فور اسٹروک انجن کیسے کام کرتا ہے

ماڈل کیا دکھاتا ہے

3,000 rpm پر گاڑی کا انجن اپنے ہر سلنڈر کو ایک سیکنڈ میں 25 بار فائر کرتا ہے، جو آنکھ سے دیکھنے کے لیے بہت تیز ہے۔ یہ ماڈل انجن کو اتنا آہستہ کر دیتا ہے کہ آپ ہر اسٹروک کو دیکھ سکیں، اور پھر آپ کو اسے بدلنے دیتا ہے: زیادہ سلنڈر، پیٹرول کی جگہ ڈیزل، مختلف والو ٹائمنگ، کم تھروٹل۔

سلنڈر 1 پوری تفصیل کے ساتھ بنایا گیا ہے اور بیچ سے آدھا کاٹا گیا ہے تاکہ اندر کا حصہ نظر آئے۔ سرخ سطحیں بلاک، ہیڈ اور سمپ کے کٹے ہوئے رخ ہیں۔ جو کچھ بھی حرکت کرتا ہے وہ پورا دکھایا گیا ہے: پسٹن اور اس کے رنگ، کنیکٹنگ راڈ، کاؤنٹر ویٹ والا کرینک شافٹ، اسپرنگ والے دو والو، دو کیم شافٹ، ٹائمنگ بیلٹ اور فلائی وہیل۔ ان کے گرد وہ پرزے ہیں جو انجن کو چالو رکھتے ہیں: واٹر جیکٹ، ہیڈ گیسکٹ، مین بیئرنگ، آئل پمپ، تھروٹل، فیول انجیکٹر اور کیٹالٹک کنورٹر۔ پرزوں کی فہرست میں کل 24 نام والے پرزے ہیں۔

پیمائشیں ایک عام دو لیٹر، چار سلنڈر انجن کے ایک سلنڈر کی ہیں: 86 mm بور، 86 mm اسٹروک اور 10 اور 1 کا کمپریشن تناسب۔ ایک سلنڈر 499.6 مکعب سینٹی میٹر حجم طے کرتا ہے، اور چار مل کر 1,998 cc بنتے ہیں۔ کونے کا ریڈ آؤٹ کرینک کا زاویہ، سلنڈر 1 اس وقت کس اسٹروک میں ہے، پسٹن کے اوپر گیس کا حجم اور ماڈل سے نکالا گیا سلنڈر کا دباؤ دکھاتا ہے، اور اس کے نیچے دباؤ اور حجم کا لوپ اور ٹارک گراف ہے۔

ایک چکر میں کرینک شافٹ دو بار کیوں گھومتا ہے

فور اسٹروک انجن کو ایک چکر پورا کرنے کے لیے پسٹن کی چار حرکتیں درکار ہیں، یعنی کرینک شافٹ کے دو پورے چکر۔ روایت کے مطابق چکر کو کرینک کے زاویے میں 0° سے 720° تک ناپا جاتا ہے، اور آغاز اس لمحے سے ہوتا ہے جب پسٹن اپنی حرکت کے سب سے اوپر ہو، جسے ٹاپ ڈیڈ سینٹر کہتے ہیں۔

1. انٹیک (0° سے 180°)۔ انلیٹ والو کھلا ہے اور پسٹن نیچے جاتا ہے۔ اس کے اوپر کی جگہ بڑھتی ہے، دباؤ باہر کی ہوا سے ذرا نیچے گرتا ہے، اور ہوا اور ایندھن کا آمیزہ انلیٹ پورٹ سے اندر آتا ہے۔ ماڈل میں یہ نیلے نقطوں کی دھار ہے۔
2. کمپریشن (180° سے 360°)۔ دونوں والو بند ہیں۔ پسٹن اوپر اٹھتا ہے اور آمیزے کو اس حجم کے دسویں حصے میں دبا دیتا ہے جو اس نے نیچے بھرا تھا۔ دبانے سے آمیزہ گرم ہوتا ہے اور اس کا دباؤ بڑھتا ہے، جس سے آنے والا احتراق کہیں زیادہ مؤثر ہوتا ہے۔ جڑتے جانے پر نقطے بنفشی ہو جاتے ہیں۔
3. پاور (360° سے 540°)۔ ٹاپ سے ذرا پہلے اسپارک پلگ اسپارک دیتا ہے۔ شعلے کا اگلا سرا چند ملی سیکنڈ میں پلگ سے پھیل جاتا ہے، دباؤ کئی گنا بڑھ کر پسٹن کو نیچے دھکیلتا ہے۔ یہی واحد اسٹروک ہے جس میں گیس پسٹن پر کام کرتی ہے۔ پلگ سے نارنجی نصف کرے کو بڑھتے دیکھیں۔
4. ایگزاسٹ (540° سے 720°)۔ نیچے کے قریب ایگزاسٹ والو کھلتا ہے، باقی دباؤ تیزی سے باہر نکلتا ہے، اور اوپر اٹھتا پسٹن باقی جلی گیس کو ایگزاسٹ پورٹ میں دھکیل دیتا ہے۔ سرمئی نقطے دائیں طرف سے نکل جاتے ہیں۔

پھر انلیٹ والو دوبارہ کھلتا ہے اور چکر دہرایا جاتا ہے۔ ایک سلنڈر ہر دو چکروں میں ایک پاور اسٹروک دیتا ہے: 3,000 rpm پر یہ ایک سیکنڈ میں 25 پاور اسٹروک ہیں، اور ہر ایک صرف 10 ملی سیکنڈ چلتا ہے۔

ہر پرزہ کیا کرتا ہے

پسٹن اور رنگ۔ پسٹن ایلومینیم کا ہلکا پیالہ ہے جو بور میں ملی میٹر کے چند سوویں حصے کی گنجائش کے ساتھ سرکتا ہے۔ اوپر کے قریب نالیوں میں لگے تین رنگ سیل کا کام کرتے ہیں: اوپر کے دو گیس کا دباؤ روکتے ہیں، اور سب سے نیچے والا سلنڈر کی دیوار سے تیل صاف کرتا ہے۔ 21 mm کی اسٹیل گجن پن اسے راڈ سے جوڑتی ہے۔

کنیکٹنگ راڈ اور کرینک شافٹ۔ راڈ پسٹن پن کو اس کرینک پن سے جوڑتی ہے جو کرینک شافٹ کے محور سے 43 mm دور ہے۔ کرینک شافٹ گھومنے پر پن ایک دائرہ بناتی ہے اور پسٹن 86 mm چلتا ہے، جو کرینک کے نصف قطر کا دگنا ہے۔ پن کے بالمقابل بھاری حصے کاؤنٹر ویٹ ہیں، جو گھومتی کمیت کو متوازن کرتے ہیں۔ کرینک شافٹ مین بیئرنگ میں گھومتا ہے: یہ نرم دھات کی تہہ والے پتلے خول ہیں۔ انجن چلتے وقت جرنل تیل کی تہہ پر تیرتا ہے اور انہیں کبھی نہیں چھوتا۔

فلائی وہیل۔ ہر چار میں سے تین اسٹروک توانائی دیتے نہیں، لیتے ہیں۔ فلائی وہیل ایک بھاری ڈسک ہے جو پاور اسٹروک میں توانائی جمع کرتی ہے اور باقی اسٹروک میں لوٹا دیتی ہے، جس سے کرینک شافٹ گھومتا رہتا ہے۔

والو، اسپرنگ اور کیم شافٹ۔ ہر والو کھمبی جیسی شکل کا اسٹیل کا پاپٹ ہے جسے اسپرنگ بند رکھتا ہے۔ کیم شافٹ کا ایک لوب اسے بکٹ نامی پیالہ نما فالوور کے ذریعے دھکیل کر کھولتا ہے۔ لوب کی شکل طے کرتی ہے کہ والو کب کھلے گا، کتنا اور کتنی دیر۔ اس ماڈل میں ہر والو 9.2 mm اٹھتا ہے، اور لوب اسی لفٹ خم سے بنائے گئے ہیں جو والو کو چلاتا ہے۔

ٹائمنگ بیلٹ۔ کرینک شافٹ دندانے دار بیلٹ کے ذریعے کیم شافٹ چلاتا ہے۔ کرینک اسپراکٹ پر 21 دندانے ہیں اور ہر کیم پُلی پر 42، اس لیے کرینک کے ہر دو چکروں میں کیم شافٹ ٹھیک ایک بار گھومتے ہیں۔ ہر والو ایک چکر میں ایک بار کھلتا ہے، اور ایک چکر میں کرینک کے دو چکر لگتے ہیں، اس لیے تناسب کچھ اور ہو ہی نہیں سکتا۔

ٹھنڈا رکھنا اور چکنائی۔ «کولنٹ اور تیل» چالو کریں۔ کولنٹ (نیلا) بور کے ساتھ والی واٹر جیکٹ میں چڑھتا ہے، احتراقی چیمبر کے اوپر سے گزرتا ہے اور حرارت کو ریڈی ایٹر تک لے جاتا ہے۔ ہیڈ گیسکٹ، اسٹیل کی تہہ دار پتلی شیٹ، وہاں گیس، کولنٹ اور تیل کو الگ رکھتی ہے جہاں ہیڈ بلاک سے ملتا ہے۔ تیل (کہربائی) کو آئل پمپ چھلنی کے راستے پین سے کھینچتا ہے اور مین بیئرنگ تک بھیجتا ہے، پھر وہ واپس نیچے بہہ آتا ہے۔

تھروٹل اور انجیکٹر۔ پیٹرول انجن میں تھروٹل انٹیک میں لگا تتلی نما والو ہے۔ اسے بند کرنے سے اندر جاتی ہوا کا دباؤ گھٹتا ہے، اور ڈرائیور اسی طرح کم طاقت مانگتا ہے۔ پورٹ انجیکٹر بند انلیٹ والو کی پشت پر ایندھن چھڑکتا ہے، اور انلیٹ کھلنے سے ذرا پہلے آپ مختصر سا اسپرے دیکھ سکتے ہیں۔

ایک سلنڈر یا آٹھ

«سلنڈر» سلائیڈر کھسکائیں۔ اضافی سلنڈر اسی کرینک شافٹ پر دھندلے سائے کی طرح دکھتے ہیں، اور وہ واقعی اپنے اپنے کرینک تھرو اور فائرنگ ترتیب کی پیروی کرتے ہیں۔

ایک سلنڈر دو چکروں میں ایک بار دھکا دیتا ہے، اس لیے کرینک شافٹ پر ٹارک زور سے اوپر نیچے ہوتا ہے: پاور اسٹروک میں خوب مثبت، اور جب پسٹن اگلا چارج دباتا ہے تب ذرا منفی۔ ریڈ آؤٹ کا ٹارک گراف دو چکروں میں کل گیس ٹارک دکھاتا ہے، اور اوسط پر ایک ڈیش والی لکیر ہے۔ اوپر دائیں طرف کا عدد اتار چڑھاؤ ہے، یعنی سب سے زیادہ اور سب سے کم ٹارک کا فرق، اوسط سے تقسیم کر کے۔

اتار چڑھاؤ ماڈل کے دباؤ کے خم سے صرف گیس کی قوتوں کو لے کر نکالا گیا ہے۔ اس میں پسٹن کا جمود شامل نہیں، جو تیز رفتار پر بہت اہم ہے، اور اسی لیے انجینئر فائرنگ وقفوں کے ساتھ ساتھ توازن کی بھی فکر کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، ان لائن چار برابر وقفے سے فائر ہوتا ہے، پھر بھی ہر چکر میں دو بار اوپر نیچے لرزتا ہے، کیونکہ اس کے پسٹن بالکل سائن لہر کی طرح نہیں چلتے۔ اسی لیے کئی بڑے چار سلنڈر انجنوں میں بیلنس شافٹ لگے ہوتے ہیں۔

کنٹرول پینل میں ہر ترتیب کے اتار چڑھاؤ کا بار چارٹ ہے۔ کسی پٹی پر ٹیپ کر کے سیدھے اس ترتیب پر پہنچیں۔

