ඩීසල් එන්ජින් සහ ගැසොලින් එන්ජින් පිළිබඳ තාප ගතික අධ්‍යයනය
පෙන්ඩහුලුවන්
අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිම යනු සිලින්ඩරයක් තුළ දහනය කිරීම හරහා ඉන්ධනයක රසායනික ශක්තිය යාන්ත්‍රික ශක්තිය බවට පරිවර්තනය කරන ප්‍රධාන තාක්‍ෂණයකි. වාහනවල සහ විවිධ කාර්මික යෙදීම්වල බහුලව භාවිතා වන වර්ග දෙක වන්නේ ගැසොලින් (ස්පාර්ක් ජ්වලන/SI) එන්ජිම සහ ඩීසල් (සම්පීඩන ජ්වලන/CI) එන්ජිමයි. දෙකම සිව්-පහර චක්‍රයක් (බොහෝ මෝස්තරවල) සහ මූලික තාප ගතික මූලධර්ම මත රඳා පවතින අතර, මිශ්‍රණ සෑදීම, ජ්වලන ක්‍රමය, දහන ලක්ෂණ සහ එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස කාර්යක්ෂමතාවයේ වැදගත් වෙනස්කම් තිබේ. තාප ගති විද්‍යාව පිළිබඳ අධ්‍යයනය අපට ඩීසල් එන්ජින් වඩාත් කාර්යක්ෂම වීමට නැඹුරු වන්නේ ඇයි, ගැසොලින් එන්ජින්වලට විවිධ ප්‍රතිචාර සහ පුනරාවර්තන ලක්ෂණ ඇත්තේ ඇයි සහ සම්පීඩන අනුපාතය, උෂ්ණත්වය, පීඩනය සහ පාඩු වැනි පරාමිතීන් කාර්ය සාධනය තීරණය කරන්නේ කෙසේද යන්න තේරුම් ගැනීමට උපකාරී වේ.
මූලික තාප ගති විද්‍යාව අභ්‍යන්තර දහන එන්ජිම
ඉතා මැනවින්, එන්ජින් ක්‍රියාකාරිත්වය බොහෝ විට විශ්ලේෂණය කරනු ලබන්නේ සැබෑ ලෝක ක්‍රියාවලිය සරල කරන පරමාදර්ශී තාප ගතික චක්‍රයක් හරහා ය. ඉලක්කය වන්නේ දහනය පිළිබඳ විස්තර නිවැරදිව අනුකරණය කිරීම නොව, එය තක්සේරු කිරීම සඳහා රාමුවක් සැපයීමයි. කාර්යක්ෂමතාව මත සැලසුම් විචල්‍යයන්ගේ බලපෑමමෙම අධ්‍යයනයේ වැදගත් ප්‍රමාණ අතරට:
1. සම්පීඩන අනුපාතය (r): පිස්ටනය පහළ මළ මධ්‍යයේ ඇති විට සිලින්ඩර පරිමාවේ අනුපාතය ඉහළ මළ මධ්‍යයේ පරිමාවට බලපායි. සම්පීඩන අනුපාතය උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය සම්පීඩනයේ අවසානය, එබැවින් එය සැබවින්ම කාර්යක්ෂමතාව තීරණය කරයි.
2. තාප ආදානය (Q_in) සහ තාප ප්‍රතිදානය (Q_out): පරමාදර්ශී චක්‍ර සංකල්පය තුළ, දහනය (හෝ තාපය එකතු කිරීම) අතරතුර තාප ආදානය සිදුවන අතර තාප ප්‍රතිදානය තාප ප්‍රතික්ෂේප කිරීමේදී සිදු වේ.
3. ජාල කාර්යය (W_net): ප්‍රසාරණ කාර්යය සහ සම්පීඩන කාර්යය අතර වෙනස.
4. තාප කාර්යක්ෂමතාව (η_th): ශුද්ධ කාර්යය සහ තාප ආදානය අතර අනුපාතය, එනම් η_th = W_net / Q_in.
5. තාප ගති විද්‍යාවේ පළමු නියමය: පද්ධතියක ශක්තියේ සිදුවන වෙනස්කම් තාපය හා කාර්යයට සම්බන්ධ වේ. පරිපූර්ණ සංවෘත චක්‍රයක, ශුද්ධ කාර්යය තාප ආදානය සහ තාප ප්‍රතිදානය අතර වෙනසට සමාන වේ.
ප්‍රායෝගිකව, ඝර්ෂණය, සිලින්ඩර බිත්තිවලට තාප හුවමාරුව, අසම්පූර්ණ දහනය, පොම්ප කිරීමේ පාඩු මෙන්ම පිටාර වායු සහ සිසිලන පද්ධති සාධක හේතුවෙන් සැබෑ කාර්යක්ෂමතාව සෑම විටම පරමාදර්ශයට වඩා අඩුය.
ගැසොලින් එන්ජිමක කදිම චක්‍රය: ඔටෝ චක්‍රය
තාප එකතු කිරීම නියත පරිමාවකින් සිදුවන බව උපකල්පනය කරමින් ඔටෝ චක්‍රය මගින් පරිපූර්ණ පෙට්‍රල් එන්ජිම නිරූපණය කෙරේ. කදිම ඔටෝ චක්‍රයේ ප්‍රධාන අදියර වන්නේ:
1. සම-නිශ්චිත සම්පීඩනය: වායු-ඉන්ධන මිශ්‍රණය තාප හුවමාරුවකින් තොරව සම්පීඩිත වේ (පරමාදර්ශී).
2. නියත පරිමාව තාපය එකතු කිරීම: දහනය ඉක්මනින් සිදුවන බව උපකල්පනය කර ඇති අතර එමඟින් පරිමාව නියතව පවතී.
3. සම-නිෂ්පාදක ප්‍රසාරණය: දහන වායුව ප්‍රසාරණය වී පිස්ටනය තල්ලු කර කාර්යය නිපදවයි.
4. නියත පරිමාව තාප ප්‍රතික්ෂේප කිරීම: තාපය ප්‍රතික්ෂේප කරනු ලබන අතර චක්‍රය එහි ආරම්භක තත්වයට නැවත පැමිණේ.
කදිම ඔටෝ චක්‍රයේ තාප කාර්යක්ෂමතාව සම්පීඩන අනුපාතයේ ශ්‍රිතයක් ලෙස ලිවිය හැකිය:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
මෙහි γ යනු නිශ්චිත තාප අනුපාතය (Cp/Cv) වේ. මෙම සමීකරණයෙන් සම්පීඩන අනුපාතය වැඩි වන බව දැකිය හැකිය. කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කිරීමකෙසේ වෙතත්, ගැසොලින් එන්ජින් තට්ටු කිරීම (පිපිරීම) මගින් සීමා කරනු ලැබේ, එය පාලනය කළ නොහැකි දහනයකි, මන්ද ඉහළ උෂ්ණත්වය සහ පීඩනය මෙය ස්පාර්ක් ප්ලග් එක ස්ථායී දැල්ලක් ඇති කිරීමට පෙර මිශ්‍රණයෙන් යම් ප්‍රමාණයක් ස්වයංසිද්ධව දැල්වීමට හේතු වේ. එබැවින්, පෙට්‍රල් එන්ජින්වල සම්පීඩන අනුපාතය සාමාන්‍යයෙන් ඩීසල් එන්ජින්වලට වඩා අඩුය.
අයිඩියල් ඩීසල් එන්ජින් චක්‍රය: ඩීසල් චක්‍රය
පරිපූර්ණ ඩීසල් එන්ජිම ඩීසල් චක්‍රය මගින් නිරූපණය වන අතර, ප්‍රධාන වෙනස වන්නේ තාපය එකතු කිරීම නියත (හෝ නියතයට ආසන්න) පීඩනයකදී සිදුවන බවට උපකල්පනය කිරීමයි. ඉන්ධන එන්නත් කිරීම ආරම්භක ප්‍රසාරණ පහර අතරතුර. කදිම ඩීසල් චක්‍ර අවධීන් වන්නේ:
1. සම-නිර්මාණ සම්පීඩනය: වාතය පමණක් ඉතා ඉහළ උෂ්ණත්වයකට සම්පීඩනය වේ.
2. නියත පීඩන තාප එකතු කිරීම: ඉන්ධන එන්නත් කර දහනය කරනු ලැබේ, ක්‍රියාවලියේ කොටසක් තුළ සාපේක්ෂව නියත පීඩනයක් පවත්වා ගනී.
3. සම-නිෂ්පාදක ප්‍රසාරණය: උණුසුම් වායුව ප්‍රසාරණය වී කාර්යය නිපදවයි.
4. නියත පරිමාව තාප විසර්ජනය: ආරම්භක තත්ත්වයට නැවත පැමිණීම සඳහා තාපය ප්‍රතික්ෂේප කරනු ලැබේ.
පරමාදර්ශී ඩීසල් චක්‍රයක කාර්යක්ෂමතාව සම්පීඩන අනුපාතය සහ කැපුම් අනුපාතය (ρ) මත රඳා පවතී, එය අවසාන තාප-එකතු කිරීමේ පරිමාව ආරම්භක තාප-එකතු කිරීමේ පරිමාවට අනුපාතයයි. සාමාන්‍යයෙන්, එකම සම්පීඩන අනුපාතය සඳහා, ඔටෝ කාර්යක්ෂමතාව පරමාදර්ශී ඩීසල් එකකට වඩා වැඩි වීමට නැඹුරු වේ. කෙසේ වෙතත්, යථාර්ථය ප්‍රතිවිරුද්ධ දෙයයි: ඩීසල් එන්ජින් බොහෝ විට වඩා කාර්යක්ෂම වන්නේ ඒවාට ඉහළ සම්පීඩන අනුපාත භාවිතා කළ හැකි අතර කුඩා තෙරපුම් පාඩු සමඟ ක්‍රියා කළ හැකි බැවිනි.
තාප ගතික සංසන්දනය: ඩීසල් වඩාත් කාර්යක්ෂම වන්නේ ඇයි?
ව්‍යවහාරික තාප ගති විද්‍යාවේ දෘෂ්ටි කෝණයෙන්, ප්‍රබල හේතු කිහිපයක් තිබේ:
1. ඩීසල් වල ඉහළ සම්පීඩන අනුපාතය
ඩීසල් එන්ජින් වාතය පමණක් සම්පීඩනය කරයි, එබැවින් තට්ටු කිරීම ගැසොලින් එන්ජින් මෙන් සැලකිය යුතු සීමාවක් නොවේ. ඩීසල් සම්පීඩන අනුපාත බෙහෙවින් වැඩි විය හැකි අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස ඉහළ සම්පීඩන-අවසන් උෂ්ණත්වයන්, පහසු දහනය සහ වැඩි කාර්යක්ෂමතාව ඇති වේ.
2. අර්ධ බරකදී තෙරපුමකින් තොරව ක්‍රියා කිරීම
බොහෝ පෙට්‍රල් එන්ජින්, අභ්‍යන්තර වායු ප්‍රවාහය සීමා කරන ත්‍රොටලයක් සමඟ බලය නියාමනය කරයි. මෙය පොම්ප කිරීමේ පාඩු ඇති කරයි, විශේෂයෙන් සැහැල්ලු බරකදී. ඩීසල් එන්ජින් සාමාන්‍යයෙන් බලය නියාමනය කරන්නේ එන්නත් කරන ලද ඉන්ධන ප්‍රමාණය අනුව වන අතර අතිරික්ත වාතය රඳවා ගන්නා අතර එමඟින් අඩු පොම්ප කිරීමේ පාඩු සහ වඩා හොඳ අර්ධ කාර්යක්ෂමතාවයක් ඇති වේ.
3. දහන ලක්ෂණ සහ වායු ඉන්ධන අනුපාතය
ඩීසල් එන්ජින් සාමාන්‍යයෙන් ඉතා දුර්වල මිශ්‍රණයකින් ක්‍රියාත්මක වන අතර, ඇතැම් තත්වයන් යටතේ අඩු උච්ච උෂ්ණත්වයකට ඉඩ සලසමින් තාප අලාභය අඩු කරයි. කෙසේ වෙතත්, ඩීසල් අංශු ද්‍රව්‍ය (සබන්) සහ පාලනය අවශ්‍ය වන NOx විමෝචනය සමඟ අභියෝග ද ඉදිරිපත් කරයි.
