Раньше двигатели были громкими. С каждым десятилетием они становились больше, быстрее и злее, извергая выхлопные газы, словно сердитый дракон, охраняющий свое сокровище. По крайней мере, таким образом их продавал парень с широкими шинами и аэрографическими огненными узорами. Но где-то в двадцатом веке мы поняли, что эти огнемесущие машины убивают не только соперников на драг-рейсинге. Смог душил города. Климат менялся. Мы превращали Шир в Мордор.
Так кто же пришел к нам на помощь? Кто wielded меч науки, чтобы приручить этих бензоедов? Это был не современный гений из Кремниевой долины. Это был Джеймс Аткинсон из Хэмпстеда, Мидлсекс, Англия. В 1887 году.
Да, фундамент современных экологичных двигателей заложил на заре автомобильной эпохи. Двигатель цикла Аткинсона был запатентован в США в 1887 году после более ранних заявок в Великобритании и Европе. Кажется абсурдным, что неравномерные ходы поршня парового двигателя викторианской эпохи идеально вписываются в современные гибридные системы. Но чтобы понять, почему двигатель цикла Аткинсона теперь повсеместно используется в гибридах, нам нужно вернуться к истокам.
Механика эффективности
Американский патент Аткинсона номер 367,496 читается скучно. Это около тысячи слов юридически выверенного текста и несколько полезных схем. Вы можете прочитать его, а можете просто понять механику, которая гораздо менее утомительна.
Большинство современных автомобилей работают на цикле Отто. Это четырехтактный процесс, при котором поршень движется вверх и вниз в цилиндре, поджигаясь свечой зажигания. Вот краткое напоминание:
- Такт впуска: Поршень движется вниз, засасывая воздух и топливо.
- Такт сжатия: Поршень движется вверх, сжимая смесь. Это делает взрыв более мощным при срабатывании искры.
- Рабочий ход (такт расширения): Взрыв заставляет поршень двигаться вниз. Это вращает коленчатый вал.
- Такт выпуска: Поршень снова движется вверх, выталкивая сгоревшие остатки.
В стандартном двигателе Отто это занимает два полных оборота коленчатого вала. Оригинальная конструкция Аткинсона добавила кинематические связи, чтобы выполнить все четыре такта всего за один оборот. Это само по себе повышает эффективность.
Но у Аткинсона была более умная идея. Что если сжимать топливовоздушную смесь меньше, но позволить рабочему ходу расширяться больше? Меньшее сжатие означает, что для достижения той же работы требуется меньше топлива. Двигатель становится более эффективным.
Вот как это работает физически в цилиндре:
- Впускной клапан закрывается рано. Поршень не опускается до самого низа.
- Внутри оказывается меньший объем воздуха и топлива.
- Поршень поднимается, сжимая этот меньший объем.
- Свечи зажигания поджигают смесь.
- Образовавшийся взрыв толкает поршень вплоть до самого низа цилиндра.
Поскольку такт расширения длиннее такта сжатия, вы извлекаете больше энергии из этого небольшого количества топлива. Четыре такта. Меньше топлива. Вот и всё.
Штраф за мощность
Вы, вероятно, думаете: если вы используете меньше топлива и сжимаете меньше, вы получаете меньше мощности. Вы правы.
Несмотря на то, что поршень проходит большее расстояние во время рабочего хода, начальный заряд настолько мал, что общая создаваемая сила ниже, чем в двигателе Отто с высоким степенью сжатия. Это компромисс. Вы выигрываете в тепловой эффективности, но проигрываете в пиковой мощности.
Затем есть аппаратная часть. Оригинальный двигатель Аткинсона требовал хаоса из пружин, вибрирующих рычагов и раскаленной докрасна системы зажигания. Его было дорого строить и кошмарно собирать. Современным инженерам легче. Но основной принцип остался прежним: пожертвовать частью пиковой мощности ради огромного прироста эффективности.
Современный двигатель цикла Аткинсона
Перенесемся в 1990-е годы. Toyota борется за жизнеспособность своего первого гибрида, Prius. Двигатель должен работать эффективно на низких скоростях, где традиционные двигатели Отто тратят топливо впустую. Цикл Аткинсона с его высокой тепловой эффективностью стал ответом.
