Cykl Atkinsona i Millera: poświęcenie mocy dla wydajności

Cykl Atkinsona, suw rozprężania utrzymując dłużej niż suw sprężania, przekształca więcej cieplnej energii paliwa w pracę mechaniczną; cykl Millera natomiast to wersja tej samej techniki połączona z wsparciem turbosprężarki lub kompresora. Oba rezygnują z części mocy, by zyskać wydajność - i właśnie dlatego doskonale współgrają z układami hybrydowymi i nowoczesnymi benzynowymi silnikami turbo. W tym artykule wyjaśniam wspólną logikę obu cykli, rozróżnienie między stopniem sprężania a stopniem rozprężania oraz dlaczego i gdzie każdy z nich się sprawdza.

Czym są cykle Atkinsona i Millera i jak bardzo różnią się od cyklu Otta?

Czterosuwowy cykl opracowany przez Nicolausa Otta w 1876 roku - ssanie, sprężanie, spalanie i wydech - jest dziś faktycznym standardem silników benzynowych. W cyklu Otta tłoczysko, a właściwie tłok, rozpoczyna sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej pobranej podczas suwu ssania natychmiast po zamknięciu zaworu wydechowego. Suwy sprężania i rozprężania są geometrycznie równe, a silnik czerpie swoją wydajność głównie z podniesienia tego stopnia sprężania tak wysoko, na ile pozwalają granice spalania stukowego.

Idea Jamesa Atkinsona z 1882 roku polegała na świadomym złamaniu tej symetrii. Jeśli suw rozprężania jest dłuższy niż suw sprężania, gazy spalinowe nie uciekają przez zawór wydechowy, zanim przekażą tłokowi całą swoją energię. Atkinson rozwiązywał tę koncepcję początkowo za pomocą skomplikowanych mechanizmów korbowych; jego projekt o nazwie cycle engine realizował cztery suwy w jednym obrocie wału korbowego dzięki układowi połączeń. Był wydajny, ale trudny do wyważenia przy wysokich obrotach, mechanicznie nieporęczny i nie upowszechnił się komercyjnie.

Nowoczesne rozwiązanie jest znacznie bardziej eleganckie: osiągnięcie tego samego efektu bez ingerencji w mechanizm korbowy, wyłącznie przez opóźnienie zamknięcia zaworu dolotowego. Dokładnie na tym polega podejście opatentowane przez Ralpha Millera w 1956 roku, stosowane współcześnie zarówno w silnikach wolnossących, jak i turbodoładowanych.

Źródło wydajności: nie stopień sprężania, lecz stopień rozprężania

Łańcuch logiki tutaj wyjaśnia całą różnicę między tymi dwoma cyklami. Jeśli zawór dolotowy zamyka się później niż zwykle (w literaturze nazywane LIVC), tłok kontynuuje ssanie jeszcze przez pewien czas po rozpoczęciu suwu sprężania i część mieszanki jest wtłaczana z powrotem do kolektora. Efekt: ilość efektywnego powietrza wprowadzonego do cylindra maleje i efektywny stopień sprężania spada. Ponieważ jednak ruch tłoka w dół - czyli suw rozprężania - nie zmienia się geometrycznie, stopień rozprężania pozostaje bez zmian. W ten sposób stopień sprężania staje się mniejszy niż stopień rozprężania.

Dlaczego ta różnica daje zysk wydajności? Ponieważ energia zużywana na pracę sprężania maleje, a czas zamiany energii spalania na pracę mechaniczną podczas rozprężania się wydłuża. Celem jest jak największe zbliżenie ciśnienia gazu w cylindrze na końcu fazy pracy do ciśnienia atmosferycznego; jeśli po otwarciu zaworu wydechowego nadal jest tam wysoko sprężony gaz, to znaczy, że ta energia została zmarnowana. W konwencjonalnym silniku spaliny są wypuszczane przy ciśnieniu 3–7 bar i temperaturze dochodzącej do 1000 °C - od jednej trzeciej do połowy energii spalania trafia do rury wydechowej, zanim jeszcze przyniesie jakąkolwiek użyteczną pracę.

