Цикл Аткинсона и Миллера: жертва мощностью ради эффективности

Цикл Аткинсона, удерживая ход расширения более длинным, чем ход сжатия, преобразует больше тепловой энергии топлива в механическую работу; цикл Миллера - это тот же приём в сочетании с поддержкой турбонаддува или механического наддува. Оба жертвуют частью мощности ради эффективности - и именно поэтому они обретают смысл вместе с гибридными системами и современными турбированными бензиновыми двигателями. В этой статье я объясняю общую логику двух циклов, различие между степенью сжатия и степенью расширения и почему каждый из них работает в том или ином автомобиле.

Что такое циклы Аткинсона и Миллера и насколько они отличаются от цикла Отто?

Разработанный Николаусом Отто в 1876 году четырёхтактный цикл - впуск, сжатие, сгорание и выпуск - сегодня является фактическим стандартом бензиновых двигателей. В цикле Отто поршень начинает сжимать воздушно-топливную смесь, полученную во время впуска, сразу после закрытия выпускного клапана. Ходы сжатия и расширения геометрически равны, и двигатель получает свою эффективность в значительной степени за счёт повышения степени сжатия настолько, насколько это позволяет граница детонации.

Идея Джеймса Аткинсона 1882 года состояла в сознательном нарушении этой симметрии. Если ход расширения длиннее хода сжатия, газы сгорания не успеют выйти через выпускной клапан, не отдав поршню свою энергию. Изначально Аткинсон реализовывал эту идею с помощью сложных кривошипных механизмов; cycle engine - его конструкция выполняла все четыре такта за один оборот коленчатого вала с помощью системы рычагов. Она была эффективной, но её было трудно сбалансировать на высоких оборотах, она была громоздкой механически и не получила широкого коммерческого распространения.

Современное же решение гораздо более изящное: достичь того же эффекта, вообще не трогая кривошипный механизм, лишь задерживая закрытие впускного клапана. Именно в этом суть подхода, запатентованного Ральфом Миллером в 1956 году и применяемого сегодня как в атмосферных, так и в турбированных двигателях.

Источник эффективности: не степень сжатия, а степень расширения

Приведённая здесь цепочка логики объясняет всю разницу между двумя циклами. Если впускной клапан закрывается позже обычного (в литературе - LIVC), поршень продолжает впускать смесь ещё некоторое время после начала хода сжатия, и часть смеси выталкивается обратно во впускной коллектор. Результат: количество воздуха, эффективно поступающего в цилиндр, уменьшается, и эффективная степень сжатия падает. Но поскольку нисходящее движение поршня - то есть ход расширения - геометрически не меняется, степень расширения остаётся на месте. Таким образом, степень сжатия становится меньше степени расширения.

Почему эта разница даёт выигрыш в КПД? Потому что энергия, затрачиваемая на сжатие, снижается, а время преобразования энергии сгорания в механическую работу при расширении увеличивается. Цель состоит в том, чтобы к концу рабочего хода приблизить давление газа в цилиндре к атмосферному; если при открытии выпускного клапана газ всё ещё находится под высоким давлением, значит, эта энергия потеряна впустую. В обычном двигателе отработавшие газы 3-7 бар при давлении и 1000 °C выбрасываются при температуре до - от одной трети до половины энергии сгорания уходит в выхлопную трубу, так и не превратившись в полезную работу.

Позднее закрытие - не единственный вариант. Раннее закрытие впускного клапана (EIVC) даёт тот же результат: клапан закрывается в начале хода, и при движении поршня вниз в цилиндре создаётся лёгкий вакуум, смесь как бы расширяется и засасывается сама. Между этими двумя стратегиями есть различия с точки зрения теплового управления и насосных потерь; исследования судовых двигателей также показывают, что слишком раннее закрытие клапана может увеличить расход топлива.

Циклы Отто, Аткинсона и Миллера рядом

Почему в гибридных автомобилях используется цикл Аткинсона?

Цена цикла Аткинсона очевидна: позднее закрытие впускного клапана приводит к тому, что тот же объём цилиндра получает меньше воздуха. Плотность мощности падает; пиковый крутящий момент и среднее эффективное давление на цилиндр снижаются. Вы получаете двигатель, производящий меньше мощности по сравнению с Otto-двигателем того же размера, особенно со слабым крутящим моментом на низких оборотах. Для чисто бензинового автомобиля это недостаток, который водитель будет ощущать при каждом нажатии на газ.

Гибридная система полностью компенсирует этот недостаток. Электродвигатель мгновенно создаёт крутящий момент с нуля; он берёт на себя самый слабый рабочий диапазон двигателя - зону низких оборотов и полной нагрузки. Таким образом, бензиновый двигатель может работать почти всегда на самой эффективной линии карты нагрузки и оборотов. Эта комбинация впервые вышла на производственную линию в конце 1997 года в первом поколении Toyota Prius и с тех пор стала стандартной формулой гибридных трансмиссий.

Примеры применения ярки: 1NZ-FXE в ранних Prius, семейство двигателей Toyota Dynamic Force , гибриды Ford C-Max и Fusion и гибридные модели Lexus разделяют эту логику. А от изобретения технологии до её выхода на производственную линию прошло целых 100 лет - без электродвигателя дефицит мощности этого цикла не удалось бы продать никому.

