جیمز اتکینسون (James Atkinson) یک مهندس بریتانیایی بود که همانند بسیاری از مخترعان، کارآفرینان، و فلزکاران قرن نوزدهم، در پی راه‌هایی برای بهبود عملکرد چرخه‌ی پیشرانه احتراق اتوی چهار زمانه بر آمده بود. این پیشرانه برای اولین بار در سال۱۸۷۶ ساخته شده است. پیشرانه‌ای که او در سال ۱۸۸۲ به ثبت رساند، دارای طول‌های حرکت پیستون (stroke length) متغیری بود و این تغییرات توسط یک شاتون (میل رابط) چند اتصالی میان پیستون و فلای‌ویل (چرخ لنگر) فراهم می‌شد.
در حالی که پیشرانههای اتکینسون موفق نبودند، ولی چرخه‌ی ترمودینامیکی او هنوز هم به طور گسترده استفاده می‌شود. کاربرد این پیشرانهها به طور عمده در پیشرانههای نوع هیبریدی بنزینی الکتریکی است. مزیت کلیدی این چرخه نسبت به اتو، حصول بهره‌وری بالاتر نسبت به یک پیشرانه اتو است، البته این امر با اندکی افت در توان خروجی در سرعت‌های پایین همراه است. چرخه‌ی اتکینسون برای پیشرانههای هیبریدی بسیار ایده‌آل است، زیرا موتور الکتریکی به کار بسته شده روی آن‌ها می‌تواند کاهش مربوط به خروجی را در سرعت پایین جبران کند.
چرخه‌ی اتکینسون بسته شدن سوپاپ ورودی را مادامی که پیستون ۲۰ تا ۳۰ درصد از مسیر به سمت بالایش را در مرحله‌ی تراکم طی کند، به تاخیر می‌اندازد. به عنوان یک نتیجه، مقداری از سوخت تازه، توسط پیستونی که در حال بالا آمدن است، دوباره به منیفولد ورودی هدایت می‌شود تا به این ترتیب، سیلندر هرگز به طور کامل پر نشود که همین موضوع نیز همانطور که اشاره کردیم، کاهش توان خروجی را در سرعت‌های پایین در پی دارد. نتیجه‌ی نهایی بعد از احتراق به دست می‌آید؛ زمانی که پیستون شروع به پایین آمدن در مرحله‌ی انبساط می‌کند. این مرحله را مرحله‌ی قدرت نیز می‌نامند. چنین روندی در واقع با تفکر اصلی اتکینسون سازگار است. مکش کوتاه‌تر همراه با یک حرکت انبساطی در تمام طول ممکن، باعث می‌شود تا بیشترین کار ممکن را به ازای هر بار افزوده شدن سوخت به دست آوریم.
در تصاویر زیر چهار مرحله‌ی اصلی که در هر پیشرانه پیستونی متداول رخ می‌دهد و به نام‌های مکش (intake)، تراکم (compression)، تولید توان (power) و تخلیه (exhaust) را می‌بینیم. همچنین نسبت تراکم و نسبت انبساط برای چرخه‌ی نرمال و چرخه‌ی اتکینسون با هم مقایسه شده است. این دو نسبت بیان‌گر نسبت فضای مابین پیستون و سیلندر در حالت کمترین و بیشترین مقدار حجم حاصل از حرکت رفت و برگشت پیستون هستند. برای مرحله‌ی مکش و تخلیه تفاوت خاصی وجود ندارد اما در مرحله‌ی انبساط شاهد تفاوت در مقدار نسبت انبساط هستیم.
در اکثر پیشرانهها، نسبت تراکم تا هر جایی که بتواند پیشرانه را در دستیابی به قدرت و کارایی و همچنین اجتناب از انفجار به یک برایند کلی برساند، در میزان بالایی تنظیم می‌شود. نسبت تراکم و انبساط در یک پیشرانه اتوی معمولی با هم برابر هستند. دلیل برتری اتکینسون در بهره‌وری به این دلیل است که نسبت انبساط آن به طور قابل توجهی بزرگ‌تر از نسبت تراکمش است.
مهندس آمریکایی رالف میلر (Ralph Miller) در سال1957 با ثبت اختراع مفید دیگری در این زمینه توجهات را به خود جلب کرد. چرخه‌ی پیشنهادی وی برای استفاده با پیشرانههای دو و چهار زمانه‌ای که با سوخت‌های بنزین و دیزل یا سوخت‌های گازی مانند پروپان کار می‌کنند در نظر گرفته شده بود. بخش افزوده شده به این چرخه، یک سوپر شارژر برای تامین سوخت مصرفی تحت فشار و خنک شده بود که با هدف جبران‌سازی سرعت از دست رفته با رویکرد اتکینسون پیشنهاد شده بود.
میلر همچنین یک شیر موسوم به «شیر کنترل تراکم» را برای تخلیه‌ی فشار بیش از حد در محفظه‌ی احتراق در هر چرخه را برای پیشرانه پیشنهادی خود در نظر گرفته بود. خودروی مزدا میلنیا را نیز که فروش آن از سال ۱۹۹۴ آغاز شد، می‌توان به عنوان یکی از قابل توجه‌ترین خودروهای تجاری دانست که از چرخه‌ی میلر برای سیستم پیشرانه‌ی خود بهره گرفته است.
نظرات