Prijava
No ideja je ostala ista od kraja 19. stoljeća do danas, iz iste količine benzina izvući više korisnog rada, smanjiti gubitke i učiniti motor učinkovitijim bez potpunog napuštanja osnovnog četverotaktnog principa
Iako se čini da svi benzinski motori rade po istom principu, stvarnost je nešto zanimljivija. Svi koriste izgaranje smjese goriva i zraka u cilindru, svi imaju klipove, ventile, radilicu i bregaste osovine, ali termodinamički ciklus po kojem proizvode snagu ne mora biti isti. U praksi se posljednjih godina najčešće spominju tri pojma: Ottov, Atkinsonov i Millerov ciklus. Njihova povijest pokazuje kako se razvoj motora nije kretao samo prema većoj snazi, nego i prema boljoj iskoristivosti svakog grama goriva.
Nikolaus Otto
Priča počinje 1876. godine, kada je njemački inženjer Nikolaus Otto konstruirao četverotaktni motor koji je postao temelj automobilske industrije. Njegov princip i danas zvuči poznato: usis, kompresija, izgaranje odnosno radni takt i ispuh. U usisnom taktu u cilindar ulazi smjesa zraka i goriva, zatim se komprimira, potom se pali i širenjem plinova gura klip prema dolje, a na kraju se ispušni plinovi izbacuju van. Taj osnovni ritam i dalje je srce većine benzinskih motora.
Ottov ciklus dugo je bio standard jer je jednostavan, robustan i pogodan za široku primjenu. No imao je i jasna ograničenja. Velik dio energije gubio se na toplinu, trenje i pumpne gubitke, a inženjeri su vrlo brzo shvatili da bi motor bio učinkovitiji kada bi se radni takt mogao bolje iskoristiti. Tu počinje priča o alternativnim rješenjima.
Zanimljivo je da ni sam Ottov patent nije ostao nedodirljiv. Francuz Alphonse Beau de Rochas još je 1862. patentirao princip četverotaktnog motora, iako ga nije praktično realizirao. Kada su se kasnije pojavili Daimler i drugi pioniri automobilizma, pravna bitka oko patenata otvorila je prostor za daljnji razvoj i brojne nove interpretacije osnovnog četverotaktnog principa.
Atkinson: više učinkovitosti, manje jednostavnosti
Britanski inženjer James Atkinson pokušao je 1882. godine zaobići postojeće patente i pritom stvoriti učinkovitiji motor. Njegova ideja bila je termodinamički vrlo pametna - skratiti takt kompresije, a produljiti radni takt. Na taj način motor bolje iskorištava energiju izgaranja jer plinovi dulje djeluju na klip.
Izvorni Atkinsonov motor bio je mehanički vrlo složen. Koristio je posebne poluge i klipnjače kako bi u jednom okretu radilice izveo sva četiri takta. Teoretski, to je donosilo bolju učinkovitost, ali u praksi je konstrukcija bila presložena, skupa i nepraktična za masovnu primjenu. Zbog toga je Atkinsonov original desetljećima ostao više inženjerska zanimljivost nego realna automobilska budućnost.
Njegova ideja vratila se mnogo kasnije, ali u moderniziranom obliku. Današnji motori koji se nazivaju Atkinsonovima zapravo ne koriste izvornu Atkinsonovu mehaniku. Umjesto toga, postižu sličan učinak upravljanjem ventilima. Usisni ventil ostaje otvoren dulje nego kod klasičnog Ottovog ciklusa, pa se dio smjese vraća natrag u usis. Time se efektivna kompresija smanjuje, dok radni takt ostaje dulji i učinkovitiji.
Najpoznatiji primjer takvog pristupa su Toyotini hibridi. Prvi je bio Prius, a njegov benzinski motor radio je po moderniziranoj Atkinsonovoj logici, a nedostatak snage pri niskim okretajima nadoknađivao je elektromotor. Upravo je hibridni sustav omogućio da Atkinsonov ciklus konačno dobije smisao u svakodnevnom automobilu. Benzinski motor mogao je raditi u području najbolje učinkovitosti, dok je električni pogon preuzimao situacije u kojima bi takav motor bio trom.
Miller: sličan cilj, drugačiji put
Ralph Miller patentirao je svoje rješenje 1957. godine. Njegov ciklus također se temelji na ideji smanjenja efektivne kompresije i boljeg iskorištavanja ekspanzije, ali pristup je drukčiji. Miller je koristio promijenjeno vrijeme zatvaranja usisnog ventila, pri čemu se ventil zatvara kasnije, nakon što se klip već počeo kretati prema gore. Dio zraka vraća se u usis, tlak na kraju kompresije je niži, a motor smanjuje gubitke.
Problem je, naravno, snaga. Ako se u cilindru nalazi manje zraka, motor pri nižim okretajima djeluje slabije. Zato je Miller u svojoj koncepciji računao na prisilno punjenje, odnosno kompresor ili turbopunjač. Oni nadoknađuju manjak zraka i omogućuju da motor istodobno bude učinkovitiji i dovoljno snažan.
U modernoj terminologiji granica između Atkinsona i Millera često je mutna. Oba pristupa koriste upravljanje usisnim ventilima kako bi promijenila efektivni omjer kompresije, a razlika se najčešće svodi na to koristi li motor prisilno punjenje i kako je podešen sustav ventila. Zato se u današnjim automobilima nerijetko spominje "Atkinsonov ciklus" i kada je tehnički riječ o rješenju bližem Milleru.
Mazda je jedan od proizvođača koji se posebno uporno bavio Millerovom filozofijom. Još je Mazda Xedos 9 koristila 2,3-litreni V6 s Millerovim ciklusom i kompresorom. Kasnije je Mazda kroz tehnologiju Skyactiv nastavila istraživati načine kako iz benzinskog motora izvući učinkovitost blisku dizelu, ali bez dizelske konstrukcije.
Današnji motori: mješavina ideja
Moderni benzinski motori više nisu vezani samo uz jedan ciklus. Zahvaljujući varijabilnom upravljanju ventilima, izravnom ubrizgavanju, turbopunjenju, EGR-u i sofisticiranom softveru, motor može u različitim uvjetima rada mijenjati karakter. Pri opterećenju se može ponašati bliže klasičnom Ottovom ciklusu, a pri laganoj vožnji prebaciti se na učinkovitiji Atkinsonov ili Millerov princip.
To je posebno važno kod hibrida. U njima benzinski motor ne mora uvijek pružati trenutačnu snagu, jer elektromotor pokriva pokretanje, ubrzavanja i gradsku vožnju. Zato hibridni sustavi idealno odgovaraju motorima koji rade po Atkinsonovoj logici. Kod turbobenzinaca Millerov pristup omogućuje smanjenje potrošnje i emisija bez potpunog gubitka performansi.
U suštini, razlika se može objasniti vrlo jednostavno. Ottov ciklus je klasična ravnoteža snage i jednostavnosti. Atkinson žrtvuje dio snage radi bolje učinkovitosti, posebno u hibridima. Miller pokušava dobiti sličnu učinkovitost, ali uz pomoć drukčijeg upravljanja ventilima i često uz prisilno punjenje kako bi se nadoknadio manjak zraka.
Zato se iza današnjih oznaka često skriva više marketinga nego čiste povijesne preciznosti. Moderni "Atkinson" najčešće nije Atkinson u izvornom smislu, a "Miller" se ponekad preklapa s istim rješenjima. No ideja je ostala ista od kraja 19. stoljeća do danas - iz iste količine benzina izvući više korisnog rada, smanjiti gubitke i učiniti motor učinkovitijim bez potpunog napuštanja osnovnog četverotaktnog principa koji je pokrenuo automobilsku eru.
Za komentiranje je potrebno prijaviti se. Nemaš korisnički račun? Registracija je brza i jednostavna, registriraj se i uključi u raspravu.