ефективност

Както споменахме много пъти преди, термичните машини (като бензинови и дизелови двигатели) са склонни да губят много енергия под формата на топлина. Въпреки това, което може да изглежда, непрекъснато развиващата се технология може да надраска само няколко процентни пункта в това голямо количество загубена енергия, защото топлинните двигатели са абсолютно ограничени от физическите закони, на които се основава нейното действие, които са принципите на термодинамиката.

По прост начин ще видим какви са тези принципи, как те влияят върху работата на двигателите с вътрешно горене и защо нарастващата ефективност на сегашните двигатели вече не може да бъде твърде далеч от неговата термодинамична граница. С други думи, за да се постигне значително по-нисък разход от сегашните, като се повлияе само върху технологията на двигателя, неговото развитие не би било достатъчно, а по-скоро би било необходимо да се оставят топлинните двигатели в полза на други видове горива.

Ефективност или ефективност на топлинен двигател

Изглежда важно да започнем с дефиниране на концепцията за ефективност или производителност, която ще използваме взаимозаменяемо в цялата статия. Така че, ние разбираме производителност на двигател като свършена работа за всяка единица консумирана енергия.

Ако работата, извършена от двигателя (генериране на движение), е равна на химическата енергия на горивото, използвано за производството му, ефективността на този предполагаем двигател ще бъде 100% (перфектна ефективност).

Очевидно, нито един процес не може да бъде повече от 100% ефективен защото това би било колкото да се каже, че се създава нова енергия. Първият принцип на термодинамиката (запазване на енергията) отрича тази възможност.

От друга страна, когато извършената работа е по-малка от консумираната енергия, загубата или разликата между двете стойности се превръща в топлина, което можем да считаме за безполезна енергия и следователно загубена.

Максималната ефективност на топлинен двигател: цикълът на Карно

Съществува абсолютна граница на производителността на всеки топлинен двигател, която е производителността на въображаема, перфектна, обратима машина, чийто работен процес е известен като Цикъл на Карно. Тази „перфектна“ максимална ефективност вече е доста под 100% и е важно да се отбележи, че като физически, абсолютен и универсален максимум, тя не може да бъде надвишена с технологични средства.

Ефективността на топлинния двигател на Carnot зависи само от максималните и минималните температури, между които работи, следователно, като се имат предвид тези две температури, изчисляването му е тривиално. В случай на двигатели с вътрешно горене, които изгарят въглеводороди и въз основа на данните, предложени в този практически пример, можем да разгледаме минимална температура (която би била тази на околната среда) от 17 o C (290 K) и максимална 1570 o C (1,843 К). Тази комбинация от температури ще ни даде максимален теоретичен добив от 84,3%.

Трудно е да се намерят точни данни за максималната температура, достигната в горивната камера, но въглеводородите изгарят около 2000 o C и вече изглежда доста оптимистично да се разглежда около 1600 o C като средна температура на цялата камера в последния момент на изгаряне. По този начин перфектната ефективност от 84% може да се счита за разумно оптимистична оценка.

Същото изчисление, извършено в Уикипедия, вземайки за пример други стойности и този път в бензинов двигател, дава a 73% максимална ефективност, въпреки че при предположение за идеални условия тази стойност може да се разглежда в ниския диапазон на възможните температури. Това би било разумно песимистично изчисление.

Каквато и да е максималната температура, достигната в горивната камера на всеки конкретен двигател, виждаме, че теоретична, обратима и идеална машина с максимални и минимални температури в диапазона на двигател с вътрешно горене би загубил нещо като 15% до 25% от енергията под формата на топлина, да или да, като пряко следствие от принципите на термодинамиката.

Бензин и дизел срещу перфектната машина на Карно

Бензиновите и дизеловите двигатели са топлинни двигатели и следователно са ограничени от абсолютния максимум на Карно, но тяхната работа е значително по-различна и по дефиниция по-малко ефективна от реверсивния и перфектен двигател по много причини. Така че би било по-точно да се направи теоретичен модел на идеален дизелов или бензинов двигател да се знае неговата максимална и ненадмината ефективност.

Този модел съществува и представлява своеобразна адаптация на реверсивния цикъл на Карно към работния цикъл на тези конкретни двигатели. Ние няма да се потопим в техните формули, но ще се вгледаме в техните резултати.

Започвайки с двигател на Ото цикъл (конвенционален бензин) и според това изчисление, обяснено от Университета в Севиля, като се вземат разумни данни за съответните променливи, максималната ефективност на перфектния теоретичен бензинов двигател със съотношение на компресия 8: 1 е 56,5%.

В случай че дизелов цикъл, което се различава леко от бензина и позволява по-високи степени на компресия, при това изчисление, извършено върху теоретичния модел на този цикъл, може да се види, че неговото перфектната производителност за съотношение на компресия 18: 1 ще бъде 63,2%.

Тези характеристики (които са по-ниски от абсолютния максимум на Карно) биха съответствали на идеални двигатели, което предполага неща като липса на триене, нулеви загуби поради изпомпване, мигновени горивни процеси, отваряне и затваряне на клапани за нулево време, много бавни процеси на компресия и разширяване и топлоизолация без загуби на енергия. С други думи, в реалния свят не е възможно да се построят двигатели, които да работят или дори да се доближават до тези условия.

Всичко това означава, че при проектирането на топлинен двигател целта не може да бъде преобразуването на цялата химическа енергия в движение, но опитайте се да не губите много повече от половината, в най-добрия случай.

Като забележителен пример за максимална ефективност, постижима в реалния свят от дизелов двигател, вече обсъдихме в някои подробности случая на най-мощния бутален двигател в света, морски дизел с мощност 109 000 к.с. Максималната му ефективност беше 51,5%, въртейки се около 100 оборота в минута. Тъй като бавната му скорост го прави много по-ефективен от автомобилния дизел, може да се предположи, че нито един дизел, инсталиран в автомобила днес, в момента не е много над 40% производителност при оптималния си режим на работа и натоварване, ако е, че той го достига и със сигурност не в целия си диапазон от обороти.

Що се отнася до бензиновите двигатели, те трябва да са около 2/3 от тази цифра според многобройните справки, така че можем да приемем като приблизителна стойност на оптималната производителност за съвременен бензин употреба, не много по-висока от 30% от консумираната енергия, ако приемем, че това ниво е достигнато и отново, не в целия диапазон на оборотите и нивата на натоварване.

Във всички случаи говорим за топлината, генерирана от двигателя на конвенционален автомобил поглъща поне 60% от химическата енергия на горивото в случай на дизел и най-малко 70% в случай на бензин. Съпротивлението при търкаляне, аеродинамичното съпротивление и всички загуби при трансмисия все още трябва да бъдат отчетени, докато превозното средство не бъде в движение ...

Заключения

Както видяхме, над половината от енергията, съдържаща се в горивото, неизбежно се губи при нагряване преди предаването да започне да се движи. Освен технологичните подобрения, които несъмнено могат да бъдат направени, топлинните машини по дефиниция са, загуба на енергия от първа величина и те няма да могат да спрат да бъдат. Основните принципи на термодинамиката абсолютно го предотвратяват.

Така че, ако искаме да намалим консумацията на енергия от нашите пътувания, ще трябва да избираме между малки постепенни подобрения произтичащи от развитието на настоящите двигатели с вътрешно горене, чийто термодинамичен таван вече не може да бъде много далеч, или радикална промяна в задвижващия модел, който определено изоставя термичните машини от 19-ти век и се възползва от енергията с други видове механизми.

С всички много важни проблеми, които все още предстои да бъдат решени, може да се каже, че електрическият мотор не е топлинен двигател и вашата действителна текуща ефективност обикновено надвишава 90%, не знаейки друга граница освен тази за запазване на енергията.

Ще успеем ли някога да се пенсионираме Карно?