الكفاءة الحرارية: ما هي ، الديزل مقابل البنزين ومقدار محرك سيارتك

بالتأكيد يتساءل الكثيرون ما هو ذلك من الأداء الحراري أو الكفاءة الحرارية، كيف يمكن حسابها ، أو مقدار محرك سيارتك. كل هذه الشكوك مفهومة ، لأن كفاءة المحرك ستعتمد عليها. أي القدرة على تحويل الطاقة التي يوفرها الوقود إلى أداء ميكانيكي حقيقي.

وعلاوة على ذلك، لا ينبغي الخلط بينه وبين الكفاءة الحجمية للمحرك ، وهي النسبة بين الهواء الممتص في الأسطوانة والحجم الذي يمكن أن يحتويه وفقًا لـ الإزاحة من نفس الشيء. هذا عامل آخر يتدخل بشكل مباشر في الطاقة ، وهذا هو السبب في أن المحركات ذات السحب الطبيعي ، ذات السعة المتساوية ، تحقق طاقة أقل من المحركات فائقة الشحن (التوربينية).

ما هي الكفاءة الحرارية لمحرك الاحتراق الداخلي؟

La الكفاءة الحرارية من المحرك هو قدرة المحرك على تحويل الطاقة التي يوفرها الوقود أثناء الاحتراق إلى أداء ميكانيكي. يأمل جميع المصممين في إنشاء محرك بكفاءة 100٪ ، لأن ذلك سيكون مثاليًا. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، هذا غير ممكن ، لأن الكفاءة يعيقها احتكاك الأجزاء ، والفقد في شكل حرارة ، وما إلى ذلك.

في سيارات الشوارع ، محركات البنزين لديها أداء حراري أو كفاءة بنسبة 30٪. وهذا يعني أن 30٪ من الطاقة التي يوفرها البنزين تُستخدم فعليًا لتوليد الطاقة ، بينما يضيع الباقي كحرارة.

في حالة محرك ديزل، الكفاءة أفضل نوعًا ما ، بنسبة 40٪ ، نظرًا لأن لديهم مستوى أعلى من الضغط. لذلك ، فهي أكثر كفاءة إلى حد ما من البنزين ، على الرغم من أنها ليست رقمًا مرتفعًا جدًا أيضًا.

حاليا ، لقد حققوا تحسينات الكفاءة بفضل كبير للأنظمة الهجينة. على سبيل المثال ، الكفاءة الحرارية في الفورمولا 1 هو أعلى من ذلك بكثيربفضل وصول محركات V6 Turbo مع MGU-K و MGU-H. على وجه التحديد ، فقد ارتفعت من 30 ٪ من محركات البنزين التقليدية إلى حوالي 50٪. هذا يعني أنه يتم استخدام نصف الطاقة التي يوفرها الوقود.

هذه الحالة بالذات هي نتيجة لإدراج أنظمة مثل MGU-K، أو مكابح متجددة ، قادرة على الحصول على الطاقة من الكبح ، ومن MGU-H، والذي يستخدم أيضًا طاقة غازات العادم.

أداء حراري مثالي وفعال وأقصى حد

في عام 1824 ، قام الفيزيائي الفرنسي سادي كارنو، درس الكفاءة الحرارية لمحرك حراري مثالي كدالة لدرجة الحرارة بين المصادر الساخنة والباردة. يتم تطبيق هذا حاليًا لحساب الكفاءة أو الأداء الحراري لأي محرك حراري ، سواء كانت مضخة حرارية أو محرك احتراق أو نظام تبريد. على الرغم من أننا سنركز في هذه المقالة على محركات الاحتراق ، نظرًا لموضوع AM.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك ثلاثة أنواع من الأداء الحراري عندما تتحدث عن محرك دورة أوتو أو ديزل:

• المثالي: تُعرّف بأنها النسبة بين كمية الطاقة المحولة إلى عمل مفيد وكمية الطاقة المزودة. وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا يمكن لأي محرك تحويل كل طاقته إلى عمل ميكانيكي. لذلك ، من الناحية العملية لا يوجد محرك ذو كفاءة حرارية مثالية.
• السيولة النقدية: هو الأداء الحراري الفعلي للمحرك.
• أقصى: هو أقصى أداء لنوع محرك ، على سبيل المثال 30٪ و 40٪ (تقريبًا) المذكورة أعلاه للبنزين والديزل. بمعنى آخر ، القيود المعمارية أو القيود المفروضة على نوع من الآلات الحرارية.

الكفاءة الحرارية للديزل مقابل. الغازولين

الكفاءة الحرارية في المحرك دورة أوتو (بنزين) ليس هو نفسه المحرك دورة الديزل. يتصرفون بشكل مختلف على المستوى الديناميكي الحراري ، وهذا يسبب لهم اختلافات من حيث الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المحرك البديل رباعي الأشواط ليس هو نفسه محرك Wankel ، إلخ.

دورة أوتو

في محرك دورة أوتو، والتي تتوافق مع الدورات الديناميكية الحرارية لمحركات البنزين أو الإيثانول أو الغاز ، سواء كانت ثنائية الشوط (دورة واحدة للعمود المرفقي) أو رباعية الأشواط (دوران العمود المرفقي). توجد في هذه المحركات سلسلة من المراحل مثل السحب ، والضغط ، الاحتراق أو الاشتعالوالتوسع والهروب.

