เครื่องยนต์วัฏจักรแอตกินสัน เป็น เครื่องยนต์สันดาปภายในชนิดหนึ่งที่คิดค้นโดยเจมส์ แอตกินสันในปี 1882 วัฏจักรแอตกินสันถูกออกแบบมาเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงโดยแลกกับความหนาแน่นของกำลังที่ลดลง

วิธีการนี้มีการนำไปใช้ในเครื่องยนต์รถยนต์สมัยใหม่บางรุ่น เดิมทีพบเห็นได้เฉพาะใน รถยนต์ ไฮบริดไฟฟ้าเช่นโตโยต้า พรีอุส รุ่นแรกๆ แต่ปัจจุบันรถยนต์ไฮบริดรุ่นหลังๆ และรถยนต์ที่ไม่ใช่ไฮบริดบางรุ่นก็ใช้เครื่องยนต์ที่มีระบบควบคุมจังหวะการเปิด-ปิดวาล์วแบบแปรผันระบบควบคุมจังหวะการเปิด-ปิดวาล์วแบบแปรผันสามารถทำงานในโหมดวัฏจักรแอตกินสันได้แบบพาร์ทไทม์ ซึ่งให้ประสิทธิภาพการประหยัดเชื้อเพลิงที่ดีในโหมดวัฏจักรแอตกินสัน และให้กำลังต่อปริมาตรเชื้อเพลิงแบบปกติเมื่อทำงานในโหมด วัฏจักรออตโต แบบดั้งเดิม

แอตกินสันได้สร้างการออกแบบที่แตกต่างกันสามแบบซึ่งมีช่วงการอัดสั้นและช่วงการขยายตัวยาวกว่า เครื่องยนต์แบบวัฏจักร แอตกินสันเครื่องแรกคือเครื่องยนต์แบบดิฟเฟอเรนเชียล ซึ่งใช้ลูกสูบตรงข้ามกัน การออกแบบแบบที่สองและเป็นที่รู้จักมากที่สุดคือเครื่องยนต์แบบวัฏจักรซึ่งใช้แขนโอเวอร์เซ็นเตอร์เพื่อสร้างจังหวะลูกสูบสี่จังหวะในการหมุนเพลาข้อเหวี่ยง หนึ่งรอบ เครื่องยนต์ลูกสูบแบบผิดปกตินี้มี จังหวะ ดูด อัด กำลัง และไอเสีย ของ วัฏจักรสี่จังหวะในการหมุน เพลาข้อเหวี่ยงเพียงรอบเดียวและได้รับการออกแบบเพื่อหลีกเลี่ยงการละเมิดสิทธิบัตรบางฉบับที่ครอบคลุมเครื่องยนต์แบบวัฏจักรออตโต^{[ 1 ]}เครื่องยนต์แบบที่สามและสุดท้ายของแอตกินสันคือเครื่องยนต์อเนกประสงค์ซึ่งทำงานคล้ายกับเครื่องยนต์สองจังหวะ

นอกเหนือจากคุณสมบัติที่นำมาใช้เพื่อหลีกเลี่ยงสิทธิบัตรของออตโตแล้ว การออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์อย่างแท้จริงของเครื่องยนต์แอตกินสันคือ เครื่องยนต์มีจังหวะการขยายตัวที่ยาวกว่าจังหวะการอัด และด้วยวิธีนี้ เครื่องยนต์จึงมีประสิทธิภาพเชิงความร้อน สูง กว่าเครื่องยนต์ลูกสูบแบบดั้งเดิม เครื่องยนต์แอตกินสันผลิตโดยบริษัทบริติชแก๊สเอนจิ้น และยังได้รับอนุญาตให้ผู้ผลิตรายอื่นในต่างประเทศผลิตอีกด้วย

เครื่องยนต์สมัยใหม่หลายเครื่องในปัจจุบันใช้เพลาข้อเหวี่ยงที่เยื้องศูนย์จากแกนกลางของกระบอกสูบ (ทำให้เป็น เครื่องยนต์ แบบเดแซกซ์ ) และ/หรือจังหวะการเปิดปิดวาล์วที่ไม่ธรรมดา เพื่อสร้างผลของจังหวะอัดที่สั้นลง/จังหวะกำลังที่ยาวขึ้น มิลเลอร์ได้ประยุกต์ใช้เทคนิคนี้กับเครื่องยนต์สี่จังหวะ ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่าวัฏจักรแอตกินสัน/มิลเลอร์สิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาหมายเลข 2817322 ลงวันที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2490 ^{[ 2 ]}ในปี พ.ศ. 2431 ชารอนได้ยื่นจดสิทธิบัตรในฝรั่งเศสและจัดแสดงเครื่องยนต์ที่งานนิทรรศการปารีสในปี พ.ศ. 2432 เครื่องยนต์แก๊สของชารอน (สี่จังหวะ) ใช้วัฏจักรที่คล้ายกับของมิลเลอร์ แต่ไม่มีซูเปอร์ชาร์จเจอร์ จึงเรียกว่า "วัฏจักรชารอน" ^{[ 3 ]}

Hugo Güldnerโต้แย้งในหนังสือของเขาในปี 1914 ว่า Körting เป็นบริษัทแรกที่สร้างเครื่องยนต์แก๊สที่มีช่วงการอัดสั้นและช่วงการขยายตัวยาวขึ้นในปี 1891 โดยอิงจากการออกแบบที่Otto Köhler เสนอเป็นครั้งแรก ในปี 1887 เครื่องยนต์นี้ยังมีกลไกวาล์วที่ขึ้นอยู่กับภาระของเครื่องยนต์ ซึ่งจะเพิ่มช่วงการดูดและการอัดเมื่อภาระของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน การอัดจะลดลงที่ภาระต่ำและปานกลาง ซึ่งในที่สุดก็ลดประสิทธิภาพลง^{[ 4 ]}

ในปี 1928 รอย เฟดเดนที่บริสตอลได้ทดสอบระบบใน เครื่องยนต์ บริสตอล จูปิเตอร์ IV โดยใช้จังหวะหน่วงแปรผันที่ช่วยให้ส่วนหนึ่งของเชื้อเพลิงถูกเป่ากลับเข้าไปในท่อไอดี เพื่อรักษาระดับแรงดันการทำงานที่ลดลงอย่างยั่งยืนในระหว่างการบินขึ้น

นักออกแบบเครื่องยนต์สมัยใหม่ตระหนักถึงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่วงจรแบบแอตกินสันสามารถมอบให้ได้^{[ 5 ]}

การนำวัฏจักร Atkinson ไปใช้ครั้งแรกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2425 ซึ่งแตกต่างจากรุ่นต่อมา โดยจัดเรียงเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบตรงข้าม ซึ่งก็คือเครื่องยนต์ Atkinson แบบดิฟเฟอเรนเชียล^{[ 6 ] [ 7 ]}ในเครื่องยนต์นี้ เพลาข้อเหวี่ยงเดี่ยวเชื่อมต่อกับลูกสูบตรงข้ามสองตัวผ่านกลไกแบบข้อต่อสลับที่มีความไม่เป็นเชิงเส้น ในครึ่งรอบ ลูกสูบตัวหนึ่งจะเกือบหยุดนิ่งในขณะที่อีกตัวหนึ่งเข้าใกล้และกลับมา จากนั้นในครึ่งรอบถัดไป ลูกสูบตัวที่สองจะเกือบหยุดนิ่งในขณะที่ลูกสูบตัวแรกเข้าใกล้และกลับมา

ดังนั้น ในแต่ละรอบการหมุน ลูกสูบหนึ่งตัวจะทำหน้าที่อัดและอัดอากาศ จากนั้นลูกสูบอีกตัวจะทำหน้าที่ระบายไอเสียและอัดอากาศ เนื่องจากลูกสูบที่กำลังอัดอากาศจะถูกดึงกลับในระหว่างการระบายไอเสียและการอัดอากาศ จึงเป็นไปได้ที่จะใช้ลิ้นวาล์วที่อยู่ด้านหลังช่องซึ่งถูกปิดไว้ในระหว่างจังหวะอัดและจังหวะอัดอากาศ ดังนั้นลิ้นวาล์วจึงไม่จำเป็นต้องทนต่อแรงดันสูงและอาจเป็นลิ้นวาล์วแบบง่ายๆ ที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอน้ำหลายๆ เครื่อง หรือแม้แต่ลิ้นวาล์วแบบรีดก็ได้

เครื่องยนต์รุ่นถัดไปที่แอตกินสันออกแบบในปี 1887 ได้รับการตั้งชื่อว่า "เครื่องยนต์ไซเคิล" เครื่องยนต์นี้ใช้ลิ้นป๊อปเป็ต เพลาลูกเบี้ยว และแขนโอเวอร์เซ็นเตอร์ เพื่อสร้างจังหวะลูกสูบสี่จังหวะต่อการหมุนหนึ่งรอบของเพลาข้อเหวี่ยง จังหวะดูดและจังหวะอัดนั้นสั้นกว่าจังหวะขยายตัวและจังหวะคายไอเสียอย่างเห็นได้ชัด

เครื่องยนต์ "ไซเคิล" ถูกผลิตและจำหน่ายโดยบริษัทบริติชเอ็นจิ้นคอมพานีเป็นเวลาหลายปี นอกจากนี้ แอตกินสันยังอนุญาตให้ผู้ผลิตรายอื่นผลิตด้วย โดยมีขนาดตั้งแต่ไม่กี่แรงม้าไปจนถึง 100 แรงม้า

การออกแบบที่สามของแอตคินสันมีชื่อว่า "เครื่องยนต์อเนกประสงค์" ^{[ 8 ]}เครื่องยนต์ "วงจร" ของแอตคินสันมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม กลไกเชื่อมต่อของมันยากที่จะปรับสมดุลสำหรับการทำงานที่ความเร็วสูง แอตคินสันตระหนักว่าจำเป็นต้องมีการปรับปรุงเพื่อให้วงจรของเขาสามารถนำไปใช้เป็นเครื่องยนต์ความเร็วสูงได้มากขึ้น

ด้วยการออกแบบใหม่นี้ แอตกินสันสามารถกำจัดกลไกเชื่อมต่อต่างๆ และสร้างเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมที่มีความสมดุลดี สามารถทำงานได้ที่ความเร็วสูงสุดถึง 600 รอบต่อนาที และสามารถสร้างกำลังได้ในทุกรอบการหมุน แต่เขายังคงรักษาประสิทธิภาพทั้งหมดของ "เครื่องยนต์แบบไซเคิล" ของเขาไว้ โดยมีจังหวะการอัดที่สั้นและจังหวะการขยายตัวที่ยาวกว่า เครื่องยนต์ Utilite ทำงานคล้ายกับเครื่องยนต์สองจังหวะมาตรฐาน ยกเว้นว่าพอร์ตไอเสียจะอยู่ประมาณกึ่งกลางของจังหวะ

ในระหว่างจังหวะการขยายตัว/กำลัง วาล์วที่ควบคุมด้วยลูกเบี้ยว (ซึ่งจะปิดอยู่จนกว่าลูกสูบจะใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของจังหวะ) จะป้องกันไม่ให้แรงดันรั่วไหลออกไปขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ผ่านช่องไอเสีย วาล์วไอเสียจะเปิดออกเมื่อใกล้ถึงจุดต่ำสุดของจังหวะ และจะเปิดอยู่ขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปสู่จังหวะอัด ทำให้มีอากาศบริสุทธิ์เข้าไปในกระบอกสูบและไอเสียระบายออกไปจนกระทั่งลูกสูบปิดช่องไอเสีย

หลังจากปิดช่องไอเสียแล้ว ลูกสูบจะเริ่มอัดอากาศที่เหลืออยู่ในกระบอกสูบ ปั๊มเชื้อเพลิงแบบลูกสูบขนาดเล็กจะฉีดของเหลวเข้าไปในระหว่างการอัด แหล่งกำเนิดประกายไฟน่าจะเป็นท่อความร้อนเช่นเดียวกับเครื่องยนต์อื่นๆ ของแอตกินสัน การออกแบบนี้ส่งผลให้ได้เครื่องยนต์สองจังหวะที่มีจังหวะการอัดสั้นและจังหวะการขยายตัวยาวกว่า

เครื่องยนต์ Utilite ได้รับการทดสอบแล้วว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าการออกแบบ "แบบดิฟเฟอเรนเชียล" และ "แบบวัฏจักร" รุ่นก่อนหน้าของแอตกินสัน มีการผลิตออกมาน้อยมาก และไม่มีรายงานว่าเหลือรอดมาถึงปัจจุบัน สิทธิบัตรของอังกฤษมีอายุตั้งแต่ปี 1892 หมายเลข 2492 ไม่มีสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาสำหรับเครื่องยนต์ Utilite ที่เป็นที่รู้จัก

วงจรการออกกำลังกายแบบแอตกินสันที่เหมาะสมประกอบด้วย:

• 1–2 การอัดแบบไอเซนโทรปิกหรือแบบอะเดียแบติกที่ผันกลับได้
• 2–3 การให้ความร้อน แบบปริมาตรคงที่ (Qp)
• 3–4 การให้ความร้อน แบบความดันคงที่ (Qp')
• 4–5 การขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก
• 5–6 การทำความเย็นแบบปริมาตรคงที่ (Qo)
• 6–1 การทำความเย็นแบบความดันคงที่ (Qo')

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 คำว่า "วัฏจักรแอตกินสัน" เริ่มถูกนำมาใช้เพื่ออธิบาย เครื่องยนต์ วัฏจักรออตโต ที่ได้รับการดัดแปลง โดยที่วาล์วไอดีจะเปิดค้างไว้นานกว่าปกติ ทำให้เกิดการไหลย้อนกลับของอากาศเข้าสู่ท่อร่วมไอดี วัฏจักรแอตกินสัน "จำลอง" นี้ถูกนำมาใช้อย่างเด่นชัดใน เครื่องยนต์ Toyota 1NZ-FXEจากรถยนต์Prius รุ่นแรกๆ และเครื่องยนต์ Toyota Dynamic Force

อัตราส่วนการอัดที่มีประสิทธิภาพจะลดลง เนื่องจากอากาศไหลออกจากกระบอกสูบอย่างอิสระแทนที่จะถูกอัด แต่ อัตราส่วน การขยายตัวจะไม่เปลี่ยนแปลง (กล่าวคือ อัตราส่วนการอัดน้อยกว่าอัตราส่วนการขยายตัว) เป้าหมายของวัฏจักรแอตกินสันสมัยใหม่คือการทำให้ความดันในห้องเผาไหม้เมื่อสิ้นสุดจังหวะการทำงานเท่ากับความดันบรรยากาศ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น พลังงานที่มีอยู่ทั้งหมดจะถูกดึงออกมาจากกระบวนการเผาไหม้ สำหรับปริมาณอากาศที่กำหนด อัตราส่วนการขยายตัวที่มากขึ้นจะเปลี่ยนพลังงานจากความร้อนเป็นพลังงานกลที่มีประโยชน์ได้มากขึ้น ซึ่งหมายความว่าเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ข้อเสียของเครื่องยนต์แบบสี่จังหวะ Atkinson-cycle เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบ Otto-cycle ที่พบได้ทั่วไปมากกว่า คือ ความหนาแน่นของกำลังที่ลดลง เนื่องจากส่วนของจังหวะอัดที่ใช้ในการอัดอากาศเข้ามีน้อยกว่า เครื่องยนต์ Atkinson-cycle จึงดูดอากาศได้น้อยกว่าเครื่องยนต์ Otto-cycle ที่มีขนาดและดีไซน์ใกล้เคียงกัน เครื่องยนต์สี่จังหวะประเภทนี้ที่ใช้การเคลื่อนที่ของวาล์วไอดีแบบเดียวกัน แต่ใช้ระบบอัดอากาศเพื่อชดเชยการสูญเสียความหนาแน่นของกำลัง เรียกว่าเครื่องยนต์ แบบ Miller-cycle

วัฏจักรแอตกินสันสามารถใช้ในเครื่องยนต์โรตารี่ได้ ในการกำหนดค่านี้ สามารถเพิ่มทั้งกำลังและประสิทธิภาพได้เมื่อเทียบกับวัฏจักรออตโต เครื่องยนต์ประเภทนี้ยังคงรักษาเฟสกำลังหนึ่งเฟสต่อการหมุนหนึ่งรอบ พร้อมกับปริมาตรการอัดและการขยายตัวที่แตกต่างกันของวัฏจักรแอตกินสันดั้งเดิม

ก๊าซไอเสียจะถูกขับออกจากเครื่องยนต์โดยใช้ลมอัดเพื่อไล่ก๊าซออก การดัดแปลงวัฏจักรแอตกินสันนี้ทำให้สามารถใช้เชื้อเพลิงทางเลือก เช่น ดีเซลและไฮโดรเจนได้

ข้อเสียของการออกแบบนี้ ได้แก่ ข้อกำหนดที่ว่าปลายใบพัดจะต้องแนบสนิทกับผนังตัวเรือนด้านนอกอย่างมาก และการสูญเสียทางกลที่เกิดขึ้นจากแรงเสียดทานระหว่างชิ้นส่วนที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอซึ่งสั่นอย่างรวดเร็ว ดู§ ลิงก์ภายนอกด้านล่างสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม

แม้ว่าเครื่องยนต์ลูกสูบแบบ Otto-cycle ที่ดัดแปลงโดยใช้ Atkinson cycle จะให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง ที่ดี แต่ก็แลกมาด้วยกำลังต่อปริมาตรกระบอกสูบที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สี่จังหวะแบบดั้งเดิม^{[ 9 ]}หากความต้องการกำลังเพิ่มขึ้นเป็นช่วงๆ กำลังของเครื่องยนต์สามารถเสริมด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าในช่วงเวลาที่ต้องการกำลังมากขึ้น ซึ่งเป็นพื้นฐานของ ระบบขับเคลื่อน ไฮบริดไฟฟ้า แบบ Atkinson cycle มอเตอร์ไฟฟ้าเหล่านี้สามารถใช้งานได้โดยอิสระหรือร่วมกับเครื่องยนต์ Atkinson-cycle เพื่อให้ได้วิธีการที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการผลิตกำลังที่ต้องการ ระบบขับเคลื่อนนี้เริ่มผลิตครั้งแรกในช่วงปลายปี 1997 ในรถยนต์ Toyota Prius รุ่นแรก

สิทธิบัตรปี 1887 (US 367496) อธิบายถึงกลไกเชื่อมโยงที่จำเป็นเพื่อให้ได้จังหวะทั้งสี่ของวัฏจักรสี่จังหวะสำหรับเครื่องยนต์แก๊สภายในการหมุนหนึ่งรอบของเพลาข้อเหวี่ยง^{[ 1 ]}นอกจากนี้ยังมีการอ้างอิงถึงสิทธิบัตรของ Atkinson ปี 1886 (US 336505) ซึ่งอธิบายถึงเครื่องยนต์แก๊สแบบลูกสูบตรงข้าม^{[ 7 ]}สิทธิบัตรของอังกฤษสำหรับ "Utilite" มาจากปี 1892 (#2492)

• ประวัติความเป็นมาของเครื่องยนต์สันดาปภายใน
• การปรับจังหวะการเปิด-ปิดวาล์วแบบแปรผัน
• ระยะยกวาล์วแปรผัน

• การเปรียบเทียบเครื่องยนต์หลักที่เหมาะสมสำหรับแหล่งพลังงานภาคสนามของนาวิกโยธินสหรัฐฯห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์
• เครื่องยนต์ลิบราลาโต – การพัฒนาเครื่องยนต์แบบโรตารี่วัฏจักรแอตกินสัน
• เครื่องยนต์แบบโรตารี่แอตกินสัน (Rotary Atkinson cycle engine) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 19 มิถุนายน 2020 ที่Wayback Machine – ให้รายละเอียดเกี่ยวกับเครื่องยนต์นี้ รวมถึงการเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมและเครื่องยนต์แวนเคล (Wankel engine)
• เคล็ดลับประหยัดน้ำมันที่ไม่ลับของ Prius – วิธีที่ Prius ใช้รอบการทำงานแบบ Atkinson เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าเครื่องยนต์แบบ Otto cycle
• เจมส์ แอตกินสัน ที่เว็บไซต์ Find A Grave – ข้อมูลส่วนตัว