Atkinson-Kreisprozess

Der Atkinson-Kreisprozess im p-v-Diagramm

Atkinson-Motor: Zeichnung aus US-Patent 367496

Animation des Atkinson-Motors

Der ursprüngliche Atkinson-Kreisprozess (auch Atkinson-Zyklus) ist ein Kreisprozess bei Viertaktmotoren. Er ist nach seinem Erfinder James Atkinson benannt ^[1] Der Atkinson-Motor hat unterschiedlichen 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 erreicht. Bei einer Kurbelwellenumdrehung geht der Kolben zweimal unterschiedlich auf und ab. Atkinson erfand seine Maschine, 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.

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.

Unter dem Atkinson-Prozess wird bei modernen Ottomotoren (inzwischen auch Dieseln^[3]) das zu späte Schließen des Einlassventils verstanden, also deutlich nach dem unteren Totpunkt (UT). In der Regel wird dies mit einer variablen Ventilsteuerung und der Entdrosselung des Ansaugens (Füllung wird durch Öffungszeit des Ventils statt durch die Drosselklappe) gesteuert.^[4][5] Fast gleichartige Verhältnisse beschreibt auch der Miller-Zyklus (diese Idee ließ sich Ralph Miller 1947 patentieren), nur dass das Einlassventil sehr früh (deutlich vor UT) schließt^[4][5]. 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 größeren Kompressionsverlust (geringeren Liefergrad) als bei hohen Drehzahlen, was beim Miller-Zyklus umgekehrt ist.^[3] Um die geringere Leistung zu kompensieren wird in der Regel der Motor aufgeladen und die Ladeluft gekühlt, der Hubraum vergrößert oder der Verbrennungs- mit einem Elektromotor kombiniert (Hybridantrieb, zum Beispiel Toyota Prius, Ford C-Max Energi, Mercedes S400 Hybrid). Besonders die reduzierte Dynamik beim Beschleunigen lässt sich durch einen E-Motor kompensieren^[6]

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^[7].

Einzelnachweise

Weblinks

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  Commons: Atkinson Gas Engine – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
• Animierte Darstellung des Atkinsonmotors (englischsprachig, *leider technisch falsch*)