ما هو دورة أتكينسون، ولماذا يُفضَّل في المحركات الهجينة؟

دورة أتكينسون هي قصة محرك يضحي بجزء من قوته ليكسب في استهلاك الوقود، أما العيب فهو أن المحرك الكهربائي يعوّض ذلك في النظام الهجين.
دورة أتكينسون هي قصة محرك يضحي بجزء من قوته ليكسب في استهلاك الوقود، أما العيب فهو أن المحرك الكهربائي يعوّض ذلك في النظام الهجين.

شارك هذه الصفحة

دورة أتكينسون هي مبدأ تشغيل لمحرك الاحتراق الداخلي يُبقي فيه نسبة الضغط أصغر عمدًا من نسبة التمدد، بما يحقق استفادة أكمل من طاقة الاحتراق مقابل التنازل عن القدرة عند الدورات المنخفضة. سبب تفضيلها في المركبات الهجينة بسيط: المحرك الكهربائي يعوّض عجز القدرة الناتج عن فقدان الكفاءة، فيتمكن المحرك من العمل في نطاقه الاقتصادي الأمثل في كل الظروف.

أبرز النقاط

  • حصل المهندس الإنجليزي جيمس أتكينسون على براءة اختراع الدورة عام 1882.
  • في التطبيقات الحديثة يبقى صمام السحب مفتوحًا حتى يكمل الضغط strokes بنسبة 20-30%.
  • جاء أول ناقل حركة هجين إنتاج متسلسل بدورة أتكينسون عام 1997 مع تويوتا بريوس.
  • أعلنت تويوتا عن محرك بنزين في 2014 حقق كفاءة حرارية قصوى بلغت 38%.
  • تقنية الصمام هذه المدمجة مع السحب القسري تسمى دورة ميلر.

كيف تعمل دورة أتكينسون؟

Atkinson çevrimi, sıkıştırma ve genleşme oranlarını birbirinden ayırarak yanmış gazın enerjisini son damlasına kadar işe çevirir.

في محرك أوتو، منطق الدورة رباعية الأشواط واضح: المكبس يضغط الخليط وهو يصعد، يشتعل الخليط، ثم ينتج المكبس الشغل وهو يهبط. النقطة الحرجة هي: نسبة الضغط ونسبة التمدد متساويتان، لأنك تستخدم نفس حجم الأسطوانة للضغط والتوسع معًا. دورة أتكينسون تكسر هذه المساواة. الهدف هو تقريب ضغط الغاز في غرفة الاحتراق إلى ضغط الغلاف الجوي قدر الإمكان في نهاية شوط القدرة؛ أي تحويل طاقة الضغط في نواتج الاحتراق إلى طاقة ميكانيكية قبل إرسالها إلى العادم.

حلّ جيمس أتكينسون هذه المشكلة ميكانيكيًا في ثمانينيات القرن التاسع عشر. وكان محركه الأول differential engine تصميمًا بمكابس متقابلة. أما تصميم Cycle Engine المؤرخ في 1887 فاستخدم آلية ذراع فوق مركزي تمكّن من إتمام الأشواط الأربعة في دورة واحدة لعمود المرافق؛ وقد طُوّر هذا الحل أيضًا من أجل عدم انتهاك براءات اختراع أوتو. أما تصميمه الثالث Utilite Engine (براءة اختراع إنجليزية 1892) فكان يتميز بضغط قصير وشوط تمدد أطول. لم تحقق هذه المحركات نجاحًا تجاريًا؛ غير أن الديناميكا الحرارية للدورة لا تزال حية حتى اليوم، خاصة في المركبات الهجينة.

المحركات الحديثة ومحاكاة توقيت الصمامات

لا يحمل أي من محركات دورة أتكينسون التي تراها على الطرق اليوم آليات الذراع الخاصة بأتكينسون. الطريقة الحديثة أكثر أناقة بكثير: يُترك صمام السحب مفتوحًا حتى يكمل المكبس نحو 20-30% من شوط الضغط. عندما يبدأ المكبس بالصعود، يُدفع جزء من الخليط الطازج في الأسطوانة عائدًا إلى مجمع السحب. النتيجة: لا تمتلئ الأسطوانة أبدًا بشكل كامل، وتنخفض نسبة الضغط الفعلية. في المقابل، يبقى شوط التمدد بطولٍ هندسي كامل. دخل هذا النهج الإنتاج المتسلسل مع محرك 1NZ-FXE في الجيل الأول من تويوتا بريوس، ويُستخدم اليوم في العديد من المحركات بما فيها عائلة Dynamic Force من تويوتا. من الممكن أيضاً تحقيق التأثير نفسه بإزاحة عمود المرافق من محور الأسطوانة بدلاً من توقيت الصمامات (تصميم desaxe).

تُسمى هذه الحالة التي يكون فيها نسبة التمدد أكبر من نسبة الانضغاط في الأدبيات التمدد المفرط (over-expansion). تُظهر الدراسات النموذجية الأكاديمية أن دورة Atkinson يمكنها إنتاج كفاءة حرارية أعلى من دورة Otto في ظروف التشغيل نفسها؛ والمقابل هو سحب هواء أقل إلى الأسطوانة، أي كثافة قدرة منخفضة.

لماذا يُفضَّل دورة Atkinson في المحركات الهجينة؟

المنطق الهندسي هنا قائم على مقايضة. دورة Atkinson أكثر كفاءة لكنها أضعف: فهي تفقد عزم الدوران والقوة خاصة عند speeds منخفضة لأنها لا تسحب الهواء الذي يسحبه محرك Otto بنفس الحجم. في مركبة عادية يلاحظ السائق هذا الفقد فوراً ويعتبره غير مقبول. لكن في مجموعة الحركة الهجينة يوجد بجانبك محرك كهربائي يمكن أن يكون عاملاً في أي لحظة. يوفر المحرك الكهربائي فوراً عزم الدوران الإضافي اللازم عند الانطلاق أو في التلال أو عند طلبات التسريع؛ بينما يستمر محرك البنزين خلال ذلك بالعمل في منطقته الأكثر كفاءة. عندما يُسدّ عجز قوة دورة Atkinson بعزم المحرك الكهربائي، تُجمع أفضل sides التقنيتين.

كما أن الطلب على القوة في ملف الاستخدام الهجين متقطع أصلاً: في السير الثابت ينتج المحرك قوة الاستمرار فقط، ويدخل الكهرباء عند التسريعات. هذا يجعل نقطة ضعف دورة Atkinson نادراً ما تظهر عملياً. أول مجموعة حركة هجينة بإنتاج متسلسل مبنية على هذا المنطق خرجت إلى الطرق أواخر عام 1997 مع Toyota Prius ؛ ومنذ ذلك اليوم استُخدمت الدورة في عائلة Prius بالإضافة إلى Ford Fusion Hybrid و Ford C-Max Hybrid والعديد من طرازات Lexus. وكدليل ملموس على انسجام التقنيتين: أعلنت Toyota أن محرك البنزين الجديد من الجيل التالي الذي أعلنت عنه عام 2014 وصل إلى كفاءة حرارية قصوى بلغت 38% ؛ وهذا كان من أعلى القيم المسجلة في الإنتاج المتسلسل في ذلك الوقت.

وماذا عن المركبات غير الهجينة؟

بفضل توقيت الصمامات المتغير من الممكن استخدام هذه الدورة كوضع جزئي في المحرك الكلاسيكي أيضاً: وضع Atkinson للاقتصاد، ووضع Otto للشخصية التقليدية في القوة. ومع ذلك، المحرك المكرّس بالكامل لدورة Atkinson لا يُرى عادة إلا في الهجينة لأن حجم الأسطوانة لكل وحدة قوة منخفض؛ فالحاجة إلى حجم أكبر لتقديم الأداء المكافئ لا تجعل الأمر منطقياً لكل مركبة.

ما الفرق بين دورتي Otto وAtkinson وMiller؟

تختلط هذه الدورات الثلاث ببعضها كثيراً، لكن الفروقات بينها واضحة. لنُلخّص المقارنة في جدول واحد:

الخاصيةOttoAtkinsonMiller
نسبة الانضغاط / التمددمتساويتانالانضغاط صغير، التمدد كاملمنفصلتان مثل Atkinson
طريقة التطبيقتوقيت الصمامات الكلاسيكيصمام سحب يبقى مفتوحاً طويلاً أو ارتباط ميكانيكيتقنية الصمامات نفسها إضافة إلى سحب قسري
تيربو / سوبر تشارجرغير إلزاميلا يوجد عادةًمكوّن مميِّز
قدرة منخفضة عند الدورات المنخفضةمرتفعمنخفضيُعوَّض بالشحن التوربيني
الاستخدام النموذجيمعظم محركات البنزينالمحركات الهجينةمحركات موفرة للطاقة مزودة بشاحن فائق

استهدف رالف ميلر في دورته التي سجّلها براءة اختراع عام 1957 أكبر نقاط ضعف في نهج أتكينسون، وهي فقدان القدرة عند الدورات المنخفضة. تمثّل الحل في شاحن فائق أو شاحن توربيني يوفر سحبًا مضغوطًا ومبردًا وسيطيًا: الشحن المضغوط يستعيد فقدان الحجم الناتج عن الانضغاط الفعّال المُقصَّر. كما توقّع تصميم ميلر صمامًا للتحكم في الانضغاط يقوم بتصريف ضغط السحب الزائد. كان أشهر تطبيق إنتاج ضخم للدورة هو Mazda Millenia التي طرحت للبيع عام 1994. يمكنكم تلخيص المعادلة العملية على النحو التالي: محرك أتكينسون يعمل بسحب قسري هو، بحكم التعريف، محرك ميلر. ومن الأمثلة المبكرة القريبة جدًا من فكرة أتكينسون الأصلية دورة شارون بصددها غير المزود بشاحن فائق؛ حيث حصل المهندس الفرنسي شارون على براءة اختراعها عام 1888 وعرضها في معرض باريس 1889.

لماذا لا تستخدم كل مركبة دورة أتكينسون؟

الجواب يكمن في كثافة القدرة. محرك يعمل بدورة أتكينسون ينتج قدرة أقل من محرك أوتو بنفس سعة الأسطوانة لأنه يضخ هواءً أقل. في مركبة بلا دعم كهربائي، يجب تعويض هذا النقص إما بمحرك أكبر أو بدورات أعلى؛ وكلاهما يُضعف منطق توفير الوقود. لأن مهمة الدفع في الغالبية العظمى من السيارات تقع على عاتق محرك الاحتراق الداخلي وحده، يفضّل المصنّعون تحقيق التوازن بين الكفاءة والأداء في جانب أوتو عبر أدوات مثل توقيت الصمامات ونسبة الانضغاط والسحب القسري. لا تكسب دورة أتكينسون معناها الكامل إلا عندما يجلس المحرك الكهربائي على الطاولة بوصفه مصدر قدرة احتياطيًا.

كم مقدار مكسب الكفاءة؟

من الصعب تقديم رقم واحد قاطع، لأن المكسب يختلف باختلاف بنية المحرك ونسبة الانضغاط وظروف التشغيل. تمنحنا البيانات المتاحة فكرة عن حجم الأمر: ففي دراسة تجريبية أكاديمية سُجّلت زيادة في الكفاءة الحرارية لمحرك مضبوط وفق دورة أتكينسون بنسبة 12.8% ، وفي دراسة تحسين تعود لعام 2024 سُجّل تحسن في اقتصاد الوقود يصل إلى 7.67%. أما في جانب ميلر، فمن الممكن تحقيق ترتيب أكثر كفاءة مقارنة بأتكينسون لأن السحب القسري يقلل من فقدان الهواء المضغوط. القاسم المشترك بين هذه الأرقام هو التالي: المكسب حقيقي لكنه مشروط بالظروف، ولا يمكن تطبيق أيٍّ منها على مجموعة المركبات بأكملها دون المساس بخصائص القيادة دون دعم العزم من المحرك الكهربائي.

الخلاصة: مقايضة واعية بين الكفاءة والقدرة

تمثل دورة أتكينسون واحدة من أقدم أفكار الهندسة وأكثرها أناقة: إذا كنتم لا تستطيعون استخدام كل القدرة، فاستخدموا الطاقة المتبقية لديكم على أكمل وجه. بإبقاء صمام السحب مفتوحًا بضع درجات إضافية، تقصّر عملية الانضغاط، وتُكمل التمدد بالكامل، وتقلّص طاقة الضغط المتجهة إلى العادم إلى الحد الأدنى. هذا وحده غير كافٍ، لأن الكفاءة المكتسبة بالجهد تُسترد على شكل قدرة عند دورات منخفضة. نظام الدفع الهجين يسدد هذا الدين بعزم الدوران الكهربائي، وبذلك يكتمل المعادلة؛ هذا بالضبط هو المنطق الديناميكي الحراري الذي يقف خلف نجاح هذا الثنائي من أول Prius عام 1997 حتى تشكيلة السيارات الهجينة اليوم.

المصادر