هر سه نوع موتور از بنزین و پیستون استفاده می‌کنند، اما برای دستیابی به قدرت، بازده و مصرف سوخت بهتر، روش‌های متفاوتی دارند. بیشتر موتورهای بنزینی از چرخه اتو پیروی می‌کنند؛ فرایندی که بیش از یک قرن است نیروی محرکه خودروها را تأمین می‌کند. بااین‌حال، همه موتورهای احتراق داخلی دقیقاً به یک شکل کار نمی‌کنند.
برخی خودروسازان از چرخه‌های اتکینسون و میلر برای افزایش بازده، کاهش مصرف سوخت یا استخراج انرژی بیشتر از هر قطره بنزین استفاده می‌کنند. هر سه چرخه در موتورهای امروزی بر پایه اصل چهارزمانه بنا شده‌اند، اما در نحوه مدیریت هوای ورودی، تراکم و انبساط گازها در سیلندر تفاوت دارند.
چرخه اتو؛ روش متداول تولید قدرت
چرخه اتو پایه عملکرد بیشتر موتورهای بنزینی معمولی است. این چرخه که به نام نیکولاس اتو، مهندس آلمانی و سازنده موتور چهارزمانه در قرن نوزدهم، نام‌گذاری شده، توضیح می‌دهد که موتور چگونه مخلوط هوا و سوخت را وارد سیلندر می‌کند، آن را متراکم می‌سازد، می‌سوزاند و سپس گازهای حاصل را خارج می‌کند.
این فرایند چهار مرحله دارد: مکش، تراکم، قدرت و تخلیه. در مرحله مکش، پیستون پایین می‌رود و هوا وارد سیلندر می‌شود. سپس پیستون بالا می‌آید و مخلوط هوا و سوخت را متراکم می‌کند. نزدیک پایان این مرحله، شمع جرقه می‌زند و مخلوط را مشتعل می‌کند.
احتراق، پیستون را به پایین می‌راند و با چرخاندن میل‌لنگ، قدرت تولید می‌شود. در پایان نیز سوپاپ تخلیه باز می‌شود تا گازهای سوخته از سیلندر خارج شوند.
تفاوت اصلی چرخه اتو با دو چرخه دیگر این است که در مدل ایده‌آل ترمودینامیکی، نسبت تراکم و نسبت انبساط آن تقریباً برابرند. در موتورهای واقعی، زمان‌بندی سوپاپ‌ها و عوامل دیگر بر نسبت‌های مؤثر اثر می‌گذارند، اما اصل کلی همین است.
چرخه اتو تعادلی میان قدرت، واکنش سریع و بازده ایجاد می‌کند. به همین دلیل، از خودروهای شهری کوچک تا خودروهای اسپرت پرقدرت به‌طور گسترده از آن استفاده می‌شود؛ ضمن اینکه به سخت‌افزار پیچیده‌ای نیاز ندارد.
چرخه اتکینسون؛ کاهش قدرت برای بازده بیشتر
چرخه اتکینسون رویکرد متفاوتی دارد. هدف آن تولید بیشترین قدرت از هر مرحله احتراق نیست؛ بلکه می‌کوشد انرژی مفید بیشتری از سوخت مصرف‌شده استخراج کند.
موتور اولیه اتکینسون را جیمز اتکینسون، مهندس بریتانیایی، در سال ۱۸۸۲ ثبت اختراع کرد. این موتور با سازوکار مکانیکی پیچیده‌ای، کورس مؤثر انبساط را از کورس تراکم بلندتر می‌کرد. به این ترتیب، گازهای حاصل از احتراق مدت بیشتری پیستون را به حرکت درمی‌آوردند و انرژی بیشتری پیش از خروج از اگزوز از آن‌ها گرفته می‌شد.
موتورهای مدرن اتکینسون با زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها به نتیجه مشابهی می‌رسند. در این موتورها معمولاً سوپاپ ورودی بیش از موتورهای معمولی چرخه اتو باز می‌ماند. وقتی پیستون در مرحله تراکم رو به بالا حرکت می‌کند، بخشی از مخلوط هوا و سوخت به منیفولد ورودی بازمی‌گردد. در نتیجه، نسبت تراکم مؤثر کاهش می‌یابد، درحالی‌که نسبت انبساط نسبتاً بالا باقی می‌ماند.
مزیت این روش، افزایش بازده حرارتی است؛ چون انرژی بیشتری از گازهای در حال انبساط گرفته می‌شود. اما هوای کمتری وارد سیلندر می‌شود و این موضوع معمولاً قدرت موتور را نسبت به حجم آن محدود می‌کند.
به همین دلیل، موتورهای اتکینسون در خودروهای هیبریدی محبوب‌اند. تویوتا و هوندا از نسخه‌هایی از این فناوری در برخی محصولات هیبریدی خود استفاده می‌کنند. موتور برقی می‌تواند کمبود گشتاور موتور بنزینی در دورهای پایین را جبران کند و شتاب‌گیری مناسبی را در کنار مصرف سوخت پایین فراهم آورد.
چرخه میلر؛ بازده بهتر بدون افت شدید قدرت
چرخه میلر به چرخه اتکینسون مدرن نزدیک است، اما تفاوت مهمی دارد: این چرخه با هدف افزایش بازده و استفاده از پرخوران برای حفظ قدرت توسعه یافت.
این چرخه به نام رالف میلر، مهندس آمریکایی که در سال ۱۹۵۷ آن را ثبت اختراع کرد، نام‌گذاری شده است. در چرخه میلر، زمان‌بندی سوپاپ ورودی تغییر می‌کند تا نسبت تراکم مؤثر کاهش یابد و نسبت انبساط بالاتر بماند. این کار کمک می‌کند انرژی بیشتری از احتراق استخراج شود و انرژی کمتری همراه گازهای خروجی از اگزوز هدر برود.
