Wie ein Atkinson-Zyklus-Motor funktioniert

Über hundert Jahre lang wurden Motoren größer, schneller und gemeiner, mit mehr Leistung und Drehmoment . Auspuff rülpste aus den Endrohren wie ein Drache, der aus seinem Schlummer erwacht, um potenzielle Diebe seines Schatzes anzubrüllen. Zumindest will das der Typ mit den breiten Reifen und dem Airbrush-Flammen-Job Sie denken lassen.

Dann kam das 20. Jahrhundert, als uns klar wurde, dass feuerspeiende Motoren mehr als nur Rotlicht-Dragracing-Gegner töteten. Es stellte sich heraus, dass all das Rülpsen das Klima veränderte und unangenehmen Smog erzeugte. Zu viele Drachen machten den Planeten eher zu Mordor als zum Auenland.

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

Das ist richtig – die neueste umweltfreundliche Motorentechnologie stammt aus den Anfängen des Automobilzeitalters. Der Atkinson-Zyklusmotor wurde 1887 in den Vereinigten Staaten patentiert (Atkinson meldete ein paar Jahre zuvor britische und europäische Patente an). Aber die ungleichmäßigen Kolbenhübe in seinem benzinbetriebenen Verbrennungsmotor passen ziemlich gut zu unseren modernen Hybridsystemen.

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

1. Der Original Atkinson Cycle Motor
2. Der moderne Atkinson-Zyklus-Motor
3. Der Atkinson-Zyklus und Hybridautos

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

Der heute am weitesten verbreitete Verbrennungsmotor ist ein Viertakt-Ottomotor , bei dem ein Kolben in einem Zylinder auf und ab geht und ein Funke ein Gas-Luft-Gemisch entzündet. Dasselbe gilt für einen Atkinson-Zyklus-Motor, also hier eine kurze Auffrischung des Prozesses:

Ansaugtakt: Saugt Luft und Kraftstoff in den Zylinder

Kompressionstakt: Zerquetscht das Gemisch, sodass es explodiert, wenn der Funke überspringt – große Zeit

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

Auspufftakt: Drückt 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 ein paar Gestänge hinzu, sodass alle vier Takte mit einer einzigen Drehung der Kurbelwelle abgeschlossen werden konnten.

Das allein würde die Effizienz verbessern, aber Atkinson hatte eine andere Erkenntnis: Wenn die Kompression im Zylinder gesenkt und der Arbeitstakt länger als der Ansaugtakt wäre, würde der Motor effizienter arbeiten. Es würde weniger Kraftstoff verbrauchen, um den Motor zu drehen, der die Räder dreht und das Auto antreibt.

Stellen Sie sich, wenn Sie so wollen, Zylinder und Kolben vor. Beim Ansaugtakt bewegt sich der Kolben nicht ganz nach unten im Zylinder. Das Einlassventil, wo 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 wieder die Welle des Zylinders hinunter, diesmal ganz nach unten, um das letzte bisschen Kraft, das durch die Verbrennung erzeugt wird, auszunutzen. Dann bewegt sich der Kolben wieder nach oben, um den Müll für den Auspufftakt herauszuholen. Ta da! Vier Takte, weniger Sprit!

Als kluger Leser haben Sie wahrscheinlich erkannt, dass weniger Kraftstoff und weniger Kompression weniger Leistung bedeuten. Du hast Recht. Obwohl der Kolben im Arbeitstakt weiter nach unten fahren darf als im Ansaugtakt, wird er nicht so viel Leistung erzeugen wie in einem Motor mit höherer Verdichtung und fetterem Gasgemisch.

Die andere Herausforderung bei diesem Motor besteht darin, dass er viele zusätzliche Teile erfordert, was den Zusammenbau schwierig macht, ganz zu schweigen von den Kosten. All diese Effizienz musste der arme Atkinson mit Federn und Schwinggliedern und einem rotglühenden Zündrohr erreichen, was wie ein ausgezeichneter Name für eine Band klingt. Moderne Ingenieure haben es viel leichter.

Purists will pooh-pooh the Atkinson cycle engine of today, with nary a vibrating link in sight. As a matter of fact, if you put a modern Atkinson cycle engine next to a modern Otto cycle engine , you wouldn't be able to see any difference. "There's nothing in [the Prius] engine that's not in the regular engine," according to David Lee at the University of Toyota. (It's not a university you can attend unless you're a Toyota employee needing to know about the latest and greatest rolling out to the dealerships. Sorry.)

What Atkinson had to achieve with crankshaft placement we now can do with variable valve timing , a far cheaper and easier solution. Remember that in Atkinson's original, the intake valves would close early to keep out some of the air-fuel mixture. Nowadays, the intake valve is held open a little too long, so that when the piston moves up for the compression stroke, a little of the gas-air mixture can escape. Each method has the same end: the compression ratio is lower. In engineer-speak, the modern method is known as "livic" -- late intake valve closure. Then the spark plug does its thing -- sparking -- and the piston takes advantage of the combustion with a full power stroke down the cylinder. And then the exhaust stroke does its clean-up job.

More than that has changed in 120-plus years. In the quest for increased efficiency, new materials have been developed. Lighter-weight pistons, rings, and valves springs, for instance, reduce friction and the overall weight of the car. Hauling less weight around takes less energy. Using a dual-overhead cam engine , as Ford does in its Fusion and other hybrids, makes it even easier to control the process.

And again, clever reader, you probably noticed that the modern version of this engine produces less power, just like its predecessor. Too true. As Lee noted, "This engine would struggle in a regular car."

But you know where it doesn't struggle? In a hybrid drivetrain .

So, you've got an engine that's really efficient, but it lacks in power, especially of the torque variety, the kind of power that the fire-breathing drag car has in spades. But, if you're a hybrid powertrain engineer, you also have an electric motor that has all torque all the time, from 0 rpm. The problem with the electric motor is that it doesn't sustain a high speed very well, not as well as a gasoline engine does, with its higher horsepower . What to do, hybrid powertrain engineer?

Nun, wenn Sie Gilbert Portalatin sind, der zufällig Hybrid-Antriebsstrang-Ingenieur bei Ford ist, oder irgendein anderer Ingenieur bei fast jeder anderen Autofirma, die Vollhybride baut, bringen Sie diese beiden Systeme wie Schokolade und Erdnussbutter zusammen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten setzen die Elektromotoren mit ihrem Drehmoment ein und bringen das Auto voran. Wenn Sie nicht einer dieser supervorsichtigen Hypermiler sind , die das Gaspedal so sanft drücken, als würde sich ein Kätzchen darunter verstecken, wird der Benzinmotor ziemlich schnell anlaufen, obwohl der Elektromotor ziemlich viel Arbeit macht. Bei ungefähr 40 Meilen pro Stunde übernimmt der Atkinson-Zyklusmotor fast vollständig, mit ein wenig Unterstützung durch den Elektromotor.

Solange Sie diese Art von Kombination haben, können Sie den Atkinson-Zyklusmotor so konstruieren, dass er für optimale Effizienz genau mit dem Elektromotor ineinandergreift. Wenn Sie darauf bestehen, es mit dem Feuerspucker in der nächsten Spur aufzunehmen, werden Sie nicht völlig im Staub stehen. "Zerschlagen Sie das 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 Ford Escape in der Stadt eine bessere Kilometerleistung erzielt als auf der Autobahn – genau das Gegenteil von wie jedem anderen Fahrzeug auf der Straße. Die Nicht-Feuerspucker unter uns fahren ziemlich langsam durch die Stadt. Wir starten und stoppen viel und kommen nicht auf 120 km/h, also übernimmt der Elektromotor viel Last. Auf der Autobahn hingegen arbeitet der Benziner ziemlich alleine.

Kaum jemand hätte 1887 die glückliche Erdnussbutter-Schokoladen- Ehe zwischen Atkinsons Motor und Elektromotoren vorhersagen können – Autos hatten damals noch nicht einmal feste Dächer.

Ursprünglich veröffentlicht: 1. März 2012

Was ist der Atkinson-Zyklus-Motor?

Was ist anders an der Ventilsteuerung des Atkinson-Zyklus?

Wie effizient ist der Atkinson-Zyklus?

Was ist der Atkinson-Zyklus-Motor eine Variation davon?

Was ist der Unterschied zwischen Otto-Zyklus und Atkinson-Zyklus?

Anmerkung des Autors: Wie ein Atkinson-Zyklus-Motor funktioniert

Um ganz ehrlich zu sein, ich liebe 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, worüber sie reden, also lasse ich sie sich sechs Mal bis Sonntag wiederholen, um sicherzustellen, dass ich es richtig verstehe, bevor ich etwas aufschreibe.

Dieses Mal habe ich einen Extra-Geeky-Bonus bekommen: Nerd-Malbuch! Okay, es war nicht wirklich ein Malbuch, aber wenn Sie Atkinsons Patent mit der Google-Patentsuche 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 ausging. Dann habe ich den Patenttext – den ich auch ausgedruckt hatte – farblich gekennzeichnet, 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 plane, es so oft wie möglich zu verwenden. Mein innerer Achtjähriger ist sehr glücklich.

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