Цикл Аткинсона: от чего зависит эффективность двигателя с высокой степенью сжатия — от коэффициента сжатия, коэффициента расширения или от того и другого?

Цикл Аткинсона (точнее, цикл Миллера) более эффективен, чем цикл Отто, поскольку при сжатии воздуха на такте сжатия теряется меньше энергии. В цикле Миллера впускные клапаны остаются открытыми в течение некоторого времени, а затем закрываются сами по достижении заданной относительной высоты (благодаря регулируемому фазному газораспределению).

Кроме того, из-за уменьшения объёма топливно-воздушной смеси, подвергающейся сжатию, что приводит к снижению температуры сжатия, можно использовать более высокую степень сжатия для дальнейшего повышения тепловой эффективности.

Возьмём реальный пример из списка двигателей Toyota Dynamic Force:
https://en.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Toyota_Dynamic_Force

В этом безнаддувном двигателе используются как цикл Отто, так и цикл Миллера (при желании можно использовать цикл Аткинсона, хотя цикл Миллера является более правильным термином). Мы видим, что двигатель Аткинсона:

• Обладает более высоким тепловым КПД (40 % по сравнению с 41 %)


• Использует более высокое соотношение сторон (13,0:1 по сравнению с 14,0:1)

Для лучшего понимания посмотрите это видео на YouTube:
https://youtu.be/NvtcTXey0U8?si=-GTJjNaUdg15hqXc

Эффективность двигателя с циклом Аткинсона зависит от степени расширения.

Часто говорят, что у двигателя с циклом Аткинсона очень высокая степень сжатия. На самом деле это степень расширения. В двигателях Аткинсона впускной клапан закрывается спустя долгое время после того, как поршень достигает верхней мёртвой точки, то есть истинная степень сжатия отличается от указанной «степени сжатия», которая на самом деле является степенью расширения или геометрической степенью сжатия.

Обычно все бензиновые двигатели имеют примерно одинаковую степень сжатия. Разброс невелик. В основном это зависит от качества используемого бензина. В странах с высокими налогами на литр топлива использование высококачественного бензина позволяет избежать этих высоких налогов (за счёт меньшего расхода топлива), поэтому в этих странах бензин имеет несколько более высокое октановое число, чем в таких странах, как США, где налоги на топливо практически отсутствуют. Таким образом, двигатель, предназначенный для США, может иметь немного меньшую степень сжатия, чем двигатель, предназначенный для Европы. Но всё же они довольно близки.

Эффективность цикла Аткинсона зависит от степени расширения, поскольку степень сжатия зависит от типа используемого бензина. Недостатком цикла Аткинсона является то, что при определённом рабочем объёме он выдаёт меньшую мощность, но преимуществом является более высокая энергоэффективность.

Полстер2 также отметил более низкие потери при перекачке. Да, у 2,5-литрового двигателя с циклом Аткинсона потери при перекачке ниже, чем у 2,5-литрового двигателя с циклом Отто. Однако это несправедливое сравнение. Справедливым было бы сравнение того, у какого двигателя мощностью 100 кВт с циклом Аткинсона потери при перекачке ниже, чем у двигателя мощностью 100 кВт с циклом Отто. В этом случае двигатель с циклом Отто имел бы меньший объём и примерно такие же потери при перекачке.

Кроме того, с помощью системы изменения фаз газораспределения можно имитировать цикл Аткинсона, и многие двигатели уже это делают. Однако если двигатель рассчитан на работу по циклу Отто, то геометрическая степень сжатия должна быть типичной для двигателей, работающих по циклу Отто. При переходе на цикл Аткинсона степень сжатия снижается при сохранении степени расширения (геометрической степени сжатия), поэтому действуют две противоположные силы: снижение степени сжатия снижает энергоэффективность, а работа по циклу Аткинсона (а также снижение насосных потерь) повышает энергоэффективность. Чтобы максимально эффективно использовать цикл Аткинсона, двигатель должен быть спроектирован таким образом, чтобы работать только в режиме цикла Аткинсона, или, в качестве альтернативы, иметь переменную степень сжатия, которую можно регулировать на ходу при переключении циклов (что встречается редко). Кроме того, если вы можете регулировать время открытия клапанов, но не продолжительность их открытия, имитация цикла Аткинсона будет неидеальной.

Двигатель, работающий по циклу Аткинсона, был бы очень «ленивым», если бы не был гибридным. Я полагаю, что основная польза от изменения фаз газораспределения, приводящего к тому, что двигатель работает по циклу Аткинсона, заключается не столько в самом цикле Аткинсона, сколько в снижении насосных потерь (в данном случае снижение насосных потерь на единицу мощности реально, поскольку максимальная мощность двигателя не уменьшается при переходе на цикл Аткинсона). Кроме того, такой двигатель может в периоды высокой мощности переключаться обратно на классический цикл Отто, чтобы получить большую мощность, которую двигатели с циклом Аткинсона могут получить только от гибридной аккумуляторной батареи.

