گیتی هومانفر
نگاهی به مفهوم چرخه اتکینسون در موتورهای درون سوز
موتورهای درون‌سوز از زمان پیدایش خود تاکنون دچار تغییرات و بهبودهای متعددی شده‌اند تا بتوانند بازدهی بیشتر و آلایندگی کمتری داشته باشند. یکی از این بهبودها، استفاده از چرخه اتکینسون به‌جای چرخه سنتی اتو در برخی موتورهای بنزینی است. چرخه اتکینسون که نخستین‌بار در اواخر قرن نوزدهم توسط جیمز اتکینسون ارائه شد، امروزه در بسیاری از خودروهای هیبریدی مانند تویوتا پریوس مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله، به بررسی ساختار، عملکرد، مزایا و معایب چرخه اتکینسون در موتورهای درون سوز می‌پردازیم.
با اتو مگ همراه باشید
تعریف چرخه اتکینسون
اتکینسون یک چرخه ترمودینامیکی است که هدف اصلی آن افزایش بازدهی حرارتی موتور در است. تفاوت اصلی این چرخه با چرخه اتو در نسبت تراکم و نسبت انبساط است. در چرخه اتو، این دو نسبت برابرند، اما در چرخه اتکینسون، نسبت انبساط بزرگ‌تر از نسبت تراکم است. این اختلاف باعث می‌شود انرژی بیشتری از سوخت مصرف شده استخراج شود.
نحوه عملکرد
برای تحقق چرخه اتکینسون در موتورهای مدرن، معمولاً از زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها استفاده می‌شود. در این روش، سوپاپ ورودی برای مدت طولانی‌تری باز می‌ماند تا بخشی از مخلوط هوا-سوخت دوباره به منیفولد ورودی بازگردد. این کار به‌صورت مؤثر، نسبت تراکم را کاهش و نسبت انبساط را افزایش می‌دهد. به این ترتیب، موتور انرژی بیشتری از هر واحد سوخت استخراج می‌کند.
کاربردهای رایج
اتکینسون در موتورهای خودروهایی مانند تویوتا پریوس، هیوندای آیونیک و هوندا اینسایت به‌طور گسترده استفاده می‌شود. ترکیب این چرخه با سیستم هیبریدی باعث شده است تا این خودروها مصرف سوخت بسیار پایین و عملکردی پایدار داشته باشند.
چرخه اتکینسون در مقایسه با چرخه اتو
چرخه اتو همان چرخه‌ای است که بیشتر موتورهای بنزینی سنتی از آن پیروی می‌کنند. در این چرخه، چهار فرآیند اصلی وجود دارد:
- تراکم هم‌حجم
- احتراق هم‌حجم
- انبساط هم‌حجم
- تخلیه
اما در اتکینسون، هدف تغییر این فرآیندها به گونه‌ای است که انبساط (Expansion) طولانی‌تر از تراکم (Compression) باشد. این کار باعث می‌شود انرژی بیشتری از مخلوط سوخت و هوا استخراج شود، چرا که گازهای داغ فرصت بیشتری برای انبساط و انجام کار مکانیکی دارند.
روش‌های پیاده سازی چرخه اتکینسون
الف. روش مکانیکی (موتورهای قدیمی‌تر): در طراحی اصلی اتکینسون (در سال 1882)، از میل لنگ و پیستون‌های خاصی استفاده می‌شد تا کورس انبساط طولانی‌تر از کورس تراکم باشد. این طراحی پیچیده و غیر عملی بود و امروزه استفاده نمی‌شود.
ب. روش مدرن (با زمان بندی متغیر سوپاپ): امروزه با فناوری زمان‌بندی متغیر سوپاپ (VVT)، امکان باز گذاشتن سوپاپ ورودی برای مدت بیشتر وجود دارد تا بخشی از مخلوط وارد شده به داخل سیلندر به عقب رانده شود. این روش، نسبت تراکم مؤثر را کاهش می‌دهد در حالی‌که نسبت انبساط واقعی حفظ می‌شود.
نسبت تراکم در مقابل نسبت انبساط
در موتورهای اتکینسون مدرن:
- نسبت تراکم واقعی: کاهش می‌یابد (مثلاً 8:1)
- نسبت انبساط واقعی: افزایش می‌یابد (مثلاً 13:1)
- این تضاد باعث کاهش دمای گازهای خروجی و افزایش بازده حرارتی می‌شود.
چرا در خودروهای هیبریدی استفاده می‌شود؟
موتورهایی که بر پایه چرخه اتکینسون طراحی شده‌اند، گشتاور کمتری تولید می‌کنند. اما در خودروهای هیبریدی، این ضعف توسط موتور الکتریکی جبران می‌شود. درنتیجه:
- موتور بنزینی با بازده بالا و توان کمتر → صرفه‌جویی در سوخت
- موتور برقی → تأمین گشتاور بالا در سرعت‌های پایین
- نتیجه → عملکرد متعادل، مصرف پایین، آلودگی کمتر
نقاط قوت و ضعف چرخه اتکینسون به‌صورت خلاصه
نقاط قوت:
- بازده حرارتی بالا: چرخه اتکینسون به دلیل نسبت انبساط بالاتر نسبت به تراکم، می‌تواند انرژی بیشتری از فرآیند احتراق استخراج کند. این ویژگی باعث می‌شود بازده حرارتی موتور افزایش یابد، که در نهایت به کاهش مصرف سوخت منجر می‌شود.
- کاهش مصرف سوخت: به دلیل بهینه‌تر بودن تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی، موتورهایی با چرخه اتکینسون سوخت کمتری برای تولید همان مقدار کار نسبت به موتورهای معمولی نیاز دارند.
- آلایندگی کمتر: مصرف سوخت پایین‌تر به کاهش میزان انتشار گازهای آلاینده مانند CO₂ و NOx منجر می‌شود. این ویژگی چرخه اتکینسون را برای خودروهای کم‌مصرف و دوستدار محیط‌زیست مناسب می‌سازد.
- سازگاری عالی با سامانه‌های هیبریدی: از آنجا که موتورهای هیبریدی می‌توانند گشتاور پایین موتور بنزینی را با کمک موتور الکتریکی جبران کنند، چرخه اتکینسون به‌خوبی در این ساختارها عمل می‌کند و ترکیبی از بازده بالا و عملکرد نرم را ارائه می‌دهد.
نقاط ضعف:
- کاهش توان و گشتاور خروجی: به دلیل کاهش تراکم مؤثر، موتورهایی با چرخه اتکینسون در مقایسه با موتورهای مشابه با چرخه اتو، توان و گشتاور کمتری تولید می‌کنند. این موضوع در خودروهای غیر هیبریدی ممکن است منجر به شتاب ضعیف‌تر شود.
- پیچیدگی بیشتر در طراحی و کنترل: برای پیاده‌سازی مؤثر چرخه اتکینسون، نیاز به فناوری‌هایی مانند زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها (VVT) وجود دارد که طراحی و هزینه تولید موتور را افزایش می‌دهد.
- وابستگی به سیستم‌های کمکی: در بسیاری از کاربردها، برای جبران گشتاور پایین، لازم است از موتورهای الکتریکی یا توربوشارژرها استفاده شود. این وابستگی به سیستم‌های کمکی، نگهداری و هزینه کل سیستم را افزایش می‌دهد.
نمونه خودروهایی با موتور اتکینسون
- Toyota Prius
- Hyundai Ioniq
- Ford Escape Hybrid
- Honda Insight
- Lexus RX Hybrid
