După cum am descris deja într-un articol anterior, munca lui James Atkinson a devenit inevitabilă în istoria dezvoltării motoarelor cu combustie internă și ar putea fi considerată o "îmbunătățire" ; ciclul Otto. Cu toate acestea, aceasta nu a fost singura soluție la problemă: ciclul Miller, care promite rezultate similare, a predominat în cele din urmă asupra soluției lui Atkinson și îl putem întâlni cu o frecvență mare și astăzi.

În articolul de mai jos, prezentăm ciclul Miller în raport cu ciclurile Otto și Atkinson și evidențiem de ce s-a dovedit în cele din urmă a fi alternativa mai fezabilă.

Ciclul Otto și de ce nu este suficient de bun

Este important să ne amintim că, oricare ar fi ciclul termodinamic, toate acestea implică un fel de pierdere. Acestea includ ciclurile Otto și Diesel (both four-stroke and two-stroke). Nu putem construi un motor termoelectric care să nu emită căldură reziduală - dar am putea menționa și faptul că, de exemplu, în cazul motoarelor cu patru trepte, unitatea funcționează doar într-o singură fază, restul este necesar pentru pregătirea sa.

Ciclurile Otto și Diesel – curbele sunt pierderile termodinamice (Sursă: www.lezo.hu)

Odată cu răspândirea mașinilor electrice, se pune din ce în ce mai mult accent în mass-media pe cât de mult mai puțin favorabilă este eficiența generală a motoarelor pe benzină și diesel în comparație cu motoarele electrice.

Ei bine, aceasta nu este o exagerare, întârzierea este cu adevărat semnificativă și se datorează în mare parte eficienței termice slabe. Numai motoarele diesel cu funcționare lentă destinate navelor se apropie de o eficiență similară cu cea a hibridelor, în jur de 40-50%, în multe cazuri un motor pe benzină aspirată și nu ajunge nici măcar la 30%, în comparație cu propulsia electrică care poate ajunge la peste 90%.

Inginerii erau conștienți de acest lucru înainte, așa că au încercat să minimizeze pierderile în toate modurile posibile.

Cantitatea de energie care poate fi extrasă din motorul cu combustie internă este determinată în primul rând de diferența dintre energia extrasă în timpul ciclului de lucru și cerința de energie a compresiei anterioare. În plus, trebuie să luăm în considerare pierderile schimbului de încărcare, precum și pierderea mecanică care rezultă din mișcarea motorului.

Din punct de vedere termic, o problemă specială este că, la sfârșitul ciclului de lucru, presiunea amestecului de gaz încă fierbinte nu poate fi utilizată pe deplin de cilindru, iar energia rămasă este pur și simplu eliberată în aer liber.

Soluția lui Atkinson

James Atkinson a încercat și el să rezolve acest lucru. Conform ideii sale, cursa de expansiune, unde se lucrează, nu trebuie să aibă aceeași lungime ca și cursa de aspirație. În cazul în care o construcție fixă a bielei, această idee este nepractică, astfel încât dezvoltarea unui nou mecanism a fost necesară pentru implementarea reală a ciclului teoretic Atkinson.

Primul motor Atkinson din 1887 (source: www.wikipedia.org)

Această soluție complexă conduce crankshaft-ul astfel încât, în timpul celor patru bătăi ale motorului, astfel încât în timpul a două mișcări înainte și înapoi ale pistonului, crankeshaft-ul se rotește o singură dată. În acest timp are loc o perioadă completă de mișcare a mecanismului de modificare a lungimii șocului.

Similar principiului original, pistonul se deplasează mai puțin în timpul curselor de admisie și compresie ale motorului decât în timpul curselor de lucru și evacuare. În consecință, eficiența termică a motorului a fost crescută făcându-l comparabil cu un motor Otto obișnuit în ceea ce privește pierderea de energie în timpul aspirației și compresiei, în timp ce din punct de vedere al câștigului de energie poate fi comparat cu un motor cu un raport de compresie mult mai mare sau deplasare mai mare.

Cu toate acestea, soluția nu a fost interesantă pentru producători pentru o lungă perioadă de timp, deoarece avea un mecanism care era prea complicat și scump de reparat. Honda și Toyota au introdus mai multe familii de motoare în anii 2000 care au condus vehicule folosind ciclul Atkinson, dar mai târziu au trecut și la soluția discutată în capitolul următor.

Ciclul lui Miller

Ralph Miller a gândit în mod similar cu James Atkinson, cu avantajul că brevetul acestuia din urmă ar fi putut servi ca inspirație pentru el, deoarece munca lui Miller poate fi datată anilor 1940.

Miller s-a concentrat pe ciclul Diesel: scopul său a fost să limiteze generarea de căldură la motoarele diesel de înaltă compresie prin încărcare parțială. La acea vreme, acesta s-a dovedit a fi un fenomen dificil de controlat iar temperatura excesiv de ridicată au supraîncălzit lubrifiantul, arzând pelicula de ulei și reducând radical durata de viață a motoarelor.

Abia mai târziu a devenit clar că ciclul Miller poate fi folosit și pe motoarele pe benzină cu 4 cicluri.

In acest din urma caz, circuitul modifica funcționarea motorului Otto în masura în care lasa supapa de admisie deschisa mai mult timp. Rezultă că rata de compresie este împărțită în două părți: în prima etapă, compresia începe în timp ce supapa este încă deschisă; se închide deja în a doua parte a mișcării. Datorită acestei caracteristici, se mai numește și motor cu cinci cicluri.

Adevăratul avantaj care a oferit în cele din urmă ciclului Miller avantajul asupra lui Atkinson este simplitatea construcției: motoarele cu ciclu Miller sunt aproape imposibil de distins din punct de vedere structural de un motor Otto cu sincronizare variabilă a supapelor. Funcționarea diferă prin aceea că supapa de admisie este întotdeauna închisă în timpul cursei de compresie în motorul Otto, în timp ce este parțial deschisă în Miller.

Acest lucru are, desigur, și un dezavantaj: din cauza umplerii parțiale, raportul de performanță și greutate se deteriorează. Cu toate acestea, pierderea de compresie este redusă într-o asemenea măsură încât eficiența motorului crește totuși. Deși performanța nu va fi neapărat mai mare cu aceeași deplasare, diferența în cantitatea de propulsor utilizată poate fi observată în favoarea ciclului Miller.

Aplicații practice

După anii 2000, mult mai multă atenție a fost acordată emisiilor mașinilor (și consumului lor), aceste soluții alternative au început treptat să se răspândească.

Mazda Millenia - motorul KJ-ZEM cu ciclu Miller (Sursă: www.wikipedia.org)

Acest tip de motor poate fi găsit la Mazda Millenia, la multe Toyotas, la vehiculele grupului VW-Audi echipate cu codul motorului EA888 și acei producători care dezvoltă încă motoare cu combustie internă astăzi aproape sigur au cel puțin unul dintre acestea în gama lor.