Dlaczego nowy silnik 1.2 Turbo to nie jest po prostu stary PureTech z łańcuchem? Cykl Millera kontra cykl Otto

Na czym polega cykl Millera? To jedno z tych pojęć, które często pojawia się przy opisie nowoczesnych silników benzynowych, ale bardzo rzadko bywa tłumaczone precyzyjnie. A szkoda, bo w przypadku nowych jednostek 1.2 Turbo stosowanych przez Stellantis, następców silników PureTech 1.0 i 1.2, ma ono duże znaczenie, bowiem nie tu chodzi wyłącznie o zmianę paska rozrządu na łańcuch. To przede wszystkim zupełnie inny sposób prowadzenia procesu spalania, inne sterowanie zaworami, inne warunki pracy tłoka, pierścieni i cylindra oraz mniejsze ryzyko zjawisk, które w silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny mogą prowadzić do rozcieńczania oleju paliwem.

Cykl Otto – klasyczna zasada pracy silnika benzynowego

Klasyczny silnik benzynowy pracuje według cyklu Otto czyli podstawowego obiegu termodynamicznego silnika z zapłonem iskrowym. W pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że mamy cztery suwy: ssanie, sprężanie, pracę i wydech. Podczas suwu ssania tłok przesuwa się w dół, zawór dolotowy jest otwarty, a do cylindra trafia powietrze lub mieszanka paliwowo-powietrzna. Następnie zawór dolotowy się zamyka, tłok idzie w górę i spręża ładunek. W pobliżu górnego martwego położenia następuje zapłon, spalanie podnosi ciśnienie, a rozprężające się gazy pchają tłok w dół.

W takim silniku geometryczny stopień sprężania (czyli stosunek objętości cylindra, gdy tłok jest najniżej, do objętości, gdy tłok jest najwyżej) jest bardzo blisko związany z rzeczywistym sprężaniem ładunku. Jeżeli silnik ma wysoki stopień sprężania, to mocno spręża powietrze, to poprawia sprawność, ale jednocześnie podnosi temperaturę i ciśnienie w cylindrze. W małym silniku turbodoładowanym może to prowadzić do spalania stukowego (niekontrolowanego, zbyt gwałtownego spalania mieszanki), LSPI (Low Speed Pre-Ignition, czyli przedwczesnego zapłonu przy niskich obrotach i dużym obciążeniu) oraz konieczności wzbogacania mieszanki.

Dlaczego silnik z cyklem Otto przy dużym obciążeniu bywa problematyczny?

W teorii silnik benzynowy najczyściej pracuje w pobliżu tak zwanej mieszanki stechiometrycznej, czyli takiej, w której ilość powietrza jest dokładnie dobrana do ilości paliwa. Dla benzyny wartość ta wynosi około 14,7:1, czyli 14,7 części powietrza na 1 część paliwa. Wyzwania zaczynają się wtedy, gdy mały silnik turbo ma wygenerować wysoki moment obrotowy, bo wtedy rośnie ciśnienie doładowania, temperatura spalin i temperatura elementów komory spalania. To nie tylko problem dla elementów silnika ale też emisja NOX.

Jak się temu przeciwdziała? Aby chronić tłoki, zawory, turbosprężarkę, katalizator i filtr cząstek stałych GPF/OPF (benzynowy filtr cząstek stałych), sterownik silnika może zwiększać dawkę paliwa. Część tej dodatkowej benzyny nie służy jednak wytwarzaniu mocy, ale pełni funkcję… chłodzącą. Bogatsza mieszanka obniża temperaturę spalania i temperaturę spalin, lecz ma też skutki uboczne: gorszą sprawność, wyższą emisję cząstek stałych oraz większą szansę, że część paliwa nie spali się idealnie. Efekt? Zabrudzenia, zwiększone spalanie i dodatkowe wyzwania dla inżynierów.

