Патентный рисунок Аткинсона «Дифференциальный двигатель», 1882 г.- Анимация дифференциального двигателя Аткинсона, 1882 г.
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 автомобилях, таких как Toyota Prius предыдущего поколения , 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 .
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 имел такты впуска, сжатия, мощности и выпуска 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 у двигателей 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 заявку на французский патент и представил двигатель на Парижской выставке. Выставка 1889 года. Газовый двигатель Харон (четырехтактный) использовал аналогичный Миллеру цикл, 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 задержки, позволяющим выбрасывать часть заряда обратно во впускной коллектор, чтобы обеспечить устойчивое снижение рабочего давления во время взлета. [ нужна цитата ]
Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона. [5]
Первая реализация цикла Аткинсона произошла в 1882 году; в отличие от более поздних версий, он был выполнен в виде оппозитного поршневого двигателя , дифференциального двигателя Аткинсона. [6] [7] При этом один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через коленно-рычажный механизм, который имел 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 такт, 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 .
Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, был назван «Циклический двигатель». В этом двигателе использовались тарельчатые клапаны, кулачок и центральный рычаг, обеспечивающие 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.
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 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 цикл Аткинсона состоит из:
В конце 20 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 с использованием принудительной индукции для компенсации потери удельной мощности, известны как двигатели с циклом Миллера .
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 вторичный путь для поступающего заряда. [ нужна цитата ]
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 года [update]во многих трансмиссиях серийных гибридных автомобилей используется концепция цикла Аткинсона, например в:
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 оппозитными поршнями . [7] Британский патент на «Utilite» выдан в 1892 году (№ 2492).