ऊर्जा रूपांतरण हा सृष्टीच्या चलनवलनाचा कणा आहे. झाडे अन्न बनवताना प्रकाश- ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर करतात, तर सर्व प्राणी आपली हालचाल करताना रासायनिक ऊर्जेचे यांत्रिकी ऊर्जेत रूपांतर करतात. औद्योगिक क्रांतीच्या काळात (१७६० ते १८४०) सर्वच क्षेत्रांत नवनवीन कल्पना मांडून त्यावर संशोधन होत होते आणि शोधलेले तंत्रज्ञान माणसाच्या रोजच्या गरजा भागवण्यास, तसेच विकास करण्यासाठी व्यावसायिक पद्धतीने उपयोगात आणले जात होते.
१८९६ मध्ये कार्ल बेंझ यांनी अंतर्गत ज्वलन इंजिनाच्या शोधाचे स्वामित्व अधिकार मिळवले आणि पुढील शतकातील महत्त्वाच्या उद्योगाची सुरुवात केली. स्वयंचलित वाहन उद्योग (Automobile Industry). स्वयंचलित वाहनाचा ऊर्जास्रोत किंवा हृदय म्हणजे त्याचे इंजिन. इंजिन म्हणजे काय, तर इंधनात साठवलेल्या रासायनिक उर्जेचे उष्णता ऊर्जेत रूपांतर करून ती यांत्रिकी ऊर्जेमध्ये रूपांतरित करणे. यात दोन भाग आहेत..
१. रासायनिक ऊर्जेचे उष्णता ऊर्जेत रूपांतर करणे. ही प्रक्रिया इंधनाला उच्च दाबाच्या स्थितीत आणून, त्याचे तापमान वाढवून अथवा बाहेरून त्यात स्फुल्लिंग/ ठिणगी टाकून इंधनाचे ज्वलन केले जाते आणि त्यामुळे उष्णता तयार होते, तसेच उच्च दाबातील वायू तयार होतो.
ही प्रक्रिया सामान्यपणे चार टप्प्यांत घडते.
* हवा इंजिनात खेचली जाते.
* हवा आणि इंधन यांच्या अतिसूक्ष्म आकाराच्या रेणूंचे मिश्रण तयार होते.
* हे मिश्रण पेट्रोल इंधन असताना विद्युत स्फुल्लिंगाच्या (spark) साहाय्याने, तर डिझेल इंधन असताना या मिश्रणाच्या उच्च दाबामुळे तयार झालेल्या तापमानामुळे पेट घेते.
* या ज्वलनामुळे उष्णता तयार होते.
२. उष्णता ऊर्जेचे यांत्रिकी ऊर्जेत रूपांतर करणे- या क्रियेसाठी बाह्य ज्वलन इंजिनामध्ये तयार झालेली उष्णता पाण्याला देऊन त्याची वाफ करून, त्या वाफेच्या दाबामुळे यांत्रिकी हालचाल केली जाते. अंतर्गत ज्वलन इंजिनमध्ये इंधनाचे ज्वलन होऊन तयार झालेल्या उच्च दाबातील वायूमुळे यांत्रिकी हालचाल घडते.
यांत्रिकी हालचाल कशामुळे घडते, ते आपल्याला आकृती क्र. १ मध्ये दिसते.
चित्र क्र. १ मध्ये दाखवलेला दट्टय़ा (piston) वायूच्या दाबातील फरकामुळे मागे-पुढे हलू लागतो. त्याच्या या हालचालीमुळे त्याला जोडलेल्या दांडय़ाची (crank) दुसरी बाजू क्रँकशाफ्टला वर्तुळाकार फिरवू लागते.
यासाठी उपयुक्त रचना कशी असते ते चित्र क्र. २ मध्ये दाखवले आहे. चित्र क्र. २ मधील दांडय़ाचे ‘अ’ टोक मागे-पुढे होत असताना ‘ब’ टोक क्रँकशाफ्टवरील विकेंद्रित असलेल्या बिंदूशी जोडलेले असल्याने क्रँकशाफ्ट वर्तुळाकार गतीने फिरू लागतो.
सामान्यपणे आपण वापरत असलेल्या इंजिनांमध्ये पेट्रोल किंवा डिझेल ही दोन इंधने वापरली जातात. पेट्रोलसाठी दोन धावी (Two stroke- चित्र क्र. ३ ) आणि चार धावी (Four Stroke- चित्र क्र. ४) अशी दोन प्रकारची इंजिने उपलब्ध आहेत. तर डिझेल इंधनासाठी फक्त चार धावी इंजिनेच वापरली जातात. इंजिनाचे कार्य समजून घेण्यासाठी आपण चार धावी इंजिन कसे चालते ते पाहू. चित्र क्र. ४ मध्ये पेट्रोलचे चार धावी इंजिनाचे संकल्पनाचित्र दाखवले आहे.
१. आत घेणारी धाव (Intake)- या धावेमध्ये दट्टय़ा खालच्या दिशेने प्रवास करतो. त्यामुळे तयार झालेल्या इिंजनाच्या दंडगोलाकृती पोकळीमध्ये हवा आणि इंधनाचे मिश्रण (जे कार्बुरेटरमध्ये तयार होते.) आत घेतले जाते. यासाठी काम करणाऱ्या झडपेचे संकल्पनाचित्र- चित्र क्र. ५ मध्ये दाखवले आहे.
२. दबाव धाव (Compression)- दट्टय़ा वरच्या दिशेने प्रवास चालू करताना मिश्रण आत आणणारी झडप बंद होते आणि दंडगोलाकृती पोकळीमधील आकारमान कमी होत असल्याने मिश्रणावरील दाब वाढत जातो.
३. शक्ती धाव (Power)- दट्टय़ा दंडगोलाच्या उच्चतम बिंदूपर्यंत पोचताक्षणी spark plug स्फुल्लिंग सोडतो आणि दाबातील मिश्रणाचा स्फोट होतो. उष्णता तयार होते आणि आतील वायूचे प्रसरण (Expansion) व्हायला लागते आणि दट्टय़ा खाली येऊ लागतो.
४. उच्छ्वास धाव (Exhaust)- दट्टय़ा परत वर जायला लागतो, उच्छ्वास झडप उघडली जाते आणि अतिरिक्त वायू बाहेर पडतो. आणि हे आवर्तन चालू राहते.
चित्र क्र. ६ मध्ये डिझेल इंजिनाचे संकल्पनाचित्र दाखवले आहे. यामध्ये होणारे चार धाव पेट्रोल इंजिनाप्रमाणेच असतात. यामध्ये पहिल्या धावेमध्ये फक्त हवा आत घेतली जाते, तिच्यावरील दाब वाढवला जातो आणि दाबाखालील हवेचे तापमान वाढलेले असताना त्यात डिझेल मिसळले जाते. डिझेलचा स्वयंविस्फोटक (Self Explosion) बिंदू २१००ू (पेट्रोलचा हाच बिंदू २४६०ू असतो.) असल्याने त्याला बाहेरच्या स्फुल्लिंगाची गरज भासत नाही. स्फोट होऊन वायू प्रसरण पावतो आणि उत्सर्जित होतो आणि आवर्तन चालू राहते.
दोन धावी इंजिनमध्ये हीच प्रक्रिया दोन धावांत होते. पेट्रोलचे दोन धावी इंजिन आणि चार धावी इंजिन यांची तुलना सोबतच्या तक्त्यात केली आहे.
ही झाली आपण वापरत असलेल्या इंजिनांची प्राथमिक माहिती. सुरुवातीलाच लिहिल्याप्रमाणे स्वयंचलित वाहन उद्योगाचे हृदय असलेले हे यंत्र अधिकाधिक कार्यक्षम बनविण्यासाठी त्यावर सातत्याने प्रयोग करून सुधारणा होतच आहेत. आपल्याला माहीत असलेली अगदी ढोबळ सुधारणा म्हणजे स्वयंचलित होण्याआधी इंजिन चालू करताना त्याला बाहेरून बल देऊन क्रँकशाफ्ट फिरवावा लागतो. दुचाकीला किक् मारणे (आणि काही दुचाक्या तिरक्या करून!), जुन्या चारचाकी गाडय़ांना असलेला दांडा फिरवणे, किंवा बोटीला असलेल्या इंजिनाची दोरी ओढणे या जुन्या पद्धती होत्या. आता हे काम बॅटरीवर चालणाऱ्या स्टार्टरने होते. आता नुसते बटन दाबून इंजिन चालू होते. मनुष्य आपल्या आरामासाठी सतत नवीन शोध लावतोच आहे..
दीपक देवधर- dpdeodhar@gmail.com