Motor. Razlike med Ottovim in Atkinsonovim ciklom
Že nekaj časa je izraz "Atkinsonov motor ekonomskega cikla" vse pogostejši. Kaj je ta cikel in zakaj zmanjšuje porabo goriva?
Najpogostejši štiritaktni bencinski motorji danes delujejo po tako imenovanem Ottovem ciklu, ki ga je konec XNUMX. stoletja razvil nemški izumitelj Nikolaus Otto, oblikovalec enega prvih uspešnih batnih motorjev z notranjim zgorevanjem. Bistvo tega cikla sestavljajo štirje takti, ki se izvajajo v dveh vrtljajih ročične gredi: sesalni hod, kompresijski hod, delovni hod in izpušni hod.
Na začetku sesalnega takta se odpre sesalni ventil, skozi katerega se z umikom bata iz sesalnega kolektorja vleče mešanica zraka in goriva. Pred začetkom kompresijskega takta se sesalni ventil zapre in bat, ki se vrača v glavo, stisne mešanico. Ko bat doseže svoj najvišji položaj, se mešanica vžge z električno iskro. Nastali vroči izpušni plini se razširijo in potiskajo bat ter mu prenesejo svojo energijo, in ko je bat čim dlje od glave, se izpušni ventil odpre. Izpušni hod se začne s povratnim batom, ki potiska izpušne pline iz cilindra v izpušni kolektor.
Na žalost se vsa energija v izpušnih plinih med gibom ne porabi za potiskanje bata (in prek ojnice za vrtenje ročične gredi). Še vedno so pod visokim pritiskom, ko se izdihovalni ventil odpre na začetku izdihanega giba. O tem lahko izvemo, ko zaslišimo hrup avtomobila s pokvarjenim dušilcem – nastane zaradi sproščanja energije v zrak. Zato so tradicionalni bencinski motorji le okoli 35-odstotno učinkoviti. Če bi bilo mogoče povečati hod bata v delovnem hodu in uporabiti to energijo ...
Ta ideja je prišla do angleškega izumitelja Jamesa Atkinsona. Leta 1882 je zasnoval motor, pri katerem je bil zaradi zapletenega sistema potiskov, ki povezujejo bate z ročično gredjo, moč moči daljša od kompresijskega. Posledično je bil na začetku takta izpušnih plinov tlak izpušnih plinov skoraj enak atmosferskemu tlaku, njihova energija pa je bila v celoti izkoriščena.
Uredniki priporočajo:
Plošče. Vozniki čakajo na revolucijo?
Domači načini zimske vožnje
Zanesljiv otrok za malo denarja
Zakaj se torej Atkinsonova ideja ni širše uporabljala in zakaj motorji z notranjim zgorevanjem uporabljajo manj učinkovit Ottov cikel že več kot stoletje? Obstajata dva razloga: eden je zapletenost Atkinsonovega motorja, drugi pa – in kar je še pomembneje – manj moči, ki jo prejme od enote prostornine.
Ker pa se je vse več pozornosti posvečalo porabi goriva in vplivu motorizacije na okolje, se je predvsem pri srednjih vrtljajih spomnil na visok izkoristek Atkinsonovega motorja. Njegov koncept se je izkazal za odlično rešitev, predvsem pri hibridnih vozilih, pri katerih elektromotor nadomesti pomanjkanje moči, še posebej potrebno pri speljevanju in pospeševanju.
Zato je bil modificiran motor Atkinsonovega cikla uporabljen v prvem serijsko proizvedenem hibridnem avtomobilu Toyoti Prius, nato pa v vseh drugih hibridih Toyote in Lexus.
Kaj je modificirani Atkinsonov cikel? Ta pametna rešitev je omogočila, da je Toyotin motor ohranil klasično, preprosto zasnovo običajnih štiritaktnih motorjev, bat pa pri vsakem taktu prepotuje enako razdaljo, efektivni hod pa je daljši od kompresijskega.
Pravzaprav je treba reči drugače: učinkovit cikel stiskanja je krajši od delovnega cikla. To dosežemo z zamudo pri zapiranju sesnega ventila, ki se zapre kmalu po začetku kompresijskega takta. Tako se del mešanice zraka in goriva vrne v sesalni kolektor. To ima dve posledici: količina izpušnih plinov, ki nastanejo pri zgorevanju, je manjša in se lahko popolnoma razširijo pred začetkom izpušnega takta, pri čemer se vsa energija prenese na bat, manj energije pa je potrebno za stiskanje manj mešanice, kar zmanjša notranje izgube motorja. S to in drugimi rešitvami je pogonski motor Toyote Prius četrte generacije dosegel kar 41-odstotni toplotni izkoristek, ki je bil prej na voljo le pri dizelskih motorjih.
Lepota rešitve je v tem, da zamuda pri zapiranju sesalnih ventilov ne zahteva večjih strukturnih sprememb - dovolj je, da uporabite elektronsko krmiljen mehanizem za spreminjanje krmiljenja ventilov.
In če je tako, zakaj ne obratno? No, seveda; naravno! Motorji s spremenljivim delovnim ciklom se proizvajajo že nekaj časa. Ko je poraba energije nizka, na primer pri vožnji po umirjenih cestah, motor deluje po Atkinsonovem ciklu za nizko porabo goriva. In ko je potrebna najboljša zmogljivost – od žarometov ali prehitevanja – preklopi na Ottov cikel, pri čemer uporablja vso razpoložljivo dinamiko. Ta 1,2-litrski motor s turbopolnilnikom z neposrednim vbrizgavanjem se uporablja na primer v Toyoti Auris in novem mestnem terencu Toyota C-HR. Isti dvolitrski motor se uporablja pri Lexusu IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t in RC 200t.
