Mae Effeithlonrwydd Thermol Brake Engine (BTE) yn ddangosydd allweddol ar gyfer mesur gallu injan i drosi egni cemegol tanwydd yn waith mecanyddol effeithiol, sy'n cael effaith uniongyrchol ar y defnydd o danwydd cerbydau ac allyriadau. Mae gwahaniaethau sylweddol yn y gwerthoedd BTE a ryddhawyd gan wahanol wneuthurwyr, yn bennaf oherwydd amrywiadau mewn dulliau technolegol a buddsoddiadau ymchwil a datblygu.
Mae'r wybodaeth ganlynol yn amlinellu sawl maes technolegol mawr sy'n arwain at wahaniaethau BTE a'u hachosion craidd.
Technoleg -Achosion Craidd Gwahaniaethau BTE
Hylosgi a Rheoli Allyriadau - Optimeiddio Hylosgi:
Gall mabwysiadu technolegau megis cylch Miller, cymhareb cywasgu uchel, a hylosgiad tymheredd isel wella'r broses hylosgi a lleihau colli gwres, sy'n hanfodol ar gyfer gwella BTE. Gall rhai technolegau (ee, cyfradd EGR uchel) aberthu ychydig o effeithlonrwydd i leihau allyriadau.
Ar ôl-triniaeth a Rheolaeth Thermol:
Gall ailgylchredeg nwyon gwacáu effeithlon (EGR) a Hidlo Gronynnol Diesel wedi'i Gataleiddio (CDPF) gydbwyso allyriadau ac effeithlonrwydd. Gall system oeri a rheoli thermol wedi'i optimeiddio (ee, defnyddio gwres gwastraff gwacáu i gynhesu'r injan yn gyflym) hefyd leihau colled ynni yn effeithiol.
- Nodweddion System Tanwydd a Chwistrellu Tanwydd:
Gall defnyddio tanwyddau gwahanol (ee, cyfuniadau biodiesel, methanol) effeithio ar nodweddion hylosgi a gall fod yn fuddiol ar gyfer gwella effeithlonrwydd mewn amgylcheddau penodol.
Strategaeth Chwistrellu: Ar gyfer peiriannau diesel neu beiriannau tanwydd deuol, gall cynyddu pwysedd pigiad a gwneud y gorau o amseriad pigiad (gan gynnwys pigiadau sengl a lluosog) wella atomization tanwydd a'r broses hylosgi yn sylweddol, a thrwy hynny gynyddu BTE.
Adfer a Defnyddio Ynni - Adfer Gwres Gwastraff:
Gall adfer gwres gwastraff o nwy gwacáu trwy dechnolegau megis cylch Rankine a'i drawsnewid yn waith defnyddiol wella effeithlonrwydd thermol cyffredinol yr injan yn uniongyrchol. Mae prosiect Super Truck yr Unol Daleithiau wedi gwneud hon yn dechnoleg graidd.
Dylunio, Proses, a Deunyddiau - Dylunio a Gweithgynhyrchu Sylfaenol:
Mae dyluniad strwythurol yr injan, manwl gywirdeb y broses weithgynhyrchu, a dewis deunyddiau (ee, defnyddio deunyddiau ffrithiant - isel) ar y cyd yn pennu ei golled ffrithiant, gwydnwch, a lefel ysgafn, sydd i gyd yn ffactorau sylfaenol sy'n effeithio ar BTE.
Sut i werthuso'r BTE a hyrwyddir gan weithgynhyrchwyr?
· Talu Sylw i'r Cefndir Technolegol: Mae gwerthoedd BTE uchel fel arfer yn cael eu cefnogi gan un neu fwy o'r - technolegau uwch a grybwyllwyd uchod. Fe'ch cynghorir i ganolbwyntio ar y technolegau penodol a fabwysiadwyd gan y gwneuthurwr.
