Что такое двигатель миллера

Что такое двигатель миллера

Большие оригиналы
Мало кто задумывается о процессах, происходящих в привычном двигателе внутреннего сгорания. В самом деле, кто вспомнит курс физики уровня класса средней школы? Разве что общие моменты запечатлелись в памяти железно: цилиндры, поршни, четыре такта, впуск и выпуск. Неужели за сто с лишним лет ничего не изменилось? Разумеется, это не совсем так. Усовершенствовались поршневые двигатели, появились и принципиально иные способы заставить вал вращаться.

Помимо прочих заслуг, компания «Мазда» (она же Toyo Cogyo Corp) известна как большой почитатель нетрадиционных решений. Имея изрядный опыт разработки и эксплуатации привычных четырехтактных поршневых двигателей, «Мазда» уделяет большое внимание альтернативным решениям, причем речь идет не о каких-то сугубо экспериментальных технологиях, а о продуктах, устанавливаемых в серийные автомобили. Наиболее известны две разработки: поршневой двигатель с циклом Миллера и роторный двигатель Ванкеля, по отношению к которым стоит отметить, что идеи, лежащие в основе этих моторов, родились не в лабораториях «Мазды», но именно этой компании удалось довести до ума оригинальные инновации. Часто бывает, что вся прогрессивность какой-либо технологии сводится на нет дорогостоящим процессом производства, неэффективностью в составе конечного изделия или еще какими-то причинами. В нашем случае звезды сложились в удачную комбинацию и Миллер с Ванкелем получили путевку в жизнь в качестве узлов автомобилей «Мазда».

Цикл сгорания топливовоздушной смеси в четырехтактном двигателе называется циклом Отто. Но немногие автолюбители знают, что существует усовершенстованный вариант этого цикла — цикл Миллера, и именно «Мазде» удалось построить реально работающий мотор в соответствии с положениями цикла Миллера — этим двигателем в 1993 году оснастили автомобили известные также как Millenia и Этот шестицилиндровый двигатель объемом 2,3 литра оказался первым в мире работающим серийным двигателем Миллера. По сравнению с обычными моторами он развивает момент трехлитрового мотора с расходом горючего, как у двухлитрового. Цикл Миллера более эффективно использует энергию горения топливовоздушной смеси, поэтому мощный мотор получается более компактным и эффективным с точки зрения экологических требований.

У маздовского Миллера следующие характеристики: мощность при крутящий момент при — и это было достигнуто в 1993 году при объеме 2,3 литра. За счет чего же это было достигнуто? За счет некоторой непропорциональности тактов. Их длительность различна, поэтому степень сжатия и степень расширения, основные величины, описывающие работу ДВС, оказываются неодинаковыми. Для сравнения, в двигателе Отто продолжительность всех четырех тактов одинакова: впуск, сжатие смеси, рабочий ход поршня, выпуск — и степень сжатия смеси равна степени расширения газов сгорания.

Повышение степени расширения приводит к тому, что поршень способен выполнить большую работу — это существенно повышает КПД двигателя. Но, по логике цикла Отто, степень сжатия также повышается, и здесь существует определенный предел, выше которого сжать смесь невозможно, происходит ее детонация. Напрашивается идеальный вариант: степень расширения увеличить, степень сжатия по возможности снизить, что применительно к циклу Отто невозможно.

«Мазда» сумела побороть это противоречие. В ее двигателе с циклом Миллера понижение степени сжатия достигается путем введения задержки впускного клапана — он остается открытым, а часть смеси возвращается обратно во впускной коллектор. В этом случае сжатие смеси начинается не тогда, когда поршень прошел нижнюю мертвую точку, а в момент, когда им пройдена уже пятая часть пути до верхней мертвой точки. Кроме того, предварительно немного сжатую смесь подает в цилиндр компрессор Лисхолма, некий аналог нагнетателя. Вот так просто преодолевается парадокс: длительность такта сжатия несколько меньше такта расширения, а кроме того, уменьшается температура двигателя и процесс сгорания смести становится намного более чистым.

Еще одна удачная идея «Мазды» — разработка роторно-поршневого двигателя на основе идей, предложенных почти полсотни лет назад инженером Феликсом Ванкелем. Сегодняшние вызывающие восторг спорткары и с характерным «инопланетным» звуком мотора как раз скрывают под капотами роторные двигатели, которые теоретически схожи с обычными поршневыми, но практически — совершенно не от мира сего. Использование роторных двигателей Ванкеля в позволило компании «Мазда» сообщить своему детищу 190 или даже 230 лошадиных сил при объеме двигателя всего лишь 1,3 литра.

При массе и габаритах в два-три раза меньше, чем у поршневого мотора, роторный двигатель способен развить мощность, примерно равную мощности поршневого, вдвое большего по объему. Эдакий чертик в табакерке, который заслуживает самого пристального внимания. За всю историю автомобилестроения лишь две фирмы в мире умудрились создать работоспособные и не слишком дорогие роторы — это «Мазда» и. ВАЗ.

Функции поршня в роторно-поршневом двигателе выполняет ротор с тремя вершинами, с помощью которого давление сгоревших газов преобразуется во вращательное движение вала. Ротор как бы обкатывается вокруг вала, заставляя последний вращаться, причем ротор совершает движение по сложной кривой, именуемой «эпитрохоида». За один оборот вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер, на которую ротор делит неподвижный корпус-статор, происходит полный четырехтактный цикл «впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск».

Интересно, что для этого процесса не требуется газораспределительный механизм, имеются лишь окна впуска и выпуска, которые перекрываются одной из трех вершин ротора. Еще одно неоспоримое преимущество двигателя Ванкеля — гораздо меньшее по сравнению с привычным поршневым мотором количество движущихся частей, что существенно уменьшает вибрацию и мотора, и автомобиля.

Необходимо признать, что сама эффективная сущность такого двигателя вовсе не исключает многих недостатков. Во-первых, это очень высокооборотистые, а значит, и высоконагруженные моторы, которым требуются дополнительные смазка и охлаждение. Например, расход от 500 до 1000 граммов специального минерального масла для Ванкеля — вполне привычное дело, ведь его приходится впрыскивать прямо в камеру сгорания для уменьшения нагрузок (синтетика не подходит из-за повышенной закоксовки отдельных узлов двигателя).

Конструктивый недостаток, пожалуй, единственный: дороговизна производства и ремонта, ведь прецизионные ротор и статор имеют весьма сложную форму, а потому у многих дилеров «Мазды» серьезный гарантийный ремонт таких моторов крайне прост: замена! Трудность еще и в том, что статор должен успешно противостоять температурным деформациям: в отличие от обычного мотора, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе впуска и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а впуск — в другой.

Что такое двигатель миллера

В связи с детонацией температура начала сжатия и соответ­ственно начала сгорания у газовых двигателей значительно силь­нее влияет на мощность, чем у дизелей, поэтому от применения системы Миллера в газовых двигателях, подобно тому как и от применения способа турбодетандерного охлаждения, следует ожидать большего эффекта, чем в дизелях. В работе помимо турбодетандерного охлаждения подробно исследовалось и при­менение способа Миллера в газовых двигателях (с помощью сравни­тельных расчетов рабочих циклов).

На рис. 9.13 показана диаг­рамма газораспределения для выпускного и впускного клапанов; для последнего изображены варианты более раннего закрытия по способу Миллера. Для двигателя с обычным наддувом впускной клапан закрывается через 55° п. к. в. после н. м. т. (? _пер = 235° п. к. в., отсчет от в. м. т. периода газообмена), а для спо­соба Миллера углы закрытия впускного клапана ? = 180, 160, 140 и 120° п. к. в.

На рис. 9.14 показаны графики изменения давления в ци­линдре при принятом равном давлении сжатия (т. е. соответственно более высокое давление наддува при более раннем закрытии впуск­ного клапана) и соответствующего изменения температуры для различных углов закрытия впускного клапана. Зависимость рабочих параметров, рассчитанных для давления наддува р ₂ = 2,3 кгс/см 2 (2,26 бар), к. п. д. турбокомпрессора ? _тк = 0,6 и температуры наддувочного воздуха t _вп = 60° С, от момента закрытия впускного клапана представлена на рис. 9.15.

Из этого рисунка видно, что на границе детонации мощность может быть повышена примерно на 36% (при возрастании р _е от 10,6 до 14,5 бар). При этом максимальное давление сгорания повышается с 84 до 110 бар, потребное давление наддува — с 2,26 до 4,5 бар, температура выпускных газов — примерно на 50° С. Уменьшение расхода теплоты составляет

5%. Результаты названных выше расчетов показывают, что с помощью способа Миллера на газо­вых двигателях можно достичь увеличения мощности на 25—40% в зависимости от давления наддува, температуры наддувочного воздуха за охладителем, к. п. д. турбокомпрессора и др. Согласно этим результатам, применение способа Миллера в газовых дви­гателях более перспективно, чем применение турбодетандерного охлаждения. Кроме того, способ Миллера проще, в особенности при его использовании в газовых двигателях, работающих по циклу Отто с зажиганием от запальной свечи. В отличие от турбо­детандерного охлаждения, в системе Миллера требуется только один турбокомпрессор (если требуемое повышение мощности может быть достигнуто при одноступенчатом наддуве). Еще одним преимуществом его является то, что поскольку воспла­менение в газовых двигателях с принудительным зажиганием не зависит от температуры сжатия и, следовательно, от степени сжатия, то здесь не требуется изменения в ходе эксплуатации угла закрытия впускного клапана, как у дизелей, а этот угол может быть твердо установлен на более раннее закрытие, например 40° п. к. в. до н. м. т.

Способ Миллера практически успешно применяется в газовых двигателях — где с его помощью достигается повышение мощности, которое (в отличие от исполь­зования этого способа в дизелях) достаточно велико по сравне­нию с необходимыми затратами. Отсюда можно заключить, что применение этого способа было бы целесообразно и в двигателях с принудительным зажиганием, работающих на жидких топливах, если бы на этих двигателях применялся наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Следует также отметить бла­гоприятное влияние способа Миллера (при правильном согласо­вании с настроенным турбокомпрессором) на качество выпускных газов.

Hyundai Motor представила новое поколение Elantra. Цикл Аткинсона или все таки Миллера?

Здравствуйте, в студии Егор Васильев.

Я по-прежнему нахожусь в genesis lounge на территории Москва сити где можно ознакомиться с современными технологиями мобильности премиального корейского бренда. Впрочем, к новостям. Hyundai Motor представила новое поколение модели Elantra. С учетом современных реалий, мировой дебют компактного седана состоялся в формате онлайн-трансляции из студии The Lot Studios в Западном Голливуде (Калифорния). Размеры автомобиля увеличились, и впервые в истории модель получила гибридный привод. Салон, получивший компоновку под названием «иммерсивный кокон», напоминает кабину самолета. Место водителя отделено от зоны переднего пассажира. Новинка будет предлагаться с двумя бензиновыми атмосферными двигателями: 1.6 мощностью 123 л.с. и 2.0 мощностью 150 л.с. Любопытно, что силовая установка первой в истории гибридной версии Elantra построена на базе четырехцилиндрового двигателя GDI объемом 1,6-литра, работающего по циклу Аткинсона. Электродвигатель с постоянными магнитами выдает 32 кВт энергии от литий-ионно-полимерной батареи емкостью 1,32 кВт·ч, что обеспечивает суммарную отдачу системы в 139 л.с. при 264 Нм крутящего момента.

А что же такое цикл Аткинсона? Тут мы с вами немного углубимся в историю. Считается, что первый классический четырехтактный двигатель был изобретен немцем Николаусом Отто в 1876. И не только изобретен, но и запатентован. Как оказалось позже это привело к интересным и позитивных событиям в зарождающемся мире моторов. Рабочий процесс мотора Отто описывается очень просто: цикл впуска, когда при движении поршня вниз в цилиндр попадает рабочая смесь. Цикл сжатия при котором поршень двигаясь вверх сжимает ее. Рабочий ход, при котором воспламеняющаяся рабочая смесь толкает поршень вниз и цикл выпуска, при котором отработанные газы выводятся из цилиндра. На все это необходимо два оборота коленчатого вала. Мотор хорошо себя показал, но была одна проблема. Патент не позоволял сторонним производителям выпускать свои ДВС. В результате, через 10-ть лет последовал ответ с туманного Альбиона. Англичанин Джеймс Аткинсон предложил несколько иное решение. За счет использования коленчатого вала с системой двух рычагов он сделал первые два такта работы двигателя короче, тем самым снизив механические потери, а два других остались прежними. Двигатель так и остался четырехтактным. И при более высоком КПД обладал и минусами. Прежде всего это касалось сложности конструкции.

Поэтому, в 1947 уже американская инженерная мысль смогла достойно ответить. Ральф Миллер предложил свое видение мотора с циклом Аткинсона. При этом, как и в моторе Отто ход поршня опять стал одинаковым, но с так называемым «Укороченным сжатием». Фактически это происходит благодаря тому, что впускной клапан закрывается уже после того, как на цикле сжатия поршень пошел вверх. И это существенно снижает механические потери. Правда, такая конструкция не любит работы на высоких оборотах из-за снижения наполняемости цилиндров. Так, что сейчас автопроизводители говоря о цикле Аткинсона у своих гибридных моделей все-таки несколько лукавят, поскольку на самом деле речь идет о решении, предложенном господином Миллером.

Что такое двигатель миллера

Еще со времени появления первого Приуса создавалось впечатление, что Джеймс Аткинсон нравился тойотовцам куда больше, чем Ральф Миллер. И постепенно «цикл Аткинсона» из их пресс-релизов разошелся по всему журналистскому сообществу.

— Toyota официально: «A heat cycle engine proposed by James Atkinson (U.K.) in which compression stroke and expansion stroke duration can be set independently. Subsequent improvement by R. H. Miller (U.S.A.) allowed adjustment of intake valve opening/closing timing to enable a practical system (Miller Cycle).»
— Toyota неофициально и анти-научно: «Miller Cycle engine is an Atkinson Cycle engine with a supercharger».

При этом даже в местной инженерной среде «цикл Миллера» существовал еще с незапамятных времен. Как будет правильнее?

В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон (James Atkinson) предложил идею повышения эффективности поршневого двигателя за счет сокращения хода сжатия и увеличения хода расширения рабочего тела. Практически реализовать это предполагалось сложными механизмами привода поршня (два поршня по схеме «боксер», поршень с кривошипно-кулисным механизмом). Построенные варианты двигателей показали рост механических потерь, переусложнение конструкции, и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому распространения не получили. Известные патенты Аткинсона относились именно к конструкциям, без рассмотрения теории термодинамических циклов.

В 1947 году американский инженер Ральф Миллер (Ralph Miller) вернулся к идее идее сокращенного сжатия и продолженного расширения, предложив реализовать ее не за счет кинематики привода поршня, а подбором фаз газораспределения для двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В патенте Миллер рассматривал два варианта организации рабочего процесса — с ранним (EICV) или поздним (LICV) закрытием впускного клапана. Собственно, оба варианта означают снижение фактической (эффективной) степени сжатия по отношению к геометрической. Понимая, что сокращение сжатия приведет к потере мощности двигателя, Миллер изначально ориентировался на наддувные двигатели, в которых потери наполнения будут компенсированы за счет компрессора. Теоретический цикл Миллера для двигателя с искровым зажиганием полностью соответствует теоретическому циклу двигателя Аткинсона.

По большому счету, цикл Миллера/Аткинсона представляет собой не самостоятельный цикл, а разновидность известных термодинамических циклов Отто и Дизеля. Аткинсон является автором абстрактной идеи двигателя с физически разной величиной ходов сжатия и расширения. Реальную организацию рабочих процессов в реальных двигателях, используемую на практике по сей день, предложил именно Ральф Миллер.

При работе двигателя по циклу Миллера с сокращенным сжатием, впускной клапан закрывается значительно позднее, чем в цикле Отто, из-за чего часть заряда вытесняется обратно во впускной канал, и собственно процесс сжатия начинается уже на второй половине такта. В результате эффективная степень сжатия оказывается ниже геометрической (которая, в свою очередь, равна степени расширения газов на рабочем ходу). За счет уменьшения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается увеличение термического КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.

Можно еще раз отметить ключевые моменты отличия циклов. 1 и 1′ — объем камеры сгорания для двигателя с циклом Миллера меньше, геометрическая степень сжатия и степень расширения выше. 2 и 2′ — газы совершают полезную работу на более длинном рабочем ходу, поэтому меньше остаточные потери на выпуске. 3 и 3′ — разрежение на впуске меньше за счет меньшего дросселирования и обратного вытеснения предыдущего заряда, поэтому ниже насосные потери. 4 и 4′ — закрытие впускного клапана и начало сжатия начинается с середины такта, после обратного вытеснения части заряда.

Разумеется, обратное вытеснение заряда означает падение мощностных показателей двигателя, и для атмосферных двигателей работа по такому циклу имеет смысл только в относительно узком режиме частичных нагрузок. В случае постоянных фаз газораспределения компенсировать это во всем динамическом диапазоне позволяет только применение наддува. На гибридных моделях недостаток тяги в неблагоприятных режимах компенсируется тягой электродвигателя.

В классических двигателях Toyota 90-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается в 35-45° после НМТ (по углу поворота коленчатого вала), степень сжатия составляет 9.5-10.0. В более современных двигателях с VVT возможный диапазон закрытия впускного клапана расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия выросла до 10.0-11.0.

В двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускного клапана приходится на 80-120° . 60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия — 13.0-13.5.

К середине 2010-х появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном цикле, так и по циклу Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускного клапана составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12.5-12.7, у турбоверсий — соответственно, 10-100° и 10.0.