Atkinson Dövrü Nədir, Hibrid Motorlarda Niyə Tərcih Olunur?

Atkinson tsikli, gücündən verərək yanacaqdan qazanan bir mühərrikin hekayəsidir; açığı isə hibrid sistemdə elektrik mühərrikini bağlayır.
Atkinson tsikli, gücündən verərək yanacaqdan qazanan bir mühərrikin hekayəsidir; açığı isə hibrid sistemdə elektrik mühərrikini bağlayır.

Bu Səhifəni Paylaşın

Atkinson dövrü, sıxılma əmsalını genişlənmə əmsalından bilərəddən kiçik saxlamaqla yanma enerjisini daha tam dəyərləndirən və bunun əvəzində aşağı fırlanma gücündən imtina edən daxili yanma mühərrikinin iş prinsipidir. Hibrid avtomobillərdə seçilməsinin səbəbi sadədir: elektrik mühərriki səmərəlilik itkisindən yaranan güç açığını bağladığı üçün mühərrik hər şəraitdə ən iqtisadi zonasında işləyə bilir.

Seçilmişlər

  • Dövr, 1882 -ci ildə ingilis mühəndisi James Atkinson tərəfindən patentləndi.
  • Müasir tətbiqdə sorulma klapanı, sıxılma highly addımının %20–30-u başa çatana qədər açıq qalır.
  • İlk seriya istehsal Atkinson dövrülü hibrid ötürmə qurğusu 1997-də Toyota Prius ilə gəldi.
  • Toyota, 2014-cü ildə elan etdiyi bir benzin mühərriki ilə %38 maksimal istilik səmərəliliyi bildirdi.
  • Məcburi sorulma ilə birləşən bu klapan texnikası Miller dövrü adlanır.

Atkinson Dövrü Necə İşləyir?

Atkinson çevrimi, sıkıştırma ve genleşme oranlarını birbirinden ayırarak yanmış gazın enerjisini son damlasına kadar işe çevirir.

Otto mühərrikində dörttaktlı dövrün məntiqi aydındır: piston yuxarı qalxarkən qarışığı sıxır, qarışık alışır, piston aşağı enərkən iş istehsal edir. Kritik nöqtə budur: sıxılma əmsalı ilə genişlənmə əmsalı bir-birinə bərabərdir, çünki eyni silindr həcmini həm sıxılma, həm də genişlənmə üçün istifadə edirsiniz. Atkinson dövrü bu bərabərliyi pozur. Məqsəd, güç addımının sonunda yanma kamerasındakı qaz təzyiqini mümkün qədər atmosfer təzyiqinə yaxınlaşdırmaqdır; yəni yanma məhsulunun içindəki təzyiq enerjisini ekzozа göndərməzdən əvvəl mexaniki enerjiyə çevirməkdir.

James Atkinson bunu 1880-ci illərdə mexaniki olaraq həll etdi. İlk mühərriki olan differential engine əks pistonlu bir dizayn idi. 1887-ci il tarixli Cycle Engine dizaynı isə artıq mərkəz qolu mexanizması ilə dört taktın tək kürək mili dövriyyəsində tamamlanmasını təmin edirdi; bu həll eyni zamanda Otto patentlərini pozmamaq üçün də hazırlanmışdı. Üçüncü dizaynı Utilite Engine (1892 ingilis patenti) qısa sıxılma və daha uzun genişlənmə addımına malik idi. Bu mühərriklər ticari uğur qazana bilmədi; lakin dövrün termodinamikası bu gün də, xüsusilə hibridlərdə, yaşamaqda davam edir.

Müasir mühərriklərdə klapan vaxtlaması ilə simulyasiya

Bu gün yollarda gördüyünüz Atkinson dövrülü mühərriklərin heç biri Atkinsonun qol mexanizmlərini daşımır. Müasir üsul çox daha zərifdir: sorulma klapanı, piston sıxılma addımının təxminən %20–30-luq hissəsini başa çatdurana qədər açıq saxlanılır. Piston yuxarı qalxmağa başladığında silindrdəki təzə qarışığın bir hissəsi sorulma manifoldsuna geri itələnir. Nəticə: silindr heç vaxt tam dolmur və effektiv sıxılma əmsalı aşağı düşür. Bunun əvəzində genişlənmə addımı həndəsi olaraq tam uzunluqda qalır. Bu yanaşma, ilk nəsl Toyota Priusun 1NZ-FXE mühərriki ilə seriya istehsala girdi və bu gün Toyota-nın Dynamic Force ailəsi daxil olmaqla bir çox mühərrikdə istifadə olunur. Efiektin eynisini supab vaxtlaması əvəzinə köndələn milini silindr oxundan sürüşdürməklə (desaxe dizaynı) əldə etmək də mümkündür.

