Mootori piduri soojusefektiivsus (BTE) on võtmenäitaja, millega mõõdetakse mootori võimet muuta kütuse keemiline energia tõhusaks mehaaniliseks tööks, millel on otsene mõju sõiduki kütusekulule ja heitgaasidele. Erinevate tootjate avaldatud BTE väärtustes on olulisi erinevusi, peamiselt tehnoloogiliste lähenemisviiside ning teadus- ja arendustegevuse investeeringute erinevuste tõttu.
Järgmises teabes kirjeldatakse mitmeid peamisi tehnoloogilisi valdkondi, mis põhjustavad BTE erinevusi, ja nende peamised põhjused.
Tehnoloogia -BTE erinevuste peamised põhjused
Põlemine ja heitmete kontroll - Põlemise optimeerimine:
Selliste tehnoloogiate kasutuselevõtt nagu Milleri tsükkel, kõrge tihendusaste ja madalal temperatuuril{0}}põlemine võib parandada põlemisprotsessi ja vähendada soojuskadu, mis on BTE suurendamiseks ülioluline. Mõned tehnoloogiad (nt kõrge EGR-määr) võivad heitkoguste vähendamiseks ohverdada väikese osa tõhususest.
Pärast-töötlust ja termilist juhtimist:
Tõhus heitgaasitagastus (EGR) ja katalüüsitud diisli tahkete osakeste filter (CDPF) suudavad tasakaalustada heitkoguseid ja tõhusust. Optimeeritud jahutus- ja soojusjuhtimissüsteem (nt heitgaaside heitsoojuse kasutamine mootori kiireks-soojendamiseks) võib samuti tõhusalt vähendada energiakadu.
Kütus ja sissepritsesüsteem - Kütuse omadused:
Erinevate kütuste (nt biodiisli segud, metanool) kasutamine võib mõjutada põlemisomadusi ja olla kasulik tõhususe parandamiseks konkreetsetes keskkondades.
Sissepritsestrateegia: diiselmootorite või{0}}kahe kütusega mootorite puhul võib sissepritse rõhu suurendamine ja sissepritse ajastuse optimeerimine (sealhulgas ühe- ja mitmekordne sissepritse) märkimisväärselt parandada kütuse pihustamist ja põlemisprotsessi, suurendades seeläbi BTE-d.
Energia taaskasutamine ja kasutamine - Jääksoojuse taaskasutamine:
Heitgaasist jääksoojuse taastamine selliste tehnoloogiate abil nagu Rankine tsükkel ja selle kasulikuks tööks muutmine võib otseselt parandada mootori üldist soojuslikku efektiivsust. USA Super Trucki projekt on muutnud selle põhitehnoloogiaks.
Disain, protsess ja materjalid - Põhidisain ja tootmine:
Mootori konstruktsioon, tootmisprotsessi täpsus ja materjalide valik (nt madala - hõõrdumisega materjalide kasutamine) määravad ühiselt selle hõõrdekadu, vastupidavuse ja kerguse taseme, mis on kõik BTE-d mõjutavad põhitegurid.
Kuidas hinnata tootjate reklaamitavat BTE-d?
· Pöörake tähelepanu tehnoloogilisele taustale: kõrgeid BTE väärtusi toetab tavaliselt üks või mitu ülalnimetatud - täiustatud tehnoloogiat. Soovitatav on keskenduda konkreetsetele tootja poolt kasutusele võetud tehnoloogiatele.
· Mõistke erinevust labori ja praktika vahel: Tootjate avaldatud maksimaalseid soojustõhususe väärtusi mõõdetakse tavaliselt konkreetsetes töötingimustes idealiseeritud laborikeskkonnas. Teie tegelikud sõidutingimused, koormus ja sõiduharjumused mõjutavad kõik sõiduki tegelikku kütusekulu.
I. Põhiarvutusvalem
Pidurite soojustõhususe kõige põhilisem ja otsesem määratlusvalem on:
BTE=(mootori efektiivne töövõimsus) / (kütuse põlemisel vabanev keemiline koguenergia) × 100%
Väljendades seda määratlust konkreetsete füüsikaliste suuruste ja ühikutega, on kõige sagedamini kasutatav arvutusvalem:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Või selle samaväärne vorm:
BTE=3600 / H_u / b_e
Jaotame nende sümbolite tähendused:
· BTE: piduri termiline efektiivsus, mis on tulemus, mida tahame arvutada, väljendatuna tavaliselt protsentides.
· P_e: efektiivne mootori võimsus kilovattide ühikuga. See on mootori väntvõlli tegelik väljundvõimsus.
· b_e: mootori tegelik kütuse erikulu ühikuga grammides kilovatti - tunni kohta. See on mootori ökonoomsuse mõõtmise põhinäitaja, mis tähendab, et "mitu grammi kütust kulub 1 kilovatt-{4}} töötunni tootmiseks".
· H_u: kütuse madalam kütteväärtus, ühikuga kilodžauli kilogrammi kohta. See viitab soojusele, mille eraldub 1 kilogramm kütusest pärast täielikku põlemist, pärast põlemisel tekkiva veeauru varjatud aurustumissoojuse mahaarvamist. Soojusefektiivsuse arvutustes kasutatakse tavaliselt madalamat kütteväärtust.
· 3.6: Ühiku teisenduskoefitsient. Kuna 1 kW·h=3.6 × 10^6 J ja b_e ühik on g/(kW·h) ja H_u on kJ/kg, tuleb mõõtmed ühtlustada.
· Diislikütuse kütteväärtus: tootjad peavad BTE arvutamiseks ja vabastamiseks kasutama standardset kütust ja kokkulepitud standardkütteväärtust (nt 42 500 kJ/kg). Praegu on kütteväärtus sama ja see toimib ühtse võrdlusalusena.
Miks öeldakse, et diiselmootori kütuse erikulu 160 g/kW·h on piiriks?
Me saame sellest piirist aru lihtsa mõtteeksperimendi kaudu.
1. Teoreetiline lagi: Carnot'i efektiivsus
Esiteks on kõigil soojusmootoritel (ka diiselmootoritel) saavutamatu teoreetiline efektiivsuse piir, nimelt Carnot' kasutegur. See sõltub ainult soojusallika temperatuurist (- silindri põlemistemperatuurist) ja külma allika temperatuurist (ümbritsev temperatuur).
· Valem: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· Diiselmootori puhul on T_hot (maksimaalne - silindri põlemistemperatuur) piiratud materjalide (kolvid, ventiilid jne sulavad) kuumakindluse piiriga ja lämmastikoksiidi heitkogustega ning seda ei saa lõputult suurendada. See on ligikaudu 2200 kraadi (2473 K).
· T_cold (heitgaasi temperatuur) on piiratud ümbritseva õhu temperatuuriga, eeldatakse, et see on 25 kraadi (298 K).
· Carnot' teoreetiline kasutegur ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
See 88% on absoluutne lagi, mille poole kõik soojusmootorid pürgivad, kuid milleni ei jõua kunagi.
2. Kihilised "allahindlused" reaalsuses
Päris diiselmootoris esineb energiakadu mitmes aspektis. Peame need vältimatud kaod 88% teoreetilisest ülemmäärast kiht-kihi haaval maha lahutama, et saada tegelik saadaolev piduri soojuslik efektiivsus. Järgmine joonis näitab selgelt, kuidas energia hajub järk-järgult 100% kütuseenergiast, jättes alles vaid umbes 52% tõhusast tööst:
Diiselmootori energiakao tee: 100% kütusest ligikaudu 52% tõhusa tööni
"Tõhus töö (umbes 52%)"
"Jahutus-/kiirguskadu (ligikaudu 26%)"
Heitgaaside energiakadu (ligikaudu 25%)
"Pumbamine/hõõrdumine/muud kaod (ligikaudu 17%)"
Nagu ülalpool näidatud, uurime, kus neid peamisi "allahindlusi" rakendatakse:
a. Põlemis- ja soojusülekandekadu - Soojus, mis tuleb hajutada
See on suurim kaotus. Mootori pideva töö tagamiseks peab silinder eraldama soojust läbi silindri seina ja jahutussüsteemi. See osa energiast kantakse jahutusvedelikuga otse ära ja läheb raisku. Nagu jooniselt näha, tarbib see üksik ese ligikaudu 26% energiast. See on määratud termodünaamika seadustega ja seda ei saa põhimõtteliselt kõrvaldada.
b. Heitgaasienergia kadu - Kuumus, mis tuleb ära kasutada
Kõrge temperatuuriga - heitgaas pärast tööd tuleb järgmiseks töötsükliks valmistumiseks silindrist välja lasta. Selle heitgaasi poolt kantud suur hulk soojust (ligikaudu 25% kütuseenergiast) eraldub samuti atmosfääri. Kuigi tipptasemel - mootoritehnoloogiad (nt suure - efektiivsusega turboülelaadimine) suudavad väikese osa sellest taastada, jääb suurem osa sellest kasutamata.
c. Pumpamine ja mehaaniline hõõrdekadu - Sisetarbimine
· Pumpamiskadu: mootor peab ületama õhuvoolu takistuse sisselaske- ja väljalaskeprotsesside ajal, toimides nagu "pump", mis kulutab teatud hulga tööd (umbes 6%).
· Mehaaniline hõõrdekadu: liikuvate osade, nagu kolvirõngad ja silindri seina ning võllide ja laagrite vaheline hõõrdumine (umbes 5%) on veel üks omane tarbimine.
· Sõidutarvikud: Tööd nõuab ka kütusepumpade, õlipumpade, veepumpade jms töö (ca 6%).
3. Kadude kaardistamine kütuse erikuluga
Nüüd, kui teisendame need kadude suhted konkreetseks kütusekuluks, näeme intuitiivselt piiri:
· Kütuse koguenergia: Oletame, et 1 kg diislikütust eraldab täielikult põledes 42 700 kJ soojust.
· Sihtväljund: Tehke 1 kW·h (st 3600 kJ) tõhusat tööd.
· Arvutustee:
1. Soojusefektiivsus 40% (üldine suurepärane tase): nõutav sisendenergia=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Kütusekulu=9,000 / 42,700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·h.
2. Soojusefektiivsus 50% (kõrgeim - laboritase): nõutav sisendenergia=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Kütusekulu=7,200 / 42 700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. Soojusefektiivsus 52% (Weichai rekordtase): nõutav sisendenergia=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6923 kJ. Kütusekulu=6,923 / 42 700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Soojusefektiivsus 55% (näiliselt vaid 3 protsendipunkti kõrgem): nõutav sisendenergia=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6545 kJ. Kütusekulu=6,545 / 42 700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Järeldus: miks on 160 piir?
Ülaltoodud analüüsist näeme, et:
1. Väheneva tulu seadus: pärast ülikõrge, üle 50% efektiivsuse - saavutamist on iga täiendava paranemise protsendipunkti jaoks vaja ületada tohutud ja peaaegu fikseeritud füüsilised kaotused. 52%-lt 55%-le tuleb kütuse erikulu vähendada 162-lt 153-le. Selle 9 - ühiku vähendamise tehniline raskus võib olla suurem kui 40%-lt 50%-le suurendamine.
2. Füüsiliste piiride piirangud:
· Materjali temperatuur - takistuspiirang: põlemistemperatuuri ei saa lõputult tõsta, muidu ei pea materjalid sellele vastu.
· Soojuse hajutamine on vajalik: ilma jahutamiseta saab mootor koheselt kahjustada.
· Hõõrdumine on vältimatu: seni, kuni on suhteline liikumine, on ka hõõrdumine.
· Heitgaas tuleb tühjendada: see on töötsükli põhinõue.
Seetõttu võib praegu teadaolevate materjalide ja füüsikaliste põhimõtete juures öelda, et kõigi ülaltoodud kadude optimeerimine nii äärmuslikule tasemele, diiselmootori efektiivsuse tõstmine 52% - 55% kogu kütuseenergiast ja vastav kütuse erikulu, mis siseneb vahemikku 160 g/kW·h, puudutas olemasoleva tehnoloogilise süsteemi "lagi".
Seega, kui ma ütlen, et diiselmootori kütuse erikulu on 160, siis ma pean silmas praeguse tehnoloogilise paradigma järgi insenertehnilist praktilist piiri. Kui tulevikus ei toimu murrangulist tehnoloogilist revolutsiooni (nt uued põlemismeetodid, revolutsioonilised materjalid), on viimastel aastakümnetel sellist olulist efektiivsushüpet raske saavutada.