Późne zamykanie zaworu nie jest jedyną opcją. Wczesne zamykanie zaworu dolotowego (EIVC) daje ten sam efekt: zawór zamyka się na początku suwu, a gdy tłok schodzi, w cylindrze powstaje lekkie podciśnienie - mieszanka jest wręcz zasysana przez własne rozprężanie. Między tymi dwiema strategiami istnieją różnice pod względem zarządzania ciepłem i strat pompowania; badania przeprowadzone na silnikach morskich pokazują również, że zbyt wczesne zamykanie zaworu może zwiększać zużycie paliwa.

Cykle Otto, Atkinsona i Millera obok siebie

Dlaczego w pojazdach hybrydowych stosuje się cykl Atkinsona?

Ceną cyklu Atkinsona jest jednoznaczna: późno zamykający się zawór dolotowy sprawia, że ta sama pojemność cylindra zasysa mniej powietrza. Gęstość mocy spada; maksymalny moment obrotowy i średnie ciśnienie efektywne na cylinder maleją. Otrzymujesz silnik wytwarzający mniej mocy niż silnik Otto o tych samych wymiarach, ze słabym momentem obrotowym szczególnie przy niskich obrotach. Dla samego pojazdu benzynowego jest to handicap odczuwany przez kierowcę przy każdym wciśnięciu gazu.

Układ hybrydowy dokładnie ten handicap niweluje. Silnik elektryczny od zera wytwarza moment obrotowy natychmiast; przejmuje najsłabszy zakres pracy silnika - niskie obroty i pełne obciążenie. Dzięki temu silnik benzynowy może niemal zawsze pracować na najbardziej wydajnej linii mapy obciążenia i obrotów. Ta kombinacja po raz pierwszy weszła na linię produkcyjną pod koniec 1997 roku w pierwszej generacji Toyoty Prius i od tego dnia stała się standardową formułą pojazdów hybrydowych.

Przykłady zastosowań 1NZ-FXE w wczesnych Priusach, rodzina silników Dynamic Force, hybrydy Forda C-Max i Fusion oraz hybrydowe modele Lexusa dzielą tę samą logikę. Natomiast droga od wynalazku tej technologii do wejścia na linię produkcyjną zajęła dokładnie 100 lat - bez silnika elektrycznego deficytu mocy tego cyklu nie dało się nikomu sprzedać.

Co cykl Millera daje benzynowym silnikom z turbodoładowaniem?

Drugim sposobem na zniwelowanie niedoboru mocy w cyklu Atkinsona jest sprężenie większej ilości powietrza w cylindrze. Właśnie na tym polega cykl Millera: obniżony przez późne zamknięcie zaworu ssącego efektywny stopień sprężania jest kompensowany przez dodatkowe powietrze dostarczone przez turbo lub kompresor mechaniczny. Mieszanina wchodzi do cylindra pod ciśnieniem powyżej atmosferycznego; silnik korzysta zarówno z wydajności rozrządu Millera, jak i wytwarza oczekiwaną moc.

To podejście ma szczególną wartość w turbodoładowanych silnikach benzynowych: kontrolę spalania stukowego. Spalanie stukowe to samozapłon sprężanej mieszanki bez czekania na iskrę świecy, a wysokie stopnie sprężania i wysokie ciśnienia napełniania zwiększają to ryzyko. Tradycyjnym rozwiązaniem jest obniżenie geometrycznego stopnia sprężania - co jednak zabiera też zysk w postaci oszczędności paliwa. Cykl Millera rozwiązuje ten dylemat: geometryczny stopień można utrzymać na wysokim poziomie, ale efektywny stopień w momencie sprężania jest ograniczony dzięki późno zamykanemu zaworowi. W silnikach turbodoładowanych o zmniejszonej pojemności jest to powszechna strategia redukcji spalania stukowego.

Zysk liczbowy też jest mierzalny. Cykl Millera, dzięki zmniejszonym stratom pompowania przy częściowym obciążeniu, poprawionej wydajności i spadkowi emisji NOx, zapewnia wyraźną oszczędność paliwa w porównaniu z porównywalnymi silnikami konwencjonalnymi; we wczesnych zastosowaniach produkcyjnych podawane wartości redukcji zużycia mieściły się w granicach 10-15 %... wait, no - correct below. W połączeniu z wysokim doładowaniem wykazano, że ma on potencjał jednoczesnej poprawy ekonomii paliwowej i odporności na spalanie stukowe.

