A Miller ciklus, amely végül letaszította az Atkinsont az alternatív megoldások trónjáról
Ahogy azt egy korábbi írásunkban közöltük, James Atkinson munkássága megkerülhetetlenné vált a belső égésű motorok fejlődéstörténetében, és úgy vonulhatott be a tankönyvek lapjaira, mint egy „jobbá tett” Otto körfolyamat. Azoban nem ez volt az egyetlen megoldás a problémára: a Miller ciklus hasonló eredményeket ígérve végül felülkerekedett az Atkinson-féle megoldáson. és a mai napig nagy gyakorisággal találkozhatunk vele.
Az alábbi cikkben bemutatjuk a Miller ciklust az Otto- és az Atkinson körfolyamat vonatkozásában, és rávilágítunk, hogy végül miért bizonyult ez a jobban kivitelezhető alternatívának.
Az Otto körfolyamat, és amiért nem elég jó
Fontos megjegyeznünk, hogy bármelyik termodinamikai körfolyamatról is legyen szó, mindegyik jár valamilyen veszteséggel. Ezek közé ugyanúgy besorolható az Otto és a Diesel ciklus is (mind a négy, mind pedig a kétütemű). Elég, ha csak annyit említünk, hogy nem tudunk olyan hőerőgépet építeni, amely nem ad le veszteséghőt – de azt is említhetnénk, hogy például a négyütemű motorok esetén csak egyetlen ütemben végez munkát az egység, a többi ennek előkészítéshez szükséges.
Az elektromos autók elterjedésével a médiában is egyre nagyobb hangsúlyt kap, hogy a benzinnel és gázolajjal hajtott motoroknak mennyivel kedvezőtlenebb az összhatásfoka az elektromos motorokhoz képest.
Nos, ez nem túlzás, valóban lényeges a lemaradás, és ez javarészt a gyenge termikus hatásfoknak köszönhető. Csak a hajókba szánt lassú járású dízelmotorok közelítik meg önerőből a hibridekéhez hasonló, 40-50% körüli hatásfokot, egy szívó benzines erőforrás sok esetben a 30%-ot sem éri el, szemben az elektromos hajtással, amely 90% fölé is érhet.
Ezzel korábban is tisztában voltak a mérnökök, így minden lehetséges módon megpróbálták minimalizálni a veszteségeket.
A belső égésű motorból kivehető energiamennyiséget elsősorban a munkaütemben kinyert energia és az azt megelőző sűrítés (azaz az előkészítés) energiaszükségletének különbsége adja. Ezen túl számolnunk kell a töltetcsere veszteségeivel, valamint a mechanikus veszteségekkel, ami a motor mozgásából adódik.
Termikus szempontból egy különleges probléma, hogy a munkaütem végén a még forró gázelegy nyomását nem teljes mértékben tudja felhasználni a henger, és a megmaradt energiát egyszerűen a szabadba engedjük vele.
Atkinson megoldása
Ezt igyekezett megoldani James Atkinson is. Elképzelése szerint az expanziós ütem, ahol a munkavégzés történik, nem kell, hogy egyforma lökethosszal rendelkezzen a szívási ütemmel. Egy fix hajtórudas konstrukció esetén ez az ötlet kivitelezhetetlen, ezért az elvi Atkinson körfolyamat valós kivitelezéséhez új mechanizmus kidolgozására volt szükség.
Atkinson 1887-ben építette meg első motorját, és 1898-ban szabadalmaztatta azt.
Ez az összetett megoldás a főtengelyt úgy hajtja meg, hogy a motor négy üteme, vagyis a dugattyú két oda-vissza mozgása alatt fordul egyet a főtengely, illetve ezalatt játszódik le az ehhez csatolt lökethossz-módosító mechanizmus mozgásának egy teljes periódusa.
Hasonlóan az eredeti elvhez, a dugattyú a motor szívó és sűrítő üteme alatt kisebb utat tesz meg, mint a munkavégzés és kipufogás üteme alatt. Ebből következően itt is megállja a helyét, hogy a motor termikus hatásfokát növeltük azáltal, hogy a szívás és sűrítés energiavesztesége szempontjából egy szokványos Otto-motorhoz hasonlítható, míg energianyerés szempontjából viszont egy jóval nagyobb sűrítési arányú, vagy nagyobb lökettérfogatú motorhoz.
A megoldás azonban sokáig nem volt érdekes a gyártók számára, mivel túl bonyolult és költségesen javítható mechanizmussal rendelkezett. A Honda és a Toyota több motorcsaládot is bemutatott a 2000-es években, melyek Atkinson-ciklussal mozgatták a járműveket, ám később ők is áttértek a következő fejezetben taglalt megoldásra.
A Miller ciklus
Ralph Miller hasonlóan gondolkodott, mint James Atkinson, annyi előnnyel, hogy neki már inspirációul szolgálhatott utóbbi szabadalma, ugyanis Miller ezirányú munkássága az 1940-es évekre tehető.
Miller a Diesel körfolyamatra koncentrált: az volt a célja, hogy a magas kompressziójú, dízelmotorokban résztöltés révén korlátozza a hőfejlődést. Ekkoriban ez még nehezen kontrollálható jelenségnek bizonyult, és a túl magas csúcshőmérséklet túlhevítette a kenőanyagot, ezzel leégette az olajfilmet, és radikálisan csökkentette a motorok élettartamát.
Csak később derült ki, hogy a Miller ciklus 4 ütemű benzinmotorokon is alkalmazható.
Ez utóbbi esetben a körfolyamat annyiban módosítja az Otto-motor működését, hogy a szívószelepet hosszabb ideig hagyja nyitva. Ebből az következik, hogy a kompresszió üteme két részre oszlik: az első szakaszban úgy indul el a sűrítés, hogy a szelep még nyitott; a második ütemrészben már záródik. Ezen tulajdonsága miatt szokták ötütemű motornak is nevezni.
Az igazi előny, ami miatt a Miller ciklus végül felülkerekedett az Atkinsonon, az a konstrukció egyszerűsége: a Miller ciklussal működő motorok szerkezetileg szinte semmiben nem különböznek egy változtatható szelepvezérlésű Otto-motortól. A működés annyiban tér el, hogy az Otto-motorban a kompresszió üteme alatt a szívószelep mindig zárt, a Millernél pedig részben nyitott.
Ennek természetesen hátránya is van: a résztöltés miatt a teljesítmény és a tömeg aránya romlik. Azonban a sűrítési veszteség olyan mértékben lecsökken, hogy a motor hatásfoka ennek ellenére is megnő. Noha azonos lökettérfogatnál nem feltétlenül lesz nagyobb a teljesítményünk, a felhasznált hajtóanyag mennyiségében megfigyelhető a különbség a Miller körfolyamat javára.
Gyakorlati alkalmazások
A 2000-es évek után, amikor már jóval nagyobb figyelem övezte az autók károsanyag-kibocsátását (ezzel együtt a fogyasztásukat is), ezek az alternatív megoldások fokozatosan kezdtek terjedni.
Ilyen motorral találkozhattunk már a Mazda Milleniában, számos Toyotában, az EA888 motorkóddal szerelt VW-Audi konszern járműveiben, és azok a gyártók, melyek ma is fejlesztenek belsőégésű motorokat, szinte biztosan akad legalább egy ilyen a kínálatukban.
