ऊष्मा इंजनों का संचालन सिद्धांत। ताप इंजनों के प्रदर्शन (दक्षता) का गुणांक। "दक्षता कारक" का क्या अर्थ है?
एक कार में विभिन्न तंत्रों की कई विशेषताओं में से एक निर्णायक है आंतरिक दहन इंजन दक्षता. इस अवधारणा का सार जानने के लिए, आपको यह जानना होगा कि क्लासिक आंतरिक दहन इंजन क्या है।
आंतरिक दहन इंजन की दक्षता - यह क्या है?
सबसे पहले, मोटर ईंधन के दहन से उत्पन्न तापीय ऊर्जा को एक निश्चित मात्रा में यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करती है। भाप इंजनों के विपरीत, ये इंजन हल्के और अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं। वे बहुत अधिक किफायती हैं और कड़ाई से परिभाषित तरल और गैसीय ईंधन का उपभोग करते हैं। इस प्रकार, आधुनिक इंजनों की दक्षता की गणना उनकी तकनीकी विशेषताओं और अन्य संकेतकों के आधार पर की जाती है।
दक्षता (प्रदर्शन का गुणांक) गैसों की क्रिया के कारण इंजन शाफ्ट को प्रेषित वास्तविक शक्ति और पिस्टन द्वारा प्राप्त शक्ति का अनुपात है। यदि हम विभिन्न शक्ति के इंजनों की दक्षता की तुलना करते हैं, तो हम यह स्थापित कर सकते हैं कि उनमें से प्रत्येक के लिए इस मूल्य की अपनी विशेषताएं हैं।
डिज़ाइन में समानता के बावजूद, दोनों इंजनों में विभिन्न प्रकार का मिश्रण निर्माण होता है। इसलिए, कार्बोरेटर इंजन के पिस्टन उच्च तापमान पर काम करते हैं, जिसके लिए उच्च गुणवत्ता वाले शीतलन की आवश्यकता होती है। इसके कारण, तापीय ऊर्जा, जिसे यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, बिना किसी लाभ के नष्ट हो जाती है, जिससे समग्र दक्षता मूल्य कम हो जाता है।
हालाँकि, गैसोलीन इंजन की दक्षता बढ़ाने के लिए कुछ उपाय किए जाते हैं। उदाहरण के लिए, एक सिलेंडर में एक इनटेक और एक एग्जॉस्ट वाल्व के बजाय दो इनटेक और एक एग्जॉस्ट वाल्व हो सकते हैं। इसके अलावा, कुछ इंजनों में प्रत्येक स्पार्क प्लग के लिए एक अलग इग्निशन कॉइल स्थापित होता है। कई मामलों में थ्रॉटल वाल्व को सामान्य केबल के बजाय इलेक्ट्रिक ड्राइव का उपयोग करके नियंत्रित किया जाता है।
डीजल इंजन दक्षता - ध्यान देने योग्य दक्षता
डीजल आंतरिक दहन इंजनों के प्रकारों में से एक है जिसमें संपीड़न के परिणामस्वरूप कार्यशील मिश्रण प्रज्वलित होता है। इसलिए, सिलेंडर में हवा का दबाव गैसोलीन इंजन की तुलना में बहुत अधिक होता है। डीजल इंजन की दक्षता की तुलना अन्य डिज़ाइनों की दक्षता से करने पर, हम इसकी उच्चतम दक्षता को नोट कर सकते हैं।
कम गति और बड़े विस्थापन पर, दक्षता संकेतक 50% से अधिक हो सकता है।
आपको डीजल ईंधन की अपेक्षाकृत कम खपत और निकास गैसों में हानिकारक पदार्थों की कम सामग्री पर ध्यान देना चाहिए।इस प्रकार, आंतरिक दहन इंजन का दक्षता मूल्य पूरी तरह से उसके प्रकार और डिजाइन पर निर्भर करता है। कई वाहनों में, समग्र प्रदर्शन में सुधार के लिए विभिन्न सुधारों से खराब दक्षता की भरपाई की जाती है।
ड्राइविंग बलों द्वारा कार्य के रूप में तंत्र को ऊर्जा की आपूर्ति की जाती है एक डी.वी.एस. और स्थिर गति के प्रति चक्र के क्षणों को उपयोगी कार्य करने में खर्च किया जाता है और पी.एस.. , साथ ही कार्य करने के लिए भी एक फीटगतिज युग्मों और पर्यावरणीय प्रतिरोध बलों में घर्षण बलों पर काबू पाने से जुड़ा हुआ है।
आइए स्थिर गति पर विचार करें। गतिज ऊर्जा की वृद्धि शून्य है, अर्थात्।
इस स्थिति में, जड़त्व और गुरुत्वाकर्षण बलों द्वारा किया गया कार्य शून्य के बराबर है ए री = 0, ए जी = 0. तब स्थिर गति के लिए प्रेरक बलों का कार्य बराबर होता है
और इंजन =ए पी.एस. + एक फीट.
