Тепловой КПД моторного тормоза (BTE) является ключевым показателем для измерения способности двигателя преобразовывать химическую энергию топлива в эффективную механическую работу, которая оказывает непосредственное влияние на расход топлива транспортного средства и выбросы. Существуют значительные различия в значениях заушных устройств, публикуемых разными производителями, в основном из-за различий в технологических подходах и инвестициях в НИОКР.
Следующая информация описывает несколько основных технологических областей, которые приводят к различиям в заушных слуховых аппаратах, и их основные причины.
Технологии -Основные причины различий в заушных слуховых аппаратах
Контроль сгорания и выбросов - Оптимизация сгорания:
Внедрение таких технологий, как цикл Миллера, высокая степень сжатия и низкотемпературное-сгорание, может улучшить процесс сгорания и снизить потери тепла, что имеет решающее значение для улучшения заушного слухового аппарата. Некоторые технологии (например, высокая скорость рециркуляции выхлопных газов) могут принести в жертву небольшую эффективность ради сокращения выбросов.
Последующая-обработка и терморегуляция:
Эффективная рециркуляция выхлопных газов (EGR) и каталитический сажевый фильтр (CDPF) позволяют сбалансировать выбросы и эффективность. Оптимизированная система охлаждения и управления температурным режимом (например, использование тепла выхлопных газов для быстрого прогрева двигателя-) также может эффективно снизить потери энергии.
Топливо и система впрыска - Характеристики топлива:
Использование различных видов топлива (например, биодизельных смесей, метанола) может повлиять на характеристики сгорания и может быть полезным для повышения эффективности в конкретных условиях.
Стратегия впрыска. Для дизельных двигателей или двухтопливных-двигателей увеличение давления впрыска и оптимизация момента впрыска (включая однократный и многократный впрыск) могут значительно улучшить распыление топлива и процесс сгорания, тем самым увеличивая зазор.
Рекуперация и утилизация энергии - Рекуперация отходящего тепла:
Утилизация отработанного тепла из выхлопных газов с помощью таких технологий, как цикл Ренкина, и преобразование его в полезную работу может напрямую улучшить общий тепловой КПД двигателя. Проект Super Truck в США сделал эту технологию основной.
Проектирование, процесс и материалы - Базовое проектирование и производство:
Конструктивная конструкция двигателя, точность производственного процесса и выбор материалов (например, использование материалов с низким коэффициентом трения -) совместно определяют его потери на трение, долговечность и уровень легкости, которые являются фундаментальными факторами, влияющими на заушный слуховой аппарат.
Как оценить заушные слуховые аппараты, продвигаемые производителями?
· Обратите внимание на технологическую основу: высокие значения BTE обычно поддерживаются одной или несколькими из вышеупомянутых - передовых технологий. Целесообразно ориентироваться на конкретные технологии, принятые производителем.
· Поймите разницу между лабораторией и практикой: максимальные значения тепловой эффективности, заявленные производителями, обычно измеряются при определенных условиях эксплуатации в идеализированной лабораторной среде. Фактические условия вождения, нагрузка и привычки вождения будут влиять на фактический расход топлива автомобиля.
I. Основная формула расчета
Самая основная и прямая формула определения теплового КПД тормоза:
БТЭ=(эффективная работа двигателя) / (общая химическая энергия, выделяемая при сгорании топлива) × 100 %
Выражая это определение конкретными физическими величинами и единицами, наиболее часто используемая формула расчета выглядит следующим образом:
ЗАУШКА=(P_e × b_e) / 3,6 × 100 %
Или его эквивалентная форма:
ЗАУШКА=3600 / H_u / b_e
Давайте разберем значения этих символов:
· BTE: тепловой КПД тормоза, который является результатом, который мы хотим рассчитать, обычно выражается в процентах.
· P_e: Эффективная мощность двигателя в киловаттах. Это полезная мощность, фактически вырабатываемая коленчатым валом двигателя.
· b_e: Эффективный удельный расход топлива двигателя в граммах на киловатт - час. Это ключевой показатель для измерения экономичности двигателя, означающий «сколько граммов топлива расходуется на производство 1 киловатт - часа работы».
· H_u: Нижняя теплота сгорания топлива в килоджоулях на килограмм. Имеется в виду тепло, выделяемое 1 килограммом топлива после полного сгорания, за вычетом скрытой теплоты испарения водяного пара, образующегося при сгорании. Нижняя теплота сгорания обычно используется в расчетах теплового КПД.
· 3.6: Коэффициент пересчета единиц. Поскольку 1 кВт·ч=3.6 × 10^6 Дж, а единица измерения b_e – г/(кВт·ч), а единица измерения H_u — кДж/кг, размеры необходимо унифицировать.
· Теплотворная способность дизельного топлива: Производители должны использовать стандартное топливо и согласованную стандартную теплотворную способность (например, 42 500 кДж/кг) для расчета и выпуска БТЭ. В это время теплотворная способность одинакова и служит единым эталоном.
Почему говорят, что удельный расход топлива 160 г/кВт·ч для дизеля является предельным?
Мы можем понять этот предел с помощью простого мысленного эксперимента.
1. Теоретический потолок: эффективность Карно
Во-первых, все тепловые двигатели (в том числе и дизельные) имеют недостижимый теоретический предел эффективности, а именно КПД Карно. Это зависит только от температуры источника тепла (в - температуре сгорания цилиндра) и температуры источника холода (температуры окружающей среды).
· Формула: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· Для дизельного двигателя T_hot (максимальная температура сгорания в цилиндре -) ограничена пределом термостойкости - материалов (поршни, клапаны и т. д. плавятся) и выбросами оксидов азота и не может увеличиваться бесконечно. Это примерно 2200 градусов (2473К).
· T_cold (температура выхлопных газов) ограничивается температурой окружающей среды, которая принимается равной 25 градусам (298K).
· Теоретическая эффективность Карно ≈ 1 - (298/2473) ≈ 88%
Эти 88% — это абсолютный потолок, к которому стремятся все тепловые двигатели, но никогда не смогут его достичь.
2. Многоуровневые «скидки» в реальности
В реальном дизельном двигателе потери энергии происходят по нескольким причинам. Мы должны вычесть эти неизбежные потери слой за слоем из теоретического потолка в 88%, чтобы получить фактический доступный тепловой КПД тормозов. На следующем рисунке наглядно показано, как энергия постепенно рассеивается из 100% энергии топлива, оставляя лишь около 52% эффективной работы:
Путь потерь энергии дизельного двигателя: от 100% топлива до примерно 52% эффективной работы
«Эффективная работа (около 52%)»
«Потери на охлаждение/излучение (приблизительно 26%)»
«Потери энергии с выхлопами (приблизительно 25%)»
«Накачка/Трение/Другие потери (приблизительно 17%)»
Как показано выше, давайте рассмотрим, где применяются эти ключевые «скидки»:
а. Потери при сгорании и теплопередаче - Тепло, которое необходимо рассеять
Это самая большая потеря. Для обеспечения непрерывной работы двигателя цилиндр должен отводить тепло через стенку цилиндра и систему охлаждения. Эта часть энергии непосредственно уносится теплоносителем и теряется. Как показано на рисунке, этот отдельный предмет потребляет примерно 26% энергии. Это определяется законами термодинамики и принципиально устраниться не может.
б. Потери энергии с выхлопными газами - Тепло, которое необходимо отвести
Выхлопные газы с высокой температурой - после работы должны быть удалены из цилиндра для подготовки к следующему рабочему циклу. Большое количество тепла, переносимого этими выхлопными газами (около 25% энергии топлива), также выбрасывается в атмосферу. Хотя передовые технологии двигателей - (например, высокоэффективный турбонаддув -) могут восстановить небольшую его часть, большая часть остается неиспользованной.
в. Насосные и механические потери на трение - Внутреннее потребление
· Потери накачки: двигателю необходимо преодолевать сопротивление воздушного потока во время процессов впуска и выпуска, действуя как «насос», который потребляет определенное количество работы (приблизительно 6%).
· Механические потери на трение: Трение между движущимися частями, такими как поршневые кольца и стенки цилиндра, а также валами и подшипниками (приблизительно 5%), является еще одним неотъемлемым расходом.
· Принадлежности для вождения: Работа топливных насосов, масляных насосов, водяных насосов и т. д. (приблизительно 6%) также требует работы.
3. Сопоставление потерь с удельным расходом топлива
Теперь, если мы преобразуем эти коэффициенты потерь в удельный расход топлива, мы можем интуитивно увидеть предел:
· Общая энергия топлива: Предположим, что 1 кг дизельного топлива при полном сгорании выделяет 42 700 кДж тепла.
· Целевая мощность: произвести 1 кВт·ч (т.е. 3600 кДж) эффективной работы.
· Путь расчета:
1. Тепловой КПД 40 % (обычный отличный уровень): Требуемая входная энергия=3 600 кДж / 0.4=9 000 кДж. Расход топлива=9000/42700 ≈ 0,211 кг=211 г/кВт·ч.
2. Тепловой КПД 50 % (высший лабораторный уровень -): Требуемая входная энергия=3,600 кДж / 0.5=7,200 кДж. Расход топлива=7,200/42,700 ≈ 0,169 кг=169 г/кВт·ч.
3. Тепловой КПД 52% (рекордный уровень Weichai): Требуемая входная энергия=3,600 кДж / 0,52 ≈ 6923 кДж. Расход топлива=6,923/42,700 ≈ 0,162 кг=162 г/кВт·ч.
4. Тепловой КПД 55% (кажется, всего на 3 процентных пункта выше): Требуемая входная энергия=3,600 кДж / 0,55 ≈ 6545 кДж. Расход топлива=6,545/42,700 ≈ 0,153 кг=153 г/кВт·ч.
Вывод: почему 160 — это предел?
Из приведенного выше анализа мы видим, что:
1. Закон убывающей отдачи: после достижения сверх- высокой эффективности, превышающей 50 %, на каждый дополнительный процент улучшения необходимо преодолевать огромные и почти фиксированные физические потери. С 52% до 55% удельный расход топлива необходимо снизить со 162 до 153. Техническая сложность такого сокращения единицы 9 - может быть больше, чем увеличение с 40% до 50%.
2. Ограничения физических границ:
· Предел сопротивления температуры материала -: Температуру горения нельзя повышать бесконечно, иначе материалы не смогут ее выдержать.
· Необходимо рассеивание тепла: без охлаждения двигатель будет мгновенно поврежден.
· Трение неизбежно: пока существует относительное движение, существует и трение.
· Выхлопные газы должны быть удалены: это основное требование рабочего цикла.
Таким образом, с помощью известных в настоящее время материалов и физических принципов, оптимизация всех вышеперечисленных потерь до столь экстремального уровня, доведение эффективной работы дизеля до диапазона 52% - 55% от общей энергии топлива и соответствующий удельный расход топлива, входящий в диапазон 160 г/кВт·ч, можно сказать, коснулся «потолка» существующей технологической системы.
Итак, когда я говорю, что удельный расход топлива в 160 л.с. для дизельного двигателя является пределом, я имею в виду инженерно-практический предел в рамках нынешней технологической парадигмы. Если в будущем не произойдет прорывная технологическая революция (например, новые методы сжигания, революционные материалы), будет трудно добиться значительного скачка эффективности, подобного тому, который произошел в последние несколько десятилетий.