چرخه اتکینسون چیست؟
پیشرانههای بنزینی درونسوز معمولاً بر اساس چرخهٔ ترمودینامیکی اتو (Otto) کار میکنند که در اکثر خودروهای معمولی استفاده میشود اما در کنار این چرخه استاندارد، چرخه دیگری به نام چرخه اتکینسون هم وجود دارد که در سال ۱۸۸۲ توسط جیمز اتکینسون انگلیسی اختراع شد. این چرخه در ظاهر شبیه چرخه اتو است اما با یک تغییر هوشمندانه در زمانبندی سوپاپها، بازدهی حرارتی بسیار بالاتری ارائه میدهد و همین ویژگی باعث شده در دههٔ اخیر دوباره خصوصاً در خودروهای هیبریدی موردتوجه خودروسازان قرار گیرد.
برای درک دقیق این چرخه، ابتدا باید دو اصطلاح مهم را روشن کنیم:
- نسبت تراکم: نسبت حجم داخل سیلندر در نقطه مرگ پایین (وقتی پیستون کاملاً پایین است) به حجم آن در نقطه مرگ بالا (وقتی پیستون کاملاً بالا است). این نسبت نشان میدهد مخلوط هوا و سوخت در سیلندر چند برابر فشرده میشود.
- نسبت انبساط: نسبت حجم داخل سیلندر در لحظهٔ شروع احتراق (نقطه مرگ بالا) به حجم کل سیلندر پسازاینکه گازهای ناشی از احتراق، پیستون را به پایینترین نقطه هل میدهند. این نسبت نشان میدهد که مخلوط سوخت و هوا پس از انفجار چقدر فضا برای انبساط دارد.
تعریف چرخه اتکینسون
در موتورهای معمولی بنزینی که با چرخه اتو کار میکنند، این دو نسبت همیشه برابر هستند اما جیمز اتکینسون در سال ۱۸۸۲ متوجه شد که اگر بتوان نسبت انبساط را بزرگتر از نسبت تراکم کرد، گازهای داغ فرصت بیشتری برای انبساط دارند و درنتیجه انرژی بیشتری از همان مقدار سوخت استخراج میشود درحالیکه در مرحلهٔ تراکم، فشار کمتری به پیستون وارد خواهد شد و تلفات کاهش مییابد. اتکینسون در موتور اولیهٔ خود با مکانیزم میللنگ بسیار پیچیده این جداسازی را انجام داد اما آن طراحی هیچگاه تجاری نشد.
آنچه امروز چرخه اتکینسون مینامیم، روشهای مدرن و بسیار سادهتری است که عمدتاً با زمانبندی متغیر و دیرتر بسته شدن سوپاپ ورودی انجام میشود. در این روش، سوپاپ ورودی تا 110 درجه چرخش میللنگ پس از نقطه مرگ پایین همچنان باز میماند و بخشی از مخلوط هوا و سوخت به داخل منیفولد ورودی بازگردانده میشود. درنتیجه، حجم واقعی مخلوط متراکم شدهٔ سوخت و هوا کاهش مییابد (نسبت تراکم مؤثر پایین میآید) اما در مرحله انبساط، سوپاپها بهموقع بسته میشوند و پیستون تمام مسیر انبساط را تا پایین طی میکند (نسبت انبساط بالا باقی میماند). بهاینترتیب، نسبت انبساط بزرگتر از نسبت تراکم میشود.
حال این سؤال مطرح میشود که آن بخشی از مخلوط سوخت و هوا که به داخل منیفولد ورودی بازگردانده میشود چه خواهد شد؟ در پاسخ باید گفت آن مقداری از مخلوط هوا و بنزین که در ابتدای مرحله تراکم به داخل منیفولد ورودی پسزده میشود، اصلاً هدر نمیرود و دوباره بهطور کامل استفاده میشود. در موتورهای چهار سیلندر، وقتی یک سیلندر در مرحله تراکم است و سوپاپ ورودی آن دیر بسته میشود و مخلوط را پس میزند، همزمان یک یا دو سیلندر دیگر در مرحله مکش هستند. این مخلوط پسزدهشده مستقیماً از طریق منیفولد ورودی دوباره به داخل آن سیلندرهای دیگر مکش میشود و در سیکل بعدی میسوزد. درواقع هیچ سوختی از اگزوز خارج نمیشود و فقط جابهجا میشود. در موتورهای تزریق مستقیم یا GDI که بنزین مستقیماً داخل سیلندر پاشیده میشود و از سوپاپ ورودی فقط هوا وارد سیلندر میشود نیز در هنگام تراکم، فقط هوا پسزده میشود و بنزین در زمان مناسب و در مقدار مناسب مستقیماً داخل سیلندر تزریق میشود.
مزایای چرخه اتکینسون
این چرخه بهطور چشمگیری بازده حرارتی موتور را افزایش میدهد و در نسلهای جدید به اعداد ۴۰ تا ۴۱ درصد رسیده است درحالیکه موتورهای بنزینی معمولی معمولاً بین ۳۵ تا ۳۷ درصد میمانند. مصرف سوخت در شرایط واقعی رانندگی بهطور متوسط ۲۵ تا ۳۰ درصد کمتر از موتورهای همحجم معمولی میشود و تولید دیاکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن نیز به شکل قابلتوجهی کاهش مییابد. به دلیل فشار تراکم کمتر، لرزش و صدای موتور بهمراتب کمتر است و رانندگی بسیار نرمتر و بیصداتر میشود. دمای احتراق پایینتر، تولید اکسیدهای نیتروژن را کم میکند و موتور میتواند با نسبت تراکم ظاهری بسیار بالا (مثلاً 14 به یک) کار کند، بدون اینکه با بنزین معمولی دچار ناک زدن موتور شود زیرا نسبت تراکم مؤثر همچنان در محدودهٔ مناسب باقی میماند.
معایب چرخه اتکینسون
بزرگترین نقطهضعف این چرخه، کاهش قابلتوجه قدرت و بهویژه گشتاور در مقایسه با موتورهای معمولی همحجم است. این کاهش معمولاً 20 تا 30 درصد است. علاوه بر این، پاسخگویی موتور در دورهای پایین ضعیف میشود و موتورهای چرخه اتکینسون برای خودروهای اسپرت یا سنگین مناسب نخواهند بود. محدودهٔ دور مفید موتورهای چرخهٔ اتکینسون نیز معمولاً تا 6 هزار rpm است و پسازآن قدرت و گشتاور افت قدرت شدیدی خواهد داشت. درنتیجه، موتورهای چرخه اتکینسون به سیستم هیبریدی یا حداقل توربوشارژر نیاز دارند تا بتوانند عملکرد قابل قبولی ارائه دهند.
به همین دلیل، بهجز برخی موارد خاص، موتورهای چرخه اتکینسون عمدتاً فقط در خودروهای هیبریدی استفاده میشوند جایی که موتور الکتریکی دقیقاً در محدودهای که موتور بنزینی ضعیف است، وارد عمل میشود و جلوی افت عملکرد کلی خودرو را میگیرد. یکی دیگر از مشکلات موتورهای چرخه اتکینسون هم نیاز به سیستم زمانبندی سوپاپها بسیار پیشرفته و دقیق است که هزینه تولید و تعمیرات را بالا میبرد.
بهطورکلی، چرخه اتکینسون یکی از هوشمندانهترین راهحلهای مهندسی برای کاهش مصرف سوخت و آلایندگی موتورهای بنزینی محسوب میشود و بهترین مکمل برای سیستمهای هیبریدی بهحساب میآید. دلیل اصلی موفقیت عظیم خودروهای هیبریدی ژاپنی در دو دههٔ اخیر نیز همین فناوری بوده است.
