I motori erano rumorosi. Diventavano più grandi, più veloci e più cattivi con il passare dei decenni, eruttando gas di scarico come un drago arrabbiato a guardia del suo tesoro. Almeno, questa è l’immagine venduta dal ragazzo con le gomme larghe e le fiamme aerografate. Ma da qualche parte nel ventesimo secolo, ci siamo resi conto che quelle macchine sputafuoco stavano uccidendo molto più che semplici avversari di drag racing. Lo smog stava soffocando le città. Il clima stava cambiando. Stavamo trasformando la Contea in Mordor.
Allora, chi è venuto a salvarci? Chi ha brandito la spada della scienza per domare questi divoratori di gas? Non era un moderno genio della Silicon Valley. Era James Atkinson di Hampstead, Middlesex, Inghilterra. Nel 1887.
Sì, il fondamento della moderna tecnologia dei motori ecologici risale agli albori dell’era automobilistica. Il motore a ciclo Atkinson fu brevettato negli Stati Uniti nel 1887, a seguito di precedenti domande depositate nel Regno Unito e in Europa. Sembra assurdo che le corse irregolari dei pistoni di un motore a benzina dell’epoca vittoriana si adattino perfettamente ai sistemi ibridi di oggi. Ma per capire perché il motore a ciclo Atkinson è ormai ovunque negli ibridi, dobbiamo tornare alla fonte.
La meccanica dell’efficienza
Il brevetto statunitense di Atkinson, numero 367.496, è una lettura secca. Si tratta di circa mille parole di testo legalistico e di alcuni diagrammi utili. Puoi leggerlo, oppure puoi semplicemente capirne i meccanismi, che sono molto meno noiosi.
La maggior parte delle auto oggi funziona con il ciclo Otto. È un processo a quattro tempi in cui un pistone si muove su e giù in un cilindro, acceso da una candela. Ecco il rapido aggiornamento:
- Colpo di aspirazione: Il pistone si abbassa, aspirando aria e carburante.
- Colpo di compressione: Il pistone si muove verso l’alto, schiacciando la miscela. Ciò rende l’esplosione più difficile quando scocca la scintilla.
- Colpo di potenza: L’esplosione spinge il pistone verso il basso. Questo fa girare l’albero motore.
- Colpo di scarico: Il pistone si muove nuovamente verso l’alto, spingendo fuori i residui bruciati.
In un motore Otto standard, ciò richiede due rotazioni complete dell’albero motore. Il design originale di Atkinson aggiungeva collegamenti per completare tutte e quattro le corse in una sola rotazione. Solo questo aumenta l’efficienza.
Ma Atkinson ebbe un’idea più intelligente. Cosa succede se comprimi meno la miscela aria-carburante, ma lascia che la corsa di potenza si espanda di più? Una minore compressione significa utilizzare meno carburante per ottenere lo stesso lavoro. Il motore diventa più efficiente.
Ecco come funziona fisicamente nel cilindro:
- La valvola di aspirazione si chiude anticipatamente. Il pistone non scende completamente.
- All’interno ottieni una minore quantità di aria e carburante.
- Il pistone si solleva, comprimendo la carica più piccola.
- Le candele lo accendono.
- L’esplosione risultante spinge il pistone verso il basso fino in fondo fino al fondo del cilindro.
Poiché la corsa di espansione è più lunga della corsa di compressione, si estrae più energia da quel pezzettino di carburante. Quattro colpi. Meno carburante. Ta da.
La penalità di potenza
Probabilmente starai pensando: se usi meno carburante e comprimi meno, ottieni meno potenza. Hai ragione.
Anche se il pistone si sposta ulteriormente durante la corsa di potenza, la carica iniziale è così piccola che la forza totale generata è inferiore rispetto a quella di un motore Otto ad alta compressione. È un compromesso. Ottieni efficienza termica, ma perdi potenza di picco.
Poi c’è l’hardware. Il motore Atkinson originale richiedeva un pasticcio di molle, collegamenti vibranti e un tubo di accensione rovente. Era costoso da costruire e un incubo da assemblare. Per gli ingegneri moderni è più facile. Ma il principio fondamentale rimaneva: sacrificare parte della potenza di picco per ottenere un’enorme efficienza.
