ओटो चक्र: Difference between revisions
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[[File:OttoCycleTSDiagram.svg|thumb|right|300px|तापमान-एन्ट्रॉपी आरेख<br /> | [[File:OttoCycleTSDiagram.svg|thumb|right|300px|तापमान-एन्ट्रॉपी आरेख<br /> | ||
फोर-स्ट्रोक ओटो साइकिल प्रेशर वॉल्यूम आरेख के आदर्श आरेख: सेवन (ए और रंगीन हरा) स्ट्रोक [[आइसोबैरिक प्रक्रिया]] विस्तार द्वारा किया जाता है, इसके पश्चात [[एडियाबेटिक प्रक्रिया]] संपीड़न (बी और रंगीन नारंगी) स्ट्रोक होता है। ईंधन के दहन के माध्यम से, स्थिर आयतन ([[आइसोकोरिक प्रक्रिया]]) प्रक्रिया में गर्मी जोड़ी जाती है, जिसके पश्चात एडियाबेटिक विस्तार प्रक्रिया शक्ति (अक्षर सी और रंगीन लाल) स्ट्रोक होता है। चक्र निकास (अक्षर डी और रंगीन नीला) स्ट्रोक द्वारा बंद किया जाता है, जो आइसोकोरिक कूलिंग और आइसोबैरिक संपीड़न प्रक्रियाओं द्वारा विशेषता है।]]ओटो चक्र आदर्श [[थर्मोडायनामिक चक्र]] है जो विशिष्ट [[स्पार्क इग्निशन इंजन]] [[पिस्टन इंजन]] के कामकाज का वर्णन करता है। यह ऑटोमोबाइल इंजनों में सबसे अधिक पाया जाने वाला थर्मोडायनामिक चक्र है।<ref>Wu, Chih.'' [https://books.google.com.ph/books/about/Thermodynamic_Cycles.html?id=2kr26tu9MaMC&redir_esc=y Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization]''. New York: M. Dekker, 2004. page 99</ref> | फोर-स्ट्रोक ओटो साइकिल प्रेशर वॉल्यूम आरेख के आदर्श आरेख: सेवन (ए और रंगीन हरा) स्ट्रोक [[आइसोबैरिक प्रक्रिया]] विस्तार द्वारा किया जाता है, इसके पश्चात [[एडियाबेटिक प्रक्रिया]] संपीड़न (बी और रंगीन नारंगी) स्ट्रोक होता है। ईंधन के दहन के माध्यम से, स्थिर आयतन ([[आइसोकोरिक प्रक्रिया]]) प्रक्रिया में गर्मी जोड़ी जाती है, जिसके पश्चात एडियाबेटिक विस्तार प्रक्रिया शक्ति (अक्षर सी और रंगीन लाल) स्ट्रोक होता है। चक्र निकास (अक्षर डी और रंगीन नीला) स्ट्रोक द्वारा बंद किया जाता है, जो आइसोकोरिक कूलिंग और आइसोबैरिक संपीड़न प्रक्रियाओं द्वारा विशेषता है।]]ओटो चक्र आदर्श [[थर्मोडायनामिक चक्र]] है जो विशिष्ट [[स्पार्क इग्निशन इंजन]] [[पिस्टन इंजन]] के कामकाज का वर्णन करता है। यह ऑटोमोबाइल इंजनों में सबसे अधिक पाया जाने वाला थर्मोडायनामिक चक्र है।<ref>Wu, Chih.'' [https://books.google.com.ph/books/about/Thermodynamic_Cycles.html?id=2kr26tu9MaMC&redir_esc=y Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization]''. New York: M. Dekker, 2004. page 99</ref> | ||
ओटो चक्र वर्णन है कि गैस के साथ क्या होता है क्योंकि यह दबाव, तापमान, मात्रा, गर्मी के अतिरिक्त और गर्मी को | ओटो चक्र वर्णन है कि गैस के साथ क्या होता है क्योंकि यह दबाव, तापमान, मात्रा, गर्मी के अतिरिक्त और गर्मी को पृथक करने के परिवर्तन के अधीन होता है। उन परिवर्तनों के अधीन आने वाली गैस को प्रणाली कहा जाता है। प्रणाली, इस स्थिति में, सिलेंडर के भीतर द्रव (गैस) के रूप में परिभाषित किया गया है। प्रणाली के भीतर होने वाले परिवर्तनों का वर्णन करके, यह उलटा भी पर्यावरण पर प्रणाली के प्रभाव का वर्णन करेगा। ओटो चक्र के स्थिति में, प्रभाव यह होगा कि प्रणाली से पर्याप्त शुद्ध कार्य का उत्पादन किया जाए जिससे कि पर्यावरण में ऑटोमोबाइल और उसके रहने वालों को प्रेरित किया जा सके। | ||
ओटो चक्र का निर्माण होता है: | ओटो चक्र का निर्माण होता है: | ||
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:पाश के बाएँ और दाएँ पक्ष: समानांतर आइसोकोरिक प्रक्रियाओं (स्थिर आयतन) की जोड़ी। | :पाश के बाएँ और दाएँ पक्ष: समानांतर आइसोकोरिक प्रक्रियाओं (स्थिर आयतन) की जोड़ी। | ||
संपीड़न या विस्तार की आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया का अर्थ है कि कोई अक्षमता (यांत्रिक ऊर्जा की हानि) नहीं होगी, और उस प्रक्रिया के समय | संपीड़न या विस्तार की आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया का अर्थ है कि कोई अक्षमता (यांत्रिक ऊर्जा की हानि) नहीं होगी, और उस प्रक्रिया के समय प्रणाली में या बाहर गर्मी का कोई हस्तांतरण नहीं होगा। उस समय के समय सिलेंडर और पिस्टन को गर्मी के लिए अभेद्य माना जाता है। निचली आइसेंट्रोपिक संपीड़न प्रक्रिया के समय प्रणाली पर कार्य किया जाता है। बायीं दबाव प्रक्रिया के माध्यम से ओटो चक्र में गर्मी प्रवाहित होती है और इसमें से कुछ दाएं अवसादन प्रक्रिया के माध्यम से वापस बहती है। प्रणाली में जोड़े गए कार्य का योग प्लस जोड़ा गया ताप माइनस निकाला गया ताप प्रणाली द्वारा उत्पन्न शुद्ध यांत्रिक कार्य उत्पन्न करता है। | ||
== प्रक्रियाएं == | == प्रक्रियाएं == | ||
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===प्रक्रिया 3–4 विस्तार स्ट्रोक (आरेखों पर डी)=== | ===प्रक्रिया 3–4 विस्तार स्ट्रोक (आरेखों पर डी)=== | ||
बढ़ा हुआ उच्च दबाव पिस्टन पर बल लगाता है और इसे BDC की ओर धकेलता है। कार्यशील तरल पदार्थ का विस्तार आइसेंट्रोपिक रूप से होता है और पिस्टन पर | बढ़ा हुआ उच्च दबाव पिस्टन पर बल लगाता है और इसे BDC की ओर धकेलता है। कार्यशील तरल पदार्थ का विस्तार आइसेंट्रोपिक रूप से होता है और पिस्टन पर प्रणाली द्वारा कार्य किया जाता है। मात्रा अनुपात <math>V_4/V_3</math> isentropic विस्तार अनुपात कहा जाता है। (ओटो चक्र के लिए संपीड़न अनुपात के समान है <math>V_1/V_2</math>). यंत्रवत् यह सिलेंडर में गर्म गैसीय मिश्रण का विस्तार है जिसे विस्तार (शक्ति) स्ट्रोक के रूप में जाना जाता है। | ||
=== प्रक्रिया 4-1 आदर्श ताप अस्वीकृति (आरेखों पर ए) === | === प्रक्रिया 4-1 आदर्श ताप अस्वीकृति (आरेखों पर ए) === | ||
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== चक्र विश्लेषण == | == चक्र विश्लेषण == | ||
1-2 की प्रक्रिया में पिस्टन गैस पर काम करता है और 3-4 की प्रक्रिया में गैस पिस्टन पर काम करती है, क्रमशः उन आइसेंट्रोपिक संपीड़न और विस्तार प्रक्रियाओं के समय। प्रक्रियाएं 2-3 और 4-1 आइसोकोरिक प्रक्रियाएं हैं; गर्मी को 2-3 से | 1-2 की प्रक्रिया में पिस्टन गैस पर काम करता है और 3-4 की प्रक्रिया में गैस पिस्टन पर काम करती है, क्रमशः उन आइसेंट्रोपिक संपीड़न और विस्तार प्रक्रियाओं के समय। प्रक्रियाएं 2-3 और 4-1 आइसोकोरिक प्रक्रियाएं हैं; गर्मी को 2-3 से प्रणाली में और प्रणाली से 4-1 से स्थानांतरित किया जाता है लेकिन प्रणाली पर कोई काम नहीं किया जाता है या उन प्रक्रियाओं के समय प्रणाली से निकाला नहीं जाता है। आइसोकोरिक (स्थिर मात्रा) प्रक्रिया के समय कोई काम नहीं किया जाता है क्योंकि प्रणाली से काम को जोड़ने या पृथक करने के लिए प्रणाली की सीमाओं के आंदोलन की आवश्यकता होती है; इसलिए, चूंकि सिलेंडर की मात्रा नहीं बदलती है, प्रणाली से कोई शाफ्ट कार्य जोड़ा या हटाया नहीं जाता है। | ||
उन चार प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए चार अलग-अलग समीकरणों का उपयोग किया जाता है। | उन चार प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए चार अलग-अलग समीकरणों का उपयोग किया जाता है। प्रणाली (गैस के द्रव्यमान) में होने वाले गतिज और संभावित ऊर्जा के परिवर्तनों को उपेक्षित करके सरलीकरण किया जाता है और फिर थर्मोडायनामिक्स (ऊर्जा संरक्षण) के पहले नियम को गैस के द्रव्यमान में लागू किया जाता है क्योंकि यह विशेषता के रूप में बदलता है गैस के तापमान, दबाव और आयतन द्वारा।<ref name="Shapiro">Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. ''Fundamentals of Engineering Thermodynamics''. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.</ref>{{page needed|date=July 2017}}<ref name="Fundamentals">Gupta, H. N. ''Fundamentals of Internal Combustion''. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.</ref>{{page needed|date=July 2017}} | ||
एक पूर्ण चक्र के समय, गैस अपने तापमान, दबाव और आयतन की मूल स्थिति में लौट आती है, इसलिए | एक पूर्ण चक्र के समय, गैस अपने तापमान, दबाव और आयतन की मूल स्थिति में लौट आती है, इसलिए प्रणाली (गैस) का शुद्ध आंतरिक ऊर्जा परिवर्तन शून्य होता है। परिणामस्वरूप, प्रणाली में जोड़ी गई ऊर्जा (गर्मी या काम) को ऊर्जा (गर्मी या काम) द्वारा ऑफसेट किया जाना चाहिए जो प्रणाली को छोड़ देता है। ऊष्मप्रवैगिकी प्रणालियों के विश्लेषण में, परिपाटी उस ऊर्जा को ध्यान में रखना है जो प्रणाली में सकारात्मक के रूप में प्रवेश करती है और ऊर्जा जो प्रणाली को छोड़ती है उसे नकारात्मक के रूप में माना जाता है। | ||
{{anchor |Equation 1a}} | {{anchor |Equation 1a}} | ||
समीकरण 1ए। | समीकरण 1ए। | ||
एक पूर्ण चक्र के समय, | एक पूर्ण चक्र के समय, प्रणाली की ऊर्जा का शुद्ध परिवर्तन शून्य होता है: | ||
:<math>\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0</math> | :<math>\Delta E = E_\text{in} - E_\text{out} = 0</math> | ||
ऊपर कहा गया है कि | ऊपर कहा गया है कि प्रणाली (गैस का द्रव्यमान) चक्र की प्रारंभ में मूल थर्मोडायनामिक स्थिति में वापस आ जाता है। | ||
कहां <math>E_\text{in}</math>1–2–3 से | कहां <math>E_\text{in}</math>1–2–3 से प्रणाली में ऊर्जा जोड़ी जाती है और <math>E_\text{out}</math> 3–4–1 से प्रणाली से निकाली गई ऊर्जा है। प्रणाली में जोड़े गए काम और गर्मी के संदर्भ में | ||
