Atkinson-Kreisprozess: Unterschied zwischen den Versionen

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(OT beim Verdichten und OT beim Ausstossen muss nicht am gleichen Punkt liegen)
 
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(Umstellung und Klarstellungen zu modifiziertem Atkinson- und Miller-Zyklus)
 
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[[Datei:Atkinson Engine with Intake.gif|mini|Animation des Atkinson-Motors]]
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Der ursprüngliche '''Atkinson-Kreisprozess''' (auch '''Atkinson-Zyklus''') ist ein [[Thermodynamischer Kreisprozess|Kreisprozess]] bei [[Viertaktmotor]]en. Er ist nach seinem Erfinder [[James Atkinson (Erfinder)|James Atkinson]] benannt <ref>{{Patent
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Der Atkinson-Motor hat unterschiedlichen [[Hub (Mechanik)|Kolbenhub]] und damit unterschiedliches Volumen für „ansaugen/verdichten“ und „expandieren/ausstoßen“. Der Kurbeltrieb ist so ausgelegt, dass der Kolben beim Expandieren weiter nach unten fährt als beim Ansaugen. Im originalen Entwurf wird dies mit einer zusätzlichen [[Kurbelschwinge]] sowie einem weiteren [[Pleuel]] zwischen [[Kurbelwelle]] und [[Kolben (Technik)|Kolben]] erreicht. Bei ''einer'' Kurbelwellenumdrehung geht der Kolben zweimal unterschiedlich auf und ab. Atkinson erfand seine Maschine, um Patente von  [[Alphonse_Beau_de_Rochas|Alphonse Beau de Rochas]] (1862) und [[Nikolaus August Otto]] (1878) zu umgehen<ref>MTZ 01/2017, "''Turbolader mit variabler Turbinengeometrie für Miller-Ottomotoren''", S. 44-49, ISSN 0024-8525 10814</ref>, indem er den Viertaktprozess in ''einer'' Umdrehung der Kurbelwelle verwirklichte.


Der Hauptvorteil des Atkinson-Prozesses liegt nun darin, dass das Gas durch den verlängerten Expansionshub weiter entspannt und stärker abkühlt und damit die im Gas enthaltene Energie besser ausgenutzt wird; der thermische [[Wirkungsgrad]] wird höher. Der Verdichtungsenddruck bzw. die Verdichtungsendtemperatur und der maximale Verbrennungsdruck bzw. die maximale Verbrennungstemperatur sind genauso hoch wie bei einem normalen Ottomotor. Der Atkinson-Motor hat eine höhere Effizienz und eine niedrigere Leistung als ein konventioneller [[Ottomotor]]. Das Ansaugvolumen, das für die Leistung entscheidend ist, ist kleiner als das Expansionsvolumen, das für den Wirkungsgrad entscheidend ist. Ein klarer Nachteil liegt in der komplexen (unrobusten) Kraftübertragung.
Der '''Atkinson-Kreisprozess''' ist ein [[Thermodynamischer Kreisprozess|Kreisprozess]] bei [[Viertaktmotor]]en. Er ist nach seinem Erfinder [[James Atkinson (Erfinder)|James Atkinson]] benannt und sieht für Ansaug- und Verdichtungstakte ein geringeres Volumen vor, als für Expansions- und Ausschiebetakte.<ref>{{Patent |Land = US |V-Nr = 367496 |Typ = Patent |Titel = Gas Engine |A-Datum = 1880-10-18 |V-Datum = 1887-08-02 |Erfinder = J. Atkinson |DB = Google}}</ref>


