چرخه اتو یا Otto Cycle در موتور بنزینی چیست؟
هر بار که سوئیچ یک خودروی بنزینی را میچرخانید یا دکمهٔ استارت را فشار میدهید، درواقع یک اختراع ۱۴۸ ساله را به حرکت درمیآورید که تحت عنوان چرخه اتو (Otto Cycle) شناخته میشود. این چرخهٔ سادهٔ چهارزمانه که در سال ۱۸۷۶ توسط نیکولاس اتو به دنیا معرفی شد، نهتنها نخستین موتور درونسوز عملی و موفق تاریخ بود، بلکه هنوز هم پس از نزدیک به یکونیم قرن، قلب تپندهٔ بیش از یک میلیارد خودروی بنزینی در سراسر جهان است. از سوپراسپرتهای چند صد هزار دلاری گرفته تا هاچبکهای اقتصادی شهری و موتورسیکلتها و حتی قایقها و هواپیماهای سبک، همه و همه بر پایهٔ همین چرخه چهار مرحلهای کار میکنند. در این مطلب بهطور کامل به تاریخچه، فیزیک، مزایا، محدودیتها و دلایل تسلط بیچونوچرای چرخهٔ اتو بر دنیای پیشرانههای بنزینی میپردازیم.
تاریخچهٔ چرخهٔ اتو
نیکولاس آگوست اتو، مهندس آلمانی، در سال ۱۸۷۶ موفق شد اولین موتور چهارزمانهٔ عملی و موفق جهان را بسازد. پیش از او، موتورهای گازی دوزمانهٔ لنویر وجود داشتند اما بازدهی پایین و مصرف سوخت بسیار بالا داشتند. اتو به همراه اویگن لانگن، با ثبت اختراع این پیشرانه، انقلابی در صنعت ایجاد کرد. این موتور در نمایشگاه جهانی پاریس ۱۸۷۸ جایزهٔ طلای بزرگ را برد و بهسرعت جایگزین تمام موتورهای قبلی شد. تنها ده سال بعد، در سال ۱۸۸۶، گوتلیب دایملر و ویلهلم مایباخ اولین خودروی بنزینی جهان را با همین چرخه به حرکت درآوردند و کارل بنز هم خودروی سهچرخ خود را با چرخهٔ اتو راهاندازی کرد. از آن روز تا امروز، بیش از ۹۹ درصد پیشرانههای بنزینی سواری در جهان بر اساس همین چرخه کار میکنند.
نسبت تراکم و نسبت انبساط در موتورهای چهارزمانه
قبل از ورود به جزئیات چرخه، باید دو مفهوم کلیدی نسبت تراکم و نسبت انبساط را توضیح دهیم. نسبت تراکم یعنی حجم داخل سیلندر وقتی پیستون در پایینترین نقطه است تقسیم بر حجم وقتی پیستون در بالاترین نقطه است. این عدد نشان میدهد مخلوط هوا و سوخت چند برابر فشرده میشود. نسبت انبساط یعنی همان حجم کامل سیلندر تقسیم بر حجم محفظهٔ احتراق در لحظهٔ انفجار. در چرخهٔ اتو معمولی، این دو عدد دقیقاً برابر هستند؛ یعنی هرچقدر مخلوط فشرده میشود، همان مقدار هم اجازهٔ انبساط پیدا میکند. هرچه این عدد بالاتر باشد، انرژی بیشتری از گازهای داغ استخراج میشود و بازدهی حرارتی بالاتر میرود اما در عمل نمیتوان بیشازحد نسبت تراکم را افزایش داد زیرا باعث ناک زدن (احتراق زودرس) میشود.
تعریف چرخهٔ اتو
چرخهٔ اتو یک چرخهٔ ترمودینامیکی چهارزمانهٔ ایدهآل است که در دو دور کامل میللنگ (۷۲۰ درجه) انجام میشود. این چهار مرحله شامل مکش، تراکم، احتراق-انبساط و تخلیه میشود.
در مرحلهٔ مکش، پیستون از نقطهٔ مرگ بالا به سمت پایین حرکت میکند، سوپاپ ورودی باز است و مخلوط هوا و بنزین وارد سیلندر میشود. در مرحلهٔ تراکم، هر دو سوپاپ بستهاند، پیستون به سمت بالا میرود و مخلوط را با نسبت مشخصی (معمولاً بین 8 به یک تا 12 به یک در خودروهای معمولی و تا 13 به یک در خودروهای اسپرت مدرن) فشرده میکند. در مرحلهٔ احتراق و انبساط، درست قبل از رسیدن پیستون به نقطهٔ مرگ بالا، شمع جرقه میزند، مخلوط منفجر میشود و فشار ناگهانی گازهای داغ پیستون را با قدرت به سمت پایین هل میدهد. در مرحلهٔ تخلیه، پیستون دوباره به بالا میرود، سوپاپ خروجی باز میشود و گازهای سوخته به بیرون رانده میشوند. در چرخهٔ اتو، احتراق در حجم تقریباً ثابت رخ میدهد و نسبت تراکم و انبساط برابر هستند. بازدهی حرارتی چرخهٔ اتو بهطور مستقیم به نسبت تراکم وابسته است و هرچه این نسبت بالاتر باشد، بازدهی بیشتر میشود.
مزایای چرخهٔ اتو
چرخهٔ اتو به دلیل جرقهزنی کنترلشده، امکان دستیابی به دور موتور بسیار بالا (تا ۹ هزار دور در دقیقه و بیشتر در خودروهای مسابقهای) را فراهم میکند و لرزش و صدای موتور را به حداقل میرساند. همچنین به لطف چرخه اتو، وزن و حجم موتورهای بنزینی بهطور قابلتوجهی کمتر از نمونههای دیزلی است، احتراق نرمتری دارد، هزینهٔ تولید آنها پایینتر است و نیازی به پمپها و انژکتورهای پرفشار گرانقیمت دیزل ندارند.
معایب و محدودیتهای چرخهٔ اتو
با وجود همهٔ مزایایی که گفته شد، بازدهی حرارتی موتورهای بنزینی معمولاً بین ۳۰ تا ۴۰ درصد است که از موتورهای دیزل با بازدهی حدود 50 درصد پایینتر است. همچنین افزایش نسبت تراکم به بیش از 12 احتمال ناک زدن را بهشدت بالا میبرد و نیاز به بنزین با اکتان بالا ایجاد میکند. در بارهای کم و ترافیک شهری نیز بخش بزرگی از انرژی بهصورت حرارت هدر میرود و آلایندگی اکسیدهای نیتروژن به دلیل دمای بالای احتراق بیشتر است.
مقایسهٔ چرخهٔ اتو با چرخهٔ دیزل
تنها چرخه دیگری که در پیشرانههای درونسوز استفاده میشود و بهنوعی رقیب چرخه اتو بهحساب میآید، چرخهٔ دیزل است. این چرخه همانطور که از نامش مشخص است، فقط در پیشرانههای دیزلی استفاده میشود. چرخهٔ اتو از جرقهٔ شمع برای شروع احتراق استفاده میکند درحالیکه چرخهٔ دیزل به دلیل نسبت تراکم بسیار بالا (بین 15 تا 20) باعث احتراق خودبهخودی سوخت میشود و نیازی به شمع ندارد. همین تفاوت باعث میشود موتورهای دیزل بازدهی حرارتی بالاتری (تا ۵۲ درصد) داشته باشند درحالیکه حداکثر بازدهی موتورهای بنزینی ۴۰ درصد است. همچنین گشتاور دیزلها در دورهای پایین بهمراتب بیشتر است اما حداکثر دور موتور آنها معمولاً زیر 5 هزار rpm باقی میماند درحالیکه موتورهای بنزینی بهراحتی به 8 تا 9 هزار rpm میرسند. وزن و هزینهٔ ساخت موتورهای دیزل به دلیل نیاز به قطعات مقاومتر در برابر فشار بالا، بهطور قابلتوجهی بیشتر است. از نظر آلایندگی هم موتورهای بنزینی اکسیدهای نیتروژن بیشتری تولید میکنند اما دیزلها ذرات معلق و دودهٔ بیشتری دارند. صدای موتورهای دیزل هم بهطور سنتی خشکتر و بلندتر است.
چرا چرخهٔ اتو در پیشرانههای بنزینی فراگیر شد؟
در دوران آغازین خودروسازی، فناوری تزریق سوخت پرفشار وجود نداشت و جرقهزنی تنها راه قابلاعتماد برای احتراق بود. خودروهای سواری نیاز به دور موتور بالا، شتابگیری سریع و وزن کم داشتند؛ ویژگیهایی که چرخهٔ اتو بهخوبی ارائه میکرد. زیرساخت سوخت بنزین از همان ابتدا در دسترستر و ایمنتر بود و صدای دلنشین و پاسخ سریع موتورهای بنزینی، خریداران را مجذوب خود کرد. با گذشت زمان، فناوریهای توربوشارژر، تزریق مستقیم، زمانبندی متغیر سوپاپها و سیستمهای هیبریدی، فاصلهٔ بازدهی بین بنزینی و دیزل را بهشدت کاهش دادند و حتی در برخی موارد (مثل هیبریدهای تویوتا) موتورهای بنزینی بازدهی بالاتری نشان دادند. مجموع این عوامل باعث شد چرخهٔ اتو در میلیونها موتور بنزینی در طول تاریخ استفاده شود.
