Comment fonctionne un moteur à cycle Atkinson

Pendant plus de cent ans, les moteurs sont devenus plus gros, plus rapides et plus méchants, avec plus de puissance et de couple . Les gaz d'échappement crachaient des tuyaux d'échappement comme un dragon réveillé de son sommeil pour rugir contre les voleurs potentiels de son trésor. Au moins, c'est ce que le gars avec les pneus larges et le travail de flamme à l'aérographe veut que vous pensiez.

Puis vint le XXe siècle, lorsque nous réalisâmes que les moteurs cracheurs de feu tuaient plus que les adversaires des courses de dragsters aux feux rouges. Il s'avère que tous ces éructations changeaient le climat et créaient un smog désagréable. Trop de dragons rendaient la planète plus proche du Mordor que de la Comté.

Qui peut nous sauver de ces dragons éructants ? Qui peut apprivoiser leurs manières énergivores avec son épée de science et d'ingénierie ? Qui porte le seul véritable anneau d' efficacité énergétique ? Un homme : James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Angleterre. Aussi de 1887.

C'est vrai - la dernière technologie de moteur écologique vient de l'aube de l'ère automobile. Le moteur à cycle Atkinson a été breveté aux États-Unis en 1887 (Atkinson a déposé des brevets britanniques et européens quelques années plus tôt). Mais les courses inégales du piston de son moteur à combustion à essence s'adaptent parfaitement à nos systèmes hybrides modernes.

Le moteur à cycle Atkinson utilisé dans tant d'hybrides de nos jours fonctionne sur le même principe que l'original - avec l'avantage évident d'un siècle d'avancées technologiques. Mais pour comprendre où nous en sommes aujourd'hui, nous devons d'abord savoir d'où nous venons. Réglez votre machine à voyager dans le temps pour 1887 !

1. Le moteur à cycle Atkinson d'origine
2. Le moteur à cycle Atkinson moderne
3. Le cycle Atkinson et les voitures hybrides

Atkinson's U.S. patent (number 367,496, for us patent-adoring nerds) is pretty straightforward: about a thousand words of text and a few helpful diagrams. Or you can just read this explanation, which is far wittier than any patent .

The most common combustion engine these days is a four-stroke Otto cycle engine , where a piston goes up and down inside a cylinder and a spark ignites a mixture of gas and air. Same goes for an Atkinson cycle engine, so here's a quick refresher of the process:

Intake stroke: Sucks air and fuel into the cylinder

Compression stroke: Squishes the mixture so when the spark goes off, it will explode -- big time

Power or expansion stroke: Uses the force created by the explosion to move the piston down the cylinder

Exhaust stroke: Pushes the nasty leftovers of the combustion process out of the cylinder

In an Otto cycle engine, this is done in two rotations of the crankshaft: intake/ignition, then power/exhaust. In the original Atkinson engine, the inventor added a couple of linkages so that all four strokes could be completed with a single rotation of the crankshaft.

That in itself would improve efficiency, but Atkinson had another realization: if the compression in the cylinder were lowered and the power stroke was longer than the intake stroke, the engine would work more efficiently. It would take less fuel to turn the engine, which turns the wheels and makes the car go.

Imagine, if you will, the cylinder and piston. On the intake stroke, the piston doesn't move all the way down the cylinder. The intake valve, where the air and fuel enter the cylinder, doesn't allow as much of the mixture into the cylinder. Less mixture requires less compression. The piston moves back up for the compression stroke, and at the top the mixture is ignited. Boom! The force sends the piston back down the shaft of the cylinder in the power stroke, this time all the way down to take advantage of every last bit of force generated by the combustion. Then the piston moves back up to get the junk out for the exhaust stroke. Ta da! Four strokes, less fuel!

Of course, clever reader that you are, you probably realized that less fuel and less compression mean less power. You are correct. Even though the piston is allowed to travel further down on the power stroke than it does on the intake stroke, it's not going to generate as much power as it does in an engine with higher compression and a richer gas mixture.

The other challenge with this engine is that it requires lots of extra parts, which makes it tricky to assemble, not to mention expensive. Poor Atkinson had to achieve all this efficiency with springs and vibrating links and a red-hot ignition tube, which sounds like an excellent name for a band. Modern engineers have a much easier time of it.

Les puristes ridiculiseront le moteur à cycle Atkinson d'aujourd'hui, sans aucun lien vibrant en vue. En fait, si vous mettez un moteur à cycle Atkinson moderne à côté d'un moteur à cycle Otto moderne , vous ne pourrez voir aucune différence. "Il n'y a rien dans le moteur [de la Prius] qui ne soit pas dans le moteur ordinaire", selon David Lee de l'Université de Toyota. (Ce n'est pas une université à laquelle vous pouvez assister, sauf si vous êtes un employé de Toyota qui a besoin de connaître les derniers et meilleurs déploiements chez les concessionnaires. Désolé.)

Ce qu'Atkinson devait réaliser avec le placement du vilebrequin, nous pouvons maintenant le faire avec un calage variable des soupapes , une solution beaucoup moins chère et plus facile. Rappelez-vous que dans l'original d'Atkinson, les soupapes d'admission se fermaient tôt pour empêcher une partie du mélange air-carburant d'entrer. De nos jours, la soupape d'admission est maintenue ouverte un peu trop longtemps, de sorte que lorsque le piston monte pour la course de compression, un peu de mélange gaz-air peut s'échapper. Chaque méthode a le même but : le taux de compression est plus faible. En langage d'ingénieur, la méthode moderne est connue sous le nom de "livique" - fermeture tardive de la soupape d'admission. Ensuite, la bougie d'allumage fait son travail - des étincelles - et le piston profite de la combustion avec une course à pleine puissance dans le cylindre. Et puis la course d'échappement fait son travail de nettoyage.

Plus que cela a changé en plus de 120 ans. Dans la recherche d'une efficacité accrue, de nouveaux matériaux ont été développés. Des pistons, des segments et des ressorts de soupapes plus légers, par exemple, réduisent la friction et le poids total de la voiture. Transporter moins de poids demande moins d'énergie. L'utilisation d'un moteur à double arbre à cames en tête , comme le fait Ford dans sa Fusion et d'autres hybrides, facilite encore plus le contrôle du processus.

Et encore, lecteur avisé, vous avez sans doute remarqué que la version moderne de ce moteur produit moins de puissance, tout comme son prédécesseur. Trop vrai. Comme Lee l'a noté, "Ce moteur aurait du mal dans une voiture ordinaire."

Mais vous savez où ça ne se débat pas? Dans une transmission hybride .

Donc, vous avez un moteur qui est vraiment efficace, mais il manque de puissance, en particulier de la variété de couple, le genre de puissance que la voiture de traînée cracheuse de feu a à la pelle. Mais, si vous êtes un ingénieur du groupe motopropulseur hybride , vous avez également un moteur électrique qui a tout le couple tout le temps, à partir de 0 tr/min. Le problème avec le moteur électrique est qu'il ne supporte pas très bien une vitesse élevée, pas aussi bien qu'un moteur à essence, avec sa puissance plus élevée . Que faire, ingénieur motoriste hybride ?

Eh bien, si vous êtes Gilbert Portalatin, qui se trouve être un ingénieur du groupe motopropulseur hybride chez Ford, ou tout autre ingénieur de presque n'importe quel autre constructeur automobile construisant des hybrides complets, vous réunissez ces deux systèmes comme le chocolat et le beurre de cacahuète. À basse vitesse, les moteurs électriques s'enclenchent avec leur couple et font avancer la voiture. À moins que vous ne soyez l'un de ces hypermilers super prudents qui appuient sur l'accélérateur aussi doucement que si un chaton se cachait en dessous, le moteur à essence se mettra en marche assez rapidement, bien que le moteur électrique fasse pas mal de travail. À environ 40 mph environ, le moteur à cycle Atkinson prendra le relais presque complètement, avec un peu d'assistance du moteur électrique.

As long as you've got this kind of combo, you can engineer the Atkinson cycle engine to mesh precisely with the electric motor for optimal efficiency. If you insist on taking on the fire-breather in the next lane, you won't be left completely in the dust. "Smash the pedal, and you'll get what you're asking for -- all of both powerplants," said Lee at Toyota.

This load leveling is why a full hybrid like the Toyota Prius or Ford Escape get better mileage around town than they do on the highway -- exactly the opposite of, like, every other vehicle on the road. The non-fire-breathers among us drive pretty slowly around town. We start and stop a lot, and we don't get up to 75 mph, so the electric motor takes a lot of the burden. On the highway, though, the gasoline engine is pretty much working alone.

Presque personne en 1887 n'aurait pu prédire l'heureux mariage beurre de cacahuète et chocolat entre le moteur d'Atkinson et les moteurs électriques - les voitures n'avaient même pas de toit permanent à l'époque.

Publié à l'origine : 1er mars 2012

Qu'est-ce que le moteur à cycle Atkinson ?

En quoi le calage des soupapes du cycle Atkinson est-il différent ?

Comment le cycle d'Atkinson est-il efficace ?

De quoi le moteur à cycle Atkinson est-il une variante ?

Quelle est la différence entre le cycle d'Otto et le cycle d'Atkinson ?

Note de l'auteur : Comment fonctionne un moteur à cycle Atkinson

Pour être tout à fait honnête, j'adore écrire ces articles super-technologiques. J'adore appeler des ingénieurs et leur faire expliquer des choses que je n'ai jamais étudiées. J'ai même du mal à imaginer de quoi ils parlent, alors je leur fais répéter six façons jusqu'au dimanche pour m'assurer que j'ai bien compris avant d'écrire quoi que ce soit.

Cette fois, j'ai eu un bonus extra-geek : un livre de coloriage nerd ! D'accord, ce n'était pas vraiment un livre de coloriage, mais si vous recherchez le brevet d'Atkinson à l'aide de la recherche de brevets de Google (numéro 367 496, rappelez-vous), il comprend les diagrammes originaux d'Atkinson. J'ai utilisé mes huit surligneurs et plusieurs Sharpies colorés pour savoir quelles vannes faisaient quoi, et où l'air entrait et où l'échappement sortait. Ensuite, j'ai codé par couleur le texte du brevet - que j'avais également imprimé - afin que, lorsque je lisais, je puisse faire correspondre le lien vibrant H dans la description avec sa place dans le moteur.

Je ne saurais trop recommander la méthode d'apprentissage technologique du livre de coloriage. Je compte l'utiliser le plus souvent possible. Mon intérieur de huit ans est très heureux.

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