Comment fonctionne un moteur à cycle Atkinson

Pendant plus de cent ans, les moteurs sont devenus plus gros, plus rapides et plus méchants, avec plus de puissance et de couple. Des gaz d'échappement jaillirent des tuyaux d'échappement comme un dragon réveillé de son sommeil pour rugir contre les voleurs potentiels de son trésor. Du moins, c'est ce que le gars aux pneus larges et au boulot à l'aérographe veut que vous pensiez.

Puis vint le vingtième siècle, lorsque nous avons réalisé que les moteurs cracheurs de feu tuaient plus que les adversaires des courses de dragsters aux feux rouges. Il s'avère que toutes ces éructations changeaient le climat et créaient un mauvais smog. Trop de dragons rendaient la planète plus semblable au Mordor qu'à la Comté.

Qui peut nous sauver de ces dragons cracheurs d'épuisement? Qui peut apprivoiser leurs manières gourmandes en gaz avec son épée de science et d'ingénierie? Qui porte le seul véritable anneau d'efficacité énergétique? Un homme: James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Angleterre. Aussi de 1887.

C'est vrai - la dernière technologie de moteur vert vient de l'aube de l'ère automobile. Le moteur à cycle Atkinson a été breveté aux États-Unis en 1887 (Atkinson a déposé des brevets britanniques et européens quelques années plus tôt). Mais les courses inégales du piston de son moteur à combustion à essence s'adaptent parfaitement à nos systèmes hybrides modernes..

Le moteur à cycle Atkinson utilisé dans tant d'hybrides de nos jours fonctionne sur le même principe que l'original - avec l'avantage évident d'un siècle d'avancées technologiques. Mais pour comprendre où nous en sommes aujourd'hui, nous devons d'abord savoir où nous en sommes. Réglez votre machine à remonter le temps pour 1887!

1. Le moteur à cycle Atkinson d'origine
2. Le moteur à cycle Atkinson moderne
3. Le cycle Atkinson et les voitures hybrides
4. Note de l'auteur

Le brevet américain d'Atkinson (numéro 367496, pour nous, les nerds adorateurs de brevets) est assez simple: environ mille mots de texte et quelques diagrammes utiles. Ou vous pouvez simplement lire cette explication, qui est beaucoup plus spirituelle que n'importe quel brevet.

Le moteur à combustion le plus courant de nos jours est un moteur à cycle Otto à quatre temps, où un piston monte et descend à l'intérieur d'un cylindre et une étincelle enflamme un mélange de gaz et d'air. Il en va de même pour un moteur à cycle Atkinson, voici donc un petit rappel du processus:

Course d'admission: Aspire de l'air et du carburant dans le cylindre

Course de compression: Écrase le mélange, donc lorsque l'étincelle s'éteint, elle explose - grand temps

Course de puissance ou d'expansion: Utilise la force créée par l'explosion pour déplacer le piston vers le bas du cylindre

Course d'échappement: Pousse les restes désagréables du processus de combustion hors du cylindre

Dans un moteur à cycle Otto, cela se fait en deux rotations du vilebrequin: admission / allumage, puis puissance / échappement. Dans le moteur Atkinson d'origine, l'inventeur a ajouté quelques liaisons afin que les quatre courses puissent être complétées avec une seule rotation du vilebrequin.

Cela en soi améliorerait l'efficacité, mais Atkinson avait une autre réalisation: si la compression dans le cylindre était abaissée et que la course de puissance était plus longue que la course d'admission, le moteur fonctionnerait plus efficacement. Il faudrait moins de carburant pour faire tourner le moteur, ce qui fait tourner les roues et fait tourner la voiture.

Imaginez, si vous voulez, le cylindre et le piston. Sur la course d'admission, le piston ne se déplace pas tout le long du cylindre. La soupape d'admission, où l'air et le carburant entrent dans le cylindre, n'autorise pas autant de mélange dans le cylindre. Moins de mélange nécessite moins de compression. Le piston remonte pour la course de compression et en haut le mélange est enflammé. Boom! La force renvoie le piston vers le bas de l'arbre du cylindre dans la course de puissance, cette fois tout en bas pour profiter de chaque dernier bit de force généré par la combustion. Ensuite, le piston remonte pour sortir les déchets pour la course d'échappement. Ta da! Quatre temps, moins de carburant!

Bien sûr, lecteur intelligent que vous êtes, vous vous êtes probablement rendu compte que moins de carburant et moins de compression signifient moins de puissance. Vous avez raison. Même si le piston est autorisé à descendre plus bas sur la course de puissance que sur la course d'admission, il ne générera pas autant de puissance que dans un moteur avec une compression plus élevée et un mélange de gaz plus riche..

L'autre défi de ce moteur est qu'il nécessite beaucoup de pièces supplémentaires, ce qui le rend difficile à assembler, pour ne pas dire cher. Le pauvre Atkinson devait atteindre toute cette efficacité avec des ressorts et des liens vibrants et un tube d'allumage chauffé au rouge, ce qui sonne comme un excellent nom pour un groupe. Les ingénieurs modernes ont beaucoup plus de facilité.

Les puristes vont faire caca le moteur du cycle Atkinson d'aujourd'hui, sans aucun lien vibrant en vue. En fait, si vous placez un moteur à cycle Atkinson moderne à côté d'un moteur à cycle Otto moderne, vous ne pourrez voir aucune différence. «Il n'y a rien dans le moteur [de la Prius] qui ne soit pas dans le moteur régulier», selon David Lee de l'Université de Toyota. (Ce n'est pas une université que vous pouvez fréquenter à moins que vous ne soyez un employé de Toyota ayant besoin de connaître le dernier et le meilleur déploiement chez les concessionnaires. Désolé.)

Ce qu'Atkinson devait réaliser avec le placement du vilebrequin, nous pouvons maintenant le faire avec un calage variable des soupapes, une solution beaucoup moins chère et plus facile. Rappelez-vous que dans l'original d'Atkinson, les soupapes d'admission se fermaient tôt pour empêcher une partie du mélange air-carburant. De nos jours, la soupape d'admission est maintenue ouverte un peu trop longtemps, de sorte que lorsque le piston monte pour la course de compression, un peu du mélange gaz-air peut s'échapper. Chaque méthode a la même fin: le taux de compression est plus faible. En langage ingénieur, la méthode moderne est connue sous le nom de «livic» - fermeture tardive des soupapes d'admission. Ensuite, la bougie d'allumage fait son travail - des étincelles - et le piston profite de la combustion avec une course à pleine puissance dans le cylindre. Et puis la course d'échappement fait son travail de nettoyage.

Plus que cela a changé en plus de 120 ans. Dans la recherche d'une efficacité accrue, de nouveaux matériaux ont été développés. Les pistons, anneaux et ressorts de soupapes plus légers, par exemple, réduisent la friction et le poids total de la voiture. Transporter moins de poids nécessite moins d'énergie. L'utilisation d'un moteur à double came en tête, comme le fait Ford dans sa Fusion et d'autres hybrides, rend encore plus facile le contrôle du processus.

Et encore une fois, lecteur avisé, vous avez probablement remarqué que la version moderne de ce moteur produit moins de puissance, tout comme son prédécesseur. Trop vrai. Comme Lee l'a noté, «ce moteur aurait du mal dans une voiture ordinaire».

Mais tu sais où ça ne lutte pas? Dans une transmission hybride.

Donc, vous avez un moteur vraiment efficace, mais il manque de puissance, en particulier de couple, le genre de puissance que la voiture de traînée cracheuse de feu a à la pelle. Mais, si vous êtes un ingénieur de groupe motopropulseur hybride, vous avez également un moteur électrique qui a tout le couple tout le temps, à partir de 0 tr / min. Le problème avec le moteur électrique est qu'il ne supporte pas très bien une vitesse élevée, pas aussi bien qu'un moteur à essence, avec sa puissance plus élevée. Que faire, ingénieur groupe motopropulseur hybride?

Eh bien, si vous êtes Gilbert Portalatin, qui se trouve être un ingénieur du groupe motopropulseur hybride chez Ford, ou tout autre ingénieur de presque n'importe quel autre constructeur automobile qui construit des hybrides complets, vous réunissez ces deux systèmes comme le chocolat et le beurre d'arachide. À basse vitesse, les moteurs électriques entrent en action avec leur couple et font avancer la voiture. À moins que vous ne soyez l'un de ces hypermilers super prudents qui appuient sur l'accélérateur aussi doucement que si un chaton se cachait en dessous, le moteur à essence se mettra en ligne assez rapidement, bien que le moteur électrique fasse pas mal de travail. À environ 40 mi / h environ, le moteur du cycle Atkinson prendra le relais presque complètement, avec un peu d'assistance du moteur électrique.

Tant que vous disposez de ce type de combo, vous pouvez concevoir le moteur à cycle Atkinson pour qu'il s'engrène précisément avec le moteur électrique pour une efficacité optimale. Si vous insistez pour prendre le coupe-feu dans la voie suivante, vous ne serez pas complètement laissé dans la poussière. "Écrasez la pédale et vous obtiendrez ce que vous demandez - tous les deux moteurs", a déclaré Lee chez Toyota.

Ce nivellement de la charge est la raison pour laquelle un hybride complet comme la Toyota Prius ou Ford Escape obtient un meilleur kilométrage en ville que sur l'autoroute - exactement le contraire de tous les autres véhicules sur la route. Les non-cracheurs de feu parmi nous conduisent assez lentement autour de la ville. Nous démarrons et nous arrêtons beaucoup, et nous n'atteignons pas 75 mi / h, le moteur électrique prend donc une grande partie du fardeau. Sur l'autoroute, cependant, le moteur à essence fonctionne pratiquement seul.

Presque personne en 1887 n'aurait pu prédire l'heureux mariage au beurre de cacahuète et au chocolat entre le moteur d'Atkinson et les moteurs électriques - les voitures n'avaient même pas de toit permanent à l'époque..

Pour être parfaitement honnête, j'adore écrire ces articles super-technologiques. J'adore appeler des ingénieurs et leur faire m'expliquer des choses que je n'ai jamais étudiées. J'ai du mal à imaginer même de quoi ils parlent, alors je leur fais répéter six façons jusqu'à dimanche pour m'assurer que je l'ai bien avant d'écrire quoi que ce soit.

Cette fois, j'ai eu un bonus extra-geek: un livre de coloriage nerd! D'accord, ce n'était pas vraiment un livre de coloriage, mais si vous recherchez le brevet d'Atkinson à l'aide de la recherche de brevets de Google (numéro 367,496, rappelez-vous), il comprend les diagrammes originaux d'Atkinson. J'ai utilisé mes huit surligneurs et plusieurs Sharpies de couleur pour savoir quelles valves faisaient quoi, et où l'air entrait et où l'échappement sortait. Ensuite, j'ai codé en couleur le texte du brevet - que j'avais également imprimé - afin que, lorsque je lisais, je puisse faire correspondre le lien vibrant H dans la description avec sa place dans le moteur..

Je ne saurais trop recommander la méthode du livre de coloriage pour l'apprentissage technologique. Je prévois de l'utiliser aussi souvent que possible. Mon enfant de huit ans est très heureux.

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Sources

• Aguilar, Mike. «The Atkinson Cycle Engine». Hub lumineux. 25 novembre 2011. (8 février 2012) http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/25983.aspx
• Moteurs animés. «Atkinson Engine». (8 février 2012) http://www.animatedengines.com/atkinson.html
• Atkinson, James. «Brevet 367 496 de moteurs à essence». Office américain des brevets. 2 août 1887. (8 février 2012) http://www.google.com/patents/US367496
• Lee, David. Administrateur de l'éducation sur les produits, Université de Toyota. Entretien téléphonique réalisé le 7 février 2012.
• Octavio Navarro. Relations publiques, Ford Motor Company. Entretien par conférence téléphonique le 10 février 2012.
• Portalatin, Gilbert. Ingénieur système hybride, Ford Motor Company. Entretien par conférence téléphonique le 10 février 2012.
• Stephen Russ. Ingénieur moteur 2.0L AC, Ford Motor Company. Entretien par conférence téléphonique le 10 février 2012.