วัฏจักรแอตคินสัน

เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสัน () เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในประเภทหนึ่งที่คิดค้นโดยเจมส์ แอตคินสันใน ค.ศ. 1882 วัฏจักรแอตคินสันได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ได้มาซึ่งประสิทธิภาพโดยแลกกับความหนาแน่นกำลังที่ลดลง 

มีการนำแนวทางที่แตกต่างกันไปใช้ในเครื่องยนต์ยานยนต์สมัยใหม่บางรุ่น แม้ว่าเดิมจะพบเห็นได้เฉพาะในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด เช่น โตโยต้า พริอุส รุ่นก่อนหน้า แต่ในรถยนต์ไฮบริดรุ่นต่อมาและรถยนต์ที่ไม่ใช่ไฮบริดบางรุ่นในปัจจุบันก็มีการติดตั้งเครื่องยนต์ที่มีระบบตั้งจังหวะเปิดปิดลิ้นแปรผัน ระบบดังกล่าวสามารถทำงานในวัฏจักรแอตคินสันเป็นวิถีการทำงานชั่วคราว ซึ่งให้การประหยัดเชื้อเพลิงที่ดีขณะทำงานในวิถีวัฏจักรแอตคินสัน และให้ความหนาแน่นกำลังปกติเมื่อทำงานในวิถีวัฏจักรออตโตธรรมดา

 การออกแบบ 
แอตคินสันผลิตการออกแบบที่แตกต่างกันสามแบบซึ่งมีจังหวะการอัดที่สั้นกว่าและจังหวะขยายตัวที่ยาวกว่า เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันตัวแรกคือ เครื่องยนต์ดิฟเฟอเรนเชียล (differential engine) ใช้ลูกสูบตรงข้าม การออกแบบที่สองและเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดคือเครื่องยนต์ไซเคิล (cycle engine) ใช้แขนเหนือศูนย์เพื่อสร้างสี่จังหวะลูกสูบในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงเพียงหนึ่งรอบ เครื่องยนต์ลูกสูบแบบผิดปกตินี้มีจังหวะดูด อัด กำลัง และคายของวัฏจักรสี่จังหวะในการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงเพียงรอบเดียว และถูกออกแบบมาเพื่อเลี่ยงการละเมิดสิทธิบัตรบางอย่างที่ครอบคลุมเครื่องยนต์วัฏจักรออตโต เครื่องยนต์สุดท้ายของแอตคินสันคือเครื่องยนต์ยูทิไลต์ (utilite engine) ทำงานคล้ายเครื่องยนต์สองจังหวะ

นอกเหนือจากคุณสมบัติที่นำมาใช้เพื่อเลี่ยงสิทธิบัตรของอ็อทโทแล้ว การออกแบบที่โดดเด่นอย่างแท้จริงของแอตคินสันคือเครื่องยนต์มีจังหวะขยายตัวยาวกว่าจังหวะอัด และด้วยวิธีนี้เครื่องยนต์จึงบรรลุประสิทธิภาพอุณหภาพที่สูงกว่าเครื่องยนต์ลูกสูบดั้งเดิม เครื่องยนต์ของแอตคินสันถูกผลิตโดยบริษัทเครื่องยนต์แก๊สอังกฤษ (British Gas Engine Company) และยังได้รับอนุญาตให้ผู้ผลิตในต่างประเทศรายอื่นนำไปผลิต

เครื่องยนต์สมัยใหม่จำนวนมากในปัจจุบันใช้เพลาข้อเหวี่ยงเยื้องศูนย์จากแนวศูนย์กลางกระบอกสูบ (ทำให้เป็นเครื่องยนต์เดอแซกซ์ (Desaxe)) และ/หรือการตั้งจังหวะการเปิดปิดลิ้นที่แหวกแนวเพื่อสร้างผลของจังหวะอัดที่สั้นลง/จังหวะกำลังที่ยาวขึ้น มิลเลอร์นำเทคนิคนี้มาประยุกต์ใช้กับเครื่องยนต์สี่จังหวะ ดังนั้นจึงถูกเรียกในบางครั้งว่า วัฏจักรแอตคินสัน/มิลเลอร์ (สิทธิบัตรสหรัฐที่ 2817322 ลงวันที่ 24 ธันวาคม 1957) ใน ค.ศ. 1888 แครอนยื่นสิทธิบัตรฝรั่งเศสและจัดแสดงเครื่องยนต์ที่งานนิทรรศการปารีสใน ค.ศ. 1889 เครื่องยนต์แก๊สแครอน (สี่จังหวะ) ใช้หลักการทำงานคล้ายมิลเลอร์ แต่ไม่มีซูเปอร์ชาร์จเจอร์ ซึ่งถูกเรียกว่า "วัฏจักรแครอน" 

ฮูโก กึลด์เนอร์โต้แย้งในหนังสือของเขาใน ค.ศ. 1914 ว่าเคิร์ททิง (Körting) เป็นบริษัทแรกที่สร้างเครื่องยนต์แก๊สที่มีจังหวะอัดสั้นและมีระยะขยายตัวที่ยาวขึ้นใน ค.ศ. 1891 โดยอิงจากการออกแบบที่เสนอครั้งแรกโดยอ็อทโท เคอเลอร์ใน ค.ศ. 1887 เครื่องยนต์นี้ยังมีขบวนเปิดปิดลิ้นที่ขึ้นอยู่กับภาระเครื่องยนต์ซึ่งจะเพิ่มจังหวะดูดและอัดเมื่อภาระเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น กลับกัน การอัดจะลดลงที่ภาระต่ำและปานกลาง ซึ่งท้ายที่สุดทำให้ประสิทธิภาพลดลง 

รอย เฟดเดน ที่บริสตอล ได้ทดสอบการจัดเรียงในเครื่องยนต์บริสตอล จูปิเตอร์ IV ใน ค.ศ. 1928 โดยมีการตั้งไฟอ่อนแปรผัน (variable retard timing) ที่อนุญาตให้ส่วนหนึ่งของไอดีถูกเป่ากลับเข้าไปในท่อร่วมไอดี เพื่อให้ความดันในการทำงานลดลงอย่างยั่งยืนในระหว่างการบินขึ้น 

นักออกแบบเครื่องยนต์สมัยใหม่กำลังตระหนักถึงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่วัฏจักรประเภทแอตคินสันสามารถให้ได้

 "เครื่องยนต์ดิฟเฟอเรนเชียล" แอตคินสัน 
การนำวัฏจักรแอตคินสันไปใช้ครั้งแรกเกิดขึ้นใน ค.ศ. 1882 ต่างจากรุ่นที่ตามมา คือได้รับการจัดให้เป็นเครื่องยนต์ลูกสูบตรงข้าม (opposed-piston engine) โดยเรียกว่าเครื่องยนต์ดิฟเฟอเรนเชียลแอตคินสัน ในเครื่องยนต์นี้ เพลาข้อเหวี่ยงเดียวเชื่อมต่อกับลูกสูบตรงข้ามสองตัวผ่านกลไกเชื่อมต่อแบบข้อพับที่มีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้น ในช่วงครึ่งรอบการหมุน ลูกสูบหนึ่งจะอยู่นิ่งเกือบตลอดเวลาขณะที่ลูกสูบอีกตัวจะเคลื่อนที่เข้าหาแล้วเคลื่อนที่กลับ และในช่วงครึ่งรอบการหมุนถัดไป ลูกสูบตัวที่สองที่กล่าวถึงจะอยู่นิ่งเกือบตลอดเวลาขณะที่ลูกสูบตัวแรกจะเคลื่อนที่เข้าหาแล้วเคลื่อนที่กลับ

ดังนั้น ในการหมุนแต่ละรอบ ลูกสูบตัวหนึ่งจะให้จังหวะอัดและจังหวะกำลัง และจากนั้นลูกสูบอีกตัวจะให้จังหวะคายและจังหวะดูด เนื่องจากลูกสูบกำลังยังคงถอยกลับอยู่ระหว่างจังหวะคายและจังหวะดูด จึงสามารถไล่ไอเสียและดูดไอดีได้โดยใช้ลิ้นที่อยู่ด้านหลังช่องซึ่งถูกปิดอยู่ระหว่างจังหวะอัดและจังหวะกำลัง ด้วยเหตุนี้ ลิ้นจึงไม่จำเป็นต้องทนทานต่อความดันสูงและสามารถใช้ลิ้นชนิดเรียบง่ายที่ใช้ในเครื่องจักรไอน้ำหลายชนิด หรือแม้แต่ลิ้นใบอ่อน (reed valves)

