So funktioniert der Atkinson-Motor

Atkinson-Motoren sind Verbrennungsmotoren mit Viertaktzyklen, die denen des Otto-Zyklus praktisch gleichen, allerdings den Nachteil haben, dass sie eine geringere Leistung erzielen. Positiv ist, dass sie den Kraftstoff besser ausnutzen und dadurch bessere Verbrauchswerte erreichen können.

Ursprünglich und im Unterschied zur heutigen Funktionsweise führte der Atkinson-Motor die vier Takte (Ansaugen, Verdichten, Expansion und Ausstoßen) in einer einzigen Kurbelwellenumdrehung aus. Motoren mit Otto-Zyklus benötigen für dieselben Takte zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Heute wurde dieses Konzept abgewandelt, und der wesentliche Unterschied zwischen einem Otto-Motor und einem Atkinson-Motor besteht darin, dass während eines Teils des Verdichtungstakts (etwa der Hälfte) die Einlassventile geöffnet bleiben. Dies wird durch die Veränderung der Einlassnocken der Nockenwelle erreicht und bietet den Vorteil, dass die durch die Verdichtung des Gemischs verursachten Verluste im Motor drastisch reduziert werden.

Funktionsweise eines Atkinson-Motors

Auch bei einem Atkinson-Motor gibt es die vier Takte eines Benzinmotors, nämlich Ansaugen, Verdichten, Verbrennung und Ausstoßen. Bei dieser Motorart schließt das Einlassventil während des Verdichtungsvorgangs jedoch spät, wodurch sich die tatsächliche Verdichtung verringert, denn die eigentliche Verdichtung beginnt erst dann wirksam, wenn das Einlassventil geschlossen ist. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis sogar nur halb so hoch sein, als wenn das Ventil früher schließen würde, wie es bei einem herkömmlichen Viertakt-Otto-Zyklus der Fall ist.

Mit dieser Änderung wird während des Verdichtungstakts (dem Moment, in dem das zuvor angesaugte Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet wird) ein Teil des Gemischs in den Ansaugkrümmer zurückgeführt, da die Einlassventile geöffnet bleiben.

Das Verdichtungsverhältnis eines Motors ist das Luftvolumen des Verdichtungstakts plus das Luftvolumen des Brennraums, geteilt durch das Luftvolumen des Brennraums.

Während des Verdichtungstakts liegt dieses Verhältnis bei 8:1, da die Zählung erst in dem Moment beginnt, in dem das Einlassventil schließt, während es im Expansionstakt 13:1 beträgt, entsprechend dem Weg des Kolbens nach unten bei geschlossenen Ventilen (der einzige Takt, in dem Arbeit verrichtet wird).

Aufgrund dieser Asymmetrie entspricht der Innendruck des Zylinders am Ende des Arbeitszyklus, wenn sich die Auslassventile öffnen, ungefähr dem Atmosphärendruck, während er bei einem herkömmlichen Benzinmotor etwas höher liegt. Das bedeutet, dass nicht die gesamte Kraft genutzt wurde, die den Kolben nach unten gedrückt hat.

Zugleich füllt der Weg des Kolbens in seinem Aufwärtstakt den Ansaugkrümmer (wir erinnern uns: Die Einlassventile bleiben bis etwa zur Hälfte des Weges geöffnet), was zu einem Druckanstieg in dessen Innerem führt (denn dieser liegt stets unter dem Atmosphärendruck). Das begünstigt die Füllung der übrigen Zylinder und minimiert die durch den Rückfluss der Gase verursachten Verluste.

Die mechanische Belastung der Atkinson-Motoren ist geringer als die der Otto-Motoren, da ihr Verdichtungsverhältnis niedriger ist, was für eine höhere Lebensdauer der Mechanik sorgt.

Ihre Produktionskosten sind zudem ähnlich wie bei einem herkömmlichen Benzinmotor. Das Gleiche gilt für Gewicht, Geräusch und Schadstoffemissionen, womit sie weit von den hohen Kosten, dem Gewicht und dem Geräusch der Dieselmotoren entfernt sind.

Nachteile der Atkinson-Motoren

Bisher wurden nur die Stärken dieser Motoren hervorgehoben. Es ist an der Zeit zu erklären, warum diese Motoren nicht in Modellen verbaut werden, die keine Hybride sind.

Der wichtigste Nachteil ist, dass durch die Verdichtung einer geringeren Gemischmenge die Schubkraft auf den Kolbenboden im Moment der Zündung geringer ist als bei einem herkömmlichen Motor, was zu weniger leistungsstarken Motoren führt. Ein Beispiel ist der 1.800-cm3-Motor des Toyota Prius der dritten Generation, der nur eine Leistung von 100 CV entwickelt.

Aufgrund der Konfiguration der Takte ist die maximale Drehzahl dieser Motoren auf etwa 5.000 U/min begrenzt, und die spezifische Leistung (aus dem Hubraum gewonnene Leistung) ist gering. Das bedeutet, dass diese Motoren dieselbe Leistung abgeben wie ein Motor mit kleinerem Hubraum, sodass der Fahrer das Gefühl hat, sein Auto habe keine Leistung.

In einem Hybridfahrzeug tritt dieses Gefühl jedoch nicht auf, denn der Leistungseindruck kommt vom Elektromotor und von einem Getriebe des Typs CVT (stufenlos verstellbares Getriebe), das den Motor in seinem optimalen Drehzahlbereich hält.

Vereinfacht gesagt besteht die Aufgabe eines Verbrennungsmotors in einem Hybridfahrzeug nur darin, den Schwung aufrechtzuerhalten, sobald man das Gas weggenommen hat; um den Rest kümmert sich der Elektromotor.

Warum der Atkinson-Zyklus

Der Atkinson-Motor wurde nach der Einführung und Vermarktung der Hybridfahrzeuge populär, die mit einem Verbrennungsmotor in Verbindung mit einem Elektromotor arbeiten.

Der Atkinson-Zyklus, der auf dem Otto-Zyklus basiert, wird häufig in Hybridfahrzeugen eingesetzt, weil er den Gesamtwirkungsgrad steigert und so einen niedrigen Kraftstoffverbrauch erreicht. Mit dem Aufkommen fortschrittlicherer Technik wurde jedoch die Ventilsteuerung verändert, damit der Mechanismus auf dieselbe Weise funktioniert wie der, den James Atkinson 1882 entwickelt hat.

Damit haben wir höhere Verdichtungsverhältnisse, wodurch die Verbrennung des Gemischs deutlich früher erfolgt als beim Otto-Motor und der thermodynamische Wirkungsgrad steigt. Wie bereits erwähnt, wird dies durch das verzögerte Schließen der Einlassventile erreicht, wodurch die Gase wieder in den Brennraum zurückströmen können, was ein höheres Verdichtungsverhältnis ermöglicht.

In der Liste der Fahrzeuge, die derzeit diese Antriebskonfiguration nutzen, finden sich unter anderem der Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra und KIA Forte, wobei die Koreaner entschlossen darauf setzen, sie in immer mehr Fahrzeugen ihrer Palette einzusetzen.