প্রকৌশল শব্দবিজ্ঞান/২-স্ট্রোক ইঞ্জিনের সোনিক সুপারচার্জিং

Sonic Supercharging of 2 Stroke Engines

এই Engineering Acoustics উইকিবুকের এই পৃষ্ঠাটি 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনের জন্য টিউনড পাইপের উপকারিতা এবং নকশা নিয়ে আলোচনা করে। 2 স্ট্রোক ইঞ্জিন সম্পর্কে প্রাথমিক ধারণা পেতে নিচের লিঙ্কগুলো দেখুন:

Wikipedia 2 Stroke Engines

HowStuffWorks 2 Stroke Engines

Introduction

একটি 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনে, টিউনড পাইপ হল এক্সহস্ট পোর্ট থেকে শুরু করে সংকোচন অংশের শেষে পর্যন্ত এক্সহস্ট সিস্টেমের অংশ। একটি টিউনড পাইপে সাধারণত ৩ থেকে ৪টি স্বতন্ত্র অংশ থাকে, যা কাঙ্ক্ষিত প্রভাব অনুযায়ী তৈরি করা হয়। নিচের চিত্রে ৩টি সাধারণ ধরনের টিউনড পাইপ এবং একটি সোজা পাইপের ক্রস সেকশন দেখানো হয়েছে:

Typical pipes

সোজা ও টিউনড পাইপের উদ্দেশ্য হলো এক্সহস্ট পোর্ট থেকে উৎপন্ন চাপ তরঙ্গ ব্যবহার করে ইঞ্জিনের শ্বাস-প্রশ্বাস প্রক্রিয়াকে সাহায্য করা। পাইপ এমনভাবে ডিজাইন করা হয় যাতে প্রতিফলিত ধনাত্মক ও ঋণাত্মক তরঙ্গ নির্দিষ্ট সময়ে এক্সহস্ট পোর্টে ফিরে আসে, যখন নিম্ন বা উচ্চ চাপ প্রয়োজন হয়। এটা 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনের জন্য খুব উপকারী কারণ 4 স্ট্রোক ইঞ্জিনের মত এতে আলাদা ইনটেক ও এক্সহস্ট স্ট্রোক এবং ভালভ থাকে না।

নিচের ছবিতে 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনের বিভিন্ন অংশ চিহ্নিত করা হয়েছে, যা এই উইকিবুক পাতায় উল্লেখ করা হয়েছে।

Two-stroke engine elements

এছাড়াও, সংক্ষিপ্ত রূপগুলো নিচে দেয়া হলো:

• ক্র্যাঙ্ক অ্যাঙ্গেলের বৃদ্ধির ক্রমানুসারে:
  • TDC - টপ ডেড সেন্টার, ০ ডিগ্রি
  • EPO - এক্সহস্ট পোর্ট ওপেন
  • TPO - ট্রান্সফার পোর্ট ওপেন
  • BDC - বটম ডেড সেন্টার, ১৮০ ডিগ্রি
  • TPC - ট্রান্সফার পোর্ট ক্লোজ
  • EPC - এক্সহস্ট পোর্ট ক্লোজ

2 স্ট্রোক ইঞ্জিন সম্পর্কে প্রাথমিক ধারণা পেতে নিচের লিঙ্কগুলো দেখুন:

Wikipedia 2 Stroke Engines

HowStuffWorks 2 Stroke Engines

Straight Pipe

এই ক্ষেত্রে একটি সোজা টিউনড পাইপের উদ্দেশ্য হলো পাইপের খোলা প্রান্ত থেকে প্রতিফলিত ঋণাত্মক চাপ তরঙ্গ ব্যবহার করে এক্সহস্ট গ্যাস বের হতে সাহায্য করা। পাইপের সঠিক দৈর্ঘ্য নির্ধারণ করে, প্রতিফলিত বিরলীকরণ তরঙ্গ ঠিক তখনই এক্সহস্ট পোর্টে পৌঁছে, যখন ট্রান্সফার পোর্ট খুলে যায়। এতে করে নতুন মিশ্রণ সিলিন্ডারে ঢোকে এবং পুরনো গ্যাস বের হয়। নিচের চিত্রে এই প্রক্রিয়া দেখানো হয়েছে। এখানে পিস্টন BDC তে পৌঁছানোর পরও, বিরলীকরণ তরঙ্গের কারণে P2 চাপ P1-এর চেয়ে কম হওয়ায় নতুন মিশ্রণ সিলিন্ডারে ঢুকে যায়।

একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় হলো এই চাপ ও বিরলীকরণ তরঙ্গের গতি মূলত ইঞ্জিনের RPM-এর ওপর নির্ভর করে না। ফলে, একটি নির্দিষ্ট দৈর্ঘ্যের পাইপের জন্য একটি নির্দিষ্ট RPM-এ তরঙ্গগুলো সবচেয়ে উপকারীভাবে এক্সহস্ট পোর্টে পৌঁছে এবং ইঞ্জিনের কর্মক্ষমতা বাড়ায়।

এই প্রভাব মূল্যায়ন করা হয় EPC-তে কমপ্রেশন শুরু হওয়ার সময় সিলিন্ডারে থাকা নতুন মিশ্রণ ও এক্সহস্ট গ্যাসের অনুপাত দিয়ে। যদি বিরলীকরণ তরঙ্গ খুব বড় হয়, তাহলে নতুন মিশ্রণ এক্সহস্ট পাইপেও ঢুকে যেতে পারে, যখন ট্রান্সফার ও এক্সহস্ট পোর্ট উভয়ই খোলা থাকে। এই ঘটনাকে বলা হয় "ইঞ্জিন শর্ট সার্কিটিং" এবং এটি জ্বালানি দক্ষতা কমায় ও ক্ষতিকর গ্যাস নির্গমন বাড়ায়।

এই সমস্যার সমাধান করা যায় এমনভাবে এক্সহস্ট সিস্টেম ডিজাইন করে যাতে নতুন মিশ্রণ এক্সহস্ট পাইপে না ঢোকে, অথবা চাপ তরঙ্গ ব্যবহার করে শর্ট সার্কিটিং কমানো যায়। পারফরম্যান্স 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনে দ্বিতীয় উপায়টি ব্যবহৃত হয় একটি টিউন পাইপের মাধ্যমে।

Schematic of two-stroke engine with straight pipe

Tune Pipe

একটি সংকোচন-বেলি-বিস্তৃত ধরনের টিউন পাইপের লক্ষ্য হলো বিস্তৃত অংশ থেকে বিরলীকরণ তরঙ্গ এবং সংকোচন অংশ থেকে চাপ তরঙ্গ তৈরি করা। বেলি অংশ তরঙ্গগুলোর মধ্যে যথাযথ সময় বিলম্ব তৈরি করে, যাতে চাপ তরঙ্গ ট্রান্সফার পোর্ট বন্ধ হওয়ার পর এক্সহস্ট পোর্টে পৌঁছায়। এই চাপ তরঙ্গ শর্ট সার্কিট হয়ে এক্সহস্ট পাইপে থাকা অতিরিক্ত নতুন মিশ্রণকে সিলিন্ডারে ফিরিয়ে দেয়।

এই নতুন মিশ্রণ ফিরিয়ে আনা উপকারী কারণ এটি সিলিন্ডারকে অতিরিক্ত মিশ্রণ দিয়ে "সুপারচার্জ" করে, যা একটি চার স্ট্রোক ইঞ্জিনে টার্বোচার্জিং বা সুপারচার্জিং-এর মতো। যদি কমপ্রেশনের আগের মিশ্রণকে পরিবেশ চাপ অনুযায়ী সম্প্রসারণ করতে দেয়া হয়, তাহলে এর আয়তন ইঞ্জিনের ডিসপ্লেসমেন্টের চেয়ে বড় হয়। এই ঘটনাকে বলা হয় "ভল্যুমেট্রিক এফিশিয়েন্সি", এটি হিসাব করা হয় পরিবেশ চাপ অনুযায়ী নতুন মিশ্রণের আয়তনকে ইঞ্জিন ডিসপ্লেসমেন্ট দিয়ে ভাগ করে।

নিচের অ্যানিমেশনে একটি সঠিকভাবে টিউন করা পাইপসহ 2 স্ট্রোক ইঞ্জিনের কাজ দেখানো হয়েছে। ধাপে ধাপে বর্ণনা পেতে নিচের লিঙ্ক অনুসরণ করুন:

Two-stroke engine operation

বর্তমানে কিছু এক্সহস্ট প্রস্তুতকারক টিউনড পাইপকে টিউনড (পোর্টেড) ইঞ্জিনের সাথে মেলাচ্ছে যাতে নির্দিষ্ট RPM-এ সর্বোচ্চ সুপারচার্জিং প্রভাব পাওয়া যায়। আগে একটি স্টক ইঞ্জিনে পাইপ পরীক্ষা করা হতো, কিন্তু এখন ইঞ্জিন বেশি RPM নিতে পারায় পাইপের দৈর্ঘ্য ও আকৃতি আলাদা হয়।

Tune Pipe Design Geometry

সবচেয়ে সাধারণ টিউন পাইপ নিচের ছবিতে দেখানো হয়েছে এবং এর সাথে সংশ্লিষ্ট তরঙ্গ সমীকরণ দেওয়া আছে:

geometry and equations for simple pipe

এই পাইপে একটি এক্সপানশন চেম্বার থাকে, যা ফিরে আসা বিরলীকরণ ও চাপ তরঙ্গ তৈরি করে। সূত্র [1] থেকে জানা যায়, তরঙ্গের গতি মূলত গ্যাসের তাপমাত্রার ওপর নির্ভর করে, RPM-এর ওপর নয়। এর মানে হলো একটি নির্দিষ্ট জ্যামিতির টিউন পাইপ শুধুমাত্র একটি নির্দিষ্ট RPM-এ সঠিকভাবে কাজ করে। RPM এর বাইরে গেলে তরঙ্গ সময়মতো এক্সহস্ট পোর্টে পৌঁছায় না এবং ভল্যুমেট্রিক এফিশিয়েন্সি কমে যায়।

ভল্যুমেট্রিক এফিশিয়েন্সি ও RPM-এর সম্পর্ক নিচের গ্রাফে দেখানো হয়েছে:

Qualitative relation of volumetric efficiency to RPM

যদিও সাধারণ টিউন পাইপ ভল্যুমেট্রিক এফিশিয়েন্সি বাড়ায়, তবে এটি কেবল সংকীর্ণ RPM রেঞ্জে কাজ করে। কিন্তু ইঞ্জিন সাধারণত বিস্তৃত RPM রেঞ্জে কাজ করে। এই সমস্যা সমাধানে পাইপের ভিতরের আকার ধীরে ধীরে বড় বা ছোট করে টেপার্ড করা হয়। এই ধরণের প্রতিটি ছোট ধাপে চাপ তরঙ্গ প্রতিফলিত হয় এবং মোট তরঙ্গ দীর্ঘ তরঙ্গদৈর্ঘ্যসহ এক্সহস্ট পোর্টে ফিরে আসে। তরঙ্গের চূড়ান্ত উচ্চতা কম হলেও, এদের দীর্ঘ সময়ের জন্য সিলিন্ডার ও ক্র্যাঙ্ককেসে থাকার কারণে প্রভাব বেশি হয়।

ধরা যাক, ডাইভারজিং ধাপে n এবং কনভারজিং ধাপে m ধাপ আছে। নিচের সমীকরণগুলো তরঙ্গ প্রক্ষেপণ ও প্রতিফলনের সূত্র দেয় প্রতিটি ধাপে।

geometry and equations for stepped pipe

reflection and transmission coefficients for step

নিচের গ্রাফে দেখানো হয়েছে কীভাবে চাপ TPO ও EPC-তে এক্সহস্ট পোর্টে পরিবর্তিত হয় সাধারণ ও টেপার্ড পাইপের জন্য।

qualitative different between EPP for basic and tapered pipes

এখানে লক্ষ্যযোগ্য বিষয় হলো ধনাত্মক ও ঋণাত্মক তরঙ্গের উচ্চতা ও স্থায়িত্ব। যদি আমরা গ্রাফের অনুভূমিক অক্ষে সময় ধরে রাখি এবং RPM বাড়াই, তাহলে পোর্ট টাইমিং এর অবস্থান তরঙ্গের অবস্থানের সাথে আর মিলে না। তরঙ্গের গতি RPM নিরপেক্ষ হওয়ায়, RPM বাড়লে টাইমিং স্কেল ছোট হয়, আবার কমলে বড় হয়।

এখন পাইপ জ্যামিতি পরিবর্তনের ফলে তরঙ্গের গতি ও ইঞ্জিনের উপর প্রভাব কীভাবে পড়ে তা দেখা যাক:

• এক্সহস্ট পোর্ট থেকে ডাইভারজিং অংশ পর্যন্ত পাইপের দৈর্ঘ্য (L1): এই দৈর্ঘ্য নির্ধারিত হয় EPO ও TPO এর ক্র্যাঙ্ক অ্যাঙ্গেল পার্থক্য এবং কাঙ্ক্ষিত RPM রেঞ্জ অনুযায়ী। এটি দীর্ঘ হলে নিম্ন RPM রেঞ্জের জন্য উপযুক্ত হয়।
• বেলি অংশের দৈর্ঘ্য: এটি নির্ধারিত হয় TPO ও EPC এর মধ্যে ক্র্যাঙ্ক অ্যাঙ্গেল পার্থক্য অনুযায়ী। এটি ও L1 পরস্পরের উপর নির্ভরশীল।
• ডাইভারজিং/কনভারজিং অংশের কোণ: বেশি কোণে (৯০ ডিগ্রির বেশি) তরঙ্গ ছোট হয়, আর কম কোণে (৯০ ডিগ্রির কম) তরঙ্গ দীর্ঘ হয়। ফলে, দীর্ঘ তরঙ্গ হওয়ায় পাইপ বিস্তৃত RPM রেঞ্জে কাজ করতে পারে, তবে সর্বোচ্চ ভল্যুমেট্রিক এফিশিয়েন্সি কমে যায়।
• L1 ও বেলি অংশের ব্যাসের অনুপাত: এটি নির্ভর করে কাঙ্ক্ষিত কোণ, দৈর্ঘ্য ও গ্যাস প্রবাহে বাধা না দেওয়ার উপর।

Further Investigation

2 স্ট্রোক ইঞ্জিনের টিউনড এক্সহস্ট পাইপের কাজ আরও গভীরভাবে বিশ্লেষণ করতে প্রকৃত পরীক্ষার ডেটা বিশ্লেষণ করা গুরুত্বপূর্ণ। এজন্য TFX ওয়েবসাইটে যাওয়া যেতে পারে যেখানে তাদের পরীক্ষার ও ডেটা বিশ্লেষণ সফটওয়্যার দেখানো হয়েছে, অথবা নিচের গবেষণাপত্র পড়া যেতে পারে: "Exhaust Gas Flow Behavior in a Two-Stroke Engine"।

ক্লাস প্রেজেন্টেশনের জন্য সময় পেলে আমি উভয়ই করতে চাই।

References

1. Exhaust Gas Flow Behavior in a Two-Stroke Engine; Y. Ikeda T. Takahashi, T. Ito, T. Nakajima; Kobe Univ.; SAE 1993
2. Power Tuning - Two Stroke Engines
3. 2 STROKE WIZARD - Tuned Pipe Design Software
4. Ian Williams Tuning MOTA Tune Pipe Design Software
5. Les phénomènes d'ondes dans les moteurs; M. Borel; Edition TECHNIP; 2000
6. Engineering Acoustics Course Notes; McGill University MECH 500; L. Mongeau; 2008
7. Engineering Acoustics; L. Kinsler, A. Frey; 4th Edition; 2000