چرخه اتکینسون و میلر: فداکاری قدرت در ازای بازدهی

موتوری که آگاهانه از بخشی از توان خود صرف‌نظر می‌کند، ترجیح می‌دهد بازده را پیش از توان حفظ کند و بیش از گرمای سوخت را به کار تبدیل می‌سازد.
موتوری که آگاهانه از بخشی از توان خود صرف‌نظر می‌کند، ترجیح می‌دهد بازده را پیش از توان حفظ کند و بیش از گرمای سوخت را به کار تبدیل می‌سازد.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

چرخه اتکینسون با طولانی نگه داشتن کورس انبساط بیشتر از کورس تراکم، انرژی حرارتی سوخت را بیشتر به کار مکانیکی تبدیل می‌کند؛ چرخه میلر نیز همان تکنیک است که با پشتیبانی توربوشارژ یا سوپرشارژ ترکیب شده است. هر دو از بخشی از قدرت صرف نظر می‌کنند و بازده به دست می‌آورند - و دقیقاً به همین دلیل است که در کنار سیستم‌های هیبریدی و بنزینی‌های توربوی مدرن معنا پیدا می‌کنند. در این نوشته منطق مشترک این دو چرخه، تفاوت نسبت تراکم و نسبت انبساط و اینکه چرا در هر خودرو مفید واقع می‌شود را توضیح می‌دهم.

نکات برجسته

  • چرخه اتکینسون در سال 1882 توسط جیمز اتکینسون ثبت اختراع شد؛ 6 سال پس از چرخه اتو.
  • منبع بازده، تراکم نیست بلکه انبساط است: نسبت تراکم مؤثر کاهش می‌یابد و نسبت انبساط حفظ می‌شود.
  • سوپاپ مکش تا زمانی که 20 تا 30 درصد کورس تراکم کامل شود، باز می‌ماند.
  • در موتورهای متعارف، 33 تا 40 درصد از انرژی احتراق همراه با اگزوز از دست می‌رود.
  • نخستین موتور هیبریدی اتکینسون تولید انبوه، در سال 1997 روی تویوتا پریوس کار خود را آغاز کرد.

چرخه‌های اتکینسون و میلر چیستند و چقدر با چرخه اتو تفاوت دارند؟

چرخه چهارزمانه‌ای که در سال 1876 توسط نیکلاوس اتو توسعه یافت - مکش، تراکم، احتراق و اگزوز - امروز استاندارد عملی موتورهای بنزینی است. در چرخه اتو، پیستون بلافاصله پس از بسته شدن سوپاپ اگزوز، تراکم مخلوط هوا-سوختی را که در زمان مکش دریافت کرده است آغاز می‌کند. کورس‌های تراکم و انبساط از نظر هندسی برابرند و موتور بازده خود را عمدتاً از بالابردن این نسبت تراکم تا حدی که مرض نپذیرد اجازه می‌دهد، به دست می‌آورد.

ایده جیمز اتکینسون در سال 1882، شکستن آگاهانه این تقارن بود. اگر کورس انبساط از کورس تراکم بلندتر باشد، گازهای احتراق پیش از آنکه قدرت را به شکل کار درآورند، از سوپاپ اگزوز به بیرون فرار نمی‌کنند. اتکینسون در ابتدا این ایده را با سازوکارهای پیچیده اهرمی حل می‌کرد؛ طراحی او با نام cycle engine چهار زمان را در یک دور میل‌لنگ با یک سامانه اتصالی انجام می‌داد. این طرح بازده داشت اما در دورهای بالا متعادل کردنش دشوار بود، از نظر مکانیکی سنگین و دست‌وپاگیر بود و به صورت تجاری گسترش نیافت.

راه‌حل مدرن اما بسیار ظریف‌تر است: بدون دست زدن به هیچ سازوکار میل‌لنگی، صرفاً با به تأخیر انداختن بسته شدن سوپاپ مکش، همان اثر به دست آید. رویکردی که رالف میلر در سال 1956 ثبت اختراع کرد و امروزه در موتورهای تنفس طبیعی و توربوشارژ شده هر دو به کار می‌رود، دقیقاً بر همین اساس است.

منشأ بازده: نه نسبت تراکم، بلکه نسبت انبساط

زنجیره منطقی موجود، تمام تفاوت این دو چرخه را توضیح می‌دهد. اگر سوپاپ مکش دیرتر از حالت عادی بسته شود (با نام علمی LIVC)، پیستون حتی پس از آغاز کورس تراکم مدتی بیشتر به مکش ادامه می‌دهد و بخشی از مخلوط را به منیفولد پس می‌راند. نتیجه: مقدار هوای مؤثر وارد شده به سیلندر کاهش می‌یابد و نسبت تراکم مؤثر افت می‌کند. اما از آنجا که حرکت رو به پایین پیستون - یعنی کورس انبساط - از نظر هندسی تغییر نکرده است، نسبت انبساط سر جای خود می‌ماند. بدین ترتیب نسبت تراکم از نسبت انبساط کوچک‌تر می‌شود.

چرا این تفاوت بازده ایجاد می‌کند؟ زیرا انرژی صرف‌شده برای کار تراکم کاهش می‌یابد، در حالی که زمان تبدیل انرژی احتراق به کار مکانیکی در مرحله انبساط طولانی‌تر می‌شود. هدف این است که در پایان زمان قدرت، فشار گاز داخل سیلندر تا حد امکان به فشار اتمسفر نزدیک شود؛ اگر هنگام باز شدن سوپاپ اگزوز هنوز گاز پرفشاری وجود داشته باشد، یعنی آن انرژی هدر رفته است. در یک موتور متعارف، گازهای اگزوز با فشار 3 تا 7 بار و دمایی تا 1000 درجه سانتی‌گراد بیرون رانده می‌شوند - یعنی بین یک‌سوم تا نیمی از انرژی احتراق، بدون هیچ استفاده‌ای وارد لوله اگزوز می‌شود.

بسته شدن دیرهنگام تنها گزینه نیست. بسته شدن زودهنگام سوپاپ مکش (EIVC) نیز همین نتیجه را به دست می‌دهد: سوپاپ در ابتدای کورس بسته می‌شود و هنگام پایین رفتن پیستون، خلأ خفیفی در سیلندر ایجاد می‌کند؛ مخلوط عملاً با خودِ گشاد شدن، مکیده می‌شود. میان این دو راهبرد، از نظر مدیریت حرارتی و تلفات پمپاژ تفاوت‌هایی وجود دارد؛ بررسی‌های انجام‌شده روی موتورهای دریایی نیز نشان می‌دهد که بستن بیش از حد زودهنگام سوپاپ می‌تواند مصرف سوخت را افزایش دهد.

چرخه‌های اتکو، اتکینسون و میلر در کنار هم

ویژگیاتکواتکینسونمیلر
نسبت تراکم / انبساطبرابرتراکم < انبساطتراکم < انبساط
زمان‌بندی سوپاپ مکشبسته شدن معمولیبسته شدن دیرهنگام (LIVC)بسته شدن دیرهنگام یا زودهنگام
پر شدن هواکاملجزئی، کاهش‌یافتهبا توربو/سوپرشارجر کامل می‌شود
چگالی قدرتبالاپایینمی‌توان آن را بالا نگه داشت
کاربرد معمولموتورهای بنزینی کلاسیکخودروهای هیبریدیبنزینی‌های توربودار
سود اصلیقدرتبازده حرارتیبازده + مقاومت در برابر نپاش

چرا در خودروهای هیبریدی از چرخه اتکینسون استفاده می‌شود؟

بهای چرخه اتکینسون روشن است: سوپاپ مکشی که دیر بسته می‌شود، باعث می‌شود همان حجم سیلندر هوای کمتری بگیرد. چگالی قدرت کاهش می‌یابد؛ گشتاور اوج و فشار مؤثر متوسط هر سیلندر عقب می‌نشیند. در نتیجه موتوری به دست می‌آورید که نسبت به یک موتور اتکوی هم‌اندازه قدرت کمتری تولید می‌کند و به‌ویژه در دور پایین گشتاور ضعیفی دارد. برای یک خودرو بنزینیِ تنها، این یک نقطه ضعف است که راننده هر بار که گاز می‌دهد آن را حس می‌کند.

سیستم هیبریدی دقیقاً همین نقطه ضعف را جبران می‌کند. موتور الکتریکی از همان لحظه صفر، گشتاور آنی تولید می‌کند؛ ضعیف‌ترین محدوده کاری موتور - یعنی دور پایین و ناحیه بار کامل - را بر عهده می‌گیرد. بدین ترتیب موتور بنزینی تقریباً همیشه می‌تواند روی بهره‌ورترین خطِ نقشه بار و دور کار کند. این ترکیب برای نخستین بار در اواخر 1997 با نسل اول Toyota Prius وارد خط تولید شد و از آن روز تاکنون فرمول استاندارد مجموعه‌های انتقال قدرت هیبریدی است.

نمونه‌های اجرای آن فراوان است: 1NZ-FXE در پریوس‌های اولیه، خانواده موتورهای Toyota Dynamic Force ، هیبریدهای C-Max و Fusion فورد و مدل‌های هیبریدی لکسوس همگی از این منطق پیروی می‌کنند. اما از اختراع این فناوری تا ورود آن به خط تولید، دست‌پر ⟨ 100 سال طول کشید - بدون موتور الکتریکی، کسری قدرت این چرخه برای هیچ‌کس قابل فروش نبود.

چرخه میلر چه سودی برای بنزینی‌های توربودار دارد؟

Geç kapanan supap, yüksek sıkıştırma oranının vuruntu riskini üstlenmeden verimi artırmanınMiller çevriminin pazarlığıdır.

راه دوم برای جبران کمبود توان اتکینسون، فشرده کردن هوای بیشتری در سیلندر است. چرخه میلر دقیقاً همین است: نرخ تراکم مؤکلی که با بسته شدن دیرهنگام سوپاپ مکش کاهش می‌یابد، با هوای اضافی که توربوشارژ یا سوپرشارژ تأمین می‌کند جبران می‌شود. مخلوط با فشاری بیش از فشار جو وارد سیلندر می‌شود؛ موتور هم از بهره‌وری تایمینگ میلر سود می‌برد و هم توان مورد انتظار را تولید می‌کند.

این رویکرد در بنزینی‌های توربو ارزش جداگانه‌ای دارد: کنترل ناک. ناک، خودبه‌خودی مشتعل شدن مخلوط فشرده‌شده بدون انتظار برای جرقه شمع است و نرخ‌های تراکم بالا و فشارهای پرشدگی بالا این خطر را افزایش می‌دهند. راه‌حل سنتی، کاهش نرخ تراکم هندسی است - که صرفه‌جویی سوختی را هم با خود از بین می‌برد. چرخه میلر این دوگانه را حل می‌کند: نرخ هندسی می‌تواند بالا نگه داشته شود، اما نرخ مؤثر در لحظه تراکم به لطف سوپاپ دیربسته محدود می‌ماند. در موتورهای کوچک‌شده توربوشارژ، این یک راهبرد رایج کاهش ناک است.

سود عددی نیز در حد قابل اندازه‌گیری است. چرخه میلر همراه با کاهش تلفات پمپاژ در بار جزئی، بهبود بهره‌وری و افت انتشار NOx، در مقایسه با موتورهای سنتی قابل مقایسه، صرفه‌جویی سوختی محسوسی فراهم می‌کند؛ در کاربردهای اولیه تولید، ارقام ذکرشده کاهش مصرف 10 تا 15 درصد است. هنگامی که با بوست بالا ترکیب شود، نشان داده شده که پتانسیل بهبود هم‌زمان در اقتصاد سوخت و مقاومت در برابر ناک را دارد.

درسی از تاریخ: مازدا میلنیا

نخستین کاربرد تولیدی چرخه میلر در تاریخ خودرو، موتور V6 Mazda KJ-ZEM در سال 1994 بود - این موتور که با یک سوپرشارژر از نوع لیشولم تغذیه می‌شد، به دلیل هزینه تولید و پیچیدگی، نتوانست موفقیت تجاری سدانی به نام Millenia را به دست آورد. اما ایده دور ریختنی نبود: استفاده بنزینی‌های توربوی مدرن از تایمینگ میلر دقیقاً برای حل مشکل ناک و مصرف، همان مسیری است که آن موتور پیشگام آن بود.

«اتکینسون» یا «میلر»؟ بحث اصطلاح‌شناسی

بیایید نکته‌ای درباره درستی فنی اضافه کنیم. آنچه تویوتا و برخی تولیدکنندگان آن را «چرخه اتکینسون» می‌نامند، در واقع یک تایمینگ سوپاپ خاص است: بسته شدن دیرهنگام سوپاپ مکش. در متون علمی به این کاربرد «تایمینگ میلر» نیز گفته می‌شود. برخی منابع مهندسی تمایز را چنین برقرار می‌کنند: به موتورهای تنفس طبیعی با IVC دیرهنگام «اتکینسون» و به موتورهای دارای تغذیه اجباری «میلر» گفته می‌شود. از دیدگاهی دیگر، نام‌گذاری کاملاً قراردادی است؛ آنچه اهمیت دارد، اعمال چرخه انبساط‌افزوده با تایمینگ IVC است و استفاده یا عدم استفاده از مکش اجباری این طبقه‌بندی را تغییر نمی‌دهد.

بحث اولویت تاریخی نیز جالب است. کوریتینگ در 1891 یک موتور گازی با تراکم کوتاه و انبساط بلند ساخته بود، شارون در 1888 برای چرخه مشابهی بدون توربوشارژر پتنت فرانسوی گرفته بود و از گزارش‌های سال 1927 مشخص است که حتی کنترل تراکم مؤثر با زمان‌بندی سوپاپ برای محدود کردن جیغ زدن در سوخت‌های کم اکتان هم روی میز بوده است. یعنی نام «آتکینسون» امروز کمتر به سازوکار خود آتکینسون شباهت دارد؛ اما ایده‌ای که شایسته قدردانی است - جدا کردن انبساط از تراکم - از آنِ اوست.

چرا هر موتور بنزینی با چرخه آتکینسون یا میلر کار نمی‌کند؟

پاسخ در محور اصلی مقاله نهفته است: این چرخه‌ها بازده را به بهای قدرت به دست می‌آورند. در یک بنزینی معمولی فاقد موتور الکتریکی یا توربوشارژر، چرخه آتکینسون به معنای قدرت کمتر از همان حجم و گشتاور ضعیف به‌ویژه در دور پایین است. راننده این را در هر حرکت و هر سبقت حس می‌کند؛ برای سازنده هم لازم است موتور را بزرگ‌تر کند تا همان عملکرد را بدهد - که این هم بخشی از دستاورد بازده را پس می‌گیرد. چرخه میلر با توربوشارژر این خلأ را جبران می‌کند، اما همان‌طور که کاربردهای اولیه سوپرشارژر نشان داد، هزینه و پیچیدگی اضافه می‌آورد.

زنجیره منطقی خلاصه چنین است: چرخه آتکینسون به تنهایی از قدرت می‌گذرد و بازده می‌گیرد؛ سیستم هیبرید با موتور الکتریکی قدرت را بازمی‌گرداند. چرخه میلر همان منطق بازده را با توربوشارژر ترکیب می‌کند و قدرت را بازمی‌گرداند. در هر دو مسیر معادله‌ای که پیش روی شماست یکی است - بلند نگه داشتن انبساط نسبت به تراکم برای تبدیل انرژی‌ای که قرار بود از اگزوز فرار کند به کار مفید - و کارآمدترین موتورهای بنزینی هیبریدی و توربوی 2026 هنوز با شکل مهندسیِ بالغ‌شده همان ایده قرن نوزدهم کار می‌کنند.

منابع