· Deall y Gwahaniaeth rhwng Labordy ac ymarfer: Mae'r gwerthoedd effeithlonrwydd thermol uchaf a ryddheir gan weithgynhyrchwyr fel arfer yn cael eu mesur o dan amodau gweithredu penodol mewn amgylchedd labordy delfrydol. Bydd eich amodau gyrru gwirioneddol, eich llwyth, a'ch arferion gyrru i gyd yn effeithio ar ddefnydd tanwydd gwirioneddol y cerbyd.
I. Fformiwla Cyfrifo Craidd
Y fformiwla diffiniad mwyaf craidd ac uniongyrchol ar gyfer effeithlonrwydd thermol brêc yw:
BTE=(Allbwn gwaith effeithiol yr injan) / (Cyfanswm egni cemegol a ryddhawyd gan hylosgiad tanwydd) × 100%
Gan fynegi’r diffiniad hwn gyda meintiau ac unedau ffisegol penodol, y fformiwla gyfrifo a ddefnyddir amlaf yw:
BTE=(P_e × b_e) / 3.6 × 100%
Neu ei ffurf gyfatebol:
BTE=3600 / H_u / b_e
Gadewch i ni ddadansoddi ystyr y symbolau hyn:
· BTE: Effeithlonrwydd Thermol Brake, sef y canlyniad yr ydym am ei gyfrifo, wedi'i fynegi fel canran fel arfer.
· P_e: Pŵer injan effeithiol, gyda'r uned o gilowat. Dyma'r pŵer net mewn gwirionedd allbwn gan y crankshaft injan.
· b_e: Defnydd effeithiol o danwydd penodol yr injan, gyda'r uned o gramau fesul cilowat - awr. Mae hwn yn ddangosydd allweddol ar gyfer mesur economi injan, sy'n golygu "faint o gramau o danwydd sy'n cael eu defnyddio i gynhyrchu 1 cilowat - awr o waith".
· H_u: Gwerth gwresogi tanwydd is, gyda'r uned o kilojoules y cilogram. Mae hyn yn cyfeirio at y gwres a ryddhawyd gan 1 cilogram o danwydd ar ôl hylosgi cyflawn, ar ôl tynnu'r gwres cudd o anweddu anwedd dŵr a gynhyrchir yn ystod hylosgiad. Defnyddir y gwerth gwresogi is fel arfer mewn cyfrifiadau effeithlonrwydd thermol.
· 3.6: Cyfernod trosi uned. Gan mai 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, ac uned b_e yw g/(kW·h) a H_u yw kJ/kg, mae angen uno'r dimensiynau.
· Gwerth Caloriffig Diesel: Rhaid i weithgynhyrchwyr ddefnyddio tanwydd safonol a'r gwerth caloriffig safonol y cytunwyd arno (ee, 42,500 kJ/kg) i gyfrifo a rhyddhau BTE. Ar yr adeg hon, mae'r gwerth caloriffig yr un peth ac mae'n feincnod unedig.
Pam y dywedir mai defnydd tanwydd penodol o 160 g/kW·h ar gyfer injan diesel yw’r terfyn?
Gallwn ddeall y terfyn hwn trwy arbrawf meddwl syml.
1. Nenfwd Damcaniaethol: Effeithlonrwydd Carnot
Yn gyntaf, mae gan bob injan wres (gan gynnwys peiriannau diesel) derfyn effeithlonrwydd damcaniaethol anghyraeddadwy, sef effeithlonrwydd Carnot. Dim ond yn dibynnu ar dymheredd y ffynhonnell wres (yn - tymheredd hylosgi silindr) a thymheredd y ffynhonnell oer (tymheredd amgylchynol).
· Fformiwla: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· Ar gyfer injan diesel, mae T_hot (uchafswm mewn - tymheredd hylosgi silindr) wedi'i gyfyngu gan y terfyn gwrthsefyll gwres - o ddeunyddiau (bydd pistonau, falfiau, ac ati yn toddi) ac allyriadau nitrogen ocsid, ac ni ellir eu cynyddu am gyfnod amhenodol. Mae tua 2200 gradd (2473K).