W silnikach z bezpośrednim wtryskiem paliwa (paliwo podawane jest bezpośrednio do cylindra, a nie do kolektora dolotowego) pojawia się kolejny problem. Jeżeli paliwo trafia na zimną ściankę cylindra albo jest podawane późno i w dużej dawce, część benzyny może zmywać film olejowy, czyli cienką warstwę oleju na gładzi cylindra, która oddziela pierścienie tłokowe od metalu cylindra. Jeżeli zostanie rozcieńczona paliwem, pogarsza się smarowanie a rośnie tarcie,.

Rozcieńczanie oleju paliwem

Warto tu doprecyzować ważną rzecz. W dyskusjach o PureTech i innych silnikach benzynowych czasem mówi się w uproszczeniu, że paliwo „przedostaje się do układu chłodzenia”. To nie jest właściwe określenie. Typowym problemem nie jest przedostawanie się benzyny do płynu chłodniczego, lecz rozcieńczanie oleju paliwem. Oznacza to, że benzyna może przedostać się do skrzyni korbowej i zmieszać z olejem silnikowym. Dzieje się to kilkoma drogami. Po pierwsze, przez zmywanie filmu olejowego ze ścianek cylindra o czym pisałem wyżej. Po drugie, przez zjawisko zwane blow-by (są to przedmuchy gazów spalinowych między tłokiem, pierścieniami a cylindrem). Po trzecie, przez częste zimne rozruchy, gdy silnik pracuje na wzbogaconej mieszance, a paliwo gorzej odparowuje, to właśnie najbardziej problematyczna rzecz w PureTechu 1.0 i 1.2, najbardziej widoczna w wersjach turbodoładowanych, widoczna też na krótkich odcinkach jazdy, gdy olej nie osiąga temperatury pracy.

Skutek jest taki, że olej traci lepkość. A to właśnie lepkość, czyli opór cieczy przed płynięciem, w silniku oznacza po prostu zdolność oleju do utrzymania filmu marnego czyli tej cienkiej warstwy między współpracującymi powierzchniami. Jeżeli olej zostanie rozcieńczony benzyną, może gorzej chronić panewki, turbosprężarkę, pierścienie tłokowe, łańcuch rozrządu i elementy układu zmiennych faz rozrządu. Dlatego mając PureTecha trzeba nie tylko zastosować najnowsze generacje olejów odporne na to zjawisko bardziej ale też (to naprawdę ważne) zmieniać olej częściej o ile jeździsz głównie w mieście na krótkich dystansach.

Producent postanowił jednak podejść do tematu kompleksowo i w nowym silniku 1.2 Turbo zmienił też sposób pracy silnika na cykl Millera. I tu się zaczyna inżynieryjna magia.

Cykl Millera – o co technicznie chodzi?

Cykl Millera polega na tym, że silnik ma niższy efektywny stopień sprężania (rzeczywisty stopień sprężania ładunku w cylindrze) niż stopień rozprężania (zakres, w jakim gazy po spaleniu mogą wykonać pracę, pchając tłok w dół). Innymi słowy: silnik nie spręża ładunku tak mocno, jak wynikałoby to z samej geometrii cylindra, ale nadal pozwala gazom spalinowym długo się rozprężać.

To kluczowa różnica W klasycznym cyklu Otto sprężanie i rozprężanie są ze sobą mocno powiązane. W cyklu Millera konstruktor rozdziela te dwa zjawiska za pomocą sterowania zaworem dolotowym.

Efekt jest bardzo pozytywny: niższa temperatura końca sprężania, mniejsze ryzyko spalania stukowego, mniejsza potrzeba wzbogacania mieszanki i wyższa sprawność w określonych zakresach pracy silnika.

EIVC i LIVC – dwa sposoby realizacji cyklu Millera

Teraz musimy wejść trochę bardziej w technikalia, ale postaram się to opowiedzieć możliwie prostym językiem: cykl Millera można uzyskać na dwa główne sposoby. Pierwszy to EIVC (Early Intake Valve Closing, czyli wcześniejsze zamknięcie zaworu dolotowego). W tym wariancie zawór dolotowy zamyka się zanim tłok osiągnie dolne martwe położenie. Cylinder nie zostaje więc napełniony maksymalnie, a gdy tłok nadal przesuwa się w dół, zamknięty w cylindrze ładunek lekko się rozpręża. Następnie podczas suwu sprężania tłok spręża mniejszą masę powietrza. Wyobraźcie sobie to zjawisko, bo ma pozytywny efekt na spalanie.

Drugi sposób to LIVC (Late Intake Valve Closing, czyli późniejsze zamknięcie zaworu dolotowego). W tym przypadku zawór dolotowy pozostaje otwarty jeszcze przez początkową część suwu sprężania. Tłok zaczyna iść w górę, ale część powietrza może zostać wypchnięta z powrotem do kanału dolotowego. W efekcie rzeczywiste sprężanie zaczyna się później i obejmuje mniejszą masę ładunku. I znowu, warto to sobie wyobrazić, bo obie strategie prowadzą do podobnego celu: zmniejszenia efektywnego sprężania bez skracania rozprężania.

Dlatego cykl Millera zalicza się do tak zwanych obiegów o zwiększonym rozprężaniu. W języku inżynierskim oznacza to, że silnik stara się lepiej wykorzystać energię gazów spalinowych, zamiast tracić ją w wydechu i to działa.

Dlaczego cykl Millera pomaga w silniku turbo mimo że ma wadę?

Teraz będzie jeszcze ciekawiej: jeśli zastanowiliście się chwilę nad tym zjawiskiem, to sam cykl Millera ma jedną oczywistą wadę: zmniejsza napełnienie się cylindra. A jeżeli do cylindra trafi mniej powietrza, to bez dodatkowych rozwiązań silnik będzie miał mniejszą moc, dlatego cykl Millera szczególnie dobrze łączy się z turbodoładowaniem. Turbosprężarka (sprężarka napędzana energią spalin) uzupełnia część utraconego napełnienia, dostarczając więcej powietrza pod ciśnieniem. W praktyce oznacza to, że silnik może mieć mniejsze efektywne sprężanie, a jednocześnie zachować wystarczającą masę powietrza do wytworzenia mocy.

I to właśnie jest kluczowe w małych jednostkach, takich jak nowoczesne 1.2 Turbo. Bez doładowania cykl Millera mógłby pogorszyć osiągi, z doładowaniem pozwala osiągnąć kompromis: odpowiedni moment obrotowy, niższą temperaturę spalania i lepszą sprawność. Innymi słowy jest i moc i sensowne spalanie a jednocześnie nie ma wad poprzednika.

Co cykl Millera zmienia w spalaniu?

No włośniem spalanie: najważniejsza zmiana dotyczy temperatury i ciśnienia pod koniec sprężania. Im wyższa temperatura ładunku przed zapłonem, tym większe ryzyko spalania stukowego. W silniku Otto sterownik może wtedy opóźniać zapłon, czyli powodować, że iskra pojawia się później. To chroni silnik, ale pogarsza sprawność, bo spalanie nie następuje w optymalnym momencie. Może też zwiększać temperaturę spalin. Cykl Millera obniża temperaturę końca sprężania. Dzięki temu sterownik może utrzymywać korzystniejszy kąt zapłonu.

I dla przypomnienia, kąt zapłonu to moment, w którym świeca zapłonowa wytwarza iskrę, liczony w stopniach obrotu wału korbowego przed górnym martwym położeniem tłoka. Im lepiej dobrany kąt zapłonu, tym więcej energii ze spalania zamienia się w pracę mechaniczną, a mniej ucieka w wydech jako ciepło.

W silniku PureTech starszej generacji, podobnie jak w innych małych silnikach turbo z bezpośrednim wtryskiem, warunki pracy przy dużym obciążeniu były bardzo wymagające. W nowym 1.2 Turbo z łańcuchem rozrządu i zmienioną konstrukcją zespołu tłok-cylinder sama strategia spalania jest prowadzona inaczej. To nie oznacza, że fizyka przestała obowiązywać, ale inżymier ma więcej narzędzi do kontrolowania spalania. Więcej opcji.