Il moderno motore a ciclo Atkinson
Avanti veloce fino agli anni ’90. La Toyota sta lottando per rendere praticabile la sua prima ibrida, la Prius. Il motore deve funzionare in modo efficiente a basse velocità, dove i tradizionali motori Otto sprecano carburante. La risposta è stata il ciclo Atkinson, con la sua elevata efficienza termica.
Ma non puoi semplicemente costruire un motore in stile 1887 con un milione di leve e molle. Hai bisogno di qualcosa di più semplice.
Entra nel ciclo Miller.
Il ciclo Miller è essenzialmente un motore a ciclo Atkinson costruito con valvole moderne. Invece di complessi collegamenti meccanici, utilizza la chiusura anticipata della valvola di aspirazione. La valvola rimane aperta mentre il pistone si sta ancora muovendo verso l’alto, spingendo fuori parte dell’aria. In questo modo si ottiene lo stesso effetto: una corsa di compressione effettiva più breve e una corsa di espansione più lunga.
È più pulito. È più economico. E si inserisce perfettamente nell’ecosistema ibrido.
Perché è importante per te? Perché il motore a ciclo Atkinson è il partner silenzioso nel tuo risparmio di carburante. Non urla al semaforo rosso. Non ha bisogno di un turbocompressore per compensare la sua mancanza di potenza. Funziona e basta. In silenzio. In modo efficiente.
Il problema è che i motori Atkinson odiano i carichi elevati. Sono terribili nell’accelerare con forza o nel trainare. Ecco perché gli ibridi li usano. Il motore elettrico gestisce le cose assetate di potenza: accelerazione, salite, sorpassi. Il motore Atkinson gestisce la crociera. Funziona al suo punto giusto, bruciando meno carburante di quanto potrebbe fare qualsiasi motore Otto.
Quindi, quando vedi un ibrido che rivendica un MPG incredibile, ricorda il fantasma di 130 anni nella macchina. James Atkinson non ha semplicemente inventato un motore. Ha inventato un modo per fare di più con meno. E in un mondo a corto di petrolio e pazienza, questo è l’unico parametro che conta davvero.
Ma c’è un problema. Il ciclo Atkinson non è perfetto. Fa fatica ad alti regimi. Ha bisogno di aiuto. Ed è qui che entra in gioco il motore elettrico. L’ibrido non si limita ad accoppiare due propulsori; ne crea uno nuovo. Uno che imita l’efficienza del passato utilizzando la tecnologia del futuro.
La domanda non è se il ciclo Atkinson sostituirà il ciclo Otto. La questione è se possiamo renderlo ancora migliore. E questo ci porta alla prossima evoluzione. Il rapporto di compressione variabile. La fasatura adattiva della valvola. Il futuro sta ancora scrivendo la sceneggiatura. Ma il primo capitolo fu scritto a Hampstead, nel 1887. E viene ancora letto, un efficiente colpo di pistone alla volta.
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。 Per favore, 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。 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。
Come funziona la chiusura tardiva della valvola di aspirazione
Il motore Atkinson originale chiudeva anticipatamente la valvola di aspirazione. Ciò impedisce che parte della miscela entri nel cilindro. I motori moderni funzionano esattamente al contrario. La valvola di aspirazione è rimasta aperta troppo a lungo. Quando il pistone si muove verso l’alto durante la corsa di compressione, parte della miscela fuoriesce. Gli ingegneri chiamano questa chiusura ritardata della valvola di aspirazione o LIVC.
Di conseguenza, il rapporto di compressione è basso. La candela accende il carburante rimanente. Il pistone esegue una corsa di potenza completa. La corsa di scarico svuota la camera. È una soluzione semplice ed elegante a un problema vecchio di 120 anni.
