स्तरीकृत चार्ज इंजन

एक स्तरीकृत चार्ज इंजन एक निश्चित प्रकार के आंतरिक [[दहन इंजन]] का वर्णन करता है, आमतौर पर स्पार्क इग्निशन (एसआई) इंजन जिसका उपयोग ट्रक, ऑटोमोबाइल, पोर्टेबल और स्थिर उपकरण में किया जा सकता है। स्तरीकृत आवेश शब्द सिलेंडर में प्रवेश करने वाले कार्यशील तरल पदार्थ और ईंधन वाष्प को संदर्भित करता है। आमतौर पर ईंधन को इंजन सिलेंडर में इंजेक्ट किया जाता है या ईंधन समृद्ध वाष्प के रूप में प्रवेश किया जाता है जहां दहन शुरू करने के लिए एक चिंगारी या अन्य साधनों का उपयोग किया जाता है जहां पूर्ण दहन को बढ़ावा देने के लिए ईंधन समृद्ध क्षेत्र हवा के साथ संपर्क करता है। एक स्तरीकृत प्रभार पारंपरिक आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में इंजन को दस्तक दिए बिना थोड़ा अधिक संपीड़न अनुपात और कम वायु-ईंधन अनुपात|वायु/ईंधन अनुपात की अनुमति दे सकता है।

परंपरागत रूप से, एक फोर स्ट्रोक इंजन | फोर-स्ट्रोक (पेट्रोल या गैसोलीन) ओटो चक्र इंजन को सेवन स्ट्रोक के दौरान दहन कक्ष में हवा और ईंधन के मिश्रण को खींचकर ईंधन दिया जाता है। यह एक सजातीय आवेश उत्पन्न करता है: हवा और ईंधन का एक सजातीय मिश्रण, जो संपीड़न स्ट्रोक के शीर्ष के पास एक पूर्व निर्धारित क्षण में एक स्पार्क प्लग द्वारा प्रज्वलित होता है।

सजातीय आवेश प्रणाली में, वायु/ईंधन अनुपात को रससमीकरणमितीय के बहुत करीब रखा जाता है, जिसका अर्थ है कि इसमें ईंधन के पूर्ण दहन के लिए आवश्यक हवा की सटीक मात्रा होती है। यह स्थिर दहन देता है, लेकिन यह इंजन की दक्षता पर एक ऊपरी सीमा रखता है: एक सजातीय चार्ज के साथ अधिक दुबला मिश्रण (कम ईंधन या अधिक हवा) चलाकर ईंधन अर्थव्यवस्था में सुधार करने का कोई भी प्रयास धीमा दहन और उच्च इंजन तापमान का परिणाम देता है; यह बिजली और उत्सर्जन पर प्रभाव डालता है, विशेष रूप से बढ़ते नाइट्रोजन ऑक्साइड या NOx|NOx.

सरल शब्दों में एक स्तरीकृत चार्ज इंजन चिंगारी के पास ईंधन का एक समृद्ध मिश्रण बनाता है और दहन कक्ष के बाकी हिस्सों में एक दुबला मिश्रण बनाता है। समृद्ध मिश्रण आसानी से प्रज्वलित होता है और बदले में पूरे कक्ष में दुबले मिश्रण को प्रज्वलित करता है; अंतत: इंजन को कम मिश्रण का उपयोग करने की अनुमति देता है जिससे पूर्ण दहन सुनिश्चित करते हुए दक्षता में सुधार होता है।

उच्च संपीड़न अनुपात
थर्मोडायनामिक दक्षता में सुधार के लिए एक उच्च यांत्रिक संपीड़न अनुपात, या मजबूर प्रेरण के साथ गतिशील संपीड़न अनुपात का उपयोग किया जा सकता है। क्योंकि दहन शुरू होने से ठीक पहले तक ईंधन को दहन कक्ष में इंजेक्ट नहीं किया जाता है, इसलिए इंजन के खटखटाने, पूर्व-प्रज्वलन या इंजन के खटखटाने का बहुत कम जोखिम होता है।

लीनर बर्न
स्तरीकृत आवेश का उपयोग करते हुए इंजन बहुत कम समग्र वायु/ईंधन अनुपात पर भी चल सकता है, जिसमें समृद्ध ईंधन मिश्रण का एक छोटा आवेश पहले प्रज्वलित होता है और एक दुबले ईंधन मिश्रण के बड़े आवेश के दहन में सुधार के लिए उपयोग किया जाता है।

