इंजन दक्षता: Difference between revisions

थर्मल [[ इंजन ]] की इंजन दक्षता [[ ईंधन ]] में निहित कुल [[ ऊर्जा ]] और उपयोगी कार्य करने के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा की मात्रा के बीच का संबंध है। थर्मल इंजन के दो वर्गीकरण हैं-

# आंतरिक दहन ([[ ओटो चक्र ]], [[ डीजल चक्र ]] और गैस टरबाइन-[[ ब्रेटन चक्र ]] इंजन) और

# [[ बाहरी दहन इंजन ]] (भाप इंजन, भाप टरबाइन और [[ स्टर्लिंग चक्र ]] इंजन)।

इंजन दक्षता, ट्रांसमिशन डिज़ाइन और टायर डिज़ाइन सभी वाहन की [[ ईंधन दक्षता ]] में योगदान करते हैं।

{{Main||Thermal efficiency|Carnot cycle}}

कहाँ पे, <math>Q_1</math> गर्मी अवशोषित है और <math>Q_1-Q_2</math> किया गया कार्य है।

इसका मतलब है कि थर्मोडायनामिक विस्तार द्वारा किए गए कार्य से घर्षण और अन्य नुकसान घटाए जाते हैं। इस प्रकार एक इंजन जो बाहरी वातावरण में कोई कार्य नहीं कर रहा है उसकी दक्षता शून्य है।

== संपीड़न अनुपात ==

आंतरिक दहन इंजन की दक्षता कई कारकों पर निर्भर करती है, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण विस्तार अनुपात है। किसी भी ऊष्मा इंजन के लिए जो कार्य उससे निकाला जा सकता है, वह विस्तार चरण के दौरान शुरुआती दबाव और अंतिम दबाव के बीच के अंतर के समानुपाती होता है। इसलिए, शुरुआती दबाव को बढ़ाना निकाले गए काम को बढ़ाने का एक प्रभावी तरीका है (समाप्ति के दबाव को कम करना, जैसा कि भाप टर्बाइनों के साथ एक निर्वात में समाप्त हो जाता है, वैसे ही प्रभावी होता है)।

एक विशिष्ट [[ पेट्रोल इंजन ]] | गैसोलीन (पेट्रोल) का विस्तार अनुपात (विशुद्ध रूप से यांत्रिक भागों की ज्यामिति से गणना) 10: 1 ([[ ऑक्टेन रेटिंग ]]) या 9: 1 (नियमित ईंधन) है, कुछ इंजन 12 के अनुपात तक पहुंचते हैं: 1 या अधिक। विस्तार अनुपात जितना अधिक होगा, सिद्धांत रूप में इंजन उतना ही अधिक कुशल होगा, और सिद्धांत रूप में उच्च संपीड़न/विस्तार-अनुपात पारंपरिक इंजनों को उच्च ऑक्टेन रेटिंग मूल्य वाले गैसोलीन की आवश्यकता होगी, हालांकि यह सरलीकृत विश्लेषण वास्तविक और ज्यामितीय संपीड़न अनुपात के बीच के अंतर से जटिल है। उच्च ऑक्टेन मान उच्च संपीड़न/उच्च ताप स्थितियों में ईंधन की लगभग तुरंत जलने की प्रवृत्ति को रोकता है (इंजन दस्तक के रूप में जाना जाता है)। हालांकि, बहुत उच्च संपीड़न अनुपात (14-25: 1) के माध्यम से स्पार्क इग्निशन के बजाय संपीड़न का उपयोग करने वाले इंजनों में, जैसे [[ डीजल इंजन ]] या [[ बॉर्के इंजन ]], उच्च ऑक्टेन ईंधन आवश्यक नहीं है। वास्तव में, निम्न-ऑक्टेन ईंधन, आमतौर पर सीटेन संख्या द्वारा रेट किए गए, इन अनुप्रयोगों में बेहतर होते हैं क्योंकि वे संपीड़न के तहत अधिक आसानी से प्रज्वलित होते हैं।

