Atkinson चक्र क्या है, और हाइब्रिड इंजनों में इसे क्यों पसंद किया जाता है?

Atkinson चक्र, अपनी शक्ति देकर ईंधन से बचत करने वाले इंजन की कहानी है; इसकी कमी को हाइब्रिड सिस्टम में इलेक्ट्रिक मोटर पूरा करता है।
Atkinson चक्र, अपनी शक्ति देकर ईंधन से बचत करने वाले इंजन की कहानी है; इसकी कमी को हाइब्रिड सिस्टम में इलेक्ट्रिक मोटर पूरा करता है।

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एटकिंसन चक्र एक आंतरिक दहन इंजन का कार्य सिद्धांत है, जिसमें संपीड़न अनुपात को विस्तार अनुपात से जानबूझकर छोटा रखकर दहन ऊर्जा का अधिक पूर्ण उपयोग किया जाता है, और इसके बदले में कम आरपीएम पर शक्ति का त्याग किया जाता है। हाइब्रिड वाहनों में इसे पसंद किए जाने का कारण सरल है: चूंकि विद्युत मोटर दक्षता हानि से आने वाली शक्ति की कमी को पूरा कर देती है, इंजन हर परिस्थिति में अपने सबसे किफायती क्षेत्र में काम कर सकता है।

मुख्य बातें

  • यह चक्र 1882 में ब्रिटिश इंजीनियर जेम्स एटकिंसन द्वारा पेटेंट कराया गया था।
  • आधुनिक अनुप्रयोग में इनटेक वाल्व तब तक खुला रहता है जब तक संपीड़न स्ट्रोक का 20-30% पूरा न हो जाए।
  • पहला सामूहिक उत्पादन वाला एटकिंसन चक्र वाला हाइब्रिड पावरट्रेन 1997 में Toyota Prius के साथ आया।
  • Toyota ने 2014 में घोषित एक पेट्रोल इंजन के साथ 38% अधिकतम तापीय दक्षता की सूचना दी।
  • फोर्स्ड इंडक्शन के साथ मिलाई गई यह वाल्व तकनीक मिलर चक्र कहलाती है।

एटकिंसन चक्र कैसे काम करता है?

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

एक ऑटो इंजन में चार-स्ट्रोक चक्र का तर्क स्पष्ट है: पिस्टन ऊपर जाते समय मिश्रण को संपीड़ित करता है, मिश्रण प्रज्वलित होता है, और पिस्टन नीचे आते समय कार्य उत्पन्न करता है। महत्वपूर्ण बिंदु यह है: संपीड़न अनुपात और विस्तार अनुपात एक-दूसरे के बराबर होते हैं, क्योंकि आप संपीड़न और विस्तार दोनों के लिए एक ही सिलेंडर आयतन का उपयोग करते हैं। एटकिंसन चक्र इस समानता को तोड़ता है। उद्देश्य यह है कि पावर स्ट्रोक के अंत में दहन कक्ष में गैस के दबाव को यथासंभव वायुमंडलीय दबाव के करीब लाया जाए; यानी दहन उत्पाद के भीतर की दबाव ऊर्जा को एग्जॉस्ट में भेजने से पहले यांत्रिक ऊर्जा में बदला जाए।

जेम्स एटकिंसन ने इसे 1880 के दशक में यांत्रिक रूप से हल किया। उनका पहला इंजन differential engine विपरीत-पिस्टन डिज़ाइन वाला था। 1887 का Cycle Engine डिज़ाइन, एक ओवर-सेंटर लिंक मैकेनिज्म के साथ चारों स्ट्रोक को एक ही क्रैंकशाफ्ट चक्कर में पूरा करवाता था; यह समाधान Otto के पेटेंट का उल्लंघन न करने के लिए भी विकसित किया गया था। उनके तीसरे डिज़ाइन Utilite Engine (1892 ब्रिटिश पेटेंट) में छोटा संपीड़न और अधिक लंबा विस्तार स्ट्रोक था। ये इंजन व्यावसायिक सफलता हासिल नहीं कर सके; लेकिन चक्र का थर्मोडायनामिक्स आज भी जीवित है, विशेष रूप से हाइब्रिड में।