"เครื่องยนต์ไซเคิล" แอตคินสัน
เครื่องยนต์ถัดมาที่แอตคินสันออกแบบใน ค.ศ. 1887 ได้รับการตั้งชื่อว่า "เครื่องยนต์ไซเคิล" เครื่องยนต์นี้ใช้ลิ้นดอกเห็ด ลูกเบี้ยว และแขนเหนือศูนย์เพื่อสร้างสี่จังหวะลูกสูบต่อการหมุนเพลาข้อเหวี่ยงหนึ่งรอบ โดยจังหวะดูดและอัดจะสั้นกว่าจังหวะขยายตัวและคายอย่างเห็นได้ชัด

เครื่องยนต์ "ไซเคิล" ถูกผลิตและจำหน่ายเป็นเวลาหลายปีโดยบริษัทแก๊สอังกฤษ แอตคินสันยังอนุญาตให้ผู้ผลิตรายอื่นผลิตภายใต้ใบอนุญาตด้วย ขนาดของเครื่องยนต์มีตั้งแต่ไม่กี่แรงม้าไปจนถึง 100 แรงม้า 

 "เครื่องยนต์ยูทิไลต์" แอตคินสัน 

การออกแบบเครื่องยนต์ตัวที่สามของแอตคินสันมีชื่อว่า "เครื่องยนต์ยูทิไลต์" (Utilite Engine) เครื่องยนต์ "ไซเคิล" ของแอตคินสันนั้นมีประสิทธิภาพดี อย่างไรก็ดี ชุดข้อต่อของมันทำให้ยากต่อการปรับสมดุลสำหรับการทำงานที่ความเร็วสูง แอตคินสันตระหนักว่าจำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพื่อให้วัฏจักรของเขาสามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์ความเร็วสูงได้มากขึ้น 

ด้วยการออกแบบใหม่นี้ แอตคินสันสามารถกำจัดชุดข้อต่อออกไปและทำให้เป็นเครื่องยนต์ที่สมดุลและมีความเป็นมาตรฐานมากขึ้น สามารถทำงานที่ความเร็วได้สูงถึง 600 รอบต่อนาทีและสามารถสร้างกำลังได้ทุกรอบการหมุน แต่เขายังคงรักษาประสิทธิภาพทั้งหมดของ "เครื่องยนต์ไซเคิล" ไว้ โดยมีจังหวะอัดที่สั้นกว่าและจังหวะขยายตัวที่ยาวกว่าตามสัดส่วน เครื่องยนต์ยูทิไลต์ทำงานคล้ายเครื่องยนต์สองจังหวะมาตรฐาน ยกเว้นแต่ว่าช่องไอเสียจะอยู่ที่ประมาณกลางจังหวะ 

ในระหว่างจังหวะขยายตัว/กำลัง ลิ้นที่ทำงานด้วยลูกเบี้ยว (ซึ่งปิดอยู่จนกว่าลูกสูบจะเข้าใกล้จุดสิ้นสุดจังหวะ) จะป้องกันไม่ให้ความดันเล็ดลอดออกไปในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ผ่านช่องไอเสีย ลิ้นไอเสียจะเปิดออกใกล้ด้านล่างของจังหวะ; มันจะเปิดค้างไว้ในขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปยังจังหวะอัด ปล่อยให้อากาศบริสุทธิ์เข้ามาในกระบอกสูบและไอเสียออกไปจนกระทั่งช่องนั้นถูกลูกสูบปิด 

