Atkinson-Kreisprozess

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

Der ursprüngliche Atkinson-Kreisprozess ist ein Kreisprozess bei Viertaktmotoren. Er ist nach seinem Erfinder James Atkinson benannt.[1] Der 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 fährt als beim Ansaugen. Im originalen Entwurf wird dies mit einer zusätzlichen Kurbelschwinge sowie einem weiteren Pleuel zwischen Kurbelwelle und Kolben erreicht, so dass der Kolben bei einer Kurbelwellenumdrehung zweimal unterschiedlich auf und ab geht.

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.

Miller-Zyklus mit früh schließendem Einlassventil[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fast gleichartig funktioniert der Miller-Zyklus (1947 patentiert für Ralph Miller), bei dem das Einlassventil sehr früh, deutlich vor dem unteren Totpunkt (UT) schließt und den Ansaugtakt verkürzt, so dass der untere Totpunkt mit Unterdruck durchlaufen wird.[3][4]

In der Regel wird dies mit einer variablen Ventilsteuerung und der Entdrosselung des Ansaugens gesteuert, d. h. die Füllung wird durch Öffnungszeit des Ventils statt durch die Drosselklappe kontrolliert.[3][4]

Atkinson-Zyklus mit verspätet schließendem Einlassventil[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unter dem Atkinson-Zyklus wird bei modernen Ottomotoren (inzwischen auch Dieseln[5]) 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.

Gegenüber dem Miller-Zyklus kann man beim Atkinson-Zyklus die Gasdynamik des Ansaugvorgangs nutzen.[3] Darüber hinaus hat der Atkinson-Zyklus im unteren Drehzahlbereich einen größeren Kompressionsverlust (geringeren Liefergrad) als bei hohen Drehzahlen, was beim Miller-Zyklus umgekehrt ist.[5]

Honda EXlink[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nachteilig bei Atkinsons ursprünglichem Entwurf ist der komplizierte Kurbeltrieb mit ungünstiger Kraftübertragung, was die gebräuchlichen Implementierungen 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. Um die geringere Leistung zu kompensieren wird in der Regel der Hubraum vergrößert und/oder der Motor aufgeladen und die Ladeluft gekühlt.

Atkinson Hybridantrieb[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ideal ist die Kombination mit einem Elektromotor (Hybridantrieb), zum Beispiel beim Toyota Prius, Ford C-Max Energi, Mercedes S400 Hybrid, Mitsubishi Outlander Plug-in Hybrid. Besonders die reduzierte Dynamik beim Beschleunigen lässt sich durch einen E-Motor kompensieren.[7]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  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. a b c Konrad Reif (Hrsg.), "Ottomotor-Management im Überblick", Springer Fachmedien Wiesbaden 2015, Abschnitt "Zylinderfüllung", ISBN 978-3-658-09523-9.
  4. a b 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.
  5. a b MTZ 06/2016 "Der neue Sechszylinder-Marinemotor von MAN für Yachten und Arbeitsboote", S. 50–55, ISSN 0024-8525 10814.
  6. http://world.honda.com/powerproducts-technology/exlink
  7. 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.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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