Choć entuzjaści napędów alternatywnych wieszczą rychły koniec technologii cieplnych silników tłokowych, rzeczywistość wskazuje, że będą one trwać jeszcze dość długo. Tym bardziej, że w ich dobrze już opanowanej konstrukcji istnieją nadal spore rezerwy, pozwalające poprawiać to, co obecnie najważniejsze – sprawność tych silników w zastosowaniach trakcyjnych. Jednym z takich kierunków jest wykorzystanie obiegu Atkinsona-Millera zamiast obiegu Otto w silniku czterosuwowym.

Obieg Atkinsona jako rozwiązanie teoretyczne ma ponadstuletnią tradycję. Jednak zasadniczo jesteśmy przyzwyczajeni, że czterosuwowy tłokowy silnik benzynowy (dokładniej – z zapłonem iskrowym) pracuje według obiegu cieplnego zwanego Otto (pierwsze takie silniki powstały w 1876 r.). Składają się na niego cztery fazy: ssanie, sprężanie, praca i wydech, którym odpowiadają cztery suwy tłoka poruszającego się w cylindrze. Przyjmuje się, że silnik tłokowy pracuje symetrycznie, czyli suw sprężania i suw rozprężania (pracy) mają tę samą długość.

Pomysł Atkinsona
Istnieje jednak inny obieg, opracowany teoretycznie już w 1882 r. i opatentowany w 1887 r. przez Jamesa Atkinsona. Co ciekawe, podaje się, że Atkinson dokonał tego wynalazku, by obejść lub ulepszyć obowiązujący już wtedy patent Otto. Brytyjski badacz zważył, że objętość gazów (pod znormalizowanym ciśnieniem) jest całkiem inna podczas zasysania i sprężania świeżej mieszanki, niż podczas suwu pracy (rozprężania), gdy mamy do czynienia z produktami spalania owego wcześniej zassanego ładunku. Mówiąc w uproszczeniu, produktów spalania jest więcej niż zassanego, zimnego ładunku. Stąd bierze się przyrost ciśnienia nad tłokiem i w rezultacie podczas suwu rozprężania silnik wykonuje dającą się wykorzystać pracę. Teoretycznie korzystne byłoby, gdyby suw pracy silnika czterosuwowego był dłuższy od suwu sprężania tak, aby koniec końców usuwane już spaliny miały jak najmniejsze ciśnienie (by zawarta w nich energia w jak największym stopniu przełożyła się na użyteczny ruch tłoka). Jak wiadomo, w tradycyjnym silniku czterosuwowym spaliny opuszczające cylinder po otwarciu zaworu wydechowego mają jeszcze znaczące ciśnienie, rzędu prawie dziesięciu barów. Inaczej mówiąc, w obiegu wymyślonym przez Atkinsona silnik tłokowy, wykorzystując lepiej ciśnienie spalin, będzie miał nieco większą sprawność.
Atkinson skupił się na opracowaniu mechanicznego układu korbowego, który charakteryzował się wyżej opisanymi własnościami. Stworzył układ czterosuwowy wykonujący wszystkie suwy podczas jednego obrotu wału korbowego. Składa się on m.in. z dwóch korbowodów i wahliwej dźwigni pośredniej. Przyjąwszy odpowiednią geometrię korbowodów oraz owej dźwigni, a także odpowiednie położenie jej punktu obrotu, sprawimy, że dwa suwy tłoka w każdym obiegu mają większą długość niż dwa pozostałe. Niestety, układ Atkinsona był niepraktyczny i nie jest nam wiadomo o istnieniu działającego silnika opartego na tej zasadzie. A z pewnością silnik z takim układem korbowym nie był produkowany seryjnie i stosowany w samochodach, czemu zresztą nie należy się dziwić, gdyż w początkach motoryzacji stosunkowo niewielką wagę przykładano do sprawności jednostek napędowych, skupiając się na ich trwałości i osiągach. Zupełnie inaczej jest dzisiaj, gdy priorytetem jest czystość spalin i sprawność (wykorzystanie energii zawartej w paliwie).
Przed współczesnymi konstruktorami silników, układów napędowych i całych samochodów stoi podstawowe zadanie – jak najmniejsze zużycie paliwa, jednak z uwzględnieniem drugiego bardzo ważnego czynnika – w miarę rozsądnego kosztu produkcji seryjnej pojazdu. Poszukuje się więc nowych rozwiązań, nawet kosztem komplikacji konstrukcji. I to właśnie skłoniło konstruktorów do powrotu do idei Atkinsona, z tym, że jego skomplikowany układ korbowy nadal okazuje się zbyt trudny w realizacji i niepraktyczny.
W tym momencie zbliżamy się do drugiego nazwiska powiązanego z opisywanym tu sposobem pracy silnika tłokowego. Chodzi o amerykańskiego wynalazcę Ralpha Millera, który pod koniec pierwszej połowy XX w. przeanalizował dokładnie wszelkie aspekty pracy takiej jednostki napędowej.

Wynalazek Millera
Miller stwierdził, że symetria pracy klasycznego układu korbowo-tłokowego to jedno, a rzeczywista droga tłoka w cylindrze, na której następuje proces sprężania mieszanki, a potem rozprężania gazów spalinowych, to zupełnie co innego.
W pierwszym okresie konstrukcji silników czterosuwowych przyjmowano, wydawałoby się całkowicie zdroworozsądkową zasadę, że zawór dolotowy silnika musi się otworzyć dokładnie na początku suwu ssania i zamknąć na jego końcu, a zawór wydechowy na początku suwu wydechu, by zamknąć się na jego końcu. Było to może słuszne w przypadku silników bardzo wolnoobrotowych, w których procesy dynamiczne oraz falowe w układzie dolotowym i wylotowym nie miały jeszcze istotnego znaczenia. Jednak z czasem, gdy silniki stawały się bardziej wysokoobrotowe, okazało się, że punkty otwarcia i zamknięcia zaworów nie powinny pokrywać się z dolnym i górnym położeniem tłoka (DZP i GZP), a odpowiednio je dobierając, można uzyskać jak najlepszy współczynnik napełnienia cylindra oraz znacznie kształtować charakterystykę silnika. Miller zauważył, że bardzo opóźniając moment zamknięcia zaworu dolotowego, uzyskamy coś jeszcze – zupełnie nie zmieniając konstrukcji silnika (tylko stosując inny kształt i ustawienie krzywki zaworu dolotowego), uzyskamy jednostkę pracującą według zasady i cyklu Atkinsona: rzeczywisty suw sprężania będzie odpowiednio skrócony, natomiast suw rozprężania (pracy) pozostanie taki (długi), jaki był. Odpowiedni patent na to rozwiązanie Miller uzyskał w 1957 r., jednak nie znalazło ono natychmiast zastosowania w przemyśle samochodowym. Dlaczego?
Łatwo zauważyć, że silnik z tak wysterowanym rozrządem staje się jednostką o, w pewnym sensie, mniejszej pojemności skokowej. Na przykład: gdy zawór dolotowy zamyka się o 30% (skoku tłoka) później niż w silniku tradycyjnym, to przez ten czas, już wcześniej zassany ładunek wypychany jest znowu do kanału dolotowego. Wobec tego także geometryczny stopień sprężania odpowiada pozostałym 70% skoku tłoka. Z tym akurat można sobie poradzić, konstruując komorę spalania o odpowiednio mniejszej objętości, ale fizyka dla wolnossącego silnika Atkinsona-Millera jest nieubłagana: powstaje jednostka o powiększonej sprawności (także dzięki mniejszym stratom pompowania podczas procesu ssania i mniejszym stratom przy sprężaniu ładunku o mniejszej objętości), jednak o zmniejszonych osiągach (moment obrotowy, a także moc).
Możliwe są dwa rozwiązania tego problemu. Pierwsze to proste podniesienie pojemności skokowej silnika. Tu jednak można wpaść w pułapkę – jeżeli w samochodzie wymagane są znaczne osiągi, to odpowiedni silnik wolnossący Atkinsona-Millera może stać się zbyt duży i ciężki, żeby uzyskać realne korzyści. Dlatego w początkowym okresie technologia ta znalazła zastosowanie, np. w silnikach okrętowych, w których nikt nie zastanawia się nad pojemnością skokową, a mogą one pracować przez całe dnie w ściśle określonym, maksymalnie ekonomicznym zakresie obrotów.
Nie znaczy to, że silników wolnossących pracujących w obiegu Atkinsona, ale według pomysłu Millera, w motoryzacji w ogóle się nie stosuje. Ich naturalnym polem zastosowań stały się niektóre samochody hybrydowe, szczególnie z gamy Toyoty, ale nie tylko. Wynika to z faktu, że jednostka tłokowa jest w takich pojazdach wspomagana w razie potrzeby przez elektryczną, a więc sumaryczne osiągi stają się akceptowalne. Następuje to nawet wtedy, gdy sam silnik tłokowy (benzynowy) ma dość ograniczone parametry. Co więcej, wykorzystanie go także do ładowania akumulatorów (gdy samo poruszanie samochodu np. ze stałą prędkością, nie wymaga poważnych osiągów) pozwala na takie dopasowanie obciążenia i zakresu obrotów, że jednostka bardzo często znajduje się w najbardziej ekonomicznym zakresie pracy. Przy tym silnik tłokowy o ograniczonych parametrach może być lekki, pracować cicho, a sam proces spalania pozbawiony ekstremalnych wartości ciśnień nad tłokiem jest korzystniejszy z punktu widzenia emisji spalin (głownie NOx). Właśnie ten zespół czynników powoduje, że odpowiednio dopracowane samochody hybrydowe z silnikami z zapłonem iskrowym konkurują ekonomią i przewyższają komfortem oraz trwałością pojazdy z nowoczesnymi silnikami wysokoprężnymi.
Drugim rozwiązaniem niedostatku osiągów silnika Atkinsona-Millera jest doładowanie. Jak pamiętamy tracimy tu część pojemności skokowej, ale możemy to nadrobić, zwiększając ciśnienie powietrza w układzie dolotowym, za pomocą sprężarki wypornościowej lub turbosprężarki. W rzeczywistości tak właśnie sformułowany był patent Millera: na silnik tłokowy pracujący w obiegu Atkinsona (o podwyższonej sprawności) i wspomagany przez doładowanie. Kolejna ciekawostka – patent Millera nie ograniczał się do silników czterosuwowych. Konstruktor przewidział także dwusuwowe jednostki z doładowaniem pracujące w takim obiegu, w tym przypadku wykorzystujące dodatkowy zawór w głowicy, zmniejszający odpowiednio ciśnienie nad tłokiem.
Połączenie obiegu Atkinsona „według Millera” i doładowania, daje specyficzne silniki – dość już skomplikowane, ale nie aż tak bardzo, jak doładowane silniki wysokoprężne z ich kosztownymi systemami oczyszczania spalin, a ponadto charakteryzujące się przeciętnymi mocami/momentami jednostkowymi (na poziomie dobrych, tradycyjnych silników wolnossących). Zaletą jest jednak bardzo wysoka sprawność (niskie zużycie paliwa) i równie wysoka kultura pracy. Innymi słowy silniki Atkinsona-Millera osiągnęły doskonałość pozwalającą na skuteczne zastosowanie ich w samochodach osobowych, także niehybrydowych. Warto dodać, że technologia ta bardzo dobrze współdziała z powszechnym dziś dążeniem do ograniczenia realnych prędkości obrotowych silników, co jest kolejnym czynnikiem zmniejszającym ich straty mechaniczne. Coraz więcej supernowoczesnych jednostek z zapłonem iskrowym legitymuje się wartościami obrotów mocy maksymalnej zbliżonymi do dawniej znanych z jednostek wysokoprężnych (poniżej 5000 obr./min) i są to właśnie silniki doładowane pracujące w cyklu Atkinsona-Millera.


