Двигатель внутреннего сгорания очень далек от идеала, в лучшем случае достигает 20 – 25%, дизельного 40 – 50% (то есть остальное топливо сжигается почти в пустую). Чтобы повысить эффективность (соответственно увеличить коэффициент полезного действия) требуется улучшить конструкцию мотора. Над этим бьются многие инженеры, и по сей день, но первыми были всего несколько инженеров, таких как Николаус Август ОТТО, Джеймсом АТКИНСОНОМ и Ральфом Миллером. Каждый вносил определенные изменения, и пытался сделать моторы более экономичными и производительными. Каждый предлагал определенный цикл работы, который мог кардинально отличаться от конструкции оппонента. Сегодня я постараюсь простыми словами, объяснить вам какие основные различия есть в работе ДВС, ну и конечно видео версия в конце …
Статья будет написана для новичков, так что если вы искушенный инженер, можете ее не читать, написана для общего понимания циклов работы ДВС.
Также хочется отметить, что вариаций различных конструкций очень много, самые известные которые мы еще можем знать, цикл ДИЗЕЛЯ, СТИРЛИНГА, КАРНО, ЭРИКСОННА и т.д. Если посчитать конструкции, то их может набраться около 15. И не все двигатели внутреннего сгорания, а например, у СТИРЛИНГА внешнего.
Но самые известные, которые применяются и по сей день в автомобилях, это ОТТО, АТКИНСОН и МИЛЛЕР. Вот про них и будем говорить.
По сути это обычный тепловой двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси (через свечу) который применяется сейчас в 60 — 65% автомобилей. ДА – да, именно тот, который у вас стоит под капотом, работает по циклу ОТТО.
Однако если копнуть в историю, первым принцип такого ДВС предложил в 1862 году французский инженер Альфонс БО ДЕ РОШ. Но это был теоритический принцип работы. ОТТО же в 1878 году (спустя 16 лет) воплотил этот двигатель в металле (на практике) и запатентовал эту технологию
По сути это четырехтактный мотор, которому свойственны:
- Впуск . Подача свежей воздушнотопливной смеси. Открывается впускной клапан.
- Сжатие . Поршень идет вверх, сжимая эту смесь. Оба клапана закрыты
- Рабочий ход . Свеча поджигает сжатую смесь, загоревшиеся газы толкают поршень вниз
- Отвод отработанных газов . Поршень идет вверх, выталкивая сгоревшие газы. Открывается выпускной клапан
Хочется отметить, что впускные и выпускные клапана, работают в строгой последовательности – ОДИНАКОВО при высоких и при низких оборотах. То есть изменения работы при различных оборотах не наблюдается.
В своем двигателе ОТТО первый применил сжатие рабочей смеси, для поднятия максимальной температуры цикла. Которое осуществлялось по адиабате (простыми словами без теплообмена с внешней средой).
После сжатия смеси, она воспламенялась от свечи, после этого начинался процесс отвода тепла, который протекал практически по изохоре (то есть при постоянном объеме цилиндра двигателя).
Так как ОТТО запатентовал свою технологию, ее промышленное использование было не возможным. Чтобы обойти патенты Джеймс Аткинсон в 1886 году, решил модифицировать цикл ОТТО. И предложил свой тип работы двигателя внутреннего сгорания.
Он предложил изменить соотношение времен тактов, благодаря чему рабочий ход был увеличен за счет усложнения кривошипно-шатунной конструкции. Нужно отметить что тестовый экземпляр который он построил, был одноцилиндровый, и не получил большого распространения из-за сложности конструкции.
Если в двух словах описать принцип работы этого ДВС, то получается:
Все 4 такта (впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск) – происходили за одно вращение коленчатого вала (у ОТТО вращений — два). Благодаря сложной системе рычагов, которые крепились рядом с «коленвалом».
В этой конструкции получилось реализовать определенные соотношения длин рычагов. Если сказать простыми словами — ход поршня на такте впуска и выпуска БОЛЬШЕ, чем ход поршня в также сжатия и рабочего хода.
Что это дает? ДА то, что можно «играться» степенью сжатия (меняя ее), за счет соотношения длин рычагов, а не за счет «дросселирования» впуска! Из этого выводится преимущество цикла АКТИНСОНА, по насосным потерям
Такие моторы получились достаточно эффективными с высоким КПД и маленьким расходом топлива.
Однако отрицательных моментов также было много:
- Сложность и громоздкость конструкции
- Низкий на низких оборотах
- Плохо управляется дроссельной заслонкой, будь то ()
Ходят упорные слухи, что принцип АТКИНСОНА использовался на гибридных автомобилях, в частности компании TOYOTA. Однако это немного не правда, там использовался только его принцип, а вот конструкция применялась другого инженера, а именно Миллера. В чистом виде моторы АТКИНСОНА скорее имели единичный характер, чем массовый.
Ральф Миллер также решил поиграться со степенью сжатия, в 1947 году. То есть он как бы продолжит работу АТКИНСОНА, но взял не его сложный двигатель (с рычагами), а обычный ДВС ОТТО.
Что он предложил . Он не стал делать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как предлагал Аткинсон, у него поршень движется быстрее вверх, чем вниз). Он придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршней вверх и вниз одинаковым (классический мотор ОТТО).
Можно было пойти двумя способами:
- Закрывать впускные клапана раньше окончания такта впуска – такой принцип получил название «Укороченный впуск»
- Либо закрывать впускные клапана позже такта впуска – этот вариант получил названия «Укороченного сжатия»
В конечном итоге, оба принципа дают одно и тоже – уменьшение степени сжатия, рабочей смеси относительно геометрической! Однако сохраняется степень расширения, то есть такт рабочего хода сохраняется (как в ДВС ОТТО), а такт сжатия как бы сокращается (как в ДВС Аткинсона).
Простыми словами — воздушно-топливная смесь у МИЛЛЕРА сжимается намного меньше, чем должна была сжиматься в таком же моторе у ОТТО. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия, и соответственно физическую степень расширения. Намного большую, чем обусловлено детонационными свойствами топлива (то есть бензин нельзя сжимать бесконечно, начнется детонация)! Таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ (верней мертвой точке), оно имеет намного большую степень расширения чем у конструкции ОТТО. Это дает намного больше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что и повышает тепловую эффективность конструкции, что влечет высокую экономию, эластичность и т.д.
Стоит также учитывать, что на такте сжатия уменьшаются насосные потери, то есть сжимать топливо у МИЛЛЕРА легче, требуется меньше энергии.
Отрицательные стороны – это уменьшение пиковой выходной мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров. Чтобы снять такую же мощность как у ОТТО (при высоких оборотах), мотор нужно было строить больше (объемнее цилиндры) и массивнее.
На современных моторах
Так в чем же разница?
Статья получилась сложнее, чем я предполагал, но если подвести итог. ТО получается:
ОТТО – это стандартный принцип обычного мотора, которые сейчас стоят на большинстве современных автомобилей
АТКИНСОН – предлагал более эффективный ДВС, за счет изменения степени сжатия при помощи сложной конструкции из рычагов которые подсоединялись к коленчатому валу.
ПЛЮСЫ — экономия топлива, эластичнее мотор, меньше шума.
МИНУСЫ – громоздкая и сложная конструкция, низкий крутящий момент на низких оборотах, плохо управляется дроссельной заслонкой
В чистом виде сейчас практически не применяется.
МИЛЛЕР – предложил использовать пониженную степень сжатия в цилиндре, при помощи позднего закрытия впускного клапана. Разница с АТКИНСОНОМ огромна, потому как он использовал не его конструкцию, а ОТТО, но не в чистом виде, а с доработанной системой ГРМ.
Предполагается что поршень (на такте сжатия) идет с меньшим сопротивлением (насосные потери), и лучше геометрически сжимает воздушно-топливную смесь (исключая ее детонацию), однако степень расширения (при воспламенении от свечи) остается почти такая же, как и в цикле ОТТО.
ПЛЮСЫ — экономия топлива (особенно на низких оборотах), эластичность работы, низкий шум.
МИНУСЫ – уменьшение мощности при высоких оборотах (из-за худшего наполнения цилиндров).
Стоит отметить, что сейчас принцип МИЛЛЕРА используется на некоторых автомобилях при невысоких оборотах. Позволяет регулировать фазы впуска и выпуска (расширяя или сужая их при помощи
Аткинсон, Миллер, Отто и другие в нашем небольшом техническом экскурсе.
