Несмотря на единообразное название принципа работы современных автомобильных двигателей – все они внутреннего сгорания, происходящие в них термодинамические циклы могут различаться. Для их обозначения используют, как правило, три термина: цикл Отто, цикл Аткинсона и цикл Миллера. Чем они отличаются и как реализованы, мы расскажем в нашей публикации.
Прежде чем перейти к основному, давайте сразу разберемся с понятиями. Строго говоря, используемые сейчас повсеместно названия «цикл Аткинсона» и «цикл Миллера» мало соответствуют оригинальным патентам этих уважаемых инженеров. Однако эти словосочетания так прочно укоренились в современной терминологии, что воспринимаются теперь единственно верными и абсолютно корректными. Поэтому у нас не остается иного выбора, кроме как ориентироваться на них, не забывая однако о том, что сегодня эти технологии значительно модернизированы. Ну а для того, чтобы узнать, как все это произошло и почему именно так, мы перенесемся на полторы сотни лет назад.
Это Отто, детка
Началась наша история в 1876 году, когда немецкий инженер Николаус Отто создал без преувеличения революционное устройство, способное приводить в движение механизмы самого разного оборудования – от конвейерных линий до моторизованных транспортных средств.
Фото: wikipedia.orgПринцип его действия с высоты XXI века кажется элементарным, но для второй половины XIX века это был настоящий прорыв, выглядевший абсолютной фантастикой. Всасывание воздуха, смешение этого воздуха с топливом, последующее сжатие и воспламенение на выходе давало огромную по тем временам энергию. Но главное, оно не требовало применения кнута для разгона лошади.
Отто не только заложил основы автомобилестроения, но и запустил процесс бесконечного совершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания. Этот процесс продолжается и поныне, несмотря на ярые упорствования электрифицированного зеленого братства.
Отдавая дань гению немецкого инженера, мы должны понимать, что предложенное им решение было все же очень громоздким и малоэффективным. Оно характеризовалось невероятно низкой топливной экономичностью, а выхлопные газы выбрасывали больше свинца, чем все голливудские боевики вместе взятые. Однако не будь его, современное автомобилестроение выглядело бы совершенно иначе.
Фото: Andy Dingley, wikipedia.orgВедь до сих пор основу процесса выработки энергии посредством ДВС составляют четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (расширение) и выпуск. Неслучайно такой двигатель получил название «четырехтактный», а большая часть оригинальной конструкции Отто по-прежнему применяется в более эффективных двигателях, использующих циклы Аткинсона и Миллера.
Все, что мы сегодня знаем про поршневые двигатели (коленчатый вал, шатуны, поршни, клапаны, камеры сгорания, впускной коллектор, распределительный вал, выпускной коллектор и прочее), появилось именно тогда, во второй половине XIX века. И до наших дней оно из двигателя никуда не делось, получив лишь модификации, направленные на снижение массы, повышение прочности, ресурса, экономичности и всего прочего, чего надо было повысить.
Фото: wikipedia.orgВпрочем, повторимся еще раз, несмотря на всю революционность, конструкция Отто грешила колоссальными потерями мощности и энергии, повергая неподготовленных сторонних наблюдателей в ужас и трепет не только своей громогласно-вонючей работой, но и одним внешним видом. К тому же внезапно выяснилось, что придумал весь этот кошмар не Отто, а Бо де Роша.
Сегодня уже вряд ли получится восстановить справедливость и установить истину, однако когда Готлиб Даймлер, собираясь производить авто и не желая платить коллеге роялти, нанял юриста, последний довольно быстро раскопал патент на концепцию четырехтактного двигателя уже упомянутого де Роша, выданный еще аж в 1862 году.
В итоге Отто лишился одного из своих патентов и, соответственно, эксклюзивности, а возможность разрабатывать четырехтактные моторы получил не только Даймлер, но и любые другие талантливые инженеры, способные усовершенствовать изначальную конструкцию. Впрочем, стоит отметить, что месье де Роша своего двигателя так никогда и не построил, а ни Даймлер, ни Отто о трудах французского коллеги, по всей видимости, и слыхом не слыхивали.
Велком, мистер Аткинсон
Одним из талантливых инженеров, решившим сделать четырехтактный ДВС чуть лучше, оказался британец Джеймс Аткинсон. Пытаясь обойти еще действовавшие патенты и не нарушить авторские права на оригинал, в 1882 году он запатентовал собственную конструкцию. В ее основе для повышения эффективности и мощности лежало использование переменной длины хода поршня.
Выглядит решение Аткинсона весьма элегантно. За счет более короткого и эффективного такта сжатия с последующим более длинным рабочим ходом воздействие на поршень значительно усиливается. Как результат – существенное повышение эффективности всего термодинамического цикла в целом. Вдобавок появляется возможность уложить все четыре такта в один оборот коленчатого вала, в пределах 360 градусов, в отличие от 720 градусов вращения, необходимых в цикле Отто.
