Jak działa silnik cykliczny Atkinsona

Toyota Prius C hybrid z 2012 roku została zaprezentowana podczas pokazu prasowego na North American International Auto Show w COBO Center w dniu 10 stycznia 2012 w Detroit w stanie Michigan. Bill Pugliano / Getty Images

Przez ponad sto lat silniki stawały się coraz większe, szybsze i bardziej wytrzymałe, posiadały więcej mocy i momentu obrotowego. Spaliny buchały z rur wydechowych jak smok obudzony ze snu, by ryczeć na potencjalnych złodziei jego skarbu. Przynajmniej tak chce, żebyś pomyślał facet z szerokimi oponami i ogniem ze szczotkowanego powietrza.

Potem nadszedł XX wiek, kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że silniki ziejące ogniem zabijają więcej niż przeciwników wyścigów drag drag na czerwonym świetle. Okazało się, że wszystko to zmieniało klimat i tworzyło paskudny smog. Zbyt wiele smoków upodabniało planetę do Mordoru niż do Shire.

Kto może nas uratować przed tymi ziejącymi spalinami smokami? Kto może okiełznać ich pochłaniające gaz sposoby swoim mieczem nauki i inżynierii? Kto nosi jedyny prawdziwy pierścień oszczędności paliwa? Jeden człowiek: James Atkinson z Hampstead w Middlesex w Anglii. Również z 1887 roku.

Zgadza się - najnowsza technologia ekologicznych silników pochodzi z zarania ery motoryzacji. Silnik pracujący w cyklu Atkinsona został opatentowany w Stanach Zjednoczonych w 1887 roku (kilka lat wcześniej Atkinson złożył wniosek o patenty w Wielkiej Brytanii i Europie). Ale nierówne ruchy tłoka w jego silniku spalinowym benzynowym całkiem dobrze pasują do naszych nowoczesnych systemów hybrydowych.

Silnik pracujący w cyklu Atkinsona, używany obecnie w tak wielu hybrydach, działa na tej samej zasadzie co oryginał - z oczywistą przewagą stulecia postępu technologicznego. Aby jednak zrozumieć, gdzie jesteśmy dzisiaj, musimy najpierw wiedzieć, gdzie byliśmy. Ustaw wehikuł czasu na 1887!

Zawartość

1. Oryginalny silnik cykliczny Atkinsona
2. Nowoczesny silnik cykliczny Atkinsona
3. Cykl Atkinsona i samochody hybrydowe
4. Notka autora

Amerykański patent Atkinsona (numer 367 496, dla nas uwielbiających patenty frajerów) jest dość prosty: zawiera około tysiąca słów tekstu i kilka pomocnych diagramów. Możesz też po prostu przeczytać to wyjaśnienie, które jest o wiele bardziej dowcipne niż jakikolwiek patent.

Najpopularniejszym obecnie silnikiem spalinowym jest czterosuwowy silnik z cyklem Otto, w którym tłok porusza się w górę iw dół wewnątrz cylindra, a iskra zapala mieszaninę gazu i powietrza. To samo dotyczy silnika pracującego w cyklu Atkinsona, więc oto krótkie przypomnienie tego procesu:

Skok dolotowy: Zasysa powietrze i paliwo do cylindra

Skok kompresji: Zgniata miksturę, aby wybuchła iskra - wielki czas

Skok mocy lub rozprężania: Wykorzystuje siłę wytworzoną przez wybuch, aby przesunąć tłok w dół cylindra

Skok wydechowy: Wypycha z cylindra nieprzyjemne pozostałości procesu spalania

W silniku pracującym w cyklu Otto odbywa się to poprzez dwa obroty wału korbowego: dolot / zapłon, następnie moc / wydech. W oryginalnym silniku Atkinsona wynalazca dodał kilka połączeń, dzięki czemu wszystkie cztery skoki można było ukończyć jednym obrotem wału korbowego.

To samo w sobie poprawiłoby wydajność, ale Atkinson zdał sobie sprawę z innego faktu: gdyby zmniejszyć kompresję w cylindrze, a suw mocy był dłuższy niż suw dolotowy, silnik pracowałby wydajniej. Obracanie silnika wymagałoby mniej paliwa, który obraca koła i sprawia, że ​​samochód rusza.

Wyobraź sobie, jeśli chcesz, cylinder i tłok. W suwie ssania tłok nie porusza się do końca w dół cylindra. Zawór dolotowy, w którym powietrze i paliwo wpływają do cylindra, nie wpuszczają tak dużej ilości mieszanki do cylindra. Mniejsza mieszanka wymaga mniejszej kompresji. Tłok cofa się do suwu sprężania, a na górze mieszanka zostaje zapalona. Bum! Siła wysyła tłok z powrotem w dół wału cylindra w suwie mocy, tym razem aż do końca, aby wykorzystać każdą najmniejszą siłę generowaną przez spalanie. Następnie tłok przesuwa się z powrotem do góry, aby usunąć śmieci potrzebne do suwu wydechu. Ta da! Cztery pociągnięcia, mniej paliwa!

