Όλοι μας γνωρίζουμε την λειτουργία των κινητήρων εσωτερικής καύσης και έχουμε ακούσει τον κύκλο Otto και Diesel που αναφέρονται σε κινητήρες βενζίνης και πετρελαίου αντίστοιχα. Ενώ για τους κύκλους Atkinson ή του Miller, αν και έχουν επινοηθεί από το 1882 και 1940 αντίστοιχα ίσως να μην θυμόμαστε ή να μην τους έχουμε ακούσει.
Τώρα όμως που η τεχνολογία των αυτοκινήτων έχει προχωρήσει, ξαναέρχονται στην επιφάνεια και συγκεκριμένα ο κύκλος Atkinson και εφαρμόζεται στην υβριδική τεχνολογία σχεδόν σε όλα τα οχήματα.
Ας δούμε λοιπόν αυτούς τους κύκλους.
Κύκλος Otto και Diesel
Οι κύκλοι αυτοί είναι αυτοί που εφαρμόζονται σε όλους τους κινητήρες εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ).
Στους κύκλους Otto και Diesel έχουμε ένα πλήρες θερμοδυναμικό κύκλο που απαρτίζεται από τους τέσσερις χρόνους.
Στον κύκλο αυτόν έχουμε μεταβολή της πίεσης, θερμοκρασίας και όγκου και επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση μόλις ολοκληρωθεί αυτός ο κύκλος.
Χρόνος φυσικά σημαίνει μια κίνηση του εμβόλου από το ΑΝΣ έως το ΚΝΣ ή το ανάποδο και διαρκεί σχεδόν το ίδιο σε όλους. Στον Τετράχρονο κινητήρα ο θερμοδυναμικός κύκλος γίνεται σε τέσσερεις χρόνους ενώ στους δίχρονους γίνεται σε δύο. Φυσικά οι δίχρονοι κινητήρες έχουν αποσυρθεί εδώ και πολλά χρόνια πάνω από τα αυτοκίνητα.
Κύκλος Miller
Το 1940 ο Αμερικάνος μηχανικός Ralph Miller εμπνεύστηκε και σχεδίασε τον κύκλο λειτουργίας τύπου Miller, μεταβάλλοντας τον βασικό κύκλο λειτουργίας όλων των κινητήρων εσωτερικής καύσης, τον γνωστό κύκλο Otto.
Η διαφορά λοιπόν του κύκλου λειτουργίας Miller σε σχέση με τον Otto έγκειται στη διαφορετική διάρκεια κάποιων χρόνων. Και η μεγάλη διαφορά είναι στην φάση της εισαγωγής που διαρκεί πολύ περισσότερο, ενώ μειώνεται η διάρκεια της συμπίεσης.
Στον συγκεκριμένο κινητήρα, οι βαλβίδες εισαγωγής κλείνουν αφού περιστραφεί ο στροφαλοφόρος άξονας κατά 47ο μετά το Κάτω Νεκρό Σημείο. Δηλαδή το 20% της συμπίεσης δεν πραγματοποιείται, και αυτό διότι οι βαλβίδες παραμένουν ανοιχτές, και το μίγμα επιστρέφει από τον κύλινδρο στην εισαγωγή. Έτσι η φάση της συμπίεσης πραγματοποιείται κατά το 80% της διαδρομής του εμβόλου, ενώ η σχέση συμπίεσης ελαττώνεται και παίρνει την τιμή 8 : 1 από το αρχικό 1 0 : 1 .
