Termička efikasnost kočnica motora (BTE) je ključni indikator za mjerenje sposobnosti motora da pretvori hemijsku energiju goriva u efikasan mehanički rad, što ima direktan uticaj na potrošnju goriva i emisije izduvnih gasova vozila. Postoje značajne razlike u vrijednostima BTE koje su objavili različiti proizvođači, uglavnom zbog varijacija u tehnološkim pristupima i investicijama u istraživanje i razvoj.
Sljedeće informacije opisuju nekoliko glavnih tehnoloških područja koja dovode do razlika u BTE-u i njihove osnovne uzroke.
Tehnologija -Ključni uzroci BTE razlika
Kontrola sagorijevanja i emisije - Optimizacija sagorijevanja:
Usvajanje tehnologija kao što su Millerov ciklus, visoki omjer kompresije i nisko{0}}sagorijevanje može poboljšati proces sagorijevanja i smanjiti gubitak topline, što je ključno za poboljšanje BTE. Neke tehnologije (npr. visoka EGR stopa) mogu žrtvovati malu količinu efikasnosti kako bi se smanjile emisije.
Nakon{0}}tretmana i termičkog upravljanja:
Efikasna recirkulacija izduvnih gasova (EGR) i katalizovani filter za čestice dizela (CDPF) mogu uravnotežiti emisije i efikasnost. Optimizovan sistem upravljanja hlađenjem i toplotom (npr. korišćenje otpadne toplote izduvnih gasova za brzo zagrevanje-motora) takođe može efikasno da smanji gubitak energije.
Sistem goriva i ubrizgavanja - Karakteristike goriva:
Upotreba različitih goriva (npr. mješavine biodizela, metanola) može utjecati na karakteristike sagorijevanja i može biti od koristi za poboljšanje efikasnosti u specifičnim okruženjima.
Strategija ubrizgavanja: Za dizel motore ili motore s dvostrukim-gorivom, povećanje pritiska ubrizgavanja i optimizacija vremena ubrizgavanja (uključujući jedno i više ubrizgavanja) može značajno poboljšati atomizaciju goriva i proces sagorijevanja, čime se povećava BTE.
Povrat i korištenje energije - Povrat otpadne topline:
Povraćaj otpadne toplote iz izduvnih gasova kroz tehnologije kao što je Rankineov ciklus i pretvaranje u koristan rad može direktno poboljšati ukupnu toplotnu efikasnost motora. Američki Super Truck projekat je ovo učinio osnovnom tehnologijom.
Dizajn, proces i materijali - Osnovni dizajn i proizvodnja:
Strukturni dizajn motora, preciznost proizvodnog procesa i odabir materijala (npr. korištenje materijala sa niskim - trenjem) zajedno određuju njegov gubitak zbog trenja, izdržljivost i nivo male težine, što su svi osnovni faktori koji utiču na BTE.
Kako procijeniti BTE koji promoviraju proizvođači?
· Obratite pažnju na tehnološku pozadinu: Visoke BTE vrijednosti su obično podržane jednom ili više od gore navedenih - naprednih tehnologija. Preporučljivo je fokusirati se na specifične tehnologije koje je usvojio proizvođač.
· Razumeti razliku između laboratorije i prakse: Maksimalne vrednosti toplotne efikasnosti koje su objavili proizvođači obično se mere pod specifičnim radnim uslovima u idealizovanom laboratorijskom okruženju. Vaši stvarni uslovi vožnje, opterećenje i navike vožnje će uticati na stvarnu potrošnju goriva vozila.
I. Formula za izračunavanje jezgra
Najosnovnija i najdirektnija formula za termičku efikasnost kočnica je:
BTE=(efikasna radna snaga motora) / (Ukupna hemijska energija oslobođena sagorevanjem goriva) × 100%
Izražavajući ovu definiciju specifičnim fizičkim veličinama i jedinicama, najčešće korištena formula za izračunavanje je:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Ili njegov ekvivalentni oblik:
BTE=3600 / H_u / b_e
Hajde da raščlanimo značenje ovih simbola:
· BTE: termička efikasnost kočnice, što je rezultat koji želimo izračunati, obično se izražava u postocima.
· P_e: Efektivna snaga motora, sa jedinicom kilovata. Ovo je neto snaga koju stvara radilica motora.
· b_e: Efektivna specifična potrošnja goriva motora, sa jedinicom grama po kilovatu - sat. Ovo je ključni pokazatelj za mjerenje ekonomičnosti motora, što znači "koliko grama goriva se potroši da se proizvede 1 kilovat - sat rada".
· H_u: Niža toplotna vrijednost goriva, u jedinici kilodžula po kilogramu. To se odnosi na toplinu koju oslobađa 1 kilogram goriva nakon potpunog sagorijevanja, nakon oduzimanja latentne topline isparavanja vodene pare koja nastaje tokom sagorijevanja. Niža vrijednost grijanja se obično koristi u proračunima toplinske efikasnosti.
· 3.6: Koeficijent konverzije jedinica. Pošto je 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, a jedinica za b_e je g/(kW·h), a za H_u je kJ/kg, dimenzije moraju biti unificirane.
· Dizelska kalorijska vrijednost: Proizvođači moraju koristiti standardno gorivo i dogovorenu standardnu kalorijsku vrijednost (npr. 42.500 kJ/kg) za izračunavanje i oslobađanje BTE. U ovom trenutku, kalorijska vrijednost je ista i služi kao jedinstvena referentna vrijednost.
Zašto se kaže da je specifična potrošnja goriva od 160 g/kW·h za dizel motor granica?
Ovu granicu možemo razumjeti kroz jednostavan misaoni eksperiment.
1. Teoretski plafon: Carnot efikasnost
Prvo, svi toplotni motori (uključujući i dizel motore) imaju nedostižnu teoretsku granicu efikasnosti, odnosno Carnotovu efikasnost. Zavisi samo od temperature izvora topline (u - temperaturi sagorijevanja cilindra) i temperature izvora hladnoće (temperatura okoline).
· Formula: η_carnot=1 - (T_hladno / T_vruće)
· Za dizel motor, T_hot (maksimalna temperatura sagorijevanja u cilindru -) je ograničena granicom otpornosti materijala na toplinu - (klipovi, ventili, itd. će se istopiti) i emisijom dušikovog oksida, i ne može se povećavati beskonačno. To je otprilike 2200 stepeni (2473K).
· T_cold (temperatura izduvnih gasova) je ograničena temperaturom okoline, za koju se pretpostavlja da je 25 stepeni (298K).
· Teorijska Carnotova efikasnost ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
Ovih 88% je apsolutni plafon kojem svi toplotni motori teže, ali ga nikada ne mogu dostići.
2. Slojeviti "popusti" u stvarnosti
U pravom dizel motoru, gubitak energije se javlja u više aspekata. Ove neizbježne gubitke moramo oduzeti sloj po sloj od teoretskog plafona od 88% da bismo dobili stvarnu dostupnu termičku efikasnost kočnice. Sljedeća slika jasno pokazuje kako se energija postepeno gubi od 100% energije goriva, ostavljajući samo oko 52% efektivnog rada:
Putanja gubitka energije dizel motora: od 100% goriva do približno 52% efektivnog rada
"Efikasan rad (otprilike 52%)"
"Gubitak hlađenja/radijacije (približno 26%)"
"Gubitak energije izduvnih gasova (otprilike 25%)"
"Pumpanje/trenje/ostali gubici (približno 17%)"
Kao što je prikazano u gornjem tekstu, hajde da ispitamo gde se primenjuju ovi ključni "popusti":
a. Sagorijevanje i gubitak prijenosa topline - Toplina koja se mora raspršiti
Ovo je najveći gubitak. Da bi se osigurao kontinuirani rad motora, cilindar mora odvoditi toplinu kroz zid cilindra i sistem za hlađenje. Ovaj dio energije se direktno odnosi rashladnom tečnošću i rasipa. Kao što je prikazano na slici, ovaj pojedinačni predmet troši približno 26% energije. Ovo je određeno zakonima termodinamike i ne može se fundamentalno eliminisati.
b. Gubitak energije iz ispušnih plinova - Toplina koja se mora iscrpiti
Izduvni gasovi visoke temperature - nakon rada moraju se izbaciti iz cilindra kako bi se pripremili za sljedeći radni ciklus. Velika količina toplote koju nosi ovaj izduvni gas (otprilike 25% energije goriva) se takođe oslobađa u atmosferu. Iako vrhunske - tehnologije motora (npr. turbo punjenje visoke - efikasnosti) mogu povratiti mali dio, većina ostaje neiskorištena.
c. Gubitak pumpanja i mehaničkog trenja - Unutrašnja potrošnja
· Gubitak pumpanja: Motor treba da savlada otpor strujanja vazduha tokom procesa usisavanja i izduvavanja, delujući kao "pumpa", koja troši određenu količinu posla (otprilike 6%).
· Gubitak mehaničkog trenja: Trenje između pokretnih dijelova kao što su klipni prstenovi i zid cilindra, te osovine i ležajevi (otprilike 5%) je još jedna inherentna potrošnja.
· Pribor za vožnju: Rad pumpi za gorivo, pumpi za ulje, pumpi za vodu, itd. (otprilike 6%) također zahtijeva rad.
3. Preslikavanje gubitaka na specifičnu potrošnju goriva
Sada, ako ove omjere gubitaka pretvorimo u specifičnu potrošnju goriva, možemo intuitivno vidjeti granicu:
· Ukupna energija goriva: Pretpostavite da 1 kg dizela oslobađa 42.700 kJ toplote kada potpuno izgori.
· Ciljani izlaz: Proizvesti 1 kW·h (tj. 3.600 kJ) efektivnog rada.
· Put kalkulacije:
1. Toplotna efikasnost od 40% (zajednički odličan nivo): Potrebna ulazna energija=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Potrošnja goriva=9,000 / 42,700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·h.
2. Toplotna efikasnost od 50% (Vrhunski - laboratorijski nivo): Potrebna ulazna energija=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Potrošnja goriva=7,200 / 42,700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. Toplotna efikasnost od 52% (Weichaijev rekordni nivo): Potrebna ulazna energija=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6,923 kJ. Potrošnja goriva=6,923 / 42,700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Toplotna efikasnost od 55% (naizgled samo 3 procentna poena veća): Potrebna ulazna energija=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6,545 kJ. Potrošnja goriva=6,545 / 42,700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Zaključak: Zašto je 160 granica?
Iz gornje analize možemo vidjeti da:
1. Zakon opadajućeg povrata: Nakon postizanja ultra - visoke efikasnosti od preko 50%, za svaki dodatni procentualni poen poboljšanja, potrebno je savladati ogromne i gotovo fiksne fizičke gubitke. Sa 52% na 55%, specifičnu potrošnju goriva treba smanjiti sa 162 na 153. Tehnička poteškoća smanjenja ovog 9 - jedinice može biti veća od one povećanja sa 40% na 50%.
2. Ograničenja fizičkih granica:
· Temperatura materijala - Granica otpora: Temperatura sagorevanja se ne može povećavati beskonačno, inače materijali to ne mogu izdržati.
· Odvođenje toplote je neophodno: Bez hlađenja, motor će se odmah oštetiti.
· Trenje je neizbežno: sve dok postoji relativno kretanje, postoji i trenje.
· Izduvni gasovi moraju biti ispušteni: Ovo je osnovni zahtev radnog ciklusa.
Stoga se, uz trenutno poznate materijale i fizičke principe, optimiziranje svih navedenih gubitaka do tako ekstremnog nivoa, gurajući efektivni rad dizel motora na raspon od 52% - 55% ukupne energije goriva, i odgovarajuću specifičnu potrošnju goriva koja ulazi u raspon od 160 g/kW·h, može reći da je dotakla "strop" postojećeg sistema.
Dakle, kada kažem da je specifična potrošnja goriva od 160 za dizel motor granica, mislim na inženjersku praktičnu granicu prema trenutnoj tehnološkoj paradigmi. Osim ako u budućnosti ne dođe do razorne tehnološke revolucije (npr. nove metode sagorevanja, revolucionarni materijali), biće teško postići značajan skok efikasnosti poput onog u poslednjih nekoliko decenija.