چرخه اتو چیست؟ اصول ترمودینامیکی، عملکرد و جایگاه در موتورهای درون‌سوز

چرخه اتو Otto Cycle پایه و اساس عملکرد موتورهای بنزینی جرقه زن است که بیش از ۱۴۰ سال از اختراع عملی آن توسط نیکولاس آگوست اتو در سال ۱۸۷۶ می‌گذرد. این چرخه که گاهی با نام چرخه احتراق در حجم ثابت Constant-Volume Cycle نیز شناخته می‌شود، مدل ایده‌آل ترمودینامیکی است که رفتار موتورهای چهارزمانه بنزینی را توصیف می‌کند. برخلاف چرخه‌های واقعی که با اتلاف‌های حرارتی، اصطکاکی، پمپاژ و نشتی همراه هستند، چرخه اتو ایده‌آل فرض می‌کند تمام فرآیندها برگشت‌پذیر هستند و احتراق لحظه‌ای رخ می‌دهد.

این چرخه نه تنها در خودروهای سواری، بلکه در موتورسیکلت‌ها، قایق‌های تفریحی، ژنراتورهای قابل حمل، اره‌های برقی و حتی برخی هواپیماهای سبک کاربرد دارد. بر اساس آمار آژانس بین‌المللی انرژی در سال ۲۰۲۴، بیش از ۸۵ درصد خودروهای سبک جهان همچنان از موتورهای مبتنی بر چرخه اتو استفاده می‌کنند، هرچند روند الکتریکی ‌سازی در حال تغییر این آمار است.

نیکولاس اتو در سال ۱۸۷۶ اولین موتور چهارزمانه موفق تجاری را ساخت که کارایی آن نسبت به موتورهای بخار قبلی به‌طور چشمگیری بالاتر بود (حدود ۱۱ درصد در مقابل کمتر از ۵ درصد). پیش از او، مهندسان فرانسوی مانند آلفونس روکاس در سال ۱۸۶۲ اصول تئوریک چرخه چهارزمانه را توصیف کرده بودند، اما اتو نخستین کسی بود که آن را به محصول تجاری تبدیل کرد. موتورهای اولیه اتو با گاز شهر کار می‌کردند، اما با کشف میدان‌های نفتی و تولید بنزین، این چرخه به سرعت به سوخت مایع روی آورد.

در قرن بیستم، پیشرفت‌هایی مانند اختراع کاربراتور توسط ویلهلم میباخ، سیستم جرقه الکتریکی توسط رابرت بوش و سوپاپ‌های سقفی (OHV و سپس DOHC) کارایی و قدرت ویژه موتورهای اتو را به شدت افزایش داد. در دهه‌های اخیر نیز فناوری‌هایی مانند تزریق مستقیم بنزین GDI، توربوشارژر، زمان‌بندی متغیر سوپاپ VVT، غیر فعال‌سازی سیلندر و سیستم‌های هیبریدی، فاصله بین چرخه ایده‌آل و واقعی را به حداقل رسانده‌اند.

چرخه اتو ایده‌آل از چهار فرآیند تشکیل شده که در نمودارهای P-V و T-s به‌صورت زیر نمایش داده می‌شود:

۱→۲: تراکم آدیاباتیک برگشت‌پذیر (Isentropic Compression) پیستون از نقطه مرگ پایین (Bottom Dead Center – BDC) به نقطه مرگ بالا (Top Dead Center – TDC) حرکت می‌کند. سوپاپ‌های ورودی و خروجی بسته هستند. حجم از V₁ به V₂ کاهش می‌یابد و نسبت تراکم r = V₁/V₂ معمولاً بین ۸:۱ تا ۱۲:۱ (و در موتورهای مدرن تا ۱۴:۱) است. رابطه‌های کلیدی: T₂ = T₁ × r^(γ-۱) P₂ = P₁ × r^γ کار تراکم: W₁₂ = Cv (T₂ – T₁) (منفی، زیرا کار به سیستم وارد می‌شود)

۲→۳: افزودن حرارت در حجم ثابت (Constant-Volume Heat Addition) در لحظه TDC، جرقه شمع باعث احتراق تقریباً لحظه‌ای مخلوط همگن هوا و سوخت می‌شود. حجم ثابت می‌ماند، اما فشار و دما به شدت افزایش می‌یابد. Q_in = m × Cv × (T₃ – T₂) در موتورهای واقعی، مدت‌زمان احتراق حدود ۲۰ تا ۴۰ درجه میل‌لنگ طول می‌کشد و حداکثر فشار به ۵۰ تا ۱۰۰ بار می‌رسد.

۳→۴: انبساط آدیاباتیک برگشت‌پذیر (Isentropic Expansion) گازهای داغ با فشار بالا پیستون را به سمت پایین می‌رانند و کار مفید تولید می‌کنند. T₄ = T₃ / r^(γ-۱) کار انبساط: W₃₄ = Cv (T₃ – T₄) (مثبت)

۴→۱: تخلیه حرارت در حجم ثابت (Constant-Volume Heat Rejection) در لحظه BDC، سوپاپ خروجی باز می‌شود و فشار به‌طور ناگهانی به فشار اتمسفری می‌رسد (در مدل ایده‌آل). حرارت به محیط دفع می‌شود. Q_out = Cv (T₄ – T₁)

کار خالص چرخه: W_net = Q_in – |Q_out| کارایی حرارتی ایده‌آل: η_th = ۱ – (T₁/T₂) = ۱ – ۱/r^(γ-۱)

برای γ = ۱.۴ (هوا در دماهای متوسط):

• r = ۸ → η ≈ ۵۶.۵٪
• r = ۱۰ → η ≈ ۶۰.۲٪
• r = ۱۲ → η ≈ ۶۳.۱٪
• r = ۱۴ → η ≈ ۶۵.۴٪ (مانند موتورهای Skyactiv-X مزدا)

موتورهای واقعی اتو به دلایل زیر کارایی بسیار کمتری (۲۵ تا ۳۸ درصد در بهترین حالت) دارند:

• اتلاف اصطکاکی (حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد انرژی)
• اتلاف پمپاژ (به‌ویژه در بار جزئی به دلیل دریچه گاز)
• انتقال حرارت به دیواره‌های سیلندر و سرسیلندر
• احتراق ناقص و نشتی گازها از رینگ‌ها
• زمان محدود احتراق (نمی‌تواند کاملاً در حجم ثابت باشد)
• تغییرات ظرفیت گرمایی γ با دما (در دماهای بالا γ به ۱.۳ کاهش می‌یابد)

قدرت ویژه بالا: به دلیل فشار پیک بسیار بالاتر از چرخه دیزل، موتورهای اتو در حجم و وزن یکسان قدرت بیشتری تولید می‌کنند (تا ۱۰۰ اسب بخار بر لیتر در موتورهای توربو مدرن).

دور موتور بالا: امکان رسیدن به ۷۰۰۰ تا ۹۰۰۰ دور در دقیقه بدون مشکل که برای خودروهای اسپرت ایده‌آل است.

راه‌اندازی سرد آسان: بنزین در دماهای پایین به‌راحتی تبخیر می‌شود.

لرزش و نویز کمتر: احتراق نرم‌تر نسبت به دیزل.

هزینه تولید پایین‌تر: نیازی به سیستم تزریق پرفشار و گران‌قیمت دیزل نیست.

سازگاری عالی با سیستم‌های هیبریدی: به دلیل پاسخگویی سریع به تغییرات بار، در خودروهای هیبریدی سری موازی مانند تویوتا پریوس عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد.

کارایی حرارتی پایین‌تر: حتی بهترین موتورهای اتو مدرن مانند تویوتا Dynamic Force با η≈۴۱ درصد از موتورهای دیزل پیشرفته (تا ۵۰ درصد) عقب هستند.

پدیده ناک Knocking: مهم‌ترین محدودیت افزایش نسبت تراکم است. ناک زمانی رخ می‌دهد که انتهای مخلوط پیش از رسیدن شعله، خودبه‌خود مشتعل شود. برای مقابله با آن از اکتان بالا، خنک‌کننده اینترکولر، تزریق مستقیم و سیستم‌های EGR استفاده می‌شود.

مصرف بالا در بار جزئی: در ترافیک شهری که دریچه گاز نیمه بسته است، اتلاف پمپاژ کارایی را به زیر ۱۵ تا ۲۰ درصد می‌رساند.