Dodajmy, że współcześnie właściwie nie ma już nowych silników czterosuwowych bez jakiejś formy aktywnej zmiany (dostosowania) czasów rozrządu podczas pracy. Dwu- lub trzypozycyjna zmiana ustawienia krzywek zaworów dolotowych to właściwie standard, dla krzywek zaworów wylotowych to prawie standard, a bardzo wiele firm (koncerny japońskie z Hondą na czele, BMW z systemem Vanos/Valvetronic, Fiat z Multiair i inne) dysponuje sprawdzonymi technologiami dostosowania wzniosu zaworu i „kształtu krzywki” do chwilowych wymagań prędkości obrotowej i obciążenia silnika. Wszystko to służy właściwie tylko jednemu – coraz lepszemu dostosowaniu silników do dawnej idei Atkinsona--Millera i maksymalnemu jej rozszerzeniu. Dzięki temu właściwie wszystkie współczesne silniki tłokowe korzystają z pomysłu obu wynalazców na tyle inteligentnie, że są silnikami Atkinsona-Millera, gdy sytuacja tego wymaga (najczęściej w średnim zakresie obciążeń), gdy zaś potrzeba np. zwiększonych osiągów, przestają nimi być. I zupełnie nie ma znaczenia, czy konkretny producent w swych materiałach reklamowych posługuje się nazwiskami obu panów, czy też zupełnie ich pomija.

Jerzy Dyszy