W jaki sposób cykl Atkinsona oszczędza paliwo?

Najbardziej dziś rozpowszechnione czterosuwowe silniki benzynowe pracują w tak zwanym cyklu Otto, opracowanym pod koniec XIX wieku przez niemieckiego wynalazcę Nikolausa Otto, konstruktora jednych z pierwszych udanych tłokowych silników spalinowych. Istotą tego cyklu są właśnie składające się nań cztery suwy, wykonywane podczas dwóch obrotów wału korbowego: suw ssania, suw sprężania, suw pracy i suw wydechu.

Na początku suwu ssania otwiera się zawór ssący, przez który pod wpływem cofającego się tłoka z kolektora dolotowego zasysana jest mieszanka paliwowo-powietrzna. Przed rozpoczęciem suwu sprężania zawór ssący zamyka się i powracający w stronę głowicy tłok dokonuje sprężenia mieszanki. Gdy tłok dochodzi do szczytowego położenia, pod wpływem iskry elektrycznej następuje zapłon mieszanki. Powstałe w ten sposób gorące gazy spalinowe rozprężając się popychają tłok, przekazując mu swoją energię i gdy tłok maksymalnie oddali się od głowicy, otwiera się zawór wydechowy. Rozpoczyna się suw wydechu, w którym powracający tłok wypycha spaliny z cylindra do kolektora wydechowego.

Niestety, nie cała energia spalin jest wykorzystywana podczas suwu pracy do popychania tłoka (i, za pośrednictwem korbowodu, obracania wału korbowego). W chwili otwarcia zaworu wydechowego na początku suwu wydechu mają one jeszcze wciąż duże ciśnienie. Możemy się o tym przekonać, słysząc hałas powodowany przez samochód z zepsutym tłumikiem - jego powodem jest właśnie uciekająca w powietrze energia. Dlatego właśnie sprawność tradycyjnych silników benzynowych to zaledwie około 35 procent. Gdyby tak dało się wydłużyć drogę tłoka w suwie pracy i tę energię wykorzystać...

Na taki właśnie pomysł wpadł angielski wynalazca James Atkinson. W 1882 roku skonstruował on silnik, w którym dzięki skomplikowanemu układowi popychaczy łączących tłoki z wałem korbowym suw pracy był dłuższy od suwu sprężania. Dzięki temu w momencie rozpoczęcia suwu wydechu ciśnienie gazów spalinowych było już właściwie równe atmosferycznemu, a ich energia w pełni wykorzystana.

Dlaczego więc pomysł Atkinsona nie zyskał szerszego zastosowania, a silniki spalinowe przez ponad stulecie korzystały z mniej wydajnego cyklu Otto? Przyczyny są dwie: jedna to złożona budowa silnika Atkinsona, a druga - i ważniejsza - mniejsza moc, którą silnik taki uzyskuje z jednostki pojemności skokowej.

Gdy jednak zaczęto zwracać coraz większą uwagę na zużycie paliwa oraz wpływ motoryzacji na środowisko naturalne, przypomniano sobie o wysokiej sprawności silnika Atkinsona, znakomitej zwłaszcza w średnim zakresie obrotów. Jego koncepcja okazała się doskonałym rozwiązaniem zwłaszcza w samochodach hybrydowych, w których niedobór mocy, potrzebnej zwłaszcza podczas ruszania i przyspieszania, kompensowany jest przez silnik elektryczny.

Dlatego właśnie silnik pracujący w zmodyfikowanym cyklu Atkinsona znalazł zastosowanie w pierwszym seryjnie produkowanym samochodzie z napędem hybrydowym - Toyocie Prius, a potem i wszystkich innych hybrydach marek Toyota i Lexus.

Na czym polega zmodyfikowany cykl Atkinsona? Otóż dzięki sprytnemu rozwiązaniu udało się spowodować, że mimo iż silnik Toyoty zachowuje klasyczną, prostą budowę konwencjonalnych silników czterosuwowych, a w każdym z suwów tłok pokonuje taką samą drogę, efektywny suw pracy jest dłuższy od suwu sprężania.

Właściwie należało by powiedzieć inaczej: efektywny suw sprężania jest krótszy od suwu pracy. Osiągnięto to dzięki opóźnieniu zamknięcia zaworu ssącego, który zamyka się chwilę po rozpoczęciu suwu sprężania. W ten sposób część mieszanki paliwowo-powietrznej jest cofana do kolektora ssącego. Ma to dwojakie konsekwencje: ilość gazów spalinowych powstałych z jej spalenia jest mniejsza i jest w stanie rozprężyć się całkowicie przed rozpoczęciem suwu wydechu, przekazując całą energię tłokowi, a sprężanie mniejszej ilości mieszanki wymaga mniejszej ilości energii, co zmniejsza wewnętrzne straty silnika. Stosując to i inne rozwiązania, w przypadku silnika wchodzącego w skład układu napędowego czwartej generacji Toyoty Prius udało się osiągnąć sprawność cieplną aż 41 procent, do tej pory osiągalną jedynie dla silników wysokoprężnych.

Pomysłowość rozwiązania polega również na tym, że opóźnione zamykanie zaworów ssących nie wymaga poważnych zmian konstrukcyjnych - wystarczy wykorzystać do tego elektronicznie sterowany mechanizm zmiennych faz rozrządu.

A skoro można w ten sposób, czy nie dałoby się i odwrotnie? Oczywiście, że tak! Od pewnego czasu produkowane są silniki o zmiennym cyklu pracy. Gdy zapotrzebowanie na moc jest niewielkie, na przykład podczas spokojnej jazdy szosowej, silnik taki pracuje w cyklu Atkinsona, zużywając niewiele paliwa. Gdy zaś potrzebne są lepsze osiągi - przy ruszaniu ze świateł czy wyprzedzaniu - przechodzi do cyklu Otto, wykorzystując całą dostępną dynamikę. Taki silnik o pojemności skokowej 1,2 litra, z bezpośrednim wtryskiem paliwa i turbodoładowaniem, napędza na przykład Toyotę Auris i Toyotę C-HR. Analogiczna dwulitrowa jednostka wykorzystywana jest w Lexusach IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t i RC 200t, zapewniając im świetne osiągi przy niższym, niż się można spodziewać, zużyciu paliwa i minimalnej emisji niepożądanych substancji.