Ekspansiya əmsalının sıxılma əmsalından böyük olduğu bu vəziyyətə ədəbiyyatda həddindən artıq genişlənmə (over-expansion) deyilir. Akademik model tədqiqatları göstərir ki, eyni işləmə şəraitində Atkinson dövrü Otto dövrünə nisbətən daha yüksək istilik səmərəliliyi verə bilir; bunun qiyməti isə silindrə daha az hava alınması, yəni aşağı güc sıxlığıdır.

Hibrit Mühərriklərdə Niyə Atkinson Dövrünə Üstünlük Verilir?

Buradakı mühəndislik məntiqi bir mübadilə üzərində qurulub. Atkinson dövrü daha səmərəlidir, lakin daha zəifdir: eyni ölçüdəki bir Otto mühərriki qədər hava almadığı üçün xüsusilə aşağı fırlanma saylarında moment və güc itirir. Adi bir avtomobildə bu itki sürücü tərəfindən dərhal hiss edilir və qəbul edilə bilməz. Ancaq hibrit ötürmə qurğusunda yanınızda hər an işə düşə bilən bir elektrik mühərriki var. Yerə toxunma, yamacda və ya sürətlənmə istəklərində lazım olan əlavə momenti elektrik mühərriki dərhal təmin edir; benzin mühərriki isə bu müddət ərzində öz ən səmərəli zonasında işləməyə davam edir. Atkinson dövrünün güc çatışmazlığı elektrik mühərrikinin momenti ilə ödənildikdə iki texnologiyanın ən yaxşı cəhətləri birləşdirilmiş olur.

Həmçinin hibrit istifadə profilində güc tələbi artıq fasiləlidir: sabit sürüş zamanı mühərrik yalnız davamlılıq gücü istehsal edir, sürətlənmələrdə isə elektrik işə düşür. Bu, Atkinson dövrünün zəif nöqtəsini praktikada nadir hallarda görünür edir. Bu məntiqlə qurulan ilk seri istehsal hibrit ötürmə qurğusu, 1997-ci ilin sonunda Toyota Prius ilə yollara çıxdı; dövr həmin gündən bəri Prius ailəsi ilə yanaşı Ford Fusion Hybrid, Ford C-Max Hybrid və bir çox Lexus modelində istifadə edildi. İki texnologiyanın uyğunluğunun konkret göstəricisi kimi: Toyota, 2014-cü ildə elan etdiyi yeni nəsil benzin mühərrikinin %38 maksimal istilik səmərəliliyinə çatdığını açıqladı; bu, o tarixdə seri istehsalda qeydə alınmış ən yüksək dəyərlərdən biri idi.

Hibrit olmayan avtomobillərdə isə necə?

Dəyişən supab vaxtlaması sayəsində bu dövrün klassik bir mühərrikdə də yarımştat rejim kimi istifadəsi mümkündür: Atkinson rejimində iqtisadiyyat, Otto rejimində isə ənənəvi güc xarakteristikası. Yenə də tamamilə Atkinson dövrünə həsr olunmuş bir mühərrik, gücə görə silindr həcmi aşağı olduğu üçün adətən yalnız hibritlərdə görünür; ekvivalent performans vermək üçün daha böyük həcm lazım olması, bunu hər avtomobil üçün məntiqli etmir.

Otto, Atkinson və Miller Dövrü Arasındakı Fərq Nədir?

Bu üç dövr tez-tez bir-birinə qarışdırılır, halbuki fərqləri aydındır. Müqayisəni bir cədvəldə toplayaq:

XüsusiyyətOttoAtkinsonMiller
Sıxılma / ekspansiya əmsalıBir-birinə bərabərSıxılma kiçik, ekspansiya tamAtkinson kimi ayrı
Tətbiq üsuluKlassik supab vaxtlamasıUzun müddət açı qalan emissiya supabı və ya mexaniki əlaqəEyni supab texnikası artı məcburi emissiya
Turboşarj / superşarjMəcburi deyilTipik olaraq yoxdurTəyinedici komponent
Aşağı fırlanma gücüYüksəkAşağıDoldurucu ilə kompensasiya olunur
Tipik istifadəÇoxu benzin mühərrikiHibridlərSuperçarjerli səmərəyönümlü mühərriklər

