앳킨슨 사이클

Atkinson cycle
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앳킨슨 사이클 엔진은 1882년 제임스 앳킨슨이 발명한 내연기관의 일종이다. 앳킨슨 사이클은 전력 밀도를 희생하여 효율성을 제공하도록 설계되었다.

이 접근방식의 변화는 일부 현대 자동차 엔진에서 사용된다. 초기 세대인 도요타 프리우스와 같은 하이브리드 전기 애플리케이션에서만 볼 수 있었지만, 후기 하이브리드와 일부 비 하이브리드 차량은 현재 가변 밸브 타이밍을 가진 엔진을 특징으로, 앳킨슨 사이클에서 파트타임 운영 방식으로서 앳킨슨 사이클에서 구동할 수 있고, 앳킨슨 사이클에서 구동하는 동안 좋은 경제성을 제공하며, 기존의 동력 d.전통적인 오토 사이클 엔진으로 작동할 때의 불안감

디자인

앳킨슨은 짧은 압축 스트로크와 긴 확장 스트로크를 가진 세 가지 다른 디자인을 제작했다. 최초의 앳킨슨 사이클 엔진인 디퍼렌셜 엔진은 반대되는 피스톤을 사용했다. 두 번째로 가장 잘 알려진 디자인은 사이클 엔진으로, 한 번의 크랭크축 회전으로 4개의 피스톤 스트로크를 만들어냈다. 왕복 엔진은 크랭크축의 한 바퀴 회전 시 4행정 사이클의 흡입, 압축, 동력, 배기 스트로크를 가졌으며 오토 사이클 엔진에 적용되는 특정 특허를 침해하지 않도록 설계되었다.[1] 앳킨슨의 세 번째이자 마지막 엔진인 유틸리티테 엔진은 여느 2행정 엔진처럼 작동했다.

앳킨슨의 설계 전반에 걸쳐 일반적인 나사산은 엔진이 압축 스트로크보다 긴 팽창 스트로크를 가지고 있으며, 이 방법으로 엔진은 기존의 피스톤 엔진보다 열 효율이 더 높다. 앳킨슨의 엔진은 브리티시 가스엔진 컴퍼니에서 생산했으며 다른 해외 제조사에도 허가를 받았다.

현재 많은 현대적 엔진은 더 짧은 압축 행정/장시간의 파워 스트로크의 효과를 내기 위해 파격적인 밸브 타이밍을 사용하고 있다. 밀러는 이 기술을 4행정 엔진에 적용했기 때문에, 1957년 12월 24일자 미국 특허 2817322인 앳킨슨/밀러 사이클로 언급되기도 한다.[2] 1888년 차론은 프랑스 특허를 출원하여 1889년 파리 전시회에 엔진을 전시하였다. 카론 가스 엔진(4행정)은 밀러와 비슷한 사이클을 사용했지만 슈퍼차저가 없었다. 그것은 "Charon cycle"[3]이라고 불린다.

브리스톨의 로이 페든은 1928년 브리스톨 목성 IV 엔진에서 이륙 중 지속 가능한 감소된 작동 압력을 얻기 위해 충전물의 일부를 흡기다기관으로 다시 날려 보낼 수 있는 가변 지연 타이밍을 이용해 배열을 시험했다.[citation needed]

현대의 엔진 설계자들은 앳킨슨형 사이클이 제공할 수 있는 잠재적 연료 효율 개선을 실현하고 있다.[4]

앳킨슨 "차동 엔진"

앳킨슨 사이클의 첫 번째 구현은 1882년이었다. 이후 버전과는 달리 반대되는 피스톤 엔진인 앳킨슨 디퍼렌셜 엔진으로 배치되었다.[5][6] 이 때, 한 개의 크랭크축은 비선형성을 갖는 토글 접합 연계를 통해 반대되는 두 개의 피스톤에 연결되었다. 반 회전 동안 한 개의 피스톤은 다른 피스톤이 접근하여 되돌아오는 동안 거의 정지해 있다가 다음 반 회전 동안 두 번째 피스톤은 거의 정지해 있었다. 돌아온

따라서 각 회전마다 한 피스톤은 압축 행정과 파워 스트로크를 제공했고, 다른 피스톤은 배기 스트로크와 충전 스트로크를 제공했다. 배기가스 및 충전 중 파워 피스톤이 계속 빠짐에 따라 압축 행정 및 파워 스트로크 중에 덮인 포트 뒤의 밸브를 사용하여 배기 및 충전을 제공하는 것이 실용적이었으며, 따라서 밸브는 고압에 저항할 필요가 없었고 많은 증기 엔진 또는 심지어 리드 밸브에서 사용되는 보다 단순한 종류가 될 수 있었다.

  • 앳킨슨 "차동엔진" 특허도면, 1882년

  • 앳킨슨 디퍼렌셜 엔진 애니메이션, 1882년

앳킨슨 "사이클 엔진"

1887년 앳킨슨에 의해 설계된 다음 엔진은 "사이클 엔진"으로 명명되었다. 이 엔진은 포핏 밸브, 캠, 오버센터 암을 사용하여 크랭크축의 회전마다 4개의 피스톤 스트로크를 생산했다. 섭취 및 압축 행정은 팽창 및 배기 행정보다 현저하게 짧았다.

"사이클" 엔진은 영국 엔진 회사에 의해 몇 년 동안 생산되고 판매되었다. 앳킨슨은 다른 제조업체에도 생산을 허가했다. 사이즈는 몇 마력에서 100마력까지 다양했다.

  • 미국 특허 367496, 1887에 표시된 앳킨슨 가스 엔진

  • 1887년 앳킨슨 "사이클 엔진" 애니메이션

앳킨슨 "Utilite 엔진"

앳킨슨 유틸리티이트 엔진
앳킨슨의 Utilite 엔진 1892

앳킨슨의 세 번째 디자인은 "Utilite Engine"[7]으로 명명되었다. 앳킨슨의 '사이클' 엔진은 효율적이었지만 고속운전을 위해 연결 고리가 균형을 잡기 어려웠다. 앳킨슨은 자신의 사이클을 고속 엔진으로 더 적용할 수 있도록 하기 위해 개선이 필요하다는 것을 깨달았다.

앳킨슨은 이 새로운 설계로 연동을 없애고 600rpm의 속도로 작동하며 매 회전 동력을 생산할 수 있는 보다 전통적인 균형 잡힌 엔진을 만들 수 있었지만, 비례적으로 짧은 압축 스트로크와 긴 확장 스트로크를 가진 "사이클 엔진"의 모든 효율을 보존했다.. Utilite는 배기가스 포트가 스트로크 중간 정도에 위치한다는 점을 제외하면 표준 2행정처럼 작동한다.

팽창/파워 스트로크 중에 캠 작동 밸브(피스톤이 스트로크 끝에 가까워질 때까지 닫힌 상태로 유지됨)는 피스톤이 배기 포트를 지나 이동할 때 압력이 빠져나가는 것을 방지한다. 배기 밸브는 스트로크 하단 근처에 개방되어 있다. 피스톤이 압축을 향해 되돌아갈 때 개방 상태를 유지하며, 피스톤에 의해 포트가 덮일 때까지 실린더와 배기가스를 외부 공기로 충전하게 한다.

배기 포트가 덮인 후 피스톤은 실린더에 남아 있는 공기를 압축하기 시작한다. 소형 피스톤 연료 펌프는 압축 중에 액체를 주입한다. 점화원은 앳킨슨의 다른 엔진에서와 마찬가지로 열 튜브일 가능성이 높다. 이 설계는 압축이 짧고 확장 스트로크가 긴 2행정 엔진을 만들었다.

Utilite 엔진은 앳킨슨의 이전 "차동" 및 "주기" 설계보다 훨씬 더 효율적인 것으로 테스트되었다. 극히 소수만이 생산되었고, 생존한 사람은 아무도 없는 것으로 알려져 있다. 영국의 특허는 1892년, #2492년부터이다. Utilite 엔진에 대한 미국 특허는 알려져 있지 않다.

이상적인 열역학 사이클

그림 1: 앳킨슨 가스 사이클

이상적인 앳킨슨 사이클은 다음과 같이 구성된다.

현대적인 앳킨슨 사이클 엔진

피스톤과 플라이휠 사이에 앳킨슨 스타일의 연결이 있는 소형 엔진. 현대적인 앳킨슨 사이클 엔진은 이 복잡한 에너지 경로를 없앤다.

20세기 후반에는 "앳킨슨 사이클"이라는 용어가 사용되기 시작했는데, 이 엔진은 흡기 밸브가 정상보다 오래 개방되어 흡기 매니폴드로 유입되는 역류를 허용하는 변형된 오토 사이클 엔진이다. 이 "시뮬레이션된" 앳킨슨 사이클은 초기 프리우스 엔진의 도요타 1NZ-FXE 엔진에서 가장 두드러지게 사용된다.

유효 압축비는 감소되지만(공기가 압축되지 않고 실린더에서 자유롭게 빠져나가는 시간 동안) 팽창비는 변하지 않는다(즉, 압축비가 팽창비보다 작다). 현대적인 앳킨슨 사이클의 목표는 동력 행정 끝에서 연소실의 압력을 대기압과 동일하게 만드는 것이다. 이 경우 연소 과정에서 사용 가능한 모든 에너지를 얻는다. 공기의 특정 부분에 대해 팽창비가 클수록 더 많은 에너지가 열에서 유용한 기계적 에너지로 변환된다. 즉, 엔진이 더 효율적이라는 뜻이다.

4행정 앳킨슨 사이클 엔진과 더 일반적인 오토 사이클 엔진의 단점은 출력 밀도 감소다. 압축 스트로크의 작은 부분이 흡기구 압축에 사용되기 때문에 앳킨슨 사이클 엔진은 유사한 크기의 오토 사이클 엔진만큼 많은 공기를 흡수하지 않는다. 동일한 유형의 흡기 밸브 모션을 사용하지만 강제 유도를 사용하여 출력 밀도 손실을 보충하는 이러한 유형의 4행정 엔진은 밀러 사이클 엔진으로 알려져 있다.

로터리 앳킨슨 사이클 엔진

로터리 앳킨슨 사이클 엔진

앳킨슨 사이클은 로터리 엔진에서 사용할 수 있다. 이 구성에서는 오토 사이클과 비교할 때 전력과 효율의 증가를 모두 달성할 수 있다. 이러한 유형의 엔진은 원래 앳킨슨 사이클의 서로 다른 압축 및 확장 볼륨과 함께 회전당 하나의 동력 위상을 유지한다.

배기 가스는 압축 공기 청소로 엔진에서 배출된다. 앳킨슨 사이클의 이러한 변경은 디젤과 수소 같은 대체 연료를 사용할 수 있게 한다.

이 설계의 단점으로는 로터 팁이 외부 주택 벽에 매우 단단하게 밀봉되어야 한다는 요건과 불규칙한 형태의 급속 진동 부분들 사이의 마찰로 인해 발생하는 기계적 손실이 포함된다. 자세한 내용은 아래 외부 링크를 참조하십시오.

헤라클레스 W-2000 오토바이의 삭스 KC-27 완켈 엔진은 앳킨슨 사이클을 사용했다. 우울증 캡슐은 들어오는 전하를 위한 2차 경로를 연다.[citation needed]

앳킨슨 사이클 엔진을 사용하는 차량

현대 아이오닉 하이브리드
2010년 포드 퓨전 하이브리드(북미)

앳킨슨 사이클을 이용한 오토 사이클 피스톤 엔진의 개조는 연료 효율이 좋으나, 기존의 4행정 엔진에 비해 배전당 출력이 더 낮다.[8] 더 많은 전력에 대한 수요가 간헐적으로 발생하면 더 많은 전력이 필요한 시간대에 전기 모터로 엔진의 전력을 보충할 수 있다. 이것은 앳킨슨 사이클 기반 하이브리드 전기 구동렬의 기초를 형성한다. 이러한 전기 모터는 앳킨슨 사이클 엔진과 독립적으로 또는 앳킨슨 사이클 엔진과 조합하여 사용할 수 있어 원하는 동력을 생산하는 가장 효율적인 수단을 제공할 수 있다. 이 드라이브트레인은 1997년 말 1세대 도요타 프리우스에서 처음 생산에 들어갔다.

2018년 7월 현재 많은 생산 하이브리드 차량 드라이브트레인은 앳킨슨 사이클 개념을 사용한다. 예를 들어, 다음과 같다.

특허

1887년 특허(US 367496)는 크랭크축의 1회전 이내에 가스 엔진에 대해 4행정 사이클의 4행정 모두를 획득하는 데 필요한 기계적 연동을 기술하고 있다.[1] 1886년 앳킨슨 특허(US 336505)에 대한 언급도 있는데, 이 특허는 반대편인 가스엔진을 기술하고 있다.[6] 'Utilite'의 영국 특허는 1892년(#2492년)부터이다.

참고 항목

참조

  1. ^ Jump up to: a b US 367496, J. 앳킨슨 "가스엔진" 1887-08-02 발행
  2. ^ 미국 특허 2,817,322
  3. ^ Donkin, Brian (1896). A text-book on gas, oil and air engines: or, Internal combustion motors without boiler. C. Griffin and company, limited. p. 152.
  4. ^ "Auto Tech: Atkinson Cycle engines and Hybrids". Autos.ca. 2010-07-14. Retrieved 2013-02-23.
  5. ^ Gingery, Vincent (2000). Building the Atkinson Differential Engine. David J. Gingery Publishing, LLC. ISBN 1878087231.
  6. ^ Jump up to: a b US 336505, J. 앳킨슨 "가스엔진" 1886-02-16 발행
  7. ^ Clerk, Dugald (1913). The gas, petrol, and oil engine, Volume 2. J. Wiley. p. 210.
  8. ^ 헤이우드, 존 B. 내연기관 기본 원리, 페이지 184-186.
  9. ^ Torchinsky, Jason (2021-06-08). "2022 Ford Maverick Is A $20,000 Hybrid". Jalopnik. US. Retrieved 2021-06-09.
  10. ^ Gauthier, Michael (2013-01-21). "Honda Accord Plug-in Hybrid earns the title for being the most fuel-efficient sedan in America". worldcarfans.com. Retrieved 2013-01-22.
  11. ^ "2018 Honda Clarity Plug-in Hybrid". www.honda.ca. Archived from the original on 2018-01-26. Retrieved 2018-01-25.
  12. ^ "2018 Honda Insight Hybrid". www.honda.ca. Retrieved 2018-07-14.
  13. ^ "2016 Lexus IS – Performance". US: Lexus. Retrieved 2016-08-09.
  14. ^ "2019 Outlander PHEV". US: Mitsubishi. Retrieved 2018-02-23.
  15. ^ Edmunds, Dan (2010-09-24). "2011 Toyota Highlander Hybrid Road Test". Edmunds.com. Retrieved 2012-07-04.

외부 링크