आधुनिक इंजनों में वाल्व टाइमिंग के साथ सिमुलेशन

आज सड़कों पर आप जो एटकिंसन चक्र वाले इंजन देखते हैं, उनमें से कोई भी एटकिंसन के लिंक मैकेनिज्म नहीं रखता। आधुनिक विधि बहुत अधिक सुंदर है: इनटेक वाल्व को तब तक खुला छोड़ दिया जाता है जब तक पिस्टन संपीड़न स्ट्रोक का लगभग 20-30% हिस्सा पूरा न कर ले। जब पिस्टन ऊपर जाना शुरू करता है, तो सिलेंडर में ताजा मिश्रण का एक हिस्सा इनटेक मैनिफोल्ड में वापस धकेल दिया जाता है। परिणाम: सिलेंडर कभी भी पूरी तरह भरता नहीं है और प्रभावी संपीड़न अनुपात कम हो जाता है। इसके बदले विस्तार स्ट्रोक ज्यामितीय रूप से पूरी लंबाई में बना रहता है। यह दृष्टिकोण पहली पीढ़ी के Toyota Prius के 1NZ-FXE इंजन के साथ सामूहिक उत्पादन में आया और आज Toyota की Dynamic Force परिवार सहित कई इंजनों में उपयोग किया जाता है। डेसैक्स (desaxe) डिज़ाइन में क्रैंक शाफ्ट को सिलेंडर अक्ष से विस्थापित करके भी वही प्रभाव प्राप्त करना संभव है, न कि वाल्व टाइमिंग बदलकर।

इस स्थिति में, जिसमें विस्तार अनुपात संपीड़न अनुपात से बड़ा होता है, साहित्य में अति-विस्तार (over-expansion) कहा जाता है। अकादमिक मॉडल अध्ययन दर्शाते हैं कि समान परिचालन स्थितियों में एटकिंसन चक्र ऑटो चक्र की तुलना में अधिक ऊष्मीय दक्षता उत्पन्न कर सकता है; इसकी कीमत है सिलेंडर में कम हवा लेना, यानी कम शक्ति घनत्व।

हाइब्रिड इंजनों में एटकिंसन चक्र को क्यों वरीयता दी जाती है?

यहाँ की इंजीनियरिंग तर्क एक समझौते पर आधारित है। एटकिंसन चक्र अधिक कुशल है लेकिन कमजोर: यह उसी आकार के ऑटो इंजन जितनी हवा नहीं लेता, इसलिए विशेष रूप से कम आरपीएम पर टॉर्क और शक्ति खो देता है। एक सामान्य वाहन में यह नुकसान चालक द्वारा तुरंत महसूस किया जाता है और यह अस्वीकार्य होता है। लेकिन हाइब्रिड पावरट्रेन में आपके साथ एक विद्युत मोटर होती है जो किसी भी क्षण सक्रिय हो सकती है। शुरुआत में, चढ़ाई पर या त्वरण के अनुरोधों में आवश्यक अतिरिक्त टॉर्क विद्युत मोटर तुरंत प्रदान कर देती है; जबकि पेट्रोल इंजन इस दौरान अपने सबसे कुशल क्षेत्र में काम करता रहता है। जब एटकिंसन चक्र की शक्ति की कमी को विद्युत मोटर के टॉर्क से पूरा किया जाता है, तो दोनों तकनीकों के सर्वोत्तम पहलू एक साथ जोड़ दिए जाते हैं।

