Motory bývaly hlučné. S každým dalším desetiletím byly větší, rychlejší a rozzlobenější a chrlily výfuky jako rozzuřený drak hlídající svůj poklad. Alespoň tak je prodával ten chlap s širokými pneumatikami a přestříkanými ohnivými vzory. Někdy ve dvacátém století jsme si ale uvědomili, že tyto plamenometné stroje nezabíjejí své protivníky jen v závodech dragsterů. Smog dusil města. Klima se měnilo. Proměňovali jsme Kraj v Mordor.
Kdo nám tedy přišel na pomoc? Kdo ovládal meč vědy, aby zkrotil tyto benzoedery? Tohle nebyl moderní génius ze Silicon Valley. Byl to James Atkinson z Hampsteadu, Middlesex, Anglie. V roce 1887.
Ano, základ moderních motorů šetrných k životnímu prostředí byl položen na úsvitu automobilové éry. ** Motor s Atkinsonovým cyklem byl patentován v USA v roce 1887 po dřívějších aplikacích ve Velké Británii a Evropě. Zdá se absurdní, že by nerovnoměrné zdvihy viktoriánského parního stroje dokonale zapadaly do moderních hybridních systémů. Ale abychom pochopili, proč je motor s Atkinsonovým cyklem** nyní v hybridech všudypřítomný, musíme se vrátit k základům.
Mechanika účinnosti
Atkinsonův patent USA číslo 367 496 je nudné číst. Jedná se o tisíc slov legálně ověřeného textu a několik užitečných diagramů. Můžete si to přečíst, nebo můžete jen pochopit mechaniku, což je mnohem méně zdlouhavé.
Většina moderních vozů jezdí na Ottově cyklu. Jedná se o čtyřdobý proces, při kterém se píst ve válci pohybuje nahoru a dolů, zažehnutý zapalovací svíčkou. Zde je rychlé připomenutí:
- Sací zdvih: Píst se pohybuje dolů a nasává vzduch a palivo.
- Stlačovací zdvih: Píst se pohybuje nahoru a stlačuje směs. Díky tomu je výbuch silnější, když je spuštěna jiskra.
- Výkonový zdvih (expanzní zdvih): Exploze způsobí pohyb pístu směrem dolů. Tím se otáčí klikový hřídel.
- Výfukový zdvih: Píst se opět posune nahoru a vytlačí spálené zbytky.
U standardního Ottova motoru to vyžaduje dvě plné otáčky klikového hřídele. Původní Atkinsonův design přidal kinematické spojky pro dokončení všech čtyř zdvihů během jediné otáčky. To samo o sobě zvyšuje účinnost.
Ale Atkinson měl chytřejší nápad. Co když stlačíte směs vzduchu a paliva méně, ale umožníte větší expanzi zdvihu? Menší komprese znamená, že k dosažení stejné práce je potřeba méně paliva. Motor se stává efektivnější.
Zde je návod, jak to fyzicky funguje ve válci:
- Sací ventil se brzy uzavře. Píst nejde úplně dolů.
- Uvnitř je menší objem vzduchu a paliva.
- Píst se zvedá a stlačuje tento menší objem.
- Zapalovací svíčky zapálí směs.
- Výsledný výbuch zatlačí píst až na dno válce.
Protože expanzní zdvih je delší než kompresní zdvih, získáte více energie z tohoto malého množství paliva. Čtyři bary. Méně paliva. To je vše.
Trest za moc
Pravděpodobně si říkáte: Pokud spotřebujete méně paliva a méně stlačíte, získáte méně energie. Máš pravdu.
I když píst urazí během zdvihu větší vzdálenost, počáteční náplň je tak malá, že celková vytvořená síla je nižší než u vysokokompresního Ottova motoru. Je to kompromis. Získáte tepelnou účinnost, ale ztratíte špičkový výkon.
Pak je tu hardware. Původní Atkinsonův motor vyžadoval chaos pružin, vibrujících pák a rozžhaveného zapalovacího systému. Stavba byla drahá a sestavení noční můra. Pro moderní inženýry je to jednodušší. Ale základní princip zůstává stejný: obětovat část špičkového výkonu pro obrovský nárůst účinnosti.
