Sicuramente molti si chiedono cosa sia quello del prestazione termica o efficienza termica, come può essere calcolato o quanto ha il motore del tuo veicolo. Tutti questi dubbi sono comprensibili, poiché da esso dipenderà l'efficienza di un motore. Ovvero la capacità di trasformare l'energia fornita dal carburante in vere prestazioni meccaniche.
Inoltre, da non confondere con il rendimento volumetrico di un motore, che è il rapporto tra l'aria aspirata nel cilindro e il volume che potrebbe contenere secondo il Dislocamento dello stesso. Questo è un altro fattore che interviene direttamente sulla potenza, motivo per cui i motori aspirati, a parità di capacità, raggiungono una potenza inferiore rispetto ai motori sovralimentati (turbo).
Qual è l'efficienza termica di un motore a combustione interna?
La efficienza termica di un motore è la capacità di un motore di trasformare l'energia fornita dal carburante durante la combustione in prestazioni meccaniche. Tutti i progettisti sperano di creare un motore con il 100% di efficienza, poiché sarebbe l'ideale. Tuttavia, in pratica ciò non è possibile, poiché l'efficienza è ostacolata dall'attrito delle parti, dalla perdita sotto forma di calore, ecc.
In tram, motori a benzina avere una prestazione termica o un'efficienza del 30%. Ciò significa che il 30% dell'energia fornita dalla benzina viene effettivamente utilizzata per generare energia, il resto viene sprecato sotto forma di calore.
Nel caso di Motore diesel, l'efficienza è leggermente migliore, con il 40%, poiché hanno un livello di compressione più elevato. Pertanto, sono in qualche modo più efficienti della benzina, sebbene non sia nemmeno una cifra troppo alta.
Attualmente, hanno raggiunto miglioramenti dell'efficienza notevole grazie ai sistemi ibridi. Ad esempio, l'efficienza termica in Formula 1 è molto più alto, grazie all'arrivo dei motori V6 Turbo con MGU-K e MGU-H. In particolare, è passato dal 30% dei motori a benzina convenzionali a circa il 50%. Ciò significa che viene utilizzata metà dell'energia fornita dal carburante.
Questo caso particolare è una conseguenza dell'inclusione di sistemi come il MGU-K, o freno rigenerativo, in grado di ricavare energia dalla frenata, e dal MGU-H, che sfrutta anche l'energia dei gas di scarico.
Ideale, efficace e massima resa termica
Nel 1824, il fisico Sadi Carnot francese, ha studiato il rendimento termico di un motore termico ideale in funzione della temperatura tra la sorgente calda e quella fredda. Questo viene attualmente applicato per calcolare l'efficienza o la prestazione termica di qualsiasi motore termico, sia esso una pompa di calore, un motore a combustione o un sistema di raffreddamento. Anche se in questo articolo ci concentreremo sui motori a combustione, visto il tema dell'AM.
Inoltre ci sono tre tipi di prestazioni termiche Quando parli di un motore a ciclo Otto o Diesel:
- Ideale: è definito come il rapporto tra la quantità di energia trasformata in lavoro utile e la quantità di energia fornita. Secondo la seconda legge della termodinamica, nessun motore può convertire tutta la sua energia in lavoro meccanico. Pertanto, in pratica non esiste un motore con un rendimento termico ideale.
- efficace: è la prestazione termica effettiva di un motore.
- Massimo: è il rendimento massimo di un tipo di motore, ad esempio il 30% e il 40% (circa) sopra menzionato per benzina e diesel. In altre parole, le limitazioni architettoniche o limitanti di un tipo di macchina termica.
Efficienza termica diesel vs. benzina
L'efficienza termica in un motore Ciclo Otto (benzina) non è la stessa di un motore ciclo diesel. Si comportano diversamente a livello termodinamico, e questo fa sì che abbiano differenze in termini di efficienza. Inoltre, un motore alternativo a 4 tempi non è lo stesso di un motore Wankel, ecc.
ciclo otto
in un motore di Ciclo Otto, che corrisponde ai cicli termodinamici per motori a benzina, etanolo o gas, siano essi 2 tempi (1 giro dell'albero motore) o 4 tempi (2 giri dell'albero motore). In questi motori sono presenti una serie di stadi quali aspirazione, compressione, combustione o accensione, espansione e fuga.
In questi motori, l'efficienza o la prestazione termica dipende da rapporto di compressione, cioè tra il rapporto tra il volume massimo e minimo della camera di combustione. Maggiore è il rapporto, migliore è l'efficienza, sebbene sarebbero necessari anche combustibili ad alto numero di ottano per evitare un fenomeno noto come detonazione (autoaccensione del carburante prima che si verifichi la candela).
In breve, le prestazioni termiche medie di un buon motore Otto a 4 tempi sono intermedie 25 e 30%, a seconda del tipo di motore e del produttore.
ciclo diesel
Questo ciclo diesel stabilisce inoltre il diagramma di comportamento termico per un motore diesel a 4 o 2 tempi. In questo caso ci sono alcune particolarità, a cui va aggiunto il suo rapporto di compressione più elevato rispetto ai motori a benzina. Pertanto, l'efficienza termica in questo caso varia dal 30 al 45%.
Come curiosità, il motore diesel più efficiente al mondo al momento misura 5 metri di altezza e 9 metri di lunghezza, con 13.142 cavalli. Riguarda Wärtsilä 31, fabbricato in Finlandia e destinato all'uso navale. Questo motore consuma circa 38.8 tonnellate di carburante al giorno, cosa che sembra scandalosa, ma non lo è tanto quando si parla di questo tipo di massa per barche...
È possibile un motore termico efficiente al 100%?
Questa domanda è molto ricorrente e la verità è che non è possibile ottenere un motore o una macchina con a Rendimento del 100%. è solo teorico. Raggiungere una macchina perfetta sarebbe un bel traguardo e ridurrebbe il consumo di energia, ma ciò significherebbe creare un motore così efficiente da poter trasformare tutta l'energia del carburante in movimento.
Ma non è così, nei motori veri, poiché c'è l'attrito tra le parti, il calore che fuoriesce, ecc. Con lubrificanti migliorati, nuove architetture del motore, tecnologie di iniezione, Ecc, l'efficienza viene migliorata, ma è impossibile raggiungere quel 100%.
E, naturalmente, non è nemmeno possibile realizzare un motore con un'efficienza termica oltre il 100%, poiché sarebbe come dire che si ottiene nuova energia, cosa che viola direttamente la prima legge della termodinamica.
Calcolo dell'efficienza termica
a calcolare l'efficienza termica o la prestazione termica di un motore in entrambi i casi va applicata la formula di Carnot:
Dove Th è la temperatura della sorgente calda della macchina, in questo caso il motore a combustione interna, e Tc è la temperatura della sorgente fredda. Ne consegue quindi che per ottenere una maggiore efficienza, la temperatura tra il fluido caldo e quello freddo deve essere il più disparata possibile.
Questo è ovviamente molto generico e se vuoi applicare a motore di combustione interna come quella delle auto, allora la formula dovrebbe essere questa:
In questo caso, W è il lavoro svolto, Qc è la sorgente o sorgente calda, Qf è la sorgente fredda a cui il motore cede calore. Inoltre, affinché non venga violata la legge di conservazione dell'energia, deve essere soddisfatto che il fuoco caldo sia uguale al lavoro sommato al calore del fuoco freddo. E sarà sempre vero che 0<η<1. D'altra parte, dovrebbe anche essere chiaro che il lavoro (W) sarà uguale alla portata termica meno la potenza termica.
Un altro modo per calcolare l'efficienza di un motore è conoscere il potenza utile e la potenza consumata in kW. Questa è la chiave rapporto di compressione del motore, poiché maggiore è, migliore è l'efficienza.
da ejemplo, se si dispone di 200 J di energia termica come apporto termico e il motore può eseguire 80 J di lavoro, allora 80/200 = 0.4 (0.4 x 100 = 40% di efficienza). La stessa cosa accadrebbe se si misurasse il calore dello scarico del motore, ad esempio, se l'energia immessa nel motore è 200 J dal carburante e si osserva una potenza di scarico di 120 J, allora il lavoro svolto è 80 J ( 200 -120) e l'efficienza è del 40%, poiché se dividi 120/200=0.6, che è l'energia che viene sprecata e quindi non si trasforma in lavoro...