I över hundra år blev motorerna större, snabbare och elakare, med fler hästkrafter och vridmoment. Avgaserna rapade från avgasrören som en drake som vaknat ur sin dvala för att vråla åt potentiella tjuvar av dess skatt. Åtminstone är det vad killen med de breda däcken och det airbrushade flammejobbet vill att du ska tänka.
Sedan kom nittonhundratalet, när vi insåg att eldsprutande motorer dödade mer än dragracingmotståndare i rött ljus. Det visade sig att allt detta rapningar förändrade klimatet och skapade otäck smog. Alltför många drakar gjorde planeten mer lik Mordor än Shire.
Vem kan rädda oss från dessa utmattande rapande drakar? Vem kan tämja deras gasslukande sätt med sitt svärd av vetenskap och teknik? Vem bär den enda verkliga ringen av bränsleeffektivitet? En man:James Atkinson från Hampstead, Middlesex, England. Också av 1887.
Det stämmer – det senaste inom grön motorteknik kommer från biltidens gryning. Atkinson-cykelmotorn patenterades i USA 1887 (Atkinson ansökte om brittiska och europeiska patent ett par år tidigare). Men de ojämna slagen av kolven i hans bensindrivna förbränningsmotor passar våra moderna hybridsystem ganska snyggt.
Atkinson-cykelmotorn som används i så många hybrider nuförtiden fungerar på samma princip som originalet - med den uppenbara fördelen av ett sekel av tekniska framsteg. Men för att förstå var vi är idag måste vi först veta var vi har varit. Ställ in din tidsmaskin för 1887!
Innehåll
Atkinsons amerikanska patent (nummer 367 496, för oss patentälskande nördar) är ganska okomplicerat:ungefär tusen ord text och några användbara diagram. Eller så kan du bara läsa den här förklaringen, som är mycket kvickare än något patent.
Den vanligaste förbränningsmotorn nuförtiden är en fyrtakts Otto-cykelmotor, där en kolv går upp och ner i en cylinder och en gnista tänder en blandning av gas och luft. Detsamma gäller en Atkinson-cykelmotor, så här är en snabb uppfräschning av processen:
Intagsslag: Suger in luft och bränsle i cylindern
Kompressionstakt: Pressar blandningen så att när gnistan slocknar kommer den att explodera -- big time
Ström- eller expansionstakt: Använder kraften som skapas av explosionen för att flytta kolven nerför cylindern
Avgasslag: Trycker ut de otäcka resterna av förbränningsprocessen ur cylindern
I en Otto-cykelmotor görs detta i två varv av vevaxeln:insug/tändning, sedan kraft/avgas. I den ursprungliga Atkinson-motorn lade uppfinnaren till ett par länkar så att alla fyra slagen kunde slutföras med en enda rotation av vevaxeln.
Det i sig skulle förbättra effektiviteten, men Atkinson hade en annan insikt:om kompressionen i cylindern sänktes och kraftslaget var längre än insugningsslaget, skulle motorn fungera mer effektivt. Det skulle ta mindre bränsle att vrida motorn, vilket gör att hjulen vrids och bilen går.
Föreställ dig, om du så vill, cylindern och kolven. På insugningsslaget rör sig kolven inte hela vägen ner i cylindern. Insugningsventilen, där luft och bränsle kommer in i cylindern, släpper inte in så mycket av blandningen i cylindern. Mindre blandning kräver mindre kompression. Kolven rör sig tillbaka upp för kompressionsslaget, och i toppen antänds blandningen. bom! Kraften skickar tillbaka kolven ner i cylinderns axel i kraftslaget, denna gång hela vägen ner för att dra fördel av varenda kraft som genereras av förbränningen. Sedan rör sig kolven uppåt igen för att få ut skräpet för avgasslaget. Ta da! Fyra takter, mindre bränsle!
Naturligtvis, duktig läsare som du är, du har förmodligen insett att mindre bränsle och mindre kompression betyder mindre kraft. Du har rätt. Även om kolven tillåts röra sig längre ner på kraftslaget än den gör på insugningsslaget, kommer den inte att generera lika mycket kraft som den gör i en motor med högre kompression och en rikare gasblandning.
Den andra utmaningen med denna motor är att den kräver massor av extra delar, vilket gör den knepig att montera, för att inte tala om dyr. Stackars Atkinson var tvungen att uppnå all denna effektivitet med fjädrar och vibrerande länkar och ett glödhett tändrör, vilket låter som ett utmärkt namn på ett band. Moderna ingenjörer har mycket lättare för det.
Purister kommer att puh-puh dagens Atkinson-cykelmotor, med en vibrerande länk i sikte. Faktum är att om du sätter en modern Atkinson-cykelmotor bredvid en modern Otto-cykelmotor, skulle du inte kunna se någon skillnad. "Det finns inget i [Prius]-motorn som inte finns i den vanliga motorn", enligt David Lee vid University of Toyota. (Det är inte ett universitet du kan gå på om du inte är en Toyota-anställd som behöver veta om det senaste och bästa lanseringen till återförsäljarna. Tyvärr.)
Vad Atkinson var tvungen att uppnå med vevaxelplacering kan vi nu göra med variabel ventiltid, en mycket billigare och enklare lösning. Kom ihåg att i Atkinsons original stängdes inloppsventilerna tidigt för att hålla borta en del av luft-bränsleblandningen. Numera hålls insugningsventilen öppen lite för länge, så att när kolven rör sig upp för kompressionsslaget kan lite av gas-luftblandningen komma ut. Varje metod har samma mål:kompressionsförhållandet är lägre. På ingenjörsspråk är den moderna metoden känd som "livic" - sen insugsventilstängning. Sedan gör tändstiftet sitt -- gnistor -- och kolven drar fördel av förbränningen med ett fullt kraftslag ner i cylindern. Och sedan gör avgasslaget sitt rengöringsjobb.
Mer än så har förändrats på över 120 år. I strävan efter ökad effektivitet har nya material tagits fram. Lättare kolvar, ringar och ventilfjädrar minskar till exempel friktionen och bilens totala vikt. Att dra mindre vikt tar mindre energi. Att använda en motor med dubbla överliggande kam, som Ford gör i sin Fusion och andra hybrider, gör det ännu lättare att kontrollera processen.
Och återigen, smart läsare, du har förmodligen märkt att den moderna versionen av denna motor producerar mindre kraft, precis som sin föregångare. För sant. Som Lee noterade, "Denna motor skulle kämpa i en vanlig bil."
Men du vet var det inte kämpar? I en hybriddrivlina.
Så, du har en motor som är riktigt effektiv, men den saknar kraft, särskilt av vridmomentsorten, den typ av kraft som den eldsprutande dragbilen har i spader. Men om du är en hybriddrivlinsingenjör har du också en elmotor som har allt vridmoment hela tiden, från 0 rpm. Problemet med elmotorn är att den inte klarar hög hastighet särskilt bra, inte lika bra som en bensinmotor gör, med sina högre hästkrafter. Vad ska man göra, ingenjör i hybriddrivlinan?
Tja, om du är Gilbert Portalatin, som råkar vara en hybriddrivlinsingenjör hos Ford, eller någon annan ingenjör på nästan vilket annat bilföretag som helst som bygger fullhybrider, kombinerar du dessa två system som choklad och jordnötssmör. Vid låga hastigheter slår elmotorerna in med sitt vridmoment och för bilen framåt. Såvida du inte är en av de där super försiktiga hypermilarna som trycker på gaspedalen lika försiktigt som om en kattunge gömde sig under den, kommer bensinmotorn att kopplas in ganska snabbt, även om elmotorn gör en hel del arbete. Vid ungefär 40 mph eller så kommer Atkinson-cykelmotorn att ta över nästan helt, med lite hjälp från elmotorn.
Så länge du har den här typen av kombination kan du konstruera Atkinson-cykelmotorn så att den passar in exakt i elmotorn för optimal effektivitet. Om du insisterar på att ta dig an eldluften i nästa körfält, kommer du inte att lämnas helt i dammet. "Krossa på pedalen så får du vad du efterfrågar - alla båda kraftverken", sa Lee på Toyota.
Denna lastutjämning är anledningen till att en fullhybrid som Toyota Prius eller Ford Escape får bättre körsträcka runt staden än de gör på motorvägen - precis motsatsen till, som alla andra fordon på vägen. De icke-eldblåsta bland oss kör ganska långsamt runt i stan. Vi startar och stannar mycket, och vi kommer inte upp i 75 mph, så elmotorn tar mycket av bördan. Men på motorvägen fungerar bensinmotorn i stort sett ensam.
Knappast någon 1887 kunde ha förutsett det lyckliga äktenskapet med jordnötssmör och choklad mellan Atkinsons motor och elmotorer -- bilar hade inte ens permanenta tak då.
Ursprungligen publicerad:1 mars 2012
För att vara helt ärlig älskar jag att skriva dessa superteknologiska artiklar. Jag älskar att ringa ingenjörer och få dem att förklara saker för mig som jag aldrig har studerat. Jag har svårt att ens föreställa mig vad de pratar om, så jag får dem att upprepa sig sex sätt till söndag för att se till att jag har det rätt innan jag skriver ner något.
Den här gången fick jag en extra nördig bonus:nörd målarbok! Okej, det var egentligen ingen målarbok, men om du slår upp Atkinsons patent med hjälp av Googles patentsökning (nummer 367 496, kom ihåg) innehåller den Atkinsons originaldiagram. Jag använde alla mina åtta highlighters och flera färgade Sharpies för att hålla reda på vilka ventiler som gjorde vad och var luften kom in och avgaserna skulle ut. Sedan färgkodade jag patenttexten -- som jag också hade skrivit ut -- så att jag när jag läste kunde matcha vibrerande länk H i beskrivningen med dess plats i motorn.
Jag kan inte rekommendera målarbokmetoden för tekniskt lärande tillräckligt. Jag tänker använda den så ofta som möjligt. Min inre åttaåring är jätteglad.
