एटकिंसन और मिलर चक्र: दक्षता के लिए शक्ति से किया गया समझौता

एटकिंसन चक्र विस्तार स्ट्रोक को संपीड़न स्ट्रोक से अधिक लंबा रखकर ईंधन की ऊष्मा ऊर्जा का अधिक भाग यांत्रिक कार्य में बदलता है, जबकि मिलर चक्र उसी तकनीक का टर्बोचार्जर या सुपरचार्जर सहायता के साथ मिला रूप है। दोनों ही शक्ति के एक हिस्से का त्याग करके दक्षता प्राप्त करते हैं - और ठीक इसीलिए वे हाइब्रिड सिस्टम और आधुनिक टर्बो पेट्रोल इंजनों के साथ सार्थक होते हैं। इस लेख में मैं दोनों चक्रों के सामान्य तर्क, संपीड़न और विस्तार अनुपात के अंतर और किस वाहन में क्यों उपयोगी है, समझाता हूँ।

एटकिंसन और मिलर चक्र क्या हैं, ऑटो चक्र से कितने अलग हैं?

1876 में निकोलस ऑटो द्वारा विकसित चार-स्ट्रोक चक्र - इंटेक, संपीड़न, दहन और एग्जॉस्ट - आज पेट्रोल इंजनों का वास्तविक मानक है। ऑटो चक्र में पिस्टन, इंटेक स्ट्रोक में ली गई हवा-ईंधन के मिश्रण को एग्जॉस्ट वाल्व बंद होते ही संपीड़ित करना शुरू कर देता है। संपीड़न और विस्तार स्ट्रोक ज्यामितीय रूप से बराबर होते हैं और इंजन अपनी दक्षता का अधिकांश भाग इसी संपीड़न अनुपात को नॉकिंग सीमा तक जितना बढ़ाया जा सकता है, उससे प्राप्त करता है।

जेम्स एटकिंसन का 1882 का विचार इस समरूपता को जानबूझकर तोड़ने का था। यदि विस्तार स्ट्रोक संपीड़न स्ट्रोक से अधिक लंबा हो, तो दहन गैसें पिस्टन को शक्ति के रूप में परिवर्तित हुए बिना एग्जॉस्ट वाल्व से बाहर नहीं निकलतीं। एटकिंसन ने शुरू में यह विचार जटिल क्रैंक तंत्रों से हल किया; cycle engine नामक उसके डिज़ाइन ने एक क्रैंक चक्र में चारों स्ट्रोक एक लिंकेज व्यवस्था से पूरे किए। यह कुशल था लेकिन उच्च आरपीएम पर संतुलित करना कठिन, यांत्रिक रूप से भारी संरचना थी और व्यावसायिक रूप से व्यापक नहीं हुआ।

आधुनिक समाधान कहीं अधिक सुंदर है: किसी क्रैंक तंत्र को छुए बिना, केवल इंटेक वाल्व के बंद होने में देरी करके वही प्रभाव प्राप्त करना। राल्फ मिलर द्वारा 1956 में पेटेंट कराया गया और आज एटमॉस्फेरिक और टर्बो-चार्ज्ड दोनों इंजनों में लागू किया जाने वाला दृष्टिकोण ठीक यही है।

दक्षता का स्रोत: संपीड़न अनुपात नहीं, विस्तार अनुपात

यहाँ का तर्क शृंखला दोनों चक्रों का पूरा अंतर समझाता है। यदि इंटेक वाल्व सामान्य से देर से बंद होता है (साहित्य में इसे LIVC कहा जाता है), तो पिस्टन संपीड़न स्ट्रोक शुरू होने के बाद भी कुछ समय तक इंटेक जारी रखता है और मिश्रण का एक हिस्सा मैनिफोल्ड में वापस धकेल दिया जाता है। परिणाम: सिलेंडर में प्रवेश करने वाली प्रभावी हवा की मात्रा कम हो जाती है और प्रभावी संपीड़न अनुपात गिर जाता है. लेकिन पिस्टन की नीचे की गति - यानी विस्तार स्ट्रोक - ज्यामितीय रूप से नहीं बदलती, इसलिए विस्तार अनुपात बना रहता है. इस प्रकार संपीड़न अनुपात, विस्तार अनुपात से छोटा हो जाता है।