หลังช่องไอเสียถูกปิด ลูกสูบจะเริ่มอัดอากาศที่เหลืออยู่ในกระบอกสูบ ปั๊มเชื้อเพลิงลูกสูบขนาดเล็กจะฉีดเชื้อเพลิงเหลวในระหว่างการอัด แหล่งกำเนิดประกายไฟอาจเป็นท่อร้อนเช่นเดียวกับเครื่องยนต์อื่น ๆ ของแอตกินสัน การออกแบบนี้ส่งผลให้เกิดเครื่องยนต์สองจังหวะที่มีจังหวะอัดสั้นและจังหวะขยายตัวยาว 

เครื่องยนต์ยูทิไลต์ได้รับการทดสอบแล้วว่ามีประสิทธิภาพดียิ่งกว่าการออกแบบ "ดิฟเฟอเรนเชียล" และ "ไซเคิล" ก่อนหน้านี้ของแอตคินสัน มีการผลิตเครื่องยนต์นี้ออกมาน้อยมาก และไม่พบว่ามีเครื่องยนต์ใดหลงเหลืออยู่ สิทธิบัตรอังกฤษมีขึ้นใน ค.ศ. 1892 ที่ 2492 ไม่พบสิทธิบัตรสหรัฐสำหรับเครื่องยนต์ยูทิไลต์ 

 วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์อุดมคติ 

วัฏจักรแอตคินสันอุดมคติประกอบด้วยกระบวนการ:
 1–2 ไอเซนโทรปิก หรือการอัดแบบอะเดียแบติกย้อนกลับได้
 2–3 การให้ความร้อนแบบคงปริมาตร (Qp)
 3–4 การให้ความร้อนแบบคงความดัน (Qp')
 4–5 การขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก
 5–6 การคายความร้อนแบบคงความดัน (Qo)
 6–1 การคายความร้อนแบบคงปริมาตร (Qo')

 เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันสมัยใหม่ 

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 คำว่า "วัฏจักรแอตคินสัน" เริ่มถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายเครื่องยนต์วัฏจักรออตโตที่ได้รับการดัดแปลง ซึ่งลิ้นไอดีจะถูกเปิดค้างไว้นานกว่าปกติ ทำให้มีการไหลย้อนกลับของไอดีเข้าไปในท่อร่วมไอดี วัฏจักรแอตคินสัน "จำลอง" นี้เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในการใช้งานในเครื่องยนต์โตโยต้า 1NZ-FXE จากรถยนต์พริอุสรุ่นแรกและเครื่องยนต์โตโยต้า ไดนามิกฟอร์ซ 

อัตราส่วนการอัดยังผลจะลดลง สำหรับช่วงเวลาที่อากาศกำลังหนีออกจากกระบอกสูบอย่างอิสระแทนที่จะถูกอัด แต่ทว่าอัตราส่วนการขยายตัวยังคงไม่เปลี่ยนแปลง (กล่าวคืออัตราส่วนการอัดมีขนาดเล็กกว่าอัตราส่วนการขยายตัว) เป้าหมายของวัฏจักรแอตคินสันสมัยใหม่คือการทำให้ความดันในห้องเผาไหม้เมื่อสิ้นสุดจังหวะกำลังมีค่าเท่าความดันบรรยากาศ เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ พลังงานที่มีอยู่ทั้งหมดจะถูกดึงออกมาจากกระบวนการเผาไหม้แล้ว สำหรับอากาศส่วนใดส่วนหนึ่ง อัตราส่วนการขยายตัวที่มากกว่าจะเปลี่ยนพลังงานจากความร้อนให้เป็นพลังงานกลใช้ประโยชน์ได้มากขึ้น หมายความว่าเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น 

ข้อเสียของเครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันสี่จังหวะเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์วัฏจักรออตโตที่พบได้บ่อยกว่าคือความหนาแน่นกำลังลดลง ด้วยมีส่วนของจังหวะอัดเพียงเล็กน้อยที่ทุ่มเทให้การอัดไอดี เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสันจึงดูดอากาศเข้าได้ไม่มากเท่าเครื่องยนต์วัฏจักรออตโตที่ออกแบบและมีขนาดใกล้เคียงกัน เครื่องยนต์สี่จังหวะประเภทนี้ที่ใช้การเคลื่อนที่ของลิ้นไอดีแบบเดียวกันแต่ใช้ระบบอัดอากาศเพื่อชดเชยการสูญเสียความหนาแน่นกำลังจะเป็นที่รู้จักในชื่อเครื่องยนต์วัฏจักรมิลเลอร์

