Atkinson-työkierto

Kohteesta AutoWiki
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Atkinson-työkierto tai sen muunnelma Miller-työkierto ovat polttomoottorin termodynaamisia kiertoja, joissa pyritään parantamaan moottorin hyötysuhdetta siten, että laajennusvaihe (työisku) on pidempi kuin puristusvaihe. Tämä saavutetaan esimerkiksi viivästyttämällä imuventtiilien sulkeutumista tai käyttämällä mekaanisia ratkaisuja, jolloin osa imuvedystä ei puristu täyteen puristusvaiheeseen. [1]

Miller-työkierrossa imuventtiilin ajoitusta säädetään siten, että tehokas puristusvaihe lyhenee, mutta laajennusvaihe pysyy vielä pidempänä. Tätä kompensoidaan ahtimella, jotta tehonmenetys ei olisi liian suuri. [2]

Historia[muokkaa]

Atkinson-työkierto on nimetty englantilaisen insinöörin James Atkinson mukaan, joka patentoi erilaisia moottorirakenteita 1880‐luvulla. Esimerkiksi hänen ns. “Cycle 1887” –moottorinsa käytti mekanismia, joka mahdollisti neljä iskua yhdellä kampiakselin pyörähdyksellä, ja laajennusvaiheen pidempiäiskun kuin puristusvaiheen. [3] Tämän ratkaisun tarkoituksena oli kiertää aikansa patentteja, mutta samalla tarjota suurempi laajennussuhde, mikä riittää parantamaan hyötysuhdetta [4].

Ralph Miller patentoi oman moottorinsa työkierron paljon myöhemmin, vasta vuonna 1957. Patentissa sitä kuvattiin suomennettuna "uudeksi ja parannetuksi tavaksi operoida ahdettua, väliahdettua moottoria". [5]

Teoreettinen periaate[muokkaa]

Perinteisessä nelitahtisessa moottorissa puristus- ja laajennusvaiheet ovat geometrisesti samanpituisia (puristus‐ ja räjähdyskammion tilavuuden muutos). Atkinson-kiertossa laajennusvaihe on pidempi kuin puristusvaihe, jolloin palamiskaasun energiaa saadaan hyödynnettyä enemmän ennen, kuin venttiilit avautuvat ja pakokaasu poistuu. [6] Tämän seurauksena termodynaaminen hyötysuhde voi nousta, mutta tehontuotto (tehopisteessä) voi jäädä pienemmäksi kuin vastaavassa geometrisessa puristuksella ja laajennuksella toimivassa kierrossa [7].

Modernissa Atkinson-työkiertoa käyttävissä moottoreissa ei yleensä käytetä erilaista kampi-akselia. Sen sijaan käytetään usein muuttuvaa venttiilien ajoitusta - esimerkiksi imuventtiilin sulkeminen myöhästyy, jolloin osa imuilmasta palaa takaisin imusarjaan puristusvaiheen alussa. [8] Atkinson-työkierto on ollut erityisen suosittu hybridiautoissa, joissa polttomoottorin tehoja voidaan kompensoida sähkömoottorilla [9]. Tutkimuksien mukaan pienikokoiset Atkinson-moottorit voivat saavuttaa jopa noin 50% hyötysuhteen [10].

Miller-kierto voi käyttää joko aikasta imuventtiilin sulkeutumista (early intake valve closing, EIVC) tai myöhäistä sulkeutumista (late intake valve closing, LIVC) moottorin kuormitustason mukaan [11]. Lisäksi Miller-työkierrossa käytetään turboahdinta tai mekaanista ahdinta, joka korvaa puristusvaiheen "hukkaa" eli tehopuutetta [2]. Miller-kierron myöhäistä sulkeutumista käyttävissä moottoreissa ainoa periaatteelinen ero Atkinson-työkiertoa käyttäviin moottoreihin on siis ahtaminen.

Sovellukset[muokkaa]

Atkinson- ja Miller-työkiertoa käytetään useimmiten pienemmissä polttomoottoreissa, erityisesti hybrideissä, joissa tähdätään mahdollisimman hyvään hyötysuhteeseen polttoainekulutuksen pienentämiseksi. Toisaalta toteutusta on käytetty myös suuremmissa moottoreissa harvakseltaan, kuten Cadillac Escalade HEV 6.0 V8 -moottorissa. [12]

Edut ja haitat[muokkaa]

Atkinson-työkierto Miller-työkierto
Perusperiaate Puristusvaihe lyhennetään erilaisella kampiakselilla tai venttiilien ajoituksella siten, että laajennusvaihe on pidempi. Tämä parantaa lämpöhyötysuhdetta hyödyntämällä palamisen energiaa tehokkaammin. [7] Puristusvaihe lyhennetään säätämällä imuventtiilin ajoitusta (EIVC tai LIVC). Usein käytetään ahtamista kompensoimaan tehonmenetys. [2]
Edut Korkein hyötysuhde ja alhaisempi polttoaineenkulutus [13].

Sopii hyvin käyttötilanteisiin, joissa tehovaatimus ei ole yhtä korkea, kuten hybridiautoihin [7].

Vähemmän lämpöhäviöitä ja päästöjä [7].

Hyödyntää palamisen energiaa tehokkaammin laajennusvaiheessa [7].

Parempi hyötysuhde kuin Otto-kierrossa [14].

Korkeampi teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta, mutta kuitenkin ottomoottoria vähemmän [2].

Pienimmät NOₓ-päästöt ja alhaisempi puristuslämpötila [15].

Mahdollistaa korkean puristussuhteen ilman nakutusta [16].

Haitat Heikoin teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta [17].

Vaatii moottorin suunnittelun optimointia, kuten imuventtiilien ajoittamista tai erikoisia kampiakseliratkaisuja [18].

Monimutkaisempi venttiiliajoitus (EIVC/LIVC) [2].

Tarvitsee ahtimen tehopuutteen kompensoimiseksi [5].

Lisää moottorin kustannuksia ja säätövaatimuksia [2].

Lähteet[muokkaa]

  1. ↑ Chongming Wang, Ritchie Daniel, Hongming Xu: Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine – Coventry University, 16. huhtikuu 2012. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Miller Cycle Engines – DieselNet, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  3. ↑ Staff: Two Equals Four: The Atkinson Cycle Engine – Gas Engine Magazine, 4. marraskuu 2014. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  4. ↑ The Atkinson Cycle… (Journal of American Science) (PDF) – Marsland Press, 2010;6(2), Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  5. ↑ 5,0 5,1 The Atkinson (And Miller Cycle) Engines – Not Exactly What They Started Out to Be – CurbsideClassic, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  6. ↑ Mohammad Hossein Ahmadi, Mohammad Hossein Ahmadi: Thermodynamic analysis and optimization of the Atkinson engine by using NSGA-II – International Journal of Low-Carbon Technologies, Vol 11, Issue 3 (Sep 2016), Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 Qingyu Niu, Baigang Sun, Dongsheng Zhang, Qinghe Luo: Research on performance optimization and fuel-saving mechanism of an Atkinson cycle gasoline engine at low speed and part load – Sciencedirect, 1. tammikuu 2020. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  8. ↑ What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? – Autodeal, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  9. ↑ Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine – Coventry University, 1. tammikuu 2012. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  10. ↑ Pertl P., Trattner A., Stelzl R., Lang M. et al.: Expansion to Higher Efficiency – Experimental Investigations of the Atkinson Cycle in Small Combustion Engines – SAE International, 1. tammikuu 2015. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  11. ↑ Jiangtao Xu ym.: Numerical investigation of Miller cycle with EIVC and LIVC on a high compression ratio gasoline engine – Sci Prog, 2021, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  12. ↑ 2009 Cadillac Escalade Platinum Hybrid – Kasssmash, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  13. ↑ Thermodynamic analysis and optimization of the Atkinson engine by using NSGA-II – International Journal of Low-Carbon Technologies, Vol 11, Issue 3 (Sep 2016), Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  14. ↑ R. Mikalsen, Y.D. Wang, A.P. Roskilly: A comparison of Miller and Otto cycle natural gas engines for small scale CHP applications – Sciencedirect, 1. kesäkuu 2009. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  15. ↑ Application of Miller Cycle and Net-Zero Fuel(s) to Diesel Engine – MDPI, 2023, Viitattu: 27. joulukuu 2024.
  16. ↑ Jiangtao Xu ym.: Numerical investigation of Miller cycle with EIVC and LIVC on a high compression ratio gasoline engine – Sci Prog, 2021, Viitattu: 27. joulukuu 2024.
  17. ↑ What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? – Autodeal, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
  18. ↑ Zhao Jinxing, Xu Min, Li Mian, Wang Bin, Liu Shuangzhai: Design and optimization of an Atkinson cycle engine with the Artificial Neural Network Method – Elsevier – Applied Energy, v92 (2012) pp492-502, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
Noudettu kohteesta "http://mail.autowiki.fi/index.php?title=Atkinson-työkierto&oldid=241598"