{{anchor |Equation 1b}} | {{anchor |Equation 1b}} | ||
| Line 91: | Line 91: | ||
:<math>\left(U_2 - U_1\right) = \left(5 - 1\right) = 4</math> | :<math>\left(U_2 - U_1\right) = \left(5 - 1\right) = 4</math> | ||
बिंदु 2 से 3 तक गर्मी के रूप में | बिंदु 2 से 3 तक गर्मी के रूप में प्रणाली में जोड़ी गई ऊर्जा है | ||
:<math>\left({U_3 - U_2}\right) = \left(9 - 5\right) = 4</math> | :<math>\left({U_3 - U_2}\right) = \left(9 - 5\right) = 4</math> | ||
3 से 4 तक विस्तार के समय कार्य के रूप में | 3 से 4 तक विस्तार के समय कार्य के रूप में प्रणाली से निकाली गई ऊर्जा है | ||
:<math>\left(U_4 - U_3\right) = \left(4 - 9\right) = -5</math> | :<math>\left(U_4 - U_3\right) = \left(4 - 9\right) = -5</math> | ||
बिंदु 4 से 1 तक गर्मी के रूप में | बिंदु 4 से 1 तक गर्मी के रूप में प्रणाली से निकाली गई ऊर्जा है | ||
:<math>\left(U_1 - U_4\right) = \left(1 - 4\right) = -3</math> | :<math>\left(U_1 - U_4\right) = \left(1 - 4\right) = -3</math> | ||
| Line 103: | Line 103: | ||
:<math>\Delta E = + 4 + 4 - 5 - 3 = 0</math> | :<math>\Delta E = + 4 + 4 - 5 - 3 = 0</math> | ||
ध्यान दें कि | ध्यान दें कि प्रणाली में जोड़ी गई ऊर्जा को सकारात्मक के रूप में गिना जाता है और प्रणाली को छोड़ने वाली ऊर्जा को नकारात्मक के रूप में गिना जाता है और पूर्ण चक्र के लिए अपेक्षा के अनुसार योग शून्य होता है जो प्रणाली को उसकी मूल स्थिति में लौटाता है। | ||
ऊर्जा संतुलन से | ऊर्जा संतुलन से प्रणाली का कार्य है: | ||
:<math>\sum \text{Work} = W_{1-2} + W_{3-4} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_4 - U_3\right) = 4 - 5 = -1</math> | :<math>\sum \text{Work} = W_{1-2} + W_{3-4} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_4 - U_3\right) = 4 - 5 = -1</math> | ||
कार्य के रूप में प्रणाली से शुद्ध ऊर्जा -1 है, जिसका अर्थ है कि प्रणाली ने ऊर्जा की शुद्ध इकाई का उत्पादन किया है जो प्रणाली को कार्य के रूप में छोड़ती है। | कार्य के रूप में प्रणाली से शुद्ध ऊर्जा -1 है, जिसका अर्थ है कि प्रणाली ने ऊर्जा की शुद्ध इकाई का उत्पादन किया है जो प्रणाली को कार्य के रूप में छोड़ती है। | ||
प्रणाली से निकलने वाली शुद्ध गर्मी है: | |||
:<math>\sum \text{Heat} = Q_{2-3} + Q_{4-1} = \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 4 -3 = 1</math> | :<math>\sum \text{Heat} = Q_{2-3} + Q_{4-1} = \left(U_3 - U_2\right) + \left(U_1 - U_4\right) = 4 -3 = 1</math> | ||
गर्मी के रूप में ऊर्जा को | गर्मी के रूप में ऊर्जा को प्रणाली में जोड़ा जाता है क्योंकि यह सकारात्मक है। ऊपर से ऐसा प्रतीत होता है जैसे प्रणाली ने इकाई ऊष्मा प्राप्त की हो। यह प्रणाली द्वारा उत्पादित ऊर्जा से प्रणाली से बाहर काम के रूप में मेल खाता है। | ||
{{anchor |Thermal efficiency}} | {{anchor |Thermal efficiency}} | ||
| Line 188: | Line 188: | ||
