Atkinson és Miller ciklus: Teljesítményről való lemondás a hatékonyságért

Az Atkinson-ciklus úgy alakítja át az üzemanyag hőenergiáját nagyobb mértékben mechanikai munkává, hogy a tágulási löketet hosszabbra hagyja, mint a kompressziós löket; a Miller-ciklus pedig ugyanezen technika turbófeltöltővel vagy mechanikus feltöltővel kombinált változata. Mindkettő a teljesítmény egy részéről mond le a hatásfok javításáért - és éppen ezért nyerik el értelmüket a hibrid rendszerekkel és a modern turbós benzinmotorokkal együtt. Ebben a cikkben a két ciklus közös logikáját, a kompressziós és a tágulási arány közötti különbséget, valamint azt magyarázom el, hogy melyik járműben miért működik.

Mi az Atkinson- és a Miller-ciklus, és mennyire tér el az Otto-ciklustól?

A Nicolaus Otto által 1876-ban kifejlesztett négyütemű ciklus - szívás, kompresszió, égés és kipufogás - ma a benzinmotorok tényleges standardja. Az Otto-ciklusnál a dugattyú a szívóütemben beszívott levegő-üzemanyag keveréket a kipufogószelep bezárása után azonnal tömöríteni kezdi. A kompressziós és a tágulási löketek geometriailag egyenlők, és a motor hatásfokát nagyrészt abból nyeri, hogy ezt a kompressziós arányt a kopogási határig megemelik.

James Atkinson 1882-es ötlete ezt a szimmetriát szándékosan bontotta meg. Ha a tágulási löket hosszabb, mint a kompressziós löket, az égésgázok nem szöknek ki a kipufogószelepen anélkül, hogy energiájukat a dugattyúra átadnák. Atkinson ezt az ötletet kezdetben bonyolult forgattyús mechanizmusokkal oldotta meg; cycle engine nevű terve egy forgattyús fordulat alatt négy ütemet valósított meg egyetlen csuklós rendszerrel. Hatékony volt, de magas fordulatszámon nehezen kiegyensúlyozható, mechanikusan terjedelmes konstrukció volt, és kereskedelmileg nem terjedt el.

A modern megoldás sokkal elegánsabb: a forgattyús mechanizmus érintése nélkül, kizárólag a szívószelep zárásának késleltetésével elérni ugyanazt a hatást. Ralph Millernek 1956-ban szabadalmaztatott, ma mindszívott, mind turbófeltöltésű motoroknál alkalmazott megközelítésének alapja pontosan ez.

A hatásfok forrása: nem a kompressziós arány, hanem a tágulási arány

A logikai lánc itt a két ciklus teljes különbségét megmagyarázza. Ha a szívószelep a szokásosnál később zár (a szakirodalomban LIVC), a dugattyú a kompressziós löket megkezdése után is egy ideig szív tovább, és a keverék egy részét visszanyomja a szívótorokba. Az eredmény: a hengerbe jutó tényleges levegőmennyiség csökken, és a tényleges kompressziós arány csökken. Mivel azonban a dugattyú lefelé mozgása - vagyis a tágulási löket - geometriailag nem változik, a tágulási arány változatlan marad. Így a kompressziós arány kisebb lesz, mint a tágulási arány.

Miért ad ez a különbség hatásfokot? Mivel a sűrítési munkára fordított energia csökken, miközben az égési energia hőtágulási mechanikai munkává alakulásának ideje meghosszabbodik. A cél a löket végére a hengeren belüli gáznyomás a lehető legközelebb hozása a légköri nyomáshoz; ha a kipufogószelep nyitásakor még mindig nagy nyomású gáz van, az energia elveszett. Egy hagyományos motorban a kipufogógázok 3-7 bar nyomáson és 1000 °C os hőmérsékleten távoznak - az égési energia egyharmada és fele közötti része, még mielőtt bármilyen hasznot hozna, a kipufogócsőbe megy.

