Hvordan en Atkinson Cycle Engine fungerer

Toyota Prius C-hybriden i 2012 ble introdusert under en forhåndsvisning av pressen på North American International Auto Show på COBO Center 10. januar 2012 i Detroit, Mich. Bill Pugliano / Getty Images

I over hundre år ble motorene større, raskere og mindre, med mer hestekrefter og dreiemoment. Eksos strammet fra rørene som en drage vekket fra søvnen for å bruse mot potensielle tyver i skatten. I det minste er det hva karen med brede dekk og den luftbørste flammejobben vil at du skal tenke.

Så kom det tjuende århundre, da vi innså at brann-pustende motorer drepte mer enn røde lysmotstander. Det viser seg at alt det som skvatt var å endre klimaet og skape ekkel smog. For mange drager gjorde planeten mer lik Mordor enn Shire.

Hvem kan redde oss fra disse eksosbelastende drager? Hvem kan temme deres gass-guzzling måter med sitt sverd av vitenskap og teknikk? Hvem bærer den ene ringen med drivstoffeffektivitet? En mann: James Atkinson fra Hampstead, Middlesex, England. Også av 1887.

Det er riktig - det siste innen grønn motorteknologi kommer fra bilagets tid. Atkinson-syklusmotoren ble patentert i USA i 1887 (Atkinson inngav for U.K. og europeiske patenter et par år tidligere). Men de ujevne stempelene i stempelet i hans bensindrevne forbrenningsmotor passer våre moderne hybridsystemer ganske pent.

Atkinson-syklusmotoren som brukes i så mange hybrider i disse dager fungerer etter samme prinsipp som originalen - med den åpenbare fordelen med et århundre med teknologiske fremskritt. Men for å forstå hvor vi er i dag, må vi først vite hvor vi har vært. Still inn tidsmaskinen din for 1887!

innhold

1. Den originale Atkinson Cycle Engine
2. Den moderne Atkinson Cycle Engine
3. Atkinson Cycle og Hybrid Cars
4. Forfatterens merknad

Atkinsons amerikanske patent (nummer 367.496, for oss patenter-tilbedende nerder) er ganske grei: omtrent tusen ord med tekst og noen få nyttige diagrammer. Eller du kan bare lese denne forklaringen, som er langt vittigere enn noe patent.

Den vanligste forbrenningsmotoren i disse dager er en firetakts Otto-syklusmotor, der et stempel går opp og ned inne i en sylinder og en gnist tenner en blanding av gass og luft. Det samme gjelder en Atkinson-syklus, så her er en rask oppdatering av prosessen:

Inntakslag: Suger luft og drivstoff inn i sylinderen

Kompresjonsslag: Kviser blandingen, så når gnisten går av, vil den eksplodere - big time

Kraft eller ekspansjonsslag: Bruker kraften som eksplosjonen skaper for å flytte stemplet ned sylinderen

Eksosstrøk: Skyver de ekle restene av forbrenningsprosessen ut av sylinderen

I en Otto-syklusmotor gjøres dette i to rotasjoner av veivakselen: inntak / tenning, deretter kraft / eksos. I den originale Atkinson-motoren la oppfinneren et par koblinger slik at alle fire slag kunne fullføres med en enkelt rotasjon av veivakselen.

Det i seg selv ville bedre effektiviteten, men Atkinson hadde en annen erkjennelse: Hvis komprimeringen i sylinderen ble senket og kraftslaget var lengre enn inntaksslaget, ville motoren fungere mer effektivt. Det vil ta mindre drivstoff å vri motoren, som snur hjulene og får bilen til å gå.

Se for deg, hvis du vil, sylinderen og stempelet. På inntaksslaget beveger ikke stempelet seg helt ned i sylinderen. Inntaksventilen, der luft og drivstoff kommer inn i sylinderen, lar ikke så mye av blandingen komme inn i sylinderen. Mindre blanding krever mindre komprimering. Stempelet beveger seg opp igjen for kompresjonsslaget, og på toppen antennes blandingen. Boom! Kraften sender stempelet nedover akselen til sylinderen i kraftslaget, denne gangen helt ned for å dra nytte av hver siste bit av kraft som genereres av forbrenningen. Deretter beveger stempelet seg opp igjen for å få søppel ut for eksosstrøket. Ta da! Fire slag, mindre drivstoff!

