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Der Atkinson-Zyklus ist eine besondere Ventilsteuerung, bei der die Einlassventile spät schließen und dadurch der Verdichtungstakt nicht am unteren Totpunkt des Kolbens, sondern erst später beginnt.
Bei einem normalen Otto-Zyklus 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 wird, durch die intelligente Steuerung des Öffnungs- und Schließzeitpunktes des Einlassventils, der Beginn des Kompressionstaktes optimal an die Betriebsbedingungen des Motors angepasst. Durch das noch geöffnete Einlassventil strömt ein Teil der Zylinderfüllung wieder heraus. Die Verdichtung setzt erst ein, wenn das Einlassventil schließt.
Man kann 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.

Im Gegensatz zum Otto-Zyklus, kann das Kompressions- und Expansionsverhältnis unterschiedliche Werte annehmen. Während das Kompressionsverhältnis technischen Begrenzungen unterliegt, wird für eine optimale Verbrennung ein möglichst großes Expansionsverhältnis angestrebt. Das Expansionsverhältnis beträgt beim Atkinson-Zyklus etwa 14:1, während bei der Verdichtung nur ein Verhältnis von etwa 7:1 wirksam wird.

Aus diesen Gründen erfolgt beim Atkinson-Zyklus eine höhere Ausnutzung der Verbrennungsenergie und somit eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemissionen.