Цикл Отто

Цикл Отто назван в честь немецкого инженера Николауса Отто, в 1877 запатентовавшего новый двигатель с четырехтактным циклом. Цикл Отто описывает процесс работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. На рисунке 1 представлена P-V диаграмма, демонстрирующая процессы, протекающие в двигателе. По оси абсцисс отложен объем V, занимаемый рабочим телом в цилиндре, по оси ординат - давление Р в цилиндре.

1-2 – процесс адиабатного сжатия рабочей смеси, впущенной в цилиндр, процесс проходит без теплообмена.

2-3 – процесс изохорного подвода тепла, процесс происходит при неизменном объеме. Сгорание происходит, когда поршень находится в ВМТ (верхняя мертвая точка – положение поршня в цилиндре, соответствующее максимальному расстоянию между поршнем и осью вращения коленчатого вала). НМТ, нижняя мертвая точка, – положение поршня в цилиндре, соответствующее минимальному расстоянию между поршнем и осью вращения коленчатого вала.

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела. Под воздействием расширения продуктов сгорания поршень движется к НМТ.

4-1 – процесс изохорного охлаждения рабочего тела. Под действием разности давлений в цилиндре и в атмосфере происходит выхлоп продуктов горения.

Также Цикл Отто можно представить на T-S диаграмме (рисунок 2), где T - температура, а S - энтропия. Энтропия – мера рассеяния энергии. 

Этапы цикла на T-S диаграмме аналогичны P-V диаграмме:

1-2 – адиабатное сжатие;
2-3 – изохорный подвод тепла;
3-4 – адиабатное расширение;
4-1 – изохорное охлаждение.

Цикл Миллера

В 1947 году американский инженер Ральф Миллер предложил цикл работы двигателя внутреннего сгорания с тактом сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода сокращенным за счет такта впуска, при сохранении движения поршня вверх и вниз одинаковым по скорости, как и в цикле Отто. Такой цикл работы двигателя внутреннего сгорания был назван циклом Миллера. Впускной клапан закрывается позже или же наоборот раньше окончания такта впуска. 

Такой подход позволяет увеличить геометрическую степень сжатия выше пределов, определенных детонационными свойствами топлива. Таким образом, повышается тепловая эффективность цикла Миллера относительно цикла Отто. Однако ухудшается наполняемость цилиндра, вследствие чего для цикла Миллера относительно цикла Отто пиковая выходная мощность снижаются для данного размера двигателя, что означает, что при сравнении выходной мощности двигателей Отто и Миллера одинаковых размеров выходная мощность двигателя Отто будет больше при прочих равных.

Siemeng Energy Engines

Рассмотрим и сравним конкретные двигатели Siemeng Energy Engines, работающие на природном газу. Серия Guascor Energy Engines SL работает по циклу Отто, серии HM и EM – по циклу Миллера. В таблицах 1-3, представленных ниже, показаны параметры двигателей серий SL, HM, SE объемом от 24 до 86 л: мощность механическая, КПД механический, объем двигателя и степень сжатия.

Таблица 1. Параметры двигателей SGE серии SL

Параметр	SGE-24SL	SGE-36SL	SGE-48SL	SGE-56SL
Цикл	Цикл Отто	Цикл Отто	Цикл Отто	Цикл Отто
Мощность механическая, кВт	419	630	838	985
Механический КПД, %	39,8	40,2	40	40,1
Объём двигателя, л	24	36	48	56
Степень сжатия	11.6:1	11.6:1	11.6:1	12.3:1

Таблица 2. Параметры двигателей SGE серии HM

Параметр	SGE-24HM	SGE‐42HM	SGE-56HM
Цикл	Цикл Миллера	Цикл Миллера	Цикл Миллера
Мощность механическая, кВт	520	1040	1240
Механический КПД, %	42,1	43,3	42,5
Объём двигателя, л	24	42	56
Степень сжатия	11.8:1	11.9:1	11.9:1

Таблица 3. Параметры двигателя SGE серии EM

Параметр	SGE-86EM
Цикл	Цикл Миллера
Мощность механическая, кВт	2065
Механический КПД, %	46,6
Объём двигателя, л	86
Степень сжатия	13.5:1

На рисунке 4 представлена зависимость механической мощности от объема двигателя и цикла работы. Как видно из гистограммы механическая мощность возрастает с увеличением объема двигателя, также на гистограмме можно видеть, что у двигателей серии HM, механическая мощность выше, чем у двигателей серии SL аналогичного объема.

Увеличение механической мощности и эффективности двигателей серии HM достигается за счет конструктивных и технологических особенностей, а именно: усовершенствованной системы впуска, модифицированных турбокомпрессоров, применения форкамерных свечей и обновленной системы управления двигателем, позволяющей оптимизировать термодинамические потери, ­– а также работы по циклу Миллера.

На рисунке 5 представлена зависимость механического КПД от объема двигателя и цикла работы. Как видно из гистограммы механический КПД двигателей, работающих по циклу Миллера, больше, чему у двигателей, работающих по циклу Отто, при равном объеме.

Потребление топлива у машин, работающих по циклу Отто, несколько выше, чем у машин, работающих по циклу Миллера. Для примера рассмотрим потребляемый объем газа для машин 24SL и 24HM. Для выработки 1 кВт механической мощности машине 24SL требуется 0,27 м3 газа, а машине 24HM – 0,25 м3 газа.

Основывая на приведенных выше данных, можно сделать вывод, что двигатели SGE, работающие по циклу Миллера, за счет более высокого КПД, а, следовательно, меньшего потребления газа более выгодны в областях, где стоимость газа высока, например, в Европе, их запчасти несколько дороже за счет конструктивных особенностей, стоимость запчастей выражается в евро. Следовательно, машины, работающие по циклу Миллера, выгоднее эксплуатировать в Европе. А двигатели SGE, работающие по циклу Отто, за счет большего потребления газа и более низкой стоимости запасных частей выгоднее эксплуатировать в России, ввиду более лояльных, чем в Европе, ценам на газ и высокой стоимости евро.