Az Atkinson-ciklusú motor működése

Az Atkinson-ciklusú motorok olyan belső égésű motorok, amelyek négyütemű ciklusai gyakorlatilag megegyeznek az Otto-ciklusúakéval, bár hátrányuk, hogy kisebb teljesítményt nyújtanak. Pozitívumuk, hogy jobban hasznosítják az üzemanyagot, így kedvezőbb fogyasztási értékeket érhetnek el.

Eredetileg, a mai működéstől eltérően, az Atkinson-ciklusú motor a négy ütemet (szívás, sűrítés, expanzió és kipufogás) a főtengely egyetlen fordulatában valósította meg. Az Otto-ciklusú motoroknak ugyanezen ütemekhez két főtengely-fordulatra van szükségük.

Ma ez a koncepció módosult, és a fő különbség az Otto-ciklusú és az Atkinson-ciklusú motor között az, hogy a sűrítési löket egy részében (körülbelül a felében) a szívószelepek nyitva maradnak. Ezt a szívószelep-vezérlő bütyök módosításával érik el, aminek az az előnye, hogy a keverék összenyomásából eredő veszteségek drasztikusan csökkennek.

Az Atkinson-ciklusú motor működése

Az Atkinson-ciklusú motorban ugyanúgy megvan a benzinmotorok négy üteme, a szívás, sűrítés, robbanás és kipufogás. Ezeknél a motoroknál azonban a szívószelep a sűrítési folyamat során később záródik, ezért a tényleges sűrítés csökken, mivel a tényleges sűrítés csak akkor kezdődik, amikor a szívószelep már bezárult. Ennek következtében a sűrítési arány akár a felére is csökkenhet ahhoz képest, mintha a szelep korábban záródna, ahogy a hagyományos négyütemű Otto-ciklusban történik.

Ezzel a módosítással a sűrítési löket során (amikor a korábban beszívott levegő-üzemanyag keveréket összenyomják) a szívószelepek nyitva maradnak, így a keverék egy része visszajut a szívócsonkba.

A motor sűrítési aránya a sűrítési löket levegőtérfogata plusz az égéstér levegőtérfogata osztva az égéstér levegőtérfogatával.

A sűrítési löket során ez az arány 8:1, mivel a számítás a szívószelep zárásának pillanatától indul, míg az expanziós löketben 13:1, ami a dugattyú lefelé irányuló mozgásának felel meg zárt szelepek mellett (ez az egyetlen löket, amelyben munkavégzés történik).

Ennek az aszimmetriának köszönhetően, amikor a munkaciklus véget ér és a kipufogószelepek kinyitni készülnek, a henger belső nyomása megközelítőleg a légköri nyomással egyezik, míg egy hagyományos benzinmotorban ez valamivel magasabb, vagyis a dugattyút lefelé nyomó erő nem hasznosul teljesen.

Ezzel szemben a dugattyú felfelé irányuló lökete megtölti a szívócsonkot (emlékeztetünk, hogy a szívószelepek a löket körülbelül feléig nyitva maradnak), aminek eredményeként a belsejében nyomásnövekedés keletkezik (mivel az mindig kisebb a légköri nyomásnál), ami elősegíti a többi henger töltését, és minimalizálja a gázok visszaáramlásából eredő veszteségeket.

Az Atkinson-ciklusú motorok mechanikai igénybevétele kisebb, mint az Otto-ciklusú motoroké, mivel sűrítési arányuk alacsonyabb, ami hosszabb mechanikai élettartamot biztosít.

Emellett gyártási költségük hasonló a hagyományos benzinmotorokéhoz. Súlyuk, zajszintjük és szennyező gázkibocsátásuk is kedvező, távol a dízelmotorok magas költségétől, súlyától és zajától.

Az Atkinson-motorok hátrányai

Eddig csak ezeknek a motoroknak az erősségeit emeltük ki. Itt az ideje megmagyarázni, miért nem szerelik ezeket a motorokat a nem hibrid modellekbe.

A fő hátrány, hogy mivel kevesebb keveréket sűrítenek össze, a gyújtás pillanatában a dugattyúfejre ható nyomóerő kisebb, mint egy hagyományos motornál, ami kevésbé erős motorokhoz vezet. Erre példa a harmadik generációs Prius 1.800 cm§h40Fordh41§-es motorja, amely mindössze 100 CV teljesítményt ad le.

Az ütemek konfigurációjából adódóan ezeknek a motoroknak a maximális fordulatszámát körülbelül 5.000 rpm-ben korlátozzák, a fajlagos teljesítmény (a löketűrtartalomból számított teljesítmény) pedig alacsony, ami azt jelenti, hogy ezek a motorok ugyanazt a teljesítményt adják, mint egy kisebb löketűrtartalmú motor, így a vezetőben az az érzés alakulhat ki, hogy autójában nincs elég erő.

Hibrid járműben azonban ez az érzés nem jelentkezik, mert az erő-érzetet az elektromotor és a hibrid jármű CVT típusú váltója adja (Folyamatosan Változtatható Áttételű Hajtómű), amely az ideális fordulatszámon tartja a motort.

Hogy világos legyen: a belső égésű motor szerepe egy hibrid járműben csak az, hogy fenntartsa a lendületet, miután már nem gyorsítunk, a többi feladatot pedig az elektromotor látja el.

Miért az Atkinson-ciklus

Az Atkinson-ciklusú motor a hibrid járművek bevezetésével és forgalmazásával vált népszerűvé, amelyek belső égésű motort és elektromotort kombinálnak.

Az Otto-ciklusra épülő Atkinson-ciklust széles körben használják hibrid autókban, mert növeli a teljes hatásfokot, és így alacsony üzemanyag-fogyasztást ér el. A fejlettebb technológia megjelenésével azonban az szelepek időzítését úgy módosították, hogy a mechanizmus ugyanúgy működjön, ahogyan James Atkinson 1882-ben kifejlesztette.

Ennek eredményeként magasabb sűrítési arányt érnek el, ami a keverék robbanását sokkal korábban idézi elő, mint az Otto-motorban, növelve a termodinamikai hatásfokot. Ahogy korábban említettük, ez a szívószelepek záródásának késleltetésével érhető el, ami lehetővé teszi, hogy a gázok újra áramoljanak az égéstérbe, így magasabb sűrítési arány érhető el.

A jelenleg ezt a hajtáslánc-konfigurációt használó autók listáján szerepel a Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, a Chevrolet Volt, a KIA Niro, a Hyundai Elantra és a KIA Forte, többek között, ahol a koreai gyártók határozottan támogatják ezek alkalmazását egyre több járművükben.