Atkinson və Miller Tsikli: Səmərə Üçün Gücdən Verilən Qurbanlıq

Atkinson çevrilməsi sıxılma gedişindən genişlənmə gedişini daha uzun saxlamaqla yanacaqın istilik enerjisinin daha çox hissəsini mexaniki işə çevirir; Miller çevrilməsi isə eyni texnikanın turboşarj və ya superşarj dəstəyi ilə birləşmiş halıdır. Hər ikisi gücün bir hissəsindən imtina edib səmərəlilik qazanır - və məhz buna görə hibrit sistemlərlə və müasir turbo benzinlilərlə birlikdə məna kəsb edirlər. Bu yazıda iki çevrilmənin ümumi məntiqini, sıxılma və genişlənmə nisbəti fərqini və hansı avtomobildə nə üçün faydalı olduğunu izah edirəm.

Atkinson və Miller çevrilməsi nədir, Otto çevrilməsindən nə qədər fərqlidir?

1876-cı ildə Nicolaus Otto tərəfindən hazırlanmış dörttaktlı çevrilmə - emə, sıxılma, yanma və egzoz - bu gün benzinli mühərriklərin faktiki standartıdır. Otto çevrilməsində piston, emə zamanında aldığı hava-yanacaq qarışığını egzoz klapanı bağlanar-bağlanmaz sıxılmağa başlayır. Sıxılma ilə genişlənmə gedişləri həndəsi bərabərdir və mühərrik səmərəliliyini böyük ölçüdə bu sıxılma nisbətinin zərbə həddinin izin verdiyi qədər yüksəldilməsindən alır.

James Atkinsonun 1882-ci ildəki ideyası bu simmetriyi qəsdən pozmaq idi. Genişlənmə gedişi sıxılma gedişindən daha uzun olsa, yanma qazları pistoni gücə çevrilmədən egzoz klapanından xaricə qaçmır. Atkinson bu ideyanı əvvəlcə mürəkkəb qol mexanizmləri ilə həll edirdi; cycle engine adlı layihəsi bir krank dövründə dört takı bir bağlantı düzümü ilə həyata keçirirdi. Səmərəli idi, lakin yüksək fırlanmada balanslaşdırılması çətin, mexaniki olaraq ağır bir quruluş idi və kommersiya baxımından geniş yayılmadı.

Müasir həll isə çox daha zərifdir: heç bir krank mexanizmənə toxunmadan, yalnız emə klapanının bağlanmasını gecikdirərək eyni təsiri əldə etmək. Ralph Millerın 1956-cı ildə patentlədiyi və bu gün həm atmosferik, həm də turbo beslemeli mühərriklərdə tətbiq olunan yanaşmasının əsası tam da budur.

Səmərəliliyin mənbəyi: sıxılma nisbəti yox, genişlənmə nisbəti

Buradakı məntiq zənciri iki çevrilmənin bütün fərqini izah edir. Emə klapanı normaldan gec bağlanarsa (ədəbiyyatdakı adı ilə LIVC), piston sıxılma gedişinə başladıqdan sonra da bir müddət eməyə davam edir və qarışığın bir hissəsi manifolda geri itələyir. Nəticə: silindrə daxil olan effektiv hava miqdarı azalır və effektiv sıxılma nisbəti düşür. Lakin pistonun aşağı enişi - yəni genişlənmə gedişi - həndəsi olaraq dəyişmədiyi üçün genişlənmə nisbəti yerində qalır. Beləliklə, sıxılma nisbəti genişlənmə nisbətindən kiçik olur.

Niyə bu fərq gəlir qazandırır? Çünki sıxma işinə sərf olunan enerji azalarkən, yanma enerjisinin genişlmə üzərində mexaniki işə çevrilmə müddəti uzanır. Məqsəd, güc fazasının sonunda silindr daxilindəki qaz təzyiqini atmosfer təzyiqinə mümkün qədər yaxınlaşdırmaqdır; egzoz klapanı açılanda hələ yüksək təzyiqli qaz varsa, o enerji boşa gedib deməkdir. Konvensional bir mühərikdə egzoz qazları 3-7 bar təzyiqdə və 1000 °C-ə qədər temperatura malik olaraq xaricə atılır - yanma enerjisinin üçdə birindən yarısına qədəri, hələ heç bir işə yaramadan egzoz borusuna gedir.

Geç bağlanma tək seçim deyil. Erkən emiş klapanının bağlanması (EIVC) da eyni nəticəni verir: klapan, gedişin əvvəlində bağlanır və piston aşağı enərkən silindrdə yüngül vakuum yaradır, qarışıq ad gücünə özü genişlənərək sorulur. İki strategiya arasında istilik idarəetməsi və pompalama itkiləri baxımından fərqlər var; gəmi mühəriklərində aparılan araşdırmalar, klapanı həddindən artıq erkən bağlamanın yanacaq sərfini artıra bildiyini də göstərir.

Otto, Atkinson və Miller dövrü yan-yana

Niyə hibrid avtomobillərdə Atkinson dövrü istifadə olunur?

Atkinson dövrünün qiyməti aydındır: geç bağlanan emiş klapanı, eyni silindr həcminin daha az hava almasına səbəb olur. Güc sıxlığı azalır; zirvə momenti və silindr başına orta effektivtəzyiq geriləyir. Eyni ölçüdəki bir Otto mühərikinə görə daha az güc istehsal edən, xüsusilə aşağı fırlanmada momenti zəif bir mühərik əldə edirsiniz. Tək başına benzinli bir avtomobil üçün bu, sürücünün hər qaz verdikdə hiss edəcəyi bir çatışmazlıqdır.

Hibrid sistem bu çatışmazlığı tam olaraq aradan qaldırır. Elektrik mühəriki sıfırdan başlayaraq dərhal moment yaradır; mühərikin ən zəif işləmə aralığını - aşağı fırlanma və tam yük zonasını - öz üzərinə götürür. Beləliklə, benzin mühəriki demək olar ki, hər zaman yük və fırlanma xəritəsinin ən səmərəli xəttində işləyə bilir. Bu kombinasiya ilk dəfə 1997 sonunda ilk nəsil Toyota Prius-da istehsal zolağına girdi və o gündən bəri hibrid ötürmə orqanlarının standart formulası oldu.

Tətbiq nümunələri boldur: erkən Prius'lardakı 1NZ-FXE, Toyota Dynamic Force mühərik ailəsi, Ford'un C-Max və Fusion hibridləri və Lexus-un hibrid modelləri bu məntiqi paylaşır. Texnologiyanın ixtirasından istehsal xəttinə girişi isə tam 100 il çəkdi - elektrik mühəriki olmadan bu dövrün güc açığı heç kəsə satıla bilməzdi.

Miller dövrü turbo benzinliyə nə qazandırır?

Atkinson'ın güc açığını aradan qaldırmağın ikinci yolu, silindrə daha çox hava sıxmaqdır. Miller dövrü məhz budur: gec emiş klapanının bağlanması ilə aşağı salınan effektiv sıxma nisbəti, turboşarj və ya superşarjın yüklədiyi əlavə hava ilə kompensasiya olunur. Qarışıq atmosfer üstü təzyiqlə silindrə daxil olur; həm Miller vaxtlamasının səmərəliliyindən yararlanır, həm də gözlənilən gücü istehsal edir.

Bu yanaşmanın turbo benzinlilərdə ayrı bir dəyəri var: detasiya nəzarəti. Detasiya, sıxılmış qarışığın şam qığılcımını gözləmədən öz-özünüməşələnməsidir və yüksək sıxma nisbətləri ilə yüksək dolum təzyiqləri riski artırır. Ənənəvi həll, həndəsi sıxma nisbətini aşağı salmaqdır - ki, bu da yanacaq iqtisadiyyatı qazancını da özü ilə aparır. Miller dövrü ikiliyi həll edir: həndəsi nisbət yüksək saxlanıla bilər, amma sıxma anındakı effektiv nisbət gec bağlanan klapan sayəsində məhdudlaşır. Kiçildilmiş turboşarjlı mühərriklərdə bu, geniş yayılmış bir detasiya azaltma strategiyasıdır.

Rəqəmsal qazanc da ölçülə bilən səviyyədədir. Miller dövrü, qismi yükdə azalan pompalama itkiləri, yaxşılaşan səmərəlilik və NOx emissiyasındaki düşüşlə birlikdə, müqayisə edilə bilən ənənəvi mühərriklərə nisbətən aydın yanacaq qənaəti təmin edir; erkən istehsal tətbiqlərində %10-15 istehlak azalması bildirilən rəqəmlər arasındadır. Yüksək gücləndirmə ilə birləşdirildikdə isə yanacaq iqtisadiyyatı və detasiya müqavimətində eyni zamanda yaxşılaşma potensialı daşıdığı göstərilmişdir.

Tarixdən bir dərs: Mazda Millenia

Miller dövrünün avtomobil tarixindəki ilk istehsal tətbiqi, 1994'cü ildə Mazda KJ-ZEM V6 mühərriki idi - Lysholm tipli bir superşarjla qidalanan bu mühərrik, istehsal xərci və mürəkkəbliyi səbəbindən Millenia adlı sedanın ticari uğurunu əldə edə bilmədi. Amma fikir tullantı deyildi: modern turbo benzinlilərin Miller vaxtlamasını məhz detasiya və istehlak problemini həll etmək üçün istifadə etməsi, o mühərrikin öncülük etdiyi yoldur.

"Atkinson"mı, "Miller"mi? Terminologiya mübahisəsi

Bir texniki dürüstlük qeydi edək. Toyota və bəzi istehsalçıların "Atkinson dövrü" dediyi şey, əslində müəyyən bir klapan vaxtlamasıdır: gec emiş klapanının bağlanması. Ədəbiyyatda bu tətbiqə "Miller vaxtlaması" da deyilir. Bəzi mühəndislik mənbələri fərqi belə qurur: təbii emişli və gec IVC-li mühərriklərə "Atkinson", məcburi qidalanan olanlara "Miller" deyilir. Başqa bir baxış bucağına görə isə adlandırma tamamilə ixtiyaridir; kritik olan, genişlənmiş dövrün IVC vaxtlaması ilə tətbiqidir və məcburi emiş istifadə olunub-olunmaması bu təsnifatı dəyişmir.

Tarixi öncəlik mübahisəsi də maraqlıdır. Körtingin 1891'cü ildə qısa sıxmalı və uzun genişlənməli bir qaz mühərriki etməsi, Charon'un 1888'cü ildə superşarjsız oxşar bir dövr üçün Fransız patent aldığı və 1927 tarihli raporlarda düşük oktanlı yanacaqlarda vərəntəni məhdudlaşdırmaq üçün klapan vaxtlandırması ilə effektiv sıxılmanı idarə etməyin belə seçim olaraq masada olduğu bilinirdi. Yəni "Atkinson" adı bugünkü tətbiqə Atkinsonun öz mexanizmindən daha az bənzəyir; amma mükafata layiq olan ideya - genişlənməni sıxılmadan ayırmaq - onundur.

Niyə hər benzin mühərriki Atkinson və ya Miller dövrü ilə işləmir?

Cavab məqalənin əsas oxunda gizlənib: bu dövrlər gücdən verim alınmasına səbəb olur. Elektrik mühərriki və ya turbokompressor olmayan adi bir benzində Atkinson dövrü, eyni həcmdən daha az güc və xüsusilə aşağı fırlanmada zəif moment deməkdir. Sürücü bunu hər hərəkətdə və hər ötürmədə hiss edir; istehsalçı üçün isə mühərriki daha böyük etmək lazımdır ki, eyni performansı versin - ki, bu da verim qazancını qismən geri alır. Miller dövrü turbokompressorla bu boşluğu bağlasa da, superşarjlı erkən tətbiqlərin göstərdiyi kimi maliyyə və mürəkkəblik əlavə edir.

Xülasə, məntiq zənciri belədir: Atkinson dövrü təkbaşına gücdən əl çəkib verim alır; hibrid sistem elektrik mühərriki ilə gücü geri qaytarır. Miller dövrü eyni verim məntiqini turbokompressorla birləşdirib gücü geri qaytarır. Hər iki yolda qarşınıza çıxan bərabərlik eynidir - genişlənməni sıxılmadan uzun saxlamaqla egzozdan qaçacaq enerjini işə çevirmək - və 2026-nın hibrid və turbo benzinli mühərriklərinin ən verimliləri hələ də bu 19-cu əsr ideyasının mühəndislik baxımından yetkinləşmiş formaları ilə işləyir.

Mənbələr

• Atkinson dövrü
• Miller dövrü
• Atkinson, Miller yoxsa Otto: Daxili yanma dövrləri izah olunur
• Atkinson yanma dövrü nədir və onun faydaları hansılardır?
• Miller dövrü mühərrikləri
• Toyota niyə Atkinson dövrü mühərriklərindən istifadə edir?
• Hava standartlı Atkinson və Otto dövrlərinin göstəricilərinin müqayisəsi
• Atkinson dövrü mühərrikinin layihələndirilməsi və optimallaşdırılması
• Miller dövrunun təsirləri üzrə eksperimental tədqiqat
• Bu az tanınan Mazda sedanı