PureTech, Turbo 100 i zmiany konstrukcyjne

W przypadku nowych silników Stellantis szczególnie istotne jest to, że zmiany nie kończą się na rozrządzie. Oficjalne komunikaty mówią o nowym silniku 1.2 Turbo 100, w którym zastosowano łańcuch rozrządu oraz dużą liczbę nowych komponentów. Producent podaje, że jednostka ma około 70% nowych komponentów (liczonych według ich wartości), w tym łańcuch rozrządu, turbosprężarkę, układ wtryskowy, tłoki i blok silnika.

Z technicznego punktu widzenia mamy do czynienia z głęboko przeprojektowaną jednostką. I przynajmniej dzisiaj nie ma żadnych doniesień o jej poważnych wadach, a wczesne akcje serwisowe dotyczyły główne osprzętu a nie kluczowych elementów silnika. To dobrze rokuje na przyszłość.

Układ tłok-cylinder – dlaczego szczelność jest tak ważna?

Wróćmy jednak do technikaliów: jednym z najważniejszych elementów silnika jest układ tłok-cylinder. Składa się on z tłoka, pierścieni tłokowych, sworznia, gładzi cylindra a w czasie pracy jeszcze filmu olejowego. Jego zadaniem jest utrzymać wysokie ciśnienie spalania nad tłokiem, a jednocześnie ograniczyć przedostawanie się gazów i paliwa do skrzyni korbowej.

Pierścienie tłokowe pełnią trzy główne funkcje. Pierścień uszczelniający ogranicza ucieczkę gazów spalinowych. Drugi pierścień wspomaga uszczelnienie i kontroluje film olejowy. Pierścień olejowy zgarnia nadmiar oleju ze ścianek cylindra. Jeżeli geometria pierścieni, docisk do gładzi cylindra albo jakość honowania nie są optymalne, rośnie ilość blow-by oraz zużycie oleju. Dlatego efekt zużycia pierścieni olejowych dosłownie widać w postaci tego co leci z wydechu.

Honowanie cylindra to specjalna obróbka powierzchni gładzi cylindra, zostawiająca mikroskopijną strukturę krzyżowych rys. Te rysy utrzymują cienką warstwę oleju. Zbyt agresywna struktura może zwiększać zużycie oleju, zbyt gładka powierzchnia może pogarszać smarowanie. W nowoczesnych silnikach dąży się do minimalizacji tarcia, ale bez utraty szczelności.

Zmiany, które wprowadził Stellantis to jeden z kluczowych najważniejszych obszarów trwałości silnika. Przy lepszej szczelności mniej gazów spalinowych przedostaje się do skrzyni korbowej, mniej paliwa trafia do oleju, a układ odpowietrzania skrzyni korbowej ma łatwiejsze zadanie.

Bezpośredni wtrysk paliwa – zalety i ryzyka

Nowy silnik ma też bezpośredni wtrysk benzyny pozwala precyzyjnie dawkować paliwo, chłodzić ładunek w cylindrze i uzyskiwać wyższą sprawność. Wtryskiwacz może podawać paliwo w jednej lub kilku dawkach. Wtrysk wielofazowy oznacza, że zamiast jednej dużej dawki paliwa sterownik może zastosować kilka mniejszych dawek w różnych momentach cyklu pracy. To pomaga kontrolować spalanie, ale wymaga bardzo dokładnego sterowania. Jeżeli paliwo zostanie podane zbyt późno, może nie zdążyć dobrze odparować i wymieszać się z powietrzem.

Jeżeli dawka jest duża, część paliwa może trafić na ściankę cylindra. Jeżeli silnik jest zimny, benzyna paruje gorzej. Dlatego nowoczesny układ wtryskowy musi współpracować z temperaturą silnika, ciśnieniem doładowania, fazami rozrządu i kątem zapłonu. W tym sensie cykl Millera nie działa w próżni a jest jednym z elementów całego systemu.

