В описании новых двигателей в последнее время все чаще звучит словосочетание «цикл Миллера». Постоянное ужесточение экологических норм и повышенные ожидания потребителей вынуждают инженеров-мотористов искать варианты модернизации двигателей внутреннего сгорания. И, кажется, основным трендом следующих лет будет более широкое использование цикла Миллера. Сама разработка не то, чтобы новая, американский инженер Ральф Миллер предложил ее аж в 1947 году, но массово использоваться его идеи начали лишь полвека спустя. В этой статьей мы разберемся, что такое цикл Миллера, чем он хорош и почему на него сегодня делают большую ставку.

Большая троица

Чтобы рассказать о Миллере придется для начала упомянуть еще две фамилии, которые ассоциируются со словосочетанием топливный цикл. Это Отто и Аткинсон. Николаус Отто это человек, который фактически изобрел классический четырехтактный двигатель. До недавнего времени чуть ли не 90% моторов работала по циклу Отто. Напомним его вкратце.

1. На фазе впуска открыты впускные клапана, через который цилиндр наполняется воздухом и топливом, поршень в этот момент идет вниз.

2. Когда поршень достигает нижней точки, впускные клапана закрываются, после чего поршень идет вверх, сжимая топливно-воздушную смесь.

3. Когда поршень достигает верхней точки, подается искра и смесь воспламеняется.

4. Открываются выпускные клапана, чтобы удалить из цилиндров выхлопные газы.

Это классика, которая хорошо знакома всем со школьных уроков физики. Отто это придумал еще в конце XIX века. Но сразу у его системы нашелся критик — Джеймс Аткинсон, который  заметил, что КПД у такого мотора не самый высокий, термические способности газов он использует плохо, а на средних оборотах вынужден работать как насос, что тоже требует энергии.

Аткинсон не только критиковал, но и предложил свой вариант. Чтобы улучшить наполнение цилиндров он серьезно изменил кривошипно-шатунный механизм мотора, добавив к нему ряд рычагов и соединений. После этой модернизации поршень вверх двигался в два раза быстрее, чем вниз. То есть такты стали разной продолжительности. Сжатие было быстрым и резким, а вот наполнение цилиндров медленным и плавным, что позволило улучшить распределение газов. Довершал картину немного смещенный цикл работы клапанов. Впускные закрывались не сразу после того как поршень оказался внизу, а чуть позже, что позволяло части топливно-воздушной смеси выйти обратно во впускной коллектор. Это заметно снизило детонацию и позволило повысить степень сжатия даже на примитивном топливе конца прошлого века.

В целом, мотор Аткинсона действительно заметно увеличивал КПД и позволял экономить топливо. Но в народ не пошел. Почему? Да вы только посмотрите на эту схему с кучей дополнительных рычагов и соединений. Такой мотор гораздо сложнее в изготовлении, обслуживании и ремонте. Производители решили, что лучше расход топлива будет выше, зато конструкция проще и понятнее.

Ральф Миллер жил на полвека позже Отто и Аткинсона, он тоже занимался моторами и подумал, что, в целом-то идея Аткинсона была классной, вот только нужно убирать всю эту ерунду со сложным кривошипно-шатунным механизмом и делать все на обычном моторе. Но как достичь эффекта? Да все так же: дольше оставлять клапана открытыми как было у Аткинсона. И сработало — КПД мотора вырос без глобального изменения конструкции. Хотя нюансы в виде слабого крутящего момента на низких оборотах остались.

Миллер пошел дальше и предложил другую идею — не держать впускные клапана открытыми дольше обычного, а наоборот, закрывать их раньше положенного срока. У Отто впускной клапан был открыт пока поршень не достигнет нижней точки, у Миллера он закрывался раньше. То есть топливно-воздушная смесь поступала в цилиндр не все время движения поршня вниз, в какой-то момент поток прерывался и поршень «растягивал» уже поступившие в камеру сгорания газы. И это тоже сработало.

Казалось бы, а в чем преимущества от этого мини-такта с закрытыми впускными клапанами? Их оказалось сразу несколько.

Во-первых, при такой системе фактическая степень сжатия оказывалась меньше чем геометрическая, то есть такой мотор детонировал в разы меньше обычного. А это всегда открывает возможности к форсировке.

Во-вторых, «растягивание» понижает давление и температуру смеси. Сейчас это делают с помощью интеркулеров, а Миллер придумал это делать прямо в цилиндре. Чем холоднее смесь, тем сильнее ее потом можно сжать без последствий для мотора.

В-третьих, дополнительное время позволяло хорошо распределить топливно-воздушную смесь по цилиндру, что еще больше увеличивало КПД.

