เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในรถยนต์ ลักษณะเฉพาะ กำลัง การตอบสนองของลิ้นปีกผีเสื้อ และความประหยัด เป็นตัวกำหนดว่าผู้ขับขี่จะรู้สึกสบายเพียงใดเมื่ออยู่หลังพวงมาลัย แม้ว่ารถยนต์จะได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ "รก" ด้วยระบบนำทาง อุปกรณ์ทันสมัย มัลติมีเดีย และอื่นๆ มอเตอร์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในทางปฏิบัติ อย่างน้อยหลักการทำงานของมันก็ไม่เปลี่ยนแปลง
วัฏจักรอ็อตโตแอตกินสันที่เป็นรากฐาน เครื่องยนต์สันดาปภายในรถยนต์ ได้รับการพัฒนาเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 และตั้งแต่นั้นมาก็แทบจะไม่มี การเปลี่ยนแปลงระดับโลก . เฉพาะในปี พ.ศ. 2490 ราล์ฟ มิลเลอร์สามารถปรับปรุงการพัฒนาของรุ่นก่อนๆ ได้ โดยใช้รูปแบบการสร้างเครื่องยนต์แต่ละรุ่นให้เกิดประโยชน์สูงสุด แต่เพื่อที่จะ ในแง่ทั่วไป เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของหน่วยพลังงานสมัยใหม่คุณต้องดูประวัติศาสตร์เล็กน้อย
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ Otto เครื่องยนต์แรกสำหรับรถยนต์ซึ่งสามารถทำงานได้ตามปกติไม่เพียงแค่ในทางทฤษฎีเท่านั้น ได้รับการพัฒนาโดยชาวฝรั่งเศส อี. เลอนัวร์ ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2403 เป็นรุ่นแรกที่มีกลไกข้อเหวี่ยง หน่วยวิ่งด้วยแก๊สใช้บนเรือค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) ไม่เกิน 4.65% ต่อมา Lenoir ร่วมมือกับ Nikolaus Otto โดยร่วมมือกับนักออกแบบชาวเยอรมันในปี 1863 ได้สร้างเครื่องยนต์สันดาปภายใน 2 จังหวะที่มีประสิทธิภาพ 15%
หลักการ เครื่องยนต์สี่จังหวะ ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย N. A. Otto ในปี พ.ศ. 2419 โดยเป็นนักออกแบบที่เรียนรู้ด้วยตนเองซึ่งถือเป็นผู้สร้างยานยนต์คันแรกสำหรับรถยนต์ เครื่องยนต์มี ระบบแก๊ส แหล่งจ่ายไฟนักออกแบบชาวรัสเซีย O. S. Kostovich ถือเป็นผู้ประดิษฐ์เครื่องยนต์สันดาปภายในของคาร์บูเรเตอร์ตัวแรกของโลกที่ใช้น้ำมันเบนซิน
งานของวัฏจักรอ็อตโตถูกนำไปใช้กับหลาย ๆ คน เครื่องยนต์ที่ทันสมัย มีทั้งหมดสี่รอบ:
ทางเข้า (เมื่อเปิดวาล์วทางเข้าช่องว่างทรงกระบอกจะเต็มไปด้วยส่วนผสมของเชื้อเพลิง);
การบีบอัด (วาล์วแน่น (ปิด) ส่วนผสมถูกบีบอัดเมื่อสิ้นสุดกระบวนการนี้หัวเทียนจะจุดระเบิด)
จังหวะการทำงาน (เนื่องจากอุณหภูมิสูงและแรงดันสูงลูกสูบจะวิ่งลงทำให้ก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยงเคลื่อนที่)
ปล่อย (ที่จุดเริ่มต้นของแถบนี้เปิดขึ้น วาล์วไอเสีย เพลาข้อเหวี่ยงยังคงหมุนต่อไปอันเป็นผลมาจากการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล โดยยกก้านสูบโดยยกลูกสูบขึ้น) เพื่อหลีกทางให้ไอเสีย
จังหวะทั้งหมดจะวนเป็นวงกลม และมู่เล่ซึ่งเก็บพลังงานจะช่วยในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง
เมื่อเทียบกับรุ่นสองจังหวะ วงจรสี่จังหวะดูเหมือนจะสมบูรณ์แบบกว่า ประสิทธิภาพ เครื่องยนต์เบนซิน แม้แต่ใน กรณีที่ดีที่สุด ไม่เกิน 25% และดีเซลมีประสิทธิภาพสูงสุดที่นี่สามารถเพิ่มขึ้นได้มากถึง 50%
วัฏจักรอุณหพลศาสตร์แอตกินสัน James Atkinson วิศวกรชาวอังกฤษที่ตัดสินใจปรับปรุงสิ่งประดิษฐ์ของ Otto ให้ทันสมัย ได้เสนอเวอร์ชันของเขาเองในการปรับปรุงรอบที่สาม (จังหวะการทำงาน) ในปี 1882 ผู้ออกแบบตั้งเป้าหมายที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และลดกระบวนการอัด เพื่อให้เครื่องยนต์สันดาปภายในประหยัดมากขึ้น มีเสียงดังน้อยลง และความแตกต่างในรูปแบบการก่อสร้างคือการเปลี่ยนการขับเคลื่อนของกลไกข้อเหวี่ยง (KShM) และ เพื่อผ่านรอบการทำงานทั้งหมดในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงครั้งเดียว
แม้ว่าแอตกินสันจะสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของมอเตอร์ของเขาให้สัมพันธ์กับการประดิษฐ์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรแล้วของอ็อตโต แต่โครงการนี้ไม่ได้นำไปปฏิบัติจริง แต่กลไกกลับกลายเป็นว่าซับซ้อนเกินไป แต่แอตกินสันเป็นนักออกแบบคนแรกที่เสนอการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีอัตราส่วนการอัดที่ลดลง และนักประดิษฐ์ Ralph Miller ได้นำหลักการของวัฏจักรอุณหพลศาสตร์นี้มาพิจารณาด้วย
แนวคิดในการลดขั้นตอนการบีบอัดและการบริโภคที่อิ่มตัวมากขึ้นไม่ได้ถูกลืมเลือน American R. Miller กลับมาในปี 2490 แต่คราวนี้ วิศวกรเสนอให้ดำเนินการตามแผนโดยไม่ทำให้ KShM ซับซ้อน แต่โดยการเปลี่ยนจังหวะเวลาของวาล์ว พิจารณาสองรุ่น:
จังหวะล่าช้าของวาล์วไอดี (LICV หรือการบีบอัดแบบสั้น);
จังหวะการปิดวาล์วช่วงต้น (EICV หรือไอดีสั้น)
เมื่อปิดวาล์วไอดีช้า การบีบอัดจะลดลงเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ Otto เนื่องจากส่วนใด ส่วนผสมเชื้อเพลิง กลับเข้าสู่ทางเข้า วิธีแก้ปัญหาที่สร้างสรรค์ดังกล่าวให้:
การบีบอัดทางเรขาคณิตที่ "นุ่มนวล" มากขึ้นของส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศ
ประหยัดน้ำมันมากขึ้นโดยเฉพาะที่ความเร็วต่ำ
การระเบิดน้อยลง
ระดับเสียงต่ำ
ข้อเสียของโครงการนี้รวมถึงการลดกำลังไฟฟ้าลงโดย ความเร็วสูง เนื่องจากกระบวนการบีบอัดสั้นลง แต่เนื่องจากการเติมกระบอกสูบให้สมบูรณ์มากขึ้น ประสิทธิภาพจึงเพิ่มขึ้น รอบต่ำ และอัตราส่วนการบีบอัดทางเรขาคณิตเพิ่มขึ้น (ลดลงจริง) การแสดงภาพกราฟิกของกระบวนการเหล่านี้สามารถดูได้ในรูปที่มีไดอะแกรมเงื่อนไขด้านล่าง
เครื่องยนต์ที่ทำงานตามโครงการ Miller จะสูญเสียพลังงานให้กับ Otto ด้วยความเร็วสูง แต่ในสภาพการทำงานในเมืองนั้นไม่สำคัญ แต่มอเตอร์ดังกล่าวประหยัดกว่า จุดระเบิดน้อยกว่า วิ่งเบากว่าและเงียบกว่า
เครื่องยนต์ Miller Cycle ใน Mazda Xedos (2.3L) กลไกการทับซ้อนกันของวาล์วแบบพิเศษช่วยเพิ่มอัตราการบีบอัด (C3) หากในรุ่นมาตรฐานเช่นเท่ากับ 11 จากนั้นในเครื่องยนต์บีบอัดแบบสั้นตัวเลขนี้ภายใต้สภาวะที่เหมือนกันทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นเป็น 14 สำหรับรถ 6 สูบ ICE 2.3 L Mazda Xedos (ตระกูล Skyactiv) ตามทฤษฎีแล้วจะมีลักษณะดังนี้: วาล์วทางเข้า (VK) จะเปิดขึ้นเมื่อลูกสูบอยู่ที่จุดศูนย์กลางตายบน (ย่อมาจาก TDC) ไม่ได้ปิดที่จุดต่ำสุด ( BDC) และหลังจากนั้น ยังคงเปิดอยู่ 70º ในกรณีนี้ ส่วนหนึ่งของส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะถูกผลักกลับเข้าไปในท่อร่วมไอดี การบีบอัดจะเริ่มขึ้นหลังจาก VC ปิด เมื่อลูกสูบกลับสู่ TDC:
ปริมาตรในกระบอกสูบลดลง
ความดันเพิ่มขึ้น
การจุดไฟจากเทียนจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง ขึ้นอยู่กับโหลดและจำนวนรอบ (ระบบการจุดระเบิดล่วงหน้าทำงาน)
จากนั้นลูกสูบจะลดลง การขยายตัวเกิดขึ้น ในขณะที่การถ่ายเทความร้อนไปยังผนังกระบอกสูบไม่สูงเท่ากับแบบอ็อตโตเนื่องจากการอัดที่สั้น เมื่อลูกสูบถึง BDC ก๊าซจะถูกปล่อยออกมา จากนั้นการกระทำทั้งหมดจะถูกทำซ้ำอีกครั้ง
การกำหนดค่าท่อร่วมไอดีพิเศษ (กว้างและสั้นกว่าปกติ) และมุมเปิด EC 70 องศาที่ 14: 1 CW ทำให้สามารถตั้งค่าการจุดระเบิดล่วงหน้า8ºเป็น ไม่ทำงาน โดยไม่มีการระเบิดใด ๆ ที่เห็นได้ชัดเจน นอกจากนี้ โครงร่างนี้ยังให้เปอร์เซ็นต์ของประโยชน์ที่มากขึ้น งานเครื่องกล หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งช่วยให้คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ ปรากฎว่างานที่คำนวณโดยสูตร A \u003d P dV (P คือความดัน dV คือการเปลี่ยนแปลงปริมาตร) ไม่ได้มุ่งเป้าไปที่การให้ความร้อนแก่ผนังของกระบอกสูบหัวบล็อก แต่ใช้เพื่อทำให้จังหวะการทำงานสมบูรณ์ แผนผังกระบวนการทั้งหมดสามารถเห็นได้ในรูปที่จุดเริ่มต้นของวัฏจักร (BDC) ถูกระบุด้วยหมายเลข 1 กระบวนการบีบอัด - ไปยังจุดที่ 2 (TDC) จาก 2 ถึง 3 - การจ่ายความร้อนด้วยลูกสูบนิ่ง . เมื่อลูกสูบเปลี่ยนจากจุดที่ 3 เป็น 4 จะเกิดการขยายตัว งานที่เสร็จแล้วระบุด้วยพื้นที่แรเงาที่
นอกจากนี้ แผนภาพทั้งหมดสามารถดูได้ในพิกัด T S โดยที่ T หมายถึงอุณหภูมิ และ S คือเอนโทรปี ซึ่งเพิ่มขึ้นตามการจ่ายความร้อนให้กับสาร และในการวิเคราะห์ของเรา นี่คือค่าตามเงื่อนไข การกำหนด Q p และ Q 0 - ปริมาณความร้อนขาเข้าและขาออก
ข้อเสียของซีรีย์ Skyactiv คือ เมื่อเทียบกับ Otto แบบคลาสสิก เครื่องยนต์เหล่านี้มีกำลังเฉพาะ (จริง) น้อยกว่า สำหรับเครื่องยนต์ 2.3 ลิตร 6 สูบ จะมีกำลังเพียง 211 แรงม้า และเมื่อพิจารณาถึงเทอร์โบชาร์จเจอร์และ 5300 รอบต่อนาที แต่มอเตอร์มีข้อดีที่เป็นรูปธรรม:
อัตราการบีบอัดสูง
ความสามารถในการติดตั้ง การจุดระเบิดในช่วงต้น , ในขณะที่ไม่ได้รับการระเบิด;
รับรองการเร่งความเร็วที่รวดเร็วจากการหยุดนิ่ง
ปัจจัยที่มีประสิทธิภาพสูง
และข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์ Miller Cycle จาก ผู้ผลิต Mazda – การบริโภคที่ประหยัด เชื้อเพลิงโดยเฉพาะที่โหลดต่ำและรอบเดินเบา
เครื่องยนต์โตโยต้าแอตกินสัน แม้ว่าวัฏจักรแอตกินสันจะไม่พบการใช้งานจริงในศตวรรษที่ 19 แต่แนวคิดของเครื่องยนต์ก็รับรู้ในหน่วยกำลังของศตวรรษที่ 21 มอเตอร์ดังกล่าวได้รับการติดตั้งในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลแบบไฮบริดของโตโยต้าบางรุ่นซึ่งทำงานพร้อมกันและเปิดอยู่ น้ำมันเบนซิน และไฟฟ้า. ควรชี้แจงว่าทฤษฎีแอตกินสันไม่เคยใช้ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ แต่การพัฒนาใหม่ของวิศวกรโตโยต้าสามารถเรียกได้ว่า ICE ที่ออกแบบตามวัฏจักร Atkinson / Miller เนื่องจากใช้กลไกข้อเหวี่ยงมาตรฐาน การลดรอบการอัดทำได้โดยการเปลี่ยนระยะการจ่ายก๊าซ ในขณะที่รอบการชักจะยาวขึ้น พบมอเตอร์ที่ใช้รูปแบบที่คล้ายกันในรถยนต์โตโยต้า:
พรีอุส;
ยาริส;
ออริส;
ชาวเขา;
เล็กซัส GS 450h;
เล็กซัส CT 200h;
เล็กซัส HS 250h;
วิตซ์
ช่วงของเครื่องยนต์ที่มีรูปแบบ Atkinson / Miller ที่นำมาใช้นั้นได้รับการเติมเต็มอย่างต่อเนื่องดังนั้นเมื่อต้นปี 2560 ความกังวลของญี่ปุ่นจึงได้เปิดตัวการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่สูบ 1.5 ลิตรที่ใช้น้ำมันเบนซินออกเทนสูง 111 แรงม้า ด้วยอัตราส่วนกำลังอัดในกระบอกสูบ 13.5: หนึ่ง เครื่องยนต์ติดตั้งตัวเปลี่ยนเฟส VVT-IE ที่สามารถสลับโหมด Otto / Atkinson ขึ้นอยู่กับความเร็วและโหลด ด้วยหน่วยกำลังนี้ รถสามารถเร่งความเร็วได้ถึง 100 กม. / ชม. ใน 11 วินาที เครื่องยนต์ประหยัดประสิทธิภาพสูง (สูงถึง 38.5%) ให้อัตราเร่งที่ยอดเยี่ยม
วงจรดีเซล
ครั้งแรก เครื่องยนต์ดีเซล ได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นโดยนักประดิษฐ์และวิศวกรชาวเยอรมัน รูดอล์ฟ ดีเซล ในปี พ.ศ. 2440 หน่วยกำลังมีขนาดใหญ่ ยิ่งกว่าเครื่องยนต์ไอน้ำในสมัยนั้น เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ Otto มันเป็นเครื่องยนต์สี่จังหวะ แต่โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ความสะดวกในการใช้งาน และอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นสูงกว่าหน่วยกำลังของน้ำมันเบนซินอย่างมาก เครื่องยนต์ดีเซลเครื่องแรกของปลายศตวรรษที่ 19 ใช้ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเบาและน้ำมันพืช และยังมีความพยายามที่จะใช้ฝุ่นถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงอีกด้วย แต่การทดสอบล้มเหลวเกือบจะในทันที:
เป็นปัญหาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายฝุ่นไปยังกระบอกสูบ
มีคุณสมบัติในการเสียดสีถ่านหินอย่างรวดเร็วทำให้กลุ่มกระบอกสูบลูกสูบสึกหรอ
ที่น่าสนใจนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ Herbert Aykroyd Stuart ได้รับการจดสิทธิบัตร เครื่องยนต์ที่คล้ายกัน เร็วกว่ารูดอล์ฟ ดีเซลสองปี แต่ดีเซลสามารถออกแบบโมเดลด้วยแรงดันกระบอกสูบที่เพิ่มขึ้นได้ ในทางทฤษฎี โมเดลสจ๊วตมีประสิทธิภาพเชิงความร้อน 12% ในขณะที่ตามแผนดีเซล ประสิทธิภาพถึง 50%
ในปี 1898 Gustav Trinkler ได้ออกแบบเครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมัน ความดันสูง โดยติดตั้งพรีแชมเบอร์ โมเดลนี้เป็นต้นแบบโดยตรงของเครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซลสมัยใหม่
เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่สำหรับรถยนต์ เช่นเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินในวงจร Otto และเครื่องยนต์ดีเซล แผนภูมิวงจรรวม การก่อสร้างไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความทันสมัย เครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซล "รก" พร้อมโหนดเพิ่มเติม: เทอร์โบชาร์จเจอร์ ระบบอิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง, อินเตอร์คูลเลอร์, เซ็นเซอร์ต่างๆ และอื่นๆ ล่าสุดพัฒนาและเปิดตัวเป็นซีรีส์บ่อยขึ้นเรื่อยๆ หน่วยพลังงาน กับทางตรง การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง "คอมมอนเรล" ให้ไอเสียที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมตามข้อกำหนดที่ทันสมัย แรงดันฉีดสูง ดีเซลกับ ฉีดตรง มีข้อได้เปรียบที่เป็นรูปธรรมมากกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้ระบบเชื้อเพลิงทั่วไป:
ประหยัดเชื้อเพลิง
มีพลังมากขึ้นในระดับเสียงเดียวกัน
ทำงานกับระดับเสียงต่ำ
ช่วยให้รถเร่งความเร็วได้เร็วยิ่งขึ้น
ข้อเสียของเครื่องยนต์ คอมมอนเรล : ค่อนข้างซับซ้อน ความจำเป็นในการซ่อมแซมและบำรุงรักษาเพื่อใช้อุปกรณ์พิเศษ ความเข้มงวดในคุณภาพของน้ำมันดีเซล ค่อนข้าง ราคาสูง . เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซิน เครื่องยนต์ดีเซลได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและซับซ้อนมากขึ้น
วิดีโอ: วัฏจักรของ OTTO, Atkinson และ Miller ต่างกันอย่างไร: สไลด์2
คลาสสิค ICE
เครื่องยนต์สี่จังหวะแบบคลาสสิกถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1876 โดยวิศวกรชาวเยอรมันชื่อ Nikolaus Otto วัฏจักรการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) นั้นเรียบง่าย: ไอดี, การบีบอัด, จังหวะกำลัง, ไอเสีย
สไลด์ 3
แผนภาพตัวบ่งชี้ของวัฏจักรอ็อตโตและแอตกินสัน
สไลด์ 4
วงจรแอตกินสัน
วิศวกรชาวอังกฤษ James Atkinson ก่อนที่สงครามจะเกิดขึ้นกับวงจรของเขาซึ่งแตกต่างจากวงจร Otto เล็กน้อย - แผนภาพตัวบ่งชี้ถูกทำเครื่องหมาย สีเขียว . อะไรคือความแตกต่าง? ประการแรก ปริมาตรของห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดังกล่าว (ที่มีปริมาตรการทำงานเท่ากัน) จะเล็กลง และด้วยเหตุนี้ อัตราส่วนการอัดจึงสูงขึ้น ดังนั้นจุดสูงสุดบนไดอะแกรมตัวบ่งชี้จึงอยู่ทางด้านซ้ายในพื้นที่ที่มีปริมาตรเกินลูกสูบที่เล็กกว่า และอัตราส่วนการขยายตัว (เช่นเดียวกับอัตราส่วนการอัด แต่ในทางกลับกัน) ก็มีขนาดใหญ่ขึ้นเช่นกัน ซึ่งหมายความว่าเรามีประสิทธิภาพมากขึ้น เราใช้พลังงานก๊าซไอเสียในจังหวะลูกสูบที่ใหญ่ขึ้นและมีการสูญเสียไอเสียที่ต่ำกว่า (ซึ่งสะท้อนด้วยขนาดที่เล็กกว่า ก้าวไปทางขวา) จากนั้นทุกอย่างก็เหมือนเดิม - รอบไอเสียและไอดีจะไป
สไลด์ 5
ทีนี้ ถ้าทุกอย่างเกิดขึ้นตามวงจร Otto และวาล์วไอดีปิดที่ BDC เส้นโค้งการอัดก็จะสูงขึ้น และความดันที่ปลายรอบจะมากเกินไป - เพราะอัตราส่วนการอัดจะสูงกว่าที่นี่! หลังจากเกิดประกายไฟ ส่วนผสมจะไม่เกิดวูบวาบตามมา แต่จะเกิดการระเบิด - และเครื่องยนต์ที่ไม่ได้ทำงานเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงก็จะเสียชีวิตจากการระเบิด แต่วิศวกรชาวอังกฤษ เจมส์ แอตกินสัน ไม่ใช่คนแบบนั้น! เขาตัดสินใจที่จะขยายเฟสไอดี - ลูกสูบไปถึง BDC และขึ้นไปในขณะที่วาล์วไอดียังคงเปิดอยู่ประมาณครึ่งหนึ่ง ความเร็วเต็มที่ ลูกสูบ. ในเวลาเดียวกัน ส่วนหนึ่งของส่วนผสมที่ติดไฟได้ใหม่จะถูกผลักกลับเข้าไปในท่อร่วมไอดี ซึ่งจะเพิ่มแรงดันที่นั่น หรือจะลดสูญญากาศลง สิ่งนี้ช่วยให้คุณเปิดคันเร่งได้มากขึ้นที่โหลดต่ำและปานกลาง นี่คือสาเหตุที่ท่อไอดีในแผนภาพวงจร Atkinson สูงขึ้น และการสูญเสียการสูบน้ำของเครื่องยนต์ต่ำกว่าในวงจร Otto
สไลด์ 6
วัฏจักรแอตกินสัน
ดังนั้นจังหวะการอัด เมื่อวาล์วไอดีปิดลง จะเริ่มที่ปริมาตรเกินลูกสูบที่ต่ำกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นโดยเส้นบีบอัดสีเขียวซึ่งเริ่มต้นที่ครึ่งหนึ่งของท่อไอดีแนวนอนด้านล่าง ดูเหมือนว่าจะง่ายกว่า: ในการเพิ่มอัตราส่วนการอัด เปลี่ยนโปรไฟล์ของกล้องไอดี และเคล็ดลับอยู่ในกระเป๋า - เครื่องยนต์วงจร Atkinson พร้อมแล้ว! แต่ความจริงก็คือเพื่อให้บรรลุความดี ตัวชี้วัดแบบไดนามิก ตลอดช่วงความเร็วรอบการทำงานทั้งหมดของเครื่องยนต์ จำเป็นต้องชดเชยการขับของผสมที่ติดไฟได้ในระหว่างรอบการบริโภคที่ขยายออกโดยใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ในกรณีนี้คือซุปเปอร์ชาร์จเจอร์แบบกลไก และแรงขับของมันนำเอาส่วนแบ่งพลังงานของสิงโตออกจากมอเตอร์ ซึ่งสามารถคืนกลับมาได้จากการสูบฉีดและการสูญเสียไอเสีย การประยุกต์ใช้วงจร Atkinson กับเครื่องยนต์ไฮบริดของ Toyota Prius ที่ดูดอากาศตามธรรมชาตินั้นเป็นไปได้ด้วยการทำงานแบบเบา
สไลด์ 7
วัฏจักรของมิลเลอร์
วัฏจักรมิลเลอร์เป็นวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ที่ใช้ใน เครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ . วงจรของ Miller ถูกเสนอในปี 1947 โดยวิศวกรชาวอเมริกัน Ralph Miller เพื่อรวมข้อดีของเครื่องยนต์ Antkinson เข้ากับกลไกลูกสูบที่ง่ายกว่าของเครื่องยนต์ Otto
สไลด์ 8
แทนที่จะทำให้จังหวะการอัดทางกลไกสั้นกว่าจังหวะกำลัง (เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ Atkinson แบบคลาสสิกที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเร็วกว่าทางด้านล่าง) มิลเลอร์ได้เสนอแนวคิดที่จะลดจังหวะการอัดให้สั้นลงด้วยค่าใช้จ่ายของจังหวะไอดี ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงได้เท่าเดิม ความเร็ว (เหมือนในเครื่องยนต์ Otto สุดคลาสสิก)
สไลด์ 9
ในการทำเช่นนี้ มิลเลอร์เสนอวิธีที่แตกต่างกันสองวิธี: ปิดวาล์วไอดีเร็วกว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะไอดี (หรือเปิดช้ากว่าจุดเริ่มต้นของจังหวะนี้) ปิดวาล์วช้ากว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะนี้มาก
สไลด์ 10
วิธีแรกสำหรับเครื่องยนต์ตามอัตภาพเรียกว่า "การบริโภคที่สั้นลง" และวิธีที่สอง - "การบีบอัดที่สั้นลง" ทั้งสองวิธีบรรลุสิ่งเดียวกัน: ลดอัตราส่วนการอัดจริง ส่วนผสมการทำงาน ค่อนข้างเรขาคณิตในขณะที่รักษาอัตราส่วนการขยายตัวเท่าเดิม (นั่นคือจังหวะจังหวะยังคงเหมือนเดิมในเครื่องยนต์ Otto และจังหวะการอัดดูเหมือนว่าจะลดลง - เหมือนของ Atkinson เพียงลดลงทันเวลา แต่ในอัตราส่วนการอัด ของส่วนผสม)
สไลด์ 11
แนวทางที่สองของมิลเลอร์
แนวทางนี้ค่อนข้างได้เปรียบมากกว่าในแง่ของการสูญเสียแรงอัด ดังนั้นจึงเป็นแนวทางนี้ที่นำไปปฏิบัติจริงในรถยนต์ที่ผลิตเป็นจำนวนมาก เครื่องยนต์มาสด้า มิลเลอร์ ไซเคิล. ในเครื่องยนต์ดังกล่าว วาล์วไอดีจะไม่ปิดที่ส่วนท้ายของจังหวะไอดี แต่ยังคงเปิดอยู่ในช่วงแรกของจังหวะการอัด แม้ว่าปริมาตรทั้งหมดของกระบอกสูบจะเต็มไปด้วยส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงในจังหวะการดูด ส่วนผสมบางส่วนจะถูกบังคับกลับเข้าไปในท่อร่วมไอดีผ่านวาล์วไอดีที่เปิดอยู่เมื่อลูกสูบเคลื่อนขึ้นในจังหวะการอัด
สไลด์ 12
การบีบอัดของส่วนผสมจะเริ่มขึ้นจริงๆ ในภายหลัง เมื่อวาล์วไอดีปิดลงในที่สุดและส่วนผสมจะติดอยู่ในกระบอกสูบ ดังนั้น ส่วนผสมในเครื่องยนต์ Miller จึงบีบอัดน้อยกว่าที่ควรในเครื่องยนต์ Otto ที่มีรูปทรงทางกลเหมือนกัน สิ่งนี้ช่วยให้คุณเพิ่มอัตราส่วนการอัดทางเรขาคณิต (และตามอัตราส่วนการขยายตัว!) เหนือขีด จำกัด ที่กำหนดโดยคุณสมบัติการระเบิดของเชื้อเพลิง - นำการบีบอัดจริงไปสู่ค่าที่ยอมรับได้เนื่องจาก "การทำให้สั้นลงของ รอบการบีบอัด” ที่อธิบายข้างต้น สไลด์ 15
บทสรุป
หากคุณมองอย่างใกล้ชิดที่วัฏจักร - ทั้ง Atkinson และ Miller คุณจะสังเกตเห็นว่าในทั้งสองมีมาตรการที่ห้าเพิ่มเติม มันมีลักษณะเฉพาะของตัวเองและในความเป็นจริงแล้วไม่ใช่จังหวะไอดีหรือจังหวะการอัด แต่เป็นจังหวะอิสระระดับกลางระหว่างพวกเขา ดังนั้นเครื่องยนต์ที่ทำงานบนหลักการของ Atkinson หรือ Miller จึงเรียกว่าห้าจังหวะ
ดูสไลด์ทั้งหมด
รอบมิลเลอร์ ( Miller Cycle ) ถูกเสนอในปี 1947 โดยวิศวกรชาวอเมริกัน ราล์ฟ มิลเลอร์ เพื่อรวมข้อดีของเครื่องยนต์แอตกินสันกับกลไกลูกสูบที่ง่ายกว่าของเครื่องยนต์ดีเซลหรืออ็อตโต
วงจรถูกออกแบบมาเพื่อลด ( ลด ) อุณหภูมิและความดันของอากาศบริสุทธิ์ ( ชาร์จอุณหภูมิอากาศ ) ก่อนการบีบอัด ( การบีบอัด ) ในกระบอกสูบ เป็นผลให้อุณหภูมิการเผาไหม้ในกระบอกสูบลดลงเนื่องจากการขยายตัวแบบอะเดียแบติก ( การขยายตัวแบบอะเดียแบติก ) ประจุอากาศบริสุทธิ์เมื่อเข้าสู่กระบอกสูบ
แนวคิดของวัฏจักรมิลเลอร์ประกอบด้วยสองรูปแบบ ( สองรุ่น ):
ก) การเลือกเวลาปิดก่อนกำหนด ( เวลาปิดขั้นสูง ) วาล์วน้ำเข้า ( วาล์วไอดี ) หรือ ปิดล่วงหน้า - ก่อน ตายล่าง จุด ( ศูนย์ตายล่าง );
b) การเลือกเวลาปิดวาล์วไอดีที่ล่าช้า - หลังส่วนล่าง ศูนย์ตาย (บีดีซี).
เริ่มแรกใช้วงจร Miller ( ใช้ครั้งแรก ) เพื่อเพิ่มกำลังเฉพาะของเครื่องยนต์ดีเซลบางรุ่น ( เครื่องยนต์บางตัว ). การลดอุณหภูมิของอากาศบริสุทธิ์ ( การลดอุณหภูมิของประจุ ) ในกระบอกสูบเครื่องยนต์ทำให้มีกำลังเพิ่มขึ้นโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ ( การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ ) บล็อกกระบอก ( หน่วยกระบอกสูบ ). สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอุณหภูมิลดลงในช่วงเริ่มต้นของวัฏจักรทฤษฎี ( ที่จุดเริ่มต้นของวงจร ) เพิ่มความหนาแน่นของประจุอากาศ ( ความหนาแน่นของอากาศ ) โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงความดัน ( ความดันเปลี่ยนแปลง ) ในกระบอกสูบ ในขณะที่ขีด จำกัด ความแข็งแรงทางกลของเครื่องยนต์ ( ขีด จำกัด ทางกลของเครื่องยนต์ ) เปลี่ยนเป็นพลังงานที่สูงขึ้น ( พลังที่สูงขึ้น ) ขีดจำกัดโหลดความร้อน ( ขีด จำกัด ภาระความร้อน ) เปลี่ยนเป็นอุณหภูมิเฉลี่ยที่ต่ำกว่า ( อุณหภูมิเฉลี่ยต่ำกว่า ) รอบ
ต่อมา วัฏจักรของ Miller ได้สร้างความสนใจในแง่ของการลดการปล่อย NOx การปล่อยก๊าซ NOx ที่เป็นอันตรายอย่างเข้มข้นเริ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิในกระบอกสูบเครื่องยนต์สูงกว่า 1500 ° C - ในสถานะนี้ อะตอมของไนโตรเจนจะออกฤทธิ์ทางเคมีอันเป็นผลมาจากการสูญเสียอะตอมหนึ่งอะตอมขึ้นไป และเมื่อใช้วงจร Miller กับอุณหภูมิของรอบที่ลดลง ( ลดอุณหภูมิรอบ ) โดยไม่เปลี่ยนกำลัง ( พลังงานคงที่ ) ลดการปล่อย NOx 10% ที่โหลดเต็มที่และลด 1% ( เปอร์เซ็นต์ ) ลดการใช้เชื้อเพลิง ส่วนใหญ่ ( ส่วนใหญ่ ) เนื่องจากการสูญเสียความร้อนลดลง ( การสูญเสียความร้อน ) ที่ความดันเดียวกันในกระบอกสูบ ( ระดับแรงดันกระบอกสูบ ).
อย่างไรก็ตาม แรงดันบูสต์ที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ( แรงดันบูสต์สูงขึ้นอย่างมาก ) ด้วยกำลังและอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเท่ากัน ( อัตราส่วนอากาศ/เชื้อเพลิง ) ขัดขวางการใช้วัฏจักรมิลเลอร์อย่างแพร่หลาย หากแรงดันแก๊สเทอร์โบชาร์จเจอร์สูงสุดที่ทำได้ ( แรงดันบูสต์สูงสุดที่ทำได้ ) จะต่ำเกินไปเมื่อเทียบกับค่าที่ต้องการของความดันประสิทธิผลเฉลี่ย ( ต้องการค่าเฉลี่ยความดันที่มีประสิทธิภาพ ) สิ่งนี้จะนำไปสู่การจำกัดประสิทธิภาพที่สำคัญ ( การลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ). แม้ในกรณีที่มีแรงดันบูสต์สูงเพียงพอ ความเป็นไปได้ในการลดการใช้เชื้อเพลิงจะถูกทำให้เป็นกลางบางส่วน ( ทำให้เป็นกลางบางส่วน ) เนื่องจากเร็วเกินไป ( เร็วเกินไป ) ลดประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์และเทอร์ไบน์ ( คอมเพรสเซอร์และเทอร์ไบน์ ) แก๊สเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่อัตราส่วนกำลังอัดสูง ( อัตราการบีบอัดสูง ). ดังนั้น การใช้งานจริงของ Miller cycle จำเป็นต้องใช้แก๊สเทอร์โบชาร์จเจอร์ที่มีอัตราส่วนการอัดความดันสูงมาก ( อัตราส่วนแรงดันคอมเพรสเซอร์สูงมาก ) และประสิทธิภาพสูงที่อัตราส่วนการอัดสูง ( ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมในอัตราส่วนแรงดันสูง ).
ข้าว. 6. ระบบเทอร์โบชาร์จสองขั้นตอน
ดังนั้นในเครื่องยนต์ความเร็วสูง 32FX ของบริษัท " นีงาตะ เอ็นจิเนียริ่ง » ความดันการเผาไหม้สูงสุด P สูงสุดและอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ ( ห้องเผาไหม้ ) ถูกคงไว้ที่ลดลง ระดับปกติ (ระดับปกติ ). แต่ในขณะเดียวกัน แรงดันใช้งานเฉลี่ยก็เพิ่มขึ้น ( เบรคหมายถึงแรงดันที่มีประสิทธิภาพ ) และลดระดับการปล่อย NOx ที่เป็นอันตราย ( ลดการปล่อย NOx ).
เครื่องยนต์ดีเซล 6L32FX ของ Niigata เลือกตัวเลือกรอบ Miller แรก: การปิดวาล์วไอดีก่อนกำหนด 10 องศาก่อน BDC (BDC) แทนที่จะเป็น 35 องศาหลังจาก BDC ( หลังจาก BDC) เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ 6L32CX เนื่องจากเวลาในการเติมลดลง ที่แรงดันบูสต์ปกติ ( แรงดันบูสต์ปกติ ) ปริมาณอากาศบริสุทธิ์เข้าสู่กระบอกสูบในปริมาณที่น้อยกว่า ( ปริมาณลมลดลง ). ดังนั้นกระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงในกระบอกสูบจึงแย่ลงและส่งผลให้กำลังขับลดลงและอุณหภูมิก๊าซไอเสียสูงขึ้น ( อุณหภูมิไอเสียสูงขึ้น ).
เพื่อให้ได้พลังงานเอาท์พุตที่ระบุก่อนหน้า ( ผลผลิตเป้าหมาย ) จำเป็นต้องเพิ่มปริมาตรของอากาศโดยลดเวลาในการเข้าสู่กระบอกสูบ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้เพิ่มแรงดันบูสต์ ( เพิ่มแรงดันบูส ).
ในขณะเดียวกัน ระบบเทอร์โบชาร์จด้วยแก๊สแบบขั้นตอนเดียว ( เทอร์โบชาร์จเจอร์แบบขั้นตอนเดียว ) ไม่สามารถให้แรงดันบูสต์สูงขึ้นได้ ( แรงดันบูสต์ที่สูงขึ้น ).
ดังนั้นจึงมีการพัฒนาระบบสองขั้นตอน ( ระบบสองขั้นตอน ) เทอร์โบชาร์จเจอร์แก๊สซึ่งเทอร์โบชาร์จเจอร์แรงดันต่ำและสูง ( เทอร์โบชาร์จเจอร์แรงดันต่ำและแรงดันสูง ) เป็นลำดับ ( ต่อกันเป็นชุด ) ในลำดับ. หลังจากเทอร์โบชาร์จเจอร์แต่ละตัว จะมีการติดตั้งอินเตอร์คูลเลอร์สองตัว ( เครื่องทำความเย็นอากาศแทรกแซง ).
การแนะนำวงจร Miller ร่วมกับระบบเทอร์โบชาร์จเจอร์แบบสองขั้นตอนทำให้สามารถเพิ่มตัวประกอบกำลังเป็น 38.2 (แรงดันที่มีประสิทธิภาพเฉลี่ย - 3.09 MPa, ความเร็วเฉลี่ย ลูกสูบ - 12.4 ม./วินาที) ที่โหลด 110% ( รับภาระสูงสุด ). นี่คือผลลัพธ์ที่ดีที่สุดสำหรับเครื่องยนต์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางลูกสูบ 32 ซม.
นอกจากนี้ ยังสามารถลดระดับการปล่อย NOx ได้ถึง 20% ( ระดับการปล่อย NOx ) สูงสุด 5.8 g/kWh ที่มาตรฐาน IMO 11.2 g/kWh การบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิง ( การบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิง ) เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อทำงานที่โหลดต่ำ ( โหลดต่ำ ) งาน. อย่างไรก็ตาม ที่โหลดปานกลางและสูง ( โหลดที่สูงขึ้น ) การสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงลดลง 75%
ดังนั้น ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ Atkinson จะเพิ่มขึ้นโดยการลดเวลาทางกลไก (ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเร็วกว่าลง) จังหวะการอัดที่สัมพันธ์กับจังหวะกำลัง (จังหวะขยาย) ในวัฏจักรของมิลเลอร์ จังหวะการบีบอัด
สั้นลงหรือขยายใหญ่ขึ้นตามขั้นตอนการบริโภค
ที่แรงดันบูสต์เท่ากัน การชาร์จกระบอกสูบด้วยอากาศบริสุทธิ์จะลดลงเนื่องจากเวลาลดลง ( ลดลงตามระยะเวลาที่เหมาะสม ) การเปิดวาล์วไอดี ( วาล์วทางเข้า ). จึงมีประจุอากาศบริสุทธิ์ ( ชาร์จอากาศ ) ในเทอร์โบชาร์จเจอร์ถูกบีบอัด ( บีบอัด ) เพื่อให้แรงดันบูสต์สูงกว่าที่จำเป็นสำหรับรอบเครื่องยนต์ ( รอบเครื่องยนต์ ). ดังนั้น โดยการเพิ่มปริมาณของแรงดันบูสต์ด้วยเวลาเปิดวาล์วไอดีที่ลดลง อากาศบริสุทธิ์ส่วนเดียวกันจะเข้าสู่กระบอกสูบ ในเวลาเดียวกัน อากาศบริสุทธิ์ที่ไหลผ่านบริเวณทางเข้าที่ค่อนข้างแคบจะขยายตัว (ผลกระทบจากปีกผีเสื้อ) ในกระบอกสูบ ( กระบอกสูบ ) และเย็นลงตามลำดับ ( ความเย็นที่ตามมา ).
บ้าน » ระบบกำลังเครื่องยนต์ » คุณสมบัติการออกแบบเครื่องยนต์มิลเลอร์ วงจรอ็อตโต แอตกินสัน มิลเลอร์ มันคืออะไรความแตกต่างในการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายในคืออะไร ไดอะแกรมตัวบ่งชี้ของวัฏจักรอ็อตโตและแอตกินสัน