Фото: wikipedia.orgОднако для реализации такой хитрой концепции потребовалось применение еще более хитрой механики с многозвенными шатунами, что значительно усложнило конструкцию и привело к отказу от ее использования в течение нескольких десятилетий. Фактически до конца XX века, когда переосмысленный цикл Аткинсона взяла на вооружение Toyota при разработке двигателя 1NZ-FXE. Этот мотор, как известно, японский производитель применил на первом гибриде – модели Prius.
Дело в том, что более высокие показатели эффективности двигатель Аткинсона достигал благодаря меньшей мощности на низких оборотах. Лишь с появлением дополнительного электромотора и питающей аккумуляторной батареи этот недостаток компенсировался: электрическая гибридная система позволяет выходить на оптимальный режим гораздо быстрее, передавая максимум нагрузки на ДВС уже на крейсерских скоростях. Но пока она не появилась, цикл Аткинсона забросили в чулан как совершенно бессмысленное решение.
Современные моторы, позиционируемые как работающие по циклу Аткинсона, используют его модернизированную версию, в которой такт сжатия укорачивается не за счет сложной системы шатунов, а благодаря удержанию впускного клапана открытым в начале сгорания. Однако называть эту концепцию полноценным циклом Аткинсона не представляется возможным еще и потому, что все четыре такта реализуются только за два оборота коленчатого вала. И на самом деле все это очень похоже на немного другое решение.
Вести с другого континента
Следующие радикальные инженерные новации в конструкции поршневых двигателей прилетели в автопром с Американского континента. Их автор Ральф Миллер запатентовал свои мысли в 1957 году. Идея в целом, опять же с высоты XXI века, элементарна и просто сама просится быть воплощенной в жизнь.
Американскому инженеру удалось повысить эффективность четырехтактного ДВС за счет увеличения времени открытия впускного клапана и компенсации потерь на сжатие с помощью наддува. Во многом это созвучно идеям Аткинсона, что неудивительно, поскольку оба инженера старались повысить эффективность, оптимизируя рабочие процессы. Только Аткинсон пытался реализовывать разные такты сжатия и рабочего хода за счет хитрой механики, а Миллер смог достичь того же термодинамического результата за счет задержки смены фаз газораспределения изменением времени открытия впускного клапана.
Фото: wikipedia.orgВпоследствии это почему-то назовут модернизированным циклом Аткинсона, и возникнет неразбериха с понятиями. Но мы вас уже заранее предупредили о том, что современные технологии с оригинальными патентами имеют мало общего. Поэтому давайте вернемся к тому, что было придумано изначально, и продолжим разговор.
Миллер, судя по всему, отдавал себе отчет в том, что на малых скоростях эффективность его детища так же довольно низка, поэтому и ввел в схему турбонаддув. В его конструкции поднимающийся вверх во время такта сжатия поршень выталкивает воздух обратно во впускной коллектор и снижает давление в конце такта (впускной клапан закрывается после того, как поршень поднимется на 20-30% от общего хода). Благодаря этому снижаются потери на прокачку и механическое сопротивление. Но такая конструкция при повышении эффективности зажигания и рабочего хода оказывает крайне негативное влияние на показатели производительности на низких оборотах.
Для того, чтоб это негативное влияние нивелировать, и появился турбонаддув. Однако со временем некоторые автопроизводители научили двигатели Миллера работать эффективно и без нагнетателя, выпуская «атмосферники Миллера». Лучший пример – это конечно же, Mazda. Но мы чуть забежали вперед.
Фото: autowp.ruДвух маток сосет
Как вы, наверное, уже поняли, лучшее решение – это сочетание. Хлеб вкуснее с колбасой, а икра – с маслом. Подобно этому и Миллер лучше «заходит» на пару с Аткинсоном. Возвращаясь к Приусу, можем сказать, что в основе того двигателя лежал некий «приусовский цикл», воплотившийся в совмещенном цикле Аткинсона/Миллера.
Для достижения максимальной производительности и экономичности 1NZ-FXE, по сути, использовал оба типа четырехтактного двигателя. Только наддув в нем заменила гибридная система. Причем эта конструкция оказалась еще и очень надежной, дополнительно укрепив в сознании поклонников марки сентенцию «Тойота не ломается». Она, конечно же, ломается, но Prius и правда был весьма живуч.
Это дает ощутимое увеличение мощности на низких оборотах, повышение КПД и сокращение износа компонентов двигателя.
А Mazda продолжает промышлять с Миллером. Дав аудитории достаточно времени, чтобы она подзабыла жутковатую Millenia (она же Xedos 9, она же Eunos 800), в которой стоял 2,3-литровый V6 KJ-ZEM, работавший по циклу Миллера, производитель снова вернул эту тему из небытия.
