Atkinson-Zyklus

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Der Motor der Prius 1, 2 und 3 ist ein Saugmotor mit sequenzieller Saugrohreinspritzung. Er arbeitet im Atkinson-Zyklus.

Der Atkinson-Zyklus ist eine spezielle Ventilsteuerung, bei der die Einlassventile erst sehr spät schließen und dadurch der Verdichtungstakt nicht am unteren Totpunkt des Kolbens sondern später beginnt.

Bei einem normalen Ottomotor endet der Ansaugtakt, wenn sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet. Nach Schließen des Einlassventils beginnt mit der Kolbenbewegung nach oben der Verdichtungstakt.

Beim Atkinson-Zyklus kann, durch die intelligente Steuerung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes des Einlassventils durch Verstellung der Nockenwelle VVT-i, der Beginn des Kompressionstaktes optimal an die Betriebsbedingungen des Motors angepasst werden. Durch das noch geöffnete Einlaßventil strömt ein Teil der Zylinderfüllung wieder heraus. Die Verdichtung setzt erst ein, wenn das Einlassventil schließt.

Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile.

Erstens kann man den Füllgrad des Zylinders mit dem Zeitpunkt, zu dem das Einlassventil schließt, bestimmen: je später, desto weniger Gemisch verbleibt im Zylinder. Auf diese Weise braucht der Füllgrad, anders als beim Otto Zyklus, nicht ausschließlich nur mit der Drosselklappe bestimmt zu werden. Die Drosselklappe kann also viel weiter geöffnet bleiben und so werden auch die Pumpverluste, die durch den Unterdruck beim Ansaugtakt entstehen, wesentlich reduziert.

Zweitens können, im Gegensatz zum Ottomotor, Kompressions- und Expansionsverhältnis unterschiedliche Werte annehmen. Dies entschärft den bestehenden Zielkonflikt zwischen Kompressions- und Expansionsverhältnis. Während das Kompressionsverhältnis technischen Grenzen unterliegt, wird für eine optimale Verbrennung ein möglichst großes Expansionsverhältnis angestrebt. Das Expansionsverhältnis beträgt beim Motor des Prius etwa 13:1, während bei der Verdichtung nur ein Verhältnis von etwa 7:1 wirksam wird.

Aus diesen Gründen erfolgt bei diesem Verfahren eine höhere Ausnutzung der Verbrennungsenergie und eine Reduzierung der Schadstoffemission.

Nachteile des Betriebes im Atkinson-Zyklus sind eine vergleichsweise niedrige maximale Motordrehzahl und ein im unteren Drehzahlbereich relativ geringes Drehmoment, was einen Einsatz als ausschließlichen Antrieb in einem Auto nahezu ausschließt. Um diesen Nachteil zu umgehen, müsste man mit sehr großen Hubräumen arbeiten, welche den Verbrauchsvorteil dann aber wieder zunichte machen würden. Der Atkinson-Motor braucht eine relativ hohe Drehzahl, um Leistung abgeben zu können, ohne in die Gefahr zu laufen, dabei abgewürgt zu werden. Als Teil eines Hybridantriebes können diese Nachteile jedoch vom Elektromotor ausgeglichen werden, sodass der geringere Treibstoffverbrauch voll zum Tragen kommen kann.

James Atkinson entwickelte 1886 (also 10 Jahre nach Nikolaus A. Ottos den Ottomotor) diese Technologie mit einer damals bereits 10% höheren Leistung bei gleichem Hubraum. Das Atkinson-Verfahren wurde viel später vom US-Ingenieur Ralph Miller modifiziert. Es konnte sich aus den oben genannten Gründen aber nicht auf breiter Front durchsetzen und blieb ein Exot. Möglicherweise erlebt es jetzt in Hybridantrieben eine Renaissance.

Der sogenannte Atkinson-Miller-Zyklus ist ein Expansionszyklus zur Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei aufgeladenen Motoren und hat nichts mit dem beim Prius verwendeten Atkinson-Zyklus zu tun. Der Motor des Prius arbeitet ohne Aufladung.

Die neuen (größeren) Lexus-Modelle nutzen eine kombinierte Saugrohr- und Direkteinspritzung. Sie werden anscheinend auch im Atkinson-Zyklus betrieben.

Der maximale Wirkungsgrad des P2 Motors ist 230g/kWh, macht 39%

Der maximale Wirkungsgrad des P3 Motors ist 220g/kWh, macht 41% (Heizwert Benzin ~11kWh/kg)

[Bearbeiten] Effizienzsteigerung des Motors Prius 2 zu Prius 3

Schaubild der Drehmomentverläufe:

Ekvu-4m.jpg


[Bearbeiten] Weblinks