Motor. Unterschiede zwischen Otto- und Atkinson-Zyklen
Seit einiger Zeit wird immer häufiger auch der Begriff „Atkinson Economy Cycle Engine“ verwendet. Was ist dieser Zyklus und warum reduziert er den Kraftstoffverbrauch?
Die heute gängigsten Viertakt-Benzinmotoren arbeiten nach dem sogenannten Otto-Zyklus, der Ende des XNUMX. Jahrhunderts vom deutschen Erfinder Nikolaus Otto, dem Konstrukteur eines der ersten erfolgreichen Hubkolben-Verbrennungsmotoren, entwickelt wurde. Der Kern dieses Zyklus besteht aus vier Takten, die in zwei Umdrehungen der Kurbelwelle ausgeführt werden: dem Ansaugtakt, dem Verdichtungstakt, dem Arbeitstakt und dem Auslasstakt.
Zu Beginn des Ansaughubs öffnet das Einlassventil, durch das durch Zurückziehen des Kolbens das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus dem Ansaugrohr angesaugt wird. Vor Beginn des Verdichtungstakts schließt das Einlassventil und der zum Kopf zurückkehrende Kolben verdichtet das Gemisch. Wenn der Kolben seine Höchstposition erreicht, wird das Gemisch durch einen elektrischen Funken gezündet. Die dabei entstehenden heißen Abgase dehnen sich aus und drücken auf den Kolben, wobei sie ihre Energie auf ihn übertragen. Wenn der Kolben so weit wie möglich vom Kopf entfernt ist, öffnet sich das Auslassventil. Der Auspufftakt beginnt damit, dass der Rückführkolben die Abgase aus dem Zylinder in den Auspuffkrümmer drückt.
Leider wird nicht die gesamte Energie in den Abgasen während des Arbeitstakts verwendet, um den Kolben zu schieben (und über die Pleuelstange die Kurbelwelle zu drehen). Sie stehen immer noch unter hohem Druck, wenn sich das Ausatemventil zu Beginn des Ausatemhubs öffnet. Wir können davon lernen, wenn wir das Geräusch eines Autos mit einem kaputten Schalldämpfer hören – es wird durch die Freisetzung von Energie in die Luft verursacht. Aus diesem Grund haben herkömmliche Benzinmotoren nur einen Wirkungsgrad von etwa 35 Prozent. Wenn es möglich wäre, den Hub des Kolbens im Arbeitshub zu vergrößern und diese Energie zu nutzen ...
Diese Idee kam dem englischen Erfinder James Atkinson. Im Jahr 1882 entwarf er einen Motor, bei dem dank eines komplexen Stößelsystems, das die Kolben mit der Kurbelwelle verband, der Arbeitshub länger war als der Kompressionshub. Dadurch entsprach der Druck der Abgase zu Beginn des Abgastaktes praktisch dem Atmosphärendruck und ihre Energie wurde vollständig genutzt.
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Warum wurde Atkinsons Idee nicht weiter verbreitet und warum nutzen Verbrennungsmotoren seit mehr als einem Jahrhundert den weniger effizienten Otto-Zyklus? Dafür gibt es zwei Gründe: Der eine ist die Komplexität des Atkinson-Motors und der andere – und noch wichtiger – die geringere Leistung, die er von einem Hubraumaggregat erhält.
Da jedoch immer mehr Wert auf den Kraftstoffverbrauch und die Auswirkungen der Motorisierung auf die Umwelt gelegt wurde, erinnerte man sich an die hohe Effizienz des Atkinson-Motors, insbesondere bei mittleren Geschwindigkeiten. Sein Konzept erwies sich als hervorragende Lösung, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, bei denen der Elektromotor die fehlende Leistung, insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen, ausgleicht.
Aus diesem Grund wurde der modifizierte Atkinson-Zyklusmotor im ersten serienmäßig hergestellten Hybridauto, dem Toyota Prius, und dann in allen anderen Toyota- und Lexus-Hybriden verwendet.
Was ist ein modifizierter Atkinson-Zyklus? Durch diese clevere Lösung behält der Toyota-Motor das klassische, einfache Design herkömmlicher Viertaktmotoren bei und der Kolben legt bei jedem Hub die gleiche Strecke zurück, wobei der effektive Hub länger ist als der Kompressionshub.
Eigentlich sollte man es anders sagen: Der effektive Kompressionszyklus ist kürzer als der Arbeitszyklus. Dies wird durch eine Verzögerung des Schließens des Einlassventils erreicht, das kurz nach Beginn des Kompressionstakts schließt. Dadurch wird ein Teil des Luft-Kraftstoff-Gemisches zum Ansaugkrümmer zurückgeführt. Dies hat zwei Konsequenzen: Die Menge der bei der Verbrennung entstehenden Abgase ist geringer und kann sich vor Beginn des Ausstoßhubs vollständig ausdehnen und dabei die gesamte Energie auf den Kolben übertragen reduziert interne Motorverluste. Mit dieser und anderen Lösungen konnte der Antriebsstrangmotor des Toyota Prius der vierten Generation einen thermischen Wirkungsgrad von bis zu 41 Prozent erreichen, der zuvor nur bei Dieselmotoren verfügbar war.
Das Schöne an der Lösung ist, dass die Verzögerung beim Schließen der Einlassventile keine größeren Konstruktionsänderungen erfordert – es reicht aus, einen elektronisch gesteuerten Mechanismus zur Änderung der Ventilsteuerzeiten zu verwenden.
Und wenn ja, ist das möglich und umgekehrt? Nun, natürlich; natürlich! Motoren mit variablem Arbeitszyklus werden seit einiger Zeit hergestellt. Bei geringem Leistungsbedarf, beispielsweise beim Fahren auf ruhigen Straßen, arbeitet der Motor nach dem Atkinson-Zyklus, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Und wenn eine bessere Leistung erforderlich ist – sei es beim Abbiegen oder beim Überholen – schaltet es auf den Otto-Zyklus um und nutzt dabei die gesamte verfügbare Dynamik. Dieser 1,2-Liter-Turbo-Direkteinspritzer kommt beispielsweise im Toyota Auris und im neuen City-SUV Toyota C-HR zum Einsatz. Der gleiche Zweiliter-Motor kommt im Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t und RC 200t zum Einsatz.
