Az autógyártók fejlesztésének középpontjába az utóbbi években minden kétséget kizáróan a motorok kerültek. Noha fontos a karosszéria, a futómű és persze az utastér is, valamint a formaterv sem elhanyagolandó rész, mégis, a fogyasztás csökkentése körüli felhajtás, az NEDC fogyasztásmérés minél kisebb értékkel való abszolválása az erőforrások hihetetlen fejlődését hozta magával.

Az egyre kisebb és kisebb étvágyért folytatott harcban számos eszközt bevetnek az autógyártók, legyen szó a tömegcsökkentés fegyveréről vagy a légellenállással való bűvészkedésről, az igazán komoly hatást azonban a motorok hatásfokának javításával lehet elérni. Utóbbi kihat minden olyan modellre, amelybe a konstruktőr beépíti az erőforrást, így lényegében egyetlen elem fejlesztésével az egész paletta étvágytalanabbá varázsolható.

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, amelyet különféle anyagok, bevonatok alkalmazásával, a felületek megmunkálásának minőségével és a kenőanyaggal tudnak befolyásolni. Aztán ott vannak a töltetcsere-veszteségek, amelyek a szívórészen és a kipufogórészen ébrednek. A beszívott levegő nyomása ugyanis szívómotor esetében kisebb a légköri nyomásnál a szívási veszteség miatt, s hőmérséklete is magasabb a forró alkatrészek okozta felmelegedés következtében, épp ezért a beszívott levegő kevésbé sűrű. Emellett számolni kell a falveszteségekkel is, hiszen a megtermelt hő egy része a hengerfalon át a hűtőközegbe távozik.

Viszonylag kézzel fogható korlátok 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 és drasztikusan befolyásolja a belsőégésű motorok hatásfokát: az alapvető veszteségek. Az alapvető veszteségek lényegében a tökéletes motor veszteségei és magából a munkafolyamatból erednek, és ami a legfontosabb, a motor konstrukciójával nem befolyásolhatóak.

Sabathé körfolyamat p-V és T-s diagramban ábrázolva

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 expandálni, kiterjedni.

Noha a legismertebb körfolyamatok, az Otto és a Diesel körfolyamat a belsőégésű motorok esetében gyakorta említendők jelzőként, azok mégsem ezek alapján működnek. A szikragyújtású, valamint a kompressziógyújtású motorok esetében a kizárólagosan izochor vagy izobár állapotváltozás nem fedi a valóságot, azonban mind a benzin- mind a dízelüzemű erőforrásokban lezajló folyamat esetében valósabb képet ad a Seiliger-Sabathé termodinamikai körfolyamat. Az utóbbi időben azonban egyre több írásban, tesztben bukkan fel az Atkinson- vagy a Miller-ciklus kifejezés, amely nem más, mint a motorok hatásfokának növelése érdekében módosított körfolyamat.

Az Atkinson-ciklus az Otto-ciklus módosítását jelenti, úgy, hogy az Otto-motoroknak egy kedvezőtlen adottságát küszöbölik ki. James Atkinson (1846 -1914) angol mérnök volt, aki a belső égésű négyütemű motorhoz olyan forgattyús mechanizmust tervezett meg, melynél szívó- és sűrítő ütemben a lökethossz jóval rövidebb, mint munkavégzéskor és kipufogóütemben. Ez volna az, amit eredeti Atkinson-ciklusú motornak nevezünk. Ezzel az eljárással az akkori Otto-motorok hatásfokát jelentősen növelni lehetett. Azonban 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, miközben a kipufogóütemben a töltetcsere is hatékonyabb.

Atkinson változtatható löketű gépe

Azonban az ilyen bonyolult és drága megoldások ma már szóba sem jöhetnek, a mérnökök magát 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 fellelhetőek (pl. Toyota Aygo ún. mild Atkinson ciklusra képes erőforrással vagy a Lexus RC F, amely gázállástól függetlenül változtatja a ciklust).

A mérnökök magát 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 alacsonyabb 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, méghozzá a szelepek nyitásának eltolásával. A szívószelep zárása a hagyományos elven működő belsőégésű motorhoz képest késleltetett, jóval az alsó holtpont elérése után történik meg. Bizonyos irodalmak ezt külön folyamatként visszaszívásnak említik, méghozzá joggal, hiszen a sűrítési ütem elején is nyitva tartott szívószelep miatt a sűrítési viszony (kompresszióviszony) lényegében szabadon, az adott körülményeknek és állapotoknak megfelelően állítható be, ezzel csökkentve a fogyasztást.

Feltöltött, például kompresszoros motorknál Millernek hívják

Erre még 1947-ben egy amerikai mérnök, Miller jött rá. A szakember jó meglátása volt, hogy az Atkinson által felvázolt elv megvalósításához nem a lökethosszt kell változtatni, hanem elegendő a töltési időt csökkenteni. Ennek módja a már fent 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, amivel az égési csúcsnyomás és a mechanikus terhelés mérséklődik, de a középnyomás nő. Miller eredeti szabadalma tartalmaz továbbá a hengerfejben egy dekompresszor szelepet, amely lefúvó szelepként hasonló működésű a motorkerékpár motorok indítását segítő dekompresszor szelephez. Ennek a motornak a modern átiratát Atkinson-Miller ciklusú motornak is nevezik, de a legtöbb helyen csak Atkinson-ciklusú motorként szerepel.

Természetesen a növelt hatásfok mellett hátrányok is jelentkeznek. Ilyen például az azonos hengerűrtartalmú Otto-motorhoz képest alacsonyabb csúcsteljesítmény. Emellett az alacsony fordulatszám-tartományokban kevésbé hatékony az Atkinson-ciklusú motor, ami miatt leginkább a közepes tartományra optimalizálják a mérnökök ezeket az erőforrásokat. A hibrid rendszer pedig azért tud kiváló melegágya lenni az ilyen jellegű, Atkinson ciklusú motoroknak, mert alacsony fordulatszámon az elektromotorok jól kompenzálni tudják a belsőégésű motor gyengeségeit.

Hibrideknél kiválóan alkalmazható a technika

Manapság minden gyártó, aki ezt a technikát alkalmazza, egyszerűen Atkinson vagy Atkinson-ciklusú motornak nevezi portékáját, míg bizonyos gyártók a Miller-ciklusú motor nevet alkalmazzák. A különbség mindösszesen annyi, hogy az alkotók tevékenységét figyelembe véve a szívómotorok esetében az Atkinson, míg feltöltött erőforrások esetében a Miller-ciklusú jelző használatos.