سیکل اتو یا اتکینسون ؟

همه ما عاشق خودروها هستیم، اما شاید خیلی‌ها ندانند که موتور خودروهای هیبریدی مانند تویوتا پریوس بر اساس اصولی کمی متفاوت از خودروهای موتوری معمولی مانند تویوتا کرولا شما کار می‌کند. همه ما می‌دانیم که یک موتور، پیستون یا روتور، برای تولید و ارائه نیرو باید یک چرخه را تکمیل کند. دو نوع چرخه اصلی برای موتور های بنزینی وجود دارد؛

• چرخه اتو
• چرخه اتکینسون

خودروهای هیبریدی مانند پریوس از چرخه اتکینسون برای تأمین انرژی موتورهای احتراق داخلی خود استفاده می‌کنند. اما تفاوت‌ها و نحوه عملکرد آنها چیست؟ بیایید نگاهی به آنها بیندازیم.

چرخه اتو:

چرخه‌ای که بیشتر خودروهای ما بر اساس آن کار می‌کنند، چرخه اتو است. این چرخه ترمودینامیکی ایده‌آلی است که توسط اکثر سیستم‌های جرقه‌زنی استفاده می‌شود. برای یک موتور چهار زمانه، موتور برای دو دور چرخش میل‌لنگ، همانطور که در نمودار زمان‌بندی سوپاپ‌ها در زیر نشان داده شده است، نیرو تولید می‌کند:

برای یک سیکل اتو، ۴ کورس وجود دارد؛ ۲ کورس به ازای هر دور چرخش میل لنگ:

1. مرحله مکش – مخلوط سوخت و هوا با حرکت پیستون از نقطه مرگ بالا (TDC) به نقطه مرگ پایین (BDC) به داخل سیلندر مکیده می‌شود.
2. مرحله تراکم – سپس با بسته شدن سوپاپ ورودی، مخلوط فشرده شده و پیستون از نقطه BDC به نقطه مرگ بالا (TDC) برمی‌گردد. این اولین چرخش میل لنگ است.
3. مرحله قدرت – اکنون شمع جرقه‌ای ایجاد می‌کند و مخلوط هوا و سوخت را درون سیلندر مشتعل می‌کند. این عمل باعث تولید گازی با فشار بالا می‌شود که پیستون را به سمت پایین و به سمت BDC هل می‌دهد و قدرت تولید می‌کند.
4. مرحله تخلیه – سپس پیستون به سمت نقطه مرگ بالا (TDC) حرکت می‌کند و سوپاپ تخلیه باز می‌شود تا گازهای سوخته شده را به صورت دود خارج کند. این مرحله، دومین چرخش میل لنگ را نشان می‌دهد.

این فرآیند را می‌توان با نمودار زیر توضیح داد:

چرخه اتکینسون:

چرخه اتو ممکن است چرخه‌ای بی‌نقص برای استفاده در موتورها به نظر برسد، اما به طرز شگفت‌آوری، اینطور نیست. در طول سال‌ها، مهندسان تلاش کرده‌اند تا راندمان موتورها را با مصرف سوخت کمتر افزایش دهند. اگرچه چنین ایده‌ای پوچ به نظر می‌رسد، یکی از این دانشمندان، جیمز اتکینسون، دقیقاً همین ایده را اختراع کرد. او چرخه‌ای به نام چرخه اتکینسون را توسعه داد که هر چهار مرحله یک موتور را تنها در یک چرخش میل لنگ با استفاده از اتصالات، در بر می‌گرفت. یک مدل اولیه را می‌توانید در سمت راست اینجا مشاهده کنید:

کاری که اتکینسون انجام داد این بود که کورس تراکم موتور را کاهش داد در حالی که کورس قدرت را افزایش داد. این به معنای دستیابی به راندمان بیشتر بود زیرا:

• کورس مکش اجازه نمی‌دهد که مخلوط سوخت و هوا بیش از حد به داخل سیلندر مکیده شود. این امر با حرکت نکردن کامل پیستون به سمت BDC کنترل می‌شود.
• سپس مرحله تراکم، کار کمتری برای فشرده کردن مخلوط انجام می‌دهد.
• سپس مرحله قدرت فرا می‌رسد که در آن جرقه، مخلوط را مشتعل می‌کند و پیستون تا نقطه BDC پایین می‌رود، به این معنی که از هر قطره مخلوط برای تولید نیرو و گرفتن کار بیشتر به عنوان خروجی استفاده می‌شود.
• سپس کورس اگزوز به همین ترتیب عمل می‌کند و گازهای سوخته را خارج می‌کند.

اما این سوال پیش می‌آید که سوخت کمتر به معنای قدرت کمتر است، درست است؟ خب، احتمالاً حق با شماست، زیرا چرخه اتکینسون حدود 30٪ قدرت کمتری نسبت به چرخه اتو تولید می‌کند. و برای مقابله با این موضوع، از موتورهای الکتریکی برای ایجاد نیروی اولیه تا زمانی که چرخه قابل استفاده باشد، استفاده می‌شود. تویوتا موتور چرخه اتکینسون خود را در اواسط چرخه تراکم متوقف می‌کند تا دفعه بعد که موتور را روشن می‌کنید، به روشن شدن موتور کمک کند. این موضوع در مورد ویژگی استارت-استاپ موتور نیز صدق می‌کند.

این مکانیزم بیشتر در خودروهای هیبریدی استفاده می‌شود که در آن‌ها نمی‌توان از چرخه اتکینسون برای روشن کردن خودرو از حالت سکون استفاده کرد و موتورهای الکتریکی در ابتدا خودرو را به حرکت در می‌آورند. پس از آن، چرخه کنترل را به دست می‌گیرد و از این رو سوخت کمتری برای روشن کردن خودرو مصرف می‌شود. این به معنای صرفه‌جویی بیشتر است و به همین دلیل است که خودروهای هیبریدی سوخت کمتری مصرف می‌کنند و مسافت بیشتری را طی می‌کنند!

یک چرخه اتکینسون ایده‌آل در زیر نشان داده شده است:

۱–۲ تراکم آدیاباتیک آیزنتروپیک یا برگشت‌پذیر
۲–۳ گرمایش ایزوکوریک (Qp)
۳–۴ گرمایش ایزوباریک (Qp’)
۴–۵ انبساط آیزنتروپیک
۵–۶ سرمایش ایزوکوریک (Qo)
۶–۱ سرمایش ایزوباریک (Qo’)

چرخه اتکینسون قطعات زیادی دارد که مونتاژ آنها دشوار است. به علاوه، همانطور که هنگام خرید خودروهای هیبریدی مشاهده می‌شود، گران است.