پیٹرول یا ڈیزل

«ڈیزل» چالو کریں۔ ماڈل میں تین چیزیں بدلتی ہیں۔

پہلی، پسٹن کا اوپری سرا 4.5 mm اوپر اٹھ جاتا ہے، جس سے ٹاپ پر پسٹن کے اوپر کی جگہ 55.5 cc سے گھٹ کر 29.4 cc رہ جاتی ہے۔ کمپریشن تناسب 10:1 سے 18:1 ہو جاتا ہے۔ دوسری، کوئی اسپارک پلگ نہیں۔ اکیلی ہوا اتنے زور سے دبائی جاتی ہے کہ اس کا درجہ حرارت کئی سو ڈگری تک پہنچ جاتا ہے، جو ڈیزل ایندھن کو چھڑکتے ہی جلا دینے کے لیے کافی ہے۔ تیسری، انجیکٹر ہیڈ کے بیچ میں آ جاتا ہے اور ٹاپ سے تقریباً 10° پہلے سیدھا سلنڈر میں اسپرے کرتا ہے۔ ایندھن اندر آتے ہی جلتا ہے، اس لیے احتراق پیٹرول کے اسپارک سے زیادہ نرمی سے شروع ہوتا ہے اور زیادہ دیر چلتا ہے۔

ڈیزل میں عام معنوں والی تھروٹل پلیٹ نہیں ہوتی۔ یہ ہمیشہ سلنڈر بھر ہوا کھینچتا ہے اور زیادہ یا کم ایندھن ڈال کر طاقت کو قابو میں رکھتا ہے۔ ماڈل میں تھروٹل سلائیڈر ڈیزل موڈ میں ایندھن کی مقدار اور پیٹرول موڈ میں انٹیک دباؤ بدلتا ہے۔ یہی فرق ایک وجہ ہے کہ جزوی لوڈ پر ڈیزل کم توانائی ضائع کرتا ہے: آہستہ چلتے پیٹرول انجن کو اپنا چارج تقریباً بند تھروٹل سے گزار کر کھینچنا پڑتا ہے، اور اس رکاوٹ سے ہوا کھینچنے میں کام خرچ ہوتا ہے۔

یہ کتنا مؤثر ہو سکتا ہے؟

پیٹرول انجن کا مثالی چکر اوٹو چکر ہے: کمپریشن اور پھیلاؤ بغیر حرارت ضائع کیے، اور ساری حرارت ٹاپ پر ایک ساتھ دی جاتی ہے۔ اس کی کارکردگی صرف کمپریشن تناسب r اور گیس کے حرارتی گنجائش کے تناسب γ پر منحصر ہے:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

ہوا (γ = 1.4) اور r = 10 کے لیے یہ 60.2 % دیتا ہے۔ 14:1 پر، جو امریکہ کے باہر Mazda کے SKYACTIV-G پیٹرول انجنوں کا تناسب ہے، یہ بڑھ کر 65.2 % ہو جاتا ہے۔ مثالی ڈیزل چکر حرارت کو ایک ساتھ نہیں بلکہ اسٹروک کے ایک حصے میں دیتا ہے؛ r = 18 اور کٹ آف تناسب 2 کے ساتھ یہ 63.2 % دیتا ہے۔ زیادہ کمپریشن ڈیزل کا بنیادی فائدہ ہے۔ پیٹرول انجن 10 سے 14:1 سے بہت آگے نہیں جا سکتا، کیونکہ گرم آمیزہ اسپارک سے پہلے خود بخود پھٹ پڑے گا، جسے ناک کہتے ہیں۔

ریڈ آؤٹ کی «مثالی کارکردگی» والی سطر انہی فارمولوں کو استعمال کرتی ہے۔ کنٹرول پینل کی تجربہ گاہ ایک ماڈل کارکردگی بھی دکھاتی ہے: ماڈل کے دباؤ لوپ میں کیا گیا کام، اس میں خارج ہونے والی حرارت سے تقسیم کر کے۔ ڈیفالٹ سیٹنگ میں یہ پیٹرول کے لیے تقریباً 48 % اور ڈیزل کے لیے تقریباً 51 % ہے؛ چوتھائی تھروٹل پر پیٹرول 36 % تک گر جاتا ہے جبکہ ڈیزل 50 % کے آس پاس رہتا ہے۔ اصل انجن اور زیادہ کھوتے ہیں: حرارت دیواروں میں چلی جاتی ہے، احتراق فوری نہیں ہوتا، اور رگڑ اور تیل اور پانی کے پمپ بھی اپنا حصہ لیتے ہیں۔ عام ڈرائیونگ میں، امریکی محکمہ توانائی کا اندازہ ہے کہ روایتی گاڑی کے ایندھن کی توانائی کا صرف تقریباً 12 سے 30 % ہی گاڑی کو سڑک پر آگے بڑھانے میں لگتا ہے، ڈرائیونگ کی قسم کے مطابق۔

کھینچ کر بدلی جانے والی والو ٹائمنگ

اگر والو ٹھیک ٹاپ اور باٹم ڈیڈ سینٹر پر کھلتے اور بند ہوتے، تو تیز رفتار پر انجن ٹھیک سے سانس نہ لے پاتا، کیونکہ گیس میں کمیت ہوتی ہے اور اسے حرکت شروع کرنے اور رکنے میں وقت لگتا ہے۔ اصل انجن والو جلدی کھولتے ہیں اور دیر سے بند کرتے ہیں۔ یہ ماڈل عام اعداد سے شروع ہوتا ہے:

انلیٹ دیر سے بند کرنے پر حرکت کرتی ہوا کا ستون پسٹن کے واپس اوپر چلنا شروع کرنے کے بعد بھی سلنڈر میں گھستا رہتا ہے۔ ایگزاسٹ جلدی کھولنے پر زیادہ دباؤ اس سے پہلے نکل جاتا ہے کہ پسٹن کو اس کے خلاف زور لگانا پڑے۔ ایگزاسٹ اسٹروک کے آخر میں ٹاپ ڈیڈ سینٹر کے آس پاس دونوں والو 20° تک ایک ساتھ ذرا کھلے رہتے ہیں؛ یہ والو اوورلیپ باہر جاتی گیس کو تازہ چارج کھینچنے میں مدد کرنے دیتا ہے۔

