Mesin dulunya berisik. Mereka tumbuh lebih besar, lebih cepat, dan lebih kejam setiap dekadenya, mengeluarkan asap seperti seekor naga marah yang menjaga timbunannya. Setidaknya, itulah gambaran yang dijual oleh pria dengan ban lebar dan api airbrush. Namun di abad ke-20, kami menyadari bahwa mesin yang mengeluarkan api itu membunuh lebih dari sekadar lawan balap drag. Kabut asap mencekik kota-kota. Iklim sedang berubah. Kami mengubah Shire menjadi Mordor.
Jadi, siapa yang datang untuk menyelamatkan kita? Siapa yang menggunakan pedang ilmu pengetahuan untuk menjinakkan para pemabuk bahan bakar ini? Ia bukanlah seorang jenius di Silicon Valley modern. Itu adalah James Atkinson dari Hampstead, Middlesex, Inggris. Pada tahun 1887.
Ya, landasan teknologi mesin ramah lingkungan modern berasal dari awal era otomotif. Mesin siklus Atkinson dipatenkan di Amerika Serikat pada tahun 1887, setelah pengajuan sebelumnya di Inggris dan Eropa. Tampaknya tidak masuk akal bahwa langkah piston yang tidak rata pada mesin bensin era Victoria sangat cocok dengan sistem hibrida saat ini. Namun untuk memahami mengapa mesin siklus Atkinson kini ada di mana-mana dalam bentuk hibrida, kita harus kembali ke sumbernya.
Mekanisme Efisiensi
Paten Atkinson di AS, nomor 367.496, sulit dibaca. Ini tentang seribu kata teks legalistik dan beberapa diagram yang berguna. Anda bisa membacanya, atau Anda bisa memahami mekanismenya, yang tidak terlalu membosankan.
Kebanyakan mobil saat ini menggunakan siklus Otto. Ini adalah proses empat langkah di mana piston bergerak naik dan turun di dalam silinder, yang dipicu oleh busi. Inilah penyegaran singkatnya:
- Langkah masuk: Piston bergerak ke bawah, menyedot udara dan bahan bakar.
- Langkah kompresi: Piston bergerak ke atas, menekan campuran. Hal ini membuat ledakan menjadi lebih keras saat percikan api menyala.
- Power stroke: Ledakan memaksa piston turun. Ini memutar poros engkol.
- Langkah buang: Piston kembali bergerak ke atas, mendorong keluar sisa pembakaran.
Pada mesin Otto standar, hal ini memerlukan dua putaran penuh poros engkol. Desain asli Atkinson menambahkan hubungan untuk menyelesaikan keempat pukulan hanya dalam satu putaran. Hal ini saja sudah meningkatkan efisiensi.
Tapi Atkinson punya ide yang lebih cerdas. Bagaimana jika Anda menekan campuran bahan bakar-udara lebih sedikit, namun membiarkan langkah tenaga lebih melebar? Kompresi yang lebih sedikit berarti Anda menggunakan lebih sedikit bahan bakar untuk mencapai pekerjaan yang sama. Mesin menjadi lebih efisien.
Berikut cara kerjanya secara fisik di dalam silinder:
- Katup masuk menutup lebih awal. Piston tidak tertarik sepenuhnya ke bawah.
- Anda mendapatkan lebih sedikit muatan udara dan bahan bakar di dalamnya.
- Piston naik, memampatkan muatan yang lebih kecil.
- Busi menyalakannya.
- Ledakan yang diakibatkannya mendorong piston ke bawah sampai ke bagian bawah silinder.
Karena langkah ekspansi lebih panjang daripada langkah kompresi, Anda mengekstrak lebih banyak energi dari bahan bakar yang sedikit itu. Empat pukulan. Lebih sedikit bahan bakar. Itu benar.
Penalti Kekuatan
Anda mungkin berpikir: jika Anda menggunakan lebih sedikit bahan bakar dan mengompres lebih sedikit, Anda akan mendapatkan lebih sedikit tenaga. Anda benar.
Meskipun piston bergerak lebih jauh selama langkah tenaga, muatan awalnya sangat kecil sehingga gaya total yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan mesin Otto kompresi tinggi. Ini adalah trade-off. Anda memperoleh efisiensi termal, namun kehilangan tenaga puncak.
Lalu ada perangkat kerasnya. Mesin Atkinson yang asli memerlukan pegas yang berantakan, sambungan yang bergetar, dan tabung pengapian yang panas membara. Pembangunannya mahal dan perakitannya sangat sulit. Insinyur modern lebih mudah melakukannya. Namun prinsip intinya tetap sama: mengorbankan sebagian daya puncak untuk mendapatkan efisiensi besar.
Mesin Siklus Atkinson Modern
Maju cepat ke tahun 1990-an. Toyota sedang berjuang untuk membuat mobil hybrid pertamanya, Prius, bisa bertahan. Mesin harus bekerja secara efisien pada kecepatan rendah, sedangkan mesin Otto tradisional membuang-buang bahan bakar. Siklus Atkinson, dengan efisiensi termal yang tinggi, adalah jawabannya.
Namun Anda tidak bisa begitu saja membuat mesin bergaya tahun 1887 dengan sejuta tuas dan pegas. Anda membutuhkan sesuatu yang lebih sederhana.
Masuki siklus Miller.
Siklus Miller pada dasarnya adalah mesin siklus Atkinson yang dibuat dengan katup modern. Alih-alih menggunakan hubungan mekanis yang rumit, ia menggunakan penutupan katup masuk lebih awal. Katup tetap terbuka saat piston masih bergerak ke atas, mendorong sebagian udara keluar kembali. Hal ini menghasilkan efek yang sama: langkah kompresi efektif yang lebih pendek dan langkah ekspansi yang lebih lama.
Ini lebih bersih. Ini lebih murah. Dan itu sangat cocok dengan ekosistem hibrida.
Mengapa ini penting bagi Anda? Karena mesin siklus Atkinson adalah mitra senyap dalam penghematan bahan bakar Anda. Ia tidak berteriak di lampu merah. Tidak memerlukan turbocharger untuk menutupi kekurangan tenaganya. Itu berhasil. Diam-diam. Efisien.
Masalahnya adalah mesin Atkinson tidak menyukai beban tinggi. Mereka buruk dalam berakselerasi dengan keras atau menarik. Itu sebabnya hibrida menggunakannya. Motor listrik menangani hal-hal yang haus tenaga—akselerasi, tanjakan, passing. Mesin Atkinson menangani jelajah. Mesin ini bekerja pada titik terbaiknya, membakar lebih sedikit bahan bakar dibandingkan mesin Otto mana pun.
Jadi, ketika Anda melihat mobil hybrid yang mengklaim MPG luar biasa, ingatlah hantu berusia 130 tahun di dalam mesin tersebut. James Atkinson tidak hanya menciptakan mesin. Dia menemukan cara untuk berbuat lebih banyak dengan lebih sedikit. Dan di dunia yang kehabisan minyak dan kesabaran, itulah satu-satunya metrik yang paling penting.
Tapi ada kendalanya. Siklus Atkinson tidaklah sempurna. Ia kesulitan pada RPM tinggi. Ini membutuhkan bantuan. Dan di situlah peran motor listrik. Hibrida tidak hanya memasangkan dua powertrain; itu menciptakan yang baru. Salah satu yang meniru efisiensi masa lalu sambil menggunakan teknologi masa depan.
Pertanyaannya bukanlah apakah siklus Atkinson akan menggantikan siklus Otto. Tinggal apakah kita bisa menjadikannya lebih baik lagi. Dan itu membawa kita ke evolusi berikutnya. Rasio kompresi variabel. Pengaturan waktu katup adaptif. Kedepannya masih menulis naskahnya. Namun bab pertama ditulis di Hampstead, pada tahun 1887. Dan masih dibaca, satu langkah piston yang efisien dalam satu waktu.
现代阿特金森循环发动机看起来与标准奥托循环发动机相同。 您不会发现外壳或外部组件有什么不同。 丰田大学的戴维·李证实了这一事实。 他指出,普锐斯发动机中没有任何东西是普通汽油发动机中所没有的。 请注意,丰田大学不向公众开放。 在新技术进入经销商之前,它对员工进行培训。
机械变化是内部的。 早期的阿特金森设计使用复杂的连杆来调整曲轴的位置。 如今,可变气门正时可以完成这项工作。 它更便宜。 工程设计更容易。 目标与 1887 年相同。
Cara Kerja Penutupan Katup Masuk Terlambat
Mesin Atkinson asli menutup katup masuk lebih awal. Ini mencegah sebagian campuran memasuki silinder. Mesin modern bekerja justru sebaliknya. Katup masuk dibiarkan terbuka terlalu lama. Saat piston bergerak ke atas dengan langkah kompresi, sebagian campuran keluar. Para insinyur menyebutnya penutupan katup masuk tertunda, atau LIVC.
Akibatnya rasio kompresi menjadi rendah. Busi menyalakan sisa bahan bakar. Piston melakukan langkah tenaga penuh. Langkah buang mengosongkan ruangan. Ini adalah solusi sederhana dan elegan untuk masalah yang sudah berusia 120 tahun.