Unter dem Atkinson-Prozess wird bei modernen Ottomotoren (inzwischen auch Dieseln<ref name="MTZ0616">MTZ 06/2016 "''Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote''", S. 50-55, ISSN 0024-8525 10814</ref>) das zu späte Schließen des Einlassventils verstanden, also deutlich nach dem unteren Totpunkt (UT). In der Regel wird dies mit einer [[Nockenwellenverstellung|variablen Ventilsteuerung]] und der Entdrosselung des Ansaugens (Füllung wird durch Öffungszeit des Ventils statt durch die Drosselklappe) gesteuert.<ref name="Reif">Konrad Reif (Hrsg.), "''Ottomotor-Management im Überblick''", Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt "Zylinderfüllung", ISBN 978-3-658-09523-9</ref><ref name="Basshuysen">Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", 8. überarbeitete Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017, Abschnitt 7.10.1.5 "Variable Ventiltriebe", ISBN 978-3-658-10901-1</ref>
== Atkinson-Zyklus ==
Fast gleichartige Verhältnisse beschreibt auch der Miller-Zyklus (diese Idee ließ sich [[Miller-Kreisprozess|Ralph Miller]] 1947 patentieren), nur dass das Einlassventil sehr früh (deutlich vor UT) schließt<ref name="Reif" /><ref name="Basshuysen" />.
Der ursprüngliche '''Atkinson-Motor''' hat unterschiedlichen [[Hub (Mechanik)|Kolbenhub]] und damit unterschiedliche Volumina für „Ansaugen/Verdichten“ und „Expandieren/Ausstoßen“. Der Kurbeltrieb ist so ausgelegt, dass der Kolben beim "Expandieren" weiter nach unten und beim "Ausstoßen" weiter nach oben fährt. Dies führt zu mehr Abgas-Ausstoß und zu mehr Abgas-Expansion. Im originalen Entwurf wird eine zusätzliche [[Kurbelschwinge]] sowie ein weiterer [[Pleuel]] zwischen [[Kurbelwelle]] und [[Kolben (Technik)|Kolben]] verbaut, so dass der Kolben bei ''einer'' [[Kurbelwinkel|Kurbelwellenumdrehung]] zweimal unterschiedlich auf und ab geht – mit unterschiedlichem Hub.
Gegenüber dem Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die Gasdynamik des Ansaugvorgangs nutzen<ref name="Reif" />. Darüber hinaus hat der Atkinson-Zyklus im unteren Drehzahlbereich einen größeren Kompressionsverlust (geringeren Liefergrad) als bei hohen Drehzahlen, was beim Miller-Zyklus umgekehrt ist.<ref name="MTZ0616" />
Um die geringere Leistung zu kompensieren wird in der Regel der [[Motoraufladung|Motor aufgeladen]] und die [[Ladeluftkühler|Ladeluft gekühlt]], der Hubraum vergrößert oder der Verbrennungs- mit einem Elektromotor kombiniert (Hybridantrieb, zum Beispiel [[Toyota Prius]], [[Ford_C-MAX#C-MAX_Energi|Ford C-Max Energi]], [[Mercedes-Benz_Baureihe_221|Mercedes S400 Hybrid]]). Besonders die reduzierte Dynamik beim Beschleunigen lässt sich durch einen E-Motor kompensieren<ref>Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert (Hrsg.), "''Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik''", 8. Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden 2016, Abschnitt 4.3 "Neuartige Antriebe", ISBN 978-3-658-09527-7</ref>


[[Honda]] entwickelte einen Gasmotor, bei dem ein zusätzliches Pleuel zwischen Gehäuse und einem mit der Kurbelwelle kreisenden Hebel (an dem das Kolbenpleuel gelagert ist) unterschiedliche Hübe im Verdichtungs- und Arbeitstakt bewirkt. Bei einer Verdichtung von 12.2:1 hat das System ein Expansionsverhältnis von 17.6:1. Honda nennt dieses System „EXlink“ (für „Extended Expansion Linkage Engine“) und vermarktet es für kleine [[Blockheizkraftwerk]]e<ref>http://world.honda.com/powerproducts-technology/exlink</ref>.  
Atkinson erfand seine Maschine 1880, um Patente von [[Alphonse Beau de Rochas]] (1862) und [[Nikolaus August Otto]] (1878) zu umgehen,<ref>MTZ 01/2017, "''Turbolader mit variabler Turbinengeometrie für Miller-Ottomotoren''", S. 44–49, {{ISSN|0024-8525}} 10814.</ref> indem er den Viertaktprozess in ''einer'' Umdrehung der Kurbelwelle verwirklichte.
 
