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Atkinson-Motor

Definition: ein modifizierter Ottomotor mit höherem Wirkungsgrad

Englisch: Atkinson engine

Kategorien: Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 25.10.2014; letzte Änderung: 03.11.2018

Ein Atkinson-Motor ist ein Verbrennungsmotor, der im Wesentlichen nach dem Prinzip des Ottomotors funktioniert, aber gewisse Veränderungen aufweist, die einen höheren Wirkungsgrad (also eine höhere Energieeffizienz) ermöglichen. Die Bezeichnung Atkinson-Motor wird allerdings für recht unterschiedliche Varianten von Motoren angewandt, und die Geschichte dieser Entwicklungen ist recht kompliziert.

Das grundsätzliche Problem, welches mit dem Atkinson-Prinzip vermindert werden soll, ist die relativ hohe Abgastemperatur von Ottomotoren aufgrund einer unvollständigen Expansion in den Zylindern. Dies zeigt an, dass die Energie des Kraftstoffs nicht so vollständig genutzt werden kann, wie es theoretisch möglich wäre. Im Idealfall würde die Expansion so weit erfolgen, bis der Druck kaum mehr über dem Atmosphärendruck läge; die Abgastemperatur wäre dann auch deutlich niedriger. Dies ist jedoch bei einem Ottomotor nicht realisierbar, da ein hohes Expansionsverhältnis im Arbeitstakt auch ein hohes Verdichtungsverhältnis beim Verdichtungstakt zur Folge hätte und dies zum sogenannten Klopfen des Motors führen würde.

Ursprünglicher Ansatz von James Atkinson

Im Jahr 1882 erfand der Brite James Atkinson einen Verbrennungsmotor, der einen wesentlich anderen Aufbau hatte als der bereits bekannte Ottomotor (wobei sein Patent auch auf Dieselmotoren anwendbar sein soll). Es war zwar ebenfalls ein Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, homogenem Gemisch und Fremdzündung, aber die Arbeitskolben wurden hier über eine deutlich kompliziertere Mechanik mit der Kurbelwelle verbunden, als es sonst üblich ist [1]. Diese Mechanik machte es möglich, dass alle vier Takte des Motors innerhalb nur einer Kurbelwellenumdrehung absolviert wurden, obwohl dies zwei Auf- und Abbewegungen des Kolbens erfordert. Hierbei waren die Endpunkte (Totpunkte) der Kolbenbewegung für die beiden Auf- und Abbewegungen unterschiedlich. Auf diese Weise wurde es möglich, dass das Expansionsverhältnis beim Arbeitstakt größer war als das Verdichtungsverhältnis beim Verdichtungstakt. Damit wurde ein wichtiger Nachteil des Ottomotors beseitigt, bei dem das Verdichtungsverhältnis dem Expansionsverhältnis konstruktionsbedingt entspricht. Ein großes Expansionsverhältnis ist wünschenswert für eine effiziente Energieumsetzung, während aber das Verdichtungsverhältnis nicht allzu groß sein darf, um das Phänomen des Klopfens (Folge einer Selbstentzündung des Gemischs) zu verhindern.

Obwohl diese Art von Motor tatsächlich einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht, hat sich diese Bauweise in der Praxis nie durchsetzen können, wohl wegen der komplizierten Mechanik.

Ansatz von Ralph Miller

In der 1940er Jahren arbeitete der Amerikaner Ralph Miller an einem neuen Konzept für einen mit Kompressor oder Turbolader ausgestatteten modifizierten Ottomotor. Anders als Atkinson verwendete er die konventionelle Mechanik als Verbindung zwischen Kolben und Kurbelwelle. Dafür beeinflusste er die Verdichtung mithilfe eines raffinierten Mechanismus, dessen Kernstück ein spezielles Ventil war. Im Kern ging es darum, die effektive Verdichtung dadurch zu reduzieren, dass der Raum über dem Zylinder früher als sonst üblich geschlossen wurde, so dass weniger Luft angesaugt wird. (Dasselbe Ziel wird beim ursprünglichen Ansatz von Atkinson durch ein späteres Schließen des Einlassventils erreicht; ein Teil der angesaugten Luft kann dadurch wieder ausgestoßen werden.) Hierdurch wurde die angesaugte Menge des Kraftstoff-Luft-Gemischs reduziert und damit das Klopfen verhindert. Gleichzeitig wurde ein hohes Expansionsverhältnis realisiert, was der Energieeffizienz zugute kam.

