Довольно давно, еще в XIX веке, изобретательные самоучки и талантливые инженеры надеялись усовершенствовать существующие двигатели внутреннего сгорания, помочь в развитии техники и, конечно, немного заработать на патентах и авторских правах.
Таким был британец Джеймс Аткинсон, в честь которого и был назван один из вариантов термодинамического цикла, обеспечивающего повышенный КПД обычного четырехтактного двигателя на легком топливе.
Той же теме была посвящена работа Ральфа Миллера, но уже в 1957 г. Хотя, забегая вперед, нужно сказать, что полностью жизнеспособной в практическом использовании, но не столь эффективной, оказалась идея Миллера, а не Аткинсона. Тогда как полноценный выигрыш от замысла дает именно схема британца.
Цикл Аткинсона
Суть его очень простая: британский инженер сконструировал систему, в которой сжатие топливовоздушной смеси происходило поршнем по короткому ходу. А благодаря особой конструкции из кулисы и присоединенного шатуна, расширение происходило по длинному ходу. Условно говоря, при сжатии поршень проходил в цилиндре длину L, а при расширении – 1,5L.
Хорошо известно, что в обычном моторе выхлопные газы, выбрасываемые в выпускной тракт и глушитель, обладают достаточно большой энергией. Давление и температура горячих газов на выходе из камеры сгорания достигает 3-4 Бар и 400-500 градусов Цельсия.
Если бы удалось использовать эту энергию, то КПД бензинового ДВС взлетел бы до 50%. В 1882 году Аткинсону удалось, за счет более длительного и «длинного» расширения газов, существенно повысить эффективность использования тепловой энергии сгоревшего топлива, примерно до 45%.
Цикл Миллера
Американский инженер попытался реализовать первоначальную идею короткий и малозатратный цикл сжатия и длительный цикл расширения с помощью управления фазами открытия-закрытия клапанов.
В распоряжении Ральфа Миллера уже было два очень важных агрегата, это турбонаддув и непосредственный впрыск топлива. Естественно, это существенно упрощало дело, так как позволяло достичь необходимой величины давления в камере сгорания после сжатия гораздо более простыми средствами, чем сложный набор кулис, рычагов и шатунов.
Замысел Миллера состоял в том, чтобы как можно дольше не закрывать впускной клапан. В итоге на этапе сжатия топливовоздушной смеси небольшая ее часть вытеснялась обратно во впускной коллектор.
При расширении сгоревших газов выпускной клапан так же открывался с определенным запаздыванием, давая возможность раскаленному воздуху максимально расшириться и как можно дальше толкать поршень вниз. Соответственно, КПД на цикле Миллера вырос до 40%.
Недостатки цикла Миллера
При всем изяществе схемы с изменяемыми фазами, в реальности это скорее больше рекламный трюк и умение выждать желаемой за действительное. Нет, цикл Миллера действительно способен дать двигателю КПД более 40%. Проблема лишь в том, что для реализации схемы требуется высокоскоростная система управления фазами открывания-закрывания клапанов.
Более того, это должна быть очень точная, почти прецизионная конструкция, работающая, как швейцарские часы. А существующие ныне лучшие, и очень недешевые конструкции с гидравлическим или электрическим управлением фазами, способны обеспечить точное управление фазами впуска-выпуска только на оборотах до 2 тыс. об/мин.
А дальше в процесс вмешивается инерция клапанов, погрешности в работе механики и нестабильность параметров горения топливовоздушной смеси. Поэтому моторы с циклом Миллера работают в очень узком диапазоне оборотов. Сейчас подобные двигатели применяются в мотор-генераторах гибридных авто.
Но хуже всего то, что цикл Миллера можно поддерживать только до определенного уровня износа ЦПГ, Уже после 150 тыс. км. точное управление фазами становится крайне проблематичным, и компьютер «загрубляет» цикл, он становится близким к тому, что реализовано на обычных моторах с циклом Отто.
Проблемы цикла Аткинсона
У схемы британского инженера гораздо меньше «узких» мест. Система была придумана и реализована в то время, когда бензин в камеру сгорания попадал через примитивный распылитель или даже самотеком. Казалось бы, нужно делать механику так как это задумал Джеймс Аткинсон. Не тут то было. Все оказалось гораздо хуже, чем у Миллера.
Хорошо известно, что ресурс мотора в значительной степени зависит от точности изготовления деталей и общей сбалансированности коленвала с шатуном и поршнем. Именно в этой троице заключается все недостатки современных двигателей внутреннего сгорания.
Сбалансировать шатун и «колено» по инерциальным силам очень сложно. И кстати, существенный рост рабочих оборотов приводит к тому, что ресурс мотора стремительно уменьшается, даже несмотря на новые сплавы и масла. Шатуны на высоких оборотах фактически разбивают ЦПГ в хлам. Даже у Мерседесов часто и густо головка шатуна пробивает стенку цилиндра при слишком больших оборотах.
А теперь посмотрите на кинематическую схему, предложенную Аткинсоном. Довести ее баланс до рабочего уровня будет очень сложно и дорого. К тому же, мотор с механической системой Аткинсона будет работать эффективно только на оборотах парового двигателя.
Это значит, что железка размером со стиральную машину будет выдавать максимум 10-15 л.с. Правда, ресурс у нее будет больше миллиона километров пробега, но автопроизводителям это как раз не нужно.
Поэтому современные разработчики строят моторы с совмещенным циклом Аткинсона-Миллера, и удачных конструкций двигателей на сегодня немного. Одна из них была установлена на Тойоте Приус первых выпусков.
Также рекомендую к прочтению:
Рекомендую подписаться на Мой канал в MAX, где вы найдёте ещё больше интересных фактов о советском автопроме, а также обзоры современных авто, сравнение новинок и тест-драйвы в удобном формате!
С уважением, Владимир Воробьёв