В характеристиках гибридов регулярно встречается странная пара цифр: степень сжатия 13:1 или даже 14:1 — и при этом обычный 95-й бензин без всяких оговорок. Для мотора классической схемы такое сочетание означало бы детонацию на первом же светофоре. Разгадка в том, что эти двигатели работают по другому циклу, где сжатие и расширение перестали быть одинаковыми.
Что не так с обычным циклом
В классическом четырёхтактном двигателе такты сжатия и рабочего хода геометрически одинаковы: поршень проходит одно и то же расстояние вверх и вниз, а значит, степень сжатия равна степени расширения. Это кажется естественным, но с точки зрения термодинамики означает потерю.
Смысл рабочего хода — превратить давление горячих газов в механическую работу. Чем дольше газы давят на поршень, тем большую часть их энергии удаётся забрать. Но поршень доходит до нижней точки, выпускной клапан открывается — и газы, всё ещё горячие и всё ещё под давлением, уходят в выпускной тракт. Эта неиспользованная энергия и греет катализатор вместо того, чтобы крутить колёса.
Напрашивается решение: сделать такт расширения длиннее такта сжатия. Тогда газы успеют отработать полнее, а в выпуск уйдёт меньше тепла. Проблема в том, что поршень ходит вверх и вниз на одно и то же расстояние — механически «удлинить» только один такт нельзя.
Идея Аткинсона: расширение длиннее сжатия
Оригинальная конструкция позапрошлого века решала задачу сложным рычажным механизмом, который давал поршню разный ход в разных тактах. В серию она не пошла: механизм получился громоздким и ненадёжным. Современные моторы добиваются того же результата иначе — управлением фазами газораспределения.
Приём выглядит контринтуитивно: впускной клапан закрывается не в нижней точке, а заметно позже, когда поршень уже пошёл вверх. Часть свежего заряда при этом выталкивается обратно во впускной коллектор. В цилиндре остаётся меньше смеси, чем он способен вместить, — и фактическое сжатие начинается не от полного объёма.
Плата очевидна: раз в цилиндр попало меньше смеси, то и мощность с литра рабочего объёма получается ниже. Мотор Аткинсона проигрывает обычному по литровой отдаче примерно на десятую часть, а иногда и больше — и особенно заметно это на низких оборотах, где обратный выброс относительно велик.
Читайте такжеЧетырнадцать к одному: дизели с самой низкой степенью сжатия
Цикл Миллера и роль наддува
Цикл Миллера — это тот же приём, но с компенсацией потери наполнения. Если недостающий воздух дозагнать компрессором или турбиной, мотор получит и выигрыш в КПД, и приемлемую мощность.
| Схема | Как наполняется цилиндр | Сильная сторона | Слабая сторона |
|---|---|---|---|
| Классический цикл | Клапан закрывается у нижней точки | Максимальная отдача с литра | Часть энергии уходит в выпуск |
| Цикл Аткинсона | Позднее закрытие впускного клапана | Высокий КПД без наддува | Низкая мощность, вялость на низах |
| Цикл Миллера | То же плюс наддув | КПД при сохранении мощности | Сложность и стоимость конструкции |
На практике граница между двумя названиями размыта: многие производители называют циклом Аткинсона любой мотор с поздним закрытием впускного клапана независимо от наддува. Технически же различает их именно наличие нагнетателя, компенсирующего потерянный заряд.
Оба варианта существуют только благодаря системам изменения фаз: без возможности сдвигать момент закрытия клапана на ходу мотор был бы обречён работать в одном режиме всегда. Как устроен этот механизм и почему он чувствителен к давлению масла, разобрано в материале о фазорегуляторах VVT.
Чем такой мотор отличается на практике
Самый простой способ узнать двигатель Аткинсона в характеристиках — посмотреть на сочетание трёх параметров. Высокая степень сжатия, скромная мощность с литра и обычный бензин в требованиях встречаются вместе только у моторов этой схемы.
- Степень сжатия 12,5 и выше. У обычного атмосферного мотора на 95-м бензине она редко превышает 11,5 — этот параметр указан в карточке каждого агрегата в справочнике двигателей;
- Отдача около 60–70 сил с литра. Для современного атмосферника это скромно, и в паспорте выглядит как отставание;
- Пик момента высоко по оборотам. Тяга на низах уходит вместе с частью заряда, вытолкнутой обратно;
- Никаких требований к топливу. Фактическое сжатие невелико, и запас по детонации сохраняется;
- Расход заметно ниже ожидаемого. Особенно в городском режиме, где обычный мотор теряет больше всего.
