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 ۱۸۸۷ 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. [دانلود ویدئو] [jwplayer mediaid=”۹۶۵۷۹″] 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 ۱.۳ لیتر است. موتور کوچک‌تر با مصرف سوخت ۳.۰۲ لیتر در مدل آیگو بهبود ۳۰ درصدی در مصرف سوخت مشاهده شده است. این میزان مصرف سوخت برای موتور یک لیتری بسیار تحسین‌برانگیز است. [دانلود ویدئو] [jwplayer mediaid=”۹۶۵۸۰″] تغییرات بسیاری انجام شده است تا این موتور طراحی شود؛ رساندن نسبت تراکم به ۱۱.۵:۱، 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 ۳.۹ لیتر در هر ۱۰۰ کیلومتر یا (۳.۹۲ لیتر) کاهش یافته که میزان توان ۶۸ اسب بخار در دور ۶۰۰۰ دور بر دقیقه و تورک ۹۵ نیوتن متر در ۴۳۰۰ 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 ۱.۳ لیتری دیگر رونمایی شده از تویوتا دارای نسبت تراکم ۱۳.۵:۱ است و با استفاده از تکنولوژی‌های جدیدی که تویوتا معرفی کرده است توانسته تا ۳۸ درصد بازده گرمایی موتور را ارتقاء دهد. همچنین کاهش مصرف سوخت این موتور به مانند موتور ۱ لیتری خیره‌کننده نیست ولی توانسته نزدیک به ۱۵ درصد مصرف سوخت در این سری موتورها در مقایسه با خودروهای مشابه کاهش دهد.
saeed.shariati
۲۱ آذر ۱۳۹۳ممنون از مطلب خوبتون
اگه میشه درمورد ماشینهایی که با بخار کار میکنن هم مطلب بزارین خیلی کنجکاوم طرزکارشون بدونم
سپهر
۲۱ آذر ۱۳۹۳من دقیق نفهمیدم منظورش چی بود ولی فکر کنم این اقا هه جیمز اتکینسون مرد خوب ومودبی باشه . بعد اینا چرا انقدر خودشونو اذیت میکنن خوب مگه موتور پراید چشه که اینجوری میکنن.
AliZeus
۲۱ آذر ۱۳۹۳یکی در یک پاراگراف توضیح بده قضیه چیه! :D
reza
۲۱ آذر ۱۳۹۳موتور درون سوز فقط وانکل
Predator
۲۳ آذر ۱۳۹۳چرخه وانکل اشکالاتی داره که هنوز برطرف نشده
مثلا طول عمرش از اینا کمتره چون لبه ها زودتر از بین میرن و باعث برگشت مواد میشه و چرخه هم کلن خراب میشه….
kiarash
۱۱ فروردین ۱۳۹۴ببین من خودم مهندس مکانیک هستم گرایش طراحی جامدات. 3 واحد طراحی بدنه پاس کردم و کلی کارگاه و چیزهای دیگه مـــــــــــن خودم و حتی استاد هایم رو دراین حد نمیبینم که انقدر راحت در موردفناوری روز دنیا نظر بدم و تازه ردش هم بکنم!ببین یعنی اون مهندس هایی که این موتور ها رو طراحی میکنن عقلشون اندازه تو هم نمیرسه؟
kiarash
۱۱ فروردین ۱۳۹۴درضمن چرخه مربوط میشه به درس ترمودینامیک پس فقط دکترای مکانیک اون هم شاخه ی انرژی و اون هم شاگرد اول شریف یا امیرکبیر تازه شاید بتونن راجع به چرخه اتکینسون اظهارنظر کنن
رضا :: فقط مرسدس بنز :: فقط رئال
۲۱ آذر ۱۳۹۳چن تا سوال
اول اینکه تویوتا دقیقا با موتوره چیکار کرده؟درست متوجه نشدم!
دوم اینکه این اقای اتکینسون واسه شرکت خاصی کار میکرد یا واسه دل خودش؟
و سوم اینکه این موتور تو چه ماشینای دیگه ای کاربرد داره؟
با تشکر…
رضا :: فقط مرسدس بنز :: فقط رئال
۲۳ آذر ۱۳۹۳ممنون از پاسخ غیور مردان ایرانی
و ممنون از پدال البته
علی
۲۱ آذر ۱۳۹۳خیلی عالی بود ممنون میشم بازم ازین مطالب بذارید.
hamed
۲۱ آذر ۱۳۹۳برای درک درست باید یه چیزایی از ترمودینامیک بدونی
مخصوصا از بازده چرخه ها
شهاب
۲۲ آذر ۱۳۹۳کاملا درسته!
برای درک بهتر نیاز هست تمام سیکل های موتور احتراق داخلی و کارکرد هر کدوم و بشناسین.
حسین
۲۲ آذر ۱۳۹۳این که از نظر ترمودینامیک با همان سیکل اتو و دیزل قابل محاسبه است. فقط موقع محاسبه اجزا ماشین باید برای هر سیلندر یه شاتون و حدود هفتا یاتاقان اضافی (از مقدار بار وارده تانیرو های دینامیکیش)محاسبه شه که تازه روغنکاریش دردسرهایی برای خودش داره.