کنٹرول پینل کا دائرہ ایک والو ٹائمنگ خاکہ ہے۔ ٹاپ ڈیڈ سینٹر اوپر ہے اور دائرے کا ایک چکر کرینک کا ایک چکر ہے۔ نیلی قوس وہ وقت ہے جب انلیٹ کھلا رہتا ہے اور سرمئی قوس ایگزاسٹ کا۔ کسی بھی قوس کو دائرے پر کھینچیں، یا نیچے کے بٹن استعمال کریں۔ اصل انجن میں کیم فیزر یہی کرتا ہے: وہ کیم شافٹ کو اس کی پُلی کے مقابلے میں چند ڈگری گھما دیتا ہے، جس سے والو پہلے یا بعد میں کھلتا اور بند ہوتا ہے جبکہ کھلے رہنے کا وقت وہی رہتا ہے۔ 3D ماڈل کے کیم شافٹ آپ کی سیٹنگ کے ساتھ گھومتے ہیں۔

کھینچتے وقت تین اعداد بدلتے ہیں۔ اوورلیپ اوپر کی سایہ دار قاش ہے۔ مؤثر کمپریشن تناسب انلیٹ بند ہوتے وقت کا حجم ہے، سب سے چھوٹے حجم سے تقسیم کر کے، اس لیے انلیٹ دیر سے بند کرنے پر یہ گھٹتا ہے۔ ایٹکنسن یا ملر چکر کے لیے بنے انجن یہ جان بوجھ کر کرتے ہیں، تاکہ ناک کے بغیر زیادہ پھیلاؤ تناسب پر چل سکیں۔ ماڈل کارکردگی دباؤ لوپ کے ساتھ چلتی ہے: ایگزاسٹ جلدی کھولنے سے وہ دباؤ پھینک دیا جاتا ہے جو ابھی بھی پسٹن کو دھکیل سکتا تھا، اس لیے کارکردگی گرتی ہے۔

تھروٹل، رفتار، ٹارک اور طاقت

تجربہ گاہ کا دوسرا چارٹ انجن کی رفتار کے ساتھ ٹارک اور طاقت دکھاتا ہے۔ کالی لکیر آپ کے رکھے ہوئے تھروٹل پر ٹارک ہے اور نارنجی لکیر اس کے مطابق طاقت۔ سرمئی ڈیش پورا تھروٹل دکھاتے ہیں۔ نقطہ دار لکیر سڑک جیسا ایک لوڈ ہے جو رفتار کے ساتھ بڑھتا ہے، اور سرخ نقطہ وہاں بیٹھتا ہے جہاں انجن کا ٹارک اور لوڈ ملتے ہیں۔ یہی وہ رفتار ہے جس پر انجن ٹھہر جائے گا۔ تھروٹل بند کریں تو نقطہ نیچے کم رفتار پر سرک جاتا ہے، اور ڈرائیور گاڑی کو اسی طرح قابو میں رکھتا ہے۔

ٹارک ماڈل کے چکر کے کام سے آتا ہے: ایک سلنڈر ہر چکر میں 625 جول گیس کا کام کرے تو دو چکروں پر اوسطاً 625 / 4π ≈ 50 نیوٹن میٹر ملتا ہے۔ سانس لینے کی صلاحیت رفتار کے ساتھ بدلتی ہے (درمیانی رفتار کے قریب سب سے اچھی، جو والو ٹائمنگ کے ساتھ کھسکتی ہے) اور رگڑ رفتار کے ساتھ بڑھتی ہے، اس لیے ٹارک بیچ میں عروج پر پہنچتا ہے اور طاقت اوپر کے قریب تک بڑھتی رہتی ہے۔ طاقت ٹارک ضرب زاویائی رفتار ہے: P = T × 2πN / 60۔ یہ سارے خم شکل دکھانے کے لیے ماڈل کی قدریں ہیں، ڈائنامومیٹر کی شیٹ نہیں۔

چار کی جگہ دو اسٹروک

«ٹو اسٹروک سے موازنہ» چالو کریں۔ اسٹیج پر اسی کرینک پر لگے ٹو اسٹروک سلنڈر کی ڈرائنگ نظر آتی ہے۔ اس میں والو نہیں ہیں۔ پسٹن خود اپنی حرکت کے نیچے کے قریب سلنڈر کی دیوار میں ایک ایگزاسٹ پورٹ اور ایک ٹرانسفر پورٹ کھول دیتا ہے۔ تازہ چارج، جو پسٹن کے نیچے کرینک کیس میں پہلے ہی تھوڑا دب چکا ہوتا ہے، ٹرانسفر پورٹ سے تیزی سے اندر آتا ہے اور جلی گیس کو ایگزاسٹ سے باہر دھکیل دیتا ہے۔ اس لیے ہر نیچے کی طرف کا اسٹروک پاور اسٹروک ہے، اور انجن ہر چکر میں ایک بار فائر ہوتا ہے۔

ٹارک گراف کی نارنجی لکیر ٹو اسٹروک کا ٹارک ہے۔ یہ دگنی بار فائر ہوتا ہے، لیکن ماڈل میں ہر چکر کم کام کرتا ہے (تقریباً آدھا)، کیونکہ پورٹ اسٹروک کے بڑے حصے تک کھلے رہتے ہیں اور کچھ تازہ چارج سیدھا ایگزاسٹ سے نکل جاتا ہے۔ یہی ضائع شدہ ایندھن وجہ ہے کہ چھوٹے ٹو اسٹروک انجن ہلکے اور سادہ تو ہیں مگر آلودگی پھیلاتے ہیں، اور زیادہ تر سڑک کی گاڑیاں چار اسٹروک پر چلی گئیں۔ جہازوں کے بڑے، آہستہ ٹو اسٹروک ڈیزل اس مسئلے کو بلوئر اور ایگزاسٹ والو سے حل کرتے ہیں، اور اب تک بنے سب سے مؤثر انجنوں میں شمار ہوتے ہیں۔

اصل انجن

انجن کیٹلاگ ماڈل کی ترتیب، ایندھن اور سلنڈر کا سائز اصل انجن کے مطابق کرتا ہے۔ سلنڈر درست سائز میں بنتے ہیں، سوائے سب سے بڑوں کے، جو چھوٹے بنا کر نوٹ کے ساتھ دکھائے جاتے ہیں۔ کمپریشن تناسب اور دباؤ ماڈل کی قدریں ہی رہتے ہیں۔

طاقت صرف وہاں دی گئی ہے جہاں بتائے گئے ورژن کی ایک ہی ریٹنگ کی تصدیق ہوئی۔ ان میں سے کئی انجن ایک سے زیادہ ریٹنگ میں فروخت ہوئے تھے۔

اعداد، حساب کے ساتھ

دباؤ اور حجم کے لوپ کو پڑھنا

ریڈ آؤٹ کا چھوٹا گراف کرینک گھومنے کے ساتھ سلنڈر کے دباؤ کو حجم کے مقابل دکھاتا ہے۔ اس کا عمودی محور لاگرتھمی ہے، تاکہ انٹیک کا کم دباؤ اور احتراق کا اونچا عروج دونوں ایک ہی چارٹ میں آ جائیں۔ لوپ سے گھرا رقبہ اس کام کے متناسب ہے جو گیس ایک چکر میں پسٹن پر کرتی ہے۔ تھروٹل بند کریں اور لوپ کو سکڑتے اور نیچے کی لکیر کو ہوا کے دباؤ سے نیچے گرتے دیکھیں: نیچے کا چھوٹا الٹا لوپ پمپنگ کا کام ہے۔

یہاں کا دباؤ ایک سادہ ماڈل ہے، پیمائش نہیں۔ کمپریشن اور پھیلاؤ پولی ٹروپک تعلق pVⁿ = مستقل کی پیروی کرتے ہیں، جس میں n = 1.32، اور حرارت کا اخراج ایک ہموار S شکل کے احتراقی خم پر چلتا ہے جو اسپارک سے شروع ہو کر 55 کرینک ڈگری تک چلتا ہے۔ اس سے پورے تھروٹل پر ٹاپ ڈیڈ سینٹر کے 20° بعد تقریباً 51 bar کا عروج آتا ہے۔

ایگزاسٹ کو صاف کرنا

ہوا میں پیٹرول جلنے سے تین بڑے آلودہ مادے بچتے ہیں: کاربن مونو آکسائیڈ، نہ جلے ہائیڈرو کاربن اور نائٹروجن آکسائیڈ۔ ایگزاسٹ پائپ میں لگا کیٹالٹک کنورٹر پلاٹینم، پیلیڈیم اور روڈیم کی تہہ والا سرامک چھتا ہے۔ پیٹرول گاڑی میں یہ تھری وے کیٹالسٹ ہوتا ہے: یہ کاربن مونو آکسائیڈ اور ہائیڈرو کاربن کو تکسید کر کے کاربن ڈائی آکسائیڈ اور پانی بناتا ہے اور نائٹروجن آکسائیڈ کی تخفیف کر کے نائٹروجن بناتا ہے۔ تینوں کام ایک ساتھ یہ تبھی کر پاتا ہے جب انجن کیمیائی طور پر درست آمیزے کے بہت قریب چلے، اسی لیے پیٹرول انجنوں کے ایگزاسٹ میں آکسیجن سینسر ہوتا ہے۔ ڈیزل اضافی ہوا کے ساتھ چلتے ہیں، اس لیے وہ آکسیڈیشن کیٹالسٹ، کالک کے لیے پارٹیکولیٹ فلٹر اور نائٹروجن آکسائیڈ کے لیے الگ نظام استعمال کرتے ہیں۔

فور اسٹروک انجن کہاں سے آیا

ایسے اندرونی احتراقی انجن، جو آمیزہ کھینچ کر اسے پہلے دبائے بغیر جلا دیتے تھے، 1860 کی دہائی تک بن چکے تھے، مگر وہ کم مؤثر تھے۔ 1876 میں جرمنی کے نکولاؤس اوٹو نے پہلا عملی انجن بنایا جو جلانے سے پہلے اپنے چارج کو دباتا تھا، اور اس میں یہاں دکھایا گیا فور اسٹروک چکر استعمال ہوا۔ اسی لیے مثالی فور اسٹروک پیٹرول چکر آج بھی اوٹو چکر کہلاتا ہے۔ 1890 کی دہائی میں روڈولف ڈیزل نے وہ انجن تیار کیا جو اپنے ایندھن کو صرف کمپریشن سے جلاتا ہے۔

گیس کے کام سے کلو واٹ تک: ایک حل شدہ مثال

ماڈل پورے تھروٹل پر ہر سلنڈر کو فی چکر تقریباً 625 جول گیس کا کام دیتا ہے۔ نیچے سب کچھ اسی ایک عدد سے نکلتا ہے، اور جس انجن کی تفصیلی شیٹ پڑھی جا سکے اس کے لیے یہی قدم کام کرتے ہیں۔

1. چار سلنڈروں کا فی چکر کام۔ 4 کو 625 J سے ضرب دیں۔ نتیجہ 2500 J ہے۔
2. اوسط ٹارک۔ ایک چکر دو گردشوں کا ہوتا ہے، یعنی 4π ریڈین۔ 2500 J کو 4π پر تقسیم کریں تو تقریباً 199 N·m ملتا ہے۔ یہ پورے چکر کی اوسط ہے، اور ریڈ آؤٹ کا ٹارک گراف اس کے اوپر نیچے جھولتا ہے۔
3. 3000 rpm پر طاقت۔ کلیہ P = 2πNT / 60 ہے۔ اس میں اعداد رکھیں: 2π × 3000 × 199 / 60۔ جواب تقریباً 62.5 kW ہے۔ مختصر راستہ بھی یہی دیتا ہے: فی چکر 2500 J × فی سیکنڈ 25 چکر = 62,500 W۔
4. اوسط مؤثر دباؤ۔ فی چکر کام کو سویپٹ والیوم سے تقسیم کریں۔ 2500 J کو 1.998 لیٹر پر تقسیم کریں۔ جواب 1.25 MPa ہے، یعنی تقریباً 12.5 bar۔ یہ وہ مستقل دباؤ ہے جو پورے پاور اسٹروک میں پسٹن پر لگتا تو وہی کام کرتا۔ یہ انجن کی گنجائش پر منحصر نہیں، اس لیے مختلف سائز کے انجنوں کا موازنہ ممکن ہے۔
5. فی لیٹر طاقت۔ 62.5 kW کو 1.998 L پر تقسیم کریں تو تقریباً 31 kW فی لیٹر ملتا ہے۔

یہاں ماڈل سادگی کے لیے ٹارک کو مستقل رکھتا ہے۔ اصل انجن میں ٹارک رفتار کے ساتھ بدلتا ہے، اس لیے 6000 rpm پر طاقت ٹھیک دوگنی نہیں ہوتی۔ مثال کا مقصد اکائیوں کی زنجیر دکھانا ہے: فی چکر جول نیوٹن میٹر بنتے ہیں، اور نیوٹن میٹر کو ریڈین فی سیکنڈ سے ضرب دینے پر واٹ بنتے ہیں۔

انجن کیٹلاگ دکھاتا ہے کہ فی لیٹر طاقت کتنی مختلف ہو سکتی ہے۔ اوپر کے جدول کی ریٹڈ طاقت سے Toyota 1GD-FTV ڈیزل 2755 cc سے 130 kW دیتا ہے، یعنی تقریباً 47 kW فی لیٹر۔ Volkswagen EA888 2.0 TSI 1984 cc سے 162 kW دیتا ہے، تقریباً 82 kW فی لیٹر، اور Honda K20C1 1996 cc سے 228 kW دیتا ہے، تقریباً 114 kW فی لیٹر۔ یہ کسی ایک ورژن کی ایک رفتار پر ریٹڈ قدریں ہیں، اور ٹربو انجن ان تک بڑے بور یا لمبے اسٹروک سے نہیں، انہی سلنڈروں میں زیادہ ہوا ٹھونس کر پہنچتے ہیں۔

کمپریشن ریشو، ناک اور ایندھن

کارکردگی کا کلیہ η = 1 − 1/r^(γ−1) اونچے کمپریشن ریشو کو انعام دیتا ہے، مگر فائدہ گھٹتا جاتا ہے۔ γ = 1.4 لینے پر:

8 سے 10 کرنے پر 3.7 فیصدی پوائنٹ بڑھتے ہیں۔ 12 سے 14 کرنے پر صرف 2.2۔ منحنی ہموار ہوتی جاتی ہے، اور کمپریشن کی ہر اگلی اکائی کم دیتی ہے۔

اصل انجن ان اعداد سے کافی نیچے رہتے ہیں۔ انجن کے اندر کی گیس γ = 1.4 والی ہوا نہیں: جلے ہوئے آمیزے کا حرارتی گنجائش کا تناسب کم ہوتا ہے۔ γ = 1.3 لیں تو وہی کلیہ 10:1 پر صرف 49.9 % دیتا ہے۔ ڈیفالٹ سیٹنگ پر ماڈل کی قدر، تقریباً 48 %، اسی دائرے میں ہے۔ دیواروں میں جانے والی حرارت اور رگڑ اصل قدر کو مزید گھٹاتے ہیں، پیداواری انجنوں میں زیادہ سے زیادہ تقریباً 30 سے 40 % تک۔

پیٹرول انجنوں کو تناسب سیدھا بڑھانے سے ناک روکتی ہے۔ آکٹین ریٹنگ ناپتی ہے کہ ایندھن ناک کو کتنا سہہ سکتا ہے، جس میں دبے ہوئے آمیزے کا ایک حصہ شعلہ پہنچنے سے پہلے خود جل اٹھتا ہے۔ اونچے تناسب پر آخر میں بچی گیس زیادہ گرم اور گھنی ہو جاتی ہے، اس لیے ایسا ایندھن چاہیے جو خود سلگنے کا مقابلہ کرے۔ اسی لیے مینول بتاتا ہے کہ کون سا آکٹین بھرنا ہے: انجن اسی کے لیے بنا ہے۔ نئے انجن ناک پکڑنے پر اسپارک پیچھے کر سکتے ہیں، اس سے وہ بچتے ہیں مگر طاقت اور مائلیج گھٹتے ہیں۔ ماڈل کا ڈیزل صرف ہوا دبا کر اور ایندھن بعد میں ڈال کر یہ مسئلہ ٹال دیتا ہے۔

عام غلط فہمیاں

«انجن ہر اسٹروک میں پھٹتا ہے۔» چار میں سے صرف ایک اسٹروک پسٹن پر کام کرتا ہے۔ واحد سلنڈر میں باقی تین اسٹروک فلائی وہیل سے توانائی لیتے ہیں۔ «سلنڈر» سلائیڈر بڑھا کر فائرنگ ترتیب دیکھیں: آٹھ سلنڈروں میں پاور اسٹروک ہر 90° پر آتے ہیں، اس لیے مسلسل لگتے ہیں۔

«ٹارک اور طاقت ایک ہی چیز ہیں۔» ٹارک کرینک شافٹ پر مروڑنے والی قوت ہے۔ طاقت ٹارک کو گھومنے کی رفتار سے ضرب دینے پر ملتی ہے۔ انجن کا سب سے اونچا ٹارک درمیانی رفتار پر اور سب سے اونچی طاقت کہیں زیادہ رفتار پر ہو سکتی ہے، رفتار والے گراف کے دونوں منحنی یہی دکھاتے ہیں۔

«زیادہ سلنڈر کا مطلب ہمیشہ زیادہ طاقت۔» طاقت اس پر منحصر ہے کہ انجن فی سیکنڈ کتنی ہوا جلا سکتا ہے: گنجائش، رفتار، اور ہر سلنڈر میں کتنی ہوا بھری جاتی ہے۔ فہرست کا چھوٹا ٹربو تین سلنڈر بغیر ٹربو والے بڑے انجن کو پیچھے چھوڑ سکتا ہے۔ زیادہ سلنڈر بنیادی طور پر ٹارک کو ہموار کرتے ہیں اور ہر سلنڈر کو چھوٹا رکھنے دیتے ہیں، جیسا جھولنے والا کالم دکھاتا ہے۔

«تھروٹل بند کرنے سے وہی کام کم ایندھن میں ہوتا ہے۔» سلنڈر میں کم ہوا جاتی ہے اور ایندھن اسی حساب سے ناپا جاتا ہے۔ قیمت پمپنگ کا کام ہے: پسٹن کو تقریباً بند والو کے پاس سے ہوا کھینچنی پڑتی ہے۔ دباؤ اور حجم کے گراف کا چھوٹا الٹا لوپ یہی نقصان ہے۔

«اونچا آکٹین یعنی زیادہ طاقت۔» آکٹین ریٹنگ ناک کے مقابلے کی صلاحیت بتاتی ہے، ایندھن میں بھری توانائی نہیں۔ جو انجن کم گریڈ پر ناک نہیں کرتا اسے اونچے گریڈ سے کچھ نہیں ملتا، اور بنانے والے کی سفارش ہی ماننی چاہیے۔

اسکرین پر آزمائیں

• مثال کی جانچ کریں۔ چار سلنڈر، پیٹرول اور پورا تھروٹل چنیں۔ ٹارک گراف کی ٹوٹی لکیر اوسط ٹارک ہے، اور لیب کا رفتار والا گراف اس سے ملتی طاقت بناتا ہے۔ ان کی شکل کو اوپر کے قدموں سے ملائیں۔
• لوپوں کا موازنہ کریں۔ «ڈیزل» آن آف کر کے دباؤ اور حجم کا لوپ، کمپریشن ریشو اور «مثالی کارکردگی» والی سطر کا موازنہ کریں۔ تناسب 10:1 سے 18:1 ہو جاتا ہے۔
• مؤثر کمپریشن دیکھیں۔ والو ٹائمنگ کے دائرے میں انلیٹ قوس کو دیر کی طرف کھینچیں اور بدلتے ہوئے «مؤثر کمپریشن» اور ماڈل کی کارکردگی پڑھیں۔
• پمپنگ کا نقصان دیکھیں۔ پیٹرول میں تھروٹل گھٹائیں اور دباؤ اور حجم کے گراف کے نیچے کا چھوٹا الٹا لوپ دیکھیں، ساتھ ماڈل کی کارکردگی، جو چوتھائی تھروٹل پر تقریباً 36 % تک گرتی ہے۔
• مختلف سائز کے انجنوں کا موازنہ کریں۔ انجن کیٹلاگ سے دو اندراجات، جیسے Honda GX160 اور GM LS3، چنیں اور سلنڈروں کی تصویریں اور فہرست کے نیچے نوٹ میں فی سلنڈر cc کا موازنہ کریں۔

1876 سے کنٹینر جہاز تک، تیس انجن

«کنٹرول» ٹیب کے کیٹلاگ میں اب تیس انجن ہیں۔ نام سے تلاش کریں یا 1950 سے پہلے، کار، موٹر سائیکل، چھوٹے انجن، ٹرک، ریسنگ اور جہاز، نیز چنگاری سے اشتعال یا ڈیزل کے لحاظ سے چھانٹیں۔ انتخاب ترتیب، ایندھن اور سلنڈر کا سائز بدلتا ہے، اس لیے تصویر گھاس کاٹنے کی مشین سے جہاز کے سلنڈر تک بڑھتی ہے۔

دو باتیں واضح کرنا ضروری ہیں۔ ماڈل 60° V6 بناتا ہے، جبکہ فارمولا 1 انجن 90° V6 ہے؛ ترتیب قریب ہے مگر بالکل یکساں نہیں۔ جہاز کے سلنڈر کا قطر 960 mm ہے، ماڈل کے بور سے گیارہ گنا سے بھی زیادہ۔ اس لیے منظر اسے ماڈل کے دگنے سائز پر بنا کر یہ بتاتا ہے؛ اعداد اصل سائز کے رہتے ہیں۔ Wärtsilä دستاویز کارکردگی فیصد میں نہیں دیتی۔ وہ کھپت سے نکلتی ہے: فی کلوواٹ گھنٹہ 171 گرام ایندھن، جس میں فی کلوگرام 42.7 MJ توانائی ہو، تو 3,600 ÷ (0.171 × 42,700) = 49.3 % بنتا ہے۔ جہاز کا انجن دو اسٹروک ہے، اس لیے انتخاب سے دو اسٹروک موازنہ بھی کھلتا ہے۔

بڑا سلنڈر اتنی تیزی سے نہیں گھوم سکتا۔ حد پسٹن کی حرکت کی رفتار لگاتی ہے، اس لیے سلنڈر بڑا کرنے پر ماڈل اوسط پسٹن رفتار یکساں رکھتا ہے۔ ماڈل کے سائز میں 86 mm اسٹروک کے ساتھ 7,000 rpm کا مطلب 20.1 m/s اوسط رفتار ہے۔ جہاز کی طرح 15 گنا بڑا کرنے پر اسی رفتار سے صرف تقریباً 300 rpm ممکن ہیں۔ اصل جہاز انجن 102 rpm پر گھومتا ہے کیونکہ اس کا اسٹروک بور کا 2.6 گنا ہے؛ اوسط رفتار Wärtsilä جدول کے مطابق 8.5 m/s بنتی ہے۔

اصل رفتار، پھر سست حرکت

«3,000 rpm پر چلائیں» وہ دکھاتا ہے جو ماڈل عموماً چھپاتا ہے۔ 3,000 rpm پر کرینک شافٹ فی سیکنڈ 50 چکر لگاتا، ہر سلنڈر 25 بار جلتا اور ایک اسٹروک 10 ملی سیکنڈ لیتا ہے۔ 60 Hz اسکرین پر دو فریموں کے درمیان کرینک 300 درجے گھومتا ہے، اس لیے پرزے جھٹکے کھاتے یا الٹے گھومتے دکھتے ہیں۔ یہ وہی اسٹروبوسکوپک اثر ہے جو فلموں کے پہیے الٹے گھماتا دکھاتا ہے۔ تین سیکنڈ بعد ماڈل 3.5 سیکنڈ میں سست ہو کر 6 rpm تک آتا ہے۔ ہر اسٹروک پھر دکھتا ہے اور پٹی سلنڈر 1 کا اسٹروک بتاتی ہے۔ آواز کے ساتھ پوری رفتار کی دھمک ایک بھنبھناہٹ میں ملتی اور سست ہونے پر پھر الگ ہوتی ہے۔

کمپریشن تناسب، ناک اور انلیٹ کا دیر سے بند ہونا

کمپریشن سلائیڈر پیٹرول کا تناسب 6:1 سے 15:1 کرتا ہے۔ اونچا تناسب ماڈل کی کارکردگی بڑھاتا ہے (10:1 پر 47.6 %)، کیونکہ جلنے کے بعد گیس زیادہ پھیلتی ہے۔ مگر نہ جلا آمیزہ بھی زیادہ دبتا ہے۔ آخری حصہ کافی گرم اور کثیف ہونے پر پلگ کا شعلہ پہنچنے سے پہلے خود جلتا اور دباؤ کی دو لہریں ٹکراتی ہیں۔ یہی ناک ہے: دھاتی کھنک، اونچا زیادہ سے زیادہ دباؤ اور اصل انجن میں خراب پسٹن۔

