نگاهی به ساختار و نحوه عملکرد پیشرانه چرخه اتکینسون
چرخه اتو با همه مزایای خود دارای معایبی نیز هست که به‌تازگی مورد توجه قرار گرفته‌اند. این موضوع موجب شده تا برای دستیابی به بازده بیشتر و آلایندگی کمتر، نگاه مهندسان معطوف مدل دیگری از چرخه پیشرانه پیستونی شود که قدمتی برابر چرخه اتو دارد ولی در طول تاریخ چندان مورد توجه قرار نگرفته است. در مطلب پیش‌رو، نگاهی خواهیم داشت به این چرخه دوستدار محیط زیست، یعنی چرخه اتکینسون.
از دریافت سوخت تا تحویل دود
یک پیشرانه پیستونی برای آنکه بتواند کار مکانیکی تولید کند، نیاز به افزایش قابل توجه فشار گاز در سیلندر دارد تا پیستون را حرکت داده و اجزای سیستم را به گردش درآورد. برای فراهم‌آوردن این افزایش ناگهانی فشار، به احتراق سوخت درون هوا نیاز داریم که اجرای این عمل نیاز به پیمودن چرخه‌ای ترمودینامیکی متشکل از چند فرآیند متفاوت دارد.
یک چرخه ترمودینامیکی ایده‌آل برای یک پیشرانه پیستونی چهار‌زمانه، چرخه اتو است که طی آن، دو فرآیند هم حجم و دو فرآیند بی‌دررو برگشت‌پذیر (هم‌آنتروپی) طی می‌شود. صحبت در خصوص وقایع و مکانیسم این فرآیندها از حوصله نوشتار خارج است اما به صورت خلاصه می‌توان بیان کرد که بر اساس پیش‌فرض ایده‌آل چرخه اتو، یک پیشرانه پیستونی باید بتواند در لحظه احتراق به حداکثر فشار و دمای ممکن رسیده و سپس در مرحله تخلیه گاز، بلافاصله سرد شود و به حالت اولیه خود بازگردد.
بدیهی است که در واقعیت نمی‌توان هیچگاه به این چرخه رسید بنابراین پیشرانه‌ای پر‌بازده‌تر است که بتواند تا حد امکان خود را به این چرخه نزدیک کند. برآورده‌کردن این شرایط، در عمل بسیار دشوار و نیازمند دانش بالایی است که امروزه خودروسازان سرمایه‌های خود را صرف آن می‌کنند.
در حالت عادی، یک پیشرانه پیستونی هنگام کارکرد با دور ثابت، قادر است خود را به چرخه ایده‌آل اتو نزدیک کند بنابراین به صورت نسبی بازده پیشرانه در هنگام رانندگی با سرعت و دور ثابت بالاتر است. بسته به طراحی پیشرانه و مدل ارائه قدرت و گشتاور، ضرایب دنده‌ها و آیرودینامیک خودرو، حداکثر بازده و کمترین میزان مصرف سوخت در دور و سرعت مشخصی به دست می‌آید که در عموم خودروهای سواری عادی در بازه حدودی ۹۰ تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت قرار دارد. با تغییرات دور پیشرانه، به دلیل صرف انرژی جهت تغییر دور و تغییرات پی‌درپی سرعت تکرار چرخه، بازده به صورت قابل توجهی افت می‌کند. به همین علت است که با رانندگی‌های سریع و ترمزهای مداوم، مصرف سوخت به میزان محسوسی افزایش می‌یابد. به علاوه، به همین علت امروزه در خودروهای هایبرید موازی تلاش می‌شود که تا حد امکان، پیشرانه درون‌سوز در یک دور ثابت ایده‌آل کار کرده و در باقی شرایط، وظیفه تأمین انرژی مورد نیاز تغییر دور در شتاب‌گیری و ترمزگیری، بر عهده موتور الکتریکی باشد که خود به واسطه انرژی‌های هدر‌رفته تغذیه می‌شود. بنابراین در چنین تیپ خودرویی،مصرف سوخت و آلایندگی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
چرخه اتکینسون
پیشرانه‌ای که بر اساس چرخه اتو کار می‌کند (فرآیند کاری آن به چرخه اتو نزدیک است) دارای چند مشکل خاص بوده که موجب می‌شود در بسیاری از موارد، بازده آن از حد انتظار پایین‌تر باشد. مشکل معمول، طولانی‌بودن پروسه تنفسی است که باید در طول دو دور دوران میل‌لنگ صورت پذیرد. به عبارتی تنها مرحله احتراق در نیم دور از دو دور دوران میل‌لنگ نقش داشته و در سه‌چهارم باقی‌مانده از پروسه (یک دور و نیم دوران) سیستم در حال هرزگردی برای بازگشتن به حالت ابتدایی برای تولید قدرت بوده و پیستون به اندازه مسافتی که گاز در حال انبساط، آن را حرکت داده است، باید بازگردد تا مکش و تراکم را انجام دهد. این معضل موجب طولانی‌شدن فرآیندها و هدر‌رفتن کار مکانیکی می‌شود. در حالت ایده‌آل چرخه اتو، مراحل تنفس و تخلیه نباید وجود داشته باشند و یا بسیار کوتاه و بدون تبادل حرارت باشند (صرف کامل انرژی برای انبساط و بسته‌شدن آنی سوپاپ‌ها) که با توجه به ساختار مکانیکی پیشرانه ۴ زمانه پیستونی، برآورده‌کردن آن به هیچ عنوان امکان‌پذیر نبوده و موجب می‌شود تا نرخ جریان پایدار و فزاینده تنفسی در پیشرانه وجود نداشته باشد و در نتیجه، پیشرانه هیچگاه به حالت ایده‌آل اتو نزدیک نشود.
