موتور با چرخه اتیکنسون

در طی گذر سالیان دراز موتورهای خودرو بزرگ‌تر، سریع‌تر و کاراتر شده‌اند تا بتوانند توان و تورک بیشتری را تولید نمایند. با ورود به قرن بیستم هنگامی که درک درستی از موتورهای درون‌سوز پیدا کردیم، بیشتر انتظارمان این بود که به‌محض سبز شدن چراغ بتوانیم حریف کناریمان را حذف کنیم. اما کسی که توانست کاهش مصرف سوخت را به معنای واقعی برای ما هجی کند، کسی نبود جز جیمز اتکینسون.

یکی از تکنولوژی‌های موتور خودرو که موجب کارکرد سبز (کم آلاینده) اتومبیل می‌شود چرخه اتکینسون است. موتور اتکینسون برای اولین بار در سال 1887 در ایالات‌متحده ثبت اختراع شد و اکنون در بسیاری از خودروهای هیبریدی استفاده می‌شود.

موتور با چرخه اوتو:

موتور بسیار متداول امروزی که بر روی خودروهای سوار می‌شود موتور چهار زمانه است که با استفاده از سیکل اوتو کار می‌کند. این موتور با بالا و پایین رفتن پیستون داخل سیلندر و با استفاده از جرقه مخلوط هوا و سوخت را مشتعل می‌کند و موجود حرکت پیستون و در نهایت میل‌لنگ می‌شود. موتورهای معمولی دارای چهار زمان (مرحله) هستند که به شرح زیر می‌باشد:

مرحله مکش: هوا به سمت سیلندر مکیده می‌شود و سوخت هم وارد سیلندر می‌شود.
مرحله تراکم: مخلوط هوا-سوخت را متراکم می‌کند (پیستون بالا می‌آید) و جرقه زده می‌شود و انفجار صورت می‌پذیرد.
مرحله احتراق: از نیروی انفجار استفاده شده و پیستون به سمت پایین در داخل سیلندر حرکت می‌کند.
مرحله تخلیه: تمام گازهای باقی‌مانده از احتراق با فشار به سمت بیرون سیلندر روانه می‌شوند.

موتور با چرخه اتکینسون:

در سیکل اوتو مراحل فوق طی می‌شود و میل‌لنگ چرخانده می‌شود. در موتور اتکینسون، مخترع محترم یک مکانیزم دو میله‌ای اضافه نموده است تا تمام چهار مرحله فوق در یک دور میل‌لنگ انجام شود.
چیدمان هوشمندانه اهرم این اجازه را به موتور اتکینسون می‌دهد تا پیستون در یک چرخه تمام چهار مرحله را در یک دور میل‌لنگ به انجام برساند. همچنین در موتور اتکینسون هرکدام از مراحل دارای طول بازه زمانی متفاوتی است. به علت متفاوت بودن طراحی در موتور اتکینسون نیاز به وجود بادامک به‌طور کامل حذف شده است. بادامک مکش، تخلیه و جرقه تماماً بر روی میل‌لنگ اصلی قرار گرفته است.

یک بادامک برای دو مرحله مکش و تخلیه سوپاپ در نظر گرفته شده است. بادامک سوپاپ مکش به گونه‌ای طراحی شده است تا مرحله سوپاپ مرحله مکش را باز نگه دارد تا بیشتر از یک مرحله (زمان) اتفاق بیفتد:

مرحله مکش به‌طور نامعمولی شروع می‌شود؛ تمام سیلندرها از مخلوط هوا و سوخت پر می‌شوند.
هنگامی که پیستون در حال بالا آمدن است، سوپاپ ورودی همچنان باز است. پیستون مقداری از مخلوط سوخت را به مجزای ورودی پس می‌فرستد. تأثیر کلی درست مانند زمانی است که مرحله مکش کوتاه شود.
هنگامی که پیستون به مکانی از پیش تعریف شده از سیلندر برسد سوپاپ ورودی بسته می‌شود. مرحله تراکم در حقیقت در این نقطه از زمان اتفاق نمی‌افتد، مرحله تراکم هم به واسطه اینکه مرحله مکش (ورودی مخلوط هوا-سوخت) کوتاه شده کم شده است.
مرحله احتراق و تخلیه درست مانند موتورهای چهار زمانه عمل می‌کند.

موتور اتکینسون در خودروهای تویوتا:

به منظور دستیابی به بهترین بازده حرارتی، موتور با استفاده از چرخه اتکینسون با نوآوری‌های فراوان رونمایی شد. در این موتور نسبت تراکم بالا رفته است و از سیستم هوشمند الکترونیکی باز و بسته شدن سوپاپ‌ها آن هم به‌طور متغیر بهره برده است. همچنین برای خنک کاری این موتور از سیستم بازیاب گازهای خروجی استفاده است.

تویوتا اعلام کرده است که از دو موتور جدید چرخه اتکینسون با مصرف سوخت فوق‌العاده پایین پرده‌برداری کرده است. یکی دارای سه سیلندر با حجم یک لیتر می‌باشد و دیگری دارای چهار سیلندر با حجم 1.3 لیتر است. موتور کوچک‌تر با مصرف سوخت 3.02 لیتر در مدل آیگو بهبود 30 درصدی در مصرف سوخت مشاهده شده است. این میزان مصرف سوخت برای موتور یک لیتری بسیار تحسین‌برانگیز است.

تغییرات بسیاری انجام شده است تا این موتور طراحی شود؛ رساندن نسبت تراکم به 11.5:1، ارتقاء طراحی محفظه احتراق، کاهش تلفات اصطکاکی و کاهش وزن سیلندر از جمله اقدامات در راستایی بهبود عملکرد موتور بوده است. با تمام این تغییرات مصرف سوخت به میزان 3.9 لیتر در هر 100 کیلومتر یا (3.92 لیتر) کاهش یافته که میزان توان 68 اسب بخار در دور 6000 دور بر دقیقه و تورک 95 نیوتن متر در 4300 دور بر دقیقه تولید می‌کند. قبلاً تویوتا از موتورهای اتکینسون در خودروهای هیبرید خود استفاده کرده بود ولی این بار برای اولین بار این موتور به تنهایی بر روی خودرو سوار می‌شود.

موتور 1.3 لیتری دیگر رونمایی شده از تویوتا دارای نسبت تراکم 13.5:1 است و با استفاده از تکنولوژی‌های جدیدی که تویوتا معرفی کرده است توانسته تا 38 درصد بازده گرمایی موتور را ارتقاء دهد. همچنین کاهش مصرف سوخت این موتور به مانند موتور 1 لیتری خیره‌کننده نیست ولی توانسته نزدیک به 15 درصد مصرف سوخت در این سری موتورها در مقایسه با خودروهای مشابه کاهش دهد.