چرا موتور کم‌توان اتکینسون برای خودروهای هیبریدی ایده‌آل است؟

در نگاه اول، استفاده از یک موتور بنزینی کم‌توان در خودرویی که باید شتاب مناسبی داشته باشد، تصمیمی عجیب به نظر می‌رسد؛ اما در خودروهای هیبریدی، قدرت موتور احتراقی تنها معیار انتخاب پیشرانه نیست. مهندسان به دنبال ترکیبی هستند که با مصرف سوخت کمتر، انرژی بیشتری از بنزین استخراج کند و درعین‌حال، توان کافی برای حرکت خودرو را فراهم آورد.

اینجاست که چرخه اتکینسون Atkinson Cycle اهمیت پیدا می‌کند؛ روشی برای بهبود بازده حرارتی موتور که بخشی از محدودیت توان آن را می‌توان با کمک موتور الکتریکی جبران کرد. به همین دلیل، این نوع پیشرانه در خودروهایی مانند تویوتا پریوس جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است.

برای درک مزیت این موتور، باید تفاوت آن را با پیشرانه‌های متداول بنزینی شناخت. در موتورهای رایج با چرخه اتو، بخشی از انرژی سوخت همراه گازهای داغ خروجی از سیلندر خارج می‌شود. در چرخه اتکینسون، طراحی و زمان‌بندی سوپاپ‌ها به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که گازهای حاصل از احتراق فرصت بیشتری برای انبساط داشته باشند و کار مفید بیشتری به پیستون منتقل کنند.

در بسیاری از موتورهای امروزی، این فرایند با دیرتر بسته شدن سوپاپ ورودی انجام می‌شود؛ در نتیجه، نسبت تراکم مؤثر کاهش می‌یابد، در حالی که نسبت انبساط بالا باقی می‌ماند. این ترکیب می‌تواند بازده حرارتی را افزایش و مصرف سوخت را کاهش دهد.

البته این مزیت بدون هزینه به دست نمی‌آید. در چنین آرایشی، مقدار هوای ورودی مؤثر به سیلندر و فشار تولید شده در برخی شرایط کاهش پیدا می‌کند؛ بنابراین، موتور ممکن است نسبت به یک پیشرانه متداول هم‌حجم، توان و گشتاور کمتری تولید کند. همین محدودیت باعث می‌شود چرخه اتکینسون برای خودرویی که باید به‌تنهایی شتاب‌گیری‌های شدید یا بارهای سنگین را تحمل کند، همیشه انتخاب ایده‌آلی نباشد.

در خودروی هیبریدی، موتور بنزینی تنها منبع تولید نیرو نیست. موتور الکتریکی می‌تواند هنگام شروع حرکت و شتاب‌گیری، گشتاور موردنیاز را تأمین کند و بخشی از کمبود توان موتور اتکینسون را جبران کند. موتورهای الکتریکی قادرند از دورهای پایین گشتاور قابل‌توجهی تولید کنند؛ ویژگی‌ای که به‌خصوص هنگام حرکت از حالت سکون مفید است. به این ترتیب، خودروساز می‌تواند از پیشرانه‌ای با بازده حرارتی بالاتر استفاده کند، بدون آنکه الزاماً عملکرد خودرو به اندازه یک موتور بنزینی کم‌توان و مستقل محدود شود.

سیستم مدیریت انرژی هیبریدی نیز تعیین می‌کند که در هر لحظه کدام منبع نیرو وارد عمل شود. هنگام حرکت با بار کم، موتور بنزینی می‌تواند در محدوده‌ای کار کند که مصرف سوخت مناسب‌تری دارد؛ در شتاب‌گیری، موتور الکتریکی به آن کمک می‌کند و هنگام کاهش سرعت، بخشی از انرژی حرکتی خودرو از طریق ترمز احیاکننده به برق تبدیل و در باتری ذخیره می‌شود. همچنین در شرایطی که نیازی به موتور بنزینی نیست، سیستم می‌تواند آن را خاموش کند. در نتیجه، صرفه‌جویی سوخت فقط حاصل چرخه اتکینسون نیست، بلکه به هماهنگی موتور احتراقی، موتور الکتریکی، باتری و سیستم کنترل نیز وابسته است.

خودروی هیبریدی امکان استفاده از موتوری را فراهم می‌کند که اولویت اصلی آن، تولید حداکثر توان در همه شرایط نیست؛ بلکه باید سوخت را با بازده بیشتری به انرژی مکانیکی تبدیل کند. برای نمونه، تویوتا در نسل سوم پریوس از موتور ۱٫۸ لیتری چرخه اتکینسون با قدرت ۹۹ اسب بخار استفاده کرد و توان خروجی سیستم هیبریدی را با مشارکت موتور الکتریکی به ۱۳۶ اسب بخار رساند. این ارقام نشان می‌دهند که قدرت موتور بنزینی به‌تنهایی تصویر کاملی از توانایی خودرو ارائه نمی‌کند؛ زیرا عملکرد نهایی به همکاری دو منبع نیرو بستگی دارد.

با این حال، موتور اتکینسون به‌تنهایی تضمین‌کننده مصرف سوخت پایین نیست. وزن خودرو، مقاومت هوا، نوع مسیر، شیوه رانندگی و کیفیت مدیریت انرژی نیز بر نتیجه نهایی اثر می‌گذارند. این چرخه همچنین در خودروهای غیرهیبریدی هم کاربرد دارد، اما ترکیب آن با موتور الکتریکی به سازندگان اجازه می‌دهد محدودیت توان را بهتر مدیریت کنند.

در نهایت باید گفت دلیل محبوبیت موتور اتکینسون در خودروهای هیبریدی روشن است: این موتور در تبدیل انرژی سوخت به کار مفید عملکرد مناسبی دارد و موتور الکتریکی کمبود توان آن را در زمان نیاز جبران می‌کند. حاصل این همکاری، مجموعه‌ای است که می‌تواند بدون اتکا به یک موتور بنزینی پرقدرت در تمام شرایط، تعادل مناسبی میان مصرف سوخت و عملکرد روزمره برقرار کند.