Meer dan honderd jaar lang werden motoren groter, sneller en gemener, met meer pk's en koppel. De uitlaat spoot uit de uitlaatpijpen als een draak die uit zijn slaap ontwaakt om te brullen tegen potentiële dieven van zijn schat. Tenminste, dat is wat de man met de brede banden en het airbrush-vlamwerk je wil laten denken.
Toen kwam de twintigste eeuw, toen we ons realiseerden dat vuurspuwende motoren meer doodden dan tegenstanders van dragracen door rood licht. Het bleek dat al dat boeren het klimaat veranderde en nare smog veroorzaakte. Door te veel draken leek de planeet meer op Mordor dan op de Gouw.
Wie kan ons redden van deze uitputtende draken? Wie kan hun benzineslurpende manieren temmen met zijn zwaard van wetenschap en techniek? Wie draagt de enige echte ring van brandstofefficiëntie? Eén man:James Atkinson uit Hampstead, Middlesex, Engeland. Ook van 1887.
Dat klopt - het nieuwste op het gebied van groene motortechnologie stamt uit het begin van het autotijdperk. De Atkinson-cyclusmotor werd in 1887 in de Verenigde Staten gepatenteerd (Atkinson vroeg een paar jaar eerder Britse en Europese patenten aan). Maar de ongelijke slagen van de zuiger in zijn benzine-aangedreven verbrandingsmotor passen mooi bij onze moderne hybride systemen.
De Atkinson-cyclusmotor die tegenwoordig in zoveel hybrides wordt gebruikt, werkt volgens hetzelfde principe als het origineel - met het duidelijke voordeel van een eeuw aan technologische vooruitgang. Maar om te begrijpen waar we vandaag staan, moeten we eerst weten waar we zijn geweest. Zet je tijdmachine op 1887!
Inhoud
Het Amerikaanse patent van Atkinson (nummer 367.496, voor ons patentaanbiddende nerds) is vrij eenvoudig:ongeveer duizend woorden tekst en een paar handige diagrammen. Of je kunt gewoon deze uitleg lezen, die veel geestiger is dan welk patent dan ook.
De meest voorkomende verbrandingsmotor is tegenwoordig een viertakt-ottomotor, waarbij een zuiger in een cilinder op en neer gaat en een vonk een mengsel van gas en lucht ontsteekt. Hetzelfde geldt voor een Atkinson-cyclusmotor, dus hier is een korte opfriscursus van het proces:
Innameslag: Zuigt lucht en brandstof in de cilinder
Compressieslag: Knijpt het mengsel zodat wanneer de vonk afgaat, het zal exploderen -- groots
Kracht- of expansieslag: Gebruikt de kracht die door de explosie wordt gecreëerd om de zuiger door de cilinder te bewegen
Uitlaatslag: Duwt de nare restjes van het verbrandingsproces uit de cilinder
In een Otto-cyclusmotor gebeurt dit in twee omwentelingen van de krukas:inlaat/ontsteking, dan vermogen/uitlaat. In de originele Atkinson-motor voegde de uitvinder een aantal koppelingen toe zodat alle vier de slagen konden worden voltooid met een enkele rotatie van de krukas.
Dat op zich zou de efficiëntie verbeteren, maar Atkinson had nog een ander besef:als de compressie in de cilinder zou worden verlaagd en de arbeidsslag langer was dan de inlaatslag, zou de motor efficiënter werken. Er zou minder brandstof nodig zijn om de motor te laten draaien, waardoor de wielen draaien en de auto gaat rijden.
Stel je voor, als je wilt, de cilinder en de zuiger. Bij de inlaatslag beweegt de zuiger niet helemaal naar beneden in de cilinder. De inlaatklep, waar de lucht en brandstof de cilinder binnenkomen, laat niet zoveel van het mengsel in de cilinder. Minder mengsel vereist minder compressie. De zuiger gaat weer omhoog voor de compressieslag en bovenaan wordt het mengsel ontstoken. Boom! De kracht stuurt de zuiger terug langs de as van de cilinder in de arbeidsslag, deze keer helemaal naar beneden om te profiteren van elk laatste beetje kracht dat door de verbranding wordt gegenereerd. Dan gaat de zuiger weer omhoog om de rotzooi eruit te halen voor de uitlaatslag. Da! Viertakt, minder brandstof!
Natuurlijk, slimme lezer die u bent, realiseerde u zich waarschijnlijk dat minder brandstof en minder compressie minder vermogen betekenen. Je hebt gelijk. Hoewel de zuiger bij de arbeidsslag verder naar beneden mag rijden dan bij de inlaatslag, zal hij niet zoveel vermogen genereren als bij een motor met hogere compressie en een rijker gasmengsel.
De andere uitdaging met deze motor is dat er veel extra onderdelen voor nodig zijn, waardoor het lastig in elkaar te zetten en niet te vergeten duur is. Arme Atkinson moest al deze efficiëntie bereiken met veren en trillende schakels en een gloeiend hete ontstekingsbuis, wat klinkt als een uitstekende naam voor een band. Moderne ingenieurs hebben het veel gemakkelijker.
Puristen zullen de Atkinson-cyclusmotor van vandaag poeh-pooh, met geen enkele trillende schakel in zicht. Als je een moderne Atkinson-cyclusmotor naast een moderne Otto-cyclusmotor zou plaatsen, zou je trouwens geen verschil kunnen zien. "Er zit niets in [de Prius]-motor dat niet in de reguliere motor zit", aldus David Lee van de Universiteit van Toyota. (Het is geen universiteit die je kunt bezoeken, tenzij je een Toyota-medewerker bent die op de hoogte moet zijn van de nieuwste en beste introducties bij de dealers. Sorry.)
Wat Atkinson moest bereiken met de plaatsing van de krukas, kunnen we nu doen met variabele kleptiming, een veel goedkopere en gemakkelijkere oplossing. Onthoud dat in het origineel van Atkinson de inlaatkleppen vroeg zouden sluiten om een deel van het lucht-brandstofmengsel buiten te houden. Tegenwoordig wordt de inlaatklep iets te lang opengehouden, zodat wanneer de zuiger omhoog gaat voor de compressieslag, er een beetje van het gas-luchtmengsel kan ontsnappen. Elke methode heeft hetzelfde doel:de compressieverhouding is lager. In ingenieurstaal staat de moderne methode bekend als "livic" - late sluiting van de inlaatklep. Dan doet de bougie zijn ding - vonken - en de zuiger profiteert van de verbranding met een volledige krachtslag langs de cilinder. En dan doet de uitlaatslag zijn opruimwerk.
In meer dan 120 jaar is er meer veranderd. In de zoektocht naar meer efficiëntie zijn nieuwe materialen ontwikkeld. Lichtere zuigers, ringen en klepveren verminderen bijvoorbeeld de wrijving en het totale gewicht van de auto. Minder gewicht vervoeren kost minder energie. Het gebruik van een motor met dubbele bovenliggende nokkenas, zoals Ford doet in zijn Fusion en andere hybrides, maakt het nog gemakkelijker om het proces te controleren.
En nogmaals, slimme lezer, het is je vast opgevallen dat de moderne versie van deze motor net als zijn voorganger minder vermogen produceert. Te Waar. Zoals Lee opmerkte:"Deze motor zou het moeilijk hebben in een gewone auto."
Maar weet je waar het niet worstelt? In een hybride aandrijflijn.
Je hebt dus een motor die echt efficiënt is, maar die kracht mist, vooral de koppelvariatie, het soort vermogen dat de vuurspuwende sleepwagen in overvloed heeft. Maar als je een hybride aandrijflijningenieur bent, heb je ook een elektromotor die altijd al het koppel heeft, vanaf 0 tpm. Het probleem met de elektromotor is dat hij een hoge snelheid niet zo goed aankan, niet zo goed als een benzinemotor, met zijn hogere pk's. Wat te doen, ingenieur hybride aandrijflijn?
Nou, als je Gilbert Portalatin bent, die toevallig een hybride aandrijflijningenieur is bij Ford, of een andere ingenieur bij bijna elk ander autobedrijf dat volledige hybrides bouwt, breng je deze twee systemen samen zoals chocolade en pindakaas. Bij lage snelheden komen de elektromotoren met hun koppel in actie en stuwen de auto vooruit. Tenzij je een van die supervoorzichtige hypermilers bent die het gaspedaal zo zacht intrapt alsof er een kitten onder verstopt zit, komt de benzinemotor vrij snel online, hoewel de elektromotor behoorlijk wat werk doet. Bij ongeveer 40 mph of zo, zal de Atkinson-cyclusmotor het bijna volledig overnemen, met een beetje hulp van de elektromotor.
Zolang je dit soort combo hebt, kun je de Atkinson-cyclusmotor zo ontwerpen dat hij precies in de elektromotor past voor optimale efficiëntie. Als je erop staat de vuurspuwer in de volgende baan aan te pakken, zul je niet helemaal in het stof achterblijven. "Trap op het pedaal en je krijgt waar je om vraagt:alle twee motoren", zei Lee bij Toyota.
Deze belastingsnivellering is de reden waarom een volledige hybride zoals de Toyota Prius of Ford Escape meer kilometers maakt in de stad dan op de snelweg - precies het tegenovergestelde van, zoals elk ander voertuig op de weg. De niet-vuurspuwers onder ons rijden vrij langzaam door de stad. We starten en stoppen veel en halen geen 120 km/u, dus de elektromotor neemt een groot deel van de last op ons. Op de snelweg werkt de benzinemotor echter vrijwel alleen.
Bijna niemand had in 1887 het gelukkige huwelijk met pindakaas en chocolade kunnen voorspellen tussen Atkinsons motor en elektromotoren - auto's hadden toen nog geen permanente daken.
Oorspronkelijk gepubliceerd:1 maart 2012
Om heel eerlijk te zijn, vind ik het heerlijk om deze supertechnologische artikelen te schrijven. Ik vind het heerlijk om ingenieurs te bellen en hen dingen te laten uitleggen die ik nooit heb bestudeerd. Ik kan me zelfs maar moeilijk voorstellen waar ze het over hebben, dus ik laat ze zichzelf zes manieren herhalen tot zondag om er zeker van te zijn dat ik het goed heb voordat ik iets opschrijf.
Deze keer kreeg ik een extra-geeky bonus:nerd-kleurboek! Oké, het was niet echt een kleurboek, maar als je Atkinson's patent opzoekt met Google's patentzoekopdracht (nummer 367.496, onthoud), het bevat de originele diagrammen van Atkinson. Ik gebruikte al mijn acht markeerstiften en verschillende gekleurde Sharpies om bij te houden welke kleppen wat deden, en waar de lucht binnenkwam en de uitlaat naar buiten ging. Daarna kleurde ik de patenttekst -- die ik ook had uitgeprint -- zodat ik tijdens het lezen de trillende schakel H in de beschrijving kon matchen met zijn plaats in de motor.
Ik kan de kleurboekmethode van technologisch leren niet genoeg aanbevelen. Ik ben van plan om het zo vaak mogelijk te gebruiken. Mijn innerlijke achtjarige is erg blij.
