Az Atkinson motor – Hogyan működik és miért ez a jövő technológiája a hibrid járművekben?

A modern autóiparban az üzemanyag-hatékonyság és a környezetvédelem központi kérdéssé vált. Miközben a teljesen elektromos járművek egyre nagyobb teret hódítanak, a hibrid technológia továbbra is kulcsfontosságú szerepet játszik az átmeneti időszakban, sőt, még hosszú távon is. Ezen a területen az egyik leginnovatívabb és legkevésbé ismert, de annál fontosabb technológia az Atkinson motor, amely alapjaiban különbözik a hagyományos belső égésű motorok működésétől, és kiemelkedő hatékonyságot kínál, különösen a hibrid járművekben.

A belső égésű motorok hatékonyságának növelése évtizedek óta a mérnökök egyik legfőbb kihívása. A hagyományos, négyütemű Otto-ciklusú motorok, bár rendkívül elterjedtek és megbízhatóak, termodinamikai szempontból korlátokkal rendelkeznek. Az üzemanyag energiájának jelentős része hő formájában vész el, mielőtt az mozgási energiává alakulna. Az Atkinson-ciklus éppen ezen a ponton nyújt alternatívát, egy olyan működési elvet kínálva, amely maximalizálja a tágulási ütemet, ezáltal több energiát von ki az égésből, és jelentősen növeli a motor üzemanyag-hatékonyságát.

James Atkinson, a brit mérnök már a 19. század végén, 1882-ben szabadalmaztatta az általa kifejlesztett motort, amely eltérő sűrítési és tágulási löketekkel működött. Az eredeti Atkinson motor meglehetősen összetett mechanizmussal rendelkezett, amely bonyolult hajtókar-rendszerrel érte el az aszimmetrikus löketeket. Bár az eredeti koncepció nem terjedt el széles körben a járműiparban a bonyolult felépítés és az alacsony fajlagos teljesítmény miatt, az alapelv, a hosszabb tágulási löket gondolata rendkívül előremutató volt, és a modern technológia, különösen a változó szelepvezérlés (VVT) megjelenésével újra reflektorfénybe került.

A hagyományos Otto-ciklus működése és korlátai

Ahhoz, hogy megértsük az Atkinson motor innovációját, először tekintsük át a hagyományos belső égésű motorok, vagyis az Otto-ciklusú motorok működési elvét. Ezek a motorok négy ütemben végzik a munkát, minden ütem egy-egy dugattyúmozgásnak felel meg a hengerben, miközben a főtengely két fordulatot tesz meg.

1. Szívás ütem (intake stroke): A dugattyú lefelé mozog, a szívószelep kinyit, és a hengerbe levegő-üzemanyag keverék áramlik.
2. Sűrítés ütem (compression stroke): A szívó- és kipufogószelepek zárva vannak, a dugattyú felfelé mozog, és összenyomja a hengerben lévő keveréket. Ez a sűrítés növeli a keverék hőmérsékletét és nyomását.
3. Égés és munka ütem (combustion and power stroke): A sűrítés végén a gyújtógyertya szikrát ad, begyújtva a keveréket. Az égés során felszabaduló hő drámaian megnöveli a nyomást, ami lefelé tolja a dugattyút, és ez a mozgás szolgáltatja a motor által leadott munkát.
4. Kipufogás ütem (exhaust stroke): A kipufogószelep kinyit, a dugattyú felfelé mozogva kiszorítja az égéstermékeket a hengerből.

Az Otto-ciklusú motorok hatékonyságát számos tényező korlátozza. Az egyik legfontosabb a termodinamikai hatásfok, amelyet befolyásol a sűrítési arány. Minél nagyobb a sűrítési arány, annál hatékonyabb a motor, de ennek vannak fizikai korlátai, mint például a kopogásos égés (detonáció) kockázata, különösen benzinmotoroknál. A sűrítés és a tágulás hossza ebben a ciklusban azonos, ami azt jelenti, hogy a sűrítési arány és a tágulási arány megegyezik. Ez a szimmetria egyben korlátot is jelent az égésből származó energia teljes kihasználásában.

„A hagyományos Otto-ciklusú motorokban a sűrítés és a tágulás szimmetrikus jellege korlátozza az égésből származó energia teljes kihasználását, ami jelentős hőveszteséghez vezet.”

További veszteségek keletkeznek a pumping losses (szívási és kipufogási ellenállásból adódó veszteségek) és a súrlódás miatt. Az Otto-motorok kialakítása kompromisszumot jelent a teljesítmény és a hatékonyság között. Míg képesek nagy teljesítményt leadni, különösen magas fordulatszámon, addig a részterheléses üzemben, ami a városi közlekedés nagy részét teszi ki, a hatásfokuk jelentősen csökken.

Az Atkinson-ciklus alapjai: A munkavégzés maximalizálása

Az Atkinson-ciklus alapvető paradigmaváltást hoz a belső égésű motorok működésében. A kulcs abban rejlik, hogy a motor effektív tágulási aránya nagyobb, mint az effektív sűrítési aránya. Ez azt jelenti, hogy az égés során keletkező forró gázok tovább tágulhatnak a hengerben, mint amennyire eredetileg összenyomták őket. Ennek eredményeként több energiát lehet kivonni a gázokból, mielőtt azok a kipufogórendszerbe kerülnének, ami magasabb termodinamikai hatásfokot eredményez.

Az eredeti Atkinson motor bonyolult mechanikus megoldásokkal érte el ezt az aszimmetriát. A modern Atkinson motorok azonban, amelyek a hibrid járművekben találhatók, nem az eredeti, mechanikus Atkinson-ciklust használják, hanem egy úgynevezett módosított Atkinson-ciklust, amelyet gyakran Miller-ciklusnak is neveznek, bár a két fogalom között vannak finom különbségek. A lényeges elv azonban ugyanaz: a hatékony sűrítési löket rövidítése a tágulási löket hossza mellett.

Ezt a modern motorokban a változó szelepvezérlés (VVT) technológiájával érik el, különösen a szívószelep vezérlésével. A szívószelep a sűrítési ütem elején tovább nyitva marad, mint egy hagyományos motorban. Amikor a dugattyú elkezd felfelé mozogni a sűrítési ütemben, a szívószelep még nyitva van, így a levegő-üzemanyag keverék egy része visszatolódik a szívócsőbe. Ezáltal a hengerben lévő gázmennyiség, amelyet ténylegesen sűrítenek, kisebb lesz, mint a henger geometriai térfogata. Ez csökkenti az effektív sűrítési arányt.

Amikor a szívószelep végül bezáródik, a tényleges sűrítés megkezdődik. Az égés és a tágulás üteme azonban a henger teljes geometriai térfogatán megy végbe. Így a motor egy hosszú tágulási ütemet valósít meg egy rövidebb effektív sűrítési ütemhez képest. Ez a kulcs a magasabb termodinamikai hatásfokhoz, mivel a gázok tovább tágulva több munkát végeznek, mielőtt kiengednék őket a kipufogórendszerbe. A kipufogógázok hőmérséklete is alacsonyabb lesz, ami szintén azt jelzi, hogy több energia alakult át hasznos munkává.

A módosított Atkinson-ciklus: VVT és a modern megvalósítások

A modern autóiparban alkalmazott Atkinson-ciklusú motorok szinte kivétel nélkül a módosított Atkinson-ciklust használják, amely a Miller-ciklussal rokon. A fő különbség az eredeti Atkinson-ciklushoz képest az, hogy nem bonyolult mechanikus összekötő rudak vagy hajtókarok módosítják a löketeket, hanem a szelepvezérlés finomhangolásával érik el az aszimmetriát. Ennek az alapja a változó szelepvezérlési (VVT) technológia, amely lehetővé teszi a szívó- és/vagy kipufogószelepek nyitási és zárási idejének, valamint néha a szelepemelés mértékének folyamatos szabályozását.

A leggyakoribb megvalósítás az úgynevezett késleltetett szívószelep-zárás (Late Intake Valve Closing – LIVC). Ez azt jelenti, hogy a szívószelep nem záródik be abban a pillanatban, amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontot, és elkezdi a felfelé irányuló mozgását a sűrítési ütemben. Ehelyett a szívószelep még egy rövid ideig nyitva marad, miközben a dugattyú már felfelé mozog. Ez a késleltetett zárás azt eredményezi, hogy a hengerbe beszívott levegő-üzemanyag keverék egy része visszatolódik a szívócsőbe. Ezáltal a valós, effektív sűrítési térfogat kisebb lesz, mint a henger geometriai térfogata.

Például, egy motor, amelynek geometriai sűrítési aránya 13:1, a késleltetett szívószelep-zárás miatt valójában csak egy 9:1 vagy 10:1 effektív sűrítési arányt valósít meg. Azonban az égés utáni tágulás a henger teljes térfogatán megy végbe, így a tágulási arány továbbra is 13:1 marad. Ez a diszkrepancia a sűrítési és tágulási arányok között a kulcsa a magasabb termodinamikai hatásfoknak. A motor lényegében “túl tágul” az effektív sűrítéshez képest.

A VVT rendszerek, mint például a Toyota VVT-i, a Honda i-VTEC vagy a Ford Ti-VCT, hidraulikus vagy elektromos működtetésű aktuátorokat használnak a vezérműtengely szögének eltolására. Ez lehetővé teszi a szelepnyitási idők precíz beállítását a motor fordulatszámától és terhelésétől függően. Így a motorvezérlő egység (ECU) dinamikusan tud váltani az Atkinson-ciklusú működés és egy hagyományosabb Otto-ciklusú működés között, optimalizálva a hatékonyságot vagy a teljesítményt a pillanatnyi igényeknek megfelelően.

A modern Atkinson motorok gyakran magasabb geometriai sűrítési arányokkal rendelkeznek, mint a hagyományos Otto motorok. Ez azért lehetséges, mert az effektív sűrítés alacsonyabb, ami csökkenti a detonáció kockázatát. A magasabb geometriai sűrítési arány hozzájárul a termodinamikai hatásfok növeléséhez a tágulási fázisban. Ezen motorok tervezésekor a mérnökök számos más technológiát is alkalmaznak, mint például a közvetlen üzemanyag-befecskendezést (GDI) és az exhaust gas recirculation (EGR) rendszereket, amelyek tovább növelik a hatékonyságot és csökkentik a károsanyag-kibocsátást.

Miért hatékonyabb az Atkinson motor? A termodinamikai előnyök

Az Atkinson motor hatékonyságának alapja a termodinamika. A belső égésű motorok működése során az üzemanyag égése hőt szabadít fel, ami növeli a gázok nyomását a hengerben. Ez a nyomás tolja meg a dugattyút, munkát végezve. A termodinamika második törvénye szerint azonban egyetlen hőerőgép sem képes a befektetett hőenergia 100%-át mechanikai munkává alakítani; mindig lesz hőveszteség.

Az Atkinson-ciklus a Carnot-ciklushoz, az elméletileg leghatékonyabb hőerőgép-ciklushoz igyekszik közelebb kerülni. A Carnot-ciklus hatásfokát a hideg és meleg hőforrás közötti hőmérsékletkülönbség határozza meg. Az Atkinson motor ezt úgy közelíti meg, hogy a forró égéstermékeket a lehető leghosszabb ideig tágítja a hengerben, mielőtt kiengedné őket.

A legfontosabb termodinamikai előnyök:

1. Magasabb termikus hatásfok: A késleltetett szívószelep-zárás miatt az effektív sűrítési arány alacsonyabb, mint a tágulási arány. Ez lehetővé teszi, hogy az égésből származó forró gázok tovább táguljanak, mielőtt a kipufogószelep kinyitna. Minél tovább tágulnak a gázok, annál több energiát adnak át a dugattyúnak, és annál alacsonyabb lesz a hőmérsékletük, amikor elhagyják a hengert. Ez azt jelenti, hogy kevesebb hőenergia vész el a kipufogógázokkal, és több alakul át hasznos mechanikai munkává. Ezt gyakran úgy is mondják, hogy a motor “túl tágul” a sűrítéshez képest, maximalizálva az égésből kinyerhető energiát.
2. Csökkentett pumping losses (szívási veszteségek): Mivel a szívószelep tovább nyitva marad, a dugattyú a sűrítési ütem elején egy kisebb ellenállással találkozik. Ezenkívül a késleltetett szelepzárás miatt a hengerbe beszívott levegő mennyisége alacsonyabb lesz, mint a henger geometriai térfogata, ami alacsonyabb nyomást eredményezhet a szívócsőben, csökkentve a motor által a levegő beszívásához szükséges munkát. Ez különösen előnyös részterheléses üzemben, ahol a hagyományos motorok fojtószelepe jelentős szívási veszteségeket okoz. Az Atkinson motoroknál a fojtószelep nyitva tartható, vagy csak minimálisan kell zárni, ami csökkenti a szívási ellenállást.
3. Alacsonyabb égési hőmérséklet és nyomás: Bár az effektív sűrítés alacsonyabb, a magasabb geometriai sűrítési arány és a késleltetett szelepzárás kombinációja optimalizálja az égést. A gázok tágulása során a hőmérséklet és a nyomás gyorsabban csökken a hengerben, mint egy Otto-ciklusú motornál. Ez nemcsak a hatásfokot növeli, hanem csökkenti a nitrogén-oxidok (NOx) képződését is, mivel ezek a káros anyagok magas hőmérsékleten és nyomáson keletkeznek.

Ezek a termodinamikai előnyök együttesen biztosítják, hogy az Atkinson motorok lényegesen üzemanyag-hatékonyabbak legyenek, különösen olyan üzemállapotokban, ahol a motor nem maximális teljesítményen üzemel – ami a hibrid járművek esetében jellemző. A motor képes a legtöbb energiát kinyerni az üzemanyagból, mielőtt a kipufogógázok távoznának, így minimalizálva a pazarlást.

Az Atkinson motorok főbb jellemzői és előnyei

Az Atkinson motor, különösen a modern, módosított változata, számos vonzó tulajdonsággal rendelkezik, amelyek ideálissá teszik bizonyos alkalmazásokhoz, különösen a hibrid hajtásláncokhoz. Ezek a jellemzők egyenesen következnek a motor egyedi működési elvéből és termodinamikai előnyeiből.

Kiemelkedő üzemanyag-hatékonyság

Ez az Atkinson motor legfőbb és legismertebb előnye. A hosszabb tágulási ütem és a csökkentett pumping losses révén az üzemanyag energiájának nagyobb részét alakítja át hasznos munkává. Ez közvetlenül alacsonyabb üzemanyag-fogyasztást és ezáltal alacsonyabb üzemeltetési költségeket eredményez. A hibrid rendszerekben ez a hatékonyság még jobban érvényesül, mivel a motor gyakran a legoptimálisabb fordulatszám- és terhelési tartományban működtethető.

Alacsonyabb károsanyag-kibocsátás

A jobb termikus hatásfok és az alacsonyabb kipufogógáz-hőmérséklet hozzájárul a károsanyag-kibocsátás csökkentéséhez. Az alacsonyabb égési hőmérséklet csökkenti a nitrogén-oxidok (NOx) képződését, amelyek az egyik legfőbb légszennyező anyagok. A hatékonyabb égés kevesebb elégetlen szénhidrogént és szén-monoxidot is eredményez. Ezáltal az Atkinson motorok kiválóan alkalmasak a szigorodó környezetvédelmi előírások teljesítésére, és hozzájárulnak a tisztább levegőhöz.

Csendesebb működés és simább járás

Az Atkinson motorok jellemzően alacsonyabb csúcsnyomáson működnek a hengerekben a késleltetett sűrítés miatt. Ez csökkenti a motor belső terhelését és zajszintjét. A hibrid rendszerekben, ahol az elektromos motor gyakran átveszi a kezdeti gyorsítás feladatát, az Atkinson motorok jellemzően egyenletesebb, alacsonyabb fordulatszámon működnek, ami tovább javítja a vezetési komfortot és a csendesebb utazási élményt.

Potenciálisan hosszabb élettartam

Mivel az Atkinson motorok alacsonyabb belső nyomáson működnek, és gyakran a hibrid rendszerek részeként nem érik el a maximális fordulatszámot vagy terhelést olyan gyakran, mint a hagyományos motorok, ez elméletileg hozzájárulhat a motor alkatrészeinek hosszabb élettartamához. Kevesebb kopás, kevesebb mechanikai stressz. Természetesen a motor kialakítása és az anyagminőség is kulcsfontosságú, de az üzemmód jellege kedvező lehet a tartósság szempontjából.

Optimalizált működés részterhelésen

A hagyományos Otto motorok hatásfoka drasztikusan csökken részterhelésen, ami a városi és elővárosi közlekedés nagy részét teszi ki. Az Atkinson motor éppen ezekben az üzemállapotokban mutatja meg igazi erejét, ahol a fojtószelep minimális zárása és a késleltetett szívószelep-zárás révén a pumping losses jelentősen csökkennek. A hibrid rendszerek lehetővé teszik, hogy a belső égésű motor a legtöbb időt ezen a hatékony részterheléses tartományban töltse, miközben az elektromos motor gondoskodik a csúcsteljesítményről.

Ezek az előnyök teszik az Atkinson motort kiváló választássá a hibrid és plug-in hibrid járművek számára, ahol a maximális üzemanyag-takarékosság és az alacsony károsanyag-kibocsátás a fő cél, anélkül, hogy a vezetési élmény jelentősen romlana.

Az Atkinson motorok hátrányai és kihívásai

Bár az Atkinson motor számos előnnyel rendelkezik a hatékonyság és a környezetvédelem terén, nem tökéletes, és vannak bizonyos hátrányai, amelyek miatt önállóan, hagyományos járművekben ritkábban alkalmazzák. Ezek a hátrányok azonban, mint látni fogjuk, kiválóan kompenzálhatók a hibrid hajtásláncok keretein belül.

Alacsonyabb fajlagos teljesítmény

Az Atkinson motorok egyik legjelentősebb hátránya az alacsonyabb fajlagos teljesítmény, vagyis egy adott lökettérfogatú motor kevesebb lóerőt és nyomatékot ad le, mint egy hasonló méretű Otto-ciklusú motor. Ez a késleltetett szívószelep-zárás következménye, ami csökkenti a hengerbe ténylegesen beszívott levegő-üzemanyag keverék mennyiségét. Kevesebb keverék azt jelenti, hogy kevesebb üzemanyag ég el egy ciklusban, ami alacsonyabb maximális teljesítményhez vezet.

„Az Atkinson motorok fő kompromisszuma a hatékonyságért cserébe az alacsonyabb fajlagos teljesítmény, ami önmagában korlátozná alkalmazásukat a nagy teljesítményt igénylő járművekben.”

Nyomatékhiány alacsony fordulatszámon

A fenti ponttal összefüggésben az Atkinson motorok jellemzően gyengébb nyomatékot produkálnak alacsony fordulatszámon. Ez azt jelenti, hogy egy álló helyzetből való gyorsítás vagy egy emelkedőn való elindulás nehézkesebb lenne egy kizárólag Atkinson motorral szerelt jármű számára, ha nem kapna segítséget. Ez a tulajdonság teszi őket kevésbé alkalmassá sportautókba vagy nehéz teherautókba, ahol a nyers erő és a gyors reakció elengedhetetlen.

Komplexebb vezérlés és alkatrészek

A változó szelepvezérlési (VVT) rendszerek, amelyek elengedhetetlenek a módosított Atkinson-ciklus megvalósításához, bonyolultabbá teszik a motor felépítését és vezérlését. Ezek a rendszerek hidraulikus vagy elektromos aktuátorokat, precíziós szenzorokat és kifinomult motorvezérlő egységeket (ECU) igényelnek. Ez növeli a gyártási költségeket és a potenciális hibalehetőségek számát, bár a modern technológia megbízhatóvá tette ezeket a rendszereket.

Magasabb gyártási költség

A komplexebb szelepvezérlési rendszerek és a speciális kialakítás miatt az Atkinson motorok gyártása általában drágább lehet, mint egy hasonló lökettérfogatú, egyszerűbb Otto motoré. Ez a költségtényező is hozzájárul ahhoz, hogy elsősorban olyan prémium kategóriás vagy speciális járművekben, mint a hibridek, alkalmazzák őket, ahol a magasabb hatásfok és az alacsonyabb üzemeltetési költségek hosszú távon megtérítik a kezdeti beruházást.

Zajszint és vibráció bizonyos üzemállapotokban

Bár alapvetően csendesebbek lehetnek, bizonyos üzemállapotokban, különösen hirtelen terhelésváltáskor vagy hidegindításkor, az Atkinson motorok hangja és vibrációja eltérhet a megszokottól. A motorvezérlésnek és a hibrid rendszernek kifinomultan kell kezelnie ezeket a helyzeteket a sima átmenetek biztosítása érdekében.

Ezek a hátrányok önmagukban jelentősek lennének, de a hibrid hajtásláncokba integrálva az elektromos motor képes tökéletesen kompenzálni őket, így az Atkinson motor előnyei maximálisan kihasználhatók, miközben a gyengeségei rejtve maradnak a felhasználó előtt.

Hogyan kompenzálják a hátrányokat a hibrid rendszerekben?

Az Atkinson motor hátrányai – különösen az alacsonyabb fajlagos teljesítmény és a gyenge nyomaték alacsony fordulatszámon – önmagukban gátat szabnának széles körű elterjedésének. Azonban a hibrid járművek hajtásláncába integrálva ezek a gyengeségek szinte teljesen eltűnnek, és az Atkinson motor hatékonysági előnyei maximálisan érvényesülhetnek. Ez a szinergia teszi az Atkinson motort a hibrid technológia jövőjévé.

Az elektromos motor kompenzálja a nyomatékhiányt

Ez az Atkinson motor és a hibrid rendszer közötti együttműködés legfontosabb aspektusa. Az elektromos motorok azonnali, teljes nyomatékot biztosítanak már álló helyzetből is. Amikor a vezető gyorsítani szeretne, vagy egy emelkedőn indulna el, az elektromos motor azonnal bekapcsolódik, és biztosítja a szükséges húzóerőt. Ezáltal az Atkinson motor a számára optimális, magasabb fordulatszámon kezdhet el dolgozni, ahol már hatékonyabban tudja leadni a teljesítményét. A hibrid rendszer zökkenőmentesen vált az elektromos és a belső égésű hajtás között, vagy épp kombinálja őket, így a vezető nem érzékel semmilyen “lyukat” a teljesítményben.

Optimalizált működési tartomány

A hibrid rendszerek lehetővé teszik, hogy az Atkinson motor a legtöbb időt a számára leginkább üzemanyag-hatékony fordulatszám- és terhelési tartományban töltse. Mivel az elektromos motor képes átvenni a nagy teljesítményigényű szakaszokat (gyorsítás, emelkedők), a belső égésű motor működhet állandó, viszonylag alacsony fordulatszámon, ami maximalizálja az Atkinson-ciklus hatékonyságát. Ezenkívül a hibridek képesek leállítani az Atkinson motort, amikor nincs rá szükség (pl. dugóban, guruláskor, alacsony sebességű elektromos hajtásnál), ezzel is csökkentve az üzemanyag-fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást.

Generátorként való működés

Sok hibrid rendszerben, különösen a soros-párhuzamos (power-split) konfigurációkban (mint például a Toyota HSD), az Atkinson motor jelentős részben generátorként is működik. Ilyenkor a motor a legoptimálisabb fordulatszámon üzemel, elektromos energiát termelve, ami a hibrid akkumulátorba kerül, vagy közvetlenül az elektromos motorokhoz jut. Ez a “generátoros” üzemmód kiemelkedően hatékony, mivel a motor egy szűk, optimalizált tartományban működhet, függetlenül a jármű sebességétől vagy a pillanatnyi teljesítményigénytől.

Regeneratív fékezés és energiavisszanyerés

Bár ez nem közvetlenül az Atkinson motor hátrányainak kompenzálása, a regeneratív fékezés egy másik kulcsfontosságú eleme a hibrid rendszereknek, amely tovább növeli az összhajtáslánc hatékonyságát. A fékezés során keletkező mozgási energia nem hővé alakul a fékekben, hanem elektromos energiaként visszatöltődik az akkumulátorba. Ez az energia később felhasználható az elektromos motor meghajtására, tovább csökkentve az Atkinson motorra háruló terhelést és az üzemanyag-fogyasztást.

Az Atkinson motor és a hibrid rendszer közötti szinergia olyan erős, hogy a két technológia szinte elválaszthatatlanul összefonódott. Az Atkinson motor biztosítja a kiemelkedő üzemanyag-hatékonyságot, az elektromos rendszer pedig kiküszöböli a motor gyengeségeit, miközben további hatékonysági előnyöket nyújt. Ez a kombináció teszi a hibrid járműveket vonzó és fenntartható opcióvá a modern autópiacon.

Az Atkinson motorok szerepe a különböző hibrid rendszerekben

Az Atkinson motor sokoldalúsága és kiemelkedő hatékonysága miatt különböző típusú hibrid hajtásláncokban is alkalmazható, bár a leginkább optimális alkalmazási területe a soros-párhuzamos hibridekben van. Tekintsük át, hogyan illeszkedik az Atkinson-ciklus az egyes hibrid architektúrákba.

Párhuzamos hibridek (Parallel Hybrids)

A párhuzamos hibridekben mind a belső égésű motor, mind az elektromos motor képes közvetlenül hajtani a kerekeket, és gyakran egyszerre is működhetnek. A belső égésű motor és az elektromos motor általában egy tengelyen helyezkedik el, vagy egy speciális kuplungrendszerrel kapcsolódik egymáshoz. Itt az Atkinson motor a hatékonyságra fókuszál. Az elektromos motor nyújtja a kiegészítő nyomatékot és teljesítményt gyorsításkor vagy alacsony sebességnél, lehetővé téve, hogy az Atkinson motor a legtöbb időt a legoptimálisabb, üzemanyag-takarékos tartományban töltse. Jó példa erre néhány korábbi Honda hibrid modell (pl. Insight, Civic Hybrid) vagy a Hyundai/Kia egyes párhuzamos hibridjei.

Soros hibridek (Series Hybrids)

A soros hibridekben a belső égésű motor kizárólag generátorként működik, elektromos energiát termelva az akkumulátor töltésére vagy közvetlenül az elektromos motor(ok) meghajtására, amelyek a kerekeket hajtják. Nincs közvetlen mechanikai kapcsolat a belső égésű motor és a kerekek között. Ebben az elrendezésben az Atkinson motor ideális, mivel állandó, optimális fordulatszámon üzemeltethető, maximalizálva a generátoros üzem hatékonyságát. A motor fordulatszáma független a jármű sebességétől, ami lehetővé teszi, hogy szinte mindig a legmagasabb hatásfokú pontján működjön. Ez a konfiguráció gyakori a hatótávnövelt elektromos járművekben (Range-Extended Electric Vehicles – REEV), mint például a BMW i3 Range Extender változata.

Soros-párhuzamos hibridek (Power-Split Hybrids)

Ez a típus, amelyet a Toyota HSD (Hybrid Synergy Drive) rendszere tett világszerte ismertté, a legelterjedtebb és talán a leghatékonyabb módja az Atkinson motor kihasználásának. Egy bolygóműves sebességváltó segítségével a belső égésű motor, két elektromos motor/generátor és a kerekek közötti teljesítményáramlás rendkívül rugalmasan szabályozható. Az Atkinson motor itt generátorként és közvetlen meghajtóként is működhet. A rendszer képes:

• Tisztán elektromos hajtásra alacsony sebességnél.
• Kizárólag az Atkinson motorral hajtani egyenletes sebességnél.
• Az Atkinson motorral és az elektromos motorokkal együttesen hajtani teljes terhelésnél.
• Az Atkinson motorral tölteni az akkumulátort, miközben az elektromos motorok hajtják a kerekeket.

Ez a rugalmasság lehetővé teszi, hogy az Atkinson motor szinte mindig a legoptimálisabb, leginkább üzemanyag-takarékos tartományban működjön, miközben az elektromos motorok azonnali nyomatéka sima és erőteljes gyorsulást biztosít. A Toyota Prius, RAV4 Hybrid, Camry Hybrid és Lexus hibrid modellek mind ezt a technológiát alkalmazzák, bizonyítva annak megbízhatóságát és hatékonyságát.

A táblázat összefoglalja az Atkinson motor szerepét a különböző hibrid rendszerekben:

Ez a sokoldalúság és a hibrid rendszerekkel való tökéletes szinergia teszi az Atkinson motort a hibrid járművek motorjainak sztenderdjévé, és garantálja, hogy a technológia még hosszú ideig releváns marad az autóiparban.

Esettanulmány: A Toyota hibrid hajtáslánca és az Atkinson motor

Amikor az Atkinson motorról és a hibrid technológiáról beszélünk, elkerülhetetlen, hogy a Toyota nevét említsük. A japán autógyártó volt az, aki először tette globálisan sikeressé a hibrid járműveket, és a Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD) rendszere szinte egyet jelent az Atkinson-ciklusú motorok széles körű alkalmazásával. A Toyota már a legelső Prius modell bemutatása óta, 1997-től kezdve támaszkodik az Atkinson motorokra, és azóta is kitartóan fejleszti és alkalmazza ezt a technológiát szinte minden hibrid modelljében.

A Toyota HSD rendszer, mint már említettük, egy soros-párhuzamos hibrid architektúra, amely egy bolygóműves sebességváltó (power-split device) segítségével osztja meg a teljesítményt a belső égésű motor, két elektromos motor/generátor (MG1 és MG2) és a kerekek között. Ennek a rendszernek a szíve az Atkinson-ciklusú benzinmotor.

Miért választotta a Toyota az Atkinson motort?

A Toyota mérnökei felismerték, hogy a hibrid rendszerben a belső égésű motornak nem kell azonnal nagy nyomatékot és teljesítményt leadnia. Ezt a feladatot az elektromos motorok tökéletesen el tudják látni. Ehelyett a belső égésű motor fő feladata az, hogy a lehető legmagasabb hatásfokkal működjön, akár a jármű közvetlen meghajtásával, akár az akkumulátor töltésével. Az Atkinson motor kiválóan alkalmas erre a célra, mivel a legmagasabb termikus hatásfokot kínálja a részterheléses és egyenletes sebességű üzemmódokban.

A Toyota Atkinson motorjai jellemzően magas geometriai sűrítési aránnyal (pl. 13:1 vagy akár 14:1) rendelkeznek, de a VVT-i (Variable Valve Timing – intelligent) rendszer segítségével a szívószelep késleltetett zárásával az effektív sűrítési arány alacsonyabb (pl. 9:1 vagy 10:1). Ez maximalizálja az égésből kinyerhető energiát, miközben minimalizálja a kopogásos égés kockázatát.

Kulcsfontosságú Toyota modellek és az Atkinson motor

• Toyota Prius: A hibrid forradalom úttörője. Az első generáció óta minden Prius modellt Atkinson motorral szerelnek. A 1,5 literes, majd a 1,8 literes, később pedig a 2,0 literes motorok mind ezt az elvet követik, biztosítva a legendás üzemanyag-hatékonyságot.
• Toyota RAV4 Hybrid: A népszerű SUV modell hibrid változata is Atkinson motorral (2,5 literes) működik, amely kiváló kombinációját nyújtja a teljesítménynek és a takarékosságnak egy nagyobb járműben.
• Toyota Camry Hybrid: A középkategóriás szedán hibrid változata szintén 2,5 literes Atkinson motorral rendelkezik, amely sima és csendes működést biztosít.
• Lexus hibridek: A Toyota prémium márkája, a Lexus is széles körben alkalmazza az Atkinson motorokat (pl. RX 450h, ES 300h) a HSD rendszer részeként, kiemelkedő luxus és hatékonyság kombinációját kínálva.

A Toyota hosszú távú elkötelezettsége az Atkinson motor iránt nemcsak a hatékonyságot, hanem a megbízhatóságot és a tartósságot is bizonyítja. Évtizedek alatt több tízmillió hibrid járművet adtak el világszerte, amelyekben az Atkinson motorok kulcsszerepet játszanak. Ez a siker tette az Atkinson-ciklusú motort az ipari sztenderddé a hibrid járművekben.

A Toyota példája megmutatja, hogy a megfelelő mérnöki megközelítéssel és a kiegészítő technológiákkal (mint az elektromos motorok) az Atkinson motor hátrányai kiküszöbölhetők, és annak előnyei maximálisan kihasználhatók. Ez a stratégia tette a Toyotát piacvezetővé a hibrid technológia területén, és mutatja, miért ez a jövő technológiája a hibrid járművekben.

Más gyártók és az Atkinson/Miller-ciklus

Bár a Toyota a legismertebb és legelkötelezettebb híve az Atkinson motornak a hibrid hajtásláncokban, számos más autógyártó is felismerte ennek a ciklusnak az előnyeit, és alkalmazza saját hibrid modelljeiben. Gyakran nem használják explicit módon az “Atkinson” elnevezést, inkább a rokon Miller-ciklusra hivatkoznak, vagy egyszerűen “optimalizált” vagy “hatékony” belső égésű motorok