Hur en Atkinson Cycle Engine fungerar

Toyota Prius C-hybrid 2012 introduceras under en pressförhandsvisning på North American International Auto Show på COBO Center den 10 januari 2012 i Detroit, Mich. Bill Pugliano / Getty Images

I över hundra år blev motorerna större, snabbare och slingrare med mer hästkrafter och vridmoment. Avgaserna sträckte sig från svansrören som en drake väckt från sin sömn för att brusas mot potentiella tjuvar i dess skatt. Åtminstone, det är vad killen med de breda däcken och det luftborsta flamjobbet vill att du ska tänka.

Sedan kom det tjugonde århundradet, när vi insåg att eldmotorer dödade mer än röda ljus dragmotståndare. Det visar sig att allt det som skakade var att ändra klimatet och skapa otäck smog. För många drakar gjorde planeten mer lik Mordor än Shire.

Vem kan rädda oss från dessa uttömmande drakar? Vem kan temma sina gas-guzzling sätt med sitt svärd av vetenskap och teknik? Vem bär den riktiga bränslenivån? En man: James Atkinson från Hampstead, Middlesex, England. Även 1887.

Det stämmer - det senaste inom grön motorteknologi kommer från bilålderns gryning. Atkinson-cykelmotorn patenterades i USA 1887 (Atkinson inlämnade för Storbritannien och europeiska patent ett par år tidigare). Men de ojämna slagna i kolven i hans bensindrivna förbränningsmotor passar våra moderna hybridsystem ganska snyggt.

Atkinsons cykelmotor som används i så många hybrider i dag fungerar enligt samma princip som originalet - med den uppenbara fördelen med ett sekel av tekniska framsteg. Men för att förstå var vi befinner oss i dag måste vi först veta var vi har varit. Ställ in din tidsmaskin för 1887!

Innehåll

1. Den ursprungliga Atkinson Cycle Engine
2. Den moderna Atkinson Cycle Engine
3. Atkinson Cycle och Hybrid Cars
4. Författarens anmärkning

Atkinsons amerikanska patent (nummer 367 496, för oss patenterande förtjusande nördar) är ganska enkelt: cirka tusen ord text och några användbara diagram. Eller så kan du bara läsa den här förklaringen, som är långt vittigare än något patent.

Den vanligaste förbränningsmotorn i dag är en fyrtaktig Otto-cykelmotor, där en kolv går upp och ner i en cylinder och en gnista antänder en blandning av gas och luft. Samma sak gäller en Atkinson-cykelmotor, så här är en snabb uppdatering av processen:

Intagslag: Suger luft och bränsle i cylindern

Kompressionsslag: Klämmer blandningen så att gnistan tappar, den kommer att explodera - big time

Kraft eller expansionsslag: Använder kraften som skapas av explosionen för att flytta kolven ner i cylindern

Avgasslag: Skjuter ut de otäcka resterna av förbränningsprocessen ur cylindern

I en Otto-cykelmotor görs detta i två rotationer av vevaxeln: insug / tändning, sedan kraft / avgas. I den ursprungliga Atkinson-motorn lägger uppfinnaren till ett par kopplingar så att alla fyra slag kunde kompletteras med en enda rotation av vevaxeln.

Det i sig skulle förbättra effektiviteten, men Atkinson hade en annan insikt: om kompressionen i cylindern sänktes och effektslaget var längre än insugningsslaget, skulle motorn fungera mer effektivt. Det skulle ta mindre bränsle för att vrida motorn, som vrider hjulen och får bilen att gå.

Föreställ dig, om du vill, cylindern och kolven. På insugningsslaget rör sig inte kolven hela vägen ner i cylindern. Inloppsventilen, där luften och bränslet kommer in i cylindern, tillåter inte så mycket av blandningen in i cylindern. Mindre blandning kräver mindre komprimering. Kolven rör sig uppåt för kompressionsslaget, och i toppen tänds blandningen. bom! Kraften skickar kolven tillbaka ner i cylinderns axel i kraftslaget, denna gång hela vägen ner för att dra fördel av varje sista kraft som genereras av förbränningen. Sedan flyttar kolven tillbaka upp för att få skräpet ut för avgasslag. Ta da! Fyra slag, mindre bränsle!

Självklart, smart läsare som du är, insåg du förmodligen att mindre bränsle och mindre kompression betyder mindre kraft. Du har rätt. Även om kolven tillåts åka längre ner på kraftslaget än på insugningsslaget, kommer den inte att generera så mycket kraft som i en motor med högre kompression och en rikare gasblandning.

Den andra utmaningen med denna motor är att den kräver massor av extra delar, vilket gör det svårt att montera, för att inte tala om dyra. Poor Atkinson var tvungen att uppnå all denna effektivitet med fjädrar och vibrerande länkar och ett rött hett tändningsrör, vilket låter som ett utmärkt namn för ett band. Moderna ingenjörer har en mycket lättare tid på det.

Ford avslöjade sina 700 city miles per tank Fusion hybridbil i Los Angeles Auto Show den 19 november 2008 i Los Angeles, Kalifornien David McNew / Getty Images

Purister kommer att pooh-pooh dagens Atkinson-cykelmotor med en vibrerande länk i sikte. Faktum är att om du sätter en modern Atkinson-cykelmotor bredvid en modern Otto-cykelmotor, skulle du inte kunna se någon skillnad. "Det finns inget i [Prius] -motorn som inte finns i den vanliga motorn," enligt David Lee vid University of Toyota. (Det är inte ett universitet som du kan gå på om du inte är en Toyota-anställd som behöver veta om det senaste och bästa utrullningen till återförsäljarna. Tyvärr.)

Vad Atkinson var tvungen att uppnå med placeringen av vevaxeln kan vi nu göra med variabel ventiltid, en mycket billigare och enklare lösning. Kom ihåg att i Atkinsons original skulle inloppsventilerna stängas tidigt för att hålla kvar lite av luft-bränsleblandningen. Numera hålls inloppsventilen öppen lite för länge så att kolven rör sig upp för kompressionsslaget kan lite av gas-luftblandningen slippa ut. Varje metod har samma ände: komprimeringsförhållandet är lägre. När det gäller teknik är den moderna metoden känd som "livic" - stängning av sen intagsventil. Sedan gör tändstiftet sin sak - gnistrande - och kolven drar fördel av förbränningen med en full effekt nedåt i cylindern. Och sedan gör avgasstaken sitt rensningsarbete.

Mer än det har förändrats på 120 plus år. I strävan efter ökad effektivitet har nya material utvecklats. Lättare kolvar, ringar och ventiler fjädrar, till exempel, minskar friktionen och bilens totala vikt. Att ta mindre vikt runt tar mindre energi. Att använda en dubbel-overhead-kammotor, som Ford gör i sin Fusion och andra hybrider, gör det ännu enklare att kontrollera processen.

Och igen, smart läsare, har du antagligen märkt att den moderna versionen av denna motor ger mindre kraft, precis som föregångaren. För sant. Som Lee noterade: "Denna motor skulle kämpa i en vanlig bil."

Men du vet var det inte kämpar? I en hybriddrivlinje.

Så du har en motor som är riktigt effektiv, men den saknar kraft, särskilt av vridmomentvariationen, den typ av kraft som den eldhinnande dragbilen har i spader. Men, om du är en hybridmotoringenjör, har du också en elmotor som har allt vridmoment hela tiden, från 0 rpm. Problemet med elmotorn är att den inte håller en hög hastighet särskilt bra, inte så bra som en bensinmotor gör, med dess högre hästkrafter. Vad du ska göra, hybrid drivkraftingenjör?

Tja, om du är Gilbert Portalatin, som råkar vara en hybrid drivkraftsingenjör med Ford, eller någon annan ingenjör på nästan alla andra bilföretag som bygger fulla hybrider, förenar du dessa två system som choklad och jordnötssmör. Vid låga hastigheter sparkar elmotorerna in med sitt vridmoment och flyttar bilen framåt. Såvida du inte är en av de super försiktiga hypermjölkarna som trycker på gaspedalen så försiktigt som om en kattunge gömmer sig under den, kommer bensinmotorn att komma online ganska snabbt, även om elmotorn gör ganska mycket arbete. Vid cirka 40 km / h kommer Atkinson-cykeln att ta över nästan helt, med lite hjälp från elmotorn.

Så länge du har den här typen av kombinationer, kan du konstruera Atkinson-cykelmotorn så att den ingriper exakt med elmotorn för optimal verkningsgrad. Om du insisterar på att ta på dig brandångaren i nästa körfält kommer du inte att bli helt kvar i dammet. "Krossa pedalen, så får du vad du ber om - alla båda kraftverk," sa Lee på Toyota.

Denna lastutjämning är anledningen till att en full hybrid som Toyota Prius eller Ford Escape får bättre körsträcka runt om i staden än de gör på motorvägen - precis motsatsen till, liksom alla andra fordon på vägen. De icke-eldspånarna bland oss ​​kör ganska långsamt runt staden. Vi börjar och stannar mycket, och vi kommer inte upp till 75 km / h, så elmotorn tar mycket av bördan. På motorvägen fungerar dock bensinmotorn ganska mycket ensam.

Nästan någon 1887 kunde ha förutspått det lyckliga jordnötssmöret och chokladäktenskapet mellan Atkinsons motor och elmotorer - bilar hade inte ens permanenta tak då.

För att vara helt ärlig, älskar jag att skriva dessa superteknologiska artiklar. Jag älskar att ringa ingenjörer och få dem att förklara saker som jag aldrig har studerat. Jag har svårt att till och med avbilda vad de pratar om, så jag får dem att upprepa sig sex sätt till söndag för att se till att jag har det rätt innan jag skriver något.

Den här gången fick jag en extra geeky bonus: nörd målarbok! Okej, det var egentligen inte en målarbok, men om du letar upp Atkinsons patent med Googles patentsökning (nummer 367 496, kom ihåg) innehåller det Atkinsons ursprungliga diagram. Jag använde alla åtta av mina markörer och flera färgade Sharpies för att hålla reda på vilka ventiler som gjorde vad, och var luften skulle komma in och avgaserna skulle gå ut. Sedan färgkodade jag patenttexten - som jag också hade tryckt ut - så att jag läste, jag kunde matcha vibrationslänken H i beskrivningen med sin plats i motorn.

Jag kan inte rekommendera målarbokmetoden för tekniskt lärande tillräckligt. Jag tänker använda det så ofta som möjligt. Min inre åttaåring är väldigt glad.

relaterade artiklar

• Hur bilmotorer fungerar
• Hur dieselmotorer fungerar
• Hur Grail Engine fungerar
• Så fungerar en glödlampa
• Hur Stirling Motorer fungerar
• Hur hybridbilar fungerar
• Så fungerar Ford Escape Hybrid
• Så fungerar Toyota Prius

källor

• Aguilar, Mike. "Atkinson Cycle Engine." Ljus nav. 25 november 2011. (8 februari 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animerade motorer. "Atkinson Engine." (8 februari 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. "Gas-motorpatent 367.496." US Patent Office. 2 augusti 1887. (8 februari 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Produktutbildningsadministratör, University of Toyota. Telefonintervju den 7 februari 2012.
• Octavio Navarro. Public Relations, Ford Motor Company. Konferenssamtal intervjuades 10 februari 2012.
• Portalatin, Gilbert. Hybrid System Engineer, Ford Motor Company. Konferenssamtal intervjuades 10 februari 2012.
• Stephen Russ. 2.0L AC-motoringenjör, Ford Motor Company. Konferenssamtal intervjuades 10 februari 2012.