Oprócz niego znaczenie mają też ciśnienie wtrysku, kształt strugi paliwa, położenie wtryskiwacza, turbulencja powietrza w cylindrze, temperatura denka tłoka, praca świecy zapłonowej i strategia pracy turbosprężarki.

Dlaczego cykl Millera może ograniczać rozcieńczanie oleju paliwem?

To kolejna ważna zmiana w nowym silniku a najprostsza odpowiedź brzmi: bo ogranicza warunki, w których silnik musi podawać nadmiar paliwa. Jeżeli silnik pracujący według cyklu Otto przy dużym obciążeniu wymaga wzbogacania mieszanki, to część dodatkowego paliwa może zwiększać ryzyko osadzania się benzyny na ściankach cylindra. Cykl Millera, dzięki niższej temperaturze końca sprężania i mniejszej skłonności do spalania stukowego, pozwala częściej utrzymać bardziej kontrolowane spalanie.

Nie oznacza to, że benzyna nigdy nie trafi do oleju, bo dosłownie w każdym silniku z bezpośrednim wtryskiem takie zjawisko może występować, szczególnie zimą, przy krótkich trasach i częstych rozruchach. Ale jeżeli silnik ma lepszą szczelność zespołu tłokowego, mniej potrzebuje wzbogacania mieszanki i ma lepiej prowadzony wtrysk, to skala problemu może być mniejsza.

Mniejsze przenikanie benzynywynika z innej strategii: lepszego odparowania paliwa, mniejszej ilości blow-by, sprawniejszej pracy katalizatora i mniejszego udziału niespalonych węglowodorów.

Olej o niższej lepkości – dlaczego to nie musi być problem?

Nowoczesne silniki często stosują oleje o niskiej lepkości, na przykład 0W-20 lub podobne klasy. Na pierwszy rzut oka może to budzić obawy: skoro olej jest rzadszy, czy nie chroni gorzej? Odpowiedź zależy od konstrukcji silnika.

Niska lepkość zmniejsza tarcie i poprawia sprawność, ale wymaga dokładniejszych luzów montażowych, lepszych powłok ciernych, skuteczniejszego chłodzenia i stabilnej kontroli temperatury.

Jeżeli silnik ma lepszą szczelność pierścieni, stabilniejszą temperaturę oleju i mniej paliwa trafiającego do miski olejowej, to olej o niższej lepkości może działać prawidłowo. Jednak nie wszystko złoto co się świecie – wyzwania mogą pojawić się wtedy, gdy taki olej zostanie dodatkowo rozcieńczony benzyną. Wtedy jego lepkość może spaść poniżej bezpiecznego poziomu.

Cykl Millera a spalanie stukowe i LSPI

Spalanie stukowe to niekontrolowane samozapłony resztek mieszanki w cylindrze po pojawieniu się iskry. Powodują gwałtowne fale ciśnienia, które mogą uszkadzać tłoki, pierścienie i panewki. LSPI to jeszcze groźniejsze zjawisko, typowe dla małych silników turbo z bezpośrednim wtryskiem. Polega na przedwczesnym zapłonie mieszanki przed iskrą, często przy niskich obrotach i wysokim momencie.

Cykl Millera tutaj pomaga, ponieważ zmniejsza temperaturę i ciśnienie przed zapłonem. Mniej sprężony ładunek ma mniejszą skłonność do samozapłonu.

Dzięki temu sterownik silnika może mniej agresywnie opóźniać zapłon i nie musi tak często sięgać po dodatkowe paliwo jako metodę chłodzenia. Dla trwałości silnika oznacza to mniejsze obciążenia cieplne i mechaniczne.

Dlaczego określenie „pięciosuwowy” jest uproszczeniem?