Что даёт цикл Миллера турбобензиновым двигателям?

Второй способ закрыть дефицит мощности Аткинсона - нагнетать в цилиндр больше воздуха. Именно это и есть цикл Миллера: снижение эффективной степени сжатия из-за позднего закрытия впускного клапана компенсируется дополнительным воздухом, подаваемым турбонагнетателем или механическим нагнетателем. Смесь поступает в цилиндр при давлении выше атмосферного; двигатель использует как эффективность тайминга Миллера, так и развивает ожидаемую мощность.

У этого подхода есть отдельная ценность для турбобензиновых двигателей: контроль детонации. Детонация - это самовоспламенение сжатой смеси без ожидания искры свечи, а высокие степени сжатия и высокие давления наполнения увеличивают этот риск. Традиционное решение - снизить геометрическую степень сжатия, что лишает и выигрыша в экономии топлива. Цикл Миллера решает эту дилемму: геометрическая степень может оставаться высокой, но эффективная степень в момент сжатия ограничена за счет поздно закрывающегося клапана. В двигателях с уменьшенным турбонагнетателем это распространенная стратегия снижения детонации.

Численный выигрыш также измерим. Цикл Миллера обеспечивает заметную экономию топлива по сравнению с сопоставимыми традиционными двигателями благодаря снижению насосных потерь при частичной нагрузке, улучшению КПД и снижению выбросов NOx; в ранних серийных применениях 10-15% снижения расхода - вот диапазон называемых цифр. Показано, что в сочетании с высоким наддувом он несет потенциал одновременного улучшения экономии топлива и стойкости к детонации.

Урок из истории: Mazda Millenia

Первым серийным применением цикла Миллера в истории автомобилестроения в 1994 году стал двигатель Mazda KJ-ZEM V6 - этот мотор с механическим нагнетателем типа Лисхольм из-за стоимости производства и сложности не смог обеспечить коммерческий успех седана Millenia. Но идея не была пустой: то, что современные турбобензиновые двигатели используют тайминг Миллера именно для решения проблем детонации и расхода - это путь, проложенный тем мотором.

"Аткинсон" или "Миллер"? Терминологический спор

Сделаем замечание о технической честности. То, что Toyota и некоторые производители называют "циклом Аткинсона", на самом деле представляет собой определенный фаз газораспределения: позднее закрытие впускного клапана. В литературе это применение также называют "таймингом Миллера". Некоторые инженерные источники проводят разграничение так: двигателям с естественным впуском и поздним IVC дают название "Аткинсон", а с принудительной подачей - "Миллер". По другому взгляду, наименование полностью произвольно; критично лишь то, что цикл с расширенным расширением реализуется с таймингом IVC, а использование или неиспользование принудительного впуска эту классификацию не меняет.

Спор об историческом приоритете тоже интересен. То, что Кёртинг в 1891 году построил газовый двигатель с коротким сжатием и длинным расширением, что Шарон в 1888 году получил французский патент на похожий цикл без наддува, и что в 1927 в отчётах той эпохи известно, что даже управление эффективной степенью сжатия посредством фаз газораспределения рассматривалось как вариант для ограничения детонации на низкооктановых топливах. То есть название "Аткинсон" меньше напоминает нынешнюю практику, чем собственный механизм самого Аткинсона; но идея, заслуживающая награды, - отделение расширения от сжатия - принадлежит ему.

Почему каждый бензиновый двигатель не работает по циклу Аткинсона или Миллера?

Ответ кроется в главной оси статьи: эти циклы жертвуют мощностью ради эффективности. В обычном бензиновом двигателе без электромотора или турбонаддува цикл Аткинсона означает меньшую мощность с того же объёма и, особенно, слабый крутящий момент на низких оборотах. Водитель ощущает это при каждом трогании и каждом обгоне; а производителю приходится делать двигатель большего объёма, чтобы обеспечить ту же производительность - что частично отменяет выигрыш в эффективности. Цикл Миллера компенсирует этот недостаток турбонаддувом, но, как показали ранние применения с механическим нагнетателем, добавляет стоимость и сложность.

Итоговая логическая цепочка такова: цикл Аткинсона в одиночку жертвует мощностью ради эффективности; гибридная система возвращает мощность с помощью электромотора. Цикл Миллера объединяет ту же логику эффективности с турбонаддувом и возвращает мощность. В обоих случаях уравнение перед вами одно и то же - удлиняя расширение относительно сжатия, превратить энергию, которая иначе ушла бы в выхлоп, в полезную работу - и самые эффективные гибридные и турбированные бензиновые двигатели 2026 года всё ещё работают с инженерно созревшими воплощениями этой идеи XIX века.

Источники

• Цикл Аткинсона
• Цикл Миллера
• Аткинсон, Миллер или Отто: Циклы внутреннего сгорания объяснены
• Что такое цикл Аткинсона и каковы его преимущества?
• Двигатели с циклом Миллера
• Почему Toyota использует двигатели с циклом Аткинсона?
• Сравнение характеристик воздушного цикла Аткинсона и цикла Отто
• Разработка и оптимизация двигателя с циклом Аткинсона
• Экспериментальное исследование влияния цикла Миллера
• Этот малоизвестный седан Mazda