Variklio stabdžių terminis efektyvumas (BTE) yra pagrindinis rodiklis, matuojantis variklio gebėjimą paversti degalų cheminę energiją efektyviu mechaniniu darbu, o tai turi tiesioginės įtakos transporto priemonės degalų sąnaudoms ir emisijoms. Skirtingų gamintojų skelbiamos BTE vertės labai skiriasi, daugiausia dėl technologinių metodų ir investicijų į mokslinius tyrimus ir plėtrą.
Toliau pateiktoje informacijoje aprašomos kelios pagrindinės technologinės sritys, lemiančios BTE skirtumus, ir pagrindinės jų priežastys.
Technologijos -Pagrindinės BTE skirtumų priežastys
Degimo ir išmetamųjų teršalų kontrolė - Degimo optimizavimas:
Taikant tokias technologijas kaip Millerio ciklas, didelis suspaudimo laipsnis ir degimas žemoje{0}}temperatūroje gali pagerinti degimo procesą ir sumažinti šilumos nuostolius, o tai labai svarbu didinant GTE. Kai kurios technologijos (pvz., didelė EGR norma) gali paaukoti nedidelį efektyvumą, kad sumažintų išmetamųjų teršalų kiekį.
Po-apdorojimas ir terminis valdymas:
Veiksminga išmetamųjų dujų recirkuliacija (EGR) ir katalizuojamas dyzelino kietųjų dalelių filtras (CDPF) gali subalansuoti išmetamųjų teršalų kiekį ir efektyvumą. Optimizuota aušinimo ir šilumos valdymo sistema (pvz., išmetamųjų dujų šilumos panaudojimas greitam variklio įšilimui-) taip pat gali veiksmingai sumažinti energijos nuostolius.
Degalų ir įpurškimo sistema - Degalų charakteristikos:
Įvairių degalų (pvz., biodyzelino mišinių, metanolio) naudojimas gali turėti įtakos degimo charakteristikoms ir gali būti naudingas siekiant pagerinti efektyvumą konkrečioje aplinkoje.
Įpurškimo strategija: dyzeliniams varikliams ar{0}}dviejų degalų varikliams padidinus įpurškimo slėgį ir optimizuojant įpurškimo laiką (įskaitant vieną ir kelis įpurškimus) galima žymiai pagerinti degalų purškimą ir degimo procesą, taip padidinant BTE.
Energijos atgavimas ir panaudojimas - Atliekos šilumos atgavimas:
Atliekos šilumos atgavimas iš išmetamųjų dujų naudojant tokias technologijas kaip Rankine ciklas ir pavertimas naudingu darbu gali tiesiogiai pagerinti bendrą variklio šiluminį efektyvumą. JAV Super Truck projektas padarė tai pagrindine technologija.
Dizainas, procesas ir medžiagos - Pagrindinis dizainas ir gamyba:
Variklio konstrukcinė konstrukcija, gamybos proceso tikslumas ir medžiagų parinkimas (pvz., naudojant mažos - trinties medžiagas) kartu lemia jo trinties praradimą, ilgaamžiškumą ir lengvumo lygį, kurie yra pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos BTE.
Kaip įvertinti gamintojų reklamuojamą BTE?
· Atkreipkite dėmesį į technologinį pagrindą: aukštas BTE vertes paprastai palaiko viena ar daugiau iš aukščiau paminėtų - pažangių technologijų. Patartina sutelkti dėmesį į konkrečias gamintojo priimtas technologijas.
· Suprasti skirtumą tarp laboratorijos ir praktikos: Gamintojų paskelbtos didžiausios šiluminio naudingumo vertės paprastai matuojamos konkrečiomis darbo sąlygomis idealizuotoje laboratorijos aplinkoje. Faktinės vairavimo sąlygos, apkrova ir vairavimo įpročiai turės įtakos faktinėms transporto priemonės degalų sąnaudoms.
I. Pagrindinė skaičiavimo formulė
Pagrindinė ir tiesioginė stabdžių šiluminio efektyvumo formulė yra:
BTE=(efektyvi variklio galia) / (bendra cheminė energija, išsiskirianti deginant kurą) × 100 %
Išreiškiant šį apibrėžimą konkrečiais fiziniais dydžiais ir vienetais, dažniausiai naudojama skaičiavimo formulė:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100 %
Arba lygiavertė forma:
BTE=3600 / H_u / b_e
Išskirkime šių simbolių reikšmes:
· BTE: stabdžių šiluminis efektyvumas, kurį norime apskaičiuoti, paprastai išreiškiamas procentais.
