Atkinson সাইকেল কী এবং হাইব্রিড ইঞ্জিনে কেন এটি বেছে নেওয়া হয়?

অ্যাটকিনসন চক্র হলো একটি অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের ক্রিয়াকলাপের নীতি, যেখানে সংকোচন অনুপাতকে সম্প্রসারণ অনুপাতের চেয়ে ইচ্ছাকৃতভাবে ছোট রেখে দহন শক্তিকে আরও পূর্ণভাবে কাজে লাগানো হয় এবং এর বিনিময়ে কম রিভিউয়ের শক্তি ত্যাগ করা হয়। হাইব্রিড গাড়িতে এটি বেছে নেওয়ার কারণ সহজ: দক্ষতা হ্রাসের সাথে আসা শক্তির ঘাটতি বৈদ্যুতিক মোটর পূরণ করে দেয় বলে ইঞ্জিন প্রতিটি পরিস্থিতিতে সবচেয়ে জ্বালানি সাশ্রয়ী অঞ্চলে কাজ করতে পারে।

অ্যাটকিনসন চক্র কীভাবে কাজ করে?

একটি অটো ইঞ্জিনে চার-স্ট্রোক চক্রের যুক্তি স্পষ্ট: পিস্টন উপরে উঠতে গিয়ে মিশ্রণটি সংকোচন করে, মিশ্রণ জ্বলে ওঠে, পিস্টন নিচে নামার সময় কাজ উৎপন্ন হয়। সংকটপূর্ণ বিষয়টি হলো: সংকোচন অনুপাত এবং সম্প্রসারণ অনুপাত একে অপরের সমান, কারণ একই সিলিন্ডার আয়তন সংকোচন এবং সম্প্রসারণ উভয়ের জন্যই ব্যবহার করা হয়। অ্যাটকিনসন চক্র এই সমতা ভেঙে দেয়। উদ্দেশ্য হলো পাওয়ার স্ট্রোকের শেষে দহন কক্ষের গ্যাসের চাপকে যতটা সম্ভব বায়ুমণ্ডলীয় চাপের কাছাকাছি নিয়ে যাওয়া; অর্থাৎ দহনের উৎপাদের মধ্যে থাকা চাপ শক্তিকে এক্সহস্টে পাঠানোর আগে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তর করা।

জেমস অ্যাটকিনসন এটি 1880-এর দশকে যান্ত্রিকভাবে সমাধান করেন। তার প্রথম ইঞ্জিন differential engine ছিল বিপরীতমুখী পিস্টনবিশিষ্ট একটি নকশা। 1887 সালের Cycle Engine নকশাটি অতিরিক্ত-কেন্দ্র লিভার প্রক্রিয়ার মাধ্যমে চারটি স্ট্রোক একটি মাত্র ক্র্যাঙ্কশ্যাফ্ট ঘূর্ণনে সম্পন্ন হওয়ার সুযোগ দিত; এই সমাধানটি একই সাথে অটো প্যাটেন্টগুলো লঙ্ঘন না করার জন্যও তৈরি করা হয়েছিল। তার তৃতীয় নকশা Utilite Engine (1892 সালের ব্রিটিশ প্যাটেন্ট)-এ ছিল সংক্ষিপ্ত সংকোচন এবং আরও দীর্ঘ সম্প্রসারণ স্ট্রোক। এই ইঞ্জিনগুলো বাণিজ্যিক সাফল্য পায়নি; তবে চক্রটির থার্মোডাইনামিকস আজও বেঁচে আছে, বিশেষত হাইব্রিড গাড়িতে।

