டீசல் மற்றும் பெட்ரோல் என்ஜின்கள் மீதான வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வு

டீசல் மற்றும் பெட்ரோல் என்ஜின்கள் மீதான வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வு

பெண்டாஹுலுவான்
உள் எரிப்பு இயந்திரம் என்பது ஒரு சிலிண்டருக்குள் எரிதல் மூலம் எரிபொருளின் வேதியியல் ஆற்றலை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றும் ஒரு முக்கிய தொழில்நுட்பமாகும். வாகனங்கள் மற்றும் பல்வேறு தொழில்துறை பயன்பாடுகளில் பயன்படுத்தப்படும் இரண்டு பொதுவான வகைகள் பெட்ரோல் (பொறி பற்றவைப்பு/SI) இயந்திரம் மற்றும் டீசல் (அழுத்த பற்றவைப்பு/CI) இயந்திரம் ஆகும். இரண்டுமே (பல வடிவமைப்புகளில்) நான்கு-சுழற்சி சுழற்சி மற்றும் அடிப்படை வெப்ப இயக்கவியல் கொள்கைகளைச் சார்ந்திருந்தாலும், கலவை உருவாக்கம், பற்றவைப்பு முறை, எரிதல் பண்புகள் மற்றும் அதன் விளைவாக, செயல்திறன் ஆகியவற்றில் முக்கியமான வேறுபாடுகள் உள்ளன. டீசல் இயந்திரங்கள் ஏன் அதிக செயல்திறன் கொண்டவையாக இருக்கின்றன, பெட்ரோல் இயந்திரங்கள் ஏன் வெவ்வேறு எதிர்வினை மற்றும் சுழற்சிப் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் அழுத்த விகிதம், வெப்பநிலை, அழுத்தம் மற்றும் இழப்புகள் போன்ற அளவுருக்கள் செயல்திறனை எவ்வாறு தீர்மானிக்கின்றன என்பதைப் புரிந்துகொள்ள வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வு நமக்கு உதவுகிறது.

உள் எரிப்பு இயந்திரங்களின் அடிப்படை வெப்ப இயக்கவியல்
பொதுவாக, இயந்திரத்தின் செயல்திறன், நிஜ உலகச் செயல்முறையை எளிதாக்கும் ஒரு இலட்சியப்படுத்தப்பட்ட வெப்ப இயக்கவியல் சுழற்சியின் மூலம் பகுப்பாய்வு செய்யப்படுகிறது. இதன் நோக்கம், எரிதலின் விவரங்களைத் துல்லியமாகப் பிரதிபலிப்பதல்ல, மாறாக, செயல்திறன் மீது வடிவமைப்பு மாறிகளின் தாக்கத்தை மதிப்பிடுவதற்கான ஒரு கட்டமைப்பை வழங்குவதே ஆகும். இந்த ஆய்வில் உள்ள முக்கிய அளவுகள் பின்வருமாறு:

1. அமுக்க விகிதம் (r): பிஸ்டன் கீழ்நிலை இறந்த மையத்தில் இருக்கும்போது சிலிண்டரின் கனஅளவிற்கும், மேல்நிலை இறந்த மையத்தில் இருக்கும்போது சிலிண்டரின் கனஅளவிற்கும் உள்ள விகிதம். அமுக்க விகிதமானது இறுதி அமுக்க வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தைப் பாதிக்கிறது, இதனால் செயல்திறனைப் பெருமளவில் தீர்மானிக்கிறது.
2. வெப்ப உள்ளீடு (Q_in) மற்றும் வெப்ப வெளியீடு (Q_out): இலட்சிய சுழற்சிக் கோட்பாட்டில், எரிதலின் போது (அல்லது வெப்பம் சேர்க்கப்படும்போது) வெப்ப உள்ளீடும், வெப்பம் வெளியேற்றப்படும்போது வெப்ப வெளியீடும் நிகழ்கிறது.
3. நிகர வேலை (W_net): விரிவு வேலைக்கும் அமுக்க வேலைக்கும் உள்ள வேறுபாடு.
4. வெப்பத் திறன் (η_th): நிகர வேலைக்கும் வெப்ப உள்ளீட்டிற்கும் உள்ள விகிதம், அதாவது η_th = W_net / Q_in.
5. வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதி: ஒரு அமைப்பில் ஏற்படும் ஆற்றல் மாற்றங்கள், வெப்பம் மற்றும் வேலையுடன் தொடர்புடையவை. ஒரு இலட்சிய மூடிய சுழற்சியில், நிகர வேலை என்பது வெப்ப உள்ளீடு மற்றும் வெப்ப வெளியீடு ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான வேறுபாட்டிற்குச் சமம்.

