ประสิทธิภาพความร้อนเบรกของเครื่องยนต์ (BTE) เป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดความสามารถของเครื่องยนต์ในการแปลงพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงให้เป็นงานกลไกที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งมีผลกระทบโดยตรงต่อการใช้เชื้อเพลิงและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของยานพาหนะ มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในค่า BTE ที่เปิดเผยโดยผู้ผลิตหลายราย สาเหตุหลักมาจากการเปลี่ยนแปลงในแนวทางทางเทคโนโลยีและการลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนา
ข้อมูลต่อไปนี้สรุปขอบเขตทางเทคโนโลยีที่สำคัญหลายประการที่นำไปสู่ความแตกต่างของ BTE และสาเหตุหลัก
เทคโนโลยี -สาเหตุหลักของความแตกต่างของ BTE
การควบคุมการเผาไหม้และการปล่อยมลพิษ - การเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้:
การนำเทคโนโลยีต่างๆ มาใช้ เช่น วงจรของมิลเลอร์ อัตราส่วนการอัดสูง และการเผาไหม้ที่อุณหภูมิต่ำ-สามารถปรับปรุงกระบวนการเผาไหม้และลดการสูญเสียความร้อน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่ม BTE เทคโนโลยีบางอย่าง (เช่น อัตรา EGR สูง) อาจต้องเสียสละประสิทธิภาพเล็กน้อยเพื่อลดการปล่อยมลพิษ
หลัง-การบำบัดและการจัดการระบายความร้อน:
การหมุนเวียนก๊าซไอเสียอย่างมีประสิทธิภาพ (EGR) และตัวกรองอนุภาคดีเซลแบบเร่งปฏิกิริยา (CDPF) สามารถสร้างความสมดุลระหว่างการปล่อยไอเสียและประสิทธิภาพ ระบบการจัดการความเย็นและระบายความร้อนที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ (เช่น การใช้ความร้อนเหลือทิ้งเพื่อการอุ่นเครื่องยนต์อย่างรวดเร็ว-) ยังช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย
เชื้อเพลิงและระบบหัวฉีด - ลักษณะเชื้อเพลิง:
การใช้เชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน (เช่น ไบโอดีเซลผสม เมทานอล) อาจส่งผลต่อลักษณะการเผาไหม้ และอาจเป็นประโยชน์สำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมเฉพาะ
กลยุทธ์การฉีด: สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลหรือเครื่องยนต์เชื้อเพลิงคู่- การเพิ่มแรงดันการฉีดและการปรับจังหวะการฉีดให้เหมาะสม (รวมถึงการฉีดครั้งเดียวและหลายครั้ง) สามารถปรับปรุงการทำให้เป็นอะตอมของเชื้อเพลิงและกระบวนการเผาไหม้ได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งจะเป็นการเพิ่ม BTE
การนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่และการใช้ประโยชน์ - การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้ใหม่:
การนำความร้อนเหลือทิ้งกลับมาใช้จากก๊าซไอเสียผ่านเทคโนโลยี เช่น วงจรแรงคิน และการแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพเชิงความร้อนโดยรวมของเครื่องยนต์ได้โดยตรง โครงการ US Super Truck ทำให้สิ่งนี้เป็นเทคโนโลยีหลัก
การออกแบบ กระบวนการ และวัสดุ - การออกแบบและการผลิตขั้นพื้นฐาน:
การออกแบบโครงสร้างของเครื่องยนต์ ความแม่นยำของกระบวนการผลิต และการเลือกใช้วัสดุ (เช่น การใช้วัสดุแรงเสียดทาน - ต่ำ) ร่วมกันกำหนดการสูญเสียแรงเสียดทาน ความทนทาน และระดับน้ำหนักเบา ซึ่งเป็นปัจจัยพื้นฐานที่ส่งผลต่อ BTE
จะประเมิน BTE ที่ผู้ผลิตส่งเสริมได้อย่างไร
· ให้ความสนใจกับภูมิหลังทางเทคโนโลยี: โดยทั่วไปค่า BTE ที่สูงมักจะได้รับการสนับสนุนโดยเทคโนโลยีขั้นสูงที่กล่าวถึงข้างต้น - หนึ่งรายการขึ้นไป ขอแนะนำให้มุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีเฉพาะที่ผู้ผลิตนำมาใช้
· ทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างห้องปฏิบัติการและการปฏิบัติงาน: ค่าประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดที่ผู้ผลิตปล่อยออกมามักจะวัดภายใต้สภาวะการทำงานเฉพาะในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการในอุดมคติ สภาพการขับขี่ น้ำหนักบรรทุก และพฤติกรรมการขับขี่ที่แท้จริงของคุณจะส่งผลต่อการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงที่แท้จริงของรถ
I. สูตรคำนวณหลัก
สูตรคำจำกัดความหลักและตรงที่สุดสำหรับประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเบรกคือ:
BTE=(กำลังการทำงานของเครื่องยนต์อย่างมีประสิทธิผล) / (พลังงานเคมีทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง) × 100%
เพื่อแสดงคำจำกัดความนี้ด้วยปริมาณทางกายภาพและหน่วยเฉพาะ สูตรการคำนวณที่ใช้กันมากที่สุดคือ:
BTE=(P_e × b_e) / 3.6 × 100%
หรือรูปแบบที่เทียบเท่า:
BTE=3600 / H_u / b_e
เรามาแจกแจงความหมายของสัญลักษณ์เหล่านี้กัน:
· BTE: Brake Thermal Efficiency ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่เราต้องการคำนวณ โดยปกติจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์
· P_e: กำลังเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพ โดยมีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ นี่คือกำลังสุทธิที่ส่งออกจริงจากเพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์
· b_e: การสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิผลของเครื่องยนต์ โดยมีหน่วยเป็นกรัมต่อกิโลวัตต์ - ชั่วโมง นี่เป็นตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดความประหยัดของเครื่องยนต์ ซึ่งหมายถึง "ต้องใช้เชื้อเพลิงกี่กรัมเพื่อผลิตพลังงาน 1 กิโลวัตต์ - ชั่วโมงการทำงาน"
· H_u: ค่าความร้อนของเชื้อเพลิงต่ำกว่า โดยมีหน่วยเป็นกิโลจูลต่อกิโลกรัม หมายถึงความร้อนที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิง 1 กิโลกรัมหลังจากการเผาไหม้สมบูรณ์ หลังจากหักความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของไอน้ำที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้ โดยปกติค่าความร้อนที่ต่ำกว่าจะใช้ในการคำนวณประสิทธิภาพเชิงความร้อน
· 3.6:สัมประสิทธิ์การแปลงหน่วย เนื่องจาก 1 kW·h=3.6 × 10^6 J และหน่วยของ b_e คือ g/(kW·h) และหน่วยของ H_u คือ kJ/kg มิติข้อมูลจึงต้องรวมเป็นหนึ่งเดียว
· ค่าความร้อนของดีเซล: ผู้ผลิตต้องใช้เชื้อเพลิงมาตรฐานและค่าความร้อนมาตรฐานที่ตกลงกันไว้ (เช่น 42,500 กิโลจูล/กก.) ในการคำนวณและปล่อย BTE ในเวลานี้ ค่าความร้อนจะเท่าเดิมและทำหน้าที่เป็นเกณฑ์มาตรฐานแบบรวม
เหตุใดจึงกล่าวว่าอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเฉพาะ 160 กรัม/กิโลวัตต์ชั่วโมง สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลถือเป็นขีดจำกัด
เราสามารถเข้าใจขีดจำกัดนี้ได้ด้วยการทดลองทางความคิดง่ายๆ
1. เพดานเชิงทฤษฎี: ประสิทธิภาพคาร์โนต์
ประการแรก เครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมด (รวมถึงเครื่องยนต์ดีเซล) มีขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีที่ไม่สามารถบรรลุได้ นั่นคือประสิทธิภาพของการ์โนต์ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแหล่งความร้อน (ใน - อุณหภูมิการเผาไหม้ของกระบอกสูบ) และอุณหภูมิของแหล่งความร้อนเย็น (อุณหภูมิโดยรอบ)
· สูตร: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล T_hot (สูงสุดในอุณหภูมิการเผาไหม้ของกระบอกสูบ -) ถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดการต้านทานความร้อน - ของวัสดุ (ลูกสูบ วาล์ว ฯลฯ จะละลาย) และการปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ และไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างไม่มีกำหนด อุณหภูมิประมาณ 2,200 องศา (2473K)
· T_cold (อุณหภูมิไอเสีย) ถูกจำกัดโดยอุณหภูมิโดยรอบ ซึ่งถือว่าอยู่ที่ 25 องศา (298K)
· ประสิทธิภาพคาร์โนต์ตามทฤษฎี data 1 - (298 / 2473) กลับไปยัง 88%
88% นี้เป็นเพดานสัมบูรณ์ที่เครื่องทำความร้อนทุกเครื่องปรารถนาแต่ไปไม่ถึง
2. เลเยอร์ "ส่วนลด" ในความเป็นจริง
ในเครื่องยนต์ดีเซลจริง การสูญเสียพลังงานเกิดขึ้นได้หลายด้าน เราต้องหักการสูญเสียที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เหล่านี้ทีละชั้นจากเพดานทางทฤษฎี 88% เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเบรกที่มีอยู่จริง รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าพลังงานค่อยๆ กระจายไปจาก 100% ของพลังงานเชื้อเพลิงอย่างไร โดยเหลือเพียงประมาณ 52% ของงานที่มีประสิทธิผลเท่านั้น:
เส้นทางการสูญเสียพลังงานของเครื่องยนต์ดีเซล: จากเชื้อเพลิง 100% ไปจนถึงการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพประมาณ 52%
“ผลงานมีประสิทธิผล (ประมาณ 52%)”
"การสูญเสียความเย็น/รังสี (ประมาณ 26%)"
"การสูญเสียพลังงานไอเสีย (ประมาณ 25%)"
"การสูบน้ำ/แรงเสียดทาน/การสูญเสียอื่นๆ (ประมาณ 17%)"
ดังที่แสดงไว้ข้างต้น เรามาตรวจสอบว่ามีการใช้ "ส่วนลด" ที่สำคัญเหล่านี้ที่ใดบ้าง:
ก. การสูญเสียการเผาไหม้และการถ่ายเทความร้อน - ความร้อนที่ต้องกระจายไป
นี่คือการสูญเสียครั้งใหญ่ที่สุด เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ต่อเนื่อง กระบอกสูบจะต้องกระจายความร้อนผ่านผนังกระบอกสูบและระบบทำความเย็น พลังงานส่วนนี้จะถูกส่งไปโดยสารหล่อเย็นโดยตรงและสิ้นเปลืองไป ดังที่แสดงในภาพ สินค้าชิ้นเดียวนี้ใช้พลังงานประมาณ 26% สิ่งนี้ถูกกำหนดโดยกฎของอุณหพลศาสตร์และไม่สามารถกำจัดโดยพื้นฐานได้
ข. การสูญเสียพลังงานจากไอเสีย - ความร้อนที่ต้องหมดไป
ก๊าซไอเสียอุณหภูมิสูง - หลังเลิกงานจะต้องถูกไล่ออกจากกระบอกสูบเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับรอบการทำงานถัดไป ความร้อนจำนวนมากที่ถูกพาโดยก๊าซไอเสียนี้ (ประมาณ 25% ของพลังงานเชื้อเพลิง) ก็ถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศเช่นกัน แม้ว่าเทคโนโลยีเครื่องยนต์ที่มีรอยบาก - ระดับบนสุด (เช่น เทอร์โบชาร์จประสิทธิภาพสูง -) จะสามารถกู้คืนได้เพียงบางส่วน แต่ส่วนใหญ่ยังคงไม่ได้ใช้งาน
ค. การสูบน้ำและการสูญเสียแรงเสียดทานทางกล - การสิ้นเปลืองภายใน
· การสูญเสียการสูบน้ำ: เครื่องยนต์จำเป็นต้องเอาชนะความต้านทานการไหลของอากาศในระหว่างกระบวนการไอดีและไอเสีย โดยทำหน้าที่เหมือน "ปั๊ม" ซึ่งสิ้นเปลืองงานจำนวนหนึ่ง (ประมาณ 6%)
· การสูญเสียแรงเสียดทานทางกล: แรงเสียดทานระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว เช่น แหวนลูกสูบและผนังกระบอกสูบ และเพลาและแบริ่ง (ประมาณ 5%) เป็นอีกหนึ่งการบริโภคโดยธรรมชาติ
· อุปกรณ์ขับขี่: การทำงานของปั๊มเชื้อเพลิง ปั้มน้ำมัน ปั้มน้ำ ฯลฯ (ประมาณ 6%) ก็ต้องปรับปรุงเช่นกัน
3. การทำแผนที่การสูญเสียกับปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉพาะ
ตอนนี้ ถ้าเราแปลงอัตราส่วนการสูญเสียเหล่านี้เป็นปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉพาะ เราจะเห็นขีดจำกัดได้โดยสัญชาตญาณ:
· พลังงานเชื้อเพลิงทั้งหมด: สมมติว่าน้ำมันดีเซล 1 กิโลกรัมปล่อยความร้อน 42,700 กิโลจูลเมื่อเผาไหม้จนหมด
· เอาท์พุตเป้าหมาย: ผลิตงานที่มีประสิทธิภาพ 1 kW·h (เช่น 3,600 kJ)
· เส้นทางการคำนวณ:
1. ประสิทธิภาพเชิงความร้อน 40% (ระดับดีเยี่ยมทั่วไป): พลังงานอินพุตที่ต้องการ=3,600 kJ / 0.4=9,000 kJ อัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง=9,000 / 42,700 กรรมการ 0.211 กก.=211 กรัม/กิโลวัตต์·ชม.
