Silniki były kiedyś głośne. Z każdą mijającą dekadą rosły, stawały się coraz większe, szybsze i bardziej wściekłe, wypluwając spaliny niczym wściekły smok strzegący swojego skarbu. Przynajmniej tak je sprzedawał gość z szerokimi oponami i pomalowanymi aerografem ognistymi wzorami. Ale gdzieś w XX wieku zdaliśmy sobie sprawę, że te maszyny miotające ogień zabijały nie tylko swoich przeciwników w wyścigach dragsterów. Smog dusził miasta. Klimat się zmieniał. Zamienialiśmy Shire w Mordor.
Kto więc przyszedł nam z pomocą? Kto dzierżył miecz nauki, aby ujarzmić te benzoedery? To nie był nowoczesny geniusz z Doliny Krzemowej. To był James Atkinson z Hampstead w Middlesex w Anglii. W 1887 r.
Tak, podwaliny pod nowoczesne, przyjazne dla środowiska silniki położono u zarania ery motoryzacji. Silnik pracujący w cyklu Atkinsona został opatentowany w USA w 1887 r., po wcześniejszych zastosowaniach w Wielkiej Brytanii i Europie. Wydaje się absurdem, że nierówne uderzenia wiktoriańskiego silnika parowego idealnie pasowałyby do nowoczesnych systemów hybrydowych. Aby jednak zrozumieć, dlaczego silnik pracujący w cyklu Atkinsona jest obecnie wszechobecny w pojazdach hybrydowych, musimy wrócić do podstaw.
Mechanika wydajności
Czytanie amerykańskiego patentu Atkinsona nr 367 496 jest nudne. To około tysiąca słów prawnie zweryfikowanego tekstu i kilka przydatnych schematów. Można to przeczytać lub po prostu zrozumieć mechanikę, co jest znacznie mniej nudne.
Większość nowoczesnych samochodów napędzana jest cyklem Otto. Jest to proces czterosuwowy, podczas którego tłok porusza się w górę i w dół w cylindrze, zapalany przez świecę zapłonową. Oto krótkie przypomnienie:
- Skok ssania: Tłok porusza się w dół, zasysając powietrze i paliwo.
- Suw sprężania: Tłok porusza się w górę, ściskając mieszankę. To sprawia, że eksplozja jest potężniejsza po wyzwoleniu iskry.
- Suw mocy (skok rozprężania): Eksplozja powoduje ruch tłoka w dół. To obraca wał korbowy.
- Suw wydechu: Tłok ponownie porusza się w górę, wypychając spalone pozostałości.
W standardowym silniku Otto wymaga to dwóch pełnych obrotów wału korbowego. W oryginalnym projekcie Atkinsona dodano sprzęgła kinematyczne, aby wykonać wszystkie cztery suwy w ciągu tylko jednego obrotu. To samo w sobie zwiększa wydajność.
Ale Atkinson miał mądrzejszy pomysł. Co się stanie, jeśli zmniejszysz kompresję mieszanki paliwowo-powietrznej, ale pozwolisz na większe rozszerzenie skoku? Mniejsza kompresja oznacza, że do osiągnięcia tej samej pracy potrzeba mniej paliwa. Silnik staje się bardziej wydajny.
Oto jak to fizycznie działa w cylindrze:
- Zawór wlotowy zamyka się wcześnie. Tłok nie schodzi całkowicie w dół.
- Wewnątrz znajduje się mniejsza ilość powietrza i paliwa.
- Tłok podnosi się, ściskając tę mniejszą objętość.
- Świece zapłonowe powodują zapalenie mieszanki.
- Powstała eksplozja wypycha tłok aż do samego dna cylindra.
Ponieważ suw rozprężania jest dłuższy niż suw sprężania, z tak małej ilości paliwa można uzyskać więcej energii. Cztery takty. Mniej paliwa. To wszystko.
Kara za moc
Prawdopodobnie myślisz: jeśli zużyjesz mniej paliwa i mniej kompresujesz, uzyskasz mniej mocy. Masz rację.
Mimo że tłok pokonuje większą odległość podczas suwu mocy, ładunek początkowy jest tak mały, że całkowita wytworzona siła jest mniejsza niż w silniku Otto o wysokim stopniu sprężania. To kompromis. Zyskasz na sprawności cieplnej, ale stracisz na mocy szczytowej.
Potem jest sprzęt. Oryginalny silnik Atkinsona wymagał chaosu sprężyn, wibrujących dźwigni i rozgrzanego do czerwoności układu zapłonowego. Budowa była kosztowna, a montaż koszmarny. Współczesnym inżynierom jest łatwiej. Jednak podstawowa zasada pozostaje ta sama: poświęcić część mocy szczytowej na rzecz ogromnego wzrostu wydajności.
Nowoczesny silnik pracujący w cyklu Atkinsona
Przejdźmy szybko do lat 90. Toyota zmaga się z rentownością swojej pierwszej hybrydy, Priusa. Silnik musi działać wydajnie przy niskich prędkościach, gdzie tradycyjne silniki Otto marnują paliwo. Odpowiedzią był cykl Atkinsona charakteryzujący się wysoką sprawnością cieplną.
Ale nie można po prostu zbudować silnika w stylu 1887 z milionem dźwigni i sprężyn. Potrzebujesz czegoś prostszego.
Na scenę wkracza cykl Millera.
Cykl Millera jest zasadniczo silnikiem pracującym w cyklu Atkinsona, zbudowanym przy użyciu nowoczesnych zaworów. Zamiast skomplikowanych połączeń mechanicznych zastosowano wcześniejsze zamykanie zaworu dolotowego. Zawór pozostaje otwarty, podczas gdy tłok nadal porusza się w górę, wypychając część powietrza z powrotem. Daje to ten sam efekt: krótszy efektywny skok sprężania i dłuższy skok rozprężania.
Jest czyściej. Jest taniej. I idealnie pasuje do ekosystemu hybrydowego.
Dlaczego jest to dla Ciebie ważne? Ponieważ silnik pracujący w cyklu Atkinsona to cichy partner w oszczędzaniu paliwa. Nie ryczy na czerwonych światłach. Nie potrzebuje turbodoładowania, aby zrekompensować brak mocy. To po prostu działa. Cichy. Skuteczny.
Problem w tym, że silniki Atkinsona nie lubią dużych obciążeń. Są okropne przy ostrym przyspieszaniu lub holowaniu. Dlatego hybrydy ich używają. Silnik elektryczny podejmuje się zadań wymagających dużej mocy – przyspieszania, podjazdów, wyprzedzania. Silnik Atkinsona jeździ. Działa w swoim optymalnym punkcie, spalając mniej paliwa niż jakikolwiek silnik Otto.
Kiedy więc zobaczysz samochód hybrydowy, który osiąga niesamowite zużycie paliwa, przypomnij sobie 130-letniego ducha w samochodzie. James Atkinson nie tylko wynalazł silnik. Wynalazł sposób, aby zrobić więcej za mniej. A w świecie, w którym kończy się ropa i cierpliwość, jest to jedyny wskaźnik, który naprawdę się liczy.
Ale jest niuans. Cykl Atkinsona nie jest doskonały. Ma trudności przy dużych prędkościach. On potrzebuje pomocy. Tutaj w grę wchodzi silnik elektryczny. Hybryda to nie tylko połączenie dwóch układów napędowych; tworzy nowe. Taki, który naśladuje wydajność z przeszłości, wykorzystując technologię przyszłości.
Pytanie nie brzmi, czy cykl Atkinsona zastąpi cykl Otto. Pytanie, czy uda nam się zrobić to jeszcze lepiej. A to prowadzi nas do kolejnego etapu ewolucji. Zmienny stopień sprężania. Adaptacyjne sterowanie zaworami. Przyszłość wciąż pisze scenariusz. Ale pierwszy rozdział został napisany w Hampstead w 1887 roku. I nadal jest czytany, jedno skuteczne uderzenie tłoka za drugim.
Nowoczesne silniki pracujące w cyklu Atkinsona wyglądają tak samo jak standardowe silniki pracujące w cyklu Otto. Nie znajdziesz żadnych różnic w obudowie ani elementach zewnętrznych. Fakt ten potwierdza David Lee z Toyota University. Zauważa, że w silniku Priusa nie ma niczego, czego nie można znaleźć w konwencjonalnym silniku benzynowym. Należy pamiętać, że Uniwersytet Toyoty nie jest otwarty dla publiczności. Szkoli pracowników z nowych technologii zanim trafią do dealerów.
Zmiany mechaniczne mają charakter wewnętrzny. We wczesnych projektach Atkinsona wykorzystywano złożone korbowody do zmiany położenia wału korbowego. Dziś zadanie to realizuje system zmiennych faz rozrządu (VVT). Jest taniej. Implementacja inżynieryjna jest prostsza. Cel pozostaje ten sam, co w roku 1887.
Jak działa późne zamknięcie zaworu dolotowego
W oryginalnym silniku Atkinsona zawór dolotowy zamykał się wcześnie. Zapobiegło to przedostaniu się części mieszanki paliwowej do cylindra. Nowoczesne silniki działają w drugą stronę. Zawór wlotowy pozostaje otwarty zbyt długo. Gdy tłok porusza się w górę podczas suwu sprężania, część mieszanki wypływa z powrotem. Inżynierowie nazywają to późnym zamknięciem zaworu dolotowego (LIVC).
W rezultacie stopień sprężania jest niski. Świeca zapłonowa zapala resztę paliwa. Tłok kończy swój pełny skok. Suw zwalniający opróżnia komorę. To proste i eleganckie rozwiązanie problemu, który istnieje od 120 lat.
