Cykl Atkinsona-Millera - sposób na oszczędniejsze silniki

Co zrobić, by lepiej wykorzystać energię zawartą w spalinach? Należy je rozprężać "dłużej", czyli zwiększyć stopień rozprężania. W silnikach pracujących wg obiegów Otta i Diesla stopień rozprężania równy jest stopniowi sprężania.

Mówiąc dokładniej, jest to iloraz objętości komory spalania, gdy tłok znajduje się w dolnym martwym położeniu do analogicznej objętości, gdy tłok znajdzie się w górnym martwym położeniu.

Chcąc zwiększyć rozprężanie spalin, musimy podwyższyć także stopień sprężania. Problem w tym, że w silnikach z zapłonem iskrowym nie może on przekraczać 10-12. Zastosowanie wyższych wartości skutkuje przekroczeniem poziomu bezpiecznych ciśnień w cylindrze i spalaniem stukowym.

Już w 1887 r. James Atkinson zaproponował mechanizm rozwiązujący ten problem. Widoczny powyżej specyficzny układ korbowo-tłokowy sprawiał, że skok tłoka w suwach pracy i wydechu był większy niż w suwach ssania i pracy. Dzięki temu stopień rozprężania był wyższy od stopnia sprężania. Ciekawostką jest fakt, że wszystkie cztery suwy odbywały się w ciągu jednego obrotu wału korbowego.

Oczywiście skomplikowany mechanizm zaproponowany przez Atkinsona nie przyjął się. Szukano prostszego rozwiązania. Okazało się, że podobne efekty można osiągnąć, modyfikując fazy rozrządu.

Wystarczy tylko opóźnić zamknięcie zaworu dolotowego, tak aby następowało już w czasie suwu sprężania. Dopóki zawór nie jest zamknięty, dopóty nie następuje sprężanie mieszanki, ponieważ cofa się ona do kolektora dolotowego.

W ten sposób można uzyskać np. rzeczywisty stopień sprężania (mierzony od zamknięcia zaworu dolotowego) wynoszący 10 przy geometrycznym stopniu sprężania (mierzonym od dolnego martwego położenia tłoka) równym 13. Proporcje te można regulować, wykorzystując mechanizm zmiennych faz rozrządu. Silniki wykorzystujące tę metodę zdobyły popularność w konstrukcjach hybrydowych m. in. w Toyocie Prius.

Minusem silników pracujących wg obiegu Atkinsona jest niższa moc z litra pojemności. Wynika to ze sprężania mniejszej ilości mieszanki - krótszego suwu sprężania. By temu zaradzić, zaproponowano wyposażenie silnika w sprężarkę doładowującą. Takie konstrukcje określa się najczęściej jako pracujące w cyklu Millera.

Nadal istniej spór, które silniki powinno się nazywać pracującymi w cyklu Millera, a które w cyklu Atkinsona. Niektórzy określają tym pierwszym terminem wszystkie silniki ze skróconym suwem sprężania dzięki późniejszemu zamknięciu zaworu dolotowego, inni ograniczają termin "cykl Millera" tylko do silników doładowanych.

Na zdjęciu otwierającym wpis widoczny jest silnik Mazdy pracujący w cyklu Millera. Wyposażony jest on w sprężarkę mechaniczną Lysholma. Pomysł wydaje się dziwny, bo przenosi część pracy sprężania straconą na skutek krótszego suwu do zewnętrznego kompresora. Potencjalne oszczędności mają wynikać z większej sprawności zewnętrznej sprężarki i ograniczenia strat mechanicznych silnika, który na skutek doładowania ma niższą pojemność skokową.

Niedawno koncepcja powróciła wraz z nowym 98-konnym silnikiem 1.2 HR12DDR Nissana przeznaczonym do Micry. Także on pracuje w cyklu Millera i ma zewnętrzną sprężarkę. Geometryczny stopień sprężania wynosi aż 13. Sprężarka może być odłączana, dzięki czemu ograniczane są straty przy niskich obciążeniach. Nissan mówi o emisji CO2 wynoszącej 95 g/km, co odpowiada 4 litrom benzyny na 100 km. To może być rewolucja.