انتشار اکسیدهای نیتروژن بالا: دمای احتراق بسیار بالا باعث تشکیل اکسیدهای نیتروژن می‌شود که نیازمند کاتالیست ویژه و سیستم‌های پیچیده کنترل آلایندگی است.

وابستگی به سوخت فسیلی سبک: بنزین گران‌تر از گازوئیل و ذخایر آن محدودتر است.

چرخه دیزل: احتراق در فشار تقریباً ثابت صورت می‌گیرد و نسبت تراکم بالاتر است. کارایی واقعی بالاتر بوده اما قدرت ویژه کمتر و آلاینده‌های ذره‌ای بیشتر است.

چرخه اتکینسون/میلر: با انبساط بیشتر از تراکم (با استفاده از بسته شدن دیرهنگام سوپاپ ورودی)، کارایی بالاتر در بار جزئی دارد و در خودروهای هیبریدی بسیار موفق است (مثل پریوس با کارایی واقعی بیش از ۴۰ درصد).

چرخه HCCI/SCCI: تلاشی برای ترکیب مزایای اتو و دیزل با احتراق همگن فشرده‌سازی بوده اما هنوز به تولید انبوه نرسیده است.

برای نزدیک‌تر کردن عملکرد عملی به محدودیت‌های نظری و افزایش راندمان و کاهش آلاینده‌ها از روش‌های زیر استفاده می‌شود:

• افزایش نسبت تراکم همراه با کنترل ناک: استفاده از سوخت‌های با اکتان بالاتر، تزریق مستقیم سوخت و مدیریت پیش احتراق‌های کنترل‌شده.
• توربوشارژر و فشرده‌سازی: افزایش جرم هوای ورودی بدون بالا بردن نسبت تراکم اسمی که اجازه می‌دهد توان افزایش یابد درحالی‌که راندمان نسبتاً خوب حفظ شود.
• تزریق مستقیم و پاشش استراتژیک: با تزریق مستقیم می‌توان مرحله احتراق را کنترل‌ کرد و ترکیب سوخت هوا را بهینه نمود (مثلاً جهت تضعیف مخلوط در بارهای سبک برای کاهش تلفات پمپ گاز و افزایش راندمان).
• کاهش تلفات داخلی و بهینه‌سازی زمان‌بندی سوپاپ‌ها (VVT): کاهش افت‌های پمپ و هماهنگ‌سازی فرآیندهای تنفسی موتور به‌منظور بهبود مصرف سوخت و گشتاور در گستره وسیع دور.

در دهه ۲۰۲۰، شرکت‌هایی مانند مزدا (با فناوری SPCCI – Spark Controlled Compression Ignition)، تویوتا (Dynamic Force Engines)، هوندا (با سیستم VTEC Turbo) و مرسدس بنز (با موتور M139 در AMG) مرزهای کارایی و قدرت موتورهای اتو را جابه‌جا کرده‌اند. استفاده از سوخت‌های مصنوعی e-fuels، هیدروژن و آمونیاک نیز در حال آزمایش است تا چرخه اتو را با اهداف کربن صفر سازگار کند.

کمیسیون اروپا و استانداردهای یورو 7 همچنان موتورهای بنزینی را تا دهه ۲۰۳۰ مجاز می‌دانند، به شرطی که با سوخت‌های کربن خنثی کار کنند؛ بنابراین چرخه اتو به این زودی‌ها از صحنه خارج نخواهد شد.

چرخه اتو با وجود محدودیت‌های ذاتی، به دلیل سادگی، قدرت بالا، هزینه مناسب و قابلیت انطباق با فناوری‌های جدید، همچنان قلب تپنده صنعت حمل‌ونقل سبک است. درک دقیق این چرخه نه تنها برای مهندسان، بلکه برای سیاست‌گذاران انرژی و محیط‌زیست نیز حیاتی است؛ زیرا بهینه‌سازی نهایی موتورهای درون‌سوز می‌تواند در مصرف میلیاردها لیتر سوخت صرفه‌جویی کرده و انتشار گازهای گلخانه‌ای را تا زمان انتقال کامل به عصر خودروهای الکتریکی کاهش دهد.