Zašto proizvođači danas biraju Atkinsonov i Millerov ciklus i što je to?

Benzinski motori više ne rade svi na isti način. Atkinsonov i Millerov ciklus omogućuju manju potrošnju i veću učinkovitost, ali imaju i svoje nedostatke. Objašnjavamo što se zapravo događa u cilindrima i zašto su ove tehnologije sve popularnije

Desetljećima je gotovo svaki benzinski automobil koristio Ottov ciklus, nazvan po njemačkom izumitelju Nikolausu Ottu. Danas se, međutim, sve češće koriste  Atkinsonov i Millerov ciklus. Toyota je Atkinsonov način rada popularizirala u svojim hibridima, a Volkswagen i drugi proizvođači koriste Millerova načela u modernim turbobenzincima. Razlog je jednostavan, iz svake litre benzina žele izvući više korisnog rada, a manje otpadne topline.

foto: Dubravko Kolarić

Ottov ciklus: Dobra snaga, ali mnogo izgubljene energije

Klasični četverotaktni benzinski motor radi kroz četiri takta: usis, kompresiju, ekspanziju i ispuh. Klip usisava zrak, zatim ga sabija, svjećica pali smjesu, a tlak nastao izgaranjem potiskuje klip prema dolje.

Kod idealnog Ottova ciklusa omjer kompresije i ekspanzije jednak je. Takav koncept omogućuje dobar odnos snage, okretnog momenta i složenosti konstrukcije. No ima i nedostatak. Naime, dio energije goriva ostaje neiskorišten u vrućim ispušnim plinovima, a dodatni gubici nastaju pri regulaciji usisa zraka.

Zbog sve strožih zahtjeva za smanjenjem potrošnje i emisija proizvođači traže načine kako poboljšati učinkovitost bez potpunog odustajanja od benzinskih motora.

foto: Dubravko Kolarić

Atkinsonov ciklus: Manje snage, ali bolja učinkovitost

Atkinsonov ciklus temelji se na ideji da ekspanzija bude veća od efektivne kompresije. Jednostavnije rečeno, motor pokušava iz ispušnih plinova izvući više energije prije nego što ih izbaci.

U modernim motorima to se postiže kasnijim zatvaranjem usisnih ventila. Klip je već krenuo prema gore, ali ventil ostaje otvoren pa se dio zraka vraća u usis. Stvarna kompresija počinje kasnije, dok se nakon izgaranja plinovi mogu širiti tijekom cijelog radnog takta.

Rezultat je bolja toplinska učinkovitost i manja potrošnja. Nedostatak je što u cilindru ostaje manje zraka, pa motor iste zapremnine razvija manje snage i okretnog momenta.

Zato je Atkinsonov ciklus idealan za hibride. Elektromotor nadoknađuje nedostatak okretnog momenta, a benzinac može većinu vremena raditi u području najveće učinkovitosti. Toyota je takvu kombinaciju popularizirala još prvim Priusom 1997. godine.

foto: Dubravko Kolarić

Millerov ciklus: Slična ideja, ali uz pomoć turbopunjača

Millerov ciklus također smanjuje efektivnu kompresiju u odnosu na ekspanziju, ali se najčešće povezuje s motorima s prednabijanjem. U modernim izvedbama usisni ventili često se zatvaraju ranije, prije nego što klip dovrši usisni takt. Time se smanjuju gubici i temperatura tijekom kompresije, što omogućuje učinkovitiji rad i visoke geometrijske omjere kompresije.

Međutim, ranije zatvaranje ventila znači i manje zraka u cilindru. Tu pomaže turbopunjač, koji omogućuje zadržavanje dobrih performansi. Primjer je Volkswagenov 1.5 TSI evo, koji kombinira Millerov ciklus, turbopunjač promjenjive geometrije i napredno upravljanje ventilima. Tako postiže bolju učinkovitost pri djelomičnom opterećenju, bez velikog žrtvovanja snage.

Granica između Atkinsonova i Millerova ciklusa nije uvijek stroga. Oba koriste drukčije upravljanje usisnim ventilima, a nazivi se među proizvođačima i stručnjacima ponekad preklapaju.

Znači li to kraj Ottova izuma?

Ne baš. Atkinsonovi i Millerovi motori nisu potpuno drukčiji motori. Većinom je riječ o klasičnim četverotaktnim benzincima koji drukčijim radom ventila ostvaruju povoljniji termodinamički ciklus. Štoviše, moderni motori mogu prilagođavati rad ventila opterećenju. Pri mirnoj vožnji prednost daju učinkovitosti, a kada vozač snažno pritisne gas, mijenjaju način rada kako bi dobili više snage.

Upravo je ta prilagodljivost razlog njihove popularnosti. Atkinsonov ciklus izvrsno se uklapa u hibride, dok Millerov omogućuje učinkovitije turbobenzince. Ottova osnovna konstrukcija zato ne nestaje, nego evoluira. Budućnost benzinskih motora nije nužno u većoj snazi, nego u tome da što manje energije goriva završi kao neiskorištena toplina.