PRÁCE 🧰

Co je to Ottův, Atkinsonův a Millerův cyklus?

17. 1. 2022 5 min. čtení diskuze (0) Tipy a rady

Spalovací motory vykonávají práci. To ví všichni. Jenže už spousta lidí netuší, jak vlastně. Sání-komprese-… To jsou základní premisy z fyziky ze základní školy. Ale když do toho dáte jména jako Sadi Carnot, Nicolas August Otto, James Atkinson nebo Ralph Miller, je v koncích i spousta poučených.

Co je to Ottův, Atkinsonů a Millerův cyklus?

Všichni výše zmínění vynálezci přitom pracovali na tom samém – na oběhu spalovacího motoru. Každý pracoval na základech svého předchůdce a těch 150 let vývoje spalovacího motoru je samozřejmě znát.

Carnotův cyklus

Je to ideální vratný cyklus termodynamického stroje. Důležité je slovo ideální. Sadi Carnot totiž vypracoval teoretický termodynamický oběh, který nikdy nemůže být dosažen. Můžeme se k němu blížit, ale jen v pečlivě namodelovaných laboratorních podmínkách, ale stejně ho nikdy nedosáhneme. Jde o limitní mez s nejvyšší účinností, přes kterou prostě nelze jít.

Carnotův cyklus

Carnotův cyklus

V čem spočívá? Jde vlastně o termodynamický děj, kdy nesdílíme energii s okolím. Veškerá energie je spotřebována. A tak na T-s diagramu (teplota-entropie) můžeme vidět přesný obdélník s dvěma izotermickými (neměnná teplota) a dvěma adiabatickými ději (děj bez sdílení tepla s okolím). Pokud bychom zapsali Carnotův cyklus do p-V diagramu (tlak-objem), najdeme zde jakýsi sražený lichoběžník. Samozřejmě jde o skutečně ideální stav, který nejde nikdy dosáhnout. Například izotermy mají v p-V diagramu (takzvaný indikátorový diagram) tvar přibližný funkce y=1/x apod. Přesto můžeme říct, že práce vykonaná plynem při Carnotově cyklu je plochou určenou křivkou diagramu p-V a je rovna rozdílu tepla přijatého při teplotě T1 a odevzdaného při teplotě T2.

Ottův cyklus

Nicolas August Otto pokračoval v tom, co začal Carnot. Jenže teď už ne teoreticky, ale pěkně v praxi. Zvýšil tlak ve válci (kompresní poměr) a už od roku 1860 začal dělat pokusy se skutečnými spalovacími motory. Musel překonat extrémně těžké protivenství, když například znalosti materiálové technologie tehdejší doby zcela nedostačovaly stavbě takového stroje. Jistě, parní stroj už dávno pracoval, ale spalovací motor potřeboval něco úplně jiného, než těžké litinové bloky.

Ottův motor následně vykázal prvky posunutého Carnotova cyklu. Samozřejmě, že dost výrazně posunutého. Jde například o to, že píst při pohybu z dolní do horní mezi výfukem a sáním vykonává zápornou práci – spotřebovává ji. Ale právě Otto položil základní kámen ke spalovacím zážehovému motoru, kterému velká část světa stále neřekne jinak než Ottův motor.

Co to je?

Podívejme se na indikátorový diagram v ideálním tvaru, tedy se zanedbáním právě bez záporní práce. Objevíme zde několik zásadních bodů.

  • Mezi body 1 a 2 probíhá adiabatická komprese, tedy píst ve válci stlačuje směs.
  • Mezi body 2 a 3 najdeme izochorický přívod tepla. To znamená, že směs zde hoří.
  • Mezi body 3 a 4 pak expanduje spálená směs v adiabatickém ději.
  • Mezi body 4 a 1 izochoricky odvádíme teplo pryč – probíhá výfuk.

Ottův cyklus

Ottův cyklus

Ottův cyklus

Pokud bychom zabředli do termodynamických rovnic, vlastně bychom vycházeli z premisy, že účinnost takového oběhu je rovna poměru práce vykonané během jednoho cyklu dělené teplem dodaným do oběhu. Kratším výpočtem, který snadno najdete i na internetu se dopídíme rovnice, kde zjistíme, že účinnost motoru je přímo závislá na kompresním poměru! Ovšem, opět musíme říct, že tu je hromada dalších omezení a výsledek je stále jen pro jakýsi idealizovaný oběh. Nebudeme zabíhat dál do podrobností. Pro další vysvětlení tohle stačí.