Позвольте мне развеять некоторые заблуждения, которые, похоже, у вас есть.

... поймите, что в двигателе внутреннего сгорания эффективность часто (до определённого момента) можно повысить за счёт увеличения степени сжатия...

Как правило, каждый пункт увеличения степени сжатия увеличивает выходную мощность бензинового двигателя примерно на 3 %, при прочих равных условиях.

... это основная причина, по которой дизельные двигатели (которым не нужно ограничивать степень сжатия во избежание детонации) ...

Дизельным двигателям требуется более высокая степень сжатия, чтобы во время такта сжатия в цилиндре выделялось достаточно тепла для воспламенения топлива. Вы говорите «детонация», но на самом деле речь идёт о преждевременном воспламенении. В дизельных двигателях нет преждевременного воспламенения из-за непосредственного впрыска (по крайней мере, в большинстве современных дизельных двигателей используется непосредственный впрыск... в некоторых старых двигателях использовался непрямой впрыск, но я не думаю, что они до сих пор продаются новыми).

... могут быть более эффективными, чем их аналоги с искровым зажиганием.

Помимо степени сжатия, есть ещё две причины, по которым они более эффективны, чем бензиновые двигатели с искровым зажиганием, если оценивать расход топлива в милях на галлон:

1. Дизельное топливо более энергоёмкое, чем бензин. Плотность энергии бензина составляет 33 867 мегаджоулей на кубический метр. Плотность энергии дизельного топлива составляет 27 184 мДж/м3. Следовательно, для получения того же количества энергии требуется меньше дизельного топлива, чем бензина. По этой же причине на этаноле можно проехать меньше, чем на бензине.

   
   



2. Дизельные двигатели более экономичны с точки зрения тепловой эффективности, чем бензиновые. КПД бензиновых двигателей составляет около 20 %, а дизельных — около 40 %.

   
   

Я бы предположил, что двигатель с циклом Аткинсона с коэффициентом расширения 20 и степенью сжатия 10, а также двигатель с циклом Отто со степенью сжатия 20 будут более эффективными, чем двигатель с циклом Отто со степенью сжатия 10.

Вот что, возможно, поможет вам разобраться в работе двигателя Аткинсона: перестаньте думать о том, что степень сжатия меньше степени расширения, и сосредоточьтесь на том, что площадь сжатия меньше площади расширения.

Если подумать об этом с такой точки зрения, то при работе двигателя объёмом 1,2 л, когда во время такта сжатия используется только 1,0 л объёма, во время рабочего такта сжигается только 1,0 л объёма двигателя. При использовании 1,0 л объёма воздушно-топливная смесь должна быть близка к стехиометрической при воспламенении. Если это не так, то вы разбогатеете, а это противоречит изначальной цели. Дополнительный ход поршня при сгорании (дополнительный по отношению к эффективному ходу поршня при сжатии) позволяет двигателю извлекать больше энергии из расширяющейся топливно-воздушной смеси. В моём примере дополнительный ход поршня на 0,2 л позволяет двигателю извлекать больше энергии из заданного количества воздуха и топлива.

Ещё одна причина, по которой цикл Аткинсона обеспечивает более высокую топливную экономичность, заключается в том, что во время такта сжатия происходит меньше насосных потерь. В конце концов, двигатель внутреннего сгорания — это всего лишь насос для перегретого воздуха. Если вам удастся повысить эффективность, вы сможете производить энергию с меньшими затратами.

Однако вы отчасти правы в своих предположениях. Увеличение степени сжатия повышает выходную мощность двигателя Отто (как уже говорилось, на 3 % на каждую степень сжатия) по сравнению с двигателем Аткинсона.

Важно помнить, что цикл Аткинсона используется сегодня по двум причинам.

1. Это позволяет экономить топливо.


2. Это может сократить выбросы оксидов азота (вещества, вызывающего кислотные дожди) на 40 %.

Большинство автопроизводителей, использующих сегодня двигатель Аткинсона, делают это в рамках гибридной системы, поэтому гибридный двигатель может обеспечивать дополнительный крутящий момент, когда он нужен автомобилю, а также использовать рекуперативное торможение для подзарядки аккумуляторов, перерабатывая энергию, которая в противном случае была бы потеряна.

Кстати, если вы ещё не смотрели, на YouTube-канале Engineering Explained есть хорошее видео о том, как работает двигатель Аткинсона по сравнению с двигателем Отто. Оно очень информативное.