Miller für Massen

Zatímco idealisté tiše sní svoje sny o elektromobilitě a investoři Tesly začínají být mírně nervozní, dochází nenápadně k dalšímu technologickému posunu v oblasti spalovacích motorů. Mazda zcela evidentně připravuje HCCI a Volkswagen se rozhodl předhodit lidu Millerův cyklus.

Tento článek bude hlavně o tom druhém tématu, protože na HCCI si nějak netroufám. Je to poměrně komplexní problematika a je těžké ji podat tak, aniž by se čtenář unudil k smrti. O Millerově cyklu teď budeme hodně slyšet. Třeba rozboru od motoristické sekce Kosteleckých uzenin, jinak k nalezení na stránkách auto.idnes.cz, se už nemohu dočkat.

Millerův cyklus není součástka ani to není změna pracovního cyklu motoru s interním spalováním, jak ho už léta známe. Je to „jen“ jiný způsob řízení takového motoru. U tradičního motoru probíhá nepracovní (kompresní) zdvih stejně dlouho jako pracovní (expanzní), takže kompresní i expanzní poměr jsou stejné. Kdyby byl nepracovní kompresní zdvih kratší než expanzní, získali bychom teoreticky více energie. Tlak ve válci na konci delšího expanzního cyklu by byl rovný atmosférickému nebo dokonce nižší, a protože tlak a teplota spolu souvisejí, odebrali bychom více tepla ze stejného objemu směsi paliva se vzduchem, jinak řečeno, termodynamická účinnost by vzrostla a odpadní teplo, které vyletí výfukem nebo se přenese do dalších částí motoru, by kleslo.

Přesně na tomto principu je založen historicky první cyklus s nesouměrným kompresním a expanzním zdvihem. Jistý Atkinskon koumal, jak obejít patent inženýra Otta. Ten si totiž patentoval čtyřdobý motor. Vymyslel motor, který měl dvě ojnice na jednom pístu, krátkou a dlouhou, a díky vhodné a trochu bizarně vyhlížející kinematice se při expanzním „zdvihu“ píst pohyboval při expanzi po kratší dráze než při kompresi. Motor tak vykonal celý čtyřdobý cyklus během jedné otáčky klikové hřídele. Moc se to neuchytilo, především pro mechanickou složitost. Schéma fungování zde.

Stejný efekt se dá dosáhnout i při standardním uspořádání motoru změnou časování ventilů. Sací ventil se za běžných okolností uzavírá zhruba v momentě, kdy píst dosáhne dolní úvrati. V případě Atkinsonova cyklu se tak stane se zpožděním, takže je část obsahu válce vytlačena zpět do sání. To má kromě uvedeného zvýšení účinnosti ještě další pozitivní efekt, totiž snížení pneumatických ztrát z čerpání směsi a výfukových plynů, protože klesne podtlak v sání. Dále dochází k lepšímu promíchání celé směsi, do kterého bychom jinak museli investovat další energii (vířivé klapky) a tak motor může fungovat na chudší směs při zachování původních provozních a emisních parametrů. Celé se to pochopitelně neodehraje zadarmo, část obsahu válce „vyvržená“ zpět do sání nevyprodukuje žádnou energii, takže se to celé chová jako snížení zdvihového objemu. Atkinsonův cyklus tedy mění účinnost za specifický výkon, jinak řečeno, motor se stejným objemem aplikující Ottův cyklus bude vždy podávat vyšší výkon než stejný motor v Atkinsonově cyklu. Množství obsahu válce, které je navraceno do sání, je celkem vysoké, kolem 20-30%, u motorů v hybridech kolem 50%. Motor o zdvihovém objemu 2 litry pak bude pocitově fungovat asi jako 1,1 l. Z Atkinsonova cyklu lze tak těžit především v režimu nižší zátěže, zatímco pro vyšší výkon je na místě ho zrušit. Motory s Atkinsonovým cyklem mají i svoje nedostatky, jako například větší sklon ke klepání a nutnost vyšších volnoběžných otáček, a protiopatření někdy požerou větší část úspor ze zvýšené účinnosti.

Ke stejnému efektu jako pozdějsí otevření sacího ventilu by vedlo naopak jeho předčasné zavření. To povede k tomu, že nad pístem směřujícím do dolního bodu úvrati vznikne vakuum. Funguje to do jisté míry jako vzduchová pružina, která zase následně táhne píst nahoru. Za jistých okolností je tato strategie výhodnější. Kdo se chce dozvědět více o různých strategiích řízení sacích ventilů, může se mrknout sem.

Aktinsonův cyklus se uplatňuje především v hybridech, kde deficit výkonu při maximální zátěži nevadí (kompenzuje jej elektromotor). Nějakým způsobem je ale často přítomný ve většině aut, která mají variabilní časování vačkové hřídele na straně sacích ventilů. Například u motorů Peugeot/BMW THP z řady Prince, což jsou jinak legendární křápy především díky karbonování ventilů, existují varianty, které na karbonování ventilů vůbec nejsou náchylné. Shodou okolností mají variátor na sací straně, zbytek si můžete domyslet. Na druhé straně to neznamená, že když má motor variátor vačkové hřídele nebo nějaký systém ovládající zdvih ventilů, že automaticky vždy realizuje Atkinsonův cyklus. Přijde na to, jak je celý motor nastavený, někdy mají tyto systémy úplně jiný účel, totiž měnit úhel natočení vačky a tím vylepšovat momentovou charakteristiku, realizovat interní EGR nebo řídit akceleraci místo škrtící klapky (BMW Vanos, FIAT Multiair).