Ilmu Material dan Keuntungan Efisiensi
Peningkatan efisiensi melampaui timing katup. Para insinyur telah mengembangkan material yang lebih ringan. Piston, ring, dan pegas katup kini lebih ringan, ring piston dan pegas katup. Bobot yang lebih ringan berarti lebih sedikit gesekan. Ini juga berarti lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan mobil.
Ford menggunakan mesin DOHC pada Fusion Hybrid. Desain ini memungkinkan kontrol proses katup yang presisi. Komponen ringan dan camshaft canggih bekerja sama untuk menghasilkan lebih banyak mil dari setiap galon bahan bakar.
功率权衡
有一个问题。 现代阿特金森循环发动机产生的功率较少。 它的前身也遭受了同样的命运。 大卫·李承认,该发动机在传统汽车中会遇到困难。 它缺乏高速性能所需的强力。
但混合动力并不困难。 他们茁壮成长。
Perkawinan Powertrain Hibrida
Mesin Atkinson kekurangan torsi. Tidak dirancang untuk balap drag. Namun motor listrik mampu memberikan torsi instan dari putaran nol. Pengorbanannya adalah kecepatan tertinggi. Motor listrik tidak dapat mempertahankan kecepatan tinggi dengan baik. Mesin bensin sangat baik untuk jelajah jalan raya.
Insinyur hibrida menggabungkan keunggulan ini. Anggap saja seperti coklat dan selai kacang. Pada kecepatan rendah, motor listrik menggerakkan kendaraan. Mereka menangani beban berat dalam akselerasi dan lalu lintas berhenti-dan-pergi. Mesin bensin menyala dengan cepat ketika Anda menekan pedal gas. Motor listrik membantu.
Mesin Atkinson bekerja dengan kecepatan sekitar 40 mil per jam. Ia bekerja hampir seluruhnya dengan bantuan listrik kecil. Hal ini memungkinkan para insinyur menyetel mesin untuk efisiensi optimal. Saat Anda menekan pedal, ia mendapat tenaga dari dua sumber. Lee menunjukkan bahwa sistem melakukan persis apa yang diminta pengguna.
Penyeimbangan beban dan MPG aktual
Sinergi ini menyeimbangkan beban. Mobil full hybrid seperti Toyota Prius dan Ford Escape memiliki jangkauan yang lebih jauh di dalam kota dibandingkan di jalan raya. Ini membalikkan standar kebanyakan kendaraan. Berkendara dalam kota memerlukan kecepatan rendah. Startup dan shutdown berulang. Kecepatan tertinggi rendah. Motor listrik memikul sebagian besar beban.
Di jalan raya, kondisi berubah. Anda mempertahankan kecepatan yang lebih tinggi. Mesin bensin bekerja secara mandiri. Ia berjuang untuk menandingi MPG kota. Namun di lingkungan perkotaan, siklus Atkinson lebih menonjol.
FAQ: Mesin Siklus Atkinson
Apa yang dimaksud dengan mesin siklus Atkinson?
Piston bergerak di dalam silinder. Percikan menyulut campuran. Desain aslinya menggunakan batang penghubung tambahan untuk keempat langkah dalam satu putaran poros engkol. Versi modern menggunakan timing katup variabel untuk mencapai hasil serupa.
Apa perbedaan siklus Atkinson dengan siklus Otto?
Siklus pemasukan menyelesaikan pemasukan, kompresi, tenaga dan gas buang dalam dua putaran poros engkol. Mesin Atkinson asli menggunakan sistem batang penghubung yang kompleks untuk mengompresi udara dan bahan bakar dengan lebih efisien. Mesin Atkinson modern sekarang menggunakan penutupan katup masuk tertunda (LIVC) untuk mensimulasikan efek ini.
Mengapa siklus Atkinson berhasil?
Katup hisap tetap terbuka lebih lama. Sebagian campuran dihilangkan selama langkah kompresi. Ini mengurangi rasio kompresi. Langkah tenaga selanjutnya memanfaatkan pembakaran dengan lebih efektif. Langkah buang mengosongkan silinder.
Apakah siklus Atkinson merupakan varian dari siklus Otto?
Ya. Ini merupakan modifikasi yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi termal. Dengan penerapan modern, hal ini dicapai melalui pengaturan waktu katup yang presisi, bukan hubungan mekanis.
Di mana teknologi ini digunakan?
Terutama digunakan pada mobil hybrid. Toyota, Ford dan pabrikan lain menggunakannya untuk memaksimalkan penghematan bahan bakar pada pembangkit listrik berbahan bakar bensin-listrik mereka.