شهاب
۲۲ آذر ۱۳۹۳تشکر از آقای علی طهوری بابت مطلب مفیدتون.
برای کاهش مصرف سوخت و بالا بردن راندمان موتور خودروسازای مطرح از این سیکل استفاده میکنند.
به نحوی که برخی از موتورها در دورای پایین با چرخه اتکینسون کار میکنن و در دور موتور بالا به سیکل اوتو تغیر وضعیت میدهد.
کنترل الکترونیکی سوپاپ ها باعث بهبود عملکرد بهتر این موتورهای میشه.
احمد.ف
۲۲ آذر ۱۳۹۳اون موتورها تا جایی که من می دونم ساختارشون مثل موتورهای معمولیه و فقط در زمان تزریق سوخت و میزان باز بودن سوپاپ ها تغییر ایجاد می شود تا شبیه به عملکرد موتور اتکینسون شود.
امیر
۲۲ آذر ۱۳۹۳مطلب بسیار مفیدی بود
با تشکر از آقای طهوری
لطفا از این مطالب بیشتر بذارید
ارادت
4MATIC
۲۲ آذر ۱۳۹۳جالب بود
جواد
۷ بهمن ۱۳۹۳در رابطه با کیفیت بنزین نحوه بالا بردن کیفیت اکتان با صرف نظر از خرید مکمل های اکتان دار مطلب بزارین
با تشکر
N
۱۷ اردیبهشت ۱۳۹۵ممنون از مطلب مفیدتون…
راستی این بنده خدا اتکینسون با مستر بین نسبتی داره…?
sadegh
۲ خرداد ۱۳۹۵در مورد موتور انکل بزرگ ترین مشکل این موتور توقسمت اب بندی هست.بخاطر همین مثل سیکل های دیگه صنعتی نشد یا طرفدار پیدا نکرد.ولی باید بگم اگه هین سیکل رو یکی از ماها طراحی میکرد همه میگفتن نمیشه.مشکل داره یا اگه جواب بده صنعتی نمیشه.در کل من خودم رو موتور های دورانی کار میکنم.برا طراحی به حرف کسی گوش نکنید چون نا امید میشی .با مدرک صحبت کنید.طبق اصول پیش برید.
رامین
۵ مهر ۱۳۹۵در باره تکمیل نظر آقای حسین این موتور هم مانند موتورهای وانکل استهلاک بالایی دارد,
sevlan
۱۱ خرداد ۱۳۹۶در حقیقت اینطور که من فهمیدم تو یه موتور ۴ سیلندر با یک با رفت و برگشت پیستون تو موتورهای اوتو میل لنگ نیم دور میچرخه ولی در موتورهای چرخه اتکینسون یک دور ، آیا بنظر دوستان این استنباط درسته ؟!
علی
۲۰ تیر ۱۴۰۲بسم الله الرحمن الرحیم
نه، در اتو با یک رفت و برگشت کامل ، میل لنگ یک دور میزنه. در چرخه ی اتکینسون که فرقی با چرخه ی اتو در بنزینی ها ، نداره. تنها سوپاپ هوا در مرحله ی تراکم ، مقداری باز میمونه ، تا بخشی از هوای ورودی خارج بشه. علت این موضوع هم اینه که در سیکل اتو به دلیل دمای بسیار بالاتر دود نسبت به هوای ورودی(با توجه به اینکه فشار گاز در حجم ثابت سیلندر، با دمای اون رابطه ی مستقیم داره و این یعنی-) فشار دود بسیار بالاتر از هوای ورودی است(معمولا در حدود چهار تا پنج برابر) ، به شکلی که اگر پیستون بتونه بیشتر ازمرحله ی مکش ، پائین بره ، می‌تونه کار مفید از دود بگیره و خوب با توجه به اینکه مکانیزمه اتکینسون(ویدئو) ، برای دستیابی به این کار ، پیچیده است. با باز نگه داشتن سوپاپ هوا ، مرحله ی مکش رو کوتاه میکنم ، تا همون حالت (اسمش انبساط کامله) بدست بیاد. راستی این رو برای ناراحتی نمی گم ، ولی یادتون باشه ، وانکل یک مکانیزم دورانیه با چرخه ی اتو و نه یک چرخه.در ضمن توهین های آقای کیارش رو هم درنظر نگیرید. چون این مسائل در کلیت( و نه در جزئیات طراحی که اینجا واقعا پیچیده میشه) ، واقعا چیز پیچیده ای نیستند. موفق باشید.
خدا نگهدار
آرش
۷ اردیبهشت ۱۴۰۳من یه ابهامی دارم. وقتی سوپاپ هوا در مرحله تراکم هم باز می مونه مقداری مخلوط سوخت و هوا ازش به بیرون برمی گرده. آیا این موضوع بصورت تجمعی یا تصاعدی خواهد بود؟ یعنی به مرور مقدارش افزایش پیدا می کنه یا نه؟ دوم اینکه تا جایی که اطلاع دارم خروج سوخت نسوخته از اگزوز نشونه خوبی نیست و استانداردهای زیست محیطی این رو نمی پذیرن. حالا چه فرقی داره سوخت نسوخته از سوپاپ دود خارج بشه یا از سوپاپ هوا؟