Но вы не можете просто построить двигатель в стиле 1887 года с миллионом рычагов и пружин. Вам нужно что-то более простое.
На сцену выходит цикл Миллера.
Цикл Миллера — это по сути двигатель цикла Аткинсона, построенный с использованием современных клапанов. Вместо сложных механических связей он использует раннее закрытие впускного клапана. Клапан остается открытым, пока поршень все еще движется вверх, выталкивая часть воздуха обратно. Это достигает того же эффекта: более короткий эффективный такт сжатия и более длинный такт расширения.
Это чище. Это дешевле. И это идеально вписывается в экосистему гибридов.
Почему это важно для вас? Потому что двигатель цикла Аткинсона — это тихий партнер в вашей экономии топлива. Он не ревёт на красных светофорах. Ему не нужен турбонаддув, чтобы компенсировать нехватку мощности. Он просто работает. Тихо. Эффективно.
Проблема в том, что двигатели Аткинсона не любят высокие нагрузки. Они ужасны при резком ускорении или буксировке. Именно поэтому гибриды используют их. Электромотор берет на себя задачи, требующие много мощности — ускорение, подъемы, обгоны. Двигатель Аткинсона занимается крейсерской ездой. Он работает в своей оптимальной зоне, сжигая меньше топлива, чем любой двигатель Отто.
Так что, когда вы видите гибридный автомобиль, заявляющий о невероятном расходе топлива, помните о 130-летнем призраке в машине. Джеймс Аткинсон не просто изобрел двигатель. Он изобрел способ делать больше с меньшими затратами. И в мире, где заканчиваются нефть и терпение, это единственный показатель, который действительно имеет значение.
Но есть нюанс. Цикл Аткинсона не идеален. Он испытывает трудности на высоких оборотах. Ему нужна помощь. И здесь на сцену выходит электромотор. Гибрид не просто объединяет две силовые установки; он создает новую. Ту, которая имитирует эффективность прошлого, используя технологии будущего.
Вопрос не в том, заменит ли цикл Аткинсона цикл Отто. Вопрос в том, сможем ли мы сделать его еще лучше. И это приводит нас к следующему этапу эволюции. Переменная степень сжатия. Адаптивное управление клапанами. Будущее все еще пишет сценарий. Но первая глава была написана в Хэмпстеде в 1887 году. И она все еще читается, один эффективный ход поршня за другим.
Современные двигатели с циклом Аткинсона выглядят так же, как стандартные двигатели с циклом Отто. Вы не обнаружите никаких различий в корпусе или внешних компонентах. Дэвид Ли из Toyota University подтверждает этот факт. Он отмечает, что в двигателе Prius нет ничего, чего не было бы в обычном бензиновом двигателе. Обратите внимание, что Toyota University не открыта для публики. Она обучает сотрудников новым технологиям до того, как они поступят в дилерские центры.
Механические изменения являются внутренними. Ранние конструкции Аткинсона использовали сложные шатуны для изменения положения коленчатого вала. Сегодня эту задачу выполняет система изменения фаз газораспределения (VVT). Она дешевле. Инженерная реализация проще. Цель остается той же, что и в 1887 году.
Как работает позднее закрытие впускного клапана
В оригинальном двигателе Аткинсона впускной клапан закрывался рано. Это предотвращало попадание части топливной смеси в цилиндр. Современные двигатели работают наоборот. Впускной клапан остается открытым слишком долго. Когда поршень движется вверх во время такта сжатия, часть смеси выходит обратно. Инженеры называют это позднее закрытие впускного клапана (LIVC).
В результате степень сжатия оказывается низкой. Свеча зажигания поджигает оставшееся топливо. Поршень выполняет полный рабочий ход. Такт выпуска опорожняет камеру. Это простое и элегантное решение проблемы, существующей уже 120 лет.
Материаловедение и прирост эффективности
Улучшения в эффективности выходят за рамки фаз газораспределения. Инженеры разработали более легкие материалы. Поршни, кольца и клапанные пружины теперь весят меньше. Меньший вес означает меньшее трение. Это также означает, что для движения автомобиля требуется меньше энергии.
Ford использует двигатель DOHC в модели Fusion Hybrid. Эта конструкция обеспечивает точный контроль процесса газораспределения. Легкие компоненты и продвинутый распределительный вал работают вместе, чтобы выжать больше миль из каждого галлона бензина.
Компромисс в мощности
Есть одна проблема. Современные двигатели с циклом Аткинсона выдают меньше мощности. Их предшественники страдали от той же участи. Дэвид Ли признает, что этот двигатель испытывает трудности в традиционных автомобилях. Ему не хватает мощности, необходимой для высокоскоростной езды.
Но в гибридных системах это не проблема. Они процветают.
Гибельный союз гибридной силовой установки
Двигатель Аткинсона не обладает высоким крутящим моментом. Он не предназначен для драг-рейсинга. Однако электромоторы могут обеспечить мгновенный крутящий момент с нулевых оборотов. Компромиссом является максимальная скорость. Электромоторы не могут долго поддерживать высокие скорости. Бензиновые двигатели отлично подходят для движения по шоссе на крейсерской скорости.
Инженеры гибридных систем объединяют эти преимущества. Это можно сравнить с шоколадом и арахисовым маслом. На низких скоростях электромотор приводит автомобиль в движение. Он берет на себя основную работу при разгоне и в условиях пробуксовки в пробках. Бензиновый двигатель быстро включается, когда вы нажимаете на педаль газа. Электромотор помогает.
Двигатель Аткинсона начинает работать примерно на скорости 40 миль в час. Он работает почти исключительно с небольшой электрической поддержкой. Это позволяет инженерам настроить двигатель для оптимальной эффективности. Когда вы нажимаете на педаль, он получает мощность от двух источников. Ли отмечает, что система делает именно то, что просит пользователь.
Балансировка нагрузки и реальная экономия топлива
Это синергетическое взаимодействие балансирует нагрузку. Гибридные автомобили, такие как Toyota Prius и Ford Escape, имеют больший запас хода в городе, чем на шоссе. Это переворачивает стандарт для большинства транспортных средств. Вождение в городе требует низких скоростей. Частые запуски и остановки. Максимальная скорость низкая. Электромотор берет на себя большую часть нагрузки.
На шоссе условия меняются. Вы поддерживаете более высокие скорости. Бензиновые двигатели работают самостоятельно. Им трудно соответствовать показателям расхода топлива в городе. Но в городских условиях цикл Аткинсона сияет.
Часто задаваемые вопросы: Двигатели с циклом Аткинсона
Что такое двигатель с циклом Аткинсона?
Поршень движется внутри цилиндра. Свеча зажигания поджигает смесь. Оригинальная конструкция использовала дополнительный шатун для всех четырех тактов за один оборот коленчатого вала. Современные версии используют систему изменения фаз газораспределения для достижения аналогичных результатов.
Чем цикл Аткинсона отличается от цикла Отто?
Цикл впуска завершает впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск в течение двух оборотов коленчатого вала. Оригинальный двигатель Аткинсона использовал сложную систему шатунов для более эффективного сжатия воздуха и топлива. Современные двигатели Аткинсона теперь используют позднее закрытие впускного клапана (LIVC) для имитации этого эффекта.
Почему работает цикл Аткинсона?
Впускной клапан остается открытым дольше. Часть смеси удаляется во время такта сжатия. Это снижает степень сжатия. Последующий рабочий ход более эффективно использует энергию сгорания. Такт выпуска опорожняет цилиндр.
Является ли цикл Аткинсона вариантом цикла Отто?
Да. Это модификация, направленная на повышение термического КПД. В современных реализациях это достигается за счет точного управления фазами газораспределения вместо механической связи.
Где используется эта технология?
В основном в гибридных автомобилях. Toyota, Ford и другие производители используют ее для максимизации топливной экономичности своих бензиново-электрических силовых установок.
