цикл Аткинсона

Двигатель с циклом Аткинсона — это тип двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности .

Вариант этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Первоначально это наблюдалось исключительно в гибридных электрических предыдущего поколения автомобилях, таких как Toyota Prius , но более поздние гибриды и некоторые негибридные автомобили теперь оснащены двигателями с регулируемыми фазами газораспределения , которые могут работать в цикле Аткинсона в режиме неполного рабочего времени, что дает хорошие результаты. экономичность при работе по циклу Аткинсона и обычная удельная мощность при работе обычного двигателя по циклу Отто .

Дизайн

Аткинсон разработал три различные конструкции с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения. В первом двигателе с циклом Аткинсона, дифференциальном двигателе , использовались оппозитные поршни. Второй и самой известной конструкцией был циклический двигатель , в котором использовался рычаг, расположенный над центром, для создания четырех ходов поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель впуска, сжатия, мощности и выпуска имел такты четырехтактного цикла за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы избежать нарушения некоторых патентов, касающихся двигателей с циклом Отто . ^[1] Третий и последний двигатель Аткинсона, универсальный двигатель , работал так же, как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что в двигателях такт расширения длиннее, чем такт сжатия, и благодаря этому методу двигатель достигает большего термического КПД , чем традиционный поршневой двигатель. Двигатели Аткинсона производились Британской газовой моторной компанией, а также лицензировались другими зарубежными производителями.

Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционную систему фаз газораспределения, чтобы добиться эффекта более короткого такта сжатия/более длинного рабочего хода. Миллер применил эту технику к четырехтактному двигателю, поэтому его иногда называют циклом Аткинсона/ Миллера , патент США 2817322 от 24 декабря 1957 года. ^[2] В 1888 году Харон подал французский патент и представил двигатель на Парижской выставке 1889 года. Газовый двигатель Харона (четырехтактный) использовал тот же цикл, что и Миллер, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона». ^[3]

Хьюго Гюльднер утверждал в своей книге 1914 года, что Кёртинг был первой фирмой, которая в 1891 году построила газовый двигатель с коротким тактом сжатия и более длинной фазой расширения на основе конструкции, впервые предложенной Отто Кёлером в 1887 году. Этот двигатель также имел двигатель- зависящий от нагрузки клапанный механизм, который увеличивает такты впуска и сжатия с увеличением нагрузки на двигатель. С другой стороны, компрессия падала при малых и средних нагрузках, что в конечном итоге снижало КПД. ^[4]

Рой Федден из Бристоля в 1928 году испытал конструкцию двигателя Bristol Jupiter IV с регулируемым моментом запаздывания, позволяющим выбрасывать часть заряда обратно во впускной коллектор, чтобы обеспечить устойчивое снижение рабочего давления во время взлета. ^{[ нужна ссылка ]}

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона. ^[5]

Аткинсон «Дифференциальный двигатель».

Первая реализация цикла Аткинсона произошла в 1882 году; в отличие от более поздних версий, он был выполнен в виде оппозитного двигателя , дифференциального двигателя Аткинсона. ^[6]^[7] При этом один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через коленно-рычажный механизм, имевший нелинейность; в течение полуоборота один поршень оставался почти неподвижным, а другой приближался к нему и возвращался, а затем в течение следующего полуоборота второй упомянутый поршень был почти неподвижен, в то время как первый приближался и возвращался.

Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивал такт сжатия и рабочий ход, а затем другой поршень обеспечивал такт выпуска и такт зарядки. Поскольку силовой поршень оставался втянутым во время выпуска и наддува, было практично обеспечить выпуск и наддув с помощью клапанов за портом, который был закрыт во время такта сжатия и рабочего такта, поэтому клапанам не нужно было выдерживать высокое давление, и их можно было более простого типа, используемого во многих паровых двигателях, или даже в лепестковых клапанах .

Патентный рисунок Аткинсона «Дифференциальный двигатель», 1882 г.
Анимация дифференциального двигателя Аткинсона, 1882 г.