Для начала разберемся что такое цикл работы двигателя. ДВС – это объект, который превращает давление от сгорания топлива в механическую энергию, а так как он работает с теплом, то он является тепловой машиной. Так вот, цикл для тепловой машины – это круговой процесс, в котором совпадают начальные и конечные параметры, которые определяют состояние рабочего тела (в нашем случае это цилиндр с поршнем). Такими параметрами являются давление, объем, температура и энтропия.
Именно эти параметры и их изменение задают то, как будет работать двигатель, а другими словами – каким будет его цикл. Поэтому, если у вас есть желание и познания в термодинамике, можете создать свой цикл работы тепловой машины. Главное потом заставить работать ваш двигатель, чтоб доказать право на существование.
Цикл Отто
Начнем мы с самого главного цикла работы, который используют практически все ДВС в наше время. Назван он в честь Николауса Августа Отто, немецкого изобретателя. Первоначально Отто использовал наработки бельгийца Жана Ленуара. Немного понимания первоначальной конструкции даст эта модель двигателя Ленуара.
Так как Ленуар и Отто не были знакомы с электротехникой, то воспламенение в их прототипах создавалось открытым пламенем, которое через трубку зажигало смесь внутри цилиндра. Главное отличие двигателя Отто от двигателя Ленуара было в размещении цилиндра вертикально, что натолкнуло Отто на использование энергии отработанных газов для поднятия поршня после рабочего хода. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления. И после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Именно полнота использования энергии позволила поднять КПД до умопомрачительных на то время 15%, что превышало эффективность даже паровых машин. Кроме того, такая конструкция позволила использовать в пять раз меньше топлива, что потом привело к тотальному доминированию подобной конструкции на рынке.
Но главная заслуга Отто – изобретение четырехтактного процесса работы ДВС. Это изобретение было сделано в 1877 году и тогда же было запатентовано. Но французские промышленники покопались в своих архивах и нашли, что идею четырехтактной работы за несколько лет до патента Отто описал француз Бо де Рош. Это позволило снизить патентные выплаты и заняться разработкой собственных моторов. Но благодаря опыту, двигатели Отто были на голову лучше конкурентов. И к 1897 году их было сделано 42 тысячи штук.
Но что, собственно говоря, такое цикл Отто? Это знакомые нам со школьной скамьи четыре такта ДВС – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы занимают равное количество времени, а тепловые характеристики мотора показаны на следующем графике:
Где 1-2 – это сжатие, 2-3 – рабочий ход, 3-4 – выпуск, 4-1 – впуск. КПД такого двигателя зависит от степени сжатия и показателя адиабаты:
, где n – степень сжатия, k – показатель адиабаты, или отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме.
Другими словами – это количество энергии, которую нужно потратить, чтобы вернуть газ внутри цилиндра к прежнему состоянию.
Цикл Аткинсона
Был изобретен в 1882 году Джеймсом Аткинсоном, британским инженером. Цикл Аткинсона повышает эффективность работы цикла Отто, но уменьшает выделяемую мощность. Основное отличие – разное время выполнения разных тактов работы мотора.
Особенная конструкция рычагов двигателя Аткинсона позволяет совершать все четыре хода поршня всего за один поворот коленчатого вала. Также данная конструкция делает ходы поршня разной длинны: ход поршня во время впуска и выпуска длиннее, чем во время сжатия и расширения.
Еще одна из особенностей двигателя в том, что кулачки газораспределения (открытия и закрытия клапанов) расположены прямо на коленчатом валу. Это устраняет потребность отдельной установки распределительного вала. К тому же нет необходимости устанавливать редуктор, так как коленчатый вал крутится с вдвое меньшей скоростью. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики, но в конце ХХ века он стал более популярным, так как начал применяться на гибридах.
Так что, в дорогих Lexus стоят такие странные агрегаты? Отнюдь нет, цикл Аткинсона в чистом виде никто и не собирался реализовывать, но модифицировать обычный моторы под него – вполне реально. Поэтому не будем долго разглагольствовать об Аткинсоне и перейдем к циклу, который его воплотил в реальность.
Цикл Миллера
Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Аткинсона с более простым двигателем Отто. Вместо того, чтобы сделать механически такт сжатия более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).
Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска, либо закрывать его существенно позже окончания этого такта. Первый подход у мотористов носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается - как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси).
Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива - приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия». Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограниченной топливом) мотор Миллера имеет значительно большую степень расширения, чем мотор Отто. Это дает возможность более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что, собственно, и повышает тепловую эффективность мотора, обеспечивает высокую экономичность двигателя и так далее. Также одним из плюсов цикла Миллера является возможность более широкой вариации времени зажигания без риска детонации, что дает более широкие возможности для инженеров.
Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра. Так как для получения такой же выходной мощности потребовался бы двигатель Миллера большего размера, чем двигатель Отто, выигрыш от повышения тепловой эффективности цикла будет частично потрачен на увеличившиеся, вместе с размерами двигателя, механические потери (трение, вибрации и т. д.).
Цикл Дизеля
И напоследок стоит хотя бы кратко вспомнить о цикле Дизеля. Рудольф Дизель изначально хотел создать двигатель, который бы максимально приблизился к циклу Карно, в котором КПД определяется лишь разностью температур рабочего тела. Но так как охлаждать двигатель до абсолютного ноля – не круто, Дизель пошел другим путем. Он увеличил максимальную температуру, для чего начал сжимать топливо до запредельных на то время значений. Мотор у него получился с действительно высоким КПД, но работал изначально на керосине. Первые прототипы Рудольф построил в 1893 году, и только к началу ХХ столетия перешел на другие виды топлива, в том числе и дизельное.
- , 17 Июл 2015
Слайд 2
Классический ДВС
Классический четырехтактный мотор был изобретен в далеком 1876 году одним немецким инженером по имени Николаус Отто, цикл работы такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Слайд 3
Индикаторная диаграмма цикла Отто и Аткинсона.
Слайд 4
Цикл Аткинсона
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.
Слайд 5
Теперь, если бы все происходило в соответствии с циклом Отто и впускной клапан закрылся бы в НМТ то кривая сжатия прошла бы вверху, и давление в конце такта оказалось бы чрезмерным - ведь степень сжатия здесь больше! После искры последовала бы не вспышка смеси, а детонационный взрыв - и двигатель, не проработав и часа, почил бывзрыв. 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.
Слайд 6
Цикл «Аткинсона»
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: сделать 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 ToyotaPrius стало возможным благодаря тому, что он работает в облегченном режиме.
Слайд 7
Цикл «Миллера»
Цикл Миллера - термодинамический цикл используемый в четырёхтактных ДВС. Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств двигателя Анткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто.
Слайд 8
Вместо того, чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал сократить такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто).
Слайд 9
Для этого Миллер предложил два разных подхода: закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), закрывать его существенно позже окончания этого такта.
Слайд 10
Первый подход у двигателей носит условное название «укороченного впуска», а второй - «укороченного сжатия». Оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается - как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси)
Слайд 11
Второй подход «Миллера»
Такой подход несколько более выгоден с точки зрения потерь на сжатие, и поэтому именно он практически реализован в серийных автомобильных моторах Mazda «MillerCycle». В таком моторе впускной клапан не закрывается с окончанием такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя на такте впуска топливно-воздушной смесью был заполнен весь объем цилиндра, часть смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень двигается вверх на такте сжатия.
Слайд 12
Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан наконец закрывается, и смесь оказывается запертой в цилиндре. Таким образом смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем должна была бы сжиматься в двигателе Отто такой же механической геометрии. Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, степень расширения!) выше пределов, обуславливаемых детонационными свойствами топлива - приведя фактическое сжатие к допустимым значениям за счет вышеописанного «укорочения цикла сжатия».Слайд 15
Заключение
Если внимательно присмотреться к циклу – как Аткинсона, так и Миллера, можно заметить, что в обоих присутствует дополнительный пятый такт. Он имеет свои собственные характеристики и не является, по сути, ни тактом впуска, ни тактом сжатия, а промежуточным самостоятельным тактом между ними. Поэтому двигатели, работающие по принципу Аткинсона или Миллера называют пятитактными.
Посмотреть все слайды
Мало кто задумывается о процессах, происходящих в привычном двигателе внутреннего сгорания. В самом деле, кто вспомнит курс физики уровня 6-7-го 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 Xedos 9, известные также как Millenia и Eunos 800. Этот V-образный 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 220 л. с. при 5500 об/мин, крутящий момент 295 Нм при 5500 об/мин - 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 RX-7 и RX-8 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 RX-8 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.
 |
| Mazda RX-7 |
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.