நடைமுறையில், உராய்வு, சிலிண்டர் சுவர்களுக்கு வெப்பப் பரிமாற்றம், முழுமையற்ற எரிதல், நீரேற்று இழப்புகள், அத்துடன் வெளியேற்ற வாயு மற்றும் குளிரூட்டும் அமைப்பு போன்ற காரணிகளால், உண்மையான செயல்திறன் எப்போதும் இலட்சிய செயல்திறனை விடக் குறைவாகவே இருக்கும்.

பெட்ரோல் எஞ்சினின் இலட்சிய சுழற்சி: ஆட்டோ சுழற்சி
மாறாத கனஅளவில் வெப்பம் சேர்க்கப்படுகிறது என்று கருதி, இலட்சிய பெட்ரோல் இயந்திரமானது ஓட்டோ சுழற்சியால் குறிப்பிடப்படுகிறது. இலட்சிய ஓட்டோ சுழற்சியின் முக்கிய நிலைகள் பின்வருமாறு:
1. ஐசென்ட்ரோபிக் அமுக்கம்: காற்று-எரிபொருள் கலவையானது வெப்பப் பரிமாற்றம் இன்றி அமுக்கப்படுகிறது (சிறந்த நிலை).
2. மாறா கனஅளவு வெப்பச் சேர்ப்பு: எரிதல் விரைவாக நிகழ்வதால் கனஅளவு மாறாமல் இருக்கும் எனக் கருதப்படுகிறது.
3. ஐசென்ட்ரோபிக் விரிவாக்கம்: எரிவாயு விரிவடைந்து, பிஸ்டனைத் தள்ளி வேலையை உருவாக்குகிறது.
4. மாறா கனஅளவு வெப்ப வெளியேற்றம்: வெப்பம் வெளியேற்றப்பட்டு, சுழற்சி அதன் ஆரம்ப நிலைக்குத் திரும்புகிறது.

சிறந்த ஆட்டோ சுழற்சியின் வெப்பத் திறனை, அமுக்க விகிதத்தின் சார்பாக எழுதலாம்:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
இதில் γ என்பது தன்வெப்ப விகிதம் (Cp/Cv) ஆகும். அமுக்க விகிதத்தை அதிகரிப்பது செயல்திறனை அதிகரிக்கும் என்பதை இந்தச் சமன்பாடு காட்டுகிறது. இருப்பினும், பெட்ரோல் இயந்திரங்கள் நாக் (வெடிப்பு) எனப்படும் நிகழ்வால் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன. இது, ஸ்பார்க் பிளக் ஒரு நிலையான சுடர் முகப்பை உருவாக்குவதற்கு முன்பே, அதிக வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தங்களால் ஏற்படும் கட்டுப்பாடற்ற எரிதல் ஆகும். இதனால், கலவையின் ஒரு பகுதி பற்றிக்கொள்கிறது. எனவே, பெட்ரோல் இயந்திரங்களின் அமுக்க விகிதம் பொதுவாக டீசல் இயந்திரங்களை விடக் குறைவாகவே இருக்கும்.

சிறந்த டீசல் இயந்திர சுழற்சி: டீசல் சுழற்சி
சிறந்த டீசல் இயந்திரமானது டீசல் சுழற்சியால் குறிப்பிடப்படுகிறது. இதன் முக்கிய வேறுபாடு என்னவென்றால், ஆரம்ப விரிவாக்க இயக்கத்தின் போது எரிபொருள் உட்செலுத்தப்படுவதால், வெப்பம் மாறாத (அல்லது ஏறக்குறைய மாறாத) அழுத்தத்தில் சேர்க்கப்படுவதாகக் கருதப்படுகிறது. சிறந்த டீசல் சுழற்சியின் நிலைகள் பின்வருமாறு:
1. ஐசென்ட்ரோபிக் அமுக்கம்: காற்று மட்டும் மிக அதிக வெப்பநிலைக்கு அமுக்கப்படுகிறது.
2. நிலையான அழுத்த வெப்பச் சேர்ப்பு: செயல்முறையின் ஒரு பகுதியின் போது ஒப்பீட்டளவில் நிலையான அழுத்தத்தைப் பராமரித்து, எரிபொருள் உட்செலுத்தப்பட்டு எரிக்கப்படுகிறது.
3. ஐசென்ட்ரோபிக் விரிவாக்கம்: சூடான வாயு விரிவடைந்து வேலையை உருவாக்குகிறது.
4. மாறா கனஅளவு வெப்பச் சிதறல்: ஆரம்ப நிலைக்குத் திரும்புவதற்காக வெப்பம் வெளியேற்றப்படுகிறது.

ஒரு சிறந்த டீசல் சுழற்சியின் செயல்திறன், அமுக்க விகிதம் மற்றும் துண்டிப்பு விகிதம் (ρ) ஆகியவற்றைச் சார்ந்துள்ளது. துண்டிப்பு விகிதம் என்பது, தொடக்க வெப்பச் சேர்க்கைக் கனஅளவிற்கும் இறுதி வெப்பச் சேர்க்கைக் கனஅளவிற்கும் உள்ள விகிதமாகும். பொதுவாக, ஒரே அமுக்க விகிதத்திற்கு, ஆட்டோ செயல்திறன் ஒரு சிறந்த டீசலை விட அதிகமாக இருக்கும். இருப்பினும், உண்மை இதற்கு நேர்மாறானது: டீசல் இயந்திரங்கள் பெரும்பாலும் அதிக செயல்திறன் கொண்டவையாக இருக்கின்றன, ஏனெனில் அவற்றால் அதிக அமுக்க விகிதங்களைப் பயன்படுத்தவும், குறைந்த வேக இழப்புகளுடன் இயங்கவும் முடியும்.

வெப்ப இயக்கவியல் ஒப்பீடு: டீசல் ஏன் அதிக செயல்திறன் மிக்கது?
பயன்பாட்டு வெப்ப இயக்கவியல் கண்ணோட்டத்தில், பல வலுவான காரணங்கள் உள்ளன:

1. டீசலில் அதிக அமுக்க விகிதம்
டீசல் என்ஜின்கள் காற்றை மட்டுமே அழுத்துவதால், பெட்ரோல் என்ஜின்களில் இருப்பது போல நாக் ஏற்படுவது ஒரு குறிப்பிடத்தக்க வரம்பாக இருப்பதில்லை. டீசலின் அழுத்த விகிதங்கள் மிக அதிகமாக இருக்க முடியும், இதன் விளைவாக அழுத்தத்தின் முடிவில் அதிக வெப்பநிலை, எளிதான எரிதல் மற்றும் அதிகரித்த செயல்திறன் ஆகியவை கிடைக்கின்றன.

2. பகுதிச் சுமையில் த்ராட்டில் இல்லாமல் இயங்குதல்
பல பெட்ரோல் என்ஜின்கள், உள்ளிழுக்கும் காற்றின் ஓட்டத்தைக் கட்டுப்படுத்தும் ஒரு த்ராட்டில் மூலம் ஆற்றலை ஒழுங்குபடுத்துகின்றன. இது, குறிப்பாகக் குறைந்த பளுவின்போது, ​​பம்பிங் இழப்புகளை ஏற்படுத்துகிறது. டீசல் என்ஜின்கள் பொதுவாக, அதிகப்படியான காற்றைத் தக்கவைத்துக்கொண்டு, உட்செலுத்தப்படும் எரிபொருளின் அளவைக் கொண்டு ஆற்றலை ஒழுங்குபடுத்துகின்றன. இதன் விளைவாக, பம்பிங் இழப்புகள் குறைந்து, பகுதி செயல்திறன் மேம்படுகிறது.

3. எரிதல் பண்புகள் மற்றும் காற்று-எரிபொருள் விகிதம்
டீசல் இயந்திரங்கள் பொதுவாக மிகவும் மெலிந்த கலவையில் இயங்குகின்றன, இது சில சூழ்நிலைகளில் குறைந்தபட்ச உச்ச வெப்பநிலையை அனுமதித்து, வெப்ப இழப்புகளைக் குறைக்கிறது. இருப்பினும், டீசலில் இருந்து வெளியேறும் துகள்கள் (புகைக்கரி) மற்றும் NOx உமிழ்வுகளைக் கட்டுப்படுத்துவது போன்ற சவால்களும் உள்ளன.

4. எரிபொருளின் கலோரி மதிப்பு மற்றும் ஆற்றல் அடர்த்தி
பெட்ரோலை விட டீசல் எரிபொருளுக்கு அதிக கனஅளவு ஆற்றல் அடர்த்தி உள்ளது. வெப்பத் திறன் என்பது ஒரு தனி கருத்தாக இருந்தாலும், இந்தக் காரணி ஒரு கிலோமீட்டருக்கும் ஒரு லிட்டருக்கும் ஆகும் எரிபொருள் நுகர்வில் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது, இதனால் டீசல் பெரும்பாலும் அதிக "திறன் வாய்ந்தது" போல் தோன்றுகிறது.

