Jak działa silnik z cyklem Atkinsona

Silniki z cyklem Atkinsona to silniki spalinowe wewnętrznego spalania o czterech suwach, praktycznie identycznych jak w cyklu Otto, choć ich wadą jest uzyskiwanie mniejszej mocy. Od strony zalet lepiej wykorzystują paliwo, dzięki czemu mogą osiągać lepsze wartości zużycia.

Pierwotnie, w przeciwieństwie do dzisiejszego działania, silnik z cyklem Atkinsona realizował cztery suwy (dolot, sprężanie, rozprężanie i wydech) w jednym obrocie wału korbowego. Silniki o cyklu Otto potrzebują dwóch obrotów wału korbowego, aby zrealizować te same suwy.

Obecnie ta koncepcja została zmodyfikowana, a główna różnica między silnikiem o cyklu Otto a silnikiem o cyklu Atkinsona polega na tym, że podczas części suwu sprężania (mniej więcej połowy), zawory dolotowe pozostają otwarte. Osiąga się to dzięki modyfikacji krzywek dolotowych wału rozrządu, co daje tę zaletę, że straty w silniku wynikające ze sprężania mieszanki są znacznie mniejsze.

Działanie silnika z cyklem Atkinsona

W silniku z cyklem Atkinsona występują te same cztery suwy co w silniku benzynowym, z dolotem, sprężaniem, zapłonem i wydechem. Jednak w tego typu silnikach zawór dolotowy zamyka się późno w trakcie sprężania, przez co rzeczywisty stopień sprężania jest mniejszy, ponieważ rzeczywiste sprężanie zaczyna się efektywnie dopiero po zamknięciu zaworu dolotowego. Może to sprawić, że stosunek sprężania będzie nawet o połowę niższy niż w przypadku wcześniejszego zamknięcia zaworu, jak ma to miejsce w tradycyjnym czterosuwowym cyklu Otto.

Dzięki tej modyfikacji, podczas suwu sprężania (kiedy sprężana jest zassana wcześniej mieszanka powietrza i paliwa) oraz z powodu tego, że zawory dolotowe pozostają otwarte, część mieszanki wraca do kolektora dolotowego.

Stopień sprężania silnika to objętość powietrza w suwie sprężania plus objętość powietrza w komorze spalania podzielona przez objętość powietrza w komorze spalania.

Podczas suwu sprężania ten stosunek wynosi 8:1, ponieważ liczy się od momentu zamknięcia zaworu dolotowego, natomiast podczas suwu rozprężania wynosi 13:1, co odpowiada ruchowi tłoka w dół przy zamkniętych zaworach (jedyny suw, w którym wykonywana jest praca).

Z powodu tej asymetrii, gdy kończy się cykl pracy i zawory wydechowe zaczynają się otwierać, ciśnienie wewnątrz cylindra jest w przybliżeniu równe ciśnieniu atmosferycznemu, podczas gdy w konwencjonalnym silniku benzynowym jest nieco wyższe, co oznacza, że nie wykorzystano całej siły pchającej tłok w dół.

Z kolei ruch tłoka w suwie wznoszącym wypełnia kolektor dolotowy (przypominamy, że zawory dolotowe pozostają otwarte do mniej więcej połowy drogi), co powoduje wzrost ciśnienia w jego wnętrzu (ponieważ jest ono zawsze niższe od atmosferycznego), co sprzyja napełnianiu pozostałych cylindrów i minimalizuje straty spowodowane cofaniem się gazów.

Obciążenie mechaniczne silników z cyklem Atkinsona jest mniejsze niż silników z cyklem Otto, ponieważ ich stopień sprężania jest niższy, co zapewnia dłuższą trwałość mechaniki.

Z kolei ich koszt produkcji jest zbliżony do kosztu konwencjonalnego silnika benzynowego. Podobnie waga, hałas i emisja zanieczyszczeń, co oddala je od wysokiego kosztu, wagi i hałasu silników Diesla.

Wady silników Atkinsona

Na razie omówiliśmy tylko mocne strony tych silników. Czas wyjaśnić, dlaczego nie montuje się ich w modelach innych niż hybrydowe.

Główną wadą jest to, że przy sprężaniu mniejszej ilości mieszanki siła naciskająca na denko tłoka w chwili przeskoku iskry jest mniejsza niż w silniku konwencjonalnym, co prowadzi do mniejszej mocy silników. Przykładem jest silnik 1.800 cm§h40Fordh41§ z trzeciej generacji Toyota Prius, który rozwija zaledwie 100 KM.

Ze względu na konfigurację suwów maksymalne obroty tych silników są ograniczone do około 5.000 obr./min, a moc właściwa (moc uzyskiwana z pojemności skokowej) jest niska, co oznacza, że silniki te dają taką samą moc jak silnik o mniejszej pojemności, przez co kierowca ma wrażenie, że samochód nie ma mocy.

Jednak w pojeździe hybrydowym to odczucie nie występuje, ponieważ wrażenie mocy pochodzi od silnika elektrycznego i skrzyni biegów typu CVT (przekładnia bezstopniowa), która dba o utrzymywanie silnika na optymalnych obrotach.

Mówiąc wprost, rola silnika spalinowego w pojeździe hybrydowym sprowadza się jedynie do podtrzymywania bezwładności po zakończeniu przyspieszania, a resztą zajmuje się silnik elektryczny.

Dlaczego cykl Atkinsona

Silnik z cyklem Atkinsona spopularyzował się po wprowadzeniu na rynek pojazdów hybrydowych, czyli takich, które łączą silnik spalinowy z elektrycznym.

Cykl Atkinsona, oparty na cyklu Otto, jest bardzo często stosowany w samochodach hybrydowych, ponieważ zwiększa ogólną sprawność i pozwala osiągnąć niskie zużycie paliwa. Wraz z nadejściem bardziej zaawansowanej technologii zmodyfikowano jednak czas pracy zaworów, aby mechanizm działał w taki sam sposób, jak ten opracowany w 1882 roku przez Jamesa Atkinsona.

W efekcie uzyskujemy wyższe stopnie sprężania, co powoduje zapłon mieszanki znacznie wcześniej niż w silniku Otto, zwiększając sprawność termodynamiczną. Jak wspomnieliśmy wcześniej, osiąga się to przez opóźnienie zamknięcia zaworów dolotowych, co pozwala gazom ponownie przepływać do komory, umożliwiając wyższy stopień sprężania.

Na liście samochodów, które obecnie wykorzystują tę konfigurację układu napędowego, znajdują się m.in. Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra i KIA Forte, a także inne, a Koreańczycy zdecydowanie stawiają na ich wprowadzanie do coraz szerszej gamy swoich pojazdów.