IC Engine Cycles MCQ Quiz in हिन्दी - Objective Question with Answer for IC Engine Cycles - मुफ्त [PDF] डाउनलोड करें

व्याख्या:

आदर्श चार-स्ट्रोक पेट्रोल इंजन

• एक आदर्श चार-स्ट्रोक पेट्रोल इंजन ओटो चक्र पर काम करता है, जिसमें चार अलग-अलग स्ट्रोक होते हैं: सेवन, संपीड़न, पावर (प्रसार), और निकास। ऐसे इंजन में, शक्ति स्ट्रोक वह जगह है जहाँ वायु-ईंधन मिश्रण का दहन होता है, जिससे कार्य करने के लिए ऊर्जा निकलती है। एक आदर्श इंजन में पावर स्ट्रोक के दौरान दहन प्रक्रिया के बारे में की गई मान्यता इसकी दक्षता और संचालन को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

मान्यता की व्याख्या:

• TDC पर तात्कालिक दहन की मान्यता यह सुनिश्चित करने के लिए की जाती है कि दहन प्रक्रिया स्थिर आयतन पर होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि, TDC पर, पिस्टन दिशा बदलने से पहले पल के लिए रुक जाता है, और इस संक्षिप्त क्षण के दौरान, दहन कक्ष का आयतन स्थिर रहता है।
• वास्तव में, दहन में एक सीमित समय लगता है, और वास्तविक दहन प्रक्रिया के दौरान पिस्टन पहले ही नीचे की ओर बढ़ रहा होता है। हालांकि, आदर्श चक्र विश्लेषण के लिए, इस सीमित समय को उपेक्षित कर दिया जाता है, और प्रक्रिया को इस तरह से मॉडल किया जाता है जैसे कि यह स्थिर आयतन पर तात्कालिक रूप से होता है।
• यह मान्यता ओटो चक्र के ऊष्मागतिकीय विश्लेषण को सरल बनाने की अनुमति देती है, जिससे तापीय दक्षता, कार्य उत्पादन और ऊष्मा इनपुट जैसे मापदंडों की गणना करना आसान हो जाता है।

संकल्पना:

एक आदर्श ऑटो चक्र में, यदि समदैसिक संपीडन की शुरुआत और अंत में तापमान ज्ञात हैं, तो वायु-मानक दक्षता है:

$\eta =1-\frac{T_1}{T_2}$

दिया गया है:

• प्रारंभिक तापमान, $T_1={27}^{\circ }C=300K$
• अंतिम तापमान, $T_2={327}^{\circ }C=600K$

गणना:

$\eta =1-\frac{300}{600}=0.5=50\mathrm{\%}$

व्याख्या:

डीजल इंजन पेट्रोल इंजन की तुलना में अपनी उच्च दक्षता के लिए जाने जाते हैं। इस दक्षता अंतर का प्राथमिक कारण उनका उच्च संपीडन अनुपात है।

संपीडन अनुपात:

• एक आंतरिक दहन इंजन का संपीडन अनुपात दहन कक्ष की अधिकतम मात्रा और न्यूनतम मात्रा के अनुपात को दर्शाता है। सरल शब्दों में, यह वह अनुपात है जब पिस्टन अपने स्ट्रोक के निचले भाग (निचला डेड केंद्र) पर होता है और जब पिस्टन अपने स्ट्रोक के शीर्ष (ऊपरी मृत केंद्र) पर होता है।
• डीजल इंजन में, संपीडन अनुपात पेट्रोल इंजन की तुलना में काफी अधिक होता है। डीजल इंजन में आमतौर पर 14:1 से 25:1 तक का संपीडन अनुपात होता है, जबकि पेट्रोल इंजन में आमतौर पर 8:1 और 12:1 के बीच संपीडन अनुपात होता है।

उच्च संपीडन अनुपात का महत्व:

डीजल इंजन में उच्च संपीडन अनुपात निम्नलिखित तरीकों से उनकी अधिक दक्षता में योगदान देता है:

• तापीय दक्षता में वृद्धि: एक इंजन की थर्मल दक्षता सीधे उसके संपीडन अनुपात से संबंधित होती है। ऑटो और डीजल चक्रों के ऊष्मागतिकी सिद्धांतों के अनुसार, उच्च संपीडन अनुपात उच्च तापीय दक्षता में परिणाम देते हैं। इसका अर्थ है कि ईंधन से ऊर्जा का एक बड़ा हिस्सा उपयोगी कार्य में परिवर्तित हो जाता है, जिससे बेहतर ईंधन अर्थव्यवस्था और कम ईंधन की खपत होती है।
• उच्च दहन तापमान: डीजल इंजन में उच्च संपीडन अनुपात उच्च दहन तापमान की ओर ले जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सिलेंडर में हवा को छोटी मात्रा में संपीड़ित करने से उसका तापमान बढ़ जाता है। जब ईंधन को गर्म संपीड़ित हवा में अंत:क्षेपित किया जाता है, तो यह स्पार्क प्लग की आवश्यकता के बिना स्वतः प्रज्वलित हो जाता है, जैसा कि पेट्रोल इंजन में होता है। उच्च दहन तापमान ईंधन के अधिक पूर्ण दहन को सुनिश्चित करता है, जिससे बिना जले हुए ईंधन और उत्सर्जन में कमी आती है।
• बेहतर वायु-ईंधन मिश्रण: उच्च संपीडन अनुपात से हवा और ईंधन का बेहतर मिश्रण होता है। डीजल इंजन संपीडन स्ट्रोक के दौरान केवल हवा को संपीड़ित करता है। ईंधन को उच्च दाब पर सीधे दहन कक्ष में अंत:क्षेपित किया जाता है, जिससे ईंधन का सूक्ष्म परमाणुकरण होता है। उच्च तापमान और दाब यह सुनिश्चित करते हैं कि ईंधन जल्दी वाष्पीकृत हो जाए और हवा के साथ अच्छी तरह से मिल जाए, जिससे कुशल दहन हो।

व्याख्या:

चार-स्ट्रोक डीजल इंजन: प्रसार स्ट्रोक

एक चार-स्ट्रोक डीजल इंजन चार अलग-अलग स्ट्रोक के माध्यम से संचालित होता है: सेवन, संपीड़न, शक्ति (प्रसार), और निकास। प्रत्येक स्ट्रोक का एक विशिष्ट कार्य होता है और इंजन के संचालन की सुविधा के लिए उपयुक्त समय पर इनलेट और निकास वाल्वों के खुलने और बंद होने को शामिल करता है। प्रसार स्ट्रोक के दौरान, जिसे पावर स्ट्रोक के रूप में भी जाना जाता है, इंजन ईंधन के दहन से ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है।

चार-स्ट्रोक डीजल इंजन में प्रसार स्ट्रोक के दौरान, निम्नलिखित घटनाएँ होती हैं:

• प्रसार स्ट्रोक की शुरुआत में, पिस्टन अपने शीर्ष मृत केंद्र (TDC) स्थिति में होता है, और इनलेट और निकास दोनों वाल्व बंद होते हैं। यह सुनिश्चित करता है कि दहन कक्ष सील हो गया है।
• ईंधन, जिसे संपीड़न स्ट्रोक के अंत में इंजेक्ट किया गया था, दहन कक्ष के अंदर उच्च तापमान और दबाव के कारण प्रज्वलित होता है। यह प्रज्वलन दबाव में तेजी से वृद्धि का कारण बनता है, जिससे पिस्टन नीचे की ओर जाता है।
• जैसे ही पिस्टन नीचे की ओर मृत केंद्र (BDC) की ओर बढ़ता है, यह विस्तारित गैसों से ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है, जो क्रैंकशाफ्ट को प्रेषित किया जाता है।
• इस स्ट्रोक के दौरान, इनलेट और निकास दोनों वाल्व बंद रहते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि विस्तारित गैसें पिस्टन पर अधिकतम दबाव डालती हैं, जिससे पावर स्ट्रोक की दक्षता अधिकतम हो जाती है।
• जैसे ही पिस्टन BDC तक पहुँचता है, प्रसार स्ट्रोक समाप्त होता है, और निकास स्ट्रोक शुरू होता है, जहाँ जले हुए गैसों को बाहर निकालने के लिए निकास वाल्व खुलता है।

इसलिए, प्रसार स्ट्रोक के दौरान, इनलेट और निकास दोनों वाल्व बंद रहते हैं ताकि दहन गैसों को कुशलतापूर्वक विस्तार करने और पिस्टन को नीचे की ओर धकेलने की अनुमति मिल सके।

संकल्पना:

एक आदर्श ऑटो चक्र की वायु-मानक दक्षता है:

$\eta =1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}$

दिया गया है:

$T_1=300K$, $T_2=600K$, $\gamma =1.4$

चरण 1: संपीड़न अनुपात ज्ञात कीजिए

$\frac{T_2}{T_1}=r^{\gamma -1}\Rightarrow \frac{600}{300}=2=r^{0.4}$

$r=2^{1/0.4}=2^{2.5}\approx 5.66$

चरण 2: दक्षता

$\eta =1-\frac{1}{{5.66}^{0.4}}\approx 1-\frac{1}{2}=0.5=50\mathrm{\%}$

संकल्पना:

इंजन की क्षमता निम्न द्वारा दी गई है:

इंजन की क्षमता = निर्धारित आयतन × सिलेंडरों की संख्या (n)

निर्धारित आयतन निम्न द्वारा दिया गया है:

$Sweptvolume=\frac{\pi }{4}\times d^2\times l$

गणना:

दिया हुआ:

d = 4 cm, L = 7 cm, n = 4

निकासी आयतन, Vc ­= 2 cm3

इंजन की क्षमता है:

इंजन की क्षमता = निर्धारित आयतन × सिलेंडरों की संख्या

$Capacityofengine=\frac{\pi }{4}\times d^2\times l\times n=\frac{\pi }{4}\times 4^2\times 7\times 4=352c{m}^3$

संकल्पना:

डीजल चक्र:

संपीड़न इंजन (डीजल चक्र) में प्रक्रियाएं हैं:

प्रक्रिया 1-2: उत्क्रमणीय स्थिरोष्म संपीडन

प्रक्रिया 2-3: स्थिर दबाव ऊष्मा संवर्धन

प्रक्रिया 3-4: उत्क्रमणीय स्थिरोष्म विस्तार

प्रक्रिया 4-1: स्थिर आयतन ताप अस्वीकरण

विच्छेद अनुपात:

विच्छेद अनुपात दहन के बाद आयतन से दहन से पहले आयतन का अनुपात है।

विच्छेद अनुपात $r_c=\frac{V_3}{V_2}$

संपीड़न अनुपात: $r=\frac{V_1}{V_2}$

डीजल चक्र की दक्षता निम्न द्वारा दी गई है

$\eta =1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}\left[\frac{r_c^{\gamma }-1}{\gamma \left(r_c-1\right)}\right]$

माध्य प्रभावी दबाव (p_m) जो आंतरिक कार्य आउटपुट का एक संकेत है, संपीड़न अनुपात के निश्चित मूल्य पर दबाव अनुपात और विशिष्ट ऊष्माओं के अनुपात के साथ बढ़ता है।

डीजल चक्र के लिए माध्य प्रभावी दबाव की अभिव्यक्ति ,

$p_m=\frac{p_1\left[\gamma r^{\gamma }\left(r_c-1\right)-r\left(r_c^{\gamma }-1\right)\right]}{\left(\gamma -1\right)\left(r-1\right)}$

अभिव्यक्ति से,

यदि विच्छेद अनुपात बढ़ता है तो एक निश्चित संपीड़न अनुपात वाले डीजल चक्र का माध्य प्रभावी प्रभाव बढ़ेगा।

संकल्पना:

डीजल चक्र:

डीजल चक्र का P - V और T - S आरेख निम्न हैं:

संपीडन अनुपात (r) को निम्न द्वारा ज्ञात किया गया है:

 $r=\frac{v_1}{v_2}$

विच्छेद अनुपात (r_c) को निम्न द्वारा ज्ञात किया गया है:

$r_c=\frac{v_3}{v_2}$

गणना:

दिया गया है:

संपीडन अनुपात (r) = 16 = $\frac{v_1}{v_2}$

v₃ - v₂ = 0.06(v₁ - v₂)

$\frac{v_3}{v_2}-1=\frac{6}{100}\left(\frac{v_1}{v_2}-1\right)$

$r_c-1=\frac{6}{100}\left(r-1\right)$

$r_c-1=\frac{6}{100}\left(16-1\right)$

r_c = 1.9

वर्णन:

तीन मानक चक्र निम्न हैं जिसका प्रयोग IC इंजन का विश्लेषण प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है:

1) स्थिर आयतन दहन (ऑटो) चक्र

2) स्थिर दबाव दहन (डीजल) चक्र

3) स्थिर आयतन और स्थिर दबाव दहन (दोहरा) चक्र का संयोजन

विश्लेषण के दौरान अवधारणाएं:

• पूरे चक्र पर कार्यरत तरल पदार्थ वायु होता है और इसे आदर्श गैस माना जाता है।
• संपीडन और विस्तार प्रक्रियाओं को घर्षणहीन और स्थिरोष्म (कोई ऊष्मा नुकसान नहीं) के रूप में लिया जाता है अर्थात् वे उत्क्रमणीय होते हैं।
• कार्यरत तरल पदार्थ की रासायनिक समतुल्यता को स्थिरांक के रूप में लिया जाता है।
• दहन प्रक्रिया को अच्छी-तरह से परिभाषित ऊष्मा संवर्धन प्रक्रियाओं द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।
• निकासी प्रक्रिया को ऊष्मा अस्वीकृति प्रक्रिया द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है जो स्थितियों के ग्रहण के लिए चक्र के वायु को वापस करता है।
• चूँकि गैस को आदर्श माना जाता है, इसलिए स्थिर आयतन और दबाव पर विशिष्ट उष्माओं को स्थिरांक के रूप में लिया जाता है।

​∴ कोई अंतर्ग्रहण और निकासी प्रक्रियाएँ नहीं होती है क्योंकि उन्हें ऊष्मा संवर्धन और ऊष्मा अस्वीकृति प्रक्रियाओं द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है।

संकल्पना:

ऑटो चक्र की तापीय दक्षता:

${\eta }_{otto}=1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}$

संपीडन अनुपात: r = v₁/v₂

$\frac{T_2}{T_1}={\left(\frac{P_2}{P_1}\right)}^{\frac{\gamma -1}{\gamma }}={\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{\gamma -1}$

$\frac{V_1}{V_2}=r$

$\frac{T_2}{T_1}={\left(r\right)}^{\gamma -1}$

${\eta }_{otto}=1-\frac{1}{{\left(r\right)}^{\gamma -1}}=1-\frac{1}{\frac{T_2}{T_1}}=1-\frac{T_1}{T_2}$

यह दिया गया है कि ${\eta }_{otto}=1-\frac{T_a}{T_b}$

इसकी तुलना व्युत्पन्न समीकरण से करने पर, Ta, T1 के समान है और Tb, T2 के समान है। 

T₂ वह तापमान है जहाँ संपीडन रुक जाता है और स्थिर आयतन ऊष्मा संवर्धन प्रारंभ होता है।

∴ T_b वह तापमान है जहाँ स्थिर आयतन ऊष्मा संवर्धन प्रारंभ होता है।

विच्छेद अनुपात (r_c) = V₃/V₂

↑(वृद्धि) r_c ⇒ बिंदु 3 दायीं ओर जाती है ⇒ ↑ p - v वक्र के तहत क्षेत्रफल (कार्य आउटपुट) और ↑ ऊष्मा इनपुट (Qin)

कार्य आउटपुट (W) = Pmep × (V₁ – V₂)

↑ W ⇒ ↑ P_mep [∵ (V₁- V₂) में कोई परिवर्तन नहीं]

तापीय दक्षता (η) = W/Qin

${\eta }_{th}=1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}\left\{\frac{r_c^{\gamma }-1}{\gamma \left(r_c-1\right)}\right\}$

उपरोक्त समीकरण से यह देखा जाता है कि डीजल इंजन की तापीय दक्षता को संपीडन अनुपात r को बढ़ाकर, विच्छेद अनुपात rc को कम करके, या γ के बड़े मान के साथ एक गैस का उपयोग करके बढ़ाया जा सकता है।

संकल्पना:

ओटो चक्र:

यह स्पार्क प्रज्वलन (SI) इंजन या पेट्रोल इंजन में उपयोग किया जाने वाला मानक वायु चक्र है।

ओटो चक्र में प्रक्रियाएं:

प्रक्रिया 1-2: समएन्ट्रॉपिक संपीड़न

प्रक्रिया 2-3: स्थिर आयतन ऊष्मा परिवर्धन

प्रक्रिया 3-4: समएन्ट्रॉपिक विस्तार

प्रक्रिया 4-1: स्थिर आयतन ऊष्मा अस्वीकृति

स्व-प्रज्वलन तापमान (STI) :

• स्व-प्रज्वलन तापमान सबसे कम तापमान है जिस पर एक डीजल / पेट्रोल एक स्पार्क या लौ की उपस्थिति के बिना खुद को प्रज्वलित करेगा।
• डीजल का स्व-प्रज्वलन तापमान 210°C और पेट्रोल का स्व-प्रज्वलन तापमान 247°C से 280°C तक भिन्न होता है।
• पेट्रोल इंजन में संपीड़न अनुपात (6 –10) होता है और वे प्रज्वलन के स्रोत के लिए स्पार्क प्लग पर निर्भर करते हैं।
• तो, पेट्रोल इंजन में नॉकिंग से बचने के लिए उच्च स्व-प्रज्वलन तापमान ईंधन वांछनीय हैं।

स्पष्टीकरण:

ओटो चक्र:

(1-2) - व्युत्क्रमणीय स्थिरोष्म संपीड़न

(2-3) - ताप संवर्धन का स्थिर आयतन

(3-4) - व्युत्क्रमणीय स्थिरोष्म विस्तार

(4-1) - ताप अस्वीकरण का स्थिर आयतन

गणना:

दिया गया:

आदर्श परिस्थितियों में हमें अधिकतम कार्य आउटपुट (T₂ = T₄) मिलता है

T1 = TMin और T3 = TMax

गणना:

(1-2) व्युत्क्रमणीय स्थिरोष्म संपीड़न:

$\left(\frac{T_2}{T_1}\right)={\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{\gamma -1}$

(3-4) व्युत्क्रमणीय स्थिरोष्म विस्तार:

$\left(\frac{T_3}{T_4}\right)={\left(\frac{V_4}{V_3}\right)}^{\gamma -1}$

आदर्श वाक्य चक्र में: V ₄ = V _1, V ₃ = V ₂

_{$(\frac{T_2}{T_1})=(\frac{T_3}{T_4})$}

$T_2\times T_4=T_3\times T_1$

${\left(T_2\right)}^2=\left(T_3\times T_1\right)$

$\left(T_2\right)=\left(\sqrt{T_3\times T_1}\right)=\sqrt{T_{max}\times T_{min}}$

अवधारणा:

T-S आरेख पर एक आदर्श ओटो-चक्र दिखाया गया है

T1 = संपीड़क इनलेट पर तापमान (न्यूनतम तापमान)

T2 = संपीड़क आउटलेट पर तापमान

T3 = ताप वृद्धि के बाद तापमान (अधिकतम तापमान)

T4 = विस्तार के बाद तापमान

1-2 समएन्ट्रॉपिक प्रक्रिया है

$\begin{array}{l}\therefore T_1{V}_1^{\gamma -1}=T_2{V}_2^{\gamma -1}\\ \left(\frac{T_1}{T_2}\right)={\left(\frac{V_2}{V_1}\right)}^{\gamma -1}\\ \frac{V_1}{V_2}={\left(\frac{T_2}{T_1}\right)}^{\frac{1}{\gamma -1}}\end{array}$

$\frac{V_1}{V_2}$ संपीड़न अनुपात है

अधिकतम कार्य आउटपुट के लिए $T_2=T_4=\sqrt{T_1{T}_3}$

$r={\left(\frac{T_3}{T_1}\right)}^{\frac{1}{2\left(\gamma -1\right)}}$

$r={\left(\frac{T_{max}}{T_{min}}\right)}^{\frac{1}{2\left(\gamma -1\right)}}$

गणना:

Tmax = 1800 K, Tmin = 200 K

ताप क्षमता अनुपात, γ = C_p/C_v = 2

ओटो-चक्र में अधिकतम कार्य आउटपुट के लिए:

$r={\left(\frac{T_{max}}{T_{min}}\right)}^{\frac{1}{2\left(\gamma -1\right)}}={\left(\frac{1800}{200}\right)}^{\frac{1}{2\left(2-1\right)}}=9^{\frac{1}{2}}=3$