Sådan fungerer en Atkinson Cycle Engine

Toyota Prius C-hybriden i 2012 introduceres under en presse-forhåndsvisning på den nordamerikanske internationale autoshow i COBO Center den 10. januar 2012 i Detroit, Mich. Bill Pugliano / Getty Images

I over hundrede år blev motorerne større, hurtigere og mere gennemsængt med mere hestekræfter og drejningsmoment. Udstødning strammet fra rørene som en drage vækket fra sin sludder og brøl mod potentielle tyver i dens skat. I det mindste er det, hvad fyren med de brede dæk og det luftbørstede flammejobb ønsker, at du skal tænke.

Derefter kom det tyvende århundrede, da vi indså, at brand-vejrtrækende motorer dræbte mere end røde lys drag racing modstandere. Det viser sig, alt det, der skælvede, var at ændre klimaet og skabe grimme smog. For mange drager gjorde planeten mere som Mordor end Shire.

Hvem kan redde os fra disse udstødningsfulde drager? Hvem kan temme deres gas-guzzling måder med hans sværd af videnskab og teknik? Hvem bærer den ene ringe brændstofeffektivitet? En mand: James Atkinson fra Hampstead, Middlesex, England. Også fra 1887.

Det er rigtigt - den nyeste inden for grøn motorteknologi kommer fra bilagets alder. Atkinson-cykelmotoren blev patenteret i USA i 1887 (Atkinson indgivet for U.K. og europæiske patenter et par år tidligere). Men stemplets ujævne streger i hans benzindrevne forbrændingsmotor passer temmelig pænt til vores moderne hybridsystemer.

Atkinson-cyklusmotoren, der bruges i så mange hybrider i disse dage, fungerer på samme princip som den originale - med den åbenlyse fordel ved et århundredes teknologiske fremskridt. Men for at forstå, hvor vi er i dag, skal vi først vide, hvor vi har været. Indstil din tidsmaskine til 1887!

Indhold

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

Atkinsons U.S.-patent (nummer 367.496, for os patentrækkende nørder) er ret ligetil: omkring tusind ord tekst og et par nyttige diagrammer. Eller du kan bare læse denne forklaring, som er langt vittigere end noget patent.

Den mest almindelige forbrændingsmotor i disse dage er en firetakts Otto-cykelmotor, hvor et stempel går op og ned inde i en cylinder og en gnist antænder en blanding af gas og luft. Det samme gælder en Atkinson-cyklus, så her er en hurtig opdatering af processen:

Indtagelsesslag: Søger luft og brændstof i cylinderen

Kompressionsslag: Klemmer blandingen, så når gnisten går af, eksploderer den - big time

Strøm eller ekspansionsslag: Bruger den kraft, der er skabt af eksplosionen, til at bevæge stemplet ned ad cylinderen

Udstødningslag Skubber de grimme rester af forbrændingsprocessen ud af cylinderen

I en Otto-cykelmotor udføres dette i to rotationer af krumtapakslen: indtag / tænding, derefter strøm / udstødning. I den originale Atkinson-motor tilføjede opfinderen et par forbindelser, så alle fire slag kunne afsluttes med en enkelt rotation af krumtapakslen.

Det i sig selv ville forbedre effektiviteten, men Atkinson havde en anden erkendelse: Hvis kompressionen i cylinderen blev sænket, og effektslaget var længere end indsugningsslaget, ville motoren arbejde mere effektivt. Det kræver mindre brændstof at dreje motoren, der drejer hjulene og får bilen til at gå.

Forestil dig, hvis du vil det, cylinderen og stemplet. Ved indsugningslaget bevæger stemplet sig ikke helt ned på cylinderen. Indsugningsventilen, hvor luft og brændstof kommer ind i cylinderen, tillader ikke så meget af blandingen i cylinderen. Mindre blanding kræver mindre komprimering. Stemplet bevæger sig tilbage op for kompressionsslaget, og øverst antændes blandingen. Boom! Kraften sender stemplet tilbage ned gennem akslen på cylinderen i kraftslaget, denne gang helt ned for at drage fordel af hver sidste bit kraft, der genereres ved forbrændingen. Derefter flytter stemplet tilbage op for at få skrotet ud for udstødningslaget. Ta da! Fire slag, mindre brændstof!

Selvfølgelig, smart læser, som du er, indså du sandsynligvis, at mindre brændstof og mindre komprimering betyder mindre strøm. Du har ret. Selvom stemplet får lov til at køre længere nede på kraftslaget, end det gør på indsugningsslaget, genererer det ikke så meget kraft, som det gør i en motor med højere kompression og en rigere gasblanding.

Den anden udfordring med denne motor er, at den kræver masser af ekstra dele, hvilket gør det vanskeligt at samle, for ikke at nævne dyre. Stakkels Atkinson var nødt til at opnå al denne effektivitet med fjedre og vibrerende led og et rødglød antændingsrør, der lyder som et fremragende navn for et bånd. Moderne ingeniører har en meget lettere tid på det.

Ford afslørede sin 700 bymiljø pr. Tank Fusion-hybridbil på Los Angeles Auto Show den 19. november 2008 i Los Angeles, Californien David McNew / Getty Images

Purister vil pooh-pooh Atkinson-cyklusmotoren i dag med et vibrerende led i syne. Faktisk, hvis du lægger en moderne Atkinson-cykelmotor ved siden af ​​en moderne Otto-cykelmotor, ville du ikke være i stand til at se nogen forskel. "Der er intet i [Prius] -motoren, der ikke er i den almindelige motor," ifølge David Lee ved University of Toyota. (Det er ikke et universitet, du kan gå på, medmindre du er en Toyota-medarbejder, der har brug for at vide om det nyeste og bedste udrulning til forhandlerne. Beklager.)

Hvad Atkinson skulle opnå med placering af krumtapakslen, vi nu kan gøre med variabel ventiltiming, en langt billigere og lettere løsning. Husk, at i Atkinsons originale, ville indtagsventilerne lukke tidligt for at forhindre noget af luft-brændstofblandingen. I dag holdes indblæsningsventilen lidt for lang åben, så når stemplet bevæger sig op for kompressionsslaget, kan lidt af gas-luftblandingen slippe ud. Hver metode har den samme ende: komprimeringsforholdet er lavere. I engineer-speak er den moderne metode kendt som "livic" - lukning af sent indtagsventil. Derefter gør tændrøret sin ting - gnist - og stemplet drager fordel af forbrændingen med et fuldt kraftlag nedad i cylinderen. Og så gør udstødningslaget sit oprydningsarbejde.

Mere end det har ændret sig i 120 plus år. I søgen efter øget effektivitet er der udviklet nye materialer. Lettere stempler, ringe og ventiler fjedre, for eksempel reducerer friktion og bilens samlede vægt. At trække mindre vægt rundt tager mindre energi. Ved hjælp af en dual-overhead cam-motor, som Ford gør i sin Fusion og andre hybrider, gør det endnu lettere at kontrollere processen.

Og igen, kloge læser, har du sandsynligvis bemærket, at den moderne version af denne motor producerer mindre kraft, ligesom dens forgænger. For sandt. Som Lee bemærkede, "Denne motor ville kæmpe i en almindelig bil."

Men ved du, hvor det ikke kæmper? I en hybrid drivkraft.

Så du har en motor, der er virkelig effektiv, men den mangler magt, især af drejningsmomentvarianten, den slags kraft, som den åndedrækkende trækbil har i spar. Men hvis du er en hybrid motor med motor, har du også en elektrisk motor, der har alt drejningsmoment hele tiden, fra 0 o / min. Problemet med den elektriske motor er, at den ikke opretholder en høj hastighed særlig godt, ikke så godt som en benzinmotor gør, med dens højere hestekræfter. Hvad skal man gøre, hybrid drivmotoringeniør?