Scienza dei materiali e guadagni di efficienza
I miglioramenti in termini di efficienza si estendono oltre la fasatura delle valvole. Gli ingegneri hanno sviluppato materiali più leggeri. Pistoni, fasce elastiche e molle delle valvole ora pesano meno, fasce elastiche e molle delle valvole. Un peso più leggero significa meno attrito. Ciò significa anche che è necessaria meno energia per spostare l’auto.
Ford utilizza un motore DOHC nella Fusion Hybrid. Questo design consente un controllo preciso del processo della valvola. Componenti leggeri e un albero a camme avanzato lavorano insieme per spremere più miglia da ogni litro di gas.
功率权衡
有一个问题。 现代阿特金森循环发动机产生的功率较少”). 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。
Il matrimonio del propulsore ibrido
Il motore Atkinson manca di coppia. Non progettato per le gare di resistenza. Tuttavia, i motori elettrici possono fornire una coppia istantanea a partire da zero giri/min. Il compromesso è la massima velocità. I motori elettrici non riescono a mantenere molto bene le alte velocità. I motori a benzina sono eccellenti per la navigazione in autostrada.
Gli ingegneri ibridi combinano questi vantaggi. Pensalo come cioccolato e burro di arachidi. A basse velocità, il motore elettrico alimenta il veicolo. Gestiscono il carico pesante dell’accelerazione e del traffico stop-and-go. Il motore a benzina si avvia rapidamente quando si preme il pedale dell’acceleratore. Il motore elettrico aiuta.
Il motore Atkinson si avvia a circa 40 miglia all’ora. Funziona quasi interamente con una piccola assistenza elettrica. Ciò consente agli ingegneri di mettere a punto il motore per un’efficienza ottimale. Quando premi il pedale, riceve energia da due fonti. Lee sottolinea che il sistema fa esattamente ciò che l’utente chiede.
Bilanciamento del carico e MPG effettivo
Questa sinergia bilancia il carico. Le auto completamente ibride come la Toyota Prius e la Ford Escape hanno un’autonomia maggiore in città che in autostrada. Ciò inverte lo standard per la maggior parte dei veicoli. Guidare in città richiede velocità basse. Avvio e spegnimento ripetuti. La velocità massima è bassa. Il motore elettrico trasporta la maggior parte del carico.
In autostrada le condizioni cambiano. Mantieni velocità più elevate. I motori a benzina funzionano in modo indipendente. fatica a eguagliare il mpg della città. Ma negli ambienti urbani il ciclo Atkinson brilla.
Domande frequenti: motori a ciclo Atkinson
Cos’è un motore a ciclo Atkinson?
Il pistone si muove all’interno del cilindro. La scintilla accende la miscela. Il progetto originale utilizzava una biella aggiuntiva per tutte e quattro le corse di un giro dell’albero motore. Le versioni moderne utilizzano la fasatura variabile delle valvole per ottenere risultati simili.
In cosa differisce il ciclo Atkinson dal ciclo Otto?
Il ciclo di aspirazione completa l’aspirazione, la compressione, la potenza e l’aspirazione dei gas di scarico entro due giri dell’albero motore. Il motore Atkinson originale utilizzava un complesso sistema di bielle per comprimere l’aria e il carburante in modo più efficiente. I moderni motori Atkinson ora utilizzano la chiusura ritardata della valvola di aspirazione (LIVC) per simulare questo effetto.
Perché il ciclo Atkinson funziona?
La valvola di aspirazione rimane aperta più a lungo. Parte della miscela viene rimossa durante la corsa di compressione. Ciò riduce il rapporto di compressione. La successiva corsa di potenza utilizza la combustione in modo più efficace. La corsa di scarico svuota il cilindro.
Il ciclo Atkinson è una variante del ciclo Otto?
Sì. Si tratta di una modifica che mira a migliorare l’efficienza termica. Con le implementazioni moderne, ciò si ottiene attraverso una fasatura precisa delle valvole anziché un collegamento meccanico.
Dove viene utilizzata questa tecnologia?
Utilizzato principalmente nelle auto ibride. Toyota, Ford e altri produttori lo utilizzano per massimizzare il risparmio di carburante dei loro propulsori benzina-elettrici.
