مکانیسم چرخه‌های اتکینسون و میلر: چگونه بازدهی خودروهای هیبریدی را افزایش می‌دهند

هنگامی که اکثر خریداران یک خودروی هیبریدی جدید را وارد پارکینگ خود می‌کنند، تصور می‌کنند که صرفه‌جویی در مصرف سوخت کاملاً نتیجه وجود پک باتری سنگین و موتور الکتریکی است. تصور غلط رایج این است که خودروسازان صرفاً یک موتور بنزینی استاندارد را برداشته‌اند، یک موتور الکتریکی به آن پیچ کرده‌اند و کار را تمام شده دانسته‌اند. در واقعیت، موتور الکتریکی تنها نیمی از معادله است. موتور احتراق داخلی زیر کاپوت یک هیبریدی مدرن، اساساً با موتور موجود در یک خودروی بنزینی استاندارد متفاوت است.[4]

برای درک دلیل این تفاوت، باید به موتور سنتی چهارزمانه نگاه کنید که مهندسان آن را چرخه اتو (Otto) می‌نامند. در یک موتور استاندارد اتو، پیستون مخلوطی از هوا و سوخت را فشرده می‌کند، شمع آن را مشتعل می‌کند و انفجار حاصله پیستون را به سمت پایین هل می‌دهد تا قدرت تولید شود. نکته حیاتی این است که کورس تراکم (فشردگی) و کورس انبساط (قدرت) دقیقاً طول فیزیکی یکسانی دارند.[1]

این تقارن برای تولید قدرت قابل پیش‌بینی و پاسخگو در هنگام فشار دادن پدال گاز برای ورود به بزرگراه عالی است. با این حال، ذاتاً پر اتلاف است. هنگامی که سوپاپ اگزوز در انتهای کورس قدرت باز می‌شود، هنوز مقدار قابل توجهی فشار—و در نتیجه انرژی استخراج نشده—در سیلندر باقی مانده است. آن انرژی به معنای واقعی کلمه به صورت گرما و صدا از اگزوز خارج می‌شود، که برای هر کسی که تلاش می‌کند بودجه سوخت خود را مدیریت کند، یک واقعیت آزاردهنده است.[1][2]

اینجا چرخه اتکینسون وارد می‌شود. هدف اصلی این چرخه که در سال ۱۸۸۲ توسط مهندس بریتانیایی، جیمز اتکینسون، ثبت اختراع شد، استخراج کار بیشتر از هر قطره سوخت با طولانی‌تر کردن کورس انبساط نسبت به کورس تراکم بود. اتکینسون این کار را با استفاده از مجموعه‌ای از اتصالات مکانیکی بسیار پیچیده انجام داد که به پیستون اجازه می‌داد در کورس قدرت بیشتر از کورس تراکم به سمت پایین حرکت کند.[2]

با اجازه دادن به گازهای در حال انبساط برای هل دادن پیستون در مسافتی طولانی‌تر، موتور انرژی‌ای را جذب می‌کند که در غیر این صورت هدر می‌رفت. فشار داخل سیلندر تقریباً تا سطح فشار جو کاهش می‌یابد، قبل از اینکه سوپاپ اگزوز باز شود. نتیجه این امر، جهشی عظیم در بازدهی حرارتی است—درصدی از انرژی موجود در سوخت که واقعاً به صورت حرکت رو به جلو به چرخ‌ها می‌رسد.[1][2]

با این حال، اتصالات مکانیکی اصلی اتکینسون برای تولید انبوه بسیار شکننده و پیچیده بودند. خودروسازان مدرن با دستکاری هوشمندانه زمان‌بندی سوپاپ موتور، دقیقاً همان اثر ترمودینامیکی را بدون سخت‌افزار پیچیده به دست می‌آورند. این تفسیر مدرن همان چیزی است که امروزه تقریباً به تمام خودروهای هیبریدی موجود در بازار، از تویوتا پریوس گرفته تا هوندا سی‌آر-وی هیبریدی، نیرو می‌دهد.[3]

در یک موتور مدرن با چرخه اتکینسون، سوپاپ ورودی عمداً برای کسری از ثانیه باز نگه داشته می‌شود، در حالی که پیستون شروع به حرکت رو به بالا در کورس تراکم می‌کند. این کار مقدار کمی از مخلوط هوا و سوخت را به داخل منیفولد ورودی برمی‌گرداند. از آنجایی که مخلوط کمتری برای فشرده‌سازی وجود دارد، موتور در طول فاز تراکم کار کمتری انجام می‌دهد.[2][3]

هنگامی که شمع جرقه می‌زند، پیستون همچنان تمام مسیر رو به پایین خود را طی می‌کند. نسبت تراکم مؤثر به طور مصنوعی توسط سوپاپ باز کاهش می‌یابد، اما نسبت انبساط همان طول فیزیکی کامل سیلندر باقی می‌ماند. این امر رؤیای اتکینسون را محقق می‌کند: یک کورس انبساط که عملاً طولانی‌تر از کورس تراکم است و آخرین ذره انرژی جنبشی را از رویداد احتراق بیرون می‌کشد.[2][4]

با این حال، یک مشکل وجود دارد که این طراحی درخشان را به مدت یک قرن از خودروهای سواری دور نگه داشت. از آنجایی که موتور عمداً بخشی از مخلوط هوا و سوخت خود را پس می‌زند، قدرت—و به طور خاص گشتاور دور پایین—بسیار کمتری نسبت به یک موتور استاندارد با همان اندازه تولید می‌کند. اگر یک موتور خالص چرخه اتکینسون را در یک شاسی‌بلند سنگین قرار دهید، هنگام حرکت از چراغ قرمز به طرز خطرناکی کند و تنبل به نظر می‌رسد.[1][3]

دقیقاً به همین دلیل است که چرخه اتکینسون و پیشرانه الکتریکی هیبریدی یک ترکیب مهندسی بی‌نقص هستند. موتورهای الکتریکی یک ویژگی منحصر به فرد دارند: آنها حداکثر گشتاور خود را فوراً و در دور موتور صفر ارائه می‌دهند. هنگامی که در یک هیبریدی پدال گاز را فشار می‌دهید، موتور الکتریکی آن نیروی فوری و قوی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن خودرو را فراهم می‌کند و کمبود گشتاور دور پایین موتور اتکینسون را کاملاً می‌پوشاند.[3][4]

هنگامی که خودرو به سرعت مطلوب رسیده و در حال حرکت است، موتور الکتریکی نقش خود را کاهش می‌دهد و موتور فوق‌العاده کارآمد اتکینسون برای حفظ حرکت، کنترل را به دست می‌گیرد. این هم‌افزایی دلیلی است که هیبریدی‌ها به چنین صرفه‌جویی شگفت‌انگیزی در مصرف سوخت دست می‌یابند، به ویژه در رانندگی‌های شهری با توقف و حرکت مکرر، جایی که موتور الکتریکی کارهای سنگین را انجام می‌دهد و موتور بنزینی فقط در کارآمدترین محدوده قدرت خود کار می‌کند.[1][3]

یکی از خویشاوندان نزدیک این سیستم، چرخه میلر است که توسط رالف میلر در دهه ۱۹۴۰ ثبت اختراع شد. چرخه میلر از همان ترفند زمان‌بندی تأخیری سوپاپ برای دستیابی به کورس انبساط طولانی‌تر استفاده می‌کند، اما یک سوپرشارژر به آن اضافه می‌کند تا هوای بیشتری را به داخل سیلندر بفرستد و هوایی را که به بیرون رانده شده بود، جبران کند.

این کار قدرت از دست رفته را بازیابی می‌کند و در عین حال مزایای بازدهی را حفظ می‌کند، که آن را در کاربردهای غیرهیبریدی یا هیبریدی‌های با عملکرد بالا محبوب کرده است.[2]

برای خریدار روزمره، درک این باله مکانیکی، دیدگاه شما نسبت به خودرویتان را تغییر می‌دهد. وقتی یک موتور هیبریدی هنگام شتاب‌گیری با دور موتور ثابت صدای یکنواختی تولید می‌کند، در حال تقلا نیست؛ بلکه عمداً خود را در اوج بازدهی حرارتی نگه می‌دارد، در حالی که موتور الکتریکی و گیربکس متغیر پیوسته (CVT) سرعت جاده را مدیریت می‌کنند. این یک رویکرد اساساً متفاوت به رانندگی است که صرفه‌جویی بلندمدت و طول عمر مکانیکی را بر دینامیک سنتی موتور اولویت می‌دهد.[4]