Ako vyzerá cesta k vyššej účinnosti spaľovacieho motora? Takto fungujú Atkinsonov a Millerov cyklus

Klasický štvortaktný zážihový motor beží v takzvanom Ottovom cykle. No páni Atkinson alebo Miller mali aj iné predstavy, ako by motor mohol fungovať. A dnes sú veľmi populárne.
Vydané  Text: 
Viete, prečo sú naftové motory úspornejšie než benzínové? Je to možno zvláštny spôsob, ako začať tento článok, ale vydržte, k pointe sa dostaneme. ### Správny recept Ak si odmyslíme väčšiu energetickú hustotu a výživnosť nafty ako paliva, je tu ešte niekoľko podstatných faktorov. Ten prvý je, **naftový motor sa nepotrebuje držať ideálneho stochiometrického pomeru spaľovanej zmesi.** Ten vyjadruje množstvo vzduchu potrebné na kompletné prehorenie akéhokoľvek paliva. Pri naftovom motore je tento pomer 14,5 : 1 (to znamená 14,5 jednotiek vzduchu k jednej jednotke paliva), avšak naftový motor môže bežať aj na extrémne chudobnú zmes – pri voľnobehu pokojne aj 160 : 1. Benzínový motor má síce výhodnejší stochiometrický pomer 14,7 : 1, ale musí sa ho v klasickom (Ottovom) cykle držať oveľa prísnejšie, inak pri chudobnej zmesi hrozia detonácie, alebo poškodenie motora (podpálenie piestov alebo ventilov).
Bohatšia zmes až taký problém nepredstavuje. Moderné motory s priamym vstrekovaním dokážu fungovať aj na chudobnejšej zmesi, ale to pre jednoduchosť teraz vynechajme. **Aby teda benzínový motor vždy dosiahol požadovaný pomer vzduchu a paliva, musí nejako regulovať množstvo vzduchu, ktoré sa dostane do valca.** Inak by bežal stále na plný výkon, pretože pri danom objeme by vždy musel dostať rovnakú dávku paliva. Zážihové motory teda využívajú škrtiacu klapku. Tým si obmedzia objem nasatého vzduchu, vďaka čomu si môžu dovoliť vstreknúť menej paliva a regulovať tak výkon. Lenže tu nastáva problém: škrtiaca klapka skutočne škrtí.
A skúšali ste už niekedy dýchať v priškrtenom stave? **Vieme, že cez zapchatý nos sa ťažko dýcha a vyžaduje si to veľa energie. A zážihový motor má presne ten istý problém.** Musí dýchať cez priškrtené sacie potrubie, čo si vyžaduje veľa energie, vďaka čomu klesá efektivita motora. Hovorí sa tomu čerpacie straty. Preto je benzínový motor najefektívnejší pod vysokou záťažou – vtedy má totiž otvorenú škrtiacu klapku a čerpacie straty sú najnižšie. Naftové motory to majú jednoduchšie. Škrtiacu klapku nemajú, pretože stochiometrický pomer ich netrápi a výkon si tak môžu dovoliť regulovať iba množstvom vstrekovaného paliva. To znamená, že sa im oveľa ľahšie dýcha. A čo to má všetko spoločné s Atkinsonovým cyklom? ### Objem neokašleš **Z princípu fungovania benzínového motora je jasné aj to, prečo majú motory s väčším objemom vyššiu spotrebu paliva.** Väčší objem valcov skrátka treba nakŕmiť väčšou porciou paliva. A keď výkon nepotrebujete, potrebujete veľký motor škrtiť o to viac a zvyšujete čerpacie straty. Preto naftové motory dokážu jazdiť úsporne aj s väčším objemom – toto ich netrápi. A to nás dostáva k Atkinsonovmu cyklu. Vymyslel ho James Atkinson v roku 1882 a **skutočné uplatnenie si našiel až s príchodom prvých hybridných modelov Toyoty, pretože benzínovým motorom prinášal oveľa vyššiu účinnosť.** A aj keď je to na úkor výkonu, hybridný pohon túto nevýhodu kompenzoval. O čo teda ide? Atkinsonov cyklus využíva rozdielne časovanie ventilov. Kým bežne sa sací ventil zatvorí po sacej fáze približne v momente, keď piest dosiahne svoju dolnú úvrať, Atkinsonov cyklus tento moment posúva ďalej až do kompresnej fázy. V praxi to znamená, že motor vyfúkne späť do sacieho potrubia časť nasatého vzduchu. To prináša niekoľko výhod: prvou je, že **teoreticky odpadá nutnosť použitia škrtiacej klapky, lebo množstvo nasatej zmesi sa dá regulovať časovaním ventilov** (aj keď väčšina motorov škrtiacu klapku má, len ju ponecháva pri ustálenej jazde otvorenú).
Tým sa znižujú čerpacie straty prakticky na úroveň naftových motorov. Pri štvorvalcových motoroch je možné dosiahnuť to, aby sa vzduch vyfúknutý späť do sacieho potrubia dostal do iného valca, ktorému práve prebieha sacia fáza, čo ešte viac zredukuje čerpacie straty. Druhým efektom je, že menej nasatého vzduchu vo valci si vyžaduje menej paliva. Motor si teda v Atkinsonovom cykle akoby zníži efektívny objem v sacej fáze, takže sa dokáže správať ako menší motor, ktorý vyžaduje zároveň menej paliva. **Cenou za toto všetko je nižší výkon.** Avšak moderné motory dokážu vďaka plynulo variabilnému časovaniu ventilov prepínať medzi Ottovým a Atkinsonovým cyklom, takže v stave nízkej záťaže vedia bežať v Atkinsonovom cykle s otvorenou škrtiacou klapkou, ale keď vodič potrebuje výkon, motor sa prepne do klasického režimu a poskytne plný výkon. Atkinsonovmu cyklu je dodnes verná najmä Toyota a Honda, ale nájdeme ho aj v iných (najmä hybridných) autách. ### Aj s turbom Millerov cyklus fungujev zásade rovnako. Tiež využíva dlhšie otvorené sacie ventily. Tu sa však kalkuluje s prepĺňaním a pointa je trochu iná. Nápad amerického inžiniera Ralpha Millera v roku 1957 spočíval v tom, že uľahčí motoru tým, že mu zníži straty vo fáze kompresie. Jeho nápad sa točí okolo preplňovaných motorov a počíta s tým, že vzduch, ktorý by inak unikol z valca pri prvej fáze kompresie s otvoreným sacím ventilom, tam zostane natlačený vďaka pretlaku v sacom potrubí vytvorenom prepĺňaním.
**Pointa je, že piest bude mať pri časti cesty nahor menej práce so stláčaním zmesi. Nápad funguje za predpokladu, že straty z preplňovania sú menšie, než straty spôsobené počiatočnou fázou kompresie v spaľovacom priestore.** Tieto motory vedia dosahovať dobrý výkon a spotrebu, ale pre správnu funkčnosť Millerovho cyklu je potrebná aktivácia turbodúchadla. Preto sú tieto motory v nižších otáčkových pásmach väčšinou lenivejšie. Podobne ako pri Atkinsonovom cykle, aj Millerov cyklus sa dá regulovať variabilným časovaním sacích ventilov. Motory využívajúce Millerov cyklus veľmi obľubuje Volkswagen – napríklad 1.5 TSI a 2.0 TSI.


Inzercia

Inzercia

Automobilový priemysel čelí najťažšej skúške od samotného vzniku. Vysporiadať sa musí nielen s novými technológiami, reguláciou či elektrickou revolúciou, ale aj s čoraz častejším prehodnocovaním významu a dôležitosti automobilov v našich životoch. Ako to celé nakoniec dopadne, zatiaľ nie je známe. Transformácia sa však ešte len začína a budem veľmi rád, keď sa na túto cestu vyberiete spolu so mnou. Držte si klobúky!