این مشکلات، بازدهی را خصوصا در هنگام تغییر دور و دوران با دورهای متوسط و بالا بسیار کاهش می‌دهد.
در چرخه اتکینسون که برای نخستین‌بار توسط مخترع بریتانیایی جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ ثبت شد، توجه معطوف به بهبود مسیر تنفسی سیستم و تأمین جریان گاز به صورت مداوم و فزاینده است. ایده جیمز اتکینسون در چرخه ابداعی خود، متمرکز بر این موضوع بود که با وجود اینکه نمی‌توان از هدر‌رفت گرما پس از احتراق جلوگیری کرد و سیستم را به صورت آنی به حالت اول باز‌گرداند اما می‌توان با یکنواخت‌کردن پروسه تنفس سیلندر و کوتاه‌کردن فرآیندها، به بازده به‌مراتب بالاتری دست پیدا کرد. اتکینسون ایده خود را با اضافه‌کردن یک رابط به شاتون عملی کرد. این رابط موجب می‌شد تا تمام ۴مرحله مکش، تراکم، احتراق و تخلیه در یک دور دوران میل‌لنگ خلاصه شود و در عمل، مدت زمان چرخه ترمودینامیکی سیستم نصف شود. در این شرایط عملا شاهد رفتار متفاوتی از پیستون خواهیم بود که شامل رفت و برگشت با کورس‌های متغیر است که این امکان را می‌دهد تا با یکسان‌بودن دور میل‌لنگ و میل‌سوپاپ، در طول باز و بسته‌شدن سوپاپ‌ها با رفتار سریع‌تر پیستون جریانی یکنواخت و فزاینده از گاز در سیلندر را داشته باشیم که با سرعتی بالاتر از پیشرانه پیستونی اتو پر و تخلیه و مجددا آماده می‌شود. در حقیقت با آغاز چرخه اتکینسون، پیستون با حداکثر کورس خود مکش را انجام داده و پیش از آنکه سوپاپ ورودی فرصت بسته‌شدن پیدا کند عمل تراکم را آغاز می‌کند. این امر موجب پس‌زدن مقداری از مخلوط هوا و سوخت به پشت سوپاپ ورودی شده و هنگامی که سوپاپ ورودی بسته می‌شود، گاز پس‌زده شده در حالت آماده باقی می‌ماند. انجام این عمل تاثیری معادل کوتاه‌شدن چرخه مکش و تراکم و بهبود شرایط تنفسی دارد و تبادل حرارت کمتری نیز رخ می‌دهد. در نتیجه، مخلوط پیش از آنکه دمای بالایی پیدا کند آماده احتراق بوده و سیلندر نیز هیچگاه به صورت کامل پر نمی‌شود. نتیجه این است که با کوتاه‌شدن چرخه مکش و تراکم، می‌توانیم انبساط زیادی پس از احتراق داشته باشیم. بر‌خلاف چرخه اتو که نسبت تراکم و انبساط همواره برابر است، در چرخه اتکینسون نسبت انبساط به میزان بسیار زیادی بزرگ‌تر از نسبت تراکم است و در نتیجه بیشترین میزان کار مکانیکی ممکن را به ازای هر مرحله تنفس خواهیم داشت.
چرا اکنون به یاد چرخه اتکینسون افتاده‌ایم؟
همان‌گونه که شرح داده شد، تمرکز چرخه اتکینسون بر یکنواخت و فزاینده کردن پروسه تنفسی سیلندر است که در نتیجه آن، با کوتاه‌شدن چرخه‌ها، هم فرصت تبادل حرارتی کمتری داریم و هم می‌توانیم انبساطی بزرگ‌تر از تراکم را فراهم کنیم. بنابراین کار مکانیکی بیشتری به ازای مقدار سوخت کمتر به دست آورده و کار کمتری هم برای بازگرداندن سیستم به حالت اول صرف می‌کنیم. این مزایای مهم در پیشرانه پیستونی بر اساس چرخه اتو مشاهده نمی‌شوند. اما چرا حال پس از یک قرن استفاده از چرخه اتو به فکر چرخه اتکینسون افتاده‌ایم؟
حقیقت این است که پیشرانه چرخه اتکینسون با تمام مزایای خود به طور متوسط توان و گشتاور کمتری نسبت به پیشرانه چرخه اتو خصوصا در دورهای متوسط و پایین ارائه می‌کند. چرا‌که یک پیشرانه با چرخه اتکینسون برای داشتن جریان تنفس یکنواخت و کوتاه‌کردن پروسه مکش و تراکم، هیچگاه سیلندرهای خود را به صورت کامل پر‌نمی‌کند و مقداری از مخلوط هوا و سوخت را مجددا به پورت ورودی پس می‌زند. چرخه اتکینسون کارایی خود را پس از احتراق و انبساط بیشتر از تراکم، ارائه می‌دهد تا با صرف سوخت کمتر، کار مکانیکی بیشتر به دست آورد و این امر باعث می‌شود تا پیشرانه نتواند منحنی توان و گشتاور مطلوبی در مقایسه با پیشرانه چرخه اتو ارائه دهد و توان آن در دور و سرعت‌های پایین مناسب نباشد و کشش کافی برای دورگیری و افزایش شتاب را ارائه ندهد. ساختار میل‌لنگ با شاتون کمکی نیز مقدار قابل توجهی از کار به دست آمده را هدر داده و ضمن پیچیدگی پروسه روغن‌کاری و بالانس‌کردن پیشرانه، امکان دستیابی پیشرانه به دورهای بالا را تا حد زیادی محدود می‌کند.
این مشکلات باعث شد تا مزیت اصلی چرخه اتکینسون که همان بازده بالاتر نسبت به سوخت مصرفی بود چندان جلوه نکند و چرخه اتو به حیات خود ادامه دهد.
در دهه ۵۰ میلادی، مهندسی آمریکایی به نام رالف میلر، ابداعی به نام چرخه میلر را ثبت کرد که در واقع اصلاحی بود بر چرخه اتکینسون. وی برای پیشرانه‌های پیستونی گازسوز با چرخه اتکینسون سوپرشارژری در نظر گرفت که قادر بود به روند تغذیه فزاینده پیشرانه کمک کرده و افت توان در دورهای پایین را پوشش دهد. خودروی مزدا millenia مدل ۱۹۹۴، با حذف سیستم شاتون کمکی و تنها با به تأخیر انداختن بسته شدن سوپاپ ورودی به همراهی یک سوپر شارژر توانست از چرخه میلر بهره ببرد.
امروزه استفاده از چرخه اتکینسون در خودروهای هایبرید موازی توسط شرکت‌هایی چون تویوتا و هوندا صورت می‌گیرد. در این مدل پیشرانه‌های اتکینسون مدرن، سیستم شاتون و میل‌لنگ کاملا با پیشرانه اتو عادی یکسان است اما به کمک سیستم VVT-iE پیشرانه قادر است بین حالات چرخه اتکینسون و اتو سوئیچ کند و در حالت چرخه اتکینسون با کاهش مصرف، افت کشش خود را به کمک موتور الکتریکی جبران کند. در واقع سوپاپ‌های ورودی قادرند با باز ماندن به مدت طولانی‌تر در هنگام تراکم، چرخه اتکینسون را آغاز کرده و با کاهش گنجایش سیلندر و کوتاه‌کردن مکش و تراکم به صورت مجازی، انبساط بیشتری در زمان احتراق به دست آورده و با سوخت کمتر کار مکانیکی بیشتری تولید کنند و روند تخلیه و پر شدن سیلندر نیز یکنواخت‌تر شود.