नतीजतन, स्थिर गति के एक पूर्ण चक्र के लिए, सभी ड्राइविंग बलों का कार्य उत्पादन प्रतिरोध और गैर-उत्पादन प्रतिरोध (घर्षण बल) की शक्तियों के कार्य के योग के बराबर होता है।
यांत्रिक दक्षता η (दक्षता)- स्थिर गति के दौरान सभी ड्राइविंग बलों के काम के लिए उत्पादन प्रतिरोध बलों के काम का अनुपात:
η = . (3.61)
जैसा कि सूत्र (3.61) से देखा जा सकता है, दक्षता दर्शाती है कि मशीन को आपूर्ति की गई यांत्रिक ऊर्जा का कितना हिस्सा उस कार्य को करने में उपयोगी रूप से खर्च किया जाता है जिसके लिए मशीन बनाई गई थी।
अनुत्पादक प्रतिरोध बलों के कार्य और प्रेरक बलों के कार्य के अनुपात को कहा जाता है हानि कारक :
ψ = . (3.62)
यांत्रिक हानि गुणांक दर्शाता है कि मशीन को आपूर्ति की गई यांत्रिक ऊर्जा का कितना हिस्सा अंततः गर्मी में बदल जाता है और आसपास के स्थान में बेकार खो जाता है।
इसलिए हमारे पास दक्षता और हानि कारक के बीच एक संबंध है
η =1- ψ.
इस सूत्र से यह निष्कर्ष निकलता है कि किसी भी तंत्र में अनुत्पादक प्रतिरोध बलों का कार्य शून्य के बराबर नहीं हो सकता, इसलिए दक्षता सदैव एक से कम होती है ( η <1 ). उसी सूत्र से यह निष्कर्ष निकलता है कि दक्षता शून्य हो सकती है यदि एक डीवी.एस = एक फीट. वह गति जिसमें A dv.s = A Ftr कहलाती है अकेला . दक्षता शून्य से कम नहीं हो सकती, क्योंकि इसके लिए यह जरूरी है कि एक डी.वी.एस<А Fтр . एक घटना जिसमें तंत्र आराम पर है और स्थिति ए डीवी संतुष्ट है<А Fтр, называется स्व-ब्रेकिंग घटनातंत्र. एक तंत्र जिसके लिए η = 1 कहा जाता है सतत गति मशीन .
इस प्रकार, दक्षता सीमा के भीतर है
0 £ η < 1 .
आइए तंत्रों को जोड़ने के विभिन्न तरीकों के लिए दक्षता के निर्धारण पर विचार करें।
3.2.2.1. श्रृंखला कनेक्शन में दक्षता का निर्धारण
मान लीजिए कि n तंत्र श्रृंखला में जुड़े हुए हैं (चित्र 3.16)।
और इंजन 1 ए 1 2 ए 2 3 ए 3 ए एन-1 एन ए एन
चित्र 3.16 - श्रृंखला से जुड़े तंत्रों का आरेख
पहला तंत्र ड्राइविंग बलों द्वारा संचालित होता है जो काम करते हैं एक डी.वी.एस. चूंकि प्रत्येक पिछले तंत्र का उपयोगी कार्य, उत्पादन प्रतिरोध पर खर्च किया गया, प्रत्येक बाद के तंत्र के लिए ड्राइविंग बलों का कार्य है, पहले तंत्र की दक्षता बराबर होगी:
η 1 =ए 1 /एक डी.वी.एस ..
दूसरे तंत्र के लिए, दक्षता बराबर है:
η 2 =ए 2 /ए 1 .
और अंत में, nवें तंत्र के लिए दक्षता होगी:
η एन =ए एन /एक एन-1
समग्र दक्षता है:
η 1 एन =ए एन /और इंजन
समग्र दक्षता का मूल्य प्रत्येक व्यक्तिगत तंत्र की दक्षता को गुणा करके प्राप्त किया जा सकता है, अर्थात्:
η 1 एन = η 1 η 2 η 3 …η एन= .
इस तरह, सामान्य यांत्रिक श्रृंखला में दक्षताजुड़े तंत्रों के बराबर है कामव्यक्तिगत तंत्र की यांत्रिक दक्षता जो एक समग्र प्रणाली बनाती है:
η 1 एन = η 1 η 2 η 3 …η एन .(3.63)
3.2.2.2 मिश्रित कनेक्शन के लिए दक्षता का निर्धारण
व्यवहार में, कनेक्टिंग तंत्र अधिक जटिल हो जाते हैं। अधिक बार, एक सीरियल कनेक्शन को समानांतर कनेक्शन के साथ जोड़ दिया जाता है। ऐसे संबंध को मिश्रित कहा जाता है। आइए एक जटिल कनेक्शन का एक उदाहरण देखें (चित्र 3.17)।
तंत्र 2 से ऊर्जा प्रवाह दो दिशाओं में वितरित होता है। बदले में, तंत्र 3 ¢¢ से ऊर्जा प्रवाह भी दो दिशाओं में वितरित होता है। उत्पादन प्रतिरोध बलों का कुल कार्य बराबर है:
और पी.एस. = A¢n + A¢¢n + A¢¢¢n.
संपूर्ण प्रणाली की समग्र दक्षता इसके बराबर होगी:
η =ए पी.एस. /एक डी.वी.एस =(ए¢एन + ए¢¢एन + ए¢¢¢एन)/एक डी.वी.एस . (3.64)
समग्र दक्षता निर्धारित करने के लिए, ऊर्जा प्रवाह की पहचान करना आवश्यक है जिसमें तंत्र श्रृंखला में जुड़े हुए हैं और प्रत्येक प्रवाह की दक्षता की गणना करें। चित्र 3.17 में ठोस रेखा I-I, धराशायी रेखा II-II और डैश-बिंदुदार रेखा III-III तीन ऊर्जा एक सामान्य स्रोत से प्रवाहित होती हैं।
और इंजन ए 1 ए ¢ 2 ए ¢ 3… ए ¢ एन-1 ए ¢ एन
II ए ¢¢ 2 II
ए ¢¢ 3 4 ¢¢ ए ¢¢ 4 ए ¢¢ एन-1 एन ¢¢ ए ¢¢ एन
मान लीजिए कि हम दचा में आराम कर रहे हैं, और हमें कुएं से पानी लाने की जरूरत है। हम इसमें बाल्टी डालते हैं, पानी निकालते हैं और उसे उठाना शुरू करते हैं। क्या आप भूल गये कि हमारा लक्ष्य क्या है? यह सही है: थोड़ा पानी ले आओ। लेकिन देखिए: हम न केवल पानी उठा रहे हैं, बल्कि बाल्टी भी उठा रहे हैं, साथ ही वह भारी जंजीर भी उठा रहे हैं जिस पर वह लटकी हुई है। इसे दो-रंग के तीर द्वारा दर्शाया गया है: हम जो भार उठाते हैं वह पानी के वजन और बाल्टी और चेन के वजन का योग है।
स्थिति को ध्यान में रखते हुए गुणात्मक, हम कहेंगे: पानी उठाने के उपयोगी कार्य के साथ-साथ हम अन्य कार्य भी करते हैं - बाल्टी और चेन उठाना। बेशक, चेन और बाल्टी के बिना हम पानी नहीं खींच पाएंगे, लेकिन अंतिम लक्ष्य के दृष्टिकोण से, उनका वजन हमें "नुकसान" पहुंचाता है। अगर ये वजन कम होता तो पूर्ण उत्तम कार्यछोटा भी होगा (उसी उपयोगिता के साथ)।
अब आगे बढ़ते हैं मात्रात्मकइन कार्यों का अध्ययन करें और एक भौतिक मात्रा का परिचय दें जिसे कहा जाता है क्षमता.
काम। लोडर टोकरियों से प्रसंस्करण के लिए चुने गए सेबों को ट्रक में डालता है। एक खाली टोकरी का द्रव्यमान 2 किग्रा है और उसमें रखे सेबों का वजन 18 किग्रा है। लोडर के कुल कार्य में से उसके उपयोगी कार्य का हिस्सा कितना है?
समाधान। पूरा काम सेबों को टोकरियों में ले जाना है। इस काम में सेब उठाना और टोकरियाँ उठाना शामिल है। महत्वपूर्ण: सेब उठाना उपयोगी काम है, लेकिन टोकरियाँ उठाना "बेकार" है, क्योंकि लोडर के काम का उद्देश्य केवल सेबों को ले जाना है।
आइए संकेतन का परिचय दें: Fя वह बल है जिसके साथ हाथ केवल सेब को ऊपर उठाते हैं, और Fк वह बल है जिसके साथ हाथ केवल टोकरी को ऊपर उठाते हैं। इनमें से प्रत्येक बल संबंधित गुरुत्वाकर्षण बल के बराबर है: F=mg।
सूत्र A = ±(F||· l) का उपयोग करके, हम इन दो बलों के कार्य को "लिखते हैं":
उपयोगी = +Fя · lя = mя g · h और बेकार = +Fк · lк = mк g · h
कुल कार्य में दो कार्य शामिल हैं, अर्थात यह उनके योग के बराबर है:
पूर्ण = अनुपयुक्त + अनुपयुक्त = mя g h + mк g h = (mя + mк) · g h
समस्या में हमें लोडर के कुल कार्य में से उसके उपयोगी कार्य के हिस्से की गणना करने के लिए कहा गया है। आइए उपयोगी कार्य को कुल से विभाजित करके ऐसा करें:
भौतिकी में, ऐसे शेयरों को आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है और ग्रीक अक्षर "η" (पढ़ें: "यह") द्वारा दर्शाया जाता है। परिणामस्वरूप हमें मिलता है:
η = 0.9 या η = 0.9 100% = 90%, जो समान है।
यह संख्या दर्शाती है कि लोडर के कुल कार्य के 100% में से उसके उपयोगी कार्य का हिस्सा 90% है। समस्या सुलझ गई है।
भौतिक मात्रा अनुपात के बराबर Iyu उपयोगी कार्य से लेकर संपूर्ण उत्तम कार्य तक, भौतिकी में इसका अपना नाम है - दक्षता - क्षमता:
इस सूत्र का उपयोग करके दक्षता की गणना करने के बाद, इसे आमतौर पर 100% से गुणा किया जाता है। और इसके विपरीत: इस सूत्र में दक्षता को प्रतिस्थापित करने के लिए, इसके मान को 100% से विभाजित करके प्रतिशत से दशमलव अंश में परिवर्तित किया जाना चाहिए।
परिभाषा [ | ]
क्षमता
गणितीय रूप से, दक्षता की परिभाषा इस प्रकार लिखी जा सकती है:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)कहाँ ए- उपयोगी कार्य (ऊर्जा), और क्यू- ऊर्जा व्यय हुई।
यदि दक्षता को प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है, तो इसकी गणना सूत्र द्वारा की जाती है:
η = A Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε एक्स = क्यू एक्स / ए (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),कहाँ Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- ठंडे सिरे से ली गई गर्मी (प्रशीतन मशीनों में, शीतलन क्षमता); ए (\डिस्प्लेस्टाइल ए)
ऊष्मा पम्पों के लिए प्रयुक्त शब्द है परिवर्तन अनुपात
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),कहाँ Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- संघनन ऊष्मा शीतलक में स्थानांतरित हो जाती है; ए (\डिस्प्लेस्टाइल ए)- इस प्रक्रिया पर खर्च किया गया कार्य (या बिजली)।
एकदम सही कार में Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), यहाँ से आदर्श कार तक ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
दक्षता कारक (दक्षता) एक मान है, जो प्रतिशत के रूप में, प्राप्त ऊर्जा को उपयोगी कार्य में परिवर्तित करने में एक विशेष तंत्र (इंजन, सिस्टम) की दक्षता को व्यक्त करता है।
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डीजल की दक्षता अधिक क्यों है?
