چرخه میلر چیست؛ راهکاری ترمودینامیکی برای افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت

با تشدید قوانین زیست‌محیطی، افزایش قیمت سوخت‌های فسیلی و رقابت خودروسازان برای دستیابی به راندمان بالاتر، مهندسی موتورهای درون‌سوز وارد مرحله‌ای تازه شده است. در این مسیر، بهینه‌سازی فرآیند احتراق و افزایش بازده ترمودینامیکی موتور بیش از هر زمان دیگری اهمیت یافته است. یکی از راهکارهای مؤثر که در دهه‌های اخیر دوباره مورد توجه قرار گرفته، استفاده از چرخه میلر Miller Cycle است؛ چرخه‌ای که با تغییر زمان‌بندی سوپاپ‌ها، تلاش می‌کند محدودیت‌های چرخه اتو را کاهش داده و راندمان حرارتی موتور را افزایش دهد.

چرخه میلر نخستین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی معرفی شد، اما پیشرفت فناوری‌هایی مانند زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها (VVT)، پرخوران‌ها و کنترل دقیق الکترونیکی موتور باعث شد اجرای عملی آن در موتورهای مدرن امکان‌پذیر شود. امروزه این چرخه به‌ویژه در موتورهای کم‌مصرف، هیبریدی و برخی پیشرانه‌های توربوشارژ کاربرد گسترده‌ای یافته است.

در مقاله‌ای که خواهید خواند به بررسی کامل چرخه میلر در موتورهای درون‌سوز می‌پردازیم و اصول ترمودینامیکی، تفاوت آن با چرخه‌های رایج، مزایا، معایب و کاربردهای عملی آن در صنعت خودروسازی را تشریح می‌کنیم.

چرخه میلر نوعی چرخه ترمودینامیکی اصلاح‌ شده است که از نظر مفهومی، بر پایه چرخه اتو بنا شده اما با تغییر زمان بسته شدن سوپاپ ورودی، نسبت تراکم مؤثر موتور را از نسبت انبساط جدا می‌کند. در چرخه‌های متداول مانند اتو، نسبت تراکم و نسبت انبساط تقریباً برابر هستند، اما در چرخه میلر این دو نسبت از یکدیگر مستقل می‌شوند.

در این چرخه، سوپاپ ورودی یا زودتر از حد معمول بسته می‌شود (Early Intake Valve Closing – EIVC) یا دیرتر بسته می‌شود (Late Intake Valve Closing – LIVC). این تأخیر یا تقدم در بسته شدن سوپاپ باعث کاهش جرم هوای مؤثر ورودی به سیلندر و در نتیجه کاهش نسبت تراکم واقعی می‌شود، درحالی‌که نسبت انبساط همچنان بالا باقی می‌ماند. نتیجه این فرآیند، افزایش بازده حرارتی موتور است.

از دیدگاه ترمودینامیک، راندمان چرخه‌های احتراق داخلی به نسبت تراکم و نسبت انبساط وابسته است. در چرخه اتو کلاسیک، افزایش نسبت تراکم باعث افزایش راندمان می‌شود، اما این افزایش با محدودیت‌هایی مانند پدیده ناک و افزایش تنش‌های حرارتی مواجه است.

چرخه میلر با کاهش نسبت تراکم مؤثر، امکان استفاده از نسبت انبساط بالاتر را فراهم می‌کند. این موضوع باعث می‌شود انرژی بیشتری از گازهای داغ حاصل از احتراق استخراج شود و تلفات حرارتی کاهش یابد. در واقع، چرخه میلر تلاش می‌کند بدون افزایش خطرناک، راندمان چرخه را بهبود دهد.

از نظر نمودار فشار-حجم (P-V)، چرخه میلر دارای مرحله‌ای اضافی در فرآیند مکش است که در آن بخشی از مخلوط هوا و سوخت به منیفولد بازگردانده می‌شود یا پیش از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین، جریان ورودی متوقف می‌گردد. این تغییر ساده، اثرات عمیقی بر رفتار ترمودینامیکی موتور دارد.

چرخه اتو، رایج‌ترین چرخه مورد استفاده در موتورهای بنزینی است و ساختاری ساده دارد. در این چرخه، زمان‌بندی سوپاپ‌ها به گونه‌ای تنظیم می‌شود که بیشترین حجم هوا وارد سیلندر شود و نسبت تراکم هندسی با نسبت تراکم مؤثر تقریباً برابر باشد.

در مقابل، چرخه میلر با کاهش حجم مؤثر هوای ورودی، نسبت تراکم واقعی را کاهش می‌دهد. این تفاوت باعث می‌شود فشار و دمای انتهای مرحله تراکم کمتر باشد و احتمال ناک کاهش یابد. در عوض، نسبت انبساط بالا باقی می‌ماند و انرژی بیشتری از فرآیند احتراق بازیابی می‌شود.

به بیان ساده، اگر چرخه اتو بر فشرده‌سازی بیشتر تکیه دارد، چرخه میلر بر انبساط مؤثرتر تمرکز می‌کند. همین تفاوت بنیادی، دلیل اصلی افزایش بازده در چرخه میلر است.

چرخه میلر اغلب با چرخه اتکینسون اشتباه گرفته می‌شود، زیرا هر دو با تغییر زمان‌بندی سوپاپ ورودی، نسبت تراکم مؤثر را کاهش می‌دهند. با این حال، تفاوت‌های مهمی میان این دو وجود دارد.

چرخه اتکینسون کلاسیک به‌صورت مکانیکی طراحی می‌شد و نیازمند سازوکارهای پیچیده‌ای در میل‌لنگ بود؛ اما در موتورهای مدرن، آنچه به‌عنوان چرخه اتکینسون شناخته می‌شود، در واقع نوعی اجرای ساده‌ شده از چرخه میلر با استفاده از زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌هاست.

تفاوت کلیدی اینجاست که چرخه میلر معمولاً با پرخوران (سوپرشارژر یا توربوشارژر) همراه می‌شود تا افت توان ناشی از کاهش جرم هوای ورودی جبران گردد، درحالی‌که بسیاری از موتورهای اتکینسون مدرن (مانند خودروهای هیبریدی) بدون پرخوران کار می‌کنند و کاهش توان خروجی را با کمک موتور الکتریکی جبران می‌کنند.

یکی از چالش‌های اصلی چرخه میلر، کاهش توان ویژه موتور است. با کاهش حجم مؤثر هوای ورودی، توان خروجی موتور نیز کاهش می‌یابد. برای حل این مشکل، بسیاری از موتورهای میلر از سوپرشارژر یا توربوشارژر استفاده می‌کنند.

پرخوران با افزایش فشار هوای ورودی، جرم هوای وارد شده به سیلندر را افزایش می‌دهد و افت توان را جبران می‌کند، درحالی‌که مزایای ترمودینامیکی چرخه میلر حفظ می‌شود. این ترکیب، به‌ویژه در موتورهای مدرن، امکان دستیابی هم‌زمان به مصرف سوخت کمتر و توان مناسب را فراهم می‌کند.

چرخه میلر دارای مزایای متعددی است که آن را به گزینه‌ای جذاب برای خودروسازان تبدیل کرده است. مهم‌ترین مزایا عبارت‌اند از:

• افزایش راندمان حرارتی موتور
• کاهش مصرف سوخت در شرایط رانندگی شهری و پایدار
• کاهش احتمال ناک به دلیل دمای کمتر در پایان مرحله تراکم
• کاهش آلایندگی‌های مضر مانند اکسیدهای نیتروژن
• امکان استفاده از نسبت تراکم هندسی بالا بدون خطرات معمول

این مزایا باعث شده‌اند چرخه میلر به‌ویژه در موتورهای کم‌حجم و پیشرفته مورد توجه قرار گیرد.

با وجود مزایای قابل‌توجه، چرخه میلر بدون ایراد نیست. از جمله معایب آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش توان خروجی در صورت نبود پرخوران
• پیچیدگی بیشتر در طراحی سیستم زمان‌بندی سوپاپ‌ها
• هزینه بالاتر تولید و توسعه
• وابستگی زیاد به سیستم‌های کنترلی پیشرفته

این محدودیت‌ها باعث می‌شوند چرخه میلر بیشتر در موتورهای مدرن و گران‌قیمت مورد استفاده قرار گیرد.

در سال‌های اخیر، بسیاری از خودروسازان مطرح از چرخه میلر یا نسخه‌های اصلاح‌شده آن استفاده کرده‌اند. شرکت‌هایی مانند مزدا، تویوتا، فولکس‌واگن و بی ام و از این چرخه در برخی از پیشرانه‌های بنزینی و هیبریدی خود بهره می‌برند.

به‌عنوان‌مثال، موتورهای اسکای اکتیو مزدا با استفاده از اصول چرخه میلر و نسبت تراکم بالا، توانسته‌اند مصرف سوخت را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهند. همچنین در خودروهای هیبریدی تویوتا، ترکیب چرخه میلر با موتور الکتریکی نقش مهمی در دستیابی به راندمان کلی بالا ایفا می‌کند.

با وجود رشد خودروهای برقی، موتورهای درون‌سوز همچنان برای سال‌های آینده نقش مهمی در حمل‌ونقل جهانی خواهند داشت. در این میان، چرخه میلر به‌عنوان یکی از مؤثرترین روش‌های افزایش بازده، جایگاه ویژه‌ای در توسعه پیشرانه‌های آینده دارد.

ترکیب چرخه میلر با فناوری‌هایی مانند تزریق مستقیم سوخت، توربوشارژرهای پیشرفته و سیستم‌های هیبریدی می‌تواند راهکاری عملی برای کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در دهه‌های پیش رو باشد.

چرخه میلر را می‌توان یکی از هوشمندانه‌ترین اصلاحات ترمودینامیکی در موتورهای درون‌سوز دانست. این چرخه با جداسازی نسبت تراکم از نسبت انبساط، امکان افزایش راندمان حرارتی را بدون افزایش خطرناک فراهم می‌کند. هرچند اجرای آن نیازمند فناوری‌های پیشرفته و هزینه بالاتر است، اما مزایای آن در کاهش مصرف سوخت و آلایندگی، ارزش این پیچیدگی را توجیه می‌کند.

در شرایطی که صنعت خودرو به دنبال راهکارهای میان‌مدت برای بهبود بازده موتورهای احتراق داخلی است، چرخه میلر همچنان یکی از گزینه‌های کلیدی و آینده دار به شمار می‌رود.