Патентный чертеж «Дифференциального двигателя» Аткинсона, 1882 г.- Анимация дифференциального двигателя Аткинсона, 1882 г.
Двигатель с циклом Аткинсона — тип двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности .
Разновидность этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Первоначально он применялся исключительно в гибридных электрических устройствах, таких как Toyota Prius более раннего поколения , однако более поздние гибриды и некоторые негибридные транспортные средства теперь оснащены двигателями с изменяемыми фазами газораспределения , которые могут работать в цикле Аткинсона в режиме неполного рабочего времени, обеспечивая хорошую экономичность при работе в цикле Аткинсона и обычную плотность мощности при работе в качестве обычного двигателя с циклом Отто .
Аткинсон разработал три различных конструкции, которые имели короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Первый двигатель с циклом Аткинсона, дифференциальный двигатель , использовал оппозитные поршни. Второй и наиболее известной конструкцией был двигатель с циклом , который использовал рычаг над центром для создания четырех ходов поршня за один оборот коленчатого вала. Поршневой двигатель имел впускной, компрессионный, рабочий и выпускной такты четырехтактного цикла за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы избежать нарушения определенных патентов, охватывающих двигатели с циклом Отто . [1] Третий и последний двигатель Аткинсона, двигатель Utility , работал во многом как любой двухтактный двигатель.
Общая черта всех разработок Аткинсона заключается в том, что двигатели имеют ход расширения, который длиннее хода сжатия, и благодаря этому методу двигатель достигает большей тепловой эффективности , чем традиционный поршневой двигатель. Двигатели Аткинсона производились компанией British Gas Engine Company, а также лицензировались другими зарубежными производителями.
Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционные фазы газораспределения для создания 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 в 1889 году. Газовый двигатель Харона (четырехтактный) использовал аналогичный цикл Миллера, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона». [3]
Хуго Гюльднер утверждал в своей книге 1914 года, что Körting была первой фирмой, которая построила газовый двигатель с коротким ходом сжатия и более длинной фазой расширения в 1891 году, основываясь на конструкции, впервые предложенной Отто Кёлером в 1887 году. Этот двигатель также имел зависящий от нагрузки двигателя клапанный механизм, который увеличивал ход впуска и сжатия с увеличением нагрузки двигателя. С другой стороны, компрессия уменьшалась при низких и средних нагрузках, что в конечном итоге снижало эффективность. [4]
Рой Федден из Бристоля в 1928 году испытал конструкцию двигателя Bristol Jupiter IV с изменяемым временем задержки, позволяющим выдувать часть заряда обратно во впускной коллектор, чтобы иметь устойчиво пониженное рабочее давление во время взлета. [ необходима цитата ]
Современные разработчики двигателей осознают потенциальные улучшения топливной экономичности, которые может обеспечить цикл Аткинсона. [5]
Первая реализация цикла Аткинсона состоялась в 1882 году; в отличие от более поздних версий, он был скомпонован как двигатель с оппозитными поршнями , дифференциальный двигатель Аткинсона. [6] [7] В нем один коленчатый вал был соединен с двумя оппозитными поршнями через коленчато-рычажную связь, которая имела нелинейность: в течение половины оборота один поршень оставался почти неподвижным, в то время как другой приближался к нему и возвращался, а затем в течение следующей половины оборота второй упомянутый поршень был почти неподвижным, в то время как первый приближался и возвращался.
Таким образом, в каждом обороте один поршень обеспечивал такт сжатия и рабочий такт, а затем другой поршень обеспечивал такт выпуска и зарядный такт. Поскольку поршень мощности оставался втянутым во время выпуска и зарядки, было практично обеспечить выпуск и зарядку с помощью клапанов за портом, который был закрыт во время такта сжатия и рабочего такта, и поэтому клапанам не нужно было выдерживать высокое давление, и они могли быть более простого типа, используемого во многих паровых двигателях, или даже пластинчатыми клапанами .
Следующий двигатель, разработанный Аткинсоном в 1887 году, был назван «Cycle Engine». Этот двигатель использовал тарельчатые клапаны, кулачок и рычаг над центром для производства четырех ходов 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. Atkinson также лицензировал производство другим производителям. Мощность варьировалась от нескольких до 100 лошадиных сил.