Es wirkt zunächst widersinnig, einerseits die Füllung des Zylinders durch die genannte Ventilsteuerung zu vermindern, andererseits aber einen Kompressor oder Turbolader einzusetzen, der ja den gegenteiligen Zweck hat. Dieser scheinbare Widerspruch löst sich auf bei Betrachtung der Temperatur, die das Gemisch nach der Verdichtung erreicht. Wenn nämlich ein Turbolader (oder Kompressor) mit einem Ladeluftkühler ausgestattet wird, kann die erwähnte Temperatur deutlich niedriger ausfallen, als wenn die gleiche Menge des Gemischs bei niedrigem Druck zugeführt und im Zylinder komprimiert würde. Also lässt sich mit Turbolader und Ladeluftkühler mehr Gemisch zuführen, bevor man die Klopfgrenze erreicht.

Das genannte Ventil sollte so gesteuert werden, dass die Verdichtung vor allem dann reduziert wird, wenn ein hoher Ladedruck zur Verfügung steht.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Drosselverluste im Teillastbetrieb durch die genannte Art der Ventilsteuerung reduziert werden. Die Drosselklappe kann relativ weit offen bleiben, da die Menge des Gemischs durch das teilweise Wiederausstoßen in der Kompressionsphase reduziert werden kann.

Motoren nach dem Prinzip von Miller wurden zunächst in Schiffen und für stationäre Anwendungen verwendet, teils auch in Lokomotiven. In einigen wenigen Automodellen von Mazda und Subaru kamen ebenfalls solche Motoren zum Einsatz.

Heutige Atkinson-Motoren

Heute werden bei verschiedenen Automarken (Toyota, Lexus, Honda, Ford, Mazda, Mercedes) Motoren eingesetzt, die deren Hersteller als Atkinson-Motoren bezeichnen (ohne dies aber in der Werbung besonders zu betonen). Die Bauart entspricht allerdings keineswegs der, die James Atkinson entwickelt hatte (siehe oben), sondern eher der von Ralph Miller (ebenfalls siehe oben). Es kommt weiterhin eine konventioneller Kurbeltrieb zum Einsatz, und es wird ähnlich wie bei Miller die effektive Verdichtung des Gemischs durch eine variable Ventilsteuerung beeinflusst. Anders als bei Miller kommt aber kein zusätzliches Ventil zum Einsatz, sondern es wird das Einlassventil später als üblich geschlossen. Dies bewirkt, dass nach dem Ansaugen des Gemischs ein Teil davon wieder durch das Einlassventil zurück gedrückt wird, bevor dieses schließt und die Kompression beginnen kann. Wiederum wird damit die Füllung des Zylinders vermindert und das Klopfen vermieden, während ein hohes Expansionsverhältnis einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Auf die Turboaufladung wie bei Miller wird allerdings verzichtet. Dies führt dazu, dass die maximale Leistung solcher Motoren bei gleichem Hubraum etwas geringer ausfällt als bei Miller-Motoren und auch bei konventionellen Ottomotoren.

Man erkennt, dass diese sogenannten Atkinson-Motoren ein zentrales Ziel des ursprünglichen Atkinson-Motors (ein Expansionsverhältnis, welches größer ist als das Verdichtungsverhältnis) erreichen, allerdings auf technisch völlig anderem Weg. Sie nutzen quasi nur das grundlegende Atkinson-Prinzip, dass das Expansionsverhältnis größer als das effektive Verdichtungsverhältnis sein soll.

Übrigens sprechen manche hier auch vom Fünftaktmotor, da der Takt, in dem sonst die Kompression des Gemischs erfolgt, quasi in zwei Takte aufgeteilt wird: teilweiser Ausstoß und Kompression. (Der Begriff Fünftaktmotor wird sonst allerdings auch für gänzlich andere Motoren verwendet.)

Solche Motoren werden heute in diversen Fahrzeugen eingesetzt, und zwar vor allem in solchen mit Hybridantrieb. Dies liegt daran, dass ein gewisser Verlust an Leistung (gerade auch bei niedrigeren Drehzahlen) dort durch den zusätzlichen Elektromotor ausgeglichen werden kann, und dass die stufenlose Automatik stets ein günstiges Drehzahlniveau wählen kann. (In der Tat merkt man, dass der Bordcomputer das Drehzahlniveau beim Gasgeben rasch anhebt.) Ebenfalls könnte eine Rolle spielen, dass die Käufer von Hybridfahrzeugen mit mehr Nachdruck einen sehr niedrigen Kraftstoffverbrauch verlangen als die Käufer konventionell angetriebener Fahrzeuge.

Der maximale Wirkungsgrad eines modernen Atkinson-Motors kann in einem weiten Drehzahlbereich oberhalb von 35 % liegen. Beispielsweise erreicht der Verbrennungsmotor im Toyota Prius (Modell IV, seit 2016) bis zu ca. 40 %. Dies ist deutlich höher als bei konventionellen Benzinmotoren, die meist kaum 35 % erreichen, und fast so hoch wie bei den besten Dieselmotoren. Man beachte, dass diese Werte für den jeweils optimalen Betriebspunkt gelten; im typischen Fahrzeugeinsatz liegen die Wirkungsgrade wesentlich tiefer. Jedoch ist dieser Abfall beim Atkinson-Motor wegen der reduzierten Drosselverluste tendenziell schwächer. Deswegen ist die Verbesserung der Effizienz in der Praxis noch höher, als man es vom Vergleich der Maximalwirkungsgrad her erwarten würde. Wenn ein solcher Motor Teil eines Hybridantriebs ist, steigt der durchschnittliche Wirkungsgrad nochmals, weil mithilfe der Elektromaschine eine “Lastverschiebung” in Richtung des optimalen Bereichs realisiert werden kann.

Einfluss auf die Abgasqualität

Der verminderte Kraftstoffverbrauch eines Atkinson-Motors bewirkt zunächst einmal unmittelbar eine Reduktion der klimaschädlichen CO2-Emissionen. Außerdem gibt es aber auch Einflüsse auf die Erzeugung giftiger Schadstoffe:

  • Vor allem die reduzierte Abgastemperatur bedeutet, dass auf eine sogenannte Volllastanreicherung ganz oder weitestgehend verzichtet werden kann. Da eine solche die Abgasqualität stark beeinträchtigen könnte, ist dies ein großer Vorteil.
  • Problematisch ist, dass die niedrige Abgastemperatur dazu führen könnte, dass der Abgaskatalysator nach dem Kaltstart entsprechend länger benötigt, eine für seine Wirksamkeit ausreichende Temperatur zu erreichen. Dies hätte erhöhte Schadstoffemissionen in der Warmlaufphase zur Folge. Dieser Effekt lässt sich allerdings vermeiden, indem der Katalysator näher am Motor platziert wird. Außerdem kann in der Warmlaufphase die Abgastemperatur gezielt erhöht werden, etwa indem eine größere Menge von Kraftstoff-Luft-Gemisch eingesetzt und ein später Zündzeitpunkt gewählt wird; damit verzichtet man in der Warmlaufphase also im Interesse reduzierter Schadstoffemissionen bewusst auf die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.
  • Die reduzierte Verbrennungstemperatur kann zu reduzierten Stickoxidemissionen führen; auch wenn ein Abgaskatalysator die Stickoxide relativ effektiv abbauen kann, sind niedrigere Rohemissionen des Motors prinzipiell vorteilhaft.

Literatur

[1]Animation zur Illustrierung des Atkinson-Motors bei “Animated Engines”, http://www.animatedengines.com/atkinson.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Ottomotor, Hubkolbenmotor, Klopfen beim Ottomotor, Turboaufladung, Hybridantrieb, Ventile beim Hubkolbenmotor, Volllastanreicherung
sowie andere Artikel in den Kategorien Fahrzeuge, Kraftmaschinen und Kraftwerke

Alles verstanden?


