Siklus Atkinson dan Miller: Pengorbanan Tenaga demi Efisiensi

Siklus Atkinson memperpanjang langkah ekspansi melebihi langkah kompresi sehingga lebih banyak energi panas bahan bakar diubah menjadi kerja mekanis; sementara siklus Miller adalah versi teknik yang sama yang dipadukan dengan dukungan turbocharger atau supercharger. Keduanya mengorbankan sebagian tenaga demi efisiensi - dan justru karena itulah keduanya bermakna bersama sistem hibrida dan mesin bensin turbo modern. Dalam artikel ini saya menjelaskan logika bersama kedua siklus, perbedaan rasio kompresi dan ekspansi, serta mengapa masing-masing efektif pada jenis kendaraan tertentu.

Apa itu siklus Atkinson dan Miller, dan seberapa berbeda dari siklus Otto?

Siklus empat langkah yang dikembangkan Nicolaus Otto pada 1876 - hisap, kompresi, pembakaran, dan buang - kini merupakan standar de facto mesin bensin. Pada siklus Otto, piston langsung mulai mengompresi campuran udara-bahan bakar yang dihisap segera setelah katup buang tertutup. Langkah kompresi dan ekspansi secara geometris sama, dan mesin memperoleh efisiensinya sebagian besar dari peningkatan rasio kompresi sejauh diizinkan oleh batas knocking.

Gagasan James Atkinson pada 1882 adalah memecah simetri itu secara sengaja. Jika langkah ekspansi lebih panjang daripada langkah kompresi, gas pembakaran tidak lolos keluar melalui katup buang sebelum energi berubah menjadi tenaga pada piston. Awalnya Atkinson menyelesaikan gagasan ini dengan mekanisme tuas yang rumit; desainnya yang disebut cycle engine mewujudkan keempat langkah dalam satu putaran engkol dengan satu susunan penghubung. Efisien, tetapi sulit seimbang pada putaran tinggi, strukturnya kaku secara mekanis, dan tidak berkembang secara komersial.

Solusi modern jauh lebih elegan: memperoleh efek yang sama hanya dengan menunda penutupan katup hisap tanpa menyentuh mekanisme engkol sama sekali. Itulah tepatnya dasar pendekatan yang dipatenkan Ralph Miller pada 1956 dan kini diterapkan pada mesin aspirasi alami maupun turbo.

Sumber efisiensi: bukan rasio kompresi, melainkan rasio ekspansi

Rantai logika di sini menjelaskan seluruh perbedaan kedua siklus. Jika katup hisap terlambat menutup (disebut LIVC dalam literatur), piston masih terus menghisap beberapa saat setelah langkah kompresi dimulai dan mendorong sebagian campuran kembali ke manifold. Hasilnya: jumlah udara efektif yang masuk ke silinder berkurang dan rasio kompresi efektif menurun. Namun karena gerakan turun piston - yaitu langkah ekspansi - tidak berubah secara geometris, rasio ekspansi tetap sama. Dengan demikian rasio kompresi menjadi lebih kecil daripada rasio ekspansi.

Mengapa perbedaan ini menghasilkan keuntungan efisiensi? Karena energi yang dihabiskan untuk kerja kompresi menurun, sementara waktu perubahan energi pembakaran menjadi kerja mekanis pada proses ekspansi semakin panjang. Tujuannya adalah mendekatkan tekanan gas di dalam silinder pada akhir waktu usaha sedekat mungkin dengan tekanan atmosfer; jika masih ada gas bertekanan tinggi saat katup buang terbuka, berarti energi itu terbuang percuma. Pada mesin konvensional, gas buang dikeluarkan pada tekanan 3-7 bar dan suhu hingga mencapai 1000 °C - sepertiga hingga setengah energi pembakaran pergi ke pipa buang tanpa sempat dijadikan kerja yang berguna.

Penutupan lambat bukanlah satu-satunya pilihan. Penutupan katup hisap lebih awal (EIVC) juga memberikan hasil yang sama: katup menutup di awal langkah, dan saat piston bergerak turun terbentuk vakum ringan di dalam silinder, campuran termasuk tersedot masak sendiri karena mengembang. Di antara dua strategi ini terdapat perbedaan dari segi manajemen termal dan kerugian pompa; studi pada mesin kapal laut juga menunjukkan bahwa menutup katup terlalu awal dapat meningkatkan konsumsi bahan bakar.

Siklus Otto, Atkinson, dan Miller secara berdampingan

Mengapa siklus Atkinson digunakan pada kendaraan hibrida?

Harga yang harus dibayar siklus Atkinson jelas: katup hisap yang menutup lambat menyebabkan volume silinder yang sama mengisap lebih sedikit udara. Kepadatan daya menurun; tork puncak dan tekanan efektif rata-rata per silinder menurun. Anda mendapatkan mesin yang menghasilkan lebih sedikit daya dibandingkan mesin Otto berukuran sama, dengan tork yang lemah terutama pada putaran rendah. Untuk kendaraan bensin tunggal, ini adalah kelemahan yang akan dirasakan pengemudi setiap kali menekan pedal gas.

Sistem hibrida menutup kelemahan ini sepenuhnya. Motor listrik menghasilkan tork secara instan dari nol; motor itu mengambil alih rentang operasi mesin yang paling lemah - wilayah putaran rendah dan beban penuh. Dengan demikian, mesin bensin dapat bekerja hampir selalu di garis paling efisien dari peta beban dan putaran. Kombinasi ini pertama kali memasuki lini produksi pada akhir 1997 di generasi pertama Toyota Prius dan sejak hari itu menjadi formula standar sistem transmisi hibrida.

Contoh penerapan yang mencolok: 1NZ-FXE pada Prius awal, keluarga mesin Toyota Dynamic Force, hibrida C-Max dan Fusion milik Ford, serta model hibrida Lexus semuanya berbagi logika ini. Adapun dari penemuan teknologi ini hingga masuk ke lini produksi memakan waktu tepat 100 tahun - tanpa motor listrik, defisit daya siklus ini tidak bisa dijual kepada siapa pun.

Apa yang diberikan siklus Miller kepada bensin turbo?

Cara kedua untuk menutup defisit daya Atkinson adalah memadatkan lebih banyak udara ke dalam silinder. Persis itulah siklus Miller: rasio kompresi efektif yang diturunkan oleh penutupan katup hisap yang terlambat dikompensasi dengan udara tambahan yang dibebaskan oleh turbocharger atau supercharger. Campuran masuk ke silinder pada tekanan di atas atmosfer; mesin memperoleh efisiensi dari timing Miller sekaligus menghasilkan daya yang diharapkan.

Pendekatan ini memiliki nilai tersendiri pada mobil bensin turbo: kontrol ketukan. Knocking adalah penyalaan campuran yang terkompresi secara spontan tanpa menunggu percikan busi, dan rasio kompresi tinggi serta tekanan pengisian tinggi meningkatkan risikonya. Solusi tradisional adalah menurunkan rasio kompresi geometris - yang juga menghilangkan keuntungan ekonomi bahan bakar. Siklus Miller memecahkan dilema tersebut: rasio geometris dapat dipertahankan tinggi, tetapi rasio efektif saat kompresi dibatasi berkat katup yang tertutup terlambat. Pada mesin turbo yang dikecilkan, ini adalah strategi pengurangan ketukan yang umum.

Keuntungan numeriknya juga dapat diukur. Siklus Miller memberikan penghematan bahan bakar yang signifikan dibandingkan mesin tradisional yang sebanding, dengan penurunan kerugian pompa pada beban parsial, peningkatan efisiensi, dan penurunan emisi NOx; pada aplikasi produksi awal, angka yang disebutkan adalah pengurangan konsumsi sebesar 10-15%. Dikombinasikan dengan peningkatan daya tinggi, telah ditunjukkan bahwa pendekatan ini berpotensi meningkatkan ekonomi bahan bakar dan ketahanan terhadap ketukan secara bersamaan.

Pelajaran dari sejarah: Mazda Millenia

Aplikasi produksi pertama siklus Miller dalam sejarah otomotif adalah mesin V6 Mazda KJ-ZEM pada 1994 - mesin yang ditenagai supercharger tipe Lysholm ini, karena biaya dan kompleksitas produksinya, tidak mampu menjangkau kesuksesan komersial sedan bernama Millenia. Namun idenya bukanlah hal yang sia-sia: penggunaan timing Miller oleh mobil bensin turbo modern justru untuk memecahkan masalah ketukan dan konsumsi adalah jalan yang dipelopori oleh mesin tersebut.

"Atkinson" atau "Miller"? Perdebatan terminologi

Mari kita beri catatan kejujuran teknis. Apa yang disebut Toyota dan beberapa produsen sebagai "siklus Atkinson", sebenarnya adalah timing katup tertentu: penutupan katup hisap yang terlambat. Dalam literatur, praktik ini juga disebut "timing Miller". Beberapa sumber rekayasa membedakannya seperti ini: mesin yang hisap alami dengan IVC terlambat disebut "Atkinson", sedangkan yang bertenaga paksa disebut "Miller". Menurut sudut pandang lain, penamaan tersebut sepenuhnya arbitrer; yang penting adalah penerapan siklus over-expanded dengan timing IVC, dan penggunaan atau tidaknya hisap paksa tidak mengubah klasifikasi ini.

Perdebatan prioritas historisnya juga menarik. Körting membuat mesin gas dengan kompresi pendek dan ekspansi panjang pada 1891, Charon memperoleh paten Prancis untuk siklus serupa tanpa supercharger pada 1888, dan diketahui bahwa dalam laporan tahun 1927, bahkan mengontrol kompresi efektif dengan waktu katup untuk membatasi knocking pada bahan bakar oktan rendah pun sudah menjadi pilihan yang dipertimbangkan. Jadi nama "Atkinson" justru kurang mirip dengan mekanisme Atkinson sendiri dibandingkan dengan praktik saat ini; Namun ide yang berhak mendapat pujian - memisahkan ekspansi dari kompresi - adalah miliknya.

Mengapa tidak semua mesin bensin beroperasi dengan siklus Atkinson atau Miller?

Jawabannya tersembunyi pada inti artikel ini: siklus-siklus ini mengorbankan tenaga demi efisiensi. Pada mobil bensin biasa tanpa motor listrik atau turbocharger, siklus Atkinson berarti tenaga lebih sedikit dari volume yang sama dan torsi yang lemah terutama pada putaran rendah. Pengemudi merasakannya setiap kali berangkat dan setiap menyalip; bagi pabrikan, mesin harus dibuat lebih besar agar memberikan performa yang sama - yang sebagian menghapus keuntungan efisiensinya. Meskipun siklus Miller menutup celah ini dengan turbocharger, ia menambah biaya dan kompleksitas, sebagaimana ditunjukkan oleh aplikasi awal bertenaga supercharger.

Rantai logika ringkasnya adalah: Siklus Atkinson sendirian mengorbankan tenaga demi efisiensi; sistem hibrida mengembalikan tenaga dengan motor listrik. Siklus Miller menggabungkan logika efisiensi yang sama dengan turbocharger untuk mengembalikan tenaga. Di kedua jalur, persamaan yang dihadapi sama - memperpanjang ekspansi dibanding kompresi untuk mengubah energi yang akan lolos lewat knalpot menjadi kerja - dan mesin hibrida serta turbo bensin paling efisien tahun 2026 masih beroperasi dengan bentuk versi yang telah matang secara rekayasa dari gagasan abad ke-19 ini. masih bekerja dengan bentuk versi gagasan abad ke-19 ini yang telah matang secara rekayasa.

Sumber

• Siklus Atkinson
• Siklus Miller
• Atkinson, Miller, atau Otto: Siklus Pembakaran Dalam Dijelaskan
• Apa Itu Siklus Pembakaran Atkinson, dan Apa Manfaatnya?
• Mesin Siklus Miller
• Mengapa Toyota menggunakan mesin siklus Atkinson?
• Perbandingan kinerja siklus Atkinson dan Otto standar udara
• Desain dan optimalisasi mesin siklus Atkinson
• Studi eksperimental tentang efek siklus Miller
• Sedan Mazda yang Kurang Dikenal Ini