В сички те използват бензин и бутала, но тези три работни цикъла прилагат различни подходи по отношение на мощността, ефективността и икономията на гориво. Повечето бензинови двигатели следват цикъла на Ото – процес на горене, който задвижва автомобилите вече повече от век. Въпреки това, не всеки двигател с вътрешно горене работи по абсолютно един и същи начин.
Някои производители използват вариации, като циклите на Аткинсън и Милър, за да подобрят ефективността, да намалят разхода на гориво или да извлекат повече полезна работа от всяка капка бензин. Макар че и трите цикъла споделят един и същ основен четиритактов принцип, те се различават по начина, по който управляват постъпващата гориво-въздушна смес, нейното сгъстяване (компресия) и разширението на газовете в цилиндрите. Ето какво ги отличава.
Цикълът на Ото: Традиционният начин за генериране на мощност
Цикълът на Ото е в основата на повечето конвенционални бензинови двигатели. Наречен на германския инженер Николаус Ото, който разработва четиритактовия двигател през XIX век, той описва как двигателят засмуква гориво-въздушна смес, сгъстява я, възпламенява я и изхвърля получените отработени газове. Процесът включва четири отделни такта: всмукване, сгъстяване, работен ход (разширение) и изпускане.
По време на такта на всмукване буталото се движи надолу, засмуквайки въздух в цилиндъра. След това буталото се движи нагоре, за да сгъсти сместа, която се възпламенява от запалителната свещ близо до горната мъртва точка (края на такта на сгъстяване). Полученото горене изтласква буталото надолу, което задвижва коляновия вал и генерира мощност. Накрая се отваря изпускателният клапан, позволявайки на отработените газове да излязат.
Това, което отличава цикъла на Ото от другите два, е, че в идеалния термодинамичен модел степените на сгъстяване и на разширение са практически равни. При реалните двигатели фазите на газоразпределение и други фактори влияят върху ефективните стойности на тези степени, но основният принцип остава непроменен.
Цикълът на Ото залага на баланс между мощност, отзивчивост и ефективност. Той се използва масово – от малки градски автомобили до високопроизводителни спортни коли – тъй като осигурява предвидимо отдаване на мощност, без да изисква особено сложна конструкция на двигателя.
Цикълът на Аткинсън: жертване на мощност за по-добра ефективност
Цикълът на Аткинсън прилага различен подход. Вместо да се стреми да извлече възможно най-голяма мощност от всеки работен такт, той се фокусира върху получаването на повече полезна енергия от изгореното гориво.
Оригиналният двигател на Аткинсън, патентован от британския инженер Джеймс Аткинсън през 1882 г., използва сложен механизъм, за да осигури различна продължителност на тактовете на сгъстяване и разширение. Тактът на разширение е по-дълъг от този на сгъстяване, което позволява на горивните газове да бутат буталото по-дълго време и да отдадат повече енергия, преди да бъдат изхвърлени през изпускателната система.
Съвременните двигатели, работещи по цикъла на Аткинсън, постигат подобен резултат чрез променливо газоразпределение. Вместо да разчитат на сложни механични устройства, те обикновено държат всмукателния клапан отворен за по-дълго време, отколкото при конвенционалните двигатели с цикъл на Ото. Когато буталото започне да се движи нагоре по време на такта на сгъстяване, част от гориво-въздушната смес се изтласква обратно във всмукателния колектор. Това намалява ефективната степен на сгъстяване, като същевременно запазва сравнително висока степен на разширение.
Предимството е по-висока топлинна ефективност, тъй като двигателят извлича повече полезна работа от разширяващите се газове. Недостатъкът е, че в цилиндъра постъпва по-малко въздух, което обикновено ограничава мощността на двигателя при даден работен обем. Ето защо двигателите с цикъл на Аткинсън са особено популярни при хибридните автомобили. Toyota и Honda, например, използват варианти на тази технология в някои от своите хибридни задвижващи системи. Електрическият мотор компенсира намаления въртящ момент на бензиновия двигател при ниски обороти, което позволява на цялата система да осигури динамично ускорение, без това да е за сметка на икономията на гориво.
