Κυκλικές… παλινδρομήσεις!

Εκτός από τους γνωστούς κύκλους των Otto και Diesel πολλές φορές θα έχει τύχει να ακούσετε για του Atkinson στα υβριδικά ή του Miller σε μερικούς υπερτροφοδοτούμενους. Ας αναλύσουμε λιγάκι το θέμα, ενδιαφέρον ακούγεται…

• Προσπερνώντας στα γρήγορα τους δύο πιο γνωστούς θερμοδυναμικούς κύκλους, τους Otto και Diesel, ας ξαναθυμηθούμε μερικά γενικά πραγματάκια.
• Σε όλες τις μηχανές εσωτερικής καύσης (MEK) η λειτουργία τους απαρτίζεται από χρόνους  οι οποίοι συνθέτουν ένα θερμοδυναμικό κύκλο.
• Κάθε φορά που ολοκληρώνεται ένας κύκλος τότε τα βασικά του χαρακτηριστικά (πίεση, όγκος, θερμοκρασία) επανέρχονται στην αρχική κατάσταση.
• Ένας χρόνος σε ΜΕΚ αντιστοιχεί στην διαδρομή του εμβόλου από το ΑΝΣ (Άνω Νεκρό Σημείο) προς το ΚΝΣ (Κάτω Νεκρό Σημείο).
• Στους τετράχρονους κινητήρες έχουμε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας σε δύο παλινδρομήσεις του εμβόλου, δύο περιστροφές του στροφαλοφόρου (720 μοίρες) και μία του/των εκκεντροφόρων.
• Στους δίχρονους έχουμε μία παλινδρόμηση του εμβόλου, μία περιστροφή του στροφαλοφόρου (και με μία ή μισή του εκκεντροφόρου, ανάλογα με τις εφαρμογές, μία από τις ελάχιστες ήταν του Toyota S-2).

Κύκλος Carnot

Ο κύκλος Carnot, που κατοχυρώθηκε το 1824 από τον Nicolas Léonard Sadi Carnot, είναι ένας θεωρητικός κύκλος που λαμβάνεται ως μέτρο σύγκρισης για τους πραγματικούς θερμοδυναμικούς κύκλους άλλων MEK (οι θεωρητικοί κύκλοι διαφέρουν σε σχέση με τους πρακτικούς).  Τι λέει ο κύκλος Carnot που έχει και τον μεγαλύτερο, πάντα θεωρητικά, βαθμό απόδοσης; Πως ακόμη και υπό ιδανικές συνθήκες καμία ΜΕΚ δεν μπορεί να μετατρέψει όλη την θερμική ενέργεια από την καύση του μίγματος σε έργο λόγω απωλειών.

Κύκλος Miller

Ο κύκλος Miller παντεταρίστηκε από τον αμερικανό μηχανικό Ralph Miller στα τέλη της δεκαετίας του 1940 και αρχικά χρησιμοποιήθηκε σε κινητήρες πλοίων. Αργότερα, όμως, η Mazda τον υιοθέτησε στον V6 κινητήρα του Millenia Sedan το 1993, το πιο διάσημο παράδειγμα του κύκλου Miller, όπως και το στο μικρότερο Eunos 800M, την ίδια περίπου περίοδο. Ποιο είναι το μυστικό του εν λόγω θερμοδυναμικού κύκλου; Το εξαιρετικά μεγάλο χρονικό διάστημα που μένουν ανοιχτές οι βαλβίδες εισαγωγής. Ακόμη και όταν το έμβολο ανεβαίνει συμπιέζοντας τον αέρα οι βαλβίδες κλείνουν καθυστερημένα (47 μοίρες μετά το ΚΝΣ, η πραγματική συμπίεση ξεκινά στο 80% της διαδρομής του εμβόλου). Μα και καλά, δεν πέφτει η συμπίεση καθώς το έμβολο σπρώχνει τον αέρα προς τα έξω; Όχι αν υπάρχει κάτι στον αυλό εισαγωγής που να μην αφήνει τον αέρα να γυρίσει πίσω. Ας πούμε μία τουρμπίνα.

Για αυτό το λόγο ο κύκλος Miller απαιτεί την χρήση ενός μελετημένου συστήματος υπερτροφοδότησης που να υπερκεράζει των απωλειών του (σ.σ. ουσιαστικά κύκλο Miller έχουμε κάθε φορά που ξυπνά η υπερτροφοδότηση. Στον V6 των 2,3 λίτρων της Mazda η συμπίεση έπεφτε ελαφρώς από το 10:1 στο 8:1 και η μείωση της κατανάλωσης αντιστοιχούσε σε ένα τρίλιτρο καθώς μειώνονταν κατά 15%. Μάλιστα, πρόσφερε περισσότερη δύναμη και ροπή αλλά η πολυπλοκότητα του συστήματος (μηχανικό υπερσυμπιεστή + intercooler) δεν βοήθησε τον κύκλο Miller. Όσο, πάντως, και αν σας φαίνεται παράξενο η Mazda χρησιμοποιεί ακόμη και σήμερα τον κύκλο Miller στον κινητήρα των 1,3 λίτρων του 2 χρονίζοντας τις βαλβίδες εισαγωγής με το σύστημα S-VT. Ωστόσο, ο συγκεκριμένος Miller προσεγγίζει περισσότερο τον Atkinson, όπως θα δούμε παρακάτω.

Κύκλος Atkinson

Επινοήθηκε το 1882 από τον James Atkinson και θεωρητικά επιτρέπει σε ένα κύκλο Otto να γίνουν όλοι οι χρόνοι σε μία περιστροφή του -ειδικής σχεδίασης- στροφαλοφόρου . Όταν όμως μιλάμε για κύκλο Atkinson σε ένα πραγματικό τετράχρονο κινητήρα τότε το κύριο χαρακτηριστικό του εντοπίζεται -όπως και στον Miller αλλά χωρίς υπερτροφοδότηση- στο καθυστερημένο κλείσμο των βαλβίδων εισαγωγής. Συγκεκριμένα, έχουμε μικρότερη συμπίεση (επειδή στην εισαγωγή επιστρέφει περισσότερος αέρας από ότι στον Miller), αλλά μεγαλύτερη εκτόνωση προς όφελος της κατανάλωσης και εις βάρος της ισχύος.

Για αυτό και τον κύκλο Atkinson τον συναντάμε κυρίως στους ΜΕΚ των υβριδικών όπου ο ηλεκτροκινητήρας έρχεται να βγάλει ασπροπρόσωπο τον θερμικό κινητήρα αναπληρώνοντας την χαμένη απόδοση του τελευταίου. Ο κύκλος Atkinson εφαρμόζεται στους κινητήρες των υβριδικών Toyota Prius & Camry, Ford Escape,  Chevrolet Tahoe και Lexus RX 450h, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στους περιστροφικής διάταξης κινητήρες (Wankel).