Oczywiście, sprytny czytelniku, prawdopodobnie zdałeś sobie sprawę, że mniej paliwa i mniej sprężania oznacza mniejszą moc. Masz rację. Chociaż tłok może poruszać się dalej w suwie mocy niż w suwie ssania, nie będzie generował takiej mocy, jak w silniku o wyższym sprężeniu i bogatszej mieszance gazowej.

Innym wyzwaniem związanym z tym silnikiem jest to, że wymaga on wielu dodatkowych części, co sprawia, że ​​jest trudny w montażu, nie wspominając o kosztownym. Biedny Atkinson musiał osiągnąć całą tę wydajność za pomocą sprężyn i wibrujących ogniw oraz rozgrzanej do czerwoności rury zapłonowej, co brzmi jak doskonała nazwa dla zespołu. Współcześni inżynierowie mają o wiele łatwiejszy czas.

Ford zaprezentował swój samochód hybrydowy Fusion, liczący 700 mil miejskich na zbiornik, na Los Angeles Auto Show 19 listopada 2008 w Los Angeles w Kalifornii. David McNew / Getty Images

Puryści będą kupować dzisiejszy silnik cyklu Atkinsona, bez wibrującego ogniwa w zasięgu wzroku. W rzeczywistości, jeśli umieścisz nowoczesny silnik pracujący w cyklu Atkinsona obok nowoczesnego silnika pracującego w cyklu Otto, nie zobaczysz żadnej różnicy. „W silniku [Priusa] nie ma niczego, czego nie ma w zwykłym silniku” - twierdzi David Lee z University of Toyota. (To nie jest uniwersytet, na który możesz uczęszczać, chyba że jesteś pracownikiem Toyoty i musisz wiedzieć o najnowszych i najlepszych wprowadzeniach do salonów. Przepraszamy.)

To, co Atkinson musiał osiągnąć dzięki umieszczeniu wału korbowego, możemy teraz zrobić dzięki zmiennym fazom rozrządu, znacznie tańszemu i łatwiejszemu rozwiązaniu. Pamiętaj, że w oryginale Atkinsona zawory dolotowe zamykały się wcześniej, aby nie dopuścić do przedostania się części mieszanki paliwowo-powietrznej. W dzisiejszych czasach zawór dolotowy jest utrzymywany w pozycji otwartej trochę za długo, tak że gdy tłok porusza się w górę podczas suwu sprężania, może ulotnić się niewielka ilość mieszanki gazowo-powietrznej. Każda metoda ma ten sam koniec: współczynnik kompresji jest niższy. W języku inżynierów nowoczesna metoda znana jest jako „livic” - późne zamknięcie zaworu dolotowego. Wtedy świeca zapłonowa robi swoje - iskrzy - a tłok wykorzystuje spalanie z pełnym skokiem mocy w dół cylindra. A potem suw wydechowy wykonuje swoją pracę porządkową.

Więcej się zmieniło przez ponad 120 lat. W dążeniu do zwiększenia wydajności opracowano nowe materiały. Na przykład lżejsze tłoki, pierścienie i sprężyny zaworów zmniejszają tarcie i całkowitą masę samochodu. Przenoszenie mniejszego ciężaru wymaga mniej energii. Zastosowanie silnika z podwójną krzywką górną, tak jak robi to Ford w Fusion i innych hybrydach, jeszcze bardziej ułatwia sterowanie procesem.

I znowu, sprytny czytelniku, zapewne zauważyłeś, że nowoczesna wersja tego silnika wytwarza mniejszą moc, podobnie jak jego poprzednik. Zbyt prawdziwe. Jak zauważył Lee, „ten silnik miałby problemy w zwykłym samochodzie”.

Ale wiesz, gdzie nie walczy? W hybrydowym układzie napędowym.

Więc masz silnik, który jest naprawdę wydajny, ale brakuje mu mocy, szczególnie jeśli chodzi o różne momenty obrotowe, taką moc, jaką ma wożony ogniem drag car. Ale jeśli jesteś inżynierem hybrydowego układu napędowego, masz również silnik elektryczny, który ma cały moment obrotowy od 0 obr / min. Problem z silnikiem elektrycznym polega na tym, że nie wytrzymuje on zbyt dobrze dużej prędkości, a nie tak dobrze, jak silnik benzynowy, ze względu na większą moc. Co robić, inżynier napędu hybrydowego?

Cóż, jeśli jesteś Gilbertem Portalatinem, który jest inżynierem hybrydowego układu napędowego z Fordem, lub jakimkolwiek innym inżynierem w prawie każdej innej firmie samochodowej budującej pełne hybrydy, łączysz te dwa systemy razem, jak czekolada i masło orzechowe. Przy niskich prędkościach silniki elektryczne uruchamiają swój moment obrotowy i przesuwają samochód do przodu. Jeśli nie jesteś jednym z tych super ostrożnych hipermilerów, którzy wciskają pedał przyspieszenia tak delikatnie, jakby kotek chował się pod nim, silnik benzynowy zostanie uruchomiony dość szybko, chociaż silnik elektryczny wykonuje sporo pracy. Przy około 40 mil na godzinę silnik pracujący w cyklu Atkinsona przejmie prawie całkowicie pracę, z niewielką pomocą silnika elektrycznego.

Dopóki masz tego rodzaju kombinację, możesz tak zaprojektować silnik cyklu Atkinsona, aby dokładnie współpracował z silnikiem elektrycznym, aby uzyskać optymalną wydajność. Jeśli będziesz nalegać na ziejąc ogniem na następnej linii, nie zostaniesz całkowicie w kurzu. „Wciśnij pedał, a dostaniesz to, o co prosisz - wszystkie obie jednostki napędowe” - powiedział Lee z Toyoty.

To wyrównanie obciążenia jest powodem, dla którego pełna hybryda, taka jak Toyota Prius lub Ford Escape, ma lepszy przebieg w mieście niż na autostradzie - dokładnie odwrotnie niż każdy inny pojazd na drodze. Ci, którzy nie oddychają ogniem wśród nas, dość wolno jeżdżą po mieście. Często zaczynamy i zatrzymujemy się, a nie osiągamy prędkości 75 mil na godzinę, więc silnik elektryczny przejmuje dużo obciążenia. Jednak na autostradzie silnik benzynowy działa prawie sam.

Prawie nikt w 1887 roku nie mógł przewidzieć szczęśliwego mariażu masła orzechowego i czekolady między silnikiem Atkinsona a silnikami elektrycznymi - samochody nie miały wtedy nawet stałych dachów.

Szczerze mówiąc, uwielbiam pisać te super-technologiczne artykuły. Uwielbiam dzwonić do inżynierów i zmuszać ich do wyjaśniania mi rzeczy, których nigdy się nie uczyłem. Trudno mi nawet wyobrazić sobie, o czym mówią, więc powtarzam im sześć sposobów do niedzieli, aby upewnić się, że mam to dobrze, zanim cokolwiek napiszę.

Tym razem dostałem ekstra-naukowy bonus: kolorowankę dla nerdów! Okej, tak naprawdę nie była to książka do kolorowania, ale jeśli spojrzysz na patent Atkinsona za pomocą wyszukiwarki patentów Google (numer 367 496, pamiętaj), zawiera ona oryginalne diagramy Atkinsona. Użyłem wszystkich ośmiu moich zakreślaczy i kilku kolorowych Sharpies, aby śledzić, które zawory robiły i gdzie wlatuje powietrze, a spaliny wychodzą. Następnie zakodowałem kolorami tekst patentu - który też wydrukowałem - tak że czytając mogłem dopasować wibrujące ogniwo H w opisie do jego miejsca w silniku.

Nie mogę wystarczająco polecić metody kolorowania w nauce technologii. Planuję używać go jak najczęściej. Moja wewnętrzna ośmiolatka jest bardzo szczęśliwa.

Powiązane artykuły

• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działają silniki wysokoprężne
• Jak działa silnik Graala
• Jak działa silnik z gorącą żarówką
• Jak działają silniki Stirlinga
• Jak działają samochody hybrydowe
• Jak działa Ford Escape Hybrid
• Jak działa Toyota Prius

Źródła

• Aguilar, Mike. „Silnik cykliczny Atkinsona”. Bright Hub. 25 listopada 2011 r. (8 lutego 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Animowane silniki. „Silnik Atkinsona”. (8 lutego 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. „Patent na silnik gazowy 367 496”. Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych. 2 sierpnia 1887 r. (8 lutego 2012 r.) Http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Administrator ds. Edukacji produktowej na Uniwersytecie Toyoty. Wywiad telefoniczny przeprowadzony 7 lutego 2012 r.
• Octavio Navarro. Public Relations, Ford Motor Company. Rozmowa podczas telekonferencji przeprowadzona 10 lutego 2012 r.
• Portalatin Gilbert. Inżynier ds. Systemów hybrydowych, Ford Motor Company. Rozmowa podczas telekonferencji przeprowadzona 10 lutego 2012 r.
• Stephen Russ. Inżynier silnika 2.0L AC, Ford Motor Company. Rozmowa podczas telekonferencji przeprowadzona 10 lutego 2012 r.