4. ඉන්ධනවල කැලරි වටිනාකම සහ ශක්ති ඝනත්වය
ඩීසල් ඉන්ධන, පෙට්‍රල් වලට වඩා වැඩි පරිමාමිතික ශක්ති ඝනත්වයක් ඇත. තාප කාර්යක්ෂමතාව වෙනම සංකල්පයක් ලෙස පැවතුනද, මෙම සාධකය කිලෝමීටරයකට සහ ලීටරයකට ඉන්ධන පරිභෝජනයට බලපාන අතර, බොහෝ විට ඩීසල් වඩාත් "කාර්යක්ෂම" ලෙස පෙනේ.
සැබෑ ක්‍රියාවලි අංශ: පරමාදර්ශී චක්‍රයේ සිට සැබෑ චක්‍රය දක්වා
සයිකල් ඔටෝ සහ ඩීසල් පරමාදර්ශය සම එන්ට්‍රොපික ක්‍රියාවලියක් සහ "පිළිවෙලට" තාප එකතු කිරීමක් උපකල්පනය කරයි. සැබෑ එන්ජින් විශාල අපගමනයන් අත්විඳින අතර, ඒවා අතර:
- සිලින්ඩර බිත්තියට තාප හුවමාරුව වැඩ කරන වායුවේ උෂ්ණත්වය අඩු කරන බැවින් ප්‍රසාරණ කාර්යය අඩු වේ.
- පිස්ටන් මුදු, ෙබයාරිං සහ කපාට ට්‍රේන් සංරචක මත යාන්ත්‍රික ඝර්ෂණය ඵලදායී බලය අඩු කරයි.
– දහන කාලය: දහනය ක්ෂණික නොවේ. පෙට්‍රල් එන්ජින්වල, දහනය සඳහා දොඹකර කෝණය අංශක කිහිපයක් අවශ්‍ය වේ; ඩීසල් එන්ජින්වල, ප්‍රමාද වූ ජ්වලනය සහ විසරණ දහනය පවතී.
– පෙර චක්‍රයේ අවශේෂ වායුව, පසුව එන මිශ්‍රණයේ සංයුතිය සහ උෂ්ණත්වය වෙනස් කරයි.
- පරිමාමිතික කාර්යක්ෂමතාවයට ඇතුල්වීමේ/පිටාර නිර්මාණය සහ කපාට කාලය බලපාන අතර, ඇතුළු වන වාතයේ ස්කන්ධය තීරණය කරයි, එමඟින් බලයට සහ පරිභෝජනයට බලපායි.
ඉංජිනේරු විශ්ලේෂණයේ දී , කාර්ය සාධනය බොහෝ විට මනිනු ලබන්නේ දක්වන ලද මධ්‍යන්‍ය ඵලදායී පීඩනය (IMEP) සහ තිරිංග මධ්‍යන්‍ය ඵලදායී පීඩනය (BMEP) මගිනි. IMEP සිලින්ඩරයේ සිදු කරන තාප ගතික කාර්යය පිළිබිඹු කරන අතර, BMEP යනු යාන්ත්‍රික පාඩු අඩු කිරීමෙන් පසු පතුවළේ සැබවින්ම ලබා ගත හැකි කාර්යයයි. මේ දෙක අතර වෙනස යාන්ත්‍රික කාර්යක්ෂමතාවයට සම්බන්ධ වේ.
විමෝචනය මත තාප ගතික බලපෑම
තාප ගතික අධ්‍යයනය මිශ්‍රණයේ උෂ්ණත්වය, පීඩනය සහ සංයුතිය රසායනික ප්‍රතික්‍රියාව තීරණය කරන බැවින් විමෝචන සෑදීමෙන් වෙන් කළ නොහැක.
– දහනය අසම්පූර්ණ නම් ගැසොලින් එන්ජින් CO සහ HC නිපදවීමට නැඹුරු වේ, නමුත් මිශ්‍රණය ස්ටොයිකියෝමිතිකයට ආසන්න විට ත්‍රි-මාර්ග උත්ප්‍රේරක ඵලදායී වේ.
– ඩීසල් එන්ජින් NOx (ඉහළ උෂ්ණත්වය සහ අතිරික්ත ඔක්සිජන් හේතුවෙන්) සහ අංශු/සබන් (විසරණ දහනයේ දේශීය පොහොසත් කලාප හේතුවෙන්) නිපදවීමට නැඹුරු වේ. කාර්යක්ෂමතාව සහ විමෝචනය සමතුලිත කිරීම සඳහා EGR (පිටාර වායු ප්‍රතිචක්‍රීකරණය), ටර්බෝචාජ් කිරීම සහ පසු ප්‍රතිකාර (SCR/DPF) වැනි උපාය මාර්ග භාවිතා කරනු ලැබේ.
