งานนำเสนอเรื่อง: "เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบกับวัฏจักร Atkinson-Miller" มาทำความเข้าใจรอบเครื่องยนต์กันเถอะ หลักการของวงจรแอตกินสัน


[ป้องกันอีเมล]เว็บไซต์
เว็บไซต์
ม.ค. 2016

ลำดับความสำคัญ

นับตั้งแต่ Prius รุ่นแรก ดูเหมือนว่า Toyota จะชอบ James Atkinson มากกว่า Ralph Miller เสียอีก และค่อยๆ "วัฏจักรแอตกินสัน" ของข่าวประชาสัมพันธ์ของพวกเขาแพร่กระจายไปทั่วชุมชนนักข่าว

โตโยต้าอย่างเป็นทางการ: "เครื่องยนต์วงจรความร้อนที่เสนอโดย James Atkinson (สหราชอาณาจักร) ซึ่งสามารถกำหนดจังหวะการอัดและระยะเวลาของจังหวะการขยายตัวได้อย่างอิสระ การปรับปรุงภายหลังโดย R. H. Miller (สหรัฐอเมริกา) อนุญาตให้ปรับเวลาเปิด/ปิดวาล์วไอดีเพื่อให้ระบบใช้งานได้จริง (มิลเลอร์ ไซเคิล)”
- โตโยต้าอย่างไม่เป็นทางการและต่อต้านวิทยาศาสตร์: "เครื่องยนต์ Miller Cycle เป็นเครื่องยนต์ Atkinson Cycle ที่มีซูเปอร์ชาร์จเจอร์"

ยิ่งกว่านั้น แม้ในสภาพแวดล้อมทางวิศวกรรมในท้องถิ่น "วัฏจักรของมิลเลอร์" ก็มีมาแต่ไหนแต่ไรแล้ว จะถูกต้องกว่าได้อย่างไร?

ในปี 1882 James Atkinson นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษได้คิดค้นวิธีเพิ่มประสิทธิภาพ เครื่องยนต์ลูกสูบโดยการลดจังหวะการอัดและเพิ่มจังหวะการขยายตัวของสารทำงาน ในทางปฏิบัติ กลไกการขับเคลื่อนลูกสูบที่ซับซ้อนควรจะรับรู้สิ่งนี้ (ลูกสูบสองตัวตามแบบแผน "บ็อกเซอร์" ซึ่งเป็นลูกสูบที่มีกลไกข้อเหวี่ยง-โยก) เครื่องยนต์รุ่นที่สร้างขึ้นแสดงให้เห็นถึงการสูญเสียทางกลที่เพิ่มขึ้น การออกแบบที่ซับซ้อนเกินไป และกำลังที่ลดลงเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์ของการออกแบบอื่นๆ ดังนั้นจึงไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลาย สิทธิบัตรที่มีชื่อเสียงของ Atkinson อ้างถึงการออกแบบโดยเฉพาะ โดยไม่คำนึงถึงทฤษฎีวัฏจักรอุณหพลศาสตร์

ในปี 1947 วิศวกรชาวอเมริกัน ราล์ฟ มิลเลอร์ กลับมามีแนวคิดเรื่องการลดกำลังอัดและการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง โดยเสนอให้ดำเนินการดังกล่าวไม่ใช่เพราะจลนศาสตร์ของตัวขับลูกสูบ แต่ด้วยการเลือกจังหวะเวลาวาล์วสำหรับเครื่องยนต์ที่มี กลไกข้อเหวี่ยงแบบธรรมดา ในสิทธิบัตร มิลเลอร์ได้พิจารณาสองทางเลือกในการจัดระเบียบเวิร์กโฟลว์ - ด้วยการปิดวาล์วไอดีก่อนกำหนด (EICV) หรือล่าช้า (LICV) ที่จริงแล้ว ทั้งสองตัวเลือกหมายถึงอัตราส่วนการอัดจริง (ที่มีประสิทธิภาพ) ลดลงเมื่อเทียบกับอัตราส่วนทางเรขาคณิต โดยตระหนักว่าการลดกำลังอัดจะส่งผลให้สูญเสียกำลังของเครื่องยนต์ ในขั้นต้นมิลเลอร์จึงมุ่งความสนใจไปที่เครื่องยนต์ที่มีซูเปอร์ชาร์จ ซึ่งคอมเพรสเซอร์จะชดเชยการสูญเสียการเติม วัฏจักรของ Miller ในทางทฤษฎีสำหรับเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟนั้นเหมือนกับวัฏจักรทางทฤษฎีสำหรับเครื่องยนต์ Atkinson ทุกประการ

โดยทั่วไปแล้ว วัฏจักรของ Miller / Atkinson ไม่ใช่วัฏจักรที่เป็นอิสระ แต่เป็นการแปรผันของวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ที่รู้จักกันดีของ Otto และ Diesel Atkinson เป็นผู้เขียนแนวคิดนามธรรมของเครื่องยนต์ที่มีจังหวะการอัดและขยายที่แตกต่างกันทางกายภาพ องค์กรที่แท้จริงของกระบวนการทำงานใน เครื่องยนต์จริงซึ่งใช้ในทางปฏิบัติมาจนถึงทุกวันนี้ ถูกเสนอโดยราล์ฟ มิลเลอร์

หลักการ

เมื่อเครื่องยนต์ทำงานตามรอบ Miller ด้วยการบีบอัดที่ลดลง วาล์วทางเข้าปิดช้ากว่าวงจรอ็อตโตมาก เนื่องจากส่วนหนึ่งของประจุถูกบังคับให้กลับเข้าไปในช่องไอดี และกระบวนการอัดจริงเริ่มต้นขึ้นแล้วในครึ่งหลังของรอบ เป็นผลให้อัตราส่วนการอัดที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าอัตราส่วนทางเรขาคณิต (ซึ่งเท่ากับอัตราส่วนการขยายตัวของก๊าซในจังหวะการทำงาน) ด้วยการลดความสูญเสียจากการปั๊มและการสูญเสียแรงอัด ทำให้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น 5-7% และประหยัดเชื้อเพลิงได้สอดคล้องกัน