इसके अलावा, हाइब्रिड उपयोग प्रोफ़ाइल में शक्ति की मांग पहले से ही रुक-रुक कर आती है: स्थिर गति पर इंजन केवल गति बनाए रखने की शक्ति उत्पन्न करता है, और त्वरण पर विद्युत सक्रिय हो जाती है। यह एटकिंसन चक्र की कमजोरी को व्यवहार में शायद ही कभी दिखाई देने देता है। इसी तर्क पर बनाई गई पहली सामूहिक उत्पादन हाइब्रिड पावरट्रेन 1997 के अंत में Toyota Prius के साथ सड़कों पर आई; तब से यह चक्र Prius परिवार के अलावा Ford Fusion Hybrid, Ford C-Max Hybrid और कई Lexus मॉडलों में उपयोग किया गया है। दोनों तकनीकों की अनुकूलता का एक ठोस संकेत के रूप में: Toyota ने घोषणा की कि उसके 2014 में घोषित नई पीढ़ी के पेट्रोल इंजन ने %38 अधिकतम ऊष्मीय दक्षता प्राप्त की है; यह उस समय सामूहिक उत्पादन में दर्ज सर्वोच्च मूल्यों में से एक था।

और उन वाहनों में क्या जो हाइब्रिड नहीं हैं?

वेरिएबल वाल्व टाइमिंग के कारण इस चक्र का उपयोग क्लासिक इंजन में भी अंशकालिक मोड के रूप में करना संभव है: एटकिंसन मोड में अर्थव्यवस्था, ऑटो मोड में पारंपरिक शक्ति चरित्र। फिर भी, पूरी तरह एटकिंसन चक्र के लिए समर्पित इंजन आमतौर पर केवल हाइब्रिड में ही देखा जाता है, क्योंकि शक्ति प्रति इंजन विस्थापन कम होता है; समान प्रदर्शन देने के लिए बड़े विस्थापन की आवश्यकता इसे हर वाहन के लिए उचित नहीं बनाती।

ऑटो, एटकिंसन और मिलर चक्र के बीच अंतर क्या है?

ये तीनों चक्र अक्सर आपस में उलझा दिए जाते हैं, जबकि उनके बीच के अंतर स्पष्ट हैं। तुलना को एक ही तालिका में संक्षेप में प्रस्तुत करें:

विशेषताऑटोएटकिंसनमिलर
संपीड़न / विस्तार अनुपातएक-दूसरे के बराबरसंपीड़न छोटा, विस्तार पूर्णएटकिंसन की तरह पृथक
अनुप्रयोग विधिक्लासिक वाल्व टाइमिंगलंबे समय तक खुला रहने वाला इनटेक वाल्व या यांत्रिक लिंकेजवही वाल्व तकनीक साथ में जबरन इनटेक
टर्बोचार्जर / सुपरचार्जरअनिवार्य नहींआम तौर पर नहीं होतापहचानकर्ता घटक
कम आरपीएम पर शक्तिउच्चनिम्नफोर्स इंडक्शन से पूरा किया जाता है
आम उपयोगअधिकांश पेट्रोल इंजनहाइब्रिडसुपरचार्ज्ड दक्षता-केंद्रित इंजन

राल्फ मिलर ने 1957 में पेटेंट कराए अपने चक्र में एटकिंसन दृष्टिकोण की सबसे बड़ी कमी को, यानी कम आरपीएम पर शक्ति की हानि को लक्षित किया। समाधान एक सुपरचार्जर या टर्बोचार्जर था जो दबावयुक्त और इंटरकूल्ड इंटेक प्रदान करता है: दबावयुक्त भराव, कटे हुए प्रभावी संपीड़न से उत्पन्न आयतन हानि को वापस ला देता है। मिलर डिज़ाइन में अतिरिक्त इंटेक दबाव को निकालने वाला एक कंप्रेशन रिलीफ वाल्व भी प्रदान किया गया था। इस चक्र की सबसे प्रसिद्ध सीरियल प्रोडक्शन एप्लिकेशन 1994 में बाज़ार में आई Mazda Millenia बनी। व्यावहारिक सूत्र को आप इस प्रकार सारांशित कर सकते हैं: फोर्स्ड इंडक्शन के साथ चलने वाला एटकिंसन इंजन, परिभाषा के अनुसार एक मिलर इंजन है। एटकिंसन के अपने विचार के बहुत करीब एक शुरुआती उदाहरण चारोन चक्र भी है, बिना सुपरचार्जर वाले अपने संस्करण के साथ; फ्रांसीसी इंजीनियर चारोन ने इसे 1888 में पेटेंट कराया और 1889 के पेरिस प्रदर्शनी में प्रदर्शित किया था।

हर वाहन एटकिंसन चक्र का उपयोग क्यों नहीं करता?

