تعد الكفاءة الحرارية لفرامل المحرك (BTE) مؤشرًا رئيسيًا لقياس قدرة المحرك على تحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى عمل ميكانيكي فعال، مما له تأثير مباشر على استهلاك وقود السيارة والانبعاثات. هناك اختلافات كبيرة في قيم BTE الصادرة عن الشركات المصنعة المختلفة، ويرجع ذلك أساسًا إلى الاختلافات في الأساليب التكنولوجية واستثمارات البحث والتطوير.
توضح المعلومات التالية العديد من المجالات التكنولوجية الرئيسية التي تؤدي إلى اختلافات BTE وأسبابها الأساسية.
التكنولوجيا -الأسباب الأساسية لاختلافات BTE
التحكم في الاحتراق والانبعاثات - تحسين الاحتراق:
يمكن أن يؤدي استخدام تقنيات مثل دورة ميلر، ونسبة الضغط العالية، والاحتراق في درجات حرارة منخفضة- إلى تحسين عملية الاحتراق وتقليل فقدان الحرارة، وهو أمر بالغ الأهمية لتعزيز BTE. قد تضحي بعض التقنيات (مثل معدل EGR المرتفع) بقدر صغير من الكفاءة لتقليل الانبعاثات.
بعد-المعالجة والإدارة الحرارية:
يمكن لإعادة تدوير غاز العادم بكفاءة (EGR) ومرشح جسيمات الديزل المحفز (CDPF) تحقيق التوازن بين الانبعاثات والكفاءة. كما يمكن لنظام التبريد والإدارة الحرارية المُحسّن (على سبيل المثال، استخدام حرارة العادم المهدرة للإحماء السريع للمحرك-) أن يقلل بشكل فعال من فقدان الطاقة.
نظام الوقود والحقن - خصائص الوقود:
يمكن أن يؤثر استخدام أنواع مختلفة من الوقود (على سبيل المثال، خليط وقود الديزل الحيوي والميثانول) على خصائص الاحتراق وقد يكون مفيدًا لتحسين الكفاءة في بيئات محددة.
إستراتيجية الحقن: بالنسبة لمحركات الديزل أو محركات-الوقود المزدوجة، فإن زيادة ضغط الحقن وتحسين توقيت الحقن (بما في ذلك الحقن الفردي والمتعدد) يمكن أن يؤدي إلى تحسين رذاذ الوقود وعملية الاحتراق بشكل كبير، وبالتالي زيادة BTE.
استعادة الطاقة واستخدامها - استعادة الحرارة المهدرة:
إن استعادة الحرارة المهدورة من غاز العادم من خلال تقنيات مثل دورة رانكين وتحويلها إلى عمل مفيد يمكن أن يؤدي بشكل مباشر إلى تحسين الكفاءة الحرارية الإجمالية للمحرك. لقد جعل مشروع Super Truck الأمريكي هذه التكنولوجيا الأساسية.
التصميم والمعالجة والمواد - التصميم والتصنيع الأساسيان:
التصميم الهيكلي للمحرك، ودقة عملية التصنيع، واختيار المواد (على سبيل المثال، استخدام مواد احتكاك منخفضة -) تحدد بشكل مشترك فقدان الاحتكاك والمتانة ومستوى الوزن الخفيف، وهي كلها عوامل أساسية تؤثر على BTE.
كيفية تقييم BTE التي تروج لها الشركات المصنعة؟
· انتبه إلى الخلفية التكنولوجية: عادةً ما يتم دعم قيم BTE العالية بواسطة واحدة أو أكثر من التقنيات المتقدمة - المذكورة أعلاه. يُنصح بالتركيز على التقنيات المحددة التي تعتمدها الشركة المصنعة.
· فهم الفرق بين المختبر والممارسة: عادةً ما يتم قياس قيم الكفاءة الحرارية القصوى الصادرة عن الشركات المصنعة في ظل ظروف تشغيل محددة في بيئة معملية مثالية. ستؤثر ظروف القيادة الفعلية والحمولة وعادات القيادة على الاستهلاك الفعلي للوقود في السيارة.
I. صيغة الحساب الأساسية
إن صيغة التعريف الأساسية والمباشرة للكفاءة الحرارية للفرامل هي:
BTE=(مخرجات العمل الفعالة للمحرك) / (إجمالي الطاقة الكيميائية الناتجة عن احتراق الوقود) × 100%
وللتعبير عن هذا التعريف بكميات ووحدات فيزيائية محددة، فإن صيغة الحساب الأكثر استخدامًا هي:
BTE=(P_e × b_e) / 3.6 × 100%
أو ما يعادلها من صيغة:
BTE=3600 / H_u / b_e
دعونا نحلل معاني هذه الرموز:
· BTE: الكفاءة الحرارية للفرامل، وهي النتيجة التي نريد حسابها، ويتم التعبير عنها عادة كنسبة مئوية.
· P_e : قوة المحرك الفعالة بوحدة الكيلووات. هذه هي الطاقة الصافية التي ينتجها العمود المرفقي للمحرك فعليًا.
· ب_ه: الاستهلاك النوعي الفعال للوقود للمحرك بوحدة الجرام لكل كيلووات - ساعة. يعد هذا مؤشرًا رئيسيًا لقياس اقتصاد المحرك، ويعني "كم جرامًا من الوقود يتم استهلاكه لإنتاج 1 كيلووات - ساعة عمل".
· H_u : القيمة الحرارية المنخفضة للوقود بوحدة كيلوجول لكل كيلوجرام. يشير هذا إلى الحرارة المنطلقة من 1 كيلوجرام من الوقود بعد الاحتراق الكامل، بعد خصم الحرارة الكامنة لبخار الماء المتولد أثناء الاحتراق. عادةً ما يتم استخدام قيمة التسخين المنخفضة في حسابات الكفاءة الحرارية.
· 3.6: معامل تحويل الوحدة. بما أن 1 kW·h=3.6 × 10^6 J، ووحدة b_e هي g/(kW·h) ووحدة H_u هي kJ/kg، يجب توحيد الأبعاد.
· القيمة الحرارية للديزل: يجب على المصنعين استخدام الوقود القياسي والقيمة الحرارية القياسية المتفق عليها (على سبيل المثال، 42.500 كيلوجول/كجم) لحساب وإطلاق BTE. في هذا الوقت، تكون القيمة الحرارية هي نفسها وتعمل كمعيار موحد.
لماذا يُقال إن استهلاك الوقود المحدد بـ 160 جم/كيلووات · ساعة لمحرك الديزل هو الحد الأقصى؟
يمكننا أن نفهم هذا الحد من خلال تجربة فكرية بسيطة.
1. السقف النظري: كفاءة كارنو
أولاً، جميع المحركات الحرارية (بما في ذلك محركات الديزل) لها حد كفاءة نظري غير قابل للتحقيق، وهو كفاءة كارنو. يعتمد ذلك فقط على درجة حرارة مصدر الحرارة (في - درجة حرارة احتراق الأسطوانة) ودرجة حرارة المصدر البارد (درجة الحرارة المحيطة).
· الصيغة: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· بالنسبة لمحرك الديزل، تكون T_hot (الحد الأقصى لدرجة حرارة احتراق الأسطوانة -) محدودة بالحرارة - التي ستذوب عند الحد الأقصى للمواد (المكابس والصمامات وما إلى ذلك) وانبعاثات أكسيد النيتروجين، ولا يمكن زيادتها إلى أجل غير مسمى. تبلغ درجة الحرارة حوالي 2200 درجة (2473 كيلو).
· T_cold (درجة حرارة العادم) محدودة بدرجة الحرارة المحيطة، المفترض أن تكون 25 درجة (298 كلفن).
· كفاءة كارنو النظرية ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88%
إن نسبة 88% هذه هي السقف المطلق الذي تطمح إليه جميع المحركات الحرارية ولكن لا يمكنها الوصول إليه أبدًا.
2. "الخصومات" ذات الطبقات في الواقع
في محرك الديزل الحقيقي، يحدث فقدان الطاقة في جوانب متعددة. يجب علينا خصم هذه الخسائر الحتمية طبقة بعد طبقة من السقف النظري 88% للحصول على الكفاءة الحرارية الفعلية المتاحة للفرامل. ويبين الشكل التالي بوضوح كيف تتبدد الطاقة تدريجياً من 100% من طاقة الوقود، ولا يتبقى سوى حوالي 52% من العمل الفعال:
مسار فقدان طاقة محرك الديزل: من 100% وقود إلى 52% تقريبًا من العمل الفعال
"العمل الفعال (حوالي 52%)"
"فقدان التبريد/الإشعاع (حوالي 26%)"
"فقدان طاقة العادم (حوالي 25%)"
"الضخ/الاحتكاك/الخسائر الأخرى (حوالي 17%)"
كما هو موضح أعلاه، دعونا نتفحص أين يتم تطبيق هذه "الخصومات" الرئيسية:
أ. الاحتراق وفقدان انتقال الحرارة - الحرارة التي يجب تبديدها
وهذه هي الخسارة الأكبر. لضمان تشغيل المحرك بشكل مستمر، يجب أن تقوم الأسطوانة بتبديد الحرارة من خلال جدار الأسطوانة ونظام التبريد. يتم نقل هذا الجزء من الطاقة مباشرة بواسطة المبرد وإهداره. كما هو موضح في الشكل، يستهلك هذا العنصر الواحد حوالي 26% من الطاقة. يتم تحديد ذلك من خلال قوانين الديناميكا الحرارية ولا يمكن القضاء عليه بشكل أساسي.
ب. فقدان طاقة العادم - الحرارة التي يجب استنفادها
يجب طرد غاز العادم ذو درجة الحرارة المرتفعة - بعد العمل من الأسطوانة للتحضير لدورة العمل التالية. يتم أيضًا إطلاق كمية كبيرة من الحرارة التي يحملها غاز العادم (حوالي 25٪ من طاقة الوقود) إلى الغلاف الجوي. على الرغم من أن تقنيات المحرك من الدرجة الأولى - (على سبيل المثال، الشحن التوربيني عالي الكفاءة -) يمكنها استرداد جزء صغير منه، إلا أن معظمه يظل غير مستخدم.
ج. الضخ وفقدان الاحتكاك الميكانيكي - الاستهلاك الداخلي
· فقدان الضخ: يحتاج المحرك إلى التغلب على مقاومة تدفق الهواء أثناء عمليتي السحب والعادم، حيث يعمل مثل "المضخة" التي تستهلك قدرًا معينًا من العمل (حوالي 6%).
· فقدان الاحتكاك الميكانيكي: يعد الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة مثل حلقات المكبس وجدار الأسطوانة والأعمدة والمحامل (حوالي 5%) استهلاكًا متأصلًا آخر.
· ملحقات القيادة: تشغيل مضخات الوقود ومضخات الزيت ومضخات المياه وغيرها (حوالي 6%) يتطلب أيضاً العمل.
3. رسم خرائط الخسائر لاستهلاك الوقود المحدد
الآن، إذا قمنا بتحويل نسب الخسارة هذه إلى استهلاك محدد للوقود، فيمكننا أن نرى الحد الأقصى بشكل بديهي:
· إجمالي طاقة الوقود: افترض أن 1 كجم من الديزل يطلق 42,700 كيلوجول من الحرارة عند احتراقه بالكامل.
· المخرجات المستهدفة: إنتاج 1 كيلووات · ساعة (أي 3600 كيلوجول) من العمل الفعال.
· مسار الحساب:
1. الكفاءة الحرارية 40% (المستوى العام الممتاز): الطاقة المدخلة المطلوبة=3,600 كيلو جول / 0.4=9,000 كيلو جول. استهلاك الوقود=9,000 / 42,700 ≈ 0.211 كجم=211 جم/كيلووات·ساعة.
2. الكفاءة الحرارية 50% (أعلى مستوى مختبري -): الطاقة المدخلة المطلوبة=3,600 كيلو جول / 0.5=7,200 كيلو جول. استهلاك الوقود=7,200 / 42,700 ≈ 0.169 كجم=169 جم/كيلووات·ساعة.
3. الكفاءة الحرارية 52% (مستوى Weichai القياسي): طاقة الإدخال المطلوبة=3,600 كيلوجول / 0.52 ≈ 6,923 كيلوجول. استهلاك الوقود=6,923 / 42,700 ≈ 0.162 كجم=162 جم/كيلووات·ساعة.
4. الكفاءة الحرارية 55% (على ما يبدو أعلى بـ 3 نقاط مئوية فقط): طاقة الإدخال المطلوبة=3,600 كيلوجول / 0.55 ≈ 6,545 كيلوجول. استهلاك الوقود=6,545 / 42,700 ≈ 0.153 كجم=153 جم/كيلووات·ساعة.
الخلاصة: لماذا هو 160 الحد؟
ومن التحليل أعلاه يتبين لنا أن:
1. قانون تناقص العائدات: بعد الوصول إلى كفاءة عالية جدًا - تزيد عن 50%، مقابل كل نقطة مئوية إضافية من التحسين، من الضروري التغلب على الخسائر المادية الضخمة والثابتة تقريبًا. من 52% إلى 55%، يجب تخفيض استهلاك الوقود النوعي من 162 إلى 153. قد تكون الصعوبة الفنية لتخفيض الوحدة 9 - هذه أكبر من صعوبة الزيادة من 40% إلى 50%.
2. حدود الحدود المادية:
· درجة حرارة المادة - حد المقاومة: لا يمكن زيادة درجة حرارة الاحتراق إلى أجل غير مسمى وإلا فلن تتحملها المواد.
· تبديد الحرارة ضروري: بدون التبريد، سوف يتلف المحرك على الفور.
· الاحتكاك أمر لا مفر منه: طالما أن هناك حركة نسبية، هناك احتكاك.
· يجب تفريغ غاز العادم: وهذا متطلب أساسي لدورة العمل.
لذلك، باستخدام المواد والمبادئ الفيزيائية المعروفة حاليًا، فإن تحسين جميع الخسائر المذكورة أعلاه إلى هذا المستوى الأقصى، ودفع العمل الفعال لمحرك الديزل إلى نطاق 52% - 55% من إجمالي طاقة الوقود، ودخول استهلاك الوقود المحدد المقابل إلى نطاق 160 جم/كيلووات · ساعة، يمكن القول بأنه قد وصل إلى "سقف" النظام التكنولوجي الحالي.
لذلك، عندما أقول إن استهلاك الوقود المحدد بـ 160 لمحرك الديزل هو الحد الأقصى، فأنا أشير إلى الحد العملي الهندسي في ظل النموذج التكنولوجي الحالي. وما لم تكن هناك ثورة تكنولوجية مدمرة في المستقبل (على سبيل المثال، طرق احتراق جديدة، ومواد ثورية)، فسوف يكون من الصعب تحقيق قفزة كبيرة في الكفاءة مثل تلك التي حدثت في العقود القليلة الماضية.