Читайте такжеДвадцать три к одному: дизели с самой высокой степенью сжатия
Почему он идеально подходит гибриду
Главный недостаток цикла Аткинсона — нехватка тяги там, где она нужнее всего: при трогании и разгоне с малых скоростей. Именно в этих режимах электромотор выдаёт максимальный момент прямо с нуля оборотов. Слабое место одного узла закрывается сильной стороной другого, и по отдельности ни один из них так не работает.
| Режим | Кто работает | Почему так |
|---|---|---|
| Трогание, движение в пробке | Электромотор | Момент с нуля, у ДВС здесь худший КПД |
| Разгон | Оба источника | Электромотор закрывает провал на низах |
| Ровная трасса | Двигатель внутреннего сгорания | Режим постоянной нагрузки — лучший для цикла Аткинсона |
| Торможение | Электромотор в режиме генератора | Энергия возвращается в батарею, а не в тормозные диски |
Есть и второй эффект, менее очевидный: в гибридной схеме двигатель внутреннего сгорания часто не связан с колёсами напрямую, а работает в узком диапазоне оборотов, где его КПД максимален. Для мотора с узкой полкой эффективности это идеальные условия — он избавлен от необходимости быть универсальным. Сравнение реальных расходов и общей экономики владения такой машиной собрано в материале о выборе между гибридом и бензиновым автомобилем.
Что это значит для владельца
С точки зрения обслуживания мотор Аткинсона ничем не выделяется: то же масло, те же свечи, тот же ремень или цепь. Но несколько особенностей эксплуатации знать стоит.
- Не пугайтесь вялости на низах. Это заложенное свойство схемы, а не признак неисправности;
- Следите за фазовращателями. Весь цикл держится на них: загустевшее масло и грязные каналы означают, что мотор потеряет и экономичность, и тягу;
- Соблюдайте вязкость. Требования по маслу здесь жёстче обычного именно из-за системы изменения фаз — логика допусков разобрана в статье о выборе моторного масла;
- Не сравнивайте паспортный расход с реальным напрямую. Разрыв у гибридов больше, чем у обычных машин, и сильно зависит от доли городской езды;
- Помните о ресурсе высокой степени сжатия. Нагрузка на поршневую группу здесь выше средней, и качество топлива всё же имеет значение — что происходит при детонации, показано в разборе о детонации и октановом числе.
Стоит добавить, что схема давно вышла за пределы гибридов: отдельные производители применяют позднее закрытие впускного клапана и в обычных атмосферных моторах, а вместе с наддувом — в компактных турбочетвёрках. Общая логика уменьшения объёмов и повышения эффективности описана в материале о даунсайзинге.
Когда такие моторы только пошли в массу, к нам их привозили с жалобой «не тянет». Мы честно проверяли всё подряд и не находили ничего — потому что мотор работал ровно так, как задуман. Владелец сравнивал ощущения с прежней машиной, где та же двухлитровая четвёрка отзывалась внизу совсем иначе. Объяснять приходилось долго. По надёжности претензий у меня к ним нет: конструкция простая, наддува зачастую нет, тепловая нагрузка ниже обычной. Единственное, за чем я советую следить всерьёз, — это масло. Вся схема живёт на фазовращателях, а они управляются давлением масла; просроченная замена здесь бьёт не по ресурсу когда-нибудь потом, а по расходу топлива прямо сейчас.
Как вы относитесь к гибридам с мотором Аткинсона?
Выводы
- В классическом цикле сжатие и расширение равны, из-за чего часть энергии горячих газов уходит в выпуск неиспользованной.
- Цикл Аткинсона удлиняет расширение относительно сжатия за счёт позднего закрытия впускного клапана, а не механически.
- Геометрическая степень сжатия у таких моторов высокая, фактическая — ниже, поэтому обычного бензина им достаточно.
- Плата за КПД — сниженная мощность с литра и слабая тяга на низких оборотах.
- Цикл Миллера компенсирует потерю наполнения наддувом, сохраняя выигрыш в эффективности.
- В гибриде провал на низах закрывает электромотор, а двигатель работает в узком диапазоне максимального КПД — поэтому схемы и оказались в одной машине.