Atkinsonův cyklus

Je zajímavé, že James Atkinson vlastně vůbec nic o spalovacích motorech nevěděl a jeho zájem byl původně zaměřený na parní stroje. Jenže pak se díky svým konstruktérským zkušenostem stal ředitelem British Gas Engine Co. a ponořil se do experimentování se spalovacími motory. Využil hned několika svých nápadů k vytvoření zajímavých technických tezí, které přetavil i do patentů. Jeho protilehlým pístovým motorem (nazvaný diferenciální motor, který bohužel už kvůli posunu k elektromobilitě nestačili konstruktéři rozpracovat do výrobní podoby) se zabývat nebudeme, ale přesuneme se k takzvanému „Cycle engine“. Ten všechny čtyři cykly dokázal vměstnat do jedné otáčky klikového hřídele. Ovšem při této konstrukci Atkinson zjistil, že na konci Ottova cyklu je ve válci ještě dost vysoký tlak, který je nevyužit. Ten vyletí ven s otevřením výfukových ventilů. Je k ničemu a vlastně způsobuje ztráty. Atkinson pomocí speciálního mechanismu nechává otevřený sací ventil i po určitou dobu komprese. Při pohybu hlavy pístu dolů se čerpá nová směs. V určitém místě zdvihu pístu je sací ventil uzavřen. Účinkem toho je zkrácení komprese a snížení spotřeby paliva. Když se nad tím zamyslíte, zjistíte, že expanzní poměr válce je větší než kompresní poměr.

Atkinsonův cyklus

Janes Atkinson vs. James Henry Atkinson

Pokud někdy budete hledat informace o tomto vynálezci a hlavně velmi precizním inženýrovi, nespleťte si ho s jeho jmenovcem, který ovšem má ještě prostřední jméno Henry. Byl to také vynálezce. Ovšem v jiném oboru. Má víc patentů než pro nás důležitý James Atkinson a možná je také využíváte. Nechal si totiž patentovat hned několik typů pastí na myši.

Millerův cyklus

Zde můžeme říct, že funguje obdobně jako Atkinsonův cyklus, jenže pracuje s přeplňováním, takže potřebuje přesně opačný systém. A tak zde dochází ke zkrácení komprese při zachování stejně dlouhé expanzní fáze. Nižší teplota, zapříčiněná zkrácením kompresní fáze, je kompenzována vyšším plnícím tlakem.

Millerův cyklus

Srovnání

Jak jste si všimli, Atkinsonův i Millerův cyklus jsme přeskočili co do jejich termodynamického hodnocení. Bylo to záměrné. Výpočtové vztahy jsou zde výrazně složitější. Raději se zaměřme na výsledky těchto cyklů. Oba totiž vykazují několik hlavních shodných prvků:

  1. Snižují spotřebu, protože lépe využívají energii
  2. Díky tomu, že energií neplýtvají, lépe se roztáčí
  3. Mají nižší výkon než Ottův cyklus

Srovnání - Ottův, Atiknsonův a Millerův cyklus

Jen letmý pohled na výše uvedené tři body ukazuje, že Ottův, Atkinsonův i Millerův cyklus je vhodný jen v některých fázích. To byl problém až do doby, kdy se přišlo s variabilním časováním ventilů. Výrobci do té doby totiž museli počítat s jednou nebo druhou variantou. S časováním ventilů se však dokázaly spojit výhody obou (samozřejmě hovoříme o Atkinsonově + Ottově cyklu a Millerově + Ottově cyklu) systémů. A tak v přechodových fázích (např. rozjezdy) je použit novější systém, při potřebě výkonu pak Ottův režim.

Stejně tak se Atkinsonův a Millerův cyklus uplatnil v moderních hybridních motorech. Tady se už nemusí přemýšlet nad tím, kde a jak otevírat ventily. Nižší výkon je nahrazován prací elektromotorů, takže se zde naplno využívá nízké spotřeby těchto oběhových variant.

Zdroj info: Wikimedia Commons, Researchgate.
Zdroj médií: Researchgate.

Podobné články