Früher waren Motoren laut. Mit jedem Jahrzehnt wurden sie größer, schneller und gemeiner und stießen Abgase aus wie ein wütender Drache, der seinen Schatz bewacht. Zumindest ist das das Bild, das der Typ mit den breiten Reifen und den Airbrush-Flammen verkauft. Aber irgendwann im 20. Jahrhundert wurde uns klar, dass diese feuerspeienden Maschinen mehr als nur Drag-Racing-Gegner töteten. Der Smog erstickte die Städte. Das Klima veränderte sich. Wir verwandelten das Auenland in Mordor.
Wer kam also, um uns zu retten? Wer hat das Schwert der Wissenschaft geschwungen, um diese Spritfresser zu zähmen? Es war kein modernes Silicon-Valley-Genie. Es war James Atkinson aus Hampstead, Middlesex, England. Im Jahr 1887.
Ja, die Grundlage moderner umweltfreundlicher Motorentechnologie stammt aus den Anfängen des Automobilzeitalters. Der Atkinson-Zyklusmotor wurde 1887 in den Vereinigten Staaten patentiert, nach früheren Anmeldungen in Großbritannien und Europa. Es erscheint absurd, dass die ungleichmäßigen Kolbenhübe eines Benzinmotors aus der viktorianischen Zeit perfekt in die heutigen Hybridsysteme passen. Aber um zu verstehen, warum der Atkinson-Zyklus-Motor heutzutage überall in Hybridfahrzeugen zu finden ist, müssen wir zur Quelle zurückkehren.
Die Mechanik der Effizienz
Atkinsons US-Patent Nr. 367.496 ist eine trockene Lektüre. Es handelt sich um etwa tausend Wörter juristischen Textes und einige hilfreiche Diagramme. Sie können es lesen oder einfach die Mechanik verstehen, die weitaus weniger mühsam ist.
Die meisten Autos fahren heute nach dem Otto-Zyklus. Es handelt sich um einen Viertaktvorgang, bei dem sich ein Kolben in einem Zylinder auf und ab bewegt und von einer Zündkerze gezündet wird. Hier ist die kurze Auffrischung:
- Ansaughub: Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt Luft und Kraftstoff an.
- Verdichtungshub: Der Kolben bewegt sich nach oben und zerquetscht das Gemisch. Dies erschwert die Explosion, wenn der Funke zündet.
- Krafthub: Die Explosion drückt den Kolben nach unten. Dadurch wird die Kurbelwelle gedreht.
- Ausstoßhub: Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt die verbrannten Reste heraus.
Bei einem Standard-Ottomotor sind hierfür zwei volle Umdrehungen der Kurbelwelle erforderlich. Atkinsons ursprüngliches Design fügte Gestänge hinzu, um alle vier Hübe in nur einer Umdrehung auszuführen. Das allein steigert die Effizienz.
Aber Atkinson hatte eine klügere Idee. Was wäre, wenn Sie das Kraftstoff-Luft-Gemisch weniger verdichten, den Krafthub aber stärker ausdehnen lassen? Weniger Kompression bedeutet, dass Sie weniger Kraftstoff verbrauchen, um die gleiche Arbeit zu leisten. Der Motor wird effizienter.
So funktioniert es physikalisch im Zylinder:
- Das Einlassventil schließt früh. Der Kolben zieht nicht ganz nach unten.
- Sie erhalten eine geringere Luft- und Kraftstoffmenge im Inneren.
- Der Kolben hebt sich und komprimiert die kleinere Ladung.
- Die Zündkerzen zünden es.
- Die resultierende Explosion drückt den Kolben ganz bis zum Boden des Zylinders.
Da der Expansionshub länger ist als der Kompressionshub, gewinnen Sie mehr Energie aus dieser winzigen Menge Kraftstoff. Vier Schläge. Weniger Kraftstoff. Ta da.
Die Power-Strafe
Sie denken wahrscheinlich: Wenn Sie weniger Kraftstoff verbrauchen und weniger verdichten, erhalten Sie weniger Leistung. Du hast recht.
Auch wenn sich der Kolben beim Arbeitstakt weiter bewegt, ist die Anfangsladung so gering, dass die erzeugte Gesamtkraft geringer ist als bei einem hochverdichteten Ottomotor. Es ist ein Kompromiss. Sie gewinnen an thermischer Effizienz, verlieren aber Spitzenleistung.
Dann ist da noch die Hardware. Der ursprüngliche Atkinson-Motor erforderte ein Durcheinander von Federn, vibrierenden Verbindungen und einem glühenden Zündrohr. Der Bau war teuer und der Zusammenbau ein Albtraum. Moderne Ingenieure haben es einfacher. Das Kernprinzip blieb jedoch bestehen: Opfern Sie etwas Spitzenleistung, um eine enorme Effizienz zu erzielen.
Der moderne Atkinson-Zyklusmotor
Schneller Vorlauf in die 1990er Jahre. Toyota kämpft darum, seinen ersten Hybrid, den Prius, rentabel zu machen. Der Motor muss bei niedrigen Drehzahlen effizient laufen, wo herkömmliche Ottomotoren Kraftstoff verschwenden. Der Atkinson-Zyklus mit seinem hohen thermischen Wirkungsgrad war die Antwort.
Aber man kann nicht einfach einen Motor im Stil von 1887 mit einer Million Hebeln und Federn bauen. Sie brauchen etwas Einfacheres.
Betreten Sie den Miller-Zyklus.
Der Miller-Zyklus ist im Wesentlichen ein Atkinson-Zyklusmotor mit modernen Ventilen. Anstelle komplexer mechanischer Verbindungen wird ein frühes Schließen des Einlassventils verwendet. Während sich der Kolben noch nach oben bewegt, bleibt das Ventil geöffnet und drückt einen Teil der Luft wieder heraus. Dadurch wird der gleiche Effekt erzielt: ein kürzerer effektiver Kompressionshub und ein längerer Expansionshub.
Es ist sauberer. Es ist billiger. Und es passt perfekt in das Hybrid-Ökosystem.
Warum ist das für Sie wichtig? Denn der Atkinson-Motor ist der stille Partner bei Ihren Kraftstoffeinsparungen. Es schreit nicht an der roten Ampel. Es braucht keinen Turbolader, um die mangelnde Leistung auszugleichen. Es funktioniert einfach. Ruhig. Effizient.
Das Problem ist, dass Atkinson-Motoren hohe Lasten hassen. Sie sind schlecht darin, stark zu beschleunigen oder abzuschleppen. Deshalb verwenden Hybriden sie. Der Elektromotor übernimmt die leistungshungrigen Aufgaben – Beschleunigung, Steigungen, Überholen. Der Atkinson-Motor übernimmt die Fahrt. Er läuft optimal und verbraucht weniger Kraftstoff als jeder Ottomotor.
Wenn Sie also einen Hybrid mit unglaublichen MPG sehen, denken Sie an den 130 Jahre alten Geist in der Maschine. James Atkinson hat nicht nur einen Motor erfunden. Er erfand eine Möglichkeit, mit weniger mehr zu erreichen. Und in einer Welt, in der es an Öl und Geduld mangelt, ist das die einzige Messgröße, die wirklich zählt.
Aber es gibt einen Haken. Der Atkinson-Zyklus ist nicht perfekt. Bei hohen Drehzahlen hat es Probleme. Es braucht Hilfe. Und hier kommt der Elektromotor ins Spiel. Der Hybrid koppelt nicht nur zwei Antriebsstränge; es entsteht ein neues. Eines, das die Effizienz der Vergangenheit nachahmt und gleichzeitig die Technologie der Zukunft nutzt.
Die Frage ist nicht, ob der Atkinson-Zyklus den Otto-Zyklus ersetzen wird. Es geht darum, ob wir es noch besser machen können. Und das bringt uns zur nächsten Entwicklung. Das variable Kompressionsverhältnis. Die adaptive Ventilsteuerung. Die Zukunft schreibt noch das Drehbuch. Aber das erste Kapitel wurde 1887 in Hampstead geschrieben. Und es wird immer noch gelesen, ein effizienter Kolbenhub nach dem anderen.
现代阿特金森循环发动机看起来与标准奥托循环发动机相同. 丰田大学的戴维·李证实了这一事实. 他指出,普锐斯发动机中没有任何东西是普通汽油发动机中所没有的. 请注意,丰田大学不向公众开放. 在新技术进入经销商之前,它对员工进行培训.
机械变化是内部的. 如今,可变气门正时可以完成这项工作. 它更便宜. 工程设计更容易. Geboren im Jahr 1887.
So funktioniert das späte Schließen des Einlassventils
Der ursprüngliche Atkinson-Motor schloss das Einlassventil frühzeitig. Dadurch wird verhindert, dass ein Teil der Mischung in den Zylinder gelangt. Moderne Motoren funktionieren genau umgekehrt. Das Einlassventil wurde zu lange geöffnet gelassen. Da sich der Kolben beim Kompressionshub nach oben bewegt, entweicht ein Teil des Gemischs. Ingenieure nennen dies verzögertes Schließen des Einlassventils oder LIVC.
Infolgedessen ist das Kompressionsverhältnis niedrig. Die Zündkerze entzündet den restlichen Kraftstoff. Der Kolben führt einen kompletten Krafthub aus. Der Auspuffhub entleert die Kammer. Es ist eine einfache und elegante Lösung für ein 120 Jahre altes Problem.
Materialwissenschaft und Effizienzsteigerungen
Die Effizienzverbesserungen gehen über die Ventilsteuerung hinaus. Ingenieure haben leichtere Materialien entwickelt. Kolben, Ringe und Ventilfedern wiegen jetzt weniger, Kolbenringe und Ventilfedern. Geringeres Gewicht bedeutet weniger Reibung. Dadurch wird auch weniger Energie benötigt, um das Auto zu bewegen.
Ford verwendet im Fusion Hybrid einen DOHC-Motor. Diese Konstruktion ermöglicht eine präzise Steuerung des Ventilprozesses. Leichte Komponenten und eine fortschrittliche Nockenwelle arbeiten zusammen, um aus jeder Gallone Benzin mehr Kilometer herauszuholen.
功率权衡
它的前身也遭受了同样的命运. 大卫·李承认,该发动机在传统汽车中会遇到困难. 它缺乏高速性能所需的强力.
但混合动力并不困难. 他们茁壮成长.
Die Hybrid-Antriebsverbindung
Dem Atkinson-Motor mangelt es an Drehmoment. Nicht für Drag-Racing konzipiert. Elektromotoren können jedoch bereits ab null U/min ein sofortiges Drehmoment liefern. Der Kompromiss ist die Höchstgeschwindigkeit. Elektromotoren können hohe Drehzahlen nicht sehr gut halten. Benzinmotoren eignen sich hervorragend für Fahrten auf der Autobahn.
Hybridingenieure kombinieren diese Vorteile. Stellen Sie es sich wie Schokolade und Erdnussbutter vor. Bei niedrigen Geschwindigkeiten treibt der Elektromotor das Fahrzeug an. Sie bewältigen die schwere Belastung durch Beschleunigung und Stop-and-Go-Verkehr. Der Benzinmotor startet schnell, wenn Sie das Gaspedal betätigen. Der Elektromotor hilft.
Der Atkinson-Motor startet mit etwa 40 Meilen pro Stunde. Es funktioniert fast ausschließlich mit einer kleinen elektrischen Unterstützung. Dadurch können Ingenieure den Motor auf optimale Effizienz abstimmen. Wenn Sie das Pedal betätigen, erhält es Strom aus zwei Quellen. Lee weist darauf hin, dass das System genau das tut, was der Benutzer verlangt.
Lastausgleich und tatsächlicher MPG
Diese Synergie gleicht die Belastung aus. Vollhybridautos wie der Toyota Prius und der Ford Escape haben in der Stadt eine größere Reichweite als auf der Autobahn. Dies kehrt den Standard für die meisten Fahrzeuge um. Beim Fahren in der Stadt sind niedrige Geschwindigkeiten erforderlich. Wiederholtes Starten und Herunterfahren. Die Höchstgeschwindigkeit ist niedrig. Der Elektromotor trägt die meiste Last.
Auf der Autobahn ändern sich die Bedingungen. Sie behalten höhere Geschwindigkeiten bei. Benzinmotoren arbeiten unabhängig. Es fällt ihm schwer, mit dem MPG der Stadt mitzuhalten. Aber in städtischen Umgebungen glänzt der Atkinson-Zyklus.
FAQ: Atkinson Cycle Engines
Was ist ein Atkinson-Zyklus-Motor?
Der Kolben bewegt sich im Zylinder. Der Funke entzündet das Gemisch. Das ursprüngliche Design verwendete eine zusätzliche Pleuelstange für alle vier Hübe einer Umdrehung der Kurbelwelle. Moderne Versionen verwenden eine variable Ventilsteuerung, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
Wie unterscheidet sich der Atkinson-Zyklus vom Otto-Zyklus?
Der Ansaugzyklus schließt Ansaug-, Verdichtungs-, Leistungs- und Abgasansaugung innerhalb von zwei Umdrehungen der Kurbelwelle ab. Der ursprüngliche Atkinson-Motor nutzte ein komplexes Pleuelsystem, um Luft und Kraftstoff effizienter zu komprimieren. Moderne Atkinson-Motoren nutzen heute das verzögerte Schließen des Einlassventils (LIVC), um diesen Effekt zu simulieren.
Warum funktioniert der Atkinson-Zyklus?
Das Saugventil bleibt länger geöffnet. Ein Teil des Gemisches wird während des Kompressionshubs entfernt. Dadurch verringert sich das Kompressionsverhältnis. Der anschließende Krafttakt nutzt die Verbrennung effektiver aus. Der Ausstoßhub entleert den Zylinder.
Ist der Atkinson-Zyklus eine Variante des Otto-Zyklus?
Ja. Hierbei handelt es sich um eine Modifikation, die darauf abzielt, den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. Bei modernen Implementierungen wird dies durch eine präzise Ventilsteuerung anstelle einer mechanischen Verbindung erreicht.
Wo wird diese Technologie eingesetzt?
Wird hauptsächlich in Hybridautos verwendet. Toyota, Ford und andere Hersteller nutzen es, um den Kraftstoffverbrauch ihrer benzinelektrischen Antriebe zu maximieren.
