วงจร Atkinson และ Miller: การแลกกำลังเพื่อประสิทธิภาพ

Atkinson çevrimi, genişleme strokunu sıkıştırma strokundan daha uzun tutarak yakıtın ısı enerjisini mekanik işe daha fazlasını dönüştüren; Miller çevrimi ise aynı tekniğin turboşarj ya da süperşarj desteğiyle birleşen halidir. İkisi de gücün bir kısmından vazgeçip verim kazanır - ve tam bu yüzden hibrit sistemlerle ve modern turbo benzinlilerle birlikte anlam kazanırlar. Bu yazıda iki çevrimin ortak mantığını, sıkıştırma ve genişleme oranı ayrımını ve hangi araçta neden işe yaradığını açıklıyorum.

Atkinson ve Miller çevrimi nedir, Otto çevriminden ne kadar farklı?

1876'da Nicolaus Otto'nun geliştirdiği dört zamanlı çevrim - emme, sıkıştırma, yanma ve egzoz - bugün benzinli motorların fiili standardıdır. Otto çevriminde piston, emme zamanında aldığı hava-yakıt karışımını egzoz supabı kapanır kapanmaz sıkıştırmaya başlar. Sıkıştırma ile genişleme strokları geometrik olarak eşittir ve motor, verimini büyük ölçüde bu sıkıştırma oranının vuruntu sınırının izin verdiği kadar yükseltilmesinden alır.

James Atkinson'ın 1882'deki fikri, bu simetriyi bilinçli olarak bozmaktı. Genişleme stroku sıkıştırma strokundan daha uzun olursa, yanma gazları pistonu gücü biçimine dönüşmeden egzoz supabından dışarı kaçmaz. Atkinson bu fikri başlangıçta karmaşık kol mekanizmalarıyla çözüyordu; cycle engine adlı tasarımı tek krank devrinde dört zamanı bir bağlantı düzeniyle gerçekleştiriyordu. Verimliydi ama yüksek devirde dengelenmesi zor, mekanik olarak hantal bir yapıydı ve ticari olarak yaygınlaşmadı.

Modern çözüm ise çok daha zarif: hiçbir krank mekanizmasına dokunmadan, yalnızca emme supabının kapanmasını geciktirerek aynı etkiyi elde etmek. Ralph Miller'ın 1956'da patentlediği ve günümüzde hem atmosferik hem turbo beslemeli motorlarda uygulanan yaklaşımın temeli tam olarak budur.

Verimin kaynağı: sıkıştırma oranı değil, genişleme oranı

Buradaki mantık zinciri, iki çevrimin bütün farkını açıklar. Emme supabı normalden geç kapanırsa (literatürdeki adıyla LIVC), piston sıkıştırma strokuna başladıktan sonra bile bir süre daha emmeye devam eder ve karışımın bir bölümü manifolda geri iter. Sonuç: silindire giren etkili hava miktarı azalır ve etkili sıkıştırma oranı düşer. Ancak pistonun aşağı inişi - yani genişleme stroku - geometrik olarak değişmediği için genişleme oranı yerinde kalır. Böylece sıkıştırma oranı, genişleme oranından küçük olur.

Neden bu fark verim kazandırır? เพราะพลังงานที่ใช้ในการอัดจะลดลง ในขณะที่เวลาในการเปลี่ยนพลังงานการเผาไหม้เป็นงานกลไกบนจังหวะขยายตัวจะยาวขึ้น เป้าหมายคือทำให้ความดันก๊าซในกระบอกสูบเมื่อสิ้นสุดจังหวะกำลังเข้าใกล้ความดันบรรยากาศมากที่สุด หากยังมีก๊าซความดันสูงอยู่เมื่อวาล์วไอเสียเปิดออก แปลว่าพลังงานนั้นถูกเปลืองเปล่าไป ในเครื่องยนต์ทั่วไป ก๊าซไอเสียจะถูกปล่อยออกไปที่ความดัน 3-7 บาร์ และอุณหภูมิสูงถึง 1000 °C - พลังงานการเผาไหม้ระหว่างหนึ่งในสามถึงครึ่งหนึ่งไหลออกท่อไอเสียโดยยังไม่ได้ทำงานใดๆ เลย

การปิดช้าไม่ใช่ทางเลือกเดียว การปิดวาล์วอากาศเข้าเร็ว (EIVC) ก็ให้ผลลัพธ์เดียวกัน: วาล์วจะปิดตั้งแต่ต้นจังหวะ และเมื่อลูกสูบเคลื่อนลงจะเกิดสุญญากาศเบาๆ ในกระบอกสูบ ส่วนผสมจะถูกดูดเข้าโดยการขยายตัวของมันเอง ทั้งสองกลยุทธ์มีความแตกต่างกันในแง่การจัดการความร้อนและการสูญเสียจากการปั๊ม การศึกษาในเครื่องยนต์เรือยังแสดงให้เห็นว่า การปิดวาล์วเร็วเกินไปอาจเพิ่มการใช้เชื้อเพลิงได้

วงจร Otto, Atkinson และ Miller เทียบเคียงกัน

ทำไมยานยนต์ไฮบริดจึงใช้วงจร Atkinson?

ราคาที่ต้องจ่ายของวงจร Atkinson ชัดเจน: วาล์วอากาศเข้าที่ปิดช้าทำให้กระบอกสูบขนาดเดียวกันรับอากาศได้น้อยลง ความหนาแน่นกำลังลดลง แรงบิดสูงสุดและความดันเฉลี่ยที่มีประสิทธิภาพต่อกระบอกสูบลดลง คุณจะได้เครื่องยนต์ที่ผลิตกำลังน้อยกว่าเครื่องยนต์ Otto ขนาดเดียวกัน โดยเฉพาะแรงบิดที่อ่อนแอในรอบต่ำ สำหรับยานพาหนะเบนซินแบบ standalone นี่คือข้อด้อยที่ผู้ขับจะรู้สึกได้ทุกครั้งที่เหยียบคันเร่ง

ระบบไฮบริดช่วยชดเชยข้อด้อยนี้ได้อย่างสมบูรณ์ มอเตอร์ไฟฟ้าผลิตแรงบิดได้ทันทีตั้งแต่ศูนย์ มันเข้ามารับช่วงช่วงการทำงานที่อ่อนแอที่สุดของเครื่องยนต์ - รอบต่ำและโซนภาระเต็มที่ ด้วยวิธีนี้เครื่องยนต์เบนซินจึงสามารถทำงานได้ในเส้นที่มีประสิทธิภาพสูงสุดของแผนที่ภาระและรอบเกือบตลอดเวลา การผสมผสานนี้เข้าสู่สายการผลิตเป็นครั้งแรกเมื่อปลายปี 1997 ใน Toyota Prius รุ่นแรก และนับแต่นั้นมาก็กลายเป็นสูตรมาตรฐานของระบบส่งกำลังไฮบริด

ตัวอย่างการใช้งานเป็นตัวหนา: 1NZ-FXE ใน Prius รุ่นแรกๆ, ตระกูลเครื่องยนต์ Toyota Dynamic Force, ไฮบริด C-Max และ Fusion ของ Ford และรุ่นไฮบริดของ Lexus ล้วนใช้หลักการเดียวกันนี้ ส่วนการเดินทางจากการประดิษฐ์เทคโนโลยีจนถึงสายการผลิตใช้เวลาเต็ม 100 ปี - หากไม่มีมอเตอร์ไฟฟ้า ช่องว่างกำลังของวงจรนี้ไม่มีใครยอมรับ

วงจร Miller ให้อะไรกับรถเบนซินเทอร์โบ?

วิธีที่สองในการชดเชยช่องว่างกำลังของ Atkinson คือการอัดอากาศเข้าสู่กระบอกสูบมากขึ้น วัฏจักร Miller ก็คือสิ่งนี้พอดี: อัตราการอัดที่มีประสิทธิภาพซึ่งลดลงจากการปิดวาล์วอินเทคช้า จะถูกชดเชยด้วยอากาศส่วนเกินที่เทอร์โบชาร์จเจอร์หรือซูเปอร์ชาร์จเจอร์เติมเข้ามา ส่วนผสมเข้าสู่กระบอกสูบที่แรงดันเหนือค่าบรรยากาศ เครื่องยนต์ได้ประโยชน์ทั้งจากประสิทธิภาพของจังหวะ Miller และผลิตกำลังตามที่คาดหวัง

แนวทางนี้ยังมีคุณค่าเป็นพิเศษในเครื่องยนต์เบนซินเทอร์โบ: การควบคุมการระเบิดด้วยตัวเอง การระเบิดด้วยตัวเอง (knock) คือการจุดติดเองของส่วนผสมที่ถูกอัดโดยไม่รอประกายไฟจากหัวเทียน และอัตราการอัดสูงพร้อมแรงดันอัดเข้าสูงจะเพิ่มความเสี่ยงนี้ วิธีแก้แบบดั้งเดิมคือการลดอัตราการอัดเชิงเรขาคณิต ซึ่งพาผลกำไรด้านเศรษฐภาพเชื้อเพลิงหายไปด้วย วัฏจักร Miller แก้ปมปัญหานี้: อัตราเชิงเรขาคณิตสามารถรักษาไว้ในระดับสูงได้ แต่อัตราที่มีประสิทธิภาพในขณะอัดจะถูกจำกัดด้วยวาล์วอินเทคที่ปิดช้า ในเครื่องยนต์เทอร์โบขนาดเล็กลง นี่เป็นกลยุทธ์ลดการระเบิดด้วยตัวเองที่แพร่หลาย

ผลกำไรเชิงตัวเลขก็อยู่ในระดับที่วัดได้ วัฏจักร Miller ให้การประหยัดเชื้อเพลิงอย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์แบบดั้งเดิมที่เทียบเคียงกันได้ โดยรวมการสูญเสียจากการสูบที่ลดลงในภาระบางส่วน ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น และการลดลงของการปล่อย NOx ในการใช้งานรุ่นแรกๆ ตัวเลขที่ระบุกันอยู่คือการลดการใช้ 10-15% เมื่อรวมกับการเพิ่มแรงบีบสูง แสดงให้เห็นว่ามีศักยภาพในการปรับปรุงเศรษฐภาพเชื้อเพลิงและความต้านทานการระเบิดด้วยตัวเองไปพร้อมกัน

บทเรียนจากประวัติศาสตร์: Mazda Millenia

การใช้งานการผลิตครั้งแรกของวัฏจักร Miller ในประวัติศาสตร์ยานยนต์คือเครื่องยนต์ V6 Mazda KJ-ZEM ในปี 1994 เครื่องยนต์นี้ซึ่งได้รับอากาศจากซูเปอร์ชาร์จเจอร์แบบ Lysholm ไม่สามารถประสบความสำเร็จทางการค้าของรถซีดานชื่อ Millenia ได้เนื่องจากต้นทุนการผลิตและความซับซ้อน แต่ความคิดนี้ไม่ใช่ขยะ: การที่เครื่องยนต์เบนซินเทอร์โบยุคใหม่ใช้จังหวะ Miller เพื่อแก้ปัญหาการระเบิดด้วยตัวเองและการสิ้นเปลืองนั้น คือเส้นทางที่เครื่องยนต์ลำนั้นเป็นผู้บุกเบิก

"Atkinson" หรือ "Miller"? ข้อถกเถียงเรื่องศัพท์

ขอหมายเหตุเรื่องความซื่อตรงทางเทคนิคสักหน่อย สิ่งที่ Toyota และผู้ผลิตบางรายเรียกว่า "วัฏจักร Atkinson" นั้นแท้จริงแล้วคือจังหวะวาล์วเฉพาะอย่างหนึ่ง: การปิดวาล์วอินเทคช้า ในวงวิชาการเรียกการปฏิบัตินี้ว่า "จังหวะ Miller" ก็มี แหล่งข้อมูลวิศวกรรมบางแห่งวางเส้นแบ่งไว้ดังนี้: เครื่องยนต์ดูดอากาศธรรมชาติที่มี IVC ช้าเรียกว่า "Atkinson" ส่วนเครื่องยนต์ที่ใช้การจ่ายอากาศแบบบังคับเรียกว่า "Miller" จากมุมมองอื่นการตั้งชื่อเป็นเรื่องของความเห็นส่วนตัวล้วนๆ สิ่งสำคัญคือการนำวัฏจักร over-expanded ไปใช้กับจังหวะเวลาของ IVC และการใช้หรือไม่ใช้การดูดอากาศแบบบังคับไม่ได้เปลี่ยนการจำแนกประเภทนี้

การถกเถียงเรื่องลำดับความเป็นมาทางประวัติศาสตร์ก็น่าสนใจเช่นกัน เป็นที่ทราบกันว่า Körting สร้างเครื่องยนต์แก๊สที่มีจังหวะอัดสั้นและจังหวะขยายยาวในปี 1891, Charon จดสิทธิบัตรฝรั่งเศสสำหรับวงจรที่คล้ายกันแบบไม่มีซูเปอร์ชาร์จเจอร์ในปี 1888 และในรายงานปี 1927 แม้แต่การควบคุมอัตราการอัดที่มีประสิทธิภาพด้วยจังหวะเปิด-ปิดวาล์วเพื่อจำกัดการระเบิดในเชื้อเพลิงออกเทนต่ำก็ยังเป็นทางเลือกบนโต๊ะเจรจา นั่นคือชื่อ "Atkinson" ในวันนี้มีความคล้ายกับการใช้งานปัจจุบันมากกว่ากลไกของ Atkinson เองเสียอีก แต่แนวคิดที่ควรค่าแก่การได้รับรางวัล นั่นคือการแยกจังหวะขยายออกจากจังหวะอัด เป็นของเขาแท้

ทำไมเครื่องยนต์เบนซินทุกตัวไม่ทำงานด้วยวงจร Atkinson หรือ Miller?

คำตอบซ่อนอยู่ในแกนหลักของบทความนี้: วงจรเหล่านี้แลกกำลังเพื่อประสิทธิภาพ ในเครื่องยนต์เบนซินธรรมดาที่ไม่มีมอเตอร์ไฟฟ้าหรือเทอร์โบชาร์จเจอร์ วงจร Atkinson หมายถึงกำลังที่น้อยลงจากปริมาตรเท่ากัน และแรงบิดที่อ่อนแอโดยเฉพาะที่รอบต่ำ ผู้ขับขี่จะรู้สึกถึงสิ่งนี้ในทุกการออกตัวและทุกการแซง สำหรับผู้ผลิต เครื่องยนต์ต้องถูกทำให้ใหญ่ขึ้นเพื่อให้ให้สมรรถนะเท่าเดิม ซึ่งก็ทำให้ผลกำไรด้านประสิทธิภาพถูกทดทายกลับบางส่วน วงจร Miller ชดเชยช่องว่างนี้ด้วยเทอร์โบชาร์จเจอร์ แต่ก็เพิ่มต้นทุนและความซับซ้อน ดังที่การใช้งานยุคแรกแบบซูเปอร์ชาร์จได้แสดงให้เห็น

โซ่ตรรกะสรุปมีดังนี้: วงจร Atkinson เพียงอย่างเดียวสละกำลังเพื่อรับประสิทธิภาพ ระบบไฮบริดนำกำลังกลับมาด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า วงจร Miller ผสานตรรกะประสิทธิภาพแบบเดียวกันกับเทอร์โบชาร์จเจอร์เพื่อนำกำลังกลับมา สมการที่ปรากฏต่อหน้าคุณในทั้งสองเส้นทางเหมือนกัน นั่นคือ การทำให้จังหวะขยายยาวกว่าจังหวะอัดเพื่อเปลี่ยนพลังงานที่จะหลุดออกทางไอเสียให้เป็นงาน และเครื่องยนต์เบนซินไฮบริดกับเทอร์โบที่มีประสิทธิภาพสูงสุดของปี 2026 ก็ยังคงทำงานด้วยรูปแบบวุฒิภาวะทางวิศวกรรมของแนวคิด กำลังทำงานด้วยรูปแบบวิศวกรรมที่พัฒนาจากแนวคิดของศตวรรษ

แหล่งอ้างอิง

• วงจร Atkinson
• วงจร Miller
• 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