 เครื่องยนต์โรทารีวัฏจักรแอตคินสัน 

วัฏจักรแอตคินสันสามารถนำไปใช้กับเครื่องยนต์โรทารี (rotary engine) ได้ ในโครงแบบนี้ สามารถเพิ่มได้ทั้งกำลังและประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับวัฏจักรออตโต เครื่องยนต์ประเภทนี้ยังคงรักษาลักษณะของวัฏจักรแอตคินสันดั้งเดิมไว้ นั่นคือมีหนึ่งจังหวะกำลังต่อการหมุนหนึ่งรอบพร้อมด้วยปริมาตรการอัดและปริมาตรการขยายตัวที่แตกต่างกัน

ไอเสียจะถูกขับออกจากเครื่องยนต์โดยการไล่ไอเสียด้วยอากาศอัด (compressed-air scavenging) การปรับปรุงวัฏจักรแอตคินสันนี้ช่วยให้สามารถใช้เชื้อเพลิงทางเลือก เช่น ดีเซลและไฮโดรเจนได้

ข้อเสียของการออกแบบนี้รวมถึงข้อกำหนดที่ว่าปลายของโรเตอร์จะต้องผนึกแน่นมากกับผนังของตัวเครื่องด้านนอกและการสูญเสียทางกลที่เกิดจากแรงเสียดทานระหว่างชิ้นส่วนที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอซึ่งมีการแกว่งตัวอย่างรวดเร็ว 

 ยานพาหนะที่ใช้เครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสัน 
alt=|thumb|ฮุนได ไอโอนิก ไฮบริด

ในขณะที่เครื่องยนต์ลูกสูบวัฏจักรออตโตที่ได้รับการดัดแปลงให้ใช้วัฏจักรแอตคินสันให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดี แต่ก็ต้องแลกมาด้วยกำลังต่อปริมาตรกระบอกสูบที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สี่จังหวะดั้งเดิมHeywood, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals, p. 184–186. หากความต้องการกำลังที่เพิ่มขึ้นเป็นไปอย่างไม่ต่อเนื่อง กำลังของเครื่องยนต์สามารถเสริมได้ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าในช่วงเวลาที่ต้องการกำลังมากขึ้น สิ่งนี้เป็นพื้นฐานของขบวนส่งกำลังไฟฟ้าไฮบริดที่ใช้วัฏจักรแอตคินสัน มอเตอร์ไฟฟ้าเหล่านี้สามารถใช้งานได้อย่างอิสระ หรือใช้ร่วมกับเครื่องยนต์วัฏจักรแอตคินสัน เพื่อให้เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการสร้างกำลังตามที่ต้องการ ขบวนส่งกำลังนี้เริ่มเข้าสู่การผลิตในช่วงปลาย ค.ศ. 1997 ในรถยนต์โตโยต้า พริอุส รุ่นแรก

 สิทธิบัตร 
สิทธิบัตร ค.ศ. 1887 (US 367496) อธิบายถึงกลไกข้อต่อทางกลที่จำเป็นสำหรับการทำให้เกิดจังหวะทั้งสี่ของวัฏจักรสี่จังหวะสำหรับเครื่องยนต์แก๊สภายในหนึ่งรอบการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยง ยังมีการอ้างถึงสิทธิบัตรของแอตคินสัน ค.ศ. 1886 (US 336505) ซึ่งอธิบายถึงเครื่องยนต์แก๊สแบบลูกสูบตรงข้าม ส่วนสิทธิบัตรอังกฤษสำหรับเครื่องยนต์ "ยูทิไลต์" นั้นมาจาก ค.ศ. 1892 (ที่ 2492)

 ดูเพิ่ม 
 ประวัติศาสตร์เครื่องยนต์สันดาปภายใน
 การตั้งจังหวะเปิดปิดลิ้นแปรผัน
 ช่วงยกลิ้นแปรผัน

 อ้างอิง 

หมวดหมู่:วัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์
หมวดหมู่:ยานยนต์ไฮบริด