Motor. Verschillen tussen Otto- en Atkinson-cycli

Sinds enige tijd is de term "Atkinson economy cycle engine" steeds gebruikelijker geworden. Wat is deze cyclus en waarom vermindert het het brandstofverbruik?

De meest voorkomende viertaktbenzinemotoren werken tegenwoordig op de zogenaamde Otto-cyclus, ontwikkeld aan het einde van de XNUMXe eeuw door de Duitse uitvinder Nikolaus Otto, de ontwerper van een van de eerste succesvolle zuigermotoren. De essentie van deze cyclus bestaat uit vier slagen die worden uitgevoerd in twee omwentelingen van de krukas: de inlaatslag, de compressieslag, de werkslag en de uitlaatslag.

Aan het begin van de inlaatslag gaat de inlaatklep open, waardoor het lucht-brandstofmengsel door het terugtrekken van de zuiger uit het inlaatspruitstuk wordt aangezogen. Voor het begin van de compressieslag sluit de inlaatklep en de zuiger die terugkeert naar de kop comprimeert het mengsel. Wanneer de zuiger zijn piekpositie bereikt, wordt het mengsel ontstoken door een elektrische vonk. De resulterende hete uitlaatgassen zetten uit en duwen de zuiger, waarbij zijn energie erop wordt overgedragen, en wanneer de zuiger zich zo ver mogelijk van de kop bevindt, gaat de uitlaatklep open. De uitlaatslag begint met de retourzuiger die uitlaatgassen uit de cilinder en in het uitlaatspruitstuk duwt.

Helaas wordt tijdens de arbeidsslag niet alle energie in de uitlaatgassen gebruikt om de zuiger te duwen (en, door de drijfstang, om de krukas te laten draaien). Ze staan ​​nog steeds onder hoge druk als het uitademventiel opent bij het begin van de uitademslag. We kunnen dit leren als we het geluid horen van een auto met een kapotte geluiddemper - het wordt veroorzaakt door het vrijkomen van energie in de lucht. Dit is de reden waarom traditionele benzinemotoren slechts ongeveer 35 procent efficiënt zijn. Als het mogelijk zou zijn om de slag van de zuiger in de werkslag te vergroten en deze energie te gebruiken ...

Dit idee kwam van de Engelse uitvinder James Atkinson. In 1882 ontwierp hij een motor waarbij, dankzij een complex systeem van pushers die de zuigers met de krukas verbinden, de arbeidsslag langer was dan de compressieslag. Als gevolg hiervan was aan het begin van de uitlaatslag de druk van de uitlaatgassen bijna gelijk aan de atmosferische druk en werd hun energie volledig gebruikt.

De redactie adviseert:

platen. Chauffeurs wachten op een revolutie?

Zelfgemaakte manieren om in de winter te rijden

Betrouwbare baby voor weinig geld

Dus waarom is Atkinson's idee niet op grotere schaal gebruikt, en waarom gebruiken verbrandingsmotoren al meer dan een eeuw de minder efficiënte Otto-cyclus? Er zijn twee redenen: de ene is de complexiteit van de Atkinson-motor en de andere - en nog belangrijker - de minder kracht die hij ontvangt van een cilinderinhoud.

Naarmate er echter steeds meer aandacht werd besteed aan het brandstofverbruik en de impact van motorisering op het milieu, werd het hoge rendement van de Atkinson-motor herinnerd, vooral bij middelhoge snelheden. Zijn concept bleek een uitstekende oplossing, vooral in hybride voertuigen, waarbij de elektromotor het gebrek aan vermogen compenseert, vooral nodig bij het wegrijden en accelereren.

Dat is de reden waarom de gemodificeerde Atkinson-cyclusmotor werd gebruikt in de eerste in massa geproduceerde hybride auto, de Toyota Prius, en vervolgens in alle andere Toyota- en Lexus-hybriden.

Wat is een gemodificeerde Atkinson-cyclus? Deze slimme oplossing zorgde ervoor dat de Toyota-motor het klassieke, eenvoudige ontwerp van conventionele viertaktmotoren behield, en dat de zuiger bij elke slag dezelfde afstand aflegt, waarbij de effectieve slag langer is dan de compressieslag.

Eigenlijk moet het anders gezegd worden: de effectieve compressiecyclus is korter dan de werkcyclus. Dit wordt bereikt door het uitstellen van het sluiten van de inlaatklep, die kort na het begin van de compressieslag sluit. Zo wordt een deel van het lucht-brandstofmengsel teruggevoerd naar het inlaatspruitstuk. Dit heeft twee gevolgen: de hoeveelheid uitlaatgassen die wordt geproduceerd wanneer het wordt verbrand, is kleiner en kan volledig uitzetten vóór het begin van de uitlaatslag, waarbij alle energie naar de zuiger wordt overgebracht, en er is minder energie nodig om minder mengsel samen te drukken, wat vermindert interne motorverliezen. Met behulp van deze en andere oplossingen kon de Toyota Prius-aandrijflijnmotor van de vierde generatie een thermisch rendement van maar liefst 41 procent behalen, wat voorheen alleen beschikbaar was voor dieselmotoren.

Het mooie van de oplossing is dat de vertraging bij het sluiten van de inlaatkleppen geen grote structurele veranderingen vereist - het is voldoende om een ​​elektronisch gestuurd mechanisme te gebruiken om de kleptiming te wijzigen.

En zo ja, waarom niet andersom? Ja natuurlijk; van nature! Er worden al geruime tijd motoren met variabele inschakelduur geproduceerd. Wanneer er weinig vermogen nodig is, zoals bij het rijden op rustige wegen, draait de motor volgens de Atkinson-cyclus voor een laag brandstofverbruik. En wanneer de beste prestaties vereist zijn - van koplampen of inhalen - schakelt hij over op de Otto-cyclus, waarbij alle beschikbare dynamiek wordt gebruikt. Deze 1,2-liter turbomotor met directe injectie wordt bijvoorbeeld gebruikt in de Toyota Auris en de nieuwe Toyota C-HR stads-SUV. Dezelfde tweelitermotor wordt gebruikt in de Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t en RC 200t.