Selvfølgelig, flink leser som du er, skjønte du sannsynligvis at mindre drivstoff og mindre kompresjon betyr mindre kraft. Du er riktig. Selv om stempelet får lov til å reise lenger ned på kraftslaget enn det gjør på inntaksslaget, kommer det ikke til å generere så mye kraft som det gjør i en motor med høyere kompresjon og en rikere gassblanding.

Den andre utfordringen med denne motoren er at den krever masse ekstra deler, noe som gjør det vanskelig å sette sammen, for ikke å snakke om dyrt. Stakkars Atkinson måtte oppnå all denne effektiviteten med fjærer og vibrasjonslenker og et rødglødende tenningsrør, som høres ut som et utmerket navn for et band. Moderne ingeniører har det mye enklere.

Ford avduket sine 700 bymiljøer per tank Fusion-hybridbil på Los Angeles Auto Show 19. november 2008 i Los Angeles, California David McNew / Getty Images

Purister vil pooh-pooh Atkinson-syklusmotoren i dag, med en vibrerende ledd i sikte. Faktisk, hvis du setter en moderne Atkinson-syklusmotor ved siden av en moderne Otto-syklusmotor, ville du ikke kunne se noen forskjell. "Det er ingenting i [Prius] -motoren som ikke er i den vanlige motoren," ifølge David Lee ved University of Toyota. (Det er ikke et universitet du kan delta på med mindre du er en Toyota-ansatt som trenger å vite om den siste og beste utrullingen til forhandlerforretningene. Beklager.)

Det Atkinson måtte oppnå med plassering av veivaksel kan vi nå gjøre med variabel ventiltid, en langt billigere og enklere løsning. Husk at i original med Atkinson, ville inntaksventilene stenge tidlig for å holde utenfor noe av luft-drivstoffblandingen. I dag holdes inntaksventilen litt for lang åpen, slik at når stempelet beveger seg oppover for kompresjonsslaget, kan litt av gass-luftblandingen slippe ut. Hver metode har samme ende: kompresjonsforholdet er lavere. I engineer-speak er den moderne metoden kjent som "livic" - lukking av sen inntaksventil. Da gjør tennpluggen sine ting - gnist - og stempelet drar fordel av forbrenningen med et fullt kraftslag nedover sylinderen. Og så gjør eksosstrøket sin opprydningsjobb.

Mer enn det har endret seg på 120 pluss år. I jakten på økt effektivitet er nye materialer utviklet. Lettere stempler, ringer og ventiler fjærer, for eksempel, reduserer friksjonen og totalvekten på bilen. Å dra mindre vekt rundt tar mindre energi. Ved hjelp av en kammotor med to overhead, som Ford gjør i Fusion og andre hybrider, gjør det enda enklere å kontrollere prosessen.

Og igjen, flink leser, merket du sannsynligvis at den moderne versjonen av denne motoren produserer mindre kraft, akkurat som forgjengeren. For sant. Som Lee bemerket, "Denne motoren ville slite i en vanlig bil."

Men du vet hvor det ikke sliter? I en hybrid drivlinje.

Så, du har en motor som er veldig effektiv, men den mangler kraft, spesielt dreiemomentvarianten, den typen kraft som den brannpustende dragbilen har i spar. Men, hvis du er en hybridmotoringeniør, har du også en elektrisk motor som har alt dreiemoment hele tiden, fra 0 o / min. Problemet med den elektriske motoren er at den ikke holder en høy hastighet veldig bra, ikke så bra som en bensinmotor gjør, med sine høyere hestekrefter. Hva du skal gjøre, hybrid drivverkstekniker?

Vel, hvis du er Gilbert Portalatin, som tilfeldigvis er en hybrid drivkraftingeniør med Ford, eller noen annen ingeniør på nesten ethvert annet bilfirma som bygger fulle hybrider, samler du disse to systemene som sjokolade og peanøttsmør. Ved lave hastigheter sparker de elektriske motorene inn med dreiemomentet og beveger bilen fremover. Med mindre du er en av de superforsiktige hypermilerne som trykker gasspedalen så forsiktig som om en kattunge gjemmer seg under den, vil bensinmotoren komme på nett ganske raskt, selv om den elektriske motoren gjør ganske mye arbeid. Omkring 40 km / t vil Atkinson-syklusmotoren overta nesten fullstendig, med litt assistanse fra den elektriske motoren.

Så lenge du har denne typen kombinasjonsbokser, kan du konstruere Atkinson-syklusmotoren slik at den blir nettet sammen med den elektriske motoren for optimal effektivitet. Hvis du insisterer på å ta på deg brannluften i neste kjørefelt, blir du ikke helt igjen i støvet. "Knus pedalen, så får du det du ber om - alle begge kraftverkene," sa Lee til Toyota.

Denne belastningsutjevningen er grunnen til at en full hybrid som Toyota Prius eller Ford Escape får bedre kjørelengde rundt i byen enn de gjør på motorveien - akkurat motsatt av, som alle andre kjøretøyer på veien. Ikke-ildpustene blant oss kjører ganske sakte rundt i byen. Vi starter og stopper mye, og kommer ikke opp til 75 mph, så den elektriske motoren tar mye av belastningen. På motorveien fungerer imidlertid bensinmotoren stort sett alene.

Knapt noen i 1887 kunne ha spådd det lykkelige peanøttsmør-og-sjokolade-ekteskapet mellom Atkinsons motor og elektriske motorer - biler hadde ikke engang permanente tak da.

For å være helt ærlig, elsker jeg å skrive disse superteknologiske artiklene. Jeg elsker å ringe ingeniører og få dem til å forklare ting jeg aldri har studert. Jeg har vanskelig for selv å forestille meg hva de snakker om, så jeg får dem til å gjenta seg seks veier til søndag for å være sikker på at jeg har det riktig før jeg skriver noe ned.

Denne gangen fikk jeg en ekstra-geeky bonus: nerd-fargeleggingsbok! OK, det var egentlig ikke en fargelegging, men hvis du slår opp Atkinsons patent ved å bruke Googles patentsøk (nummer 367.496, husk) inkluderer det Atkinsons originale diagrammer. Jeg brukte alle åtte høydepunktene mine og flere fargede Sharpies for å holde rede på hvilke ventiler som gjorde hva, og hvor luften kom inn og eksosen skulle gå ut. Så fargekodet jeg patentteksten - som jeg også hadde skrevet ut - slik at når jeg leste, kunne jeg slå sammen vibrasjonslenke H i beskrivelsen med sin plass i motoren.

Jeg kan ikke anbefale fargeleggingsmetoden for teknologisk læring nok. Jeg planlegger å bruke det så ofte som mulig. Min indre åtteåring er veldig glad.

relaterte artikler

• Hvordan bilmotorer fungerer
• Slik fungerer dieselmotorer
• Slik fungerer Grail Engine
• Slik fungerer en varmpæremotor
• Hvordan virvlende motorer fungerer
• Hvordan hybridbiler fungerer
• Slik fungerer Ford Escape Hybrid
• Slik fungerer Toyota Prius

kilder

• Aguilar, Mike. "Atkinson Cycle Engine." Bright Hub. 25. november 2011. (8. februar 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animerte motorer. "Atkinson Engine." (8. februar 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. "Gass-motor patent 367.496." US Patent Office. 2. august 1887. (8. februar 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Produktutdanningsadministrator, University of Toyota. Telefonintervju som ble gjennomført 7. februar 2012.
• Octavio Navarro. PR, Ford Motor Company. Konferanseintervju gjennomført 10. februar 2012.
• Portalatin, Gilbert. Hybrid System Engineer, Ford Motor Company. Konferanseintervju gjennomført 10. februar 2012.
• Stephen Russ. 2.0L AC motoringeniør, Ford Motor Company. Konferanseintervju gjennomført 10. februar 2012.