ڊيزل انجڻين ۽ پيٽرول انجڻين تي ٿرموڊينامڪ مطالعو

ڊيزل انجڻين ۽ پيٽرول انجڻين تي ٿرموڊينامڪ مطالعو

پنڊال
اندروني ڪمبشن انجڻ هڪ اهم ٽيڪنالاجي آهي جيڪا ايندھن جي ڪيميائي توانائي کي سلنڈر اندر ڪمبشن ذريعي ميڪيڪل توانائي ۾ تبديل ڪري ٿي. گاڏين ۽ مختلف صنعتي ايپليڪيشنن ۾ استعمال ٿيندڙ ٻه سڀ کان عام قسم آهن پيٽرول (اسپارڪ اگنيشن/SI) انجڻ ۽ ڊيزل (ڪمپريشن اگنيشن/CI) انجڻ. جڏهن ته ٻئي چار اسٽروڪ سائيڪل (ڪيترن ئي ڊيزائنن ۾) ۽ بنيادي ٿرموڊائنامڪ اصولن تي ڀاڙين ٿا، مرکب جي ٺهڻ، اگنيشن جو طريقو، ڪمبشن خاصيتون، ۽ نتيجي طور، ڪارڪردگي ۾ اهم فرق آهن. ٿرموڊائنامڪس جو مطالعو اسان کي سمجهڻ ۾ مدد ڪري ٿو ته ڊيزل انجڻ ڇو وڌيڪ ڪارآمد هوندا آهن، ڇو پيٽرول انجڻ ۾ مختلف ردعمل ۽ ريو خاصيتون هونديون آهن، ۽ ڪيئن پيرا ميٽر جهڙوڪ ڪمپريشن تناسب، گرمي پد، دٻاءُ، ۽ نقصان ڪارڪردگي جو تعين ڪندا آهن.

اندروني ڪمبسشن انجن جي بنيادي ٿرموڊينامڪس
مثالي طور تي، انجن جي ڪارڪردگي جو تجزيو اڪثر ڪري هڪ مثالي ٿرموڊائنامڪ چڪر ذريعي ڪيو ويندو آهي جيڪو حقيقي دنيا جي عمل کي آسان بڻائي ٿو. مقصد اهو ناهي ته ٻرڻ جي تفصيلن کي صحيح طور تي نقل ڪيو وڃي، پر ڪارڪردگي تي ڊيزائن متغيرن جي اثر جو جائزو وٺڻ لاءِ هڪ فريم ورڪ فراهم ڪيو وڃي. هن مطالعي ۾ اهم مقدار شامل آهن:

1. ڪمپريشن تناسب (r): سلنڈر جي مقدار جو تناسب جڏهن پسٽن هيٺئين ڊيڊ سينٽر تي هوندو آهي ۽ مٿين ڊيڊ سينٽر تي حجم. ڪمپريشن تناسب آخري ڪمپريشن جي درجه حرارت ۽ دٻاءُ کي متاثر ڪري ٿو، اهڙيءَ طرح ڪارڪردگيءَ جو تمام گهڻو تعين ڪري ٿو.
2. گرمي ان پٽ (Q_in) ۽ گرمي آئوٽ پُٽ (Q_out): مثالي چڪر جي تصور ۾، گرمي ان پٽ ٻرڻ (يا گرمي جو اضافو) دوران ٿئي ٿو ۽ گرمي آئوٽ پُٽ گرمي رد ڪرڻ دوران ٿئي ٿو.
3. نيٽ ورڪ (W_net): ايڪسپينشن ڪم ۽ ڪمپريشن ڪم ۾ فرق.
4. حرارتي ڪارڪردگي (η_th): نيٽ ورڪ ۽ گرمي ان پٽ جو تناسب، يعني η_th = W_net / Q_in.
5. ٿرموڊينامڪس جو پهريون قانون: هڪ نظام ۾ توانائي ۾ تبديليون گرمي ۽ ڪم سان لاڳاپيل آهن. هڪ مثالي بند چڪر ۾، نيٽ ورڪ گرمي ان پٽ ۽ گرمي آئوٽ پُٽ جي وچ ۾ فرق جي برابر آهي.

عملي طور تي، حقيقي ڪارڪردگي هميشه مثالي کان گهٽ هوندي آهي ڇاڪاڻ ته رگڙ، سلنڈر جي ڀتين ڏانهن گرمي جي منتقلي، نامڪمل جلن، پمپنگ نقصان، انهي سان گڏ نڪرڻ واري گئس ۽ کولنگ سسٽم جي عنصرن جي ڪري.

پيٽرول انجڻ جو مثالي چڪر: اوٽو سائيڪل
مثالي پيٽرول انجڻ کي اوٽو سائيڪل جي نمائندگي ڪئي ويندي آهي، فرض ڪيو ويندو آهي ته گرمي جو اضافو مسلسل مقدار تي ٿيندو آهي. مثالي اوٽو سائيڪل جا مکيه مرحلا آهن:
1. آئسينٽروپڪ ڪمپريشن: هوا ۽ ٻارڻ جو مرکب گرمي جي منتقلي کان سواءِ دٻايو ويندو آهي (مثالي).
2. مسلسل حجم گرمي جو اضافو: اهو فرض ڪيو ويو آهي ته جلڻ جلدي ٿئي ٿو ته جيئن حجم مستقل رهي.
3. آئسينٽروپڪ توسيع: ٻرندڙ گئس وڌندي آهي، پسٽن کي دٻائيندي آهي ۽ ڪم پيدا ڪندي آهي.
4. مسلسل مقدار جي گرمي رد ڪرڻ: گرمي رد ڪئي ويندي آهي ۽ چڪر پنهنجي شروعاتي حالت ڏانهن موٽندو آهي.

مثالي اوٽو چڪر جي حرارتي ڪارڪردگي کي ڪمپريشن تناسب جي ڪم جي طور تي لکي سگهجي ٿو:
\[
\eta_{Otto} = 1 - \frac{1}{r^{\gamma - 1}}
\]
جتي γ مخصوص گرمي جو تناسب (Cp/Cv) آهي. هي مساوات ڏيکاري ٿي ته ڪمپريشن تناسب وڌائڻ سان ڪارڪردگي وڌي ٿي. بهرحال، پيٽرول انجڻون دٻائڻ (ڌماڪو) ذريعي محدود آهن، جيڪو تيز گرمي پد ۽ دٻاءُ جي ڪري بي قابو جلڻ آهي جيڪو اسپارڪ پلگ جي مستحڪم شعلا فرنٽ پيدا ڪرڻ کان اڳ ڪجهه مرکب کي ساڙڻ جو سبب بڻجندو آهي. تنهن ڪري، پيٽرول انجڻين جو ڪمپريشن تناسب عام طور تي ڊيزل انجڻين جي ڀيٽ ۾ گهٽ هوندو آهي.

مثالي ڊيزل انجڻ سائيڪل: ڊيزل سائيڪل
مثالي ڊيزل انجڻ کي ڊيزل سائيڪل ذريعي ظاهر ڪيو ويندو آهي، جنهن جو مکيه فرق اهو آهي ته گرمي جو اضافو ابتدائي توسيع اسٽروڪ دوران ايندھن جي انجيڪشن جي ڪري مسلسل (يا مسلسل جي ويجهو) دٻاءُ تي ٿيڻ جو فرض ڪيو ويندو آهي. مثالي ڊيزل سائيڪل جا مرحلا آهن:
1. آئسينٽروپڪ ڪمپريشن: هوا کي صرف تمام گهڻي گرمي پد تي دٻايو ويندو آهي.
2. مسلسل دٻاءُ جي گرمي جو اضافو: ايندھن کي داخل ڪيو ويندو آهي ۽ ساڙيو ويندو آهي، عمل جي حصي دوران نسبتاً مسلسل دٻاءُ برقرار رکيو ويندو آهي.
3. آئسينٽروپڪ توسيع: گرم گئس وڌندي آهي ۽ ڪم پيدا ڪندي آهي.
4. مسلسل مقدار ۾ گرمي جو خاتمو: گرمي کي شروعاتي حالت ڏانهن موٽڻ لاءِ رد ڪيو ويندو آهي.

هڪ مثالي ڊيزل چڪر جي ڪارڪردگي ڪمپريشن تناسب ۽ ڪٽ آف تناسب (ρ) تي منحصر آهي، جيڪو آخري گرمي-اضافو حجم جو شروعاتي گرمي-اضافو حجم سان تناسب آهي. عام طور تي، ساڳئي ڪمپريشن تناسب لاءِ، اوٽو ڪارڪردگي هڪ مثالي ڊيزل جي ڀيٽ ۾ وڌيڪ هوندي آهي. جڏهن ته، حقيقت ان جي ابتڙ آهي: ڊيزل انجڻ اڪثر ڪري وڌيڪ ڪارآمد هوندا آهن ڇاڪاڻ ته اهي وڌيڪ ڪمپريشن تناسب استعمال ڪري سگهن ٿا ۽ گهٽ ٿروٽلنگ نقصانن سان ڪم ڪري سگهن ٿا.

ٿرموڊينامڪ مقابلو: ڊيزل وڌيڪ ڪارآمد ڇو آهي؟
لاڳو ٿيل ٿرموڊائنامڪس جي نقطي نظر کان، ڪيترائي مجبور سبب آهن:

1. ڊيزل ۾ وڌيڪ ڪمپريشن تناسب
ڊيزل انجڻون صرف هوا کي دٻائينديون آهن، تنهن ڪري ڌڪ هڻڻ ايتري اهم حد ناهي جيتري پيٽرول انجڻين سان هوندي آهي. ڊيزل ڪمپريشن تناسب تمام گهڻو وڌيڪ ٿي سگهي ٿو، جنهن جي نتيجي ۾ ڪمپريشن جي آخر ۾ وڌيڪ گرمي پد، آسان ڪمبشن، ۽ ڪارڪردگي ۾ اضافو ٿيندو آهي.

2. جزوي لوڊ تي ٿروٽل کان سواءِ آپريشن
ڪيتريون ئي پيٽرول انجڻون ٿروٽل سان پاور کي منظم ڪن ٿيون جيڪو انٽيڪ ايئر فلو کي محدود ڪري ٿو. اهو پمپنگ نقصان پيدا ڪري ٿو، خاص طور تي هلڪي لوڊ تي. ڊيزل انجڻون عام طور تي انجيڪشن ٿيل ايندھن جي مقدار سان پاور کي منظم ڪن ٿيون، جڏهن ته اضافي هوا کي برقرار رکندي، نتيجي ۾ گهٽ پمپنگ نقصان ۽ بهتر جزوي ڪارڪردگي.

3. باهه جون خاصيتون ۽ هوائي ايندھن جو تناسب
ڊيزل انجڻ عام طور تي تمام گهٽ ٿلهي مرکب تي هلندا آهن، ڪجهه حالتن ۾ گهٽ چوٽي جي درجه حرارت جي اجازت ڏين ٿا، گرمي جي نقصان کي گهٽائي ٿو. جڏهن ته، ڊيزل پڻ ذرات جي مادو (سوت) ۽ NOx جي اخراج سان چئلينج پيش ڪري ٿو جن کي ڪنٽرول جي ضرورت آهي.

4. ايندھن جي ڪيلوريفڪ ويليو ۽ توانائي جي کثافت
ڊيزل ايندھن ۾ پيٽرول جي ڀيٽ ۾ وڌيڪ مقداري توانائي جي کثافت آهي. جڏهن ته حرارتي ڪارڪردگي هڪ الڳ تصور رهي ٿي، هي عنصر في ڪلوميٽر ۽ في ليٽر ايندھن جي استعمال تي اثر انداز ٿئي ٿو، اڪثر ڪري ڊيزل کي وڌيڪ "موثر" ظاهر ڪري ٿو.

حقيقي عمل جا پهلو: مثالي چڪر کان حقيقي چڪر تائين
مثالي اوٽو ۽ ڊيزل سائيڪلون هڪ آئنٽروپڪ عمل ۽ "صاف" گرمي جي اضافي کي فرض ڪن ٿيون. حقيقي دنيا جا انجن اهم انحراف جو تجربو ڪن ٿا، جن ۾ شامل آهن:

- سلنڈر جي ڀت ڏانهن گرمي جي منتقلي ڪم ڪندڙ گئس جي گرمي پد کي گھٽائي ٿي ته جيئن توسيع جو ڪم گهٽجي وڃي.
- پسٽن جي رِنگز، بيئرنگز، ۽ والو ٽرين حصن تي مشيني رگڙ اثرائتي طاقت کي گھٽائي ٿي.
- باهه لڳڻ جو عرصو: باهه لڳڻ فوري نه آهي. پيٽرول انجڻين ۾، باهه لڳڻ لاءِ ڪرينڪ شافٽ اينگل جي ڪيترن ئي درجن جي ضرورت هوندي آهي؛ ڊيزل انجڻين ۾، دير سان باهه لڳڻ ۽ پکڙجڻ جو ڪمبشن ٿيندو آهي.
- پوئين چڪر مان بچيل گئس بعد ۾ ايندڙ مرکب جي بناوت ۽ گرمي پد کي تبديل ڪري ٿي.
- حجمي ڪارڪردگي انٽيڪ/ايگزاسٽ ڊيزائن ۽ والو ٽائمنگ کان متاثر ٿئي ٿي، هوا جي داخل ٿيڻ جي مقدار کي طئي ڪندي، اهڙي طرح بجلي ۽ استعمال کي متاثر ڪري ٿي.

انجنيئرنگ تجزيي ۾، ڪارڪردگي اڪثر ڪري اشارو ڪيل اوسط اثرائتي دٻاءُ (IMEP) ۽ بريڪ جي اوسط اثرائتي دٻاءُ (BMEP) سان ماپي ويندي آهي. IMEP سلنڈر ۾ ڪيل ٿرموڊائنامڪ ڪم کي ظاهر ڪري ٿو، جڏهن ته BMEP اهو ڪم آهي جيڪو اصل ۾ شافٽ تي ميڪيڪل نقصانن کي ڪٽائڻ کان پوءِ موجود آهي. ٻنهي جي وچ ۾ فرق ميڪيڪل ڪارڪردگي سان لاڳاپيل آهي.

اخراج تي ٿرموڊينامڪ اثر
ٿرموڊائنامڪس جي مطالعي کي اخراج جي ٺهڻ کان الڳ نه ٿو ڪري سگهجي ڇاڪاڻ ته گرمي پد، دٻاءُ، ۽ مرکب جي بناوت ڪيميائي رد عمل جو تعين ڪن ٿا.

- جيڪڏهن ٻرڻ نامڪمل هجي ته پيٽرول انجڻ CO ۽ HC پيدا ڪندا آهن، پر جڏهن مرکب اسٽوچيوميٽرڪ جي ويجهو هوندو آهي ته ٽي طرفي ڪيٽالسٽ اثرائتو هوندا آهن.
- ڊيزل انجڻون NOx (وڌيڪ گرمي پد ۽ اضافي آڪسيجن جي ڪري) ۽ ذرات/ڪاجل (ڊفيوز ڪمبشن ۾ مقامي امير زونن جي ڪري) پيدا ڪرڻ جو رجحان رکن ٿيون. EGR (ايگزاسٽ گيس ري سرڪيوليشن)، ٽربو چارجنگ، ۽ آفٽرٽريٽمينٽ (SCR/DPF) جهڙيون حڪمت عمليون ڪارڪردگي ۽ اخراج کي متوازن ڪرڻ لاءِ استعمال ڪيون وينديون آهن.

جديد ترقي: ٽربو چارجنگ، سڌو انجڪشن، ۽ مخلوط سائيڪل
ٽيڪنالاجي ترقي "پيٽرول جي خاصيتن" ۽ "ڊيزل جي خاصيتن" جي وچ ۾ لڪيرون ڌنڌلي ڪري رهيون آهن. جديد پيٽرول انجڻ اڪثر ڪري ڪارڪردگي کي بهتر بڻائڻ ۽ ايندھن جي استعمال کي گهٽائڻ لاءِ سڌو انجيڪشن ۽ ٽربو چارجنگ استعمال ڪندا آهن، جيتوڻيڪ اهو ذرات جي مادو کي وڌائي سگھي ٿو ۽ فلٽرن جي ضرورت پوندي آهي. ساڳئي وقت، جديد ڊيزل انجڻ ملٽي اسٽيج انجيڪشن ڪنٽرول ۽ متغير ٽربو چارجنگ کي استعمال ڪن ٿا ته جيئن ٻرڻ کي بهتر بڻائي سگهجي.
ٿرموڊائنامڪ مطالعي ۾، جديد انجن اڪثر ڪري ٻٽي چڪر جي طور تي تجزيو ڪيا ويندا آهن: گرمي جو اضافو جزوي طور تي مسلسل حجم تي ۽ جزوي طور تي مسلسل دٻاءُ تي ٿيندو آهي. هي ماڊل حقيقي ٻرڻ کي بيان ڪرڻ لاءِ وڌيڪ حقيقي آهي جيڪو اوٽو يا ڊيزل جي مفروضن کي مڪمل طور تي پورو نٿو لهي.

نتيجو
ڊيزل ۽ پيٽرول انجڻين جي ٿرموڊينامڪ مطالعي مان ظاهر ٿئي ٿو ته مختلف اگنيشن ۽ مرکب ٺهڻ جا طريقا مختلف مثالي چڪرن جي نتيجي ۾ ٿين ٿا: پيٽرول لاءِ اوٽو (مسلسل حجم) ۽ ڊيزل لاءِ ڊيزل (مسلسل دٻاءُ). جڏهن ته مثالي اوٽو چڪر ساڳئي ڪمپريشن تناسب تي وڌيڪ ڪارآمد ٿي سگهي ٿو، عملي طور تي ڊيزل انجڻ اڪثر ڪري ڪارڪردگي ۾ شاندار هوندا آهن ڇاڪاڻ ته انهن جي صلاحيت وڌيڪ ڪمپريشن تناسب کي استعمال ڪرڻ ۽ جزوي لوڊ تي پمپنگ نقصان کي گهٽائڻ جي ڪري. بهرحال، ڪارڪردگي هڪ الڳ مسئلو ناهي: اخراج، ٽورڪ خاصيتون، سسٽم جي قيمت، ۽ سار سنڀال جون گهرجون اهي سڀئي عنصر آهن جيڪي ايپليڪيشن کي طئي ڪن ٿا. جديد ٽيڪنالاجيون جهڙوڪ سڌو انجڻ، ٽربو چارجنگ، EGR، ۽ بعد ۾ علاج سان، ٻئي انجن قسم نوان بهترين نقطا ڏانهن اڳتي وڌندا رهن ٿا - اخراج کي گهٽائڻ دوران حرارتي ڪارڪردگي کي بهتر بڻائڻ - تنهنڪري ٿرموڊينامڪس جي سمجھ اندروني ڪمبشن انجن جي ڊيزائن ۽ ڪارڪردگي جي تشخيص لاءِ هڪ اهم بنياد رهي ٿي.