यह अंतर दक्षता क्यों देता है? क्योंकि संपीड़न के काम में लगाई गई ऊर्जा कम होती है, जबकि दहन ऊर्जा का विस्तार पर यांत्रिक कार्य में बदलने का समय बढ़ जाता है। लक्ष्य यह है कि पावर स्ट्रोक के अंत में सिलेंडर के अंदर गैस का दबाव वायुमंडलीय दबाव के जितना संभव हो उतना नज़दीक पहुंच जाए; यदि एग्जॉस्ट वाल्व खुलने पर भी उच्च दबाव वाली गैस बची रहती है, तो वह ऊर्जा बर्बाद हो गई है। पारंपरिक इंजन में एग्जॉस्ट गैसें 3-7 बार के दबाव और 1000 °C तक के तापमान पर बाहर निकाली जाती हैं - दहन ऊर्जा का एक तिहाई से आधे के बीच हिस्सा, बिना कोई काम किए ही एग्जॉस्ट पाइप में चला जाता है।

देर से बंद होना ही एकमात्र विकल्प नहीं है। जल्दी इंटेक वाल्व बंद होना (EIVC) भी वही परिणाम देता है: वाल्व स्ट्रोक की शुरुआत में बंद हो जाता है और पिस्टन के नीचे जाते समय सिलेंडर में हल्का वैक्यूम बनाता है, मिश्रण वास्तव में अपने आप फैलकर अंदर खिंच जाता है। दोनों रणनीतियों में थर्मल प्रबंधन और पंपिंग हानि के मामलों में अंतर होते हैं; समुद्री इंजनों पर किए गए अध्ययनों से यह भी पता चलता है कि वाल्व को बहुत जल्दी बंद करने से ईंधन की खपत बढ़ सकती है।

ऑटो, एटकिंसन और मिलर चक्र एक साथ

हाइब्रिड वाहनों में एटकिंसन चक्र का उपयोग क्यों किया जाता है?

एटकिंसन चक्र की कीमत स्पष्ट है: देर से बंद होने वाला इंटेक वाल्व, उसी सिलेंडर आयतन में कम हवा भरने का कारण बनता है। शक्ति घनत्व घटता है; चरम टॉर्क और प्रति सिलेंडर औसत प्रभावी दबाव पीछे हट जाता है। आपको उसी आकार के ऑटो इंजन की तुलना में कम शक्ति पैदा करने वाला, विशेष रूप से कम आरपीएम पर कमजोर टॉर्क वाला इंजन मिलता है। अकेले पेट्रोल वाहन के लिए यह एक ऐसी कमी है जिसे चालक हर बार गैस पेडल दबाने पर महसूस करेगा।

हाइब्रिड सिस्टम इस कमी को पूरी तरह दूर कर देता है। इलेक्ट्रिक मोटर शून्य से ही तुरंत टॉर्क पैदा करता है; यह इंजन के सबसे कमजोर कार्यक्षेत्र - कम आरपीएम और पूर्ण लोड क्षेत्र - को संभाल लेता है। इस प्रकार पेट्रोल इंजन लगभग हमेशा लोड और आरपीएम मैप की सबसे कुशल रेखा पर काम कर सकता है। यह संयोजन पहली बार 1997 के अंत में पहली पीढ़ी के Toyota Prius के उत्पादन लाइन पर आया और उस दिन से हाइब्रिड पावरट्रेन का मानक सूत्र बन गया।

उपयोग के उदाहरण प्रचुर हैं: शुरुआती Prius में 1NZ-FXE, Toyota Dynamic Force इंजन परिवार, Ford के C-Max और Fusion हाइब्रिड और Lexus के हाइब्रिड मॉडल इसी तर्क को साझा करते हैं। इस तकनीक के आविष्कार से उत्पादन लाइन तक पहुंचने में पूरे 100 साल लगे - इलेक्ट्रिक मोटर के बिना इस चक्र की शक्ति की कमी किसी को नहीं बिकती थी।

मिलर चक्र टर्बो पेट्रोल इंजनों को क्या देता है?

