Pendant plus de cent ans, les moteurs sont devenus plus gros, plus rapides et plus méchants, avec plus de puissance et de couple. Les gaz d'échappement crachaient des tuyaux d'échappement comme un dragon réveillé de son sommeil pour rugir contre les voleurs potentiels de son trésor. Du moins, c'est ce que le gars avec les pneus larges et le travail à la flamme à l'aérographe veut que vous pensiez.
Puis vint le XXe siècle, lorsque nous réalisâmes que les moteurs cracheurs de feu tuaient plus que les adversaires des courses de dragsters aux feux rouges. Il s'avère que tous ces éructations changeaient le climat et créaient un smog désagréable. Trop de dragons rendaient la planète plus proche du Mordor que de la Comté.
Qui peut nous sauver de ces dragons éructants ? Qui peut apprivoiser leurs manières énergivores avec son épée de science et d'ingénierie ? Qui porte le seul véritable anneau d'efficacité énergétique ? Un homme :James Atkinson de Hampstead, Middlesex, Angleterre. Aussi de 1887.
C'est vrai - la dernière technologie de moteur écologique vient de l'aube de l'ère automobile. Le moteur à cycle Atkinson a été breveté aux États-Unis en 1887 (Atkinson a déposé des brevets britanniques et européens quelques années plus tôt). Mais les courses inégales du piston de son moteur à combustion à essence s'adaptent parfaitement à nos systèmes hybrides modernes.
Le moteur à cycle Atkinson utilisé dans tant d'hybrides de nos jours fonctionne sur le même principe que l'original - avec l'avantage évident d'un siècle d'avancées technologiques. Mais pour comprendre où nous en sommes aujourd'hui, nous devons d'abord savoir d'où nous venons. Réglez votre machine à voyager dans le temps pour 1887 !
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Le brevet américain d'Atkinson (numéro 367 496, pour nous, les nerds adorateurs de brevets) est assez simple :environ un millier de mots de texte et quelques diagrammes utiles. Ou vous pouvez simplement lire cette explication, qui est bien plus spirituelle que n'importe quel brevet.
Le moteur à combustion le plus courant de nos jours est un moteur à cycle Otto à quatre temps, où un piston monte et descend à l'intérieur d'un cylindre et une étincelle enflamme un mélange de gaz et d'air. Il en va de même pour un moteur à cycle Atkinson, voici donc un rappel rapide du processus :
Course d'admission : Aspire l'air et le carburant dans le cylindre
Course de compression : Écrase le mélange de sorte que lorsque l'étincelle se déclenche, il explose - grand temps
Course de puissance ou d'expansion : Utilise la force créée par l'explosion pour déplacer le piston vers le bas du cylindre
Course d'échappement : Élimine les vilains restes du processus de combustion hors du cylindre
Dans un moteur à cycle Otto, cela se fait en deux rotations du vilebrequin :admission/allumage, puis puissance/échappement. Dans le moteur Atkinson d'origine, l'inventeur a ajouté quelques liaisons afin que les quatre temps puissent être complétés avec une seule rotation du vilebrequin.
Cela en soi améliorerait l'efficacité, mais Atkinson avait une autre réalisation :si la compression dans le cylindre était abaissée et que la course motrice était plus longue que la course d'admission, le moteur fonctionnerait plus efficacement. Il faudrait moins de carburant pour faire tourner le moteur, qui fait tourner les roues et fait avancer la voiture.
Imaginez, si vous voulez, le cylindre et le piston. Lors de la course d'admission, le piston ne descend pas complètement dans le cylindre. La soupape d'admission, où l'air et le carburant entrent dans le cylindre, ne permet pas autant de mélange dans le cylindre. Moins de mélange nécessite moins de compression. Le piston remonte pour la course de compression, et en haut le mélange est enflammé. Boom! La force renvoie le piston vers le bas de l'arbre du cylindre dans la course motrice, cette fois tout en bas pour profiter de chaque dernière force générée par la combustion. Ensuite, le piston remonte pour évacuer les déchets pour la course d'échappement. Ta da ! Quatre temps, moins de carburant !
Bien sûr, lecteur averti que vous êtes, vous vous êtes probablement rendu compte que moins de carburant et moins de compression signifient moins de puissance. Vous avez raison. Même si le piston est autorisé à se déplacer plus bas sur la course motrice que sur la course d'admission, il ne générera pas autant de puissance que dans un moteur avec une compression plus élevée et un mélange gazeux plus riche.
L'autre défi avec ce moteur est qu'il nécessite beaucoup de pièces supplémentaires, ce qui le rend difficile à assembler, sans parler du prix. Le pauvre Atkinson a dû atteindre toute cette efficacité avec des ressorts et des liens vibrants et un tube d'allumage chauffé au rouge, ce qui sonne comme un excellent nom pour un groupe. Les ingénieurs modernes ont beaucoup plus de facilité.
Les puristes se moqueront du moteur à cycle Atkinson d'aujourd'hui, avec à peine un lien vibrant en vue. En fait, si vous mettez un moteur à cycle Atkinson moderne à côté d'un moteur à cycle Otto moderne, vous ne pourrez voir aucune différence. "Il n'y a rien dans le moteur [de la Prius] qui ne soit pas dans le moteur ordinaire", selon David Lee de l'Université de Toyota. (Ce n'est pas une université que vous pouvez fréquenter à moins que vous ne soyez un employé de Toyota ayant besoin de connaître les derniers et meilleurs déploiements chez les concessionnaires. Désolé.)
Ce qu'Atkinson devait réaliser avec le placement du vilebrequin, nous pouvons maintenant le faire avec un calage variable des soupapes, une solution beaucoup moins chère et plus facile. Rappelez-vous que dans l'original d'Atkinson, les soupapes d'admission se fermaient tôt pour empêcher une partie du mélange air-carburant d'entrer. De nos jours, la soupape d'admission est maintenue ouverte un peu trop longtemps, de sorte que lorsque le piston monte pour la course de compression, un peu du mélange gaz-air peut s'échapper. Chaque méthode a le même but :le taux de compression est plus faible. En langage d'ingénieur, la méthode moderne est connue sous le nom de "livique" - fermeture tardive de la soupape d'admission. Ensuite, la bougie d'allumage fait son travail - des étincelles - et le piston profite de la combustion avec une course à pleine puissance dans le cylindre. Et puis la course d'échappement fait son travail de nettoyage.
Plus que cela a changé en plus de 120 ans. Dans la recherche d'une efficacité accrue, de nouveaux matériaux ont été développés. Des pistons, des segments et des ressorts de soupapes plus légers, par exemple, réduisent la friction et le poids total de la voiture. Transporter moins de poids demande moins d'énergie. L'utilisation d'un moteur à double arbre à cames en tête, comme le fait Ford dans sa Fusion et d'autres hybrides, facilite encore plus le contrôle du processus.
Et encore, lecteur avisé, vous avez sans doute remarqué que la version moderne de ce moteur produit moins de puissance, tout comme son prédécesseur. Trop vrai. Comme Lee l'a noté, "Ce moteur aurait du mal dans une voiture ordinaire."
Mais vous savez où ça ne se débat pas? Dans une transmission hybride.
Donc, vous avez un moteur qui est vraiment efficace, mais il manque de puissance, en particulier de la variété de couple, le genre de puissance que la voiture de traînée cracheuse de feu a à la pelle. Mais, si vous êtes un ingénieur du groupe motopropulseur hybride, vous avez également un moteur électrique qui a tout le couple tout le temps, à partir de 0 tr/min. Le problème avec le moteur électrique est qu'il ne supporte pas très bien une vitesse élevée, pas aussi bien qu'un moteur à essence, avec sa puissance plus élevée. Que faire, ingénieur motoriste hybride ?
Eh bien, si vous êtes Gilbert Portalatin, qui se trouve être un ingénieur du groupe motopropulseur hybride chez Ford, ou tout autre ingénieur de presque n'importe quel autre constructeur automobile construisant des hybrides complets, vous réunissez ces deux systèmes comme le chocolat et le beurre de cacahuète. À basse vitesse, les moteurs électriques s'enclenchent avec leur couple et font avancer la voiture. À moins que vous ne soyez l'un de ces hypermilers super prudents qui appuient sur l'accélérateur aussi doucement que si un chaton se cachait en dessous, le moteur à essence se mettra en marche assez rapidement, bien que le moteur électrique fasse pas mal de travail. À environ 40 mph environ, le moteur à cycle Atkinson prendra presque complètement le relais, avec un peu d'assistance du moteur électrique.
Tant que vous avez ce type de combo, vous pouvez concevoir le moteur à cycle Atkinson pour qu'il s'enclenche précisément avec le moteur électrique pour une efficacité optimale. Si vous insistez pour prendre le cracheur de feu dans la voie suivante, vous ne serez pas complètement laissé dans la poussière. "Appuyez sur la pédale et vous obtiendrez ce que vous demandez :tous les deux moteurs", a déclaré Lee chez Toyota.
Ce nivellement de charge est la raison pour laquelle un hybride complet comme la Toyota Prius ou la Ford Escape obtient un meilleur kilométrage en ville que sur l'autoroute - exactement le contraire de, comme, tout autre véhicule sur la route. Les non-cracheurs de feu parmi nous conduisent assez lentement en ville. Nous démarrons et nous arrêtons beaucoup, et nous n'atteignons pas 75 mph, donc le moteur électrique prend une grande partie du fardeau. Sur l'autoroute, cependant, le moteur à essence fonctionne à peu près seul.
En 1887, presque personne n'aurait pu prédire l'heureux mariage beurre de cacahuète et chocolat entre le moteur d'Atkinson et les moteurs électriques :les voitures n'avaient même pas de toit permanent à l'époque.
Publié à l'origine :1er mars 2012
Pour être tout à fait honnête, j'adore écrire ces articles super-technologiques. J'adore appeler des ingénieurs et leur faire expliquer des choses que je n'ai jamais étudiées. J'ai même du mal à imaginer de quoi ils parlent, alors je leur fais répéter six façons jusqu'au dimanche pour m'assurer que j'ai bien compris avant d'écrire quoi que ce soit.
Cette fois, j'ai eu un bonus extra-geek :un livre de coloriage nerd ! D'accord, ce n'était pas vraiment un livre de coloriage, mais si vous recherchez le brevet d'Atkinson à l'aide de la recherche de brevets de Google (numéro 367 496, rappelez-vous), il inclut les diagrammes originaux d'Atkinson. J'ai utilisé mes huit surligneurs et plusieurs Sharpies colorés pour savoir quelles vannes faisaient quoi, et où l'air entrait et où l'échappement sortait. Ensuite, j'ai codé par couleur le texte du brevet - que j'avais également imprimé - afin que, lorsque je lisais, je puisse faire correspondre le lien vibrant H dans la description avec sa place dans le moteur.
Je ne peux pas recommander assez la méthode du livre de coloriage pour l'apprentissage technologique. Je compte l'utiliser le plus souvent possible. Mon intérieur de huit ans est très heureux.
