ефективності

Як ми вже згадували багато разів, теплові машини (наприклад, бензинові та дизельні двигуни), як правило, витрачають велику кількість енергії у вигляді тепла. Незважаючи на те, що може здатися, технологія, що постійно розвивається, може подряпати лише кілька процентних пунктів у цій великій кількості витраченої енергії, оскільки теплові двигуни абсолютно обмежені за фізичними законами, на яких базується його робота, які є принципами термодинаміки.

Простим способом ми побачимо, що це за принципи, як вони впливають на продуктивність двигунів внутрішнього згоряння і чому зростаюча ефективність вже діючих двигунів не може бути занадто далеко від своєї термодинамічної межі. Іншими словами, для досягнення значно нижчого споживання, ніж нинішній, лише впливаючи на технологію двигунів, їхнього розвитку було б недостатньо, а навпаки потрібно було б залишити позаду теплові машини на користь іншого типу ракетних палив.

Продуктивність або ефективність теплової машини

Здається, важливо розпочати з визначення поняття ефективності чи продуктивності, яке ми будемо використовувати як взаємозамінне в статті. Отже, ми розуміємо продуктивність такого двигуна робота, виконана за кожну одиницю споживаної енергії.

Якби робота, виконана двигуном (генерація руху), дорівнювала хімічній енергії палива, що використовується для його виробництва, ККД цього передбачуваного двигуна буде 100% (ідеальна ефективність).

Очевидно, жоден процес не може бути ефективнішим на 100% тому що це було б стільки, скільки сказати, що створюється нова енергія. Перший принцип термодинаміки (збереження енергії) заперечує цю можливість.

З іншого боку, коли виконана робота менше споживаної енергії, втрата або різниця між двома величинами перетворюється на тепло, що ми можемо розглядати як марну енергію і тому витрачаємо даремно.

Максимальна ефективність теплової машини: цикл Карно

Існує абсолютна межа продуктивності будь-якого теплового двигуна, тобто продуктивності уявної, досконалої, реверсивної машини, робочий процес якої відомий як Цикл Карно. Цей "ідеальний" максимальний ККД вже набагато нижче 100%, і важливо зазначити, що, будучи фізичним, абсолютним та універсальним максимумом, його неможливо перевищити за допомогою технологічних засобів.

Продуктивність теплового двигуна Карно залежить лише від максимальної та мінімальної температур, між якими він працює, тому, враховуючи ці дві температури, його розрахунок є тривіальним. У випадку двигунів внутрішнього згоряння, які спалюють вуглеводні, і на основі даних, запропонованих у цьому практичному прикладі, ми можемо розглянути мінімальну температуру (яка б відповідала температурі навколишнього середовища) 17 o C (290 K) і максимум 1570 o C (1843 К). Таке поєднання температур дало б нам значення максимальний теоретичний вихід 84,3%.

Важко знайти точні дані про максимальну температуру, що досягається в камері згоряння, але вуглеводні згоряють близько 2000 o C, і вже здається цілком оптимістичним вважати близько 1600 o C середньою температурою всієї камери в останній момент горіння. Таким чином, ідеальну ефективність у 84% можна вважати досить оптимістичною оцінкою.

Той самий розрахунок, проведений у Вікіпедії, беручи за приклад інші значення, і цього разу в бензиновому двигуні, дає a 73% максимальна ефективність, хоча при ідеальних умовах це значення можна розглядати в низькому діапазоні можливих температур. Це було б досить песимістичним розрахунком.

Якою б не була максимальна температура, досягнута в камері згоряння у кожному конкретному двигуні, ми бачимо, що теоретична, оборотна та ідеальна машина з максимальними та мінімальними температурами в діапазоні двигуна внутрішнього згоряння втратив би приблизно від 15 до 25% енергії у вигляді тепла, так чи так, як прямий наслідок принципів термодинаміки.

Бензин та дизель проти ідеальної машини Карно

Бензинові та дизельні двигуни є тепловими двигунами і тому обмежені абсолютним максимумом Карно, але вони функціонують істотно по-різному і за визначенням менш ефективні, ніж ідеальний реверсивний двигун з багатьох причин. Так було б точніше робити теоретична модель ідеального дизельного або бензинового двигуна знати його максимальну та неперевершену ефективність.

Ця модель існує і є своєрідною адаптацією оборотного циклу Карно до робочого циклу цих конкретних двигунів. Ми не збираємось заглиблюватися в їх формули, але ми будемо шукати їх результати.

Починаючи з двигуна Отто Cycle (звичайний бензин) і згідно з цим розрахунком, пояснюваним Севільським університетом, беручи обґрунтовані дані щодо відповідних змінних, максимальна ефективність ідеального теоретичного бензинового двигуна із ступенем стиснення 8: 1 становить 56,5%.

У випадку дизельний цикл, який трохи відрізняється від бензину і допускає більш високі коефіцієнти стиснення, в цьому розрахунку, зробленому на теоретичній моделі цього циклу, видно, що його ідеальна продуктивність для ступеня стиснення 18: 1 становила б 63,2%.

Ці характеристики (які нижчі за абсолютний максимум Карно) відповідали б ідеальним двигунам, що передбачає такі речі, як відсутність тертя, нульові втрати внаслідок накачування, миттєві процеси згоряння, відкриття та закриття клапанів за нульовий час, дуже повільні процеси стиснення і розширення та теплоізоляція без втрат енергії. Іншими словами, у реальному світі неможливо побудувати двигуни, які працюватимуть або навіть наближатимуться до цих умов.

Все це означає, що при проектуванні теплового двигуна метою не може бути перетворення всієї хімічної енергії в рух, але намагайтеся не витрачати набагато більше половини, в кращому випадку.

Як яскравий приклад максимальної ефективності, досяжної в реальному світі дизельним двигуном, ми вже докладно обговорили випадок найпотужнішого поршневого двигуна у світі - морського дизеля потужністю 109000 к.с. Його максимальна ефективність склала 51,5%, обертаючись близько 100 об/хв. Оскільки його повільна швидкість робить його набагато ефективнішим, ніж автомобільний дизель, можна припустити, що в даний час жоден дизель, встановлений в машині, на сьогоднішній день не перевищує 40% за своїх оптимальних режимів роботи та навантаження, якщо він досягає його, і, звичайно не в усьому спектрі оборотів.

Що стосується бензинових двигунів, то вони повинні складати приблизно 2/3 від цього показника згідно з численними посиланнями, з якими зверталися, тому ми могли б взяти за приблизне значення оптимальних характеристик сучасного бензину використання, яке не набагато перевищує 30% споживаної енергії, припускаючи, що цей рівень досягнуто і, знову ж таки, не в повному діапазоні обертів та рівнів навантаження.

У всіх випадках ми говоримо про тепло, яке виробляється двигуном звичайного автомобіля поглинає щонайменше 60% хімічної енергії палива у випадку дизеля та щонайменше 70% у випадку бензину. Опір коченню, аеродинамічний опір та всі втрати при передачі все ще потрібно враховувати, доки транспортний засіб не рухається ...

Висновки

Як ми бачили, значно більше половини енергії, що міститься у паливі, неминуче втрачається внаслідок нагрівання до початку передачі. Окрім технологічного вдосконалення, яке, безсумнівно, можна зробити, теплові двигуни є, за визначенням, втрата енергії першої величини і вони не зможуть перестати бути. Основні принципи термодинаміки абсолютно перешкоджають цьому.

Отже, якщо ми хочемо зменшити споживання енергії нашими поїздками, нам доведеться вибирати між малими поступові вдосконалення випливає з еволюції нинішніх двигунів внутрішнього згоряння, термодинамічна стеля яких вже не може бути дуже далекою, або радикальна зміна в рушійній моделі, яка, безумовно, відмовляється від теплових машин 19 століття і використовує енергію з іншими типами механізмів.

З урахуванням усіх дуже важливих проблем, які ще належить вирішити, можна сказати, що електричний двигун не є тепловим двигуном і фактичну поточну ефективність зазвичай перевищує 90%, не знаючи жодної іншої межі, крім збереження енергії.

Чи зможемо ми колись вийти на пенсію Карно?