एटकिंसन की शक्ति कमी को पूरा करने का दूसरा तरीका है सिलेंडर में अधिक हवा संपीड़ित करना। मिलर चक्र ठीक यही है: देर से बंद होने वाले इंटेक वाल्व के कारण घटाया गया प्रभावी संपीड़न अनुपात, टर्बोचार्जर या सुपरचार्जर द्वारा भरी गई अतिरिक्त हवा से पूरा किया जाता है। मिश्रण वायुमंडल से ऊपर के दबाव पर सिलेंडर में प्रवेश करता है; इंजन मिलर टाइमिंग की दक्षता का लाभ भी उठाता है और अपेक्षित शक्ति भी उत्पन्न करता है।

इस दृष्टिकोण का टर्बो पेट्रोल इंजनों में एक अलग मूल्य है: नॉक (विस्फोट) नियंत्रण। नॉक, संपीड़ित मिश्रण का स्पार्क प्लग की चिंगारी की प्रतीक्षा किए बिना स्वतः प्रज्वलित होना है, और उच्च संपीड़न अनुपात तथा उच्च भरण दबाव इस जोखिम को बढ़ाते हैं। पारंपरिक समाधान ज्यामितीय संपीड़न अनुपात को कम करना है - जो ईंधन अर्थव्यवस्था की बचत को भी साथ ले जाता है। मिलर चक्र इस दुविधा का समाधान करता है: ज्यामितीय अनुपात को ऊंचा रखा जा सकता है, लेकिन संपीड़ण क्षण का प्रभावी अनुपात देर से बंद होने वाले वाल्व के कारण सीमित रहता है। छोटे टर्बोचार्ज्ड इंजनों में यह एक सामान्य नॉक कम करने की रणनीति है।

संख्यात्मक लाभ भी मापने योग्य स्तर का है। मिलर चक्र, आंशिक भार में कम पंपिंग हानि, सुधरी हुई दक्षता और NOx उत्सर्जन में गिरावट के साथ, तुलनीय पारंपरिक इंजनों की तुलना में स्पष्ट ईंधन बचत प्रदान करता है; प्रारंभिक उत्पादन अनुप्रयोगों में 10-15% खपत में कमी के आंकड़े बताए गए हैं। उच्च बूस्टिंग के साथ संयुक्त होने पर इसमें ईंधन अर्थव्यवस्था और नॉक प्रतिरोध में एक साथ सुधार की क्षमता होना दिखाया गया है।

इतिहास से एक सबक: Mazda Millenia

मिलर चक्र का ऑटोमोबाइल इतिहास में पहला उत्पादन अनुप्रयोग, 1994 में Mazda KJ-ZEM V6 इंजन था - Lysholm प्रकार के सुपरचार्जर से भरा यह इंजन, उत्पादन लागत और जटिलता के कारण Millenia नामक सेडान की व्यावसायिक सफलता नहीं पा सका। लेकिन विचार बेकार नहीं था: आधुनिक टर्बो पेट्रोल इंजनों का मिलर टाइमिंग का उपयोग करना ठीक नॉक और खपत की समस्या को हल करने के लिए ही है, जो उस इंजन के नेतृत्व वाला रास्ता है।

"एटकिंसन" या "मिलर"? शब्दावली की बहस

एक तकनीकी ईमानदारी की टिप्पणी कर लें। Toyota और कुछ निर्माता जिसे "एटकिंसन चक्र" कहते हैं, वास्तव में एक विशिष्ट वाल्व टाइमिंग है: देर से इंटेक वाल्व बंद होना। साहित्य में इस अभ्यास को "मिलर टाइमिंग" भी कहा जाता है। कुछ इंजीनियरिंग स्रोत इस भेद को इस प्रकार स्थापित करते हैं: प्राकृतिक आस्पिरेशन और देर से IVC वाले इंजनों को "एटकिंसन", और बलपूर्वक भरण वाले इंजनों को "मिलर" कहा जाता है। एक अन्य दृष्टिकोण के अनुसार नामकरण पूरी तरह स्वैच्छिक है; महत्वपूर्ण यह है कि ओवर-एक्सपैंडेड चक्र को IVC टाइमिंग के साथ लागू किया जाता है और बलपूर्वक आस्पिरेशन का उपयोग होना या न होना इस वर्गीकरण को नहीं बदलता।