== modifizierter Atkinson-Zyklus ==
Unter dem '''{{Anker|Atkinson-Zyklus}}Atkinson-Zyklus''' wird bei modernen Ottomotoren (inzwischen auch Dieseln<ref name="MTZ0616">MTZ 06/2016 "''Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote''", S. 50–55, {{ISSN|0024-8525}} 10814.</ref>) das späte Schließen des [[Einlassventil]]s deutlich nach dem unteren [[Totpunkt]] (UT) verstanden, wodurch ein Teil des angesaugten Gases wieder zurück gepumpt wird, bevor mit dem Ventil-Schluss die eigentliche Verdichtung beginnt. Dieser Motor arbeitet mit herkömmlicher Kurbelwelle, die sich über die vier Takte hinweg zweimal dreht.
 
== Miller-Zyklus mit früh schließendem Einlassventil ==
Fast gleichartig funktioniert der [[Miller-Zyklus]] (1957 patentiert für Ralph Miller), bei dem das [[Einlassventil]] nun aber früh, nämlich deutlich vor dem unteren [[Totpunkt]] (UT) schließt und den [[Ansaugtakt]] verkürzt, so dass der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird.<ref name="Reif" /><ref name="Basshuysen" />
 
In der Regel wird mit einer [[Nockenwellenverstellung|variablen Ventilsteuerung]] gesteuert, d.&nbsp;h. die Füllung wird durch Öffnungszeit und Hub des Ventils statt durch die [[Drosselklappe (Motor)|Drosselklappe]] kontrolliert.<ref name="Reif">Konrad Reif (Hrsg.), "''Ottomotor-Management im Überblick''", Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt "Zylinderfüllung", ISBN 978-3-658-09523-9.</ref><ref name="Basshuysen">Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", 8. überarbeitete Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017, Abschnitt 7.10.1.5 "Variable Ventiltriebe", ISBN 978-3-658-10901-1.</ref>
 
== Honda EXlink ==
[[Honda]] entwickelte einen [[Gasmotor]], bei dem ein zusätzliches [[Pleuel]] zwischen Gehäuse und einem mit der [[Kurbelwelle]] kreisenden Hebel (an dem das Kolbenpleuel gelagert ist) unterschiedliche Hübe im [[Verdichtungsverhältnis|Verdichtungs-]] und [[Arbeitstakt (Motor)|Arbeitstakt]] bewirkt. Bei einer Verdichtung von 12,2:1 hat das System ein Expansionsverhältnis von 17,6:1. Honda nennt dieses System „EXlink“ (für „Extended Expansion Linkage Engine“) und vermarktet es für kleine [[Blockheizkraftwerk]]e.<ref>http://world.honda.com/powerproducts-technology/exlink</ref>
 
== Vor- & Nachteile des Atkinson-Motors ==
Nachteilig bei Atkinsons ursprünglichem Entwurf ist der komplizierte Kurbeltrieb mit ungünstiger Kraftübertragung, was die gebräuchlichen Implementierungen durch den modifizierten Atkinson-Zyklus mittels [[Ventilsteuerung]] umgehen.
 
