Ero sivun ”Atkinson-työkierto” versioiden välillä
Siirry navigaatioon
Siirry hakuun
p |
|||
| Rivi 1: | Rivi 1: | ||
| − | '''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.<ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Chongming Wang, Ritchie Daniel, Hongming Xu | Osoite = https://pureportal.coventry.ac.uk/en/publications/research-of-the-atkinson-cycle-in-the-spark-ignition-engine | + | '''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. <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Chongming Wang, Ritchie Daniel, Hongming Xu | Osoite = https://pureportal.coventry.ac.uk/en/publications/research-of-the-atkinson-cycle-in-the-spark-ignition-engine |
| Nimeke = Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Coventry University | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 16.4.2012 | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | | Nimeke = Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Coventry University | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 16.4.2012 | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
| − | Miller-työkierrossa imuventtiilin ajoitusta säädetään siten, että tehokas puristusvaihe lyhenee, mutta laajennusvaihe pysyy vielä pidempänä. Tätä kompensoidaan [[Ahdin|ahtimella]], jotta tehonmenetys ei olisi liian suuri.<ref name="s2"/> | + | Miller-työkierrossa imuventtiilin ajoitusta säädetään siten, että tehokas puristusvaihe lyhenee, mutta laajennusvaihe pysyy vielä pidempänä. Tätä kompensoidaan [[Ahdin|ahtimella]], jotta tehonmenetys ei olisi liian suuri. <ref name="s2"/> |
== Historia == | == Historia == | ||
| + | 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. <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Staff | Osoite = https://www.gasenginemagazine.com/gas-engines/atkinson-cycle-engine-zmtz15djzkel/| Nimeke = Two Equals Four: The Atkinson Cycle Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Gas Engine Magazine | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 4.11.2014| archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
| + | Tämän ratkaisun tarkoituksena oli kiertää aikansa patentteja, mutta samalla tarjota suurempi laajennussuhde, mikä riittää parantamaan hyötysuhdetta <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.sciencepub.net/american/0505/bak/am0602/03_1024_Ebrahimi_JAS_am0602_01.pdf| Nimeke = The Atkinson Cycle… (Journal of American Science) | Tiedostomuoto = PDF | Selite = | Julkaisija = Marsland Press | Julkaisu = 2010;6(2) | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. | ||
| − | + | Ralph Miller patentoi oman moottorinsa työkierron paljon myöhemmin, vasta vuonna 1957. Patentissa sitä kuvattiin suomennettuna "uudeksi ja parannetuksi tavaksi operoida ahdettua, väliahdettua moottoria". <ref name="s3">{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.curbsideclassic.com/blog/the-atkinson-and-miller-cycle-engines-not-exactly-how-they-started-out-to-be/ | |
| − | |||
| − | |||
| − | Ralph Miller patentoi oman moottorinsa työkierron paljon myöhemmin, vasta vuonna 1957. Patentissa sitä kuvattiin suomennettuna "uudeksi ja parannetuksi tavaksi operoida ahdettua, väliahdettua moottoria".<ref name="s3">{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.curbsideclassic.com/blog/the-atkinson-and-miller-cycle-engines-not-exactly-how-they-started-out-to-be/ | ||
| Nimeke = The Atkinson (And Miller Cycle) Engines – Not Exactly What They Started Out to Be | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = CurbsideClassic | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | | Nimeke = The Atkinson (And Miller Cycle) Engines – Not Exactly What They Started Out to Be | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = CurbsideClassic | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
== Teoreettinen periaate == | == Teoreettinen periaate == | ||
| + | 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. <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Mohammad Hossein Ahmadi, Mohammad Hossein Ahmadi | Osoite = https://academic.oup.com/ijlct/article/11/3/317/2198724| Nimeke = Thermodynamic analysis and optimization of the Atkinson engine by using NSGA-II | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = International Journal of Low-Carbon Technologies | Julkaisu = Vol 11, Issue 3 (Sep 2016) | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
| + | Tämän seurauksena termodynaaminen hyötysuhde voi nousta, mutta tehontuotto (tehopisteessä) voi jäädä pienemmäksi kuin vastaavassa geometrisessa puristuksella ja laajennuksella toimivassa kierrossa <ref name="s1">{{Verkkoviite | Tekijä = Qingyu Niu, Baigang Sun, Dongsheng Zhang, Qinghe Luo | Osoite = https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016236120300053| Nimeke = Research on performance optimization and fuel-saving mechanism of an Atkinson cycle gasoline engine at low speed and part load | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Sciencedirect| Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 1.1.2020| archiveurl = | archivedate = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. | ||
| − | + | Modernissa Atkinson-työkiertoa käyttävissä moottoreissa ei yleensä käytetä erilaista kampi-akselia. Sen sijaan käytetään usein [[Venttiilin ajoitus|muuttuvaa venttiilien ajoitusta]] - esimerkiksi imuventtiilin sulkeminen myöhästyy, jolloin osa imuilmasta palaa takaisin imusarjaan puristusvaiheen alussa. <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.autodeal.com.ph/articles/car-features/what-atkinson-cycle-engine-and-why-it-fuel-efficient | |
| − | |||
| − | |||
| − | Modernissa Atkinson-työkiertoa käyttävissä moottoreissa ei yleensä käytetä erilaista kampi-akselia. Sen sijaan käytetään usein [[Venttiilin ajoitus|muuttuvaa venttiilien ajoitusta]] - esimerkiksi imuventtiilin sulkeminen myöhästyy, jolloin osa imuilmasta palaa takaisin imusarjaan puristusvaiheen alussa.<ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.autodeal.com.ph/articles/car-features/what-atkinson-cycle-engine-and-why-it-fuel-efficient | ||
| Nimeke = What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Autodeal | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | | Nimeke = What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Autodeal | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
| − | Atkinson-työkierto on ollut erityisen suosittu hybridiautoissa, joissa polttomoottorin tehoja voidaan kompensoida [[sähkömoottori]]lla | + | Atkinson-työkierto on ollut erityisen suosittu hybridiautoissa, joissa polttomoottorin tehoja voidaan kompensoida [[sähkömoottori]]lla <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://pureportal.coventry.ac.uk/en/publications/research-of-the-atkinson-cycle-in-the-spark-ignition-engine |
| − | | Nimeke = Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Coventry University | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 1.1.2012| archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> Tutkimuksien mukaan pienikokoiset Atkinson-moottorit voivat saavuttaa jopa noin 50% hyötysuhteen | + | | Nimeke = Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Coventry University | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 1.1.2012| archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. Tutkimuksien mukaan pienikokoiset Atkinson-moottorit voivat saavuttaa jopa noin 50% hyötysuhteen <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Pertl P., Trattner A., Stelzl R., Lang M. et al. | Osoite = https://www.sae.org/papers/expansion-higher-efficiency-experimental-investigations-atkinson-cycle-small-combustion-engines-2015-32-0809| Nimeke = Expansion to Higher Efficiency – Experimental Investigations of the Atkinson Cycle in Small Combustion Engines | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = SAE International | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 1.1.2015| Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. |
| − | Miller-kierto voi käyttää joko aikasta imuventtiilin sulkeutumista (early intake valve closing, EIVC) tai myöhäistä sulkeutumista (late intake valve closing, LIVC) moottorin kuormitustason mukaan | + | Miller-kierto voi käyttää joko aikasta imuventtiilin sulkeutumista (early intake valve closing, EIVC) tai myöhäistä sulkeutumista (late intake valve closing, LIVC) moottorin kuormitustason mukaan <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Jiangtao Xu ym. | Osoite = https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10454974/| Nimeke = Numerical investigation of Miller cycle with EIVC and LIVC on a high compression ratio gasoline engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Sci Prog | Julkaisu = 2021 | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. |
| − | Lisäksi Miller-työkierrossa käytetään turboahdinta tai mekaanista ahdinta, joka korvaa puristusvaiheen "hukkaa" eli tehopuutetta | + | Lisäksi Miller-työkierrossa käytetään turboahdinta tai mekaanista ahdinta, joka korvaa puristusvaiheen "hukkaa" eli tehopuutetta <ref name="s2">{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://dieselnet.com/tech/engine_miller-cycle.php |
| − | | Nimeke = Miller Cycle Engines | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = DieselNet | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> Miller-kierron myöhäistä sulkeutumista käyttävissä moottoreissa ainoa periaatteelinen ero Atkinson-työkiertoa käyttäviin moottoreihin on siis ahtaminen. | + | | Nimeke = Miller Cycle Engines | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = DieselNet | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. Miller-kierron myöhäistä sulkeutumista käyttävissä moottoreissa ainoa periaatteelinen ero Atkinson-työkiertoa käyttäviin moottoreihin on siis ahtaminen. |
== Sovellukset == | == Sovellukset == | ||
| − | + | 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 GMT900|Cadillac Escalade HEV]] 6.0 V8 -moottorissa. <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.kasssmash.com.au/2009-cadillac-escalade-platinum/| Nimeke = 2009 Cadillac Escalade Platinum Hybrid| Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Kasssmash| Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | |
| − | 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 GMT900|Cadillac Escalade HEV]] 6.0 V8 -moottorissa.<ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.kasssmash.com.au/2009-cadillac-escalade-platinum/| Nimeke = 2009 Cadillac Escalade Platinum Hybrid| Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Kasssmash| Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref> | ||
== Edut ja haitat == | == Edut ja haitat == | ||
| − | {|border=1 cellpadding=2 cellspacing=0 width= | + | {|border=1 cellpadding=2 cellspacing=0 width=1000px style="border: 1px #aaaaaa solid; border-collapse: collapse; text-align:center; font-size:90%; background: #f9f9f9" |
| − | !align="left"| | + | !align="left"| !!Atkinson-työkierto!!Miller-työkierto |
| − | ! Atkinson-työkierto | + | |- bgcolor=#ffffff |
| − | ! Miller-työkierto | + | |align="left"|'''Perusperiaate'''||Puristusvaihe lyhennetään erilaisella kampiakselilla tai venttiilien ajoituksella siten, että laajennusvaihe on pidempi. Tämä parantaa lämpöhyötysuhdetta hyödyntämällä palamisen energiaa tehokkaammin. <ref name="s1"/>||Puristusvaihe lyhennetään säätämällä imuventtiilin ajoitusta (EIVC tai LIVC). Usein käytetään ahtamista kompensoimaan tehonmenetys. <ref name="s2"/> |
| − | |- | + | |- bgcolor=#ffffff |
| − | + | |align="left"|'''Edut'''||Korkein hyötysuhde ja alhaisempi polttoaineenkulutus <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://academic.oup.com/ijlct/article/11/3/317/2198724| Nimeke = Thermodynamic analysis and optimization of the Atkinson engine by using NSGA-II | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = International Journal of Low-Carbon Technologies | Julkaisu = Vol 11, Issue 3 (Sep 2016) | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. | |
| − | | Puristusvaihe lyhennetään erilaisella kampiakselilla tai venttiilien ajoituksella siten, että laajennusvaihe on pidempi. Tämä parantaa lämpöhyötysuhdetta hyödyntämällä palamisen energiaa tehokkaammin.<ref name="s1"/> | ||
| − | | Puristusvaihe lyhennetään säätämällä imuventtiilin ajoitusta (EIVC tai LIVC). Usein käytetään ahtamista kompensoimaan tehonmenetys.<ref name="s2"/> | ||
| − | |- | ||
| − | |||
| − | | Korkein hyötysuhde ja alhaisempi polttoaineenkulutus | ||
| − | Sopii hyvin käyttötilanteisiin, joissa tehovaatimus ei ole yhtä korkea, kuten hybridiautoihin | + | Sopii hyvin käyttötilanteisiin, joissa tehovaatimus ei ole yhtä korkea, kuten hybridiautoihin <ref name="s1"/>. |
| − | Vähemmän lämpöhäviöitä ja päästöjä | + | Vähemmän lämpöhäviöitä ja päästöjä <ref name="s1"/>. |
| − | Hyödyntää palamisen energiaa tehokkaammin laajennusvaiheessa | + | Hyödyntää palamisen energiaa tehokkaammin laajennusvaiheessa <ref name="s1"/>. |
| − | | Parempi hyötysuhde kuin Otto-kierrossa | + | |Parempi hyötysuhde kuin Otto-kierrossa <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = R. Mikalsen, Y.D. Wang, A.P. Roskilly | Osoite = https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261908002456| Nimeke = A comparison of Miller and Otto cycle natural gas engines for small scale CHP applications| Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Sciencedirect | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = 1.6.2009| archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. |
| − | Korkeampi teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta, mutta kuitenkin ottomoottoria vähemmän | + | Korkeampi teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta, mutta kuitenkin ottomoottoria vähemmän <ref name="s2"/>. |
| − | Pienimmät NOₓ-päästöt ja alhaisempi puristuslämpötila | + | Pienimmät NOₓ-päästöt ja alhaisempi puristuslämpötila <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.mdpi.com/1996-1073/16/5/2488 | Nimeke = Application of Miller Cycle and Net-Zero Fuel(s) to Diesel Engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = MDPI | Julkaisu = 2023 | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 27.12.2024}}</ref>. |
| − | Mahdollistaa korkean puristussuhteen ilman nakutusta | + | Mahdollistaa korkean puristussuhteen ilman nakutusta <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Jiangtao Xu ym. | Osoite = https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10454974/ | Nimeke = Numerical investigation of Miller cycle with EIVC and LIVC on a high compression ratio gasoline engine | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Sci Prog | Julkaisu = 2021 | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 27.12.2024}}</ref>. |
| − | |- | + | |- bgcolor=#ffffff |
| − | + | |align="left"|'''Haitat'''||Heikoin teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = | Osoite = https://www.autodeal.com.ph/articles/car-features/what-atkinson-cycle-engine-and-why-it-fuel-efficient| Nimeke = What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Autodeal | Julkaisu = | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. | |
| − | | Heikoin teho ja vääntö samasta iskutilavuudesta | ||
| − | Vaatii moottorin suunnittelun optimointia, kuten imuventtiilien ajoittamista tai erikoisia kampiakseliratkaisuja | + | Vaatii moottorin suunnittelun optimointia, kuten imuventtiilien ajoittamista tai erikoisia kampiakseliratkaisuja <ref>{{Verkkoviite | Tekijä = Zhao Jinxing, Xu Min, Li Mian, Wang Bin, Liu Shuangzhai | Osoite = https://ideas.repec.org/a/eee/appene/v92y2012icp492-502.html| Nimeke = Design and optimization of an Atkinson cycle engine with the Artificial Neural Network Method | Tiedostomuoto = | Selite = | Julkaisija = Elsevier – Applied Energy | Julkaisu = v92 (2012) pp492-502 | Julkaisupaikka = | Ajankohta = | archiveurl = | archivedate = | Lainaus = | Viitattu = 26.10.2025}}</ref>. |
| − | | Monimutkaisempi venttiiliajoitus (EIVC/LIVC) | + | |Monimutkaisempi venttiiliajoitus (EIVC/LIVC) <ref name="s2"/>. |
| − | Tarvitsee ahtimen tehopuutteen kompensoimiseksi | + | Tarvitsee ahtimen tehopuutteen kompensoimiseksi <ref name="s3"/>. |
| − | Lisää moottorin kustannuksia ja säätövaatimuksia | + | Lisää moottorin kustannuksia ja säätövaatimuksia <ref name="s2"/>. |
|} | |} | ||
Versio 28. lokakuuta 2025 kello 03.50
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]
Sisällysluettelo
Historia
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
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
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
| 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
- ↑ 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.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Miller Cycle Engines – DieselNet, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ Staff: Two Equals Four: The Atkinson Cycle Engine – Gas Engine Magazine, 4. marraskuu 2014. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ The Atkinson Cycle… (Journal of American Science) (PDF) – Marsland Press, 2010;6(2), Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ 5,0 5,1 The Atkinson (And Miller Cycle) Engines – Not Exactly What They Started Out to Be – CurbsideClassic, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ 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.
- ↑ 7,0 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.
- ↑ What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? – Autodeal, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ Research of the Atkinson Cycle in the Spark Ignition Engine – Coventry University, 1. tammikuu 2012. Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 2009 Cadillac Escalade Platinum Hybrid – Kasssmash, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ Application of Miller Cycle and Net-Zero Fuel(s) to Diesel Engine – MDPI, 2023, Viitattu: 27. joulukuu 2024.
- ↑ 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.
- ↑ What is an Atkinson cycle engine and why is it fuel efficient? – Autodeal, Viitattu: 26. lokakuu 2025.
- ↑ 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.
