Silnik. Różnice między cyklami Otto i Atkinsona
Od pewnego czasu termin „silnik ekonomiczny cyklu Atkinsona” staje się coraz bardziej powszechny. Czym jest ten cykl i dlaczego zmniejsza zużycie paliwa?
Najpopularniejsze obecnie czterosuwowe silniki benzynowe działają w tak zwanym cyklu Otto, opracowanym pod koniec XIX wieku przez niemieckiego wynalazcę Nikolausa Otto, konstruktora jednego z pierwszych udanych tłokowych silników spalinowych. Istotę tego cyklu stanowią cztery suwy wykonywane w dwóch obrotach wału korbowego: suw ssania, suw sprężania, suw roboczy i suw wydechu.
Na początku suwu ssania otwiera się zawór dolotowy, przez który poprzez cofnięcie tłoka zasysana jest mieszanka paliwowo-powietrzna z kolektora dolotowego. Przed rozpoczęciem suwu sprężania zawór wlotowy zamyka się, a tłok powracający do głowicy spręża mieszankę. Kiedy tłok osiąga swoje maksymalne położenie, mieszanka jest zapalana przez iskrę elektryczną. Powstałe gorące spaliny rozprężają się i popychają tłok, przekazując mu swoją energię, a gdy tłok znajdzie się jak najdalej od głowicy, otwiera się zawór wydechowy. Suw wydechu rozpoczyna się od tłoka powrotnego, który wypycha gazy spalinowe z cylindra do kolektora wydechowego.
Niestety, nie cała energia zawarta w spalinach jest wykorzystywana podczas suwu pracy do pchania tłoka (i przez korbowód do obracania wału korbowego). Nadal znajdują się pod wysokim ciśnieniem, gdy zawór wydechowy otwiera się na początku suwu wydechu. Możemy się o tym przekonać, słysząc dźwięk wydawany przez samochód z pękniętym tłumikiem – jest on spowodowany uwolnieniem energii do powietrza. To dlatego tradycyjne silniki benzynowe mają tylko około 35 procent sprawności. Gdyby można było zwiększyć skok tłoka w suwie roboczym i wykorzystać tę energię ...
Pomysł ten przyszedł do angielskiego wynalazcy Jamesa Atkinsona. W 1882 roku zaprojektował silnik, w którym dzięki złożonemu systemowi popychaczy łączących tłoki z wałem korbowym, suw roboczy był dłuższy niż suw sprężania. W rezultacie na początku suwu wydechu ciśnienie spalin było praktycznie równe ciśnieniu atmosferycznemu, a ich energia została w pełni wykorzystana.
Redaktorzy polecają:
Talerze. Kierowcy czekają na rewolucję?
Domowe sposoby na jazdę zimą
Niezawodne dziecko za niewielkie pieniądze
Dlaczego więc pomysł Atkinsona nie został szerzej zastosowany i dlaczego silniki spalinowe od ponad wieku wykorzystują mniej wydajny cykl Otto? Powody są dwa: jeden to złożoność silnika Atkinsona, a drugi – i co ważniejsze – mniejsza moc, jaką otrzymuje z jednostki wypornościowej.
Jednak w miarę jak coraz większą uwagę zwracano na zużycie paliwa i wpływ motoryzacji na środowisko, pamiętano o wysokiej sprawności silnika Atkinsona, szczególnie przy średnich prędkościach. Jego koncepcja okazała się doskonałym rozwiązaniem, zwłaszcza w pojazdach hybrydowych, w których silnik elektryczny kompensuje brak mocy, szczególnie potrzebnej podczas ruszania i przyspieszania.
Dlatego zmodyfikowany silnik cyklu Atkinsona zastosowano w pierwszym masowo produkowanym samochodzie hybrydowym, Toyocie Prius, a następnie we wszystkich innych hybrydach Toyoty i Lexusa.
Co to jest zmodyfikowany cykl Atkinsona? To sprytne rozwiązanie sprawiło, że silnik Toyoty zachował klasyczną, prostą konstrukcję konwencjonalnych silników czterosuwowych, a tłok pokonuje taką samą odległość w każdym suwie, a efektywny skok jest dłuższy niż suw sprężania.
W rzeczywistości należy powiedzieć inaczej: efektywny cykl kompresji jest krótszy niż cykl roboczy. Osiąga się to poprzez opóźnienie zamknięcia zaworu wlotowego, który zamyka się wkrótce po rozpoczęciu suwu sprężania. W ten sposób część mieszanki paliwowo-powietrznej wraca do kolektora dolotowego. Ma to dwie konsekwencje: ilość gazów spalinowych wytwarzanych podczas jego spalania jest mniejsza i jest w stanie w pełni rozprężyć się przed rozpoczęciem suwu wydechu, przekazując całą energię na tłok, a także mniej energii potrzeba do sprężenia mniejszej ilości mieszanki, co zmniejsza straty wewnętrzne silnika. Korzystając z tego i innych rozwiązań, silnik układu napędowego Toyoty Prius czwartej generacji był w stanie osiągnąć sprawność cieplną aż 41 procent, dostępną wcześniej tylko w silnikach wysokoprężnych.
Piękno rozwiązania polega na tym, że opóźnienie w zamknięciu zaworów dolotowych nie wymaga większych zmian konstrukcyjnych - wystarczy zastosować elektronicznie sterowany mechanizm zmiany rozrządu.
A jeśli tak, to czy jest to możliwe i odwrotnie? Ależ oczywiście; naturalnie! Silniki o zmiennym cyklu pracy są produkowane od pewnego czasu. Gdy zapotrzebowanie na moc jest niskie, na przykład podczas jazdy po spokojnych drogach, silnik pracuje w cyklu Atkinsona, co zapewnia niskie zużycie paliwa. A kiedy wymagane są lepsze osiągi – od świateł przednich po wyprzedzanie – przełącza się na cykl Otto, wykorzystując całą dostępną dynamikę. Ten 1,2-litrowy turbodoładowany silnik z bezpośrednim wtryskiem jest stosowany na przykład w Toyocie Auris i nowym miejskim SUV-ie Toyoty C-HR. Ten sam dwulitrowy silnik jest stosowany w modelach Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t i RC 200t.