Moderní motor s Atkinsonovým cyklem
Rychle vpřed do devadesátých let. Toyota se potýká s životaschopností svého prvního hybridu, Priusu. Motor musí pracovat efektivně při nízkých otáčkách, kde tradiční Otto motory plýtvají palivem. Atkinsonův cyklus se svou vysokou tepelnou účinností byl odpovědí.
Ale nemůžete jen tak postavit motor ve stylu 1887 s milionem páček a pružin. Potřebujete něco jednoduššího.
Na scénu přichází Millerův cyklus.
Millerův cyklus je v podstatě motor s Atkinsonovým cyklem postavený pomocí moderních ventilů. Místo složitých mechanických spojů využívá brzké uzavření sacího ventilu. Ventil zůstává otevřený, zatímco se píst stále pohybuje nahoru a vytlačuje část vzduchu zpět. Tím je dosaženo stejného efektu: kratší efektivní kompresní zdvih a delší expanzní zdvih.
Je to čistší. Je to levnější. A dokonale zapadá do hybridního ekosystému.
Proč je to pro vás důležité? Protože motor s Atkinsonovým cyklem je tichým partnerem ve vaší spotřebě paliva. Na semaforech na červenou neřve. Ke kompenzaci nedostatku výkonu nepotřebuje přeplňování. Prostě to funguje. Klid. Efektivní.
Problém je, že Atkinsonovy motory nemají rády vysoké zatížení. Při prudké akceleraci nebo tažení jsou hrozné. To je důvod, proč je hybridy používají. Elektromotor přebírá úkoly, které vyžadují hodně síly – zrychlení, stoupání, předjíždění. Atkinsonův motor jede. Funguje na svém místě a spaluje méně paliva než jakýkoli Otto motor.
Takže až uvidíte hybridní auto s neuvěřitelným dojezdem na benzín, vzpomeňte si na 130 let starého ducha v autě. James Atkinson nevynalezl jen motor. Vynalezl způsob, jak udělat více s méně. A ve světě, kde dochází ropa a trpělivost, je to jediný ukazatel, na kterém opravdu záleží.
Ale je tu nuance. Atkinsonův cyklus není dokonalý. Při vysokých rychlostech má potíže. Potřebuje pomoc. Zde vstupuje do hry elektromotor. Hybrid nespojuje jen dvě pohonné jednotky; vytvoří nový. Takový, který napodobuje efektivitu minulosti pomocí technologie budoucnosti.
Otázkou není, zda Atkinsonův cyklus nahradí Ottov cyklus. Otázkou je, zda to dokážeme ještě vylepšit. A to nás vede k další fázi evoluce. Variabilní kompresní poměr. Adaptivní ovládání ventilů. Budoucnost stále píše scénář. Ale první kapitola byla napsána v Hampsteadu v roce 1887. A stále se čte, jeden účinný zdvih pístu za druhým.
Moderní motory s Atkinsonovým cyklem vypadají stejně jako standardní motory s Ottovým cyklem. V pouzdře ani vnějších součástech nenajdete žádné rozdíly. David Lee z Toyota University tuto skutečnost potvrzuje. Poznamenává, že v motoru Prius není nic, co by se nenacházelo v běžném benzínovém motoru. Upozorňujeme, že Toyota University není přístupná veřejnosti. Školí zaměstnance o nových technologiích, než vstoupí do dealerství.
Mechanické změny jsou vnitřní. Rané Atkinsonovy návrhy využívaly složité ojnice ke změně polohy klikového hřídele. Dnes tento úkol plní variabilní časování ventilů (VVT). Je to levnější. Inženýrská implementace je jednodušší. Cíl zůstává stejný jako v roce 1887.
Jak funguje pozdní uzavření sacího ventilu
U původního Atkinsonova motoru se sací ventil brzy uzavřel. Tím se zabránilo vniknutí části palivové směsi do válce. Moderní motory fungují naopak. Vstupní ventil zůstává otevřený příliš dlouho. Když se píst během kompresního zdvihu pohybuje nahoru, část směsi se vrací ven. Inženýři tomu říkají pozdní uzavření sacího ventilu (LIVC).
V důsledku toho je kompresní poměr nízký. Zapalovací svíčka zapálí zbývající palivo. Píst dokončí svůj plný zdvih. Uvolňovací zdvih vyprázdní komoru. Je to jednoduché a elegantní řešení problému, který existuje již 120 let.