کاهش نسبت تراکم مؤثر، مقدار هوای محبوس در سیلندر را نیز کم می‌کند. برای جبران این کاهش، از سوپرشارژر یا توربوشارژر استفاده می‌شود تا هوای بیشتری با فشار وارد موتور شود و قدرت آن تا حد امکان حفظ شود.
موتورهای چرخه میلر بسته به طراحی، می‌توانند سوپاپ ورودی را زودتر یا دیرتر ببندند. هر دو روش نسبت تراکم مؤثر را کاهش می‌دهند، اما سازوکارشان یکسان نیست. یکی از نمونه‌های شناخته‌شده این فناوری، موتور ۲.۳ لیتری V6 با کد KJ-ZEM مزدا بود که در مدل میلینیا استفاده شد. این موتور برای افزایش بازده، بدون چشم‌پوشی از عملکرد مورد انتظار یک V6، با سوپرشارژر نوع لیشولم ترکیب شده بود.
چرخه میلر در واقع راه‌حلی میانه است: تلاش می‌کند بخشی از مزایای بازدهی چرخه اتکینسون را به دست آورد و با پرخوران، محدودیت‌های آن در تولید قدرت را کاهش دهد.
تفاوت چرخه‌های اتو، اتکینسون و میلر
هر سه چرخه در کاربردهای خودرویی امروزی بر پایه فرایند چهارزمانه کار می‌کنند، اما در مدیریت تراکم، انبساط و هوای ورودی به سیلندر متفاوت‌اند:
- چرخه اتو: نسبت تراکم و انبساط در مدل ایده‌آل تقریباً برابر است. هدف آن ایجاد تعادل میان قدرت و بازده است.
- چرخه اتکینسون: با کاهش نسبت تراکم مؤثر و افزایش نسبت انبساط، انرژی بیشتری از احتراق می‌گیرد. این چرخه به‌ویژه در موتورهای تنفس طبیعی خودروهای هیبریدی رایج است.
- چرخه میلر: از نسبت تراکم مؤثر کمتر و نسبت انبساط بالاتر استفاده می‌کند، اما معمولاً برای حفظ قدرت با توربوشارژر یا سوپرشارژر همراه می‌شود.
کاربرد این موتورها نیز متفاوت است. چرخه اتو بیشتر در خودروهای بنزینی معمولی دیده می‌شود، چرخه اتکینسون در خودروهای هیبریدی کاربرد زیادی دارد و چرخه میلر برای ترکیب بازده بهتر با قدرت بالاتر استفاده شده است.
البته مرز میان موتورهای مدرن اتکینسون و میلر همیشه روشن نیست. هر دو می‌توانند از روش‌های مشابه زمان‌بندی سوپاپ استفاده کنند و بعضی خودروسازان این نام‌ها را با تعریف‌های متفاوتی به کار می‌برند. وجود توربوشارژر یا سوپرشارژر می‌تواند نشانه‌ای برای تشخیص باشد، اما در نهایت طراحی واقعی موتور از نام‌گذاری آن مهم‌تر است.
رانندگان درباره این موتورها چه نظری دارند؟
بحث‌های کاربران ردیت نشان می‌دهد که مهم‌ترین مزیت چرخه اتکینسون از نگاه آن‌ها، مصرف سوخت پایین است؛ هرچند برخی علاقه‌مندان می‌پرسند آیا کاهش قدرت آن برای همه خودروها مناسب است یا نه. در یکی از بحث‌های انجمن تویوتا، کاربران اشاره کرده‌اند که موتورهای چرخه اتو معمولاً از حجم یکسان قدرت بیشتری می‌گیرند، درحالی‌که موتورهای اتکینسون بازده را در اولویت قرار می‌دهند. برخی نیز توضیح داده‌اند که سامانه هیبریدی می‌تواند عملکرد ضعیف‌تر موتور اتکینسون در دورهای پایین را جبران کند.
در بحث دیگری در انجمن مهندسی خودرو، کاربران بررسی کرده‌اند که چرا خودروسازان موتورهای معمولی را به‌طور کامل با موتورهای اتکینسون جایگزین نمی‌کنند. پاسخ‌ها به عواملی مانند چگالی توان، اندازه و وزن موتور و تفاوت بازده در شرایط مختلف اشاره دارند.
بحث‌های فنی همچنین نشان می‌دهند که موتورهای مدرن با کمک زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها می‌توانند بین عملکردی شبیه چرخه اتو و اتکینسون جابه‌جا شوند. بنابراین، این سه چرخه در مهندسی خودروی امروز همیشه دسته‌هایی کاملاً جدا از هم نیستند.
کدام چرخه بهتر است؟
برنده مشخصی وجود ندارد؛ هر چرخه برای اولویت متفاوتی طراحی شده است. چرخه اتو به‌دلیل کاربردپذیری و توانایی تولید قدرت در طیف وسیعی از شرایط همچنان انتخاب محبوبی است. این چرخه برای رانندگانی مناسب است که عملکرد معمول و قابل‌پیش‌بینی می‌خواهند و ترجیح می‌دهند سراغ سامانه هیبریدی یا مجموعه پرخوران پیچیده نروند.
چرخه اتکینسون زمانی مناسب‌تر است که مصرف سوخت اهمیت بیشتری داشته باشد. قدرت کمتر آن می‌تواند در یک خودروی معمولی نقطه‌ضعف باشد، اما ترکیب با موتور برقی این مصالحه را آسان‌تر می‌کند. به همین دلیل، اتکینسون به بخش مهمی از فناوری هیبریدی امروز تبدیل شده است.
