चित्र 02कैसे काम करता है
चार-स्ट्रोक इंजन कैसे काम करता है
3,000 rpm पर हर सिलिंडर एक सेकंड में 25 बार फ़ायर होता है। यहाँ इंजन इतना धीमे घूमता है कि आप हर स्ट्रोक देख सकें, और इसे सिंगल से लेकर V8 तक किसी भी बनावट में बदल सकें, हर एक अपने फ़ायरिंग क्रम के साथ।
इस डिवाइस पर 3D मॉडल नहीं दिख सकता। नीचे गाइड के चरण आप लिखित रूप में पढ़ सकते हैं।
1 / 12 एक सिलिंडर, बीच से कटाब्लॉक और हेड का अगला आधा हिस्सा काट दिया गया है। लाल सतहें वहीं हैं जहाँ से काटा गया। पूरा इंजन देखने के लिए "कटा हुआ आधा दिखाएँ" चालू करें।
घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए स्क्रॉल करें या दो उँगलियों से फैलाएँ।
मॉडल क्या दिखाता है
3,000 rpm पर कार का इंजन अपने हर सिलिंडर को एक सेकंड में 25 बार फ़ायर करता है, जो आँख से देखने के लिए बहुत तेज़ है। यह मॉडल इंजन को इतना धीमा कर देता है कि आप हर स्ट्रोक को देख सकें, और फिर आपको उसे बदलने देता है: ज़्यादा सिलिंडर, पेट्रोल की जगह डीज़ल, अलग वाल्व टाइमिंग, कम थ्रॉटल।
सिलिंडर 1 पूरे ब्योरे के साथ बनाया गया है और बीच से आधा काटा गया है ताकि अंदर का हिस्सा दिखे। लाल सतहें ब्लॉक, हेड और संप के कटे हुए हिस्से हैं। जो कुछ भी चलता है, वह पूरा दिखाया गया है: पिस्टन और उसकी रिंग, कनेक्टिंग रॉड, काउंटरवेट वाला क्रैंकशाफ़्ट, स्प्रिंग वाले दो वाल्व, दो कैमशाफ़्ट, टाइमिंग बेल्ट और फ़्लाईव्हील। इनके चारों ओर वे पुर्ज़े हैं जो इंजन को चालू रखते हैं: वॉटर जैकेट, हेड गैस्केट, मेन बेयरिंग, ऑयल पंप, थ्रॉटल, फ़्यूल इंजेक्टर और कैटेलिटिक कन्वर्टर। पुर्ज़े सूची में कुल 24 नाम वाले पुर्ज़े हैं।
माप एक आम दो-लीटर, चार सिलिंडर वाले इंजन के एक सिलिंडर के हैं: 86 mm बोर, 86 mm स्ट्रोक और 10 और 1 का संपीडन अनुपात। एक सिलिंडर का स्वेप्ट आयतन 499.6 घन सेंटीमीटर है, और चार मिलकर 1,998 cc बनाते हैं। कोने का रीडआउट क्रैंक कोण, सिलिंडर 1 अभी किस स्ट्रोक में है, पिस्टन के ऊपर गैस का आयतन और मॉडल से निकाला गया सिलिंडर दबाव दिखाता है, और नीचे दबाव-आयतन लूप और टॉर्क ग्राफ़ है।
एक चक्र में क्रैंकशाफ़्ट दो बार क्यों घूमता है
चार-स्ट्रोक इंजन को एक चक्र पूरा करने के लिए पिस्टन की चार चालें चाहिए, यानी क्रैंकशाफ़्ट के दो पूरे चक्कर। परंपरा के अनुसार चक्र को क्रैंक कोण में 0° से 720° तक नापा जाता है, और शुरुआत उस पल से होती है जब पिस्टन अपनी चाल के सबसे ऊपरी बिंदु पर होता है, जिसे टॉप डेड सेंटर कहते हैं।
- इनटेक (0° से 180°)। इनलेट वाल्व खुला है और पिस्टन नीचे जाता है। उसके ऊपर की जगह बढ़ती है, दबाव बाहर की हवा से थोड़ा नीचे गिरता है, और हवा-ईंधन का मिश्रण इनलेट पोर्ट से अंदर बहता है। मॉडल में यह नीले बिंदुओं की धारा है।
- संपीडन (180° से 360°)। दोनों वाल्व बंद हैं। पिस्टन ऊपर उठता है और मिश्रण को उस आयतन के दसवें हिस्से में दबा देता है जो उसने तल पर भरा था। दबाने से वह गर्म होता है और उसका दबाव बढ़ता है, जिससे आने वाला दहन कहीं ज़्यादा असरदार होता है। सटते जाने पर बिंदु बैंगनी हो जाते हैं।
- पावर (360° से 540°)। टॉप से ठीक पहले स्पार्क प्लग स्पार्क देता है। ज्वाला का अगला सिरा कुछ ही मिलीसेकंड में प्लग से फैल जाता है, दबाव कई गुना बढ़ता है और पिस्टन को नीचे धकेलता है। यही अकेला स्ट्रोक है जिसमें गैस पिस्टन पर काम करती है। प्लग से नारंगी अर्धगोले को बढ़ते देखिए।
- निकास (540° से 720°)। तल के पास एग्ज़ॉस्ट वाल्व खुलता है, बचा हुआ दबाव तेज़ी से बाहर निकलता है, और ऊपर उठता पिस्टन बाक़ी जली गैस को एग्ज़ॉस्ट पोर्ट में धकेल देता है। स्लेटी बिंदु दाईं ओर से निकल जाते हैं।
फिर इनलेट वाल्व दोबारा खुलता है और चक्र दोहराया जाता है। एक सिलिंडर हर दो चक्करों में एक पावर स्ट्रोक देता है: 3,000 rpm पर यह एक सेकंड में 25 पावर स्ट्रोक हैं, और हर एक सिर्फ़ 10 मिलीसेकंड चलता है।
हर पुर्ज़ा क्या करता है
पिस्टन और रिंग। पिस्टन एल्युमिनियम का हल्का प्याला है जो बोर में मिलीमीटर के कुछ सौवें हिस्से की ढील के साथ सरकता है। ऊपर के पास खाँचों में लगी तीन रिंग सील का काम करती हैं: ऊपर की दो गैस का दबाव रोकती हैं, और सबसे नीचे वाली सिलिंडर की दीवार से ऑयल पोंछती है। 21 mm की स्टील गजन पिन इसे रॉड से जोड़ती है।
कनेक्टिंग रॉड और क्रैंकशाफ़्ट। रॉड पिस्टन पिन को उस क्रैंक पिन से जोड़ती है जो क्रैंकशाफ़्ट की धुरी से 43 mm दूर है। क्रैंकशाफ़्ट घूमने पर पिन एक वृत्त बनाती है और पिस्टन 86 mm चलता है, जो क्रैंक त्रिज्या का दोगुना है। पिन के सामने के भारी हिस्से काउंटरवेट हैं, जो घूमते द्रव्यमान को संतुलित करते हैं। क्रैंकशाफ़्ट मेन बेयरिंग में घूमता है: ये नरम धातु की परत वाले पतले खोल हैं। इंजन चलते समय जर्नल ऑयल की परत पर तैरता है और इन्हें कभी नहीं छूता।
फ़्लाईव्हील। हर चार में से तीन स्ट्रोक ऊर्जा देते नहीं, लेते हैं। फ़्लाईव्हील एक भारी चकती है जो पावर स्ट्रोक में ऊर्जा जमा करती है और बाक़ी स्ट्रोक में लौटा देती है, जिससे क्रैंकशाफ़्ट घूमता रहता है।
वाल्व, स्प्रिंग और कैमशाफ़्ट। हर वाल्व कुकुरमुत्ते जैसी शक्ल का स्टील का पॉपेट है, जिसे स्प्रिंग बंद रखती है। कैमशाफ़्ट का एक लोब उसे बकेट नाम के प्यालेनुमा फ़ॉलोअर के ज़रिए धकेलकर खोलता है। लोब की शक्ल तय करती है कि वाल्व कब खुलेगा, कितना और कितनी देर। इस मॉडल में हर वाल्व 9.2 mm उठता है, और लोब उसी लिफ़्ट कर्व से बनाए गए हैं जो वाल्वों को चलाती है।
टाइमिंग बेल्ट। क्रैंकशाफ़्ट दाँतेदार बेल्ट के ज़रिए कैमशाफ़्ट चलाता है। क्रैंक स्प्रॉकेट पर 21 दाँते हैं और हर कैम पुली पर 42, इसलिए क्रैंक के हर दो चक्करों में कैमशाफ़्ट ठीक एक बार घूमते हैं। हर वाल्व एक चक्र में एक बार खुलता है, और एक चक्र में क्रैंक के दो चक्कर लगते हैं, इसलिए अनुपात कुछ और हो ही नहीं सकता।
ठंडा रखना और चिकनाई। "कूलेंट और ऑयल" चालू करें। कूलेंट (नीला) बोर के बगल वाली वॉटर जैकेट में चढ़ता है, दहन चैंबर के ऊपर से गुज़रता है और गर्मी को रेडिएटर तक ले जाता है। हेड गैस्केट, स्टील की परतदार पतली शीट, वहाँ गैस, कूलेंट और ऑयल को अलग रखती है जहाँ हेड ब्लॉक से मिलता है। ऑयल (अंबर) को ऑयल पंप छलनी से होकर पैन से खींचता है और मेन बेयरिंग तक भेजता है, फिर वह वापस नीचे बह आता है।
थ्रॉटल और इंजेक्टर। पेट्रोल इंजन में थ्रॉटल इनटेक में लगा तितलीनुमा वाल्व है। इसे बंद करने से अंदर जाती हवा का दबाव घटता है, और ड्राइवर इसी तरह कम ताक़त माँगता है। पोर्ट इंजेक्टर बंद इनलेट वाल्व की पीठ पर ईंधन छिड़कता है, और इनलेट खुलने से ठीक पहले आप छोटी-सी फुहार देख सकते हैं।
एक सिलिंडर या आठ
"सिलिंडर" स्लाइडर खिसकाइए। अतिरिक्त सिलिंडर उसी क्रैंकशाफ़्ट पर धुँधली परछाई की तरह दिखते हैं, और वे सचमुच अपने-अपने क्रैंक थ्रो और फ़ायरिंग क्रम का पालन करते हैं।
एक सिलिंडर दो चक्करों में एक बार धक्का देता है, इसलिए क्रैंकशाफ़्ट पर टॉर्क ज़ोर से ऊपर-नीचे होता है: पावर स्ट्रोक में ख़ूब धनात्मक, और जब पिस्टन अगला चार्ज दबाता है तब थोड़ा ऋणात्मक। रीडआउट का टॉर्क ग्राफ़ दो चक्करों में कुल गैस टॉर्क दिखाता है, और औसत पर एक डैश वाली रेखा है। ऊपर दाईं ओर की संख्या उतार-चढ़ाव है, यानी सबसे ऊँचे और सबसे नीचे टॉर्क का अंतर, औसत से भाग देकर।
| बनावट | फ़ायरिंग अंतराल | यहाँ फ़ायरिंग क्रम | टॉर्क उतार-चढ़ाव (मॉडल) |
|---|---|---|---|
| सिंगल | 720° | 1 | 16.0× |
| इनलाइन 2, 360° क्रैंक | 360° | 1-2 | 8.0× |
| इनलाइन 2, 270° क्रैंक | 270° और 450° | 1-2 | 8.0× |
| इनलाइन 3 | 240° | 1-2-3 | 5.3× |
| इनलाइन 4 | 180° | 1-3-4-2 | 3.9× |
| इनलाइन 6 | 120° | 1-5-3-6-2-4 | 2.2× |
| V6, 60° | 120° | 1-2-3-4-5-6 | 2.2× |
| V8, 90° क्रॉस-प्लेन | 90° | 1-8-4-3-6-5-7-2 | 1.4× |
उतार-चढ़ाव मॉडल के दबाव कर्व से सिर्फ़ गैस बलों को लेकर निकाला गया है। इसमें पिस्टन का जड़त्व शामिल नहीं है, जो ऊँची गति पर बहुत मायने रखता है, और इसी वजह से इंजीनियर फ़ायरिंग अंतराल के साथ-साथ संतुलन की भी परवाह करते हैं। उदाहरण के लिए, इनलाइन चार बराबर अंतर पर फ़ायर होता है, फिर भी हर चक्कर में दो बार ऊपर-नीचे काँपता है, क्योंकि उसके पिस्टन पूरी तरह साइन तरंग की तरह नहीं चलते। इसीलिए कई बड़े चार सिलिंडर इंजनों में बैलेंस शाफ़्ट लगे होते हैं।
नियंत्रण पैनल में हर बनावट के उतार-चढ़ाव का बार चार्ट है। किसी पट्टी पर टैप करके सीधे उस बनावट पर पहुँचिए।
पेट्रोल या डीज़ल
"डीज़ल" चालू करें। मॉडल में तीन चीज़ें बदलती हैं।
पहली, पिस्टन का ऊपरी सिरा 4.5 mm ऊपर उठ जाता है, जिससे टॉप पर पिस्टन के ऊपर की जगह 55.5 cc से घटकर 29.4 cc रह जाती है। संपीडन अनुपात 10:1 से 18:1 हो जाता है। दूसरी, कोई स्पार्क प्लग नहीं है। अकेली हवा इतनी ज़ोर से दबाई जाती है कि उसका तापमान कई सौ डिग्री तक पहुँच जाता है, जो डीज़ल ईंधन को छिड़कते ही जला देने के लिए काफ़ी है। तीसरी, इंजेक्टर हेड के बीच में आ जाता है और टॉप से लगभग 10° पहले सीधे सिलिंडर में फुहार छोड़ता है। ईंधन अंदर आते-आते जलता है, इसलिए दहन पेट्रोल के स्पार्क से ज़्यादा नरमी से शुरू होता है और ज़्यादा देर चलता है।
डीज़ल में आम अर्थ वाली थ्रॉटल प्लेट नहीं होती। यह हमेशा सिलिंडर भर हवा खींचता है और ताक़त को ज़्यादा या कम ईंधन डालकर नियंत्रित करता है। मॉडल में थ्रॉटल स्लाइडर डीज़ल मोड में ईंधन की मात्रा और पेट्रोल मोड में इनटेक दबाव बदलता है। यही अंतर एक कारण है कि आंशिक लोड पर डीज़ल कम ऊर्जा गँवाता है: धीमे चलते पेट्रोल इंजन को अपना चार्ज लगभग बंद थ्रॉटल से होकर खींचना पड़ता है, और उस रुकावट से हवा खींचने में काम ख़र्च होता है।
यह कितना दक्ष हो सकता है?
पेट्रोल इंजन का आदर्श चक्र ऑटो चक्र है: संपीडन और प्रसार बिना ऊष्मा हानि के, और सारी ऊष्मा टॉप पर एक साथ दी जाती है। इसकी दक्षता सिर्फ़ संपीडन अनुपात r और गैस के ऊष्मा धारिता अनुपात γ पर निर्भर करती है:
η = 1 − 1 / r^(γ−1)
हवा (γ = 1.4) और r = 10 के लिए यह 60.2 % देता है। 14:1 पर, जो अमेरिका के बाहर Mazda के SKYACTIV-G पेट्रोल इंजनों का अनुपात है, यह बढ़कर 65.2 % हो जाता है। आदर्श डीज़ल चक्र ऊष्मा को एक साथ नहीं, बल्कि स्ट्रोक के एक हिस्से में देता है; r = 18 और कट-ऑफ़ अनुपात 2 के साथ यह 63.2 % देता है। ऊँचा संपीडन डीज़ल का मुख्य फ़ायदा है। पेट्रोल इंजन 10 से 14:1 से बहुत आगे नहीं जा सकता, क्योंकि गर्म मिश्रण स्पार्क से पहले अपने आप फट पड़ेगा, जिसे नॉक कहते हैं।
रीडआउट की "आदर्श दक्षता" पंक्ति इन्हीं सूत्रों का इस्तेमाल करती है। नियंत्रण पैनल की प्रयोगशाला एक मॉडल दक्षता भी दिखाती है: मॉडल के दबाव लूप में किया गया काम, उसमें निकली ऊष्मा से भाग देकर। डिफ़ॉल्ट सेटिंग में यह पेट्रोल के लिए लगभग 48 % और डीज़ल के लिए लगभग 51 % है; चौथाई थ्रॉटल पर पेट्रोल 36 % तक गिर जाता है जबकि डीज़ल 50 % के आसपास रहता है। असली इंजन और ज़्यादा गँवाते हैं: ऊष्मा दीवारों में चली जाती है, दहन तुरंत नहीं होता, और घर्षण तथा ऑयल और पानी के पंप भी अपना हिस्सा लेते हैं। आम ड्राइविंग में, अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि पारंपरिक कार के ईंधन की ऊर्जा का सिर्फ़ लगभग 12 से 30 % ही कार को सड़क पर आगे बढ़ाने में लगता है, यह ड्राइविंग के प्रकार पर निर्भर है।
खींचकर बदली जाने वाली वाल्व टाइमिंग
अगर वाल्व ठीक टॉप और बॉटम डेड सेंटर पर खुलते-बंद होते, तो ऊँची गति पर इंजन ठीक से साँस नहीं ले पाता, क्योंकि गैस में द्रव्यमान होता है और उसे चलना शुरू करने और रुकने में समय लगता है। असली इंजन वाल्व जल्दी खोलते हैं और देर से बंद करते हैं। यह मॉडल सामान्य आँकड़ों से शुरू होता है:
| घटना | क्रैंक कोण |
|---|---|
| इनलेट खुलता है | टॉप डेड सेंटर से 10° पहले |
| इनलेट बंद होता है | बॉटम डेड सेंटर के 40° बाद |
| एग्ज़ॉस्ट खुलता है | बॉटम डेड सेंटर से 40° पहले |
| एग्ज़ॉस्ट बंद होता है | टॉप डेड सेंटर के 10° बाद |
| स्पार्क | टॉप डेड सेंटर से 15° पहले |
इनलेट देर से बंद करने पर चलती हवा का स्तंभ पिस्टन के वापस ऊपर चलना शुरू करने के बाद भी सिलिंडर में घुसता रहता है। एग्ज़ॉस्ट जल्दी खोलने पर ऊँचा दबाव पिस्टन के उस पर ज़ोर लगाने से पहले ही निकल जाता है। एग्ज़ॉस्ट स्ट्रोक के अंत में टॉप डेड सेंटर के आसपास दोनों वाल्व 20° तक एक साथ थोड़े खुले रहते हैं; यह वाल्व ओवरलैप बाहर जाती गैस को ताज़ा चार्ज खींचने में मदद करने देता है।
नियंत्रण पैनल का वृत्त एक वाल्व टाइमिंग आरेख है। टॉप डेड सेंटर ऊपर है और एक चक्कर क्रैंक का एक चक्कर है। नीला चाप वह समय है जब इनलेट खुला रहता है और स्लेटी चाप एग्ज़ॉस्ट का। किसी भी चाप को वृत्त पर खींचिए, या नीचे के बटन इस्तेमाल कीजिए। असली इंजन में कैम फ़ेज़र यही करता है: वह कैमशाफ़्ट को उसकी पुली के मुक़ाबले कुछ डिग्री घुमा देता है, जिससे वाल्व पहले या बाद में खुलता-बंद होता है जबकि खुले रहने का समय वही रहता है। 3D मॉडल के कैमशाफ़्ट आपकी सेटिंग के साथ घूमते हैं।
खींचते समय तीन संख्याएँ बदलती हैं। ओवरलैप ऊपर का छायांकित फाँक है। प्रभावी संपीडन अनुपात इनलेट बंद होते समय का आयतन है, सबसे छोटे आयतन से भाग देकर, इसलिए इनलेट देर से बंद करने पर यह घटता है। एटकिंसन या मिलर चक्र के लिए बने इंजन यह जान-बूझकर करते हैं, ताकि बिना नॉक के ऊँचा प्रसार अनुपात चला सकें। मॉडल दक्षता दबाव लूप के साथ चलती है: एग्ज़ॉस्ट जल्दी खोलने से वह दबाव फेंक दिया जाता है जो अभी भी पिस्टन को धकेल सकता था, इसलिए दक्षता गिरती है।
थ्रॉटल, गति, टॉर्क और पावर
प्रयोगशाला का दूसरा चार्ट इंजन की गति के साथ टॉर्क और पावर दिखाता है। काली रेखा आपके तय किए थ्रॉटल पर टॉर्क है और नारंगी रेखा उसके अनुरूप पावर। स्लेटी डैश पूरा थ्रॉटल दिखाते हैं। बिंदीदार रेखा सड़क जैसा एक लोड है जो गति के साथ बढ़ता है, और लाल बिंदु वहाँ बैठता है जहाँ इंजन का टॉर्क और लोड मिलते हैं। यही वह गति है जिस पर इंजन टिक जाएगा। थ्रॉटल बंद करें तो बिंदु नीचे कम गति पर सरक जाता है, और ड्राइवर कार को इसी तरह नियंत्रित करता है।
टॉर्क मॉडल के चक्र के काम से आता है: एक सिलिंडर हर चक्र में 625 जूल का गैस काम करे तो दो चक्करों पर औसत 625 / 4π ≈ 50 न्यूटन-मीटर मिलता है। साँस लेने की क्षमता गति के साथ बदलती है (एक बीच की गति के पास सबसे अच्छी, जो वाल्व टाइमिंग के साथ खिसकती है) और घर्षण गति के साथ बढ़ता है, इसलिए टॉर्क बीच में शिखर पर पहुँचता है और पावर ऊपर के क़रीब तक बढ़ती रहती है। पावर टॉर्क गुणा कोणीय गति है: P = T × 2πN / 60। ये सारे कर्व आकार दिखाने के लिए मॉडल के मान हैं, डायनामोमीटर की शीट नहीं।
चार की जगह दो स्ट्रोक
"टू-स्ट्रोक से तुलना" चालू करें। मंच पर उसी क्रैंक पर लगे टू-स्ट्रोक सिलिंडर का चित्र दिखता है। इसमें वाल्व नहीं हैं। पिस्टन ख़ुद अपनी चाल के तल के पास सिलिंडर की दीवार में एक एग्ज़ॉस्ट पोर्ट और एक ट्रांसफ़र पोर्ट खोल देता है। ताज़ा चार्ज, जो पिस्टन के नीचे क्रैंककेस में पहले ही थोड़ा दब चुका होता है, ट्रांसफ़र पोर्ट से तेज़ी से अंदर आता है और जली गैस को एग्ज़ॉस्ट से बाहर धकेल देता है। इसलिए हर नीचे की ओर का स्ट्रोक पावर स्ट्रोक है, और इंजन हर चक्कर में एक बार फ़ायर होता है।
टॉर्क ग्राफ़ की नारंगी रेखा टू-स्ट्रोक का टॉर्क है। यह दोगुनी बार फ़ायर होता है, पर मॉडल में हर चक्र कम काम करता है (लगभग आधा), क्योंकि पोर्ट स्ट्रोक के बड़े हिस्से तक खुले रहते हैं और कुछ ताज़ा चार्ज सीधे एग्ज़ॉस्ट से निकल जाता है। यही गँवाया हुआ ईंधन वजह है कि छोटे टू-स्ट्रोक इंजन हल्के और सरल तो हैं पर गंदे हैं, और ज़्यादातर सड़क वाहन चार स्ट्रोक पर चले गए। जहाज़ों के बड़े, धीमे टू-स्ट्रोक डीज़ल इस समस्या को ब्लोअर और एग्ज़ॉस्ट वाल्व से हल करते हैं, और अब तक बने सबसे दक्ष इंजनों में गिने जाते हैं।
असली इंजन
इंजन सूची मॉडल की बनावट, ईंधन और सिलिंडर का आकार असली इंजन के अनुसार सेट करती है। सिलिंडर सही आकार में बनते हैं, केवल सबसे बड़े छोटे करके और टिप्पणी के साथ दिखाए जाते हैं। संपीडन अनुपात और दबाव मॉडल के मान ही रहते हैं।
| इंजन | बनावट | ईंधन | विस्थापन | रेटेड पावर | कहाँ लगा |
|---|---|---|---|---|---|
| Honda GX160 | सिंगल | पेट्रोल | 163 cc | जनरेटर, पंप | |
| Royal Enfield J-series 350 | सिंगल | पेट्रोल | 349 cc | 14.87 kW | Classic 350 |
| Yamaha CP2 | इनलाइन 2, 270° | पेट्रोल | 689 cc | MT-07 | |
| Toyota 1GD-FTV | इनलाइन 4 | डीज़ल | 2,754 cc | 130 kW | Hilux |
| Toyota 2JZ-GTE | इनलाइन 6 | पेट्रोल | 2,997 cc | 206 kW | Aristo |
पावर सिर्फ़ वहीं दी गई है जहाँ बताए गए संस्करण की एक ही रेटिंग की पुष्टि हुई। इनमें से कई इंजन एक से ज़्यादा रेटिंग में बेचे गए थे।
संख्याएँ, हिसाब लगाकर
| राशि | मान | कैसे निकलता है |
|---|---|---|
| स्वेप्ट आयतन | 499.6 cc | π/4 × 86² mm × 86 mm |
| क्लीयरेंस आयतन, पेट्रोल | 55.5 cc | स्वेप्ट ÷ (10 − 1) |
| क्लीयरेंस आयतन, डीज़ल | 29.4 cc | स्वेप्ट ÷ (18 − 1) |
| डीज़ल के लिए पिस्टन की ऊँचाई | 4.5 mm | (55.5 − 29.4) cc ÷ बोर का क्षेत्रफल |
| 10:1 पर आदर्श दक्षता | 60.2 % | 1 − 1/10^0.4 |
| टॉप के 90° बाद पिस्टन की चाल | 49.5 mm, 43 नहीं | रॉड का कोण गिरावट में जुड़ता है |
| 6,000 rpm पर औसत पिस्टन गति | 17.2 m/s | 2 × स्ट्रोक × प्रति सेकंड चक्कर |
| 3,000 rpm पर चार सिलिंडर के प्रति सेकंड पावर स्ट्रोक | 100 | 4 × 3,000 ÷ 60 ÷ 2 |
दबाव-आयतन लूप को पढ़ना
रीडआउट का छोटा ग्राफ़ क्रैंक घूमने के साथ सिलिंडर दबाव को आयतन के सामने दिखाता है। इसकी खड़ी धुरी लघुगणकीय है, ताकि इनटेक का कम दबाव और दहन का ऊँचा शिखर दोनों एक ही चार्ट में आ जाएँ। लूप से घिरा क्षेत्रफल उस काम के समानुपाती है जो गैस एक चक्र में पिस्टन पर करती है। थ्रॉटल बंद कीजिए और लूप को सिकुड़ते और नीचे की रेखा को वायुमंडलीय दबाव से नीचे गिरते देखिए: नीचे का छोटा उल्टा लूप पंपिंग का काम है।
यहाँ का दबाव एक सरल मॉडल है, नाप नहीं। संपीडन और प्रसार पॉलीट्रॉपिक संबंध pVⁿ = स्थिरांक का पालन करते हैं, जिसमें n = 1.32, और ऊष्मा का निकलना एक चिकने S-आकार के दहन कर्व पर चलता है जो स्पार्क से शुरू होकर 55 क्रैंक डिग्री तक चलता है। इससे पूरे थ्रॉटल पर टॉप डेड सेंटर के 20° बाद लगभग 51 bar का शिखर आता है।
एग्ज़ॉस्ट को साफ़ करना
हवा में पेट्रोल जलने से तीन मुख्य प्रदूषक बचते हैं: कार्बन मोनोऑक्साइड, बिना जले हाइड्रोकार्बन और नाइट्रोजन ऑक्साइड। एग्ज़ॉस्ट पाइप में लगा कैटेलिटिक कन्वर्टर प्लैटिनम, पैलेडियम और रोडियम की परत वाला सिरेमिक मधुकोश है। पेट्रोल कार में यह थ्री-वे कैटेलिस्ट होता है: यह कार्बन मोनोऑक्साइड और हाइड्रोकार्बन को ऑक्सीकृत करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी बनाता है और नाइट्रोजन ऑक्साइड को अपचयित करके नाइट्रोजन बनाता है। तीनों काम एक साथ यह तभी कर पाता है जब इंजन रासायनिक रूप से सही मिश्रण के बहुत क़रीब चले, इसीलिए पेट्रोल इंजनों के एग्ज़ॉस्ट में ऑक्सीजन सेंसर होता है। डीज़ल अतिरिक्त हवा के साथ चलते हैं, इसलिए वे ऑक्सीकरण कैटेलिस्ट, कालिख के लिए पार्टिकुलेट फ़िल्टर और नाइट्रोजन ऑक्साइड के लिए अलग प्रणाली इस्तेमाल करते हैं।
चार-स्ट्रोक इंजन कहाँ से आया
ऐसे आंतरिक दहन इंजन, जो मिश्रण खींचकर उसे पहले दबाए बिना जला देते थे, 1860 के दशक तक बन चुके थे, पर वे कम दक्ष थे। 1876 में जर्मनी के निकोलॉस ऑटो ने पहला व्यावहारिक इंजन बनाया जो जलाने से पहले अपने चार्ज को दबाता था, और उसमें यहाँ दिखाया गया चार-स्ट्रोक चक्र इस्तेमाल हुआ। इसीलिए आदर्श चार-स्ट्रोक पेट्रोल चक्र आज भी ऑटो चक्र कहलाता है। 1890 के दशक में रुडोल्फ़ डीज़ल ने वह इंजन विकसित किया जो अपने ईंधन को सिर्फ़ संपीडन से जलाता है।
गैस के काम से किलोवॉट तक: एक हल किया उदाहरण
मॉडल पूरे थ्रॉटल पर हर सिलिंडर को प्रति चक्र लगभग 625 जूल गैस का काम देता है। नीचे सब कुछ इसी एक संख्या से निकलता है, और जिस इंजन की स्पेसिफिकेशन शीट पढ़ी जा सके, उसके लिए यही कदम काम करते हैं।
- चार सिलिंडरों का प्रति चक्र काम। 4 × 625 J = 2500 J।
- औसत टॉर्क। एक चक्र दो चक्कर का होता है, यानी 4π रेडियन, इसलिए T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m। यह पूरे चक्र का औसत है। रीडआउट का टॉर्क ग्राफ इसके ऊपर-नीचे झूलता है।
- 3000 rpm पर पावर। P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62.5 kW। छोटा रास्ता वही देता है: प्रति चक्र 2500 J × प्रति सेकंड 25 चक्र = 62,500 W।
- औसत प्रभावी दाब। प्रति चक्र काम को स्वेप्ट वॉल्यूम से भाग दें: 2500 J ÷ 1.998 लीटर = 1.25 मेगापास्कल, यानी लगभग 12.5 bar। यह वह स्थिर दाब है जो पूरे पावर स्ट्रोक में पिस्टन पर लगकर उतना ही काम करता। यह इंजन की क्षमता पर निर्भर नहीं करता, इसलिए अलग-अलग आकार के इंजनों की तुलना हो सकती है।
- प्रति लीटर पावर। 62.5 kW ÷ 1.998 L ≈ 31 kW प्रति लीटर।
यहाँ मॉडल सरलता के लिए टॉर्क को स्थिर रखता है। असली इंजन में टॉर्क गति के साथ बदलता है, इसलिए 6000 rpm पर पावर ठीक दोगुनी नहीं होती। उदाहरण का मक़सद इकाइयों की कड़ी दिखाना है: प्रति चक्र जूल न्यूटन-मीटर बनते हैं, और न्यूटन-मीटर को रेडियन प्रति सेकंड से गुणा करने पर वॉट मिलते हैं।
इंजन सूची दिखाती है कि प्रति लीटर पावर कितनी अलग हो सकती है। ऊपर की तालिका की रेटेड आउटपुट से, Toyota 1GD-FTV डीज़ल 2755 cc से 130 kW देता है, यानी लगभग 47 kW प्रति लीटर। Volkswagen EA888 2.0 TSI 1984 cc से 162 kW देता है, लगभग 82 kW प्रति लीटर, और Honda K20C1 1996 cc से 228 kW देता है, लगभग 114 kW प्रति लीटर। ये किसी एक संस्करण की एक गति पर रेटेड मान हैं, और टर्बो इंजन इन तक बड़े बोर या लंबे स्ट्रोक से नहीं, उन्हीं सिलिंडरों में ज़्यादा हवा ठूँसकर पहुँचते हैं।
संपीडन अनुपात, नॉक और ईंधन
दक्षता का सूत्र η = 1 − 1/r^(γ−1) ऊँचे संपीडन अनुपात को इनाम देता है, पर फ़ायदा घटता जाता है। γ = 1.4 लेने पर:
| संपीडन अनुपात | आदर्श दक्षता |
|---|---|
| 8:1 | 56.5 % |
| 10:1 | 60.2 % |
| 12:1 | 63.0 % |
| 14:1 | 65.2 % |
8 से 10 करने पर 3.7 प्रतिशत अंक मिलते हैं। 12 से 14 करने पर सिर्फ़ 2.2। वक्र चपटा होता जाता है, और संपीडन की हर अगली इकाई कम देती है।
असली इंजन इन आँकड़ों से काफ़ी नीचे रहते हैं। इंजन के अंदर की गैस γ = 1.4 वाली हवा नहीं है: जली हुई मिश्रण का ऊष्मा-धारिता अनुपात कम होता है, और γ = 1.3 लेने पर वही सूत्र 10:1 पर सिर्फ़ 49.9 % देता है। डिफ़ॉल्ट सेटिंग पर मॉडल का मान, लगभग 48 %, इसी दायरे में है। दीवारों में जाने वाली गर्मी और घर्षण असली मान को और घटाते हैं, उत्पादन इंजनों में ज़्यादा से ज़्यादा लगभग 30 से 40 % तक।
पेट्रोल इंजनों को अनुपात सीधे बढ़ाने से नॉक रोकता है। ऑक्टेन रेटिंग यह नापती है कि ईंधन नॉक को कितना सह सकता है, जिसमें दबे हुए मिश्रण का एक हिस्सा लौ पहुँचने से पहले ख़ुद जल उठता है। ऊँचे अनुपात में बचा हुआ गैस ज़्यादा गर्म और घना हो जाता है, इसलिए ऐसा ईंधन चाहिए जो ख़ुद जलने का विरोध करे। इसीलिए मैनुअल बताता है कि कौन-सा ऑक्टेन भरना है: इंजन उसी के हिसाब से बना है। नए इंजन नॉक पकड़ने पर स्पार्क को पीछे कर सकते हैं, इससे वे बचते हैं पर पावर और माइलेज घटता है। मॉडल का डीज़ल सिर्फ़ हवा को दबाकर और ईंधन बाद में डालकर यह समस्या टाल देता है।
आम ग़लतफ़हमियाँ
«इंजन हर स्ट्रोक में फटता है।» चार में से सिर्फ़ एक स्ट्रोक पिस्टन पर काम करता है। एकल सिलिंडर में बाक़ी तीन स्ट्रोक फ़्लाईव्हील से ऊर्जा लेते हैं। «सिलिंडर» स्लाइडर बढ़ाकर फ़ायरिंग क्रम देखिए: आठ सिलिंडर में पावर स्ट्रोक हर 90° पर आते हैं, इसलिए लगातार लगते हैं।
«टॉर्क और पावर एक ही चीज़ हैं।» टॉर्क क्रैंकशाफ़्ट पर मरोड़ने वाला बल है। पावर टॉर्क को घूमने की गति से गुणा करने पर मिलती है। इंजन का सबसे ऊँचा टॉर्क बीच की गति पर और सबसे ऊँची पावर कहीं ज़्यादा गति पर हो सकती है, गति वाले ग्राफ़ के दोनों वक्र यही दिखाते हैं।
«ज़्यादा सिलिंडर का मतलब हमेशा ज़्यादा पावर।» पावर इस पर निर्भर है कि इंजन प्रति सेकंड कितनी हवा जला सकता है: क्षमता, गति, और हर सिलिंडर में कितनी हवा भरी जाती है। सूची का छोटा टर्बो तीन-सिलिंडर बिना टर्बो वाले बड़े इंजन को पीछे छोड़ सकता है। ज़्यादा सिलिंडर मुख्यतः टॉर्क को चिकना करते हैं और हर सिलिंडर को छोटा रखने देते हैं, जैसा झूलने वाला कॉलम दिखाता है।
«थ्रॉटल बंद करने से उतना ही काम कम ईंधन में होता है।» सिलिंडर में कम हवा जाती है और ईंधन उसी अनुपात में नापा जाता है। क़ीमत है पंपिंग का काम: पिस्टन को लगभग बंद वाल्व के पास से हवा खींचनी पड़ती है। दाब-आयतन ग्राफ़ का छोटा उलटा लूप यही नुक़सान है।
«ऊँचा ऑक्टेन यानी ज़्यादा पावर।» ऑक्टेन रेटिंग नॉक के प्रतिरोध को बताती है, ईंधन में भरी ऊर्जा को नहीं। जो इंजन कम ग्रेड पर नॉक नहीं करता, उसे ऊँचे ग्रेड से कुछ नहीं मिलता, और निर्माता की सिफ़ारिश ही मानी जानी चाहिए।
स्क्रीन पर आज़माइए
- हल किया उदाहरण जाँचिए। चार सिलिंडर, पेट्रोल और पूरा थ्रॉटल चुनिए। टॉर्क ग्राफ़ की बिंदीदार रेखा औसत टॉर्क है, और लैब का गति ग्राफ़ उससे मेल खाती पावर बनाता है। उनके आकार को ऊपर के कदमों से मिलाइए।
- लूपों की तुलना कीजिए। «डीज़ल» चालू-बंद करके दाब-आयतन लूप, संपीडन अनुपात और «आदर्श दक्षता» वाली पंक्ति की तुलना कीजिए। अनुपात 10:1 से 18:1 हो जाता है।
- प्रभावी संपीडन देखिए। वाल्व टाइमिंग वाले वृत्त में इनलेट चाप को देर की ओर खींचिए और बदलते हुए «प्रभावी संपीडन» और मॉडल की दक्षता पढ़िए।
- पंपिंग का नुक़सान देखिए। पेट्रोल में थ्रॉटल घटाइए और दाब-आयतन ग्राफ़ के नीचे का छोटा उलटा लूप देखिए, साथ में मॉडल की दक्षता, जो चौथाई थ्रॉटल पर लगभग 36 % तक गिरती है।
- अलग आकार के इंजन मिलाइए। इंजन सूची से दो प्रविष्टियाँ, जैसे Honda GX160 और GM LS3, चुनिए और सिलिंडरों के चित्र तथा सूची के नीचे नोट में प्रति सिलिंडर cc की तुलना कीजिए।
1876 से कंटेनर जहाज़ तक, तीस इंजन
«नियंत्रण» टैब की इंजन सूची में अब तीस इंजन हैं। नाम से खोज सकते हैं या 1950 से पहले, कार, मोटरसाइकिल, छोटे इंजन, ट्रक, रेसिंग और जहाज़, तथा चिंगारी से प्रज्वलन या डीज़ल के अनुसार छाँट सकते हैं। चुनाव से बनावट, ईंधन और सिलिंडर आकार बदलता है; चित्र घास काटने की मशीन के सिलिंडर से जहाज़ तक बढ़ता है।
| इंजन | वर्ष | बनावट | विस्थापन | रेटेड पावर | स्रोत क्या बताता है |
|---|---|---|---|---|---|
| ऑटो चार-स्ट्रोक इंजन (Deutz) | 1876 | सिंगल, कोयला गैस | नहीं दिया | 180 rpm पर 3 hp (2.2 kW) | संपीडित मिश्रण वाला पहला चार-स्ट्रोक |
| Benz Patent Motor Car इंजन | 1886 | सिंगल | 954 cc (90 × 150 mm) | 400 rpm पर 0.55 kW | संपीडन अनुपात 2.7 |
| डीज़ल का परीक्षण इंजन (MAN) | 1897 | सिंगल, डीज़ल | 19.6 L (250 × 400 mm) | 172 rpm पर 14.7 kW | दक्षता 26.2 % |
| Ford Model T (1914 की कार) | 1914 | इनलाइन 4 | 2,896 cc (3.75 × 4 in) | 1,600 rpm पर 20 hp (14.9 kW) | L-हेड वाल्व |
| Toyota 2ZR-FXE | 2015 | इनलाइन 4 | 1,797 cc | 5,200 rpm पर 72 kW | तापीय दक्षता 40 % |
| Toyota M20A-FKS | 2018 | इनलाइन 4 | 1,986 cc | 6,600 rpm पर 126 kW | 13:1, दक्षता 40 % |
| Toyota A25A-FKS | 2016 | इनलाइन 4 | 2,487 cc | 6,600 rpm पर 151 kW | 13:1, दक्षता 40 % |
| Mercedes-AMG F1 पावर यूनिट | 2014 | V6 टर्बो | 1.6 L | प्रकाशित नहीं | तापीय दक्षता 50 % से अधिक |
| Kubota D902-K | इनलाइन 3, डीज़ल | 898 cc | 3,600 rpm पर 18.5 kW | छोटी मशीनें | |
| Wärtsilä 6RT-flex96C | 2004 | इनलाइन 6, दो-स्ट्रोक डीज़ल | 10,857 L (960 × 2,500 mm) | 102 rpm पर प्रति सिलिंडर 6,030 kW | 171 g/kWh |
