Περιεχόμενα Άρθρου
Ο James Atkinson (1846–1914) ήταν Βρετανός μηχανικός και σχεδίασε κινητήρες εσωτερικής καύσης με απόδοση καυσίμου (οικονομία) μεγαλύτερη από αυτήν του κινητήρα που χρησιμοποιεί τον κύκλο Otto σε βάρος όπως της πυκνότητας ισχύος (ιπποδύναμη).
Μια μοντέρνα παραλλαγή αυτής της σχεδίασης χρησιμοποιείται σήμερα σε πολλά αυτοκίνητα. Ενώ αρχικά αυτή η σχεδίαση χρησιμοποιείτο αποκλειστικά στους κινητήρες των υβριδικών οχημάτων, υπάρχουν σήμερα κινητήρες συμβατικών οχημάτων με μεταβλητό χρονισμό βαλβίδων που χρησιμοποιούν τον κύκλο λειτουργίας Atkinson όταν οι συνθήκες το επιτρέπουν, για βελτίωση της κατανάλωσης καυσίμου, και τον κύκλο λειτουργίας Ottο όταν οι συνθήκες απαιτούν αυξημένη ισχύ.
Η ιστορική εξέλιξη
Οι κινητήρες του κύκλου Atkinson έφεραν τις ονομασίες “Differential 1882”, “Cycle 1887” και “Utilite 1892”. Ο πλέον γνωστός κινητήρας είναι ο “Cycle 1887”, ο οποίος κατοχυρώθηκε με το Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας US 367496 το 1887. Ο Atkinson βραβεύθηκε με το Βραβείο John Scott Medal του Franklin Institute in 1889.
Ο Atkinson σχεδίασε τρεις διαφορετικούς κινητήρες με διαδρομή συμπίεσης μικρότερου μήκους σε σχέση με τη διαδρομή της εκτόνωσης. Με τον τρόπο αυτό, οι κινητήρες του Atkinson είχαν μεγαλύτερη θερμική απόδοση από τους κινητήρες του κύκλου Otto.
Ο πρώτος κινητήρας του κύκλου Atkinson, ο διαφορικός κινητήρας, χρησιμοποιούσε αντιτιθέμενα έμβολα. Ο δεύτερος, και ο πιο γνωστός, ήταν ο κινητήρας cycle, ο οποίος χρησιμοποιούσε έναν παράκεντρο βραχίονα, για την εφαρμογή των τεσσάρων χρόνων λειτουργίας σε μια περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα. Με τον τρόπο αυτό, ο Atkinson, μπορούσε να αποφύγει τους περιορισμούς που έθεταν τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας του κινητήρα του κύκλου Otto, που ήταν τότε σε ισχύ. Ο τρίτος κινητήρας που σχεδίασε ο Atkinson, ο κινητήρας utilite, λειτουργούσε περισσότερο σαν δίχρονος κινητήρας.
Ο Διαφορικός Κινητήρας του Atkinson
Η πρώτη εφαρμογή του κύκλου Atkinson πραγματοποιήθηκε στον διαφορικό κινητήρα το 1882, ο οποίος ήταν ένας κινητήρας αντιτιθέμενων εμβόλων. Σε αυτόν τον κινητήρα, ένα στρόφαλος ήταν συνδεδεμένος με δύο αντιτιθέμενα έμβολα μέσω μιας μη γραμμικής κινηματικής άρθρωσης. Στη διάρκεια της μισής περιστροφής του στροφάλου, το ένα έμβολο παρέμενε σχεδόν ακίνητο, ενώ το άλλο έμβολο πλησίαζε στο πρώτο έμβολο και μετά απομακρυνόταν από αυτό. Στη διάρκεια της επόμενης μισής περιστροφής του στροφάλου, το δεύτερο έμβολο ήταν σχεδόν ακίνητο και το πρώτο έμβολο πλησίαζε και απομακρυνόταν από το δεύτερο.
Έτσι, σε κάθε περιστροφή, το ένα έμβολο βρισκόταν στο χρόνο συμπίεσης και το χρόνο απόδοσης ισχύος, και το άλλο έμβολο βρισκόταν στο χρόνο εξαγωγής και στο χρόνο εισαγωγής.