Czasem cykl Millera bywa nazywany „pięciosuwowym”. To określenie obrazowe, ale nieprecyzyjne. Mechanicznie silnik nadal jest czterosuwowy. Ma suw ssania, sprężania, pracy i wydechu. Nie pojawia się żaden dodatkowy fizyczny suw tłoka.

„Piąty suw” to skrót myślowy odnoszący się do nietypowego przebiegu napełniania i sprężania. Przy EIVC część ruchu tłoka w dół po zamknięciu zaworu dolotowego powoduje rozprężanie ładunku. Przy LIVC część początku suwu sprężania służy wypychaniu powietrza z powrotem do dolotu. W obu przypadkach realny proces jest bardziej złożony niż w prostym opisie cyklu Otto.

Czy cykl Millera oznacza mniejszą moc?

Jest jeszcze jedna kwestia, mocy. Samodzielnie — tak, mógłby oznaczać mniejszą moc, bo ogranicza masę powietrza w cylindrze. Ale w nowoczesnym silniku turbo jest to kompensowane doładowaniem. Dlatego 1.2 Turbo może pracować według strategii zbliżonej do cyklu Millera i nadal oferować znakomitą dynamikę.

Turbosprężarka dostarcza powietrze, a zmienne fazy rozrządu regulują moment zamykania zaworów.

W praktyce oznacza to, że silnik może być spokojniejszy termicznie, ale nie będzie słaby. Kluczem jest dobranie turbosprężarki, kolektora dolotowego, intercoolera, faz rozrządu i map wtrysku. Nowoczesny silnik nie pracuje według jednej sztywnej zasady w każdym punkcie obciążenia. Przy małym, średnim i dużym obciążeniu sterownik może zmieniać strategię.

Dlaczego nowy 1.2 Turbo nie powinien być oceniany jak stary PureTech?

Wielu kierowców słysząc „1.2” i „Stellantis”, automatycznie myśli: PureTech, pasek w oleju, problemy. To zrozumiałe, bo wcześniejsze jednostki PureTech mają swoją długą historię o której wielokrotnie pisaliśmy. Ale technicznie trzeba oddzielić starszą konstrukcję od nowszego silnika 1.2 Turbo z łańcuchem rozrządu i zmienioną architekturą.

Czyli o co tak naprawdę chodzi?

Większa niezawodność, brak problemów z z paskiem rozrządu bo jest łańcuch, znakomita dynamika i cztery potencjalne efekty. Po pierwsze, niższe zużycie paliwa w wielu zakresach pracy. Po drugie, spokojniejsze warunki cieplne w cylindrze. Po trzecie, mniejsza potrzeba wzbogacania mieszanki przy obciążeniu. Po czwarte, mniejsze rozcieńczanie oleju paliwem.

I jedna ważna uwaga: nowoczesny silnik turbo z bezpośrednim wtryskiem nadal wymaga dobrego oleju, terminowych wymian, unikania ciągłej jazdy na zimno i rozsądnego traktowania przy dużym obciążeniu. Cykl Millera poprawia warunki pracy, ale nie unieważnia podstaw eksploatacji.

Podsumowanie

Cykl Millera jest jednym z ważniejszych powodów, dla których nowy 1.2 Turbo należy analizować inaczej niż starszy silnik PureTech. Nie chodzi tylko o to, że pasek rozrządu zastąpiono łańcuchem a zmianę całej filozofii pracy jednostki: mniej agresywne efektywne sprężanie, lepsze wykorzystanie rozprężania, bardziej kontrolowane spalanie, poprawiony układ tłok-cylinder i nowocześniejszy wtrysk. Najważniejsze jest to, że w cyklu Millera silnik może osiągać dobrą sprawność bez tak silnego wchodzenia w obszary wysokiej temperatury i spalania stukowego. To pozwala ograniczać wzbogacanie mieszanki, a więc jeden z mechanizmów, które mogą zwiększać ilość paliwa trafiającego do oleju.

Cykl Millera kontra cykl Otto – porównanie

Galeria

Galeria dołączonych zdjęć