Eficiența termică a frânei motorului (BTE) este un indicator cheie pentru măsurarea capacității unui motor de a converti energia chimică a combustibilului în lucru mecanic eficient, care are un impact direct asupra consumului de combustibil și a emisiilor vehiculului. Există diferențe semnificative în valorile BTE eliberate de diferiți producători, în principal din cauza variațiilor abordărilor tehnologice și a investițiilor în cercetare și dezvoltare.
Următoarele informații subliniază câteva domenii tehnologice majore care duc la diferențe BTE și cauzele lor principale.
Tehnologie -Cauzele principale ale diferențelor BTE
Controlul arderii și al emisiilor - Optimizarea arderii:
Adoptarea unor tehnologii precum ciclul Miller, raportul de compresie ridicat și arderea la -temperatura scăzută pot îmbunătăți procesul de ardere și pot reduce pierderile de căldură, ceea ce este crucial pentru îmbunătățirea BTE. Unele tehnologii (de exemplu, rata EGR ridicată) pot sacrifica o cantitate mică de eficiență pentru a reduce emisiile.
După-tratament și management termic:
Recircularea eficientă a gazelor de eșapament (EGR) și filtrul de particule diesel catalizat (CDPF) pot echilibra emisiile și eficiența. Un sistem optimizat de răcire și management termic (de exemplu, utilizarea căldurii reziduale de evacuare pentru încălzirea rapidă a motorului-) poate reduce eficient pierderile de energie.
Sistemul de combustibil și injecție - Caracteristicile combustibilului:
Utilizarea diferiților combustibili (de exemplu, amestecuri de biodiesel, metanol) poate afecta caracteristicile de ardere și poate fi benefică pentru îmbunătățirea eficienței în medii specifice.
Strategie de injecție: pentru motoarele diesel sau motoarele cu dublu-combustibil, creșterea presiunii de injecție și optimizarea timpului de injecție (inclusiv injecțiile simple și multiple) pot îmbunătăți semnificativ atomizarea combustibilului și procesul de ardere, crescând astfel BTE.
Recuperarea și utilizarea energiei - Recuperarea căldurii reziduale:
Recuperarea căldurii reziduale din gazele de eșapament prin tehnologii precum ciclul Rankine și transformarea acesteia în muncă utilă poate îmbunătăți direct eficiența termică generală a motorului. Proiectul Super Truck din SUA a făcut din aceasta o tehnologie de bază.
Design, proces și materiale - Proiectare și producție de bază:
Designul structural al motorului, precizia procesului de fabricație și selecția materialelor (de exemplu, folosind materiale cu frecare - scăzută) determină în comun pierderea prin frecare, durabilitatea și nivelul de greutate redusă, care sunt toți factori fundamentali care afectează BTE.
Cum se evaluează BTE-ul promovat de producători?
· Acordați atenție contextului tehnologic: valorile ridicate ale BTE sunt de obicei acceptate de una sau mai multe dintre tehnologiile avansate menționate mai sus -. Este recomandabil să se concentreze pe tehnologiile specifice adoptate de producător.
· Înțelegeți diferența dintre laborator și practică: Valorile maxime ale eficienței termice eliberate de producători sunt de obicei măsurate în condiții specifice de funcționare într-un mediu de laborator ideal. Condițiile reale de condus, sarcina și obiceiurile de conducere vor afecta consumul real de combustibil al vehiculului.
I. Formula de calcul a miezului
Cea mai de bază și cea mai directă formulă de definire a eficienței termice a frânei este:
BTE=(Puterea de lucru efectivă a motorului) / (Energia chimică totală eliberată de arderea combustibilului) × 100%
Exprimând această definiție cu mărimi și unități fizice specifice, cea mai frecvent utilizată formulă de calcul este:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Sau forma echivalentă:
BTE=3600 / H_u / b_e
Să descompunem semnificațiile acestor simboluri:
· BTE: Eficiența termică a frânei, care este rezultatul pe care vrem să-l calculăm, de obicei exprimat ca procent.