Третий проект Аткинсона был назван «Utilite Engine» (Утилитный двигатель). [8] Двигатель Аткинсона «Cycle» был эффективен; однако его тягу было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. Аткинсон понял, что необходимо усовершенствование, чтобы сделать его цикл более применимым в качестве двигателя с высокой скоростью.
С помощью этой новой конструкции Аткинсон смог устранить связи и создать более традиционный, хорошо сбалансированный двигатель, способный работать на скоростях до 600 об/мин и вырабатывать мощность за каждый оборот, при этом он сохранил всю эффективность своего «циклового двигателя», имеющего пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает во многом 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, пока поршень не приблизится к концу хода) предотвращает утечку давления, когда поршень движется мимо выпускного отверстия. Выпускной клапан открывается около нижней части хода; он остается открытым, когда поршень возвращается к сжатию, позволяя свежему воздуху заряжать цилиндр, а выхлопным газам выходить, 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 зажигания, вероятно, была горячая трубка, как и в других двигателях Аткинсона. Такая конструкция привела к двухтактному двигателю с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения.
Двигатель Utilite был испытан и оказался даже более эффективным, чем предыдущие «дифференциальные» и «циклические» конструкции Аткинсона. Было произведено очень мало таких двигателей, и ни один из них не сохранился. Британский патент датирован 1892 годом, № 2492. Патент США на двигатель Utilite 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 обычного, что позволяет обратному потоку всасываемого воздуха поступать во впускной коллектор. Этот «симулированный» цикл Аткинсона наиболее заметно используется в двигателе Toyota 1NZ-FXE из ранних Prius и двигателях Toyota Dynamic Force .
Эффективная степень сжатия уменьшается — на время, когда воздух свободно выходит из цилиндра, а не сжимается, — но степень расширения не меняется (т. е. степень сжатия меньше степени расширения). Цель современного цикла Аткинсона — сделать давление в камере сгорания в конце рабочего такта равным атмосферному давлению. Когда это происходит, вся доступная энергия получена из процесса сгорания. Для любой заданной порции воздуха большая степень расширения преобразует больше энергии из тепла в полезную механическую энергию — это означает, что двигатель более эффективен.
Недостатком четырехтактного двигателя с циклом Аткинсона по сравнению с более распространенным двигателем с циклом Отто является пониженная плотность мощности. Из-за того, что меньшая часть такта сжатия отводится на сжатие всасываемого воздуха, двигатель с циклом Аткинсона не потребляет столько воздуха, сколько двигатель с циклом Отто аналогичной конструкции и размера. Четырехтактные двигатели этого типа, которые используют тот же тип движения впускного клапана, но также используют принудительную индукцию для компенсации потери плотности мощности, известны как двигатели с циклом Миллера .
Цикл Аткинсона может быть использован в роторном двигателе . В этой конфигурации можно достичь увеличения как мощности, так 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 выбрасываются из двигателя путем продувки сжатым воздухом. Эта модификация цикла Аткинсона позволяет использовать альтернативные виды топлива, такие как дизельное топливо и водород.
Недостатки этой конструкции включают требование, чтобы наконечники ротора были очень плотно прилегали к внешней стенке корпуса, и 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 в мотоцикле Hercules W-2000 использовал цикл Аткинсона. Капсула понижения давления открывает вторичный путь для входящего заряда. [ необходима цитата ]
В то время как модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную экономичность , это достигается за счет более низкой мощности на единицу рабочего объема по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем. [9] Если потребность в большей мощности непостоянна, мощность двигателя может быть дополнена электродвигателем в те моменты, когда требуется больше мощности. Это составляет основу гибридной электрической трансмиссии на основе цикла Аткинсона. Эти электродвигатели могут использоваться независимо от двигателя с циклом Аткинсона или в сочетании с ним, чтобы обеспечить наиболее эффективные средства производства желаемой мощности. Эта трансмиссия впервые поступила в производство в конце 1997 года в первом поколении Toyota Prius .
По состоянию на июль 2018 года [update]многие серийные гибридные трансмиссии транспортных средств используют концепцию цикла Аткинсона, например:
Патент 1887 года (US 367496) описывает механические связи, необходимые для получения всех четырех тактов четырехтактного цикла газового двигателя в пределах одного оборота коленчатого вала. [1] Также имеется ссылка на патент Аткинсона 1886 года (US 336505), в котором описан газовый двигатель с оппозитными поршнями . [7] Британский патент на «Utilite» датируется 1892 годом (#2492).