इंटेक स्ट्रोक और कम्प्रेशन स्ट्रोक के लिए इंजन क्रैंकशाफ्ट के रोटेशन की आवश्यकता होती है। पावर स्ट्रोक और एग्जॉस्ट स्ट्रोक के लिए दूसरे रोटेशन की आवश्यकता होती है। दो घुमावों के लिए काम पैदा करने वाला स्ट्रोक होता है। | इंटेक स्ट्रोक और कम्प्रेशन स्ट्रोक के लिए इंजन क्रैंकशाफ्ट के रोटेशन की आवश्यकता होती है। पावर स्ट्रोक और एग्जॉस्ट स्ट्रोक के लिए दूसरे रोटेशन की आवश्यकता होती है। दो घुमावों के लिए काम पैदा करने वाला स्ट्रोक होता है। | ||
उपरोक्त चक्र विश्लेषण से | उपरोक्त चक्र विश्लेषण से प्रणाली द्वारा उत्पादित शुद्ध कार्य: | ||
:<math>\sum \text{ Work} = W_{1-2} + W_{3-4} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_4 - U_3\right) = +4 - 5 = -1</math> | :<math>\sum \text{ Work} = W_{1-2} + W_{3-4} = \left(U_2 - U_1\right) + \left(U_4 - U_3\right) = +4 - 5 = -1</math> | ||
(फिर से, साइन कन्वेंशन का उपयोग करते हुए, माइनस साइन का मतलब है कि ऊर्जा | (फिर से, साइन कन्वेंशन का उपयोग करते हुए, माइनस साइन का मतलब है कि ऊर्जा प्रणाली को काम के रूप में छोड़ रही है) | ||
यदि उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ MKS होतीं तो चक्र कार्य के रूप में जूल ऊर्जा का उत्पादन करता। विशेष विस्थापन के इंजन के लिए, जैसे कि लीटर, | यदि उपयोग की जाने वाली इकाइयाँ MKS होतीं तो चक्र कार्य के रूप में जूल ऊर्जा का उत्पादन करता। विशेष विस्थापन के इंजन के लिए, जैसे कि लीटर, प्रणाली के गैस के द्रव्यमान की गणना यह मानते हुए की जा सकती है कि इंजन मानक तापमान (20 डिग्री सेल्सियस) और दबाव (1 एटीएम) पर काम कर रहा है। यूनिवर्सल गैस लॉ का उपयोग करते हुए लीटर गैस का द्रव्यमान कमरे के तापमान और समुद्र स्तर के दबाव पर होता है: | ||
:<math>M=\frac{PV}{RT}</math> | :<math>M=\frac{PV}{RT}</math> | ||
| Line 206: | Line 206: | ||
:<math>P = 25 \times 0.00121=0.0303\,\text{J}/\text{s}\; \text{or} \;\text{W}</math> | :<math>P = 25 \times 0.00121=0.0303\,\text{J}/\text{s}\; \text{or} \;\text{W}</math> | ||
यदि इंजन ही विस्थापन के साथ कई सिलेंडरों का उपयोग करता है, तो परिणाम को सिलेंडरों की संख्या से गुणा किया जाएगा। ये परिणाम आंतरिक ऊर्जा के मूल्यों के उत्पाद हैं जो चार स्ट्रोक (दो घुमाव) में से प्रत्येक के अंत में | यदि इंजन ही विस्थापन के साथ कई सिलेंडरों का उपयोग करता है, तो परिणाम को सिलेंडरों की संख्या से गुणा किया जाएगा। ये परिणाम आंतरिक ऊर्जा के मूल्यों के उत्पाद हैं जो चार स्ट्रोक (दो घुमाव) में से प्रत्येक के अंत में प्रणाली के चार राज्यों के लिए ग्रहण किए गए थे। उन्हें केवल दृष्टांत के लिए चुना गया था, और स्पष्ट रूप से कम मूल्य के हैं। वास्तविक इंजन से वास्तविक मूल्यों का प्रतिस्थापन इंजन के करीब परिणाम देगा। जिनके परिणाम वास्तविक इंजन से अधिक होंगे क्योंकि विश्लेषण में कई सरलीकृत धारणाएँ हैं जो अक्षमताओं को नज़रअंदाज़ करती हैं। इस तरह के परिणाम बिजली उत्पादन को कम आंकेंगे। | ||
== बढ़ती शक्ति और दक्षता == | == बढ़ती शक्ति और दक्षता == | ||
