Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона — это термодинамический цикл, описывающий работу двигателя внутреннего сгорания, в котором степень расширения рабочего тела превышает степень сжатия. Данный цикл был предложен британским инженером Джеймсом Аткинсоном в 1882 году как альтернатива циклу Отто, с целью повышения термического КПД за счёт более полного использования энергии сгоревшего топлива. В отличие от классического четырёхтактного цикла, в цикле Аткинсона впускной клапан остаётся открытым в течение части такта сжатия, что позволяет части топливно-воздушной смеси вернуться во впускной коллектор. Это приводит к тому, что фактическое сжатие начинается позже и происходит при меньшем объёме, в то время как рабочий ход (расширение) осуществляется на полный ход поршня. Результатом является более высокое отношение расширения к сжатию, что увеличивает эффективность преобразования тепловой энергии в механическую работу.

История

Разработка Джеймса Аткинсона

Джеймс Аткинсон, британский инженер и изобретатель, запатентовал свой двигатель в 1882 году. Основной мотивацией для его создания было стремление обойти патент Николауса Отто на четырёхтактный двигатель, который был защищён до 1886 года. Аткинсон разработал механизм, который позволял реализовать все четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) за один оборот коленчатого вала, а не за два, как в цикле Отто. Этот двигатель получил название «дифференциальный двигатель Аткинсона». Однако из-за сложной кинематики (использовались рычаги и шарниры) он не получил широкого распространения в автомобильной промышленности того времени.

Эволюция и современное применение

В начале XX века интерес к циклу Аткинсона возродился в контексте гибридных и экономичных двигателей. Современная реализация цикла Аткинсона, как правило, не использует сложные рычажные механизмы, а достигается за счёт регулировки фаз газораспределения (например, с помощью системы изменения фаз газораспределения VVT-i компании Toyota). В современных двигателях внутреннего сгорания цикл Аткинсона часто применяется в гибридных силовых установках, где пиковая мощность компенсируется электродвигателем, а сам бензиновый двигатель работает в зоне максимальной эффективности. Наиболее известным примером является двигатель Toyota Hybrid Synergy Drive, используемый в моделях Prius, Camry Hybrid и других.

Принцип работы

Отличия от цикла Отто

В цикле Отто сжатие и расширение происходят в одинаковом объёме цилиндра (степень сжатия равна степени расширения). В цикле Аткинсона степень расширения превышает степень сжатия. Это достигается за счёт того, что впускной клапан остаётся открытым не только на такте впуска, но и на начальной фазе такта сжатия. Таким образом, часть рабочей смеси выталкивается обратно во впускной коллектор, и эффективное сжатие начинается только после закрытия клапана. В результате:

• Степень сжатия (геометрическая) может быть высокой (например, 13:1 или 14:1), но эффективная степень сжатия (фактическая) оказывается ниже (например, 8:1).
• Степень расширения остаётся равной геометрической степени сжатия, так как поршень проходит полный ход от верхней мёртвой точки (ВМТ) до нижней мёртвой точки (НМТ).

Термодинамический процесс

Цикл Аткинсона в идеализированном виде состоит из следующих процессов:

1. Адиабатный впуск (не является частью замкнутого цикла в термодинамическом смысле, но важен для понимания).
2. Изохорный нагрев (сгорание топлива при постоянном объёме, как в цикле Отто).
3. Адиабатное расширение — рабочий ход, при котором газ расширяется до большего объёма, чем объём, до которого он был сжат.
4. Изохорный отвод тепла (выпуск отработавших газов).

Механическая реализация

В современных двигателях цикл Аткинсона реализуется двумя основными способами:

• Позднее закрытие впускного клапана (Late Intake Valve Closing, LIVC): клапан остаётся открытым в течение первых 20–30 градусов поворота коленчатого вала после НМТ на такте сжатия.
• Раннее закрытие впускного клапана (Early Intake Valve Closing, EIVC): клапан закрывается до НМТ, что также уменьшает количество смеси, поступающей в цилиндр.

