Engine Brake Thermal Efficiency (BTE) er lykilvísir til að mæla getu vélar til að breyta efnaorku eldsneytis í skilvirka vélræna vinnu, sem hefur bein áhrif á eldsneytisnotkun ökutækja og útblástur. Það er verulegur munur á BTE-gildum sem mismunandi framleiðendur gefa út, aðallega vegna breytileika í tæknilegum aðferðum og fjárfestingum í rannsóknum og þróun.
Eftirfarandi upplýsingar gera grein fyrir nokkrum helstu tæknisviðum sem leiða til BTE-mun og helstu orsakir þeirra.
Tækni -Algerlega orsakir BTE-muna
Bruna- og losunarstýring - Fínstilling á brennslu:
Með því að tileinka sér tækni eins og Miller hringrásina, hátt þjöppunarhlutfall og lágan-hitabrennslu getur það bætt brennsluferlið og dregið úr hitatapi, sem er mikilvægt til að efla BTE. Sum tækni (td hátt EGR hlutfall) gæti fórnað lítilli hagkvæmni til að draga úr losun.
Eftir-meðferð og hitastjórnun:
Skilvirk útblásturs endurrás (EGR) og Catalyzed Diesel Particulate Filter (CDPF) geta jafnvægi á losun og skilvirkni. Fínstillt kæli- og varmastjórnunarkerfi (td með því að nota útblástursvarma til að hitna hratt upp- hreyfil) getur einnig dregið úr orkutapi á áhrifaríkan hátt.
Eldsneytis- og innspýtingarkerfi - Eldsneytiseiginleikar:
Notkun mismunandi eldsneytis (td lífdísilblöndur, metanól) getur haft áhrif á brunaeiginleika og getur verið gagnleg til að bæta skilvirkni í sérstöku umhverfi.
Innspýtingarstefna: Fyrir dísilvélar eða tvöfalda-eldsneytisvélar getur aukinn innspýtingarþrýstingur og hagræðing á innspýtingartíma (þar á meðal stakar og margar innspýtingar) bætt umtalsvert eldsneytisúðun og brunaferlið, og þar með aukið BTE.
Endurheimt orku og nýting - úrgangshita:
Að endurheimta úrgangshita úr útblásturslofti með tækni eins og Rankine hringrásinni og breyta því í gagnlega vinnu getur beint bætt heildarhitanýtni hreyfilsins. US Super Truck verkefnið hefur gert þetta að kjarnatækni.
Hönnun, ferli og efni - Grunnhönnun og framleiðsla:
Byggingarhönnun hreyfilsins, nákvæmni framleiðsluferlisins og val á efnum (td með því að nota lítið - núningsefni) ákvarða sameiginlega núningstap hennar, endingu og léttvigt, sem allt eru grundvallarþættir sem hafa áhrif á BTE.
Hvernig á að meta BTE sem framleiðendur kynna?
· Gefðu gaum að tæknilegum bakgrunni: Há BTE gildi eru venjulega studd af einni eða fleiri af ofangreindum - háþróaðri tækni. Það er ráðlegt að einblína á sérstaka tækni sem framleiðandinn notar.
· Skilja muninn á rannsóknarstofu og framkvæmd: Hámarks hitauppstreymisgildin sem framleiðendur gefa út eru venjulega mæld við sérstakar rekstraraðstæður í kjöraðstæðu rannsóknarstofuumhverfi. Raunveruleg akstursskilyrði þín, hleðsla og akstursvenjur munu öll hafa áhrif á raunverulega eldsneytisnotkun ökutækisins.
I. Kjarnareikningsformúla
Kjarnasta og bein skilgreiningarformúlan fyrir hitauppstreymi skilvirkni er:
BTE=(Árangursrík vinnuafköst hreyfilsins) / (Heildarefnaorka losuð við eldsneytisbrennslu) × 100%
Með því að tjá þessa skilgreiningu með sérstökum eðlisfræðilegum stærðum og einingum er algengasta útreikningsformúlan:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Eða samsvarandi form þess:
BTE=3600 / H_u / b_e
Við skulum brjóta niður merkingu þessara tákna:
· BTE: Brake Thermal Efficiency, sem er niðurstaðan sem við viljum reikna, venjulega gefin upp sem hundraðshluti.
· P_e: Virkt vélarafl, með einingunni kílóvatta. Þetta er nettóafl í raun framleiðsla af sveifarás vélarinnar.
· b_e: Virk tiltekin eldsneytisnotkun hreyfilsins, með einingunni grömmum á kílóvatt - klukkustund. Þetta er lykilvísir til að mæla hagkvæmni vélarinnar, sem þýðir "hversu mörg grömm af eldsneyti eru notuð til að framleiða 1 kílóvatt - klukkustund af vinnu".
· H_u: Lægra hitunargildi eldsneytis, með einingunni kílójúl á hvert kíló. Hér er átt við varma sem losnar við 1 kíló af eldsneyti eftir fullkominn bruna, að frádregnum duldum uppgufunarhita vatnsgufu sem myndast við bruna. Lægra hitunargildið er venjulega notað í útreikningum á hitauppstreymi.
· 3.6: Umreikningsstuðull eininga. Þar sem 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, og eining b_e er g/(kW·h) og H_u er kJ/kg, þarf að sameina stærðirnar.
· Dísilhitagildi: Framleiðendur verða að nota staðlað eldsneyti og umsamið staðlað hitaeiningagildi (td 42.500 kJ/kg) til að reikna út og losa BTE. Á þessum tíma er hitagildið það sama og þjónar sem sameinað viðmið.
Hvers vegna er talað um að tiltekin eldsneytisnotkun 160 g/kW·h fyrir dísilvél sé takmörk?
Við getum skilið þessi mörk með einfaldri hugsunartilraun.
1. Fræðilegt loft: Carnot skilvirkni
Í fyrsta lagi hafa allar hitavélar (þar á meðal dísilvélar) óviðunandi fræðileg skilvirknimörk, nefnilega Carnot skilvirkni. Það fer aðeins eftir hitastigi hitagjafans (í - brennsluhita strokka) og hitastigs kalda uppgjafans (umhverfishitastig).
· Formúla: η_carnot=1 - (T_kalt / T_heitt)
· Fyrir dísilvél er T_hot (hámark í - brennsluhita í strokka) takmörkuð af hita - þolmörkum efna (stimplar, ventlar o.s.frv. bráðna) og losun köfnunarefnisoxíðs, og ekki er hægt að auka það endalaust. Það er um það bil 2200 gráður (2473K).
· T_cold (útblásturshiti) takmarkast af umhverfishita, gert ráð fyrir að vera 25 gráður (298K).
· Fræðileg Carnot skilvirkni ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
Þessi 88% eru algjört þak sem allar hitavélar stefna að en geta aldrei náð.
2. Lagskiptur „Afslættir“ í raunveruleikanum
Í alvöru dísilvél á sér stað orkutap í mörgum þáttum. Við verðum að draga þetta óumflýjanlega tap lag fyrir lag frá 88% fræðilegu þakinu til að fá raunverulega tiltæka bremsuvarmanýtingu. Eftirfarandi mynd sýnir greinilega hvernig orka dreifist smám saman úr 100% eldsneytisorkunnar og skilur aðeins eftir um 52% af árangursríkri vinnu:
Orkutapsleið dísilvélar: Frá 100% eldsneyti í um það bil 52% skilvirka vinnu
"Árangursrík vinna (um það bil 52%)"
„Kæling/geislunstap (um það bil 26%)“
„Útblástursorkutap (um það bil 25%)“
„Dæling/Núningur/Annað tap (um það bil 17%)“
Eins og sýnt er hér að ofan skulum við skoða hvar þessir lykil "afslættir" eru notaðir:
a. Bruna- og hitaflutningstap - Hiti sem þarf að dreifa
Þetta er mesta tapið. Til að tryggja stöðugan gang hreyfilsins verður strokkurinn að dreifa hita í gegnum strokkvegginn og kælikerfið. Þessi hluti orkunnar er fluttur beint með kælivökvanum og sóað. Eins og sést á myndinni eyðir þessi eini hlutur um það bil 26% af orkunni. Þetta er ákvarðað af lögmálum varmafræðinnar og er ekki hægt að útrýma því í grundvallaratriðum.
b. Útblástursorkutap - Hiti sem þarf að klárast
Útblástursloftið með háu - hitastiginu eftir vinnu verður að fjarlægja úr strokknum til að undirbúa sig fyrir næstu vinnulotu. Hið mikla hitamagn sem þetta útblástursloft flytur (u.þ.b. 25% af orku eldsneytis) er einnig sleppt út í andrúmsloftið. Þrátt fyrir að háþróa - vélatækni (td há - afköst túrbóhleðslu) geti endurheimt lítinn hluta hennar, er mest af því ónotað.
c. Dæling og vélrænt núningstap - Innri neysla
· Dælutap: Vélin þarf að sigrast á loftflæðismótstöðu við inntaks- og útblástursferlið, virka eins og „dæla“ sem eyðir ákveðinni vinnu (u.þ.b. 6%).
· Vélrænt núningstap: Núningur milli hreyfanlegra hluta eins og stimplahringa og strokkaveggsins og stokka og legur (um það bil 5%) er önnur eðlislæg neysla.
· Akstursaukabúnaður: Rekstur eldsneytisdæla, olíudæla, vatnsdæla o.fl. (um 6%) krefst einnig vinnu.
3. Kortlagning tap á tiltekinni eldsneytisnotkun
Nú, ef við umbreytum þessum taphlutföllum í tiltekna eldsneytisnotkun, getum við innsæi séð mörkin:
· Heildareldsneytisorka: Gerum ráð fyrir að 1 kg af dísilolíu losi 42.700 kJ af hita þegar það er alveg brennt.
· Markafköst: Framleiða 1 kW·h (þ.e. 3.600 kJ) af áhrifaríkri vinnu.
· Útreikningsslóð:
1. Varmanýtni 40% (Common Excellent Level): Nauðsynleg inntaksorka=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Eldsneytisnotkun=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·klst.
2. Hitanýtni 50% (Top - rannsóknarstofustig): Nauðsynleg inntaksorka=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Eldsneytisnotkun=7,200 / 42,700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·klst.
3. Hitanýtni 52% (metastig Weichai): Nauðsynleg inntaksorka=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6,923 kJ. Eldsneytisnotkun=6.923 / 42.700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·klst.
4. Hitanýtni 55% (að því er virðist aðeins 3 prósentum hærri): Inntaksorka sem krafist er=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6,545 kJ. Eldsneytisnotkun=6.545 / 42.700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·klst.
Ályktun: Af hverju er 160 mörkin?
Af ofangreindri greiningu getum við séð að:
1. Lögmálið um minnkandi ávöxtun: Eftir að hafa náð ofur - mikilli skilvirkni upp á yfir 50%, fyrir hvert auka prósentustig af framförum, er nauðsynlegt að sigrast á gríðarlegu og nánast fastu líkamlegu tapi. Úr 52% í 55% þarf að lækka sérstaka eldsneytisnotkun úr 162 í 153. Tæknilegir erfiðleikar þessarar 9 - einingaminnkunar geta verið meiri en að auka úr 40% í 50%.
2. Takmarkanir á líkamlegum mörkum:
· Efnishitastig - Viðnámsmörk: Ekki er hægt að hækka brunahitastigið endalaust, annars þola efnin það ekki.
· Hitaleiðni er nauðsynleg: Án kælingar skemmist vélin samstundis.
· Núningur er óumflýjanlegur: Svo lengi sem það er hlutfallsleg hreyfing er núningur.
· Útblástursloft verður að losa: Þetta er grunnkrafa vinnulotunnar.
Þess vegna, með núverandi þekktum efnum og eðlisfræðilegum meginreglum, má segja að með því að fínstilla allt ofangreint tap á svo öfgamarki, ýta skilvirkri vinnu dísilvélar upp á bilið 52% - 55% af heildarorku eldsneytis, og samsvarandi sértæka eldsneytisnotkun inn á 160 g/kW·klst svið, hafi snert "loft" núverandi tæknikerfis.
Þannig að þegar ég segi að tiltekin eldsneytiseyðsla upp á 160 fyrir dísilvél sé takmörk, þá er ég að vísa til verkfræðilegra hagnýtra takmörkunar samkvæmt núverandi tæknilegu hugmyndafræði. Nema truflandi tæknibylting verði í framtíðinni (td nýjar brunaaðferðir, byltingarkennd efni) verður erfitt að ná verulegu hagkvæmnisstökki eins og það á undanförnum áratugum.