Dzinēja bremžu termiskā efektivitāte (BTE) ir galvenais rādītājs, lai mērītu dzinēja spēju pārvērst degvielas ķīmisko enerģiju efektīvā mehāniskā darbā, kas tieši ietekmē transportlīdzekļa degvielas patēriņu un emisijas. Dažādu ražotāju izdotajās BTE vērtībās ir ievērojamas atšķirības, galvenokārt tehnoloģisko pieeju un pētniecības un attīstības ieguldījumu atšķirību dēļ.
Tālāk sniegtajā informācijā ir izklāstītas vairākas galvenās tehnoloģiskās jomas, kas izraisa BTE atšķirības, un to galvenie cēloņi.
Tehnoloģija -BTE atšķirību galvenie cēloņi
Degšanas un emisiju kontrole - Degšanas optimizācija:
Tādas tehnoloģijas kā Millera cikls, augsta saspiešanas pakāpe un zemas{0}}temperatūras degšana var uzlabot sadegšanas procesu un samazināt siltuma zudumus, kas ir ļoti svarīgi BTE uzlabošanai. Dažas tehnoloģijas (piemēram, augsts EGR līmenis) var upurēt nelielu efektivitāti, lai samazinātu emisijas.
Pēc-apstrādes un termiskās pārvaldības:
Efektīva izplūdes gāzu recirkulācija (EGR) un katalizētais dīzeļdegvielas daļiņu filtrs (CDPF) var līdzsvarot emisijas un efektivitāti. Optimizēta dzesēšanas un siltuma pārvaldības sistēma (piem., izplūdes siltuma izmantošana ātrai dzinēja iesildīšanai-) var arī efektīvi samazināt enerģijas zudumus.
Degviela un iesmidzināšanas sistēma - Degvielas raksturojums:
Dažādu degvielu (piemēram, biodīzeļdegvielas maisījumu, metanola) izmantošana var ietekmēt sadegšanas raksturlielumus un var būt noderīga efektivitātes uzlabošanai noteiktā vidē.
Iesmidzināšanas stratēģija: dīzeļdzinējiem vai divu{0}}degvielu dzinējiem iesmidzināšanas spiediena palielināšana un iesmidzināšanas laika optimizēšana (tostarp vienas un vairāku iesmidzināšanas reizes) var ievērojami uzlabot degvielas izsmidzināšanu un sadegšanas procesu, tādējādi palielinot BTE.
Enerģijas reģenerācija un izmantošana - Atkritumu siltuma reģenerācija:
Atkritumu siltuma atgūšana no izplūdes gāzēm, izmantojot tādas tehnoloģijas kā Rankine cikls un pārvēršot to lietderīgā darbā, var tieši uzlabot dzinēja kopējo termisko efektivitāti. ASV Super Truck projekts ir padarījis to par galveno tehnoloģiju.
Dizains, process un materiāli - Pamata dizains un ražošana:
Dzinēja konstrukcijas konstrukcija, ražošanas procesa precizitāte un materiālu izvēle (piem., izmantojot zemas - berzes materiālus) nosaka tā berzes zudumu, izturību un viegluma līmeni, kas visi ir galvenie faktori, kas ietekmē BTE.
Kā novērtēt ražotāju reklamēto BTE?
· Pievērsiet uzmanību tehnoloģiskajam fonam: augstas BTE vērtības parasti atbalsta viena vai vairākas no iepriekš minētajām - uzlabotajām tehnoloģijām. Ieteicams koncentrēties uz konkrētām ražotāja pieņemtajām tehnoloģijām.
· Izprotiet atšķirību starp laboratoriju un praksi. Ražotāju izdotās maksimālās termiskās efektivitātes vērtības parasti tiek mērītas īpašos darbības apstākļos idealizētā laboratorijas vidē. Faktiskie braukšanas apstākļi, slodze un braukšanas paradumi ietekmēs transportlīdzekļa faktisko degvielas patēriņu.
I. Pamata aprēķina formula
Galvenā un tiešākā bremžu termiskās efektivitātes definīcijas formula ir:
BTE=(efektīvā dzinēja darba jauda) / (kopējā ķīmiskā enerģija, kas izdalās degvielas sadegšanas rezultātā) × 100%
Izsakot šo definīciju ar konkrētiem fizikāliem lielumiem un vienībām, visbiežāk izmantotā aprēķina formula ir:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Vai līdzvērtīga forma:
BTE=3600 / H_u / b_e
Sadalīsim šo simbolu nozīmes:
· BTE: bremžu termiskā efektivitāte, kas ir rezultāts, ko vēlamies aprēķināt, parasti izteikts procentos.