· Mae T_cold (tymheredd gwacáu) wedi'i gyfyngu gan y tymheredd amgylchynol, y tybir ei fod yn 25 gradd (298K).
· Effeithlonrwydd Carnot Damcaniaethol ≈ 1 - (298/2473) ≈ 88%
Mae'r 88% hwn yn nenfwd absoliwt y mae pob injan wres yn dyheu amdano ond na all byth ei gyrraedd.
2. "Gostyngiadau" Haenog mewn Gwirionedd
Mewn injan diesel go iawn, mae colli ynni yn digwydd mewn sawl agwedd. Rhaid inni ddidynnu'r colledion anochel hyn fesul haen o'r nenfwd damcaniaethol 88% i gael yr effeithlonrwydd thermol brêc sydd ar gael mewn gwirionedd. Mae’r ffigur canlynol yn dangos yn glir sut mae ynni’n gwasgaru’n raddol o 100% o’r ynni tanwydd, gan adael dim ond tua 52% o waith effeithiol:
Llwybr Colli Ynni Injan Diesel: O 100% o Danwydd i Tua 52% o Waith Effeithiol
"Gwaith Effeithiol (tua 52%)"
"Colled Oeri/Ymbelydredd (tua 26%)"
"Colli Egni Gwag (tua 25%)"
"Pwmpio/Frithiant/Colledion Eraill (tua 17%)"
Fel y dangosir yn yr uchod, gadewch i ni archwilio lle mae'r "gostyngiadau" allweddol hyn yn cael eu cymhwyso:
a. Colli Hylosgi a Throsglwyddo Gwres - Gwres y Mae'n Rhaid Ei Wasgaru
Dyma'r golled fwyaf. Er mwyn sicrhau gweithrediad injan barhaus, rhaid i'r silindr afradu gwres trwy wal y silindr a'r system oeri. Mae'r rhan hon o'r ynni yn cael ei gludo i ffwrdd yn uniongyrchol gan yr oerydd a'i wastraffu. Fel y dangosir yn y ffigur, mae'r eitem sengl hon yn defnyddio tua 26% o'r ynni. Mae hyn yn cael ei bennu gan gyfreithiau thermodynameg ac ni ellir ei ddileu yn sylfaenol.
b. Colli Ynni Gwahardd - Gwres y mae'n rhaid ei Ddihysbyddu
Rhaid i'r nwy gwacáu tymheredd uchel - ar ôl gwaith gael ei ddiarddel o'r silindr i baratoi ar gyfer y cylch gwaith nesaf. Mae'r swm mawr o wres sy'n cael ei gludo gan y nwy gwacáu hwn (tua 25% o'r ynni tanwydd) hefyd yn cael ei ryddhau i'r atmosffer. Er y gall technolegau injan o'r radd flaenaf - (ee, tyrbo-wefru effeithlonrwydd uchel -) adennill rhan fach ohono, mae'r rhan fwyaf ohono'n parhau heb ei ddefnyddio.
c. Pwmpio a Cholled Ffrithiant Mecanyddol - Defnydd Mewnol
· Colli Pwmpio: Mae angen i'r injan oresgyn ymwrthedd llif aer yn ystod y prosesau derbyn a gwacáu, gan weithredu fel "pwmp", sy'n defnyddio rhywfaint o waith (tua 6%).
· Colli Ffrithiant Mecanyddol: Mae ffrithiant rhwng rhannau symudol fel cylchoedd piston a wal y silindr, a siafftiau a berynnau (tua 5%) yn ddefnydd cynhenid arall.
· Ategolion Gyrru: Mae gweithredu pympiau tanwydd, pympiau olew, pympiau dŵr, ac ati (tua 6%) hefyd angen gwaith.