नुकसान
नुकसान में शामिल हैं:
 * बढ़ी हुई इंजेक्टर लागत और जटिलता
 * उच्च ईंधन दबाव आवश्यकताओं
 * संवर्धित संx गठन, अत्यधिक दुबले क्षेत्रों की उपस्थिति के कारण। ये ज़ोन आमतौर पर गैसोलीन इंजन में मौजूद नहीं होते हैं, क्योंकि हवा और ईंधन बेहतर मिश्रित होते हैं।

दहन प्रबंधन
यदि स्पार्क प्लग में एक दुबला मिश्रण मौजूद है तो दहन समस्याग्रस्त हो सकता है। हालांकि, दहन-कक्ष में कहीं और की तुलना में सीधे पेट्रोल इंजन में ईंधन भरने से अधिक ईंधन स्पार्क-प्लग की ओर निर्देशित किया जा सकता है। इसका परिणाम एक स्तरीकृत चार्ज में होता है: एक जिसमें वायु/ईंधन अनुपात पूरे दहन-कक्ष में सजातीय नहीं होता है, लेकिन सिलेंडर के आयतन में नियंत्रित (और संभावित रूप से काफी जटिल) तरीके से भिन्न होता है।

चार्ज स्तरीकरण भी प्राप्त किया जा सकता है जहां 'सिलेंडर में' स्तरीकरण नहीं है: इनलेट मिश्रण इतना दुबला हो सकता है कि पारंपरिक स्पार्क प्लग द्वारा प्रदान की जाने वाली सीमित ऊर्जा से इसे प्रज्वलित नहीं किया जा सकता है। हालांकि, यह असाधारण दुबला मिश्रण 12-15: 1 की पारंपरिक मिश्रण शक्ति के उपयोग से प्रज्वलित किया जा सकता है, पेट्रोल ईंधन वाले इंजन के मामले में, एक छोटे से दहन कक्ष में खिलाया जा रहा है और मुख्य झुकाव से जुड़ा हुआ है- मिश्रण कक्ष। इस जलते हुए मिश्रण से निकलने वाली बड़ी लौ चार्ज को जलाने के लिए पर्याप्त है। चार्ज स्तरीकरण की इस पद्धति से यह देखा जा सकता है कि लीन चार्ज 'जला' है और स्तरीकरण के इस रूप का उपयोग करने वाला इंजन अब 'नॉक' या अनियंत्रित दहन के अधीन नहीं है। इसलिए लीन चार्ज में जलाया जा रहा ईंधन 'नॉक' या ऑक्टेन प्रतिबंधित नहीं है। इस प्रकार का स्तरीकरण इसलिए विभिन्न प्रकार के ईंधन का उपयोग कर सकता है; विशिष्ट ऊर्जा उत्पादन केवल ईंधन के कैलोरी मान पर निर्भर करता है।

मल्टी-होल इंजेक्टर का उपयोग करके अपेक्षाकृत समृद्ध वायु/ईंधन मिश्रण को स्पार्क-प्लग की ओर निर्देशित किया जाता है। इस मिश्रण को चिंगारी दी जाती है, जिससे एक मजबूत, समान और पूर्वानुमेय लौ-सामने मिलती है। यह बदले में सिलेंडर में कहीं और कमजोर मिश्रण के उच्च गुणवत्ता वाले दहन का परिणाम है।

डीजल इंजन के साथ तुलना
प्रत्यक्ष-इंजेक्शन डीजल इंजनों के साथ समकालीन सीधे ईंधन वाले [[पेट्रोल इंजन]]ों की तुलना करना उचित है। डीजल ईंधन की तुलना में पेट्रोल तेजी से जल सकता है, जिससे उच्च अधिकतम इंजन गति और इस प्रकार खेल इंजनों के लिए अधिक से अधिक शक्ति की अनुमति मिलती है। दूसरी ओर, डीजल ईंधन में उच्च ऊर्जा घनत्व होता है, और उच्च दहन दबावों के संयोजन में अधिक सामान्य सड़क वाहनों के लिए बहुत मजबूत टॉर्क और उच्च थर्मोडायनामिक दक्षता प्रदान कर सकता है।

'बर्न' दरों की यह तुलना अपेक्षाकृत सरल दृष्टिकोण है। हालांकि पेट्रोल और डीजल इंजन ऑपरेशन में समान दिखाई देते हैं, दो प्रकार पूरी तरह से अलग सिद्धांतों पर काम करते हैं। पहले के निर्मित संस्करणों में बाहरी विशेषताएँ स्पष्ट थीं। अधिकांश पेट्रोल इंजन कार्बोरेटेड थे, इंजन में ईंधन/हवा के मिश्रण को चूसते थे, जबकि डीजल केवल हवा में चूसता था और ईंधन को सीधे सिलेंडर में उच्च दबाव में इंजेक्ट किया जाता था। पारंपरिक चार-स्ट्रोक पेट्रोल इंजन में स्पार्क प्लग शीर्ष मृत केंद्र से पहले चालीस डिग्री तक सिलेंडर में मिश्रण को प्रज्वलित करना शुरू कर देता है, जबकि पिस्टन अभी भी बोर की यात्रा कर रहा है। पिस्टन के इस आंदोलन के भीतर बोर के ऊपर, मिश्रण का नियंत्रित दहन होता है और अधिकतम दबाव शीर्ष मृत केंद्र के ठीक बाद होता है, साथ ही दबाव कम हो जाता है क्योंकि पिस्टन बोर से नीचे जाता है। यानी सिलेंडर दबाव-समय पीढ़ी के संबंध में सिलेंडर वॉल्यूम दहन चक्र पर अनिवार्य रूप से स्थिर रहता है। दूसरी ओर डीजल इंजन का संचालन केवल पिस्टन के शीर्ष मृत केंद्र की ओर बढ़ने से ही हवा को अंदर लेता है और संपीड़ित करता है। इस बिंदु पर अधिकतम सिलेंडर दबाव पहुंच गया है। ईंधन को अब सिलेंडर में इंजेक्ट किया जाता है और अब संपीड़ित हवा के उच्च तापमान से ईंधन 'जला' या विस्तार इस बिंदु पर शुरू होता है। जैसे ही ईंधन जलता है, यह पिस्टन पर अत्यधिक दबाव डालता है, जो बदले में क्रैंकशाफ्ट पर टॉर्क विकसित करता है। यह देखा जा सकता है कि डीजल इंजन लगातार दबाव में चल रहा है। जैसे-जैसे गैस फैलती है, पिस्टन भी सिलेंडर के नीचे जा रहा है। इस प्रक्रिया से पिस्टन और बाद में क्रैंक एक अधिक टोक़ का अनुभव करता है, जो इसके पेट्रोल समकक्ष की तुलना में लंबे समय के अंतराल पर भी लगाया जाता है।

इतिहास
दहन कक्ष में सीधे ईंधन को इंजेक्ट करने का सिद्धांत जिस समय दहन शुरू करने की आवश्यकता होती है, पहली बार 1887 में जॉर्ज ब्रेटन द्वारा आविष्कार किया गया था, लेकिन इसका उपयोग लंबे समय से पेट्रोल इंजनों में अच्छे प्रभाव के लिए किया जाता रहा है। ब्रेटन ने अपने आविष्कार का वर्णन इस प्रकार किया है: मैंने पाया है कि भारी तेल को यंत्रवत् रूप से सिलेंडर के फायरिंग हिस्से के भीतर या एक संचार फायरिंग कक्ष में बारीक-विभाजित स्थिति में परिवर्तित किया जा सकता है। एक और भाग पढ़ता है कि मेरे पास पहली बार है, जहां तक ​​​​मेरी जानकारी फैली हुई है, दहन कक्ष या सिलेंडर में तरल ईंधन के सीधे निर्वहन को तत्काल दहन के लिए अत्यधिक अनुकूल स्थिति में तरल ईंधन के प्रत्यक्ष निर्वहन को नियंत्रित करके विनियमित गति। इंजन की गति/आउटपुट को नियंत्रित करने के लिए लीन बर्न सिस्टम का उपयोग करने वाला यह पहला इंजन था। इस तरह इंजन हर पावर स्ट्रोक पर फायर करता है और गति/आउटपुट को केवल इंजेक्ट किए गए ईंधन की मात्रा द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

रिकार्डो
हैरी रिकार्डो ने पहली बार 1900 की शुरुआत में एक लीन बर्न स्तरीकृत चार्ज इंजन के विचार के साथ काम करना शुरू किया। 1920 के दशक में उन्होंने अपने पहले के डिजाइनों में सुधार किया।

