Ottův, Atkinsonův a Millerův cyklus: Jak fungují motory a proč se od sebe liší?

Moderní spalovací motory používají různé pracovní cykly, které zásadně ovlivňují výkon, spotřebu i charakter auta. Zatímco klasický Ottův cyklus pohání většinu benzinových vozů už více než sto let, Atkinsonův a Millerův cyklus se stále častěji objevují v hybridech nebo úsporných motorech. Jak mezi nimi fungují rozdíly a proč automobilky jednotlivé principy kombinují?

Ottův cyklus jako základ většiny benzinových motorů

Když se mluví o klasickém benzinovém motoru, většinou jde právě o motor pracující podle Ottova cyklu. Tento princip vytvořil německý konstruktér Nikolaus Otto už v 19. století a dodnes představuje základ většiny zážehových spalovacích motorů.

Ottův cyklus pracuje se čtyřmi základními fázemi:

• sání,
• komprese,
• expanze po zapálení směsi,
• výfuk.

Při sání se do válce dostává směs vzduchu a paliva. Následuje stlačení směsi pístem, její zapálení zapalovací svíčkou a následná exploze, která tlačí píst dolů. Poslední fáze odvádí spaliny ven z motoru.

Výhodou Ottova cyklu je především schopnost nabídnout dobrý výkon a rychlé reakce na plyn. Proto se používá v široké škále vozidel — od malých městských aut až po sportovní modely.

Nevýhodou je však nižší tepelná účinnost oproti některým modernějším variantám. Část energie se během spalování jednoduše ztratí ve formě tepla. Automobilky proto dlouhodobě hledaly způsoby, jak z klasického spalovacího motoru dostat více energie při nižší spotřebě.

Atkinsonův cyklus sází na vyšší účinnost

Právě snaha o vyšší efektivitu vedla ke vzniku Atkinsonova cyklu. Ten navrhl britský vynálezce James Atkinson už koncem 19. století jako alternativu k tehdejším spalovacím motorům.

Hlavní rozdíl spočívá v tom, že motor využívá odlišný poměr mezi kompresní a expanzní fází. V praxi to znamená, že expanze trvá déle než samotná komprese. Motor tak dokáže využít větší část energie vzniklé při spalování paliva.

Moderní automobilky toho dosahují hlavně pomocí specifického časování ventilů. Sací ventil zůstává krátce otevřený i během začátku kompresního zdvihu, takže část směsi se vrací zpět do sání. Efektivní kompresní poměr je tedy nižší než expanzní poměr.

Výsledkem bývá:

• nižší spotřeba,
• vyšší tepelná účinnost,
• menší emise,
• ale zároveň nižší výkon v nízkých otáčkách.

Právě proto se Atkinsonův cyklus často používá v hybridních automobilech. Elektromotor totiž dokáže kompenzovat slabší dynamiku spalovací jednotky při rozjezdech nebo akceleraci.

Typickým příkladem jsou hybridní modely značek Toyota nebo Lexus, které Atkinsonův cyklus využívají už řadu let. Díky spojení s elektromotorem mohou nabídnout velmi nízkou spotřebu zejména ve městě.

Millerův cyklus kombinuje účinnost a přeplňování

Dalším zajímavým řešením je Millerův cyklus. Ten vznikl později než předchozí dva principy a lze ho do určité míry považovat za evoluci Atkinsonova cyklu.

Také zde se pracuje s odlišným časováním ventilů a nižší efektivní kompresí. Rozdíl je ale v tom, že Millerův cyklus bývá často kombinován s přeplňováním pomocí turbodmychadla nebo kompresoru.

Motor tak může zachovat dobrou účinnost, ale zároveň nabídnout vyšší výkon než klasický Atkinsonův cyklus. Přeplňování totiž pomáhá dostat do válců více vzduchu a kompenzuje ztrátu výkonu způsobenou specifickým časováním ventilů.

Výhody Millerova cyklu jsou poměrně zajímavé:

• lepší účinnost než u běžného Ottova motoru,
• nižší spotřeba,
• nižší tepelné zatížení motoru,
• možnost zachovat solidní výkon.

Nevýhodou je naopak vyšší konstrukční složitost. Motor vyžaduje přesné řízení ventilů i sofistikovanější přeplňování. Vývoj a výroba takových jednotek bývají dražší.

Millerův cyklus se objevuje například u některých moderních přeplňovaných motorů značek Mazda nebo Audi, které hledají kompromis mezi dynamikou a nízkou spotřebou.

Proč automobilky kombinují různé principy?

Současné spalovací motory jsou mnohem složitější než dříve. Automobilky už většinou nepoužívají pouze čistou podobu jednoho konkrétního cyklu. Moderní jednotky často kombinují více principů najednou.

Důvod je jednoduchý. Každý pracovní cyklus má své silné i slabé stránky:

• Ottův cyklus nabízí dobrý výkon,
• Atkinsonův vysokou účinnost,
• Millerův kompromis mezi výkonem a úsporou.

Díky moderní elektronice, variabilnímu časování ventilů a přeplňování dokážou dnešní motory přepínat mezi různými režimy podle aktuální jízdy. Motor tak může při klidné jízdě fungovat úsporněji a při akceleraci nabídnout vyšší výkon.

Právě tato flexibilita je jedním z důvodů, proč spalovací motory stále zůstávají důležitou součástí automobilového průmyslu. Přestože elektromobily postupně získávají větší prostor, vývoj benzinových motorů rozhodně nekončí.

Naopak. Moderní konstrukce ukazují, že i klasický spalovací motor lze dál výrazně zdokonalovat — a právě Ottův, Atkinsonův a Millerův cyklus představují základní stavební kameny tohoto vývoje.

Zdroje:

• https://www.enginelabs.com/tech-stories/atkinson-miller-or-otto-internal-combustion-cycles-explained/
• https://www.researchgate.net/figure/Comparison-between-the-Otto-Miller-and-Atkinson-cycles_fig1_357089450
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S019689040600344X
• https://www.mdpi.com/2227-9717/9/6/1051