Der Hauptvorteil des Atkinson-Prozesses liegt darin, dass das Gas durch den verlängerten [[Expansionsmaschine|Expansionshub]] weiter entspannt und stärker abkühlt und damit die im Gas enthaltene Energie besser ausgenutzt wird; der thermische [[Wirkungsgrad]] wird höher. Der [[Verdichtungsverhältnis|Verdichtungsenddruck]] bzw. die [[Verdichtungswärme|Verdichtungsendtemperatur]] und der maximale [[Verbrennungsdruck]] bzw. die maximale [[Verbrennungstemperatur]] sind genauso hoch wie beim konventionellen [[Ottomotor]], wobei der Atkinson-Motor höhere [[Wirkungsgrad|Effizienz]] bei geringerer Leistung bietet: Das [[Ansaugtakt|Ansaugvolumen]], das für die Leistung entscheidend ist, ist kleiner als das [[Expansionstakt|Expansionsvolumen]], das für den Wirkungsgrad entscheidend ist.
 
Gegenüber dem Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die [[Gasdynamik]] des Ansaugvorgangs nutzen.<ref name="Reif" /> Darüber hinaus hat der Atkinson-Zyklus im unteren Drehzahlbereich einen geringeren [[Liefergrad]] als bei hohen Drehzahlen, was beim Miller-Zyklus umgekehrt ist.<ref name="MTZ0616" />
 
Um die geringere Leistung zu kompensieren, wird in der Regel der [[Hubraum]] vergrößert und/oder der [[Motoraufladung|Motor (stärker) aufgeladen]] und die [[Ladeluftkühler|Ladeluft gekühlt]].


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
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== Weblinks ==
== Weblinks ==
* {{commonscat|Atkinson Gas Engine}}
{{Commonscat|Atkinson Gas Engine}}
* [http://www.animatedengines.com/atkinson.html Animierte Darstellung des Atkinsonmotors] (englischsprachig, *leider technisch falsch*)
* [http://www.animatedengines.com/atkinson.html Animierte Darstellung des Atkinsonmotors] (englischsprachig, *leider technisch falsch*)


[[Kategorie:Thermodynamischer Kreisprozess]]
[[Kategorie:Thermodynamischer Kreisprozess]]
[[Kategorie:Verbrennungsmotorentechnik]]
[[Kategorie:Verbrennungsmotorentechnik]]

Aktuelle Version vom 3. März 2022, 14:13 Uhr

Der Atkinson-Kreisprozess im p-v-Diagramm
Atkinson-Motor: Zeichnung aus US-Patent 367496
Animation des Atkinson-Motors

Der Atkinson-Kreisprozess ist ein Kreisprozess bei Viertaktmotoren. Er ist nach seinem Erfinder James Atkinson benannt und sieht für Ansaug- und Verdichtungstakte ein geringeres Volumen vor, als für Expansions- und Ausschiebetakte.[1]

Atkinson-Zyklus

Der ursprüngliche Atkinson-Motor hat unterschiedlichen Kolbenhub und damit unterschiedliche Volumina für „Ansaugen/Verdichten“ und „Expandieren/Ausstoßen“. Der Kurbeltrieb ist so ausgelegt, dass der Kolben beim "Expandieren" weiter nach unten und beim "Ausstoßen" weiter nach oben fährt. Dies führt zu mehr Abgas-Ausstoß und zu mehr Abgas-Expansion. Im originalen Entwurf wird eine zusätzliche Kurbelschwinge sowie ein weiterer Pleuel zwischen Kurbelwelle und Kolben verbaut, so dass der Kolben bei einer Kurbelwellenumdrehung zweimal unterschiedlich auf und ab geht – mit unterschiedlichem Hub.

Atkinson erfand seine Maschine 1880, um Patente von Alphonse Beau de Rochas (1862) und Nikolaus August Otto (1878) zu umgehen,[2] indem er den Viertaktprozess in einer Umdrehung der Kurbelwelle verwirklichte.

modifizierter Atkinson-Zyklus

Unter dem Atkinson-Zyklus wird bei modernen Ottomotoren (inzwischen auch Dieseln[3]) das späte Schließen des Einlassventils deutlich nach dem unteren Totpunkt (UT) verstanden, wodurch ein Teil des angesaugten Gases wieder zurück gepumpt wird, bevor mit dem Ventil-Schluss die eigentliche Verdichtung beginnt. Dieser Motor arbeitet mit herkömmlicher Kurbelwelle, die sich über die vier Takte hinweg zweimal dreht.

