Atkinsonův cyklus - Atkinson cycle

Termodynamika
Carnotův tepelný motor 2. sv

The Atkinsonův cyklus je typ spalovací motor vynalezl James Atkinson v roce 1882. Atkinsonův cyklus je navržen tak, aby poskytoval účinnost na úkor hustota výkonu.

Moderní variace tohoto přístupu se používá v některých moderních automobilových motorech. Zatímco původně viděn výhradně v hybridní elektrický aplikace jako dřívější generace Toyota Prius, později hybridy a některá nehybridní vozidla nyní obsahují motory s variabilní časování ventilů, který může běžet v Atkinsonově cyklu jako provozní režim na částečný úvazek, což poskytuje dobrou ekonomiku při běhu v Atkinsonově cyklu a konvenční hustotu výkonu při běžném provozu, Otto cyklus motor.

Design

Atkinson vyrobil tři různé konstrukce, které měly krátký kompresní zdvih a delší expanzní zdvih. První motor s Atkinsonovým cyklem, diferenciální motor, použité protilehlé písty. Druhým a nejznámějším designem byl cyklus motoru, který používal nadměrné rameno k vytvoření čtyř zdvihů pístu v jedné otáčce klikového hřídele. The pístový motor měl sání, kompresi, výkon a výfuk tahy z čtyřtaktní cyklus v jednom otočení klikový hřídel, a byl navržen tak, aby nedošlo k porušení určitých patentových předpisů Otto-cyklus motory.[1] Atkinsonův třetí a poslední motor, užitkový motor, fungoval podobně jako jakýkoli dvoutaktní motor.

Společným vláknem v Atkinsonových designech je, že motory mají expanzní zdvih, který je delší než kompresní zdvih, a touto metodou motor dosahuje většího tepelná účinnost než tradiční pístový motor. Atkinsonovy motory byly vyráběny společností British Gas Engine Company a také licencovány dalším zámořským výrobcům.

Mnoho moderních motorů nyní používá nekonvenční časování ventilů k dosažení efektu kratšího kompresního zdvihu / delšího energetického zdvihu. Miller použil tuto techniku ​​na čtyřtaktní motor, takže se někdy označuje jako Atkinsonův / Millerův cyklus, americký patent 2817322 ze dne 24. prosince 1957.[2] V roce 1888 podal Charon francouzský patent a na pařížské výstavě v roce 1889 vystavil motor. Plynový motor Charon (čtyřtaktní) používal podobný cyklus jako Miller, ale bez kompresoru. Je označován jako „Charonův cyklus“.[3]

Moderní konstruktéři motorů si uvědomují potenciální vylepšení energetické účinnosti, která může poskytnout cyklus Atkinsonova typu.[4]

Atkinson „Diferenční motor“

První implementace Atkinsonova cyklu byla v roce 1882; na rozdíl od pozdějších verzí byl uspořádán jako opačný pístový motor, Atkinsonův diferenciální motor.[5][6] V tomto byl jediný klikový hřídel spojen se dvěma protilehlými písty prostřednictvím kloubového spojení, které mělo nelinearitu; po půl revoluce zůstal jeden píst téměř nehybný, zatímco druhý se k němu přiblížil a vrátil se, a pak pro další poloviční revoluci byl druhý zmíněný píst téměř nehybný, zatímco první se přiblížil a vrátil.

V každé otáčce tedy jeden píst zajišťoval kompresní zdvih a silový zdvih a druhý píst poskytoval výfukový zdvih a nabíjecí zdvih. Protože silový píst zůstal během výfuku a nabíjení vytažen, bylo praktické zajistit výfuk a nabíjení pomocí ventilů za portem, který byl zakryt během kompresního zdvihu a silového zdvihu, takže ventily nepotřebovaly odolat vysokému tlaku a mohly být jednoduššího druhu používaného v mnoha parních strojích, nebo dokonce jazýčkové ventily.

  • Patentový výkres Atkinsonova „diferenciálního motoru“, 1882

  • Animace Atkinsonova diferenciálního motoru, 1882

Atkinson „Cycle Engine“

Další motor navržený Atkinsonem v roce 1887 byl pojmenován „Cycle Engine“. Tento motor používal talířové ventily, vačku a nadměrné rameno k výrobě čtyř zdvihů pístu pro každou otáčku klikového hřídele. Sací a kompresní zdvihy byly výrazně kratší než expanzní a výfukové zdvihy.

Motory „Cycle“ vyráběla a několik let prodávala British Engine Company. Atkinson také licencoval výrobu jiným výrobcům. Velikosti se pohybovaly od několika do 100 koňských sil.

  • Atkinsonův plynový motor, jak je uvedeno v US patentu 367496, 1887

  • Animace Atkinsonova „cyklu motoru“, 1887

Atkinson „Utilite Engine“

Atkinson Utilite Engine
Atkinsonův motor Utilite 1892

Třetí Atkinsonův design byl pojmenován „Utilite Engine“.[7] Atkinsonův „cyklus“ byl efektivní; pro vysokorychlostní provoz však bylo jeho vyvážení obtížné vyvážit. Atkinson si uvědomil, že je zapotřebí zlepšení, aby byl jeho cyklus použitelnější jako motor s vyšší rychlostí.

S touto novou konstrukcí dokázal Atkinson eliminovat vazby a vytvořit konvenčnější, vyvážený motor schopný provozu při rychlostech až 600 ot / min a schopný produkovat sílu každou otáčku, přesto si zachoval veškerou účinnost svého „Cycle Engine“ "mající proporcionálně krátký kompresní zdvih a delší expanzní zdvih. Utilite funguje podobně jako standardní dvoutaktní motor, až na to, že výfukový otvor je umístěn přibližně uprostřed zdvihu.

Během expanzního / silového zdvihu vačkový ventil (který zůstává zavřený, dokud se píst blíží ke konci zdvihu) zabraňuje úniku tlaku, když se píst pohybuje kolem výfukového otvoru. Výfukový ventil je otevřen blízko spodní části zdvihu; zůstává otevřený, když píst směřuje zpět ke kompresi a nechává čerstvý vzduch nabíjet válec a výfuk, dokud není píst zakrytý otvor.

Po zakrytí výfukového kanálu začne píst stlačovat zbývající vzduch ve válci. Malé pístové palivové čerpadlo vstřikuje kapalinu během stlačování. Zdrojem vznícení byla pravděpodobně horká trubice jako u ostatních Atkinsonových motorů. Tato konstrukce vyústila v dvoutaktní motor s krátkou kompresí a delší expanzní zdvihem.

Motor Utilite byl testován jako ještě účinnější než předchozí Atkinsonovy „diferenciální“ a „cyklické“ konstrukce. Bylo vyrobeno velmi málo a není známo, že by přežil. Britský patent je z roku 1892, č. 2492. Žádný americký patent na Utilite Engine není znám.

Ideální termodynamický cyklus

Obrázek 1: Atkinsonův plynový cyklus

Ideální Atkinsonův cyklus se skládá z:

Moderní motory s Atkinsonovým cyklem

Malý motor s Atkinsonovým spojením mezi pístem a setrvačníkem. Moderní motory s Atkinsonovým cyklem tuto složitou energetickou cestu odstraňují.

Na konci 20. století se termín „Atkinsonův cyklus“ začal používat k popisu modifikovaného Otto-cyklus motor - ve kterém je sací ventil udržován otevřený déle než obvykle, což umožňuje zpětné proudění nasávaného vzduchu do sacího potrubí. Tento "simulovaný" Atkinsonův cyklus se nejvíce používá v EU Toyota 1NZ-FXE motor od počátku Prius.

Efektivní kompresní poměr je snížen - na dobu, po kterou vzduch z válce volně uniká, místo aby byl stlačován -, ale expanze poměr se nezmění (tj. kompresní poměr je menší než expanzní poměr). Cílem moderního Atkinsonova cyklu je dosáhnout tlaku ve spalovací komoře na konci energetického zdvihu rovného atmosférickému tlaku. Když k tomu dojde, veškerá dostupná energie byla získána spalovacím procesem. U jakékoli dané části vzduchu převádí větší expanzní poměr více energie z tepla na užitečnou mechanickou energii - to znamená, že motor je účinnější.

Nevýhodou čtyřtaktního motoru s Atkinsonovým cyklem oproti běžnějšímu motoru s Ottovým cyklem je snížená hustota výkonu. Kvůli menší části kompresního zdvihu, která je věnována stlačování nasávaného vzduchu, nepřijímá motor v Atkinsonově cyklu tolik vzduchu, kolik by měl podobně navržený a dimenzovaný motor v Otto-cyklu. Čtyřtaktní motory tohoto typu, které používají stejný typ pohybu sacího ventilu, ale používají nucená indukce k vyrovnání ztráty hustoty výkonu jsou známé jako Millerův cyklus motory.

Rotační motor s Atkinsonovým cyklem

Rotační motor s Atkinsonovým cyklem

Atkinsonův cyklus lze použít v a rotační motor. V této konfiguraci lze dosáhnout zvýšení výkonu i účinnosti ve srovnání s Ottovým cyklem. Tento typ motoru si zachovává jednu výkonovou fázi na otáčku spolu s různými objemy komprese a expanze původního Atkinsonova cyklu.

Výfukové plyny jsou vypuzovány z motoru vyplachováním stlačeným vzduchem. Tato modifikace Atkinsonova cyklu umožňuje použití alternativních paliv, jako je nafta a vodík.

Nevýhody této konstrukce zahrnují požadavek, aby hroty rotoru velmi těsně těsnily na vnější stěně pouzdra a mechanické ztráty, které vznikají třením mezi rychle kmitajícími částmi nepravidelného tvaru. Vidět externí odkazy níže pro více informací.

Vozidla používající motory s Atkinsonovým cyklem

Hyundai Ioniq hybridní
2010 Ford Fusion Hybrid (Severní Amerika)

I když upravený pístový motor s Ottovým cyklem využívající Atkinsonův cyklus poskytuje dobrou palivovou účinnost, je to na úkor nižšího výkonu na zdvih ve srovnání s tradičním čtyřtaktním motorem.[8] Pokud je poptávka po vyšším výkonu přerušovaná, může být výkon motoru doplněn o elektrický motor v dobách, kdy je potřeba více energie. To tvoří základ založený na Atkinsonově cyklu hybridní elektrický hnací ústrojí. Tyto elektromotory lze použít samostatně nebo v kombinaci s motorem s Atkinsonovým cyklem a poskytnout tak nejúčinnější způsob výroby požadované energie. Tato hnací jednotka byla poprvé uvedena do výroby koncem roku 1997 v Toyota Prius první generace.

Od července 2018, mnoho produkce hybridní hnací ústrojí vozidel používat koncepty Atkinsonova cyklu - například v:

Patenty

Patent z roku 1887 (US 367496) popisuje mechanické vazby nezbytné k dosažení všech čtyř zdvihů čtyřtaktního cyklu pro plynový motor v rámci jedné otáčky klikového hřídele.[1] Existuje také odkaz na Atkinsonův patent z roku 1886 (US 336505), který popisuje protilehlý píst plynový motor.[6] Britský patent na „Utilite“ je z roku 1892 (# 2492).

Viz také

Reference

  1. ^ A b USA 367496, J. Atkinson, „Gas Engine“, vydáno 1887-08-02 
  2. ^ US patent 2817322
  3. ^ Donkin, Brian (1896). Učebnice o plynových, naftových a vzduchových motorech: nebo, Spalovací motory bez kotle. C. Griffin a společnost s ručením omezeným. p. 152.
  4. ^ „Auto Tech: Atkinsonovy cykly a hybridy“. Autos.ca. 2010-07-14. Citováno 2013-02-23.
  5. ^ Gingery, Vincent (2000). Stavba Atkinsonova diferenciálního motoru. David J. Gingery Publishing, LLC. ISBN  1878087231.
  6. ^ A b USA 336505, J. Atkinson, „Gas Engine“, vydáno 1886-02-16 
  7. ^ Úředník, Dugald (1913). Plynový, benzínový a naftový motor, svazek 2. J. Wiley. p. 210.
  8. ^ Heywood, John B. Základy interního spalovacího motoru, str. 184-186.
  9. ^ Gauthier, Michael (21.01.2013). „Honda Accord Plug-in Hybrid získává titul pro nejúčinnější sedan v Americe“. worldcarfans.com. Citováno 2013-01-22.
  10. ^ „2018 Honda Clarity Plug-in Hybrid“. www.honda.ca. Archivovány od originál dne 2018-01-26. Citováno 2018-01-25.
  11. ^ „2018 Honda Insight Hybrid“. www.honda.ca. Citováno 2018-07-14.
  12. ^ „Lexus IS 2016 - výkon“. USA: Lexus. Citováno 2016-08-09.
  13. ^ „2019 Outlander PHEV“. USA: Mitsubishi. Citováno 2018-02-23.
  14. ^ Edmunds, Dan (2010-09-24). „Hybridní silniční test Toyota Highlander 2011“. Edmunds.com. Citováno 2012-07-04.

externí odkazy