Двигун. Відмінності між циклами Отто та Аткінсона
З деяких пір все частіше можна зустріти термін двигун, що працює в економічному циклі Аткінсона. Що це за цикл і чому він знижує витрати пального?
Найбільш поширені сьогодні чотиритактні бензинові двигуни працюють за так званим циклом Отто, розробленим наприкінці XNUMX століття німецьким винахідником Ніколаусом Отто, конструктором одного з перших вдалих поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Суть цього циклу складається з чотирьох тактів, що виконуються за два обороти колінчастого валу: такту впуску, такту стиснення, робочого такту та такту випуску.
На початку такту впуску відкривається впускний клапан, через який відбувається всмоктування паливно-повітряної суміші із впускного колектора за рахунок втягування поршня. Перед початком такту стиснення впускний клапан закривається і поршень, що повертається до голівки, стискає суміш. Коли поршень досягає пікового положення, суміш спалахує під дією електричної іскри. Гарячі вихлопні гази, що утворилися, розширюються і штовхають поршень, передаючи йому свою енергію, а коли поршень виявляється максимально далеко від головки, випускний клапан відкривається. Такт випуску починається зі зворотного поршня, що виштовхує вихлопні гази з циліндра у випускний колектор.
На жаль, не вся енергія вихлопних газів використовується під час робочого такту для штовхання поршня (і через шатун, для обертання колінчастого валу). Вони все ще знаходяться під високим тиском, коли клапан видиху відкривається на початку такту видиху. Ми можемо дізнатися про це, коли чуємо шум, що видається автомобілем зі зламаним глушником – він викликаний виходом енергії у повітря. Ось чому ККД традиційних бензинових двигунів складає лише близько 35 відсотків. Якби можна було збільшити хід поршня в робочому ході та використати цю енергію…
Ця ідея спала на думку англійському винахіднику Джеймсу Аткінсону. У 1882 році він сконструював двигун, в якому завдяки складній системі штовхачів, що з'єднують поршні з колінчастим валом, робочий такт був довшим за такт стиснення. У результаті початку такту випуску тиск вихлопних газів практично дорівнював атмосферному, які енергія використовувалася повністю.
Редакція рекомендує:
Тарілки. На водіїв чекає революція?
Саморобні способи зимової їзди
Надійний малюк за невеликі гроші
То чому ж ідея Аткінсона не використовувалася ширше і чому в двигунах внутрішнього згоряння вже більше століття використовується менш ефективний цикл Отто? Є дві причини: одна - складність двигуна Аткінсона, а інша - і що важливіше - менша потужність, яку він отримує від водовипромінюючого агрегату.
Однак у міру того, як усе більше уваги приділялося витраті палива та впливу автомобілізації на навколишнє середовище, згадували про високу ефективність двигуна Аткінсона, особливо на середніх оборотах. Його концепція виявилася відмінним рішенням, особливо в гібридних автомобілях, у яких нестачу потужності, особливо необхідної при торканні та розгоні, компенсує електродвигун.
Саме тому двигун, що працює за модифікованим циклом Аткінсона, використовувався в першому серійному автомобілі з гібридним приводом - Toyota Prius, а потім і в решті всіх гібридів Toyota і Lexus.
Що таке модифікований цикл Аткінсона? Завдяки цьому розумному рішенню вдалося змусити двигун Toyota зберегти класичну, просту конструкцію звичайних чотиритактних двигунів, а поршень проходить однакову відстань при кожному такті, ефективний робочий хід довший, ніж такт стиснення.
Насправді слід сказати інакше: ефективний такт стиснення коротший за робочий такт. Це досягається за рахунок затримки закриття впускного клапана, який закривається незабаром після початку такту стиснення. Таким чином, частина повітряно-паливної суміші повертається у впускний колектор. Це має два наслідки: кількість вихлопних газів, що утворюються при його спалюванні, менша і здатна повністю розширюватися до початку такту випуску, передаючи всю енергію поршню, а на стиснення меншої кількості суміші потрібно менше енергії, що знижує внутрішні втрати двигуна. Використовуючи це та інші рішення, двигун трансмісії Toyota Prius четвертого покоління зміг досягти теплового ККД на цілих 41 відсоток, раніше доступного лише дизельних двигунів.
Принадність рішення ще й у тому, що затримка закриття впускних клапанів не потребує серйозних конструктивних змін — достатньо використовувати електронно-керований механізм зміни фаз газорозподілу.
А якщо можна так, то чи не можна навпаки? Ну звичайно; природно! Двигуни із змінним робочим циклом виробляються вже деякий час. Коли потреба в потужності невелика, наприклад, під час руху по неспішних дорогах, двигун працює за циклом Аткінсона для низької витрати палива. А коли потрібна краща продуктивність – від фар або обгону – перемикається на цикл Отто, використовуючи всю доступну динаміку. Цей 1,2-літровий двигун з турбонаддувом та безпосереднім упорскуванням палива використовується, наприклад, у Toyota Auris та новому міському позашляховику Toyota C-HR. Такий самий дволітровий двигун використовується на Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t та RC 200t.