Millerův cyklus je podobný Atkinsonovu cyklu, ale potřebuje kompresor nebo turbodmychadlo. I zde dochází ke zpoždění uzavření sacího ventilu, přičemž píst pracuje proti turbodmychadlu. Původní Millerův design z roku 1957 počítal s expanzním prostorem v sání, Rootsovým kompresorem a přídavným ventilem v každém válci, který měl proměnný zdvih, otevíral se podle zatížení motoru a vracel část obsahu válce zpět do sání v závislosti na zatížení. Obecně mohou nastat dvě výhody. Vzduch dodaný turbem prošel mezichladičem, takže má od počátku nižší teplotu, a „nestlačováním“ vzduchu na začátku pohybu pístu se také neprodukuje teplo, takže teplota spalování klesne, tím se oddálí tendence ke klepání a lze zvýšit kompresní poměr. Dalším pozitivním efektem je překlenutí omezení daného tím, že doba otevření sacího ventilu je limitující pro efekt přeplňování. Pokud zůstane ventil otevřený déle, lze také déle plnit válec směsí, pokud je kompresor schopný dodávat potřebný protitlak. Nicméně i tady platí nevýhoda popsaná v Atkinsonově cyklu, totiž nižší specifický výkon. K tomu se přidává fakt, že se sníží účinnost přeplňování. Turbo vyrábí energii ze zbytkového tepla, které je obsaženo ve výfukových plynech (jak jsme probrali zde). Pokud by se Atkinsonův cyklus uplatnil beze zbytku, žádné zbytkové teplo ve výfukových plynech nebude a turbo bude roztáčet jen kinetická energie výfukových plynů. Celý systém by pak vytvářel energetickou ztrátu.

Světové prvenství v prakticky použitelném motoru s Millerovým cyklem nese Mazda (zde je promo video z roku 1993) a na český trh se dostal v modelu Xedos 9 s motorem V6 2.3 l označeným KJ-ZEM. O přeplňování se staral šroubový kompresor Lysholm. Toto vozidlo tak nějak podlétává pod radarem milovníků youngtimerů, možná neprávem. Motor získal celou řadu ocenění a byl docela spolehlivý, současně se na něm projevovaly hlavní nedostatky – hlučnost, lenivější projev a pomalé zahřívání. Mazda se k Millerově cyklu „vrátila“ na počátku ekologického magoření v roce 2009 s motorem MZR 1.3 v Mazdě 2. Motor neměl přeplňování, takže se vnucuje otázka, jak vlastně Millerův cyklus realizoval, protože v tom Millerově patentu je přeplňování zmíněno všude jako nezbytná podmínka. Spíše se tedy jednalo o marketingový odkaz na slavnou technologii Xedosu.

VW s teorií Millerova cyklu už zalaškoval v roce 2015 u příležitosti modernizace motoru EA888 v provedení 2.0 pro Audi. EA888 je velmi pokroková pohonná jednotka, která ve svých prvních generacích měla tolik chyb, že se různé evoluce a modernizace soustředily hlavně na to, aby to začalo alespoň fungovat. Postupem času a za hodně peněz se podařilo motor hrůzy dovyvinout do stavu, ve kterém měl být od počátku a implementovat do něj nějaká vylepšení. Nicméně VW odmítal jasně říci, zda motor používá Millerův cyklus a označovali to jako „technologii blízkou Millerově cyklu“, whatever it is. Podle parametrů zavírání ventilů, které jsou dostupné v jejich servisní databázi, použili nikoli zpožděné zavření ventilů, ale naopak zavření předčasné („vzduchová pružina“ popsaná výše). Audi se nechalo slyšet, že s další evolucí motoru EA888 dojde do stavu, kdy bude mít benzínový motor stejnou účinnost jako naftový, což jistě nebude platit v celém rozsahu výkonu.

Nicméně motor primárně určený pro Audi A4 pořád nebyla technika pro masy, to se děje až teď. Motor 1.5 totiž najde místo i ve skutečných lidových vozech, jako je Golf 7, Octavia nebo Seat Ibiza.

Konstrukce Volkswagení EA211 evo i parametry výše popsané teorii odpovídají. Na přední straně motoru se nachází fešácký mezichladič o rozměrech, které musejí každého petrolheada potěšit. Mezichladič není tedy umístěn v sání jako u starších TSI, ale před škrtící klapkou, takže odpadne otravné snižování výkonu kvůli ochraně komponent sání, které praktikují motory TSI nyní. Díky lepšímu odvodu tepla mohl VW jít na kompresní poměr 12,5 : 1. Zvýšení zdvihového objemu na 1,5 litru není příznakem konce downsizingu, jak někteří dovozují, ale důsledkem toho, že si VW udělal prostor na popsanou realizaci asymetrického čtyřdobého cyklu. VW do motoru naimplementoval i další fíčury, jako například VTG turbo s elektromechanickým ovládáním lopatek. VTG turbo nebylo u benzínových motorů až doteď vůbec obvyklé, a v mainstreamu už vůbec ne, a to právě kvůli vysoké teplotě výfukových plynů. Nezbývá než doufat, že když už koncern věnoval tolik energie do engineeringu procesu plnění a spalování, neudělá obvyklé fatální chyby někde jinde, například nepoužije rozvodový řetěz z bicyklu, low cost senzory se životností tři roky nebo pístní kroužky symbolické šířky a těsnosti.

05.02.2017 D-FENS

Související články: