Раніше двигуни були гучними. З кожним десятиліттям вони ставали більшими, швидшими і злішими, викидаючи вихлопні гази, наче сердитий дракон, що охороняє свій скарб. Принаймні, таким чином їх продавав хлопець із широкими шинами та аерографічними вогняними візерунками. Але десь у ХХ столітті ми зрозуміли, що ці вогнемісні машини вбивають не тільки суперників на драг-рейсингу. Зміг душив міста. Клімат змінювався. Ми перетворювали Шир на Мордор.
То хто ж прийшов до нас на допомогу? Хто wielded меч науки, щоб приручити цих бензоїдів? Це був не сучасний геній із Кремнієвої долини. Це був Джеймс Аткінсон із Хемпстеда, Мідлсекс, Англія. 1887 року.
Так, фундамент сучасних екологічних двигунів заклав на зорі автомобільної доби. Двигун циклу Аткінсона був запатентований у США у 1887 році після більш ранніх заявок у Великій Британії та Європі. Здається абсурдним, що нерівномірні ходи поршня парового двигуна вікторіанської епохи ідеально вписуються у сучасні гібридні системи. Але щоб зрозуміти, чому двигун циклу Аткінсона тепер повсюдно використовується в гібридах, нам потрібно повернутися до витоків.
Механіка ефективності
Американський патент Аткінсона номер 367 496 читається нудно. Це близько тисячі слів юридично вивіреного тексту та кілька корисних схем. Ви можете прочитати його, а можете просто зрозуміти механіку, яка набагато менш стомлююча.
Більшість сучасних автомобілів працюють на циклі Отто. Це чотиритактний процес, при якому поршень рухається вгору та вниз у циліндрі, підпалюючись свічкою запалювання. Ось короткий нагадування:
- Такт впуску: Поршень рухається вниз, засмоктуючи повітря та паливо.
- Такт стиснення: Поршень рухається вгору, стискаючи суміш. Це робить вибух потужнішим при спрацьовуванні іскри.
- Робочий хід (такт розширення): Вибух змушує поршень рухатися вниз. Це обертає колінчастий вал.
- Такт випуску: Поршень знову рухається вгору, виштовхуючи згорілі залишки.
У стандартному двигуні Отто це займає два повні оберти колінчастого валу. Оригінальна конструкція Аткінсона додала кінематичні зв’язки, щоб виконати всі чотири такти лише за один оборот. Це саме собою підвищує ефективність.
Але в Аткінсона була розумніша ідея. Що якщо стискати паливоповітряну суміш менше, але дозволити робочому ходу розширюватись більше? Найменший стиск означає, що для досягнення тієї ж роботи потрібно менше палива. Двигун стає ефективнішим.
Ось як це працює фізично в циліндрі:
- Впускний клапан закривається рано. Поршень не опускається до низу.
- Усередині виявляється менший обсяг повітря та палива.
- Поршень піднімається, стискаючи менший обсяг.
- Свічки запалювання підпалюють суміш.
- Вибух, що утворився, штовхає поршень аж до самого низу циліндра.
Оскільки такт розширення довший за такт стиснення, ви отримуєте більше енергії з цієї невеликої кількості палива. Чотири такти. Менше палива. Ось і все.
Штраф за потужність
Ви, напевно, думаєте: якщо ви використовуєте менше палива і стискаєте менше, ви отримуєте менше потужності. Ви маєте рацію.
Незважаючи на те, що поршень проходить більшу відстань під час робочого ходу, початковий заряд настільки малий, що загальна сила нижча, ніж у двигуні Отто з високим ступенем стиснення. Це компроміс. Ви виграєте в тепловій ефективності, але програєте в піковій потужності.
Потім є апаратна частина. Оригінальний двигун Аткінсона вимагав хаосу з пружин, що вібрують важелів і розпеченої до червоної системи запалювання. Його було дорого будувати та кошмарно збирати. Сучасним інженерам легше. Але основний принцип залишився тим самим: пожертвувати частиною пікової потужності задля величезного приросту ефективності.
