanzný pomer ako Ottov motor. To umožňuje lepšie využiť energiu plynov expandujúcich vo valci, čo v skutočnosti zvyšuje tepelnú účinnosť motora, zabezpečuje vysokú účinnosť motora atď. Jednou z výhod Millerovho cyklu je tiež možnosť širšej variácie doby vznietenia bez rizika detonácie, čo dáva viac príležitostí pre inžinierov.

Výhoda zvýšenia tepelnej účinnosti Millerovho cyklu v porovnaní s Ottovým cyklom prichádza so stratou špičkového výkonu pre danú veľkosť (a hmotnosť) motora v dôsledku degradácie plnenia valcov. Keďže na dosiahnutie rovnakého výkonu by bol potrebný väčší Millerov motor ako Ottov motor, prínos zo zvýšenej tepelnej účinnosti cyklu bude čiastočne vynaložený na mechanické straty (trenie, vibrácie atď.), ktoré sa zvyšujú s veľkosťou motor.

Dieselový cyklus

A na záver sa oplatí aspoň v krátkosti pripomenúť Dieselov cyklus. Rudolf Diesel chcel pôvodne vytvoriť motor, ktorý by sa čo najviac približoval Carnotovmu cyklu, v ktorom účinnosť určuje iba rozdiel teplôt pracovnej tekutiny. Ale keďže chladiť motor na absolútnu nulu nie je v pohode, Diesel išiel iným smerom. Zvýšil maximálnu teplotu, pre ktorú začal stláčať palivo na na tú dobu neúmerné hodnoty. Ukázalo sa, že má motor s naozaj vysokou účinnosťou, ale spočiatku pracoval na kerozíne. Rudolph postavil prvé prototypy v roku 1893 a až začiatkom 20. storočia prešiel na iné druhy paliva vrátane nafty.

• , 17. júla 2015