מה זה בעצם מחזור אטקינסון?

רק 121 כ"ס ממנוע 1.8 ליטר בטויוטה פריוס? או - איך גורמים למנועים גדולים להשיג צריכת דלק של קטנים?

המאה ה-19 הייתה רוויה בממציאים ויזמים ששינו את פני ההיסטוריה, שניים מהם היו ניקולס אוטו וג'יימס אטקינסון, אוטו היה מהנדס גרמני ובעצם הראשון שבנה מנוע שריפה פנימי שגם עבד (אחרי שצרפתי פיתח אחלה תאוריה וכשל בביצוע ושני איטלקים איבדו את הפטנט שלהם... כנראה שלא הרבה השתנה ב-150 שנה). ג'יימס אטקינסון ניסה לבנות מנוע יעיל יותר ובעל נצילות גבוהה יותר – הוא גם הצליח, אך למנוע של אטקינסון היה חסרון גדול – הוא סבל מחוסר כח בסל"ד נמוך ולכן לא הצליח להשתלב בשוק, אך העקרונות הפיסיקליים שלו נשמרו.

עם כניסת המנועים החשמליים לעולם הרכב ועליית המודעות לצריכת דלק וזיהום אוויר הרעיון חזר להיות רלוונטי – המנועים החשמליים מפצים על מחסור הכח בסל"ד נמוך ובכך מעלימים את החסרון של המנוע ומאפשרים לנצל את היעילות והנצילות הגבוהה יותר שלו.

אבל כדי להבין מה זה בכלל מחזור אטקינסון, בואו נבין קודם כל איך עובד מנוע הבעירה הפנימית המוכר, שמכונה בעגה המקצועית גם "מנוע ארבע פעימות" על שם ארבע הפעולות העיקריות שהוא עושה.

פעימת היניקה: הבוכנה יורדת למטה בצילינדר ו"מושכת" אוויר דרך שסתומי היניקה שנפתחים.

פעימת הדחיסה: הבוכנה עולה למעלה ודוחסת את האוויר שנכנס בפעימה הקודמת. במהלך הפעימה הזו מוזרק הדלק (ביחס של חלקיק דלק לכל 14.7 חלקיקי אוויר). במנועי הזרקה ישירה, תזמון ההזרקה משתנה ולעיתים הוא מוזרק לבוכנה לאחר שפעולה זו הושלמה - כלומר אחרי שהדלק כבר נדחס. 

פעימת העבודה: המצת (פלאג) שולח ניצוץ שמצית את התערובת ודוחף את הבוכנה למטה, זו הפעימה היחידה בה המנוע מפיק כוח. במנועי דיזל, אגב, אין פלאגים והתערובת ניצתת מעצם הלחץ העצום של הדחיסה.

פעימת הפליטה: הבוכנה חוזרת למעלה ודוחפת את גזי הפליטה דרך שסתומי הפליטה ולתוך האגזוז.

הפטנט שהמציא אטקינסון מעכב את סגירת שסתום היניקה עד שהבוכנה השלימה 20 עד 30 אחוז מהמהלך כלפי מעלה בפעימת הדחיסה. כתוצאה מכך, חלק מתערובת הדלק-אוויר הטריה (או רק אוויר באותם מקרים של הזרקה ישירה אחרי הדחיסה) חוזרת לתוך סעפת היניקה על ידי הבוכנה שעולה ולכן הצילינדר לא מתמלא לחלוטין. מכאן הפחתת ההספק במהירות מנוע נמוכה, כי כמות הדלק שנשרפת "מקבילה" למנוע בנפח קטן יותר.

התמורה מגיעה לאחר ההצתה, כאשר הבוכנה מתחילה לרדת (פעימת העבודה). פעימת היניקה המקוצרת (שריפת מעט דלק) בשילוב עם פעימת עבודה באורך מלא מצליחה לחלץ יותר עבודה מתערובת הדלק. כלומר למרות שנשרף מעט דלק, הבוכנה עושה את כל המהלך. התוצאה היא יעילות מנוע משופרת.

גם במחזור הבא, מכיוון שחלק מהאוויר שנשאב לתוך הצילינדר כבר מגיע "מעורבב" מראש עם דלק, מערכת ההזרקה תצטרך להזריק פחות דלק - רווח כפול. במנועי הזרקה ישירה, כאמור, כאשר הדלק מוזרק אחרי הדחיסה, נדחס החוצה רק אוויר.

בעוד שברוב המנועים הפועלים במחזור אוטו, יחסי הדחיסה וההתפשטות (עבודה) זהים. אטקינסון מנצח בסעיף היעילות בגלל שיחס ההתפשטות (תנועת הבוכנה למטה) גדול באופן משמעותי מיחס הדחיסה (תנועת הבוכנה למעלה).

היום, בזכות הפעלה אלקטרונית של השסתומים והאפשרות לתזמן את הפתיחה והסגירה שלהם ככל העולה על רוחם של המהנדסים, קיימים מנועים שמשלבים בין הטכנולוגיות ויודעים להחליף מחזור תוך כדי עבודה. בעומס נמוך הם פועלים במחזור אטקינסון, על מנת למקסם את יעילותם, ובעומס גבוה  - כשרוצים כמה שיותר כוח, הם עוברים להשתמש במחזור אוטו. את שיטת הפעולה הזו ניתן למצוא במנועיSkyActiv  של מאזדה (כן, כן. יש משהו משותף למיאטה ולפריוס).

טויוטה ומאזדה, אגב, הן רחוקות מלהיות היצרניות היחידות שעושות שימוש במחזור אטקינסון. בין היתר, גם במכוניות של פורד, שברולט, הונדה, קרייזלר, קיה (ויונדאי כמובן) ואפילו מרצדס אפשר למצוא מנועים שמשתמשים במחזור הבערה הייחודי הזה. כמעט בכולן, כמובן, משמשים המנועים האלו את הגרסאות ההיברידיות.