За более чем сто лет двигатели стали больше, быстрее и злее, с большей мощностью и крутящим моментом. Выхлоп вырывался из выхлопных труб, словно дракон, проснувшийся ото сна, чтобы зарычать на потенциальных похитителей его сокровищ. По крайней мере, так хочет, чтобы вы думали, парень с широкими шинами и нарисованным пламенем.
Затем наступил двадцатый век, когда мы поняли, что огнедышащие двигатели убивают больше, чем соперники в дрэг-рейсинге на красный свет. Оказывается, вся эта отрыжка меняла климат и создавала неприятный смог. Слишком много драконов делало планету больше похожей на Мордор, чем на Шир.
Кто может спасти нас от этих извергающих выхлопы драконов? Кто может укротить их пожирающие газ своим мечом науки и техники? Кто носит единственное истинное кольцо эффективности использования топлива? Один человек: Джеймс Аткинсон из Хэмпстеда, Миддлсекс, Англия. Также 1887 г.
Именно так: новейшие технологии экологически чистых двигателей появились на заре автомобильной эры. Двигатель с циклом Аткинсона был запатентован в Соединенных Штатах в 1887 году (Аткинсон подал заявку на патенты в Великобритании и Европе за пару лет до этого). Но неравномерность хода поршня в его бензиновом двигателе внутреннего сгорания вполне соответствует нашим современным гибридным системам.
Двигатель с циклом Аткинсона, используемый в настоящее время во многих гибридах, работает по тому же принципу, что и оригинал, с очевидным преимуществом столетия технического прогресса. Но чтобы понять, где мы находимся сегодня, мы должны сначала узнать, где мы были. Настройте свою машину времени на 1887 год!
Патент Аткинсона в США (номер 367 496, для нас, любителей патентов) довольно прост: около тысячи слов текста и несколько полезных диаграмм. Или вы можете просто прочитать это объяснение, которое намного остроумнее любого патента.
Наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания в наши дни является четырехтактный двигатель с циклом Отто, в котором поршень движется вверх и вниз внутри цилиндра, а искра воспламеняет смесь газа и воздуха. То же самое касается двигателя с циклом Аткинсона, так что вот краткое описание процесса:
Такт впуска: всасывает воздух и топливо в цилиндр
Такт сжатия: сжимает смесь, поэтому, когда искра погаснет, она взорвется — большое время
Мощность или такт расширения: использует силу, созданную взрывом, для перемещения поршня вниз по цилиндру.
Такт выпуска: выталкивает неприятные остатки процесса сгорания из цилиндра.
В двигателе с циклом Отто это делается за два оборота коленчатого вала: впуск/зажигание, затем мощность/выпуск. В оригинальном двигателе Аткинсона изобретатель добавил пару рычажных механизмов, чтобы все четыре такта могли совершаться за один оборот коленчатого вала.
Само по себе это повысило бы эффективность, но у Аткинсона было другое понимание: если бы компрессия в цилиндре была снижена, а рабочий такт был длиннее, чем такт впуска, двигатель работал бы более эффективно. Потребуется меньше топлива, чтобы запустить двигатель, который вращает колеса и заставляет машину двигаться.
Представьте, если хотите, цилиндр и поршень. На такте впуска поршень не проходит весь путь по цилиндру. Впускной клапан, через который воздух и топливо поступают в цилиндр, не пропускает столько смеси в цилиндр. Меньшее количество смеси требует меньшего сжатия. Поршень движется назад для такта сжатия, и вверху смесь воспламеняется. Бум! Сила отправляет поршень обратно вниз по валу цилиндра в рабочем такте, на этот раз полностью вниз, чтобы использовать каждую последнюю часть силы, создаваемой сгоранием. Затем поршень движется обратно вверх, чтобы удалить мусор для такта выпуска. Та да! Четыре такта, меньше топлива!
Конечно, умный читатель, вы, наверное, поняли, что меньше топлива и меньше компрессии означает меньше мощности. Ты прав. Несмотря на то, что поршень может перемещаться дальше на такте рабочего хода, чем на такте впуска, он не будет генерировать столько мощности, как в двигателе с более высокой степенью сжатия и более богатой газовой смесью.
Другая проблема с этим двигателем заключается в том, что он требует много дополнительных деталей, что усложняет его сборку, не говоря уже о дороговизне. Бедному Аткинсону пришлось добиваться всей этой эффективности с помощью пружин, вибрирующих звеньев и раскаленной докрасна трубки зажигания, что звучит как отличное название для музыкальной группы. Современным инженерам с этим намного проще.
