ترفند تویوتا و هوندا برای کاهش مصرف سوخت موتورهای هیبریدی

به گزارش رکنا،نکته جالب اینجاست که ضعف اصلی این موتورها، یعنی تولید قدرت و گشتاور کمتر در دورهای پایین، به کمک موتور الکتریکی جبران می‌شود. به این ترتیب، موتور بنزینی بیشتر بر کاهش مصرف سوخت تمرکز می‌کند و موتور برقی هنگام نیاز به شتاب و قدرت بیشتر وارد عمل می‌شود.

اما چرخه اتکینسون دقیقاً چگونه کار می‌کند و چرا به یکی از فناوری‌های محبوب در صنعت خودروهای هیبریدی تبدیل شده است؟

موتور چرخه اتکینسون چیست و چگونه کار می‌کند؟

چرخه اتکینسون نوعی اصلاح در فرآیند احتراق چهارزمانه موتورهای درون‌سوز است که نام خود را از جیمز اتکینسون، مهندس بریتانیایی، گرفته است. او در سال ۱۸۸۲ طرح اولیه موتور خود را به ثبت رساند.

در موتورهای بنزینی معمولی که بر اساس چرخه اتو (Otto Cycle) کار می‌کنند، نسبت تراکم و نسبت انبساط تقریباً یکسان است. اما در طراحی اصلی اتکینسون، با استفاده از سازوکار مکانیکی خاص، طول مؤثر مرحله تراکم و انبساط متفاوت در نظر گرفته شده بود.

در موتورهای مدرن، خودروسازان برای دستیابی به نتیجه‌ای مشابه از فناوری زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها استفاده می‌کنند. در این روش، سوپاپ ورودی هوا کمی بیشتر از حالت عادی باز می‌ماند و هنگامی که پیستون حرکت رو به بالای خود را آغاز می‌کند، بخشی از هوای واردشده به سیلندر به منیفولد ورودی بازمی‌گردد.

در نتیجه، مقدار هوای فشرده‌شده در سیلندر کاهش پیدا می‌کند، اما گازهای حاصل از احتراق همچنان فرصت دارند در مرحله انبساط، پیستون را در مسیر نسبتاً طولانی‌تری به حرکت درآورند.

این فرآیند باعث می‌شود انرژی بیشتری از احتراق به کار مکانیکی مفید تبدیل شود و سهم کمتری از آن به شکل گرما و انرژی هدررفته از دست برود. به بیان ساده، موتور اتکینسون به جای تولید حداکثر قدرت از هر قطره بنزین، تلاش می‌کند بیشترین بهره را از انرژی موجود در سوخت ببرد.

چرا تولید قدرت کمتر به کاهش مصرف سوخت کمک می‌کند؟

مهم‌ترین مزیت چرخه اتکینسون، نسبت انبساط بیشتر در مقایسه با نسبت تراکم مؤثر آن است. این ویژگی به موتور اجازه می‌دهد پیش از خروج گازهای حاصل از احتراق از طریق سیستم اگزوز، انرژی بیشتری از انبساط آنها استخراج کند.

در یک موتور بنزینی معمولی، مهندسان باید میان قدرت، مصرف سوخت، آلایندگی و نرمی عملکرد تعادل برقرار کنند. اما چرخه اتکینسون این معادله را به سمت بهره‌وری بیشتر انرژی و کاهش مصرف سوخت تغییر می‌دهد.

یکی دیگر از مزایای این فناوری، کاهش تلفات پمپاژ است. از آنجا که سوپاپ ورودی در بخشی از مرحله تراکم همچنان باز می‌ماند، پیستون مجبور نیست تمام هوای ورودی را مانند یک موتور معمولی فشرده کند. این موضوع به کاهش انرژی مصرف‌شده برای فرآیند تراکم کمک می‌کند.

البته این فناوری بدون نقطه‌ضعف نیست. کاهش تراکم مؤثر باعث می‌شود موتور در حجم یکسان، معمولاً قدرت و گشتاور کمتری نسبت به یک پیشرانه بنزینی متعارف تولید کند؛ به‌خصوص در دورهای پایین موتور.

به همین دلیل است که موتورهای اتکینسون بیشتر در خودروهای هیبریدی مورد استفاده قرار می‌گیرند و کمتر در خودروهای اسپرت و مدل‌هایی که به قدرت بالا نیاز دارند دیده می‌شوند.

تفاوت چرخه اتکینسون و میلر چیست؟

چرخه میلر (Miller Cycle) نیز از نظر عملکرد شباهت زیادی به چرخه اتکینسون دارد. در هر دو روش، با تغییر زمان‌بندی سوپاپ ورودی، نسبت تراکم مؤثر کاهش پیدا می‌کند تا بهره‌وری موتور افزایش یابد.

تفاوت اصلی این دو فناوری در شیوه جبران کاهش هوای ورودی به سیلندر است. موتورهای مبتنی بر چرخه میلر معمولاً از توربوشارژر یا سوپرشارژر برای جبران این کاهش استفاده می‌کنند.

در برخی پیشرانه‌های مدرن نیز ترکیبی از راهبردهای اتکینسون و میلر به کار گرفته می‌شود. در این موتورها، مهندسان با استفاده از زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها و در برخی طراحی‌ها سیستم پرخوران، تلاش می‌کنند میان مصرف سوخت و عملکرد حرکتی تعادل ایجاد کنند.

چرا موتورهای اتکینسون برای خودروهای هیبریدی ایده‌آل هستند؟

مزیت اصلی ترکیب موتور اتکینسون با سیستم هیبریدی در این است که موتور بنزینی دیگر به‌تنهایی مسئول تأمین تمام نیروی موردنیاز خودرو نیست.

موتورهای الکتریکی می‌توانند از همان لحظه شروع حرکت، گشتاور قابل‌توجهی تولید کنند. این ویژگی ضعف موتورهای اتکینسون در دورهای پایین را جبران می‌کند و باعث می‌شود خودرو هنگام شروع حرکت و شتاب‌گیری، عملکرد مناسبی داشته باشد.

در چنین ساختاری، موتور بنزینی بیشتر در محدوده‌ای فعالیت می‌کند که بالاترین بازدهی را دارد و موتور الکتریکی هنگام نیاز به شتاب یا قدرت بیشتر به کمک آن می‌آید.

علاوه بر این، در بسیاری از شرایط رانندگی، موتور بنزینی می‌تواند به‌طور کامل خاموش شود و خودرو با نیروی الکتریکی حرکت کند. این قابلیت به‌ویژه در ترافیک شهری و هنگام توقف‌های مکرر، نقش مهمی در کاهش مصرف سوخت دارد.

تویوتا از زمان معرفی نسل نخست پریوس در سال ۱۹۹۷ از این رویکرد استفاده کرده است. سیستم هیبریدی دوموتوره هوندا نیز بر پایه ترکیب موتور بنزینی چرخه اتکینسون و موتورهای الکتریکی توسعه یافته است.

البته نحوه انتقال نیرو و مدیریت عملکرد پیشرانه در محصولات این دو شرکت یکسان نیست، اما فلسفه مهندسی آنها شباهت زیادی دارد: استفاده از موتور بنزینی برای دستیابی به حداکثر بازدهی و کمک گرفتن از موتور الکتریکی برای تأمین قدرت موردنیاز.

مزایا و معایب موتورهای چرخه اتکینسون

موتورهای اتکینسون مزایای متعددی دارند، اما استفاده از آنها در تمام خودروها لزوماً بهترین انتخاب نیست. عملکرد نهایی این پیشرانه‌ها به نوع خودرو، سیستم انتقال قدرت و شرایط رانندگی بستگی دارد.

مهم‌ترین مزایای این فناوری عبارت‌اند از:

• بازده حرارتی بالاتر: سهم بیشتری از انرژی حاصل از احتراق به نیروی مکانیکی مفید تبدیل می‌شود.

• مصرف سوخت کمتر: موتور در شرایط کاری مناسب می‌تواند با بنزین کمتری، انرژی موردنیاز خودرو را تأمین کند.

• هماهنگی مناسب با سیستم هیبریدی: موتور الکتریکی کمبود گشتاور در دورهای پایین را جبران می‌کند.

• عملکرد اقتصادی در شهر: امکان خاموش شدن موتور بنزینی در زمان توقف یا حرکت با سرعت پایین، مصرف سوخت را کاهش می‌دهد.

• کاهش اتلاف انرژی: طراحی این چرخه به استخراج انرژی بیشتر از گازهای حاصل از احتراق کمک می‌کند.

در مقابل، مهم‌ترین نقطه‌ضعف موتور اتکینسون، توان خروجی کمتر نسبت به یک موتور بنزینی معمولی با حجم مشابه است. چنین پیشرانه‌ای به‌تنهایی ممکن است هنگام شتاب‌گیری از سرعت‌های پایین، واکنش کندتری داشته باشد.

همچنین استفاده از این موتورها در خودروهایی که به‌طور مداوم بارهای سنگین حمل می‌کنند یا به قدرت بالایی بدون کمک موتور الکتریکی نیاز دارند، چندان ایده‌آل نیست.

آیا تمام خودروهای هیبریدی از موتور اتکینسون استفاده می‌کنند؟

خیر. اگرچه چرخه اتکینسون یکی از رایج‌ترین فناوری‌ها در خودروهای هیبریدی بنزینی-الکتریکی است، اما تمام خودروهای هیبریدی به این نوع پیشرانه مجهز نیستند.

تویوتا و هوندا از جمله خودروسازانی هستند که بخش مهمی از سیستم‌های هیبریدی خود را بر پایه موتورهای اتکینسون توسعه داده‌اند. با این حال، معماری قوای محرکه در خودروهای هیبریدی مختلف می‌تواند تفاوت زیادی داشته باشد.

برخی موتورهای مدرن نیز با استفاده از زمان‌بندی متغیر سوپاپ‌ها قادر هستند بسته به شرایط رانندگی، میان عملکردی شبیه چرخه اتو و چرخه اتکینسون تغییر وضعیت دهند.

در چنین شرایطی، موتور می‌تواند هنگام بار کم، بازدهی و مصرف سوخت را در اولویت قرار دهد و در زمان نیاز به قدرت بیشتر، رفتار متعارف‌تری داشته باشد.

نکته دیگر اینکه چرخه اتکینسون مختص خودروهای هیبریدی نیست. خودروسازان می‌توانند از راهبردهای مشابه زمان‌بندی سوپاپ در خودروهای بنزینی معمولی نیز استفاده کنند، اما وجود موتور الکتریکی در خودروهای هیبریدی باعث می‌شود جبران کاهش قدرت موتور بنزینی آسان‌تر باشد.

راز موفقیت موتورهای هیبریدی در ترکیب قدرت و بهره‌وری

چرخه اتکینسون یکی از راهکارهای مهندسی برای حل یکی از چالش‌های اصلی موتورهای بنزینی است: استخراج بیشترین انرژی مفید از سوخت و کاهش اتلاف آن.

این فناوری به‌تنهایی با محدودیت‌هایی در زمینه قدرت و گشتاور همراه است، اما ترکیب آن با موتور الکتریکی، این ضعف را تا حد زیادی برطرف می‌کند.

به همین دلیل، خودروسازانی مانند تویوتا و هوندا توانسته‌اند با استفاده از این فناوری، خودروهایی تولید کنند که در کنار مصرف سوخت پایین، عملکرد حرکتی قابل‌قبولی نیز دارند. در واقع، موفقیت سیستم‌های هیبریدی مدرن تا حد زیادی به همین تقسیم وظایف هوشمندانه میان موتور بنزینی و موتور الکتریکی وابسته است.