Сучасний двигун циклу Аткінсона
Перенесемося у 1990-ті роки. Toyota бореться за життєздатність свого першого гібрида, Prius. Двигун повинен працювати ефективно на низьких швидкостях, де традиційні двигуни Отто витрачають марно. Цикл Аткінсона з його високою тепловою ефективністю став відповіддю.
Але ви не можете просто побудувати двигун у стилі 1887 року з мільйоном важелів та пружин. Вам потрібно щось простіше.
На сцену виходить цикл Міллера.
Цикл Міллера – це, по суті, двигун циклу Аткінсона, побудований з використанням сучасних клапанів. Замість складних механічних зв’язків він використовує раннє закриття впускного клапана. Клапан залишається відкритим, поки поршень все ще рухається нагору, виштовхуючи частину повітря назад. Це досягає того ж таки ефекту: більш короткий ефективний такт стиснення і більш довгий такт розширення.
Це чистіше. Це дешевше. І це ідеально вписується в екосистему гібридів.
Чому це важливо для вас? Тому що двигун циклу Аткінсона — це тихий партнер у вашій економії палива. Він не реве на червоних світлофорах. Йому не потрібний турбонаддув, щоб компенсувати нестачу потужності. Він просто працює. Тихо. Ефективно.
Проблема в тому, що двигуни Аткінсона не люблять високих навантажень. Вони жахливі при різкому прискоренні чи буксируванні. Саме тому гібриди використовують їх. Електромотор перебирає завдання, що потребують багато потужності — прискорення, підйоми, обгони. Двигун Аткінсона займається крейсерською їздою. Він працює у своїй оптимальній зоні, спалюючи менше палива, ніж будь-який двигун Отто.
Отже, коли ви бачите гібридний автомобіль, що заявляє про неймовірну витрату палива, пам’ятайте про 130-річну примару в машині. Джеймс Аткінсон не просто винайшов двигун. Він винайшов спосіб робити більше із меншими витратами. І у світі, де закінчуються нафта та терпіння, це єдиний показник, який справді має значення.
Але є нюанс. Цикл Аткінсона не є ідеальним. Він відчуває труднощі на високих оборотах. Йому потрібна допомога. І тут на сцену виходить електромотор. Гібрид не просто поєднує дві силові установки; він створює нову. Ті, що імітують ефективність минулого, використовуючи технології майбутнього.
Питання не в тому, чи замінить цикл Аткінсона цикл Отто. Питання в тому, чи зможемо ми зробити його ще кращим. І це призводить до наступного етапу еволюції. Змінний ступінь стиснення. Адаптивне керування клапанами. Майбутнє досі пише сценарій. Але перший розділ був написаний в Хемпстеді в 1887 році. І вона все ще читається, один ефективний перебіг поршня за іншим.
Сучасні двигуни з циклом Аткінсона виглядають так само, як і стандартні двигуни з циклом Отто. Ви не знайдете жодних відмінностей у корпусі або зовнішніх компонентах. Девід Лі з Toyota University підтверджує цей факт. Він зазначає, що у двигуні Prius немає нічого, чого не було б у звичайному бензиновому двигуні. Зверніть увагу, що Toyota University не є відкритою для публіки. Вона навчає співробітників нових технологій до того, як вони надійдуть до дилерських центрів.
Механічні зміни є внутрішніми. Ранні конструкції Аткінсона використовували складні шатуни для зміни положення колінчастого валу. Сьогодні це завдання виконує система зміни фаз газорозподілу (VVT). Вона дешевша. Інженерна реалізація простіша. Мета залишається тією ж, що й у 1887 році.
Як працює пізніше закриття впускного клапана
В оригінальному двигуні Аткінсона впускний клапан закривався рано. Це запобігало попаданню частини паливної суміші в циліндр. Сучасні двигуни працюють навпаки. Впускний клапан залишається відкритим надто довго. Коли поршень рухається нагору під час такту стиснення, частина суміші виходить назад. Інженери називають це пізнє закриття впускного клапана (LIVC).
В результаті ступінь стиснення виявляється низьким. Свічка запалювання підпалює паливо, що залишилося. Поршень виконує повний робочий хід. Такт випуску випорожнює камеру. Це просте та елегантне вирішення проблеми, що існує вже 120 років.
