অ্যাটকিনসন ও মিলার সাইকেল: দক্ষতার জন্য ক্ষমতার ত্যাগ

অ্যাটকিনসন চক্র সম্প্রসারণ স্ট্রোককে সংকোচন স্ট্রোকের চেয়ে দীর্ঘ রেখে জ্বালানির তাপ শক্তির অধিক অংশকে যান্ত্রিক কার্যে রূপান্তরিত করে; মিলার চক্র হলো একই কৌশলের টার্বোচার্জ বা সুপারচার্জ সহায়তার সঙ্গে একত্রিত রূপ। দুটোই ক্ষমতার একটি অংশ ছেড়ে দিয়ে দক্ষতা অর্জন করে - এবং ঠিক এই কারণেই হাইব্রিড সিস্টেম ও আধুনিক টার্বো পেট্রোল ইঞ্জিনের সঙ্গে এগুলো অর্থবহ হয়ে ওঠে। এই নিবন্ধে আমি দুটি চক্রের সাধারণ যুক্তি, সংকোচন ও সম্প্রসারণ অনুপাতের পার্থক্য এবং কোন গাড়িতে কেন এগুলো কাজে লাগে তা ব্যাখ্যা করছি।

অ্যাটকিনসন ও মিলার চক্র কী, অটো চক্র থেকে কতটা ভিন্ন?

1876 সালে নিকোলাউস অটো কর্তৃক উন্নত চার-স্ট্রোক চক্র - ইনটেক, সংকোচন, দহন ও নিষ্কাশন - আজ পেট্রোল ইঞ্জিনের বাস্তব মান। অটো চক্রে পিস্টন, ইনটেক স্ট্রোকে গৃহীত বায়ু-জ্বালানি মিশ্রণকে নিষ্কাশন ভালভ বন্ধ হওয়ার সঙ্গে সঙ্গে সংকোচন করা শুরু করে। সংকোচন ও সম্প্রসারণ স্ট্রোক জ্যামিতিকভাবে সমান এবং ইঞ্জিন তার দক্ষতা মূলত এই সংকোচন অনুপাতকে নকিং সীমা যতটা অনুমতি দেয় তত বাড়ানো থেকে লাভ করে।

জেমস অ্যাটকিনসনের 1882 সালের ধারণাটি ছিল এই প্রতিসাম্যকে ইচ্ছাকৃতভাবে ভাঙা। সম্প্রসারণ স্ট্রোক সংকোচন স্ট্রোকের চেয়ে দীর্ঘ হলে, দহন গ্যাসগুলো পিস্টনের ক্ষমতায় রূপান্তরিত না হওয়া পর্যন্ত নিষ্কাশন ভালভ দিয়ে বাইরে বেরিয়ে যায় না। অ্যাটকিনসন প্রাথমিকভাবে এই ধারণাটি জটিল ক্র্যাংক প্রক্রিয়া দিয়ে সমাধান করতেন; তাঁর cycle engine নামের নকশাটি একটি সংযোগ ব্যবস্থার মাধ্যমে এক ক্র্যাংক ঘূর্ণনে চারটি স্ট্রোক সম্পন্ন করত। এটি দক্ষ ছিল কিন্তু উচ্চ ঘূর্ণনে ভারসাম্য রাখা কঠিন, যান্ত্রিকভাবে অনাড়ম্বর একটি কাঠামো ছিল এবং বাণিজ্যিকভাবে ব্যাপক হয়নি।

আধুনিক সমাধান অনেক বেশি পরিশীলিত: কোনো ক্র্যাংক প্রক্রিয়া স্পর্শ না করে, কেবল ইনটেক ভালভের বন্ধ হওয়া বিলম্বিত করে একই প্রভাব অর্জন করা। রালফ মিলার 1956 সালে পেটেন্ট করা এবং আজ প্রাকৃতিক অ্যাসপিরেটেড ও টার্বোচার্জড উভয় ধরনের ইঞ্জিনে প্রয়োগ করা পদ্ধতির ভিত্তি ঠিক এটাই।

