Περιεχόμενα Άρθρου
Σύνοψη του 1ου μέρους
Η ιδέα για τον κινητήρα του κύκλου Atkinson ξεκίνησε το 1882, όταν ο James Atkinson προσπάθησε να παρακάμψει τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας του κινητήρα κύκλου Otto – του τετράχρονο κινητήρα που εξακολουθεί να λειτουργεί στα περισσότερα οχήματα ακόμη και σήμερα.
Ο αρχικός κινητήρας του κύκλου Atkinson χρησιμοποιούσε έναν στροφαλοφόρο άξονα πολύπλοκου ειδικού σχεδιασμού, ο οποίος επέτρεψε μια μεγαλύτερη διαδρομή για την εισαγωγή σε σχέση με τη συμπίεση και μια διαδρομή ισχύος για βελτιωμένη απόδοση.
Ενώ η ιδέα λειτουργούσε, δημιούργησε επίσης ορισμένες προκλήσεις, όπως η κατασκευή του πολύπλοκου μηχανισμού μετάδοσης κίνησης και ο τρόπος αντιμετώπισης της μειωμένης ροπής του κινητήρα στις χαμηλές στροφές.
Ο σχεδιασμός του κινητήρα κύκλου Otto κυριάρχησε από την αρχή στις κατασκευές των οχημάτων, αλλά τώρα ο κύκλος Atkinson ή μια τροποποιημένη ιδέα του κάνει μια μεγάλη επιστροφή στα σημερινά υβριδικά οχήματα.
Σύγκριση με τον κύκλο Otto
Για να κατανοήσουμε τον Κύκλο Atkinson, είναι ευκολότερο να εξετάσουμε πρώτα τον κύκλο Otto και στη συνέχεια να συγκρίνουμε τις διαφορές. Ο κύκλος Otto χρησιμοποιεί τέσσερις διαδρομές-χρόνους για να ολοκληρώσει μια διαδρομή ισχύος στον κύλινδρο.
Ξεκινά με τη διαδρομή εισαγωγής, όπου ο αέρας και το καύσιμο εισέρχονται μέσα στον κύλινδρο καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω.
Η διαδρομή συμπίεσης ξεκινά καθώς το έμβολο κινείται προς τα πάνω, συμπιέζοντας το μείγμα αέρα – καυσίμου σε μια μικρή περιοχή όπου αυτό αναφλέγεται από το μπουζί.
Η διαδρομή ισχύος αρχίζει καθώς το έμβολο πιέζεται προς τα κάτω από την ταχεία εκτόνωση των αερίων καθώς λαμβάνει χώρα καύση.
Η διαδρομή εξαγωγής ολοκληρώνει τον κύκλο, πιέζοντας τα καυσαέρια έξω από τον κινητήρα και στη συνέχεια ξεκινά ξανά.
Αυτό το σχήμα “εισαγωγή, συμπίεση, εκτόνωση, εξαγωγή” του κύκλου Otto έχει τέσσερις σχεδόν ίσους χρόνους και εκτελείται περίπου χίλιες φορές ανά κύλινδρο για κάθε λεπτό που οδηγείτε το αυτοκίνητο σας σε έναν αυτοκινητόδρομο.
Εξήγηση της λειτουργίας
Οι σύγχρονοι κινητήρες του κύκλου Atkinson είναι πολύ κοντά ως προς την αρχή λειτουργία τους με τον κινητήρα του κύκλου Miller, έναν άλλο σχεδιασμό που χρησιμοποιεί τροποποιημένη διαδρομή εισαγωγής αέρα, αλλά ο σχεδιασμός αυτός χρησιμοποιεί έναν υπερσυμπιεστή για να ωθήσει τον αέρα μέσα στον κύλινδρο, ενώ ο κινητήρας του κύκλου Atkinson είναι ένας κανονικά ατμοσφαιρικός κινητήρας.
Όπως και με τον κύκλο Otto, η σύγχρονη έκδοση του κύκλου Atkinson έχει τέσσερις χρόνους και χρησιμοποιεί το ίδιο σχεδιασμό στροφαλοφόρου άξονα με αυτόν του κύκλου Otto. Η διαφορά είναι στον τρόπο λειτουργίας των βαλβίδων.
Στη διάρκεια της διαδρομής της εισαγωγής, η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει πριν το έμβολο ξεκινήσει την καθοδική του πορεία, αλλά αντί να κλείσει η βαλβίδα μόλις ξεκινήσει η διαδρομή συμπίεσης, η βαλβίδα εισαγωγής διατηρείται ανοιχτή ακόμα και όταν αρχίσει η συμπίεση. Η βαλβίδα εισαγωγής τελικά κλείνει πολύ αργά στη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης.
Αυτό το καθυστερημένο κλείσιμο της βαλβίδας επιτρέπει στον αέρα μέσα στον κύλινδρο να ωθηθεί πίσω προς την πολλαπλή εισαγωγής του κινητήρα, οπότε δημιουργείται πολύ μικρή υποπίεση στην πολλαπλή εισαγωγής. Αυτό το γεγονός μειώνει τις απώλειες άντλησης του κινητήρα ή την αντίδραση που προκαλείται από την υποπίεση καθώς το έμβολο διατρέχει το χρόνο εισαγωγής.
