बॉश के डीज़ल और इथेनॉल इंजनों का कार्य: तकनीकी विश्लेषण और चुनौतियाँ

इथेनॉल के साथ डीजल चक्र की चुनौतियाँ

डीजल इंजनों का विश्लेषण करते समय, तकनीकी परिदृश्य नाटकीय रूप से बदल जाता है। ऐतिहासिक रूप से, इन इंजनों में इथेनॉल का उपयोग करने में कठिनाई हमेशा यांत्रिक प्रकृति की रही है, और 1980 के दशक की घटनाएं दर्शाती हैं कि इस बाधा को पार करने का प्रयास हताश भू-राजनीतिक आवश्यकताओं से प्रेरित था। प्रोआल्कोल के चरम पर, ब्राजील बाहरी ऋण संकट का सामना कर रहा था और आयातित तेल की कीमतें ऊंची थीं। सरकारी निर्देश स्पष्ट था: डीजल तेल पर डॉलर खर्च करना बंद करें और भारी बेड़े को कारखानों में उत्पादित अल्कोहल पर चलाना चाहिए।

मुख्य बाधा ट्रक इंजन के संचालन में निहित है, जो स्पार्क प्लग का उपयोग नहीं करता है, बल्कि स्व-प्रज्वलन पर निर्भर करता है, एक प्रक्रिया जिसके लिए संपीड़ित हवा को ईंधन के विस्फोट बिंदु तक गर्म करने की आवश्यकता होती है। डीजल स्वाभाविक रूप से इसके लिए उपयुक्त है, अपने उच्च सेटेन संख्या (S10 डीजल में न्यूनतम 48 और S500 में 42) के कारण, जो दबाव में आसान प्रज्वलन की अनुमति देता है। इसके विपरीत, इथेनॉल में एक उच्च ऑक्टेन रेटिंग होती है जो संपीड़न का दृढ़ता से विरोध करती है।

ऐतिहासिक अनुभव और समाधान

इंजन को पूरी तरह से फिर से डिजाइन करने की लागत से बचने के लिए, स्कानिया ने T112 E 6x4 मॉडल लागू किया, जो 50 टन से अधिक गन्ना भार ले जाता था। माकातुबा (एसपी) में साओ जोस प्लांट के फील्ड रिकॉर्ड ने संकेत दिया कि 11 लीटर DS11 इंजन एक महत्वपूर्ण ऊष्मागतिक चुनौती का सामना कर रहा था: इथेनॉल में केवल 12 की आभासी सेटेन संख्या थी, जबकि मानक संचालन के लिए 45 की आवश्यकता थी। पाया गया समाधान हाइड्रेटेड अल्कोहल का उपयोग करना था जिसमें स्व-प्रज्वलन को मजबूर करने के लिए रासायनिक पदार्थों का पूरक था। शुरू में, इंजीनियरिंग ने DII-2 (हेक्सिल नाइट्रेट) का परीक्षण किया, लेकिन बड़े पैमाने पर परियोजना को संभव बनाने के लिए राष्ट्रीय मुख्य दांव टेट्राहाइड्रोफुरफ्यूरील नाइट्रेट था, जिसे पहले ही ताउबाटे (एसपी) में संश्लेषित किया जा रहा था और मिश्रण में 7% जोड़ने की आवश्यकता थी।

इस संयोजन को संसाधित करने और इस तथ्य की भरपाई करने के लिए कि अल्कोहल की कैलोरी मान डीजल की तुलना में लगभग 67% कम है, प्रत्यक्ष यांत्रिक संशोधन किए गए थे: इंजेक्टरों को बड़े छिद्रों वाले पुर्जों से बदल दिया गया, और ईंधन प्रवाह को सीधे इंजेक्शन पंप क्रैंकशाफ्ट नियंत्रण स्क्रू पर बढ़ाया गया। इसके अलावा, अल्कोहल की कम चिपचिपाहट और प्राकृतिक स्नेहन की कमी के कारण, एक लोक और आवश्यक संरक्षक जोड़ा गया: सूखे घर्षण से इंजेक्शन प्रणाली को रोकने के लिए टैंक में 1% मकाडामिया तेल मिलाया गया।

