Thermische efficiëntie van motorremmen (BTE) is een belangrijke indicator voor het meten van het vermogen van een motor om de chemische energie van brandstof om te zetten in effectief mechanisch werk, wat een directe impact heeft op het brandstofverbruik en de uitstoot van voertuigen. Er zijn aanzienlijke verschillen in de AHO-waarden die door verschillende fabrikanten worden vrijgegeven, voornamelijk als gevolg van variaties in technologische benaderingen en R&D-investeringen.
De volgende informatie schetst een aantal belangrijke technologische gebieden die tot BTE-verschillen leiden, en hun belangrijkste oorzaken.
Technologie -Kernoorzaken van AHO-verschillen
Verbranding en emissiebeheersing - Verbrandingsoptimalisatie:
Het toepassen van technologieën zoals de Miller-cyclus, hoge compressieverhouding en verbranding bij lage- temperaturen kan het verbrandingsproces verbeteren en warmteverlies verminderen, wat cruciaal is voor het verbeteren van AHO. Sommige technologieën (bijvoorbeeld een hoog EGR-percentage) kunnen een kleine hoeveelheid efficiëntie opofferen om de emissies te verminderen.
Na-behandeling en thermisch beheer:
Efficiënte uitlaatgasrecirculatie (EGR) en gekatalyseerd roetfilter (CDPF) kunnen emissies en efficiëntie in evenwicht brengen. Een geoptimaliseerd koel- en thermisch beheersysteem (bijvoorbeeld door restwarmte van de uitlaatgassen te gebruiken voor het snel opwarmen van de motor-) kan ook effectief het energieverlies verminderen.
Brandstof- en injectiesysteem - Brandstofkenmerken:
Het gebruik van verschillende brandstoffen (bijvoorbeeld biodieselmengsels, methanol) kan de verbrandingseigenschappen beïnvloeden en kan gunstig zijn voor efficiëntieverbetering in specifieke omgevingen.
Injectiestrategie: Voor dieselmotoren of dual{0}}motoren kan het verhogen van de injectiedruk en het optimaliseren van het injectietijdstip (inclusief enkele en meervoudige injecties) de brandstofverneveling en het verbrandingsproces aanzienlijk verbeteren, waardoor de BTE toeneemt.
Energieterugwinning en -gebruik - Terugwinning van afvalwarmte:
Het terugwinnen van afvalwarmte uit uitlaatgassen door middel van technologieën zoals de Rankine-cyclus en het omzetten ervan in nuttig werk kan de algehele thermische efficiëntie van de motor direct verbeteren. Het Amerikaanse Super Truck-project heeft hiervan een kerntechnologie gemaakt.
Ontwerp, proces en materialen - Basisontwerp en productie:
Het structurele ontwerp van de motor, de precisie van het productieproces en de materiaalkeuze (bijvoorbeeld door materialen met lage - wrijving te gebruiken) bepalen gezamenlijk het wrijvingsverlies, de duurzaamheid en het lichtgewichtniveau, allemaal fundamentele factoren die van invloed zijn op AHO.
Hoe de door fabrikanten gepromoote AHO evalueren?
· Let op de technologische achtergrond: Hoge AHO-waarden worden doorgaans ondersteund door een of meer van de hierboven - genoemde geavanceerde technologieën. Het is raadzaam om u te concentreren op de specifieke technologieën die door de fabrikant zijn toegepast.
· Begrijp het verschil tussen laboratorium en praktijk: de maximale thermische efficiëntiewaarden die door fabrikanten worden vrijgegeven, worden meestal gemeten onder specifieke bedrijfsomstandigheden in een geïdealiseerde laboratoriumomgeving. Uw werkelijke rijomstandigheden, belading en rijgedrag hebben allemaal invloed op het werkelijke brandstofverbruik van het voertuig.
I. Kernberekeningsformule
De meest kern- en directe definitieformule voor de thermische efficiëntie van remmen is:
BTE=(effectieve arbeidsopbrengst van de motor) / (totale chemische energie die vrijkomt bij verbranding van brandstof) × 100%
Als we deze definitie uitdrukken met specifieke fysieke grootheden en eenheden, is de meest gebruikte berekeningsformule:
AHO=(P_e × b_e) / 3,6 × 100%
Of de equivalente vorm ervan:
AHO=3600 / H_u / b_e
Laten we de betekenissen van deze symbolen opsplitsen:
· BTE: Thermische remefficiëntie, het resultaat dat we willen berekenen, meestal uitgedrukt als een percentage.
· P_e: Effectief motorvermogen, met de eenheid kilowatt. Dit is het nettovermogen dat feitelijk door de krukas van de motor wordt geleverd.
· b_e: Effectief specifiek brandstofverbruik van de motor, met de eenheid gram per kilowatt - uur. Dit is een belangrijke indicator voor het meten van het motorverbruik, wat betekent "hoeveel gram brandstof er wordt verbruikt om 1 kilowatt - uur werk te produceren".
· H_u: Lagere verwarmingswaarde van brandstof, met de eenheid kilojoules per kilogram. Dit verwijst naar de warmte die vrijkomt door 1 kilogram brandstof na volledige verbranding, na aftrek van de latente verdampingswarmte van waterdamp die tijdens de verbranding wordt gegenereerd. De lagere verwarmingswaarde wordt meestal gebruikt bij berekeningen van het thermische rendement.
· 3.6: Omrekeningscoëfficiënt van eenheden. Aangezien 1 kW·h=3.6 × 10^6 J, en de eenheid van b_e g/(kW·h) is en die van H_u kJ/kg, moeten de afmetingen uniform worden gemaakt.
· Calorische waarde van diesel: Fabrikanten moeten standaardbrandstof en de overeengekomen standaard calorische waarde (bijvoorbeeld 42.500 kJ/kg) gebruiken om de AHO te berekenen en vrij te geven. Op dit moment is de calorische waarde hetzelfde en dient deze als uniforme benchmark.
Waarom wordt er gezegd dat een specifiek brandstofverbruik van 160 g/kWh voor een dieselmotor de limiet is?
We kunnen deze grens begrijpen via een eenvoudig gedachte-experiment.
1. Theoretisch plafond: Carnot-efficiëntie
Ten eerste hebben alle warmtemotoren (inclusief dieselmotoren) een onhaalbare theoretische efficiëntielimiet, namelijk het Carnot-rendement. Het hangt alleen af van de temperatuur van de warmtebron (in - cilinderverbrandingstemperatuur) en de temperatuur van de koudebron (omgevingstemperatuur).
· Formule: η_carnot=1 - (T_koud / T_heet)
· Voor een dieselmotor wordt T_hot (maximum in - cilinderverbrandingstemperatuur) beperkt door de hittebestendigheidsgrens van - materialen (zuigers, kleppen, etc. zullen smelten) en stikstofoxide-emissies, en kan niet oneindig worden verhoogd. Het is ongeveer 2200 graden (2473K).
· T_cold (uitlaattemperatuur) wordt beperkt door de omgevingstemperatuur, aangenomen dat deze 25 graden (298K) is.
· Theoretische Carnot-efficiëntie ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
Deze 88% is een absoluut plafond waar alle warmtemotoren naar streven, maar nooit kunnen bereiken.
2. Gelaagde "kortingen" in werkelijkheid
Bij een echte dieselmotor treedt energieverlies op meerdere manieren op. We moeten deze onvermijdelijke verliezen laag voor laag aftrekken van het theoretische plafond van 88% om de daadwerkelijk beschikbare thermische remefficiëntie te verkrijgen. De volgende afbeelding laat duidelijk zien hoe energie geleidelijk verdwijnt van 100% van de brandstofenergie, waardoor slechts ongeveer 52% van de effectieve arbeid overblijft:
Energieverliestraject dieselmotor: van 100% brandstof tot ongeveer 52% effectief werk
"Effectief werk (ongeveer 52%)"
"Koel-/stralingsverlies (ongeveer 26%)"
"Uitlaatenergieverlies (ongeveer 25%)"
"Pompen/wrijving/andere verliezen (ongeveer 17%)"
Laten we, zoals hierboven weergegeven, eens kijken waar deze belangrijke ‘kortingen’ worden toegepast:
A. Verbranding en warmteoverdrachtsverlies - Warmte die moet worden afgevoerd
Dit is het grootste verlies. Om een continue werking van de motor te garanderen, moet de cilinder warmte afvoeren via de cilinderwand en het koelsysteem. Dit deel van de energie wordt direct door het koelmiddel afgevoerd en verspild. Zoals te zien is in de figuur, verbruikt dit ene item ongeveer 26% van de energie. Dit wordt bepaald door de wetten van de thermodynamica en kan niet fundamenteel worden geëlimineerd.
B. Uitlaatenergieverlies - Warmte die moet worden afgevoerd
Het uitlaatgas met hoge temperatuur - moet na het werk uit de cilinder worden verdreven ter voorbereiding op de volgende werkcyclus. De grote hoeveelheid warmte die door dit uitlaatgas wordt meegevoerd (ongeveer 25% van de brandstofenergie) komt ook in de atmosfeer terecht. Hoewel de beste motortechnologieën van - (bijvoorbeeld turbocompressie met hoge - efficiëntie) een klein deel ervan kunnen terugwinnen, blijft het grootste deel ervan ongebruikt.
C. Pomp- en mechanisch wrijvingsverlies - Intern verbruik
· Pompverlies: De motor moet de luchtstroomweerstand overwinnen tijdens de inlaat- en uitlaatprocessen, waarbij hij zich gedraagt als een "pomp", die een bepaalde hoeveelheid werk verbruikt (ongeveer 6%).
· Mechanisch wrijvingsverlies: Wrijving tussen bewegende delen zoals zuigerveren en de cilinderwand, en assen en lagers (ongeveer 5%) is een ander inherent verbruik.
· Rijaccessoires: Ook de bediening van brandstofpompen, oliepompen, waterpompen etc. (circa 6%) vergt werkzaamheden.
3. Verliezen in kaart brengen voor specifiek brandstofverbruik
Als we deze verliesratio’s omzetten in specifiek brandstofverbruik, kunnen we intuïtief de limiet zien:
· Totale brandstofenergie: Stel dat 1 kg diesel bij volledige verbranding 42.700 kJ warmte vrijgeeft.
· Doelvermogen: Produceer 1 kW·h (dwz 3.600 kJ) effectief werk.
· Berekeningspad:
1. Thermisch rendement van 40% (Common Excellent Level): De vereiste ingangsenergie=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ. Het brandstofverbruik=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kW·u.
2. Thermisch rendement van 50% (Top - laboratoriumniveau): De vereiste ingangsenergie=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ. Het brandstofverbruik=7,200 / 42.700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·u.
3. Thermisch rendement van 52% (Weichai's recordniveau): De vereiste ingangsenergie=3,600 kJ / 0,52 ≈ 6,923 kJ. Het brandstofverbruik=6,923 / 42.700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·u.
4. Thermisch rendement van 55% (schijnbaar slechts 3 procentpunten hoger): De vereiste ingangsenergie=3,600 kJ / 0,55 ≈ 6,545 kJ. Het brandstofverbruik=6,545 / 42.700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·u.
Conclusie: Waarom is 160 de limiet?
Uit de bovenstaande analyse kunnen we het volgende opmaken:
1. Wet van de afnemende opbrengsten: na het bereiken van een ultra - hoge efficiëntie van meer dan 50% is het voor elk extra procentpunt verbetering noodzakelijk om enorme en vrijwel vaste fysieke verliezen te overwinnen. Van 52% naar 55% moet het specifieke brandstofverbruik worden verlaagd van 162 naar 153. De technische moeilijkheid van deze reductie van 9 - eenheden kan groter zijn dan die van het verhogen van 40% naar 50%.
2. Beperkingen van fysieke grenzen:
· Materiaaltemperatuur - Weerstandslimiet: De verbrandingstemperatuur kan niet onbeperkt worden verhoogd, anders kunnen de materialen er niet tegen.
· Warmteafvoer is noodzakelijk: zonder koeling raakt de motor onmiddellijk beschadigd.
· Wrijving is onvermijdelijk: zolang er relatieve beweging is, is er wrijving.
· Uitlaatgas moet worden afgevoerd: dit is een basisvereiste van de werkcyclus.
Daarom kan met de momenteel bekende materialen en natuurkundige principes, waarbij alle bovengenoemde verliezen tot zo'n extreem niveau worden geoptimaliseerd, waardoor de effectieve arbeid van een dieselmotor naar het bereik van 52% - 55% van de totale brandstofenergie wordt geduwd, en het overeenkomstige specifieke brandstofverbruik dat in het bereik van 160 g/kW·u terechtkomt, worden gezegd dat dit het "plafond" van het bestaande technologische systeem heeft bereikt.
Dus als ik zeg dat een specifiek brandstofverbruik van 160 voor een dieselmotor de limiet is, verwijs ik naar de technische praktische limiet onder het huidige technologische paradigma. Tenzij er in de toekomst een ontwrichtende technologische revolutie plaatsvindt (bijvoorbeeld nieuwe verbrandingsmethoden, revolutionaire materialen), zal het moeilijk zijn om een dergelijke significante efficiëntiesprong van de afgelopen decennia te realiseren.