2. ประสิทธิภาพเชิงความร้อน 50% (ระดับห้องปฏิบัติการสูงสุด -): พลังงานอินพุตที่ต้องการ=3,600 kJ / 0.5=7,200 kJ อัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง=7,200 / 42,700 กรรมการ 0.169 กก.=169 กรัม/กิโลวัตต์·ชม.
3. ประสิทธิภาพเชิงความร้อน 52% (ระดับบันทึกของ Weichai): พลังงานอินพุตที่ต้องการ=3,600 kJ / 0.52 พรีเมี่ยม 6,923 kJ อัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง=6,923 / 42,700 กรรมการ 0.162 กก.=162 กรัม/กิโลวัตต์·ชม.
4. ประสิทธิภาพเชิงความร้อน 55% (ดูเหมือนจะสูงกว่าเพียง 3 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น): พลังงานอินพุตที่ต้องการ=3,600 kJ / 0.55 กลับไปยัง 6,545 kJ อัตราสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิง=6,545 / 42,700 กรรมการ 0.153 กก.=153 กรัม/กิโลวัตต์·ชม.
สรุป: ทำไม 160 ถึงมีขีดจำกัด?
จากการวิเคราะห์ข้างต้นเราจะเห็นได้ว่า:
1. กฎแห่งผลตอบแทนที่ลดลง: หลังจากเข้าถึงประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษ - ที่มากกว่า 50% สำหรับทุกๆ เปอร์เซ็นต์ของการปรับปรุงเพิ่มเติม จำเป็นต้องเอาชนะการสูญเสียทางกายภาพครั้งใหญ่และเกือบจะคงที่ จาก 52% เป็น 55% ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉพาะจะต้องลดลงจาก 162 เป็น 153 ความยากทางเทคนิคของการลดหน่วย 9 - นี้อาจมากกว่าการเพิ่มจาก 40% เป็น 50%
2. ข้อจำกัดของขอบเขตทางกายภาพ:
· อุณหภูมิของวัสดุ - ขีดจำกัดความต้านทาน: อุณหภูมิการเผาไหม้ไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างไม่มีกำหนด มิฉะนั้น วัสดุจะไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิดังกล่าวได้
· จำเป็นต้องมีการกระจายความร้อน: หากไม่มีการระบายความร้อนเครื่องยนต์จะเสียหายทันที.
· แรงเสียดทานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้: ตราบใดที่มีการเคลื่อนไหวสัมพันธ์กัน ก็ยังมีแรงเสียดทานอยู่
· จะต้องปล่อยก๊าซไอเสีย: นี่เป็นข้อกำหนดพื้นฐานของวงจรการทำงาน
ดังนั้น ด้วยวัสดุและหลักการทางกายภาพที่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน การปรับการสูญเสียข้างต้นทั้งหมดให้อยู่ในระดับสูงสุด ผลักดันการทำงานที่มีประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดีเซลให้อยู่ในช่วง 52% - 55% ของพลังงานเชื้อเพลิงทั้งหมด และปริมาณการใช้เชื้อเพลิงเฉพาะที่สอดคล้องกันซึ่งเข้าสู่ช่วง 160 กรัม/กิโลวัตต์·ชั่วโมง อาจกล่าวได้ว่าแตะ "เพดาน" ของระบบเทคโนโลยีที่มีอยู่แล้ว
ดังนั้น เมื่อฉันบอกว่าอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงเฉพาะที่ 160 สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลนั้นเป็นขีดจำกัด ฉันหมายถึงขีดจำกัดทางวิศวกรรมภายใต้กระบวนทัศน์ทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน เว้นแต่ว่าจะมีการปฏิวัติทางเทคโนโลยีที่ก่อกวนในอนาคต (เช่น วิธีการเผาไหม้แบบใหม่ การปฏิวัติวัสดุ) มันจะเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุการก้าวกระโดดด้านประสิทธิภาพที่สำคัญเช่นนั้นในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา