Wie eine Atkinson Cycle Engine funktioniert

Der 2012 Toyota Prius C Hybrid wird während einer Pressevorschau auf der North American International Auto Show im COBO Center am 10. Januar 2012 in Detroit, Michigan, vorgestellt. Bill Pugliano / Getty Images

Über hundert Jahre lang wurden Motoren größer, schneller und gemeiner, mit mehr Leistung und Drehmoment. Auspuff rülpste aus den Auspuffrohren wie ein Drache, der aus seinem Schlaf erwacht war und potenzielle Diebe seines Schatzes anbrüllte. Zumindest möchte der Typ mit den breiten Reifen und dem Airbrush-Flammenjob, dass Sie darüber nachdenken.

Dann kam das zwanzigste Jahrhundert, als wir feststellten, dass feuerspeiende Motoren mehr als Rotlicht-Drag-Racing-Gegner töteten. Es stellte sich heraus, dass all das Aufstoßen das Klima veränderte und bösen Smog verursachte. Zu viele Drachen machten den Planeten eher wie Mordor als wie das Auenland.

Wer kann uns vor diesen auspuffenden Drachen retten? Wer kann mit seinem Schwert aus Wissenschaft und Technik ihre gasfressenden Wege zähmen? Wer trägt den einen wahren Ring der Kraftstoffeffizienz? Ein Mann: James Atkinson aus Hampstead, Middlesex, England. Ebenfalls von 1887.

Das ist richtig - die neueste umweltfreundliche Motorentechnologie stammt aus den Anfängen des Automobilzeitalters. Der Atkinson-Fahrradmotor wurde 1887 in den USA patentiert (Atkinson meldete einige Jahre zuvor britische und europäische Patente an). Aber die ungleichmäßigen Hubbewegungen des Kolbens in seinem benzinbetriebenen Verbrennungsmotor passen ziemlich gut zu unseren modernen Hybridsystemen.

Der Atkinson-Zyklusmotor, der heutzutage in so vielen Hybriden verwendet wird, arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Original - mit dem offensichtlichen Vorteil eines Jahrhunderts technologischer Fortschritte. Aber um zu verstehen, wo wir heute sind, müssen wir zuerst wissen, wo wir waren. Stellen Sie Ihre Zeitmaschine auf 1887 ein!

Inhalt

1. Die ursprüngliche Atkinson Cycle Engine
2. Die moderne Atkinson Cycle Engine
3. Der Atkinson Cycle und Hybrid Cars
4. Anmerkung des Verfassers

Atkinsons US-Patent (Nummer 367.496, für uns patentanbetende Nerds) ist ziemlich einfach: ungefähr tausend Wörter Text und ein paar hilfreiche Diagramme. Oder Sie können einfach diese Erklärung lesen, die weitaus witziger ist als jedes Patent.

Der heutzutage am häufigsten verwendete Verbrennungsmotor ist ein Viertakt-Ottomotor, bei dem ein Kolben in einem Zylinder auf und ab geht und ein Funke ein Gemisch aus Gas und Luft entzündet. Gleiches gilt für einen Atkinson-Zyklusmotor. Hier eine kurze Auffrischung des Prozesses:

Ansaughub: Saugt Luft und Kraftstoff in den Zylinder

Kompressionshub: Quetscht die Mischung so, dass sie explodiert, wenn der Funke ausgeht - große Zeit

Kraft- oder Expansionshub: Verwendet die durch die Explosion erzeugte Kraft, um den Kolben den Zylinder hinunter zu bewegen

Auspuffhub: Schiebt die fiesen Reste des Verbrennungsprozesses aus dem Zylinder

Bei einem Ottomotor erfolgt dies in zwei Umdrehungen der Kurbelwelle: Einlass / Zündung, dann Leistung / Auslass. Beim ursprünglichen Atkinson-Motor fügte der Erfinder einige Gestänge hinzu, so dass alle vier Hübe mit einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle ausgeführt werden konnten.

Das allein würde den Wirkungsgrad verbessern, aber Atkinson hatte eine andere Erkenntnis: Wenn die Kompression im Zylinder verringert würde und der Arbeitstakt länger als der Ansaugtakt wäre, würde der Motor effizienter arbeiten. Das Drehen des Motors, der die Räder dreht und das Auto zum Laufen bringt, würde weniger Kraftstoff benötigen.

Stellen Sie sich, wenn Sie so wollen, Zylinder und Kolben vor. Beim Ansaugtakt bewegt sich der Kolben nicht ganz den Zylinder hinunter. Das Einlassventil, bei dem Luft und Kraftstoff in den Zylinder gelangen, lässt nicht so viel Gemisch in den Zylinder. Weniger Mischung erfordert weniger Kompression. Der Kolben bewegt sich für den Kompressionshub wieder nach oben und oben wird das Gemisch gezündet. Boom! Die Kraft schickt den Kolben im Arbeitstakt zurück auf die Welle des Zylinders, diesmal ganz nach unten, um die letzte Kraft zu nutzen, die durch die Verbrennung erzeugt wird. Dann bewegt sich der Kolben wieder nach oben, um den Müll für den Auspuffhub herauszuholen. Ta da! Vier Schläge, weniger Kraftstoff!

Natürlich haben Sie als kluger Leser wahrscheinlich erkannt, dass weniger Kraftstoff und weniger Kompression weniger Leistung bedeuten. Du hast Recht. Obwohl der Kolben beim Arbeitstakt weiter nach unten fahren darf als beim Ansaugtakt, erzeugt er nicht so viel Leistung wie bei einem Motor mit höherer Kompression und einem fetteren Gasgemisch.

Die andere Herausforderung bei diesem Motor besteht darin, dass viele zusätzliche Teile erforderlich sind, was die Montage schwierig macht, ganz zu schweigen von den hohen Kosten. Der arme Atkinson musste all diese Effizienz mit Federn und vibrierenden Gliedern und einem glühenden Zündrohr erreichen, was nach einem hervorragenden Namen für eine Band klingt. Moderne Ingenieure haben es viel leichter.

Ford stellte sein Fusion-Hybridauto mit 700 Stadtmeilen pro Tank auf der Los Angeles Auto Show am 19. November 2008 in Los Angeles, Kalifornien, vor. David McNew / Getty Images

Puristen werden den Atkinson-Zyklusmotor von heute puh-puh, ohne dass eine vibrierende Verbindung in Sicht ist. Wenn Sie einen modernen Atkinson-Motor neben einen modernen Otto-Motor stellen, können Sie keinen Unterschied feststellen. "Es gibt nichts im [Prius] -Motor, was nicht im normalen Motor ist", so David Lee von der University of Toyota. (Es ist keine Universität, die Sie besuchen können, es sei denn, Sie sind ein Toyota-Mitarbeiter, der über die neuesten und besten Produkteinführungen bei den Händlern informiert sein muss. Entschuldigung.)

Was Atkinson mit der Platzierung der Kurbelwelle erreichen musste, können wir jetzt mit variabler Ventilsteuerung erreichen, eine weitaus billigere und einfachere Lösung. Denken Sie daran, dass in Atkinsons Original die Einlassventile vorzeitig schließen würden, um einen Teil des Luft-Kraftstoff-Gemisches fernzuhalten. Heutzutage wird das Einlassventil etwas zu lange offen gehalten, so dass ein Teil des Gas-Luft-Gemisches entweichen kann, wenn sich der Kolben für den Kompressionshub nach oben bewegt. Jede Methode hat das gleiche Ziel: Das Komprimierungsverhältnis ist niedriger. Im Ingenieurwesen ist die moderne Methode als "livic" bekannt - spätes Schließen des Einlassventils. Dann macht die Zündkerze ihre Sache - Funkenbildung - und der Kolben nutzt die Verbrennung mit einem vollen Krafthub im Zylinder. Und dann erledigt der Auspuffhub seine Reinigungsarbeit.

Mehr als das hat sich in über 120 Jahren geändert. Auf der Suche nach mehr Effizienz wurden neue Materialien entwickelt. Beispielsweise verringern leichtere Kolben, Ringe und Ventilfedern die Reibung und das Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Weniger Gewicht zu transportieren kostet weniger Energie. Die Verwendung eines Dual-Overhead-Cam-Motors, wie es Ford bei seinem Fusion und anderen Hybriden tut, macht es noch einfacher, den Prozess zu steuern.

Und wieder, kluger Leser, haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass die moderne Version dieses Motors wie sein Vorgänger weniger Leistung produziert. Zu wahr. Wie Lee bemerkte: "Dieser Motor würde in einem normalen Auto Probleme haben."

Aber wissen Sie, wo es nicht kämpft? In einem Hybridantrieb.

Sie haben also einen Motor, der wirklich effizient ist, dem jedoch die Leistung fehlt, insbesondere die Drehmomentvielfalt, die das feuerspeiende Drag-Car in den Spaten hat. Wenn Sie jedoch ein Hybridantriebsstrangingenieur sind, haben Sie auch einen Elektromotor, der das gesamte Drehmoment ab 0 U / min hat. Das Problem mit dem Elektromotor ist, dass er eine hohe Geschwindigkeit nicht sehr gut aushält, nicht so gut wie ein Benzinmotor mit seiner höheren Leistung. Was zu tun ist, Hybridantriebsstrangingenieur?

Wenn Sie Gilbert Portalatin sind, der zufällig ein Hybridantriebsingenieur bei Ford ist, oder ein anderer Ingenieur bei fast jeder anderen Autofirma, die Vollhybride baut, bringen Sie diese beiden Systeme wie Schokolade und Erdnussbutter zusammen. Bei niedrigen Drehzahlen treten die Elektromotoren mit ihrem Drehmoment ein und bewegen das Auto vorwärts. Wenn Sie nicht zu den äußerst vorsichtigen Hypermilern gehören, die das Gaspedal so sanft drücken, als ob sich ein Kätzchen darunter versteckt hätte, wird der Benzinmotor ziemlich schnell online gehen, obwohl der Elektromotor ziemlich viel Arbeit leistet. Bei ungefähr 40 Meilen pro Stunde oder so wird der Atkinson-Zyklusmotor fast vollständig übernehmen, mit ein wenig Unterstützung durch den Elektromotor.

Solange Sie diese Art von Combo haben, können Sie den Atkinson-Zyklusmotor so konstruieren, dass er für einen optimalen Wirkungsgrad präzise in den Elektromotor eingreift. Wenn Sie darauf bestehen, auf der nächsten Spur die Feuerspucker zu übernehmen, bleiben Sie nicht vollständig im Staub. "Treten Sie aufs Pedal und Sie werden bekommen, wonach Sie fragen - alle beiden Triebwerke", sagte Lee bei Toyota.

Diese Lastnivellierung ist der Grund, warum ein Vollhybrid wie der Toyota Prius oder der Ford Escape in der Stadt eine bessere Kilometerleistung erzielt als auf der Autobahn - genau das Gegenteil von jedem anderen Fahrzeug auf der Straße. Die Nicht-Feuerspucker unter uns fahren ziemlich langsam durch die Stadt. Wir starten und stoppen viel und erreichen nicht mehr als 120 km / h, sodass der Elektromotor einen großen Teil der Last trägt. Auf der Autobahn arbeitet der Benzinmotor jedoch ziemlich alleine.

Kaum jemand im Jahr 1887 hätte die glückliche Ehe zwischen Atkinsons Motor und Elektromotoren mit Erdnussbutter und Schokolade vorhersagen können - Autos hatten damals noch nicht einmal dauerhafte Dächer.

Um ganz ehrlich zu sein, liebe ich es, diese supertechnologischen Artikel zu schreiben. Ich liebe es, Ingenieure anzurufen und sie mir Dinge erklären zu lassen, die ich nie studiert habe. Es fällt mir schwer, mir überhaupt vorzustellen, wovon sie sprechen, deshalb lassen sie sich sechs Mal bis Sonntag wiederholen, um sicherzustellen, dass ich es richtig habe, bevor ich etwas aufschreibe.

Dieses Mal habe ich einen extra geekigen Bonus bekommen: Nerd Malbuch! Okay, es war nicht wirklich ein Malbuch, aber wenn Sie Atkinsons Patent mithilfe der Patentsuche von Google nachschlagen (Nummer 367.496, denken Sie daran), enthält es Atkinsons Originaldiagramme. Ich benutzte alle acht meiner Textmarker und mehrere farbige Sharpies, um zu verfolgen, welche Ventile was taten und wo die Luft hereinkam und der Auspuff herausging. Dann habe ich den Patenttext - den ich auch ausgedruckt hatte - farbcodiert, damit ich beim Lesen das vibrierende Glied H in der Beschreibung mit seinem Platz im Motor abgleichen konnte.

Ich kann die Malbuchmethode des technologischen Lernens nicht genug empfehlen. Ich habe vor, es so oft wie möglich zu benutzen. Mein innerer Achtjähriger ist sehr glücklich.

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Quellen

• Aguilar, Mike. "Die Atkinson Cycle Engine." Heller Hub. 25. November 2011. (8. Februar 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animierte Motoren. "Atkinson Engine." (8. Februar 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. Gasmotorpatent 367,496. US-Patentamt. 2. August 1887. (8. Februar 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Administrator für Produktschulung, Universität von Toyota. Telefoninterview am 7. Februar 2012.
• Octavio Navarro. Öffentlichkeitsarbeit, Ford Motor Company. Telefonkonferenzinterview am 10. Februar 2012 durchgeführt.
• Portalatin, Gilbert. Ingenieur für Hybridsysteme, Ford Motor Company. Telefonkonferenzinterview am 10. Februar 2012 durchgeführt.
• Stephen Russ. Ingenieur für 2,0-l-Wechselstrommotoren, Ford Motor Company. Telefonkonferenzinterview am 10. Februar 2012 durchgeführt.