ڈیزل انجنوں اور پٹرول انجنوں پر تھرموڈینامک اسٹڈی
Pendahuluan
اندرونی دہن انجن ایک کلیدی ٹیکنالوجی ہے جو ایندھن کی کیمیائی توانائی کو سلنڈر کے اندر دہن کے ذریعے مکینیکل توانائی میں تبدیل کرتی ہے۔ گاڑیوں اور مختلف صنعتی ایپلی کیشنز میں استعمال ہونے والی دو سب سے عام قسمیں ہیں پٹرول (اسپارک اگنیشن/SI) انجن اور ڈیزل (کمپریشن اگنیشن/CI) انجن۔ اگرچہ دونوں چار اسٹروک سائیکل (بہت سے ڈیزائنوں میں) اور بنیادی تھرموڈینامک اصولوں پر انحصار کرتے ہیں، مرکب کی تشکیل، اگنیشن طریقہ، دہن کی خصوصیات اور اس کے نتیجے میں، کارکردگی میں اہم فرق ہیں۔ تھرموڈینامکس کا مطالعہ ہمیں یہ سمجھنے میں مدد کرتا ہے کہ ڈیزل انجن کیوں زیادہ کارآمد ہوتے ہیں، کیوں پٹرول انجنوں میں ردعمل اور ریو کی خصوصیات مختلف ہوتی ہیں، اور کس طرح پیرامیٹر جیسے کمپریشن تناسب، درجہ حرارت، دباؤ، اور نقصانات کارکردگی کا تعین کرتے ہیں۔
اندرونی دہن انجنوں کی بنیادی تھرموڈینامکس
مثالی طور پر، انجن کی کارکردگی کا اکثر ایک مثالی تھرموڈینامک سائیکل کے ذریعے تجزیہ کیا جاتا ہے جو حقیقی دنیا کے عمل کو آسان بناتا ہے۔ مقصد دہن کی تفصیلات کو درست طریقے سے نقل کرنا نہیں ہے، بلکہ کارکردگی پر ڈیزائن متغیرات کے اثر و رسوخ کا اندازہ لگانے کے لیے ایک فریم ورک فراہم کرنا ہے۔ اس مطالعہ میں کلیدی مقدار میں شامل ہیں:
1. کمپریشن ریشو (r): سلنڈر والیوم کا تناسب جب پسٹن نیچے ڈیڈ سینٹر میں ہوتا ہے اور ٹاپ ڈیڈ سینٹر میں والیوم۔ کمپریشن کا تناسب حتمی کمپریشن درجہ حرارت اور دباؤ کو متاثر کرتا ہے، اس طرح کارکردگی کا بہت زیادہ تعین ہوتا ہے۔
2. ہیٹ ان پٹ (Q_in) اور ہیٹ آؤٹ پٹ (Q_out): مثالی سائیکل تصور میں، ہیٹ ان پٹ دہن (یا گرمی کے اضافے) کے دوران ہوتا ہے اور ہیٹ آؤٹ پٹ ہیٹ ریجیکشن کے دوران ہوتا ہے۔
3. نیٹ ورک (W_net): توسیعی کام اور کمپریشن ورک کے درمیان فرق۔
4. حرارتی کارکردگی (η_th): حرارتی ان پٹ سے نیٹ ورک کا تناسب، یعنی η_th = W_net / Q_in۔
5. تھرموڈینامکس کا پہلا قانون: نظام میں توانائی کی تبدیلیوں کا تعلق حرارت اور کام سے ہے۔ ایک مثالی بند سائیکل میں، نیٹ ورک ہیٹ ان پٹ اور ہیٹ آؤٹ پٹ کے درمیان فرق کے برابر ہوتا ہے۔
عملی طور پر، رگڑ، سلنڈر کی دیواروں میں گرمی کی منتقلی، نامکمل دہن، پمپنگ کے نقصانات، نیز ایگزاسٹ گیس اور کولنگ سسٹم کے عوامل کی وجہ سے حقیقی کارکردگی ہمیشہ مثالی سے کم ہوتی ہے۔
پٹرول انجن کا مثالی سائیکل: اوٹو سائیکل
مثالی پٹرول انجن کو Otto سائیکل سے ظاہر کیا جاتا ہے، یہ فرض کرتے ہوئے کہ گرمی کا اضافہ مستقل حجم پر ہوتا ہے۔ مثالی اوٹو سائیکل کے اہم مراحل یہ ہیں:
