एक सेकंड में चार-स्ट्रोक इंजन के अंदर क्या-क्या होता है?
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चार-स्ट्रोक इंजन में एक सेकंड, जिसमें पिस्टन ऊपरी और निचली डेड सेंटर के बीच दर्जनों पूरे आगे-पीछे की चालें करता है, वाल्व एकदम सही टाइमिंग के साथ खुलते और बंद होते हैं, और क्रैंक के दोनों चक्करों में केवल एक बार दहन से कार्य उत्पन्न होता है - यह एक घनी यांत्रिक शृंखला है। इनटेक, कंप्रेशन, पावर और एग्जॉस्ट: इन चारों स्ट्रोक में से प्रत्येक क्रैंकशाफ्ट के ठीक 180 डिग्री के अनुरूप होता है, और जितनी अधिक आरपीएम पर इंजन चलता है, एक स्ट्रोक उतने ही छोटे सेकंड के भिन्न में सिमट जाता है।
मुख्य बातें
- एक पूर्ण चक्र 720°, यानी क्रैंकशाफ्ट के दो चक्कर लेता है; प्रत्येक स्ट्रोक 180° लेता है।
- शक्ति केवल चार स्ट्रोक में से एक में उत्पन्न होती है: हर 2 चक्कर पर एक पावर स्ट्रोक होता है।
- स्पार्क प्लग आमतौर पर ऊपरी डेड सेंटर से लगभग 20° क्रैंक कोण पहले चिंगारी शुरू करता है।
- आंतरिक दहन इंजन आपूर्ति की गई ऊर्जा का औसतन केवल 40-45% यांत्रिक कार्य में बदलता है।
- औद्योगिक इंजनों में औसत पिस्टन गति लगभग 10 m/s तक सीमित होती है।
चार-स्ट्रोक इंजन कैसे काम करता है: सिलेंडर के अंदर चार चरण
सब कुछ "स्ट्रोक" की परिभाषा से शुरू होता है: स्ट्रोक, पिस्टन की सिलेंडर के साथ किसी भी दिशा में एक पूरी चाल है। जब पिस्टन सबसे ऊपरी स्थिति में होता है तो वह ऊपरी डेड सेंटर (TDC) पर, और सबसे निचली स्थिति में होने पर निचली डेड सेंटर (BDC) पर होता है। चार-स्ट्रोक चक्र इन दोनों बिंदुओं के बीच चार स्ट्रोक और क्रैंकशाफ्ट के दो पूरे चक्करों तक फैला होता है। पिस्टन की रैखिक गति कनेक्टिंग रॉड के माध्यम से क्रैंकशाफ्ट को घुमाती है; चारों स्ट्रोक के लिए क्रैंकशाफ्ट 720 डिग्री घूमता है।
इस चक्र में वाल्वों की भूमिका महत्वपूर्ण है। इनटेक और एग्जॉस्ट वाल्व क्रैंकशाफ्ट की आधी गति से घूमने वाले एक कैमशाफ्ट द्वारा नियंत्रित होते हैं। यह आधी गति का अनुपात संयोग नहीं, बल्कि आवश्यकता है: चूंकि वाल्व घटनाओं को क्रैंक कोण से जोड़ा जाना आवश्यक है, कैमशाफ्ट प्रत्येक चक्र को क्रैंकशाफ्ट के आधे चक्कर से अनुसरण करता है।
1. इनटेक: आंशिक वैक्यूम से हवा खींचना
जब पिस्टन ऊपरी डेड सेंटर से नीचे जाना शुरू करता है, तो इनटेक वाल्व खुला होता है। पिस्टन का नीचे जाना सिलेंडर की मात्रा को बढ़ाता है और अंदर आंशिक वैक्यूम यानी नकारात्मक दबाव बनाता है। यह दबाव अंतर हवा-ईंधन मिश्रण को सिलेंडर में खींचता है। इनटेक स्ट्रोक पिस्टन की TDC से BDC तक पूरी चाल है और यह चक्र के पहले 180 डिग्री को कवर करता है।
2. कंप्रेशन: ऊर्जा को केंद्रित करना
निचली डेड सेंटर पर इनटेक वाल्व बंद हो जाता है और कंप्रेशन शुरू होती है। अब दोनों वाल्व बंद हैं; पिस्टन ऊपर उठकर हवा-ईंधन मिश्रण को दहन कक्ष की संकीर्ण मात्रा में संपीड़ित करता है। कंप्रेशन के दो कार्य हैं: ईंधन के वाष्प को और अधिक वाष्पित होने देना और प्रज्वलन पर अधिक ऊर्जा मुक्त करना। संपीड़न में खर्च की गई ऊर्जा दहन में उत्पन्न ऊर्जा का केवल लगभग एक चौथाई होती है; यानी निवेश लाभदायक है।
कंप्रेशन रेशियो को मापना इंजन के चरित्र को समझने के सबसे तेज़ तरीकों में से एक है। पेट्रोल इंजनों में सामान्य सीमा 6:1 से 10:1 के बीच होती है; अनुपात बढ़ने पर दक्षता बढ़ती है लेकिन पेट्रोल के स्वतः प्रज्वलन, यानी नॉकिंग का जोखिम भी बढ़ जाता है। इसीलिए पेट्रोल की ऑक्टेन रेटिंग, स्वतः प्रज्वलन के प्रतिरोध का माप है: उच्च ऑक्टेन, उच्च कंप्रेशन रेशियो की अनुमति देता है।
3. शक्ति स्ट्रोक: चक्र का एकमात्र कार्य उत्पन्न करने वाला समय
संपीडन स्ट्रोक के अंत में, उच्चतम मृत बिंदु से लगभग 20° क्रैंक कोण पहले स्पार्क प्लग चिंगारी उत्पन्न करता है। ठीक चरम पर क्यों नहीं? क्योंकि ज्वाला की सीमा को दहन कक्ष में आगे बढ़ने के लिए समय चाहिए; चिंगारी पहले से चमकने के दौरान दबाव की चरम सीमा ठीक पिस्टन ऊपर होने पर ऐसे बनती है कि धक्का मिल सके। जलता मिश्रण पिस्टन को BDC की ओर धकेलकर क्रैंकशाफ्ट घुमाने वाला यांत्रिक कार्य उत्पन्न करता है। पूरे चक्र के दौरान केवल यही समय कार्य उत्पन्न करता है; सिलेंडरों की संख्या जो भी हो, प्रत्येक चार-स्ट्रोक इंजन को 720 डिग्री में एक शक्ति स्ट्रोक मिलता है। बहु-सिलेंडर इंजनों के सुचारु संचालन का रहस्य इन शक्ति स्ट्रोक का क्रैंकशाफ्ट पर समन्वय है।
4. एक्ज़ॉस्ट: दहन कक्ष को खाली करना
जब पिस्टन निचले मृत बिंदु तक पहुंचता है, एक्ज़ॉस्ट वाल्व खुल जाता है और चक्र के अंतिम 180 डिग्री में पिस्टन ऊपर उठकर अपशिष्ट गैसों को एक्ज़ॉस्ट पोर्ट से बाहर निकाल देता है। उच्चतम मृत बिंदु पर पहुंचने पर सिलेंडर साफ हो जाता है, इनटेक वाल्व दोबारा खुलने के लिए तैयार रहता है और चक्र फिर से शुरू होता है। सिलेंडर की प्रत्येक भराई का अर्थ है दो-चक्कर वाले चक्र का दोबारा स्थापित होना।
आरपीएम बढ़ने पर एक स्ट्रोक कितना समय लेता है?
इस प्रश्न का उत्तर शुद्ध गणित से निकाला जाता है। चूंकि एक संचालन चक्र दो क्रैंक चक्करों तक चलता है, इंजन का आरपीएम एक स्ट्रोक की अवधि को सीधे निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए 1.000 rpm पर इंजन प्रति सेकंड लगभग 16,7 चक्कर करता है; एक पूरा चक्र लगभग 60 मिलीसेकंड अर्थात एक स्ट्रोक 15 मिलीसेकंड चलता है। 6.000 rpm पर प्रति सेकंड 100 चक्कर होते हैं और शक्ति स्ट्रोक सहित प्रत्येक स्ट्रोक लगभग 2,5 मिलीसेकंड तक गिर जाता है। दहन, वाल्व गति और गैस प्रवाह - सभी को इन पैमानों पर समन्वित होना आवश्यक है।
आरपीएम की सीमा भी भौतिकी निर्धारित करती है। औसत पिस्टन गति, स्ट्रोक और आरपीएम का फलन होती है; औद्योगिक इंजनों में यह गति, सिलेंडर दीवार के स्नेहन के बिगड़ने से बचने के लिए लगभग 10 m/s तक सीमित रहती है। उच्च आरपीएम पर दो सामान्य समस्याएं उत्पन्न होती हैं: यदि वाल्व स्प्रिंग न पहुंच पाएं तो "वाल्व फ्लोट" हो जाता है और पिस्टन-वाल्व संपर्क इंजन को गंभीर रूप से क्षतिग्रस्त कर सकता है। इसके अलावा, पिस्टन रिंग की थरथराहट सिलेंडर के दबाव और शक्ति में कमी ला सकती है। संक्षेप में, एक स्ट्रोक सेकंड के भीतर कितने छोटे भिन्न में समा सकता है, इसकी सीमा सामग्री की मजबूती और स्नेहन द्वारा निर्धारित होती है।
पेट्रोल या डीजल: वही चक्र, अलग प्रज्वलन
चार-स्ट्रोक चक्र के चरण दोनों इंजनों में समान हैं; अंतर शक्ति स्ट्रोक को प्रारंभ करने वाली प्रज्वलन विधि में है। पेट्रोल इंजन चिंगारी प्रज्वलन वाला होता है: स्पार्क प्लग संपीडित मिश्रण को जलाता है। डीजल संपीडन प्रज्वलन वाला होता है; संपीडन से उत्पन्न उच्च ऊष्मा, इंजन के भीतर के दबावों में प्रज्वलित हो सकने वाला डीजल ईंधन स्वयं को प्रज्वलित कर लेता है और स्पार्क प्लग की आवश्यकता नहीं होती। डीजल की प्रज्वलन प्रवृत्ति सेटेन (cetane) रेटिंग से परिभाषित होती है; यह पेट्रोल की ऑक्टेन रेटिंग के बिल्कुल विपरीत तर्क पर काम करती है। डीजल की कम वाष्पशीलता के कारण ठंडे में स्टार्ट करने की सबसे आम विधि ग्लो प्लग का उपयोग है।
| विशेषता | पेट्रोल इंजन | डीजल इंजन |
|---|---|---|
| प्रज्वलन | चिंगारी प्रज्वलन (स्पार्क प्लग) | संपीडन प्रज्वलन (संपीडन ऊष्मा) |
| चक्र | ऑटो चक्र | डीजल चक्र |
| ईंधन प्रतिरोध माप | ऑक्टेन रेटिंग | सेटेन रेटिंग |
| संपीड़न अनुपात | आमतौर पर 6:1 - 10:1 | संपीड़न ऊष्मा प्रज्वलन के लिए उपयुक्त, उच्च |
| आरपीएम विशेषता | अधिक आरपीएम पर चलता है | कम आरपीएम पर चलता है; ईंधन अधिक धीरे जलता है |
डीजल ईंधन का पेट्रोल से अधिक धीरे जलना, डीजल इंजनों के कम आरपीएम पर चलने का कारण समझाता है; कम आरपीएम इंजन के घिसाव को कम करता है। इसीलिए दोनों इंजनों की विशेषता का अंतर चक्र से नहीं, बल्कि ईंधन की दहन गति से उत्पन्न होता है।
आधुनिक तकनीकें इन 720 डिग्री को कैसे बेहतर बना रही हैं?
मूल चक्र 1876 से अपरिवर्तित है; बदलाव यह है कि 180 डिग्री के प्रत्येक खंड का कितना कुशल उपयोग किया जाता है। तीन आधुनिक योगदान सामने आते हैं।
परिवर्तनीय वाल्व टाइमिंग (VVT)
निश्चित कैमशाफ्ट वाल्व घटनाओं को केवल एक ही आरपीएम रेंज के लिए अनुकूलित करता है। वहीं परिवर्तनीय वाल्व टाइमिंग, वाल्व लिफ्ट घटना के समय को इंजन की गति के अनुसार वास्तविक समय में समायोजित करके इष्टतम शक्ति वितरण और अधिक सहज त्वरण प्रदान करता है। वायु-ईंधन मिश्रण का बेहतर प्रबंधन दहन दक्षता में सुधार करता है; आंशिक लोड परिस्थितियों में 5% तक ईंधन अर्थव्यवस्था में सुधार मापा गया है।
प्रत्यक्ष इंजेक्शन (GDI)
आजकल कई चार-स्ट्रोक पेट्रोल इंजनों में उपयोग किए जाने वाले प्रत्यक्ष इंजेक्शन में इंजेक्टर नोजल दहन कक्ष तक पहुंचता है और पेट्रोल को बहुत अधिक दबाव के साथ, पिस्टन के ऊपरी स्थिति में संपीड़न स्ट्रोक के दौरान सिलेंडर में छिड़का जाता है। अर्थात ईंधन अब इनटेक स्ट्रोक में नहीं, बल्कि चक्र के सबसे महत्वपूर्ण खंड में, मिलीमीटर स्तर की सटीकता के साथ पहुंचाया जाता है।