आंशिक थ्रॉटल स्थितियों के तहत (यानी जब थ्रॉटल पूरी तरह से खुले से कम होता है), प्रभावी संपीड़न अनुपात कम होता है जब इंजन पूर्ण थ्रॉटल पर काम कर रहा होता है, साधारण तथ्य के कारण आने वाली ईंधन-वायु मिश्रण प्रतिबंधित किया जा रहा है और भर नहीं सकता है पूर्ण वायुमंडलीय दबाव के लिए कक्ष। जब इंजन फुल थ्रॉटल पर काम कर रहा होता है तो इंजन की दक्षता कम होती है। इस मुद्दे का एक समाधान बहु-सिलेंडर इंजन में लोड को कुछ सिलेंडरों से (उन्हें निष्क्रिय करके) शेष सिलेंडरों में स्थानांतरित करना है ताकि वे उच्च व्यक्तिगत भार के तहत काम कर सकें और तदनुसार उच्च प्रभावी संपीड़न अनुपात के साथ काम कर सकें। इस तकनीक को परिवर्ती विस्थापन के रूप में जाना जाता है।

अधिकांश पेट्रोल (गैसोलीन, ओटो चक्र) और डीजल (डीजल चक्र) इंजनों का विस्तार अनुपात संपीड़न अनुपात के बराबर होता है। कुछ इंजन, जो [[ एटकिंसन चक्र ]] या [[ मिलर चक्र ]] का उपयोग करते हैं, संपीड़न अनुपात से बड़ा विस्तार अनुपात होने से बढ़ी हुई दक्षता प्राप्त करते हैं।

डीजल इंजन का संपीड़न/विस्तार अनुपात 14:1 से 25:1 के बीच होता है। इस मामले में उच्च संपीड़न से उच्च दक्षता का सामान्य नियम लागू नहीं होता है क्योंकि 20:1 से अधिक संपीड़न अनुपात वाले डीजल डीजल इंजन हैं (प्रत्यक्ष इंजेक्शन के विपरीत)। ये ऑटोमोबाइल/कारों और हल्के ट्रकों में आवश्यक उच्च RPM ऑपरेशन को संभव बनाने के लिए प्रीचैम्बर का उपयोग करते हैं। प्रीचैंबर से थर्मल और गैस डायनेमिक नुकसान के परिणामस्वरूप प्रत्यक्ष इंजेक्शन डीजल (उनके कम संपीड़न/विस्तार अनुपात के बावजूद) अधिक कुशल होते हैं।

एक इंजन में कई गतिमान पुर्जे होते हैं जो घर्षण उत्पन्न करते हैं। इनमें से कुछ घर्षण बल स्थिर रहते हैं (जब तक लागू भार स्थिर रहता है); इंजन की गति बढ़ने पर इनमें से कुछ घर्षण नुकसान बढ़ जाते हैं, जैसे कि पिस्टन साइड फोर्स और कनेक्टिंग बियरिंग फोर्स (ऑसिलेटिंग पिस्टन से बढ़ी हुई [[ जड़ता ]] बलों के कारण)। उच्च गति पर कुछ घर्षण बल कम हो जाते हैं, जैसे कि [[ कैंषफ़्ट ]] के लोब पर घर्षण बल [[ चार स्ट्रोक चक्र इंजन वाल्व ]] को संचालित करने के लिए उपयोग किया जाता है (उच्च गति पर वाल्व की जड़ता कैम फॉलोअर को कैम लोब से दूर खींचती है)। घर्षण बलों के साथ, एक ऑपरेटिंग इंजन में पंपिंग लॉस होता है, जो कि सिलेंडर में हवा को अंदर और बाहर ले जाने के लिए आवश्यक कार्य है। यह पंपिंग नुकसान कम गति पर न्यूनतम है, लेकिन गति के वर्ग के रूप में लगभग बढ़ जाता है, जब तक कि रेटेड शक्ति पर एक इंजन घर्षण और पंपिंग घाटे को दूर करने के लिए कुल बिजली उत्पादन का लगभग 20% उपयोग कर रहा हो।

== [[ ऑक्सीजन ]] ==

ज्यों-ज्यों दहन का तापमान कम ईंधन वाले हवा के मिश्रण के साथ बढ़ता जाता है, वैसे-वैसे अधजले हाइड्रोकार्बन प्रदूषकों को नाइट्रोजन ऑक्साइड (एनओएक्स) जैसे वायु प्रदूषण के उच्च स्तरों के खिलाफ संतुलित किया जाना चाहिए, जो उच्च दहन तापमान पर बनते हैं। बाष्पीकरणीय शीतलन के माध्यम से आने वाली हवा को ठंडा करने के लिए दहन कक्ष के अपस्ट्रीम में ईंधन की शुरुआत करके इसे कभी-कभी कम किया जाता है। यह सिलेंडर में प्रवेश करने वाले कुल चार्ज को बढ़ा सकता है (चूंकि ठंडी हवा अधिक सघन होगी), जिसके परिणामस्वरूप अधिक शक्ति होगी, लेकिन हाइड्रोकार्बन प्रदूषकों के उच्च स्तर और नाइट्रोजन ऑक्साइड प्रदूषकों के निम्न स्तर भी होंगे। प्रत्यक्ष इंजेक्शन के साथ यह प्रभाव उतना नाटकीय नहीं है, लेकिन यह कुछ प्रदूषकों जैसे नाइट्रोजन ऑक्साइड (एनओएक्स) को कम करने के लिए दहन कक्ष को पर्याप्त रूप से ठंडा कर सकता है, जबकि आंशिक रूप से विघटित हाइड्रोकार्बन जैसे अन्य को ऊपर उठाता है।

वायु-ईंधन मिश्रण एक इंजन में खींचा जाता है क्योंकि पिस्टन की नीचे की ओर गति एक आंशिक निर्वात को प्रेरित करती है। अधिक बिजली का उत्पादन करने के लिए सिलेंडर में एक बड़े चार्ज (मजबूर प्रेरण) को मजबूर करने के लिए एक [[ गैस कंप्रेसर ]] का अतिरिक्त उपयोग किया जा सकता है। कंप्रेसर या तो यांत्रिक रूप से संचालित [[ सुपरचार्जिंग ]] या निकास संचालित [[ टर्बोचार्जिंग ]] है। किसी भी तरह से, मजबूर प्रेरण सिलेंडर इनलेट पोर्ट के बाहर हवा के दबाव को बढ़ाता है।

इंजन के अंदर उपलब्ध ऑक्सीजन की मात्रा बढ़ाने के अन्य तरीके हैं; उनमें से एक, [[ नाइट्रस ऑक्साइड ]] इंजेक्ट करना है, (एन₂O) मिश्रण के लिए, और कुछ इंजन [[ नाईट्रोमीथेन ]] का उपयोग करते हैं, एक ईंधन जो स्वयं ऑक्सीजन प्रदान करता है जिसे इसे जलाने की आवश्यकता होती है। उसके कारण, मिश्रण ईंधन का 1 भाग और हवा के 3 भाग हो सकता है; इस प्रकार, इंजन के अंदर अधिक ईंधन जलाना और उच्च शक्ति आउटपुट प्राप्त करना संभव है।

बेकार में घूमने वाले इंजनों में कम तापीय दक्षता होती है क्योंकि इंजन से निकलने वाला एकमात्र प्रयोग करने योग्य काम जनरेटर से होता है।

कम गति पर, गैसोलीन इंजन उच्च अशांति और घर्षण (सिर) हानि से छोटे थ्रॉटल के उद्घाटन पर दक्षता हानि का सामना करते हैं, जब आने वाली हवा को लगभग बंद थ्रॉटल (पंप नुकसान) के आसपास अपना रास्ता लड़ना चाहिए; डीजल इंजनों को इस नुकसान का सामना नहीं करना पड़ता है क्योंकि आने वाली हवा को थ्रॉटल नहीं किया जाता है, लेकिन कम मात्रा में बिजली उत्पादन के लिए हवा को संपीड़ित करने के लिए पूरे चार्ज के उपयोग के कारण संपीड़न हानि होती है।

उच्च गति पर, दोनों प्रकार के इंजनों में दक्षता पम्पिंग और यांत्रिक घर्षण नुकसान से कम हो जाती है, और कम अवधि जिसके भीतर दहन होता है। उच्च गति के परिणामस्वरूप अधिक ड्रैग भी होता है।

====गैसोलीन ([[ पेट्रोल ]]) इंजन ====

आधुनिक गैसोलीन इंजनों की अधिकतम तापीय क्षमता 50% से अधिक होती है,<ref>{{Cite web|title=How F1 technology has supercharged the world {{!}} Formula 1®|url=https://www.formula1.com/en/latest/article.how-f1-technology-has-supercharged-the-world.6Gtk3hBxGyUGbNH0q8vDQK.html|access-date=2020-10-11|website=www.formula1.com|language=en}}</ref> लेकिन कार को चलाने के लिए उपयोग किए जाने पर सड़क कानूनी कारें केवल 20% से 35% होती हैं। दूसरे शब्दों में, भले ही इंजन अधिकतम तापीय दक्षता के अपने बिंदु पर चल रहा हो, खपत किए गए गैसोलीन द्वारा जारी कुल ऊष्मा ऊर्जा का, कुल शक्ति का लगभग 65-80% उपयोगी कार्य में बदले बिना ऊष्मा के रूप में उत्सर्जित होता है, अर्थात मोड़ना क्रैंकशाफ्ट।<ref name="Baglione 2007">{{cite thesis |type=Ph.D. |title=Development of System Analysis Methodologies and Tools for Modeling and Optimizing Vehicle System Efficiency |last=Baglione |first=Melody L. |year=2007 |publisher =University of Michigan |pages=52–54 |hdl=2027.42/57640 |url=http://deepblue.lib.umich.edu/handle/2027.42/57640}}</ref> इस अस्वीकृत गर्मी का लगभग आधा निकास गैसों द्वारा दूर किया जाता है, और आधा सिलेंडर की दीवारों या सिलेंडर सिर के माध्यम से इंजन शीतलन प्रणाली में जाता है, और शीतलन प्रणाली रेडिएटर के माध्यम से वातावरण में पारित किया जाता है।<ref>{{cite web |url=http://www.arrowheadradiator.com/14_rules_for_improving_engine_cooling_system_capability_in_high-performance_automobiles.htm |title = Web Page Under Construction}}</ref> उत्पन्न कुछ कार्य घर्षण, शोर, वायु अशांति के रूप में भी खो जाता है, और इंजन उपकरण और उपकरण जैसे [[ परिसंचरण पंप ]] और विद्युत [[ आवर्तित्र ]] को चालू करने के लिए उपयोग किया जाने वाला कार्य, उपलब्ध ईंधन द्वारा जारी ऊर्जा का लगभग 20-35% ही छोड़ता है। वाहन को स्थानांतरित करने के लिए।

एक गैसोलीन इंजन गैसोलीन और वायु के मिश्रण को जलाता है, जिसमें हवा के लगभग बारह से अठारह भागों (वजन के अनुसार) से लेकर ईंधन के एक भाग (वजन के अनुसार) तक होता है। 14.7:1 वायु/ईंधन अनुपात वाला मिश्रण [[ रससमीकरणमितीय ]] होता है, अर्थात जब जलाया जाता है, तो 100% ईंधन और ऑक्सीजन की खपत होती है।{{citation needed|date=July 2018}} थोड़े कम ईंधन वाले मिश्रण, जिन्हें [[ लीन बर्न ]] कहा जाता है, अधिक कुशल होते हैं। [[ दहन ]] एक प्रतिक्रिया है जो ईंधन के साथ गठबंधन करने के लिए हवा की ऑक्सीजन सामग्री का उपयोग करती है, जो कई [[ हाइड्रोकार्बन ]] का मिश्रण है, जिसके परिणामस्वरूप जल वाष्प, [[ कार्बन डाइऑक्साइड ]] और कभी-कभी [[ कार्बन मोनोआक्साइड ]] और आंशिक रूप से जले हुए हाइड्रोकार्बन होते हैं। इसके अलावा, उच्च तापमान पर ऑक्सीजन [[ नाइट्रोजन ]] के साथ मिलकर [[ नाइट्रोजन ऑक्साइड ]] बनाता है (आमतौर पर NOx के रूप में संदर्भित किया जाता है, क्योंकि यौगिक में ऑक्सीजन परमाणुओं की संख्या भिन्न हो सकती है, इस प्रकार X सबस्क्रिप्ट)। यह मिश्रण, अप्रयुक्त नाइट्रोजन और [[ वायुमंडलीय रसायन ]] के साथ, निकास प्रणाली में पाया जाता है।

2008 से 2015 में, GDI ([[ गैसोलीन डायरेक्ट इंजेक्शन ]]) ने इस ईंधन प्रणाली से लैस इंजनों की दक्षता को 35% तक बढ़ा दिया।{{citation needed|date=November 2016}} वर्तमान में, 2020 तक, तकनीक विभिन्न प्रकार के वाहनों में उपलब्ध है।{{Citation needed|date=April 2016}}

डीजल चक्र का उपयोग करने वाले इंजन आमतौर पर अधिक कुशल होते हैं, हालांकि समान संपीड़न अनुपात में डीजल चक्र स्वयं कम कुशल होता है। चूंकि डीजल इंजन बहुत अधिक संपीड़न अनुपात का उपयोग करते हैं (संपीड़न की गर्मी का उपयोग धीमी गति से जलने वाले [[ डीजल ईंधन ]] को प्रज्वलित करने के लिए किया जाता है), यह उच्च अनुपात इंजन के भीतर वायु पम्पिंग नुकसान की भरपाई से अधिक है।

आधुनिक टर्बो-डीजल इंजन दक्षता बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रॉनिक रूप से नियंत्रित कॉमन-रेल फ्यूल इंजेक्शन का उपयोग करते हैं। ज्यामितीय रूप से परिवर्तनीय टर्बो-चार्जिंग सिस्टम (यद्यपि अधिक रखरखाव) की मदद से यह इंजन के टॉर्क को कम इंजन गति (1,200–1,800 rpm) पर भी बढ़ाता है। MAN B&W डीजल S80ME-C7 जैसे कम गति वाले डीजल इंजनों ने 54.4% की समग्र [[ ऊर्जा रूपांतरण दक्षता ]] हासिल की है, जो किसी भी एकल-चक्र आंतरिक दहन या [[ बाहरी दहन ]] इंजन द्वारा ईंधन का बिजली में उच्चतम रूपांतरण है।<ref name="bmmWW">{{cite web |url=http://mandieselturbo.com/files/news/filesof16119/tech_paper_low_speed.pdf |title=Low Speed Engines Tech Paper |publisher=Man Diesel and Turbo |access-date=2017-04-25}}</ref><ref name="mhi">{{cite web |url=http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e451/e451021.pdf |title=Mitsubishi Heavy Industries Technical Review Vol.45 No.1 (2008) |date=March 2008 |access-date=2017-04-25 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110610133725/http://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/e451/e451021.pdf |archive-date=June 10, 2011 |url-status=live |df=mdy }}</ref><ref>{{cite web |title=MHI Achieves 1,600°C Turbine Inlet Temperature in Test Operation of World's Highest Thermal Efficiency "J-Series" Gas Turbine |publisher=[[Mitsubishi Heavy Industries]] |date=May 26, 2011 |url=http://www.mhi.co.jp/en/news/story/1105261435.html |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20120318232638/http://www.mhi.co.jp/en/news/story/1105261435.html |archive-date=March 18, 2012 }}</ref> बड़े डीजल ट्रकों, बसों और नई डीजल कारों में इंजन लगभग 45% चरम दक्षता प्राप्त कर सकते हैं।<ref>{{cite web

गैस टर्बाइन अधिकतम बिजली उत्पादन में सबसे अधिक कुशल है उसी तरह पारस्परिक इंजन अधिकतम भार पर सबसे अधिक कुशल होते हैं। अंतर यह है कि कम घूर्णी गति पर संपीड़ित हवा का दबाव कम हो जाता है और इस प्रकार थर्मल और ईंधन दक्षता नाटकीय रूप से गिर जाती है। कम बिजली उत्पादन के साथ दक्षता में लगातार गिरावट आती है और कम बिजली की सीमा में बहुत खराब है।

[[ जनरल मोटर्स ]] ने एक बार एक गैस टरबाइन द्वारा संचालित बस का निर्माण किया, लेकिन 1970 के दशक में कच्चे तेल की कीमतों में वृद्धि के कारण इस अवधारणा को छोड़ दिया गया। रोवर (मार्के), [[ क्रिसलर ]], और [[ टोयोटा ]] ने टर्बाइन संचालित कारों के प्रोटोटाइप भी बनाए, क्रिसलर ने वास्तविक दुनिया के मूल्यांकन के लिए उनमें से एक छोटी प्रोटोटाइप श्रृंखला का निर्माण किया। ड्राइविंग आराम अच्छा था, लेकिन ऊपर बताए गए कारणों से समग्र अर्थव्यवस्था में कमी आई। यही कारण है कि गैस टर्बाइनों का उपयोग स्थायी और चरम शक्ति विद्युत संयंत्रों के लिए किया जा सकता है। इस एप्लिकेशन में वे केवल पूर्ण शक्ति पर या उसके करीब चलते हैं जहां वे कुशल होते हैं या जरूरत न होने पर बंद हो जाते हैं।