Věda o materiálech a zvýšení efektivity
Zlepšení účinnosti přesahuje časování ventilů. Inženýři vyvinuli lehčí materiály. Písty, kroužky a ventilové pružiny nyní váží méně. Menší hmotnost znamená menší tření. To také znamená, že k pohonu vozidla je potřeba méně energie.
Ford ve Fusion Hybrid používá motor DOHC. Tato konstrukce poskytuje přesné řízení procesu distribuce plynu. Lehké komponenty a pokročilý vačkový hřídel spolupracují, aby z každého galonu plynu vymáčkly více kilometrů.
Energetický kompromis
Je tu jeden problém. Moderní motory s Atkinsonovým cyklem produkují méně energie. Jejich předchůdce potkal stejný osud. David Lee přiznává, že tento motor v tradičních autech bojuje. Chybí mu výkon potřebný pro jízdu vysokou rychlostí.
Ale v hybridních systémech to není problém. Prospívají.
Katastrofální spojenectví hybridního pohonného ústrojí
Atkinsonův motor nemá vysoký točivý moment. Není určeno pro závody dragsterů. Elektromotory však dokážou poskytnout okamžitý točivý moment již od nulových otáček. Kompromisem je nejvyšší rychlost. Elektromotory nedokážou udržet vysoké otáčky dlouho. Benzínové motory jsou skvělé pro dálniční cestovní rychlosti.
Inženýři hybridních systémů kombinují tyto výhody. Dá se přirovnat k čokoládě a arašídovému máslu. Při nízkých rychlostech pohání vůz elektromotor. Přebírá většinu práce při zrychlování a při smyku v dopravních zácpách. Benzínový motor se rychle rozběhne, když sešlápnete plynový pedál. Pomáhá elektromotor.
Atkinsonův motor začíná běžet rychlostí asi 40 mph. Funguje téměř výhradně s malou elektrickou podporou. To umožňuje inženýrům vyladit motor pro optimální účinnost. Když šlápnete na pedál, přijímá energii ze dvou zdrojů. Lee poznamenává, že systém dělá přesně to, co uživatel žádá.
Vyrovnávání zatížení a skutečné úspory paliva
Tato synergie vyrovnává zátěž. Hybridní vozidla jako Toyota Prius a Ford Escape mají lepší dojezd ve městě než na dálnici. Tím se zvyšuje standard pro většinu vozidel. Jízda ve městě vyžaduje nízkou rychlost. Časté starty a zastávky. Maximální rychlost je nízká. Většinu zátěže přebírá elektromotor.
Na dálnici se podmínky mění. Podporujete vyšší rychlosti. Benzínové motory pracují nezávisle. Těžko se srovnávají s údaji o spotřebě paliva ve městě. Ale v městském prostředí Atkinsonův cyklus září.
Často kladené otázky: Motory s Atkinsonovým cyklem
Co je motor s Atkinsonovým cyklem?
Píst se pohybuje uvnitř válce. Zapalovací svíčka zapálí směs. Původní konstrukce používala přídavnou ojnici pro všechny čtyři zdvihy na otáčku klikového hřídele. Moderní verze využívají k dosažení podobných výsledků variabilní časování ventilů.
Jak se Atkinsonův cyklus liší od Ottova cyklu?
Cyklus sání dokončí sání, kompresi, zdvih a výfuk během dvou otáček klikového hřídele. Původní Atkinsonův motor používal složitý systém ojnice k efektivnějšímu stlačování vzduchu a paliva. Moderní Atkinsonovy motory nyní používají k simulaci tohoto efektu pozdní zavírání sacích ventilů (LIVC).
Proč funguje Atkinsonův cyklus?
Vstupní ventil zůstane otevřený déle. Část směsi se odstraní během kompresního zdvihu. Tím se sníží kompresní poměr. Následný výkonový zdvih využívá energii spalování efektivněji. Výfukový zdvih vyprázdní válec.
Je Atkinsonův cyklus variantou Ottova cyklu?
Ano. Jedná se o úpravu zaměřenou na zvýšení tepelné účinnosti. V moderních implementacích je toho dosaženo přesným řízením časování ventilů namísto mechanického propojení.
Kde se tato technologie používá?
Hlavně v hybridních autech. Toyota, Ford a další výrobci jej používají k maximalizaci účinnosti paliva svých benzinově-elektrických pohonných jednotek.
