Cum funcționează un motor cu ciclu Atkinson

Hibridul Toyota Prius C din 2012 este introdus în timpul unei previzualizări a presei în cadrul Salonului Auto Internațional al Americii de Nord la COBO Center în 10 ianuarie 2012 la Detroit, Mich. Bill Pugliano / Getty Images

De mai bine de o sută de ani, motoarele au devenit mai mari, mai rapide și mai semnificative, cu mai mulți cai putere și cuplu. Eșapament înlăturat de pe coamele ca un dragon trezit din mahalaua lui pentru a urla la hoții potențiali ai comorii sale. Cel puțin, asta vrea să te gândești tipul cu anvelopele largi și treaba cu flacără aerisită.

Apoi a venit secolul XX, când ne-am dat seama că motoarele de respirație ucideau mai mult decât adversarii de curse roșii. S-a dovedit că tot ce epuizează era schimbarea climatului și crearea unui smog urât. Prea mulți dragoni făceau planeta mai asemănătoare cu Mordor decât Shire.

Cine ne poate salva de acești draci cu epuizare? Cine poate îmblânzi căile lor de obținere a gazelor cu sabia sa de știință și inginerie? Cine poartă singurul inel de eficiență a combustibilului? Un singur bărbat: James Atkinson din Hampstead, Middlesex, Anglia. Tot din 1887.

Așa este - cea mai recentă tehnologie cu motor verde vine din zorii epocii automobilelor. Motorul pentru ciclu Atkinson a fost brevetat în Statele Unite în 1887 (Atkinson a depus cereri de brevet U.K. și europene cu câțiva ani mai devreme). Dar loviturile inegale ale pistonului din motorul său cu combustie alimentat pe benzină se potrivesc destul de bine sistemelor noastre hibride moderne..

Motorul cu ciclu Atkinson folosit în atâția hibrizi funcționează zilele acestea pe același principiu ca și originalul - cu avantajul evident al unui secol de progrese tehnologice. Dar pentru a înțelege unde ne aflăm astăzi, trebuie mai întâi să știm unde am fost. Setați-vă mașina de timp pentru 1887!

cuprins

1. Motorul original al ciclului Atkinson
2. Motorul modern de ciclu Atkinson
3. Ciclul Atkinson și mașinile hibride
4. Nota autorului

Brevetul Atkinson din SUA (numărul 367.496, pentru noi tocilarii care adorează brevetele) este destul de simplu: aproximativ o mie de cuvinte de text și câteva diagrame utile. Sau puteți citi doar această explicație, care este mult mai inteligentă decât orice brevet.

Cel mai frecvent motor de ardere în aceste zile este un motor Otto cu ciclu în patru timpi, unde un piston urcă și coboară în interiorul unui cilindru și o scânteie aprinde un amestec de gaz și aer. Același lucru este valabil și pentru un motor cu ciclu Atkinson, așa că iată o actualizare rapidă a procesului:

Accident vascular cerebral: Aspirează aerul și combustibilul în cilindru

AVC de compresie: Râde amestecul, astfel încât atunci când scânteia se stinge, acesta va exploda - timp mare

Putere sau cursă de expansiune: Folosește forța creată de explozie pentru a deplasa pistonul în jos pe cilindru

Cursa de evacuare: Îndepărtează răsturnările urâte ale procesului de ardere din cilindru

Într-un motor cu ciclu Otto, acest lucru se realizează în două rotații ale arborelui cotit: admisie / aprindere, apoi putere / evacuare. În motorul original Atkinson, inventatorul a adăugat câteva legături, astfel încât toate cele patru timpi să poată fi completate cu o singură rotație a arborelui cotit.

Acest lucru în sine ar îmbunătăți eficiența, dar Atkinson a avut o altă realizare: dacă compresia din cilindru ar fi scăzută și cursa de putere ar fi mai lungă decât cursa de admisie, motorul ar funcționa mai eficient. Ar fi nevoie de mai puțin combustibil pentru a întoarce motorul, care întoarce roțile și face ca mașina să plece.