Hvis du Gilbert Portalatin, der tilfældigvis er en hybrid drivkraftingeniør med Ford, eller enhver anden ingeniør i næsten ethvert andet bilfirma, der bygger fulde hybrider, samler du disse to systemer som chokolade og jordnøddesmør. Ved lave hastigheder sparker de elektriske motorer ind med deres drejningsmoment og bevæger bilen fremad. Medmindre du er en af ​​de super forsigtige hypermilere, der trykker på gaspedalen så forsigtigt som om en killing gemmer sig under den, kommer benzinmotoren online hurtigt hurtigt, selvom den elektriske motor udfører ganske lidt arbejde. Ved ca. 40 km / t vil Atkinson-cyklus-motoren overtage næsten fuldstændigt med lidt hjælp fra den elektriske motor.

Så længe du har denne slags kombinationsbokse, kan du konstruere Atkinson-cyklusmotoren, så den netop indgår med den elektriske motor for optimal effektivitet. Hvis du insisterer på at tage brandånderen i den næste bane, bliver du ikke helt efterladt i støvet. ”Smadr pedalen, så får du det, du beder om - alle begge kraftværker,” sagde Lee ved Toyota.

Denne belastningsudjævning er grunden til, at en fuld hybrid som Toyota Prius eller Ford Escape får bedre kilometertal rundt i byen, end de gør på motorvejen - nøjagtigt det modsatte af, ligesom alle andre køretøjer på vejen. De ikke-åndedrætsværn blandt os kører temmelig langsomt rundt i byen. Vi starter og stopper meget, og vi kommer ikke op til 75 km / h, så den elektriske motor tager meget af byrden. På motorvejen arbejder imidlertid benzinmotoren stort set alene.

Næppe nogen i 1887 kunne have forudsagt det glade jordnøddesmør-og-chokolade-ægteskab mellem Atkinsons motor og elmotorer - biler havde ikke engang permanente tag da.

For at være helt ærlig elsker jeg at skrive disse superteknologiske artikler. Jeg elsker at ringe til ingeniører og få dem til at forklare ting, som jeg aldrig har studeret. Jeg har svært ved endda at afbilde, hvad de taler om, så jeg får dem til at gentage sig selv seks måder til søndag for at sikre, at jeg har det rigtigt, før jeg skriver noget ned.

Denne gang fik jeg en ekstra nørdig bonus: nørde-farvelægning! Okay, det var ikke rigtig en farvelægning, men hvis du slår Atkinsons patent op ved hjælp af Googles patentsøgning (nummer 367.496, husk) inkluderer det Atkinsons originale diagrammer. Jeg brugte alle otte af mine markører og flere farvede Sharpies til at holde styr på, hvilke ventiler der gjorde hvad, og hvor luften var ved at komme ind og udstødningen var ved at gå ud. Derefter farvekodede jeg patentteksten - som jeg også havde udskrevet - så jeg, når jeg læste, kunne sammenligne det vibrerende link H i beskrivelsen med dets plads i motoren.

Jeg kan ikke anbefale farvelægningsmetoden til teknologisk læring nok. Jeg planlægger at bruge det så ofte som muligt. Min indre otteårige er meget glad.

relaterede artikler

• Sådan fungerer bilmotorer
• Sådan fungerer dieselmotorer
• Sådan fungerer Graal Engine
• Sådan fungerer en varmepæremotor
• Sådan fungerer motorer
• Sådan fungerer hybridbiler
• Sådan fungerer Ford Escape Hybrid
• Sådan fungerer Toyota Prius

Kilder

• Aguilar, Mike. "Atkinson Cycle Engine." Lys hub. 25. november 2011. (8. februar 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animerede motorer. "Atkinson Engine." (8. februar 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. "Gas-motorpatent 367.496." US Patent Office. 2. august 1887. (8. februar 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Produktuddannelsesadministrator, University of Toyota. Telefoninterview afholdt den 7. februar, 2012.
• Octavio Navarro. Public Relations, Ford Motor Company. Konferenceopkaldsholdning afholdt den 10. februar 2012.
• Portalatin, Gilbert. Hybrid systemingeniør, Ford Motor Company. Konferenceopkaldsholdning afholdt den 10. februar 2012.
• Stephen Russ. 2.0L vekselstrømsmotoringeniør, Ford Motor Company. Konferenceopkaldsholdning afholdt den 10. februar 2012.