दो मामलों में टिप्पणी ज़रूरी है। मॉडल 60° V6 दिखाता है, जबकि फ़ॉर्मूला 1 इंजन 90° V6 है; इसलिए बनावट क़रीब है, बिल्कुल वही नहीं। जहाज़ के सिलिंडर का व्यास 960 mm है, मॉडल के बोर से ग्यारह गुने से अधिक। इसलिए दृश्य उसे मॉडल के दोगुने आकार में बनाकर यह बताता है; आँकड़े असली आकार के रहते हैं। Wärtsilä दस्तावेज़ दक्षता प्रतिशत में नहीं देता। वह खपत से निकलती है: प्रति किलोवाट-घंटा 171 ग्राम ईंधन और प्रति किलोग्राम 42.7 MJ ऊर्जा से 3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 % मिलता है। जहाज़ का इंजन दो-स्ट्रोक है, इसलिए उसे चुनने से दो-स्ट्रोक तुलना भी खुलती है।
बड़ा सिलिंडर उतनी तेज़ी से नहीं घूम सकता। सीमा पिस्टन की गति लगाती है, इसलिए सिलिंडर बड़ा करने पर मॉडल औसत पिस्टन गति स्थिर रखता है। मॉडल के आकार में 86 mm स्ट्रोक पर 7,000 rpm का अर्थ 20.1 m/s औसत गति है। जहाज़ की तरह 15 गुना बड़ा करने पर वही पिस्टन गति केवल लगभग 300 rpm की अनुमति देती है। असली जहाज़ इंजन 102 rpm पर चलता है, क्योंकि उसका स्ट्रोक बोर का 2.6 गुना है; औसत गति Wärtsilä तालिका के अनुसार 8.5 m/s होती है।
असली गति, फिर धीमी गति
«3,000 rpm पर चलाएँ» बटन वह दिखाता है जिसे मॉडल अक्सर छिपाता है। 3,000 rpm पर क्रैंकशाफ़्ट हर सेकंड 50 चक्कर लगाता है, हर सिलिंडर 25 बार प्रज्वलित होता है और एक स्ट्रोक 10 मिलीसेकंड का होता है। 60 Hz स्क्रीन पर दो फ़्रेम के बीच क्रैंक 300 डिग्री घूम जाता है, इसलिए पुर्ज़े झटके खाते या उलटे घूमते दिखते हैं। यही स्ट्रोबोस्कोप प्रभाव फ़िल्मों के पहिए उलटे घुमाता दिखाता है। तीन सेकंड बाद मॉडल 3.5 सेकंड में धीमा होकर 6 rpm पर आता है। फिर हर स्ट्रोक दिखता है और पट्टी सिलिंडर 1 के स्ट्रोक का नाम देती है। आवाज़ चालू होने पर तेज़ गति की अलग धकधक एक गूँज बनती है और धीमी होने पर फिर अलग होती है।
संपीडन अनुपात, नॉकिंग और इनलेट का देर से बंद होना
संपीडन स्लाइडर पेट्रोल का अनुपात 6:1 से 15:1 करता है। ऊँचा अनुपात मॉडल दक्षता बढ़ाता है (10:1 पर 47.6 %), क्योंकि जलने के बाद गैस ज़्यादा फैलती है। पर अधजला मिश्रण भी अधिक दबता है। अंतिम हिस्सा पर्याप्त गरम और घना होने पर प्लग की लौ पहुँचने से पहले अपने आप जलता है और दो दबाव तरंगें टकराती हैं। यही नॉकिंग है: धातु जैसी खनक, ऊँचा अधिकतम दबाव और असली इंजन में खराब पिस्टन।
नॉकिंग ईंधन, तापमान, चेंबर के आकार और प्रज्वलन समय पर निर्भर है। मॉडल एक सरल नियम इस्तेमाल करता है और स्क्रीन पर बताता है: संपीडन के अंत का दबाव 20.5 bar से ऊपर होने पर नॉकिंग होती है। शुरुआती टाइमिंग पर सीमा लगभग 11:1 है (20.2 bar, नॉकिंग नहीं); 12:1 पर 22.7 bar होता है और नॉकिंग आती है।
एक उपाय है। इनलेट देर से बंद हो तो बंद होने से पहले कुछ मिश्रण वापस इनलेट में जाता है। पिस्टन असल में ज्यामितीय अनुपात से कम संपीडन करता है। इनलेट 40° देर से होने पर 13.5:1 में अंतिम दबाव 17.9 bar, सीमा से नीचे रहता है और दक्षता 50.9 % हो जाती है। विस्तार पूरे 13.5:1 का उपयोग करता है। यही एटकिंसन और मिलर चक्र का विचार है: छोटा संपीडन, लंबा विस्तार। प्रियस का Toyota 2ZR-FXE इसे अपनाता है; Mazda और Toyota अपने नए पेट्रोल इंजनों के लिए 13 और 14 से 1 अनुपात बताते हैं।
टर्बो और नॉकिंग की वापसी
लगाने पर टर्बो निकास पाइप के पास दिखता है। निकास गैस टरबाइन का पहिया घुमाती है; उसी शाफ़्ट का कंप्रेसर इनलेट में हवा भेजता है। ज़्यादा हवा से ज़्यादा ईंधन जलता है, इसलिए उसी विस्थापन से पावर बढ़ती है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग टर्बो को सिलिंडरों में अतिरिक्त हवा भरने वाला कंप्रेसर बताता है, जिससे ज़्यादा ईंधन इंजेक्ट किया जा सके; छोटे इंजन के साथ टर्बो से ईंधन बचत अधिकतम 8 % बताता है।
बूस्ट स्लाइडर बाहरी हवा से ऊपर दबाव जोड़ता है। मॉडल के सिंगल में 0.9 bar बूस्ट से अधिकतम पावर 19.1 kW से 29.4 kW होती है। कीमत नॉकिंग है: अंतिम संपीडन दबाव बढ़ता है, इसलिए 10:1 पर 0.6 bar से ही 29.1 bar हो जाता है। असली टर्बो पेट्रोल इंजन कम अनुपात, देर से बंद इनलेट, ठंडी चार्ज हवा और सीधे इंजेक्शन से बचाव करते हैं। मॉडल में 8:1 और इनलेट 40° देर से बंद होने पर 0.9 bar बिना नॉकिंग काम करता है (18.1 bar)। डीज़ल की यह सीमा नहीं, क्योंकि ईंधन जलने के समय ही छिड़कता है।
दृश्य की चुनौतियाँ
«नियंत्रण» की «चुनौतियाँ» सूची, जिसे दृश्य के बिल्ले से भी खोल सकते हैं, काम करते समय मॉडल पर जाँच करती है। ग्यारह चुनौतियाँ हैं: कैम टाइमिंग से अधिकतम पावर कम से कम 5 % बढ़ाना (जाँचे गए सबसे अच्छे सेटिंग, इनलेट 15° पहले और निकास 30° बाद, से 10.7 % मिलता है), बिना नॉकिंग 13:1 पाना, V8 क्रम बताना, आंशिक लोड पर डीज़ल की बढ़त देखना (आधे थ्रॉटल पर 50.7 % बनाम 43.6 %), सबसे सुचारु बनावट चुनना, असली गति पर चलाना, दो और चार स्ट्रोक मिलाना, सूची का सबसे दक्ष और सबसे पुराना इंजन खोजना, बिना नॉकिंग 0.8 bar बूस्ट पाना और सभी नज़दीकी दृश्य खोलना। हल के निशान लौटने पर बने रहते हैं।
रीडआउट में «तात्कालिक» और «औसत»
रीडआउट दो तरह की संख्याएँ मिलाता है, जिन पर अलग टैग हैं। «तात्कालिक» गैस टॉर्क उस क्रैंक कोण पर गैस से मिलने वाला घुमाव है। वह संपीडन में ऋणात्मक से चिंगारी के तुरंत बाद कई सौ न्यूटन-मीटर तक बदलता है; उसे इंजन गति से गुणा करना अर्थहीन होगा। «औसत» टॉर्क, गति और पावर साथ जुड़े हैं: घर्षण और गैस विनिमय के बाद, लोड के साथ संतुलित गति पर पूरे चक्र का औसत। इस टॉर्क को रेडियन प्रति सेकंड वाली गति से गुणा करें तो उसी पंक्ति की पावर मिलती है।
नज़दीकी दृश्य
बटन एक पुर्ज़े के पास जाकर क्रैंक को उसके अहम पल पर रोकते हैं: 90° पर क्रैंक पिन, पूरा उठा इनलेट कैम, ऊपरी मृत केंद्र के पास दोनों वाल्व खुले, संपीडन करता पिस्टन, ऊपर पहुँचने से पहले चिंगारी, इंजेक्शन शुरू करता डीज़ल इंजेक्टर और टर्बो। «खोलकर देखें» ढले हिस्सों को चलने वाले पुर्ज़ों से अलग करता है ताकि पिस्टन, रॉड और क्रैंकशाफ़्ट अकेले चलते दिखें।
सवाल-जवाब
चार-स्ट्रोक इंजन को एक चक्र के लिए क्रैंकशाफ़्ट के दो चक्कर क्यों चाहिए?
क्योंकि यह पिस्टन की एक पूरी नीचे-ऊपर चाल साँस लेने (निकास और इनटेक) के लिए और दूसरी संपीडन और पावर के लिए इस्तेमाल करता है। चारों स्ट्रोक में से हर एक आधा चक्कर है, इसलिए पूरा चक्र दो चक्कर लेता है।
कैमशाफ़्ट क्रैंकशाफ़्ट की आधी गति से क्यों घूमता है?
हर वाल्व को एक चक्र में एक बार खुलना है, और एक चक्र में क्रैंक के दो चक्कर लगते हैं। हर चक्र में एक बार, यानी क्रैंक के हर दो चक्करों में एक बार घूमता कैमशाफ़्ट हर वाल्व को ठीक एक बार खोलता है।
संपीडन अनुपात का क्या मतलब है?
यह स्ट्रोक के तल पर पिस्टन के ऊपर का आयतन है, टॉप पर के आयतन से भाग देकर। इस मॉडल में यह 555.1 cc भाग 55.5 cc है, जो 10 होता है। ऊँचा अनुपात ज़्यादा दक्षता देता है, उस बिंदु तक जहाँ ईंधन स्पार्क से पहले अपने आप जल उठे, जिसे नॉक कहते हैं।
स्पार्क टॉप डेड सेंटर से पहले क्यों दिया जाता है?
ज्वाला को मिश्रण में फैलने में समय लगता है। थोड़ा जल्दी स्पार्क देने का मतलब है कि दबाव का शिखर टॉप के ठीक बाद आता है, जब पिस्टन उसे काम में बदल सकता है। ठीक टॉप पर स्पार्क देने से ज़्यादातर दहन तब होता जब पिस्टन पहले ही दूर जा रहा होता।
ज़्यादा सिलिंडर इंजन को ज़्यादा सहज क्यों बनाते हैं?
पावर स्ट्रोक एक-दूसरे पर चढ़ जाते हैं। एक सिलिंडर अपने चक्र के चौथाई हिस्से में धक्का देता है और बाक़ी समय बस घूमता रहता है; आठ सिलिंडर हर 90° पर फ़ायर होते हैं, इसलिए हमेशा कोई न कोई धक्का दे रहा होता है। मॉडल में टॉर्क का उतार-चढ़ाव औसत के 16 गुना से गिरकर 1.4 गुना रह जाता है।
डीज़ल को स्पार्क प्लग की ज़रूरत क्यों नहीं होती?
यह हवा को लगभग 18:1 या उससे ज़्यादा दबाता है, जिससे वह कई सौ डिग्री तक गर्म हो जाती है। उस गर्म हवा में छिड़का गया डीज़ल ईंधन अपने आप जल उठता है।
वेरिएबल वाल्व टाइमिंग क्या करती है?
यह इंजन चलते समय कैमशाफ़्ट को क्रैंकशाफ़्ट के मुक़ाबले थोड़ा घुमा देती है। इनलेट जल्दी बंद करना कम गति पर मदद करता है, देर से बंद करना और ज़्यादा ओवरलैप ऊँची गति पर, इसलिए एक ही इंजन ज़्यादा चौड़ी रेंज में अच्छी तरह साँस ले सकता है। आज़माने के लिए टाइमिंग वृत्त पर चाप खींचिए।
कारों ने टू-स्ट्रोक इंजन इस्तेमाल करना क्यों छोड़ दिया?
सरल टू-स्ट्रोक कुछ ताज़ा मिश्रण को एग्ज़ॉस्ट पोर्ट से निकल जाने देता है, और अपने ईंधन में मिला ऑयल जलाता है। दोनों से एग्ज़ॉस्ट ज़्यादा गंदा होता है और ईंधन बर्बाद होता है, जिसे उत्सर्जन नियमों के तहत स्वीकार करना मुश्किल हो गया।
क्षमता और औसत प्रभावी दाब से पावर कैसे निकलती है?
औसत प्रभावी दाब को क्षमता से गुणा करने पर प्रति चक्र काम मिलता है, फिर उसे प्रति सेकंड चक्रों की संख्या (चार-स्ट्रोक के लिए rpm ÷ 120) से गुणा कीजिए। मॉडल में 1.25 MPa × 1.998 L = 2500 J है, और प्रति सेकंड 25 चक्र पर 3000 rpm में 62.5 kW मिलता है।
असली दक्षता ओटो वाले मान से इतनी नीचे क्यों है?
ओटो सूत्र मानता है कि गर्मी का नुक़सान नहीं है, दहन पल भर में होता है और गैस के गुण नहीं बदलते। असली इंजन कूलिंग तंत्र को गर्मी देता है, क्रैंक कोण के कई दर्जन अंश में जलता है, इनटेक और एग्ज़ॉस्ट में हवा पंप करता है और घर्षण से जूझता है। सब मिलकर एक अच्छे उत्पादन इंजन को लगभग 30 से 40 % पर लाते हैं।
क्या प्रीमियम पेट्रोल किसी भी इंजन को तेज़ बना देता है?
नहीं। ऑक्टेन रेटिंग ईंधन के नॉक-प्रतिरोध को नापती है, इसलिए यह उन्हीं इंजनों के लिए मायने रखती है जो उसके लिए बने हैं या जो वरना नॉक करेंगे। मैनुअल में लिखा ग्रेड इस्तेमाल कीजिए।
जहाज़ का डीज़ल इतना धीमा क्यों घूमता है?
क्योंकि सिलिंडर बहुत बड़े हैं। Wärtsilä RT-flex96C के पिस्टन 960 mm चौड़े और 2.5 m स्ट्रोक वाले हैं; 102 rpm पर उनकी औसत गति पहले ही 8.5 m/s है। कार के पिस्टन लगभग 3,000 rpm पर वैसी औसत गति पाते हैं क्योंकि उनका स्ट्रोक लगभग तीस गुना छोटा होता है।
टर्बोचार्जर क्या करता है?
वह निकास की बची ऊर्जा से इंजन में ज़्यादा हवा भरता है। निकास की टरबाइन उसी शाफ़्ट से इनलेट का कंप्रेसर चलाती है। ज़्यादा हवा से ज़्यादा ईंधन जल सकता है, इसलिए छोटा इंजन बड़े जितनी पावर देता है। पेट्रोल में अतिरिक्त दबाव नॉकिंग सीमा को पास लाता है।
एटकिंसन और मिलर चक्र क्या हैं?
दोनों संपीडन से लंबा विस्तार देते हैं। आधुनिक एटकिंसन इंजन इनलेट देर से बंद करता है, जिससे संपीडन शुरू होने से पहले कुछ मिश्रण वापस जाता है। मिलर चक्र यही करता है या इनलेट जल्दी बंद करता है और आमतौर पर खोई हवा भरने के लिए सुपरचार्जर या टर्बो जोड़ता है। इंजन प्रति लीटर थोड़ी पावर छोड़कर दक्षता पाता है।
शब्दावली
- टॉप डेड सेंटर (TDC): पिस्टन का सबसे ऊँचा बिंदु; बॉटम डेड सेंटर (BDC) उसका सबसे नीचा बिंदु है।
- बोर और स्ट्रोक: सिलिंडर का व्यास, और पिस्टन जितनी दूरी चलता है।
- स्वेप्ट आयतन: वह आयतन जिसे पिस्टन एक स्ट्रोक में विस्थापित करता है; सभी सिलिंडरों का जोड़ इंजन का विस्थापन है।
- संपीडन अनुपात: पिस्टन के ऊपर का सबसे बड़ा आयतन, सबसे छोटे से भाग देकर।
- फ़ायरिंग क्रम: वह क्रम जिसमें सिलिंडर फ़ायर होते हैं।
- वाल्व ओवरलैप: वह क्रैंक कोण जिसके दौरान इनलेट और एग्ज़ॉस्ट वाल्व एक साथ खुले रहते हैं।
- कैम फ़ेज़र: वह उपकरण जो वाल्व टाइमिंग खिसकाने के लिए कैमशाफ़्ट को उसकी पुली के मुक़ाबले घुमाता है।
- पॉलीट्रॉपिक: ऐसा संपीडन या प्रसार जो pVⁿ = स्थिरांक का पालन करे।
- सेक्शन: अंदर दिखाने के लिए काटा गया मॉडल; कटी सतहें रंगी होती हैं।
स्रोत
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- NASA Glenn Research Center, Four-stroke internal combustion engine. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/engopt.html
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- U.S. Department of Energy, Alternative Fuels Data Center, How Do Diesel Vehicles Work? https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-diesel-cars-work
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- Johnson Matthey, तीन-मार्ग उत्प्रेरक. https://matthey.com/products-and-markets/emissions-control/mobile/gasoline-applications/three-way-catalysts (2026-10-23)
- Mazda, SKYACTIV संपीड़न अनुपात. https://newsroom.mazda.com/en/publicity/release/2012/201202/120222a.html (2026-10-23)
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- U.S. Department of Energy और U.S. EPA, fueleconomy.gov, Octane Ratings (नॉक और ऑक्टेन रेटिंग)। https://www.fueleconomy.gov/feg/octane.shtml (2026-10-23)
- मॉडल के मान (बोर 86 mm, स्ट्रोक 86 mm, रॉड 145 mm, संपीडन 10:1 और 18:1, ऊपर दी गई वाल्व और स्पार्क टाइमिंग, दहन की अवधि पेट्रोल 55° और डीज़ल 48°, टू-स्ट्रोक पोर्ट टाइमिंग, घर्षण और लोड कर्व): मॉडल के लिए चुने गए, किसी एक इंजन से नहीं लिए गए।
- इस पेज की गणनाएँ: आयतन बोर, स्ट्रोक और संपीडन अनुपात से; पिस्टन की स्थिति x = r cos θ + √(l² − r² sin² θ) से; आदर्श दक्षता η = 1 − 1/r^(γ−1) (ऑटो) और डीज़ल कट-ऑफ़ सूत्र से। टॉर्क, उतार-चढ़ाव, मॉडल दक्षता और गति कर्व प्रदर्शनी के सरल दबाव मॉडल से आते हैं।
- Deutz AG, ऐतिहासिक पड़ाव (ऑटो चार-स्ट्रोक इंजन, 1876, 180 rpm पर 3 hp)। https://www.deutz.com/en/company/our-history/milestones/ (2026-10-27)
- Mercedes-Benz Classic अभिलेख, Benz Patent Motor Car (Model 1), तकनीकी विवरण। https://mercedes-benz-publicarchive.com/marsClassic/en/instance/ko/Benz-patent-motor-car-Model-1.xhtml?oid=4376 (2026-10-27)
- DieselNet, डीज़ल इंजन का शुरुआती इतिहास (1897 के परीक्षण इंजन के आँकड़े)। https://dieselnet.com/tech/diesel_history.php (2026-10-27)
- IEEE Spectrum, Vaclav Smil, डीज़ल इंजन के 120 साल। https://spectrum.ieee.org/the-diesel-engine-at-120 (2026-10-27)
- The Henry Ford, 1914 Ford Model T टूरिंग कार (बोर, स्ट्रोक, 1,600 rpm पर 20 hp)। https://www.thehenryford.org/collections/explore/artifact/230567 (2026-10-27)
- Toyota, नई Toyota Prius के हुड के नीचे (2ZR-FXE, 40 % तापीय दक्षता)। https://global.toyota/en/detail/9827044 (2026-10-27)
- Toyota, 2.0 लीटर Dynamic Force इंजन (M20A)। https://global.toyota/en/mobility/tnga/powertrain2018/engine/index.html (2026-10-27)
- Toyota, नया 2.5 लीटर सीधा इंजेक्शन इनलाइन चार-सिलिंडर पेट्रोल इंजन (A25A)। https://global.toyota/en/powertrain/engine/ (2026-10-27)
- Mercedes-AMG PETRONAS F1 Team, F1 तकनीक का दूसरे वाहनों तक पहुँचना (50 % से अधिक तापीय दक्षता)। https://www.mercedesamgf1.com/news/the-trickle-down-effect-of-f1-technology (2026-10-27)
- Kubota, इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण वाला छोटा डीज़ल इंजन D902-K। https://engine.kubota.com/en/technology/tvcr (2026-10-27)
- Wärtsilä, दुनिया का सबसे शक्तिशाली इंजन सेवा में आया (RT-flex96C)। https://www.wartsila.com/media/news/12-09-2006-the-world's-most-powerful-engine-enters-service (2026-10-27)
- Wärtsilä, RT-flex96C और RTA96C तकनीकी समीक्षा (बोर, स्ट्रोक, प्रति सिलिंडर 6,030 kW, 42.7 MJ/kg पर 171 g/kWh)। https://swiss-ships.ch/berichte/waertsilae/Wartsila-RTA96C-engine-technology-review.pdf (2026-10-27)
- अमेरिकी ऊर्जा विभाग और अमेरिकी EPA, fueleconomy.gov, उन्नत इंजन तकनीकें (टर्बोचार्जिंग, वाल्व टाइमिंग)। https://www.fueleconomy.gov/feg/tech_engine_more.shtml (2026-10-27)
और प्रदर्शनियाँ
द्रव रॉकेट इंजन कैसे काम करता है
नूरी का 75 टन वाला इंजन हर सेकंड 255 kg केरोसीन और द्रव ऑक्सीजन जलाता है, और यही इंजन समुद्र तल की तुलना में अंतरिक्ष में लगभग 13 प्रतिशत ज़्यादा ज़ोर से धकेलता है।
टर्बोचार्जर: इंटरैक्टिव सिमुलेटर, क़दम-दर-क़दम
इस 2.0 लीटर इंजन मॉडल में 1,42,000 rpm पर घूमता एक शाफ़्ट हर सिलिंडर में लगभग दोगुनी हवा भर देता है।
वॉट का भाप इंजन कैसे काम करता है
वॉट का इंजन भाप को एक अलग बर्तन में ठंडा करके पानी बनाता था, इसलिए न्यूकॉमेन इंजन जितना काम लगभग एक-तिहाई कोयले में कर लेता था।
डिस्क ब्रेक और ABS कैसे काम करते हैं
सूखी सड़क पर 100 km/h की रफ़्तार से फिसलते टायर को रुकने में लगभग 51 m लगते हैं, जबकि ABS जिस टायर को घूमता रखता है, वही मॉडल कार 36 m में रुक जाती है।
ट्रांज़िस्टर कैसे काम करता है
1,600 करोड़ ट्रांज़िस्टर वाली एक चिप अपने हर ट्रांज़िस्टर को गेट पर कुछ वोल्ट से चालू और बंद करती है, और वह गेट नीचे के सिलिकॉन को कभी छूता ही नहीं।
GPS: उपग्रह और लोकेशन का इंटरैक्टिव सिमुलेटर
GPS सिग्नल को 20,200 km नीचे आपके फ़ोन तक पहुँचने में लगभग 70 मिलीसेकंड लगते हैं, और सेकंड के दस लाखवें हिस्से की चूक आपकी जगह 300 m खिसका देती है।