เราสามารถสังเกตจุดสำคัญของความแตกต่างระหว่างรอบได้อีกครั้ง 1 และ 1 "- ปริมาตรของห้องเผาไหม้สำหรับเครื่องยนต์ที่มีรอบมิลเลอร์มีขนาดเล็กลง อัตราส่วนการอัดทางเรขาคณิตและอัตราส่วนการขยายตัวจะสูงกว่า 2 และ 2" - ก๊าซทำให้ งานที่มีประโยชน์ในจังหวะที่ยาวขึ้น จึงมีการสูญเสียไอเสียน้อยลง 3 และ 3 "- สูญญากาศไอดีน้อยลงเนื่องจากการควบคุมปริมาณน้อยลงและการเคลื่อนกลับของประจุก่อนหน้าดังนั้นการสูญเสียการสูบน้ำจึงต่ำกว่า 4 และ 4" - วาล์วไอดีปิดและการบีบอัดเริ่มต้นจากกลางรอบหลังจาก การกระจัดย้อนกลับของส่วนหนึ่งของประจุ


แน่นอน การกระจัดของประจุแบบย้อนกลับหมายถึงสมรรถนะของเครื่องยนต์ที่ลดลง และสำหรับ เครื่องยนต์บรรยากาศการทำงานกับวัฏจักรดังกล่าวเหมาะสมในโหมดที่ค่อนข้างแคบของการโหลดบางส่วนเท่านั้น ในกรณีของจังหวะวาล์วคงที่ เฉพาะการใช้บูสต์เท่านั้นที่สามารถชดเชยสิ่งนี้ได้ตลอดช่วงไดนามิกทั้งหมด สำหรับรุ่นไฮบริด การไม่มีแรงฉุดลากในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยจะได้รับการชดเชยด้วยการฉุดลากของมอเตอร์ไฟฟ้า

การดำเนินการ

ในแบบคลาสสิก เครื่องยนต์โตโยต้าวงจรอ็อตโตเฟสคงที่ 90 วินาที วาล์วไอดีปิดที่ 35-45° AFBDC (มุมข้อเหวี่ยง) อัตราการบีบอัด 9.5-10.0 มากขึ้น เครื่องยนต์ที่ทันสมัยกับ VVT เป็นไปได้ช่วงปิดวาล์วไอดีขยายเป็น 5-70 °หลังจาก BDC อัตราส่วนการอัดเพิ่มขึ้นเป็น 10.0-11.0

ในเครื่องยนต์ของรุ่นไฮบริดที่ทำงานเฉพาะในรอบ Miller ระยะปิดวาล์วไอดีคือ 80-120° ... 60-100° หลังจาก BDC อัตราการบีบอัดทางเรขาคณิตคือ 13.0-13.5

ในช่วงกลางปี ​​2010 เครื่องยนต์ใหม่ที่มีช่วงวาล์วแปรผัน (VVT-iW) ปรากฏขึ้นซึ่งสามารถทำงานได้ทั้งในรอบปกติและในวงจร Miller สำหรับรุ่นบรรยากาศ ช่วงปิดวาล์วไอดีคือ 30-110 °หลังจาก BDC ด้วยอัตราส่วนการบีบอัดทางเรขาคณิตที่ 12.5-12.7 สำหรับรุ่นเทอร์โบ - 10-100 °และ 10.0 ตามลำดับ

สไลด์2

คลาสสิค ICE

คลาสสิก มอเตอร์สี่จังหวะถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1876 โดยวิศวกรชาวเยอรมันชื่อ Nikolaus Otto ซึ่งเป็นวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าว สันดาปภายใน(ICE) เป็นเรื่องง่าย: ไอดี, การบีบอัด, จังหวะ, ไอเสีย

สไลด์ 3

แผนภาพตัวบ่งชี้ของวัฏจักรอ็อตโตและแอตกินสัน

  • สไลด์ 4

    วงจรแอตกินสัน

    วิศวกรชาวอังกฤษ James Atkinson ก่อนที่สงครามจะเกิดขึ้นกับวัฏจักรของเขาเอง ซึ่งแตกต่างจากวงจร Otto เล็กน้อย - แผนภาพตัวบ่งชี้ถูกทำเครื่องหมาย สีเขียว. อะไรคือความแตกต่าง? ประการแรกปริมาตรของห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ดังกล่าว (ที่มีปริมาตรการทำงานเท่ากัน) จะเล็กลงและด้วยเหตุนี้อัตราส่วนการอัดจึงสูงขึ้น ดังนั้นมากที่สุด จุดสูงสุดบน แผนภูมิตัวบ่งชี้ตั้งอยู่ทางด้านซ้ายในบริเวณที่มีปริมาตรเกินลูกสูบที่เล็กกว่า 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 ความเร็วเต็มที่ลูกสูบ. ในเวลาเดียวกัน ส่วนหนึ่งของส่วนผสมที่ติดไฟได้ใหม่จะถูกผลักกลับเข้าไปในท่อร่วมไอดี ซึ่งจะเพิ่มแรงดันที่นั่น หรือจะลดสูญญากาศลง ช่วยให้คุณเปิดได้มากขึ้นเมื่อโหลดขนาดเล็กและขนาดกลาง วาล์วปีกผีเสื้อ. นี่คือสาเหตุที่ท่อไอดีในแผนภาพวงจร Atkinson สูงขึ้น และการสูญเสียการสูบน้ำของเครื่องยนต์ต่ำกว่าในวงจร Otto

    สไลด์ 6

    วัฏจักรแอตกินสัน

    ดังนั้นจังหวะการอัด เมื่อวาล์วไอดีปิดลง จะเริ่มที่ปริมาตรเกินลูกสูบที่ต่ำกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นโดยเส้นบีบอัดสีเขียวซึ่งเริ่มต้นที่ครึ่งหนึ่งของท่อไอดีแนวนอนด้านล่าง ดูเหมือนว่าอะไรจะง่ายกว่า: ทำ ระดับที่สูงขึ้นบีบอัด เปลี่ยนโปรไฟล์ของท่อไอดี เท่านี้ก็เรียบร้อย เครื่องยนต์วงจร Atkinson พร้อมแล้ว! แต่ความจริงก็คือเพื่อให้ได้สมรรถนะไดนามิกที่ดีตลอดช่วงความเร็วการทำงานทั้งหมดของเครื่องยนต์ จำเป็นต้องชดเชยการขับของผสมที่ติดไฟได้ในระหว่างรอบการบริโภคที่ขยายออกไปโดยใช้ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ในกรณีนี้คือซุปเปอร์ชาร์จเจอร์แบบกลไก และแรงขับของมันนำเอาส่วนแบ่งพลังงานของสิงโตออกจากมอเตอร์ ซึ่งสามารถคืนกลับมาได้จากการสูบฉีดและการสูญเสียไอเสีย การประยุกต์ใช้วงจร Atkinson กับเครื่องยนต์ไฮบริดของ Toyota Prius ที่ดูดอากาศตามธรรมชาตินั้นเป็นไปได้ด้วยการทำงานแบบเบา

    สไลด์ 7

    วัฏจักรของมิลเลอร์

    วงจร Miller เป็นวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ที่ใช้ในเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ วงจรของ Miller ถูกเสนอในปี 1947 โดยวิศวกรชาวอเมริกัน Ralph Miller เพื่อรวมข้อดีของเครื่องยนต์ Antkinson เข้ากับกลไกลูกสูบที่ง่ายกว่าของเครื่องยนต์ Otto

    สไลด์ 8

    แทนที่จะทำให้จังหวะการอัดทางกลไกสั้นกว่าจังหวะกำลัง (เช่นใน เครื่องยนต์คลาสสิคแอตกินสันที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเร็วกว่าลง) มิลเลอร์เกิดความคิดที่จะลดจังหวะการอัดโดยเสียจังหวะไอดีทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นและลงด้วยความเร็วเท่ากัน (เช่นเดียวกับใน Otto คลาสสิก เครื่องยนต์).

    สไลด์ 9

    ในการทำเช่นนี้ มิลเลอร์เสนอสอง แนวทางต่างๆ: ปิดวาล์วไอดีเร็วกว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะไอดี (หรือเปิดช้ากว่าจุดเริ่มต้นของจังหวะนี้) ปิดวาล์วช้ากว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะนี้มาก

    สไลด์ 10

    วิธีแรกสำหรับเครื่องยนต์ตามอัตภาพเรียกว่า "การบริโภคที่สั้นลง" และวิธีที่สอง - "การบีบอัดที่สั้นลง" ทั้งสองวิธีบรรลุสิ่งเดียวกัน: ลดอัตราส่วนการอัดจริง ส่วนผสมการทำงานค่อนข้างเรขาคณิตในขณะที่รักษาอัตราส่วนการขยายตัวเท่าเดิม (นั่นคือจังหวะจังหวะยังคงเหมือนเดิมในเครื่องยนต์ Otto และจังหวะการอัดดูเหมือนว่าจะลดลง - เหมือนของ Atkinson เพียงลดลงทันเวลา แต่ในอัตราส่วนการอัด ของส่วนผสม)

    สไลด์ 11

    แนวทางที่สองของมิลเลอร์

    วิธีนี้ค่อนข้างได้เปรียบมากกว่าในแง่ของการสูญเสียการบีบอัด ดังนั้นจึงเป็นแนวทางนี้ที่นำไปปฏิบัติจริงแบบอนุกรม มอเตอร์ยานยนต์มาสด้า 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 เขามีของเขา ลักษณะของตัวเองและที่จริงแล้วไม่ใช่จังหวะไอดีหรือจังหวะการกด แต่เป็นจังหวะอิสระระดับกลางระหว่างพวกเขา ดังนั้นเครื่องยนต์ที่ทำงานบนหลักการของ Atkinson หรือ Miller จึงเรียกว่าห้าจังหวะ

    ดูสไลด์ทั้งหมด

    วัฏจักรของ Miller ถูกเสนอในปี 1947 โดยวิศวกรชาวอเมริกัน Ralph Miller เพื่อรวมเอาคุณธรรมของเครื่องยนต์ Atkinson เข้ากับกลไกลูกสูบที่ง่ายกว่าของเครื่องยนต์ Otto แทนที่จะทำให้จังหวะการอัดทางกลไกสั้นกว่าจังหวะกำลัง (เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ Atkinson แบบคลาสสิกที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเร็วกว่าทางด้านล่าง) มิลเลอร์ได้เสนอแนวคิดที่จะลดจังหวะการอัดให้สั้นลงด้วยค่าใช้จ่ายของจังหวะไอดี ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงได้เท่าเดิม ความเร็ว (เหมือนในเครื่องยนต์ Otto สุดคลาสสิก)

    ในการทำเช่นนี้ มิลเลอร์เสนอวิธีที่แตกต่างกันสองวิธี: ปิดวาล์วไอดีเร็วกว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะไอดี (หรือเปิดช้ากว่าจุดเริ่มต้นของจังหวะนี้) หรือปิดช้ากว่าจุดสิ้นสุดของจังหวะนี้มาก วิธีแรกในหมู่ผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องยนต์ตามอัตภาพเรียกว่า "การบริโภคที่สั้นลง" และวิธีที่สอง - "การบีบอัดที่สั้นลง" ในที่สุด ทั้งสองวิธีบรรลุสิ่งเดียวกัน: การลด แท้จริงระดับการบีบอัดของส่วนผสมการทำงานที่สัมพันธ์กับรูปทรงเรขาคณิตในขณะที่ยังคงระดับการขยายตัวเท่าเดิม (นั่นคือจังหวะของจังหวะการทำงานยังคงเหมือนเดิมในเครื่องยนต์ Otto และจังหวะการอัดดูเหมือนว่าจะลดลงเช่นใน Atkinson เท่านั้นที่จะลดลงทันเวลา แต่ในอัตราส่วนการอัดของส่วนผสม) .

