كيف يعمل محرك دورة أتكينسون

محركات دورة أتكينسون هي محركات احتراق داخلي ذات دورات رباعية الأشواط مماثلة تقريبًا لدورات أوتو، لكن عيبها أنها تُنتج قدرة أقل. وفي المقابل، تستفيد من الوقود بصورة أفضل، مما يتيح الحصول على أرقام استهلاك أفضل.

في الأصل، وعلى عكس طريقة العمل الحالية، كان محرك دورة أتكينسون ينفّذ الأشواط الأربعة (السحب والانضغاط والتمدد والعادم) خلال دورة واحدة من عمود المرفق. أما محركات دورة أوتو فتحتاج إلى دورتين من عمود المرفق لتنفيذ الأشواط نفسها.

في الوقت الحالي، جرى تعديل هذا المفهوم، والفرق الرئيسي بين محرك دورة أوتو ومحرك دورة أتكينسون هو أنه خلال جزء من شوط الانضغاط (نحو النصف تقريبًا)، تبقى صمامات السحب مفتوحة. ويتحقق ذلك عبر تعديل كامات السحب في عمود الكامات، مما يمنح ميزة تتمثل في انخفاض كبير في الفواقد التي تحدث في المحرك بسبب انضغاط الخليط.

طريقة عمل محرك دورة أتكينسون

يتوفر في محرك دورة أتكينسون كذلك الأشواط الأربعة الخاصة بمحرك البنزين، وهي السحب والانضغاط والاحتراق والعادم. ومع ذلك، يُغلق صمام السحب في هذا النوع من المحركات متأخرًا أثناء عملية الانضغاط، فتنخفض بذلك نسبة الانضغاط الفعلية، لأن الانضغاط الفعلي لا يبدأ بصورة فعّالة إلا بعد إغلاق صمام السحب، مما يجعل نسبة الانضغاط هذه قد تبلغ نصف ما كانت ستكون عليه لو أُغلق الصمام مبكرًا، كما يحدث في دورة أوتو التقليدية رباعية الأشواط.

مع هذا التعديل، وخلال شوط الانضغاط (اللحظة التي يُضغط فيها خليط الهواء والوقود الذي جرى سحبه سابقًا)، ونظرًا إلى أن صمامات السحب تبقى مفتوحة، يعود جزء من الخليط إلى مشعب السحب.

نسبة الانضغاط في المحرك هي حجم الهواء في شوط الانضغاط مضافًا إليه حجم الهواء في غرفة الاحتراق، مقسومًا على حجم الهواء في غرفة الاحتراق.

خلال شوط الانضغاط، تبلغ هذه النسبة 8:1 لأنها تبدأ بالحساب منذ لحظة إغلاق صمام السحب، بينما تبلغ في شوط التمدد 13:1، وهي تقابل حركة المكبس نحو الأسفل والصمامات مغلقة (وهو الشوط الوحيد الذي يُنجَز فيه الشغل).

وبسبب هذا اللاتناظر، عند انتهاء دورة العمل واستعداد صمامات العادم للفتح، يكون الضغط الداخلي للأسطوانة مساويًا تقريبًا للضغط الجوي، بينما يكون أعلى قليلًا في محرك البنزين التقليدي، أي أنه لم يُستفد من كامل القوة التي كانت تدفع المكبس نحو الأسفل.

وفي المقابل، فإن حركة المكبس في شوطه الصاعد تملأ مشعب السحب (نذكّر بأن صمامات السحب تبقى مفتوحة حتى نحو منتصف المشوار)، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط في داخله (إذ يكون دائمًا أقل من الضغط الجوي)، وهو ما يسهّل ملء الأسطوانات الأخرى ويقلل الفواقد الناتجة عن ارتداد الغازات.

الإجهاد الميكانيكي في محركات دورة أتكينسون أقل منه في محركات دورة أوتو لأن نسبة الانضغاط فيها أقل، مما يمنح الميكانيكا عمرًا أطول.

كما أن تكلفة إنتاجها مماثلة لتكلفة محرك البنزين التقليدي، وكذلك وزنها وضجيجها وانبعاثاتها من الغازات الملوِّثة، وهي بعيدة عن التكلفة والوزن والضجيج المرتفعة لمحركات الديزل.

عيوب محركات أتكينسون

حتى الآن لم نُبرز سوى نقاط القوة في هذه المحركات. وقد حان وقت شرح سبب عدم تركيبها في الطرازات غير الهجينة.

العيب الرئيسي هو أنه، بسبب انضغاط كمية أقل من الخليط، تكون قوة الدفع على رأس المكبس لحظة اشتعال الشرارة أقل منها في المحرك التقليدي، مما يؤدي إلى محركات أقل قدرة. ومن الأمثلة على ذلك محرك 1.800 سم3 في الجيل الثالث من Toyota Prius، الذي لا يولّد سوى قدرة 100 CV.

وبسبب ترتيب الأشواط، فإن أقصى عدد لدورات هذه المحركات محدود بنحو 5.000 دورة في الدقيقة تقريبًا، كما أن القدرة النوعية (القدرة المستخلصة قياسًا إلى سعة المحرك) منخفضة، مما يعني أن هذه المحركات تُعطي القدرة نفسها التي يعطيها محرك بسعة أصغر، فيشعر السائق بأن سيارته تفتقر إلى القدرة.

ومع ذلك، في السيارة الهجينة لا يحدث هذا الشعور، لأن الإحساس بالقدرة يأتي من المحرك الكهربائي ومن ناقل حركة من نوع CVT (ناقل حركة متغير باستمرار) يتولى إبقاء المحرك عند عدد دوراته الأمثل.

ولتبسيط الأمر، فإن وظيفة محرك الاحتراق في السيارة الهجينة تقتصر على الحفاظ على زخم السيارة بعد التوقف عن التسارع، أما الباقي فيتولاه المحرك الكهربائي.

لماذا دورة أتكينسون

انتشر محرك دورة أتكينسون بعد ظهور السيارات الهجينة وتسويقها، وهي سيارات تعمل بمحرك احتراق داخلي مقترن بمحرك كهربائي.

دورة أتكينسون، المبنية على دورة أوتو، شائعة الاستخدام في السيارات الهجينة لأنها تنجح في رفع الكفاءة الإجمالية وبالتالي تحقيق استهلاك منخفض للوقود. لكن مع ظهور تقنيات أكثر تطورًا جرى تعديل توقيت الصمامات بحيث تعمل الآلية بالطريقة نفسها التي طوّرها جيمس أتكينسون عام 1882.

وبذلك تكون لدينا نسب انضغاط أعلى، مما يتيح احتراق الخليط قبل دورة أوتو بوقت أطول، فيزداد الكفاءة الديناميكية الحرارية. وكما ذكرنا سابقًا، يتحقق ذلك عبر تأخير إغلاق صمامات السحب، مما يسمح للغازات بالعودة إلى التدفق داخل الغرفة، وبالتالي بنسبة انضغاط أعلى.

في قائمة السيارات التي تستخدم حاليًا هذا التكوين لمجموعة نقل الحركة، نجد Toyota Prius وFord Escape وLexus RX 450h وHyundai Sonata وChevrolet Volt وKia Niro وHyundai Elantra وKia Forte، من بين غيرها، حيث يراهن الكوريون بحزم على إدراجها في عدد متزايد من سيارات تشكيلتهم.