Със сигурност мнозина се чудят какво е това на топлинна производителност или топлинна ефективност, как може да се изчисли или колко има двигателят на вашия автомобил. Всички тези съмнения са разбираеми, тъй като ефективността на двигателя ще зависи от това. Това е способността да се трансформира енергията, осигурена от горивото, в реални механични характеристики.
Освен това, да не се бърка с обемната ефективност на двигател, което е съотношението между въздуха, засмукан в цилиндъра, и обема, който той може да съдържа според цилиндрада от същото. Това е друг фактор, който директно се намесва в мощността, поради което двигателите с естествено пълнене, с еднакъв капацитет, постигат по-малка мощност от двигателите с компресор (турбо).
Каква е топлинната ефективност на двигател с вътрешно горене?
La топлинна ефективност на двигател е способността на двигателя да преобразува енергията, доставена от горивото по време на горенето, в механични характеристики. Всички дизайнери се надяват да създадат двигател със 100% ефективност, тъй като това би било идеално. На практика обаче това не е възможно, тъй като ефективността се затруднява от триенето на частите, загубата под формата на топлина и др.
В уличните коли, бензинови двигатели имат термична производителност или ефективност от 30%. Това означава, че 30% от енергията, осигурена от бензина, всъщност се използва за генериране на енергия, останалата част се губи като топлина.
В случай на Дизелов двигател, ефективността е малко по-добра, с 40%, тъй като те имат по-високо ниво на компресия. Следователно те са малко по-ефективни от бензина, въпреки че и това не е твърде висока цифра.
В момента те са постигнали подобрения на ефективността значително благодарение на хибридните системи. Например топлинната ефективност във Формула 1 е много по-висока, благодарение на пристигането на V6 Turbo двигатели с MGU-K и MGU-H. По-конкретно, той се е повишил от 30% от конвенционалните бензинови двигатели до около 50%. Това означава, че се използва половината от енергията, осигурена от горивото.
Този конкретен случай е следствие от включването на системи като МГУ-К, или регенеративна спирачка, способна да получава енергия от спиране и от MGU-H, който също използва енергията на изгорелите газове.
Идеална, ефективна и максимална топлинна ефективност
През 1824 г. физикът Френски Сади Карно, изследва термичната ефективност на идеална топлинна машина като функция на температурата между горещите и студените източници. Понастоящем това се прилага за изчисляване на ефективността или топлинните характеристики на всеки топлинен двигател, независимо дали е термопомпа, двигател с вътрешно горене или охладителна система. Въпреки че в тази статия ще се съсредоточим върху двигателите с вътрешно горене, предвид темата за AM.
Освен това има три вида топлинни характеристики Когато говорите за двигател с Ото или дизелов цикъл:
- Идеален: определя се като отношението между количеството енергия, преобразувано в полезна работа, и количеството доставена енергия. Според втория закон на термодинамиката нито един двигател не може да преобразува цялата си енергия в механична работа. Следователно на практика няма двигател с идеална топлинна ефективност.
- Пари в брой: е действителната топлинна производителност на двигателя.
- максимален: е максималната производителност на даден тип двигател, например 30% и 40% (приблизително), споменати по-горе за бензин и дизел. С други думи, архитектурните или ограничаващите ограничения на даден тип термична машина.
Топлинна ефективност на дизел срещу бензин
Термичната ефективност на двигателя Цикъл на Ото (бензин) не е същото като това на мотор дизелов цикъл. Те се държат различно на термодинамично ниво и това ги кара да имат разлики по отношение на ефективността. Освен това алтернативен 4-тактов двигател не е същият като ванкелов двигател и т.н.
Ото цикъл
в двигател на Ото цикъл, което съответства на термодинамични цикли за бензинови, етанолови или газови двигатели, независимо дали са 2-тактови (1 завъртане на коляновия вал) или 4-тактови (2 завъртания на коляновия вал). В тези двигатели има серия от етапи като всмукване, компресия, изгаряне или възпламеняване, разширяване и бягство.
В тези двигатели, ефективността или топлинните характеристики зависи от степен на компресия, тоест между отношението между максималния и минималния обем на горивната камера. Колкото по-високо е съотношението, толкова по-добра е ефективността, въпреки че високооктановите горива също ще са необходими, за да се избегне явление, известно като детонация (самозапалване на горивото преди запалителната свещ).
Накратко, средната топлинна производителност на добър 4-тактов двигател Otto е между 25 и 30%, в зависимост от вида на двигателя и производителя.
Дизелов цикъл
това дизелов цикъл той също така установява диаграмата на термично поведение за 4-тактов или 2-тактов дизелов двигател. В този случай има някои особености, към които трябва да се добави по-високото му съотношение на компресия в сравнение с бензиновите двигатели. Следователно топлинната ефективност в този случай варира от 30 до 45%.
Като любопитство, най-ефективният дизелов двигател в света в момента е с размери 5 метра височина и 9 метра дължина, с 13.142 XNUMX конски сили. Това е за Wärtsilä 31, произведен във Финландия и предназначен за военноморска употреба. Този двигател консумира около 38.8 тона гориво на ден, нещо, което изглежда скандално, но не е толкова много, когато говорим за този тип маса за лодки...
Възможен ли е 100% ефективен топлинен двигател?
Този въпрос е много повтарящ се и истината е, че не е възможно да получите двигател или машина с a 100% добив. това е само теоретично. Постигането на перфектна машина би било голямо постижение и би намалило консумацията на енергия, но това би означавало да се създаде толкова ефективен двигател, че да може да трансформира цялата енергия на горивото в движение.
Но това не е така при истинските двигатели, тъй като има триене между частите, топлината, която излиза и т.н. С подобрени смазочни материали, нови архитектури на двигателя, инжекционни технологииИ т.н., ефективността се подобрява, но е невъзможно да се достигнат тези 100%.
И, разбира се, също не е възможно да се постигне двигател с термична ефективност над 100%, тъй като това би било все едно да се каже, че се получава нова енергия, нещо, което директно нарушава първия закон на термодинамиката.
Изчисляване на топлинна ефективност
за изчисляване на топлинната ефективност или топлинната ефективност на двигателя или трябва да се приложи формулата на Карно:
Където Th е температурата на горещия източник на машината, в този случай двигателят с вътрешно горене, а Tc е температурата на студения източник. Следователно, за да се постигне по-голяма ефективност, температурата между горещия и студения флуид трябва да бъде възможно най-различна.
Това очевидно е много общо и ако искате да приложите към a двигател за вътрешно горене като тази при колите, тогава формулата трябва да е следната:
В този случай W е извършената работа, Qc е горещият източник или източник, Qf е студеният източник, на който двигателят отдава топлина. Освен това, за да не се нарушава законът за запазване на енергията, трябва да се изпълни, че горещият фокус е равен на работата, добавена към топлината на студения фокус. И винаги ще е вярно, че 0<η<1. От друга страна, също трябва да е ясно, че работата (W) ще бъде равна на вложената топлина минус топлинната мощност.
Друг начин за изчисляване на ефективността на двигател е да знаете полезна мощност и консумирана мощност в kW. Това е ключът степен на компресия на двигателя, тъй като колкото по-високо е, толкова по-добра е ефективността.
Por ejemplo, ако имате 200 J топлинна енергия като вложена топлина и двигателят може да извърши 80 J работа, тогава 80/200 = 0.4 (0.4 x 100 = 40% ефективност). Същото нещо би се случило, ако се измери топлината на отработените газове на двигателя, например, ако енергията, вложена в двигателя, е 200 J от горивото и се наблюдава мощност на отработените газове от 120 J, тогава извършената работа е 80 J ( 200 -120) и ефективността е 40%, тъй като ако разделите 120/200=0.6, това е енергията, която се губи и следователно не се трансформира в работа...