Hoe de Atkinson-cyclusmotor werkt

Atkinson-cyclusmotoren zijn verbrandingsmotoren met viertaktcycli die vrijwel gelijk zijn aan die van de Otto-cyclus, hoewel ze als nadeel hebben dat ze een lager vermogen leveren. Aan de positieve kant benutten ze de brandstof beter, waardoor ze betere verbruikscijfers kunnen halen.

Oorspronkelijk en in tegenstelling tot de huidige werking voerde de Atkinson-cyclusmotor de vier slagen (inlaat, compressie, expansie en uitlaat) uit in één krukasomwenteling. Otto-cyclusmotoren hebben twee krukasomwentelingen nodig om dezelfde slagen uit te voeren.

Tegenwoordig is dit concept gewijzigd en het belangrijkste verschil tussen een Otto-cyclusmotor en een Atkinson-cyclusmotor is dat tijdens een deel van de compressieslag (ongeveer de helft) de inlaatkleppen open blijven. Dit wordt bereikt door de aanpassing van de inlaatnokken op de nokkenas, met als voordeel dat de verliezen in de motor door het comprimeren van het mengsel drastisch worden verminderd.

Werking van een Atkinson-cyclusmotor

In een Atkinson-cyclusmotor zijn eveneens de vier slagen van een benzinemotor aanwezig, met inlaat, compressie, ontbranding en uitlaat. Bij dit type motor sluit de inlaatklep echter laat tijdens de compressie, waardoor de werkelijke compressie afneemt, omdat de werkelijke compressie pas effectief begint wanneer de inlaatklep is gesloten. Hierdoor kan de compressieverhouding zelfs de helft bedragen van die bij vroeg sluitende kleppen, zoals bij een traditionele viertakt Otto-cyclus.

Door deze aanpassing wordt tijdens de compressieslag (het moment waarop het eerder ingezogen mengsel van lucht en brandstof wordt samengeperst) en doordat de inlaatkleppen open blijven, een deel van het mengsel teruggeduwd naar het inlaatspruitstuk.

De compressieverhouding van een motor is het volume lucht van de compressieslag plus het volume lucht van de verbrandingskamer, gedeeld door het volume lucht van de verbrandingskamer.

Tijdens de compressieslag bedraagt deze verhouding 8:1, omdat deze begint te tellen op het moment dat de inlaatklep sluit, terwijl deze in de expansieslag 13:1 bedraagt, wat overeenkomt met de neergaande beweging van de zuiger met gesloten kleppen (de enige slag waarin arbeid wordt verricht).

Door deze asymmetrie is, wanneer de werkcyclus eindigt en de uitlaatkleppen op het punt staan te openen, de inwendige druk van de cilinder ongeveer gelijk aan de atmosferische druk, terwijl deze bij een conventionele benzinemotor iets hoger is, wat betekent dat niet alle kracht die de zuiger naar beneden duwde, is benut.

Daarnaast vult de opgaande beweging van de zuiger het inlaatspruitstuk (we herinneren eraan dat de inlaatkleppen tot ongeveer halverwege de slag open blijven), wat leidt tot een drukverhoging erin (omdat deze altijd lager is dan de atmosferische druk), wat het vullen van de andere cilinders bevordert en de verliezen door terugstroming van de gassen minimaliseert.

De mechanische belasting van Atkinson-cyclusmotoren is lager dan die van Otto-cyclusmotoren, omdat hun compressieverhouding lager is, wat zorgt voor een langere levensduur van het mechanisme.

Daarnaast is de productiekost vergelijkbaar met die van een conventionele benzinemotor. Ook het gewicht, het geluid en de uitstoot van vervuilende gassen liggen in dezelfde lijn, ver verwijderd van de hoge kosten, het gewicht en het lawaai van dieselmotoren.

Nadelen van Atkinson-motoren

Tot nu toe zijn alleen de sterke punten van deze motoren belicht. Het is tijd om uit te leggen waarom deze motoren niet in andere modellen dan hybride worden gemonteerd.

Het belangrijkste nadeel is dat, doordat er minder mengsel wordt gecomprimeerd, de duwkracht op de zuigerkop op het moment van de vonk lager is dan bij een conventionele motor, wat leidt tot minder krachtige motoren. Een voorbeeld is de 1.800 cm§h40Fordh41§-motor van de Prius van de derde generatie, die slechts een vermogen van 100 pk levert.

Door de configuratie van de slagen is het maximale toerental van deze motoren beperkt tot ongeveer 5.000 tpm, en is het specifieke vermogen (vermogen per liter cilinderinhoud) laag, wat betekent dat deze motoren hetzelfde vermogen leveren als een motor met een kleinere cilinderinhoud, waardoor de bestuurder het gevoel krijgt dat zijn auto weinig vermogen heeft.

In een hybride voertuig doet zich dit gevoel echter niet voor, omdat het vermogensgevoel afkomstig is van de elektromotor en een CVT-versnellingsbak (Continu Variabele Transmissie) die ervoor zorgt dat de motor op zijn optimale toerental blijft draaien.

Om het duidelijk te stellen: de functie van de verbrandingsmotor in een hybride voertuig is alleen het behouden van de inertie zodra er niet meer wordt versneld; het overige wordt door de elektromotor verzorgd.

Waarom de Atkinson-cyclus

De Atkinson-cyclusmotor werd populair na de introductie en commercialisering van hybride voertuigen, die werken met een verbrandingsmotor in combinatie met een elektromotor.

De Atkinson-cyclus, gebaseerd op de Otto-cyclus, wordt veel gebruikt in hybride auto’s, omdat hij de algehele efficiëntie verhoogt en zo een laag brandstofverbruik bereikt. Met de komst van meer geavanceerde technologie werd echter de timing van de kleppen aangepast zodat het mechanisme op dezelfde manier werkt als het mechanisme dat James Atkinson in 1882 ontwikkelde.

Hiermee hebben we hogere compressieverhoudingen, waardoor het mengsel veel eerder ontbrandt dan bij de Otto-motor, wat het thermodynamisch rendement verhoogt. Zoals we eerder vermeldden, wordt dit bereikt door het sluiten van de inlaatkleppen uit te stellen, waardoor de gassen weer in de verbrandingskamer kunnen stromen, wat een hogere compressieverhouding mogelijk maakt.

In de lijst van auto’s die momenteel deze aandrijflijnconfiguratie gebruiken, hebben we de Toyota Prius, Ford Escape, Lexus RX 450h, Hyundai Sonata, Chevrolet Volt, KIA Niro, Hyundai Elantra en KIA Forte, onder andere, waar de Koreanen resoluut kiezen voor de opname ervan in steeds meer voertuigen uit hun gamma.