چرخه میلر چیست؟
پیشرانههای بنزینی درونسوز معمولاً بر اساس چرخه ترمودینامیکی اتو (Otto) کار میکنند که در اکثر خودروهای معمولی استفاده میشود اما در کنار این چرخه استاندارد، چرخههای دیگری به نام چرخه اتکینسون و چرخه میلر هم وجود دارد که با هدف افزایش بازده حرارتی و کاهش مصرف سوخت طراحی شده است. در ادامه بهطور کامل به چرخه میلر خواهیم پرداخت و شیوه کار، مزایا و معایب این چرخه کاری در موتورهای درونسوز را توضیح خواهیم داد.
برای درک دقیق این چرخه، ابتدا باید دو اصطلاح مهم را روشن کنیم:
- نسبت تراکم: نسبت حجم داخل سیلندر در نقطه مرگ پایین (وقتی پیستون کاملاً پایین است) به حجم آن در نقطه مرگ بالا (وقتی پیستون کاملاً بالا است). این نسبت نشان میدهد مخلوط هوا و سوخت در سیلندر چند برابر فشرده میشود.
- نسبت انبساط: نسبت حجم داخل سیلندر در لحظهٔ شروع احتراق (نقطه مرگ بالا) به حجم کل سیلندر پسازاینکه گازهای ناشی از احتراق، پیستون را به پایینترین نقطه هل میدهند. این نسبت نشان میدهد که مخلوط سوخت و هوا پس از انفجار چقدر فضا برای انبساط دارد.
در موتورهای معمولی بنزینی که با چرخه اتو کار میکنند، این دو نسبت همیشه برابر هستند اما جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ متوجه شد که اگر بتوان نسبت انبساط را بزرگتر از نسبت تراکم کرد، گازهای داغ فرصت بیشتری برای انبساط دارند و درنتیجه انرژی بیشتری از همان مقدار سوخت استخراج میشود درحالیکه در مرحلهٔ تراکم، فشار کمتری به پیستون وارد خواهد شد و تلفات کاهش مییابد. بااینحال، اتکینسون در موتور اولیهٔ خود با مکانیزم میللنگ بسیار پیچیده این جداسازی را انجام داد اما آن طراحی هیچگاه تجاری نشد.
سپس در سال 1957، رالف میلر این ایده را به شکل عملیتری اجرا کرد. او بهجای مکانیزم پیچیدهٔ مکانیکی اتکینسون، از بسته شدن دیرهنگام سوپاپ ورودی استفاده کرد بهگونهای که سوپاپ ورودی حتی تا 110 درجه چرخش میللنگ پس از نقطه مرگ پایین همچنان باز میماند. درنتیجه، بخشی از مخلوط هوا و سوخت به منیفولد ورودی پس زده میشود، حجم واقعی فشردهشده کاهش مییابد (نسبت تراکم مؤثر پایین میآید)، ولی در مرحلهٔ قدرت، پیستون تمام مسیر انبساط را طی میکند و نسبت انبساط همچنان بالا میماند.
بنابراین، چرخهٔ میلر اساساً نسخهٔ بهبودیافتهٔ چرخه اتکینسون است اما یک تفاوت بزرگ دارد. در موتورهای چرخه اتکینسون به دلیل افت راندمان حجمی موتور ناشی از دیر بسته شدن سوپاپهای ورودی، قدرت و گشتاور بین 20 تا 30 درصد کاهش پیدا میکند اما میلر برای جبران این کاهش خروجی موتور، از القای اجباری (توربوشارژر یا سوپرشارژر) استفاده کرد. این کار باعث شد قدرت و گشتاور در سطح موتورهای چرخه اتو باقی بماند درحالیکه بازده حرارتی همچنان بسیار بالا است.
مزایای چرخه میلر
چرخه میلر بازده حرارتی را به شکل چشمگیری افزایش میدهد. یکی از خودروسازانی که از این چرخه بهره زیادی برده، مزدا در موتورهای سری اسکایاکتیو خود است. بازده حرارتی این موتورها به 40 تا 43 درصد میرسد درحالیکه این عدد در موتورهای اتو معمولی معمولاً ۳۵ درصد است. مصرف سوخت نیز در موتورهای چرخه میلر بهطور متوسط ۲۰ تا ۳۰ درصد کمتر میشود، آلایندگی CO₂ و NOx به دلیل دمای احتراق پایینتر کاهش مییابد و موتور میتواند با نسبت تراکم ظاهری بسیار بالا (تا ۱۴:۱) بدون ناک زدن کار کند، چون نسبت تراکم مؤثر همچنان در محدودهٔ ایمن است. همچنین به لطف القای اجباری، موتور همچنان در دورهای پایین گشتاور بالایی تولید میکند درحالیکه گشتاور موتورهای چرخه اتکینسون در دورهای پایین کاهش قابلتوجهی دارد.
معایب چرخه میلر
بزرگترین مشکل موتورهای چرخه میلر هزینه بالای تولید و تعمیرات به دلیل نیاز به توربو یا سوپرشارژر و سیستم زمانبندی سوپاپ بسیار پیشرفته است. همچنین در سرعتهای بالا، گاهی تأخیر توربو احساس میشود. پیچیدگی بیشتر این چرخه موتور هم احتمال خرابی را افزایش میدهد.
تفاوت چرخه میلر با چرخه اتکینسون
هر دو چرخه با بسته شدن دیرهنگام سوپاپ ورودی، نسبت انبساط را بزرگتر از تراکم میکنند و بازده حرارتی را بالا میبرند، اما راهحل جبران افت قدرت در چرخه اتکینسون کاملاً با میلر متفاوت است. موتورهای چرخه اتکینسون بهصورت تنفس طبیعی کار میکنند و درنتیجه، قدرت و بهویژه گشتاور در دورهای پایین بهشدت افت میکند. به همین دلیل، موتورهای چرخه اتکینسون عمدتاً در خودروهای هیبریدی استفاده میشوند تا با کمک موتور الکتریکی، افت توان پیشرانه بنزینی جبران شود. در چرخه میلر اما افت توان با القای اجباری جبران میشود و قدرت را در سطح موتورهای چرخه اتو نگه میدارد. به همین دلیل، از موتورهای چرخه میلر میتوان در خودروهای بنزینی خالص و بدون نیاز به کمک موتور الکتریکی هم استفاده کرد.
