Pedeorelha | Hoe een Atkinson-cyclusmotor werkt

Rudolf Cole
0
1861
269

De 2012 Toyota Prius C hybride wordt geïntroduceerd tijdens een perspreview op de North American International Auto Show in het COBO Center op 10 januari 2012 in Detroit, Michigan. Bill Pugliano / Getty Images

Al meer dan honderd jaar werden motoren groter, sneller en gemener, met meer pk's en koppel. De uitlaat braakte uit de uitlaatpijpen als een draak die ontwaakt uit zijn slaap en brult naar potentiële dieven van zijn schat. Althans, dat is wat de man met de brede banden en de airbrush-vlambaan wil dat je denkt.

Toen kwam de twintigste eeuw, toen we ons realiseerden dat vuurspuwende motoren meer doodden dan tegenstanders van dragracen met rood licht. Het blijkt dat al dat boeren het klimaat veranderde en nare smog veroorzaakte. Door te veel draken leek de planeet meer op Mordor dan op de Shire.

Wie kan ons redden van deze uitpuilende draken? Wie kan hun gas-slurpende manieren bedwingen met zijn zwaard van wetenschap en techniek? Wie draagt de enige echte ring van brandstofefficiëntie? Eén man: James Atkinson uit Hampstead, Middlesex, Engeland. Ook uit 1887.

Dat klopt - de nieuwste groene motortechnologie stamt uit het begin van het automobieltijdperk. De Atkinson-cyclusmotor werd in 1887 in de Verenigde Staten gepatenteerd (Atkinson diende een paar jaar eerder Britse en Europese patenten in). Maar de ongelijke slagen van de zuiger in zijn door benzine aangedreven verbrandingsmotor passen mooi in onze moderne hybride systemen..

De Atkinson-motor die tegenwoordig in zoveel hybriden wordt gebruikt, werkt volgens hetzelfde principe als het origineel - met het duidelijke voordeel van een eeuw technologische vooruitgang. Maar om te begrijpen waar we ons vandaag bevinden, moeten we eerst weten waar we zijn geweest. Stel je tijdmachine in voor 1887!

Inhoud

De originele Atkinson-cyclusmotor
De moderne Atkinson-cyclusmotor
De Atkinson-cyclus en hybride auto's
Opmerking van de auteur

Het Amerikaanse octrooi van Atkinson (nummer 367.496, voor ons gepatenteerde nerds) is vrij eenvoudig: ongeveer duizend woorden tekst en een paar handige diagrammen. Of u kunt deze uitleg gewoon lezen, die veel geestiger is dan welk patent dan ook.

De meest voorkomende verbrandingsmotor is tegenwoordig een viertaktmotor met Otto-cyclus, waarbij een zuiger op en neer gaat in een cilinder en een vonk een mengsel van gas en lucht doet ontbranden. Hetzelfde geldt voor een Atkinson-cyclusmotor, dus hier is een snelle opfriscursus van het proces:

Intake beroerte: Zuigt lucht en brandstof in de cilinder

Compressieslag: Knijpt het mengsel samen, zodat wanneer de vonk uitgaat, het zal ontploffen - groots

Kracht- of expansieslag: Gebruikt de kracht die door de explosie wordt gecreëerd om de zuiger door de cilinder te bewegen

Uitlaatslag: Duwt de nare restjes van het verbrandingsproces uit de cilinder

Bij een Otto-cyclusmotor gebeurt dit in twee rotaties van de krukas: inlaat / ontsteking, dan stroom / uitlaat. In de originele Atkinson-motor voegde de uitvinder een aantal koppelingen toe zodat alle vier de slagen konden worden voltooid met een enkele rotatie van de krukas.

Dat op zich zou de efficiëntie verbeteren, maar Atkinson realiseerde zich nog een ander besef: als de compressie in de cilinder werd verlaagd en de arbeidsslag langer was dan de inlaatslag, zou de motor efficiënter werken. Er is minder brandstof voor nodig om de motor te laten draaien, waardoor de wielen draaien en de auto gaat rijden.

