Per oltre cento anni, i motori sono diventati più grandi, più veloci e più cattivi, con più potenza e coppia. Lo scarico eruttava dai tubi di scappamento come un drago risvegliato dal suo sonno per ruggire ai potenziali ladri del suo tesoro. Almeno, questo è ciò che vuole farti pensare il tizio con le gomme larghe e il lavoro con la fiamma aerografata.
Poi è arrivato il ventesimo secolo, quando ci siamo resi conto che i motori sputafuoco stavano uccidendo più degli avversari delle gare di resistenza a luci rosse. Si scopre che tutto quel rutto stava cambiando il clima e creando un brutto smog. Troppi draghi stavano rendendo il pianeta più simile a Mordor che alla Contea.
Chi può salvarci da questi draghi che eruttano gas di scarico? Chi può domare i loro modi di divorare gas con la sua spada della scienza e dell'ingegneria? Chi porta l'unico vero anello di efficienza del carburante? Un uomo:James Atkinson di Hampstead, Middlesex, Inghilterra. Anche del 1887.
Esatto:la più recente tecnologia dei motori ecologici viene dagli albori dell'era automobilistica. Il motore a ciclo Atkinson è stato brevettato negli Stati Uniti nel 1887 (Atkinson ha depositato brevetti nel Regno Unito e in Europa un paio di anni prima). Ma le corse irregolari del pistone del suo motore a combustione a benzina si adattano perfettamente ai nostri moderni sistemi ibridi.
Il motore a ciclo Atkinson utilizzato in così tanti ibridi in questi giorni funziona secondo lo stesso principio dell'originale, con l'evidente vantaggio di un secolo di progressi tecnologici. Ma per capire a che punto siamo oggi, dobbiamo prima sapere dove siamo stati. Imposta la tua macchina del tempo per il 1887!
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Il brevetto statunitense di Atkinson (numero 367.496, per noi nerd amanti dei brevetti) è piuttosto semplice:circa mille parole di testo e alcuni utili diagrammi. Oppure puoi semplicemente leggere questa spiegazione, che è molto più spiritosa di qualsiasi brevetto.
Il motore a combustione più comune in questi giorni è un motore a ciclo Otto a quattro tempi, in cui un pistone sale e scende all'interno di un cilindro e una scintilla accende una miscela di gas e aria. Lo stesso vale per un motore a ciclo Atkinson, quindi ecco un rapido aggiornamento del processo:
Colpo di aspirazione: Aspira aria e carburante nel cilindro
Corsa di compressione: Schiaccia la miscela in modo che quando si spegne la scintilla, esploderà alla grande
Colpo di potenza o di espansione: Usa la forza creata dall'esplosione per spostare il pistone lungo il cilindro
Corsa di scarico: Espelle dal cilindro i cattivi avanzi del processo di combustione
In un motore a ciclo Otto, ciò avviene in due rotazioni dell'albero motore:aspirazione/accensione, quindi alimentazione/scarico. Nel motore Atkinson originale, l'inventore ha aggiunto un paio di collegamenti in modo che tutti e quattro i tempi potessero essere completati con una singola rotazione dell'albero motore.
Questo di per sé avrebbe migliorato l'efficienza, ma Atkinson aveva un'altra realizzazione:se la compressione nel cilindro fosse stata ridotta e la corsa di potenza fosse stata più lunga della corsa di aspirazione, il motore avrebbe funzionato in modo più efficiente. Ci vorrebbe meno carburante per accendere il motore, che fa girare le ruote e fa andare la macchina.
Immagina, se vuoi, il cilindro e il pistone. Nella corsa di aspirazione, il pistone non si muove completamente lungo il cilindro. La valvola di aspirazione, dove l'aria e il carburante entrano nel cilindro, non consente la maggior parte della miscela nel cilindro. Meno miscela richiede meno compressione. Il pistone risale per la corsa di compressione e in alto la miscela si accende. Boom! La forza rimanda il pistone lungo l'albero del cilindro nella corsa di potenza, questa volta fino in fondo per sfruttare fino all'ultimo bit di forza generata dalla combustione. Quindi il pistone torna su per far uscire la spazzatura per la corsa di scarico. Ta da! Quattro tempi, meno carburante!
Ovviamente, lettore intelligente quale sei, probabilmente ti sei reso conto che meno carburante e meno compressione significano meno potenza. Hai ragione. Anche se il pistone può scendere più in basso nella corsa di potenza rispetto alla corsa di aspirazione, non genererà la stessa potenza di un motore con una compressione più elevata e una miscela di gas più ricca.
L'altra sfida con questo motore è che richiede molte parti extra, il che lo rende difficile da assemblare, per non dire costoso. Il povero Atkinson ha dovuto raggiungere tutta questa efficienza con molle e maglie vibranti e un tubo di accensione rovente, che suona come un nome eccellente per una band. Gli ingegneri moderni se la passano molto più facilmente.
I puristi faranno schifo al motore a ciclo Atkinson di oggi, senza un anello vibrante in vista. In effetti, se metti un moderno motore a ciclo Atkinson accanto a un moderno motore a ciclo Otto, non saresti in grado di vedere alcuna differenza. "Non c'è niente nel motore [della Prius] che non sia nel motore normale", secondo David Lee dell'Università della Toyota. (Non è un'università che puoi frequentare a meno che tu non sia un dipendente Toyota che ha bisogno di conoscere l'ultimo e il più grande lancio nelle concessionarie. Mi dispiace.)