Frage: Wodurch genau erreicht der Atkinson-Motor bzw. der modernere Miller-Motor einen höheren Wirkungsgrad?

(a) durch ein erhöhtes Verdichtungsverhältnis

(b) durch die stärkere Expansion der Verbrennungsgase, bevor sie in den Abgastrakt entlassen werden

(c) durch verringerte Drosselverluste


Frage: Welche Nachteile hat der Miller-Motor gegenüber konventionellen Otto-Motoren?

(a) Er braucht eine wesentlich kompliziertere Mechanik.

(b) Er braucht tendenziell mehr Material für die gleiche maximale Leistung und hat ein höheres Leistungsgewicht.

(c) Er hat bei gleicher maximaler Leistung ein geringeres Drehmoment.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

Kommentare von Lesern

11.03.2018

Ich möchte etwas zum optimalen Betriebspunkt beisteuern. Sie haben hier sehr richtig aufgeführt “im typischen Fahrzeugeinsatz liegen die Wirkungsgrade wesentlich tiefer”.

Allerdings wird diese Regel beim modernen Atkinson-Vollhybrid außer Kraft gesetzt: Die Motorlast wird mittels Elektromotor durch Unterstützen oder Bremsen in den optimalen Bereich verschoben. Stufenlose Getriebe halten den Bereich auch über längere Zeit.

Antwort vom Autor:

Diese Lastverschiebung beim Hybridantrieb ist leider nur in begrenztem Ausmaß möglich. Wenn beispielsweise auf der Landstraße der Verbrennungsmotor nicht genügend stark ausgelastet wird für einen optimalen Wirkungsgrad, kann man nicht dauerhaft überschüssige Leistung erzeugen, um die Batterie zu laden – diese wäre ja dann bald mal voll. Andererseits mag die benötigte Leistung zu hoch sein, um längere Zeit rein mit der Batterie zu fahren. Es ist auch zu berücksichtigen, dass das Laden und Entladen der Batterie ebenfalls zu Energieverlusten führt. Ein weiterer Aspekt ist die nötige Schonung der Batterie für eine hohe Lebensdauer. Aus diesen Gründen kann man die Motorlast zwar ein Stück weit optimieren, aber eben nur begrenzt.

02.10.2018

Ich fahre den Toyota Prius 4. Es ist beeindruckend, wie sparsam und ruhig das Antriebskonzept funktioniert.

Meine Überlegung: 1 Liter Benzin hat die vergleichbare Energie wie 0.87 l Diesel. Ich fahre mit durchschnittlich 4,5 l = 3,92 l Diesel. 1 l Diesel entspricht 10 kWh, d. h. der Prius braucht 39,2 kW auf 100 km. Bei einem Wirkungsgrad von ca. 40 % sind das 15,7 kWh. Das entspricht dem durchschnittlichen Verbrauch vergleichbarer E-Autos (z. B. Nissan Leaf).

Ein Ölkraftwerk, welches Strom für E-Autos erzeugt, hat mit allen Verlusten (Übertragung, Ladeverluste etc.) auch nur 40 %. Ich habe aber keinen ökologischen Rucksack, der für die Herstellung von ca. 40 kWh notwendig ist.

Antwort vom Autor:

In der Tat ist es beachtlich, dass der Primärenergieaufwand für den Betrieb eines Elektroautos in etwa gleich hoch ist wie bei einem solchen Fahrzeug mit Hybridantrieb, obwohl Sie den Wirkungsgrad für den Atkinson-Motor mit 40 % ein wenig hoch angesetzt haben: In der Praxis läuft trotz Hybridkonzept der Motor häufig unter nicht optimalen Bedingungen, vor allem in der Warmlaufphase.

Man kann sich auch fragen, ob Elektroautos nicht noch sparsamer sein müssten.

Übrigens gibt es leider schon einen ökologischen Rucksack für die Herstellung von Benzin …

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