Προφανώς εκ πρώτης όψεως, το σύστημα αυτό φαντάζει εντελώς άχρηστο, όμως δεν είναι, διότι η χαμηλότερη σχέση συμπίεσης οδηγεί σε μικρότερη απώλεια ενέργειας. Επιπλέον η χαμηλότερη συμπίεση προκαλεί μικρότερη θέρμανση του μίγματος μειώνοντας ταυτόχρονα τις θερμικές απώλειες του κινητήρα, από τα τοιχώματα των κυλίνδρων και τα έμβολα. Για την αναπλήρωση λοιπόν της “χαμένης” χωρητικότητας, τοποθετείται ένας μηχανικός υπερτροφοδότης, ο οποίος αυξάνει την πυκνότητα του μίγματος αναπληρώνοντας την ποσότητα του χαμένου μίγματος. Προφανώς ο υπερτροφοδότης πρέπει να καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από αυτή που κερδίζεται λόγω της μείωσης της συμπίεσης, αφού σε αντίθετη περίπτωση ο κινητήρας Miller δεν θα είναι οικονομικότερος των υπολοίπων συμβατικών κινητήρων. Τέλος πρέπει να σημειωθεί πως η φάση της εκτόνωσης πραγματοποιείται κατά 100% άρα η παραγωγή έργου γίνεται κανονικά.
Το αποτέλεσμα είναι περίπου 13% μικρότερη κατανάλωση με ταυτόχρονη παραγωγή περισσότερης ροπής στρέψης και υψηλότερης ιπποδύναμης του κινητήρα Miller από τον αντίστοιχο συμβατικό κινητήρα. Ωστόσο η μοναδική φορά που χρησιμοποιήθηκε ο κινητήρας αυτός ήταν το 1994 από τη Mazda, λόγω ορισμένων σημαντικών μειονεκτημάτων του.
Το χρησιμοποιεί η Audi και πριν τον έχει χρησιμοποιήσει η Mazda στον KZ-JEM 2.3 λίτρων V6 που κινούσε το Xedos 9 αλλά και πιο πρόσφατα, στο Mazda2
Κύκλος Atkinson
Κατοχυρωμένος ο κύκλος Atkinson με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1882 από τον Βρετανό μηχανικό James Atkinson, βελτίωσε σημαντικά την ενεργειακή απόδοση των τετράχρονων κινητήρων μέσω ενός ιδιαίτερα ευφυούς τροποποίησης.
Οι τέσσερις βασικές φάσεις του κύκλου Otto παρέμειναν όπως ήταν αλλά γίνονται σε μία περιστροφή -ειδικής σχεδίασης- του στροφαλοφόρου άξονα και ακόμη εφάρμοσε ένα διαφορετικό χρονισμό βαλβίδων. Αυτή η διαφοροποίηση είναι να καθυστερήσει το κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής κατά τη διάρκεια της διαδρομής συμπίεσης.
Η φιλοσοφία όμως αυτή εφαρμόστηκε αργότερα σε κινητήρων οχημάτων μόνο προς το ένα σκέλος. Ο στρόφαλος άξονας παρέμεινε ο ίδιος και έχουμε επέμβαση στις βαλβίδες εισαγωγής με την καθυστέρηση του κλεισίματος όπως γίνεται και στον κύκλο Miller που εκεί χρειάζεται υπερτροφοδότηση , ενώ εδώ όχι.
Γρήγορη κίνηση προς τα εμπρός έκανα οι μηχανικοί της Toyota στα μέσα της δεκαετίας του 1990, όταν συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να εξοικονομήσουν καύσιμα για την λειτουργία του κινητήρα με τον κύκλου Atkinson.
Αυτό έγινε δυνατό με τη νέα τεχνολογία μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων, η οποία με την βοήθεια αισθητήρα θέσης εκκεντροφόρου μεταβάλλει τον χρονισμό των βαλβίδων εισαγωγής.
Εν τω μεταξύ, η αναδυόμενη τεχνολογία Hybrid Drive βρέθηκε να είναι το τέλειο μέσο για την αντιμετώπιση της μειωμένης απόδοσης του Atkinson και να αναπληρώνει την χαμένη απόδοση του κινητήρα.
Ο κύκλος Atkinson υπάρχει στους κινητήρες των υβριδικών Toyota Prius & Camry, Ford Escape, Chevrolet Tahoe και Lexus RX 450h και , CT 200h και φυσικά μπορεί ανειφιλακτα να εφαρμοστεί και στους περιστροφικούς κινητήρες (Wankel).