Аткинсон «Цикловый двигатель»

Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, был назван «Циклический двигатель». В этом двигателе использовались тарельчатые клапаны, кулачок и центральный рычаг, позволяющие производить четыре хода поршня за каждый оборот коленчатого вала. Такты впуска и сжатия были значительно короче тактов расширения и выпуска.

Двигатели Cycle производились и продавались в течение нескольких лет компанией British Engine Company. Аткинсон также лицензировал производство другим производителям. Размеры варьировались от нескольких до 100 лошадиных сил.

Газовый двигатель Аткинсона, как показано в патенте США 367496, 1887 г.
Анимация Аткинсона «Цикловый двигатель», 1887 г.

Аткинсон «Утилитетный двигатель»

Третья конструкция Аткинсона получила название «Утилитный двигатель». ^[8] Двигатель «Цикл» Аткинсона был эффективен; однако его соединение было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. Аткинсон понял, что необходимо усовершенствование, чтобы сделать его цикл более применимым в качестве высокоскоростного двигателя.

Благодаря этой новой конструкции Аткинсон смог устранить эти связи и создать более традиционный, хорошо сбалансированный двигатель, способный работать на скорости до 600 об/мин и способный вырабатывать мощность на каждом обороте, сохраняя при этом всю эффективность своего «циклического двигателя». «имеет пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает так же, как стандартный двухтактный двигатель, за исключением того, что выпускное отверстие расположено примерно в середине хода.

Во время такта расширения/рабочего хода кулачковый клапан (который остается закрытым до тех пор, пока поршень не приблизится к концу хода) предотвращает утечку давления, когда поршень проходит мимо выпускного отверстия. Выпускной клапан открывается в нижней части хода; он остается открытым, пока поршень движется обратно в сторону сжатия, позволяя свежему воздуху наполнять цилиндр и выхлопным газам выходить до тех пор, пока отверстие не будет закрыто поршнем.

После того, как выпускное отверстие закрыто, поршень начинает сжимать оставшийся воздух в цилиндре. Небольшой поршневой топливный насос впрыскивает жидкость во время сжатия. Источником возгорания, вероятно, была горячая трубка, как и в других двигателях Аткинсона. В результате этой конструкции был создан двухтактный двигатель с коротким ходом сжатия и более длинным тактом расширения.

Utility Engine оказался даже более эффективным, чем предыдущие «дифференциальные» и «циклические» конструкции Аткинсона. Их было выпущено очень мало, и неизвестно, что ни один из них не выжил. Британский патент от 1892 года, № 2492. Патент США на Utilite Engine неизвестен.

Идеальный термодинамический цикл

Идеальный цикл Аткинсона состоит из:

1–2 Изэнтропическое , или обратимое , адиабатическое сжатие.
2–3 Изохорный нагрев (Qp)
3–4 Изобарный нагрев (Qp')
4–5 Изэнтропическое расширение
5–6 Изохорное охлаждение (Qo)
6–1 Изобарное охлаждение (Qo')

Современные двигатели с циклом Аткинсона

В конце 20-го века термин «цикл Аткинсона» стал использоваться для описания модифицированного двигателя с циклом Отто , в котором впускной клапан удерживается открытым дольше, чем обычно, обеспечивая обратный поток всасываемого воздуха во впускной коллектор. Этот «моделированный» цикл Аткинсона чаще всего используется в двигателе Toyota 1NZ-FXE от ранних моделей Prius и двигателях Toyota Dynamic Force .

Эффективная степень сжатия снижается — в то время, когда воздух свободно выходит из цилиндра, а не сжимается, — но степень расширения не меняется (т. е. степень сжатия меньше, чем степень расширения). Цель современного цикла Аткинсона — сделать давление в камере сгорания в конце рабочего такта равным атмосферному давлению. Когда это происходит, вся доступная энергия была получена в процессе сгорания. Для любой порции воздуха большая степень расширения преобразует больше энергии из тепла в полезную механическую энергию, а это означает, что двигатель более эффективен.

Недостатком четырехтактного двигателя с циклом Аткинсона по сравнению с более распространенным двигателем с циклом Отто является пониженная удельная мощность. Поскольку на сжатие всасываемого воздуха уходит меньшая часть такта сжатия, двигатель с циклом Аткинсона не потребляет столько воздуха, сколько двигатель с циклом Отто аналогичной конструкции и размера. Четырехтактные двигатели этого типа, в которых используется тот же тип движения впускного клапана, но также используется принудительная индукция для компенсации потери удельной мощности, известны как двигатели с циклом Миллера .

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Цикл Аткинсона можно использовать в роторном двигателе . В этой конфигурации может быть достигнуто увеличение мощности и эффективности по сравнению с циклом Отто. Этот тип двигателя сохраняет одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами сжатия и расширения исходного цикла Аткинсона.

Выхлопные газы выводятся из двигателя путем продувки сжатым воздухом. Эта модификация цикла Аткинсона позволяет использовать альтернативные виды топлива, такие как дизельное топливо и водород.

К недостаткам этой конструкции относятся требование, чтобы кончики ротора очень плотно прилегали к внешней стенке корпуса, а также механические потери, возникающие из-за трения между быстро колеблющимися частями неправильной формы. Для получения дополнительной информации см. внешние ссылки ниже.

Двигатель Sachs KC-27 Wankel на мотоцикле Hercules W-2000 использовал цикл Аткинсона. Капсула депрессии открывает дополнительный путь для поступающего заряда. ^{[ нужна ссылка ]}

Транспортные средства с двигателями по циклу Аткинсона

Хотя модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную экономичность , это происходит за счет более низкой мощности на рабочий объем по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем. ^[9] Если потребность в большей мощности непостоянна, мощность двигателя может быть дополнена электродвигателем в периоды, когда требуется большая мощность. Это составляет основу гибридной электрической трансмиссии на основе цикла Аткинсона. Эти электродвигатели можно использовать независимо или в сочетании с двигателем с циклом Аткинсона, чтобы обеспечить наиболее эффективные средства производства желаемой мощности. Эта трансмиссия впервые поступила в производство в конце 1997 года на Toyota Prius первого поколения .

По состоянию на июль 2018 г. ^[update]Во многих трансмиссиях серийных гибридных автомобилей используется концепция цикла Аткинсона, например в:

Шевроле Вольт
Chrysler Pacifica (передний привод) Подключаемая гибридная модель минивэна
Ford C-Max (передний привод / рынок США) Гибридные и подключаемые гибридные модели
Ford Escape / Mercury Mariner / Mazda Tribute электрический (передний и полный привод) со степенью сжатия 12,4:1
Ford Fusion Hybrid / Mercury Milan Hybrid / Lincoln MKZ Hybrid электрический (передний привод) со степенью сжатия 12,3:1
Форд Маверик ^[10]
Подключаемый гибрид Honda Accord ^[11]
Honda Accord Hybrid (передний привод)
Хонда Сити (гибрид)
Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid ^[12]
Honda CR-V (гибрид с 2020 г. по настоящее время)
Хонда Инсайт (передний привод) ^[13]
Honda Fit (передний привод) некоторые двигатели 3-го поколения переключаются между циклами Аткинсона и Отто.
Hyundai Sonata Hybrid (передний привод)
Модели Hyundai Elantra с циклом Аткинсона
Гибрид Hyundai Grandeur (передний привод)
Hyundai Ioniq гибрид, подключаемый гибрид (передний привод)
Hyundai Palisade 3,8 л Lambda II V6 GDi
Гибрид Infiniti M35h (задний привод)
Kia Forte 147 л.с. только бензин 2.0 (передний привод)
Kia Niro гибрид, подключаемый гибрид (передний привод)
Kia Optima Hybrid Kia K5 Hybrid 500h (передний привод) со степенью сжатия 13:1
Kia Cadenza Hybrid Kia K7 Hybrid 700h (передний привод)
Киа Теллурайд 3,8 л Lambda II V6 GDi
Киа Селтос 2.0L (передний привод)
Lexus CT 200h (передний привод)
Lexus ES 300h (передний привод)
Lexus GS 450h гибридный электрический (задний привод) со степенью сжатия 13:1
Lexus RC F (задний привод)
Lexus GS F (задний привод)
Lexus HS 250h (передний привод)
Лексус ИС 200т (2016) ^[14]
Lexus NX гибридный электрический (полный привод)
Lexus RX 450h гибридный электрический (полный привод)
Гибридно-электрический Lexus UX (полный привод)
Лексус LC (задний привод)
Mazda Mazda6 (2013 для 2014 модельного года)
Mercedes ML450 Hybrid (полный привод) электрический
Mercedes S400 Blue Hybrid (задний привод) электрический
Mitsubishi Outlander PHEV (2018 для модели 2019 года, подключаемый гибридный полный привод) ^[15]
Subaru Crosstrek Hybrid (2018 для 2019 модельного года, полный привод)
Toyota Camry Hybrid электрическая (передний привод) со степенью сжатия 12,5:1
Toyota Avalon Hybrid (передний привод)
Toyota Highlander Hybrid (2011 г. и новее) ^[16]
Toyota Prius Гибридно-электрический (передний привод) со степенью сжатия (чисто геометрической) 13,0:1.
Toyota Yaris Hybrid (передний привод) со степенью сжатия 13,4:1.
Toyota Auris Hybrid (передний привод)
Toyota Tacoma V6 (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
Toyota RAV4 Hybrid (начиная с 2015 года для 2016 модельного года)
Toyota Sienna (2016 для 2017 модельного года, гибрид начиная с 2021 модельного года)
Toyota Venza (гибрид, начиная с 2021 модельного года)
Toyota C-HR Hybrid (2016 – настоящее время)
Toyota Yaris Cross Hybrid (2021 – настоящее время)
Toyota Innova Hybrid (2022 – настоящее время)

Патенты

Патент 1887 года (US 367496) описывает механические связи, необходимые для получения всех четырех тактов четырехтактного цикла газового двигателя за один оборот коленчатого вала. ^[1] Существует также ссылка на патент Аткинсона 1886 года (US 336505), в котором описан газовый двигатель с оппозитным расположением поршней . ^[7] Британский патент на «Utilite» выдан в 1892 году (№ 2492).

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б США 367496 , Дж. Аткинсон, «Газовый двигатель», выдан 2 августа 1887 г.
^ Патент США 2817322.
^ Донкин, Брайан (1896). Учебник по газовым, масляным и воздушным двигателям: или Двигатели внутреннего сгорания без котла . К. Гриффин и компания с ограниченной ответственностью. п. 152.
^ Гюльднер, Гюго (1914). сгорания и газоэнергетических систем Проектирование и расчет двигателей внутреннего . Берлин, Гейдельберг: Springer Verlag. п. 64. дои : 10.1007/978-3-662-26508-6 . ISBN 978-3-662-24387-9 .
^ «Автотехнологии: двигатели и гибриды с циклом Аткинсона» . Autos.ca . 14 июля 2010 г. Проверено 23 февраля 2013 г.
^ Джинджери, Винсент (2000). Создание дифференциального двигателя Аткинсона . Дэвид Дж. Джинджери Паблишинг, ООО. ISBN 1878087231 .
^ Jump up to: ^а ^б США 336505 , Дж. Аткинсон, «Газовый двигатель», выдан 16 февраля 1886 г.
^ Клерк, Дугалд (1913). Газовый, бензиновый и масляный двигатель, Том 2 . Дж. Уайли. п. 210.
^ Хейвуд, Джон Б. Основы двигателей внутреннего сгорания , стр. 184-186.
^ Торчинский, Джейсон (08 июня 2021 г.). «Ford Maverick 2022 года — гибрид за 20 000 долларов» . Ялопник . НАС . Проверено 9 июня 2021 г.
^ Готье, Майкл (21 января 2013 г.). «Honda Accord Plug-in Hybrid заслужил титул самого экономичного седана в Америке» . worldcarfans.com . Проверено 22 января 2013 г.
^ «Подключаемый гибрид Honda Clarity 2018 года» . www.honda.ca . Архивировано из оригинала 26 января 2018 г. Проверено 25 января 2018 г.
^ «Хонда Инсайт Гибрид 2018 года» . www.honda.ca . Проверено 14 июля 2018 г.
^ «Lexus IS 2016 – Производительность» . США: Лексус . Проверено 9 августа 2016 г.
^ «Аутлендер PHEV 2019 года» . США: Митсубиси . Проверено 23 февраля 2018 г.
^ Эдмундс, Дэн (24 сентября 2010 г.). «Дорожные испытания гибрида Toyota Highlander 2011 года» . Эдмундс.com . Проверено 4 июля 2012 г.

