Możliwości rozwoju silników spalinowych zajmują inżynierów od stulecia i stale przybywa zarówno udanych, jak i mniej udanych innowacji, które niekiedy wywierają duży wpływ na cały rynek motoryzacyjny. Byli i nadal są specjaliści, którzy odrzucają cykl Otta i Diesla i nie traktują ich jako świętości, a szukają innych rozwiązań. Tak narodził się m.in. silnik spalinowy z cyklem Atkinsona, który prezentujemy w poniższym artykule.

Podstawowy problem z cyklem Otta

Ogólnie rzecz biorąc, o czterosuwowych silnikach spalinowych można powiedzieć, że tylko jeden z czterech suwów wykonuje pracę, a pozostałe są niezbędne do jej przygotowania.

Sprawność cieplna cyklu Otta jest stosunkowo niekorzystna. Energia kinetyczna, którą można uzyskać z silnika, zależy przede wszystkim od różnicy między energią uzyskaną podczas cyklu roboczego a energią wymaganą do sprężania. Straty są spowodowane energią wymaganą do wymiany ładunku (a więc ssania i wydechu) oraz stratami mechanicznymi.

Jeśli chodzi o wymianę ładunku, strata ssania wynika głównie z faktu, że ciśnienie mieszanki wchodzącej do cylindra jest zwykle niższe niż ciśnienie atmosferyczne z powodu strat przepływu, dlatego tłok podczas ruchu w dół musi pokonać siłę spowodowaną różnicą ciśnień.

To samo dotyczy wydechu: w tym przypadku ciśnienie w cylindrze jest nieco wyższe niż ciśnienie atmosferyczne ze względu na straty przepływu, więc pewna ilość energii jest również wymagana do usunięcia produktów spalania.

Z punktu widzenia sprawności cieplnej znacznie poważniejszym problemem jest to, że pod koniec cyklu pracy (a więc podczas trzeciego z czterech kroków składających się na cykl) ciśnienie wciąż gorących produktów spalania nie jest w pełni wykorzystywane – pewna jego część zostaje zmarnowana.

Ponieważ skok i pojemność silnika są niezmienne, nie jest możliwe uzyskanie większej mocy z silnika w inny sposób niż poprzez zwiększenie stopnia kompresji mieszanki. Tutaj jednak problem jest ten, że przy wyższym stopniu sprężania mieszanka zbytnio się nagrzewa, przez co może dojść do szkodliwego samozapłonu (detonacji).

Jeśli chodzi o doładowanie, częściowe wykorzystanie energii spalin w cyklu Otta można wprowadzić za pomocą wyposażenia dodatkowego, takiego jak turbosprężarka, kompresor lub innego urządzenia, ale to zwiększa zużycie paliwa i wiąże się z wyższym kosztem.

Wszystko zmieniło się, gdy James Atkinson wpadł na swój innowacyjny pomysł.

Czym różni się cykl Atkinsona?

Właściwie tylko jedna rzecz odróżnia silnik Atkinsona od silnika Otta, mianowicie suw roboczy jest dłuższy niż suw sprężania. Zapotrzebowanie na energię przy sprężaniu jest stosunkowo niewielkie, podczas gdy energia uzyskana w suwie roboczym jest większa, ponieważ tłok porusza się dalej w dół.

Prawdą jest, że rozwiązanie to nie może być wdrożone w praktyce z tradycyjnym korbowodem. Do jego wdrożenia konieczne było zastosowanie nowego rozwiązania mechanicznego.

Praktyczne zastosowania

Data pod rysunkiem nie jest błędna: konstrukcja istnieje od 1887 r. James Atkinson opatentował ją w 1898 roku.

Pierwszy projekt, uważany dziś za prymitywny, opiera się na modyfikacji długości skoku za pomocą rozwiązania mechanicznego, konstrukcji składającej się z kilku elementów i łożysk połączonych z korbowodem. To skomplikowane rozwiązanie napędza wał korbowy w taki sposób, że podczas czterech suwów silnika, a więc podczas dwóch ruchów tłoka w przód i w tył, wał korbowy obraca się raz i w tym czasie następuje pełny okres ruchu przymocowanego do niego mechanizmu modyfikującego długość skoku.

Podobnie do oryginalnej zasady, tłok pokonuje mniejszą odległość podczas suwów ssania i sprężania niż podczas suwów pracy i wydechu. W rezultacie zwiększa to sprawność cieplną silnika, czyniąc go porównywalnym ze zwykłym silnikiem Otta pod względem strat energii podczas ssania i sprężania, podczas gdy pod względem przyrostu energii można go porównać z tradycyjnym silnikiem o znacznie wyższym stopniu sprężania lub silnikiem o większej pojemności skokowej.

Oryginalny mechanizm Atkinsona zawiera kilka elementów sprzęgających i łożysk między korbowodem a mimośrodem wału korbowego, co jest wątpliwe z konstrukcyjnego punktu widzenia, biorąc pod uwagę dodatkowy koszt wynikający z liczby elementów i możliwy spadek niezawodności wskutek jego złożoności.

Niedogodności te uwzględniła Honda, która stworzyła własny silnik pracujący w cyklu Atkinsona, sprzedawany pod marką Exlink.

Tutaj wał korbowy obraca się dwukrotnie w czterech suwach, jak w silniku Otta. Wygląda to dokładnie tak samo, jak w konwencjonalnym silniku spalinowym – ale tak nie jest. Podział długości pełnego skoku na dwa obroty wału korbowego uzyskuje się poprzez zmniejszenie o połowę obrotów wału korbowego za pomocą przekładni, a modulację skoku zapewnia napędzany mimośród.

Cykl Atkinsona nie interesował producentów przez sto lat, ponieważ uważali to rozwiązanie za nieekonomiczne dla zakresów prędkości, w których obecnie poruszają się samochody osobowe.

Dla porównania, w modelu EXlink Honda osiągnęła wydajność porównywalną z silnikami wysokoprężnymi, mimo że wciąż mówimy o wolnossącym silniku benzynowym, który zadebiutował w 2013 r.

Oprócz tego stworzono wiele rozwiązań opartych na podstawowej zasadzie cyklu Atkinsona. Przykładowo, istotą konstrukcji opracowanej przez Ilmor Engineering jest to, że pomiędzy dwoma cylindrami pracującymi zgodnie z cyklem Otta, na wspólnym wale korbowym pracuje dodatkowy cylinder o większej średnicy. Podczas cyklu wydechowego produkt spalania z cylindrów o mniejszej średnicy pracujących jako czterosuw jest odprowadzany przez zawór do cylindra o większej średnicy, a następnie następuje ostateczny wydech.