Harc a hatásfokért: az Atkinson- és a Miller-motorok

A fogyasztás csökkentése körüli felhajtás az erőforrások jelentős fejlődését hozta magával.

Csizsek Ádám
2014. 08. 29. 16:34
VéleményhírlevélJobban mondva - heti véleményhírlevél - ahol a hét kiemelt témáihoz fűzött személyes gondolatok összeérnek, részletek itt.

Az egyre kisebb étvágyért folytatott harcban számos eszközt bevetnek az autógyártók, legyen szó a tömegcsökkentésről vagy a légellenállással való bűvészkedésről, az igazán komoly hatást azonban a motorok hatásfokának javításával lehet elérni. Utóbbi kihat minden modellre, amelybe a konstruktőr beépíti az erőforrást, így egyetlen elem fejlesztésével az egész paletta étvágytalanabbá tehető. A motor hatásfokának növelése érdekében leginkább az egyszerűbben csökkenthető veszteségeket próbálják minél jelentősebben mérsékelni a szakemberek.

A motorikus veszteségek csoportjában ilyen például a mechanikai veszteség, tehát a súrlódás. Aztán ott vannak a töltetcsere-veszteségek, amelyek a szívórészen és a kipufogórészen keletkeznek. Emellett számolni kell a falveszteségekkel is, hiszen a megtermelt hő egy része a hengerfalon át a hűtőközegbe távozik. Viszonylag kézzelfogható tényezők ezek, melyekkel bizonyos határig képesek játszani a szakemberek, de természetesen vég nélkül nem lehet csökkenteni egyik veszteséget sem.

A motorikus veszteségeken kívül azonban van még egy nagy csoport, amely döntően befolyásolja a belső égésű motorok hatásfokát: az alapvető veszteségek. Az alapvető veszteségek lényegében a tökéletes motor veszteségei, és magából a munkafolyamatból erednek, s ami a legfontosabb: a motor konstrukciójával nem befolyásolhatók. Ennek megértése egyszerű: a munkafolyamat során termelt teljes hőmennyiséget az idő rövidsége és egyéb körülmények miatt nem tudjuk elvonni a közegből, ráadásul az ideálishoz képest befejezetlen terjeszkedés is jelentősen rontja a körfolyamat hatásfokát. Az égés során megnövekedett nyomású és hőmérsékletű gáz nem tud környezeti nyomásra és hőmérsékletre kiterjedni.

Az Atkinson-ciklus az Otto-ciklus módosítását jelenti úgy, hogy az Otto-motoroknak egy kedvezőtlen adottságát küszöbölik ki. James Atkinson angol mérnök volt, aki a belső égésű négyütemű motorhoz olyan forgattyús mechanizmust tervezett, melynél szívási és sűrítési ütemben a löket jóval rövidebb, mint munkavégzéskor és kipufogási ütemben. Ez volna az, amit eredeti Atkinson-ciklusú motornak nevezünk. Ezzel az eljárással az akkori Otto-motorok hatásfokát jelentősen növelni lehetett, ám a megoldás mechanikai szempontból a hagyományos motoroknál jóval bonyolultabb rendszert jelent, összetett mechanizmus, számos csapággyal és csatoló elemmel. A hatásfok javulásának oka egyértelmű, a hőtan legmélyebb bugyrainak megjárása nélkül is érthető: az alapvető veszteségeknél említett hátrányokat javítja bizonyos mértékben az Atkinson-féle szerkezet, hiszen a munkavégzés ütemében a gáz a növelt lökethossz miatt alacsonyabb nyomásra és hőmérsékletre expandál, a kipufogási ütemben pedig hatékonyabb a töltetcsere.

Az ilyen bonyolult és drága megoldások ma már szóba sem jöhetnek, a mérnökök az Atkinson által felállított alapelvet próbálják meg a lehető legegyszerűbb és legmegbízhatóbban működő technikai keretek között megoldani. Erre kiváló példát nyújtanak a Toyota által gyártott motorok, amelyeket a hibrid modellekben is megtalálunk, sőt dinamikusan változó formában hagyományos típusokban is fellelhetők.

A mérnökök azt az elvet vitték tovább, miszerint a hatásfok növelhető, amennyiben a kompresszióviszony kisebb, mint az expanzióviszony. Ezzel egyetemben az égés csúcshőmérséklete és csúcsnyomása is kisebb, ami csekélyebb nitrogén-oxid-emissziót eredményez. A sűrítési ütem elején a szívócsőbe visszatolt levegőmennyiség mellesleg növeli a pillangószelep és a szívószelepek közötti gáznyomást, ami magára a töltetcserére is jó hatást gyakorol. Az elvet pedig egyszerűen valósítják meg: a szelepek nyitásának időzítésével. A szívószelep zárása a hagyományos elven működő belső égésű motorhoz képest késleltetett, jóval az alsó holtpont elérése után megy végbe. Bizonyos irodalmak ezt külön folyamatként visszaszívásnak említik, méghozzá joggal, hiszen a sűrítési ütem elején is nyitva tartott szívószelep miatt a sűrítési viszony lényegében szabadon, az adott körülményeknek és állapotoknak megfelelően állítható be, csökkentve ezzel a fogyasztást.

Erre még 1947-ben egy amerikai mérnök, Ralph Miller jött rá. A szakember jó meglátása volt, hogy az Atkinson által felvázolt elv megvalósításához nem a lökethosszt kell változtatni. Ennek módja az az említett módszer, hogy a szívási ciklus végén nem záródik le a szívószelep, hanem tovább nyitva marad. Miller két- és négyütemű, feltöltött gáz- és dízelmotoroknál alkalmazta ezt a fajta szelepvezérlést, amellyel az égési csúcsnyomás és a mechanikus terhelés mérséklődik, a középnyomás nő. Ennek a motornak a modern átiratát Atkinson–Miller-ciklusú motornak is nevezik, de a legtöbb helyen csak Atkinson-motorként szerepel.

Természetesen a növelt hatásfok mellett hátrányok is jelentkeznek, ilyen például az azonos hengerűrtartalmú Otto-motorhoz képest kisebb csúcsteljesítmény. Emellett az alacsony fordulatszám-tartományokban kevésbé hatékony az Atkinson-ciklusú motor, ami miatt leginkább a közepes tartományra optimalizálják a mérnökök ezeket a szerkezeteket. Manapság a gyártók, amelyek ezt a technikát alkalmazzák, Atkinson-, Atkinson-ciklusú vagy Miller-ciklusú motornak nevezik gyártmányukat. A különbség mindösszesen annyi, hogy az alkotók tevékenységét figyelembe véve a szívómotorok esetében az Atkinson-, feltöltött erőforrások esetében a Miller-ciklusú jelző használatos.

Ne maradjon le a Magyar Nemzet legjobb írásairól, olvassa őket minden nap!

Google News
A legfrissebb hírekért kövess minket az Magyar Nemzet Google News oldalán is!

Portfóliónk minőségi tartalmat jelent minden olvasó számára. Egyedülálló elérést, országos lefedettséget és változatos megjelenési lehetőséget biztosít. Folyamatosan keressük az új irányokat és fejlődési lehetőségeket. Ez jövőnk záloga.