Как известно тем автомобилистам, которые честно посещали теоретические занятия в автошколе, обычный бензиновый четырехтактный двигатель работает по рабочему циклу Отто. Те процессы, что происходят при этом в цилиндрах во время впуска горючей смеси, ее сжатия, расширения продуктов воспламенения и выпуска отработавших газов, обычно отражаются на так называемой индикаторной диаграмме. Это зависимость давления в цилиндре от его текущего объема во время всех четырех тактов рабочего процесса. Индикаторная диаграмма цикла Отто приведена на нашем рисунке красным цветом (конечно, несколько схематично).
Как разобраться в этой путанице линий? Поставьте карандаш в самую верхнюю точку диаграммы, активизируйте свое техническое воображение и представьте себе цилиндр двигателя. Сейчас там начало рабочего хода. Поршень дошел до верхней рабочей точки (ВМТ), смесь бензина и воздуха уже сгорела и образовала раскаленные газы. Соответственно, давление подскочило до максимума.
Что происходит дальше? Газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Проследуем за ним и поведем карандаш вправо и вниз — это увеличивается объем над поршнем и одновременно падает давление газов. Кривая уткнулась вправо и резко скакнула вниз — поршень пришел в нижнюю мертвую точку (НМТ), закончился рабочий ход и открылся выпускной клапан, выпуская на волю отработавшие газы.
У них, правда, осталось кое-какое остаточное давление, но мы использовать его, увы, не можем — это потери выпуска, которые только создают лишний рык в глушителе.
Теперь ведем карандаш горизонтально влево — это поршень идет вверх, вытесняя отработавшие газы. Дошли до упора, скакнули вниз — это в ВМТ закрылся выпускной клапан (не будем морочить друг другу голову перекрытием клапанов) и открылся впускной, сообщая цилиндр с впускным коллектором. Идем горизонтально вправо — это такт впуска, поршень перемещается вниз и всасывает свежую горючую смесь. Причем если педаль газа сейчас не нажата до упора, то дроссельная заслонка прикрыта и создает сопротивление на впуске, заставляя двигатель тратить энергию на так называемые насосные потери.
Дошли вправо до НМТ — закрылся впускной клапан. Отправились влево и вверх на такт сжатия, при котором увеличивается давление в надпоршневом объеме. Дошли до ВМТ, между электродами свечи проскочила искра. Вспышка! Кривая вместе с давлением в камере сгорания резко подпрыгивает вверх, и... мы оказываемся в той точке начала рабочего хода, откуда и начинали свое путешествие по индикаторной диаграмме. Все. Круг, то есть цикл Отто, замкнулся.
Так работают все четырехтактные двигатели. Но многие пытались и пытаются усовершенствовать их рабочий процесс. Британский инженер Джеймс Аткинсон еще до войны придумал свой цикл, который немного отличается от цикла Отто — его индикаторная диаграмма отмечена зеленым цветом. В чем же отличие?
Во-первых, объем камеры сгорания такого мотора (при том же рабочем объеме) меньше, и соответственно, выше степень сжатия. Поэтому самая верхняя точка на индикаторной диаграмме располагается левее, в области меньшего надпоршневого объема. И степень расширения (то же самое, что и степень сжатия, только наоборот) тоже больше — а значит, мы эффективнее, на большем ходе поршня используем энергию отработавших газов и имеем меньшие потери выпуска (это отражено меньшей ступенькой справа).
Дальше все то же самое — идут такты выпуска и впуска. Почему линия впуска проходит выше, то есть при меньшем разрежении во впускном коллекторе, мы объясним позже.
Теперь, если бы все происходило в соответствии с циклом Отто и впускной клапан закрылся бы в НМТ (еще раз повторим, что рассматриваем вещи упрощенно), то кривая сжатия прошла бы вверху, и давление в конце такта оказалось бы чрезмерным — ведь степень сжатия у нас больше! После искры последовала бы не вспышка смеси, а детонационный взрыв — и двигатель, не проработав и часа, почил бы в бозе.
Но не таков был британский инженер Джеймс Аткинсон! Он решил продлить фазу впуска — поршень доходит до НМТ и идет вверх, а впускной клапан меж тем остается открытым примерно до половины полного хода поршня. Часть свежей горючей смеси при этом выталкивается обратно во впускной коллектор, что повышает там давление — вернее, уменьшает разрежение. Это позволяет на малых и средних нагрузках больше открывать дроссельную заслонку. Вот почему линия впуска на диаграмме цикла Аткинсона проходит выше, и насосные потери двигателя оказываются ниже, чем в цикле Отто.
Так что такт сжатия, когда закрывается впускной клапан, начинается при меньшем надпоршневом объеме, что и иллюстрирует зеленая линия сжатия, начинающаяся с половины нижней горизонтальной линии впуска.
Казалось бы, чего проще: сделай повыше степень сжатия, измени профиль впускных кулачков, и дело в шляпе — двигатель с циклом Аткинсона готов! Но дело в том, что для достижения хороших динамических показателей во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя надо компенсировать выталкивание горючей смеси во время продленного впускного цикла, применяя наддув, в данном случае — механический нагнетатель. А его привод отбирает у мотора львиную долю той энергии, что удается отыграть на насосных и выпускных потерях. Применение цикла Аткинсона на безнаддувном двигателе гибрида Toyota Prius стало возможным благодаря тому, что он работает в облегченном режиме.
Кстати, сразу после второй мировой войны американец Ральф Миллер, экспериментируя с судовыми двигателями с впрыском природного газа, видоизменил цикл Аткинсона, закрывая впускной клапан не позже, а раньше НМТ — при этом тоже снижались насосные потери. Но эффективность цикла Миллера оказалась ниже, и какого-либо применения на автомобильных моторах он не получил. А двигатель Miller Cycle автомобиля Mazda Xedos 9 на самом деле работает по циклу Аткинсона и снабжен спиральным механическим нагнетателем типа Lysholm.
Кстати, при работе по этим циклам благодаря тому, что степень расширения оказывается выше, чем степень сжатия, еще и снижается термонагруженность двигателя. Поэтому циклы Миллера и Аткинсона называют циклами с высокой степенью расширения или циклами с внутренним охлаждением.
Работа SOHC iVTEC на R18A. Динамика разгона.
Ответить с цитированием
Сообщение от A.S.
