Как работает двигатель по циклу Аткинсона

Двигатели по циклу Аткинсона — это двигатели внутреннего сгорания с четырёхтактными циклами, практически такими же, как у двигателей по циклу Отто, хотя их недостатком является более низкая мощность. Положительная сторона в том, что они лучше используют топливо, благодаря чему могут показывать лучшие значения расхода.

Изначально, в отличие от современного принципа работы, двигатель по циклу Аткинсона выполнял все четыре такта (впуск, сжатие, расширение и выпуск) за один оборот коленчатого вала. Двигателям по циклу Отто для выполнения тех же тактов требуются два оборота коленчатого вала.

В настоящее время эта концепция изменилась, и главное отличие между двигателем по циклу Отто и двигателем по циклу Аткинсона заключается в том, что на протяжении части такта сжатия (примерно половины) впускные клапаны остаются открытыми. Это достигается модификацией впускных кулачков распределительного вала, что даёт преимущество: потери в двигателе, вызванные сжатием смеси, значительно уменьшаются.

Принцип работы двигателя по циклу Аткинсона

В двигателе по циклу Аткинсона также присутствуют четыре такта бензинового двигателя: впуск, сжатие, воспламенение и выпуск. Однако в таких двигателях впускной клапан закрывается поздно, во время процесса сжатия, из-за чего фактическая степень сжатия уменьшается, поскольку реальное сжатие начинается эффективно только после закрытия впускного клапана. Это может привести к тому, что степень сжатия будет составлять до половины от той, что была бы при более раннем закрытии клапана, как в традиционном четырёхтактном цикле Отто.

При таком изменении во время такта сжатия (когда сжимается ранее всосанная смесь воздуха и топлива) и из-за того, что впускные клапаны остаются открытыми, часть смеси возвращается во впускной коллектор.

Степень сжатия двигателя — это объём воздуха в такте сжатия плюс объём воздуха в камере сгорания, делённый на объём воздуха в камере сгорания.

Во время такта сжатия эта степень составляет 8:1, так как отсчёт начинается с момента закрытия впускного клапана, тогда как в такте расширения она равна 13:1, что соответствует ходу поршня вниз при закрытых клапанах (единственному такту, в котором совершается работа).

Из-за этой асимметрии, когда рабочий цикл заканчивается и выпускные клапаны готовятся открыться, внутреннее давление в цилиндре приблизительно равно атмосферному, тогда как в обычном бензиновом двигателе оно немного выше, то есть не вся сила, толкавшая поршень вниз, была использована.

В свою очередь, ход поршня вверх при сжатии заполняет впускной коллектор (напомним, что впускные клапаны остаются открытыми примерно до середины хода), что приводит к повышению давления внутри него (поскольку оно всегда ниже атмосферного), способствуя заполнению других цилиндров и минимизируя потери, вызванные обратным перетеканием газов.

Механическая нагрузка на двигатели по циклу Аткинсона ниже, чем на двигатели по циклу Отто, поскольку их степень сжатия меньше, что обеспечивает больший срок службы механики.

Кроме того, их стоимость производства сопоставима со стоимостью обычного бензинового двигателя. Также сопоставимы их вес, уровень шума и выброс загрязняющих газов, что заметно отличает их от высокой стоимости, веса и шума дизельных двигателей.

Недостатки двигателей Аткинсона

Пока что мы рассмотрели только сильные стороны этих двигателей. Пришло время объяснить, почему такие двигатели не устанавливают на модели, не являющиеся гибридами.

Главный недостаток заключается в том, что при меньшем сжатии смеси сила давления на головку поршня в момент искры ниже, чем у обычного двигателя, что приводит к менее мощным двигателям. Примером может служить двигатель объёмом 1.800 см§h40Fordh41§ у Toyota Prius третьего поколения, который развивает мощность всего 100 CV.

Из-за конфигурации тактов максимальные обороты этих двигателей ограничены примерно 5.000 об/мин, а удельная мощность (мощность, полученная на единицу рабочего объёма) низка, что означает, что эти двигатели выдают ту же мощность, что и двигатель меньшего объёма, создавая у водителя ощущение, что в его автомобиле недостаточно мощности.

Однако в гибридном автомобиле этого ощущения не возникает, поскольку ощущение мощности обеспечивает электродвигатель и коробка передач типа CVT (бесступенчатая трансмиссия с вариатором), которая поддерживает двигатель на оптимальных оборотах.

Чтобы было понятнее: функция двигателя внутреннего сгорания в гибридном автомобиле заключается лишь в поддержании инерции после того, как автомобиль перестал ускоряться, а всё остальное берёт на себя электродвигатель.

Почему цикл Аткинсона

Двигатель по циклу Аткинсона получил популярность после появления и коммерциализации гибридных автомобилей, то есть автомобилей, которые работают с двигателем внутреннего сгорания в сочетании с электродвигателем.

Цикл Аткинсона, основанный на цикле Отто, широко используется в гибридных автомобилях, поскольку позволяет повысить общую эффективность и добиться низкого расхода топлива. Однако с появлением более современных технологий была изменена синхронизация клапанов, чтобы механизм работал так же, как тот, что был разработан Джеймсом Аткинсоном в 1882 году.

Таким образом, степени сжатия становятся выше, что позволяет смеси воспламеняться гораздо раньше, чем в цикле Отто, повышая термодинамический КПД. Как мы упоминали ранее, это достигается запаздывающим закрытием впускных клапанов, что позволяет газам снова поступать в камеру, обеспечивая более высокую степень сжатия.

В списке автомобилей, которые сегодня используют такую конфигурацию силовой установки, есть Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra и KIA Forte, а также другие модели, где корейские производители решительно делают ставку на их внедрение во всё большее число автомобилей своего модельного ряда.