Imaginează-ți, dacă vrei, cilindrul și pistonul. În timpul cursei de admisie, pistonul nu se deplasează până în jos pe cilindru. Supapa de admisie, în care aerul și combustibilul intră în cilindru, nu permit o cantitate mare de amestec în cilindru. Mai puțin amestec necesită mai puțină compresie. Pistonul se deplasează înapoi pentru cursa de compresie, iar în partea de sus amestecul este aprins. Boom! Forța trimite pistonul înapoi pe arborele cilindrului în cursa de putere, de această dată până la capăt pentru a profita de fiecare ultimă forță generată de combustie. Apoi, pistonul se deplasează înapoi pentru a scoate gunoiul pentru cursa de evacuare. Ta da! Patru timpi, mai puțin combustibil!

Desigur, cititor deștept care sunteți, probabil că ați realizat că mai puțină combustibil și mai puțină compresie înseamnă mai puțină putere. Ai dreptate. Chiar dacă pistonul are voie să se deplaseze mai în jos pe cursa de putere decât în ​​cursa de admisie, nu va genera atât de multă putere ca într-un motor cu compresie mai mare și un amestec de gaz mai bogat.

Cealaltă provocare cu acest motor este aceea că necesită o mulțime de piese suplimentare, ceea ce face dificilă asamblarea, ca să nu mai vorbim de scumpe. Bietul Atkinson a trebuit să obțină toată această eficiență cu arcuri și legături vibrante și un tub de aprindere roșu-cald, care sună ca un nume excelent pentru o trupă. Inginerii moderni au o perioadă mult mai ușoară.

Ford și-a prezentat cele 700 de mile orașe pe tanc Fusion Hybrid Car la Los Angeles Auto Show pe 19 noiembrie 2008 în Los Angeles, California. David McNew / Getty Images

Puriștii vor acoperi motorul ciclului Atkinson de astăzi, cu o legătură vibrantă la vedere. De fapt, dacă ați așeza un motor cu ciclu Atkinson modern lângă un motor modern cu ciclu Otto, nu veți putea observa nicio diferență. „Nu există nimic în motorul [Prius] care să nu fie în motorul obișnuit”, spune David Lee de la Universitatea Toyota. (Nu este o universitate la care puteți participa, cu excepția cazului în care sunteți un angajat Toyota, care trebuie să știe despre cele mai recente și mai bune distribuiri la dealerships. Îmi pare rău.)

Ceea ce Atkinson a avut de realizat cu plasarea arborelui cotit, putem face acum cu o temporizare a valvei variabile, o soluție mult mai ieftină și mai ușoară. Nu uitați că în originalul lui Atkinson, supapele de admisie s-ar închide devreme pentru a păstra o parte din amestecul aer-combustibil. În zilele noastre, supapa de admisie este ținută deschisă prea mult timp, astfel încât atunci când pistonul se deplasează în sus pentru cursa de compresie, un pic din amestecul gaz-aer poate scăpa. Fiecare metodă are același capăt: raportul de compresie este mai mic. În inginer vorbesc, metoda modernă este cunoscută sub numele de "livic" - închiderea valvulului de intrare tardivă. Apoi bujia își face treaba - scânteie - și pistonul profită de combustie cu o cursă de putere completă în jos pe cilindru. Și atunci cursa de evacuare își face treaba de curățare.

Mai mult decât atât s-a schimbat în 120 de ani în plus. În căutarea eficienței sporite, au fost dezvoltate materiale noi. Pistoanele, inelele și arcurile cu o greutate mai ușoară, de exemplu, reduc frecarea și greutatea totală a mașinii. A transporta mai puțină greutate în jur necesită mai puțină energie. Folosirea unui motor cu cameră cu cap dublu, așa cum face Ford în Fusion și alți hibrizi, face și mai ușor controlul procesului.

Și din nou, cititor isteț, ați observat probabil că versiunea modernă a acestui motor produce mai puțină putere, la fel ca predecesorul său. Prea adevărat. După cum a menționat Lee, „Acest motor ar lupta într-o mașină obișnuită”.

Dar știi unde nu se zbate? Într-un antrenament hibrid.

Așadar, ai un motor care este într-adevăr eficient, dar îi lipsește puterea, în special din soiul de cuplu, genul de putere pe care îl are mașina de tracțiune pentru respirație de incendiu. Dar, dacă sunteți un inginer cu motor propulsor hibrid, aveți și un motor electric care are tot cuplul tot timpul, de la 0 rpm. Problema cu motorul electric este că nu suportă foarte bine o viteză mare, nu la fel de bine cu un motor pe benzină, cu puterea sa mai mare. Ce să faci, inginer de propulsie hibridă?

