എണ്ണ എന്‍ജിന്‍ വാഹനങ്ങള്‍ക്ക് 15% ഇന്ധന-വീല്‍ ദക്ഷത.

fuel-lean ആയി എന്‍ജിന്‍ ഓടിക്കുക. അതായത് കൂടുതല്‍ വായു ഉപയോഗിക്കുക. ഇത് എന്‍ജിന്റെ ദക്ഷത കൂട്ടും. പണ്ടുകാലത്ത് എന്‍ജിന്‍ fuel-lean ആയിട്ടാണ് ഓടിച്ചിരുന്നത്, 15% കൂടുതല്‍ വായൂ. ഇത് ലാഭകരമായിരുന്നു. എന്തുകൊണ്ട് ഇത് ഇപ്പോള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നില്ല? കാരണം പുകക്കുഴലില്‍ ഘടിപ്പിച്ചിട്ടുള്ള three-way (CO, UHC, NOx) ഉല്‍-പ്രേരകം. ഇത് പ്രവര്‍ത്തിക്കണമെങ്കില്‍ എന്‍ജിനില്‍ എത്തുന്ന വായൂ-ഇന്ധന അനുപാതം കൃത്ത്യമായിരിക്കണം. പെട്രോളിന് ഈ അനുപാതം 14.6:1 ആണ്. ഈ അനുപാതത്തില്‍ മാത്രമേ ഉല്‍പ്രേരകത്തിന് CO ഉം UHC ഉം ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്ത് CO2 ഉം H2O ഉം ആയി മാറ്റാന്‍ കഴിയൂ. (കൂടതെ NOx നെ N2 ആയി മാറ്റാനും). അതുകൊണ്ട് നമുക്ക് വേണ്ടത് lean-NOx ഉല്‍-പ്രേരകമാണ്. അത് ദക്ഷത കൂട്ടുകയും മലിനീകരണം കുറക്കുകയും ചെയ്യും.പെട്രോളിയം എന്‍ജിന്റെ lean flammability യും പരിഷ്കരിക്കേണ്ടതുണ്ട്. lean ഇന്ധനത്തെ കത്തിക്കാനുള്ള കഴിവാണ് lean flammability. ഇന്ധന-വായൂ മിശ്രിതം കൂടുതല്‍ lean ആയാല്‍, ജ്വാലക്ക് പിസ്റ്റണെ തള്ളിനീക്കാനുള്ള ശക്തി ഉണ്ടാകില്ല. കൂടാതെ അത് misfire ന് കാരണമാകുകയും കൂടുതല്‍ പുക പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യും. ഇതിനെ മറികടക്കാന്‍ ഉല്‍-പ്രേരകം ഉപയോഗിക്കേണ്ടിവരുന്നതിനാല്‍ അത് വേഗം expire ആകുന്നു.

പശ്ചാത്തലം:
ഓട്ടോ സൈക്കിളിന്റെ ദക്ഷത ഒരു അടിസ്ഥാന തെര്‍മോഡൈനമിക്സ് ക്ലാസിനിന്നും നമുക്ക് അറിയാം. (ഓട്ടോ സൈക്കിള്‍ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് പെട്രോള്‍ ഉപയോഗിച്ചോടുന്ന വാഹനത്തിന്റെ എന്‍ജിന്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്). ഓട്ടോ സൈക്കിളിന്റെ ദക്ഷത:
h = 1 – 1/rvg-1
എന്‍ജിന്റെ compression ratio ആണ് rv. യഥാര്‍ധത്തില്‍ ഇത് ഒരു volume ratio ആണ്. പിസ്റ്റണ്‍ സിലിണ്ടറിന്റെ അടിയില്‍ ഉള്ളപ്പോളുള്ള വ്യാസവും പിസ്റ്റണ്‍ സിലിണ്ടറിന്റെ മുകളില്‍ എത്തുമ്പോളുള്ള വ്യാസവും തമ്മിലുള്ള അനുപാതമാണിത്. rv = Vbottom/Vtop.
മിക്ക ഓട്ടോ എന്‍ജിനും 9 മുതല്‍ 10.5 വരെയുള്ള compression ratios ആണ് ഉള്ളത്. അതുകൊണ്ട് compression ratio കൂട്ടിയാല്‍ എന്‍ജിന്റെ ദക്ഷത കൂട്ടാന്‍ കഴിയും. g എന്ന ഘടകം specific heats ന്റെ ratio ആണ്. ie, the constant pressure specific heat over the constant volume specific heat. പ്രായോഗികമായി പറഞ്ഞാല്‍ g കൂട്ടിയാലും എന്‍ജിന്റെ ദക്ഷത കൂട്ടാന്‍ കഴിയും. ഹീലിയും, ആര്‍ഗോണ്‍ പോലൂള്ള വാതകങ്ങള്‍ക്ക് അവ ഒറ്റ തരം ആറ്റങ്ങള്‍ കൊണ്ടുണ്ടായതുകൊണ്ട് g വളരെ കൂടുതലായിരിക്കും. 1.67. അന്തരീക്ഷ വായൂ നേരെ തിരിച്ചാണ്. അത് കൂടുതലും ഓക്സിജനും നൈട്രജനും ഉള്‍ക്കൊള്ളുന്നതാണ്. അതിന്റെ g 1.4 ആണ്. ഇന്ധന ബാഷ്പത്തിന് ഇതിലും കുറവാണ് g. ഏകദേശം 1.35.

