سیکل اوتو (Otto Cycle) ؛ چرا موتور چهار زمانه ؟

یکی از این سیکل‌های مشهور در موتور های درون سوز چهار زمانه سیکل اوتو (Otto Cycle) است، در این مطلب به سراغ بررسی این سیکل خواهیم پرداخت.

موتورهای درون‌سوز، به‌عنوان یکی از برجسته‌ترین اختراعات بشر، در طول دهه‌ها بهبودهای فراوانی را تجربه کرده‌اند. عملکرد این موتورها به سیکل‌های ترمودینامیکی وابسته است که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی دارند. یکی از این سیکل‌های مشهور، سیکل اوتو است که اساس کار موتورهای بنزینی چهارزمانه محسوب می‌شود. این سیکل، نه‌تنها یکی از بنیادی‌ترین اصول در مهندسی خودرو است، بلکه نقش مهمی در شکل‌گیری صنعت مدرن خودروسازی ایفا کرده. در این مقاله به بررسی دقیق و فنی این سیکل، تاریخچه، نحوه عملکرد، ویژگی‌ها، مقایسه آن با سیکل اتکینسون و مزایا و معایب آن می‌پردازیم.

سیکل اوتو چیست؟

سیکل اوتو، یک فرآیند ترمودینامیکی است که پایه عملکرد موتورهای بنزینی چهارزمانه را تشکیل می‌دهد. این سیکل شامل چهار مرحله اصلی است: مکش، تراکم، احتراق و تخلیه. در مرحله مکش، مخلوط هوا و سوخت از طریق دریچه ورودی وارد سیلندر می‌شود. در مرحله تراکم، پیستون به سمت بالا حرکت کرده و مخلوط را فشرده می‌کند. با جرقه شمع در بالاترین نقطه تراکم، مخلوط محترق شده و انرژی آزادشده از احتراق باعث حرکت پیستون به سمت پایین می‌شود. این انرژی مکانیکی برای تولید توان خروجی موتور استفاده می‌شود. در نهایت، گازهای خروجی از طریق سوپاپ تخلیه به بیرون فرستاده می‌شوند.

این سیکل در سال ۱۸۷۶ توسط نیکولاس اوتو، مهندس آلمانی، معرفی شد. او اولین موتور چهارزمانه‌ای را توسعه داد که عملکردی پایدار و کاربردی داشت. این سیکل به افتخار وی نام‌گذاری شده است. شرکت دایملر اولین خودرویی که به‌صورت گسترده از این سیکل بهره می‌برد را در سال ۱۸۸۵ تولید کرد.

ویژگی اصلی Otto Cycle، احتراق در حجم ثابت است. این بدان معناست که تغییرات حجم در حین احتراق ناچیز است، اما فشار به‌سرعت افزایش می‌یابد. این فرآیند باعث تولید گشتاور بالا و توان خروجی زیاد می‌شود. از دیگر ویژگی‌های آن می‌توان به ساختار ساده و قابلیت تولید اقتصادی اشاره کرد که باعث شده این سیکل برای بسیاری از کاربردهای خودروهای سواری مناسب باشد. با این حال، بازده حرارتی سیکل اوتو کمتر از برخی سیکل‌های پیشرفته مانند اتکینسون است، که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم.

مقایسه سیکل اوتو با سیکل اتکینسون

سیکل اوتو و سیکل اتکینسون هر دو به‌ عنوان اصول اساسی موتورهای درون‌سوز شناخته می‌شوند، اما کاربردها و عملکرد متفاوتی دارند. سیکل اوتو به‌طور خاص در خودروهایی استفاده می‌شود که در دور موتور های پایین  به گشتاور و توان بالا نیاز دارند.

در مقابل، سیکل اتکینسون بیشتر در خودروهای اقتصادی و هیبریدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیکل به دلیل طولانی‌تر بودن زمان انبساط نسبت به تراکم، بازده حرارتی بالاتری دارد و مصرف سوخت را کاهش می‌دهد. موتورهای اتکینسون عمدتاً در دور موتور های بالای  عملکرد بهینه‌ای دارند.

از نظر کاربرد، چرخه اتو برای خودروهایی که نیاز به شتاب و سرعت بالا دارند، مناسب‌تر است. در حالی که سیکل اتکینسون در خودروهایی که هدف اصلی آن‌ها صرفه‌جویی در سوخت و کاهش آلایندگی است، مانند خودروهای شهری و هیبریدی، کاربرد بیشتری دارد.

مزایا و معایب سیکل اوتو

سیکل اوتو دارای مزایای بسیاری است که آن را به یکی از محبوب‌ترین سیکل‌ها در صنعت خودروسازی تبدیل کرده است. از جمله این مزایا می‌توان به توان و گشتاور بالا، طراحی ساده، هزینه تولید پایین و انعطاف‌پذیری در کاربرد اشاره کرد. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که Otto Cycle در موتورهای بنزینی چهارزمانه بسیار مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال، معایب این سیکل نیز قابل توجه است. بازده حرارتی سیکل اوتو پایین‌تر از سیکل اتکینسون است و این مسئله باعث مصرف سوخت بیشتر می‌شود. علاوه بر این، در دورهای بسیار بالا، ممکن است بازده عملکرد موتور کاهش یابد و گرمای اضافی تولید شود که می‌تواند بر دوام قطعات تأثیر منفی بگذارد.

سیکل اوتو به‌عنوان یکی از مهم‌ترین نوآوری‌های تاریخ مهندسی خودرو، نقش کلیدی در توسعه موتورهای درون‌سوز ایفا کرده است. این سیکل، با توان و گشتاور بالا و طراحی ساده، انتخابی ایده‌آل برای خودروهایی است که به عملکرد قوی نیاز دارند. با این حال، در مقایسه با سیکل اتکینسون، مصرف سوخت و بازده حرارتی پایین‌تری دارد که آن را برای کاربردهای اقتصادی کمتر مناسب می‌کند. در نهایت، انتخاب بین این دو سیکل به نیازهای خاص خودرو و اولویت‌های طراحی بستگی دارد، اما سیکل اوتو همچنان یکی از ستون‌های اصلی صنعت خودروسازی باقی مانده است.