Stel je voor, als je wilt, de cilinder en zuiger. Bij de inlaatslag beweegt de zuiger niet helemaal naar beneden in de cilinder. De inlaatklep, waar de lucht en brandstof de cilinder binnenkomen, laat niet zoveel van het mengsel in de cilinder. Minder mengsel vereist minder compressie. De zuiger beweegt weer omhoog voor de compressieslag en bovenaan wordt het mengsel ontstoken. Boom! De kracht stuurt de zuiger terug langs de as van de cilinder in de arbeidsslag, deze keer helemaal naar beneden om te profiteren van elk laatste beetje kracht dat door de verbranding wordt gegenereerd. Dan beweegt de zuiger weer omhoog om de rommel eruit te halen voor de uitlaatslag. Ta da! Vier slagen, minder brandstof!

Natuurlijk, een slimme lezer die u bent, realiseerde u zich waarschijnlijk dat minder brandstof en minder compressie minder vermogen betekent. Je hebt gelijk. Hoewel de zuiger tijdens de arbeidsslag verder naar beneden mag bewegen dan bij de inlaatslag, zal hij niet zoveel vermogen genereren als bij een motor met een hogere compressie en een rijker gasmengsel..

De andere uitdaging met deze motor is dat er veel extra onderdelen voor nodig zijn, waardoor het lastig is om te monteren en niet te vergeten duur. De arme Atkinson moest al deze efficiëntie bereiken met veren en trillende schakels en een gloeiend hete ontstekingsbuis, wat klinkt als een uitstekende naam voor een band. Moderne ingenieurs hebben het veel gemakkelijker.

Ford heeft zijn Fusion hybride auto van 700 mijl per tank per tank onthuld op de Los Angeles Auto Show op 19 november 2008 in Los Angeles, Californië. David McNew / Getty Images

Puristen zullen de Atkinson-cyclusmotor van vandaag pooh-pooh, met nauwelijks een trillende schakel in zicht. Als je een moderne Atkinson-cyclusmotor naast een moderne Otto-cyclusmotor plaatst, zou je eigenlijk geen verschil kunnen zien. "Er zit niets in [de Prius] -motor dat niet in de gewone motor zit", aldus David Lee van de Universiteit van Toyota. (Het is geen universiteit waar u naar toe kunt gaan, tenzij u een Toyota-medewerker bent en moet weten wat de nieuwste en beste mogelijkheden zijn om bij de dealers te komen. Sorry.)

Wat Atkinson moest bereiken met de plaatsing van de krukas, kunnen we nu doen met variabele kleptiming, een veel goedkopere en eenvoudigere oplossing. Onthoud dat in het origineel van Atkinson de inlaatkleppen vroeg zouden sluiten om een deel van het lucht-brandstofmengsel buiten te houden. Tegenwoordig wordt de inlaatklep iets te lang open gehouden, zodat wanneer de zuiger omhoog beweegt voor de compressieslag er een beetje van het gas-luchtmengsel kan ontsnappen. Elke methode heeft hetzelfde doel: de compressieverhouding is lager. In ingenieurstaal staat de moderne methode bekend als "livic" - late sluiting van inlaatkleppen. Dan doet de bougie zijn ding - vonken - en de zuiger profiteert van de verbranding met een volle krachtslag door de cilinder. En dan doet de uitlaatslag zijn opruimwerk.

Meer dan dat is veranderd in meer dan 120 jaar. In de zoektocht naar meer efficiëntie zijn nieuwe materialen ontwikkeld. Lichtere zuigers, ringen en klepveren verminderen bijvoorbeeld de wrijving en het totale gewicht van de auto. Minder gewicht vervoeren kost minder energie. Het gebruik van een motor met dubbele bovenliggende nokkenas, zoals Ford doet in zijn Fusion en andere hybrides, maakt het nog gemakkelijker om het proces te beheersen.

En nogmaals, slimme lezer, het is je vast opgevallen dat de moderne versie van deze motor, net als zijn voorganger, minder vermogen produceert. Te Waar. Zoals Lee opmerkte: "Deze motor zou het moeilijk hebben in een gewone auto."

Maar weet je waar het niet moeite mee heeft? In een hybride aandrijflijn.

Dus je hebt een motor die echt efficiënt is, maar hij mist vermogen, vooral wat betreft het koppel, het soort vermogen dat de vuurspuwende sleepwagen in schoppen heeft. Maar als je een hybride aandrijflijningenieur bent, heb je ook een elektromotor die altijd al het koppel heeft, vanaf 0 tpm. Het probleem met de elektromotor is dat hij niet zo goed op hoge snelheid kan draaien, niet zo goed als een benzinemotor, met zijn hogere pk's. Wat te doen, hybride aandrijflijningenieur?

Nou, als je Gilbert Portalatin bent, die toevallig een hybride aandrijflijningenieur is bij Ford, of een andere ingenieur bij bijna elk ander autobedrijf dat volledige hybriden bouwt, dan breng je deze twee systemen samen zoals chocolade en pindakaas. Bij lage snelheden treden de elektromotoren in werking met hun koppel en brengen de auto vooruit. Tenzij je een van die super voorzichtige hypermilers bent die het gaspedaal zo zacht indrukt alsof er een kitten onder verstopt zit, komt de benzinemotor vrij snel online, al doet de elektromotor nogal wat werk. Met ongeveer 40 mph of zo, zal de Atkinson-cyclusmotor het bijna volledig overnemen, met een beetje hulp van de elektromotor.

Zolang je dit soort combo's hebt, kun je de Atkinson-cyclusmotor zo ontwerpen dat hij precies in de elektromotor past voor een optimale efficiëntie. Als je erop staat om de vuurspuwer in de volgende baan aan te nemen, zul je niet helemaal in het stof blijven. "Sla het pedaal in, en je krijgt waar je om vraagt - allebei krachtcentrales", zei Lee van Toyota.

Deze lastafstelling is de reden waarom een volledige hybride zoals de Toyota Prius of Ford Escape betere kilometers in de stad aflegt dan op de snelweg - precies het tegenovergestelde van, zoals elk ander voertuig op de weg. De niet-vuurspuwers onder ons rijden vrij langzaam door de stad. We starten en stoppen veel, en we komen niet boven de 120 km / u, dus de elektromotor neemt veel van de last op zich. Op de snelweg werkt de benzinemotor echter vrijwel alleen.

Bijna niemand had in 1887 het gelukkige huwelijk tussen pindakaas en chocolade tussen de motor van Atkinson en de elektromotoren kunnen voorspellen - auto's hadden toen niet eens een permanent dak.

Om eerlijk te zijn, ben ik dol op het schrijven van deze supertechnologische artikelen. Ik vind het heerlijk om ingenieurs te bellen en hen dingen te laten uitleggen die ik nooit heb bestudeerd. Ik vind het moeilijk om me zelfs maar voor te stellen waar ze het over hebben, dus ik laat ze zichzelf zes manieren herhalen tot zondag om er zeker van te zijn dat ik het goed heb voordat ik iets opschrijf.

Deze keer kreeg ik een extra nerdy bonus: nerd kleurboek! Oké, het was niet echt een kleurboek, maar als je het patent van Atkinson opzoekt met Google's patentzoekopdracht (nummer 367.496, onthoud), dan bevat het de originele diagrammen van Atkinson. Ik gebruikte al mijn acht markeerstiften en verschillende gekleurde Sharpies om bij te houden welke kleppen wat deden, en waar de lucht naar binnen kwam en de uitlaat naar buiten ging. Vervolgens kleurde ik de patenttekst - die ik ook had afgedrukt - zodat ik tijdens het lezen de trilverbinding H in de beschrijving kon matchen met zijn plaats in de motor.

Ik kan de kleurboekmethode van technologisch leren niet genoeg aanbevelen. Ik ben van plan het zo vaak mogelijk te gebruiken. Mijn innerlijke achtjarige is erg blij.

Bronnen

Aguilar, Mike. "De Atkinson-cyclusmotor." Heldere hub. 25 november 2011. (8 februari 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
Geanimeerde motoren. "Atkinson Engine." (8 februari 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
Atkinson, James. "Gas-Engine Patent 367.496." Amerikaans octrooibureau. 2 augustus 1887. (8 februari 2012) http://www.google.com/patents/US367496
Lee, David. Productonderwijsbeheerder, Universiteit van Toyota. Telefonisch interview gehouden op 7 februari 2012.
Octavio Navarro. Public Relations, Ford Motor Company. Interview met telefonische vergadering op 10 februari 2012.
Portalatin, Gilbert. Hybrid System Engineer, Ford Motor Company. Interview met telefonische vergadering op 10 februari 2012.
Stephen Russ. 2.0L AC-motoringenieur, Ford Motor Company. Interview met telefonische vergadering op 10 februari 2012.

Hoe een Atkinson-cyclusmotor werkt

gerelateerde artikelen

Bronnen