Ο υπόλοιπος κύκλος συνεχίζεται με τη συμπίεση, την εκτόνωση και την εξαγωγή όπως γίνεται με τον κύκλο Otto.
Δείτε το παρακάτω βίντεο για μια λεπτομερή παρουσίαση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί ένας σύγχρονος κινητήρας του κύκλου Atkinson. Για την απεικόνιση της λειτουργίας χρησιμοποιείται ο κινητήρας 2ZR-FXE του Lexus CT 200h.
https://www.youtube.com/watch?v=uhtMEvfZkdM
Ισχύς και απόδοση
Ενώ ο σχεδιασμός του κύκλου Atkinson επιτρέπει καλύτερη εξοικονόμηση καυσίμου λόγω των μικρότερων απωλειών άντλησης, εμφανίζεται το μειονέκτημα της μειωμένης ροπής του κινητήρα στις χαμηλές στροφές. Η λύση δίδεται από το υβριδικό σύστημα παραγωγής και μετάδοσης κίνησης, όπου οι ηλεκτροκινητήρες υπερέχουν στις χαμηλές στροφές, αλλά είναι λιγότερο αποδοτικοί καθώς οι στροφές του κινητήρα αυξάνονται. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης κύκλου Atkinson είναι το αντίθετο, με λιγότερη ισχύ στις χαμηλές στροφές, αλλά με αυξημένη ισχύ στις υψηλότερες στροφές.
Ο συνδυασμός των δύο είναι προφανής, και τόσο ο ηλεκτροκινητήρας όσο και ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορούν να συμβάλλουν στην πρόωση του οχήματος στις πιο αποδοτικές περιοχές λειτουργίας τους.
Η συμπερίληψη ενός ηλεκτροκινητήρα επιτρέπει επίσης στους μηχανικούς να ρυθμίσουν τον κινητήρα εσωτερικής καύσης έτσι ώστε να είναι πιο αποδοτικός σε μια μικρότερη περιοχή στροφών.
Ποια σύγχρονα οχήματα χρησιμοποιούν κινητήρα κύκλου Atkinson
Πολλά σύγχρονα υβριδικά οχήματα σήμερα χρησιμοποιούν κινητήρες εσωτερικής καύσης που βασίζονται στον κύκλο Atkinson, μερικά από αυτά είναι:
- Chevrolet Volt
- Chrysler Pacifica plug-in hybrid minivan
- Ford C-Max (για την αγορά των HΠA) υβριδικά και plug-in υβριδικά μοντέλα
- Ford Escape/Mercury Mariner/Mazda Tribute με σχέση συμπίεσης 12.4:1
- Ford Fusion Hybrid/Mercury Milan Hybrid/Lincoln MKZ Hybrid με σχέση συμπίεσης 12.3:1
- Honda Accord Plug-in Hybrid
- Honda Accord Hybrid
- Honda Clarity Plug-In Hybrid
- Honda Insight
- Honda Fit ορισμένοι κινητήρες τρίτης γενιάς εκτελούν εναλλαγές μεταξύ των κύκλων Atkinson και Otto
- Hyundai Sonata Hybrid
- Hyundai Elantra μοντέλα με κινητήρα κύκλου Atkinson
- Hyundai Grandeur υβριδικό
- Hyundai Ioniq υβριδικό, plug-in υβριδικό
- Hyundai Palisade 3.8 L Lambda II V6 GDi
- Infiniti M35h υβριδικό
- Kia Forte 147 hp 2.0
- Kia Niro υβριδικό
- Kia Optima Hybrid Kia K5 υβριδικό 500h με σχέση συμπίεσης 13:1
- Kia Cadenza υβριδικό
- Kia K7 υβριδικό
- Kia Telluride 3.8 L Lambda II V6 GDi
- Kia Seltos 2.0L
- Lexus CT 200h
- Lexus ES 300h
- Lexus GS 450h υβριδικό με σχέση συμπίεσης 13:1
- Lexus RC F
- Lexus GS F
- Lexus HS 250h
- Lexus IS 200t (2016)
- Lexus NX
- Lexus RX 450h
- Lexus LC
- Mazda Mazda6 (2013 για το μοντέλο έτους 2014)
- Mercedes ML450 Hybrid
- Mercedes S400 Blue Hybrid
- Mitsubishi Outlander PHEV
- Toyota Camry Hybrid με σχέση συμπίεσης 12.5:1
- Toyota Avalon Hybrid
- Toyota Highlander Hybrid
- Toyota Prius hybrid electric (front-wheel drive) με σχέση συμπίεσης 13.0:1
- Toyota Yaris Hybrid με σχέση συμπίεσης 13.4:1
- Toyota Auris Hybrid
- Toyota Tacoma V6
- Toyota RAV4 Hybrid
- Toyota Sienna
- Toyota C-HR Hybrid
- Subaru Crosstrek Hybrid
Συμπέρασμα
Στην αναζήτηση της βελτιωμένης οικονομίας καυσίμου, δεν υπάρχουν μεγάλες λύσεις, η απάντηση βρίσκεται σε πολλές μικρές βελτιώσεις και ο σχεδιασμός του κύκλου Atkinson είναι μία από αυτές τις βελτιώσεις που έχει επιτρέψει η σύγχρονη τεχνολογία.
Του Αργύρη Κοτσιλιέρη
Πτυχιούχου Τεχνολόγου Μηχανικού Οχημάτων
