Moottorijarrun lämpötehokkuus (BTE) on keskeinen mittari, jolla mitataan moottorin kykyä muuttaa polttoaineen kemiallinen energia tehokkaaksi mekaaniseksi työksi, jolla on suora vaikutus ajoneuvon polttoaineenkulutukseen ja päästöihin. Eri valmistajien julkaisemissa BTE-arvoissa on merkittäviä eroja, mikä johtuu pääasiassa vaihteluista teknologisissa lähestymistavoissa ja T&K-investoinneissa.
Seuraavat tiedot hahmotellaan useita merkittäviä teknologisia alueita, jotka johtavat BTE-eroihin, ja niiden ydinsyyt.
Tekniikka -BTE-erojen keskeiset syyt
Palaminen ja päästöjen hallinta - Polton optimointi:
Teknologioiden, kuten Millerin syklin, korkean puristussuhteen ja matalan lämpötilan{0}}polton ottaminen käyttöön voivat parantaa palamisprosessia ja vähentää lämpöhäviöitä, mikä on ratkaisevan tärkeää BTE:n parantamiseksi. Jotkut tekniikat (esim. korkea EGR-nopeus) voivat uhrata pienen määrän tehokkuutta päästöjen vähentämiseksi.
Hoidon-jälkeinen ja lämmönhallinta:
Tehokas pakokaasujen kierrätys (EGR) ja katalysoitu dieselhiukkassuodatin (CDPF) voivat tasapainottaa päästöt ja tehokkuuden. Optimoitu jäähdytys- ja lämmönhallintajärjestelmä (esim. pakokaasujen hukkalämmön käyttö moottorin nopeaan lämpenemiseen-) voi myös vähentää tehokkaasti energian hävikkiä.
Polttoaine ja ruiskutusjärjestelmä - Polttoaineen ominaisuudet:
Erilaisten polttoaineiden (esim. biodieselseokset, metanoli) käyttö voi vaikuttaa palamisominaisuuksiin ja olla hyödyllistä tehokkuuden parantamisessa tietyissä ympäristöissä.
Ruiskutusstrategia: Dieselmoottoreissa tai{0}}kaksoispolttoainemoottoreissa ruiskutuspaineen lisääminen ja ruiskutuksen ajoituksen optimointi (mukaan lukien kerta- ja useat ruiskutukset) voivat parantaa merkittävästi polttoaineen sumutus- ja palamisprosessia, mikä lisää BTE:tä.
Energian talteenotto ja käyttö - Hukkalämmön talteenotto:
Hukkalämmön talteenotto pakokaasusta tekniikoilla, kuten Rankine-syklillä, ja sen muuntaminen hyödylliseksi työksi voi suoraan parantaa moottorin yleistä lämpöhyötysuhdetta. Yhdysvaltain Super Truck -projekti on tehnyt tästä ydinteknologian.
Suunnittelu, prosessit ja materiaalit - Perussuunnittelu ja valmistus:
Moottorin rakennesuunnittelu, valmistusprosessin tarkkuus ja materiaalien valinta (esim. käyttämällä vähäkitkaisia - materiaaleja) määräävät yhdessä sen kitkahäviön, kestävyyden ja keveyden, jotka ovat kaikki BTE:hen vaikuttavia perustekijöitä.
Kuinka arvioida valmistajien edistämää BTE:tä?
· Kiinnitä huomiota teknologiseen taustaan: yksi tai useampi edellä mainituista - edistyneistä teknologioista tukee yleensä korkeita BTE-arvoja. On suositeltavaa keskittyä valmistajan valitsemiin erityistekniikoihin.
· Ymmärrä laboratorion ja käytännön välinen ero: Valmistajien julkaisemat maksimilämpötehokkuusarvot mitataan yleensä tietyissä käyttöolosuhteissa idealisoidussa laboratorioympäristössä. Todelliset ajo-olosuhteet, kuormasi ja ajotottumuksesi vaikuttavat kaikki ajoneuvon todelliseen polttoaineenkulutukseen.
I. Ydinlaskentakaava
Keskeisin ja suorin määritelmä jarrujen lämpötehokkuudelle on:
BTE=(moottorin tehollinen työteho) / (polttoaineen palamisesta vapautuva kemiallinen kokonaisenergia) × 100 %
Kun tämä määritelmä ilmaistaan tietyillä fysikaalisilla suureilla ja yksiköillä, yleisimmin käytetty laskentakaava on:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100 %
Tai vastaava muoto:
BTE=3600 / H_u / b_e
Puretaan näiden symbolien merkitykset:
· BTE: Brake Thermal Efficiency, joka on tulos, jonka haluamme laskea, yleensä ilmaistuna prosentteina.
· P_e: Tehokas moottorin teho kilowattiyksiköllä. Tämä on moottorin kampiakselin todellinen nettoteho.
· b_e: Moottorin todellinen polttoaineenkulutus grammoina kilowattia kohti - tuntia. Tämä on moottorin taloudellisuuden mittaamisen avainindikaattori, joka tarkoittaa "kuinka monta grammaa polttoainetta kuluu 1 kilowatin - työtunnin tuottamiseen".
· H_u: Polttoaineen alempi lämpöarvo, kilojouleina kilogrammaa kohti. Tämä tarkoittaa lämpöä, joka vapautuu 1 kilogrammasta polttoainetta täydellisen palamisen jälkeen, kun siitä on vähennetty palamisen aikana syntyvä vesihöyryn piilevä höyrystymislämpö. Alempaa lämpöarvoa käytetään yleensä lämpöhyötysuhteen laskelmissa.
· 3.6: Yksikkömuunnoskerroin. Koska 1 kW·h=3.6 × 10^6 J ja b_e:n yksikkö on g/(kW·h) ja H_u:n yksikkö kJ/kg, mitat on yhtenäistettävä.
· Dieselin lämpöarvo: Valmistajien on käytettävä standardipolttoainetta ja sovittua vakiolämpöarvoa (esim. 42 500 kJ/kg) BTE:n laskemiseen ja vapauttamiseen. Tällä hetkellä lämpöarvo on sama ja toimii yhtenäisenä vertailukohtana.
Miksi sanotaan, että dieselmoottorin ominaiskulutus on 160 g/kW·h?
Voimme ymmärtää tämän rajan yksinkertaisella ajatuskokeella.
1. Teoreettinen katto: Carnot-tehokkuus
Ensinnäkin kaikilla lämpömoottoreilla (mukaan lukien dieselmoottoreilla) on saavuttamaton teoreettinen hyötysuhde, nimittäin Carnot-hyötysuhde. Se riippuu vain lämmönlähteen lämpötilasta (sylinterin palamislämpötilassa -) ja kylmän lähteen lämpötilasta (ympäristön lämpötila).
· Kaava: η_carnot=1 - (T_kylmä / T_kuuma)
· Dieselmoottorissa T_hot (maksimi - sylinterin palamislämpötilassa) on rajoitettu materiaalien (männät, venttiilit jne. sulavat) lämmönkeston - rajalla ja typen oksidipäästöillä, eikä sitä voida lisätä loputtomiin. Se on noin 2200 astetta (2473K).
· T_cold (pakokaasun lämpötila) rajoittaa ympäristön lämpötila, jonka oletetaan olevan 25 astetta (298 K).
· Teoreettinen Carnot-hyötysuhde ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88 %
Tämä 88 % on ehdoton katto, johon kaikki lämpömoottorit pyrkivät, mutta joita ei koskaan voi saavuttaa.
2. Kerrostetut "alennukset" todellisuudessa
Todellisessa dieselmoottorissa energiahäviötä tapahtuu monessa suhteessa. Meidän on vähennettävä nämä väistämättömät häviöt kerros kerrokselta teoreettisesta 88 % katosta saadaksemme todellisen käytettävissä olevan jarrun lämpöhyötysuhteen. Seuraava kuva osoittaa selvästi, kuinka energia häviää vähitellen 100 %:sta polttoaineenergiasta jättäen vain noin 52 % tehokkaasta työstä:
Dieselmoottorin energiahäviön reitti: 100 % polttoaineesta noin 52 % tehokkaaseen työhön
"Tehokasta työtä (noin 52%)"
"Jäähdytys/säteilyhäviö (noin 26 %)"
"Pakokaasun energiahäviö (noin 25 %)"
"Pumppaus/kitka/muut häviöt (noin 17 %)"
Kuten yllä näkyy, tutkitaan, missä näitä keskeisiä "alennuksia" sovelletaan:
a. Palaminen ja lämmönsiirtohäviö - Lämpö, joka on haihdutettava
Tämä on suurin menetys. Moottorin jatkuvan toiminnan varmistamiseksi sylinterin on johdettava lämpöä sylinterin seinämän ja jäähdytysjärjestelmän läpi. Tämä osa energiasta kulkeutuu suoraan jäähdytysnesteen mukana ja menee hukkaan. Kuten kuvasta näkyy, tämä yksittäinen esine kuluttaa noin 26 % energiasta. Tämä määräytyy termodynamiikan lakien mukaan, eikä sitä voida pohjimmiltaan poistaa.
b. Pakokaasun energiahäviö - Lämpö, joka on käytettävä loppuun
Korkean lämpötilan - pakokaasu työn jälkeen on poistettava sylinteristä seuraavaan työjaksoon valmistautumiseksi. Myös tämän pakokaasun kuljettama suuri määrä lämpöä (noin 25 % polttoaineen energiasta) vapautuu ilmakehään. Vaikka huippuluokan - moottoriteknologiat (esim. korkean hyötysuhteen - turboahdin) voivat palauttaa pienen osan siitä, suurin osa siitä jää käyttämättä.
c. Pumppaus ja mekaaninen kitkahäviö - Sisäinen kulutus
· Pumppaushäviö: Moottorin on voitettava ilmavirran vastus imu- ja poistoprosessin aikana, toimien "pumpun" tavoin, mikä kuluttaa tietyn määrän työtä (noin 6 %).
· Mekaaninen kitkahäviö: Liikkuvien osien, kuten männänrenkaiden ja sylinterin seinämän sekä akselien ja laakereiden välinen kitka (noin 5 %) on toinen luontainen kulutus.
· Ajotarvikkeet: Polttoainepumppujen, öljypumppujen, vesipumppujen jne. käyttö (noin 6 %) vaatii myös työtä.
3. Häviöiden kartoittaminen tiettyyn polttoaineenkulutukseen
Jos nyt muunnamme nämä häviösuhteet ominaiskulutukseksi, voimme intuitiivisesti nähdä rajan:
· Polttoaineen kokonaisenergia: Oletetaan, että 1 kg dieseliä vapauttaa 42 700 kJ lämpöä täysin palaessaan.
· Tavoiteteho: Tuota 1 kW·h (eli 3 600 kJ) tehokasta työtä.
· Laskentapolku:
1. Lämpötehokkuus 40 % (Yleinen erinomainen taso): Vaadittu syöttöenergia=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Polttoaineen kulutus=9,000 / 42,700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·h.
2. Lämpöhyötysuhde 50 % (Top - laboratorion taso): Vaadittu syöttöenergia=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Polttoaineen kulutus=7,200 / 42 700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. Lämpötehokkuus 52 % (Weichain ennätystaso): Vaadittu syöttöenergia=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6 923 kJ. Polttoaineen kulutus=6,923 / 42,700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Lämpötehokkuus 55 % (näennäisesti vain 3 prosenttiyksikköä korkeampi): Vaadittu syöttöenergia=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6 545 kJ. Polttoaineen kulutus=6,545 / 42,700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Johtopäätös: Miksi 160 on raja?
Yllä olevasta analyysistä voimme nähdä, että:
1. Pienentyvän tuoton laki: Kun huippu - yli 50 %:n hyötysuhde on saavutettu, jokaista lisäparannuksen prosenttiyksikköä kohti on voitettava valtavat ja lähes kiinteät fyysiset häviöt. Polttoaineen ominaiskulutusta on vähennettävä 52 prosentista 55 prosenttiin 162:sta 153:een. Tämän 9 - yksikkövähennyksen tekninen vaikeus voi olla suurempi kuin 40 prosentista 50 prosenttiin.
2. Fyysisten rajojen rajoitukset:
· Materiaalin lämpötila - Resistanssiraja: Palamislämpötilaa ei voi nostaa loputtomiin, muuten materiaalit eivät kestä sitä.
· Lämmönpoisto on välttämätön: Ilman jäähdytystä moottori vaurioituu välittömästi.
· Kitka on väistämätöntä: Niin kauan kuin on suhteellista liikettä, on kitkaa.
· Pakokaasut on poistettava: Tämä on työsyklin perusvaatimus.
Siksi tällä hetkellä tunnetuilla materiaaleilla ja fysikaalisilla periaatteilla voidaan sanoa, että kaikkien yllä olevien hävikkien optimointi niin äärimmäiselle tasolle, dieselmoottorin tehokkaan työn työntäminen 52 %:iin - 55 % polttoaineen kokonaisenergiasta ja vastaava ominaiskulutus 160 g/kW·h alueelle, voidaan sanoa koskettaneen olemassa olevan teknologisen järjestelmän "kattoa".
Joten kun sanon, että dieselmoottorin polttoaineenkulutus 160 on raja, tarkoitan teknisen käytännön rajaa nykyisen teknologisen paradigman mukaisesti. Ellei tulevaisuudessa tapahdu häiritsevää teknologista vallankumousta (esim. uudet polttomenetelmät, vallankumoukselliset materiaalit), on vaikea saavuttaa merkittävää tehokkuusharppausta viime vuosikymmeninä.