हेसलमैन
गैसोलीन प्रत्यक्ष इंजेक्शन का एक प्रारंभिक उदाहरण 1925 में स्वीडिश इंजीनियर जोनास हेसलमैन द्वारा आविष्कार किया गया हेसलमैन इंजन था। हेसलमैन इंजन ने अल्ट्रा लीन बर्न सिद्धांत का इस्तेमाल किया और संपीड़न स्ट्रोक के अंत में ईंधन को इंजेक्ट किया और फिर इसे स्पार्क प्लग से प्रज्वलित किया, यह था अक्सर गैसोलीन पर शुरू होता है और फिर डीजल या मिट्टी के तेल पर चलने के लिए बदल जाता है। टेक्साको नियंत्रित दहन प्रणाली (टीसीसीएस) 1950 के दशक में विकसित एक बहुईंधन प्रणाली थी जो हेसलमैन डिजाइन के समान थी। यूपीएस डिलीवरी वैन में टीसीसीएस का परीक्षण किया गया और लगभग 35% की अर्थव्यवस्था में समग्र वृद्धि पाई गई।

होंडा
होंडा का सीवीसीसी इंजन, 1970 के दशक के शुरुआती दशक में होंडा सिविक, फिर होंडा एकॉर्ड और बाद के दशक में होंडा सिटी के मॉडल में जारी किया गया, यह स्तरीकृत चार्ज इंजन का एक रूप है जिसे काफी समय के लिए व्यापक बाजार स्वीकृति मिली थी। सीवीसीसी प्रणाली में पारंपरिक इनलेट और निकास वाल्व और एक तीसरा, पूरक, इनलेट वाल्व था जो स्पार्क प्लग के आसपास के क्षेत्र को चार्ज करता था। स्पार्क प्लग और सीवीसीसी इनलेट को छिद्रित धातु प्लेट द्वारा मुख्य सिलेंडर से अलग किया गया था। प्रज्वलन के समय लौ मोर्चों की एक श्रृंखला छिद्रों के माध्यम से बहुत दुबले मुख्य आवेश में चली जाती है, जिससे पूर्ण प्रज्वलन सुनिश्चित होता है। होंडा सिटी टर्बो में इस तरह के इंजनों ने 7,000 क्रांति प्रति मिनट और उससे अधिक की इंजन गति पर उच्च शक्ति-से-भार अनुपात का उत्पादन किया।

जगुआर
1980 के दशक में जगुआर एक्सजे ने जगुआर V12 इंजन, एच.ई. (तथाकथित उच्च दक्षता) संस्करण, जो जगुआर XJ12 और जगुआर XJS मॉडल में फिट होते हैं और इंजन की बहुत भारी ईंधन खपत को कम करने के लिए 'मे फायरबॉल' नामक एक स्तरीकृत चार्ज डिज़ाइन का उपयोग करते हैं।

वेस्पा
वेस्पा ET2 स्कूटर में 50 सीसी दो स्ट्रोक इंजन था जिसमें हवा को ट्रांसफर पोर्ट के माध्यम से प्रवेश किया गया था और इग्निशन से ठीक पहले स्पार्क प्लग के पास एक समृद्ध ईंधन मिश्रण को सिलेंडर में इंजेक्ट किया गया था। इंजेक्शन प्रणाली विशुद्ध रूप से यांत्रिक थी, एक समयबद्ध पम्पिंग सिलेंडर और एक नॉन-रिटर्न वाल्व का उपयोग करते हुए।

 अपने नीचे की ओर स्ट्रोक पर यह समृद्ध मिश्रण को लगभग 70 साई तक संकुचित करता है, जिस समय बढ़ते दबाव से स्प्रिंग लोडेड पॉपपेट वाल्व अपनी सीट से ऊपर उठ जाता है और चार्ज सिलेंडर में फैल जाता है। वहाँ यह स्पार्क प्लग क्षेत्र के उद्देश्य से है और प्रज्वलित है। दहन दबाव तुरंत स्प्रिंग-लोडेड पॉपपेट वाल्व को बंद कर देता है और उसके बाद से (एसआईसी) सिलेंडर में उन दुबले मिश्रण क्षेत्रों को प्रज्वलित करने वाली लौ के साथ एक नियमित स्तरीकृत-चार्ज इग्निशन प्रक्रिया है। 

वोक्सवैगन
वोक्सवैगन वर्तमान में टर्बोचार्जिंग के संयोजन में अपने प्रत्यक्ष इंजेक्शन 1.0, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8 और 2.0 लीटर TFSI (टर्बो ईंधन स्तरीकृत इंजेक्शन) गैसोलीन इंजन पर स्तरीकृत चार्ज का उपयोग करता है।

