دوره اتکینسون چیست و چرا در موتورهای هیبریدی ترجیح داده می‌شود؟

چرخه اتکینسون داستان موتوری است که با بخشیدن قدرتش از سوخت سود می‌برد؛ جبران این کاستی را هم در سیستم هیبریدی، موتور الکتریکی بر عهده می‌گیرد.
چرخه اتکینسون داستان موتوری است که با بخشیدن قدرتش از سوخت سود می‌برد؛ جبران این کاستی را هم در سیستم هیبریدی، موتور الکتریکی بر عهده می‌گیرد.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

چرخه اتکینسون، اصلیه کاری موتور احتراق داخلی است که با کوچک نگه داشتن عمدی نسبت تراکم نسبت به نسبت انبساط، انرژی احتراق را کامل تری به کار می گیرد و در عوض از توان دور پایین چشم پوشی می کند. دلیل ترجیح آن در خودروهای هیبریدی ساده است: چون موتور الکتریکی کسری توان ناشی از افت راندمان را جبران می کند، موتور احتراق در هر شرایطی می تواند در اقتصادی ترین ناحیه خود کار کند.

نکات برجسته

  • این چرخه در سال 1882 توسط مهندس انگلیسی جیمز اتکینسون ثبت اختراع شد.
  • در کاربردهای مدرن، سوپاپ مکش تا زمانی که 20 تا 30 درصد کورس تراکم کامل شود باز می ماند.
  • اولین سیستم انتقال قدرت هیبریدی با چرخه اتکینسون تولید انبوه، در سال 1997 با تویوتا پریوس عرضه شد.
  • تویوتا در سال 2014 با موتور بنزینی معرفی شده خود، حداکثر راندمان حرارتی 38 درصد را اعلام کرد.
  • این تکنیک سوپاپی که با مکش اجباری ترکیب می شود، چرخه میلر نامیده می شود.

چرخه اتکینسون چگونه کار می کند؟

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

منطق چرخه چهارزمانه در یک موتور اتو روشن است: پیستون هنگام بالا رفتن مخلوط را متراکم می کند، مخلوط مشتعل می شود و پیستون هنگام پایین آمدن کار تولید می کند. نکته کلیدی این است: نسبت تراکم و نسبت انبساط با هم برابرند، زیرا از یک حجم سیلندر هم برای تراکم و هم برای انبساط استفاده می کنید. چرخه اتکینسون این برابری را می شکند. هدف این است که در پایان کورس توان، فشار گاز داخل محفظه احتراق تا حد امکان به فشار جو نزدیک شود؛ یعنی انرژی فشاری موجود در محصولات احتراق، پیش از ارسال به اگزوز به انرژی مکانیکی تبدیل شود.

جیمز اتکینسون این مسئله را در دهه 1880 به صورت مکانیکی حل کرد. نخستین موتور او یعنی differential engine طراحیی با پیستون های مقابل هم بود. طراحی Cycle Engine مربوط به سال 1887 اما با یک مکانیزم اهرم فوق مرکز، امکان انجام چهار زمان در یک دور میل لنگ را فراهم می کرد؛ این راه حل همزمان برای نقض نکردن پتنت های اتو نیز توسعه یافته بود. طراحی سوم او یعنی Utilite Engine (پتنت انگلیسی 1892) تراکم کوتاه تر و کورس انبساط طولانی تری داشت. این موتورها به موفقیت تجاری نرسیدند؛ اما ترمودینامیک این چرخه امروز همچنان، به ویژه در خودروهای هیبریدی، زنده است.

شبیه سازی با زمان بندی سوپاپ در موتورهای مدرن

هیچ یک از موتورهای چرخه اتکینسونی که امروز در جاده ها می بینید، مکانیزم های اهرمی اتکینسون را ندارند. روش مدرن بسیار ظریف تر است: سوپاپ مکش تا زمانی که پیستون حدود 20 تا 30 درصد کورس تراکم را کامل کند باز نگه داشته می شود. وقتی پیستون شروع به بالا رفتن می کند، بخشی از مخلوط تازه داخل سیلندر به منیفولد مکش پس رانده می شود. نتیجه: سیلندر هرگز کاملا پر نمی شود و نسبت تراکم موثر کاهش می یابد. در مقابل، کورس انبساط از نظر هندسی به طول کامل باقی می ماند. این رویکرد با موتور 1NZ-FXE نخستین نسل تویوتا پریوس وارد تولید انبوه شد و امروز در موتورهای بسیاری از جمله خانواده Dynamic Force تویوتا استفاده می شود. همین اثر را می‌توان به جای زمان‌بندی سوپاپ، با جابه‌جایی میل‌لنگ نسبت به محور سیلندر (طراحی desaxe) نیز به دست آورد.