उत्तर पावर डेंसिटी में है। एटकिंसन चक्र वाला इंजन उसी सिलेंडर आयतन वाले ओटो इंजन की तुलना में कम हवा पंप करने के कारण कम शक्ति उत्पन्न करता है। बिजली के सहारे के बिना एक वाहन में इस कमी को या तो बड़े इंजन से या अधिक आरपीएम से पूरा करना पड़ता है; दोनों ही ईंधन बचत के तर्क को कमज़ोर करते हैं। अधिकांश ऑटोमोबाइलों में प्रणोदन का कार्य अकेले आंतरिक दहन इंजन के अधीन होने के कारण, निर्माता वाल्व टाइमिंग, कंप्रेशन रेशियो और फोर्स्ड इंडक्शन जैसे उपकरणों के माध्यम से दक्षता और प्रदर्शन का संतुलन ओटो पक्ष में स्थापित करना पसंद करते हैं। एटकिंसन चक्र तभी पूरी तरह जीतता है जब इलेक्ट्रिक मोटर बैकअप पावर स्रोत के रूप में शामिल हो।

दक्षता लाभ कितना है?

कोई सटीक एकल संख्या देना कठिन है, क्योंकि लाभ इंजन आर्किटेक्चर, कंप्रेशन रेशियो और संचालन की शर्तों के अनुसार बदलता है। उपलब्ध डेटा परिमाण के बारे में विचार देता है: एक अकादमिक प्रयोगात्मक अध्ययन में एटकिंसन चक्र के लिए ट्यून किए गए इंजन में थर्मल दक्षता में %12.8 की वृद्धि, और 2024 के एक ऑप्टिमाइज़ेशन अध्ययन में ईंधन अर्थव्यवस्था में %7.67 तक का सुधार बताया गया। मिलर पक्ष में, फोर्स्ड इंडक्शन के संपीड़ित हवा हानि को कम करने के कारण एटकिंसन की तुलना में अधिक दक्ष व्यवस्था संभव है। इन संख्याओं का साझा आधार यह है: लाभ वास्तविक है लेकिन शर्तों पर निर्भर है, और इनमें से कोई भी इलेक्ट्रिक मोटर के टॉर्क समर्थन के बिना ड्राइविंग कैरेक्टर को बिगाड़े बिना पूरे वाहन रेंज पर लागू नहीं किया जा सकता।

निष्कर्ष: दक्षता और शक्ति के बीच जानबूझकर किया गया समझौता

एटकिंसन चक्र इंजीनियरिंग के सबसे पुराने और सबसे सुरुचिपूर्ण विचारों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है: यदि आप पूरी शक्ति का उपयोग नहीं कर सकते, तो अपने हाथ में बची ऊर्जा का पूरा उपयोग करें। इंटेक वाल्व को कुछ डिग्री और अधिक देर तक खुला रखकर संपीड़न को छोटा करता है, विस्तार को पूरा रखता है और एग्जॉस्ट में जाने वाली दबाव ऊर्जा को न्यूनतम तक ले आता है। यह अकेले पर्याप्त नहीं है, क्योंकि पसीने से कमाई गई दक्षता कम आरपीएम पर शक्ति के रूप में वापस चुकाई जाती है। हाइब्रिड ट्रांसमिशन यह कर्ज इलेक्ट्रिक टॉर्क से चुकाता है, इसलिए समीकरण पूरा हो जाता है; 1997 के पहले Prius से आज की हाइब्रिड श्रृंखला तक, इस जोड़ी की सफलता के पीछे छिपा थर्मोडायनामिक तर्क बिल्कुल यही है।

स्रोत