1. آئسینٹروپک کمپریشن: ہوا کے ایندھن کا مرکب گرمی کی منتقلی کے بغیر کمپریس کیا جاتا ہے (مثالی)۔
2. مسلسل حجم میں گرمی کا اضافہ: دہن کو تیزی سے واقع ہونے کا فرض کیا جاتا ہے تاکہ حجم مستقل رہے۔
3. آئسینٹروپک توسیع: دہن گیس پھیلتی ہے، پسٹن کو آگے بڑھاتی ہے اور کام پیدا کرتی ہے۔
4. مستقل حجم ہیٹ ریجیکشن: حرارت کو مسترد کر دیا جاتا ہے اور سائیکل اپنی ابتدائی حالت میں واپس آجاتا ہے۔
مثالی اوٹو سائیکل کی تھرمل کارکردگی کو کمپریشن تناسب کے فنکشن کے طور پر لکھا جا سکتا ہے:
\[
\eta_{Otto} = 1 - \frac{1}{r^{\gamma - 1}}
\]
جہاں γ مخصوص حرارت کا تناسب ہے (Cp/Cv)۔ یہ مساوات ظاہر کرتی ہے کہ کمپریشن تناسب میں اضافہ کارکردگی کو بڑھاتا ہے۔ تاہم، گیسولین انجن دستک (دھماکہ) کے ذریعے محدود ہوتے ہیں، جو کہ زیادہ درجہ حرارت اور دباؤ کی وجہ سے بے قابو دہن ہے جس کی وجہ سے چنگاری پلگ ایک مستحکم شعلہ سامنے پیدا کرنے سے پہلے کچھ مرکب کو بھڑکاتا ہے۔ لہذا، پٹرول انجنوں کا کمپریشن تناسب عام طور پر ڈیزل انجنوں سے کم ہوتا ہے۔
مثالی ڈیزل انجن سائیکل: ڈیزل سائیکل
مثالی ڈیزل انجن کی نمائندگی ڈیزل سائیکل کے ذریعے کی جاتی ہے، بنیادی فرق یہ ہے کہ ابتدائی توسیعی اسٹروک کے دوران ایندھن کے انجیکشن کی وجہ سے گرمی کا اضافہ مستقل (یا مستقل کے قریب) دباؤ پر ہوتا ہے۔ مثالی ڈیزل سائیکل کے مراحل ہیں:
1. آئسینٹروپک کمپریشن: اکیلے ہوا کو بہت زیادہ درجہ حرارت پر کمپریس کیا جاتا ہے۔
2. مسلسل دباؤ گرمی کا اضافہ: ایندھن کو انجکشن اور جلا دیا جاتا ہے، عمل کے ایک حصے کے دوران نسبتاً مستقل دباؤ کو برقرار رکھتا ہے۔
3. Isentropic توسیع: گرم گیس پھیلتی ہے اور کام پیدا کرتی ہے۔
4. مسلسل حجم گرمی کی کھپت: گرمی کو ابتدائی حالت میں واپس آنے کے لیے مسترد کر دیا جاتا ہے۔
ایک مثالی ڈیزل سائیکل کی کارکردگی کا انحصار کمپریشن ریشو اور کٹ آف ریشو (ρ) پر ہوتا ہے، جو کہ ابتدائی ہیٹ ایڈڈیشن والیوم سے حتمی ہیٹ ایڈڈیشن والیوم کا تناسب ہے۔ عام طور پر، اسی کمپریشن تناسب کے لیے، اوٹو کی کارکردگی مثالی ڈیزل سے زیادہ ہوتی ہے۔ تاہم، حقیقت اس کے برعکس ہے: ڈیزل انجن اکثر زیادہ موثر ہوتے ہیں کیونکہ وہ زیادہ کمپریشن ریشو استعمال کر سکتے ہیں اور چھوٹے تھروٹلنگ نقصانات کے ساتھ کام کر سکتے ہیں۔
تھرموڈینامک موازنہ: ڈیزل زیادہ موثر کیوں ہے؟
اطلاقی تھرموڈینامکس کے نقطہ نظر سے، کئی مجبور وجوہات ہیں:
1. ڈیزل میں زیادہ کمپریشن ریشو
ڈیزل انجن صرف ہوا کو کمپریس کرتے ہیں، اس لیے دستک دینا اتنا اہم نہیں ہے جتنا کہ پٹرول انجن کے ساتھ ہے۔ ڈیزل کمپریشن کا تناسب بہت زیادہ ہوسکتا ہے، جس کے نتیجے میں کمپریشن کا درجہ حرارت زیادہ، آسان دہن، اور کارکردگی میں اضافہ ہوتا ہے۔
2. جزوی بوجھ پر تھروٹل کے بغیر آپریشن
بہت سے پٹرول انجن تھروٹل کے ساتھ طاقت کو کنٹرول کرتے ہیں جو انٹیک ہوا کے بہاؤ کو محدود کرتا ہے۔ یہ پمپنگ نقصانات پیدا کرتا ہے، خاص طور پر ہلکے بوجھ پر۔ ڈیزل انجن عام طور پر ایندھن کی مقدار سے طاقت کو کنٹرول کرتے ہیں، جبکہ اضافی ہوا کو برقرار رکھتے ہیں، جس کے نتیجے میں پمپنگ کے نقصانات کم ہوتے ہیں اور بہتر جزوی کارکردگی ہوتی ہے۔
3. دہن کی خصوصیات اور ہوا کے ایندھن کا تناسب
ڈیزل انجن عام طور پر بہت دبلے مکسچر پر کام کرتے ہیں، جس سے بعض حالات میں چوٹی کا درجہ حرارت کم ہوتا ہے، جس سے گرمی کے نقصانات کم ہوتے ہیں۔ تاہم، ڈیزل ذرات (کاجل) اور NOx کے اخراج کے ساتھ چیلنج بھی پیش کرتا ہے جن پر کنٹرول کی ضرورت ہوتی ہے۔
4. کیلوری کی قیمت اور ایندھن کی توانائی کی کثافت
ڈیزل ایندھن میں پٹرول سے زیادہ حجمی توانائی کی کثافت ہوتی ہے۔ اگرچہ تھرمل کارکردگی ایک الگ تصور ہے، لیکن یہ عنصر فی کلومیٹر اور فی لیٹر ایندھن کی کھپت کو متاثر کرتا ہے، جس سے اکثر ڈیزل زیادہ "کارآمد" ظاہر ہوتا ہے۔
حقیقی عمل کے پہلو: مثالی سائیکل سے اصل سائیکل تک
مثالی Otto اور ڈیزل سائیکل ایک isentropic عمل اور "صاف" گرمی کے اضافے کو فرض کرتے ہیں۔ حقیقی دنیا کے انجن اہم انحراف کا تجربہ کرتے ہیں، بشمول:
- سلنڈر کی دیوار میں حرارت کی منتقلی کام کرنے والے گیس کے درجہ حرارت کو کم کر دیتی ہے تاکہ توسیع کا کام کم ہو جائے۔
- پسٹن کے حلقوں، بیرنگز، اور والوٹرین کے اجزاء پر مکینیکل رگڑ مؤثر طاقت کو کم کر دیتا ہے۔
- دہن کا دورانیہ: دہن فوری نہیں ہوتا ہے۔ پٹرول انجنوں میں، دہن کے لیے کرینک شافٹ زاویہ کی کئی ڈگریوں کی ضرورت ہوتی ہے۔ ڈیزل انجنوں میں اگنیشن اور ڈفیوژن دہن میں تاخیر ہوتی ہے۔
- پچھلے سائیکل سے بقایا گیس بعد کے مرکب کی ساخت اور درجہ حرارت کو تبدیل کرتی ہے۔
- والیومیٹرک کارکردگی انٹیک/ایگزاسٹ ڈیزائن اور والو ٹائمنگ سے متاثر ہوتی ہے، ہوا میں داخل ہونے کے بڑے پیمانے کا تعین کرتی ہے، اس طرح بجلی اور کھپت کو متاثر کرتی ہے۔
انجینئرنگ کے تجزیے میں، کارکردگی کو اکثر اشارہ شدہ اوسط موثر دباؤ (IMEP) اور بریک مطلب مؤثر دباؤ (BMEP) سے ماپا جاتا ہے۔ IMEP سلنڈر میں کیے جانے والے تھرموڈینامک کام کی عکاسی کرتا ہے، جبکہ BMEP وہ کام ہے جو میکینیکل نقصانات کو کم کرنے کے بعد شافٹ پر درحقیقت دستیاب ہوتا ہے۔ دونوں کے درمیان فرق مکینیکل کارکردگی سے متعلق ہے۔
اخراج پر تھرموڈینامک اثر