Внешние ссылки

Сравнение первичных двигателей, подходящих для экспедиционных источников энергии морской пехоты США , Национальная лаборатория Ок-Ридж
Libralato Engines - разработка роторного двигателя с циклом Аткинсона.
Роторный двигатель с циклом Аткинсона. Архивировано 19 июня 2020 г. на Wayback Machine . Подробная информация об этом двигателе, а также сравнение с обычными двигателями и двигателями Ванкеля.
Не такие уж и секретные секреты расхода бензина Prius – как Prius использует цикл Аткинсона для достижения лучших результатов, чем двигатель с циклом Отто
Джеймс Аткинсон в Find A Grave – личные данные

[pat367496-1] Jump up to: ^а ^б США 367496 , Дж. Аткинсон, «Газовый двигатель», выдан 2 августа 1887 г.

[2] Патент США 2817322.

[3] Донкин, Брайан (1896). Учебник по газовым, масляным и воздушным двигателям: или Двигатели внутреннего сгорания без котла . К. Гриффин и компания с ограниченной ответственностью. п. 152.

[4] Гюльднер, Гюго (1914). сгорания и газоэнергетических систем Проектирование и расчет двигателей внутреннего . Берлин, Гейдельберг: Springer Verlag. п. 64. дои : 10.1007/978-3-662-26508-6 . ISBN 978-3-662-24387-9 .

[5] «Автотехнологии: двигатели и гибриды с циклом Аткинсона» . Autos.ca . 14 июля 2010 г. Проверено 23 февраля 2013 г.

[6] Джинджери, Винсент (2000). Создание дифференциального двигателя Аткинсона . Дэвид Дж. Джинджери Паблишинг, ООО. ISBN 1878087231 .

[pat336505-7] Jump up to: ^а ^б США 336505 , Дж. Аткинсон, «Газовый двигатель», выдан 16 февраля 1886 г.

[8] Клерк, Дугалд (1913). Газовый, бензиновый и масляный двигатель, Том 2 . Дж. Уайли. п. 210.

[9] Хейвуд, Джон Б. Основы двигателей внутреннего сгорания , стр. 184-186.

[10] Торчинский, Джейсон (08 июня 2021 г.). «Ford Maverick 2022 года — гибрид за 20 000 долларов» . Ялопник . НАС . Проверено 9 июня 2021 г.

[11] Готье, Майкл (21 января 2013 г.). «Honda Accord Plug-in Hybrid заслужил титул самого экономичного седана в Америке» . worldcarfans.com . Проверено 22 января 2013 г.

[12] «Подключаемый гибрид Honda Clarity 2018 года» . www.honda.ca . Архивировано из оригинала 26 января 2018 г. Проверено 25 января 2018 г.

[13] «Хонда Инсайт Гибрид 2018 года» . www.honda.ca . Проверено 14 июля 2018 г.

[14] «Lexus IS 2016 – Производительность» . США: Лексус . Проверено 9 августа 2016 г.

[15] «Аутлендер PHEV 2019 года» . США: Митсубиси . Проверено 23 февраля 2018 г.

[16] Эдмундс, Дэн (24 сентября 2010 г.). «Дорожные испытания гибрида Toyota Highlander 2011 года» . Эдмундс.com . Проверено 4 июля 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]