Atkinson-Miller-cyclus

Onderwerpen:

  • Atkinson-Miller-cyclus
  • Het ontstaan van de Atkinson-Miller-cyclus

Atkinson-Miller-cyclus:
Motoren met een hoge compressieverhouding kunnen vooral veel vermogen leveren. Echter, bij lage motorbelasting (deellast) is de motor inefficiënt: ook bij lage belasting wordt er een hoge druk boven de zuiger opgebouwd, wat zorgt voor inefficiëntie en in dat geval dus ongewenst is. Om met een hogere compressieverhouding toch een hoog rendement in deellast te verkrijgen, wordt door sommige fabrikanten het Atkinson-Miller-principe toegepast. De benamingen Atkinson en Miller worden soms door elkaar gehaald en misplaatst. In het volgende hoofdstuk worden de verschillen en overeenkomsten in deze uitvindingen verduidelijkt.

Met het Atkinson-miller-principe wordt in deellast de inlaatklep tijdens de compressieslag langer opengehouden (ongeveer 20 tot 30 krukasgraden): de inlaatlucht stroomt gedeeltelijk weer terug naar het inlaatspruitstuk. De hoeveelheid lucht boven de zuiger na het sluiten van de inlaatklep is een stuk lager dan bij motoren waarbij de inlaatklep al aan het einde van de inlaatslag sluit. Met een lagere luchthoeveelheid boven de zuiger hoeft er dus minder lucht te worden gecomprimeerd (minder tegenkracht tijdens de compressieslag). De hoeveelheid in te spuiten brandstof is nu ook minder: minder lucht betekent namelijk ook minder brandstof.

Het gevolg van het later sluiten van de inlaatklep is een lagere vullingsgraad. Dit gaat ten koste van het motorvermogen, maar komt de algehele verbranding ten goede. De Atkinson-Miller-cyclus is ideaal voor hybridevoertuigen, omdat de verbrandingsmotor niet meer de enige krachtbron is, maar wordt ondersteund door de elektromotor, of slechts dient voor het laden van het accupakket (serie-hybride). Daarnaast kan met het veranderen van de kleptiming in andere bedrijfsomstandigheden dan deellast de timing van de inlaatklep worden vervroegd.

Compressieslag normaal (links) en Atkinson (rechts)

Een aantal fabrikanten passen het Atkinson-Miller-principe op de verbrandingsmotoren van hun hybrideauto’s toe. Dit zijn voornamelijk Koreaanse en Japanse fabrikanten: Hyundai, Honda en Kia.

De onderstaande afbeeldingen tonen het indicateurdiagram en het PV-diagram van een normale benzinemotor naast die van de motor met het Atkinson-principe. Omdat bij het Atkinson-principe het comprimeren van de lucht pas later in de compressieslag begint, is dat terug te zien in deze diagrammen. De vermindering van het compressieverlies verhoogt het thermische rendement.

Indicateurdiagram Atkinson (links) en normale benzinemotor (rechts)
PV-diagram Atkinson en Ottomotor

Het ontstaan van de Atkinson-Miller-cyclus:
In de vorige paragraaf hebben we het gehad over de toepassing van de Atkinson-Miller-cyclus. In de literatuur worden de benamingen van de technieken van Atkinson en Miller vaak gecombineerd, terwijl het twee aparte uitvindingen waren met het zelfde doel. Hieronder wordt de geschiedenis van de Atkinson- en Miller-principes beschreven.

Atkinson: James Atkinson (Groot-Brittannië, 1882) werkte aan zijn uitvinding waarbij hij het rendement van een zuigermotor kon verhogen door de arbeidsslag te vergroten. Door middel van complex systeem met stangen en en tuimelmechanismen kon de zuigerslag van de arbeidsslag hoger zijn dan bij de inlaatslag.

De animatie toont de vier slagen in het welbekende vierslagproces:

  • inlaatslag (intake, ansaugen)
  • compressieslag (compression, komprimieren)
  • arbeidsslag (expansion, arbeiten)
  • uitlaatslag (exhaust, ausstossen)

De Atkinsonmotor is destijds niet doorontwikkeld doordat dit ontwerp destijds te complex was en er sprake was van teveel vermogensverlies.

Miller: Ralph Miller (Verenigde Staten, 1947) ontwikkelde de techniek waarbij de inlaatklep later sluit om de compressie-einddruk te verlagen (zie het vorige hoofdstuk). Door middel van het veranderen van de kleptiming wordt hetzelfde doel als met het Atkinson-principe gerealiseerd: met minder lucht mechanisch energieverlies in de compressieslag beperken. Het verschil tussen de Atkinson- en de Miller-principes is dat de Atkinson fysiek verschillende compressie- en arbeidsslagen maakt en de Miller met het verlaten van de inlaatkleptiming hetzelfde thermodynamische resultaat verkrijgt.

Gerelateerde pagina: