চার স্ট্রোক ইঞ্জিনের ভেতরে এক সেকেন্ডে কী ঘটে?
এই পেজটি শেয়ার করুন
চতুর্ঘাতী ইঞ্জিনে এক সেকেন্ড হলো এক ঘন যান্ত্রিক ক্রিয়া, যেখানে পিস্টন উপরের ও নিচের মৃত বিন্দুর মধ্যে বহু সম্পূর্ণ গমন-প্রত্যাগমন সম্পন্ন করে, ভালভগুলো নিখুঁত টাইমিংয়ে খোলে ও বন্ধ হয়, এবং প্রতি দুই ক্র্যাংক ঘূর্ণনে মাত্র একবার দহন কাজ উৎপন্ন করে। শোষণ, সংকোচন, শক্তি ও নিষ্কাশন: এই চার ঘাতের প্রতিটি ক্র্যাংকশ্যাফটের ঠিক 180 ডিগ্রির সমান, আর ইঞ্জিন যত বেশি আরপিএম-এ চলে, একটি ঘাত তত ছোট সেকেন্ডের ভগ্নাংশে সংকুচিত হয়।
উল্লেখযোগ্য তথ্য
- একটি সম্পূর্ণ চক্র 720° অর্থাৎ ক্র্যাংকশ্যাফটের দুই ঘূর্ণন স্থায়ী হয়; প্রতিটি ঘাত 180° সময় নেয়।
- শক্তি কেবল চার ঘাতের একটিতে উৎপন্ন হয়: প্রতি 2 ঘূর্ণনে একবার শক্তি ঘাত ঘটে।
- স্পার্ক প্লাগ সাধারণত উপরের মৃত বিন্দুর প্রায় 20° ক্র্যাংক কোণ আগে স্পার্ক শুরু করে।
- অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন সরবরাহকৃত শক্তির গড়ে মাত্র 40-45% যান্ত্রিক কাজে রূপান্তরিত করে।
- শিল্প ইঞ্জিনে গড় পিস্টন গতি প্রায় 10 m/s -এ সীমাবদ্ধ থাকে।
চতুর্ঘাতী ইঞ্জিন কীভাবে কাজ করে: সিলিন্ডারের ভেতরের চার ধাপ
সবকিছু শুরু হয় "স্ট্রোক" সংজ্ঞা দিয়ে: স্ট্রোক হলো পিস্টনের সিলিন্ডার বরাবর যেকোনো দিকে সম্পূর্ণ গমন। পিস্টন সর্বোচ্চ অবস্থানে থাকলে তাকে উপরের মৃত বিন্দুতে (TDC), সর্বনিম্ন অবস্থানে থাকলে নিচের মৃত বিন্দুতে (BDC) বলা হয়। চতুর্ঘাতী চক্র এই দুই বিন্দুর মধ্যে চার স্ট্রোক এবং ক্র্যাংকশ্যাফটের দুটি সম্পূর্ণ ঘূর্ণন জুড়ে বিস্তৃত। পিস্টনের রৈখিক গতি কানেক্টিং রডের মাধ্যমে ক্র্যাংকশ্যাফট ঘুরিয়ে দেয়; চার ঘাতের সম্পূর্ণ প্রক্রিয়ার জন্য ক্র্যাংকশ্যাফট 720 ডিগ্রি ঘোরে।
এই চক্রে ভালভগুলোর ভূমিকা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। শোষণ ও নিষ্কাশন ভালভ এমন একটি ক্যামশ্যাফট দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়, যা ক্র্যাংকশ্যাফটের অর্ধেক গতিতে ঘোরে। এই অর্ধেক গতির অনুপাত কাকতালীয় নয়, বাধ্যতামূলক: ভালভের ক্রিয়াকলাপ ক্র্যাংক কোণের সাথে সমন্বয় করতে হয় বলে ক্যামশ্যাফট প্রতিটি চক্র ক্র্যাংকশ্যাফটের অর্ধেক ঘূর্ণনে অনুসরণ করে।
1. শোষণ: আংশিক ভ্যাকুয়ামে ভেতরে বাতাস টানা
পিস্টন উপরের মৃত বিন্দু থেকে নিচে নামা শুরু করলে শোষণ ভালভ খোলে। পিস্টনের অবতরণ সিলিন্ডারের আয়তন বাড়ায় এবং ভেতরে আংশিক ভ্যাকুয়াম অর্থাৎ ঋণাত্মক চাপ সৃষ্টি করে। এই চাপের পার্থক্য বাতাস-জ্বালানি মিশ্রণকে সিলিন্ডারে টেনে নেয়। শোষণ ঘাত হলো পিস্টনের TDC থেকে BDC-তে সম্পূর্ণ অবতরণ এবং এটি চক্রের প্রথম 180 ডিগ্রি জুড়ে থাকে।
2. সংকোচন: শক্তি ঘনীভূত করা
নিচের মৃত বিন্দুতে শোষণ ভালভ বন্ধ হয় এবং সংকোচন শুরু হয়। এখন উভয় ভালভই বন্ধ; পিস্টন উপরে উঠে বাতাস-জ্বালানি মিশ্রণকে দহন কক্ষের সরু আয়তনে সংকুচিত করে। সংকোচনের দুটি কাজ রয়েছে: জ্বালানির বাষ্পকে আরও বেশি বাষ্পীভূত করা এবং প্রজ্বলনে আরও বেশি শক্তি মুক্ত করা। সংকোচনে ব্যয়িত শক্তি দহনে উৎপন্ন শক্তির মাত্র প্রায় এক-চতুর্থাংশ; অর্থাৎ বিনিয়োগটি লাভজনক।
সংকোচন অনুপাত পরিমাপ করা ইঞ্জিনের চরিত্র বোঝার অন্যতম দ্রুত উপায়। পেট্রোল ইঞ্জিনে প্রচলিত পরিসর 6:1 থেকে 10:1 -এর মধ্যে; অনুপাত বাড়লে দক্ষতা বাড়ে কিন্তু জ্বালানির স্বতঃস্ফূর্ত প্রজ্বলন অর্থাৎ নকিংয়ের ঝুঁকিও বাড়ে। এ কারণেই পেট্রোলের অক্টেন রেটিং হলো স্বতঃস্ফূর্ত জ্বলনের প্রতিরোধ ক্ষমতার পরিমাপ: অক্টেন যত বেশি, তত উঁচু কম্প্রেশন অনুপাতের সুযোগ পাওয়া যায়।
3. শক্তি (পাওয়ার): চক্রের একমাত্র এই মুহূর্তেই কাজ উৎপন্ন হয়
কম্প্রেশন স্ট্রোকের শেষে, উপরের মৃত বিন্দুর প্রায় ২০° ক্র্যাংক কোণ আগে স্পার্ক প্লাগ স্ফুলিঙ্গ সৃষ্টি করে। ঠিক শীর্ষবিন্দুতে কেন নয়? কারণ শিখা সামনের অংশকে দহন চেম্বার জুড়ে এগিয়ে যেতে সময় লাগে; স্ফুলিঙ্গ আগেই সৃষ্টি হয় যাতে চাপের শিখর ঠিক যখন পিস্টন শীর্ষে থাকে তখন ধাক্কা দেওয়ার মতো গঠিত হয়। জ্বলন্ত মিশ্রণ পিস্টনকে BDC-র দিকে ধাক্কা দিয়ে ক্র্যাংকশ্যাফট ঘোরানোর যান্ত্রিক কাজটি উৎপন্ন করে। পুরো চক্রের মধ্যে কেবল এই মুহূর্তেই কাজ উৎপন্ন হয়; সিলিন্ডার সংখ্যা যা-ই হোক, প্রতিটি চার স্ট্রোক ইঞ্জিন ৭২০ ডিগ্রিতে একটি করে পাওয়ার স্ট্রোক পায়। মাল্টি-সিলিন্ডার ইঞ্জিনের মসৃণ চলার রহস্য হলো এই পাওয়ার স্ট্রোকগুলোর ক্র্যাংকশ্যাফটে মিশিয়ে দেওয়া।
4. এক্সহস্ট (নিষ্কাশন): দহন চেম্বার খালি করা
পিস্টন নিচের মৃত বিন্দুতে পৌঁছালে এক্সহস্ট ভালভ খোলে এবং চক্রের শেষ 180 ডিগ্রিতে পিস্টন উপরে উঠে অবশিষ্ট গ্যাসগুলো এক্সহস্ট পোর্ট দিয়ে বাইরে বের করে দেয়। উপরের মৃত বিন্দুতে পৌঁছালে সিলিন্ডার পরিষ্কার হয়ে যায়, ইনটেক ভালভ আবার খোলার জন্য প্রস্তুত থাকে এবং চক্র নতুন করে শুরু হয়। সিলিন্ডারের প্রতিটি পূর্ণতা মানে দুই ঘূর্ণনের চক্রটি নতুন করে স্থাপন হওয়া।
RPM বাড়লে একটি স্ট্রোকের সময় কত হয়?
প্রশ্নের উত্তর পাওয়া যায় বিশুদ্ধ গণিত দিয়ে। একটি কর্মক্ষম চক্র দুটি ক্র্যাংক ঘূর্ণন স্থায়ী হয় বলে ইঞ্জিনের RPM একটি স্ট্রোকের স্থিতিকাল সরাসরি নির্ধারণ করে। উদাহরণস্বরূপ 1.000 rpm-এ ইঞ্জিন প্রতি সেকেন্ডে প্রায় 16,7 ঘূর্ণন করে; একটি পূর্ণ চক্রে সময় লাগে প্রায় 60 মিলিসেকেন্ড, অর্থাৎ একটি স্ট্রোকের সময় 15 মিলিসেকেন্ড। 6.000 rpm-এ প্রতি সেকেন্ডে 100 ঘূর্ণন হয় এবং পাওয়ার স্ট্রোকসহ প্রতিটি স্ট্রোক প্রায় 2,5 মিলিসেকেন্ডে নেমে আসে। দহন, ভালভ চলাচল এবং গ্যাস প্রবাহ-সবকিছুকেই এই মাপে সংগঠিত হতে হয়।
ঘূর্ণনের সর্বোচ্চ সীমাও নির্ধারণ করে পদার্থবিজ্ঞান। পিস্টনের গড় গতি স্ট্রোক ও RPM-এর ফাংশন; শিল্পোপযোগী ইঞ্জিনে সিলিন্ডার প্রাচীরের লুব্রিকেশন নষ্ট না হওয়ার জন্য এই গতি সীমাবদ্ধ থাকে প্রায় 10 m/s পর্যন্ত। উচ্চ RPM-এ দুটি সাধারণ সমস্যা দেখা দেয়: ভালভ স্প্রিংগ তাল না পেলে "ভালভ ফ্লোটিং" ঘটে এবং পিস্টন-ভালভ সংঘর্ষ ইঞ্জিনে মারাত্মক ক্ষতি করতে পারে। এছাড়া পিস্টন রিং কম্পন সিলিন্ডারের চাপ ও শক্তিতে হ্রাস ঘটাতে পারে। সংক্ষেপে, একটি স্ট্রোক সেকেন্ডের কত ছোট ভগ্নাংশে সংকুচিত হতে পারে তার সীমা টানা হয় উপাদানের শক্তি ও লুব্রিকেশন দিয়ে।
পেট্রোল না ডিজেল: একই চক্র, ভিন্ন দহন সূচনা
ফোর-স্ট্রোক চক্রের ধাপগুলো দুটি ইঞ্জিনেই একই; পার্থক্য শুধু পাওয়ার স্ট্রোক শুরু করা দহন পদ্ধতিতে। পেট্রোল ইঞ্জিন স্পার্ক ইগনিশনযুক্ত: স্পার্ক প্লাগ সংকুচিত মিশ্রণটিকে জ্বালিয়ে দেয়। ডিজেল হলো কম্প্রেশন ইগনিশনযুক্ত; কম্প্রেশনের ফলে সৃষ্ট উচ্চ তাপ ইঞ্জিনের চাপের অবস্থায় জ্বলতে সক্ষম ডিজেল জ্বালানিকে নিজে থেকেই প্রজ্বলিত করে এবং স্পার্ক প্লাগের প্রয়োজন হয় না। ডিজেলের জ্বলনের প্রবণতা নির্ধারিত হয় সিটেন (cetane) রেটিং দিয়ে; পেট্রোলের অক্টেন রেটিংয়ের ঠিক বিপরীত যুক্তিতে কাজ করে। ডিজেলের কম উদ্বায়ীতার কারণে ঠান্ডা আবহাওয়ায় চালু করার সবচেয়ে সাধারণ পদ্ধতি হলো গ্লো প্লাগ ব্যবহার।
| বৈশিষ্ট্য | পেট্রোল ইঞ্জিন | ডিজেল ইঞ্জিন |
|---|---|---|
| প্রজ্বলন | স্পার্ক প্রজ্বলন (স্পার্ক প্লাগ) | সংকোচন প্রজ্বলন (সংকোচনের তাপ) |
| চক্র | অটো চক্র | ডিজেল চক্র |
| জ্বালানি প্রতিরোধের মাপ | অক্টেন রেটিং | সেটেন (cetane) রেটিং |
| সংকোচন অনুপাত | সাধারণত 6:1 - 10:1 | সংকোচনের তাপ প্রজ্বলনের উপযোগী, উচ্চ |
| আরপিএম চরিত্র | উচ্চতর আরপিএম-এ চলে | নিম্নতর আরপিএম-এ চলে; জ্বালানি ধীরে পোড়ে |
ডিজেল জ্বালানির পেট্রোলের চেয়ে ধীরে পোড়াই ব্যাখ্যা করে ডিজেল ইঞ্জিন কেন কম আরপিএম-এ চলে; আর কম আরপিএম ইঞ্জিনের ক্ষয় কমায়। তাই দুই ধরনের ইঞ্জিনের চরিত্রের পার্থক্য চক্র থেকে নয়, বরং জ্বালানির দহন গতি থেকে উদ্ভূত।
আধুনিক প্রযুক্তিগুলো এই 720 ডিগ্রিকে কীভাবে উন্নত করছে?
মূল চক্রটি 1876 সাল থেকে অপরিবর্তিত; বদলেছে প্রতিটি 180 ডিগ্রির অংশ কতটা দক্ষতার সঙ্গে ব্যবহৃত হচ্ছে তা। তিনটি আধুনিক সংযোজন উল্লেখযোগ্য।
ভেরিয়েবল ভালভ টাইমিং (VVT)
স্থির ক্যামশাফট ভালভ ইভেন্টগুলোকে একটি নির্দিষ্ট আরপিএম পরিসরে অপটিমাইজ করে। অন্যদিকে ভেরিয়েবল ভালভ টাইমিং ভালভ লিফট ইভেন্টের সময়সূচি ইঞ্জিনের আরপিএম অনুযায়ী রিয়েল টাইমে সামঞ্জস্য করে সর্বোত্তম শক্তি বণ্টন এবং আরও মসৃণ ত্বরণ নিশ্চিত করে। বাতাস-জ্বালানি মিশ্রণের আরও ভালো ব্যবস্থাপনা দহন দক্ষতা উন্নত করে; আংশিক লোড পরিস্থিতিতে 5% পর্যন্ত জ্বালানি সাশ্রয়ের উন্নতি পরিমাপ করা হয়েছে।
ডাইরেক্ট ইনজেকশন (GDI)
আজকাল অনেক চার-স্ট্রোক পেট্রোল ইঞ্জিনে ব্যবহৃত ডাইরেক্ট ইনজেকশনে ইনজেক্টর নজল দহন কক্ষ পর্যন্ত প্রসারিত থাকে এবং পেট্রোল অত্যন্ত উচ্চ চাপে, পিস্টন উপরে থাকা অবস্থায় সংকোচন স্ট্রোক জুড়ে সিলিন্ডারে স্প্রে করা হয়। অর্থাৎ জ্বালানি এখন আর ইনটেক স্ট্রোকে নয়, বরং চক্রের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ অংশে, মিলিমিটার-স্তরের নির্ভুলতায় সরবরাহ করা হয়।
টার্বোচার্জিং: এক্সহস্ট স্ট্রোক থেকে শক্তি আহরণ
টার্বোচার্জার হলো এক্সহস্ট আউটলেটে অবস্থিত উচ্চ আরপিএম-এর দুই অংশের একটি টারবাইন ইউনিট: এক পাশ এক্সহস্ট প্রবাহ দ্বারা চালিত হয়, অন্য পাশ ইনটেক বাতাসকে সংকুচিত করে। এক্সহস্ট স্ট্রোক অধিকাংশ ক্ষেত্রে অপচয়ে যাওয়া শক্তি বহন করে; টার্বো এই চাপ দিয়ে কাজ করে বলে এটি বেশি দক্ষতার সঙ্গে চলে এবং সিলিন্ডারে বেশি বাতাস জোর করে ঠেলে দিয়ে প্রতিটি পাওয়ার স্ট্রোক থেকে বেশি শক্তি পাওয়া সম্ভব করে। একটি ভেরিয়েবল জিওমেট্রি টার্বো গবেষণায়, ন্যাচারালি অ্যাসপিরেটেড মডেলের তুলনায় আউটপুট শক্তি 165% পর্যন্ত উন্নত হয়েছে। এই নকশার পরিচিত সীমাবদ্ধতা হলো টার্বো ল্যাগ: শক্তি তাৎক্ষণিক আসে না, আরপিএম ও চাপ বৃদ্ধির প্রয়োজন হয়; আইডল ও কম-মাঝারি গতিতে ইঞ্জিন প্রায় ন্যাচারালি অ্যাসপিরেটেডের মতো চলে।
দক্ষতার সর্বোচ্চ সীমা ও একটি সংক্ষিপ্ত ইতিহাস
একটি অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন সরবরাহকৃত শক্তির গড়ে মাত্র 40-45% যান্ত্রিক কাজে রূপান্তর করতে পারে; সবচেয়ে দক্ষ অটো চক্রের ইঞ্জিনগুলো প্রায় 30% তাপীয় দক্ষতায় চলে এবং বাকি তাপ ঘর্ষণ ও অ্যাক্সেসরিতে হারিয়ে যায়। Dvaara ক্যাটালিটিক কনভার্টারের মতো নির্গমন নিয়ন্ত্রণের জন্য ইঞ্জিনগুলো ইচ্ছাকৃতভাবে কিছুটা কম দক্ষ করে তৈরি করা যেতে পারে। অ্যাটকিনসন চক্র অবশ্য শক্তি ঘনত্বের বিনিময়ে দক্ষতা প্রদান করে এবং আধুনিক হাইব্রিড প্রয়োগে ব্যবহৃত হয়; অনেক আধুনিক ইঞ্জিন স্বল্প সংকোচন ও দীর্ঘ শক্তি স্ট্রোকের প্রভাব তৈরি করতে অপ্রচলিত ভালভ টাইমিং দিয়ে এই অর্থনীতি অর্জন করে।
ইতিহাসও শিক্ষণীয়: অটো 1861 সালে লেনোয়ার ইঞ্জিন পরীক্ষা করার সময় সংকোচনের দক্ষতার উপর প্রভাব লক্ষ্য করেন; ১৮৭৬ সালে অটো ও ল্যাঙ্গেন জ্বালানি মিশ্রণকে দহনের আগে সংকুচিত করা প্রথম সফল অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন তৈরি করেন। 1883 সালে ডেমলার ও মেবাখ প্রথম উচ্চ গতির অটো ইঞ্জিন এবং 1885 সালে ডেমলার রাইটওয়াগেনসহ বিশ্বের প্রথম অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিনযুক্ত যান তৈরি করেন; ১৮৮৬ সালে কার্ল বেঞ্জ চার স্ট্রোক ইঞ্জিনযুক্ত এবং প্রথম অটোমোবাইল হিসেবে গণ্য তাঁর গাড়িটি তৈরি করেন। ডিজেল ইঞ্জিন হলো 1876 সালের অটো চক্রের একটি প্রযুক্তিগত উন্নত রূপ: রুডলফ ডিজেল ১৮৯৩ সালে তাঁর সফল ইঞ্জিনটি তৈরি করেন। আজ চার স্ট্রোক ডিজাইন, অটোমোবাইল থেকে ট্রাক, ডিজেল ট্রেন থেকে হালকা বিমান ও মোটরসাইকেল পর্যন্ত বিস্তৃত পরিসরে সড়ক যানবাহনের সবচেয়ে প্রচলিত অভ্যন্তরীণ দহন ইঞ্জিন স্থাপত্য।
উপসংহার: 180 ডিগ্রির চার ভাগ
চার স্ট্রোক ইঞ্জিনের সমস্ত পদার্থবিজ্ঞান, ক্র্যাঙ্কশ্যাফটের 720 ডিগ্রি আবর্তনকে চার ভাগে বিভক্ত করে সংক্ষেপিত করা যায়: ভ্যাকুয়ামে পূর্ণ করা, বন্ধ আয়তনে সংকোচন, একবার কাজ উৎপাদনকারী দহন এবং পরিষ্কার। ভালভ টাইমিং, ইনজেকশন ও টার্বোর মতো প্রযুক্তিগুলো সবই একই লক্ষ্যে কাজ করে; এই ভাগগুলোর প্রতিটি মিলিসেকেন্ড থেকে আরও বেশি দক্ষতা বের করতে। এই মূলনীতি স্পষ্ট হলে, সংকোচন অনুপাত থেকে টার্বো ল্যাগ পর্যন্ত ইঞ্জিন প্রযুক্তির বাকি অংশ অনেক বেশি বোধগম্য হয়ে ওঠে।