Vroeger waren motoren luidruchtig. Ze werden met elk voorbijgaand decennium groter, sneller en gemener, terwijl ze uitlaatgassen uitbraakten als een boze draak die zijn schat bewaakt. Tenminste, dat is het beeld dat wordt verkocht door de man met de brede banden en de airbrush-vlammen. Maar ergens in de twintigste eeuw beseften we dat die vuurspuwende machines meer doodden dan alleen maar dragrace-tegenstanders. De smog verstikte steden. Het klimaat veranderde. We veranderden de Gouw in Mordor.
Dus wie kwam ons redden? Wie hanteerde het zwaard van de wetenschap om deze benzineslurpers te temmen? Het was geen modern genie uit Silicon Valley. Het was James Atkinson uit Hampstead, Middlesex, Engeland. In 1887.
Ja, de basis van de moderne groene motortechnologie stamt uit het begin van het autotijdperk. De Atkinson-cyclusmotor werd in 1887 in de Verenigde Staten gepatenteerd, na eerdere indieningen in Groot-Brittannië en Europa. Het lijkt absurd dat de ongelijke zuigerslagen van een benzinemotor uit het Victoriaanse tijdperk perfect passen in de hedendaagse hybride systemen. Maar om te begrijpen waarom de Atkinson-cyclusmotor tegenwoordig overal in hybrides aanwezig is, moeten we teruggaan naar de bron.
De mechanismen van efficiëntie
Het Amerikaanse patent van Atkinson, nummer 367.496, is droog gelezen. Het zijn ongeveer duizend woorden aan legalistische tekst en enkele nuttige diagrammen. Je kunt het lezen, of je kunt gewoon de werking begrijpen, die veel minder vervelend is.
De meeste auto’s rijden tegenwoordig op de Otto-cyclus. Het is een viertaktproces waarbij een zuiger in een cilinder op en neer beweegt, ontstoken door een bougie. Hier is de snelle opfrisser:
- Inlaatslag: De zuiger beweegt naar beneden en zuigt lucht en brandstof aan.
- Compressieslag: De zuiger beweegt omhoog en drukt het mengsel plat. Dit maakt de explosie harder wanneer de vonk ontsteekt.
- Krachtslag: De explosie dwingt de zuiger naar beneden. Hierdoor draait de krukas.
- Uitlaatslag: De zuiger beweegt weer omhoog en duwt de verbrande restjes naar buiten.
Bij een standaard Otto-motor zijn hiervoor twee volledige omwentelingen van de krukas nodig. Het originele ontwerp van Atkinson voegde koppelingen toe om alle vier de slagen in slechts één rotatie te voltooien. Dat alleen al vergroot de efficiëntie.
Maar Atkinson had een slimmer idee. Wat als je het brandstof-luchtmengsel minder comprimeert, maar de krachtslag meer laat uitzetten? Minder compressie betekent dat u minder brandstof gebruikt om hetzelfde werk te doen. De motor wordt efficiënter.
Hier is hoe het fysiek werkt in de cilinder:
- De inlaatklep sluit vroeg. De zuiger trekt niet helemaal naar beneden.
- Je krijgt een kleinere hoeveelheid lucht en brandstof binnenin.
- De zuiger gaat omhoog en comprimeert die kleinere lading.
- De bougies ontsteken hem.
- De resulterende explosie duwt de zuiger helemaal naar de bodem van de cilinder.
Doordat de expansieslag langer is dan de compressieslag, haal je meer energie uit dat kleine beetje brandstof. Vier slagen. Minder brandstof. Ta da.
De machtsstraf
Je denkt waarschijnlijk: als je minder brandstof verbruikt en minder comprimeert, krijg je minder vermogen. Je hebt gelijk.
Hoewel de zuiger tijdens de arbeidsslag verder beweegt, is de initiële lading zo klein dat de totale gegenereerde kracht lager is dan bij een Otto-motor met hoge compressie. Het is een afweging. U wint thermisch rendement, maar u verliest piekvermogen.
Dan is er de hardware. De originele Atkinson-motor vereiste een wirwar van veren, trillende schakels en een gloeiend hete ontstekingsbuis. Het was duur om te bouwen en een nachtmerrie om te monteren. Moderne ingenieurs hebben het gemakkelijker. Maar het kernprincipe bleef: wat piekvermogen opofferen om enorme efficiëntie te bereiken.
De moderne Atkinson-cyclusmotor
Snel vooruit naar de jaren negentig. Toyota heeft moeite om zijn eerste hybride, de Prius, levensvatbaar te maken. De motor moet efficiënt draaien bij lage snelheden, waar traditionele Otto-motoren brandstof verspillen. De Atkinson-cyclus, met zijn hoge thermische efficiëntie, was het antwoord.
Maar je kunt niet zomaar een motor in 1887-stijl bouwen met een miljoen hendels en veren. Je hebt iets eenvoudigers nodig.
Voer de Miller-cyclus in.
De Miller-cyclus is in wezen een Atkinson-cyclusmotor, gebouwd met moderne kleppen. In plaats van complexe mechanische verbindingen wordt er gebruik gemaakt van vroegtijdige sluiting van de inlaatkleppen. De klep blijft open terwijl de zuiger nog steeds omhoog beweegt, waardoor een deel van de lucht weer naar buiten wordt gedrukt. Hiermee wordt hetzelfde effect bereikt: een kortere effectieve compressieslag en een langere expansieslag.
Het is schoner. Het is goedkoper. En het past perfect in het hybride ecosysteem.
Waarom is dit voor jou belangrijk? Omdat de Atkinson-cyclusmotor de stille partner is in uw brandstofbesparing. Hij schreeuwt niet bij de rode lichten. Er is geen turbocompressor nodig om het gebrek aan vermogen te compenseren. Het werkt gewoon. Rustig. Efficiënt.
Het probleem is dat Atkinson-motoren een hekel hebben aan hoge belastingen. Ze zijn verschrikkelijk in hard accelereren of slepen. Dat is de reden waarom hybriden ze gebruiken. De elektromotor zorgt voor de energievretende dingen: accelereren, heuvels, passeren. De Atkinson-motor zorgt voor het cruisen. Hij draait op zijn goede plek en verbruikt minder brandstof dan welke Otto-motor dan ook.
Dus als je een hybride ziet die ongelooflijke MPG claimt, denk dan aan de 130 jaar oude geest in de machine. James Atkinson heeft niet alleen een motor uitgevonden. Hij heeft een manier bedacht om meer te doen met minder. En in een wereld waarin de olie en het geduld opraken, is dat de enige maatstaf die er echt toe doet.
Maar er zit een addertje onder het gras. De Atkinson-cyclus is niet perfect. Het worstelt bij hoge toerentallen. Het heeft hulp nodig. En dat is waar de elektromotor in beeld komt. De hybride combineert niet alleen twee aandrijflijnen; het creëert een nieuwe. Eén die de efficiëntie van het verleden nabootst en tegelijkertijd de technologie van de toekomst gebruikt.
De vraag is niet of de Atkinson-cyclus de Otto-cyclus zal vervangen. Het gaat erom of we het nog beter kunnen maken. En dat brengt ons bij de volgende evolutie. De variabele compressieverhouding. De adaptieve kleptiming. De toekomst schrijft nog steeds het script. Maar het eerste hoofdstuk werd in 1887 in Hampstead geschreven. En het wordt nog steeds gelezen, met efficiënte zuigerslag tegelijk.
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。 Ik denk dat het een goed idee is om dit te doen. 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。 1887 年相同。
Hoe late sluiting van de inlaatklep werkt
De originele Atkinson-motor sloot de inlaatklep vroeg. Hierdoor wordt voorkomen dat een deel van het mengsel in de cilinder terechtkomt. Moderne motoren werken precies het tegenovergestelde. De inlaatklep heeft te lang open gestaan. Terwijl de zuiger tijdens de compressieslag omhoog beweegt, ontsnapt een deel van het mengsel. Ingenieurs noemen dit vertraagde sluiting van de inlaatklep, of LIVC.
Als gevolg hiervan is de compressieverhouding laag. De bougie ontsteekt de resterende brandstof. De zuiger voert een volledige krachtslag uit. De uitlaatslag maakt de kamer leeg. Het is een eenvoudige en elegante oplossing voor een 120 jaar oud probleem.
Materiaalwetenschap en efficiëntiewinsten
De efficiëntieverbeteringen reiken verder dan de kleptiming. Ingenieurs hebben lichtere materialen ontwikkeld. Zuigers, ringen en klepveren wegen nu minder, zuigerveren en klepveren. Lichter gewicht betekent minder wrijving. Dit betekent ook dat er minder energie nodig is om de auto te verplaatsen.
Ford gebruikt een DOHC-motor in de Fusion Hybrid. Dit ontwerp maakt nauwkeurige controle van het klepproces mogelijk. Lichtgewicht componenten en een geavanceerde nokkenas werken samen om meer kilometers uit elke liter benzine te persen.
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。 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。
Het hybride aandrijflijnhuwelijk
De Atkinson-motor mist koppel. Niet ontworpen voor dragracen. Elektromotoren kunnen echter direct koppel leveren vanaf nul toeren per minuut. De wisselwerking is topsnelheid. Elektromotoren kunnen hoge snelheden niet zo goed aanhouden. Benzinemotoren zijn uitstekend geschikt voor cruisen op de snelweg.
Hybride ingenieurs combineren deze voordelen. Zie het als chocolade en pindakaas. Bij lage snelheden drijft de elektromotor het voertuig aan. Ze kunnen het zware werk van het acceleratie- en stop-en-go-verkeer aan. De benzinemotor start snel als je het gaspedaal indrukt. De elektromotor helpt.
De Atkinson-motor slaat aan bij een snelheid van ongeveer 65 kilometer per uur. Het werkt vrijwel geheel met een kleine elektrische ondersteuning. Hierdoor kunnen ingenieurs de motor afstemmen voor optimale efficiëntie. Wanneer u het pedaal indrukt, krijgt het stroom uit twee bronnen. Lee wijst erop dat het systeem precies doet wat de gebruiker vraagt.
Load-balancing en daadwerkelijke MPG
Deze synergie brengt de belasting in evenwicht. Full hybride auto’s als de Toyota Prius en Ford Escape hebben in de stad een grotere actieradius dan op de snelweg. Dit keert de standaard voor de meeste voertuigen om. Rijden in de stad vereist lage snelheden. Herhaaldelijk opstarten en afsluiten. De topsnelheid is laag. De elektromotor draagt het grootste deel van de belasting.
Op de snelweg veranderen de omstandigheden. Je houdt hogere snelheden aan. Benzinemotoren werken onafhankelijk. Het heeft moeite om de MPG van de stad te evenaren. Maar in stedelijke omgevingen schittert de Atkinson-cyclus.
Veelgestelde vragen: Atkinson-cyclusmotoren
Wat is een Atkinson-cyclusmotor?
De zuiger beweegt in de cilinder. De vonk doet het mengsel ontbranden. Het oorspronkelijke ontwerp gebruikte een extra drijfstang voor alle vier slagen van één omwenteling van de krukas. Moderne versies gebruiken variabele kleptiming om vergelijkbare resultaten te bereiken.
Waarin verschilt de Atkinson-cyclus van de Otto-cyclus?
De inlaatcyclus voltooit de inlaat, compressie, kracht en uitlaatgasinlaat binnen twee omwentelingen van de krukas. De originele Atkinson-motor maakte gebruik van een complex drijfstangsysteem om lucht en brandstof efficiënter te comprimeren. Moderne Atkinson-motoren gebruiken nu vertraagde inlaatklepsluiting (LIVC) om dit effect te simuleren.
Waarom werkt de Atkinson-cyclus?
De zuigklep blijft langer open. Tijdens de compressieslag wordt een deel van het mengsel verwijderd. Hierdoor wordt de compressieverhouding verminderd. Bij de daaropvolgende arbeidsslag wordt de verbranding effectiever benut. Door de uitlaatslag wordt de cilinder leeggemaakt.
Is de Atkinson-cyclus een variant van de Otto-cyclus?
Ja. Dit is een wijziging die tot doel heeft de thermische efficiëntie te verbeteren. Bij moderne implementaties wordt dit bereikt door nauwkeurige kleptiming in plaats van een mechanische koppeling.
Waar wordt deze technologie gebruikt?
Wordt voornamelijk gebruikt in hybride auto’s. Toyota, Ford en andere fabrikanten gebruiken het om het brandstofverbruik van hun benzine-elektrische krachtcentrales te maximaliseren.