Ralph Millerin 1957-ci ildə patentlədiyi dövrdə Atkinson yanaşmasının ən böyük zəifliyinə, yəni aşağı fırlanma gücü itgisinə hədəf göstərmişdir. Həlli sıxılmış və ara soyuduculu (intercooler) emiş təmin edən superçarjer və ya turboçarjerdir: sıxılmış doldurma, qısaldılmış effektiv sıxışdırmadan yaranan həcm itgisini geri qaytarır. Miller dizaynında həmçinin artıq emiş təzyiqini boşaldan sıxılma nəzarət klapanı da nəzərdə tutulmuşdu. Dövrün ən tanınmış seriya istehsal tətbiqi, 1994-cü ildə satışa çıxan Mazda Millenia oldu. Praktik formulunu belə yekunlaşdıra bilərsiniz: məcburi emişlə işləyən Atkinson mühərriki, tərifə görə Miller mühərrikidir. Atkinsonin öz fikrinə çox yaxınlaşan erkən bir nümunə də superçarjersiz versiyası ilə Çaron dövrüdür; fransız mühəndis Çaron bunu 1888-ci ildə patentlədirib 1889 Paris Sərgisində nümayiş etdirmişdi.

Niyə Hər Avtomobil Atkinson Dövründən İstifadə Etmir?

Cavab güc sıxlığındadır. Atkinson dövründə olan mühərrik, eyni silindr həcminə malik Otto mühərrikindən daha az hava pompaladığı üçün daha az güc istehsal edir. Elektrik dəstəyi olmayan bir avtomobildə bu çatışmazlıq ya daha böyük mühərriklə, ya da daha yüksək fırlanma ilə bağlı olmalıdır; hər ikisi yanacaq qənaətinin məntiqini zəiflədir. Avtomobillərin böyük əksəriyyətində hərəkət vəzifəsi təkbaşına daxili yanma mühərrikə aid olduğu üçün istehsalçılar səmərəlilik və performans balansını klapan vaxtı, sıxılma nisbəti və məcburi emiş kimi vasitələrlə Otto tərəfində qurmağı üstün tutur. Atkinson dövrü yalnız elektrik mühərriki ehtiyat güc mənbəyi kimi masaya oturduqda tam mənada qazanır.

Səmərəlilik qazancı nə qədərdir?

Dəqiq tək rəqəm vermək çətindir, çünki qazanc mühərrik memarlığından, sıxılma nisbətindən və işləmə şəraitindən asılıdır. Əl veriləri miqdar haqqında təsəvvür verir: akademik bir eksperimental işdə Atkinson dövrünə uyğun tənzimlənmiş bir mühərrikdə istilik səmərəliliyində %12,8 artım, 2024-cü ilə aid optimizasiya işində isə yanacaq iqtisadiyyatında %7,67yə qədər yaxşılaşma bildirilmişdir. Miller tərəfində isə məcburi emişin sıxılmış hava itgisini azaltması səbəbindən Atkinson ilə müqayisədə daha səmərəli qurulum mümkün olur. Bu rəqəmlərin ortaq payı budur: qazanc realdır, lakin şəraitdən asılıdır və heç biri elektrik mühərrikinin tork dəstəyi olmadan sürüş xarakterini pozmaraq bütün bir avtomobil qammasına tətbiq oluna bilmir.

Nəticə: Səmərəlilik ilə Güc Arasındakı Şüurlu Mübadilə

Atkinson dövrü, mühəndisliyin ən köhnə və ən zərif fikirlərindən birini təmsil edir: bütün gücü istifadə edə bilmirsinizsə, əlinizdə qalan enerjini tam istifadə edin. Emiş klapanını bir neçə dərəcə daha uzun açıq saxlamaqla sıxışdırmanı qısaldır, genişlənməni tam saxlayır və egzozuna gedən təzyiq enerjisini minimuma endirir. Bu tek başına kifayət etmir, çünki alın ieri ilə qazanılan səmərəlik aşağı fırlanma momenti gücü kimi geri qaytarılır. Hibrid ötürmə qurğusu bu borcu elektrik momenti ilə ödədiyi üçün tənlik bağlanır; 1997-ci ildəki ilk Prius-dan bugünün hibrid qammına qədər bu ikilinin uğurunun arxasında duran termodinamik məntiq də məhz budur.

Mənbələr