Прежде чем перейти к основному, давайте сразу разберемся с понятиями. Строго говоря, используемые сейчас повсеместно названия «цикл Аткинсона» и «цикл Миллера» мало соответствуют оригинальным патентам этих уважаемых инженеров. Однако эти словосочетания так прочно укоренились в современной терминологии, что воспринимаются теперь единственно верными и абсолютно корректными. Поэтому у нас не остается иного выбора, кроме как ориентироваться на них, не забывая однако о том, что сегодня эти технологии значительно модернизированы. Ну а для того, чтобы узнать, как все это произошло и почему именно так, мы перенесемся на полторы сотни лет назад.
Это Отто, детка
Началась наша история в 1876 году, когда немецкий инженер Николаус Отто создал без преувеличения революционное устройство, способное приводить в движение механизмы самого разного оборудования – от конвейерных линий до моторизованных транспортных средств.
Принцип его действия с высоты XXI века кажется элементарным, но для второй половины XIX века это был настоящий прорыв, выглядевший абсолютной фантастикой. Всасывание воздуха, смешение этого воздуха с топливом, последующее сжатие и воспламенение на выходе давало огромную по тем временам энергию. Но главное, оно не требовало применения кнута для разгона лошади.
Отто не только заложил основы автомобилестроения, но и запустил процесс бесконечного совершенствования поршневых двигателей внутреннего сгорания. Этот процесс продолжается и поныне, несмотря на ярые упорствования электрифицированного зеленого братства.
Отдавая дань гению немецкого инженера, мы должны понимать, что предложенное им решение было все же очень громоздким и малоэффективным. Оно характеризовалось невероятно низкой топливной экономичностью, а выхлопные газы выбрасывали больше свинца, чем все голливудские боевики вместе взятые. Однако не будь его, современное автомобилестроение выглядело бы совершенно иначе.
Ведь до сих пор основу процесса выработки энергии посредством ДВС составляют четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (расширение) и выпуск. Неслучайно такой двигатель получил название «четырехтактный», а большая часть оригинальной конструкции Отто по-прежнему применяется в более эффективных двигателях, использующих циклы Аткинсона и Миллера.
Все, что мы сегодня знаем про поршневые двигатели (коленчатый вал, шатуны, поршни, клапаны, камеры сгорания, впускной коллектор, распределительный вал, выпускной коллектор и прочее), появилось именно тогда, во второй половине XIX века. И до наших дней оно из двигателя никуда не делось, получив лишь модификации, направленные на снижение массы, повышение прочности, ресурса, экономичности и всего прочего, чего надо было повысить.
Впрочем, повторимся еще раз, несмотря на всю революционность, конструкция Отто грешила колоссальными потерями мощности и энергии, повергая неподготовленных сторонних наблюдателей в ужас и трепет не только своей громогласно-вонючей работой, но и одним внешним видом. К тому же внезапно выяснилось, что придумал весь этот кошмар не Отто, а Бо де Роша.
Сегодня уже вряд ли получится восстановить справедливость и установить истину, однако когда Готлиб Даймлер, собираясь производить авто и не желая платить коллеге роялти, нанял юриста, последний довольно быстро раскопал патент на концепцию четырехтактного двигателя уже упомянутого де Роша, выданный еще аж в 1862 году.
В итоге Отто лишился одного из своих патентов и, соответственно, эксклюзивности, а возможность разрабатывать четырехтактные моторы получил не только Даймлер, но и любые другие талантливые инженеры, способные усовершенствовать изначальную конструкцию. Впрочем, стоит отметить, что месье де Роша своего двигателя так никогда и не построил, а ни Даймлер, ни Отто о трудах французского коллеги, по всей видимости, и слыхом не слыхивали.
Велком, мистер Аткинсон
Одним из талантливых инженеров, решившим сделать четырехтактный ДВС чуть лучше, оказался британец Джеймс Аткинсон. Пытаясь обойти еще действовавшие патенты и не нарушить авторские права на оригинал, в 1882 году он запатентовал собственную конструкцию. В ее основе для повышения эффективности и мощности лежало использование переменной длины хода поршня.
Выглядит решение Аткинсона весьма элегантно. За счет более короткого и эффективного такта сжатия с последующим более длинным рабочим ходом воздействие на поршень значительно усиливается. Как результат – существенное повышение эффективности всего термодинамического цикла в целом. Вдобавок появляется возможность уложить все четыре такта в один оборот коленчатого вала, в пределах 360 градусов, в отличие от 720 градусов вращения, необходимых в цикле Отто.
Однако для реализации такой хитрой концепции потребовалось применение еще более хитрой механики с многозвенными шатунами, что значительно усложнило конструкцию и привело к отказу от ее использования в течение нескольких десятилетий. Фактически до конца XX века, когда переосмысленный цикл Аткинсона взяла на вооружение Toyota при разработке двигателя 1NZ-FXE. Этот мотор, как известно, японский производитель применил на первом гибриде – модели Prius.
Дело в том, что более высокие показатели эффективности двигатель Аткинсона достигал благодаря меньшей мощности на низких оборотах. Лишь с появлением дополнительного электромотора и питающей аккумуляторной батареи этот недостаток компенсировался: электрическая гибридная система позволяет выходить на оптимальный режим гораздо быстрее, передавая максимум нагрузки на ДВС уже на крейсерских скоростях. Но пока она не появилась, цикл Аткинсона забросили в чулан как совершенно бессмысленное решение.
Современные моторы, позиционируемые как работающие по циклу Аткинсона, используют его модернизированную версию, в которой такт сжатия укорачивается не за счет сложной системы шатунов, а благодаря удержанию впускного клапана открытым в начале сгорания. Однако называть эту концепцию полноценным циклом Аткинсона не представляется возможным еще и потому, что все четыре такта реализуются только за два оборота коленчатого вала. И на самом деле все это очень похоже на немного другое решение.
Вести с другого континента
Следующие радикальные инженерные новации в конструкции поршневых двигателей прилетели в автопром с Американского континента. Их автор Ральф Миллер запатентовал свои мысли в 1957 году. Идея в целом, опять же с высоты XXI века, элементарна и просто сама просится быть воплощенной в жизнь.
Американскому инженеру удалось повысить эффективность четырехтактного ДВС за счет увеличения времени открытия впускного клапана и компенсации потерь на сжатие с помощью наддува. Во многом это созвучно идеям Аткинсона, что неудивительно, поскольку оба инженера старались повысить эффективность, оптимизируя рабочие процессы. Только Аткинсон пытался реализовывать разные такты сжатия и рабочего хода за счет хитрой механики, а Миллер смог достичь того же термодинамического результата за счет задержки смены фаз газораспределения изменением времени открытия впускного клапана.
Впоследствии это почему-то назовут модернизированным циклом Аткинсона, и возникнет неразбериха с понятиями. Но мы вас уже заранее предупредили о том, что современные технологии с оригинальными патентами имеют мало общего. Поэтому давайте вернемся к тому, что было придумано изначально, и продолжим разговор.
Миллер, судя по всему, отдавал себе отчет в том, что на малых скоростях эффективность его детища так же довольно низка, поэтому и ввел в схему турбонаддув. В его конструкции поднимающийся вверх во время такта сжатия поршень выталкивает воздух обратно во впускной коллектор и снижает давление в конце такта (впускной клапан закрывается после того, как поршень поднимется на 20-30% от общего хода). Благодаря этому снижаются потери на прокачку и механическое сопротивление. Но такая конструкция при повышении эффективности зажигания и рабочего хода оказывает крайне негативное влияние на показатели производительности на низких оборотах.
Для того, чтоб это негативное влияние нивелировать, и появился турбонаддув. Однако со временем некоторые автопроизводители научили двигатели Миллера работать эффективно и без нагнетателя, выпуская «атмосферники Миллера». Лучший пример – это конечно же, Mazda. Но мы чуть забежали вперед.
Двух маток сосет
Как вы, наверное, уже поняли, лучшее решение – это сочетание. Хлеб вкуснее с колбасой, а икра – с маслом. Подобно этому и Миллер лучше «заходит» на пару с Аткинсоном. Возвращаясь к Приусу, можем сказать, что в основе того двигателя лежал некий «приусовский цикл», воплотившийся в совмещенном цикле Аткинсона/Миллера.
Для достижения максимальной производительности и экономичности 1NZ-FXE, по сути, использовал оба типа четырехтактного двигателя. Только наддув в нем заменила гибридная система. Причем эта конструкция оказалась еще и очень надежной, дополнительно укрепив в сознании поклонников марки сентенцию «Тойота не ломается». Она, конечно же, ломается, но Prius и правда был весьма живуч.
Потом этот модернизированный чудо-цикл продолжил победное шествие по миру, заложив предпосылки к использованию ненавистных многим усложнений ДВС. В их числе – системы непосредственного впрыска топлива, изменяемых (непрерывно регулируемых) фаз газораспределения (VVT и CVVT), контроля рециркуляции отработавших газов (EGR) и прочие. Причем некоторые особенно выдающиеся современные агрегаты получили возможность на ходу по достижению крейсерских режимов движения с помощью соответствующего программного обеспечения переключаться на модифицированный цикл Аткинсона.
Это дает ощутимое увеличение мощности на низких оборотах, повышение КПД и сокращение износа компонентов двигателя.
А Mazda продолжает промышлять с Миллером. Дав аудитории достаточно времени, чтобы она подзабыла жутковатую Millenia (она же Xedos 9, она же Eunos 800), в которой стоял 2,3-литровый V6 KJ-ZEM, работавший по циклу Миллера, производитель снова вернул эту тему из небытия.
Новый взгляд реализован в двигателе Skyactiv-X, сочетающем в себе миниатюрный роторный нагнетатель и четырехтактный цикл работы в «американском стиле». Кроме того, вишенкой на торте стала нахлобученная система зажигания бензина от сжатия Spark Controlled Compression Ignition. Но как и все модернизации современных четырехтактных поршневых двигателей, свою истории эта фееричная изобретательность ведет от неказистой конструкции Николауса Отто, которую мы вспоминали в начале. А наилучших результатов добиваются и будут добиваться, по всей видимости, те ласковые телята, которые, согласно русской поговорке, двух маток сосут. Матками в этом случае можно считать английскую и американскую инженерные школы.
Для комментирования вам необходимо авторизоваться