Оба метода приводят к снижению насосных потерь и повышению эффективности на частичных нагрузках.

Классификация

По типу механизма

• Дифференциальный двигатель Аткинсона (исторический) — с рычажным механизмом, позволяющим реализовать цикл за один оборот вала.
• Двигатель с изменяемыми фазами газораспределения (современный) — использует электронно-управляемые системы для имитации цикла Аткинсона.

По типу топлива

• Бензиновые двигатели — наиболее распространённая реализация в гибридных автомобилях.
• Дизельные двигатели — цикл Аткинсона может быть применён в дизелях для снижения выбросов NOx и улучшения КПД, однако требует точного управления впрыском.

Характеристики

Преимущества

• Высокий термический КПД: за счёт более полного расширения газов полезная работа увеличивается на 10–15% по сравнению с циклом Отто при одинаковом количестве топлива.
• Снижение насосных потерь: при частичных нагрузках дроссельная заслонка может быть открыта шире, так как количество смеси регулируется фазой газораспределения.
• Экологичность: уменьшение выбросов CO₂ и NOx благодаря более полному сгоранию и снижению температуры цикла.

Недостатки

• Низкая удельная мощность: из-за меньшего количества рабочей смеси, поступающей в цилиндр, пиковая мощность двигателя ниже, чем у аналогичного двигателя, работающего по циклу Отто.
• Сложность конструкции: требуется точная система управления фазами газораспределения и, в случае гибридных установок, электродвигатель для компенсации недостатка мощности.
• Неравномерность работы на высоких оборотах: на высоких частотах вращения коленчатого вала эффективность цикла Аткинсона снижается из-за инерционных потерь и времени, необходимого для выталкивания смеси.

Применение

Гибридные автомобили

Цикл Аткинсона является стандартом для бензиновых двигателей в гибридных силовых установках. Компании Toyota, Honda, Ford и другие используют его в своих моделях. Например, двигатель Toyota 2ZR-FXE (1.8 л, 98 л.с.) работает исключительно по циклу Аткинсона и развивает максимальный КПД около 40%, что является одним из лучших показателей среди серийных ДВС.

Стационарные генераторы

В некоторых газопоршневых электростанциях и когенерационных установках применяется цикл Аткинсона для повышения эффективности выработки электроэнергии.

Авиационные двигатели

В начале XX века двигатели Аткинсона использовались в экспериментальных самолётах, однако из-за низкой удельной мощности они были вытеснены роторными и рядными двигателями.

Интересные факты

• Двигатель Аткинсона 1882 года имел КПД около 30%, что было значительно выше, чем у современных ему паровых машин (около 10–15%).
• В 2018 году компания Mazda представила двигатель Skyactiv-X, который может работать как по циклу Отто (при больших нагрузках), так и по циклу Аткинсона (при малых нагрузках), используя технологию сверхбедного сгорания.
• Термин «цикл Аткинсона» иногда путают с «циклом Миллера», который также использует позднее закрытие впускного клапана, но применяется в основном в дизельных двигателях с наддувом.

Критика

Основная критика цикла Аткинсона связана с его неэффективностью при работе на высоких оборотах и при больших нагрузках. В таких режимах двигатель теряет мощность и экономичность, что требует обязательного использования электромотора-компенсатора в гибридных системах. Кроме того, сложность системы газораспределения увеличивает стоимость производства и обслуживания. Некоторые инженеры также отмечают, что в реальных условиях эксплуатации КПД цикла Аткинсона может быть ниже теоретического из-за тепловых потерь и неидеального сгорания.

Источники

• Джеймс Аткинсон, патент Великобритании № 1572 (1882).
• Heywood, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988.
• Toyota Motor Corporation. Technical Review: Hybrid Synergy Drive. 2004.
• Stone, R. Introduction to Internal Combustion Engines. Palgrave Macmillan, 2012.
• Mazda Motor Corporation. Skyactiv-X: The Next Generation of Gasoline Engines. 2018.