В лабиринта на термините: Ото, Аткинсън, Милър и Будак цикъл

В лабиринта на термините: Ото, Аткинсън, Милър и Будак цикъл
31 May 2024

Циклите на Аткинсън и Милър винаги извикват асоциация за повишена ефективност, но между тях често не се прави разлика. Може би няма и смисъл, защото и при двата промените се свеждат до една фундаментална философия – създаването на различна степен на сгъстяване и разширение при четиритактов бензинов мотор. Тъй като при конвенционалния двигател тези параметри са геометрически еднакви, бензиновият агрегат страда заради опасността от детонации на горивото, изискваща ограничаване на степента на сгъстяване. Ако по някакъв начин обаче може да се постигне по-висока степен на разширение, това би довело до по-високо ниво на „екструдиране“ на енергията на разширяващите се газове и повишаване на ефективността на двигателя. Интересно е да се отбележи, че чисто исторически нито Джеймс Аткинсън, нито Ралф Милър създават своите концепции, за да търсят ефективност. Аткинсън разработва и през 1887 г. патентова сложен коляно-мотовилков механизъм, състоящ се от няколко елемента (подобие на него днес можете да откриете в двигателя VC Turbo на Infiniti и трицилиндровия мотор на Nissan използван в серийния хибрид Qashqai e-Power), чиято задача е да се избегнат патентите на Ото.

Резултатът от сложната кинематика е осъществяване на четиритактов цикъл в рамките на един оборот на двигателя и различен ход на буталото при процеса на сгъстяване и разширение. Много десетилетия по-късно този процес ще бъде осъществен с помощта на задържане на всмукателния клапан отворен за по-дълъг период от време и почти без изключение се използва при двигателите, комбинирани с конвенционалните хибридни системи за задвижване, като тези на Toyota и Honda. При средни и високи обороти това не е проблем, защото нахлуващият поток има инерция и при обратно движение на буталото тя компенсира връщания въздух. При ниски обороти обаче това води до неустойчива работа на двигателя и затова подобни агрегати се комбинират с хибридни системи или не използват цикъл на Аткинсън в тези режими. По тази причина двигателите с атмосферно пълнене и задържане на всмукателния клапан отворен се приемат условно за работещи по цикъл на Аткинсън. Това обаче не е съвсем правилно, защото идеята за реализиране на различни степени на сгъстяване и разширение чрез управление на фазите на отваряне на клапаните принадлежи на Ралф Милър и е патентована през 1956 г. Замисълът му обаче също не цели постигане на по-голяма ефективност, а намаляване на степента на сгъстяване и съответно използване на по-нискооктанови горива в авиационни двигатели. Милър разработва системи както с по-ранно затваряне на всмукателния клапан (Early Intake Valve Closure, EIVC), така и с по-късно затваряне на същия (Late Intake Valve Closure, LIVC), а за да се компенсира недостигащият въздух или да се задържи връщащият се във всмукателните колектори въздух, се използва компресор. Интересно е да се отбележи, че първият подобен двигател с асиметрични фази, работещ по дефинирания по-късно като „Милър цикъл процес“ е създаден от инженерите на Mercedes и използван в 12-цилиндровия компресорен двигател M 163 на спортния W 163 от 1939 г. Тоест, преди Ралф Милър да патентова своя процес.

Първият сериен модел, използващ цикъл на Милър, е на Mazda – агрегатът KJ-ZEM V6 на модела Millenia от 1994 г. При него всмукателният клапан се затваря по-късно и по този начин част от въздуха се връща към всмукателните колектори, като степента на сгъстяване на практика се намалява, а за да се задържи въздухът, се използва механичен компресор Lysholm. По този начин степента на разширяване е с 15 процента по-голяма от тази на сгъстяване. Загубите, възникващи при противосгъстяването на въздуха от буталото срещу компресора, се компенсират от подобрената крайна ефективност на двигателя.

Стратегиите с много късно и много ранно затваряне имат различни предимства при различни режими. При малко натоварване (темата е по-широко развита в статията „Кривата на максималното удоволствие“ в секцията „Анатомията на автомобила“ https://dizzyriders.bg/post/14028/krivata-na-maksimalnoto-udovolstvie) по-късното затваряне има преимущество, защото осигурява по-широко отворена дроселова клапа и поддържа по-добра турбулентност. С увеличаване на натоварването предимството преминава на страната по-ранното затваряне. Последното обаче става по-неефективно при високи обороти заради недостатъчното време за пълнене и голямата разлика в налягането преди и след клапана.

Audi и Volkswagen, Mazda, Toyota и Nissan  

В днешно време подобни процеси използват Audi, Volkswagen и Porsche в своите агрегати 2.0 TFSI (EA 888 Gen 3b) и 1.5 TSI (EA 211 Evo2), в 1.0 TSI, както и шестцилиндровите EA 839 (3.0 TFSI и 2.9 TFSI, последният с два турбокомпресора). Те обаче използват технологията с изпреварващо затваряне на всмукателния клапан, при която разширяващият се въздух след ранното затваряне на клапана се охлажда. От Audi и VW наричат този процес B-cycle на името на инженера от компанията Ралф Будак, който усъвършенства идеите на Ралф Милър и ги прилага при двигатели с турбопълнене. При геометрична степен на сгъстяване от 13:1 реалната степен е около 11,7:1 – сама по себе си изключително висока за двигател с принудително пълнене.

Главна роля във всичко това играе сложният механизъм за отваряне на клапаните с променливи фази и ход, което допринася за завихрянето и се регулира в зависимост от условията. В двигателите, използващи B-цикъл, налягането на впръскване е увеличено до 250 бара. Микроконтролери управляват плавния процес на смяна на фазите и преминаване от B-процес към конвенционален Ото цикъл при голямо натоварване. Освен това в 1,5- и еднолитровия двигател се използват бързореагиращи турбокомпресори с променлива геометрия. Охладеният предварително сгъстен въздух осигурява по-добри условия от гледна точка на температурата в сравнение с директното силно сгъстяване в цилиндъра. За разлика от високотехнологичните VTG турбокомпресори на BorgWarner за Porsche, използвани за по-мощните модели, агрегатите с променлива геометрия на VW, създадени от същата фирма, на практика са леко модифицирани турбини, близки до тези на дизелови двигатели. Това е възможно благодарение на факта, че заради всичко описано дотук максималната температура на газовете не достига типичните за бензинов двигател стойности – и е само малко по-висока от тази при дизелов двигател, което е индикатор за висока ефективност.

Допълнително объркване в стандартизирането на терминологията внасят японските компании. За разлика от останалите бензинови Skyactiv мотори на Mazda агрегатът Skyactiv G 2.5 T е оборудван с турбо и работи в широк диапазон от натоварване и обороти в цикъл на Милър, но Mazda наричат така и цикъла, по който работят и атмосферните им агрегати Skyactiv G. Подобна технология Toyota използва в своите турбодвигатели 1,2 D4-T (8NR-FTS) и 2.0 D4-T (8AR-FTS), но обратно на Mazda ги определя по аналогичен за всичките си атмосферни двигатели за хибридни модели и новото поколение Dynamic Force машини с атмосферно пълнене като „работещи по Аткинсън цикъл“. В тази група се включва и Nissan, чийто агрегати VC-Turbo, освен че са с променлива степен на сгъстяване работят и по цикъл, който по презумпция трябва да се определи като Милър-цикъл, но от компанията го наричат Аткинсън, въпреки че затваря клапаните си по подобие на гореспоменатите агрегати на VW/Audi. Във всички случаи техническата философия е една и съща.    

Сбогом V10!
Свързани новини