නවීන වර්ධනයන්: ටර්බෝචාජ් කිරීම, සෘජු එන්නත් කිරීම සහ මිශ්‍ර චක්‍රය
තාක්ෂණික දියුණුව "ගෑසොලින් ලක්ෂණ" සහ "ඩීසල් ලක්ෂණ" අතර රේඛා බොඳ කරයි. නවීන පෙට්‍රල් එන්ජින් බොහෝ විට කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කිරීමට සහ ඉන්ධන පරිභෝජනය අඩු කිරීමට සෘජු එන්නත් සහ ටර්බෝචාජ් කිරීම භාවිතා කරයි, නමුත් මෙය අංශු පදාර්ථ වැඩි කළ හැකි අතර පෙරහන් අවශ්‍ය වේ. මේ අතර, නවීන ඩීසල් එන්ජින් දහනය ප්‍රශස්ත කිරීම සඳහා බහු-අදියර එන්නත් පාලනය සහ විචල්‍ය ටර්බෝචාජ් කිරීම භාවිතා කරයි.
තාප ගතික අධ්‍යයනයන්හිදී, නවීන එන්ජින් බොහෝ විට ද්විත්ව චක්‍රයක් ලෙස විශ්ලේෂණය කෙරේ: තාපය එකතු කිරීම අර්ධ වශයෙන් නියත පරිමාවකදී සහ අර්ධ වශයෙන් නියත පීඩනයකදී සිදු වේ. ඔටෝ හෝ ඩීසල් උපකල්පන සම්පූර්ණයෙන්ම සපුරා නොගන්නා සත්‍ය දහනය විස්තර කිරීම සඳහා මෙම ආකෘතිය වඩාත් යථාර්ථවාදී වේ.
නිගමනය
ඩීසල් සහ ගැසොලින් එන්ජින් පිළිබඳ තාප ගතික අධ්‍යයනයන් පෙන්නුම් කරන්නේ විවිධ ජ්වලන සහ මිශ්‍රණ සෑදීමේ ක්‍රම මගින් විවිධ පරමාදර්ශී චක්‍ර ඇති වන බවයි: ගැසොලින් සඳහා ඔටෝ (නියත පරිමාව) සහ ඩීසල් සඳහා ඩීසල් (නියත පීඩනය). එකම සම්පීඩන අනුපාතයේදී කදිම ඔටෝ චක්‍රය වඩාත් කාර්යක්ෂම විය හැකි වුවද, ප්‍රායෝගිකව ඩීසල් එන්ජින් බොහෝ විට කාර්යක්ෂමතාවයෙන් විශිෂ්ට වන්නේ ඉහළ සම්පීඩන අනුපාත භාවිතා කිරීමට සහ අර්ධ බර පැටවීමේදී පොම්ප කිරීමේ පාඩු අඩු කිරීමට ඇති හැකියාව නිසාය. කෙසේ වෙතත්, කාර්යක්ෂමතාව යනු ස්වාධීන ප්‍රවේශයක් නොවේ: විමෝචනය, ව්‍යවර්ථ ලක්ෂණ, පද්ධති පිරිවැය සහ නඩත්තු අවශ්‍යතා සියල්ලම යෙදීම සඳහා තීරණය කරන සාධක වේ. සෘජු එන්නත් කිරීම, ටර්බෝචාජ් කිරීම, EGR සහ පසු ප්‍රතිකාර වැනි නවීන තාක්ෂණයන් සමඟ, එන්ජින් වර්ග දෙකම දැන් ලබා ගත හැකිය. එන්ජිම නව ප්‍රශස්ත මට්ටමක් කරා පරිණාමය වෙමින් පවතී - තාප කාර්යක්ෂමතාව වැඩි කිරීම. විමෝචනය අඩු කරන අතරම - අභ්‍යන්තර දහන එන්ජින් සැලසුම් කිරීමේදී සහ කාර්ය සාධනය ඇගයීමේදී තාප ගති විද්‍යාව පිළිබඳ අවබෝධයක් වැදගත් පදනමක් ලෙස පවතී.
