Atkinson Motoru (Atkinson Döngüsü: ing: Atkinson Cycle) Nedir, Nasıl Çalışır?

Atkinson Motoru, 1800'lü yılların sonlarında icat edilmiş, 4 zamanlı bir benzin motorudur fakat çevrimi Otto'dan  farklıdır. Bazı otoriteler bu çevrimi " modifiye edilmiş Otto Çevrimi " olarak tanımlar. Günümüzde birçok marka, özellikle Toyota tarafından hibrit araçlarda kullanılmaktadır. Temelde Otto'dan birkaç yönüyle ayrılır:

• valf zamanlaması
• farklı sıkıştırma/genişleme oranları (ing: stroke ratio)

Bu özellikleri sayesinde Atkinson motoru standart içten yanmalı motorlara göre daha yüksek termal verime (ing: thermal efficiency) sahip olur. Maksimum güç çıkışı konusunda ise bazı kullanıcılar standart motorlara göre daha fazla güç elde edildiğini, bazı kullanıcılar ise daha az güç üretildiğini fakat motorların daha verimli olduğunu vurgulamaktadırlar. Bu farklı yorumların kaynağı, farklı sıkıştırma ve genişleme oranlarından ve Atkinson motorlarının yaygın olarak elektrik motorlarıyla birlikte hibrit araçlarda kullanılmasından dolayıdır.

Benzin motorunda yani Otto döngüsünde, piston alt ölü noktaya (ing: bottom dead center, BDC) ulaştığında emme valfi kapanır ve sıkıştırma zamanı başlar. Atkinson motorunda ise emme piston alt ölü noktadayken sonlanır fakat emme valfi kapanmaz, dolayısıyla bir miktar yakıt+hava karışımı emme manifolduna geri gönderilir. Piston yukarı doğru belirli bir miktar yol katettikten sonra yani üst ölü nokta (ing: top dead center) ve alt ölü nokta arasında belirli bir yerdeyken emme valfi kapanır. Emme valfi kapandığı anda silindir kapalı-pistonlu bir kaba dönüşür ve sıcaklık ve basınç artışı için uygun hale gelir. Yani Atkinson motorunun sıkıştırma oranı Otto motorundan düşüktür (örneğin bir Otto çevriminde karışım 12 kat sıkıştırılıyorken bir Atkinson çevriminde yaklaşık 7-8 kat sıkıştırılır.) Atkinson motorunu standart içten yanmalı motorlardan ayıran ilk özelliği budur.

Sıkıştırma zamanı tamamlandığında buji yardımıyla ateşlenen karışım pistonu aşağı iter. Pistonun aşağı itilmesinin sebebi yanmış gazların yüksek basıncıdır, bu yüksek basıncı sağlayan faktör ise sıcaklıktır. Standart motorlarda piston alt ölü noktaya geldiğinde egzos valfi açılır ve pistonun hareketi sayesinde bu açıklıktan gazlar tahliye edilir. Karışım yanmadan önce kaç kat sıkıştırıldıysa, motorun yapısından dolayı tahliye işleminden önce o kadar genişler (örneğin sıkıştırma oranı 12/1 olan bir motorda genişleme oranı da 12/1'dir). Yani egzos valfi açılmadan önce gaz hala belirli bir basınca ve sıcaklığa sahiptir, bu açıdan bakıldığında işe çevrilebilecek bir miktar enerji israf edilir. Atkinson motorunda ise sıkıştırma ve genişleme oranları (compression and expansion ratios) farklı olduğu için genişleme oranı çok daha fazladır, bu da silindir içerisindeki sıcaklık ve basınçtan maksimum fayda sağlamaya olanak sağlar(8/1 oranında sıkıştırılan karışımın egzos gazları yaklaşık olarak 14/1, 15/1 oranında genişleyebilir): Atkinson motorunun termal verimliliğinin yüksek olma sebebi budur. Yani içerideki sıcaklık ve basınç mümkün olduğunca işe dönüştürülür.

Animasyonda Atkinson motorunun 1800'lü yılların sonunda tasarlanan ilkel versiyonun çalışma prensibi ve sıradışı krank sistemi görülmektedir. Günümüzde standart bir benzinli motorun valf zamanlarının ayarlanması ve daha uzun pimleri olan bir krank yardımıyla modern Atkinson motoru elde etmek mümkündür.

Atkinson motorunu daha iyi anlamak için bazı sayısal verilerden yararlanmak faydalı olacaktır.

1.4 litre hacimli bir benzin motoru ve hacim 1.4 litre olduğu anda emme valfini kapatıp sıkıştırma zamanını başlatan bir Atkinson motoru düşünelim. Sıkıştırma zamanı sonunda standart motor daha yüksek basınca sahiptir. Yanma tamamlandıktan sonra hala sıcak ve belirli bir basınca sahip olan atık gazlar standart motorda sıkıştırma miktarı kadar genişledikten sonra egzos manifolduna gönderilirken, Atkinson motorunda genişleme devam eder ve yaklaşık 1.8 litreye kadar genişler. Bu sayede standart motordan elde edilen güç 1.4 litrelik motorun gücüne eşitken, Atkinson motorundan elde edilen güç 1.5 litrelik standart motorun gücüne eşdeğer olur.

Bir diğer açıdan şöyle düşünebiliriz: hacmi 1.8 litre olduğu halde 1.4 litre hacimli motorun yaktığı kadar yakıtla 1.5 litrelik motor kadar iş üreten motor Atkinson motorudur.

Bu yazıda yer alan animasyonun kaynağı aşağıda belirtilmiştir:

"Atkinson Engine with Intake" by MichaelFrey - Own work, based on US Patent US367496A, http://www.google.com/patents/US367496. Licensed under CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atkinson_Engine_with_Intake.gif#/media/File:Atkinson_Engine_with_Intake.gif