Jak funguje Atkinsonův cyklus motoru

2012 Toyota Prius C hybrid je představena během náhledu tisku na North American International Auto Show v COBO Center 10. ledna 2012 v Detroitu, Mich. Bill Pugliano / Getty Images

Za více než sto let se motory zvětšovaly, zrychlovaly a průměrovaly, s vyšším výkonem a točivým momentem. Z výfuku se ozval výfuk jako drak, který se probudil z jeho spánku, a řev k potenciálním zlodějům svého pokladu. Aspoň to je to, co ten chlap s pneumatikami a plamenem plamenem chce, abyste si mysleli.

Pak přišlo dvacáté století, když jsme si uvědomili, že oheň dýchající motory zabíjely víc než rudé světlo protivníka. Ukázalo se, že všechno to říhání změnilo klima a vytvořilo nepříjemný smog. Příliš mnoho draků dělalo planetu více podobnou Mordoru než Shire.

Kdo nás může zachránit před těmito vyčerpávajícími draky? Kdo dokáže skrýt meč vědy a techniky skrz své plyšové způsoby? Kdo nese jediný skutečný prsten palivové účinnosti? Jeden muž: James Atkinson z Hampstead, Middlesex, Anglie. Také z roku 1887.

To je pravda - nejnovější technologie v oblasti zelených motorů pochází z úsvitu automobilového věku. Atkinsonský cyklus byl patentován ve Spojených státech v roce 1887 (Atkinson podal U.K. a evropské patenty o pár let dříve). Nerovnoměrné zdvihy pístu v jeho spalovacím motoru poháněném benzínem však pěkně zapadají do našich moderních hybridních systémů.

Atkinsonův cyklus, který se dnes používá v tolika hybridech, pracuje na stejném principu jako původní - se zřejmou výhodou stovky technologických pokroků. Ale abychom pochopili, kde jsme dnes, musíme nejprve vědět, kde jsme byli. Nastavte svůj stroj času na 1887!

Obsah

1. Originální Atkinsonův cyklus
2. Moderní Atkinsonův cyklus
3. Atkinsonův cyklus a hybridní auta
4. Poznámka autora

Americký patent společnosti Atkinson (číslo 367 496, pro nás patenty uctívající pitomce) je docela přímočarý: asi tisíc slov textu a několik užitečných diagramů. Nebo si můžete jen přečíst toto vysvětlení, které je mnohem vtipnější než jakýkoli patent.

Nejběžnějším spalovacím motorem v těchto dnech je čtyřtaktní Ottoův motor, kde píst jde nahoru a dolů uvnitř válce a jiskra zapálí směs plynu a vzduchu. Totéž platí pro Atkinsonův cyklus, takže je zde rychlý opakovací proces:

Příjem: Nasává vzduch a palivo do válce

Kompresní tah: Posype směs, takže když jiskra zhasne, exploduje - velký čas

Výkon nebo expanzní zdvih: Používá sílu vyvolanou explozí k pohybu pístu dolů válcem

Výfuk: Vytlačuje nepříjemné zbytky spalovacího procesu z válce

U motoru s Ottovým cyklem se to provádí dvěma otáčkami klikového hřídele: sací / zapalovací, pak výkonovou / výfukovou. V původním motoru Atkinson vynálezce přidal několik vazeb, takže všechny čtyři tahy mohly být dokončeny jedinou rotací klikového hřídele..

To samo o sobě by zlepšilo účinnost, ale Atkinson měl další realizaci: pokud by se stlačení ve válci snížilo a výkonový zdvih byl delší než sací zdvih, motor by pracoval efektivněji. Otáčení motoru, které otáčí kola a způsobuje, že vůz jede, by vyžadovalo méně paliva.

Představte si, že chcete, válec a píst. Při sacím zdvihu se píst nepohybuje úplně dolů válcem. Přívodní ventil, ve kterém vzduch a palivo vstupují do válce, neumožňuje tolik směsi do válce. Méně směsi vyžaduje menší kompresi. Píst se pohybuje zpět pro kompresní zdvih a nahoře je směs zapálena. Výložník! Síla posílá píst zpět dolů hřídelí válce v silovém zdvihu, tentokrát celou cestu dolů, aby se využil každý poslední bit síly generované spalováním. Pak se píst pohybuje zpět nahoru, aby vytáhl nevyžádanou část pro výfuk. Ta da! Čtyři tahy, méně paliva!

Samozřejmě, že jste chytrý čtenář, pravděpodobně jste si uvědomili, že méně paliva a menší komprese znamenají méně energie. Máte pravdu. I když je píst dovoleno cestovat dále po silovém zdvihu dále než při sacím zdvihu, nebude to generovat tolik energie jako u motoru s vyšší kompresí a bohatší směsí plynů.

Další výzvou tohoto motoru je, že vyžaduje spoustu dalších dílů, což znesnadňuje montáž, nemluvě o drahé. Chudák Atkinson musel dosáhnout všech těchto účinků pomocí pružin a vibračních spojů a žhavicí trubice, která zní jako vynikající jméno pro skupinu. Moderní inženýři mají mnohem jednodušší čas.

Ford představil své hybridní auto Fusion s 700 km na tank na autosalonu v Los Angeles 19. listopadu 2008 v Los Angeles v Kalifornii David McNew / Getty Images

Puristi budou pooh pooh Atkinsonovým cyklovým motorem dneška, s viditelným vibrujícím spojením v dohledu. Ve skutečnosti, pokud umístíte moderní motor Atkinsonova cyklu vedle moderního Otto cyklu, nebudete schopni vidět žádný rozdíl. „V motoru [Prius] není nic, co není v běžném motoru,“ říká David Lee z University of Toyota. (Není to univerzita, kterou byste mohli navštěvovat, pokud nejste zaměstnancem společnosti Toyota, který potřebuje vědět o nejnovějších a největších rolích v prodejnách. Promiňte.)

Co Atkinson musel dosáhnout umístěním klikové hřídele, můžeme nyní dělat s proměnným časováním ventilů, což je mnohem levnější a snadnější řešení. Nezapomeňte, že v Atkinsonově originálu by sací ventily zavřely brzy, aby se zabránilo některé směsi vzduchu a paliva. V současnosti je sací ventil udržován otevřený příliš dlouho, takže když se píst pohybuje směrem nahoru pro kompresní zdvih, může uniknout část směsi plynu se vzduchem. Každá metoda má stejný konec: kompresní poměr je nižší. V technice mluvit, moderní metoda je známá jako “živý” - pozdní uzavření sacího ventilu. Poté zapalovací svíčka provede svou činnost - jiskření - a píst využívá spalování plným silovým zdvihem dolů. A pak výfukový zdvih vykonává svou čisticí práci.

Za 120 let a více se to změnilo. Ve snaze o zvýšení účinnosti byly vyvinuty nové materiály. Například lehčí písty, kroužky a ventilové pružiny například snižují tření a celkovou hmotnost vozu. Přenášení menší hmotnosti kolem vyžaduje méně energie. Použití dvouvřetenového vačkového motoru, stejně jako Ford ve svých Fusion a dalších hybridech, ještě více usnadňuje řízení procesu.

A opět, chytrý čtenáři, jste si pravděpodobně všimli, že moderní verze tohoto motoru produkuje méně energie, stejně jako jeho předchůdce. Příliš pravda. Jak poznamenal Lee, „Tento motor by bojoval v běžném autě.“

Ale víte, kde se to netýká? V hybridním pohonu.

Máte tedy motor, který je opravdu efektivní, ale postrádá energii, zejména točivého momentu, jaké má síla, kterou hasičská vlečná lanovka má ve špičkách. Ale pokud jste technik hybridního pohonu, máte také elektrický motor, který má po celou dobu krouticí moment od 0 ot / min. Problém s elektrickým motorem spočívá v tom, že vysokou rychlostí neudrží vysokou rychlost, ale ne benzínový motor. Co dělat, technik hybridního pohonu?

Pokud jste Gilbert Portalatin, který je náhodou hybridním technikem pohonu s Fordem nebo jiným technikem téměř jakékoli jiné automobilové společnosti vytvářející plné hybridy, spojíte tyto dva systémy, jako je čokoláda a arašídové máslo. Při nízkých rychlostech se elektromotory rozběhnou svým točivým momentem a posouvají vozidlo dopředu. Pokud nejste jedním z těch velmi pečlivých hypermilátorů, kteří stisknou plynový pedál tak jemně, jako by se pod ním skrývalo kotě, benzínový motor přijde velmi rychle online, i když elektrický motor dělá docela dost práce. Přibližně 40 km / h přebírá Atkinsonův cyklus motor téměř úplně, s trochou asistence elektromotoru.

Pokud máte tento druh kombo, můžete zkonstruovat motor Atkinsonova cyklu tak, aby přesně odpovídal elektrickému motoru pro optimální účinnost. Pokud trváte na tom, že v příštím pruhu přijmete oheň, nebudete v prachu úplně. „Rozbijte pedál a dostanete to, o co žádáte - všechny pohonné jednotky,“ řekl Lee v Toyota.

Toto vyrovnání zátěže je důvodem, proč plný hybrid, jako je Toyota Prius nebo Ford Escape, získává lepší kilometrový výkon ve městě než na dálnici - přesně naopak jako každé jiné vozidlo na silnici. Nehnízdí mezi námi jezdí po městě docela pomalu. Spuštění a zastavení hodně, a my nedostaneme až 75 mph, takže elektrický motor bere hodně zátěže. Na dálnici však benzínový motor do značné míry funguje sám.

Sotva kdokoli v roce 1887 mohl předvídat šťastné arašídové máslo s čokoládou mezi Atkinsonovým motorem a elektromotory - auta neměla ani trvalé střechy.

Abych byl upřímný, miluji psaní těchto supertechnologických článků. Rád volám inženýry a nutím je, aby mi vysvětlili věci, které jsem nikdy nečetl. Těžko si dokonce představuji, o čem mluví, takže je nutím, aby se opakovali šest cest do neděle, abych se ujistil, že to mám hned, než něco napíšu.

Tentokrát jsem dostal extra podivínský bonus: blbeček omalovánky! Dobře, ve skutečnosti to nebyla omalovánky, ale pokud se podíváte na Atkinsonův patent pomocí patentového vyhledávání Google (číslo 367 496, pamatujte), zahrnuje Atkinsonovy původní diagramy. Použil jsem všech osm mých zvýrazňovačů a několik barevných Sharpies, abych sledoval, které ventily dělaly co a kde vzduch přicházel a výfuk vycházel. Pak jsem barevně označil patentový text - který jsem také vytiskl - tak, že když jsem četl, mohl jsem v popisu porovnat vibrační odkaz H v popisu s místem v motoru.

Nedokážu dostatečně doporučit metodu omalovánky k technologickému učení. Plánuji ho používat tak často, jak je to možné. Můj vnitřní osmiletý muž je velmi šťastný.

Související články

• Jak fungují automobilové motory
• Jak dieselové motory fungují
• Jak funguje Grail Engine
• Jak funguje horká žárovka
• Jak fungují motory Stirling
• Jak fungují hybridní auta
• Jak funguje Ford Escape Hybrid
• Jak Toyota Prius funguje

Prameny

• Aguilar, Mike. "Atkinsonův cyklus." Bright hub. 25. listopadu 2011. (8. února 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animované motory. "Atkinsonův motor." (8. února 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, Jamesi. "Patent plynového motoru 367 496." Patentový úřad USA. 2. srpna 1887. (8. února 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, Davide. Administrátor produktového vzdělávání, University of Toyota. Telefonický rozhovor vedený 7. února 2012.
• Octavio Navarro. Public Relations, Ford Motor Company. Rozhovor s konferenčním hovorem vedený 10. února 2012.
• Portalatin, Gilbert. Hybridní systémový inženýr, Ford Motor Company. Rozhovor s konferenčním hovorem vedený 10. února 2012.
• Stephen Russ. 2,0 l AC motorový inženýr, Ford Motor Company. Rozhovor s konferenčním hovorem vedený 10. února 2012.