वित्तीय परिणाम और विकल्प

हालांकि ड्राइवरों ने बताया कि वाहन में शक्ति थी और कैबिन में एकमात्र ध्यान देने योग्य परिवर्तन निकास में अल्कोहल की गंध था, संयंत्रों के वित्तीय विश्लेषण ने आर्थिक नुकसान का खुलासा किया। एडिटिवेटेड अल्कोहल डीजल की तुलना में अधिक महंगा हो गया, मुख्य रूप से नाइट्रेट एडिटिव के कारण, जो प्रयोगशाला में हस्तनिर्मित था और बड़े पैमाने पर औद्योगिक संयंत्र नहीं था, जिससे जले हुए प्रति लीटर लागत का लगभग 35% खर्च होता था। इस रसायन विज्ञान की लागत और उच्च आयतन खपत को पार करने में विफल रहने पर, जैसे ही तेल बाजार स्थिर हुआ, परियोजना विफल हो गई।

इस गतिरोध के जवाब में, अन्य निर्माताओं ने नवीन यांत्रिक समाधानों का पता लगाया। मर्सिडीज-बेंज ने एडिटिव्स के उपयोग को नजरअंदाज कर दिया, अपने डीजल इंजन OM-352 (ट्रक 1113 का दिल) को अनुकूलित किया, संपीड़न को कम किया, एक डिस्ट्रीब्यूटर को समायोजित किया और इसे ओटो चक्र में परिवर्तित करने के लिए सिलेंडर हेड में स्पार्क प्लग स्थापित किए। इससे '15' श्रृंखला के दुर्लभ ट्रक बने (L-1115, L-1315 और L-2215), जिनकी अश्वशक्ति अल्कोहल में रूपांतरण के साथ 130 हॉर्सपावर से बढ़कर लगभग 145 हॉर्सपावर हो गई। समानांतर में, डॉज (और बाद में फोक्सवैगन ट्रकों, जो ब्राजील में क्रिसलर के संचालन का उत्तराधिकारी था) ने E-11 और E-700 मॉडल लॉन्च किए, जो 5.2 लीटर क्राइसलर V8 318 इंजन से लैस थे, जो यात्री कारों में उपयोग किए जाने वाले के समान थे, लेकिन अल्कोहल के लिए पूरी तरह से अनुकूलित थे। ये वाहन भार पर मसल कार की शक्तिशाली आवाज और कम गति पर उत्कृष्ट टॉर्क प्रदान करते थे, लेकिन खपत अत्यधिक उच्च थी। जैसे ही वैश्विक स्तर पर तेल की कीमतें स्थिर हुईं, पूरे प्रायोगिक बेड़े को चुपचाप डीजल में वापस कर दिया गया या त्याग दिया गया।

बॉश की डुअल फ्यूल प्रणाली

कई साल बाद, बॉश, जिसने हल्के वाहनों में फ्लेक्स इंजनों के विकास का नेतृत्व किया था, ने भारी उपकरणों में अल्कोहल के अनुप्रयोग में फिर से निवेश किया, एक ऐसी प्रणाली प्रस्तावित की जो डीजल इंजनों को भी इथेनॉल पर संचालित करने की अनुमति देती है, जो ऑटोमोबाइल के फ्लेक्स इंजन के समान है, हालांकि तकनीकी आरक्षणों के साथ।

हाइब्रिड दहन इंजीनियरिंग

बॉश की नई डुअल फ्यूल प्रणाली को तकनीकी रूप से 'फ्लेक्स' कहना गलत है। यात्री कारों के विपरीत, जहां सभी ईंधन एक ही नोजल में मिश्रित होते हैं और ऑक्सीजन सेंसर मिश्रण का प्रबंधन करता है, बॉश की प्रणाली, जिसे कैंपिनास (एसपी) के इंजीनियरिंग केंद्र में पूरी तरह से ब्राजील में विकसित किया गया था, दो पूरी तरह से अलग और स्वतंत्र ईंधन टैंकों का उपयोग करती है, जो दो समानांतर लाइनों को शक्ति प्रदान करते हैं जो इंजन के अंदर ही मिलती हैं। यह भौतिक अलगाव महत्वपूर्ण है, क्योंकि इथेनॉल को सीधे डीजल टैंक में मिलाने से रासायनिक आपदा होगी: कोई भी नमी ईंधनों को अलग-अलग चरणों में अलग कर देगी और डीजल की स्नेहन क्षमता को नष्ट कर देगी, जिससे आधुनिक कॉमन रेल प्रणालियों के उच्च दबाव वाले पंप और इंजेक्टर तुरंत रुक जाएंगे जो 2,000 बार पर काम करते हैं। बॉश ने डीजल इंजन की अखंडता और मजबूती बनाए रखी, 16:1 से अधिक के अपने संपीड़न अनुपात को संरक्षित किया, और इलेक्ट्रॉनिक रूप से इंजेक्शन का प्रबंधन किया।

वर्तमान में न्यूनतम व्यवहार्य उत्पाद (MVP) चरण में, प्रणाली भार रीडिंग पर आधारित एक कठोर गणितीय तर्क का पालन करती है। निष्क्रियता या अधिकतम शक्ति शासन में, इलेक्ट्रॉनिक्स इथेनॉल को निष्क्रिय कर देता है, जिससे इंजन लगभग विशेष रूप से डीजल पर संचालित होता है। इथेनॉल की कार्यक्षमता केवल मध्यवर्ती भार और गति श्रेणियों में सक्रिय होती है। इन क्षणों में, रेट्रोफिट किट हवा के सेवन मैनिफोल्ड में सीधे इथेनॉल के द्वितीयक इंजेक्टरों को सक्रिय करता है। खींचते समय, इंजन पहले से ही गैसीय इथेनॉल के एक गरीब कोहरे के साथ मिश्रित हवा खींचता है। चूंकि इथेनॉल विस्फोट का विरोध करता है, यह मिश्रण बिना अवांछित प्री-इग्निशन के पिस्टन के मजबूत संपीड़न का समर्थन करता है। महत्वपूर्ण क्षण शीर्ष मृत बिंदु (TDC) पर होता है, जब मूल प्रणाली डीजल के प्रत्यक्ष इंजेक्शन को ट्रिगर करती है। अतितापित हवा से मिलने पर, डीजल संपीड़न द्वारा तुरंत प्रज्वलित होता है, एक उच्च ऊर्जा वाले तरल इग्नाइटर के रूप में कार्य करता है जो लौ को फैलाता है और बिखरे हुए इथेनॉल को जलाता है, मूल शक्ति और टॉर्क को बनाए रखता है।

भौतिक सीमाएँ और अनुप्रयोग

हालांकि, भौतिकी और ऊष्मागतिकी सीमाएं लगाती हैं। बॉश डीजल के 35% के औसत प्रतिस्थापन दर को डिजाइन करती है, जो केवल आदर्श गति रेंज में क्षणिक रूप से 60% से 65% तक पहुंचती है। निष्क्रियता या परिचालन सीमा के करीब, प्रणाली को 100% डीजल पर वापस आना चाहिए। यह दहन रसायन विज्ञान के कारण है, जिसे यूनिकांप के वैज्ञानिकों द्वारा 2004 से मैप किया गया है। इथेनॉल का लाभ एक ऑक्सीकृत ईंधन होना है; जबकि जीवाश्म डीजल अपूर्ण दहन के कारण कालिख (कण पदार्थ) उत्पन्न करता है क्योंकि ऑक्सीजन की कमी होती है, इथेनॉल मिश्रण में अतिरिक्त ऑक्सीजन अणु पेश करता है, दहन को साफ करता है और कणों को कम करने में मदद करता है।

हालांकि, कमजोर बिंदु इथेनॉल की लगभग शून्य सेटेन संख्या है। जबकि S10 डीजल को दबाव में प्रज्वलित होने के लिए न्यूनतम 48 की आवश्यकता होती है, इथेनॉल एक मजबूत प्रज्वलन अवरोधक के रूप में कार्य करता है। इसके अतिरिक्त, इथेनॉल के वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा को तरल से गैस में बदलने के लिए काफी अधिक परिवेशी तापीय ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इन कारणों से, प्रणाली संचालन के चरम सीमाओं पर इथेनॉल को निष्क्रिय कर देती है। अधिकतम शक्ति पर, डीजल लौ के पास मिश्रण का संवर्धन अनियंत्रित विस्फोट का कारण बनेगा, दबाव को ऐसे स्तरों तक बढ़ाएगा जो कनेक्टिंग रॉड को विकृत कर सकते हैं या बेयरिंग को कुचल सकते हैं। निष्क्रियता में, इथेनॉल इंजेक्शन सिलेंडर को अत्यधिक ठंडा करेगा, बाद के डीजल दहन को रोकेगा और इंजन विफलताओं का कारण बनेगा।

इन प्रतिबंधों के कारण, बॉश की डुअल फ्यूल एक निश्चित समाधान के बजाय एक विशिष्ट संक्रमणकालीन उपकरण के रूप में संरचित है। बॉश ने खुद सड़क परिवहन ट्रकों में विकास को प्रतिबंधित कर दिया है, परीक्षण को ऑफ-रोड सेगमेंट (जैसे गन्ना हार्वेस्टर और ऑफ-रोड खनन ट्रक) पर केंद्रित किया है, जहां उत्सर्जन मानदंड यूरो 6 की तुलना में कम कठोर हैं। चीनी और जैव ऊर्जा संयंत्रों में, समीकरण पूरी तरह से संतुलित होता है, और माकातुबा की स्थिति वर्तमान तकनीक के साथ दोहराई नहीं जा सकती है।

एक उल्लेखनीय विडंबना है: ये संयंत्र गन्ने को पीसने के लिए प्रति हार्वेस्टर सालाना 100 हजार से 120 हजार लीटर डीजल का उपभोग करते हैं जिसे यात्री कारों के लिए इथेनॉल में बदला जाएगा। बॉश का किट एक फायदेमंद बंद चक्र स्थापित करता है, क्योंकि मशीन स्थानीय रूप से उत्पन्न ईंधन का उपभोग करती है, परिवहन लागत को समाप्त करती है और कार्बन फुटप्रिंट को कम करती है, बिना ऑपरेटर से इलेक्ट्रिक या हाइड्रोजन बेड़े में लाखों का निवेश करने की मांग किए, जो अभी भी भारी कृषि कार्य के लिए अनुपयुक्त प्रौद्योगिकियां हैं। वास्तविक चुनौती तब उत्पन्न होगी जब इस तकनीक को संयंत्रों के नियंत्रित वातावरण से बाहर लागू करने का प्रयास किया जाएगा, चाहे वह सड़क पर हो या अनाज क्षेत्र में। खेत में मुफ्त ईंधन उपलब्ध न होने पर, दो टैंक प्रणाली की आर्थिक व्यवहार्यता पूरी तरह से डीजल और इथेनॉल के बीच क्षेत्रीय मूल्य उतार-चढ़ाव और बायोफ्यूल के कार्यस्थलों तक परिवहन की लॉजिस्टिक लागत पर निर्भर करेगी।

मजबूत डीजल इंजन की दक्षता लाभ यात्री फ्लेक्स कारों के लगातार नुकसानों की तुलना में सिद्ध होता है, लेकिन लागत यांत्रिक जटिलता है। सिलिका धूल और अत्यधिक गर्मी के वातावरण में काम करने वाली मशीनों में दूसरी दबाव वाली ईंधन लाइन, अलग-अलग टैंक, अतिरिक्त इंजेक्टर और द्वितीयक इलेक्ट्रॉनिक वायरिंग को एकीकृत करने का मतलब व्यावहारिक रूप से नए विफलता बिंदु बनाना और दूरदराज के क्षेत्रों में अत्यधिक विशिष्ट मैकेनिकों की मांग करना है। ब्राजील में बॉश के डीकार्बोनाइजेशन प्रोजेक्ट्स को फाइनप और बीएनडीईएस के सार्वजनिक प्रोत्साहन लाइनों से 500 मिलियन से अधिक रियाल का समर्थन प्राप्त है, और कंपनी ने इन संसाधनों को सड़क उपयोग के भविष्य के लिए प्रौद्योगिकी को बेहतर बनाने की दिशा में निर्देशित करने की प्रतिबद्धता जताई है।