מהו ה-BTE המכונה בדרך כלל מנוע (יעילות תרמית בלמים)?

יעילות תרמית של בלם מנוע (BTE) הוא אינדיקטור מרכזי למדידת יכולתו של מנוע להמיר את האנרגיה הכימית של הדלק לעבודה מכנית יעילה, שיש לה השפעה ישירה על צריכת הדלק ופליטת הרכב. ישנם הבדלים משמעותיים בערכי BTE שפורסמו על ידי יצרנים שונים, בעיקר בשל שינויים בגישות טכנולוגיות והשקעות מו"פ.

המידע הבא מתאר מספר תחומים טכנולוגיים עיקריים המובילים להבדלים ב-BTE והגורמים העיקריים שלהם.

טכנולוגיה -סיבות הליבה להבדלים ב-BTE

בקרת בעירה ופליטות - מיטוב בעירה:

אימוץ טכנולוגיות כגון מחזור מילר, יחס דחיסה גבוה ובעירה בטמפרטורה-נמוכה יכולים לשפר את תהליך הבעירה ולהפחית את איבוד החום, שהוא חיוני לשיפור ה-BTE. טכנולוגיות מסוימות (למשל, שיעור EGR גבוה) עשויות להקריב כמות קטנה של יעילות כדי להפחית את הפליטות.

לאחר-טיפול וניהול תרמי:

מחזור גזי פליטה יעיל (EGR) ומסנן חלקיקי דיזל קטליזציה (CDPF) יכולים לאזן בין פליטות ויעילות. מערכת קירור וניהול תרמי אופטימלית (למשל, שימוש בחום פסולת פליטה לחימום מהיר של המנוע-) יכולה גם להפחית ביעילות את אובדן האנרגיה.

מערכת דלק והזרקה - מאפייני דלק:

שימוש בדלקים שונים (למשל, תערובות ביו-דיזל, מתנול) יכול להשפיע על מאפייני הבעירה ועשוי להועיל לשיפור היעילות בסביבות ספציפיות.

אסטרטגיית הזרקה: עבור מנועי דיזל או מנועי דלק כפולים-, הגדלת לחץ ההזרקה ואופטימיזציה של תזמון ההזרקה (כולל הזרקות בודדות ומרובות) יכולים לשפר משמעותית את פירוק הדלק ואת תהליך הבעירה, ובכך להגדיל את ה-BTE.

שחזור אנרגיה וניצול - שחזור חום פסולת:

שחזור חום פסולת מגזי הפליטה באמצעות טכנולוגיות כגון מחזור Rankine והמרתו לעבודה שימושית יכולים לשפר ישירות את היעילות התרמית הכוללת של המנוע. פרויקט משאית הסופר האמריקאי הפך את זה לטכנולוגיית ליבה.

עיצוב, תהליך וחומרים - עיצוב וייצור בסיסי:

העיצוב המבני של המנוע, הדיוק של תהליך הייצור ובחירת החומרים (למשל, שימוש בחומרי חיכוך נמוכים של -) קובעים יחד את אובדן החיכוך, העמידות ורמת הקל משקל שלו, שהם כולם גורמים בסיסיים המשפיעים על BTE.

כיצד להעריך את ה-BTE שמקדמים היצרנים?

· שימו לב לרקע הטכנולוגי: ערכי BTE גבוהים נתמכים בדרך כלל על ידי אחת או יותר מהטכנולוגיות המתקדמות של - המוזכרות לעיל. רצוי להתמקד בטכנולוגיות הספציפיות שאומץ על ידי היצרן.

· הבן את ההבדל בין מעבדה לפרקטיקה: ערכי היעילות התרמית המקסימלית המשוחררים על ידי היצרנים נמדדים בדרך כלל בתנאי הפעלה ספציפיים בסביבת מעבדה אידיאלית. תנאי הנהיגה בפועל, העומס והרגלי הנהיגה שלך ישפיעו כולם על צריכת הדלק בפועל של הרכב.

I. נוסחת חישוב ליבה

נוסחת הליבה וההגדרה הישירה ביותר ליעילות תרמית בלמים היא:

BTE=(תפוקת עבודה אפקטיבית של המנוע) / (סך האנרגיה הכימית המשתחררת משריפת דלק) × 100%

בהבעת הגדרה זו באמצעות כמויות ויחידות פיזיקליות ספציפיות, נוסחת החישוב הנפוצה ביותר היא:

BTE=(P_e × b_e) / 3.6 × 100%

או צורתו המקבילה:

BTE=3600 / H_u / b_e

בואו נפרק את המשמעויות של סמלים אלה:

· BTE: Brake Thermal Efficiency, שהיא התוצאה שאנו רוצים לחשב, מבוטאת בדרך כלל באחוזים.

· P_e: כוח מנוע אפקטיבי, עם יחידת קילוואט. זהו הכוח הנקי שמפיק בפועל גל ארכובה של המנוע.

· b_e: צריכת דלק ספציפית יעילה של המנוע, עם יחידת גרם לקילווואט - שעה. זהו אינדיקטור מרכזי למדידת חסכון במנוע, כלומר "כמה גרם דלק צורכים כדי לייצר 1 קילוואט - שעת עבודה".

· H_u: ערך חימום נמוך יותר של דלק, עם יחידת קילוג'אול לק"ג. הכוונה היא לחום המשתחרר מ-1 קילוגרם של דלק לאחר בעירה מלאה, בניכוי חום האידוי הסמוי של אדי מים הנוצרים במהלך הבעירה. ערך החימום הנמוך משמש בדרך כלל בחישובי יעילות תרמית.

· 3.6: מקדם המרה ליחידה. מכיוון ש-1 kW·h=3.6 × 10^6 J, והיחידה של b_e היא g/(kW·h) וזו של H_u היא kJ/kg, יש לאחד את הממדים.

· ערך קלורי של דיזל: היצרנים חייבים להשתמש בדלק סטנדרטי ובערך הקלורי הסטנדרטי המוסכם (למשל, 42,500 קילו-ג'יי/ק"ג) כדי לחשב ולשחרר BTE. בשלב זה, הערך הקלורי זהה ומשמש כמדד אחיד.

למה אומרים שצריכת דלק ספציפית של 160 גרם/קוט"ש למנוע דיזל היא הגבול?

אנו יכולים להבין את הגבול הזה באמצעות ניסוי מחשבתי פשוט.

1. תקרה תיאורטית: יעילות קרנו

ראשית, לכל מנועי החום (כולל מנועי דיזל) יש מגבלת יעילות תיאורטית בלתי ניתנת להשגה, כלומר יעילות קרנו. זה תלוי רק בטמפרטורה של מקור החום (ב- טמפרטורת בעירה של צילינדר) ובטמפרטורה של מקור הקור (טמפרטורת הסביבה).

· נוסחה: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)

· עבור מנוע דיזל, T_hot (מקסימום בטמפרטורת בעירה של צילינדר -) מוגבל על ידי גבול עמיד בחום - של חומרים (בוכנות, שסתומים וכו' יימסו) ופליטת תחמוצת חנקן, ולא ניתן להגדיל אותו ללא הגבלת זמן. זה בערך 2200 מעלות (2473K).

· T_cold (טמפרטורת הפליטה) מוגבלת על ידי טמפרטורת הסביבה, ההנחה היא 25 מעלות (298K).

· יעילות קרנו תאורטית ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%

88% אלו הם תקרה מוחלטת שכל מנועי החום שואפים אליה אך לעולם לא יכולים להגיע אליה.

2. "הנחות" שכבות בריאליטי

במנוע דיזל אמיתי, אובדן אנרגיה מתרחש במספר היבטים. עלינו לנכות את ההפסדים הבלתי נמנעים שכבה אחר שכבה מהתקרה התיאורטית של 88% כדי להשיג את היעילות התרמית הזמינה של הבלמים בפועל. האיור הבא מראה בבירור כיצד האנרגיה מתפזרת בהדרגה מ-100% מאנרגיית הדלק, ומשאירה רק כ-52% מהעבודה האפקטיבית:

נתיב אובדן אנרגיה במנוע דיזל: מ-100% דלק לעבודה אפקטיבית של כ-52%

"עבודה יעילה (כ-52%)"

"אובדן קירור/קרינה (כ-26%)"

"איבוד אנרגיית פליטה (כ-25%)"

"שאיבה/חיכוך/הפסדים אחרים (כ-17%)"

כפי שמוצג לעיל, הבה נבחן היכן מוחלות "הנחות" מפתח אלה:

א. איבוד בעירה והעברת חום - חום שיש לפזר

זהו ההפסד הגדול ביותר. כדי להבטיח פעולת מנוע רציפה, על הצילינדר לפזר חום דרך דופן הצילינדר ומערכת הקירור. חלק זה של האנרגיה נישא ישירות על ידי נוזל הקירור ומתבזבז. כפי שמוצג באיור, פריט בודד זה צורך כ-26% מהאנרגיה. זה נקבע על ידי חוקי התרמודינמיקה ולא ניתן לבטלו באופן יסודי.

ב. אובדן אנרגיית פליטה - חום שצריך למצות

יש להוציא את גז הפליטה בטמפרטורה הגבוהה של - לאחר העבודה מהגליל כדי להתכונן למחזור העבודה הבא. כמות החום הגדולה שנושא גז הפליטה הזה (כ-25% מאנרגיית הדלק) משתחררת גם היא לאטמוספירה. למרות שטכנולוגיות מנוע מהשורה הראשונה (לדוגמה, טעינת טורבו ביעילות - גבוהה) יכולות לשחזר חלק קטן ממנו, רובו נותר לא מנוצל.

ג. שאיבה ואובדן חיכוך מכני - צריכה פנימית

· אובדן שאיבה: המנוע צריך להתגבר על התנגדות זרימת האוויר במהלך תהליכי היניקה והפליטה, לפעול כמו "משאבה", הצורכת כמות מסוימת של עבודה (כ-6%).

· אובדן חיכוך מכני: חיכוך בין חלקים נעים כגון טבעות בוכנה ודופן הצילינדר, לבין צירים ומיסבים (כ-5%) היא צריכה אינהרנטית נוספת.

· אביזרי נהיגה: גם הפעלת משאבות דלק, משאבות שמן, משאבות מים ועוד (כ-6%) מצריכה עבודה.

3. מיפוי הפסדים לצריכת דלק ספציפית

כעת, אם נמיר את יחסי ההפסד הללו לצריכת דלק ספציפית, נוכל לראות באופן אינטואיטיבי את הגבול:

· אנרגיה כוללת של דלק: נניח ש-1 ק"ג סולר משחרר 42,700 קילו-ג'יי חום כאשר הוא נשרף לחלוטין.

· תפוקת יעד: הפק עבודה יעילה של 1 קילוואט לשעה (כלומר 3,600 קילו-ג'יי).

· נתיב חישוב:

1. יעילות תרמית של 40% (רמה מצוינת משותפת): אנרגיית הכניסה הנדרשת=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. צריכת הדלק=9,000 / 42,700 ≈ 0.211 ק"ג=211 g/kW·h.

2. יעילות תרמית של 50% (רמת מעבדה - עליונה): אנרגיית הכניסה הנדרשת=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. צריכת הדלק=7,200 / 42,700 ≈ 0.169 ק"ג=169 g/kW·h.

3. יעילות תרמית של 52% (רמת השיא של ויצ'אי): אנרגיית הכניסה הנדרשת=3,600 קילו-ג'יי / 0.52 ≈ 6,923 קילו-ג'יי. צריכת הדלק=6,923 / 42,700 ≈ 0.162 ק"ג=162 g/kW·h.

4. יעילות תרמית של 55% (לכאורה רק ב-3 נקודות אחוז גבוה יותר): אנרגיית הכניסה הנדרשת=3,600 קילו-ג'יי / 0.55 ≈ 6,545 קילו-ג'יי. צריכת הדלק=6,545 / 42,700 ≈ 0.153 ק"ג=153 g/kW·h.

מסקנה: מדוע 160 הוא הגבול?

מהניתוח לעיל, אנו יכולים לראות כי:

1. חוק התשואות הפוחתות: לאחר הגעה ליעילות גבוהה במיוחד של למעלה מ-50% -, על כל נקודת אחוז נוספת של שיפור, יש צורך להתגבר על הפסדים פיזיים אדירים וכמעט קבועים. מ-52% ל-55%, יש להפחית את צריכת הדלק הספציפית מ-162 ל-153. הקושי הטכני של הפחתת יחידה זו של 9 - עשוי להיות גדול מזה של עלייה מ-40% ל-50%.

2. מגבלות של גבולות פיזיים:

· טמפרטורת חומר - מגבלת התנגדות: לא ניתן להעלות את טמפרטורת הבעירה ללא הגבלת זמן, אחרת החומרים לא יכולים לעמוד בה.

· פיזור חום הכרחי: ללא קירור, המנוע ייפגע באופן מיידי.

· חיכוך הוא בלתי נמנע: כל עוד יש תנועה יחסית, יש חיכוך.

· יש לפרוק גז פליטה: זוהי דרישה בסיסית של מחזור העבודה.

לכן, עם החומרים והעקרונות הפיזיקליים הידועים כיום, אופטימיזציה של כל ההפסדים לעיל לרמה קיצונית כזו, דחיפת העבודה האפקטיבית של מנוע דיזל לטווח של 52% - 55% מכלל אנרגיית הדלק, וצריכת דלק ספציפית המקבילה הנכנסת לטווח 160 גרם/kW·h, ניתן לומר שנגעו ב"תקרה" של המערכת הטכנולוגית הקיימת.

לכן, כשאני אומר שצריכת דלק ספציפית של 160 למנוע דיזל היא הגבול, אני מתכוון למגבלה המעשית ההנדסית לפי הפרדיגמה הטכנולוגית הנוכחית. אלא אם כן תהיה מהפכה טכנולוגית משבשת בעתיד (למשל, שיטות בעירה חדשות, חומרים מהפכניים), יהיה קשה להשיג קפיצת יעילות משמעותית כמו זו בעשורים האחרונים.