    ดังนั้น ส่วนผสมในเครื่องยนต์ Miller จึงบีบอัดน้อยกว่าที่ควรในเครื่องยนต์ Otto ที่มีรูปทรงทางกลเหมือนกัน สิ่งนี้ทำให้อัตราส่วนการอัดทางเรขาคณิต (และด้วยเหตุนี้อัตราส่วนการขยายตัว!) เพิ่มขึ้นเหนือขีดจำกัดที่กำหนดโดยคุณสมบัติการระเบิดของเชื้อเพลิง - นำการบีบอัดจริงไปสู่ค่าที่ยอมรับได้เนื่องจาก "วงจรการบีบอัดที่สั้นลง" ที่อธิบายไว้ข้างต้น . กล่าวอีกนัยหนึ่งด้วยเช่นเดียวกัน แท้จริงอัตราส่วนกำลังอัด (จำกัดโดยเชื้อเพลิง) เครื่องยนต์มิลเลอร์มีอัตราส่วนการขยายตัวที่สูงกว่าเครื่องยนต์อ็อตโตอย่างมาก สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้พลังงานของก๊าซที่ขยายตัวในกระบอกสูบได้อย่างเต็มที่มากขึ้น ซึ่งอันที่จริงแล้ว เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของมอเตอร์ ทำให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สูง และอื่นๆ

    ประโยชน์ของการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวัฏจักรมิลเลอร์เทียบกับวัฏจักรอ็อตโตนั้นมาพร้อมกับการสูญเสียกำลังเอาต์พุตสูงสุดสำหรับ ขนาดที่กำหนด(และมวล) ของเครื่องยนต์เนื่องจากการเสื่อมสภาพของไส้ในกระบอกสูบ เนื่องจากต้องใช้เครื่องยนต์ Miller เพื่อให้ได้กำลังที่เท่ากัน ขนาดใหญ่ขึ้นมากกว่าเครื่องยนต์ Otto ส่วนที่เพิ่มขึ้นจากการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรจะถูกใช้ไปบางส่วนกับการสูญเสียทางกล (แรงเสียดทาน แรงสั่นสะเทือน ฯลฯ) ที่เพิ่มขึ้นตามขนาดของเครื่องยนต์

    การควบคุมวาล์วด้วยคอมพิวเตอร์ช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนระดับการเติมกระบอกสูบระหว่างการทำงาน ทำให้สามารถบีบมอเตอร์ออกได้ พลังสูงสุดเมื่อประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจแย่ลงหรือเพื่อให้เศรษฐกิจดีขึ้นด้วยการลดกำลังไฟฟ้าลง

    ปัญหาที่คล้ายกันแก้ไขได้ด้วยเครื่องยนต์ห้าจังหวะซึ่งมีการขยายเพิ่มเติมในกระบอกสูบแยกต่างหาก

    เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในรถยนต์ ลักษณะเฉพาะ กำลัง การตอบสนองของลิ้นปีกผีเสื้อ และความประหยัด เป็นตัวกำหนดว่าผู้ขับขี่จะรู้สึกสบายเพียงใดเมื่ออยู่หลังพวงมาลัย แม้ว่ารถยนต์จะได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ "เติบโต" ระบบนำทาง, อุปกรณ์แฟชั่น, มัลติมีเดียและอื่น ๆ มอเตอร์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในทางปฏิบัติอย่างน้อยหลักการทำงานของมันก็ไม่เปลี่ยนแปลง

    วัฏจักรอ็อตโตแอตกินสันที่เป็นรากฐาน เครื่องยนต์สันดาปภายในรถยนต์ได้รับการพัฒนาเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 และตั้งแต่นั้นมาก็แทบจะไม่มี การเปลี่ยนแปลงระดับโลก. เฉพาะในปี พ.ศ. 2490 ราล์ฟ มิลเลอร์สามารถปรับปรุงการพัฒนาของรุ่นก่อนๆ ได้ โดยใช้รูปแบบการสร้างเครื่องยนต์แต่ละรุ่นให้เกิดประโยชน์สูงสุด แต่เพื่อที่จะ ในแง่ทั่วไปเพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของหน่วยพลังงานสมัยใหม่คุณต้องดูประวัติศาสตร์เล็กน้อย

    ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ Otto

    เครื่องยนต์แรกสำหรับรถยนต์ซึ่งสามารถทำงานได้ตามปกติไม่เพียงแค่ในทางทฤษฎีเท่านั้น ได้รับการพัฒนาโดยชาวฝรั่งเศส อี. เลอนัวร์ ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2403 เป็นรุ่นแรกที่มีกลไกข้อเหวี่ยง หน่วยทำงานเกี่ยวกับแก๊ส, ใช้กับเรือ, ค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์(ประสิทธิภาพ) ไม่เกิน 4.65%. ต่อมา Lenoir ร่วมมือกับ Nikolaus Otto โดยร่วมมือกับนักออกแบบชาวเยอรมันในปี 1863 ได้สร้างเครื่องยนต์สันดาปภายใน 2 จังหวะที่มีประสิทธิภาพ 15%

    หลักการ เครื่องยนต์สี่จังหวะได้รับการเสนอครั้งแรกโดย N. A. Otto ในปี พ.ศ. 2419 โดยเป็นนักออกแบบที่เรียนรู้ด้วยตนเองซึ่งถือเป็นผู้สร้างยานยนต์คันแรกสำหรับรถยนต์ เครื่องยนต์มีระบบจ่ายกำลังด้วยแก๊ส ในขณะที่นักออกแบบชาวรัสเซีย O. S. Kostovich ถือเป็นผู้ประดิษฐ์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินเป็นคาร์บูเรเตอร์เครื่องแรกของโลก

    การทำงานของ Otto cycle ใช้กับเครื่องยนต์สมัยใหม่จำนวนมาก มีทั้งหมดสี่จังหวะ:

    • ทางเข้า (เมื่อเปิดวาล์วทางเข้าช่องว่างทรงกระบอกจะเต็มไปด้วยส่วนผสมของเชื้อเพลิง);
    • การบีบอัด (วาล์วแน่น (ปิด) ส่วนผสมถูกบีบอัดเมื่อสิ้นสุดกระบวนการนี้หัวเทียนจะจุดระเบิด)
    • เวิร์กโฟลว์ (เนื่องจาก อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงลูกสูบวิ่งลงทำให้ก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยงเคลื่อนที่)
    • ปล่อย (ที่จุดเริ่มต้นของแถบนี้เปิดขึ้น วาล์วไอเสียเพลาข้อเหวี่ยงยังคงหมุนต่อไปอันเป็นผลมาจากการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล โดยยกก้านสูบโดยยกลูกสูบขึ้น) เพื่อหลีกทางให้ไอเสีย

    จังหวะทั้งหมดจะวนเป็นวงกลม และมู่เล่ซึ่งเก็บพลังงานจะช่วยในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง

    เมื่อเทียบกับรุ่นสองจังหวะ วงจรสี่จังหวะดูเหมือนจะสมบูรณ์แบบกว่า ประสิทธิภาพ เครื่องยนต์เบนซินแม้แต่ใน กรณีที่ดีที่สุดไม่เกิน 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 การบีบอัดจะลดลงเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์อ็อตโต เนื่องจากส่วนใดของส่วนผสมเชื้อเพลิงถูกดันกลับเข้าไปในช่องไอดี วิธีแก้ปัญหาที่สร้างสรรค์ดังกล่าวให้:

    ข้อเสียของโครงการนี้รวมถึงการลดกำลังไฟฟ้าลงโดย ความเร็วสูงเนื่องจากกระบวนการบีบอัดสั้นลง แต่เนื่องจากการเติมกระบอกสูบให้สมบูรณ์มากขึ้น ประสิทธิภาพจึงเพิ่มขึ้น รอบต่ำและอัตราส่วนการบีบอัดทางเรขาคณิตเพิ่มขึ้น (ลดลงจริง) การแสดงภาพกราฟิกของกระบวนการเหล่านี้สามารถดูได้ในรูปที่มีไดอะแกรมเงื่อนไขด้านล่าง

    เครื่องยนต์ที่ทำงานตามแบบแผนของมิลเลอร์แพ้อ็อตโตในระดับสูง โหมดความเร็วในแง่ของพลังงาน แต่ในสภาพการใช้งานในเมืองนั้นไม่สำคัญ 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) ตามทฤษฎีแล้วหน้าตาจะประมาณนี้: วาล์วไอดี (VK) จะเปิดขึ้นเมื่อลูกสูบอยู่ด้านบน ศูนย์ตาย(ย่อว่า TDC) ปิดไม่อยู่ใน จุดต่ำสุด(BDC) และใหม่กว่า ยังคงเปิดอยู่ 70º ในกรณีนี้ ส่วนหนึ่งของส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศจะถูกผลักกลับเข้าไปในท่อร่วมไอดี การบีบอัดจะเริ่มขึ้นหลังจาก VC ปิด เมื่อลูกสูบกลับสู่ TDC:

    • ปริมาตรในกระบอกสูบลดลง
    • ความดันเพิ่มขึ้น
    • การจุดไฟจากเทียนจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง ขึ้นอยู่กับโหลดและจำนวนรอบ (ระบบการจุดระเบิดล่วงหน้าทำงาน)

    จากนั้นลูกสูบจะลดลง การขยายตัวเกิดขึ้น ในขณะที่การถ่ายเทความร้อนไปยังผนังกระบอกสูบไม่สูงเท่ากับแบบอ็อตโตเนื่องจากการอัดที่สั้น เมื่อลูกสูบถึง BDC ก๊าซจะถูกปล่อยออกมา จากนั้นการกระทำทั้งหมดจะถูกทำซ้ำอีกครั้ง

    การกำหนดค่าพิเศษ ท่อร่วมไอดี(กว้างและสั้นกว่าปกติ) และมุมเปิด VC 70 องศาที่ 14: 1 NW ทำให้สามารถตั้งค่าการจุดระเบิดล่วงหน้า8ºเป็น ไม่ทำงานโดยไม่มีการระเบิดใด ๆ ที่เห็นได้ชัดเจน นอกจากนี้ โครงร่างนี้ยังให้เปอร์เซ็นต์ของประโยชน์ที่มากขึ้น งานเครื่องกลหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งช่วยให้คุณสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ 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

    ข้อเสียของซีรีส์ Skyactiv คือ เมื่อเทียบกับ Otto คลาสสิก เครื่องยนต์เหล่านี้มีกำลังเฉพาะ (จริง) น้อยกว่า สำหรับเครื่องยนต์ 2.3 ลิตร 6 สูบ มีเพียง 211 พลังม้าแล้วคำนึงถึงเทอร์โบชาร์จและ 5300 รอบต่อนาที แต่มอเตอร์มีข้อดีที่เป็นรูปธรรม:

    • อัตราการบีบอัดสูง
    • ความสามารถในการติดตั้งการจุดระเบิดก่อนเวลาในขณะที่ไม่เกิดการระเบิด
    • รับรองการเร่งความเร็วที่รวดเร็วจากการหยุดนิ่ง
    • ปัจจัยที่มีประสิทธิภาพสูง

    และข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์ Miller Cycle จาก ผู้ผลิต Mazdaการบริโภคที่ประหยัดเชื้อเพลิงโดยเฉพาะที่โหลดต่ำและรอบเดินเบา

    เครื่องยนต์โตโยต้าแอตกินสัน

    แม้ว่าวัฏจักรแอตกินสันจะไม่พบการใช้งานจริงในศตวรรษที่ 19 แต่แนวคิดของเครื่องยนต์ก็รับรู้ในหน่วยกำลังของศตวรรษที่ 21 มอเตอร์ดังกล่าวได้รับการติดตั้งในไฮบริดบางรุ่น รถยนต์ Toyota ทำงานพร้อมกันและ on น้ำมันเบนซินและไฟฟ้า. 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 เครื่องยนต์ประหยัด ประสิทธิภาพสูง(มากถึง 38.5%) ให้การโอเวอร์คล็อกที่ยอดเยี่ยม