Пуристы будут пренебрежительно относиться к современному двигателю с циклом Аткинсона, даже если в поле зрения не будет видно ни одного вибрирующего звена. На самом деле, если вы поместите современный двигатель с циклом Аткинсона рядом с современным двигателем с циклом Отто, вы не увидите никакой разницы. «В двигателе [Prius] нет ничего, чего нет в обычном двигателе», — говорит Дэвид Ли из Университета Тойоты. (Это не тот университет, который вы можете посещать, если только вы не сотрудник Toyota, которому нужно знать о последних и лучших предложениях для дилерских центров. Извините.)
То, чего Аткинсон должен был достичь с размещением коленчатого вала, теперь мы можем сделать с помощью изменения фаз газораспределения, гораздо более дешевого и простого решения. Помните, что в оригинале Аткинсона впускные клапаны закрывались раньше, чтобы не допустить попадания воздушно-топливной смеси. В настоящее время впускной клапан остается открытым слишком долго, так что, когда поршень движется вверх для такта сжатия, может выйти немного газовоздушной смеси. Каждый метод имеет один и тот же конец: степень сжатия ниже. На инженерном языке современный метод известен как «живой» — позднее закрытие впускного клапана. Затем свеча зажигания делает свое дело — искрит — и поршень использует преимущества сгорания с полным рабочим ходом в цилиндре. И тогда такт выпуска делает свою работу по очистке.
Больше, чем это изменилось за 120 с лишним лет. В поисках повышения эффективности были разработаны новые материалы. Например, более легкие поршни, кольца и пружины клапанов уменьшают трение и общий вес автомобиля. Перетаскивание меньшего веса требует меньше энергии. Использование двигателя с двумя верхними распредвалами, как это делает Ford в своем Fusion и других гибридах, еще больше упрощает управление процессом.
И снова, умный читатель, ты наверняка заметил, что современная версия этого двигателя выдает меньше мощности, как и его предшественник. Слишком верно. Как заметил Ли, «этот двигатель будет работать с трудом в обычной машине».
Но вы знаете, где это не борется? В гибридной трансмиссии.
Итак, у вас есть двигатель, который действительно эффективен, но ему не хватает мощности, особенно крутящего момента, той мощности, которой огнедышащий дрэг-кар имеет в избытке. Но, если вы разработчик гибридной трансмиссии, у вас также есть электродвигатель, который имеет полный крутящий момент все время, начиная с 0 об/мин. Проблема с электродвигателем в том, что он не очень хорошо держит высокую скорость, не так хорошо, как бензиновый двигатель с его большей мощностью. Что делать, инженер по гибридным силовым установкам?
Что ж, если вы Гилберт Порталатин, инженер по гибридным силовым установкам в Ford, или любой другой инженер почти любой другой автомобильной компании, создающей полные гибриды, вы соединяете эти две системы вместе, как шоколад и арахисовое масло. На низких скоростях электродвигатели развивают свой крутящий момент и двигают автомобиль вперед. Если вы не один из тех сверхосторожных гипермайлеров, которые нажимают на акселератор так мягко, как будто под ним прячется котенок, бензиновый двигатель включается довольно быстро, хотя электродвигатель выполняет довольно много работы. При скорости около 40 миль в час двигатель, работающий по циклу Аткинсона, почти полностью возьмет на себя управление с небольшой помощью электродвигателя.
Пока у вас есть такая комбинация, вы можете спроектировать двигатель цикла Аткинсона так, чтобы он точно сочетался с электродвигателем для оптимальной эффективности. Если вы настаиваете на том, чтобы сразиться с огнедышащим на следующей полосе, вы не останетесь полностью в пыли. «Нажми на педаль, и ты получишь то, о чем просишь — все обе силовые установки», — сказал Ли из Toyota.
Это выравнивание нагрузки является причиной того, что полный гибрид, такой как Toyota Prius или Ford Escape, имеет больший пробег по городу, чем на шоссе — прямо противоположно любому другому транспортному средству на дороге. Те из нас, кто не является огнедышащими, довольно медленно ездят по городу. Мы часто стартуем и останавливаемся и не разгоняемся до 75 миль в час, поэтому большую часть нагрузки берет на себя электродвигатель. Однако на трассе бензиновый двигатель в значительной степени работает в одиночку.
Едва ли кто-нибудь в 1887 году мог предсказать счастливый брак между двигателем Аткинсона и электродвигателями, похожий на арахисовое масло и шоколад — тогда у автомобилей не было даже постоянных крыш.