3. Mapio Colledion i Ddefnydd Penodol o Danwydd
Nawr, os byddwn yn trosi'r cymarebau colledion hyn yn ddefnydd tanwydd penodol, gallwn weld y terfyn yn reddfol:
· Cyfanswm Ynni Tanwydd: Tybiwch fod 1 kg o ddiesel yn rhyddhau 42,700 kJ o wres pan gaiff ei losgi'n llwyr.
· Targed Allbwn: Cynhyrchu 1 kW·h (hy, 3,600 kJ) o waith effeithiol.
· Llwybr Cyfrifo:
1. Effeithlonrwydd Thermol o 40% (Lefel Ardderchog Gyffredin): Yr egni mewnbwn gofynnol=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Y defnydd o danwydd=9,000 / 42,700 ≈ 0.211 kg=211 g/kW·h.
2. Effeithlonrwydd Thermol o 50% (Lefel Labordy Safon Uchaf -): Yr egni mewnbwn gofynnol=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Y defnydd o danwydd=7,200 / 42,700 ≈ 0.169 kg=169 g/kW·h.
3. Effeithlonrwydd Thermol o 52% (Lefel Cofnod Weichai): Yr egni mewnbwn gofynnol=3,600 kJ / 0.52 ≈ 6,923 kJ. Y defnydd o danwydd=6,923 / 42,700 ≈ 0.162 kg=162 g/kW·h.
4. Effeithlonrwydd Thermol o 55% (Yn ôl pob golwg Dim ond 3 Pwynt Canran yn Uwch): Yr egni mewnbwn gofynnol=3,600 kJ / 0.55 ≈ 6,545 kJ. Y defnydd o danwydd=6,545 / 42,700 ≈ 0.153 kg=153 g/kW·h.
Casgliad: Pam mai 160 yw'r Terfyn?
O'r dadansoddiad uchod, gallwn weld bod:
1. Cyfraith Enillion Lleihaol: Ar ôl cyrraedd effeithlonrwydd uchel iawn - o dros 50%, ar gyfer pob pwynt canran ychwanegol o welliant, mae angen goresgyn colledion corfforol enfawr a bron yn sefydlog. O 52% i 55%, mae angen lleihau'r defnydd penodol o danwydd o 162 i 153. Gall anhawster technegol y gostyngiad hwn o 9 - uned fod yn fwy na'r cynnydd o 40% i 50%.
2. Cyfyngiadau Ffiniau Ffisegol:
· Tymheredd Deunydd - Terfyn Gwrthiant: Ni ellir cynyddu'r tymheredd hylosgi am gyfnod amhenodol, fel arall ni all y deunyddiau ei wrthsefyll.
· Mae Afradu Gwres yn Angenrheidiol: Heb oeri, bydd yr injan yn cael ei niweidio ar unwaith.
· Mae ffrithiant yn anochel: Cyn belled â bod mudiant cymharol, mae ffrithiant.
· Rhaid Gollwng Nwy Gwacáu: Mae hwn yn un o ofynion sylfaenol y cylch gwaith.
Felly, gyda'r deunyddiau a'r egwyddorion ffisegol y gwyddys amdanynt ar hyn o bryd, gellir dweud bod optimeiddio'r holl golledion uchod i lefel mor eithafol, gwthio gwaith effeithiol injan diesel i'r ystod o 52% - 55% o gyfanswm yr ynni tanwydd, a defnydd tanwydd penodol cyfatebol sy'n mynd i'r ystod 160 g/kW·h, wedi cyffwrdd â "nenfwd" y system dechnolegol bresennol.
Felly, pan ddywedaf mai defnydd tanwydd penodol o 160 ar gyfer injan diesel yw’r terfyn, yr wyf yn cyfeirio at y terfyn peirianneg ymarferol o dan y patrwm technolegol presennol. Oni bai bod chwyldro technolegol aflonyddgar yn y dyfodol (ee, dulliau hylosgi newydd, deunyddiau chwyldroadol), bydd yn anodd cyflawni naid effeithlonrwydd sylweddol fel hynny yn yr ychydig ddegawdau diwethaf.