· P_e: Puterea efectivă a motorului, cu unitatea de kilowat. Aceasta este puterea netă produsă efectiv de arborele cotit al motorului.
· b_e: consumul specific efectiv de combustibil al motorului, cu unitatea de grame pe kilowatt - oră. Acesta este un indicator cheie pentru măsurarea economiei motorului, adică „câte grame de combustibil sunt consumate pentru a produce 1 kilowatt - oră de lucru”.
· H_u: Puterea termică mai mică a combustibilului, cu unitatea de kilojouli pe kilogram. Aceasta se referă la căldura degajată de 1 kilogram de combustibil după arderea completă, după deducerea căldurii latente de vaporizare a vaporilor de apă generați în timpul arderii. Valoarea termică mai mică este de obicei utilizată în calculele eficienței termice.
· 3.6: Coeficientul de conversie unitar. Deoarece 1 kW·h=3.6 × 10^6 J și unitatea lui b_e este g/(kW·h) și cea a lui H_u este kJ/kg, dimensiunile trebuie să fie unificate.
· Puterea calorică a motorinelor: Producătorii trebuie să utilizeze combustibil standard și valoarea calorică standard convenită (de exemplu, 42.500 kJ/kg) pentru a calcula și elibera BTE. În acest moment, puterea calorică este aceeași și servește ca reper unificat.
De ce se spune că un consum specific de combustibil de 160 g/kWh·h pentru un motor diesel este limita?
Putem înțelege această limită printr-un simplu experiment de gândire.
1. Plafonul teoretic: Eficiența Carnot
În primul rând, toate motoarele termice (inclusiv motoarele diesel) au o limită de eficiență teoretică de nerealizat, și anume eficiența Carnot. Depinde doar de temperatura sursei de căldură (în - temperatura de ardere a cilindrului) și de temperatura sursei de rece (temperatura ambiantă).
· Formula: η_carnot=1 - (T_rece / T_fierbinte)
· Pentru un motor diesel, T_hot (temperatura maximă de ardere în - cilindru) este limitată de limita rezistentă la căldură - a materialelor (pistoane, supape, etc. se vor topi) și emisiile de oxid de azot și nu poate fi crescută la infinit. Este de aproximativ 2200 de grade (2473K).
· T_cold (temperatura de evacuare) este limitată de temperatura ambiantă, presupusă a fi de 25 de grade (298K).
· Eficiența Carnot teoretică ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
Acest 88% este un plafon absolut la care aspiră toate motoarele termice, dar nu îl pot atinge niciodată.
2. „Reduceri” stratificate în realitate
Într-un motor diesel real, pierderea de energie are loc în mai multe aspecte. Trebuie să deducem aceste pierderi inevitabile strat cu strat din plafonul teoretic de 88% pentru a obține eficiența termică disponibilă reală a frânelor. Următoarea figură arată clar cum energia se disipează treptat din 100% din energia combustibilului, lăsând doar aproximativ 52% din munca efectivă:
Calea pierderii de energie a motorului diesel: de la 100% combustibil la aproximativ 52% munca eficientă
„Munca eficientă (aproximativ 52%)”
„Pierderi de răcire/radiații (aproximativ 26%)”
„Pierderi de energie de evacuare (aproximativ 25%)”
„Pompare/frecare/alte pierderi (aproximativ 17%)”
După cum se arată în cele de mai sus, să examinăm unde sunt aplicate aceste „reduceri” cheie:
o. Arderea și pierderea prin transfer de căldură - Căldura care trebuie disipată
Aceasta este cea mai mare pierdere. Pentru a asigura funcționarea continuă a motorului, cilindrul trebuie să disipeze căldura prin peretele cilindrului și prin sistemul de răcire. Această parte a energiei este transportată direct de lichidul de răcire și irosită. După cum se arată în figură, acest singur articol consumă aproximativ 26% din energie. Acest lucru este determinat de legile termodinamicii și nu poate fi eliminat în mod fundamental.
b. Pierderea energiei de evacuare - Căldură care trebuie epuizată
Gazele de evacuare cu temperatură înaltă - după lucru trebuie expulzate din cilindru pentru a se pregăti pentru următorul ciclu de lucru. Cantitatea mare de căldură transportată de acest gaz de eșapament (aproximativ 25% din energia combustibilului) este de asemenea eliberată în atmosferă. Deși tehnologiile de top - ale motoarelor (de exemplu, turboalimentarea cu eficiență ridicată -) pot recupera o mică parte din ea, cea mai mare parte rămâne neutilizată.
c. Pompare și pierdere prin frecare mecanică - Consum intern
· Pierdere prin pompare: Motorul trebuie să depășească rezistența la fluxul de aer în timpul proceselor de admisie și evacuare, acționând ca o „pompă”, care consumă o anumită cantitate de muncă (aproximativ 6%).
· Pierderea prin frecare mecanică: Frecarea dintre piesele mobile, cum ar fi inelele pistonului și peretele cilindrului, și arbori și rulmenți (aproximativ 5%) este un alt consum inerent.
· Accesorii de conducere: Funcționarea pompelor de combustibil, a pompelor de ulei, a pompelor de apă etc. (aproximativ 6%) necesită și lucru.
3. Maparea pierderilor la consumul specific de combustibil
Acum, dacă convertim aceste rate de pierdere în consum specific de combustibil, putem vedea intuitiv limita:
· Energia totală a combustibilului: Să presupunem că 1 kg de motorină eliberează 42.700 kJ de căldură atunci când este complet ars.
· Rezultat țintă: Produceți 1 kW·h (adică, 3.600 kJ) de lucru eficient.
· Calea de calcul:
1. Eficiență termică de 40% (nivel excelent comun): energia de intrare necesară=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Consumul de combustibil=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kWh·h.
2. Eficiență termică de 50% (Nivel de laborator de top -): energia de intrare necesară=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Consumul de combustibil=7,200 / 42.700 ≈ 0,169 kg=169 g/kWh·h.
3. Eficiență termică de 52% (Nivelul de înregistrare al lui Weichai): Energia de intrare necesară=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6,923 kJ. Consumul de combustibil=6,923 / 42.700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Eficiență termică de 55% (aparent cu doar 3 puncte procentuale mai mare): energia de intrare necesară=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6545 kJ. Consumul de combustibil=6,545 / 42.700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Concluzie: de ce este 160 limita?
Din analiza de mai sus, putem observa că:
1. Legea randamentului descrescător: După atingerea unei eficiențe ultra - ridicate de peste 50%, pentru fiecare punct procentual suplimentar de îmbunătățire, este necesar să depășim pierderi fizice uriașe și aproape fixe. De la 52% la 55%, consumul specific de combustibil trebuie redus de la 162 la 153. Dificultatea tehnică a acestei reduceri de 9 - unități poate fi mai mare decât cea de creștere de la 40% la 50%.
2. Limitările limitelor fizice:
· Temperatura materialului - Limită de rezistență: temperatura de ardere nu poate fi crescută la infinit, altfel materialele nu o pot rezista.
· Disiparea căldurii este necesară: fără răcire, motorul va fi deteriorat instantaneu.
· Frecarea este inevitabila: atâta timp cât există mișcare relativă, există frecare.
· Gazele de eșapament trebuie să fie evacuate: aceasta este o cerință de bază a ciclului de lucru.
Prin urmare, cu materialele și principiile fizice cunoscute în prezent, optimizarea tuturor pierderilor de mai sus la un nivel atât de extrem, împingând funcționarea eficientă a unui motor diesel la intervalul de 52% - 55% din energia totală a combustibilului și consumul specific de combustibil corespunzător care intră în intervalul de 160 g/kW·h, se poate spune că a atins „tavanul” sistemului tehnologic existent.
Deci, când spun că un consum specific de combustibil de 160 pentru un motor diesel este limita, mă refer la limita practică inginerească în paradigma tehnologică actuală. Cu excepția cazului în care va exista o revoluție tehnologică perturbatoare în viitor (de exemplu, noi metode de ardere, materiale revoluționare), va fi dificil să se realizeze un salt semnificativ de eficiență ca acesta în ultimele decenii.