Σχέδιο από το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Διαφορικού Κινητήρα του Atkinson, το 1882
Σχηματική κινούμενη απεικόνιση του διαφορικού κινητήρα του Atkinson
Ο κινητήρας Cycle του Atkinson
Ο επόμενος κινητήρας που σχεδίασε ο Atkinson, το 1887 έφερε το όνομα “Cycle Engine”. Ο κινητήρας αυτός χρησιμοποιούσε βαλβίδες, έναν εκκεντροφόρο και έναν παράκεντρο βραχίονα για την εφαρμογή των τεσσάρων χρόνων του εμβόλου σε μια περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα. Οι διαδρομές εισαγωγής και συμπίεσης είχαν σημαντικά μικρότερο μήκος από αυτές για τους χρόνους εκτόνωσης και εξαγωγής.
Οι κινητήρες “Cycle” κατασκευάστηκαν και πωλήθηκαν για αρκετά χρόνια από την British Engine Company, και από άλλους αδειοδοτημένους κατασκευαστές. Η ισχύς του κινητήρα αυτού κυμαινόταν από μερικούς έως 100 ίππους.
Σχέδιο του κινητήρα Atkinson από το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας 367496 του 1887
Κινηματική απεικόνιση του κινητήρα “Cycle” του Atkinson, του 1887
Βίντεο με τους δύο πρώτους κινητήρες του Atkinson
Ο Κινητήρας “Utilite” του Atkinson
Σχέδιο του κινητήρα Utilite του Atkinson, του 1892
Ο τρίτος κινητήρας που σχεδίασε ο Atkinson έφερε την ονομασία “Utilite”. Ο κινητήρας “Cycle” ήταν αποδοτικός, αλλά η πολύπλοκη κινηματική του άρθρωση δημιουργούσε δυσκολίες ως προς τη ζυγοστάθμιση του σε υψηλές στροφές. Ο Atkinson αντιλήφθηκε ότι απαιτούνταν βελτιώσεις ώστε οι κινητήρες του να μπορούν να λειτουργούν με υψηλότερες στροφές.
Με αυτόν τον σχεδιασμό, ο Atkinson μπόρεσε να απαλείψει την πολύπλοκη κινηματική άρθρωση και ο κινητήρας του μπορούσε να λειτουργεί με έως 600 rpm παράγοντας ισχύ σε κάθε περιστροφή. Ο κινητήρας Utilite λειτουργούσε περισσότερο σαν δίχρονος κινητήρας εκτός από το γεγονός ότι η θυρίδα εξαγωγής βρισκόταν περίπου στο μέσο της διαδρομής.
Στη διάρκεια του χρόνου εκτόνωσης/ισχύος, μια βαλβίδα κινούμενη από τον εκκεντροφόρο, η οποία παρέμενε κλειστή έως ότου το έμβολο πλησιάσει στο τέλος της διαδρομής, απέτρεπε τη διαφυγή της πίεσης καθώς το έμβολο κινείτο μετά τη θυρίδα εξαγωγής. Η βαλβίδα εξαγωγής άνοιγε κοντά στο κάτω νεκρό σημείο της διαδρομής, και παρέμενε ανοικτή καθώς το έμβολο κινείτο προς τη συμπίεση, επιτρέποντας στον αέρα να γεμίσει τον κύλινδρο και στα καυσαέρια να διαφύγουν μέχρι να καλυφθεί η θυρίδα από το έμβολο.
Αφού το έμβολο κάλυπτε τη θυρίδα εξαγωγής ξεκινούσε η συμπίεση του αέρα που είχε απομείνει μέσα στον κύλινδρο. Μια μικρή εμβολοφόρος αντλία καυσίμου ψέκαζε υγρό καύσιμο στη διάρκεια της συμπίεσης. Αυτός ο σχεδιασμός είχε σαν αποτέλεσμα έναν δίχρονο κινητήρα με χρόνος συμπίεσης μικρότερου μήκους από αυτό του χρόνου της εκτόνωσης.
Ο κινητήρας Utilite είχε μεγαλύτερη απόδοση από τους προηγούμενους κινητήρες του Atkinson. Ελάχιστοι κατασκευάστηκαν και κανένας δεν διασώζεται σήμερα.
Του Αργύρη Κοτσιλιέρη
Πτυχιούχου Τεχνολόγου Μηχανικού Οχημάτων