· P_e: efektīva dzinēja jauda ar kilovatu vienību. Šī ir dzinēja kloķvārpstas faktiskā lietderīgā jauda.
· b_e: dzinēja efektīvais īpatnējais degvielas patēriņš ar vienību grami uz kilovatu - stundu. Tas ir galvenais rādītājs dzinēja ekonomijas mērīšanai, proti, "cik gramu degvielas tiek patērēts, lai saražotu 1 kilovats - darba stundu".
· H_u: zemāka kurināmā sildīšanas vērtība ar vienību kilodžoulos uz kilogramu. Tas attiecas uz siltumu, ko pēc pilnīgas sadegšanas izdala 1 kilograms degvielas, atskaitot sadegšanas laikā radušos ūdens tvaiku latento iztvaikošanas siltumu. Siltuma efektivitātes aprēķinos parasti izmanto zemāko sildīšanas vērtību.
· 3.6: vienību pārrēķina koeficients. Tā kā 1 kW·h=3.6 × 10^6 J un b_e mērvienība ir g/(kW·h) un H_u mērvienība ir kJ/kg, izmēri ir jāvieno.
· Dīzeļdegvielas siltumspēja: lai aprēķinātu un atbrīvotu BTE, ražotājiem jāizmanto standarta degviela un saskaņotā standarta siltumspēja (piemēram, 42 500 kJ/kg). Šobrīd siltumspēja ir tāda pati un kalpo kā vienots etalons.
Kāpēc tiek teikts, ka 160 g/kW·h īpatnējais degvielas patēriņš dīzeļdzinējam ir robeža?
Mēs varam saprast šo robežu, izmantojot vienkāršu domu eksperimentu.
1. Teorētiskie griesti: Carnot efektivitāte
Pirmkārt, visiem siltumdzinējiem (arī dīzeļdzinējiem) ir nesasniedzama teorētiskā efektivitātes robeža, proti, Karno efektivitāte. Tas ir atkarīgs tikai no siltuma avota temperatūras (- cilindra degšanas temperatūrā) un aukstuma avota temperatūras (apkārtējās vides temperatūra).
· Formula: η_carnot=1 - (T_auksts / T_karsts)
· Dīzeļdzinējam T_hot (maksimālā - cilindra sadegšanas temperatūra) ierobežo materiālu karstumizturības - robeža (virzuļi, vārsti utt. izkusīs) un slāpekļa oksīda emisijas, un to nevar palielināt bezgalīgi. Tas ir aptuveni 2200 grādi (2473 K).
· T_cold (izplūdes temperatūra) ierobežo apkārtējās vides temperatūra, kas pieņemta kā 25 grādi (298K).
· Teorētiskā Carnot efektivitāte ≈ 1 - (298/2473) ≈ 88%
Šie 88% ir absolūti griesti, uz kuriem tiecas visi siltuma dzinēji, bet nekad tos nevar sasniegt.
2. Slāņainas "atlaides" realitātē
Īstā dīzeļdzinējā enerģijas zudumi notiek vairākos aspektos. Mums šie neizbēgamie zudumi ir jāatskaita slāni pa slānim no 88% teorētiskajiem griestiem, lai iegūtu faktisko pieejamo bremžu termisko efektivitāti. Sekojošais attēls skaidri parāda, kā enerģija pakāpeniski izkliedējas no 100% degvielas enerģijas, atstājot tikai aptuveni 52% no efektīva darba:
Dīzeļdzinēja enerģijas zuduma ceļš: no 100% degvielas līdz aptuveni 52% efektīvam darbam
"Efektīvs darbs (apmēram 52%)"
"Dzesēšanas/radiācijas zudumi (apmēram 26%)"
"Izplūdes gāzu enerģijas zudumi (apmēram 25%)"
"Sūknēšana/berze/citi zudumi (apmēram 17%)"
Kā parādīts iepriekš, pārbaudīsim, kur tiek piemērotas šīs galvenās "atlaides":
a. Degšanas un siltuma pārneses zudumi - Siltums, kas jāizkliedē
Tas ir lielākais zaudējums. Lai nodrošinātu nepārtrauktu dzinēja darbību, cilindram ir jāizkliedē siltums caur cilindra sieniņu un dzesēšanas sistēmu. Šo enerģijas daļu tieši aiznes dzesēšanas šķidrums un iztērē. Kā parādīts attēlā, šī viena vienība patērē aptuveni 26% enerģijas. To nosaka termodinamikas likumi, un to nevar pilnībā novērst.
