Цикл Аткинсона: описание, особенности, принцип работы и рекомендации

Цикл Аткинсона - уникальная технология в автомобильной промышленности, позволяющая повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания. В этой статье мы подробно разберем его устройство, особенности и преимущества, а также дадим практические советы по выбору и эксплуатации автомобиля с таким мотором.

История создания цикла Аткинсона

Цикл Аткинсона был предложен в 1886 году английским инженером Джеймсом Аткинсоном. Он решил модифицировать уже существовавший на тот момент цикл Отто в 4-тактном двигателе внутреннего сгорания, чтобы обойти патенты изобретателя двигателя Николауса Отто.

Аткинсон изменил соотношение времен тактов цикла Отто, увеличив рабочий ход за счет усложнения кривошипно-шатунного механизма. В результате он создал одноцилиндровый двигатель по своему циклу, который, однако, из-за сложной конструкции не получил широкого распространения в то время.

Лишь в 1947 году американский инженер Ральф Миллер сумел упростить цикл Аткинсона, изменив работу клапанов, а не кривошипно-шатунный механизм. Это позволило начать применение таких двигателей в автомобилестроении.

Описание и особенности цикла Аткинсона

В чем же заключается цикл Аткинсона? Это модифицированный 4-тактный цикл, в котором все такты происходят за один оборот коленчатого вала, но имеют разную длительность.

• Такты впуска и выпуска увеличены
• Такты сжатия и рабочего хода уменьшены

Такая схема позволяет добиться цикла с увеличенной степенью расширения. Это означает, что степень расширения рабочей смеси в цилиндре выше, чем степень ее сжатия. За счет этого улучшается эффективность использования энергии топлива.

В отличие от обычного двигателя Отто, где все 4 такта равны по времени, в цикле Аткинсона первые 2 такта происходят быстрее, а последние 2 - медленнее. Этого удается достичь за счет сложной системы рычагов, модифицирующей кривошипно-шатунный механизм.

Принцип работы двигателя Аткинсона

Цикл Аткинсона включает те же 4 такта, что и обычный бензиновый двигатель:

1. Впуск рабочей смеси
2. Сжатие смеси
3. Рабочий ход (расширение смеси)
4. Выпуск отработанных газов

Но их длительность различна. Рассмотрим подробнее каждый такт:

1. Увеличенный такт впуска

За счет более длинного хода поршня вниз по сравнению с обычным ДВС происходит лучшее наполнение камеры сгорания свежей топливно-воздушной смесью. Также снижаются потери на преодоление сопротивления во впускном тракте.

2. Сокращенный такт сжатия

Благодаря более короткому ходу поршня вверх смесь успевает сжаться меньше, чем в цикле Отто. Поэтому фактическая степень сжатия ниже геометрической. Это позволяет предотвратить детонационное сгорание.

Остальные 2000 слов статьи с продолжением...

3. Удлиненный рабочий ход

Благодаря большему ходу поршня вниз по сравнению с циклом Отто, в цилиндре создаются условия для более эффективного использования энергии расширяющихся газов. Продукты сгорания воздействуют на поршень в течение более длительного времени, что повышает КПД двигателя.

4. Увеличенный такт выпуска

За счет большего хода поршня вверх удается снизить остаточное давление отработавших газов в цилиндре перед следующим циклом. Это способствует экономии топлива и уменьшает шум при работе двигателя.

5. Сложный кривошипно-шатунный механизм

Чтобы обеспечить разную скорость хода поршня на разных тактах, в двигателе Аткинсона используется модифицированный кривошипно-шатунный механизм. Он включает систему дополнительных рычагов и кривошипов, за счет которых и достигается нужное соотношение времени тактов.

6. Повышенная степень расширения

Как уже отмечалось, в двигателе, работающем по циклу Аткинсона, степень расширения рабочей смеси выше, чем степень ее сжатия. Это становится возможным благодаря тому, что такт сжатия короче такта рабочего хода. Такая схема позволяет эффективнее использовать энергию топлива.

7. Сравнение с двигателем Отто

По сравнению с обычным 4-тактным ДВС двигатель Аткинсона обладает более высокой топливной эффективностью. Расход топлива снижается на 10-15%. Кроме того, он работает с меньшим уровнем шума и вибраций.

Однако из-за сложности конструкции двигатель Аткинсона сложнее в изготовлении. Кроме того, он хуже поддается регулировке дроссельной заслонкой и не всегда устойчиво работает на холостом ходу.

8. Перспективы применения

Наибольшие перспективы двигатель по циклу Аткинсона имеет для гибридных автомобилей. В таких машинах бензиновый мотор работает в ограниченном диапазоне оборотов, что позволяет минимизировать его недостатки.

Кроме того, ведутся работы по модернизации классической схемы Аткинсона с целью упрощения конструкции. Это может обеспечить его более широкое применение в автомобилях будущего.

9. Toyota Prius с двигателем Аткинсона

Одним из наиболее известных примеров серийного автомобиля с двигателем по циклу Аткинсона является Toyota Prius. Этот гибридный автомобиль выпускается с 1997 года и пользуется большой популярностью благодаря низкому расходу топлива и экологичности.

1,5-литровый бензиновый двигатель Prius работает по циклу Аткинсона. Он оптимизирован для работы в паре с электромотором и отличается высокой топливной эффективностью. Средний расход Prius составляет всего 4,3 литра на 100 км в комбинированном цикле.

10. Двигатель Миллера в Toyota Prius

Хотя двигатель Toyota Prius часто называют "двигатель Аткинсона", на самом деле он работает по модифицированному циклу Миллера. Это тоже цикл с увеличенной степенью расширения, но в нем такты разной длительности достигаются за счет особенностей работы клапанов, а не кривошипно-шатунного механизма.

11. Другие гибриды с циклом Аткинсона

Помимо Toyota, цикл Аткинсона используется и на гибридных автомобилях других производителей. Например, на Lexus RX 400h, Ford Escape Hybrid, Nissan Altima Hybrid.

По мере ужесточения экологических норм, а также роста цен на топливо, такие машины с высокоэффективным двигателем внутреннего сгорания будут пользоваться все большим спросом.

12. Перспективы развития технологии

В настоящее время ведутся активные исследования по модернизации классического цикла Аткинсона. Разрабатываются новые схемы кривошипно-шатунных и газораспределительных механизмов, позволяющие упростить и удешевить конструкцию двигателя при сохранении его эффективности.

В будущем такие инновационные ДВС смогут найти еще более широкое применение благодаря прогрессу в области материалов, датчиков, систем управления и производственных технологий.

13. Сравнение циклов Аткинсона и Миллера

Несмотря на схожесть названий и принципа работы, между циклами Аткинсона и Миллера есть ряд различий:

• В классическом цикле Аткинсона такты разной длительности обеспечиваются конструкцией КШМ
• В цикле Миллера продолжительность тактов регулируется работой клапанов
• Двигатель Аткинсона сложнее в производстве из-за нестандартного КШМ
• Двигатели Миллера проще реализовать на серийных моторах

Таким образом, цикл Миллера является упрощенной модификацией цикла Аткинсона, лишенной ряда его недостатков при сохранении основных преимуществ.

14. Регулирование цикла Миллера

В отличие от классического цикла Аткинсона, где соотношение тактов жестко задано конструкцией, вариант Миллера позволяет регулировать степень сжатия.

Это достигается с помощью изменения фаз газораспределения — моментов открытия и закрытия клапанов. Так, на высоких оборотах двигатель может работать как обычный Otto, а на малых — переходить в режим Миллера, экономя топливо.

15. Преимущества гибридных силовых установок

Комбинация электродвигателя и ДВС с циклом Миллера в гибридном автомобиле позволяет эффективно использовать сильные стороны каждого типа силовой установки.

На низких оборотах и скоростях работает экономичный электропривод, а при разгоне и движении с высокой нагрузкой - мощный и динамичный ДВС. Такое сочетание обеспечивает впечатляющие показатели расхода топлива и динамики.