Cykl Atkinsona

Termodynamika
Carnot heat engine 2.svg
Klasyczny silnik cieplny Carnota
Gałęzie
Prawa
Systemy
Państwo
Procesy
Cykle
Właściwości systemu
Uwaga : zmienne sprzężone kursywą
Funkcje procesu
Funkcje państwa
Właściwości materiału
Specyficzna pojemność cieplna 
Ściśliwość 
Rozszerzalność cieplna 
równania
Potencjały
  • Historia
  • Kultura
Historia
Filozofia
teorie
Kluczowe publikacje
Osie czasu
  • Sztuka
  • Edukacja
Naukowcy
Inny

Silnik pracujący w cyklu Atkinsona to rodzaj silnika spalinowego wynalezionego przez Jamesa Atkinsona w 1882 roku. Cykl Atkinsona ma na celu zapewnienie wydajności kosztem gęstości mocy .

Odmiana tego podejścia jest stosowana w niektórych nowoczesnych silnikach samochodowych. Pierwotnie spotykane wyłącznie w hybrydowych napędach elektrycznych , takich jak Toyota Prius poprzedniej generacji , późniejsze hybrydy i niektóre pojazdy niehybrydowe są obecnie wyposażone w silniki ze zmiennymi fazami rozrządu , które mogą pracować w cyklu Atkinsona jako tryb pracy w niepełnym wymiarze godzin, zapewniając dobre oszczędność podczas pracy w cyklu Atkinsona i konwencjonalną gęstość mocy podczas pracy jako konwencjonalny silnik w cyklu Otto .

Projekt

Atkinson wyprodukował trzy różne konstrukcje, które miały krótki skok sprężania i dłuższy skok rozprężania. Pierwszy silnik pracujący w cyklu Atkinsona, silnik różnicowy , wykorzystywał przeciwstawne tłoki. Drugim i najbardziej znanym projektem był silnik cykliczny , który wykorzystywał ramię ponadśrodkowe do wykonania czterech skoków tłoka podczas jednego obrotu wału korbowego. Silnik tłokowy miał suwy wlotu, sprężania, mocy i wydechu cyklu czterosuwowego w jednym obrocie wału korbowego i został zaprojektowany tak, aby uniknąć naruszania niektórych patentów obejmujących o cyklu Otto . Trzeci i ostatni silnik Atkinsona, silnik utilite , działał podobnie jak każdy silnik dwusuwowy.

Wspólnym wątkiem we wszystkich projektach Atkinsona jest to, że silniki mają suw rozprężania, który jest dłuższy niż suw sprężania, i dzięki tej metodzie silnik osiąga większą sprawność cieplną niż tradycyjny silnik tłokowy. Silniki Atkinsona były produkowane przez British Gas Engine Company, a także licencjonowane dla innych zagranicznych producentów.

Wiele nowoczesnych silników wykorzystuje obecnie niekonwencjonalne rozrządy zaworowe, aby uzyskać efekt krótszego suwu sprężania/dłuższego suwu mocy. Miller zastosował tę technikę do silnika czterosuwowego, dlatego czasami określa się go jako cykl Atkinsona / Millera , patent USA 2817322 z dnia 24 grudnia 1957 r. W 1888 r. Charon złożył francuski patent i zaprezentował silnik na wystawie w Paryżu w 1889 r. Silnik gazowy Charona (czterosuwowy) wykorzystywał cykl podobny do Millera, ale bez doładowania. Nazywa się to „cyklem Charona”.

Hugo Güldner argumentował w swojej książce z 1914 r., Że Körting była pierwszą firmą, która zbudowała silnik gazowy z krótkim skokiem sprężania i dłuższą fazą rozprężania w 1891 r., W oparciu o projekt zaproponowany po raz pierwszy przez Otto Köhlera w 1887 r. Silnik ten miał również silnik- zależny od obciążenia układ rozrządu, który zwiększał suw wlotu i sprężania wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Z drugiej strony kompresja spadała przy niskich i średnich obciążeniach, co ostatecznie zmniejszało wydajność.

Roy Fedden w Bristolu przetestował układ w silniku Bristol Jupiter IV w 1928 r. Ze zmiennym czasem opóźnienia, umożliwiającym wdmuchiwanie części ładunku z powrotem do kolektora dolotowego, aby uzyskać trwałe obniżone ciśnienie robocze podczas startu. [ potrzebne źródło ]

Współcześni projektanci silników zdają sobie sprawę z potencjalnej poprawy efektywności paliwowej, jaką może zapewnić cykl typu Atkinsona.

„Silnik różnicowy” Atkinsona

Pierwsza realizacja cyklu Atkinsona miała miejsce w 1882 roku; w przeciwieństwie do późniejszych wersji, został umieszczony jako przeciwstawny silnik tłokowy , silnik różnicowy Atkinsona. W tym przypadku pojedynczy wał korbowy był połączony z dwoma przeciwległymi tłokami za pomocą łącznika przegubowego, który miał nieliniowość; przez pół obrotu jeden tłok pozostawał prawie nieruchomy, podczas gdy drugi zbliżał się do niego i wracał, a następnie przez następne pół obrotu drugi wspomniany tłok był prawie nieruchomy, podczas gdy pierwszy zbliżał się i wracał.

Tak więc w każdym obrocie jeden tłok zapewniał suw sprężania i suw mocy, a następnie drugi tłok zapewniał suw wydechu i suw ładowania. Ponieważ tłok napędowy pozostawał wycofany podczas wydechu i ładowania, praktyczne było zapewnienie wydechu i ładowania za pomocą zaworów za otworem, który był zakryty podczas suwu sprężania i suwu zasilania, dzięki czemu zawory nie musiały wytrzymywać wysokiego ciśnienia i mogły być prostszego rodzaju stosowanego w wielu silnikach parowych, a nawet zaworach trzcinowych .

  • Patent drawing of the Atkinson "Differential Engine", 1882

    Rysunek patentowy „Silnika różnicowego” Atkinsona, 1882

  • Animation of the Atkinson differential engine, 1882

    Animacja silnika różnicowego Atkinsona, 1882

Atkinson „silnik cykliczny”

Następny silnik zaprojektowany przez Atkinsona w 1887 r. Został nazwany „silnikiem cyklicznym”. Silnik ten wykorzystywał zawory grzybkowe, krzywkę i górne ramię do wykonywania czterech suwów tłoka na każdy obrót wału korbowego. Suwy wlotu i sprężania były znacznie krótsze niż suwy rozprężania i wydechu.

Silniki „Cycle” były produkowane i sprzedawane przez kilka lat przez British Engine Company. Atkinson udzielał również licencji na produkcję innym producentom. Rozmiary wahały się od kilku do 100 koni mechanicznych.

  • Atkinson gas engine as shown in US Patent 367496, 1887

    Silnik gazowy Atkinsona, jak pokazano w patencie USA 367496, 1887

  • Animation of the Atkinson "Cycle Engine", 1887

    Animacja „Cycle Engine” Atkinsona, 1887

Atkinson „Utilite Engine”

Silnik Atkinson Utilite
Silnik Atkinsona Utilite 1892

Trzeci projekt Atkinsona został nazwany „Utilite Engine”. Silnik „Cycle” Atkinsona był wydajny; jednak jego połączenie było trudne do zrównoważenia podczas pracy z dużą prędkością. Atkinson zdał sobie sprawę, że potrzebne jest ulepszenie, aby jego cykl był bardziej odpowiedni jako silnik o większej prędkości.

Dzięki tej nowej konstrukcji Atkinson był w stanie wyeliminować powiązania i stworzyć bardziej konwencjonalny, dobrze wyważony silnik, zdolny do pracy z prędkością do 600 obr./min i zdolny do wytwarzania mocy przy każdym obrocie, zachowując jednak całą wydajność swojego „Cycle Engine” z proporcjonalnie krótkim skokiem sprężania i dłuższym skokiem rozprężania. Utilite działa podobnie jak standardowy dwusuw, z wyjątkiem tego, że otwór wydechowy znajduje się mniej więcej w połowie skoku.

Podczas suwu rozprężania/siłowego zawór sterowany krzywką (który pozostaje zamknięty, dopóki tłok nie zbliży się do końca suwu) zapobiega ucieczce ciśnienia, gdy tłok przechodzi przez otwór wylotowy. Zawór wydechowy jest otwarty w dolnej części skoku; pozostaje otwarty, gdy tłok kieruje się z powrotem w kierunku sprężania, pozwalając świeżemu powietrzu naładować cylinder i ulotnić się, dopóki otwór nie zostanie zakryty przez tłok.

Po zakryciu otworu wylotowego tłok zaczyna sprężać pozostałe w cylindrze powietrze. Mała tłokowa pompa paliwowa wtryskuje ciecz podczas sprężania. Źródłem zapłonu była prawdopodobnie gorąca rura, podobnie jak w innych silnikach Atkinsona. Ta konstrukcja zaowocowała silnikiem dwusuwowym z krótkim skokiem sprężania i dłuższym skokiem rozprężania.

Silnik Utilite przetestowany jako jeszcze bardziej wydajny niż poprzednie projekty „różnicowe” i „cykliczne” Atkinsona. Wyprodukowano bardzo niewiele i żaden nie przetrwał. Brytyjski patent pochodzi z 1892 roku, nr 2492. Żaden amerykański patent na Utilite Engine nie jest znany.

Idealny cykl termodynamiczny

Rysunek 1: Cykl gazowy Atkinsona

Idealny cykl Atkinsona składa się z:

Nowoczesne silniki pracujące w cyklu Atkinsona

Mały silnik z połączeniami w stylu Atkinsona między tłokiem a kołem zamachowym. Nowoczesne silniki pracujące w cyklu Atkinsona eliminują tę złożoną ścieżkę energii.