    วงจรดีเซล

    ครั้งแรก เครื่องยนต์ดีเซลถูกออกแบบและสร้างขึ้นโดยนักประดิษฐ์และวิศวกรชาวเยอรมัน รูดอล์ฟ ดีเซล ในปี พ.ศ. 2440 หน่วยกำลังมีขนาดใหญ่และใหญ่ขึ้น เครื่องยนต์ไอน้ำปีเหล่านั้น เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ Otto มันเป็นเครื่องยนต์สี่จังหวะ แต่โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ความสะดวกในการใช้งาน และอัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นสูงกว่าหน่วยกำลังของน้ำมันเบนซินอย่างมาก เครื่องยนต์ดีเซลเครื่องแรกของปลายศตวรรษที่ 19 ใช้ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมเบาและน้ำมันพืช และยังมีความพยายามที่จะใช้ฝุ่นถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงอีกด้วย แต่การทดสอบล้มเหลวเกือบจะในทันที:

    • เป็นปัญหาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจ่ายฝุ่นไปยังกระบอกสูบ
    • มีคุณสมบัติในการเสียดสีถ่านหินอย่างรวดเร็วทำให้กลุ่มกระบอกสูบลูกสูบสึกหรอ

    ที่น่าสนใจนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ Herbert Aykroyd Stuart ได้รับการจดสิทธิบัตร เครื่องยนต์ที่คล้ายกันเร็วกว่ารูดอล์ฟ ดีเซลสองปี แต่ดีเซลสามารถออกแบบโมเดลด้วยแรงดันกระบอกสูบที่เพิ่มขึ้นได้ ในทางทฤษฎี โมเดลสจ๊วตมีประสิทธิภาพเชิงความร้อน 12% ในขณะที่ตามแผนดีเซล ประสิทธิภาพถึง 50%

    ในปี พ.ศ. 2441 Gustav Trinkler ได้ออกแบบเครื่องยนต์น้ำมันแรงดันสูงที่ติดตั้ง prechamber รุ่นนี้เป็นต้นแบบโดยตรงของเครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซลสมัยใหม่

    เครื่องยนต์ดีเซลสมัยใหม่สำหรับรถยนต์

    เช่นเดียวกับเครื่องยนต์เบนซินในวงจร Otto และเครื่องยนต์ดีเซล แผนภูมิวงจรรวมการก่อสร้างไม่เปลี่ยนแปลง แต่ความทันสมัย เครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซล"รก" พร้อมโหนดเพิ่มเติม: เทอร์โบชาร์จเจอร์ ระบบอิเล็กทรอนิกส์การควบคุมการจ่ายน้ำมันเชื้อเพลิง, อินเตอร์คูลเลอร์, เซ็นเซอร์ต่างๆและอื่นๆ ล่าสุดพัฒนาและเปิดตัวเป็นซีรีส์บ่อยขึ้นเรื่อยๆ หน่วยพลังงานกับทางตรง การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง"คอมมอนเรล" ให้ไอเสียที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมตาม ความต้องการที่ทันสมัย, ความดันสูงฉีด. ดีเซลกับ ฉีดตรงมีข้อได้เปรียบที่เป็นรูปธรรมมากกว่าเครื่องยนต์ที่ใช้ระบบเชื้อเพลิงทั่วไป:

    • ประหยัดเชื้อเพลิง
    • มีพลังมากขึ้นในระดับเสียงเดียวกัน
    • ทำงานกับ ระดับต่ำเสียงรบกวน;
    • ช่วยให้รถเร่งความเร็วได้เร็วยิ่งขึ้น

    ข้อเสียของเครื่องยนต์ คอมมอนเรล: ค่อนข้างซับซ้อน ความจำเป็นในการซ่อมแซมและบำรุงรักษาเพื่อใช้อุปกรณ์พิเศษ ความเข้มงวดในคุณภาพของน้ำมันดีเซล ค่อนข้าง ราคาสูง. ชอบ เครื่องยนต์สันดาปภายในเบนซิน, เครื่องยนต์ดีเซลได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและซับซ้อนมากขึ้น

    วิดีโอ:วัฏจักรของ OTTO, Atkinson และ Miller ต่างกันอย่างไร:

    Atkinson, Miller, Otto และคนอื่นๆ ในการทัศนศึกษาทางเทคนิคเล็กน้อยของเรา

    ก่อนอื่น มาดูกันว่ารอบเครื่องยนต์คืออะไร เครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นวัตถุที่แปลงแรงดันจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงเป็นพลังงานกล และเนื่องจากมันทำงานด้วยความร้อน เครื่องยนต์จึงเป็นเครื่องยนต์ความร้อน ดังนั้น วัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนจึงเป็นกระบวนการแบบวงกลมซึ่งพารามิเตอร์เริ่มต้นและพารามิเตอร์สุดท้ายตรงกัน ซึ่งกำหนดสถานะของของไหลทำงาน (ในกรณีของเรา นี่คือกระบอกสูบที่มีลูกสูบ) พารามิเตอร์เหล่านี้ได้แก่ ความดัน ปริมาตร อุณหภูมิ และเอนโทรปี

    พารามิเตอร์เหล่านี้และการเปลี่ยนแปลงที่กำหนดวิธีการทำงานของเครื่องยนต์ และกล่าวอีกนัยหนึ่ง วัฏจักรของมันจะเป็นอย่างไร ดังนั้น หากคุณมีความปรารถนาและความรู้เกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ คุณสามารถสร้างวงจรการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนของคุณเองได้ สิ่งสำคัญคือต้องทำให้เครื่องยนต์ของคุณทำงานเพื่อพิสูจน์สิทธิ์ที่มีอยู่

    อ็อตโต ไซเคิล

    เราจะเริ่มต้นด้วยวัฏจักรการทำงานที่สำคัญที่สุด ซึ่งเครื่องยนต์สันดาปภายในเกือบทั้งหมดใช้ในยุคของเรา ตั้งชื่อตาม Nikolaus August Otto นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน ในขั้นต้น Otto ใช้ผลงานของ Belgian Jean Lenoir เครื่องยนต์ Lenoir รุ่นนี้จะมีความเข้าใจเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับการออกแบบดั้งเดิม

    เนื่องจากเลอนัวร์และอ็อตโตไม่คุ้นเคยกับวิศวกรรมไฟฟ้า การจุดไฟในรถต้นแบบจึงเกิดจากเปลวไฟแบบเปิด ซึ่งจุดไฟส่วนผสมภายในกระบอกสูบผ่านท่อ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเครื่องยนต์ Otto และเครื่องยนต์ Lenoir คือตำแหน่งของกระบอกสูบในแนวตั้ง ซึ่งทำให้ Otto ใช้พลังงานของก๊าซไอเสียเพื่อยกลูกสูบขึ้นหลังจังหวะส่งกำลัง จังหวะลงของลูกสูบเริ่มขึ้นภายใต้การกระทำของความดันบรรยากาศ และหลังจากที่ความดันในกระบอกสูบถึงบรรยากาศ วาล์วไอเสียก็เปิดออก และลูกสูบจะแทนที่ก๊าซไอเสียด้วยมวลของมัน ความสมบูรณ์ของการใช้พลังงานที่ทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ถึง 15% ที่น่าทึ่งในขณะนั้น ซึ่งเกินประสิทธิภาพของแม้แต่เครื่องยนต์ไอน้ำ นอกจากนี้ การออกแบบนี้อนุญาตให้ใช้เชื้อเพลิงน้อยลงถึงห้าเท่า ซึ่งนำไปสู่ความโดดเด่นโดยรวมของการออกแบบดังกล่าวในตลาด

    แต่ข้อดีหลักของอ็อตโตคือการประดิษฐ์กระบวนการสี่จังหวะ การทำงานของ ICE. การประดิษฐ์นี้ทำขึ้นในปี พ.ศ. 2420 และได้รับการจดสิทธิบัตรแล้ว แต่นักอุตสาหกรรมชาวฝรั่งเศสขุดค้นเอกสารสำคัญของพวกเขาและพบว่าแนวคิดนี้ การทำงานสี่จังหวะไม่กี่ปีก่อนสิทธิบัตร Otto ได้รับการอธิบายโดย Beau de Roche ชาวฝรั่งเศส ทำให้สามารถลดการจ่ายสิทธิบัตรและเริ่มพัฒนามอเตอร์ของตนเองได้ แต่ด้วยประสบการณ์ เครื่องยนต์ของ Otto อยู่ในหัวของพวกเขา ดีกว่าคู่แข่ง. และในปี พ.ศ. 2440 มีการสร้าง 42,000 ชิ้น

    แต่วงจรอ็อตโตคืออะไรกันแน่? นี่คือสี่จังหวะของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่เราคุ้นเคยตั้งแต่สมัยเรียน - การดูดกลืน การอัด การสโตรก และไอเสีย กระบวนการทั้งหมดนี้ใช้เวลาเท่ากัน และลักษณะทางความร้อนของมอเตอร์แสดงในกราฟต่อไปนี้:

    โดยที่ 1-2 คือการบีบอัด 2-3 คือจังหวะ 3-4 คือไอเสีย 4-1 คือไอดี ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับระดับการบีบอัดและดัชนีอะเดียแบติก:

    โดยที่ n คืออัตราส่วนการอัด k คือดัชนีอะเดียแบติก หรืออัตราส่วนของความจุความร้อนของก๊าซที่ความดันคงที่ต่อความจุความร้อนของก๊าซที่ปริมาตรคงที่

    กล่าวอีกนัยหนึ่งนี่คือปริมาณพลังงานที่ต้องใช้เพื่อให้ก๊าซภายในกระบอกสูบกลับสู่สถานะเดิม

    วงจรแอตกินสัน

    มันถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1882 โดย James Atkinson วิศวกรชาวอังกฤษ วงจร Atkinson เพิ่มประสิทธิภาพของวงจร Otto แต่ลดกำลังขับ ความแตกต่างที่สำคัญคือ ต่างเวลาดำเนินการรอบต่าง ๆ ของมอเตอร์

    การออกแบบคันโยกพิเศษของเครื่องยนต์ Atkinson ช่วยให้ลูกสูบทั้งสี่จังหวะเสร็จสิ้นในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงเพียงครั้งเดียว อีกด้วย การออกแบบนี้ทำให้จังหวะลูกสูบมีความยาวต่างกัน: จังหวะลูกสูบระหว่างไอดีและไอเสียจะยาวกว่าระหว่างการบีบอัดและการขยายตัว

    คุณลักษณะอีกประการของเครื่องยนต์คือลูกเบี้ยวจับเวลา (วาล์วเปิดและปิด) ตั้งอยู่บนเพลาข้อเหวี่ยงโดยตรง สิ่งนี้ช่วยขจัดความจำเป็น การติดตั้งแยกต่างหาก เพลาลูกเบี้ยว. นอกจากนี้ ไม่จำเป็นต้องติดตั้งกระปุกเกียร์เพราะ เพลาข้อเหวี่ยงหมุนสองครั้ง ความเร็วช้าลง. ในศตวรรษที่ 19 เครื่องยนต์ไม่ได้รับความนิยมเนื่องจากกลไกที่ซับซ้อน แต่เมื่อสิ้นสุดศตวรรษที่ 20 เครื่องยนต์เริ่มได้รับความนิยมมากขึ้นเมื่อเริ่มใช้กับรถไฮบริด

    ดังนั้น Lexus ที่มีราคาแพงจึงมีหน่วยแปลก ๆ เช่นนี้? ไกลจากนี้ไป ยังไม่มีใครใช้วัฏจักร Atkinson ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ แต่เพื่อแก้ไข มอเตอร์ธรรมดาภายใต้มัน - ค่อนข้างจริง ดังนั้นเราจะไม่พูดจาโผงผางเป็นเวลานานเกี่ยวกับ Atkinson และก้าวไปสู่วัฏจักรที่ทำให้เขากลายเป็นจริง

    วงจรมิลเลอร์

    วงจร Miller ถูกเสนอในปี 1947 โดยวิศวกรชาวอเมริกัน Ralph Miller เพื่อเป็นแนวทางในการรวมข้อดีของเครื่องยนต์ Atkinson เข้ากับสิ่งอื่นๆ เครื่องยนต์ธรรมดาอ๊อตโต้. แทนที่จะทำให้จังหวะการอัดสั้นลงทางกลไกมากกว่าจังหวะกำลัง (เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์ Atkinson แบบคลาสสิกที่ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นเร็วกว่าทางด้านล่าง) มิลเลอร์ได้เสนอแนวคิดที่จะลดจังหวะการอัดขึ้นด้วยค่าใช้จ่ายของจังหวะไอดี ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นลงได้เท่าเดิม ความเร็ว (เหมือนในเครื่องยนต์ Otto สุดคลาสสิก)

    ในการทำเช่นนี้ มิลเลอร์เสนอวิธีการที่แตกต่างกันสองวิธี: ปิดวาล์วไอดีให้ดีก่อนสิ้นสุดจังหวะไอดี หรือปิดให้ดีหลังจากสิ้นสุดจังหวะนี้ วิธีแรกในหมู่ผู้ดูแลตามอัตภาพเรียกว่า "การบริโภคที่สั้นลง" และวิธีที่สอง - "การบีบอัดที่สั้นลง" ในท้ายที่สุด ทั้งสองวิธีนี้ให้สิ่งเดียวกัน: การลดอัตราส่วนกำลังอัดจริงของส่วนผสมการทำงานที่สัมพันธ์กับวิธีทางเรขาคณิตในขณะที่ยังคงอัตราส่วนการขยายตัวที่เท่าเดิม (กล่าวคือ จังหวะกำลังยังคงเหมือนเดิมในเครื่องยนต์ Otto และ จังหวะการบีบอัดตามที่เป็นอยู่ลดลง - เช่นเดียวกับใน Atkinson ลดลงในเวลาไม่นาน แต่ในระดับการบีบอัดของส่วนผสม)

    ดังนั้น ส่วนผสมในเครื่องยนต์ Miller จึงบีบอัดน้อยกว่าที่ควรในเครื่องยนต์ Otto ที่มีรูปทรงทางกลเหมือนกัน สิ่งนี้ทำให้อัตราส่วนการอัดทางเรขาคณิต (และด้วยเหตุนี้อัตราส่วนการขยายตัว!) เพิ่มขึ้นเหนือขีดจำกัดที่กำหนดโดยคุณสมบัติการระเบิดของเชื้อเพลิง - นำการบีบอัดจริงไปสู่ค่าที่ยอมรับได้เนื่องจาก "วงจรการบีบอัดที่สั้นลง" ที่อธิบายไว้ข้างต้น . กล่าวอีกนัยหนึ่ง สำหรับอัตราส่วนกำลังอัดจริงที่เท่ากัน (จำกัดด้วยเชื้อเพลิง) เครื่องยนต์ของ Miller มีอัตราส่วนการขยายตัวที่สูงกว่าเครื่องยนต์ Otto อย่างเห็นได้ชัด สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้พลังงานของก๊าซที่ขยายตัวในกระบอกสูบได้อย่างเต็มที่มากขึ้น ซึ่งอันที่จริงแล้ว เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของมอเตอร์ ทำให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สูง และอื่นๆ นอกจากนี้ ข้อดีอย่างหนึ่งของวงจร Miller ก็คือความเป็นไปได้ที่เวลาการจุดระเบิดจะแปรผันได้กว้างขึ้นโดยไม่เสี่ยงต่อการระเบิด ซึ่งทำให้วิศวกรมีโอกาสมากขึ้น

    ประโยชน์ของการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจร Miller เมื่อเทียบกับวงจร Otto นั้นมาพร้อมกับการสูญเสียกำลังสูงสุดสำหรับขนาดเครื่องยนต์ (และมวล) ที่กำหนดเนื่องจากการเสื่อมสภาพของไส้ในกระบอกสูบ เนื่องจากต้องใช้เครื่องยนต์ Miller ที่ใหญ่กว่าเครื่องยนต์ Otto เพื่อให้ได้กำลังที่เท่ากัน ประโยชน์จากประสิทธิภาพเชิงความร้อนที่เพิ่มขึ้นของวงจรจะถูกใช้บางส่วนไปกับการสูญเสียทางกลที่เพิ่มขึ้น (แรงเสียดทาน แรงสั่นสะเทือน ฯลฯ) พร้อมกับขนาดของ เครื่องยนต์

    วงจรดีเซล

    และสุดท้าย อย่างน้อยก็ควรระลึกถึงวัฏจักรดีเซลสั้น ๆ ในขั้นต้นรูดอล์ฟดีเซลต้องการสร้างเครื่องยนต์ที่ใกล้เคียงกับวงจรคาร์โนต์มากที่สุด ซึ่งประสิทธิภาพจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างของอุณหภูมิของของไหลทำงานเท่านั้น แต่เนื่องจากการทำให้เครื่องยนต์เย็นลงจนเหลือศูนย์สัมบูรณ์นั้นไม่เย็น ดีเซลจึงหันไปทางอื่น เขาเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดซึ่งเขาเริ่มบีบอัดเชื้อเพลิงให้เป็นค่าที่ห้ามปรามในเวลานั้น เขากลับกลายเป็นว่ามีมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงจริงๆ แต่ในตอนแรกเขาทำงานเกี่ยวกับน้ำมันก๊าด รูดอล์ฟสร้างรถต้นแบบขึ้นเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2436 และเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 เท่านั้นที่เขาเปลี่ยนมาใช้เชื้อเพลิงประเภทอื่น รวมทั้งดีเซลด้วย

    • , 17 ก.ค. 2015