Цикл Аткинсона - Atkinson cycle

Термодинамика
Тепловой двигатель Карно 2.svg

В Двигатель цикла Аткинсона это тип двигатель внутреннего сгорания изобретен Джеймс Аткинсон в 1882 году. Цикл Аткинсона призван обеспечить эффективность за счет удельная мощность.

Современный вариант этого подхода используется в некоторых современных автомобильных двигателях. Хотя первоначально видели исключительно в гибридный электрический такие приложения, как предыдущее поколение Toyota Prius, более поздние гибриды и некоторые негибридные автомобили теперь оснащены двигателями с изменение фаз газораспределения, который может работать в цикле Аткинсона в режиме неполного рабочего дня, обеспечивая хорошую экономию при работе в цикле Аткинсона и обычную удельную мощность при работе в обычном режиме, Цикл Отто двигатель.

Дизайн

Аткинсон произвел три различных конструкции, которые имели короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Первый двигатель цикла Аткинсона, дифференциальный двигатель, использовали оппозитные поршни. Второй и самый известный дизайн был цикл двигателя, в котором использовался центральный рычаг для создания четырех ходов поршня за один оборот коленчатого вала. В Поршневой двигатель имел впуск, компрессию, мощность и выпуск удары из четырехтактный цикл за один оборот коленчатый вал, и был разработан, чтобы избежать нарушения определенных патентов, касающихся Отто-цикл двигатели.[1] Третий и последний двигатель Аткинсона, утилитарный двигатель, работает как любой двухтактный двигатель.

Общей чертой всех конструкций Аткинсона является то, что у двигателей ход расширения длиннее хода сжатия, и с помощью этого метода двигатель достигает большего тепловая эффективность чем традиционный поршневой двигатель. Двигатели Аткинсона были произведены British Gas Engine Company, а также лицензированы для других зарубежных производителей.

Многие современные двигатели теперь используют нетрадиционные фазы газораспределения, чтобы добиться эффекта более короткого хода сжатия / более длительного рабочего хода. Миллер применил этот метод 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. В газовом двигателе Харона (четырехтактном) использовался цикл, аналогичный Миллеру, но без нагнетателя. Его называют «циклом Харона».[3]

Современные конструкторы двигателей осознают потенциальные улучшения топливной эффективности, которые может обеспечить цикл типа Аткинсона.[4]

Аткинсон "Дифференциальный двигатель"

Первая реализация цикла Аткинсона была в 1882 году; в отличие от более поздних версий, он был устроен как оппозитный поршневой двигатель, дифференциальный двигатель Аткинсона.[5][6] В этом случае один коленчатый вал был соединен с двумя противоположными поршнями через шарнирно-рычажный механизм, который имел нелинейность; в течение половины оборота один поршень оставался почти неподвижным, в то время как другой приближался к нему и возвращался, а затем в течение следующего полуоборота упомянутый второй поршень был почти неподвижен, в то время как первый приближался и возвращался.

Таким образом, при каждом обороте один поршень обеспечивает такт сжатия и рабочий ход, а затем другой поршень обеспечивает такт выпуска и ход нагнетания. Поскольку силовой поршень оставался втянутым во время выпуска и зарядки, было практично обеспечить выпуск и зарядку с помощью клапанов за отверстием, которое было закрыто во время такта сжатия и рабочего хода, и поэтому клапаны не должны были сопротивляться высокому давлению и могли быть более простого типа, используемого во многих паровых двигателях, или даже язычковые клапаны.

  • Патентный рисунок "Дифференциальный двигатель" Аткинсона, 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, чтобы производить четыре хода поршня на каждый оборот коленчатого вала. Такты впуска и сжатия были значительно короче тактов расширения и выпуска.

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

  • Газовый двигатель Аткинсона, как показано в патенте США 367496, 1887 г.

  • Анимация "Циклового двигателя" Аткинсона, 1887 г.

Аткинсон "Утилита Двигатель"

Аткинсон Утилита Двигатель
Двигатель Аткинсона Utilite 1892

Третий проект Аткинсона был назван «Утилитовый двигатель».[7] Двигатель «цикла» Аткинсона был эффективен; однако его связь было трудно сбалансировать для работы на высокой скорости. Аткинсон понял, что необходимы улучшения, чтобы сделать его цикл более применимым в качестве высокоскоростного двигателя.

С помощью этой новой конструкции Аткинсон смог устранить связи и создать более традиционный, хорошо сбалансированный двигатель, способный работать со скоростью до 600 об / мин и вырабатывать мощность на каждом обороте, при этом он сохранил всю эффективность своего «Циклического двигателя». «имеющий пропорционально короткий ход сжатия и более длинный ход расширения. Utilite работает так же, как стандартный двухтактный двигатель, за исключением того, что выхлопное 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 выход давления, когда поршень движется мимо выпускного отверстия. Выпускной клапан открывается в нижней части хода; он остается открытым, пока поршень движется обратно в сторону сжатия, позволяя свежему воздуху заряжать цилиндр и выходить из выхлопных газов, пока порт не будет закрыт поршнем.

После того как выхлопное отверстие закрыто, поршень начинает сжимать оставшийся в цилиндре воздух. Небольшой поршневой топливный насос впрыскивает жидкость во время сжатия. Источником воспламенения, вероятно, была горячая труба, как и в других двигателях Аткинсона. Эта конструкция привела к созданию двухтактного двигателя с коротким ходом сжатия и более длинным ходом расширения.

Двигатель Utilite Engine оказался даже более эффективным, чем предыдущие «дифференциальные» и «цикловые» конструкции Аткинсона. Было произведено очень мало, и никто не выжил. Британский патент № 2492 от 1892 г. Патент США на двигатель Utilite не известен.

Идеальный термодинамический цикл

Рисунок 1: Газовый цикл Аткинсона

Идеальный цикл Аткинсона состоит из:

Современные двигатели с циклом Аткинсона

Небольшой двигатель с рычажным механизмом в стиле Аткинсона между поршнем и маховиком. Современные двигатели с циклом Аткинсона покончили с этим сложным энергетическим путем.

В конце 20 века термин «цикл Аткинсона» начал использоваться для описания модифицированного Отто-цикл двигатель - в котором впускной клапан остается открытым дольше, чем обычно, обеспечивая обратный поток всасываемого воздуха во впускной коллектор. Этот «смоделированный» цикл Аткинсона наиболее часто используется в Toyota 1NZ-FXE двигатель с самого начала Prius.

Эффективная степень сжатия снижается - на время, когда воздух свободно выходит из цилиндра, а не сжимается, - но расширение передаточное отношение не изменилось (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 получается в процессе сгорания. Для любой данной порции воздуха более высокая степень расширения преобразует больше энергии из тепла в полезную механическую энергию, что означает, что двигатель более эффективен.

Недостатком четырехтактного двигателя с циклом Аткинсона по сравнению с более распространенным двигателем с циклом Отто является пониженная удельная мощность. Из-за того, что меньшая часть хода сжатия посвящена сжатию всасываемого воздуха, двигатель с циклом Аткинсона не потребляет столько воздуха, как двигатель с циклом Отто аналогичной конструкции и размера. Четырехтактные двигатели этого типа, которые используют тот же тип движения впускного клапана, но с использованием принудительная индукция для компенсации потери плотности мощности известны как Цикл Миллера двигатели.

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Роторный двигатель с циклом Аткинсона

Цикл Аткинсона можно использовать в роторный двигатель. В этой конфигурации может быть достигнуто увеличение как мощности, так и КПД по сравнению с циклом Отто. В этом типе двигателя сохраняется одна фаза мощности на оборот, а также различные объемы сжатия и расширения исходного цикла Аткинсона.

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

К недостаткам этой конструкции относятся требование, чтобы концы ротора очень плотно прилегали к внешней стенке корпуса, а также механические потери, возникающие из-за трения между быстро колеблющимися частями неправильной формы. Видеть внешняя ссылка ниже для получения дополнительной информации.

Транспортные средства с двигателями цикла Аткинсона

Hyundai Ioniq гибридный
2010 Форд Фьюжн Гибрид (Северная Америка)

Хотя модифицированный поршневой двигатель с циклом Отто, использующий цикл Аткинсона, обеспечивает хорошую топливную эффективность, это происходит за счет более низкой мощности на рабочий объем по сравнению с традиционным четырехтактным двигателем.[8] Если потребность в дополнительной мощности является прерывистой, мощность двигателя может быть увеличена за счет электрический двигатель в периоды, когда требуется больше энергии. Это составляет основу цикла Аткинсона. гибридный электрический трансмиссия. 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 была запущена в производство в конце 1997 г. Toyota Prius первого поколения.

По состоянию на июль 2018 г., много продукции трансмиссии гибридных автомобилей используйте концепции цикла Аткинсона - например, в:

Патенты

Патент 1887 г. (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 описывается оппозитный поршень Газовый двигатель.[6] Британский патент на «Утилите» датируется 1892 годом (№ 2492).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б США 367496, Дж. Аткинсон, "Газовый двигатель", выпущенный 1887-08-02 
  2. ^ Патент США 2817322
  3. ^ Донкин, Брайан (1896). Учебник по газовым, масляным и воздушным двигателям: или, Двигатели внутреннего сгорания без котла. C. Griffin and Company, limited. п. 152.
  4. ^ "Auto Tech: двигатели цикла Аткинсона и гибриды". Autos.ca. 2010-07-14. Получено 2013-02-23.
  5. ^ Gingery, Винсент (2000). Создание дифференциального двигателя Аткинсона. Дэвид Дж. Джингери Паблишинг, ООО. ISBN  1878087231.
  6. ^ а б США 336505, Дж. Аткинсон, "Газовый двигатель", выпущенный 16 февраля 1886 г. 
  7. ^ Клерк, Дугальд (1913). Газовый, бензиновый и масляный двигатель, Том 2. Дж. Вили. п. 210.
  8. ^ Хейвуд, Джон Б. Основы двигателя внутреннего сгорания, п. 184-186.
  9. ^ Готье, Майкл (21 января 2013). «Honda Accord Plug-in Hybrid заслужил титул самого экономичного седана в Америке». worldcarfans.com. Получено 2013-01-22.
  10. ^ «Подключаемый модуль Honda Clarity Hybrid 2018». www.honda.ca. Архивировано из оригинал на 2018-01-26. Получено 2018-01-25.
  11. ^ «Honda Insight Hybrid 2018». www.honda.ca. Получено 2018-07-14.
  12. ^ "Lexus IS 2016 - Производительность". США: Lexus. Получено 2016-08-09.
  13. ^ "Outlander PHEV 2019 года". США: Mitsubishi. Получено 2018-02-23.
  14. ^ Эдмундс, Дэн (24 сентября 2010 г.). «Дорожные испытания гибридного автомобиля Toyota Highlander 2011 года». Edmunds.com. Получено 2012-07-04.

внешняя ссылка