Аткінсон, Міллер, процес B-циклу: що це насправді означає

Турбокомпресори VTG в двигунах VW фактично є модифікованими дизельними агрегатами.

Цикли Аткінсона та Міллера завжди викликають асоціацію для підвищення ефективності, але між ними часто немає жодної різниці. Можливо, це не має сенсу, тому що обидві зміни зводяться до фундаментальної філософії – створення різних ступенів стиснення та розширення у чотиритактному бензиновому двигуні. Оскільки ці параметри геометрично ідентичні у звичайному двигуні, бензиновий агрегат страждає на небезпеку детонації палива, що вимагає зниження ступеня стиснення. Однак, якщо більш висока ступінь розширення може бути досягнута будь-яким чином, це призвело б до більш високого рівня «видавлювання» енергії газів, що розширюються, і збільшило б ефективність двигуна. Цікаво відзначити, що суто історично ні Джеймс Аткінсон, ні Ральф Міллер не створювали свої концепції у пошуках ефективності. У 1887 році Аткінсон також розробив запатентований комплексний кривошипно-шатунний механізм, що складається з декількох елементів (подібність можна знайти сьогодні у двигуні Infiniti VC Turbo), завданням якого було уникнути патентів Отто. Результатом складної кінематики є реалізація чотиритактного циклу протягом одного обороту двигуна та іншого ходу поршня у процесі стиснення та розширення. Через багато десятиліть цей процес буде здійснюватися шляхом збереження впускного клапана відкритим протягом більш тривалого періоду часу і майже без винятку використовуваного в двигунах у поєднанні із звичайними силовими гібридними установками (без можливості зовнішньої електричної зарядки), такі як у тойоти і хонди. На середніх та високих швидкостях це не проблема, тому що потік вторгнення має інерцію, і коли поршень рухається назад, він компенсує поворотне повітря. Однак на низьких швидкостях це призводить до нестабільної роботи двигуна і тому такі агрегати поєднуються з гібридними системами або не використовують цикл Аткінсона в цих режимах. З цієї причини безнаддувні та впускні клапани умовно вважаються циклом Аткінсона. Однак це не зовсім правильно, тому що ідея реалізації різних ступенів стиснення та розширення шляхом управління фазами відкриття клапанів належить Ральфу Міллеру та була запатентована у 1956 році. Однак його ідея не спрямована на досягнення більшої ефективності та зниження ступеня стиснення та відповідного використання низькооктанових палив в авіаційних двигунах. Міллер розробляє системи як з більш раннім закриттям впускного клапана (Раннє закриття впускного клапана, EIVC), так і з пізнішим закриттям його (Пізнє закриття впускного клапана, LIVC), а також для компенсації нестачі повітря або збереження повітря, що повертається у впускний колектор, використовується компресор.

Цікаво відзначити, що перший такий двигун з асиметричними фазами, що працює на більш пізньому, визначеному як «процес циклу Міллера», був створений інженерами Mercedes і використовувався в 12-циліндровому компресорному двигуні спортивного автомобіля W 163 з 1939 року. до того, як Ральф Міллер запатентував свій випробування.

Першою серійною моделлю, в якій використовувався цикл Міллера, була Mazda Millenia KJ-ZEM V6 1994 року. Впускний клапан закривається пізніше, повертаючи частину повітря у впускні колектори зі ступенем стиснення практично знижується, і для утримання повітря використовується механічний компресор Lysholm. Таким чином, ступінь розширення на 15 відсотків більше, ніж ступінь стиснення. Втрати, викликані стисненням повітря від поршня до компресора, компенсуються поліпшеною кінцевою ефективністю двигуна.

Стратегії з дуже пізнім і дуже раннім закриттям мають різні переваги в різних режимах. При низьких навантаженнях більш пізній закриття має ту перевагу, що воно забезпечує більш широку відкриту дросельну заслінку і підтримує кращу турбулентність. У міру збільшення навантаження перевага зміщується в бік більш раннього закриття. Однак останнім стає менш ефективним на високих швидкостях через недостатнє часу наповнення і великого перепаду тиску до і після клапана.

Ауді та Фольксваген, Мазда та Тойота

В даний час аналогічні процеси використовуються Audi і Volkswagen в їх пристроях 2.0 TFSI (EA 888 Gen 3b) і 1.5 TSI (EA 211 Evo), до яких нещодавно приєднався новий 1.0 TSI. Однак вони використовують технологію попереднього закриття впускного клапана, при якій розширюється повітря охолоджується після того, як клапан закривається раніше. Audi і VW називають цей процес B-циклом в честь інженера компанії Ральфа Будак, який удосконалив ідеї Ральфа Міллера і застосував їх до двигунів з турбонаддувом. При ступені стиснення 13: 1 фактична ступінь становить близько 11,7: 1, що саме по собі надзвичайно високо для двигуна з примусовим запалюванням. Основну роль у всьому цьому відіграє складний механізм відкриття клапанів зі змінними фазами і ходом, який сприяє завихрення і регулюється в залежності від умов. У двигунах B-циклу тиск вприскування збільшується до 250 бар. Мікроконтролери керують плавним процесом зміни фази і переходу від B-процесу до звичайного циклу Отто при високому навантаженні. Крім того, в 1,5 і 1-літрових двигунах використовуються турбонагнетатели із змінною геометрією швидкого реагування. Охолоджений попередньо стиснене повітря забезпечує кращі температурні умови в порівнянні з прямим сильним стисненням в циліндрі. На відміну від високотехнологічних турбокомпресорів BorgWarner VTG компанії Porsche, використовуваних для більш потужних моделей, агрегати VW із змінною геометрією, створені тією ж компанією, являють собою практично злегка модифіковані турбіни для дизельних двигунів. Це можливо завдяки тому, що через всього описаного досі максимальна температура газу не перевищує 880 градусів, тобто трохи вище, ніж у дизельного двигуна, що є показником високої ефективності.

Японські компанії ще більше плутають стандартизацію термінології. На відміну від інших бензинових двигунів Mazda Skyactiv, Skyactiv G 2.5 T працює з турбонаддувом і працює в широкому діапазоні навантажень і оборотів в циклі Міллера, але Mazda також викликає цикл, в якому працюють їх атмосферні агрегати Skyactiv G. Toyota використовує 1.2 D4-T ( 8NR-FTS) і 2.0 D4-T (8AR-FTS) в своїх турбодвигунах, але Mazda, з іншого боку, визначає їх як однакові для всіх своїх безнаддувних двигунів для гібридних моделей і машин нового покоління Dynamic Force. з атмосферним заповненням як «робота по циклу Аткінсона». У всіх випадках технічна філософія однакова.