Động cơ chu kỳ Atkinson là một loại động cơ đốt trong được phát minh bởi James Atkinson vào năm 1882. Chu trình Atkinson được thiết kế để mang lại hiệu quả với chi phí là mật độ năng lượng.
Một biến thể của cách tiếp cận này được sử dụng trong một số động cơ ô tô hiện đại. Mặc dù ban đầu chỉ được thấy trong các ứng dụng điện hybrid như Toyota Prius thế hệ trước, các xe hybrid sau này và một số xe không hybrid hiện có động cơ với van biến thiên, có thể chạy trong chu trình Atkinson dưới dạng chế độ vận hành bán thời gian, mang lại hiệu quả kinh tế tốt khi chạy trong chu trình Atkinson và mật độ công suất thông thường khi chạy như một động cơ chu trình Otto thông thường.
Động cơ chu trình Otto thông thường có 4 giai đoạn trong mỗi chu trình đốt – nạp, nén, giãn nở (nổ) và xả, mỗi giai đoạn mất thời gian và dịch chuyển piston bằng nhau. Động cơ chu trình Atkinson thì khác. Chúng sử dụng hành trình nạp ngắn hơn một chút so với hành trình giãn nở. Nói cách khác, tỷ lệ nén thực sự nhỏ hơn tỷ lệ giãn nở. Lợi ích của sự sắp xếp này là gì? Câu trả lời là hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Nếu chúng ta phân tích đường cong áp suất-thể tích của chu trình đốt cháy, bạn sẽ thấy:
Đối với động cơ chu trình Otto, pít-tông bắt đầu nén không khí từ ĐCD (điểm 1), thể tích giảm và áp suất tăng cho đến khi đạt ĐCT (điểm 2). Sau đó, quá trình đánh lửa diễn ra và hỗn hợp nhiên liệu-không khí phát nổ, áp suất tăng và đạt đỉnh ngay lập tức (điểm 3). Điều này đẩy pít-tông xuống dưới, thể tích mở rộng và giảm áp suất cho đến khi pít-tông chạm đến ĐCD Otto (điểm 4 Otto). Tại thời điểm này, các van xả mở. Khi áp suất của khí thải nóng cao hơn bên ngoài, nó nhanh chóng chạy ra ống xả, do đó áp suất giảm đột ngột đến áp suất khí quyển (điểm 1). Các ống xả và đường nạp không được hiển thị ở đây vì chúng không góp phần tạo ra công suất. Công thực hiện (năng lượng) do quá trình đốt cháy tạo ra là vùng bên trong đường 1-2-3-4 Otto.
Bây giờ đối với động cơ chu trình Atkinson, giai đoạn giãn nở được phép chạy xa hơn, tốt nhất là cho đến khi áp suất khí giảm xuống bằng áp suất khí quyển (điểm 4Atkinson). Điều này có nghĩa là nhiệt năng và động năng thường bị mất trong chu trình Otto thông qua khí thải có thể được sử dụng trong chu trình Atkinson để tạo ra công suất. Năng lượng bổ sung này là vùng 1-4Otto-4Atkinson.
Động cơ chu trình Atkinson không phải là một ý tưởng mới. Thực tế, nó được phát minh bởi kỹ sư người Anh James Atkinson vào năm 1882. Thiết kế ban đầu của ông rất phức tạp, không chỉ sử dụng trục khuỷu mà còn cả trục phụ và các liên kết bổ sung để cho phép các piston di chuyển quãng đường ngắn hơn trong hành trình nén so với hành trình giãn nở. Nó khá tuyệt vời, nhưng do sự phức tạp này và dẫn đến kích thước và trọng lượng tăng thêm, nó không được đưa vào sử dụng thương mại trên ô tô.
Thiết kế
Atkinson đã tạo ra ba thiết kế khác nhau có hành trình nén ngắn và hành trình giãn nở dài hơn. Động cơ chu trình Atkinson đầu tiên, động cơ vi sai (Differential Engine), sử dụng các pít-tông đối nhau. Thiết kế thứ hai và được biết đến nhiều nhất là động cơ tuần hoàn (Cycle Engine), sử dụng một cánh tay đòn ở giữa để tạo ra bốn hành trình pít-tông trong một vòng quay trục khuỷu. Động cơ pít-tông có các hành trình nạp, nén, công suất và xả của chu trình bốn thì chỉ trong một vòng quay của trục khuỷu và được thiết kế để tránh vi phạm một số bằng sáng chế liên quan đến động cơ chu trình Otto. Động cơ thứ ba và cũng là động cơ cuối cùng của Atkinson, động cơ tiện ích (Utilite Engine), hoạt động giống như bất kỳ động cơ hai kỳ nào.
Điểm chung xuyên suốt các thiết kế của Atkinson là động cơ có hành trình giãn nở dài hơn hành trình nén và bằng phương pháp này, động cơ đạt được hiệu suất nhiệt cao hơn động cơ pít-tông truyền thống. Động cơ của Atkinson được sản xuất bởi British Gas Engine Company và cũng được cấp phép cho các nhà sản xuất nước ngoài khác.
Nhiều động cơ hiện đại hiện nay sử dụng định thời van độc đáo để tạo ra hiệu quả của hành trình nén ngắn hơn/hành trình công suất dài hơn. Miller đã áp dụng kỹ thuật này cho động cơ bốn thì, vì vậy nó đôi khi được gọi là chu trình Atkinson/Miller, bằng sáng chế Hoa Kỳ số 2817322 ngày 24 tháng 12 năm 1957. Năm 1888, Charon nộp bằng sáng chế của Pháp và trưng bày động cơ tại Triển lãm Paris năm 1889 .Động cơ xăng Charon (bốn thì) sử dụng chu trình tương tự như Miller, nhưng không có bộ siêu nạp. Nó được gọi là “chu trình Charon”.
Hugo Güldner đã lập luận trong cuốn sách năm 1914 của mình rằng Körting là công ty đầu tiên chế tạo động cơ khí có hành trình nén ngắn và giai đoạn giãn nở dài hơn vào năm 1891, dựa trên thiết kế do Otto Köhler đề xuất lần đầu tiên vào năm 1887. Động cơ này cũng có hệ thống van phụ thuộc vào tải trọng động cơ giúp tăng hành trình nạp và nén khi tải trọng động cơ tăng lên. Mặt khác, lực nén giảm ở mức tải thấp và trung bình, và điều này cuối cùng làm giảm hiệu quả.
Roy Fedden tại Bristol đã thử nghiệm một sự sắp xếp trong động cơ Bristol Jupiter IV vào năm 1928, với thời gian làm chậm có thể thay đổi cho phép một phần khí nạp được thổi ngược trở lại đường ống nạp, nhằm giảm áp suất vận hành một cách bền vững trong quá trình cất cánh.
“Động cơ vi sai” Atkinson (Differential Engine)
Lần thực hiện đầu tiên của chu trình Atkinson là vào năm 1882; không giống như các phiên bản sau này, nó được bố trí như một động cơ pít-tông đối đỉnh, động cơ vi sai Atkinson. Trong đó, một trục khuỷu duy nhất được kết nối với hai pít-tông đối diện thông qua một liên kết khớp chuyển đổi có tính chất phi tuyến tính; trong nửa vòng quay, pít-tông thứ nhất gần như đứng yên trong khi pít-tông kia tiến lại gần nó và quay trở lại, sau đó trong nửa vòng quay tiếp theo, pít-tông thứ hai gần như đứng yên trong khi pít-tông thứ nhất tiến lại gần và quay trở lại.
Do đó, trong mỗi vòng quay, một pít-tông cung cấp hành trình nén và hành trình công suất, sau đó pít-tông kia cung cấp hành trình xả và hành trình nạp. Vì pít-tông hành trình công suất vẫn được rút ra trong quá trình xả và nạp, thực tế là cung cấp khí thải và nạp bằng cách sử dụng các van phía sau một cổng được che trong hành trình nén và hành trình công suất, và do đó, các van không cần phải chịu áp suất cao và có thể thuộc loại đơn giản hơn được sử dụng trong nhiều động cơ hơi nước, hoặc thậm chí là van sậy.
“Động cơ tuần hoàn” Atkinson (Cycle Engine)
Động cơ tiếp theo do Atkinson thiết kế vào năm 1887 được đặt tên là “Động cơ tuần hoàn” Động cơ này sử dụng van poppet, một cam và một tay đòn vượt tâm để tạo ra bốn hành trình pít-tông cho mỗi vòng quay của trục khuỷu. Hành trình nạp và nén ngắn hơn đáng kể so với hành trình giãn nở và xả.
Động cơ “Cycle” đã được sản xuất và bán trong vài năm bởi British Engine Company. Atkinson cũng cấp phép sản xuất cho các nhà sản xuất khác. Kích thước dao động từ một vài lên đến 100 mã lực.
“Động cơ tiện ích” Atkinson (Utilite Engine)
Thiết kế thứ ba của Atkinson được đặt tên là “Utilite Engine”. Động cơ “Cycle” của Atkinson rất hiệu quả; tuy nhiên, liên kết của nó khó cân bằng để hoạt động ở tốc độ cao. Atkinson nhận ra rằng cần phải cải tiến để làm cho chu kỳ của ông được áp dụng nhiều hơn như một động cơ tốc độ cao hơn.
Với thiết kế mới này, Atkinson đã có thể loại bỏ các mối liên kết và tạo ra một động cơ thông thường hơn, cân bằng hơn, có khả năng vận hành ở tốc độ lên tới 600 vòng/phút và có khả năng tạo ra công suất sau mỗi vòng quay, nhưng ông vẫn bảo toàn được toàn bộ hiệu suất của “Động cơ Tuần hoàn” của mình. ” có hành trình nén ngắn tương ứng và hành trình mở rộng dài hơn. Utilite hoạt động giống như động cơ hai kỳ tiêu chuẩn, ngoại trừ cổng xả được đặt ở khoảng giữa hành trình.
Trong quá trình giãn nở/hành trình công suất, một van vận hành bằng cam (vẫn đóng cho đến khi pít-tông gần kết thúc hành trình) ngăn áp suất thoát ra ngoài khi pít-tông di chuyển qua cổng xả. Van xả được mở gần cuối hành trình; nó vẫn mở khi pít-tông quay trở lại quá trình nén, để không khí nạp vào xi-lanh và khí thải thoát ra ngoài cho đến khi cổng được pít-tông đóng.
Sau khi cổng xả được đậy kín, pít-tông bắt đầu nén không khí còn lại trong xi-lanh. Một bơm nhiên liệu pít-tông nhỏ bơm chất lỏng trong quá trình nén. Nguồn đánh lửa có thể là một ống nóng như trong các động cơ khác của Atkinson. Thiết kế này dẫn đến một động cơ hai kỳ với hành trình nén ngắn và hành trình giãn nở dài hơn.
Động cơ Utilite đã được thử nghiệm thậm chí còn hiệu quả hơn các thiết kế “differential” và “cycle” trước đây của Atkinson. Rất ít động cơ được sản xuất và không chiếc nào được biết là còn tồn tại. Bằng sáng chế của Anh là từ năm 1892, #2492. Không có bằng sáng chế nào của Hoa Kỳ cho Utilite Engine được biết đến.
1–2 Nén đoạn nhiệt đẳng hướng, hoặc thuận nghịch
2–3 Gia nhiệt đẳng tích (Qp)
3–4 Gia nhiệt đẳng áp (Qp’)
4–5 Giãn nở đẳng hướng
5–6 Làm mát đẳng tích (Qo)
6–1 Làm mát đẳng áp (Qo’)
ỨNG DỤNG TRÊN Ô TÔ HYBRID
Gần đây, các nhà sản xuất ô tô đã hồi sinh mẫu động cơ Atkinson với nỗ lực đạt được mức tiết kiệm nhiên liệu vượt trội. Năm 1997, Toyota giới thiệu động cơ Atkinson 1.5 lít trên chiếc Prius đầu tiên của mình. Kể từ đó, tất cả các xe hybrid của công ty cũng sử dụng loại động cơ này. Họ thực hiện chu trình Atkinson bằng cách trì hoãn việc đóng van nạp để một số khí được bơm trở lại ống nạp trong giai đoạn đầu của hành trình nén. Điều này làm giảm tỷ lệ dịch chuyển và nén hiệu quả. Trong khi tỷ số nén hình học vẫn ở mức hơn 10:1 một chút, tỷ số nén hiệu quả gần với 8:1. Ngoại trừ thời điểm van, động cơ Atkinson hiện đại giống hệt như động cơ Otto, do đó không tốn thêm chi phí và trọng lượng.
Mặt khác, động cơ chu trình Atkinson kém mạnh hơn so với các động cơ chu trình Otto có cùng kích thước và trọng lượng. Điều này là do một số lý do: 1) Dung tích hiệu quả nhỏ hơn có nghĩa là ít không khí và nhiên liệu cho quá trình đốt cháy hơn, do đó ít năng lượng được tạo ra hơn; 2) Tỷ số nén thấp hơn dẫn đến ít sức mạnh hơn; 3) Áp suất khí thải thấp hơn có nghĩa là khí thải thoát ra chậm hơn, do đó không có lợi cho hiệu quả xả sạch và khả năng quay vòng. 4) Hành trình giãn nở dài hơn hoạt động chống lại vòng quay tốc độ cao. Tuy nhiên, sự thiếu hụt sức mạnh ít có ý nghĩa hơn trên những chiếc xe hybrid vì hiệu suất nhiên liệu được đặt lên hàng đầu. Ngoài ra, ô tô hybrid có thể bù đắp sự mất mát công suất bằng động cơ điện.
ĐỘNG CƠ CHU TRÌNH OTTO-ATKINSON
Do các yêu cầu nghiêm ngặt về tiết kiệm nhiên liệu, trong những năm gần đây, các nhà sản xuất ô tô cũng bắt đầu sử dụng nguyên tắc Atkinson trên ô tô thông thường. Tuy nhiên, họ sử dụng thời gian van biến thiên để điều chỉnh thời điểm đóng của van nạp, để động cơ có thể chạy chu trình Atkinson ở chế độ không tải và tải nhẹ hoặc chuyển sang chu trình Otto khi cần nhiều sức mạnh hơn, đáp ứng tốt nhất cả hai yêu cầu tải. Năm 2012, Mazda là hãng đầu tiên đưa động cơ chu trình Otto-Atkinson như vậy vào sản xuất. Skyactiv-G 2.0 lít cải tiến của nó sử dụng tỷ số nén cao bất thường 14.0:1 (hoặc 13:1 cho thị trường Hoa Kỳ do nhiên liệu 87 Octan). Kết quả là, tỷ số nén hiệu quả ở chế độ Atkinson duy trì ở mức tương đối cao, giảm thiểu tổn thất công suất. Vào năm 2014, Toyota đã theo đuổi cùng một mẫu concept Otto-Atkinson với 2.0 lít VVT-iW (trên Camry), 2.0 Turbo (trên Lexus NX200t) và 5.0 V8 (Lexus RC F), mặc dù tỷ số nén của chúng không cao bằng Mazda . Phát minh bị bỏ rơi từ lâu của James Atkinson cuối cùng cũng thành công, mặc dù ở một hình thức khác nhiều.