A késői zárás nem az egyetlen lehetőség. A korai szívószelep-zárás (EIVC) is ugyanazt az eredményt adja: a szelep a löket elején zár, és a dugó lefelé mozgása közben enyhe vákuum keletkezik a hengerben, a keverék gyakorlatilag saját tágulása révén beszívódik. A két stratégia között hőkezelés és szivattyúveszteségek szempontjából vannak különbségek; hajómotorokon végzett vizsgálatok azt is kimutatták, hogy a szelep túl korai zárása növelheti az üzemanyag-fogyasztást.

Az Otto, Atkinson és Miller ciklus egymás mellett

Miért használják az Atkinson-ciklust hibrid járművekben?

Az Atkinson-ciklus ára egyértelmű: a későn záródó szívószelep miatt ugyanaz a hengertérfogat kevesebb levegőt vesz fel. A teljesítménysűrűség csökken; a csúcsnyomaték és a hengerre jutó átlagos effektív nyomás visszaesik. Egy azonos méretű Otto-motorhoz képest kevesebb teljesítményt adó, különösen alacsony fordulatszámon gyenge nyomatékú motort kapunk. Önmagában egy benzinjárműnél ez a hátrány a vezető minden gázadásnál érezhető.

A hibridrendszer pontosan ezt a hátrányt szünteti meg. Az elektromos motor a nulláról azonnali nyomatékot ad; átveszi a motor leggyengébb üzemi tartományát - az alacsony fordulatszámú és teljes terhelésű tartományt. Így a benzinmotor szinte mindig a terhelés- és fordulatszámtérkép leghatékonyabb vonalán működhet. Ez a kombináció először 1997 végén az első generációs Toyota Prius ban került a gyártósorra, és azóta a hibrid hajtásláncok standard receptje lett.

Alkalmazási példák merészen: a korai Priusok 1NZ-FXE, Toyota Dynamic Force motorcsaládja, a Ford C-Max és Fusion hibridjei valamint a Lexus hibrid modelljei ugyanezt a logikát követik. A technológia feltalálásától a gyártósorra kerüléséig pedig pontosan 100 év telt el - elektromos motor nélkül ennek a ciklusnak a teljesítményhiányát senkinek sem lehetett eladni.

Mit nyújt a Miller-ciklus a turbo benzineseknek?

Az Atkinson-féle teljesítményhiány második módja a ledolgozása annak, hogy több levegőt sűrítsünk a hengerbe. A Miller-ciklus pontosan ezt teszi: a késői szívószelep-zárás miatt lecsökkent effektív kompresszióviszonyt a turbófeltöltő vagy mechanikus feltöltő által beadott plusz levegő kompenzálja. A keverék a légköri nyomás feletti nyomáson jut a hengerbe; a motor egyszerre élvezi a Miller-vezérlés hatásfokát és termeli el a várt teljesítményt.

Ennek a megközelítésnek külön értéke van a turbós benzinmotoroknál: a kopogáskezelés. A kopogás a sűrített keverék öngyulladása a gyújtógyertya szikrájának megvárása nélkül, és a magas kompresszióviszonyok és a nagy töltési nyomások növelik ezt a kockázatot. A hagyományos megoldás a geometriai kompresszióviszony csökkentése - ami azonban egyben az üzemanyag-gazdaságossági nyereséget is elvinné. A Miller-ciklus feloldja ezt a dilemmát: a geometriai viszony magas tartható, de a sűrítés pillanatában érvényes effektív viszony a későn záródó szelepnek köszönhetően korlátozott. A kisebb méretű, turbófeltöltéses motoroknál ez elterjedt kopogáscsökkentő stratégia.

A numerikus nyereség is mérhető szintű. A Miller-ciklus részterhelésnél csökkenő szivattyúveszteségekkel, javuló hatásfokkal és a NOx-kibocsátás csökkenésével együtt a összehasonlítható hagyományos motorokhoz képest jelentős üzemanyag-megtakarítást biztosít; a korai gyártási alkalmazásoknál 10-15% fogyasztáscsökkentés szerepel a hivatkozott adatok között. Nagy feltöltéssel kombinálva pedig azt demonstrálták, hogy egyszerre hordoz javulási potenciált az üzemanyag-gazdaságosság és a kopogásállóság terén.

Lecke a történelemből: Mazda Millenia

A Miller-ciklus első sorozatgyártási alkalmazása az autótörténelemben 1994-ben Mazda KJ-ZEM V6 motor volt - ezt a motort Lysholm-típusú mechanikus feltöltő táplálta, de a gyártási költség és a bonyolultság miatt Millenia nevű szedán kereskedelmi sikerét nem tudta meghozni. Ám az ötlet nem volt szemét: a modern turbós benzinmotorok pontosan a kopogás- és fogyasztásprobléma megoldására használják a Miller-vezérlést, ez az az út, amelyet ez a motor járt először.

"Atkinson" vagy "Miller"? Terminológiai vita

Egy technikai őszinteségi megjegyzés. Amit a Toyota és néhány gyártó "Atkinson-ciklusnak" nevez, az valójában egy meghatározott szelepvezérlés: késői szívószelep-zárás. A szakirodalomban ezt az alkalmazást "Miller-vezérlésnek" is nevezik. Néhány mérnöki forrás így differenciál: a természetes beszáívású, késői IVC-jű motorokat "Atkinsonnak", a kényszerített feltöltésűeket "Millernel" nevezik. Egy másik nézőpont szerint viszont az elnevezés teljesen önkényes; a lényeg az, hogy a túltágulási ciklust az IVC vezérléssel alkalmazzák, és a kényszerített töltés alkalmazása vagy nem alkalmazása nem változtatja meg ezt a besorolást.

Az elsőbbségi történelmi vita is érdekes. Körting 1891 1888 -ben hasonló, feltöltő nélküli ciklusra kapott francia szabadalmat, és 1927 a korábbi jelentésekben az is ismert, hogy a szelepvezérléssel az effektív kompresszió szabályozása még opcióként az asztalon volt az alacsony oktánszámú üzemanyagok kopogásának korlátozására. Vagyis az "Atkinson" név kevésbé hasonlít a mai gyakorlatra, mint Atkinson saját mechanizmusára; de az ötlet, amely megérdemli az elismerést - a tágulás elválasztása a kompressziótól - az övé.

Miért nem működik minden benzinmotor Atkinson vagy Miller ciklusban?

A válasz a cikk fő tengelyében rejlik: ezek a ciklusok a teljesítmény rovására növelik a hatásfokot. Egy elektromotorral vagy turbófeltöltő nélküli hétköznapi benzinmotornál az Atkinson-ciklus azt jelenti, hogy ugyanabból a térfogatból kevesebb teljesítményt kapunk, és különösen alacsony fordulatszámon gyenge nyomatékot. A vezető ezt minden elinduláskor és minden előzésnél érzi; a gyártónak pedig nagyobb motort kell készítenie az azonos teljesítményhez - ami részben visszaveszi a hatásfoknyi nyereséget. A Miller-ciklus a turbófeltöltővel betöri ezt a hézagot, de ahogy a korai, mechanikus feltöltős megvalósítások is mutatták, plusz költséget és bonyolultságot jelent.

Az összefoglaló logikai lánc a következő: az Atkinson-ciklus önmagában feladja a teljesítményt a hatásfokért; a hibrid rendszer az elektromotorral visszahozza a teljesítményt. A Miller-ciklus ugyanazt a hatásfoki logikát egyesíti a turbófeltöltővel, és visszahozza a teljesítményt. Mindkét úton ugyanazzal az egyenlettel találkozik - a tágulás kompressziósnál hosszabbra tartásával a kipufogón keresztül távozó energiát munkává alakítjuk - és a 2026-os hibrid és turbós benzinmotorok leghatékonyabbjai még mindig ennek a 19. századi ötletnek a mérnöki szinten kiforrt változataival működnek.

Források

• Atkinson-ciklus
• Miller-ciklus
• Atkinson, Miller vagy Otto: A belső égésű motorok ciklusai bemutatva
• Mi az Atkinson égési ciklus, és milyen előnyei vannak?
• Miller-ciklusú motorok
• Miért használ a Toyota Atkinson-ciklusú motorokat?
• A légstandard Atkinson és Otto ciklusok teljesítményének összehasonlítása
• Atkinson-ciklusú motor tervezése és optimalizálása
• Kísérleti vizsgálat a Miller-ciklus hatásairól
• Ez a kevésbé ismert Mazda szedán