L'eficiència tèrmica del fre del motor (BTE) és un indicador clau per mesurar la capacitat d'un motor per convertir l'energia química del combustible en un treball mecànic efectiu, que té un impacte directe en el consum de combustible i les emissions del vehicle. Hi ha diferències significatives en els valors de BTE publicats per diferents fabricants, principalment a causa de variacions en els enfocaments tecnològics i les inversions en R+D.
La informació següent descriu diverses àrees tecnològiques principals que condueixen a diferències BTE i les seves causes principals.
Tecnologia -Causes bàsiques de les diferències BTE
Control de combustió i emissions - Optimització de la combustió:
L'adopció de tecnologies com ara el cicle de Miller, una alta relació de compressió i una combustió a baixa-temperatura pot millorar el procés de combustió i reduir la pèrdua de calor, que és crucial per millorar el BTE. Algunes tecnologies (per exemple, alta taxa d'EGR) poden sacrificar una petita quantitat d'eficiència per reduir les emissions.
Després del-tractament i gestió tèrmica:
La recirculació eficient dels gasos d'escapament (EGR) i el filtre de partícules dièsel catalitzat (CDPF) poden equilibrar les emissions i l'eficiència. Un sistema de refrigeració i gestió tèrmica optimitzat (p. ex., utilitzant la calor residual d'escapament per a un escalfament ràpid del motor-) també pot reduir eficaçment la pèrdua d'energia.
Sistema de combustible i injecció - Característiques del combustible:
L'ús de diferents combustibles (per exemple, barreges de biodièsel, metanol) pot afectar les característiques de combustió i pot ser beneficiós per millorar l'eficiència en entorns específics.
Estratègia d'injecció: per als motors dièsel o motors de combustible dual-, augmentar la pressió d'injecció i optimitzar el temps d'injecció (incloses les injeccions simples i múltiples) poden millorar significativament l'atomització del combustible i el procés de combustió, augmentant així el BTE.
Recuperació i utilització d'energia - Recuperació de calor residual:
Recuperar la calor residual dels gasos d'escapament mitjançant tecnologies com el cicle Rankine i convertir-la en treball útil pot millorar directament l'eficiència tèrmica global del motor. El projecte dels Estats Units Super Truck ha fet d'aquesta una tecnologia bàsica.
Disseny, procés i materials - Disseny bàsic i fabricació:
El disseny estructural del motor, la precisió del procés de fabricació i la selecció de materials (p. ex., utilitzant materials de baixa fricció -) determinen conjuntament la seva pèrdua de fricció, la durabilitat i el nivell de lleugeresa, que són factors fonamentals que afecten el BTE.
Com avaluar el BTE promogut pels fabricants?
· Atenció als antecedents tecnològics: els valors alts de BTE solen ser compatibles amb una o més de les - tecnologies avançades esmentades anteriorment. És recomanable centrar-se en les tecnologies específiques adoptades pel fabricant.
· Comprendre la diferència entre el laboratori i la pràctica: els valors màxims d'eficiència tèrmica alliberats pels fabricants solen mesurar-se en condicions de funcionament específiques en un entorn de laboratori idealitzat. Les vostres condicions reals de conducció, la càrrega i els hàbits de conducció afectaran el consum real de combustible del vehicle.
I. Fórmula de càlcul del nucli
La fórmula de definició més bàsica i directa per a l'eficiència tèrmica del fre és:
BTE=(Producció de treball efectiva del motor) / (Energia química total alliberada per la combustió del combustible) × 100%
Expressant aquesta definició amb magnituds i unitats físiques específiques, la fórmula de càlcul més utilitzada és:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
O la seva forma equivalent:
BTE=3600 / H_u / b_e
Desglossem el significat d'aquests símbols:
· BTE: Eficiència tèrmica del fre, que és el resultat que volem calcular, normalment expressat en percentatge.
· P_e: Potència efectiva del motor, amb la unitat de quilowatt. Aquesta és la potència neta que produeix realment el cigonyal del motor.
· b_e: consum de combustible específic efectiu del motor, amb la unitat de grams per quilowatt - hora. Aquest és un indicador clau per mesurar l'economia del motor, és a dir, "quants grams de combustible es consumeixen per produir 1 quilowatt - hora de treball".
· H_u: Menor poder calorífic del combustible, amb la unitat de kilojoules per quilogram. Es refereix a la calor alliberada per 1 quilogram de combustible després de la combustió completa, després de deduir la calor latent de vaporització del vapor d'aigua generat durant la combustió. El poder calorífic més baix s'utilitza normalment en els càlculs d'eficiència tèrmica.
· 3.6: Coeficient de conversió d'unitats. Com que 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, i la unitat de b_e és g/(kW·h) i la de H_u és kJ/kg, cal unificar les dimensions.
· Poder calorífic dièsel: els fabricants han d'utilitzar combustible estàndard i el poder calorífic estàndard acordat (per exemple, 42.500 kJ/kg) per calcular i alliberar BTE. En aquest moment, el poder calorífic és el mateix i serveix com a referència unificada.
Per què es diu que un consum específic de combustible de 160 g/kWh·h per a un motor dièsel és el límit?
Podem entendre aquest límit a través d'un simple experiment de pensament.
1. Sostre teòric: Eficiència de Carnot
En primer lloc, tots els motors tèrmics (inclosos els motors dièsel) tenen un límit d'eficiència teòrica inassolible, és a dir, l'eficiència de Carnot. Només depèn de la temperatura de la font de calor (en - temperatura de combustió del cilindre) i de la temperatura de la font freda (temperatura ambient).
· Fórmula: η_carnot=1 - (T_fred / T_calent)
· Per a un motor dièsel, T_hot (màxim en - temperatura de combustió del cilindre) està limitat pel límit resistent a la calor - dels materials (es fonen els pistons, vàlvules, etc.) i les emissions d'òxid de nitrogen, i no es pot augmentar indefinidament. Té uns 2200 graus (2473K).
· T_cold (temperatura d'escapament) està limitada per la temperatura ambient, que se suposa que és de 25 graus (298K).
· Eficiència teòrica de Carnot ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
Aquest 88% és un sostre absolut al qual aspiren tots els motors tèrmics però que mai poden assolir.
2. "Descomptes" en capes a la realitat
En un motor dièsel real, la pèrdua d'energia es produeix en múltiples aspectes. Hem de deduir aquestes pèrdues inevitables capa per capa del sostre teòric del 88% per obtenir l'eficiència tèrmica disponible real del fre. La figura següent mostra clarament com l'energia es dissipa gradualment del 100% de l'energia del combustible, deixant només al voltant del 52% del treball efectiu:
Ruta de pèrdua d'energia del motor dièsel: des del 100% de combustible fins a aproximadament el 52% de treball efectiu
"Treball efectiu (aproximadament el 52%)"
"Pèrdua per refredament/radiació (aproximadament un 26%)"
"Pèrdua d'energia d'escapament (aproximadament un 25%)"
"Bompeig/fricció/altres pèrdues (aproximadament un 17%)"
Com es mostra a l'anterior, examinem on s'apliquen aquests "descomptes" clau:
a. Combustió i pèrdua de transferència de calor - Calor que s'ha de dissipar
Aquesta és la pèrdua més gran. Per garantir un funcionament continu del motor, el cilindre ha de dissipar la calor a través de la paret del cilindre i el sistema de refrigeració. Aquesta part de l'energia és directament transportada pel refrigerant i es malbarata. Com es mostra a la figura, aquest únic article consumeix aproximadament el 26% de l'energia. Això està determinat per les lleis de la termodinàmica i no es pot eliminar fonamentalment.
b. Pèrdua d'energia d'escapament - Calor que s'ha d'esgotar
Els gasos d'escapament d'alta temperatura - després del treball s'han d'expulsar del cilindre per preparar-se per al següent cicle de treball. La gran quantitat de calor transportada per aquest gas d'escapament (aproximadament el 25% de l'energia del combustible) també s'allibera a l'atmosfera. Tot i que les tecnologies de motor de primer nivell - (p. ex., turboalimentació d'alta - eficiència) poden recuperar-ne una petita part, la majoria continua sense utilitzar-se.
c. Bombeig i pèrdua per fricció mecànica - Consum intern
· Pèrdua de bombeig: el motor necessita superar la resistència al flux d'aire durant els processos d'admissió i d'escapament, actuant com una "bomba", que consumeix una certa quantitat de treball (aproximadament un 6%).
· Pèrdua per fricció mecànica: la fricció entre les peces mòbils com els anells del pistó i la paret del cilindre, i els eixos i coixinets (aproximadament un 5%) és un altre consum inherent.
· Complements de conducció: El funcionament de les bombes de combustible, d'oli, d'aigua, etc. (aproximadament un 6%) també requereix treball.
3. Mapeig de pèrdues al consum específic de combustible
Ara, si convertim aquestes ràtios de pèrdua en un consum específic de combustible, podem veure intuïtivament el límit:
· Energia total del combustible: Suposem que 1 kg de gasoil allibera 42.700 kJ de calor quan es crema completament.
· Sortida objectiu: produir 1 kW·h (és a dir, 3.600 kJ) de treball efectiu.
· Camí de càlcul:
1. Eficiència tèrmica del 40% (nivell excel·lent comú): l'energia d'entrada necessària=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. El consum de combustible=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kWh·h.
2. Eficiència tèrmica del 50% (nivell de laboratori de primer nivell -): l'energia d'entrada necessària=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. El consum de combustible=7,200 / 42.700 ≈ 0,169 kg=169 g/kWh·h.
3. Eficiència tèrmica del 52% (Nivell de registre de Weichai): L'energia d'entrada requerida=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6.923 kJ. El consum de combustible=6,923 / 42.700 ≈ 0,162 kg=162 g/kWh·h.
4. Eficiència tèrmica del 55% (aparentment només 3 punts percentuals superior): l'energia d'entrada requerida=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6.545 kJ. El consum de combustible=6,545 / 42.700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Conclusió: Per què 160 és el límit?
De l'anàlisi anterior, podem veure que:
1. Llei dels rendiments decreixents: després d'aconseguir una eficiència ultra - superior al 50%, per cada punt percentual addicional de millora, cal superar pèrdues físiques enormes i gairebé fixes. Del 52% al 55%, el consum específic de combustible s'ha de reduir de 162 a 153. La dificultat tècnica d'aquesta reducció d'unitat 9 - pot ser més gran que la d'augmentar del 40% al 50%.
2. Limitacions dels límits físics:
· Temperatura del material - Límit de resistència: la temperatura de combustió no es pot augmentar indefinidament, en cas contrari els materials no la suporten.
· La dissipació de calor és necessària: sense refrigeració, el motor es farà malbé a l'instant.
· La fricció és inevitable: mentre hi hagi moviment relatiu, hi ha fricció.
· S'han d'abocar gasos d'escapament: és un requisit bàsic del cicle de treball.
Per tant, amb els materials i principis físics coneguts actualment, es pot dir que l'optimització de totes les pèrdues anteriors a un nivell tan extrem, empenyent el treball efectiu d'un motor dièsel al rang del 52% - 55% de l'energia total del combustible, i el corresponent consum específic de combustible entrant al rang de 160 g/kW·h, es pot dir que ha tocat el "sostre" del sistema tecnològic existent.
Per tant, quan dic que un consum específic de combustible de 160 per a un motor dièsel és el límit, em refereixo al límit pràctic d'enginyeria sota el paradigma tecnològic actual. A menys que hi hagi una revolució tecnològica disruptiva en el futur (per exemple, nous mètodes de combustió, materials revolucionaris), serà difícil aconseguir un salt d'eficiència significatiu com el de les últimes dècades.