b. Izplūdes enerģijas zudumi - Siltums, kas ir jāiztērē
Augstas - temperatūras izplūdes gāzes pēc darba ir jāizvada no cilindra, lai sagatavotos nākamajam darba ciklam. Atmosfērā izdalās arī lielais siltuma daudzums, ko pārvadā šīs izplūdes gāzes (apmēram 25% no degvielas enerģijas). Lai gan augstākās - dzinēju tehnoloģijas (piemēram, augstas - efektivitātes turbokompresors) var atgūt nelielu daļu no tā, lielākā daļa paliek neizmantota.
c. Sūknēšanas un mehāniskās berzes zudumi - iekšējais patēriņš
· Sūknēšanas zudums: dzinējam ir jāpārvar gaisa plūsmas pretestība ieplūdes un izplūdes procesos, darbojoties kā "sūknim", kas patērē noteiktu darba apjomu (apmēram 6%).
· Mehāniskās berzes zudums: berze starp kustīgajām daļām, piemēram, virzuļa gredzeniem un cilindra sienu, kā arī vārpstām un gultņiem (apmēram 5%) ir vēl viens raksturīgs patēriņš.
· Braukšanas piederumi: Degvielas sūkņu, eļļas sūkņu, ūdens sūkņu uc (apmēram 6%) darbība prasa arī darbu.
3. Zaudējumu kartēšana uz specifisko degvielas patēriņu
Tagad, ja mēs pārvēršam šos zudumu koeficientus konkrētajā degvielas patēriņā, mēs varam intuitīvi redzēt ierobežojumu:
· Kopējā degvielas enerģija: pieņemsim, ka 1 kg dīzeļdegvielas, pilnībā sadedzinot, izdala 42 700 kJ siltuma.
· Mērķa izlaide: saražot 1 kW·h (ti, 3600 kJ) efektīva darba.
· Aprēķinu ceļš:
1. Siltumefektivitāte 40% (parasts izcils līmenis): nepieciešamā ievades enerģija=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Degvielas patēriņš=9,000 / 42,700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·h.
2. Siltuma efektivitāte 50% (augšējais - iecirtums laboratorijas līmenī): nepieciešamā ievades enerģija=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Degvielas patēriņš=7,200 / 42 700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. Siltuma efektivitāte 52% (Weichai rekordlīmenis): nepieciešamā ievades enerģija=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6923 kJ. Degvielas patēriņš=6,923 / 42,700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Siltuma efektivitāte 55% (šķietami tikai par 3 procentpunktiem augstāka): nepieciešamā ievades enerģija=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6545 kJ. Degvielas patēriņš=6,545 / 42,700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Secinājums: kāpēc 160 ir ierobežojums?
No iepriekš minētās analīzes mēs varam redzēt, ka:
1. Samazinošās atdeves likums: Sasniedzot ultra - augstu efektivitāti virs 50%, par katru papildu uzlabojuma procentpunktu ir jāpārvar milzīgi un gandrīz fiksēti fiziski zaudējumi. No 52% līdz 55%, īpatnējais degvielas patēriņš ir jāsamazina no 162 līdz 153. Šādas 9 - vienības samazināšanas tehniskās grūtības var būt lielākas nekā palielināšanas no 40% līdz 50%.
2. Fizisko robežu ierobežojumi:
· Materiāla temperatūra - Pretestības robeža: Degšanas temperatūru nevar paaugstināt bezgalīgi, pretējā gadījumā materiāli to nevar izturēt.
· Nepieciešama siltuma izkliedēšana: bez dzesēšanas dzinējs tiks nekavējoties bojāts.
· Berze ir neizbēgama: kamēr pastāv relatīva kustība, pastāv berze.
· Izplūdes gāzes ir jāiztukšo: tā ir darba cikla pamatprasība.
Līdz ar to ar šobrīd zināmajiem materiāliem un fizikālajiem principiem, optimizējot visus augstākminētos zudumus līdz šādam galējam līmenim, nospiežot dīzeļdzinēja efektīvo darbu 52% - 55% robežās no kopējās degvielas enerģijas, un atbilstošu īpatnējo degvielas patēriņu, kas iekļūst 160 g/kW·h diapazonā, var teikt, ka tas ir pieskāries esošās tehnoloģiskās sistēmas "griestiem".
Tātad, kad es saku, ka konkrētais degvielas patēriņš 160 dīzeļdzinējam ir robeža, es domāju inženiertehnisko praktisko ierobežojumu saskaņā ar pašreizējo tehnoloģisko paradigmu. Ja vien nākotnē nenotiks graujoša tehnoloģiska revolūcija (piemēram, jaunas sadedzināšanas metodes, revolucionāri materiāli), būs grūti panākt tādu būtisku efektivitātes lēcienu kā pēdējo desmitgažu laikā.