আধুনিক ইঞ্জিনে ভালভ টাইমিং দিয়ে অনুকরণ

আজ আপনি রাস্তায় যে অ্যাটকিনসন চক্রের ইঞ্জিনগুলো দেখতে পান, তার কোনোটিই অ্যাটকিনসনের লিভার প্রক্রিয়া বহন করে না। আধুনিক পদ্ধতি অনেক বেশি সূক্ষ্ম: ইনটেক ভালভটি পিস্টনের সংকোচন স্ট্রোকের প্রায় 20-30% অংশ সম্পন্ন না হওয়া পর্যন্ত খোলা রাখা হয়। পিস্টন উপরে উঠতে শুরু করলে সিলিন্ডারের তাজা মিশ্রণের একটি অংশ ইনটেক ম্যানিফোল্ডে ফিরে ঠেলে দেওয়া হয়। ফলাফল: সিলিন্ডার কখনোই সম্পূর্ণ ভরা হয় না এবং কার্যকর সংকোচন অনুপাত কমে যায়। এর বিপরীতে সম্প্রসারণ স্ট্রোক জ্যামিতিকভাবে পূর্ণ দৈর্ঘ্যে থেকে যায়। এই পদ্ধতিটি প্রথম প্রজন্মের টয়োটা প্রিয়াস-এর 1NZ-FXE ইঞ্জিন দিয়ে ভর উৎপাদনে এসেছিল এবং আজ টয়োটার Dynamic Force পরিবারসহ অসংখ্য ইঞ্জিনে ব্যবহৃত হচ্ছে। Supab টাইমিংয়ের পরিবর্তে ক্র্যাঙ্কশ্যাফ্টকে সিলিন্ডার অক্ষ থেকে সরিয়ে (desaxe ডিজাইন) একই প্রভাব অর্জন করাও সম্ভব।

সম্প্রসারণ অনুপাত সংকোচন অনুপাতের চেয়ে বড় হওয়া এই অবস্থাকে সাহিত্যে অতিরিক্ত সম্প্রসারণ (over-expansion) বলা হয়। একাডেমিক মডেল গবেষণাগুলো দেখায় যে, একই অপারেটিং অবস্থায় Atkinson চক্র Otto চক্রের তুলনায় বেশি তাপীয় দক্ষতা অর্জন করতে পারে; এর বিনিময়ে হলো সিলিন্ডারে কম বাতাস প্রবেশ, অর্থাৎ কম শক্তি ঘনত্ব।

হাইব্রিড ইঞ্জিনে Atkinson চক্র কেন পছন্দ করা হয়?

এখানকার প্রকৌশলগত যুক্তি একটি সমঝোতার উপর প্রতিষ্ঠিত। Atkinson চক্র বেশি দক্ষ কিন্তু দুর্বলতর: একই আকারের একটি Otto ইঞ্জিনের মতো বাতাস না নেওয়ার কারণে বিশেষ করে কম আরপিএম-এ টর্ক ও ক্ষমতা হারায়। সাধারণ একটি গাড়িতে এই ক্ষতি চালক দ্বারা সঙ্গে সঙ্গে অনুভূত হয় এবং অগ্রহণযোগ্য। কিন্তু হাইব্রিড পাওয়ারট্রেনে আপনার সঙ্গে যেকোনো মুহূর্তে সক্রিয় হতে পারে এমন একটি ইলেকট্রিক মোটর থাকে। চালু হওয়া, ঢালু পথে বা ত্বরাণ্বিত হওয়ার অনুরোধে প্রয়োজনীয় অতিরিক্ত টর্ক ইলেকট্রিক মোটর সঙ্গে সঙ্গে সরবরাহ করে; পেট্রোল ইঞ্জিন তখন তার নিজের সবচেয়ে দক্ষ অঞ্চলে চলতে থাকে। Atkinson চক্রের ক্ষমতার ঘাটতি ইলেকট্রিক মোটরের টর্ক দিয়ে পূরণ করা হলে দুটি প্রযুক্তির সেরা দিকগুলো একত্রিত হয়।

এছাড়া হাইব্রিড ব্যবহারের প্রোফাইলে ক্ষমতার চাহিদা ইতিমধ্যেই বিরতিহীন: ধ্রুবক গতিতে ইঞ্জিন কেবল ধারণকারী শক্তি উৎপাদন করে, ত্বরান্বিত হওয়ার সময় বিদ্যুৎ সক্রিয় হয়। এটি বাস্তবে Atkinson চক্রের দুর্বলতাকে বিরলভাবেই প্রকাশ করে। এই যুক্তিতে নির্মিত প্রথম সিরিয়াল হাইব্রিড ট্রান্সমিশন 1997 সালের শেষে Toyota Prius -এর সাথে রাস্তায় নেমে আসে; সেই দিন থেকে এই চক্র Prius পরিবারের পাশাপাশি Ford Fusion Hybrid, Ford C-Max Hybrid এবং অনেক Lexus মডেলে ব্যবহৃত হয়েছে। দুটি প্রযুক্তির সামঞ্জস্যের একটি কংক্রিট নির্দেশক হিসেবে: Toyota 2014 সালে ঘোষণা করেছিল যে তার নতুন প্রজন্মের পেট্রোল ইঞ্জিন %38 সর্বোচ্চ তাপীয় দক্ষতায় পৌঁছেছে; এটি তখনকার সময়ে সিরিয়াল উৎপাদনে রেকর্ড করা সর্বোচ্চ মানগুলোর মধ্যে একটি ছিল।

আর হাইব্রিড নয় এমন গাড়িগুলোতে কী?

ভেরিয়েবল ভাল্ব টাইমিংয়ের সৌজন্যে এই চক্রটিকে একটি ক্লাসিক ইঞ্জিনে পার্ট-টাইম মোড হিসেবে ব্যবহার করা সম্ভব: Atkinson মোডে অর্থনীতি, Otto মোডে ঐতিহ্যবাহী ক্ষমতা বৈশিষ্ট্য। তবুও সম্পূর্ণরূপে Atkinson চক্রে নিবেদিত একটি ইঞ্জিন, প্রতি ইউনিট ক্ষমতার জন্য সিলিন্ডার আয়তন কম হওয়ায় সাধারণত শুধুমাত্র হাইব্রিডে দেখা যায়; সমতুল্য কর্মক্ষমতা প্রদানের জন্য বড় আয়তন প্রয়োজন হওয়ায় এটি প্রতিটি গাড়ির জন্য যুক্তিসঙ্গত করে না।

Otto, Atkinson ও Miller চক্রের মধ্যে পার্থক্য কী?

এই তিনটি চক্র ঘন ঘন একে অপরের সঙ্গে বিভ্রান্ত হয়, যদিও তাদের পার্থক্যগুলো স্পষ্ট। তুলনাটি একটি টেবিলে সংগ্রহ করি:

Ralph Miller 1957 সালে তার পেটেন্ট করা চক্রে Atkinson পদ্ধতির সবচেয়ে বড় দুর্বলতা, অর্থাৎ কম ঘূর্ণনে শক্তি হ্রাসের সমস্যা সমাধানের লক্ষ্য রেখেছিলেন। সমাধান ছিল চাপযুক্ত এবং ইন্টারকুলড ইনটেক প্রদানকারী একটি সুপারচার্জার বা টার্বোচার্জার: চাপযুক্ত ভর্তি সংকুচিত কার্যকর কম্প্রেশনের কারণে সৃষ্ট আয়তনের ক্ষতি পুনরুদ্ধার করে। মিলারের ডিজাইনে অতিরিক্ত ইনটেক চাপ নিষ্কাশনের জন্য একটি কম্প্রেশন রিলিফ ভালভও অন্তর্ভুক্ত ছিল। সাইকেলের সবচেয়ে পরিচিত সিরিয়াল উৎপাদন প্রয়োগ ছিল Mazda Millenia, যা 1994 সালে বাজারে এসেছিল। ব্যবহারিক সূত্রটি এভাবে সারসংক্ষেপ করা যেতে পারে: ফোর্সড ইনটেক দিয়ে চলা একটি অ্যাটকিনসন ইঞ্জিন সংজ্ঞাগতভাবে একটি মিলার ইঞ্জিন। অ্যাটকিনসনের নিজস্ব ধারণার খুব কাছাকাছি একটি প্রাথমিক উদাহরণ হলো সুপারচার্জারবিহীন সংস্করণের সাথে চ্যারন সাইকেল; ফরাসি প্রকৌশলী চ্যারন এটি 1888 সালে প্যাটেন্ট করান এবং 1889 সালের প্যারিস প্রদর্শনীতে প্রদর্শন করেন।

প্রতিটি গাড়ি কেন অ্যাটকিনসন সাইকেল ব্যবহার করে না?

উত্তরটি পাওয়ার ঘনত্বে। অ্যাটকিনসন সাইকেলের একটি ইঞ্জিন একই সিলিন্ডার আয়তনের অটো ইঞ্জিনের চেয়ে কম বাতাস পাম্প করে বলে কম ক্ষমতা উৎপাদন করে। বৈদ্যুতিক সহায়তা ছাড়া একটি গাড়িতে এই ঘাটতি হয় বড় ইঞ্জিন দিয়ে নয়তো বেশি আরপিএম দিয়ে পূরণ করতে হয়; উভয়ই জ্বালানি সাশ্রয়ের যুক্তিকে দুর্বল করে। গাড়ির সংখ্যাগরিষ্ঠ ক্ষেত্রে চালনার দায়িত্ব একচেটিয়াভাবে অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনের উপর থাকায়, নির্মাতারা দক্ষতা ও কর্মক্ষমতার ভারসাম্য ভালভ টাইমিং, কম্প্রেশন রেশিও এবং ফোর্সড ইনটেকের মতো হাতিয়ার দিয়ে অটোর পক্ষে স্থাপন করতে পছন্দ করেন। অ্যাটকিনসন সাইকেল কেবল তখনই পূর্ণ অর্থে জেতে যখন বৈদ্যুতিক মোটর অতিরিক্ত শক্তির উৎস হিসেবে টেবিলে বসে।

দক্ষতা লাভ কত?

একটি নির্দিষ্ট একক সংখ্যা দেওয়া কঠিন, কারণ লাভটি ইঞ্জিন আর্কিটেকচার, কম্প্রেশন রেশিও এবং অপারেটিং অবস্থার উপর নির্ভর করে। প্রাপ্ত ডেটা মাত্রা সম্পর্কে ধারণা দেয়: একটি একাডেমিক পরীক্ষামূলক গবেষণায় অ্যাটকিনসন সাইকেলের জন্য টিউন করা একটি ইঞ্জিনে তাপীয় দক্ষতায় %12,8 বৃদ্ধি এবং 2024 সালের একটি অপ্টিমাইজেশন গবেষণায় জ্বালানি অর্থনীতিতে %7,67 পর্যন্ত উন্নতির কথা জানানো হয়েছে। মিলারের দিক থেকে, যেহেতু ফোর্সড ইনটেক চাপযুক্ত বাতাসের ক্ষতি হ্রাস করে, অ্যাটকিনসনের তুলনায় আরও দক্ষ একটি ব্যবস্থা সম্ভব হয়। এই সংখ্যাগুলোর সাধারণ উপসংহার হলো: লাভ বাস্তব কিন্তু শর্তসাপেক্ষ, এবং বৈদ্যুতিক মোটরের টর্ক সহায়তা ছাড়া কোনোটিই ড্রাইভিং চরিত্রকে না বদলে পুরো গাড়ির রেঞ্জে প্রয়োগ করা যায় না।

উপসংহার: দক্ষতা ও ক্ষমতার মধ্যে সচেতন সমঝোতা

অ্যাটকিনসন সাইকেল প্রকৌশলের অন্যতম প্রাচীন ও সূক্ষ্ম ধারণার প্রতিনিধিত্ব করে: আপনি যদি সমস্ত ক্ষমতা ব্যবহার করতে না পারেন, তবে আপনার হাতে থাকা শক্তিটি সম্পূর্ণরূপে ব্যবহার করুন। ইনটেক ভালভটি আরও কয়েক ডিগ্রি দীর্ঘ খোলা রেখে কম্প্রেশন সংকুচিত করে, এক্সপ্যানশনটি পূর্ণ রাখে এবং এক্সহস্টে চলে যাওয়া চাপ শক্তিকে ন্যূনতমে নামিয়ে আনে। এটা একাই যথেষ্ট নয়, কারণ ঘামের ফোঁটায় অর্জিত দক্ষতা কম রেভ শক্তি হিসেবে ফিরিয়ে দিতে হয়। হাইব্রিড ট্রান্সমিশন এই ঋণ ইলেকট্রিক টর্ক দিয়ে পরিশোধ করে বলে সমীকরণটা মিলে যায়; 1997 সালের প্রথম Prius থেকে আজকের হাইব্রিড লাইনআপ পর্যন্ত এই জুটির সাফল্যের পেছনে থার্মোডাইনামিক যুক্তিটাও ঠিক এটাই।

তথ্যসূত্র

• Atkinson cycle
• What Is the Atkinson Combustion Cycle, and What Are Its Benefits? - Car and Driver
• Atkinson Cycle Engines - DieselNet
• Miller cycle - Wikipedia
• Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles - ScienceDirect (Hou, 2007)
• Effect of Atkinson cycle coupling compression ratio - ScienceDirect (Zhu, 2024)
• Theoretical and Experimental Investigation of the Performance of an Atkinson Cycle Engine - ResearchGate
• Toyota Gasoline Engine Achieves Thermal Efficiency Of 38 Percent - Green Car Reports
• Why does Toyota use Atkinson cycle engines? - Toyota UK Magazine
• Atkinson-Miller cycle - MVWautomotive
• Miller vs Otto vs Atkinson Cycle Engines - TorqueCars