உண்மையான செயல்முறை அம்சங்கள்: இலட்சிய சுழற்சியிலிருந்து உண்மையான சுழற்சிக்கு
சிறந்த ஆட்டோ மற்றும் டீசல் சுழற்சிகள், ஒரு ஐசென்ட்ரோபிக் செயல்முறையையும் "நேரடியான" வெப்பச் சேர்ப்பையும் அடிப்படையாகக் கொண்டவை. நிஜ உலக இயந்திரங்கள் பின்வரும் குறிப்பிடத்தக்க விலகல்களைக் காண்கின்றன:

– உருளைச் சுவருக்கு வெப்பம் கடத்தப்படுவதால், செயல்படும் வாயுவின் வெப்பநிலை குறைகிறது, அதனால் விரிவடைதல் வேலை குறைகிறது.
பிஸ்டன் வளையங்கள், தாங்கிகள் மற்றும் வால்வுத்தொடர் பாகங்களில் ஏற்படும் இயந்திர உராய்வு, செயல்திறன் மிக்க ஆற்றலைக் குறைக்கிறது.
– எரிதல் கால அளவு: எரிதல் உடனடியாக நிகழ்வதில்லை. பெட்ரோல் என்ஜின்களில், எரிதலுக்கு கிராங்க்ஷாஃப்ட்டின் பல டிகிரி கோணம் தேவைப்படுகிறது; டீசல் என்ஜின்களில், தாமதமான பற்றவைப்பு மற்றும் பரவல் எரிதல் நிகழ்கிறது.
– முந்தைய சுழற்சியின் எஞ்சிய வாயு, அடுத்த கலவையின் இயைபையும் வெப்பநிலையையும் மாற்றுகிறது.
– உள்ளீட்டு/வெளியீட்டு வடிவமைப்பு மற்றும் வால்வு நேர அமைப்பு ஆகியவற்றால் கொள்ளளவுத் திறன் பாதிக்கப்படுகிறது; இவை உள்ளே நுழையும் காற்றின் அளவைத் தீர்மானிப்பதால், ஆற்றல் மற்றும் நுகர்விலும் தாக்கம் ஏற்படுகிறது.

பொறியியல் பகுப்பாய்வில், செயல்திறன் பெரும்பாலும் சுட்டிக்காட்டப்பட்ட சராசரி பயனுள்ள அழுத்தம் (IMEP) மற்றும் பிரேக் சராசரி பயனுள்ள அழுத்தம் (BMEP) ஆகியவற்றால் அளவிடப்படுகிறது. IMEP சிலிண்டரில் செய்யப்படும் வெப்ப இயக்கவியல் வேலையைப் பிரதிபலிக்கிறது, அதேசமயம் BMEP என்பது இயந்திர இழப்புகளைக் கழித்த பிறகு ஷாஃப்டில் உண்மையில் கிடைக்கும் வேலையாகும். இவ்விரண்டிற்கும் இடையிலான வேறுபாடு இயந்திர செயல்திறனுடன் தொடர்புடையது.

உமிழ்வுகள் மீதான வெப்ப இயக்கவியல் தாக்கம்
வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வை உமிழ்வுகளின் உருவாக்கத்திலிருந்து பிரிக்க முடியாது, ஏனெனில் வெப்பநிலை, அழுத்தம் மற்றும் கலவையின் இயைபு ஆகியவை வேதி வினைகளைத் தீர்மானிக்கின்றன.

– எரிதல் முழுமையடையாதபோது பெட்ரோல் என்ஜின்கள் CO மற்றும் HC-ஐ உற்பத்தி செய்ய முனைகின்றன, ஆனால் கலவை விகிதாச்சாரத்திற்கு (stoichiometric) அருகில் இருக்கும்போது மும்முனை வினையூக்கிகள் திறம்படச் செயல்படுகின்றன.
– டீசல் என்ஜின்கள், அதிக வெப்பநிலை மற்றும் அதிகப்படியான ஆக்ஸிஜன் காரணமாக NOx-ஐயும், பரவலான எரிதலில் உள்ளூர் செறிவான மண்டலங்கள் காரணமாக துகள்கள்/புகைக்கரியையும் உருவாக்குகின்றன. செயல்திறன் மற்றும் வெளியேற்றப்படும் வாயுக்களை சமநிலைப்படுத்த, EGR (வெளியேற்ற வாயு மறுசுழற்சி), டர்போசார்ஜிங் மற்றும் பின் சுத்திகரிப்பு (SCR/DPF) போன்ற உத்திகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

நவீன முன்னேற்றங்கள்: டர்போசார்ஜிங், நேரடி உட்செலுத்துதல் மற்றும் கலப்பு சுழற்சி
தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்கள் 'பெட்ரோல் பண்புகளுக்கும்' 'டீசல் பண்புகளுக்கும்' இடையிலான வேறுபாடுகளை மங்கச் செய்கின்றன. நவீன பெட்ரோல் என்ஜின்கள் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் எரிபொருள் நுகர்வைக் குறைக்கவும் பெரும்பாலும் நேரடி உட்செலுத்துதல் மற்றும் டர்போசார்ஜிங் முறைகளைப் பயன்படுத்துகின்றன, இருப்பினும் இது நுண்துகள்களின் அளவை அதிகரித்து, வடிகட்டிகளையும் தேவைப்படுத்தக்கூடும். அதே சமயம், நவீன டீசல் என்ஜின்கள் எரிதலை உகந்ததாக்குவதற்காக பல-நிலை உட்செலுத்துதல் கட்டுப்பாடு மற்றும் மாறுபடும் டர்போசார்ஜிங் முறைகளைப் பயன்படுத்துகின்றன.
வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வுகளில், நவீன இயந்திரங்கள் பெரும்பாலும் ஒரு இரட்டைச் சுழற்சியாகப் பகுப்பாய்வு செய்யப்படுகின்றன: வெப்பச் சேர்ப்பானது ஒரு பகுதி மாறா கனஅளவிலும், மற்றொரு பகுதி மாறா அழுத்தத்திலும் நிகழ்கிறது. ஓட்டோ அல்லது டீசல் அனுமானங்களை முழுமையாகப் பூர்த்தி செய்யாத உண்மையான எரிதலை விவரிப்பதற்கு இந்த மாதிரி மிகவும் யதார்த்தமானது.

முடிவுரை
டீசல் மற்றும் பெட்ரோல் இயந்திரங்களின் வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வுகள், வெவ்வேறு பற்றவைப்பு மற்றும் கலவை உருவாக்கும் முறைகள் வெவ்வேறு சிறந்த சுழற்சிகளை விளைவிக்கின்றன என்பதைக் காட்டுகின்றன: பெட்ரோலுக்கு ஓட்டோ (மாறாத கன அளவு) மற்றும் டீசலுக்கு டீசல் (மாறாத அழுத்தம்). சிறந்த ஓட்டோ சுழற்சியானது ஒரே அமுக்க விகிதத்தில் அதிக செயல்திறன் மிக்கதாக இருக்கக்கூடும் என்றாலும், நடைமுறையில் டீசல் இயந்திரங்கள் அதிக அமுக்க விகிதங்களைப் பயன்படுத்தும் திறன் மற்றும் பகுதி சுமைகளில் பம்பிங் இழப்புகளைக் குறைக்கும் திறன் காரணமாக செயல்திறனில் பெரும்பாலும் சிறந்து விளங்குகின்றன. இருப்பினும், செயல்திறன் என்பது ஒரு தனித்த விஷயம் அல்ல: உமிழ்வுகள், முறுக்கு பண்புகள், அமைப்பு செலவுகள் மற்றும் பராமரிப்புத் தேவைகள் ஆகிய அனைத்தும் பயன்பாட்டைத் தீர்மானிக்கும் காரணிகளாகும். நேரடி உட்செலுத்துதல், டர்போசார்ஜிங், EGR மற்றும் பின்சிகிச்சை போன்ற நவீன தொழில்நுட்பங்களுடன், இரு வகை இயந்திரங்களும் புதிய உகந்த புள்ளிகளை நோக்கி தொடர்ந்து முன்னேறி வருகின்றன—வெப்ப செயல்திறனை மேம்படுத்தி, உமிழ்வுகளைக் குறைக்கின்றன—எனவே, வெப்ப இயக்கவியல் பற்றிய புரிதல், உள் எரிப்பு இயந்திரங்களின் வடிவமைப்பு மற்றும் செயல்திறன் மதிப்பீட்டிற்கு ஒரு முக்கியமான அடித்தளமாக உள்ளது.