· P_e: efektyvi variklio galia, naudojant kilovatų vienetą. Tai yra variklio alkūninio veleno faktinė galia.
· b_e: efektyvios specifinės variklio degalų sąnaudos, vienetas gramai kilovatui - val. Tai yra pagrindinis variklio ekonomiškumo matavimo rodiklis, ty „kiek gramų degalų sunaudojama norint pagaminti 1 kilovatą - darbo valandą“.
· H_u: mažesnė kuro šiluminė vertė, vienetas kilodžauliais kilogramui. Tai reiškia šilumą, kurią išskiria 1 kilogramas kuro po visiško sudegimo, atėmus latentinę degimo metu susidarančių vandens garų garavimo šilumą. Apskaičiuojant šiluminį efektyvumą dažniausiai naudojama mažesnė šildymo vertė.
· 3.6: vieneto perskaičiavimo koeficientas. Kadangi 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, o b_e vienetas yra g/(kW·h), o H_u – kJ/kg, matmenis reikia suvienodinti.
· Dyzelino kaloringumas: gamintojai turi naudoti standartinį kurą ir sutartą standartinę kaloringumo vertę (pvz., 42 500 kJ/kg), kad apskaičiuotų ir išleistų BTE. Šiuo metu šiluminė vertė yra tokia pati ir naudojama kaip vieningas etalonas.
Kodėl sakoma, kad dyzelinio variklio specifinės degalų sąnaudos 160 g/kW·h yra riba?
Šią ribą galime suprasti per paprastą minties eksperimentą.
1. Teorinės lubos: Carnot efektyvumas
Pirma, visi šiluminiai varikliai (įskaitant dyzelinius) turi nepasiekiamą teorinę efektyvumo ribą, būtent Carnot efektyvumą. Tai priklauso tik nuo šilumos šaltinio temperatūros (- cilindro degimo temperatūroje) ir nuo šalčio šaltinio temperatūros (aplinkos temperatūros).
· Formulė: η_carnot=1 - (T_šaltas / T_karštas)
· Dyzeliniam varikliui T_hot (maksimali - cilindro degimo temperatūra) riboja karščiui - atspari medžiagų (stūmokliai, vožtuvai ir t. t. išsilydys) ir azoto oksido emisijos riba, todėl ji negali būti padidinta neribotą laiką. Tai yra maždaug 2200 laipsnių (2473K).
· T_cold (išmetimo temperatūra) riboja aplinkos temperatūra, kuri laikoma 25 laipsniais (298 K).
· Teorinis Carnot efektyvumas ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88 %
Šie 88 % yra absoliučios lubos, kurių siekia visi šiluminiai varikliai, bet niekada negali pasiekti.
2. Sluoksniuotos „nuolaidos“ realybėje
Tikrame dyzeliniame variklyje energijos netenkama keliais aspektais. Turime šiuos neišvengiamus nuostolius sluoksnis po sluoksnio atimti iš 88 % teorinės lubos, kad gautume faktinį turimą stabdžių šiluminį efektyvumą. Toliau pateiktame paveikslėlyje aiškiai parodyta, kaip energija palaipsniui išsisklaido iš 100% kuro energijos, paliekant tik apie 52% efektyvaus darbo:
Dyzelinio variklio energijos praradimo kelias: nuo 100 % degalų iki maždaug 52 % efektyvaus darbo
„Efektyvus darbas (maždaug 52 proc.“)
"Aušinimo / radiacijos praradimas (maždaug 26%)"
„Išmetamos energijos nuostoliai (apie 25 %)“
"Siurbimo / trinties / kiti nuostoliai (apie 17 %)"
Kaip parodyta aukščiau, panagrinėkime, kur taikomos šios pagrindinės „nuolaidos“:
a. Degimo ir šilumos perdavimo nuostoliai - Šiluma, kurią reikia išsklaidyti
Tai didžiausias nuostolis. Siekiant užtikrinti nuolatinį variklio darbą, cilindras turi išsklaidyti šilumą per cilindro sienelę ir aušinimo sistemą. Šią energijos dalį tiesiogiai nuneša aušinimo skystis ir išeikvojama. Kaip parodyta paveikslėlyje, šis vienas elementas sunaudoja maždaug 26 % energijos. Tai lemia termodinamikos dėsniai ir jo negalima iš esmės pašalinti.
b. Išmetamos energijos nuostoliai - Šiluma, kurią reikia išnaudoti
Aukštos - temperatūros išmetamosios dujos po darbo turi būti pašalintos iš cilindro, kad būtų galima pasiruošti kitam darbo ciklui. Didelis šių išmetamųjų dujų pernešamas šilumos kiekis (apie 25 % kuro energijos) taip pat išsiskiria į atmosferą. Nors aukščiausios klasės - variklio technologijos (pvz., didelio - efektyvumo turbokompresorius) gali susigrąžinti nedidelę jo dalį, didžioji dalis lieka nepanaudota.
c. Siurbimo ir mechaninės trinties praradimas - Vidinis suvartojimas
· Siurbimo nuostoliai: Variklis turi įveikti oro srauto pasipriešinimą įsiurbimo ir išmetimo procesų metu, veikdamas kaip „siurblys“, kuris sunaudoja tam tikrą darbo kiekį (apie 6%).
· Mechaninės trinties praradimas: trintis tarp judančių dalių, tokių kaip stūmoklio žiedai ir cilindro sienelė, velenai ir guoliai (apie 5 %), yra dar vienas būdingas suvartojimas.
· Vairavimo priedai: kuro siurblių, alyvos siurblių, vandens siurblių ir kt. (apie 6%) eksploatavimas taip pat reikalauja darbo.
3. Nuostolių priskyrimas specifiniam degalų suvartojimui
Dabar, jei šiuos nuostolių santykius paverstume specifinėmis degalų sąnaudomis, intuityviai pamatytume ribą:
· Bendra kuro energija: Tarkime, kad 1 kg dyzelino visiškai sudegęs išskiria 42 700 kJ šilumos.
· Tikslinė galia: efektyviai pagaminkite 1 kW·h (ty 3600 kJ).
· Skaičiavimo kelias:
1. 40 % šiluminis efektyvumas (bendras puikus lygis): reikalinga įvesties energija=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Degalų sąnaudos=9,000 / 42,700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·h.
2. 50 % šiluminis efektyvumas (aukščiausias - laboratorinis lygis): reikalinga įvesties energija=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Degalų sąnaudos=7,200 / 42 700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. 52 % šiluminis efektyvumas (Weichai rekordinis lygis): reikalinga įvesties energija=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6 923 kJ. Degalų sąnaudos=6,923 / 42,700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. 55 % šiluminis efektyvumas (atrodo, tik 3 procentiniais punktais didesnis): reikalinga įvesties energija=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6 545 kJ. Degalų sąnaudos=6,545 / 42,700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Išvada: kodėl 160 yra riba?
Iš aukščiau pateiktos analizės matome, kad:
1. Mažėjančios grąžos dėsnis: pasiekus itin aukštą - efektyvumą, viršijantį 50%, už kiekvieną papildomą pagerėjimo procentinį tašką būtina įveikti didžiulius ir beveik fiksuotus fizinius nuostolius. Nuo 52% iki 55%, specifines degalų sąnaudas reikia sumažinti nuo 162 iki 153. Techninis šio 9 - vieneto sumažinimo sunkumas gali būti didesnis nei padidinus nuo 40% iki 50%.
2. Fizinių ribų apribojimai:
· Medžiagos temperatūra - Atsparumo riba: Degimo temperatūra negali būti didinama neribotą laiką, kitaip medžiagos jos neatlaikys.
· Būtinas šilumos išsklaidymas: be aušinimo variklis bus sugadintas akimirksniu.
· Trintis yra neišvengiama: tol, kol yra santykinis judėjimas, yra ir trintis.
· Išmetamosios dujos turi būti išleidžiamos: tai yra pagrindinis darbo ciklo reikalavimas.
Todėl su šiuo metu žinomomis medžiagomis ir fiziniais principais, optimizavus visus minėtus nuostolius iki tokio ekstremalaus lygio, dyzelinio variklio efektyvaus darbo pakėlimą iki 52% - 55% visos degalų energijos, o atitinkamas specifines degalų sąnaudas patenkant į 160 g/kW·h diapazoną, galima sakyti, kad tai palietė esamos technologinės sistemos „lubas“.
Taigi, sakydamas, kad dyzelinio variklio specifinės degalų sąnaudos yra 160 litrų, turiu omenyje inžinerinę praktinę ribą pagal dabartinę technologinę paradigmą. Jei ateityje neįvyks žlugdančios technologinės revoliucijos (pvz., nauji degimo būdai, revoliucinės medžiagos), bus sunku pasiekti tokį reikšmingą efektyvumo šuolį, koks buvo per pastaruosius kelis dešimtmečius.