ناک ایندھن، درجہ حرارت، چیمبر کی شکل اور اشتعال کے وقت پر منحصر ہے۔ ماڈل ایک سادہ اصول استعمال کرتا اور اسکرین پر بتاتا ہے: کمپریشن کے آخر کا دباؤ 20.5 bar سے بڑھے تو ناک ہوتی ہے۔ اصل ٹائمنگ پر حد تقریباً 11:1 ہے (20.2 bar، بغیر ناک)؛ 12:1 پر 22.7 bar ہو جاتا اور ناک آتی ہے۔

ایک حل ہے۔ انلیٹ دیر سے بند ہو تو بند ہونے سے پہلے کچھ آمیزہ واپس جاتا ہے، اس لیے حقیقی کمپریشن ہندسی تناسب سے کم ہے۔ انلیٹ 40° دیر سے ہونے پر 13.5:1 کا آخری دباؤ 17.9 bar، حد سے نیچے رہتا اور کارکردگی 50.9 % ہوتی ہے۔ پھیلاؤ پورے 13.5:1 کو استعمال کرتا ہے۔ یہی ایٹکنسن اور ملر چکر کا خیال ہے: مختصر کمپریشن، طویل پھیلاؤ۔ پریئس کا Toyota 2ZR-FXE اسے اپناتا ہے؛ Mazda اور Toyota نئے پیٹرول انجنوں کے لیے 13 اور 14 سے 1 تناسب بتاتے ہیں۔

ٹربو اور ناک کی واپسی

لگانے پر ٹربو ایگزاسٹ پائپ کے پاس دکھتا ہے۔ گیس ٹربائن کا پہیہ گھماتی ہے؛ اسی شافٹ کا کمپریسر انلیٹ میں ہوا بھیجتا ہے۔ زیادہ ہوا سے زیادہ ایندھن جلتا، اور اسی ڈسپلیسمنٹ سے زیادہ طاقت ملتی ہے۔ امریکی محکمہ توانائی ٹربو کو سلنڈروں میں مزید ہوا بھرنے والا کمپریسر کہتا ہے، جس سے زیادہ ایندھن انجیکٹ ہو سکے؛ چھوٹے انجن کے ساتھ ٹربو سے ایندھن کی بچت زیادہ سے زیادہ 8 % بتاتا ہے۔

بوسٹ سلائیڈر باہر کی ہوا سے اوپر دباؤ شامل کرتا ہے۔ ماڈل کے سنگل میں 0.9 bar بوسٹ زیادہ سے زیادہ طاقت کو 19.1 kW سے 29.4 kW کرتا ہے۔ قیمت ناک ہے: آخری کمپریشن دباؤ بڑھتا ہے، اس لیے 10:1 پر 0.6 bar سے ہی 29.1 bar ہو جاتا ہے۔ اصل ٹربو پیٹرول انجن کم تناسب، دیر سے بند انلیٹ، ٹھنڈی چارج ہوا اور براہ راست انجیکشن استعمال کرتے ہیں۔ ماڈل میں 8:1 اور انلیٹ 40° دیر سے بند ہونے پر 0.9 bar بغیر ناک کام کرتا ہے (18.1 bar)۔ ڈیزل کی یہ حد نہیں کیونکہ ایندھن جلنے کے وقت ہی چھڑکتا ہے۔

منظر کے چیلنج

«کنٹرول» کی «چیلنج» فہرست، جو منظر کے نشان سے بھی کھلتی ہے، کام کے دوران ماڈل جانچتی ہے۔ گیارہ چیلنج ہیں: کیم ٹائمنگ سے کم از کم 5 % زیادہ طاقت (بہترین جانچی گئی ترتیب، انلیٹ 15° پہلے اور ایگزاسٹ 30° بعد، سے 10.7 % ملتا ہے)، بغیر ناک 13:1، V8 ترتیب بتانا، جزوی لوڈ پر ڈیزل کی برتری دیکھنا (آدھے تھروٹل پر 50.7 % بمقابلہ 43.6 %)، سب سے ہموار ترتیب، اصل رفتار پر چلانا، دو اور چار اسٹروک کا موازنہ، کیٹلاگ کا سب سے مؤثر اور قدیم انجن ڈھونڈنا، بغیر ناک 0.8 bar بوسٹ اور تمام قریبی مناظر کھولنا۔ حل کے نشان واپسی پر قائم رہتے ہیں۔

ریڈ آؤٹ میں «فوری» اور «اوسط»

ریڈ آؤٹ دو طرح کے اعداد ملاتا ہے، ہر ایک کا اپنا نشان ہے۔ «فوری» گیس ٹارک اس کرینک زاویے پر گیس کا گھمانے والا اثر ہے۔ کمپریشن میں منفی سے چنگاری کے فوراً بعد کئی سو نیوٹن میٹر تک بدلتا ہے؛ اسے انجن رفتار سے ضرب دینا بے معنی ہو گا۔ «اوسط» ٹارک، رفتار اور طاقت آپس میں مطابقت رکھتے ہیں: رگڑ اور گیس کے تبادلے کے بعد، لوڈ سے متوازن رفتار پر پورے چکر کی اوسط۔ اس ٹارک کو ریڈین فی سیکنڈ والی رفتار سے ضرب دیں تو اسی سطر کی طاقت ملتی ہے۔

قریبی مناظر

بٹن ایک پرزے کے پاس جاتے اور کرینک کو اہم لمحے پر روکتے ہیں: 90° پر کرینک پن، مکمل اٹھا انلیٹ کیم، ٹاپ ڈیڈ سینٹر کے پاس دونوں والو کھلے، کمپریشن میں پسٹن، اوپر سے پہلے چنگاری، انجیکشن شروع کرتا ڈیزل انجیکٹر اور ٹربو۔ «کھول کر دیکھیں» ڈھلے حصوں کو متحرک پرزوں سے الگ کرتا ہے تاکہ پسٹن، راڈ اور کرینک شافٹ اکیلے چلتے دکھیں۔