ऐतिहासिक प्राथमिकता की बहस भी दिलचस्प है। Körting का 1891 में छोटे संपीड़न और लंबे विस्तार वाला एक गैस इंजन बनाना, Charon का 1888 में सुपरचार्जर-रहित एक समान चक्र के लिए फ्रांसीसी पेटेंट लेना और 1927 उस तारीख की रिपोर्टों में यह ज्ञात है कि कम ऑक्टेन वाले ईंधन में नॉकिंग को सीमित करने के लिए वाल्व टाइमिंग के जरिए प्रभावी संपीड़न को नियंत्रित करना भी विकल्प के रूप में मेज पर था। यानी "Atkinson" नाम आज की प्रथा के लिए Atkinson की अपनी मशीनरी से कम मेल खाता है; लेकिन जिस विचार ने पुरस्कार पाया - संपीड़न से विस्तार को अलग करना - वह उसी का है।

हर पेट्रोल इंजन Atkinson या Miller चक्र से क्यों नहीं चलता?

उत्तर लेख की मुख्य धुरी में छिपा है: ये चक्र शक्ति की कीमत पर दक्षता देते हैं। इलेक्ट्रिक मोटर या टर्बोचार्जर रहित एक साधारण पेट्रोल इंजन में Atkinson चक्र का मतलब है उसी विस्थापन से कम शक्ति और विशेष रूप से कम आरपीएम पर कमजोर टॉर्क। ड्राइवर इसे हर स्टार्ट और हर ओवरटेक पर महसूस करता है; और निर्माता के लिए वही प्रदर्शन देने के लिए इंजन को बड़ा बनाना पड़ता है - जो दक्षता लाभ को आंशिक रूप से वापस ले लेता है। Miller चक्र टर्बोचार्जिंग से इस कमी को पूरा करता है, लेकिन जैसा कि सुपरचार्जर वाले प्रारंभिक अनुप्रयोगों ने दिखाया, यह लागत और जटिलता जोड़ता है।

सारांश का तार्किक क्रम यह है: Atkinson चक्र अकेले शक्ति त्यागकर दक्षता प्राप्त करता है; हाइब्रिड सिस्टम इलेक्ट्रिक मोटर से शक्ति वापस लाता है। Miller चक्र उसी दक्षता के तर्क को टर्बोचार्जिंग के साथ जोड़कर शक्ति वापस लाता है। दोनों रास्तों पर आपके सामने आने वाला समीकरण एक ही है - संपीड़न से विस्तार को लंबा रखकर एग्जॉस्ट से निकलने वाली ऊर्जा को काम में बदलना - और 2026 के सबसे कुशल हाइब्रिड और टर्बो पेट्रोल इंजन अभी भी इस 19वीं सदी के विचार के अभियांत्रिकी के परिपक्व रूपों के साथ काम कर रहे हैं।

स्रोत

• Atkinson चक्र
• Miller चक्र
• Atkinson, Miller, या Otto: आंतरिक दहन चक्रों की व्याख्या
• Atkinson दहन चक्र क्या है, और इसके लाभ क्या हैं?
• Miller चक्र इंजन
• Toyota Atkinson चक्र वाले इंजन का उपयोग क्यों करती है?
• वायु मानक Atkinson और Otto चक्रों के प्रदर्शन की तुलना
• Atkinson चक्र इंजन का डिज़ाइन और अनुकूलन
• Miller चक्र के प्रभावों पर प्रायोगिक अध्ययन
• यह कम ज्ञात Mazda सेडान