Как обойтись без дросселя

КАК ОБОЙТИСЬ БЕЗ ДРОССЕЛЯ

ТЕХНИКА

ДВИГАТЕЛИ

КАК ОБОЙТИСЬ БЕЗ ДРОССЕЛЯ

Теоретик без труда нарисует несколько дюжин принципиально возможных термодинамических циклов. Но лишь немногие из них сыграли хоть какую-то роль

в более чем вековой истории ДВС.

Анатолий ДМИТРИЕВСКИЙ

Начать придется с азов, а именно с того известного факта, что дроссельная заслонка — далеко не лучший способ регулирования мощности бензинового двигателя. Представьте себе: воздух проходит фильтр — и упирается в заслонку, которая на режимах частичных нагрузoк прикрыта. За заслонкой — разрежение, и как раз на преодоление этой ступеньки давления двигателю приходится расходовать заметную часть мощности. Пониженное давление перед поршнем тормозит его движение на протяжении всего такта всасывания, заставляя тратить лишний бензин.

Рассказывая в одном из предыдущих номеров о способах управления клапанами, мы уже касались этой проблемы, однако сейчас посмотрим на нее несколько шире. В обычных двигателях (как сказал бы немец, «моторах Отто») инженеры чего только не делают для улучшения наполнения цилиндров. В арсенале их средств — и настроенный впуск с регулируемой длиной впускного канала, и управляемые фазы газораспределения. Однако, присмотревшись, заметим — и то, и другое действительно эффективно лишь при полностью открытой дроссельной заслонке. На любом частичном режиме воздух опять проходит через узкую щель, теряя энергию. Отчего все эти беды? Если коротко — оттого, что при небольшой нагрузке нам нужно поместить в цилиндр меньше смеси. К слову, в зарубежной научной литературе встречается термин «реальная степень сжатия» — то есть отношение объема смеси, попавшей в цилиндр (точнее, объема, который она имела бы при атмосферном давлении), к объему камеры сгорания. Итак, цель — снизить при малой нагрузке реальную степень сжатия. Дроссельная заслонка это вполне позволяет, но в качестве платы за услугу отбирает и некоторую мощность, заставляя тратить горючее на саму возможность регулирования!

Понятное дело, проблема попала в поле зрения конструкторов не вчера. И уже несколько десятилетий назад появились первые решения — предлагалось в большом диапазоне нагрузок отказаться от дросселя. Два варианта воплощения этой идеи мы сейчас и рассмотрим. Сразу отметим — оба они предполагают изменение времени закрытия впускного клапана. Можно, конечно, менять высоту его подъема, но это не только сложно технически, но и переносит проблему с заслонки на клапан: воздушный поток «спотыкался» бы уже здесь.

Попробуем поэкспериментировать со временем закрытия. Положим, мы впустили в цилиндр соответствующее нагрузке количество смеси, и — закрыли клапан задолго до НМТ (в отличие от обычных двигателей, где это происходит после нижней мертвой точки). Что произойдет в цилиндре? Поршень продолжит движение вниз, заставляя смесь расширяться и, конечно, испытывая при этом определенное сопротивление. Однако эта энергия не пропадет даром — как вы, вероятно, помните из школьной физики, при расширении температура газов снижается. Наша смесь — не исключение, и потому она охлаждается, заодно отбирая тепло у наиболее горячих частей камеры сгорания. А это — эффект полезный, он снижает риск детонации и калильного зажигания. В то же время при впуске перед клапаном у нас — давление, близкое к атмосферному (или давление наддува, но об этом позже), то есть части потерь на газообмен мы счастливо избегаем.

Схема этого цикла была разработана несколько десятков лет назад, по имени одного из создателей он получил имя цикла Миллера. Однако с воплощением в металле вышла заминка — ведь менять в широких пределах время закрытия клапана в ту пору не умели. Тогда появилось множество, как сказал бы врач, паллиативных решений — с разнообразными золотниками, призванными перекрывать впускной тракт до закрытия впускного клапана, фазы которого при этом не менялись. У нас в НАМИ вели эксперименты с «прыгающей» заслонкой, в нужные моменты отсекающей поток смеси.

В последнее время все чаще говорят о том, что цикл Миллера особенно подходит для двигателей с наддувом — в них можно, не меняя геометрическую степень сжатия, поддерживать реальную степень сжатия на уровне, при котором опасность детонации минимальна. И в то же время дополнительно охлаждать смесь перед началом такта сжатия.

Единственным серийным воплощением цикла Миллера на легковых автомобилях (да и то с оговорками) стал двигатель KJ, который «Мазда» устанавливает на некоторые свои модели («Кседос», «Юнос»). Мотор, кстати, интересный — V6 с механическим нагнетателем Лисхольма, расположенным в развале блока. Других последователей пока не нашлось, и потому перейдем к другому возможному циклу, который получил имя Отто-Аткинсона.

В отличие от предыдущего варианта, где клапан закрывался раньше, чем положено «у Отто», рассмотрим иной принцип. Пусть поршень прошел такт впуска и направился к верхней мертвой точке, гоня перед собой попавшую в цилиндр смесь. Вот она уже выталкивается обратно в коллектор... а мы все не закрываем впускной клапан, ожидая того момента, когда в цилиндре останется ровно столько смеси, сколько необходимо по условиям нагрузки двигателя. Наконец, клапан закрыт — и только тут начинается сжатие оставшегося заряда. Как нетрудно заметить, здесь, в отличие от цикла Миллера, поршень испытывает еще меньшее сопротивление — мы не «растягиваем» смесь, а лишь выталкиваем ее. Но и технически воплотить этот цикл сложнее — ни заслонки, ни золотники не помогут, стоит рассчитывать лишь на изменение фаз впускного клапана. Тем не менее сегодня, когда фазы не умеют регулировать только самые отсталые автомобильные фирмы, применение цикла Отто-Аткинсона стало возможным. Первой ласточкой здесь оказалась «Тойота» — бензиновый двигатель, установленный на гибридный «Приус», работает именно по этому циклу.

Оба варианта — Миллера и Аткинсона — роднит то, что в них реальная степень сжатия на частичных режимах меньше степени расширения (которая, кстати, равна геометрической степени сжатия), и потому их относят к «циклам с продолженным расширением». Вы наверняка вспомните, что имеется и другой путь отказа от дроссельной заслонки — послойное смесеобразование и, как инструмент, непосредственный впрыск бензина в цилиндры. Такие двигатели уже выпустили «Мицубиси» и «Тойота», вот-вот к ним присоединится «Фольксваген». Не повторяя уже сказанного о подобных моторах (см. ЗР, 1998, № 7), заметим: и здесь объем топливно-воздушной смеси оказывается при небольших нагрузках меньше объема камеры сгорания, а остальное место занимает воздух; меняя количество смеси, мы и управляем двигателем. Однако при всех достоинствах подобного метода отметим — чем больше воздуха в цилиндре, тем больше тепла он выносит с собой при такте выпуска. Это вовсе не домысел автора: на судовых дизелях (естественно, с непосредственным впрыском и без всяких дросселей) нередко применяют цикл Миллера, уменьшая объем «паразитного» воздуха, прокачиваемого через цилиндр. Таким образом, не исключено, что, если совершенствование автомобильных двигателей внутреннего сгорания продолжится, инженеры еще не раз обратятся к идеям Миллера и Аткинсона.

Разрез двигателя " Мазда Кседос 9". Обратите внимание на нагнетатель Лисхольма в развале блока цилиндров. На кожухе двигателя значится "Миллер-Мотор".

Момент закрытия впускного клапана (на рисунке — первые два такта 4-тактного цикла): а — в цикле Отто; б — в цикле Миллера; в — в цикле Отто-Аткинсона.

Силовой агрегат «Тойоты-Приус». Бензиновый двигатель работает по циклу Аткинсона.

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Читать комментарии

Самые новые