تھرموڈینامکس کے مطالعہ کو اخراج کی تشکیل سے الگ نہیں کیا جا سکتا کیونکہ درجہ حرارت، دباؤ اور مرکب کی ساخت کیمیائی رد عمل کا تعین کرتی ہے۔
– گیسولین انجن CO اور HC پیدا کرنے کا رجحان رکھتے ہیں اگر دہن نامکمل ہو، لیکن تین طرفہ کیٹالسٹ اس وقت کارآمد ہوتے ہیں جب مرکب سٹوچیومیٹرک کے قریب ہو۔
- ڈیزل انجن NOx پیدا کرتے ہیں (زیادہ درجہ حرارت اور زیادہ آکسیجن کی وجہ سے) اور ذرات/کاجل (ڈفوز دہن میں مقامی امیر زون کی وجہ سے)۔ EGR (ایگزاسٹ گیس ری سرکولیشن)، ٹربو چارجنگ، اور آفٹر ٹریٹمنٹ (SCR/DPF) جیسی حکمت عملیوں کا استعمال کارکردگی اور اخراج کو متوازن کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔
جدید ترقیات: ٹربو چارجنگ، ڈائریکٹ انجیکشن، اور مکسڈ سائیکل
تکنیکی ترقی "پٹرول کی خصوصیات" اور "ڈیزل کی خصوصیات" کے درمیان لائنوں کو دھندلا کر رہی ہے۔ جدید پٹرول انجن اکثر کارکردگی کو بہتر بنانے اور ایندھن کی کھپت کو کم کرنے کے لیے براہ راست انجیکشن اور ٹربو چارجنگ کا استعمال کرتے ہیں، حالانکہ اس سے ذرات میں اضافہ ہو سکتا ہے اور فلٹر کی ضرورت پڑ سکتی ہے۔ دریں اثنا، جدید ڈیزل انجن دہن کو بہتر بنانے کے لیے ملٹی اسٹیج انجیکشن کنٹرول اور متغیر ٹربو چارجنگ کا استعمال کرتے ہیں۔
تھرموڈینامک اسٹڈیز میں، جدید انجنوں کا اکثر دوہری سائیکل کے طور پر تجزیہ کیا جاتا ہے: گرمی کا اضافہ جزوی طور پر مستقل حجم پر ہوتا ہے اور جزوی طور پر مستقل دباؤ پر۔ یہ ماڈل اصل دہن کو بیان کرنے کے لیے زیادہ حقیقت پسندانہ ہے جو اوٹو یا ڈیزل کے مفروضوں پر پوری طرح پورا نہیں اترتا ہے۔
نتیجہ اخذ کرنا
ڈیزل اور پٹرول انجنوں کے تھرموڈینامک اسٹڈیز سے پتہ چلتا ہے کہ اگنیشن اور مکسچر بنانے کے مختلف طریقوں کے نتیجے میں مختلف مثالی چکر آتے ہیں: پٹرول کے لیے اوٹو (مستقل حجم) اور ڈیزل کے لیے ڈیزل (مسلسل دباؤ)۔ جبکہ مثالی Otto سائیکل اسی کمپریشن ریشو پر زیادہ کارآمد ہو سکتا ہے، لیکن عملی طور پر ڈیزل انجن زیادہ کمپریشن تناسب کو استعمال کرنے اور جزوی بوجھ پر پمپنگ کے نقصانات کو کم کرنے کی صلاحیت کی وجہ سے کارکردگی میں بہترین ہوتے ہیں۔ تاہم، کارکردگی کوئی واحد مسئلہ نہیں ہے: اخراج، ٹارک کی خصوصیات، سسٹم کے اخراجات، اور دیکھ بھال کے تقاضے وہ تمام عوامل ہیں جو درخواست کا تعین کرتے ہیں۔ ڈائریکٹ انجیکشن، ٹربو چارجنگ، ای جی آر اور آفٹر ٹریٹمنٹ جیسی جدید ٹیکنالوجیز کے ساتھ، انجن کی دونوں اقسام نئے بہترین پوائنٹس کی طرف بڑھتے رہتے ہیں- اخراج کو کم کرتے ہوئے تھرمل کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں- اس لیے تھرموڈینامکس کی سمجھ اندرونی انجن کے ڈیزائن اور کارکردگی کی جانچ کے لیے ایک اہم بنیاد بنی ہوئی ہے۔