compression stroke സമയത്ത് ഈ മിശ്രിതത്തെ compress ചെയ്യുകയും ചൂടാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അപ്പോള്‍ അതിന്റെ g പിന്നേയും കുറയുന്നു. 1.33. ജ്വലനം നടക്കുമ്പോള്‍ (പിസ്റ്റണ്‍ ഇപ്പോള്‍ സിലിണ്ടറിന്റെ മുകളില്‍ ആണ്), ഇന്ധനം ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്ത് CO2, CO, H2O ആയി മാറുന്നു. ഇപ്പോള്‍ g താഴ്ന്ന് 1.20-1.25 എത്തുന്നു. മൊത്തത്തില്‍, മുഴുവന്‍ സൈക്കിള്‍ നടക്കുമ്പോള്‍ g മൂല്ല്യം താഴ്ന്ന് ഏകദേശം 1.27 ല്‍ എത്തുന്നു.
The rule of thumb is: തന്‍മാത്രകളുടെ സങ്കീര്‍ണ്ണത കൂടുമ്പോള്‍ g യുടെ മൂല്ല്യം കുറയുന്നു. താഴ്ന്ന മൂല്ല്യം 1 ആണ്.
ഹീലിയും, ആര്‍ഗോണ്‍ എന്ന വാതകങ്ങള്‍ അടുത്ത ഒരു ആറ്റം കൂട്ടിമുട്ടുന്നതുവരെ നേര്‍ രേഖയില്‍ സഞ്ചരിക്കുന്നു. അന്തരീക്ഷവായൂ ഇങ്ങനെ ചെയ്യില്ല. കൂടാതെ അത് ഭ്രമണവും ചെയ്യുന്നു. ചൂടു വായൂ വിറക്കുകയും ചെയ്യും. അന്തരീക്ഷ താപനിലയില്‍ പോലും ഇന്ധന ബാഷ്പം വിറക്കും. നേര്‍രേഖയിലുള്ള തന്‍മാത്രകളുടെ സഞ്ചാരം മാത്രമേ പിസ്റ്റണെ തള്ളുകയുള്ളു. അല്ലാത്ത എല്ലാ സഞ്ചാരവും വെറുതെയാണ്. g കുറയുകയാണെങ്കില്‍ h ഉം കുറയും.
lean എന്‍ജിന് തണുത്ത combustion process ആണ്. കൂടാതെ അതിന് കൂടുതല്‍ വായൂ ഇന്ധന ബാഷ്പത്തില്‍ കാണും. ഇത് g യും h ഉം കൂടാന്‍ കരണമാകുന്നു.