Ciò che Atkinson doveva ottenere con il posizionamento dell'albero motore ora possiamo farlo con la fasatura variabile delle valvole, una soluzione molto più economica e semplice. Ricorda che nell'originale di Atkinson, le valvole di aspirazione si chiudevano presto per tenere fuori parte della miscela aria-carburante. Al giorno d'oggi, la valvola di aspirazione viene tenuta aperta un po' troppo a lungo, in modo che quando il pistone si sposta verso l'alto per la corsa di compressione, un po' della miscela gas-aria può fuoriuscire. Ogni metodo ha lo stesso scopo:il rapporto di compressione è inferiore. In gergo tecnico, il metodo moderno è noto come "livic" - chiusura tardiva della valvola di aspirazione. Quindi la candela fa il suo dovere - scintille - e il pistone sfrutta la combustione con una corsa a piena potenza lungo il cilindro. E poi la corsa di scarico fa il suo lavoro di pulizia.
Più di quello è cambiato in oltre 120 anni. Nella ricerca di una maggiore efficienza, sono stati sviluppati nuovi materiali. Pistoni, anelli e molle delle valvole più leggeri, ad esempio, riducono l'attrito e il peso complessivo dell'auto. Trasportare meno peso in giro richiede meno energia. L'utilizzo di un motore a doppia camma in testa, come fa Ford nella sua Fusion e altri ibridi, rende ancora più facile controllare il processo.
E ancora, lettore intelligente, probabilmente avrai notato che la versione moderna di questo motore produce meno potenza, proprio come il suo predecessore. Troppo vero. Come ha notato Lee, "Questo motore farebbe fatica in un'auto normale".
Ma sai dove non fa fatica? In una trasmissione ibrida.
Quindi, hai un motore che è davvero efficiente, ma manca di potenza, in particolare della varietà di coppia, il tipo di potenza che l'auto di resistenza sputafuoco ha a palate. Ma, se sei un ingegnere di powertrain ibrido, hai anche un motore elettrico che ha sempre tutta la coppia, da 0 giri / min. Il problema con il motore elettrico è che non sostiene molto bene un'alta velocità, non bene come fa un motore a benzina, con la sua maggiore potenza. Cosa fare, ingegnere del propulsore ibrido?
Bene, se sei Gilbert Portalatin, che sembra essere un ingegnere di propulsori ibridi con Ford, o qualsiasi altro ingegnere in quasi tutte le altre case automobilistiche che costruiscono ibridi completi, riunisci questi due sistemi come cioccolato e burro di arachidi. Alle basse velocità, i motori elettrici si attivano con la loro coppia e fanno avanzare l'auto. A meno che tu non sia uno di quegli hypermiler super attenti che premono l'acceleratore con la stessa delicatezza come se un gattino si nascondesse sotto di esso, il motore a benzina si avvierà abbastanza rapidamente, anche se il motore elettrico sta facendo un bel po' di lavoro. A circa 40 mph circa, il motore a ciclo Atkinson subentrerà quasi completamente, con un po' di assistenza dal motore elettrico.
Finché hai questo tipo di combo, puoi progettare il motore a ciclo Atkinson in modo che si adatti perfettamente al motore elettrico per un'efficienza ottimale. Se insisti a prendere lo sputafuoco nella corsia successiva, non rimarrai completamente nella polvere. "Premi il pedale e otterrai ciò che stai chiedendo:tutti e due i propulsori", ha affermato Lee alla Toyota.
Questo livellamento del carico è il motivo per cui un ibrido completo come la Toyota Prius o la Ford Escape ottiene un chilometraggio migliore in città rispetto all'autostrada, esattamente l'opposto di, come, ogni altro veicolo sulla strada. I non sputafuoco tra noi guidano abbastanza lentamente per la città. Iniziamo e ci fermiamo molto e non arriviamo fino a 75 mph, quindi il motore elettrico si prende molto del carico. In autostrada, però, il motore a benzina funziona praticamente da solo.
Quasi nessuno nel 1887 avrebbe potuto prevedere il felice matrimonio tra burro di arachidi e cioccolato tra il motore di Atkinson e i motori elettrici:le auto non avevano nemmeno il tetto permanente.
Pubblicato originariamente:1 marzo 2012
Ad essere assolutamente onesto, adoro scrivere questi articoli super tecnologici. Amo chiamare gli ingegneri e farmi spiegare cose che non ho mai studiato. Ho difficoltà anche solo a immaginare di cosa stanno parlando, quindi li faccio ripetere in sei modi fino a domenica per assicurarmi di averlo prima di scrivere qualcosa.
Questa volta, ho ricevuto un bonus extra:un libro da colorare nerd! Ok, non era proprio un libro da colorare, ma se cerchi il brevetto di Atkinson usando la ricerca di brevetti di Google (numero 367.496, ricorda) include i diagrammi originali di Atkinson. Ho usato tutti e otto i miei evidenziatori e diversi pennarelli colorati per tenere traccia di quali valvole facevano cosa e dove entrava l'aria e dove usciva lo scarico. Quindi ho codificato a colori il testo del brevetto, che avevo anche stampato, in modo che durante la lettura potessi abbinare il collegamento vibrante H nella descrizione con il suo posto nel motore.
Non posso raccomandare abbastanza il metodo del libro da colorare dell'apprendimento tecnologico. Ho intenzione di usarlo il più spesso possibile. Il mio bambino di otto anni interiore è molto felice.