Inżynieria materiałowa i wzrost wydajności
Poprawa wydajności wykracza poza rozrząd zaworowy. Inżynierowie opracowali lżejsze materiały. Tłoki, pierścienie i sprężyny zaworów ważą teraz mniej. Mniejsza waga oznacza mniejsze tarcie. Oznacza to również, że do napędzania pojazdu potrzeba mniej energii.
Ford wykorzystuje silnik DOHC w Fusion Hybrid. Taka konstrukcja zapewnia precyzyjną kontrolę procesu dystrybucji gazu. Lekkie komponenty i zaawansowany wałek rozrządu współpracują ze sobą, aby wycisnąć więcej kilometrów z każdego galona paliwa.
Kompromis mocy
Jest jeden problem. Nowoczesne silniki pracujące w cyklu Atkinsona wytwarzają mniej mocy. Ich poprzedników spotkał ten sam los. David Lee przyznaje, że silnik ten radzi sobie w tradycyjnych samochodach. Brakuje mu mocy potrzebnej do jazdy z dużą prędkością.
Ale w systemach hybrydowych nie stanowi to problemu. Rozwijają się.
Katastrofalny sojusz hybrydowego układu napędowego
Silnik Atkinsona nie ma wysokiego momentu obrotowego. Nie jest przeznaczony do wyścigów dragsterów. Jednak silniki elektryczne mogą zapewnić natychmiastowy moment obrotowy już od zerowej prędkości obrotowej. Kompromisem jest maksymalna prędkość. Silniki elektryczne nie są w stanie długo utrzymywać wysokich prędkości. Silniki benzynowe świetnie nadają się do jazdy po autostradach.
Inżynierowie systemów hybrydowych łączą te zalety. Można go porównać do czekolady i masła orzechowego. Przy niskich prędkościach samochód napędza silnik elektryczny. Przejmuje na siebie większość pracy podczas przyspieszania i poślizgu w korkach. Silnik benzynowy uruchamia się szybko po naciśnięciu pedału gazu. Silnik elektryczny pomaga.
Silnik Atkinsona zaczyna działać przy prędkości około 40 mil na godzinę. Działa prawie wyłącznie przy niewielkim wsparciu elektrycznym. Umożliwia to inżynierom dostrojenie silnika w celu uzyskania optymalnej wydajności. Po naciśnięciu pedału otrzymuje on moc z dwóch źródeł. Lee zauważa, że system robi dokładnie to, o co prosi użytkownik.
Równoważenie obciążenia i realna oszczędność paliwa
Ta synergia równoważy obciążenie. Pojazdy hybrydowe takie jak Toyota Prius i Ford Escape mają większy zasięg w mieście niż na autostradzie. Podwyższa to standardy większości pojazdów. Jazda po mieście wymaga niskich prędkości. Częste starty i zatrzymania. Maksymalna prędkość jest niska. Większość obciążenia przejmuje silnik elektryczny.
Na autostradzie warunki się zmieniają. Obsługujesz wyższe prędkości. Silniki benzynowe działają niezależnie. Trudno im porównać dane dotyczące zużycia paliwa w mieście. Ale w środowisku miejskim cykl Atkinsona świeci.
Często zadawane pytania: Silniki pracujące w cyklu Atkinsona
Co to jest silnik pracujący w cyklu Atkinsona?
Tłok porusza się wewnątrz cylindra. Świeca zapłonowa zapala mieszankę. W oryginalnym projekcie zastosowano dodatkowy korbowód dla wszystkich czterech suwów na obrót wału korbowego. Nowoczesne wersje wykorzystują zmienne fazy rozrządu, aby osiągnąć podobne wyniki.
Czym różni się cykl Atkinsona od cyklu Otto?
Cykl dolotowy kończy dolot, sprężanie, skok mocy i wydech w ciągu dwóch obrotów wału korbowego. W oryginalnym silniku Atkinsona zastosowano złożony układ korbowodów, aby wydajniej sprężać powietrze i paliwo. Nowoczesne silniki Atkinsona wykorzystują obecnie późne zamykanie zaworów dolotowych (LIVC), aby symulować ten efekt.
Dlaczego cykl Atkinsona działa?
Zawór wlotowy pozostaje dłużej otwarty. Część mieszaniny jest usuwana podczas suwu sprężania. Zmniejsza to stopień kompresji. Późniejszy suw mocy wykorzystuje energię spalania w sposób bardziej efektywny. Suw wydechowy opróżnia cylinder.
Czy cykl Atkinsona jest odmianą cyklu Otto?
Tak. Jest to modyfikacja mająca na celu zwiększenie wydajności cieplnej. W nowoczesnych rozwiązaniach osiąga się to poprzez precyzyjne sterowanie rozrządami zaworów zamiast połączeń mechanicznych.
Gdzie stosowana jest ta technologia?
Głównie w samochodach hybrydowych. Toyota, Ford i inni producenci wykorzystują go, aby zmaksymalizować efektywność paliwową swoich benzynowo-elektrycznych układów napędowych.
