Les moteurs étaient bruyants. Ils devenaient plus grands, plus rapides et plus méchants au fil des décennies, crachant leur épuisement comme un dragon en colère gardant son trésor. Du moins, c’est l’image vendue par le gars aux pneus larges et aux flammes à l’aérographe. Mais quelque part au XXe siècle, nous avons réalisé que ces machines cracheuses de feu tuaient bien plus que de simples adversaires de courses d’accélération. Le smog étouffait les villes. Le climat changeait. Nous transformions la Comté en Mordor.
Alors, qui est venu nous sauver ? Qui a brandi l’épée de la science pour apprivoiser ces énergivores ? Ce n’était pas un génie moderne de la Silicon Valley. C’était James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Angleterre. En 1887.
Oui, le fondement de la technologie moderne des moteurs verts vient de l’aube de l’ère automobile. Le moteur à cycle Atkinson a été breveté aux États-Unis en 1887, à la suite de dépôts antérieurs au Royaume-Uni et en Europe. Il semble absurde que les courses inégales des pistons d’un moteur à essence de l’ère victorienne s’intègrent parfaitement dans les systèmes hybrides d’aujourd’hui. Mais pour comprendre pourquoi le moteur à cycle Atkinson est désormais partout dans les hybrides, il faut remonter à la source.
La mécanique de l’efficacité
Le brevet américain d’Atkinson, numéro 367 496, est une lecture aride. Il s’agit d’environ mille mots de texte légaliste et de quelques diagrammes utiles. Vous pouvez le lire, ou simplement comprendre les mécanismes, qui sont beaucoup moins fastidieux.
Aujourd’hui, la plupart des voitures fonctionnent selon le cycle Otto. Il s’agit d’un processus à quatre temps dans lequel un piston monte et descend dans un cylindre, enflammé par une bougie d’allumage. Voici le rappel rapide :
- Course d’admission : Le piston descend, aspirant l’air et le carburant.
- Course de compression : Le piston monte, écrasant le mélange. Cela rend l’explosion plus difficile lorsque l’étincelle se déclenche.
- Course motrice : L’explosion force le piston vers le bas. Cela fait tourner le vilebrequin.
- Course d’échappement : Le piston remonte, repoussant les restes brûlés.
Dans un moteur Otto standard, cela nécessite deux tours complets du vilebrequin. La conception originale d’Atkinson ajoutait des liaisons pour effectuer les quatre courses en une seule rotation. Cela seul augmente l’efficacité.
Mais Atkinson a eu une idée plus intelligente. Que se passe-t-il si vous comprimez moins le mélange air-carburant, mais laissez la course motrice se développer davantage ? Moins de compression signifie que vous utilisez moins de carburant pour réaliser le même travail. Le moteur devient plus efficace.
Voici comment cela fonctionne physiquement dans le cylindre :
- La soupape d’admission se ferme prématurément. Le piston ne descend pas complètement.
- Vous obtenez une plus petite charge d’air et de carburant à l’intérieur.
- Le piston monte, comprimant cette plus petite charge.
- Les bougies l’allument.
- L’explosion qui en résulte pousse le piston jusqu’au fond du cylindre.
Étant donné que la course d’expansion est plus longue que la course de compression, vous extrayez plus d’énergie de ce petit morceau de carburant. Quatre coups. Moins de carburant. Ta da.
La pénalité de puissance
Vous pensez probablement : si vous utilisez moins de carburant et compressez moins, vous obtenez moins de puissance. Vous avez raison.
Même si le piston se déplace plus loin pendant la course motrice, la charge initiale est si faible que la force totale générée est inférieure à celle d’un moteur Otto à haute compression. C’est un compromis. Vous gagnez en efficacité thermique, mais vous perdez la puissance maximale.
Ensuite, il y a le matériel. Le moteur Atkinson d’origine nécessitait un fouillis de ressorts, de liens vibrants et un tube d’allumage chauffé au rouge. C’était coûteux à construire et un cauchemar à assembler. Les ingénieurs modernes ont la tâche plus facile. Mais le principe de base demeure : sacrifier une certaine puissance de pointe pour gagner en efficacité.
Le moteur à cycle Atkinson moderne
Avance rapide jusqu’aux années 1990. Toyota a du mal à rendre viable sa première hybride, la Prius. Le moteur doit fonctionner efficacement à bas régime, là où les moteurs Otto traditionnels gaspillent du carburant. Le cycle Atkinson, avec son rendement thermique élevé, était la solution.
Mais on ne peut pas simplement construire un moteur de type 1887 avec un million de leviers et de ressorts. Vous avez besoin de quelque chose de plus simple.
Entrez dans le cycle de Miller.
Le cycle Miller est essentiellement un moteur à cycle Atkinson construit avec des soupapes modernes. Au lieu de liaisons mécaniques complexes, il utilise une fermeture précoce des soupapes d’admission. La valve reste ouverte pendant que le piston continue de monter, repoussant une partie de l’air vers l’extérieur. Cela permet d’obtenir le même effet : une course de compression efficace plus courte et une course d’expansion plus longue.
C’est plus propre. C’est moins cher. Et cela s’intègre parfaitement dans l’écosystème hybride.
Pourquoi est-ce important pour vous ? Parce que le moteur à cycle Atkinson est le partenaire silencieux de vos économies de carburant. Il ne crie pas aux feux rouges. Il n’a pas besoin d’un turbocompresseur pour compenser son manque de puissance. Cela fonctionne. Tranquillement. Efficacement.
Le problème est que les moteurs Atkinson détestent les charges élevées. Ils sont terribles pour accélérer brusquement ou remorquer. C’est pourquoi les hybrides les utilisent. Le moteur électrique gère les tâches gourmandes en énergie : accélération, côtes, dépassements. Le moteur Atkinson gère la croisière. Il fonctionne à son point idéal, brûlant moins de carburant que n’importe quel moteur Otto.
Ainsi, lorsque vous voyez un hybride revendiquer un MPG incroyable, souvenez-vous du fantôme vieux de 130 ans dans la machine. James Atkinson n’a pas seulement inventé un moteur. Il a inventé une façon de faire plus avec moins. Et dans un monde à court de pétrole et de patience, c’est la seule mesure qui compte vraiment.
Mais il y a un piège. Le cycle d’Atkinson n’est pas parfait. Il a du mal à des régimes élevés. Il a besoin d’aide. Et c’est là que le moteur électrique entre en jeu. L’hybride ne se contente pas d’associer deux groupes motopropulseurs ; cela en crée un nouveau. Une solution qui imite l’efficacité du passé tout en utilisant la technologie du futur.
La question n’est pas de savoir si le cycle d’Atkinson remplacera le cycle d’Otto. Il s’agit de savoir si nous pouvons le rendre encore meilleur. Et cela nous amène à la prochaine évolution. Le taux de compression variable. Le calage adaptatif des soupapes. L’avenir est encore en train d’écrire le scénario. Mais le premier chapitre a été écrit à Hampstead, en 1887. Et il est toujours lu, un coup de piston efficace à la fois.
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。 您不会发现外壳或外部组件有什么不同。 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。 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。 早期的阿特金森设计使用复杂的连杆来调整曲轴的位置。 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。 目标与 1887 年相同。
Comment fonctionne la fermeture tardive des soupapes d’admission
Le moteur Atkinson d’origine a fermé la soupape d’admission plus tôt. Cela empêche une partie du mélange de pénétrer dans le cylindre. Les moteurs modernes fonctionnent exactement à l’opposé. La soupape d’admission est restée ouverte trop longtemps. Lorsque le piston monte avec la course de compression, une partie du mélange s’échappe. Les ingénieurs appellent cela la fermeture retardée des soupapes d’admission, ou LIVC.
En conséquence, le taux de compression est faible. La bougie d’allumage enflamme le carburant restant. Le piston effectue une course motrice complète. La course d’échappement vide la chambre. C’est une solution simple et élégante à un problème vieux de 120 ans.
Science des matériaux et gains d’efficacité
Les améliorations d’efficacité vont au-delà du calage des soupapes. Les ingénieurs ont développé des matériaux plus légers. Les pistons, segments et ressorts de soupape pèsent désormais moins, les segments de piston et les ressorts de soupape. Un poids plus léger signifie moins de friction. Cela signifie également que moins d’énergie est nécessaire pour déplacer la voiture.
Ford utilise un moteur DACT dans la Fusion Hybrid. Cette conception permet un contrôle précis du processus de vanne. Des composants légers et un arbre à cames avancé fonctionnent ensemble pour réduire davantage de kilomètres avec chaque gallon d’essence.
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。
Le mariage du groupe motopropulseur hybride
Le moteur Atkinson manque de couple. Non conçu pour les courses de dragsters. Cependant, les moteurs électriques peuvent fournir un couple instantané à partir de zéro tr/min. Le compromis est la vitesse maximale. Les moteurs électriques ne peuvent pas très bien maintenir des vitesses élevées. Les moteurs à essence sont excellents pour les croisières sur autoroute.
Les ingénieurs hybrides combinent ces avantages. Pensez-y comme au chocolat et au beurre de cacahuète. À basse vitesse, le moteur électrique propulse le véhicule. Ils gèrent le gros du travail que sont les accélérations et les embouteillages. Le moteur à essence démarre rapidement lorsque vous appuyez sur la pédale d’accélérateur. Le moteur électrique aide.
Le moteur Atkinson démarre à environ 40 miles par heure. Il fonctionne presque entièrement avec une petite assistance électrique. Cela permet aux ingénieurs de régler le moteur pour une efficacité optimale. Lorsque vous appuyez sur la pédale, l’alimentation provient de deux sources. Lee souligne que le système fait exactement ce que l’utilisateur demande.
Équilibrage de charge et MPG réel
Cette synergie équilibre la charge. Les voitures entièrement hybrides comme la Toyota Prius et le Ford Escape ont une autonomie plus longue en ville que sur l’autoroute. Cela inverse la norme pour la plupart des véhicules. Conduire en ville nécessite des vitesses faibles. Démarrage et arrêt répétés. La vitesse de pointe est faible. Le moteur électrique supporte la majeure partie de la charge.
Sur l’autoroute, les conditions changent. Vous maintenez des vitesses plus élevées. Les moteurs à essence fonctionnent de manière indépendante. Il a du mal à égaler le MPG de la ville. Mais en milieu urbain, le cycle Atkinson brille.
FAQ : Moteurs à cycle Atkinson
Qu’est-ce qu’un moteur à cycle Atkinson ?
Le piston se déplace à l’intérieur du cylindre. L’étincelle enflamme le mélange. La conception originale utilisait une bielle supplémentaire pour les quatre temps d’un tour du vilebrequin. Les versions modernes utilisent un calage variable des soupapes pour obtenir des résultats similaires.
En quoi le cycle d’Atkinson diffère-t-il du cycle d’Otto ?
Le cycle d’admission complète l’admission, la compression, la puissance et l’admission des gaz d’échappement en deux tours de vilebrequin. Le moteur Atkinson d’origine utilisait un système de bielle complexe pour comprimer l’air et le carburant plus efficacement. Les moteurs Atkinson modernes utilisent désormais la fermeture retardée des soupapes d’admission (LIVC) pour simuler cet effet.
Pourquoi le cycle Atkinson fonctionne-t-il ?
La soupape d’aspiration reste ouverte plus longtemps. Une partie du mélange est éliminée pendant la course de compression. Cela réduit le taux de compression. Le coup de moteur ultérieur utilise la combustion plus efficacement. La course d’échappement vide le cylindre.
Le cycle d’Atkinson est-il une variante du cycle d’Otto ?
Oui. Il s’agit d’une modification qui vise à améliorer l’efficacité thermique. Avec les mises en œuvre modernes, ceci est réalisé grâce à un calage précis des soupapes au lieu d’une liaison mécanique.
Où cette technologie est-elle utilisée ?
Principalement utilisé dans les voitures hybrides. Toyota, Ford et d’autres constructeurs l’utilisent pour maximiser l’économie de carburant de leurs centrales essence-électriques.
