Trong hơn một trăm năm, động cơ ngày càng lớn hơn, nhanh hơn và linh hoạt hơn, với nhiều mã lực và mô-men xoắn hơn. Kiệt sức thở ra từ ống xả giống như một con rồng thức dậy sau giấc ngủ của nó để gầm lên những kẻ trộm tiềm năng kho báu của nó. Ít nhất, đó là điều mà anh chàng có lốp rộng và công việc thổi bằng không khí muốn bạn nghĩ.
Sau đó, đến thế kỷ 20, khi chúng ta nhận ra rằng những cỗ máy thở bằng lửa đang giết người nhiều hơn những đối thủ đua xe vượt đèn đỏ. Hóa ra, tất cả những gì ợ hơi đã làm thay đổi khí hậu và tạo ra sương khói khó chịu. Quá nhiều con rồng đã khiến hành tinh này giống Mordor hơn là Shire.
Ai có thể cứu chúng ta khỏi những con rồng kiệt sức này? Ai có thể chế ngự những cách ngốn xăng của họ bằng thanh kiếm khoa học và kỹ thuật của mình? Ai mang một vòng hiệu quả nhiên liệu thực sự? Một người đàn ông:James Atkinson ở Hampstead, Middlesex, Anh. Cũng của năm 1887.
Đúng vậy - công nghệ động cơ xanh mới nhất ra đời từ buổi bình minh của thời đại ô tô. Động cơ chu trình Atkinson đã được cấp bằng sáng chế tại Hoa Kỳ vào năm 1887 (Atkinson đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế của Vương quốc Anh và Châu Âu vài năm trước đó). Nhưng hành trình không đều của pít-tông trong động cơ đốt bằng xăng của anh ấy phù hợp với hệ thống hybrid hiện đại của chúng tôi khá gọn gàng.
Động cơ chu trình Atkinson được sử dụng trong rất nhiều xe hybrid ngày nay hoạt động trên nguyên tắc giống như động cơ nguyên bản - với lợi thế rõ ràng của một thế kỷ tiến bộ công nghệ. Nhưng để hiểu chúng ta đang ở đâu ngày hôm nay, trước tiên chúng ta phải biết chúng ta đã ở đâu. Đặt cỗ máy thời gian của bạn cho năm 1887!
Nội dung
Bằng sáng chế của Atkinson tại Hoa Kỳ (số 367.496, đối với chúng tôi là những người yêu thích bằng sáng chế) khá đơn giản:khoảng một nghìn từ văn bản và một vài sơ đồ hữu ích. Hoặc bạn có thể chỉ cần đọc lời giải thích này, nó còn hóm hỉnh hơn bất kỳ bằng sáng chế nào.
Động cơ đốt trong ngày nay phổ biến nhất là động cơ chu trình Otto bốn kỳ, trong đó một pít-tông đi lên xuống bên trong xi-lanh và tia lửa đốt cháy hỗn hợp khí và không khí. Tương tự đối với động cơ chu trình Atkinson, vì vậy đây là bản cập nhật nhanh quy trình:
Hành trình hút: Hút không khí và nhiên liệu vào xi lanh
Hành trình nén: Làm nhão hỗn hợp để khi tia lửa phụt tắt, nó sẽ phát nổ - thời gian lớn
Công suất hoặc hành trình mở rộng: Sử dụng lực do vụ nổ tạo ra để di chuyển piston xuống xi lanh
Hành trình xả: Đẩy thức ăn thừa khó chịu của quá trình đốt cháy ra khỏi xi lanh
Trong động cơ chu trình Otto, điều này được thực hiện theo hai vòng quay của trục khuỷu:nạp / đánh lửa, sau đó là công suất / xả. Trong động cơ Atkinson ban đầu, nhà phát minh đã thêm một số liên kết để tất cả bốn hành trình có thể hoàn thành chỉ với một vòng quay của trục khuỷu.
Điều đó tự nó sẽ cải thiện hiệu suất, nhưng Atkinson có một nhận thức khác:nếu lực nén trong xi lanh được hạ thấp và hành trình công suất dài hơn hành trình nạp, động cơ sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Sẽ tốn ít nhiên liệu hơn để quay động cơ, làm quay các bánh xe và làm cho ô tô đi.
Hãy tưởng tượng, nếu bạn muốn, xi lanh và piston. Trên hành trình nạp, piston không di chuyển hết xuống xi lanh. Van nạp, nơi không khí và nhiên liệu đi vào xi lanh, không cho phép nhiều hỗn hợp vào xi lanh. Ít hỗn hợp cần nén ít hơn. Piston di chuyển ngược lên cho hành trình nén, và ở đầu hỗn hợp được đốt cháy. Bùm! Lực đẩy piston trở lại trục của xi lanh trong hành trình công suất, lần này là hoàn toàn xuống dưới để tận dụng từng chút lực cuối cùng do quá trình đốt cháy tạo ra. Sau đó, piston di chuyển ngược lên để đưa rác ra ngoài cho hành trình xả. Ta da! Bốn lần, ít nhiên liệu hơn!
Tất nhiên, bạn là người thông minh, bạn có thể nhận ra rằng ít nhiên liệu hơn và ít nén hơn có nghĩa là ít năng lượng hơn. Bạn nói đúng. Mặc dù piston được phép di chuyển xuống phía dưới theo hành trình công suất hơn là ở hành trình nạp, nhưng nó sẽ không tạo ra nhiều công suất như ở động cơ có độ nén cao hơn và hỗn hợp khí giàu hơn.
Một thách thức khác đối với động cơ này là nó đòi hỏi rất nhiều bộ phận phụ, khiến việc lắp ráp trở nên phức tạp, chưa kể là tốn kém. Atkinson tội nghiệp đã phải đạt được tất cả hiệu quả này với lò xo và các liên kết rung động và một ống đánh lửa nóng đỏ, nghe có vẻ như một cái tên tuyệt vời cho một ban nhạc. Các kỹ sư hiện đại có thời gian dễ dàng hơn nhiều.
Những người theo chủ nghĩa thuần túy sẽ chế nhạo động cơ chu trình Atkinson ngày nay, với một liên kết rung động trong tầm mắt. Trên thực tế, nếu bạn đặt một động cơ chu trình Atkinson hiện đại bên cạnh một động cơ chu trình Otto hiện đại, bạn sẽ không thể thấy bất kỳ sự khác biệt nào. "Không có gì trong động cơ [Prius] không có trong động cơ thông thường," theo David Lee tại Đại học Toyota. (Đây không phải là trường đại học mà bạn có thể theo học trừ khi bạn là nhân viên Toyota cần biết về những thông tin mới nhất và tuyệt vời nhất được triển khai tại các đại lý. Xin lỗi.)
Những gì Atkinson phải đạt được với việc đặt trục khuỷu mà chúng ta có thể làm được với thời gian van biến thiên, một giải pháp rẻ hơn và dễ dàng hơn rất nhiều. Hãy nhớ rằng trong phiên bản gốc của Atkinson, các van nạp sẽ đóng sớm để giữ lại một phần hỗn hợp nhiên liệu không khí. Ngày nay, van nạp được giữ mở quá lâu, do đó khi piston chuyển động lên để thực hiện hành trình nén, một ít hỗn hợp khí-không khí có thể thoát ra ngoài. Mỗi phương pháp đều có điểm cuối giống nhau:tỷ lệ nén thấp hơn. Nói theo kiểu kỹ sư, phương pháp hiện đại được gọi là "livic" - đóng van nạp muộn. Sau đó, bugi thực hiện công việc của nó - phát tia lửa - và piston tận dụng quá trình đốt cháy với một hành trình toàn bộ công suất xuống xi lanh. Và sau đó hành trình xả thực hiện công việc dọn dẹp của nó.
Nhiều hơn thế đã thay đổi trong hơn 120 năm. Để tăng hiệu quả, vật liệu mới đã được phát triển. Ví dụ, các pít-tông, vòng và van có trọng lượng nhẹ hơn, làm giảm ma sát và trọng lượng tổng thể của ô tô. Vận chuyển ít trọng lượng hơn sẽ tốn ít năng lượng hơn. Sử dụng động cơ cam kép, như Ford đã làm trong Fusion và các loại hybrid khác, giúp việc kiểm soát quá trình trở nên dễ dàng hơn.
Và một lần nữa, bạn đọc thông minh, bạn có thể nhận thấy rằng phiên bản hiện đại của động cơ này tạo ra ít công suất hơn, giống như phiên bản tiền nhiệm của nó. Quá đúng. Như Lee đã lưu ý, "Động cơ này sẽ gặp khó khăn trong một chiếc ô tô thông thường."
Nhưng bạn biết nơi nó không đấu tranh? Trong hệ thống truyền động hybrid.
Vì vậy, bạn đã có một động cơ thực sự hiệu quả, nhưng nó thiếu sức mạnh, đặc biệt là sự đa dạng về mô-men xoắn, loại sức mạnh mà chiếc xe kéo lửa có được. Tuy nhiên, nếu bạn là một kỹ sư hệ thống truyền động hybrid, bạn cũng có một động cơ điện luôn có tất cả mô-men xoắn, từ 0 vòng / phút. Vấn đề với động cơ điện là nó không duy trì tốc độ cao tốt, không tốt như động cơ xăng, với mã lực cao hơn. Phải làm gì, kỹ sư hệ thống truyền lực hybrid?
Chà, nếu bạn là Gilbert Portalatin, người tình cờ là kỹ sư hệ thống truyền động hybrid của Ford, hoặc bất kỳ kỹ sư nào khác tại hầu hết các công ty xe hơi khác đang chế tạo xe hybrid hoàn chỉnh, bạn sẽ kết hợp hai hệ thống này lại với nhau như sô cô la và bơ đậu phộng. Ở tốc độ thấp, mô-tơ điện khởi động theo mô-men xoắn của chúng và chuyển động xe về phía trước. Trừ khi bạn là một trong những người siêu cẩn thận nhấn ga nhẹ nhàng như thể một chú mèo con đang nấp bên dưới nó, động cơ xăng sẽ hoạt động khá nhanh, mặc dù động cơ điện đang hoạt động khá nhiều. Ở khoảng 40 dặm / giờ, động cơ chu trình Atkinson sẽ tiếp quản gần như hoàn toàn, với một chút hỗ trợ từ động cơ điện.
Miễn là bạn có loại kết hợp này, bạn có thể thiết kế động cơ chu trình Atkinson để kết hợp chính xác với động cơ điện để đạt hiệu quả tối ưu. Nếu bạn nhất quyết đi vào vòi phun lửa ở làn đường tiếp theo, bạn sẽ không bị bỏ lại hoàn toàn trong bụi. Lee tại Toyota cho biết:“Đập bàn đạp và bạn sẽ nhận được những gì bạn đang yêu cầu - tất cả các động cơ điện,” Lee tại Toyota cho biết.
Việc cân bằng tải trọng này là lý do tại sao một chiếc hybrid đầy đủ như Toyota Prius hoặc Ford Escape có được quãng đường di chuyển quanh thị trấn tốt hơn so với khi chạy trên đường cao tốc - hoàn toàn ngược lại với mọi phương tiện khác trên đường. Những người không có lửa trong số chúng tôi lái xe khá chậm quanh thị trấn. Chúng tôi bắt đầu và dừng lại rất nhiều, và chúng tôi không đạt được tốc độ 75 dặm / giờ, vì vậy động cơ điện sẽ gánh rất nhiều gánh nặng. Tuy nhiên, trên đường cao tốc, động cơ xăng hoạt động đơn lẻ khá nhiều.
Khó có ai vào năm 1887 có thể dự đoán được cuộc hôn nhân hạnh phúc giữa bơ đậu phộng và sô cô la giữa động cơ của Atkinson và động cơ điện - khi đó ô tô thậm chí còn không có mái che cố định.
Xuất bản lần đầu:Ngày 1 tháng 3 năm 2012
Thành thật mà nói, tôi thích viết những bài báo siêu công nghệ này. Tôi thích gọi cho các kỹ sư và yêu cầu họ giải thích cho tôi những điều mà tôi chưa bao giờ nghiên cứu. Tôi thậm chí còn khó hình dung ra những gì họ đang nói, vì vậy tôi bắt họ lặp lại sáu cách vào Chủ nhật để đảm bảo rằng tôi hiểu đúng trước khi viết bất cứ điều gì.
Lần này, tôi nhận được một phần thưởng cực kỳ thú vị:cuốn sách tô màu mọt sách! Được rồi, nó không thực sự là một cuốn sách tô màu, nhưng nếu bạn tra cứu bằng sáng chế của Atkinson bằng cách sử dụng tìm kiếm bằng sáng chế của Google (số 367.496, hãy nhớ) nó bao gồm các sơ đồ ban đầu của Atkinson. Tôi đã sử dụng tất cả tám thiết bị đánh dấu của mình và một số Sharpies màu để theo dõi xem van nào đã làm gì, và nơi không khí đi vào và ống xả sẽ ra ngoài. Sau đó, tôi mã hóa màu văn bản bằng sáng chế - mà tôi cũng đã in ra - để khi đọc, tôi có thể đối chiếu liên kết rung H trong phần mô tả với vị trí của nó trong động cơ.
Tôi không thể giới thiệu phương pháp học tập công nghệ đủ dùng trong sách tô màu. Tôi dự định sử dụng nó thường xuyên nhất có thể. Đứa con tám tuổi của tôi rất hạnh phúc.
Hiểu cách động cơ xe hoạt động
Cách hoạt động của hệ thống làm mát động cơ
Cách dầu hoạt động trong động cơ ô tô của bạn
Cách hoạt động của động cơ hai kỳ