দক্ষতার উৎস: সংকোচন অনুপাত নয়, সম্প্রসারণ অনুপাত

এখানকার যুক্তির শৃঙ্খলটি দুটি চক্রের সমগ্র পার্থক্য ব্যাখ্যা করে। ইনটেক ভালভ স্বাভাবিকের চেয়ে দেরিতে বন্ধ হলে (সাহিত্যে যাকে LIVC বলা হয়), পিস্টন সংকোচন স্ট্রোক শুরু করার পরেও কিছু সময় ইনটেক চালিয়ে যায় এবং মিশ্রণের একটি অংশ ম্যানিফোল্ডে ফিরিয়ে দেয়। ফলাফল: সিলিন্ডারে প্রবেশকারী কার্যকর বায়ুর পরিমাণ কমে যায় এবং কার্যকর সংকোচন অনুপাত কমে যায়। তবে পিস্টনের নিম্নগমন - অর্থাৎ সম্প্রসারণ স্ট্রোক - জ্যামিতিকভাবে অপরিবর্তিত থাকায় সম্প্রসারণ অনুপাত অপরিবর্তিত থাকে। এভাবে সংকোচন অনুপাত, সম্প্রসারণ অনুপাতের চেয়ে ছোট হয়ে যায়।

এই পার্থক্য কেন দক্ষতা অর্জন করায়? কারণ সংকোচনের কাজে ব্যয়িত শক্তি কমার সময়, দহন শক্তির সম্প্রসারণের ওপর যান্ত্রিক কাজে রূপান্তরিত হওয়ার সময়কাল দীর্ঘ হয়। লক্ষ্য হলো, শক্তি স্ট্রোকের শেষে সিলিন্ডারের ভেতরের গ্যাসের চাপকে বায়ুমণ্ডলীয় চাপের যথাসম্ভব কাছাকাছি নিয়ে আসা; নিষ্কাশন ভালভ খোলার সময় যদি এখনও উচ্চচাপযুক্ত গ্যাস থাকে, তবে সেই শক্তি অপচয় হয়ে গেছে বলে ধরা হয়। প্রচলিত একটি ইঞ্জিনে নিষ্কাশন গ্যাস 3–7 বার চাপে এবং 1000 °C পর্যন্ত তাপমাত্রায় বাইরে বেরিয়ে যায় - দহন শক্তির এক-তৃতীয়াংশ থেকে অর্ধেক পর্যন্ত কোনো কাজে না আসাই নিষ্কাশন পাইপে চলে যায়।

দেরিতে বন্ধ করা একমাত্র বিকল্প নয়। অগ্রিম ইনটেক ভালভ বন্ধকরণ (EIVC) একই ফলাফল দেয়: ভালভ স্ট্রোকের শুরুতেই বন্ধ হয় এবং পিস্টন নিচে নামার সময় সিলিন্ডারে হালকা ভ্যাকুয়াম তৈরি হয়, মিশ্রণটি প্রায় নিজেই সম্প্রসারিত হয়ে ভেতরে টানা হয়। দুই কৌশলের মধ্যে তাপীয় ব্যবস্থাপনা ও পাম্প ক্ষতির দিক থেকে পার্থক্য রয়েছে; সমুদ্রযাত্রার ইঞ্জিনে করা গবেষণায় দেখা গেছে, ভালভ অতিরিক্ত অগ্রিম বন্ধ করলে জ্বালানি খরচ বেড়ে যেতে পারে।

অটো, অ্যাটকিনসন ও মিলার চক্র পাশাপাশি

হাইব্রিড গাড়িতে অ্যাটকিনসন চক্র কেন ব্যবহৃত হয়?

অ্যাটকিনসন চক্রের মূল্য স্পষ্ট: দেরিতে বন্ধ হওয়া ইনটেক ভালভ একই সিলিন্ডার আয়তনে কম বাতাস প্রবেশের দিকে পরিচালিত করে। শক্তির ঘনত্ব কমে যায়; সর্বোচ্চ টর্ক ও সিলিন্ডারপ্রতি গড় কার্যকর চাপ হ্রাস পায়। একই আকারের একটি অটো ইঞ্জিনের তুলনায় কম শক্তি উৎপাদনকারী, বিশেষত কম আরপিএম-এ দুর্বল টর্কসম্পন্ন একটি ইঞ্জিন পাবেন। শুধুমাত্র পেট্রোলচালিত একটি গাড়ির জন্য এটি এমন একটি অসুবিধা, যা চালক প্রতিবার অ্যাক্সিলারেটরে চাপ দিলেই অনুভব করবেন।

হাইব্রিড সিস্টেম ঠিক এই অসুবিধাটিই পূরণ করে। বৈদ্যুতিক মোটর শূন্য থেকেই তাৎক্ষণিক টর্ক উৎপাদন করে; ইঞ্জিনের সবচেয়ে দুর্বল কার্যকরী পরিসর - কম আরপিএম ও পূর্ণ লোড অঞ্চল - গ্রহণ করে নেয়। ফলে পেট্রোল ইঞ্জিন প্রায় সবসময় লোড ও আরপিএম ম্যাপের সবচেয়ে দক্ষ রেখায় কাজ করতে পারে। এই সমন্বয় প্রথমবারের মতো 1997 সালের শেষে প্রথম প্রজন্মের Toyota Prius-এ উৎপাদন লাইনে প্রবেশ করে এবং সেই দিন থেকে হাইব্রিড ট্রান্সমিশনের আদর্শ সূত্র হয়ে উঠেছে।

প্রয়োগের উদাহরণগুলো স্পষ্ট: প্রাথমিক Prius-গুলোতে থাকা 1NZ-FXE, Toyota Dynamic Force ইঞ্জিন পরিবার, Ford-এর C-Max ও Fusion হাইব্রিড এবং Lexus-এর হাইব্রিড মডেলগুলো এই একই যুক্তি ভাগ করে নেয়। প্রযুক্তির উদ্ভাবন থেকে উৎপাদন লাইনে প্রবেশ পর্যন্ত ঠিক 100 বছর সময় লেগেছিল - বৈদ্যুতিক মোটর ছাড়া এই চক্রের শক্তির ঘাটতি কারও কাছে বিক্রি করা যেত না।

মিলার চক্র টার্বো পেট্রোল ইঞ্জিনকে কী সুবিধা দেয়?

Atkinson-এর ক্ষমতার ঘাটতি পূরণ করার দ্বিতীয় উপায় হলো সিলিন্ডারে আরও বেশি বাতাস সংকুচিত করা। Miller চক্র ঠিক এটাই: দেরিতে ইনটেক ভাল্ভ বন্ধ হওয়ার ফলে কমে যাওয়া কার্যকর সংকোচন অনুপাত, টার্বোচার্জার বা সুপারচার্জারের দেওয়া অতিরিক্ত বাতাস দিয়ে পূরণ করা হয়। মিশ্রণ বায়ুমণ্ডলীয় চাপের চেয়ে বেশি চাপে সিলিন্ডারে প্রবেশ করে; ইঞ্জিন একদিকে Miller টাইমিং-এর দক্ষতা পায়, অন্যদিকে প্রত্যাশিত ক্ষমতাও উৎপাদন করে।

টার্বো পেট্রোল ইঞ্জিনে এই পদ্ধতির আলাদা মূল্য আছে: নকিং নিয়ন্ত্রণ। নকিং হলো সংকুচিত মিশ্রণের স্পার্ক প্লাগের স্ফুলিঙ্গের অপেক্ষা না করে নিজে থেকেই জ্বলে ওঠা, এবং উচ্চ সংকোচন অনুপাত ও উচ্চ ফিল চাপ এই ঝুঁকি বাড়ায়। ঐতিহ্যগত সমাধান হলো জ্যামিতিক সংকোচন অনুপাত কমানো - যা জ্বালানি সাশ্রয়ের লাভটিও সঙ্গে করে নিয়ে যায়। Miller চক্র এই দ্বিধার সমাধান করে: জ্যামিতিক অনুপাত উঁচু রাখা যায়, কিন্তু সংকোচনের মুহূর্তে কার্যকর অনুপাত দেরিতে বন্ধ হওয়া ভাল্ভের কারণে সীমিত থাকে। ডাউনসাইজড টার্বোচার্জড ইঞ্জিনে এটি একটি প্রচলিত নকিং হ্রাস কৌশল।

সংখ্যাগত লাভও পরিমাপযোগ্য মাত্রায় আছে। Miller চক্র, আংশিক লোডে কমে যাওয়া পাম্পিং ক্ষতি, উন্নত দক্ষতা এবং NOx নির্গমনের হ্রাসের সঙ্গে, তুলনীয় ঐতিহ্যবাহী ইঞ্জিনের তুলনায় সুস্পষ্ট জ্বালানি সাশ্রয় প্রদান করে; প্রাথমিক উৎপাদন প্রয়োগে উল্লিখিত সংখ্যাগুলোর মধ্যে রয়েছে %10–15 খরচ হ্রাস। উচ্চ বুস্টের সঙ্গে মিলিত হলে জ্বালানি সাশ্রয় এবং নকিং প্রতিরোধে একসঙ্গে উন্নতির সম্ভাবনা বহন করে বলে দেখানো হয়েছে।

ইতিহাস থেকে একটি শিক্ষা: Mazda Millenia

Miller চক্রের অটোমোবাইল ইতিহাসে প্রথম উৎপাদন প্রয়োগ ছিল 1994 সালের Mazda KJ-ZEM V6 ইঞ্জিন - Lysholm ধরনের সুপারচার্জার দিয়ে চালিত এই ইঞ্জিন, উৎপাদন খরচ ও জটিলতার কারণে Millenia নামের সেডানের বাণিজ্যিক সাফল্য ধরতে পারেনি। কিন্তু ধারণাটি অপ্রয়োজনীয় ছিল না: আধুনিক টার্বো পেট্রোল ইঞ্জিনের Miller টাইমিং ব্যবহার ঠিক নকিং ও খরচের সমস্যা সমাধানের জন্যই, যে পথের পথিকৃৎ ছিল সেই ইঞ্জিন।

"Atkinson" নাকি "Miller"? পরিভাষা নিয়ে বিতর্ক

একটি কারিগরি সততার নোট যোগ করা যাক। Toyota এবং কিছু নির্মাতা যাকে "Atkinson চক্র" বলে অভিহিত করে, বাস্তবে সেটি একটি নির্দিষ্ট ভাল্ভ টাইমিং: দেরিতে ইনটেক ভাল্ভ বন্ধ হওয়া। সাহিত্যে এই প্রয়োগকে "Miller টাইমিং"ও বলা হয়। কিছু প্রকৌশল সূত্র পার্থক্যটি এভাবে করে: স্বাভাবিক অ্যাসপিরেটেড এবং দেরিতে IVC-যুক্ত ইঞ্জিনকে "Atkinson", জোরপূর্বক ফিডযুক্ত ইঞ্জিনকে "Miller" বলা হয়। আরেকটি দৃষ্টিভঙ্গি অনুযায়ী নামকরণ সম্পূর্ণ স্বেচ্ছাচারী; গুরুত্বপূর্ণ হলো over-expanded চক্রটির IVC টাইমিং দিয়ে প্রয়োগ, এবং জোরপূর্বক ইনটেক ব্যবহার হোক বা না হোক তা এই শ্রেণিবিভাগ বদলায় না।

