डिझेल इंजिन आणि गॅसोलीन इंजिनवरील थर्मोडायनामिक अभ्यास

डिझेल इंजिन आणि गॅसोलीन इंजिनवरील थर्मोडायनामिक अभ्यास

पेंडाहुलुआन
अंतर्गत ज्वलन इंजिन हे एक महत्त्वाचे तंत्रज्ञान आहे, जे सिलेंडरमधील ज्वलनाद्वारे इंधनाच्या रासायनिक ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करते. वाहनांमध्ये आणि विविध औद्योगिक उपयोगांमध्ये वापरले जाणारे दोन सर्वात सामान्य प्रकार म्हणजे गॅसोलीन (स्पार्क इग्निशन/SI) इंजिन आणि डिझेल (कॉम्प्रेशन इग्निशन/CI) इंजिन. जरी दोन्ही (बऱ्याच डिझाइनमध्ये) फोर-स्ट्रोक सायकल आणि मूलभूत थर्मोडायनॅमिक तत्त्वांवर अवलंबून असले तरी, मिश्रण निर्मिती, प्रज्वलन पद्धत, ज्वलन वैशिष्ट्ये आणि परिणामी, कार्यक्षमतेमध्ये महत्त्वाचे फरक आहेत. थर्मोडायनॅमिक्सच्या अभ्यासाने आपल्याला हे समजण्यास मदत होते की डिझेल इंजिन अधिक कार्यक्षम का असतात, गॅसोलीन इंजिनची प्रतिसाद आणि आरपीएम वैशिष्ट्ये भिन्न का असतात आणि कॉम्प्रेशन रेशो, तापमान, दाब आणि ऊर्जा हानी यांसारखे घटक कार्यक्षमता कशी ठरवतात.

अंतर्गत ज्वलन इंजिनांचे मूलभूत ऊष्मागतिकी
आदर्शपणे, इंजिनच्या कार्यक्षमतेचे विश्लेषण अनेकदा एका आदर्श थर्मोडायनामिक चक्राद्वारे केले जाते, जे वास्तविक प्रक्रियेला सोपे करते. ज्वलनाच्या तपशिलांची तंतोतंत प्रतिकृती बनवणे हे उद्दिष्ट नाही, तर डिझाइनमधील घटकांचा कार्यक्षमतेवर होणाऱ्या प्रभावाचे मूल्यांकन करण्यासाठी एक चौकट प्रदान करणे हे आहे. या अभ्यासातील प्रमुख परिमाणांमध्ये खालील बाबींचा समावेश आहे:

१. संपीडन गुणोत्तर (r): पिस्टन बॉटम डेड सेंटरवर असतानाच्या सिलेंडरच्या आकारमानाचे, टॉप डेड सेंटरवरील आकारमानाशी असलेले गुणोत्तर. संपीडन गुणोत्तर अंतिम संपीडन तापमान आणि दाबावर परिणाम करते, त्यामुळे कार्यक्षमता मोठ्या प्रमाणात निश्चित होते.
२. उष्णता आदान (Q_in) आणि उष्णता प्रदान (Q_out): आदर्श चक्र संकल्पनेत, ज्वलनादरम्यान (किंवा उष्णता जोडताना) उष्णता आदान होते आणि उष्णता प्रदान करताना उष्णता प्रदान होते.
३. नेट वर्क (W_net): विस्तार कार्य आणि संकोचन कार्य यांमधील फरक.
४. औष्णिक कार्यक्षमता (η_th): निव्वळ कार्य आणि उष्णता यांचे गुणोत्तर, म्हणजेच η_th = W_net / Q_in.
५. उष्मागतिकीचा पहिला नियम: प्रणालीतील ऊर्जेतील बदल हे उष्णता आणि कार्याशी संबंधित असतात. एका आदर्श बंद चक्रात, निव्वळ कार्य हे उष्णता आदान आणि उष्णता प्रदान यांच्यातील फरकाएवढे असते.

प्रत्यक्षात, घर्षण, सिलेंडरच्या भिंतींकडे होणारे उष्णता हस्तांतरण, अपूर्ण ज्वलन, पंपिंगमधील हानी, तसेच एक्झॉस्ट वायू आणि कूलिंग सिस्टीम या घटकांमुळे वास्तविक कार्यक्षमता नेहमीच आदर्श कार्यक्षमतेपेक्षा कमी असते.

पेट्रोल इंजिनचे आदर्श चक्र: ओटो चक्र
आदर्श पेट्रोल इंजिन ओटो चक्राने दर्शविले जाते, ज्यामध्ये उष्णता पुरवठा स्थिर आकारमानात होतो असे गृहीत धरले जाते. आदर्श ओटो चक्राचे मुख्य टप्पे खालीलप्रमाणे आहेत:
१. समएन्ट्रॉपी संपीडन: हवा-इंधन मिश्रण उष्णता हस्तांतरणाशिवाय संकुचित केले जाते (आदर्श).
२. स्थिर आकारमानात उष्णता देणे: ज्वलन जलद होते असे गृहीत धरले जाते, जेणेकरून आकारमान स्थिर राहते.
३. समएन्ट्रॉपी प्रसरण: ज्वलन वायू प्रसरण पावतो, पिस्टनला ढकलतो आणि कार्य निर्माण करतो.
४. स्थिर आकारमान उष्णता उत्सर्जन: उष्णता बाहेर टाकली जाते आणि चक्र त्याच्या सुरुवातीच्या स्थितीत परत येते.

आदर्श ओटो चक्राची औष्णिक कार्यक्षमता संपीडन गुणोत्तराच्या स्वरूपात लिहिता येते:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
येथे γ हे विशिष्ट उष्णता गुणोत्तर (Cp/Cv) आहे. हे समीकरण दर्शवते की संपीडन गुणोत्तर वाढवल्याने कार्यक्षमता वाढते. तथापि, पेट्रोल इंजिनमध्ये नॉकिंग (स्फोट) ही एक मर्यादा असते. नॉकिंग म्हणजे उच्च तापमान आणि दाबामुळे होणारे अनियंत्रित ज्वलन, ज्यामुळे स्पार्क प्लग स्थिर ज्वाला निर्माण करण्यापूर्वीच मिश्रणाचा काही भाग पेट घेतो. त्यामुळे, पेट्रोल इंजिनचे संपीडन गुणोत्तर सामान्यतः डिझेल इंजिनपेक्षा कमी असते.

आदर्श डिझेल इंजिन चक्र: डिझेल चक्र
आदर्श डिझेल इंजिन डिझेल चक्राद्वारे दर्शविले जाते, ज्यातील मुख्य फरक हा आहे की सुरुवातीच्या प्रसरण स्ट्रोक दरम्यान इंधन इंजेक्शनमुळे स्थिर (किंवा जवळपास स्थिर) दाबावर उष्णता वाढते असे गृहीत धरले जाते. आदर्श डिझेल चक्राचे टप्पे खालीलप्रमाणे आहेत:
१. समएन्ट्रॉपी संपीडन: केवळ हवेला खूप उच्च तापमानापर्यंत संकुचित केले जाते.
२. स्थिर दाबाने उष्णता देणे: प्रक्रियेच्या काही भागादरम्यान तुलनेने स्थिर दाब राखत, इंधन आत टाकून जाळले जाते.
३. समएन्ट्रॉपी प्रसरण: उष्ण वायू प्रसरण पावतो आणि कार्य निर्माण करतो.
४. स्थिर आकारमान उष्णता अपव्यय: सुरुवातीच्या स्थितीत परत येण्यासाठी उष्णता बाहेर टाकली जाते.

एका आदर्श डिझेल सायकलची कार्यक्षमता कॉम्प्रेशन रेशो आणि कट-ऑफ रेशो (ρ) वर अवलंबून असते, जो अंतिम उष्णता-प्रदान व्हॉल्यूम आणि प्रारंभिक उष्णता-प्रदान व्हॉल्यूम यांचे गुणोत्तर असतो. सर्वसाधारणपणे, समान कॉम्प्रेशन रेशोसाठी, ओटो कार्यक्षमता आदर्श डिझेलपेक्षा जास्त असते. तथापि, वस्तुस्थिती याच्या उलट आहे: डिझेल इंजिन अनेकदा अधिक कार्यक्षम असतात कारण ते उच्च कॉम्प्रेशन रेशो वापरू शकतात आणि कमी थ्रॉटलिंग हानीसह कार्य करू शकतात.

औष्णिक तुलना: डिझेल अधिक कार्यक्षम का आहे?
उपयोजित ऊष्मागतिकीच्या दृष्टिकोनातून, अनेक ठोस कारणे आहेत:

१. डिझेलमधील उच्च संपीडन गुणोत्तर
डिझेल इंजिन फक्त हवा संकुचित करतात, त्यामुळे पेट्रोल इंजिनच्या तुलनेत नॉकिंग ही तितकी मोठी मर्यादा नसते. डिझेलचे कॉम्प्रेशन रेशो खूप जास्त असू शकतात, ज्यामुळे कॉम्प्रेशनच्या अंतिम टप्प्यातील तापमान वाढते, ज्वलन सुलभ होते आणि कार्यक्षमता वाढते.

२. अंशतः भारावर थ्रॉटलशिवाय संचालन
अनेक पेट्रोल इंजिने थ्रॉटलच्या साहाय्याने शक्ती नियंत्रित करतात, जे आत येणाऱ्या हवेचा प्रवाह मर्यादित करते. यामुळे, विशेषतः कमी भारावर, पंपिंग लॉस (पंपिंगमुळे होणारे ऊर्जा नुकसान) निर्माण होतो. डिझेल इंजिने सामान्यतः आत सोडल्या जाणाऱ्या इंधनाच्या प्रमाणाद्वारे शक्ती नियंत्रित करतात आणि अतिरिक्त हवा रोखून धरतात, ज्यामुळे पंपिंग लॉस कमी होतो आणि आंशिक कार्यक्षमता सुधारते.

३. ज्वलन वैशिष्ट्ये आणि हवा-इंधन गुणोत्तर
डिझेल इंजिन सामान्यतः अत्यंत विरल मिश्रणावर चालतात, ज्यामुळे विशिष्ट परिस्थितीत कमाल तापमान कमीत कमी राहते आणि उष्णतेचा अपव्यय कमी होतो. तथापि, डिझेलमुळे सूक्ष्म कण (काजळी) आणि NOx उत्सर्जनाच्या बाबतीतही आव्हाने निर्माण होतात, ज्यावर नियंत्रण ठेवणे आवश्यक आहे.

४. इंधनाचे कॅलरी मूल्य आणि ऊर्जा घनता
पेट्रोलच्या तुलनेत डिझेल इंधनाची घनफळ ऊर्जा घनता जास्त असते. औष्णिक कार्यक्षमता ही एक वेगळी संकल्पना असली तरी, हा घटक प्रति किलोमीटर आणि प्रति लिटर इंधन वापरावर परिणाम करतो, ज्यामुळे अनेकदा डिझेल अधिक "कार्यक्षम" वाटते.

वास्तविक प्रक्रिया पैलू: आदर्श चक्रापासून प्रत्यक्ष चक्रापर्यंत
आदर्श ओटो आणि डिझेल चक्रे सम-एन्ट्रॉपी प्रक्रिया आणि "शुद्ध" उष्णता जोडणी गृहीत धरतात. वास्तविक इंजिनांमध्ये लक्षणीय विचलने आढळतात, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

सिलेंडरच्या भिंतीकडे उष्णता हस्तांतरित झाल्यामुळे कार्यकारी वायूचे तापमान कमी होते, ज्यामुळे प्रसरणाचे कार्य कमी होते.
पिस्टन रिंग, बेअरिंग आणि व्हॉल्व्हट्रेनच्या घटकांवरील यांत्रिक घर्षणामुळे प्रभावी शक्ती कमी होते.
– ज्वलनाचा कालावधी: ज्वलन तात्काळ होत नाही. पेट्रोल इंजिनमध्ये, ज्वलनासाठी क्रँकशाफ्टच्या काही अंशांच्या कोनाची आवश्यकता असते; डिझेल इंजिनमध्ये, विलंबित प्रज्वलन आणि विसरण ज्वलन होते.
मागील चक्रातील शिल्लक राहिलेला वायू पुढील मिश्रणाची रचना आणि तापमान बदलतो.
– व्हॉल्युमेट्रिक कार्यक्षमता ही इनटेक/एक्झॉस्ट डिझाइन आणि व्हॉल्व्ह टायमिंगवर अवलंबून असते, ज्यामुळे आत येणाऱ्या हवेचे वस्तुमान निश्चित होते आणि परिणामी पॉवर व इंधन वापरावर परिणाम होतो.

अभियांत्रिकी विश्लेषणात, कार्यक्षमता अनेकदा इंडिकेटेड मीन इफेक्टिव्ह प्रेशर (IMEP) आणि ब्रेक मीन इफेक्टिव्ह प्रेशर (BMEP) द्वारे मोजली जाते. IMEP हे सिलेंडरमध्ये झालेले थर्मोडायनॅमिक कार्य दर्शवते, तर BMEP हे यांत्रिक हानी वजा केल्यानंतर शाफ्टवर प्रत्यक्षात उपलब्ध असलेले कार्य असते. या दोन्हींमधील फरक यांत्रिक कार्यक्षमतेशी संबंधित असतो.

उत्सर्जनावरील औष्णिक परिणाम
उत्सर्जनांच्या निर्मितीपासून थर्मोडायनामिक्सचा अभ्यास वेगळा करता येत नाही, कारण तापमान, दाब आणि मिश्रणाची रचना रासायनिक अभिक्रिया निश्चित करतात.

– पेट्रोल इंजिनमध्ये ज्वलन अपूर्ण राहिल्यास CO आणि HC तयार होण्याची शक्यता असते, परंतु जेव्हा मिश्रण स्टॉइकियोमेट्रिकच्या जवळ असते तेव्हा थ्री-वे कॅटॅलिस्ट प्रभावी ठरतात.
– डिझेल इंजिनमध्ये NOx (उच्च तापमान आणि अतिरिक्त ऑक्सिजनमुळे) आणि सूक्ष्म कण/काजळी (विखुरलेल्या ज्वलनातील स्थानिक समृद्ध क्षेत्रांमुळे) तयार होण्याची प्रवृत्ती असते. कार्यक्षमता आणि उत्सर्जन यांचा समतोल साधण्यासाठी EGR (एक्झॉस्ट गॅस रीसर्क्युलेशन), टर्बोचार्जिंग आणि आफ्टरट्रीटमेंट (SCR/DPF) यांसारख्या उपाययोजना वापरल्या जातात.

आधुनिक घडामोडी: टर्बोचार्जिंग, डायरेक्ट इंजेक्शन आणि मिक्स्ड सायकल
तांत्रिक प्रगतीमुळे 'पेट्रोलची वैशिष्ट्ये' आणि 'डिझेलची वैशिष्ट्ये' यांमधील फरक पुसट होत आहे. आधुनिक पेट्रोल इंजिने कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी आणि इंधनाचा वापर कमी करण्यासाठी अनेकदा डायरेक्ट इंजेक्शन आणि टर्बोचार्जिंगचा वापर करतात, मात्र यामुळे सूक्ष्म कणांचे प्रमाण वाढू शकते आणि फिल्टरची आवश्यकता भासू शकते. याउलट, आधुनिक डिझेल इंजिने ज्वलन प्रक्रिया अधिक कार्यक्षम करण्यासाठी मल्टी-स्टेज इंजेक्शन कंट्रोल आणि व्हेरिएबल टर्बोचार्जिंगचा वापर करतात.
थर्मोडायनामिक अभ्यासात, आधुनिक इंजिनांचे विश्लेषण अनेकदा ड्युअल सायकल म्हणून केले जाते: उष्णता पुरवठा अंशतः स्थिर आकारमानावर आणि अंशतः स्थिर दाबावर होतो. हे मॉडेल प्रत्यक्ष ज्वलनाचे वर्णन करण्यासाठी अधिक वास्तववादी आहे, जे ओटो किंवा डिझेलच्या गृहितकांना पूर्णपणे जुळत नाही.

निष्कर्ष
डिझेल आणि गॅसोलीन इंजिनांच्या थर्मोडायनॅमिक अभ्यासातून असे दिसून येते की, वेगवेगळ्या प्रज्वलन आणि मिश्रण निर्मिती पद्धतींमुळे वेगवेगळी आदर्श चक्रे निर्माण होतात: गॅसोलीनसाठी ओटो (स्थिर आकारमान) आणि डिझेलसाठी डिझेल (स्थिर दाब). जरी समान कॉम्प्रेशन रेशोवर आदर्श ओटो चक्र अधिक कार्यक्षम असू शकते, तरीही व्यवहारात डिझेल इंजिने अनेकदा कार्यक्षमतेत सरस ठरतात, कारण ती उच्च कॉम्प्रेशन रेशो वापरू शकतात आणि आंशिक भारावर पंपिंगमधील नुकसान कमी करू शकतात. तथापि, कार्यक्षमता हा एक स्वतंत्र मुद्दा नाही: उत्सर्जन, टॉर्कची वैशिष्ट्ये, प्रणालीचा खर्च आणि देखभालीची आवश्यकता हे सर्व घटक त्याचा वापर निश्चित करतात. डायरेक्ट इंजेक्शन, टर्बोचार्जिंग, ईजीआर आणि आफ्टरट्रीटमेंट यांसारख्या आधुनिक तंत्रज्ञानामुळे, दोन्ही प्रकारची इंजिने उत्सर्जन कमी करताना औष्णिक कार्यक्षमता सुधारून नवीन इष्टतम बिंदूंच्या दिशेने प्रगती करत आहेत—त्यामुळे अंतर्गत ज्वलन इंजिनांच्या डिझाइन आणि कार्यप्रदर्शन मूल्यांकनासाठी थर्मोडायनॅमिक्सचे ज्ञान हा एक महत्त्वाचा पाया आहे.