Více než sto let byly motory větší, rychlejší a horší, s větším výkonem a točivým momentem. Výfuky říhaly z koncovek výfuku, jako když se drak probudil ze spánku, aby zařval na potenciální zloděje svého pokladu. Alespoň to chce ten chlap s širokými pneumatikami a stříkaným plamenem, abyste si to mysleli.
Pak přišlo dvacáté století, kdy jsme si uvědomili, že motory chrlící oheň zabíjejí více než protivníky v závodech dragsterů na červeném světle. Ukázalo se, že všechno to říhání měnilo klima a vytvářelo nepříjemný smog. Příliš mnoho draků dělalo z planety spíše Mordor než Kraj.
Kdo nás může zachránit před těmito výfukovými říháními draků? Kdo dokáže zkrotit jejich cesty hltající plyn svým mečem vědy a techniky? Kdo je nositelem jediného skutečného kruhu účinnosti paliva? Jeden muž:James Atkinson z Hampstead, Middlesex, Anglie. Také z roku 1887.
To je pravda – nejnovější technologie ekologických motorů pochází z úsvitu automobilového věku. Motor s Atkinsonovým cyklem byl patentován ve Spojených státech v roce 1887 (Atkinson požádal o britský a evropský patent o několik let dříve). Ale nerovnoměrné zdvihy pístu v jeho spalovacím motoru poháněném benzínem se docela dobře hodí k našim moderním hybridním systémům.
Motor s Atkinsonovým cyklem, který se dnes používá v tolika hybridech, funguje na stejném principu jako originál – se zřejmou výhodou století technologického pokroku. Ale abychom pochopili, kde jsme dnes, musíme nejprve vědět, kde jsme byli. Nastavte si stroj času na rok 1887!
Obsah
Atkinsonův americký patent (číslo 367 496, pro nás patentově milující pitomce) je docela přímočarý:asi tisíc slov textu a pár užitečných diagramů. Nebo si můžete přečíst toto vysvětlení, které je mnohem vtipnější než jakýkoli patent.
Nejběžnějším spalovacím motorem v dnešní době je čtyřdobý motor s Ottovým cyklem, kde se píst pohybuje nahoru a dolů uvnitř válce a jiskra zapaluje směs plynu a vzduchu. Totéž platí pro motor s Atkinsonovým cyklem, takže zde je rychlé osvěžení procesu:
Sací zdvih: Nasává vzduch a palivo do válce
Kompresní zdvih: Zmáčkne směs, takže když jiskra zhasne, exploduje – to je velký čas
Výkon nebo expanzní zdvih: Používá sílu vytvořenou výbuchem k pohybu pístu dolů po válci
Výfukový zdvih: Vytlačuje ošklivé zbytky spalovacího procesu ven z válce
U motoru s Ottovým cyklem se to děje dvěma otáčkami klikového hřídele:sání/zapalování, potom výkon/výfuk. V původním Atkinsonově motoru vynálezce přidal několik vazeb, takže všechny čtyři zdvihy mohly být dokončeny jedinou rotací klikového hřídele.
To by samo o sobě zlepšilo účinnost, ale Atkinson měl další poznání:pokud by se snížila komprese ve válci a zdvih by byl delší než zdvih sání, motor by pracoval efektivněji. K otáčení motoru, který roztáčí kola a auto jede, by bylo potřeba méně paliva.
Představte si, chcete-li, válec a píst. Při sacím zdvihu se píst nepohybuje úplně dolů po válci. Sací ventil, kudy vzduch a palivo vstupují do válce, nepropouští tolik směsi do válce. Méně směsi vyžaduje menší kompresi. Píst se pohybuje zpět nahoru pro kompresní zdvih a nahoře se směs zapálí. Výložník! Síla pošle píst zpět dolů po hřídeli válce při pracovním zdvihu, tentokrát úplně dolů, aby se využila každá poslední část síly generované spalováním. Potom se píst pohybuje zpět nahoru, aby dostal odpad pro výfukový zdvih. Tááák! Čtyři takty, méně paliva!
Samozřejmě, že jste chytrý čtenář, pravděpodobně jste si uvědomili, že méně paliva a méně komprese znamená nižší výkon. Máte pravdu. I když se píst může při pracovním zdvihu pohybovat dále dolů než při sacím zdvihu, nebude generovat tolik výkonu jako u motoru s vyšší kompresí a bohatší směsí plynů.
Další výzvou tohoto motoru je, že vyžaduje spoustu dalších dílů, což ztěžuje jeho sestavení, nemluvě o tom, že je drahé. Chudák Atkinson musel celé této účinnosti dosáhnout pomocí pružin a vibračních článků a rozžhavené zapalovací trubice, což zní jako vynikající jméno pro kapelu. Moderní inženýři to mají mnohem jednodušší.
Puristé budou šmejdit dnešní motor s Atkinsonovým cyklem, bez vibračního spojení v dohledu. Ve skutečnosti, kdybyste postavili moderní motor s Atkinsonovým cyklem vedle moderního motoru s Ottovým cyklem, nebyli byste schopni vidět žádný rozdíl. „V motoru [Prius] není nic, co by nebylo v běžném motoru,“ říká David Lee z University of Toyota. (Toto není univerzita, kterou můžete navštěvovat, pokud nejste zaměstnancem Toyoty a potřebujete vědět o nejnovějších a nejlepších novinkách, které se dostávají do prodejen. Omlouváme se.)
To, čeho musel Atkinson dosáhnout umístěním klikového hřídele, nyní můžeme udělat s variabilním časováním ventilů, což je mnohem levnější a jednodušší řešení. Pamatujte, že v Atkinsonově originále se sací ventily zavírají brzy, aby se nedostala část směsi vzduchu a paliva. V dnešní době je sací ventil držen otevřený příliš dlouho, takže když se píst pohybuje nahoru pro kompresní zdvih, může uniknout trochu směsi plynu a vzduchu. Každá metoda má stejný konec:kompresní poměr je nižší. V inženýrské řeči je moderní metoda známá jako „livic“ – pozdní uzavření sacího ventilu. Pak zapalovací svíčka udělá svou věc -- jiskření -- a píst využije spalování s plným zdvihem válce dolů. A pak výfukový zdvih provede svou čisticí práci.
Více než to se za více než 120 let změnilo. Ve snaze o zvýšení účinnosti byly vyvinuty nové materiály. Lehčí písty, kroužky a pružiny ventilů například snižují tření a celkovou hmotnost vozu. Tažení menší zátěže vyžaduje méně energie. Použití vačkového motoru s dvojitou hlavou, jak to dělá Ford ve svém Fusion a dalších hybridech, ještě více usnadňuje řízení procesu.
A opět, chytrý čtenáři, pravděpodobně jste si všimli, že moderní verze tohoto motoru produkuje méně výkonu, stejně jako jeho předchůdce. Příliš pravdivé. Jak poznamenal Lee:„Tento motor by v běžném autě měl problémy.“
Ale víte, kde to nebojuje? V hybridním pohonu.
Takže máte motor, který je opravdu účinný, ale postrádá výkon, zejména točivý moment, druh výkonu, který má rýčové auto. Ale pokud jste konstruktér hybridního pohonu, máte také elektromotor, který má veškerý točivý moment po celou dobu, od 0 otáček za minutu. Problém elektromotoru je v tom, že neudrží vysoké otáčky příliš dobře, ne tak dobře jako benzínový motor se svým vyšším výkonem. Co dělat, inženýre hybridního pohonu?
No, pokud jste Gilbert Portalatin, který je shodou okolností konstruktérem hybridních pohonných jednotek u Fordu, nebo jakýkoli jiný inženýr téměř jakékoli jiné automobilky vyrábějící plně hybridní vozy, spojíte tyto dva systémy dohromady jako čokoládu a arašídové máslo. V nízkých rychlostech se elektromotory nakopnou svým točivým momentem a posouvají vůz vpřed. Pokud nepatříte k těm super opatrným hypermilerům, kteří sešlápnou plynový pedál tak jemně, jako by se pod ním schovávalo kotě, benzínový motor se připojí docela rychle, ačkoli elektromotor odvádí docela dost práce. Při rychlosti přibližně 40 mil/h motor s Atkinsonovým cyklem převezme řízení téměř úplně, s trochou asistence elektromotoru.
Pokud máte tento druh komba, můžete zkonstruovat motor s Atkinsonovým cyklem tak, aby přesně zapadal do elektromotoru pro optimální účinnost. Pokud budete trvat na tom, že si v dalším pruhu vezmete chrliče ohně, nezůstanete úplně v prachu. "Smáčkněte pedál a dostanete, co požadujete - všechny obě pohonné jednotky," řekl Lee z Toyoty.
Toto vyrovnávání zatížení je důvodem, proč mají plně hybridní vozy, jako je Toyota Prius nebo Ford Escape, lepší kilometrový nájezd po městě než na dálnici – přesně opačně než každé jiné vozidlo na silnici. Ti, kteří se neštítí ohně mezi námi, jezdí po městě pěkně pomalu. Hodně se rozjíždíme a zastavujeme a nedosáhneme rychlosti 75 mil/h, takže velkou zátěž nese elektromotor. Na dálnici však benzinový motor funguje do značné míry sám.
Sotva někdo v roce 1887 mohl předpovědět šťastné manželství arašídového másla a čokolády mezi Atkinsonovým motorem a elektromotory – auta tehdy ještě neměla ani stálé střechy.
Původně zveřejněno:1. března 2012
Abych byl upřímný, miluji psaní těchto supertechnologických článků. Rád volám inženýrům a nechám je vysvětlit mi věci, které jsem nikdy nestudoval. Je pro mě těžké si vůbec představit, o čem mluví, a tak je nutím opakovat šest způsobů do neděle, abych se ujistil, že to mám správně, než něco napíšu.
Tentokrát jsem dostal extra podivínský bonus:omalovánky pro pitomce! Dobře, ve skutečnosti to nebyla omalovánka, ale pokud vyhledáte Atkinsonův patent pomocí vyhledávání patentů Google (číslo 367 496, pamatujte), obsahuje Atkinsonovy originální diagramy. Použil jsem všech osm svých zvýrazňovačů a několik barevných Sharpies, abych měl přehled o tom, které ventily co dělají a odkud vzduch přichází a výfuk odchází. Poté jsem barevně označil text patentu -- který jsem si také nechal vytisknout -- takže při čtení jsem mohl porovnat vibrační odkaz H v popisu s jeho místem v motoru.
Omalovánkovou metodu technologického učení nemohu dostatečně doporučit. Plánuji to používat co nejčastěji. Moje vnitřní osmileté dítě je velmi šťastné.
