Motor Freni Isıl Verimliliği (BTE), bir motorun, yakıtın kimyasal enerjisini, aracın yakıt tüketimi ve emisyonları üzerinde doğrudan etkisi olan etkili mekanik işe dönüştürme yeteneğini ölçen önemli bir göstergedir. Farklı üreticiler tarafından yayımlanan BTE değerlerinde, temel olarak teknolojik yaklaşımlardaki ve Ar-Ge yatırımlarındaki farklılıklar nedeniyle önemli farklılıklar bulunmaktadır.
Aşağıdaki bilgiler BTE farklılıklarına yol açan birkaç önemli teknolojik alanı ve bunların temel nedenlerini özetlemektedir.
Teknoloji -BTE Farklılıklarının Temel Nedenleri
Yanma ve Emisyon Kontrolü - Yanma Optimizasyonu:
Miller döngüsü, yüksek sıkıştırma oranı ve düşük{0}sıcaklıkta yanma gibi teknolojilerin benimsenmesi, yanma sürecini iyileştirebilir ve BTE'yi geliştirmek için çok önemli olan ısı kaybını azaltabilir. Bazı teknolojiler (örneğin, yüksek EGR oranı), emisyonları azaltmak için verimlilikten küçük bir miktar fedakarlık edebilir.
Tedaviden-sonra ve Termal Yönetim:
Verimli egzoz gazı devridaimi (EGR) ve Katalizli Dizel Partikül Filtresi (CDPF), emisyonları ve verimliliği dengeleyebilir. Optimize edilmiş bir soğutma ve termal yönetim sistemi (örneğin, motorun hızlı ısınması için egzoz atık ısısının kullanılması-) enerji kaybını da etkili bir şekilde azaltabilir.
Yakıt ve Enjeksiyon Sistemi - Yakıt Özellikleri:
Farklı yakıtların kullanılması (örn. biyodizel karışımları, metanol) yanma özelliklerini etkileyebilir ve belirli ortamlarda verimliliğin arttırılması açısından faydalı olabilir.
Enjeksiyon Stratejisi: Dizel motorlar veya çift -yakıtlı motorlar için, enjeksiyon basıncını artırmak ve enjeksiyon zamanlamasını optimize etmek (tekli ve çoklu enjeksiyonlar dahil), yakıt atomizasyonunu ve yanma sürecini önemli ölçüde iyileştirerek BTE'yi artırabilir.
Enerji Geri Kazanımı ve Kullanımı - Atık Isı Geri Kazanımı:
Egzoz gazındaki atık ısının Rankine çevrimi gibi teknolojiler aracılığıyla geri kazanılması ve bunun faydalı işe dönüştürülmesi, motorun genel termal verimliliğini doğrudan artırabilir. ABD Süper Kamyon projesi bunu temel bir teknoloji haline getirdi.
Tasarım, Süreç ve Malzemeler - Temel Tasarım ve İmalat:
Motorun yapısal tasarımı, üretim sürecinin hassasiyeti ve malzeme seçimi (örneğin, düşük - sürtünmeli malzemelerin kullanılması), BTE'yi etkileyen temel faktörler olan sürtünme kaybını, dayanıklılığını ve hafiflik seviyesini birlikte belirler.
Üreticilerin teşvik ettiği BTE nasıl değerlendirilmelidir?
· Teknolojik Arka Plana Dikkat Edin: Yüksek BTE değerleri genellikle yukarıda belirtilen - ileri teknolojilerden biri veya birkaçı tarafından desteklenir. Üretici tarafından benimsenen spesifik teknolojilere odaklanmanız tavsiye edilir.
· Laboratuvar ve Uygulama Arasındaki Farkı Anlayın: Üreticiler tarafından açıklanan maksimum termal verimlilik değerleri genellikle ideal bir laboratuvar ortamında belirli çalışma koşulları altında ölçülür. Gerçek sürüş koşullarınız, yükünüz ve sürüş alışkanlıklarınız aracın gerçek yakıt tüketimini etkileyecektir.
I. Çekirdek Hesaplama Formülü
Fren termal verimliliği için en temel ve doğrudan tanımlı formül şudur:
BTE=(Motorun etkin iş çıkışı) / (Yakıtın yanması sonucu açığa çıkan toplam kimyasal enerji) × %100
Bu tanımı belirli fiziksel büyüklükler ve birimlerle ifade edersek en sık kullanılan hesaplama formülü şu şekildedir:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × %100
Veya eşdeğer formu:
BTE=3600 / H_u / b_e
Bu sembollerin anlamlarını sıralayalım:
· BTE: Hesaplamak istediğimiz sonuç olan Fren Isıl Verimliliği genellikle yüzde olarak ifade edilir.
· P_e: Kilowatt birimiyle etkin motor gücü. Bu aslında motor krank milinin ürettiği net güçtür.
· b_e: Kilovat başına gram birimi - saat olan, motorun etkin özgül yakıt tüketimi. Bu, motor ekonomisini ölçmek için önemli bir göstergedir; yani "1 kilowatt - saatlik iş üretmek için kaç gram yakıt tüketildiği" anlamına gelir.
· H_u: Kilojoule/kilogram birimiyle yakıtın alt ısıl değeri. Bu, yanma sırasında oluşan su buharının gizli buharlaşma ısısı çıkarıldıktan sonra, tam yanma sonrasında 1 kilogram yakıtın açığa çıkardığı ısıyı ifade eder. Isıl verim hesaplamalarında genellikle alt ısıtma değeri kullanılır.
· 3.6: Birim dönüşüm katsayısı. 1 kW·h=3.6 × 10^6 J olduğundan ve b_e'nin birimi g/(kW·h) ve H_u'nun birimi kJ/kg olduğundan, boyutların birleştirilmesi gerekir.
· Dizel Kalorifik Değeri: Üreticiler, BTE'yi hesaplamak ve serbest bırakmak için standart yakıtı ve mutabakata varılan standart kalorifik değeri (örn. 42.500 kJ/kg) kullanmalıdır. Şu anda kalorifik değer aynıdır ve birleşik bir kıyaslama görevi görür.
Neden bir dizel motor için 160 g/kWh·saatlik spesifik yakıt tüketiminin sınır olduğu söyleniyor?
Bu sınırı basit bir düşünce deneyi ile anlayabiliriz.
1. Teorik Tavan: Carnot Verimliliği
İlk olarak, tüm ısı motorlarının (dizel motorlar dahil) ulaşılamaz bir teorik verimlilik sınırı, yani Carnot verimliliği vardır. Bu sadece ısı kaynağının sıcaklığına (- silindir yanma sıcaklığı cinsinden) ve soğuk kaynağın sıcaklığına (ortam sıcaklığı) bağlıdır.
· Formül: η_carnot=1 - (T_soğuk / T_sıcak)
· Dizel motor için T_hot (- silindir yanma sıcaklığındaki maksimum), malzemelerin ısıya - dayanım sınırı (pistonlar, valfler vb. eriyecektir) ve nitrojen oksit emisyonları ile sınırlıdır ve süresiz olarak artırılamaz. Yaklaşık 2200 derecedir (2473K).
· T_cold (egzoz sıcaklığı), 25 derece (298K) olduğu varsayılan ortam sıcaklığıyla sınırlıdır.
· Teorik Carnot verimliliği ≈ 1 - (298/2473) ≈ %88
Bu %88, tüm ısı motorlarının arzuladığı ancak hiçbir zaman ulaşamayacağı mutlak bir tavandır.
2. Gerçekte Katmanlı "İndirimler"
Gerçek bir dizel motorda enerji kaybı birçok açıdan meydana gelir. Gerçek mevcut fren termal verimliliğini elde etmek için bu kaçınılmaz kayıpları %88'lik teorik tavandan katman katman çıkarmalıyız. Aşağıdaki şekil, yakıt enerjisinin %100'ünün enerjinin nasıl kademeli olarak dağıldığını ve geriye yalnızca %52'lik etkin işin kaldığını açıkça göstermektedir:
Dizel Motor Enerji Kaybı Yolu: %100 Yakıttan Yaklaşık %52 Verimli Çalışmaya
"Etkili Çalışma (Yaklaşık %52)"
"Soğutma/Radyasyon Kaybı (Yaklaşık %26)"
"Egzoz Enerjisi Kaybı (Yaklaşık %25)"
"Pompalama/Sürtünme/Diğer Kayıplar (Yaklaşık %17)"
Yukarıda da görüldüğü gibi bu önemli “indirimlerin” nerelerde uygulandığını inceleyelim:
A. Yanma ve Isı Transferi Kaybı - Dağıtılması Gereken Isı
Bu en büyük kayıptır. Motorun sürekli çalışmasını sağlamak için silindirin ısıyı silindir duvarından ve soğutma sisteminden dağıtması gerekir. Enerjinin bu kısmı doğrudan soğutucu tarafından taşınır ve boşa harcanır. Şekilde görüldüğü gibi bu tek parça enerjinin yaklaşık %26'sını tüketmektedir. Bu, termodinamik yasalarıyla belirlenir ve temelde ortadan kaldırılamaz.
B. Egzoz Enerjisi Kaybı - Tüketilmesi Gereken Isı
Bir sonraki çalışma döngüsüne hazırlanmak için işten sonra yüksek - sıcaklıktaki egzoz gazının silindirden dışarı atılması gerekir. Bu egzoz gazının taşıdığı ısının büyük bir kısmı da (yakıt enerjisinin yaklaşık %25'i) atmosfere salınır. Her ne kadar birinci sınıf - motor teknolojileri (örneğin, yüksek - verimli turboşarj) bunun küçük bir kısmını geri kazanabilse de çoğu kullanılmadan kalır.
C. Pompalama ve Mekanik Sürtünme Kaybı - Dahili Tüketim
· Pompalama Kaybı: Motorun, bir "pompa" gibi davranarak, emme ve egzoz işlemleri sırasında hava akışı direncini aşması gerekir ve bu da belirli bir miktarda (yaklaşık %6) iş tüketir.
· Mekanik Sürtünme Kaybı: Piston segmanları ve silindir duvarı gibi hareketli parçalar ile miller ve yataklar arasındaki sürtünme (yaklaşık %5) diğer bir doğal tüketimdir.
· Sürüş Aksesuarları: Yakıt pompaları, yağ pompaları, su pompaları vb.'nin çalışması da (yaklaşık %6) çalışma gerektirir.
3. Kayıpların Spesifik Yakıt Tüketimiyle Haritalanması
Şimdi bu kayıp oranlarını spesifik yakıt tüketimine dönüştürürsek sınırı sezgisel olarak görebiliriz:
· Toplam Yakıt Enerjisi: 1 kg dizelin tamamen yandığında 42.700 kJ ısı açığa çıkardığını varsayalım.
· Hedef Çıktı: 1 kW·saat (yani 3.600 kJ) etkili iş üretin.
· Hesaplama Yolu:
1. %40 Isıl Verim (Ortak Mükemmel Seviye): Gerekli giriş enerjisi=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Yakıt tüketimi=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·saat.
2. %50 Isıl Verim (En Üst - Çentik Laboratuvar Seviyesi): Gerekli giriş enerjisi=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Yakıt tüketimi=7,200 / 42,700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·saat.
3. %52 Termal Verimlilik (Weichai'nin Rekor Seviyesi): Gerekli giriş enerjisi=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6,923 kJ. Yakıt tüketimi=6,923 / 42,700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. %55 Isıl Verimlilik (Görünüşe göre Sadece 3 Yüzde Puan Daha Yüksek): Gerekli giriş enerjisi=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6,545 kJ. Yakıt tüketimi=6,545 / 42,700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Sonuç: Neden 160 Sınırdır?
Yukarıdaki analizden şunu görebiliriz:
1. Azalan Getiriler Yasası: %50'nin üzerinde ultra - yüksek verimliliğe ulaştıktan sonra, her ilave yüzdelik iyileşme için, çok büyük ve neredeyse sabit fiziksel kayıpların üstesinden gelmek gerekir. Spesifik yakıt tüketiminin %52'den %55'e 162'den 153'e düşürülmesi gerekir. Bu 9 - birim azaltmanın teknik zorluğu, %40'tan %50'ye çıkarmanın teknik zorluğundan daha büyük olabilir.
2. Fiziksel Sınırların Sınırlamaları:
· Malzeme Sıcaklığı - Direnç Limiti: Yanma sıcaklığı süresiz olarak artırılamaz, aksi halde malzemeler buna dayanamaz.
· Isı Dağıtımı Gereklidir: Soğutma olmazsa motor anında zarar görür.
· Sürtünme Kaçınılmazdır: Göreli hareket olduğu sürece sürtünme de vardır.
· Egzoz Gazı Tahliye Edilmelidir: Bu, çalışma döngüsünün temel bir gereğidir.
Dolayısıyla, halihazırda bilinen malzeme ve fiziksel prensiplerle, yukarıdaki tüm kayıpların bu kadar uç bir seviyeye optimize edilmesi, bir dizel motorun etkin çalışmasının toplam yakıt enerjisinin %52 - 55% aralığına itilmesi ve buna karşılık gelen özgül yakıt tüketiminin 160 g/kW·h aralığına girmesi, mevcut teknolojik sistemin "tavanına" dokunduğu söylenebilir.
Yani dizel motor için 160'lık spesifik yakıt tüketiminin sınır olduğunu söylediğimde, mevcut teknolojik paradigma kapsamındaki mühendislik pratik sınırından bahsediyorum. Gelecekte yıkıcı bir teknolojik devrim olmadığı sürece (örneğin, yeni yanma yöntemleri, devrim niteliğindeki malzemeler), geçtiğimiz birkaç on yılda buna benzer önemli bir verimlilik sıçraması elde etmek zor olacaktır.