Матеріалознавство та приріст ефективності
Поліпшення ефективності виходять за рамки фаз газорозподілу. Інженери розробили легші матеріали. Поршні, кільця та клапанні пружини тепер важать менше. Найменша вага означає менше тертя. Це також означає, що для руху автомобіля потрібно менше енергії.
Ford використовує двигун DOHC у моделі Fusion Hybrid. Ця конструкція забезпечує точний контроль процесу газорозподілу. Легкі компоненти та просунутий розподільний вал працюють разом, щоб вичавити більше миль з кожного галону бензину.
Компроміс у потужності
Є одна проблема. Сучасні двигуни з циклом Аткінсона видають менше потужності. Їхні попередники страждали від тієї ж долі. Девід Лі визнає, що цей двигун зазнає труднощів у традиційних автомобілях. Йому не вистачає потужності, необхідної для швидкісної їзди.
Але у гібридних системах це не проблема. Вони процвітають.
Згубний союз гібридної силової установки
Двигун Аткінсона не володіє високим крутним моментом. Він призначений для драг-рейсинга. Однак електромотори можуть забезпечити миттєвий момент, що крутить, з нульових оборотів. Компромісом є максимальна швидкість. Електродвигуни не можуть довго підтримувати високі швидкості. Бензинові двигуни відмінно підходять для руху шосе на крейсерській швидкості.
Інженери гібридних систем поєднують ці переваги. Це можна порівняти з шоколадом та арахісовим маслом. На низьких швидкостях електромотор приводить автомобіль у рух. Він бере на себе основну роботу при розгоні та в умовах пробуксування у пробках. Бензиновий двигун швидко вмикається, коли ви натискаєте на педаль газу. Електродвигун допомагає.
Двигун Аткінсона починає працювати приблизно на швидкості 40 миль на годину. Він працює майже винятково з невеликою електричною підтримкою. Це дозволяє інженерам налаштувати двигун для оптимальної ефективності. Коли ви натискаєте на педаль, він отримує потужність від двох джерел. Лі відзначає, що система робить саме те, що просить користувач.
Балансування навантаження та реальна економія палива
Ця синергетична взаємодія балансує навантаження. Гібридні автомобілі, такі як Toyota Prius та Ford Escape, мають більший запас ходу у місті, ніж на шосе. Це перевертає стандарт більшості транспортних засобів. Водіння у місті потребує низьких швидкостей. Часті запуски та зупинки. Максимальна швидкість низька. Електромотор перебирає більшу частину навантаження.
На шосе умови змінюються. Ви підтримуєте вищі швидкості. Бензинові двигуни працюють самостійно. Їм важко відповідати показникам витрати палива у місті. Але у міських умовах цикл Аткінсона сяє.
Часті питання: Двигуни з циклом Аткінсона
Що таке двигун із циклом Аткінсона?
Поршень рухається усередині циліндра. Свічка запалювання підпалює суміш. Оригінальна конструкція використовувала додатковий шатун для всіх чотирьох тактів за один оберт колінчастого валу. Сучасні версії використовують систему зміни фаз газорозподілу задля досягнення аналогічних результатів.
Чим цикл Аткінсона відрізняється від циклу Отто?
Цикл впуску завершує впуск, стиснення, робочий хід та випуск протягом двох обертів колінчастого валу. Оригінальний двигун Аткінсона використовував складну систему шатунів для більш ефективного стиснення повітря та палива. Сучасні двигуни Аткінсона тепер використовують пізнє закриття впускного клапана (LIVC) для імітації цього ефекту.
Чому працює цикл Аткінсона?
Впускний клапан залишається відкритим довше. Частина суміші видаляється під час такту стискування. Це знижує ступінь стиснення. Наступний робочий хід ефективніше використовує енергію згоряння. Такт випуску випорожнює циліндр.
Чи є цикл Аткінсона варіантом циклу Отто?
Так. Це модифікація, спрямовану підвищення термічного ККД. У сучасних реалізаціях це досягається за рахунок точного керування фазами газорозподілу замість механічного зв’язку.
Де використовується ця технологія?
В основному у гібридних автомобілях. Toyota, Ford та інші виробники використовують її для максимізації паливної економічності своїх бензиново-електричних силових установок.