Lekcja z historii: Mazda Millenia

Pierwszym produkcyjnym zastosowaniem cyklu Millera w historii motoryzacji był silnik V6 Mazda KJ-ZEM w 1994 roku - zasilany kompresorem mechanicznym typu Lysholm, ale ze względu na koszty produkcji i złożoność nie zdołał zapewnić komercyjnego sukcesu sedanowi o nazwie Millenia. Ale pomysł nie był bezwartościowy: to właśnie droga, którą ten silnik wytyczył, jest stosowana przez nowoczesne turbodoładowane silniki benzynowe wykorzystujące rozrząd Millera dokładnie w celu rozwiązania problemu spalania stukowego i zużycia paliwa.

"Atkinson" czy "Miller"? Spór terminologiczny

Rzućmy światło na techniczną szczerość. To, co Toyota i niektórzy producenci nazywają "cyklem Atkinsona", w rzeczywistości jest określonym rozrządem zaworów: późne zamknięcie zaworu ssącego. W literaturze praktykę tę określa się również mianem "rozrządu Millera". Niektóre źródła inżynieryjne ustalają rozróżnienie w następujący sposób: silniki wolnossące z późnym IVC określa się jako "Atkinsona", a te z doładowaniem jako "Millera". Według innego punktu widzenia nazewnictwo jest całkowicie arbitralne; kluczowe jest zastosowanie cyklu z rozszerzonym rozprężaniem w połączeniu z rozrządem IVC, a użycie doładowania lub nie nie zmienia tej klasyfikacji.

Spór o pierwszeństwo historyczne jest również interesujący. Wiadomo, że Körting zbudował w 1891 silnik gazowy o krótkiej sprężaniu i długim rozprężaniu, że Charon uzyskał we 1888 francuski patent na podobny cykl bez doładowania, a w raportach z 1927 roku nawet kontrolowanie efektywnego sprężania za pomocą rozrządu zaworów w celu ograniczenia spalania stukowego w paliwach o niskiej liczbie oktanowej było na stole jako opcja. Czyli nazwa "Atkinson" dziś mniej przypomina praktykę stosowaną obecnie niż mechanizm samego Atkinsona; ale idea zasługująca na nagrodę - oddzielenie rozprężania od sprężania - należy do niego.

Dlaczego każdy silnik benzynowy nie pracuje w cyklu Atkinsona lub Millera?

Odpowiedź tkwi w głównej osi artykułu: te cykle wymieniają moc na sprawność. W zwykłym benzynowcu bez silnika elektrycznego ani turbo doładowania cykl Atkinsona oznacza mniej mocy z tej samej pojemności i słaby moment obrotowy szczególnie przy niskich obrotach. Kierowca czuje to przy każdym ruszaniu i każdym wyprzedzaniu; dla producenta oznacza to konieczność zbudowania większego silnika, by zapewnić te same osiągi - co częściowo odbiera zysk ze sprawności. Cykl Millera z turbo doładowaniem zamyka tę lukę, ale jak pokazały wczesne rozwiązania z doładowaniem mechanicznym, dodaje kosztów i komplikacji.

Podsumowując logikę: cykl Atkinsona sam w sobie rezygnuje z mocy, zyskując sprawność; układ hybrydowy przywraca moc dzięki silnikowi elektrycznemu. Cykl Millera łączy tę samą logikę sprawności z turbo doładowaniem, przywracając moc. W obu przypadkach równanie jest to samo - utrzymanie rozprężania dłuższego niż sprężanie, aby zamienić energię uciekającą w wydechu na pracę - a najoszczędniejsze hybrydy i turbo benzyniaki 2026 roku wciąż pracują jako dojrzałe inżyniersko postacie tej pomysłu z XIX wieku, w dojrzalszych inżyniersko formach tej idei.

Źródła

• Atkinson cycle
• Miller cycle
• Atkinson, Miller, or Otto: Internal Combustion Cycles Explained
• What Is the Atkinson Combustion Cycle, and What Are Its Benefits?
• Miller Cycle Engines
• Why does Toyota use Atkinson cycle engines?
• Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles
• Design and optimization of an Atkinson cycle engine
• Experimental study on the effects of the Miller cycle
• This Obscure Mazda Sedan