Ei bine, dacă ești Gilbert Portalatin, care se întâmplă să fie un inginer cu motor hibrid cu Ford, sau orice alt inginer la aproape orice altă companie de mașini care construiește hibrizi plini, aduci aceste două sisteme, precum ciocolata și untul de arahide. La viteze mici, motoarele electrice intră cu cuplul lor și deplasează mașina înainte. Cu excepția cazului în care sunteți unul dintre acești hipermileri super atenți, care apasă acceleratorul la fel de ușor ca și cum un pisoi s-ar ascunde sub el, motorul pe benzină va intra destul de repede online, deși motorul electric lucrează destul de mult. La aproximativ 40 km / h, motorul cu ciclu Atkinson va prelua aproape complet, cu un ajutor din partea motorului electric.

Atâta timp cât obțineți acest tip de combo, puteți proiecta motorul cu ciclu Atkinson pentru a plasa exact cu motorul electric pentru o eficiență optimă. Dacă insiști ​​să iei focul în banda următoare, nu vei fi lăsat complet în praf. „Spune pedala și vei primi ceea ce ceri - toate ambele centrale”, a spus Lee la Toyota.

Acest nivel de încărcare este motivul pentru care un hibrid complet, cum ar fi Toyota Prius sau Ford Escape, obține un kilometraj mai bun în jurul orașului decât pe autostradă - exact opusul oricărui alt vehicul de pe drum. Persoanele care nu sufla de foc printre noi conduc destul de lent în jurul orașului. Pornim și ne oprim mult și nu ajungem până la 75 km / h, astfel încât motorul electric își asumă foarte mult povara. Totuși, pe autostradă, motorul pe benzină funcționează destul de mult singur.

Aproape cineva din 1887 ar fi putut prezice căsnicia fericită cu unt și ciocolată între motorul lui Atkinson și motoarele electrice - mașinile nici măcar nu aveau acoperișuri permanente atunci.

Pentru a fi perfect sincer, îmi place să scriu aceste articole super-tehnologice. Îmi place să sun inginerii și să îi fac să îmi explice lucruri pe care nu le-am studiat niciodată. Îmi este greu chiar să descriu despre ce vorbesc, așa că îi fac să repete șase căi până duminică pentru a mă asigura că o am chiar înainte să scriu ceva.

De data aceasta, am primit un bonus extra-geeky: carte de colorat tocilar! Bine, nu a fost chiar o carte de colorat, dar dacă vă uitați la brevetul lui Atkinson folosind căutarea brevetelor Google (numărul 367.496, amintiți-vă), include diagramele originale ale lui Atkinson. Am folosit toți cei opt înălțători ai mei și mai multe Sharpies colorate pentru a urmări ce supape au făcut ce și unde a intrat aerul și evacuarea evacuării. Apoi am codat culoarea textului de brevet - pe care îl imprimasem și eu - astfel încât, când citeam, să pot potrivi legătura H vibrantă din descriere cu locul său în motor.

Nu pot recomanda suficient metoda de colorare a învățării tehnologice. Plănuiesc să-l folosesc cât mai des. Tânăra mea interioară de opt ani este foarte fericită.

Articole similare

• Cum funcționează motoarele auto
• Cum funcționează motoarele diesel
• Cum funcționează motorul Graal
• Cum funcționează un motor cu becuri fierbinți
• Cum funcționează motoarele Stirling
• Cum funcționează mașinile hibride
• Cum funcționează Ford Escape Hybrid
• Cum funcționează Toyota Prius

surse

• Aguilar, Mike. "Motorul cu bicicleta Atkinson". Butuc luminos. 25 noiembrie 2011. (8 februarie 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Motoare animate "Motor Atkinson". (8 februarie 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. "Brevetul cu motor pe gaze 367.496." Oficiul SUA de Brevete. 2 august 1887. (8 februarie 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Administrator de educație de produse, Universitatea din Toyota. Interviu telefonic realizat pe 7 februarie 2012.
• Octavio Navarro. Relații publice, Ford Motor Company. Interviu de conferință efectuat pe 10 februarie 2012.
• Portalatin, Gilbert. Inginer de sistem hibrid, Ford Motor Company. Interviu de conferință efectuat pe 10 februarie 2012.
• Stephen Russ. Inginer motor 2.0L, Ford Motor Company. Interviu de conferință efectuat pe 10 februarie 2012.