विभिन्न इंजनों के लिए दक्षता संकेतक काफी भिन्न हो सकते हैं और कई कारकों पर निर्भर करते हैं। इस प्रकार की बिजली इकाई के संचालन के दौरान उत्पन्न होने वाली बड़ी संख्या में यांत्रिक और थर्मल हानियों के कारण अपेक्षाकृत कम दक्षता होती है।
दूसरा कारक घर्षण है जो संभोग भागों की परस्पर क्रिया के दौरान होता है। अधिकांश उपयोगी ऊर्जा की खपत इंजन पिस्टन की गति के साथ-साथ मोटर के अंदर भागों के घूमने से होती है, जो संरचनात्मक रूप से बीयरिंग के लिए तय होते हैं। गैसोलीन की दहन ऊर्जा का लगभग 60% केवल इन इकाइयों के संचालन को सुनिश्चित करने पर खर्च किया जाता है।
अतिरिक्त नुकसान अन्य तंत्रों, प्रणालियों और अनुलग्नकों के संचालन के कारण होते हैं। ईंधन और वायु के अगले चार्ज के प्रवेश के समय प्रतिरोध हानि का प्रतिशत, और फिर आंतरिक दहन इंजन सिलेंडर से निकास गैसों की रिहाई को भी ध्यान में रखा जाता है।
यदि हम एक डीजल इकाई और एक गैसोलीन इंजन की तुलना करते हैं, तो एक डीजल इंजन में गैसोलीन इकाई की तुलना में काफी अधिक दक्षता होती है। गैसोलीन बिजली इकाइयों की दक्षता प्राप्त ऊर्जा की कुल मात्रा का लगभग 25-30% है।
दूसरे शब्दों में, इंजन संचालन पर खर्च होने वाले 10 लीटर गैसोलीन में से केवल 3 लीटर का उपयोग उपयोगी कार्य करने के लिए किया जाता है। ईंधन के दहन से शेष ऊर्जा नष्ट हो गई।
समान विस्थापन के साथ, स्वाभाविक रूप से एस्पिरेटेड गैसोलीन इंजन की शक्ति अधिक होती है, लेकिन उच्च गति पर हासिल की जाती है। इंजन को "चालू" करने की आवश्यकता है, नुकसान बढ़ जाता है, ईंधन की खपत बढ़ जाती है। टॉर्क का उल्लेख करना भी आवश्यक है, जिसका शाब्दिक अर्थ वह बल है जो इंजन से पहियों तक संचारित होता है और कार को चलाता है। गैसोलीन आंतरिक दहन इंजन उच्च गति पर अधिकतम टॉर्क प्राप्त करते हैं।
एक समान स्वाभाविक रूप से एस्पिरेटेड डीजल इंजन कम गति पर चरम टॉर्क तक पहुंचता है, जबकि उपयोगी कार्य करने के लिए कम डीजल ईंधन का उपयोग करता है, जिसका अर्थ है उच्च दक्षता और ईंधन अर्थव्यवस्था।
डीजल ईंधन गैसोलीन की तुलना में अधिक गर्मी उत्पन्न करता है, डीजल ईंधन का दहन तापमान अधिक होता है, और विस्फोट प्रतिरोध अधिक होता है। यह पता चला है कि एक डीजल आंतरिक दहन इंजन एक निश्चित मात्रा में ईंधन पर अधिक उपयोगी कार्य करता है।
डीजल ईंधन और गैसोलीन का ऊर्जा मूल्य
डीजल ईंधन में गैसोलीन की तुलना में भारी हाइड्रोकार्बन होते हैं। डीजल इंजन की तुलना में गैसोलीन इकाई की कम दक्षता गैसोलीन के ऊर्जा घटक और इसके दहन की विशेषताओं में भी निहित है। डीजल ईंधन और गैसोलीन की समान मात्रा के पूर्ण दहन से पहले मामले में अधिक गर्मी पैदा होगी। डीजल आंतरिक दहन इंजन में गर्मी पूरी तरह से उपयोगी यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यह पता चला है कि प्रति यूनिट समय में समान मात्रा में ईंधन जलाने पर, डीजल इंजन ही अधिक काम करेगा।
यह इंजेक्शन की विशेषताओं और मिश्रण के पूर्ण दहन के लिए उचित परिस्थितियों के निर्माण को भी ध्यान में रखने योग्य है। डीजल इंजन में, ईंधन को हवा से अलग से आपूर्ति की जाती है; इसे इनटेक मैनिफोल्ड में नहीं, बल्कि संपीड़न स्ट्रोक के बिल्कुल अंत में सीधे सिलेंडर में इंजेक्ट किया जाता है। परिणाम उच्च तापमान और कार्यशील ईंधन-वायु मिश्रण के एक हिस्से का सबसे पूर्ण दहन है।
परिणाम
डिज़ाइनर डीजल और गैसोलीन दोनों इंजनों की दक्षता में सुधार के लिए लगातार प्रयास कर रहे हैं। प्रति सिलेंडर सेवन और निकास वाल्वों की संख्या में वृद्धि, सक्रिय उपयोग, ईंधन इंजेक्शन का इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण, थ्रॉटल वाल्व और अन्य समाधान दक्षता में काफी वृद्धि कर सकते हैं। यह बात काफी हद तक डीजल इंजन पर लागू होती है।
इन विशेषताओं के लिए धन्यवाद, एक आधुनिक डीजल इंजन सिलेंडर में हाइड्रोकार्बन से संतृप्त डीजल ईंधन के एक हिस्से को पूरी तरह से जलाने और कम गति पर उच्च टोक़ उत्पन्न करने में सक्षम है। कम आरपीएम का अर्थ है कम घर्षण हानि और परिणामी खिंचाव। इस कारण से, आज डीजल इंजन सबसे अधिक उत्पादक और किफायती प्रकार के आंतरिक दहन इंजनों में से एक है, जिसकी दक्षता अक्सर 50% से अधिक होती है।
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