في هذه المحركات ، الكفاءة أو الأداء الحراري يعتمد على نسبة الضغط، أي بين النسبة بين الحجم الأقصى والأدنى لغرفة الاحتراق. كلما زادت النسبة ، كانت الكفاءة أفضل ، على الرغم من أن الوقود عالي الأوكتان سيكون ضروريًا أيضًا لتجنب ظاهرة تُعرف باسم التفجير (الاشتعال الذاتي للوقود قبل حدوث شمعة الإشعال).

باختصار ، متوسط ​​الأداء الحراري لمحرك أوتو جيد رباعي الأشواط بين 25 و 30٪حسب نوع المحرك والشركة المصنعة.

دورة الديزل

هذا دورة الديزل كما أنه يحدد مخطط السلوك الحراري لمحرك ديزل رباعي الأشواط أو ثنائي الأشواط. في هذه الحالة ، هناك بعض الخصائص التي يجب أن تضاف إليها نسبة انضغاطها الأعلى مقارنة بمحركات البنزين. لذلك فإن الكفاءة الحرارية في هذه الحالة تتراوح من 4 إلى 2٪.

كفضول ، محرك الديزل الأكثر كفاءة في العالم يبلغ ارتفاعها حاليًا 5 أمتار وطولها 9 أمتار ، بقوة 13.142 حصانًا. حول Wärtsilä 31 ، المصنعة في فنلندا والمخصصة للاستخدام البحري. يستهلك هذا المحرك حوالي 38.8 طنًا من الوقود يوميًا ، وهو أمر يبدو شائنًا ، لكنه ليس كثيرًا عند الحديث عن هذا النوع من الكتلة للقوارب ...

هل يمكن استخدام محرك حراري فعال بنسبة 100٪؟

هذا السؤال متكرر للغاية ، والحقيقة أنه لا يمكن الحصول على محرك أو آلة بامتداد 100٪ العائد. هذا مجرد نظري. سيكون تحقيق آلة مثالية إنجازًا كبيرًا وسيقلل من استهلاك الطاقة ، ولكن هذا يعني إنشاء محرك فعال للغاية بحيث يمكنه تحويل كل طاقة الوقود إلى حركة.

لكن هذا ليس هو الحال ، في المحركات الحقيقية ، حيث يوجد احتكاك بين الأجزاء ، والحرارة التي تتسرب ، وما إلى ذلك. مع مواد التشحيم المحسّنة ، وبنية المحرك الجديدة ، تقنيات الحقن، وما إلى ذلك، يتم تحسين الكفاءةولكن من المستحيل الوصول إلى هذه النسبة 100٪.

وبالطبع ، لا يمكن أيضًا تحقيق محرك بكفاءة حرارية أكبر من 100٪، لأن ذلك سيكون مثل قول أنه يتم الحصول على طاقة جديدة ، وهو أمر ينتهك بشكل مباشر القانون الأول للديناميكا الحرارية.

حساب الكفاءة الحرارية

إلى حساب الكفاءة الحرارية أو الأداء الحراري للمحرك إما ، يجب تطبيق صيغة كارنو:

حيث ث هي درجة حرارة المصدر الساخن للآلة ، في هذه الحالة محرك الاحتراق الداخلي ، و Tc هي درجة حرارة المصدر البارد. لذلك ، فإنه لتحقيق كفاءة أكبر ، يجب أن تكون درجة الحرارة بين السائل الساخن والبارد متباينة قدر الإمكان.

من الواضح أن هذا عام للغاية ، وإذا كنت تريد التقدم إلى ملف محرك الاحتراق الداخلي مثل السيارات ، إذن يجب أن تكون الصيغة كما يلي:

في هذه الحالة ، W هو العمل المنجز ، Qc هو المصدر أو المصدر الساخن ، Qf هو المصدر البارد الذي ينبعث منه المحرك الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، حتى لا يتم انتهاك قانون الحفاظ على الطاقة ، يجب الوفاء بأن التركيز الساخن يساوي العمل المضاف إلى حرارة التركيز البارد. وسيكون صحيحًا دائمًا أن 0 <η <1. من ناحية أخرى ، يجب أن يكون واضحًا أيضًا أن الشغل (W) سيكون مساويًا لمدخلات الحرارة مطروحًا منها ناتج الحرارة.

هناك طريقة أخرى لحساب كفاءة المحرك وهي معرفة الطاقة المفيدة والطاقة المستهلكة بالكيلوواط. هذا هو المفتاح نسبة ضغط المحرك، لأنه كلما كان أعلى ، كانت الكفاءة أفضل.

من قبل مثال، إذا كان لديك 200 J من الطاقة الحرارية كمدخل حراري ، ويمكن للمحرك أداء 80 J من الشغل ، فإن 80/200 = 0.4 (0.4 × 100 = 40٪ كفاءة). سيحدث نفس الشيء إذا تم قياس حرارة عادم المحرك ، على سبيل المثال ، إذا كانت الطاقة التي يتم ضخها في المحرك هي 200 J بالوقود وتم ملاحظة خرج عادم 120 J ، فإن الشغل المنجز هو 80 J (200 -120) والكفاءة 40٪ ، لأنك إذا قسمت 120/200 = 0.6 ، وهي الطاقة المهدرة وبالتالي لا تتحول إلى عمل ...