ദക്ഷതാ സമവാക്യത്തില്‍ g ക്ക് 1.27 എന്ന വിലയിടുക. rv = 10 എന്നു കരുതുക. അപ്പോള്‍ നമുക്ക് h ന്റെ വില 0.46 എന്ന് കിട്ടും. ഇതിനെ 0.75 കൊണ്ട് ഗുണിക്കുക. കത്താനെടുക്കുന്ന സമയം, coolant വഴി നഷ്ടപ്പെടുന്ന ചൂട്, പിസ്റ്റണ്‍ അറ്റത്തെത്തുന്നതിനു മുമ്പ് exhaust വാല്‍വ് നേരത്തേ തുറക്കപ്പെടുന്നത്, മുതലായ യഥാര്‍ത്ഥ cycle effects നെ accomodate ചെയ്യാനാണിത്.
ഇപ്പോള്‍ നമുക്ക് h = 0.35 എന്ന് കിട്ടി. ഇന്ധനത്തിന്റെ chemical ഊര്‍ജ്ജം ഉപയോഗിച്ച് പിസ്റ്റണ്‍ നീക്കാന്നതിന്റെ ദക്ഷത ആണിത്.
ഇതിനെ എന്‍ജിന്റെ mechanical ദക്ഷതകൊണ്ട് ഗുണിക്കുക. എന്‍ജിനിലെ mechanical ഘര്‍ഷണം, വായുവും ഇന്ധനവും പമ്പ് ചെയ്യുന്നതിനുള്ള ജോലി, പിസ്റ്റണിന്റെ reciprocal നീക്കം വീലിനുവേണ്ട rotary നീക്കമാക്കാനുള്ളതില്‍ നഷ്ട്ടപ്പെടുന്ന ഊര്‍ജ്ജം എന്നിവകൂടി പരിഗണിച്ചാല്‍ നമുക്ക് എന്‍ജിന്റെ യഥാര്‍ത്ഥ ദക്ഷത കിട്ടും. കൂടാതെ mechanical ദക്ഷത വണ്ടി ഓടിക്കുന്ന സാഹചര്യവുമായി ബന്ധപ്പെട്ടതാണ്
RPM കൂടുന്നതനുസരിച്ച് ഘര്‍ഷണം മൂലമുള്ള നഷ്ടം കൂടും. throttle കൂടുതല്‍ അടഞ്ഞിരുന്നാല്‍ പമ്പിങ്ങ് മൂലമുള്ള നഷ്ടം കൂടുതലാകും. അതായത് സാധാരണ സാഹചര്യത്തില്‍ എന്‍ജിന്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത് ഏകദേശം 20% ദക്ഷതയിലാണ്. വായൂ നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള throttle ന്റെ കാര്യമാണ് മുമ്പ് പറഞ്ഞത്. ഇനി ട്രാന്‍സ്മിഷനും real axle ഘര്‍ഷണവും കൂടി കണക്കിലെടുത്താല്‍ നമ്മള്‍ എത്തിച്ചേരുക 15% എന്ന ഇന്ധന-വീല്‍ ദക്ഷതയിലാണ്.

ഉയര്‍ന്ന compression അനുപാതം. ഇന്ധനം തനിയേ കത്തുന്നതാണിവിടെ പ്രശ്നം (knock). compression അനുപാതം ഏകദേശം 10.5 ന് മുകളില്‍ എത്തിയാല്‍ ഇന്ധനത്തിന്റെ ഒക്റ്റൈന്‍ സംഖ്യ ഉയര്‍ന്നതല്ലെങ്കില്‍ knock ഉണ്ടാകും. ഇത് ഒരു ശല്ല്യവും എന്‍ജിന് ദോഷകരവുമാണ്. ഉയര്‍ന്ന compression അനുപാതത്തില്‍ പ്രവര്‍ത്തിക്കാന്‍ കഴിയാത്തത് പെട്രോള്‍ എന്‍ജിന്റെ ദക്ഷതയേ ബാധിക്കുന്ന ഒരു പ്രശ്നമാണ്. എന്നാല്‍ ഡീസല്‍ എന്‍ജിന് ഈ പ്രശ്നം ഇല്ല. അത് ഉയര്‍ന്ന compression അനുപാതത്തില്‍ ആണ് പ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നത്. കൂടാതെ അത് lean ആയ ഇന്ധനവും ഉപയോഗിക്കുന്നു. അതുകൊണ്ട് ഡീസല്‍ എന്‍ജിന് പെട്രോള്‍ എന്‍ജിനേക്കാള്‍ ദക്ഷത കൂടുതലാണ്. എന്നിരുന്നാലും ഡീസല്‍ എന്‍ജിന് പെട്രോള്‍ എന്‍ജിന്റെ മറ്റെല്ലാ ദക്ഷതക്കുറവും ഉണ്ട്. കൂടാതെ അതുണ്ടാക്കുന്ന മലിനീകരണം വളരെ കൂടുതലാണ്.

പ്രായോഗികമായി ഉപയോഗിക്കാന്‍ കഴിയുന്ന പുതിയ കൈക്കിളുകള്‍ നമുക്ക് വേണം. ഉദാഹരണത്തിന് അട്കിന്‍സണ്‍(Atkinson) സൈക്കിള്‍. ഇതിന് expansion അനുപാതത്തെക്കാള്‍ ചെറിയ compression അനുപാതമാണുള്ളത്. കത്തിയ വാതകം വികസിക്കുന്നതിനാല്‍ അത് തണുക്കുന്നു. ഇത് TC(?) കുറക്കാന്‍ സഹായിക്കുകയും സൈക്കിള്‍ ദക്ഷത കൂട്ടുകയും ചെയ്യും. exhaust വഴി ചൂടുനഷ്ടപ്പെടുന്നത് കുറയുകയും ചെയ്യും.

optimum condition ല്‍ എന്‍ജിന്‍ ഓടിക്കണം. അത് ഘര്‍ഷണവും പമ്പിങ്ങ് ജോലിയും(വായൂ throttle തുറക്കാന്‍) കുറക്കും. പിസ്റ്റണ്‍ ചലിപ്പിക്കാനുള്ള ദക്ഷത 35% ആക്കി ഉയര്‍ത്തുക. ചില stationary piston engines – പൈപ്പ് ലൈന്‍ കമ്പ്രസര്‍ സ്റ്റേഷന്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന വലിയ മന്ദവേഗ പിസ്റ്റണ്‍ എന്‍ജിന്‍ – ന് ഇത്രയും ദക്ഷതയുണ്ട്. ഹൈബ്രിഡ് പെട്രോള്‍-ഇലക്ട്രിക്ക് വാഹനങ്ങള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന എന്‍ജിനുകളുടെ ഒരു പ്രധാന സവിശേഷത ഇതാണ്.

ബ്രേക്ക് ചെയ്യുമ്പോള്‍ ഹൈബ്രിഡ് പവര്‍ പ്ലാന്റ് വാഹനത്തിന്റെ ഗതികോര്‍ജ്ജത്തിന്റെ ഒരു പങ്ക് തിരിച്ച് സംഭരിക്കുന്നുണ്ട്. അത് വൈദ്യുതിയായി തിരികെ ബാറ്ററിയില്‍ സംരക്ഷിക്കുന്നു. സാധാരണഗതിയില്‍ ഈ ഗതികോര്‍ജ്ജം ചൂടായി നഷ്ടപ്പെടുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. ഒരു ഇന്‍വെര്‍ട്ടര്‍ ഉപയോഗിച്ച് ബാറ്ററിയിലെ DC വൈദ്യുതി മോട്ടറിനുവേണ്ടി AC ആയി മാറ്റുന്നു.

വിവിധ വാഹന പവര്‍ പ്ലാന്റിന്റെ “well-to-wheel” ദക്ഷത ചുവടെയുള്ള പട്ടികയില്‍ കൊടുത്തിരിക്കുന്നു. “Fuel Prod” എന്നത് ഇന്ധനം ഖനനചെയ്ത്, ശുദ്ധീകരിച്ച്, transport ചെയ്ത് ഉപയോഗപ്രദമാക്കുന്നതിനുള്ള ഊര്‍ജ്ജത്തിന്റെ ദക്ഷതയാണ്. “Eng” എന്നത് ഇന്ധന-വീല്‍ ദക്ഷതയാണ്. “Gas” എന്നത് പെട്രോള്‍ എന്‍ജിന്‍. “FC-HC” – fuel cell with a gasoline-to-hydrogen reformer on board
(PEM = proton exchange membrane fuel cell)
“FC-MeOH” – PEM fuel cell with methanol-to-hydrogen reformer on board. (The methanol is produced at a refinery by steam reforming natural gas – thus it is a “fossil fuel”.)
“Ems” – emissions (CO, UHC, NOx) impact.
The ratings are “low” (where we are now for autos), “ultra low”, and super low”.