Можно сказать, что Миллер подружил моторы Отто и Аткинсона и придумал как реализовать концепцию Аткинсона без всех этих кривошипно-шатунных превращений двигателя в годзиллу, просто на обычном моторе.

Долгая дорога к использованию

Казалось бы, если у Миллера получилась такая крутая идея: он и КПД увеличил, и конструкцию мотора оставил прежней, то почему же его концепция полвека лежала на полке? У нее нашелся серьезный минус. Да, укороченный цикл впуска повышает эффективность сгорания поступившего топлива, но самого топлива в цилиндры попадает меньше. Банально не хватает времени из-за того, что впускной клапан рано закрывается. На низких оборотах это незаметно, но стоит попробовать резко ускориться, как нехватка сразу даст о себе знать. Моторы Миллера были экономичны, но по максимальной мощности в одни ворота сливали классическим двигателям Отто. Миллер просто не вовремя предложил свою идею — в середине XX века об экологии и экономии топлива мало кто думал, а вот быстро ездить хотелось всем, поэтому в батле мощность vs экономичность тогда побеждала первая, а вместе с ней и классические моторы Отто.

Но к концу века ситуация изменилась. Власти во многих странах все сильнее закручивают экологические гайки. Каждая новая цифра в экологическом классе превращается в огромную головную боль для автопроизводителей, а бензин дорожает и дорожает, поэтому низкий расход топлива стал играть большую ценность в глазах покупателей. Вот тут-то инженеры и начали вспоминать про Миллера. Ведь если побороть главную проблему его моторов в низкой мощности, то это будет отличный вариант. Тем более, что новые технологии это позволяли.

Во время Миллера на было ЭБУ и систем управления клапанами, а сейчас они есть, а значит можно все настроить так, чтобы на низких оборотах клапана закрывались раньше и позволяли экономить топливо, а на высоких цикл Миллера фактически превращался в цикл Отто, и машина ехала бодро. Сразу несколько компаний выпустило подобные силовые агрегаты. Такие моторы и мощность имеют достаточную, и экономичность приличную. Хотя, конечно, стоимость моторов из-за замороченной системы клапанов возросла. Яркими примерами подобных решений можно назвать моторы серии R18 и R20 от Honda и знаменитый SKYACTIV от Mazda.

Можно пойти и другим путем. Мало топливно-воздушной смеси поступает в цилиндр? Давайте ее туда затолкаем турбиной! Турбонаддув был и во времена Миллера, но это была дорогая экзотика, за полвека турбины сделали огромный шаг вперед и теперь являются частью большинства современных моторов. Цикл Миллера с ними хорошо дружит. Дополнительным помощником для турбины тут является дроссельная заслонка с электронным управлением, которая на такте впуска открывается на полную (ну, или почти на полную) вне зависимости от того как водитель давит на педаль газа. Например, именно так работают двигатели Audi 1.8 и 2.0 TSI поколения 3B. По сравнению с двигателями прошлого поколения они стали чуть менее мощными, зато имеют ровную полку крутящего момента от 1500 до 4000 оборотов и расходуют на 15% меньше топлива. Технические заморочки окупаются.

Но и это еще не все. Получила продолжение и изначальная вариация цикла Миллера — не с ранним, а с поздним закрытием впускных клапанов (как предлагал еще Аткинсон). Она на удивление хорошо оказалась совместимой с системой непосредственного впрыска. У таких систем на моторах с циклом Отто есть постоянная проблема — через клапана подается только воздух, они не омываются бензином как на машинах с распределенным впрыском, поэтому гораздо быстрее обрастают нагаром. Цикл с поздним закрытием клапанов помогает снизить остроту этой проблемы, ведь клапана работают уже не на «сухую», а омываются бензином из цилиндров во время «лишнего» времени открытия. Примером такого мотора можно назвать SQRF4J20 от Chery, который устанавливается на многие суббренды этой марки.

Как итог

Оговорим сразу такой момент: цикл с ранним закрытием впускных клапанов в литературе всегда называют миллеровским, а вот разновидность с поздним закрытием могут называть и циклом Аткинсона (придумал идею), и циклом Миллера (реализовал на стандартном моторе). Так что если вы читаете или обсуждаете что-то по этой теме, то важно смотреть не только на название, но и на принцип работы, потому что многие путаются.

А так обе модификации цикла Миллера сегодня востребованы и популярны у инженеров. Они помогают в реализации главного тренда современности на снижение выбросов и экономию топлива. Новые технологии помогают преодолеть недостатки цикла Миллера, но, увы, делают двигатели сложнее и дороже. Но это факт — время простых и дешевых атмосферников ушло. К этому факту можно относиться как угодно: таков вектор развития технологий , с ним не поспоришь.