Miller-Zyklus mit früh schließendem Einlassventil

Fast gleichartig funktioniert der Miller-Zyklus (1957 patentiert für Ralph Miller), bei dem das Einlassventil nun aber früh, nämlich deutlich vor dem unteren Totpunkt (UT) schließt und den Ansaugtakt verkürzt, so dass der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird.[4][5]

In der Regel wird mit einer variablen Ventilsteuerung gesteuert, d. h. die Füllung wird durch Öffnungszeit und Hub des Ventils statt durch die Drosselklappe kontrolliert.[4][5]

Honda EXlink

Honda entwickelte einen Gasmotor, bei dem ein zusätzliches Pleuel zwischen Gehäuse und einem mit der Kurbelwelle kreisenden Hebel (an dem das Kolbenpleuel gelagert ist) unterschiedliche Hübe im Verdichtungs- und Arbeitstakt bewirkt. Bei einer Verdichtung von 12,2:1 hat das System ein Expansionsverhältnis von 17,6:1. Honda nennt dieses System „EXlink“ (für „Extended Expansion Linkage Engine“) und vermarktet es für kleine Blockheizkraftwerke.[6]

Vor- & Nachteile des Atkinson-Motors

Nachteilig bei Atkinsons ursprünglichem Entwurf ist der komplizierte Kurbeltrieb mit ungünstiger Kraftübertragung, was die gebräuchlichen Implementierungen durch den modifizierten Atkinson-Zyklus mittels Ventilsteuerung umgehen.

Der Hauptvorteil des Atkinson-Prozesses liegt darin, dass das Gas durch den verlängerten Expansionshub weiter entspannt und stärker abkühlt und damit die im Gas enthaltene Energie besser ausgenutzt wird; der thermische Wirkungsgrad wird höher. Der Verdichtungsenddruck bzw. die Verdichtungsendtemperatur und der maximale Verbrennungsdruck bzw. die maximale Verbrennungstemperatur sind genauso hoch wie beim konventionellen Ottomotor, wobei der Atkinson-Motor höhere Effizienz bei geringerer Leistung bietet: Das Ansaugvolumen, das für die Leistung entscheidend ist, ist kleiner als das Expansionsvolumen, das für den Wirkungsgrad entscheidend ist.

Gegenüber dem Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die Gasdynamik des Ansaugvorgangs nutzen.[4] Darüber hinaus hat der Atkinson-Zyklus im unteren Drehzahlbereich einen geringeren Liefergrad als bei hohen Drehzahlen, was beim Miller-Zyklus umgekehrt ist.[3]

Um die geringere Leistung zu kompensieren, wird in der Regel der Hubraum vergrößert und/oder der Motor (stärker) aufgeladen und die Ladeluft gekühlt.

Einzelnachweise

  1. Patent US367496: Gas Engine. Angemeldet am 18. Oktober 1880, veröffentlicht am 2. August 1887, Erfinder: J. Atkinson.
  2. MTZ 01/2017, "Turbolader mit variabler Turbinengeometrie für Miller-Ottomotoren", S. 44–49, ISSN 0024-8525 10814.
  3. 3,0 3,1 MTZ 06/2016 "Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote", S. 50–55, ISSN 0024-8525 10814.
  4. 4,0 4,1 4,2 Konrad Reif (Hrsg.), "Ottomotor-Management im Überblick", Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt "Zylinderfüllung", ISBN 978-3-658-09523-9.
  5. 5,0 5,1 Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.), "Handbuch Verbrennungsmotor", 8. überarbeitete Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017, Abschnitt 7.10.1.5 "Variable Ventiltriebe", ISBN 978-3-658-10901-1.
  6. http://world.honda.com/powerproducts-technology/exlink

Weblinks

Commons: Atkinson Gas Engine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien