د ډیزل انجنونو او پټرول انجنونو په اړه د ترموډینامیک مطالعه

د ډیزل انجنونو او پټرول انجنونو په اړه د ترموډینامیک مطالعه

پنډاهولوان
د داخلي احتراق انجن یوه مهمه ټیکنالوژي ده چې د سونګ موادو کیمیاوي انرژي د سلنډر دننه د احتراق له لارې میخانیکي انرژي ته بدلوي. دوه خورا عام ډولونه چې په موټرو او مختلفو صنعتي غوښتنلیکونو کې کارول کیږي د ګازولین (سپارک ایګیشن/SI) انجن او ډیزل (کمپریشن ایګیشن/CI) انجن دي. پداسې حال کې چې دواړه په څلور سټروک دورې (په ډیری ډیزاینونو کې) او اساسي ترموډینامیک اصولو تکیه کوي، د مخلوط جوړښت، د اور لګیدو میتود، د اور لګیدو ځانګړتیاو، او په پایله کې، موثریت کې مهم توپیرونه شتون لري. د ترموډینامیک مطالعه موږ سره مرسته کوي چې پوه شو چې ولې ډیزل انجنونه ډیر اغیزمن وي، ولې د ګازولین انجنونه مختلف غبرګون او ریو ځانګړتیاوې لري، او څنګه پیرامیټرونه لکه د کمپریشن تناسب، تودوخه، فشار، او زیانونه فعالیت ټاکي.

د داخلي احتراق انجنونو اساسي ترموډینامیکونه
په مثالي توګه، د انجن فعالیت اکثرا د یو مثالي ترموډینامیک دورې له لارې تحلیل کیږي چې د حقیقي نړۍ پروسه ساده کوي. هدف دا نه دی چې د احتراق توضیحات په سمه توګه تکرار شي، بلکه د ډیزاین متغیراتو اغیزې په موثریت باندې د ارزونې لپاره یو چوکاټ چمتو کول دي. پدې څیړنه کې کلیدي مقدارونه شامل دي:

۱. د کمپریشن تناسب (r): د سلنډر حجم تناسب کله چې پسټون په ښکته مړ مرکز کې وي د پورته مړ مرکز حجم سره. د کمپریشن تناسب د وروستي کمپریشن تودوخې او فشار اغیزه کوي، په دې توګه موثریت خورا ټاکي.
۲. د تودوخې داخلول (Q_in) او د تودوخې تولید (Q_out): د مثالي دورې مفهوم کې، د تودوخې داخلول د احتراق (یا د تودوخې اضافه کولو) په جریان کې واقع کیږي او د تودوخې تولید د تودوخې ردولو په جریان کې واقع کیږي.
۳. جال کار (W_net): د پراخولو کار او کمپریشن کار ترمنځ توپیر.
۴. د تودوخې موثریت (η_th): د تودوخې ان پټ سره د خالص کار تناسب، یعنې η_th = W_net / Q_in.
۵. د ترموډینامیک لومړی قانون: په یوه سیسټم کې د انرژۍ بدلونونه د تودوخې او کار سره تړاو لري. په یوه مثالي تړلي دوران کې، خالص کار د تودوخې د ننوتلو او تودوخې د تولید ترمنځ توپیر سره مساوي دی.

په عمل کې، اصلي موثریت تل د رګیدو، د سلنډر دیوالونو ته د تودوخې لیږد، نیمګړي احتراق، د پمپ کولو ضایعاتو، او همدارنګه د اخراج ګاز او د یخولو سیسټم فکتورونو له امله د مثالي څخه ټیټ وي.

د پټرول انجن مثالی سایکل: اوټو سایکل
د مثالي پټرول انجن د اوټو سایکل لخوا استازیتوب کیږي، داسې انګیرل کیږي چې د تودوخې اضافه کول په ثابت حجم کې واقع کیږي. د مثالي اوټو سایکل اصلي مرحلې دا دي:
۱. ایزنټروپیک کمپریشن: د هوا او سونګ موادو مخلوط د تودوخې لیږد پرته فشار شوی (مثالي).
۲. د حرارت ثابت حجم اضافه کول: داسې انګیرل کیږي چې احتراق په چټکۍ سره پیښیږي ترڅو حجم ثابت پاتې شي.
۳. د ایزنټروپیک پراخوالی: د احتراق ګاز پراخیږي، پسټون فشار راوړي او کار تولیدوي.
۴. د دوامداره حجم تودوخې ردول: تودوخه رد کیږي او دوره بیرته خپل لومړني حالت ته راستنیږي.

د مثالي اوټو دورې حرارتي موثریت د کمپریشن تناسب د فعالیت په توګه لیکل کیدی شي:
\[
\eta_{Otto} = 1 – frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
چیرې چې γ د تودوخې ځانګړی تناسب (Cp/Cv) دی. دا معادله ښیي چې د کمپریشن تناسب زیاتول موثریت زیاتوي. په هرصورت، د ګازولین انجنونه د ټکولو (چاودنې) له لارې محدود دي، کوم چې د لوړې تودوخې او فشارونو له امله غیر کنټرول شوي احتراق دی چې د مخلوط ځینې برخې د سپارک پلګ د مستحکم شعلې مخکینۍ تولید دمخه د اوریدو لامل کیږي. له همدې امله، د ګازولین انجنونو کمپریشن تناسب عموما د ډیزل انجنونو په پرتله ټیټ دی.

د ډیزل انجن مثالی سایکل: د ډیزل سایکل
د مثالي ډیزل انجن د ډیزل دورې لخوا استازیتوب کیږي، اصلي توپیر یې دا دی چې د تودوخې اضافه کول د لومړني پراختیا سټروک په جریان کې د سونګ توکو انجیکشن له امله په ثابت (یا نږدې ثابت) فشار کې پیښیږي. د مثالي ډیزل دورې مرحلې په لاندې ډول دي:
۱. ایزنټروپیک کمپریشن: یوازې هوا تر ډیرې لوړې تودوخې پورې فشار ورکول کیږي.
۲. د دوامداره فشار تودوخې اضافه کول: سونګ مواد داخلیږي او سوځول کیږي، د پروسې په یوه برخه کې نسبتا ثابت فشار ساتل کیږي.
۳. د ایزنټروپیک انبساط: ګرم ګاز انبساط کوي او کار تولیدوي.
۴. د حجم له پلوه د تودوخې دوامداره ضایع کول: تودوخه رد کیږي ترڅو بیرته لومړني حالت ته راشي.

د یو مثالي ډیزل دورې موثریت د کمپریشن تناسب او د قطع کولو تناسب (ρ) پورې اړه لري، کوم چې د وروستي تودوخې اضافه کولو حجم د لومړني تودوخې اضافه کولو حجم سره تناسب دی. په عمومي توګه، د ورته کمپریشن تناسب لپاره، د اوټو موثریت د مثالي ډیزل په پرتله لوړ وي. په هرصورت، حقیقت برعکس دی: ډیزل انجنونه ډیری وختونه ډیر موثر وي ځکه چې دوی کولی شي د لوړ کمپریشن تناسب څخه کار واخلي او د کوچني تروټټلینګ زیانونو سره کار وکړي.

د ترموډینامیک پرتله کول: ولې ډیزل ډیر اغیزمن دی؟
د تطبیقي ترموډینامیک له نظره، څو قانع کوونکي دلیلونه شتون لري:

۱. په ډیزل کې د لوړ فشار تناسب
ډیزل انجنونه یوازې هوا فشاروي، نو ټکان ورکول دومره مهم محدودیت نه دی لکه څنګه چې د ګازولین انجنونو سره دی. د ډیزل کمپریشن تناسب خورا لوړ کیدی شي، چې پایله یې د کمپریشن پای لوړ تودوخه، اسانه احتراق، او د موثریت زیاتوالی دی.

۲. د جزوي بار په وخت کې د تروټل پرته عملیات
ډیری پټرول انجنونه د یوې تختې سره بریښنا تنظیموي چې د هوا جریان محدودوي. دا د پمپ کولو ضایعات رامینځته کوي، په ځانګړي توګه په سپکو بارونو کې. ډیزل انجنونه عموما د داخل شوي سونګ توکو مقدار سره بریښنا تنظیموي، پداسې حال کې چې اضافي هوا ساتي، چې پایله یې د پمپ کولو ضایعات کم او غوره جزوي موثریت دی.

۳. د احتراق ځانګړتیاوې او د هوا او سونګ توکو تناسب
د ډیزل انجنونه معمولا په ډیر کم مخلوط کې کار کوي، چې د ځینو شرایطو لاندې د لوړې تودوخې ټیټولو ته اجازه ورکوي، د تودوخې ضایعات کموي. په هرصورت، ډیزل د ذراتو موادو (کاجل) او NOx اخراج سره هم ننګونې وړاندې کوي چې کنټرول ته اړتیا لري.

۴. د سونګ توکو کالوري ارزښت او د انرژۍ کثافت
د ډیزل سونګ د ګازولین په پرتله لوړ حجمي انرژي کثافت لري. پداسې حال کې چې د تودوخې موثریت یو جلا مفهوم پاتې دی، دا فکتور په هر کیلومتر او هر لیټر کې د سونګ توکو مصرف اغیزه کوي، چې ډیری وختونه ډیزل ډیر "اغیزمن" ښکاري.

د اصلي پروسې اړخونه: له مثالي دورې څخه تر اصلي دورې پورې
د اوټو او ډیزل مثالي سایکلونه د ایزنټروپیک پروسې او "پاک" تودوخې اضافه کولو فرض کوي. د حقیقي نړۍ انجنونه د پام وړ انحرافات تجربه کوي، په شمول د:

- د سلنډر دیوال ته د تودوخې لیږد د ګاز د کار کولو تودوخه کموي نو د غځولو کار کمیږي.
- د پسټون حلقو، بیرنګونو او والوټرین اجزاو باندې میخانیکي رګونه مؤثره ځواک کموي.
– د احتراق موده: احتراق سمدستي نه وي. په پټرول انجنونو کې، احتراق د کرینکشافټ زاویې څو درجې ته اړتیا لري؛ په ډیزل انجنونو کې، د احتراق ځنډ او خپریدو شتون لري.
- د تیر دورې پاتې ګاز د راتلونکي مخلوط جوړښت او تودوخه بدلوي.
- د حجمي موثریت د انټیک/ایګزاسټ ډیزاین او والو وخت لخوا اغیزمن کیږي، د هوا د ننوتلو اندازه ټاکي، پدې توګه بریښنا او مصرف اغیزه کوي.

د انجینرۍ تحلیل کې، فعالیت اکثرا د ښودل شوي اوسط مؤثر فشار (IMEP) او د بریک اوسط مؤثر فشار (BMEP) لخوا اندازه کیږي. IMEP په سلنډر کې ترسره شوي ترموډینامیک کار منعکس کوي، پداسې حال کې چې BMEP هغه کار دی چې په حقیقت کې په شافټ کې د میخانیکي زیانونو کمولو وروسته شتون لري. د دواړو ترمنځ توپیر د میخانیکي موثریت پورې اړه لري.

د ترموډینامیک اغیز په اخراج باندې
د ترموډینامیک مطالعه د ګازونو د اخراج له جوړښت څخه نشي جلا کیدی ځکه چې د تودوخې درجه، فشار او د مخلوط جوړښت کیمیاوي تعاملات ټاکي.

- د ګازولین انجنونه د CO او HC تولیدولو تمایل لري که چیرې احتراق بشپړ نه وي، مګر درې اړخیز کتلستونه هغه وخت اغیزمن وي کله چې مخلوط سټوچیومیټریک ته نږدې وي.
- د ډیزل انجنونه د NOx تولیدولو تمایل لري (د لوړې تودوخې او ډیر اکسیجن له امله) او ذرات/کاجل (د خپریدونکي احتراق کې د ځایی بډایه زونونو له امله). ستراتیژیانې لکه EGR (د اخراج ګاز بیا گردش)، ټربو چارج کول، او وروسته درملنه (SCR/DPF) د موثریت او اخراج توازن لپاره کارول کیږي.

عصري پرمختګونه: ټربو چارج کول، مستقیم انجیکشن، او مخلوط سایکل
د ټکنالوژۍ پرمختګونه د "پټرول ځانګړتیاو" او "ډیزل ځانګړتیاو" ترمنځ کرښې تتوي کوي. عصري پټرول انجنونه ډیری وختونه د موثریت ښه کولو او د سونګ مصرف کمولو لپاره مستقیم انجیکشن او ټربو چارجینګ کاروي، که څه هم دا کولی شي د ذراتو ماده زیاته کړي او فلټرونو ته اړتیا ولري. په ورته وخت کې، عصري ډیزل انجنونه د احتراق غوره کولو لپاره د څو مرحلو انجیکشن کنټرول او متغیر ټربو چارجینګ کاروي.
په ترموډینامیک مطالعاتو کې، عصري انجنونه ډیری وختونه د دوه ګوني دورې په توګه تحلیل کیږي: د تودوخې اضافه کول په جزوي ډول په ثابت حجم او جزوي ډول په ثابت فشار کې واقع کیږي. دا ماډل د حقیقي احتراق تشریح کولو لپاره ډیر واقعیت لرونکی دی چې د اوټو یا ډیزل انګیرنې په بشپړ ډول نه پوره کوي.

پایله
د ډیزل او پټرول انجنونو د ترموډینامیک مطالعات ښیې چې د اور لګیدو او مخلوط جوړولو مختلف میتودونه د مختلف مثالي دورې پایله لري: د پټرول لپاره اوټو (ثابت حجم) او د ډیزل لپاره ډیزل (ثابت فشار). پداسې حال کې چې د اوټو مثالي دورې کولی شي په ورته کمپریشن تناسب کې ډیر اغیزمن وي، په عمل کې ډیزل انجنونه ډیری وختونه د لوړ کمپریشن تناسب کارولو او په جزوي بارونو کې د پمپ کولو ضایعاتو کمولو وړتیا له امله په موثریت کې غوره وي. په هرصورت، موثریت یو واحد مسله نه ده: اخراج، د تورک ځانګړتیاوې، د سیسټم لګښتونه، او د ساتنې اړتیاوې ټول هغه عوامل دي چې غوښتنلیک ټاکي. د عصري ټیکنالوژیو لکه مستقیم انجیکشن، ټربو چارجینګ، EGR، او وروسته درملنې سره، د انجن دواړه ډولونه د نوي غوره ټکو په لور پرمختګ ته دوام ورکوي - د اخراج کمولو پرمهال د تودوخې موثریت ښه کول - نو د ترموډینامیک پوهه د داخلي احتراق انجنونو ډیزاین او فعالیت ارزونې لپاره یو مهم بنسټ پاتې کیږي.