Come funziona un motore a ciclo Atkinson

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La Toyota Prius C ibrida del 2012 viene presentata durante un'anteprima per la stampa al North American International Auto Show presso il COBO Center il 10 gennaio 2012 a Detroit, Michigan. Bill Pugliano / Getty Images

Per oltre cento anni, i motori sono diventati più grandi, più veloci e più cattivi, con più potenza e coppia. I gas di scarico eruttavano dai tubi di scappamento come un drago svegliato dal suo sonno per ruggire contro potenziali ladri del suo tesoro. Almeno, questo è quello che vuole farti pensare il ragazzo con le gomme larghe e il lavoro con le fiamme aerografate.

Poi è arrivato il ventesimo secolo, quando ci siamo resi conto che i motori sputafuoco stavano uccidendo più degli avversari di drag racing a luci rosse. Si è scoperto che tutto quel ruttare stava cambiando il clima e creando uno smog sgradevole. Troppi draghi rendevano il pianeta più simile a Mordor che alla Contea.

Chi può salvarci da questi draghi eruttanti di gas di scarico? Chi può domare i loro modi di consumare gas con la sua spada della scienza e dell'ingegneria? Chi porta l'unico vero anello dell'efficienza del carburante? Un uomo: James Atkinson di Hampstead, Middlesex, Inghilterra. Anche del 1887.

Esatto: le ultime novità nella tecnologia dei motori verdi provengono dagli albori dell'era automobilistica. Il motore a ciclo Atkinson è stato brevettato negli Stati Uniti nel 1887 (Atkinson ha presentato brevetti per il Regno Unito e l'Europa un paio di anni prima). Ma le corse irregolari del pistone del suo motore a combustione a benzina si adattano perfettamente ai nostri moderni sistemi ibridi.

Il motore a ciclo Atkinson utilizzato in così tanti ibridi oggigiorno funziona secondo lo stesso principio dell'originale, con l'ovvio vantaggio di un secolo di progressi tecnologici. Ma per capire a che punto siamo oggi, dobbiamo prima sapere dove siamo stati. Imposta la tua macchina del tempo per il 1887!

Contenuti
  1. L'originale motore a ciclo Atkinson
  2. Il moderno motore a ciclo Atkinson
  3. Il ciclo Atkinson e le auto ibride
  4. Nota dell'autore

Il brevetto statunitense di Atkinson (numero 367.496, per noi nerd adoratori dei brevetti) è piuttosto semplice: circa un migliaio di parole di testo e alcuni diagrammi utili. Oppure puoi semplicemente leggere questa spiegazione, che è molto più arguta di qualsiasi brevetto.

Il motore a combustione più comune in questi giorni è un motore a ciclo Otto a quattro tempi, in cui un pistone va su e giù all'interno di un cilindro e una scintilla accende una miscela di gas e aria. Lo stesso vale per un motore a ciclo Atkinson, quindi ecco un rapido aggiornamento del processo:

Colpo di aspirazione: Aspira aria e carburante nel cilindro

Colpo di compressione: Schiaccia la miscela in modo che quando la scintilla si spegne, esploderà - alla grande

Potenza o corsa di espansione: Utilizza la forza creata dall'esplosione per spostare il pistone lungo il cilindro

Corsa di scarico: Spinge i brutti residui del processo di combustione fuori dal cilindro

In un motore a ciclo Otto, ciò avviene in due rotazioni dell'albero motore: aspirazione / accensione, quindi alimentazione / scarico. Nel motore Atkinson originale, l'inventore ha aggiunto un paio di collegamenti in modo che tutte e quattro le corse potessero essere completate con una singola rotazione dell'albero motore.

Questo di per sé migliorerebbe l'efficienza, ma Atkinson aveva un'altra consapevolezza: se la compressione nel cilindro fosse stata abbassata e la corsa di potenza fosse più lunga della corsa di aspirazione, il motore avrebbe funzionato in modo più efficiente. Ci vorrebbe meno carburante per far girare il motore, che fa girare le ruote e fa partire l'auto.

Immagina, se vuoi, il cilindro e il pistone. Durante la corsa di aspirazione, il pistone non si sposta completamente verso il basso nel cilindro. La valvola di aspirazione, dove l'aria e il carburante entrano nel cilindro, non consente l'ingresso di una quantità maggiore di miscela nel cilindro. Meno miscela richiede meno compressione. Il pistone risale per la corsa di compressione e in alto la miscela si accende. Boom! La forza rimanda il pistone indietro lungo l'albero del cilindro nella corsa di potenza, questa volta fino in fondo per sfruttare fino all'ultimo bit di forza generata dalla combustione. Quindi il pistone si sposta indietro per estrarre la spazzatura per la corsa di scarico. Ta da! Quattro tempi, meno carburante!

Ovviamente, lettore intelligente che sei, probabilmente hai capito che meno carburante e meno compressione significano meno potenza. Hai ragione. Anche se il pistone può viaggiare più in basso nella corsa di potenza rispetto alla corsa di aspirazione, non genererà la stessa potenza di un motore con una compressione più elevata e una miscela di gas più ricca.

L'altra sfida con questo motore è che richiede molte parti extra, il che lo rende difficile da montare, per non parlare dei costi. Il povero Atkinson doveva raggiungere tutta questa efficienza con molle e maglie vibranti e un tubo di accensione rovente, che suona come un nome eccellente per una band. Gli ingegneri moderni se la passano molto più facilmente.

Ford ha presentato le sue 700 miglia urbane per carro armato Fusion ibrida al Los Angeles Auto Show il 19 novembre 2008 a Los Angeles, in California. David McNew / Getty Images

I puristi prenderanno in giro il motore a ciclo Atkinson di oggi, senza un collegamento vibrante in vista. È un dato di fatto, se metti un moderno motore a ciclo Atkinson accanto a un moderno motore a ciclo Otto, non saresti in grado di vedere alcuna differenza. "Non c'è niente nel motore [della Prius] che non sia nel motore normale", secondo David Lee dell'Università di Toyota. (Non è un'università che puoi frequentare a meno che tu non sia un dipendente Toyota che ha bisogno di sapere dell'ultima e più grande introduzione alle concessionarie. Mi dispiace.)

Quello che Atkinson doveva ottenere con il posizionamento dell'albero motore ora lo possiamo fare con la fasatura variabile delle valvole, una soluzione molto più semplice e più economica. Ricorda che nell'originale di Atkinson, le valvole di aspirazione si chiudevano presto per tenere fuori parte della miscela aria-carburante. Al giorno d'oggi, la valvola di aspirazione viene tenuta aperta un po 'troppo a lungo, in modo che quando il pistone si alza per la corsa di compressione, può fuoriuscire un po' della miscela aria-gas. Ogni metodo ha la stessa fine: il rapporto di compressione è inferiore. In linguaggio tecnico, il metodo moderno è noto come "livic" - chiusura tardiva della valvola di aspirazione. Quindi la candela fa il suo dovere - scintilla - e il pistone sfrutta la combustione con una corsa a piena potenza lungo il cilindro. E poi la corsa di scarico fa il suo lavoro di pulizia.

Più di questo è cambiato in più di 120 anni. Nella ricerca di una maggiore efficienza, sono stati sviluppati nuovi materiali. Pistoni, anelli e molle delle valvole più leggeri, ad esempio, riducono l'attrito e il peso complessivo dell'auto. Trasportare meno peso richiede meno energia. L'utilizzo di un motore a doppia camma in testa, come fa Ford nella sua Fusion e altri ibridi, rende ancora più facile il controllo del processo.

E ancora, abile lettore, probabilmente avrai notato che la versione moderna di questo motore produce meno potenza, proprio come il suo predecessore. Troppo vero. Come ha notato Lee, "Questo motore avrebbe difficoltà in un'auto normale".

Ma sai dove non fa fatica? In una trasmissione ibrida.

Quindi, hai un motore che è davvero efficiente, ma manca di potenza, specialmente della varietà di coppia, il tipo di potenza che l'auto di resistenza sputafuoco ha in vanga. Ma se sei un ingegnere di propulsori ibridi, hai anche un motore elettrico che ha tutta la coppia per tutto il tempo, da 0 giri / min. Il problema con il motore elettrico è che non sopporta molto bene un'alta velocità, non come un motore a benzina, con la sua maggiore potenza. Cosa fare, ingegnere del propulsore ibrido?

Bene, se sei Gilbert Portalatin, che sembra essere un ingegnere di propulsori ibridi con Ford, o qualsiasi altro ingegnere di quasi tutte le altre case automobilistiche che costruiscono ibridi completi, metti insieme questi due sistemi come cioccolato e burro di arachidi. A basse velocità, i motori elettrici entrano in azione con la loro coppia e fanno avanzare l'auto. A meno che tu non sia uno di quegli hypermilers super attenti che premono l'acceleratore con la stessa delicatezza come se un gattino si nascondesse sotto di esso, il motore a benzina entrerà in funzione abbastanza rapidamente, anche se il motore elettrico sta facendo un bel po 'di lavoro. A circa 40 mph circa, il motore a ciclo Atkinson prenderà il sopravvento quasi completamente, con un po 'di assistenza dal motore elettrico.

Finché si dispone di questo tipo di combinazione, è possibile progettare il motore a ciclo Atkinson per accoppiarsi precisamente con il motore elettrico per un'efficienza ottimale. Se insisti a sfidare il fuoco nella corsia successiva, non sarai completamente nella polvere. "Rompi il pedale e otterrai ciò che chiedi: tutti e due i propulsori", ha detto Lee alla Toyota.

Questo livellamento del carico è il motivo per cui un ibrido completo come la Toyota Prius o la Ford Escape ottiene un chilometraggio migliore in città rispetto a quello in autostrada, esattamente l'opposto di, come, ogni altro veicolo sulla strada. I non-fuochi tra noi guidano abbastanza lentamente per la città. Partiamo e ci fermiamo molto e non arriviamo fino a 75 mph, quindi il motore elettrico si prende molto del carico. In autostrada, però, il motore a benzina funziona praticamente da solo.

Quasi nessuno nel 1887 avrebbe potuto prevedere il felice matrimonio tra burro di arachidi e cioccolato tra il motore di Atkinson ei motori elettrici: le auto allora non avevano nemmeno i tetti permanenti.

Ad essere sincero, adoro scrivere questi articoli super tecnologici. Amo chiamare ingegneri e farmi spiegare cose che non ho mai studiato. Ho difficoltà anche a immaginare di cosa stanno parlando, quindi li faccio ripetere in sei modi fino a domenica per assicurarmi di averlo giusto prima di scrivere qualcosa.

Questa volta, ho ricevuto un bonus extra-geek: libro da colorare nerd! Ok, non era davvero un libro da colorare, ma se cerchi il brevetto di Atkinson utilizzando la ricerca brevetti di Google (numero 367.496, ricorda) include i diagrammi originali di Atkinson. Ho usato tutti e otto i miei evidenziatori e diversi pennarelli colorati per tenere traccia di quali valvole facevano cosa, e dove entrava l'aria e usciva lo scarico. Quindi ho codificato a colori il testo del brevetto - che avevo anche stampato - in modo che durante la lettura potessi abbinare il collegamento vibrante H nella descrizione con la sua posizione nel motore.

Non posso raccomandare abbastanza il metodo del libro da colorare di apprendimento tecnologico. Ho intenzione di usarlo il più spesso possibile. Il mio bambino interiore di otto anni è molto felice.

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fonti

  • Aguilar, Mike. "Atkinson Cycle Engine". Bright Hub. 25 novembre 2011 (8 febbraio 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
  • Motori animati. "Atkinson Engine." (8 febbraio 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
  • Atkinson, James. "Brevetto per motore a gas 367.496". US Patent Office. 2 agosto 1887 (8 febbraio 2012) http://www.google.com/patents/US367496
  • Lee, David. Amministratore di Product Education, Università di Toyota. Intervista telefonica condotta il 7 febbraio 2012.
  • Octavio Navarro. Pubbliche relazioni, Ford Motor Company. Intervista in teleconferenza condotta il 10 febbraio 2012.
  • Portalatin, Gilbert. Ingegnere di sistemi ibridi, Ford Motor Company. Intervista in teleconferenza condotta il 10 febbraio 2012.
  • Stephen Russ. Ingegnere di motori AC 2.0L, Ford Motor Company. Intervista in teleconferenza condotta il 10 febbraio 2012.



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