ঐতিহাসিক অগ্রাধিকারের বিতর্কটিও আকর্ষণীয়। Körting 1891 সালে ছোট সংকোচন ও দীর্ঘ সম্প্রসারণবিশিষ্ট একটি গ্যাস ইঞ্জিন তৈরি করেছিল, Charon 1888 সালে সুপারচার্জবিহীন একই রকম চক্রের জন্য ফরাসি প্যাটেন্ট পেয়েছিল এবং 1927 সালের প্রতিবেদনে কম অক্টেন জ্বালানিতে নকিং সীমিত করতে ভালভ টাইমিং দিয়ে কার্যকর সংকোচন নিয়ন্ত্রণও বিকল্প হিসেবে আলোচনায় ছিল তা জানা যায়। অর্থাৎ "Atkinson" নামটি আজকের প্রয়োগের সঙ্গে Atkinson-এর নিজস্ব প্রক্রিয়ার চেয়েও কম মিল রাখে; তবে পুরস্কারের যোগ্য ধারণাটি - সম্প্রসারণকে সংকোচন থেকে আলাদা করা - তারই সৃষ্টি।

প্রতিটি পেট্রোল ইঞ্জিন Atkinson বা Miller চক্রে চলে না কেন?

উত্তরটি নিবন্ধের মূল বক্তব্যের মধ্যেই লুকিয়ে আছে: এই চক্রগুলো দক্ষতার জন্য ক্ষমতা ছাড় দেয়। ইলেকট্রিক মোটর বা টার্বোচার্জবিহীন একটি সাধারণ পেট্রোল ইঞ্জিনে Atkinson চক্রের অর্থ হলো একই সিলিন্ডার আয়তন থেকে কম ক্ষমতা এবং বিশেষত কম আরপিএম-এ দুর্বল টর্ক। চালক প্রতিবার স্টার্ট দেওয়ার সময় এবং প্রতিটি ওভারটেকিংয়ে সেটি অনুভব করেন; আর উৎপাদকের জন্য একই পারফরম্যান্স দিতে হলে ইঞ্জিনটি বড় করতে হয় - যা দক্ষতার লাভের কিছুটা ফেরত নিয়ে নেয়। Miller চক্র টার্বোচার্জ দিয়ে এই ঘাটতি পূরণ করলেও, সুপারচার্জযুক্ত প্রাথমিক প্রয়োগগুলো যেমন দেখিয়েছে, এতে খরচ ও জটিলতা যোগ হয়।

সারসংক্ষেপে যুক্তিটি এরকম: Atkinson চক্র একাই ক্ষমতা ছেড়ে দিয়ে দক্ষতা অর্জন করে; হাইব্রিড সিস্টেম ইলেকট্রিক মোটর দিয়ে ক্ষমতা ফিরিয়ে আনে। Miller চক্র একই দক্ষতার সূত্রের সঙ্গে টার্বোচার্জ যুক্ত করে ক্ষমতা ফিরিয়ে আনে। দুই পথেই সামনে আসা সমীকরণ একই - সম্প্রসারণকে সংকোচনের চেয়ে দীর্ঘ রেখে এক্সহস্ট দিয়ে বেরিয়ে যাওয়া শক্তিকে কাজে রূপান্তর করা - এবং 2026 সালের হাইব্রিড ও টার্বো পেট্রোল ইঞ্জিনগুলোর সবচেয়ে দক্ষগুলো এখনও এই 19 শ তকের ধারণার প্রকৌশলগতভাবে পরিণত রূপেই চলছে।

তথ্যসূত্র

• Atkinson cycle
• Miller cycle
• Atkinson, Miller, or Otto: Internal Combustion Cycles Explained
• What Is the Atkinson Combustion Cycle, and What Are Its Benefits?
• Miller Cycle Engines
• Why does Toyota use Atkinson cycle engines?
• Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles
• Design and optimization of an Atkinson cycle engine
• Experimental study on the effects of the Miller cycle
• This Obscure Mazda Sedan