टर्बोचार्जर: एग्जॉस्ट स्ट्रोक से शक्ति चुराना
टर्बोचार्जर एग्जॉस्ट आउटलेट पर स्थित उच्च गति वाला दो-भाग का टर्बाइन समूह है: एक तरफ एग्जॉस्ट प्रवाह से पोषित होता है, दूसरी तरफ इनटेक हवा को संपीड़ित करता है। एग्जॉस्ट स्ट्रोक अधिकांशतः बेकार जाने वाली ऊर्जा ले जाता है; टर्बो इस दबाव से काम करने के कारण अधिक कुशल चलता है और सिलेंडर में अधिक हवा जबरन भेजकर प्रत्येक पावर स्ट्रोक से अधिक शक्ति प्राप्त करने की सुविधा देता है। एक अध्ययन में, परिवर्तनीय टर्बोचार्जर वाले इंजन की आउटपुट शक्ति 165% तक सुधारी गई। डिज़ाइन की ज्ञात सीमा टर्बो लैग है: शक्ति तुरंत नहीं आती, आरपीएम और दबाव वृद्धि आवश्यक है; आइडल और निम्न-मध्यम गति पर इंजन लगभग नैचुरली एस्पिरेटेड जैसा चलता है।
दक्षता की सीमा और एक संक्षिप्त इतिहास
एक आंतरिक दहन इंजन, प्रदान की गई ऊर्जा का औसतन केवल 40-45% को यांत्रिक कार्य में बदल सकता है; सबसे कुशल ऑटो चक्र इंजन लगभग 30% थर्मल दक्षता पर चलते हैं और शेष ऊष्मा घर्षण तथा सहायक उपकरणों में खो जाती है। इसके अलावा, इंजन को कैटेलिटिक कन्वर्टर जैसे उत्सर्जन नियंत्रणों के लिए जानबूझकर थोड़ा कम कुशल बनाया जा सकता है। एटकिंसन चक्र दक्षता को पावर डेंसिटी की कीमत पर प्रदान करता है और आधुनिक हाइब्रिड अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है; कई आधुनिक इंजन छोटे संपीड़न और लंबे पावर स्ट्रोक का प्रभाव उत्पन्न करने के लिए गैर-पारंपरिक वाल्व टाइमिंग के साथ यह अर्थव्यवस्था प्राप्त करते हैं।
इतिहास भी शिक्षाप्रद है: ओटो ने 1861 में Lenoir इंजन का परीक्षण करते समय संपीड़न का दक्षता पर प्रभाव देखा; 1876 में ओटो और Langen ने ईंधन मिश्रण को दहन से पहले संपीड़ित करने वाला पहला सफल आंतरिक दहन इंजन बनाया। 1883 में Daimler और Maybach ने पहला उच्च गति वाला ओटो इंजन बनाया, 1885 में Daimler Reitwagen के साथ दुनिया का पहला आंतरिक दहन इंजन वाला वाहन बनाया; 1886 में Karl Benz ने चार-स्ट्रोक इंजन वाला और पहली ऑटोमोबाइल माना जाने वाला अपना वाहन विकसित किया। डीजल इंजन, 1876 के ओटो चक्र का एक तकनीकी परिष्करण है: Rudolf Diesel ने अपना सफल इंजन 1893 में बनाया। आज चार-स्ट्रोक डिज़ाइन, कारों से लेकर ट्रकों, डीजल ट्रेनों से हल्के विमानों और मोटरसाइकिलों तक फैले स्पेक्ट्रम में सड़क वाहनों का सबसे व्यापक आंतरिक दहन इंजन आर्किटेक्चर है।
निष्कर्ष: 180 डिग्री के चार भाग
चार-स्ट्रोक इंजन का सारा भौतिकी 720 डिग्री के क्रैंकशाफ्ट चक्र में विभाजित चार भागों तक सीमित किया जा सकता है: वैक्यूम से भराव, बंद आयतन में संपीड़न, एक बार कार्य उत्पन्न करने वाला दहन और सफाई। वाल्व टाइमिंग, इंजेक्शन और टर्बो जैसी तकनीकें सभी एक ही लक्ष्य की सेवा करती हैं; इन भागों के प्रत्येक मिलीसेकंड से अधिक दक्षता निकालने की। जब यह आधार स्पष्ट हो जाता है, तब संपीड़न अनुपात से लेकर टर्बो लैग तक इंजन तकनीक का बाकी हिस्सा बहुत अधिक समझने योग्य हो जाता है।