Цикълът на Милър: Ефективност без значителна загуба на мощност
Цикълът на Милър е тясно свързан със съвременния цикъл на Аткинсън, но съществува важна разлика: той е разработен с цел повишаване на ефективността на двигателя, като същевременно използва принудително пълнене (турбокомпресор или механичен компресор) за поддържане на мощността.
Наречен на американския инженер Ралф Милър, който патентова концепцията през 1957 г., цикълът на Милър използва променени фази на газоразпределение (момент на затваряне на всмукателните клапани), за да намали ефективната степен на сгъстяване, като същевременно запазва по-висока степен на разширение. Това позволява на двигателя да извлече повече енергия от процеса на горене, вместо голяма част от нея да се губи през изпускателната система.
Основното предизвикателство е, че намаляването на ефективната степен на сгъстяване води и до намаляване на количеството въздух, което остава в цилиндъра. Тук на помощ идва механичният компресор или турбокомпресорът. Чрез принудително вкарване на повече въздух в двигателя, системата компенсира намаленото пълнене на цилиндрите и помага за поддържане на изходната мощност. Двигателите, работещи по цикъла на Милър, могат да използват или ранно, или късно затваряне на всмукателните клапани, в зависимост от конструкцията. И двата подхода намаляват ефективната степен на сгъстяване, макар и по различен начин.
Въпреки че и трите цикъла използват един и същ основен четиритактов процес в съвременните автомобилни двигатели, те се различават по начина, по който управляват сгъстяването, разширението и количеството въздух, постъпващ в цилиндрите.
Разликите между трите цикъла стават очевидни и при разглеждане на приложенията. Двигателите с цикъл на Ото са често срещани в конвенционалните автомобили с бензинов двигател, докато двигателите с цикъл на Аткинсън често се срещат в хибриди. Двигателите с цикъл на Милър се използват в автомобили, в които производителите искат да комбинират подобрена ефективност с по-висока мощност.
Струва си да се отбележи, че разликата между съвременните двигатели на Аткинсън и Милър не винаги е ясна. И двата могат да използват подобни стратегии за газоразпределение, а някои производители използват имената по различен начин. Наличието на принудително впръскване е полезно разграничение, но действителният дизайн на двигателя е по-важен от етикета.
Кой двигателен цикъл е по-добър?
Няма еднозначен победител, тъй като всеки цикъл е проектиран с оглед на различни приоритети. Цикълът на Ото остава популярен избор поради своята универсалност и способност да осигурява значителна мощност в широк спектър от приложения. Той е особено подходящ за водачи, които търсят традиционни динамични характеристики, без допълнителната сложност на хибридна система или специализирана система за принудително пълнене.
Цикълът на Аткинсън е по-удачен избор, когато приоритет е горивната ефективност. По-ниската изходна мощност може да се разглежда като недостатък при конвенционалните автомобили, но съчетаването му с електрически двигател прави този компромис много по-лесен за преодоляване. Именно затова той се превърна във важна част от съвременните хибридни технологии.
Цикълът на Милър, от своя страна, предлага друг подход за повишаване на топлинната ефективност, като същевременно запазва по-висока мощност чрез използване на принудително пълнене. Той не е непременно по-добър от цикъла на Аткинсън, но предоставя на инженерите допълнителен инструмент при проектирането на двигатели, които трябва да постигнат баланс между ефективност и динамични показатели.
В крайна сметка, циклите на Ото, Аткинсън и Милър показват, че съществува повече от един начин за постигане на висока ефективност при бензиновите двигатели. Цикълът на Ото залага на балансирани характеристики, цикълът на Аткинсън се фокусира върху извличането на повече енергия от горивото, а цикълът на Милър използва комбинация от променени фази на газоразпределението и принудително пълнене, за да повиши ефективността, без да води до толкова значителна загуба на мощност.