मेरसेदेज़ बेंज
मर्सिडीज बेंज अपने ब्लू डायरेक्ट सिस्टम के साथ स्तरीकृत चार्ज इंजन लगा रहा है।

 स्तरीकृत-चार्ज एप्लिकेशन के साथ, 3.0L V-6 प्रत्यक्ष ईंधन इंजेक्शन को नियोजित करना जारी रखेगा, लेकिन इंजेक्टरों को बाद में सेवन स्ट्रोक में उच्च दबाव में संपीड़न से ठीक पहले स्प्रे करने के लिए फिर से डिजाइन किया गया है, और ईंधन को अंदर आने के लिए आकार दिया गया है। दहन को अनुकूलित करने के लिए सिलेंडर के भीतर कुछ क्षेत्र। यह रणनीति कक्ष के भीतर एक वायु-ईंधन मिश्रण बनाती है जो परंपरागत सजातीय-प्रभारी प्रणाली की तुलना में बहुत कम है जो कक्ष को दहन से पहले समान रूप से भरती है। 

अनुसंधान
एसएई इंटरनेशनल ने स्तरीकृत चार्ज इंजनों के साथ प्रायोगिक कार्य पर शोधपत्र प्रकाशित किए हैं।

टीएफएसआई इंजन
टर्बो फ्यूल स्तरीकृत इंजेक्शन (TFSI) एक प्रकार के फ़ोर्स्ड-एस्पिरेशन (टर्बोचार्जर) इंजन के लिए वोक्सवैगन समूह का एक ट्रेडमार्क है, जहां स्तरीकृत चार्ज बनाने के लिए ईंधन को दहन कक्ष में सीधे इस तरह इंजेक्ट किया जाता है। FSI गैसोलीन प्रत्यक्ष इंजेक्शन  तकनीक  चिंगारी प्रज्वलन  इंजनों के टॉर्क और पावर को बढ़ाती है, उन्हें 15 प्रतिशत तक अधिक किफायती बनाती है और निकास उत्सर्जन को कम करती है।

लाभ
TFSI इंजन के कुछ फायदे:
 * 1) दहन कक्ष के अंदर बेहतर ईंधन वितरण और बेहतर ईंधन चार्ज
 * 2) इंजेक्शन प्रक्रिया के दौरान ईंधन वाष्पित हो जाता है, जिससे सिलेंडर कक्ष ठंडा हो जाता है
 * 3) दाबित ईंधन का शीतलन प्रभाव कम ऑक्टेन ईंधन के उपयोग की अनुमति देता है जिससे अंतिम उपयोगकर्ता के लिए लागत बचत होती है
 * 4) उच्च संपीड़न अनुपात, जो अधिक शक्ति में परिवर्तित होता है
 * 5) ईंधन दहन दक्षता में वृद्धि
 * 6) वाहन के पिक-अप के दौरान उच्च शक्ति

नुकसान

 * 1) उत्सर्जित निकास कणों की संख्या में भारी वृद्धि।
 * 2) इनटेक वाल्व के पीछे कार्बन जमा हो जाता है। चूंकि ईंधन को सीधे दहन कक्ष के अंदर इंजेक्ट किया जाता है, इसे वाल्व के पीछे किसी भी दूषित पदार्थ को धोने का मौका नहीं मिलता है। इसके परिणामस्वरूप समय के साथ अत्यधिक कार्बन का निर्माण होता है, जिससे प्रदर्शन में बाधा आती है। कुछ इंजन (जैसे टोयोटा डायनेमिक फोर्स इंजन | टोयोटा के डायनेमिक फोर्स इंजन) इस समस्या को दूर करने के लिए पारंपरिक मल्टी पोर्ट फ्यूल इंजेक्शन के साथ डायरेक्ट इंजेक्शन को जोड़ते हैं।
 * 3) अधिक महंगा - ईंधन को सीधे सिलेंडर में इंजेक्ट करने के लिए बहुत अधिक दबाव वाले ईंधन पंपों की आवश्यकता होती है। इसके लिए 200 बार तक के ईंधन दबाव की आवश्यकता होती है, जो पारंपरिक मल्टीपोर्ट इंजेक्शन सेटअप से बहुत अधिक है (गैसोलीन प्रत्यक्ष इंजेक्शन देखें)

यह भी देखें

 * लीन बर्न