Pod koniec XX wieku zaczęto używać terminu „cykl Atkinsona” do opisania zmodyfikowanego silnika pracującego w cyklu Otto - w którym zawór dolotowy jest otwarty dłużej niż normalnie, umożliwiając odwrotny przepływ powietrza dolotowego do kolektora dolotowego. Ten „symulowany” cykl Atkinsona jest używany przede wszystkim w Toyoty 1NZ-FXE z wczesnego Priusa oraz w silniku Toyota Dynamic Force używanym w wielu pojazdach.

Efektywny stopień sprężania jest zmniejszony — na czas, gdy powietrze uchodzi swobodnie z cylindra, zamiast być sprężane — ale współczynnik rozprężania pozostaje niezmieniony (tj. stopień sprężania jest mniejszy niż stopień rozprężania). Celem współczesnego cyklu Atkinsona jest wyrównanie ciśnienia w komorze spalania pod koniec suwu pracy z ciśnieniem atmosferycznym. Kiedy to nastąpi, cała dostępna energia została uzyskana z procesu spalania. W przypadku dowolnej porcji powietrza większy współczynnik rozszerzalności przekształca więcej energii z ciepła w użyteczną energię mechaniczną, co oznacza, że ​​silnik jest bardziej wydajny.

Wadą czterosuwowego silnika pracującego w cyklu Atkinsona w porównaniu z bardziej powszechnym silnikiem działającym w cyklu Otto jest zmniejszona gęstość mocy. Ponieważ mniejsza część suwu sprężania jest przeznaczona na sprężanie powietrza dolotowego, silnik pracujący w cyklu Atkinsona nie pobiera tak dużo powietrza, jak silnik pracujący w cyklu Otto o podobnej konstrukcji i rozmiarze. Czterosuwowe silniki tego typu, które wykorzystują ten sam rodzaj ruchu zaworu dolotowego, ale wykorzystują wymuszoną indukcję w celu uzupełnienia utraty gęstości mocy, są znane jako silniki o cyklu Millera .

Obrotowy silnik pracujący w cyklu Atkinsona

Obrotowy silnik pracujący w cyklu Atkinsona

Cykl Atkinsona można zastosować w silniku rotacyjnym . W tej konfiguracji można uzyskać wzrost zarówno mocy, jak i wydajności w porównaniu z cyklem Otto. Ten typ silnika zachowuje jedną fazę mocy na obrót, wraz z różnymi objętościami sprężania i rozprężania oryginalnego cyklu Atkinsona.

Gazy spalinowe są usuwane z silnika przez przedmuchiwanie sprężonym powietrzem. Ta modyfikacja cyklu Atkinsona umożliwia stosowanie paliw alternatywnych, takich jak olej napędowy i wodór.

Wady tej konstrukcji obejmują wymaganie, aby końcówki wirnika przylegały bardzo szczelnie do zewnętrznej ściany obudowy oraz straty mechaniczne ponoszone przez tarcie między szybko oscylującymi częściami o nieregularnym kształcie. Zobacz linki zewnętrzne poniżej, aby uzyskać więcej informacji.

Silnik Sachs KC-27 Wankla w motocyklu Hercules W-2000 wykorzystywał cykl Atkinsona. Kapsuła depresyjna otwiera wtórną ścieżkę dla nadchodzącego ładunku. [ potrzebne źródło ]

Pojazdy z silnikami pracującymi w cyklu Atkinsona

Hybryda Hyundaia Ioniq
2010 Ford Fusion Hybrid (Ameryka Północna)

Chociaż zmodyfikowany silnik tłokowy pracujący w cyklu Otto, wykorzystujący cykl Atkinsona, zapewnia dobrą oszczędność paliwa , odbywa się to kosztem niższej mocy na pojemność skokową w porównaniu z tradycyjnym silnikiem czterosuwowym. Jeśli zapotrzebowanie na większą moc jest przerywane, moc silnika można uzupełnić silnikiem elektrycznym w okresach, gdy potrzebna jest większa moc. Stanowi to podstawę hybrydowego elektrycznego napędu elektrycznego opartego na cyklu Atkinsona układ napędowy. Te silniki elektryczne mogą być używane niezależnie lub w połączeniu z silnikiem pracującym w cyklu Atkinsona, aby zapewnić najbardziej wydajne środki wytwarzania pożądanej mocy. Ten układ napędowy po raz pierwszy wszedł do produkcji pod koniec 1997 roku w Toyocie Prius pierwszej generacji .

Od lipca 2018 r. wiele produkowanych układów napędowych pojazdów hybrydowych wykorzystuje koncepcje cyklu Atkinsona — na przykład w:

Patenty

Patent z 1887 r. (US 367496) opisuje mechaniczne połączenia niezbędne do uzyskania wszystkich czterech suwów cyklu czterosuwowego silnika gazowego w ciągu jednego obrotu wału korbowego. Istnieje również odniesienie do patentu Atkinsona z 1886 r. (US 336505), który opisuje z przeciwbieżnymi tłokami . Brytyjski patent na „Utilite” pochodzi z 1892 roku (nr 2492).

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Atkinson_cycle&oldid=1103621995 ”