Zeker, velen vragen zich af wat dat is van de... thermische prestaties of thermische efficiëntie, hoe het kan worden berekend of hoeveel de motor van uw voertuig heeft. Al deze twijfels zijn begrijpelijk, aangezien de efficiëntie van een motor ervan zal afhangen. Dat wil zeggen, het vermogen om de door de brandstof geleverde energie om te zetten in echte mechanische prestaties.
Bovendien niet te verwarren met volumetrische efficiëntie van een motor, wat de verhouding is tussen de lucht die in de cilinder wordt gezogen en het volume dat het zou kunnen bevatten volgens de verplaatsing van hetzelfde. Dit is een andere factor die direct ingrijpt in het vermogen. Daarom bereiken atmosferische motoren, met een gelijk vermogen, minder vermogen dan supercharged (turbo)motoren.
Wat is het thermisch rendement van een verbrandingsmotor?
La thermische efficiëntie van een motor is het vermogen van een motor om de door de brandstof geleverde energie tijdens de verbranding om te zetten in mechanische prestaties. Alle ontwerpers hopen een motor te maken met 100% efficiëntie, want dat zou ideaal zijn. In de praktijk is dit echter niet mogelijk, aangezien het rendement wordt belemmerd door de wrijving van de onderdelen, het verlies in de vorm van warmte, etc.
In straatauto's, benzinemotoren een thermische prestatie of efficiëntie van 30% hebben. Dit betekent dat 30% van de door benzine geleverde energie daadwerkelijk wordt gebruikt om stroom op te wekken, de rest wordt verspild als warmte.
Bij Dieselmotor, de efficiëntie is iets beter, met 40%, omdat ze een hoger compressieniveau hebben. Daardoor zijn ze iets zuiniger dan benzine, al is het ook niet al te hoog.
Momenteel hebben ze bereikt efficiëntieverbeteringen aanzienlijk dankzij hybride systemen. Bijvoorbeeld de thermische efficiëntie in de Formule 1 is het veel hoger, dankzij de komst van de V6 Turbo-motoren met MGU-K en MGU-H. Het is met name gestegen van 30% van de conventionele benzinemotoren naar: ongeveer 50%. Dat betekent dat de helft van de door de brandstof geleverde energie wordt gebruikt.
Dit specifieke geval is een gevolg van de opname van systemen zoals de MGU-K, of regeneratieve rem, in staat om energie te halen uit het remmen, en uit de MGU-H, die ook de energie van de uitlaatgassen benut.
Ideale, effectieve en maximale thermische prestaties
In 1824 deed de natuurkundige Franse Sadi Carnot, bestudeerde het thermisch rendement van een ideale warmtemotor als functie van de temperatuur tussen de warme en koude bronnen. Dit wordt momenteel toegepast om de efficiëntie of thermische prestaties van elke warmtemotor te berekenen, of het nu een warmtepomp, een verbrandingsmotor of een koelsysteem is. Al zullen we ons in dit artikel focussen op verbrandingsmotoren, gezien het thema AM.
Bovendien zijn er drie soorten thermische prestaties: Wanneer je praat over een otto- of dieselmotor:
- ideaal: wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de hoeveelheid energie die wordt omgezet in nuttige arbeid en de hoeveelheid geleverde energie. Volgens de tweede wet van de thermodynamica kan geen enkele motor al zijn energie omzetten in mechanische arbeid. Daarom is er in de praktijk geen motor met een ideaal thermisch rendement.
- Contant geld: is de werkelijke thermische prestatie van een motor.
- Maximaal: is de maximale prestatie van een type motor, bijvoorbeeld de hierboven genoemde 30% en 40% (ongeveer) voor benzine en diesel. Met andere woorden, de architecturale of beperkende beperkingen van een type thermische machine.
Thermische efficiëntie van diesel vs. benzine
Het thermisch rendement in een motor Otto cyclus (benzine) is niet hetzelfde als die van een motor dieselcyclus:. Ze gedragen zich anders op thermodynamisch niveau, en dit zorgt ervoor dat ze verschillen in efficiëntie hebben. Daarnaast is een alternatieve 4-takt motor niet hetzelfde als een wankelmotor etc.
Otto cyclus
in een motor van Otto cyclus, wat overeenkomt met thermodynamische cycli voor benzine-, ethanol- of gasmotoren, of het nu gaat om 2-takt (1 krukasomwenteling) of 4-takt (2 krukasomwentelingen). In deze motoren zijn er een aantal fasen zoals inlaat, compressie, verbranding of ontsteking, expansie en ontsnapping.
In deze motoren, de efficiëntie of thermische prestaties hangt af van de compressieverhouding, dat wil zeggen tussen de verhouding tussen het maximale en minimale volume van de verbrandingskamer. Hoe hoger de verhouding, hoe beter de efficiëntie, hoewel brandstoffen met een hoog octaangehalte ook nodig zijn om een fenomeen dat bekend staat als detonatie (zelfontbranding van de brandstof voordat de bougie optreedt) te voorkomen.
Kortom, de gemiddelde thermische prestatie van een goede 4-takt Otto motor ligt tussen 25 en 30%, afhankelijk van het type motor en de fabrikant.
Dieselcyclus
Oosten dieselcyclus: het stelt ook het thermische gedragsdiagram vast voor een 4-takt of 2-takt dieselmotor. In dit geval zijn er enkele bijzonderheden waaraan de hogere compressieverhouding moet worden toegevoegd in vergelijking met benzinemotoren. Daarom varieert het thermisch rendement in dit geval van 30 tot 45%.
Als een nieuwsgierigheid de meest efficiënte dieselmotor ter wereld op dit moment meet hij 5 meter hoog en 9 meter lang, met 13.142 pk. Het gaat over Wärtsilä 31, vervaardigd in Finland en bedoeld voor gebruik op zee. Deze motor verbruikt ongeveer 38.8 ton brandstof per dag, iets dat schandalig lijkt, maar dat is niet zo veel als we het hebben over dit soort massa voor boten...
Is een 100% efficiënte warmtemotor mogelijk?
Deze vraag komt vaak terug, en de waarheid is dat het niet mogelijk is om een motor of machine te krijgen met een 100% rendement. dat is maar theoretisch. Het bereiken van een perfecte machine zou een hele prestatie zijn en zou het energieverbruik verminderen, maar dat zou betekenen dat een motor zo efficiënt moet worden gemaakt dat hij alle energie van de brandstof in beweging kan zetten.
Maar dit is niet het geval bij echte motoren, omdat er wrijving is tussen onderdelen, de warmte die ontsnapt, enz. Met verbeterde smeermiddelen, nieuwe motorarchitecturen, injectietechnologieën, Enz. efficiëntie wordt verbeterd, maar het is onmogelijk om die 100% te bereiken.
En natuurlijk is het ook niet mogelijk om een motor te realiseren met een thermisch rendement meer dan 100%, want dat zou hetzelfde zijn als zeggen dat er nieuwe energie wordt verkregen, iets dat rechtstreeks in strijd is met de eerste wet van de thermodynamica.
Berekening van thermisch rendement
naar bereken de thermische efficiëntie of thermische prestaties van een motor ofwel moet de Carnot-formule worden toegepast:
Waarbij Th de temperatuur is van de warme bron van de machine, in dit geval de verbrandingsmotor, en Tc de temperatuur van de koude bron. Hieruit volgt dat om een grotere efficiëntie te bereiken, de temperatuur tussen het hete en koude fluïdum zo verschillend mogelijk moet zijn.
Dit is natuurlijk erg generiek, en als je wilt solliciteren op een Verbrandingsmotor zoals die van auto's, dan zou de formule als volgt moeten zijn:
In dit geval is W het verrichte werk, Qc is de hete bron of bron, Qf is de koude bron waaraan de motor warmte afgeeft. Om de wet van behoud van energie niet te schenden, moet bovendien worden voldaan aan het feit dat het hete brandpunt gelijk is aan het werk dat wordt toegevoegd aan de warmte van het koude brandpunt. En het zal altijd zo zijn dat 0<η<1. Anderzijds moet het ook duidelijk zijn dat de arbeid (W) gelijk zal zijn aan de warmte-inbreng minus de warmte-afgifte.
Een andere manier om de efficiëntie van een motor te berekenen, is door de nuttig vermogen en het opgenomen vermogen in kW. Dit is de sleutel compressieverhouding motor, want hoe hoger het is, hoe beter de efficiëntie.
door voorbeeld bekijken, als u 200 J thermische energie als warmte-invoer hebt en de motor 80 J werk kan doen, dan is 80/200 = 0.4 (0.4 x 100 = 40% efficiëntie). Hetzelfde zou gebeuren als de warmte van de uitlaatgassen van de motor wordt gemeten, bijvoorbeeld als de energie die door de brandstof in de motor wordt gestoken 200 J is en een uitlaatgasoutput van 120 J wordt waargenomen, dan is de uitgevoerde arbeid 80 J ( 200 -120) en het rendement is 40%, want als je 120/200=0.6 deelt, wat de energie is die wordt verspild en daarom niet wordt omgezet in werk...