در این حالت که نسبت انبساط از نسبت تراکم بزرگ‌تر است، در متون علمی از اصطلاح انبساط بیش از حد (over-expansion) استفاده می‌شود. مطالعات مدل‌سازی آکادمیک نشان می‌دهند که چرخه اتکینسون در شرایط بهره‌برداری یکسان می‌تواند بازدهی حرارتی بالاتری نسبت به چرخه اتو تولید کند؛ بهای آن نیز ورود هوای کمتر به سیلندر، یعنی چگالی توان پایین است.

چرا در موتورهای هیبریدی چرخه اتکینسون ترجیح داده می‌شود؟

منطق مهندسی در اینجا بر یک معاوضه استوار است. چرخه اتکینسون کارآمدتر اما ضعیف‌تر است: چون به اندازه یک موتور اتوی هم‌اندازه خود هوا مکش نمی‌کند، به‌ویژه در دورهای پایین گشتاور و توان از دست می‌دهد. در یک خودروی معمولی، این افت بلافاصله توسط راننده احساس می‌شود و قابل قبول نیست. اما در مجموعه انتقال قدرت هیبریدی، یک موتور برقی در کنار شما وجود دارد که هر لحظه می‌تواند در مدار باشد. گشتاور اضافی مورد نیاز در هنگام حرکت از جای سربار، در سربالایی یا درخواست‌های شتاب‌گیری را موتور برقی فوراً تأمین می‌کند؛ و موتور بنزینی در این حین به کار کردن در کارآمدترین ناحیه خود ادامه می‌دهد. وقتی کسری توان چرخه اتکینسون با گشتاور موتور برقی جبران شود، بهترین ویژگی‌های دو فناوری با هم ترکیب می‌شوند.

علاوه بر این، در پروفایل استفاده از خودروی هیبریدی، تقاضای توان ذاتاً متناوب است: در سرعت ثابت، موتور تنها توان حفظ حرکت تولید می‌کند و در شتاب‌گیری‌ها برق وارد مدار می‌شود. این باعث می‌شود نقطه ضعف چرخه اتکینسون در عمل به‌ندرت آشکار شود. اولین مجموعه انتقال قدرت هیبریدی تولید انبوه که با این منطق ساخته شد، در اواخر سال 1997 با تویوتا پریوس راهی جاده‌ها شد؛ این چرخه از آن روز به بعد علاوه بر خانواده پریوس ، در فورد فیوژن هیبرید، فورد سی-مکس هیبرید و بسیاری از مدل‌های لکسوس نیز استفاده شد. به عنوان یک شاخص ملموس از هماهنگی این دو فناوری: تویوتا اعلام کرد که موتور بنزینی نسل جدید خود را که در سال 2014 معرفی کرد، به 38% حداکثر بازدهی حرارتی دست یافته است؛ این رقم در آن زمان یکی از بالاترین مقادیر ثبت‌شده در تولید انبوه بود.

اما خودروهای غیرهیبریدی چه؟

به لطف زمان‌بندی متغیر سوپاپ، امکان استفاده از این چرخه به عنوان یک حالت پاره‌وقت در موتور کلاسیک نیز وجود دارد: در حالت اتکینسون صرفه اقتصادی، و در حالت اتو ویژگی‌های قدرت سنتی. با این حال، موتوری که کاملاً به چرخه اتکینسون اختصاص دارد، به دلیل حجم سیلندر پایین به ازای هر واحد توان، معمولاً تنها در خودروهای هیبریدی دیده می‌شود؛ نیاز به حجم بزرگ‌تر برای ارائه عملکرد معادل، این امر را برای هر خودرویی منطقی نمی‌کند.

تفاوت بین چرخه‌های اتو، اتکینسون و میلر چیست؟

این سه چرخه به‌شدت با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند، در حالی که تمایزهایشان روشن است. مقایسه را در یک جدول خلاصه کنیم:

ویژگیاتواتکینسونمیلر
نسبت تراکم / انبساطبرابر با یکدیگرتراکم کوچک، انبساط کاملمجزا مانند اتکینسون
روش پیاده‌سازیزمان‌بندی کلاسیک سوپاپسوپاپ مکشی که طولانی باز می‌ماند یا اتصال مکانیکیهمان تکنیک سوپاپ به همراه هوادهی اجباری
توربوشارژر / سوپرشارژرالزامی نیستبه‌طور معمول وجود نداردجزء شناسایی‌کننده
توان در دور پایینبالاپایینبا دمپکنس compensated می‌شود
کاربرد معمولبیشتر موتورهای بنزینیخودروهای هیبریدیموتورهای کم‌مصرف مجهز به سوپرشارژر

رالف میلر در چرخه‌ای که در سال 1957 به ثبت رساند، بزرگ‌ترین نقطه‌ضعف رویکرد اتکینسون یعنی افت توان در دور پایین را هدف گرفت. راه‌حل او یک سوپرشارژر یا توربوشارژر بود که هوای فشرده و میان‌خنک‌شده (intercooled) تأمین می‌کرد: پرشدن تحت فشار، حجم ازدست‌رفته ناشی از تراکم مؤثر کوتاه‌شده را جبران می‌کند. طراحی میلر همچنین شیر کنترل تراکمی را پیش‌بینی کرده بود که فشار هوای ورودی اضافی را تخلیه می‌کرد. شناخته‌شده‌ترین کاربرد تولید انبوه این چرخه، Mazda Millenia بود که در سال 1994 به بازار عرضه شد. می‌توانید فرمول عملی را این‌گونه خلاصه کنید: موتور اتکینسونی که با هوای ورودی اجباری کار می‌کند، بنا به تعریف یک موتور میلر است. نمونه اولیه‌ای که بسیار به ایده خود اتکینسون نزدیک بود، چرخه شارون در نسخه بدون سوپرشارژر آن است؛ مهندس فرانسوی شارون آن را در سال 1888 به ثبت رساند و در نمایشگاه پاریس 1889 به نمایش گذاشت.

چرا هر خودرویی از چرخه اتکینسون استفاده نمی‌کند؟

پاسخ در چگالی توان است. یک موتور با چرخه اتکینسون چون هوای کمتری نسبت به یک موتور اتو با همان حجم سیلندر پمپاژ می‌کند، توان کمتری تولید می‌کند. در خودرویی بدون پشتیبانی الکتریکی، این کسری باید یا با موتور بزرگ‌تر یا با دور موتور بالاتر جبران شود؛ و هر دو منطق صرفه‌جویی در سوخت را تضعیف می‌کنند. از آنجا که در اکثر قریب به اتفاق خودروها وظیفه حرکت به‌تنهایی بر عهده موتور احتراق داخلی است، خودروسازان ترجیح می‌دهند توازن بین بازده و عملکرد را در سمت اتو و با ابزارهایی مانند زمان‌بندی سوپاپ‌ها، نسبت تراکم و هوای ورودی اجباری برقرار کنند. چرخه اتکینسون تنها زمانی کاملاً موفق می‌شود که موتور الکتریکی به‌عنوان منبع قدرت پشتیبان بر سر میز حاضر شود.

سود بازدهی چقدر است؟

دادن یک عدد قطعی و واحد دشوار است، زیرا میزان سود بسته به معماری موتور، نسبت تراکم و شرایط بهره‌برداری تغییر می‌کند. داده‌های موجود تصویری از بزرگی این سود به دست می‌دهند: در یک مطالعه آزمایشگاهی آکادمیک، افزایش 12.8 درصدی در بازده حرارتی موتوری که برای چرخه اتکینسون تنظیم شده بود گزارش شده، و در یک مطالعه بهینه‌سازی سال 2024 نیز بهبودی تا میزان 7.67 درصد در اقتصاد سوخت ثبت شده است. در سمت میلر، از آنجا که هوای ورودی اجباری افت هوای فشرده‌شده را کاهش می‌دهد، چیدمانی با بازدهی بیشتر نسبت به اتکینسون ممکن می‌شود. وجه مشترک همه این اعداد چنین است: سود واقعی است اما وابسته به شرایط، و هیچ‌کدام بدون پشتیبانی گشتاور موتور الکتریکی، بدون به‌هم‌زدن شخصیت رانندگی، به کل یک گ line خودرو قابل اعمال نیست.

نتیجه: تبادل آگاهانه بین بازدهی و توان

چرخه اتکینسون نماینده یکی از قدیمی‌ترین و ظریف‌ترین ایده‌های مهندسی است: اگر نمی‌توانید از تمام توان استفاده کنید، انرژی باقی‌مانده در دستتان را کامل به کار بگیرید. با باز نگه داشتن سوپاپ هوا چند درجه بیشتر، تراکم را کوتاه می‌کند، انبساط را کامل نگه می‌دارد و انرژی فشاری که به اگزوز می‌رود را به حداقل می‌رساند. این به‌تنهایی کافی نیست، چون بازدهی‌ای که با عرق کسب شده به‌صورت گشتاور دور پایین پس داده می‌شود. چون مجموعه‌ی انتقال قدرت هیبریدی این بدهی را با گشتاور الکتریکی پرداخت کرده است، معادله بسته می‌شود؛ از نخستین Prius در سال 1997 تا گامای هیبریدی امروز، منطق ترمودینامیکی پشت موفقیت این زوج دقیقاً همین است.

منابع