Der thermische Wirkungsgrad der Motorbremse (BTE) ist ein Schlüsselindikator zur Messung der Fähigkeit eines Motors, die chemische Energie des Kraftstoffs in effektive mechanische Arbeit umzuwandeln, die sich direkt auf den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen des Fahrzeugs auswirkt. Es gibt erhebliche Unterschiede bei den von verschiedenen Herstellern veröffentlichten BTE-Werten, hauptsächlich aufgrund unterschiedlicher technologischer Ansätze und Investitionen in Forschung und Entwicklung.
Die folgenden Informationen skizzieren mehrere wichtige technologische Bereiche, die zu HdO-Unterschieden führen, und ihre Hauptursachen.
Technologie -Hauptursachen für HdO-Unterschiede
Verbrennungs- und Emissionskontrolle - Verbrennungsoptimierung:
Der Einsatz von Technologien wie dem Miller-Zyklus, einem hohen Verdichtungsverhältnis und einer Verbrennung bei niedriger{0}}Temperatur kann den Verbrennungsprozess verbessern und den Wärmeverlust reduzieren, was für die Verbesserung des BTE von entscheidender Bedeutung ist. Einige Technologien (z. B. eine hohe AGR-Rate) opfern möglicherweise einen kleinen Teil der Effizienz, um die Emissionen zu reduzieren.
Nach-Behandlung und Wärmemanagement:
Eine effiziente Abgasrückführung (AGR) und ein katalysierter Dieselpartikelfilter (CDPF) können Emissionen und Effizienz ausgleichen. Ein optimiertes Kühl- und Wärmemanagementsystem (z. B. Nutzung der Abgasabwärme zum schnellen Aufwärmen des Motors) kann den Energieverlust ebenfalls wirksam reduzieren.
Kraftstoff- und Einspritzsystem - Kraftstoffeigenschaften:
Die Verwendung verschiedener Kraftstoffe (z. B. Biodieselmischungen, Methanol) kann sich auf die Verbrennungseigenschaften auswirken und in bestimmten Umgebungen zur Effizienzsteigerung beitragen.
Einspritzstrategie: Bei Dieselmotoren oder Dual-Fuel-Motoren können die Erhöhung des Einspritzdrucks und die Optimierung des Einspritzzeitpunkts (einschließlich Einzel- und Mehrfacheinspritzungen) die Kraftstoffzerstäubung und den Verbrennungsprozess erheblich verbessern und dadurch den BTE erhöhen.
Energierückgewinnung und -nutzung - Abwärmerückgewinnung:
Die Rückgewinnung von Abwärme aus Abgasen durch Technologien wie den Rankine-Zyklus und deren Umwandlung in nutzbare Arbeit kann den thermischen Gesamtwirkungsgrad des Motors direkt verbessern. Das US-Super-Truck-Projekt hat dies zu einer Kerntechnologie gemacht.
Design, Prozess und Materialien - Grundlegendes Design und Herstellung:
Das strukturelle Design des Motors, die Präzision des Herstellungsprozesses und die Auswahl der Materialien (z. B. die Verwendung von Materialien mit geringer --Reibung) bestimmen gemeinsam seinen Reibungsverlust, seine Haltbarkeit und sein geringes Gewicht, allesamt grundlegende Faktoren, die den BTE beeinflussen.
Wie ist das von den Herstellern beworbene HdO zu bewerten?
· Achten Sie auf den technologischen Hintergrund: Hohe BTE-Werte werden in der Regel durch eine oder mehrere der oben genannten - fortschrittlichen Technologien unterstützt. Es empfiehlt sich, sich auf die spezifischen Technologien des Herstellers zu konzentrieren.
· Verstehen Sie den Unterschied zwischen Labor und Praxis: Die von den Herstellern veröffentlichten maximalen Werte für den thermischen Wirkungsgrad werden normalerweise unter bestimmten Betriebsbedingungen in einer idealisierten Laborumgebung gemessen. Ihre tatsächlichen Fahrbedingungen, Beladung und Fahrgewohnheiten wirken sich alle auf den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs aus.
I. Kernberechnungsformel
Die grundlegendste und direkteste Definitionsformel für den thermischen Wirkungsgrad der Bremse lautet:
BTE=(Effektive Arbeitsleistung des Motors) / (Gesamtzahl der durch die Kraftstoffverbrennung freigesetzten chemischen Energie) × 100 %
Wenn man diese Definition mit spezifischen physikalischen Größen und Einheiten ausdrückt, lautet die am häufigsten verwendete Berechnungsformel:
BTE=(P_e × b_e) / 3,6 × 100 %
Oder seine äquivalente Form:
BTE=3600 / H_u / b_e
Lassen Sie uns die Bedeutung dieser Symbole aufschlüsseln:
· BTE: Thermal Efficiency der Bremse, das Ergebnis, das wir berechnen möchten, normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz.
· P_e: Effektive Motorleistung, mit der Einheit Kilowatt. Dies ist die tatsächlich von der Kurbelwelle des Motors abgegebene Nettoleistung.
· b_e: Effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch des Motors, mit der Einheit Gramm pro Kilowatt - Stunde. Dies ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Motorökonomie, d. h. „wie viele Gramm Kraftstoff werden verbraucht, um 1 Kilowatt - Stunde Arbeit zu leisten“.
· H_u: Unterer Heizwert des Brennstoffs, mit der Einheit Kilojoule pro Kilogramm. Damit ist die Wärme gemeint, die von 1 Kilogramm Kraftstoff nach vollständiger Verbrennung freigesetzt wird, nach Abzug der latenten Verdampfungswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfs. Bei Berechnungen des thermischen Wirkungsgrads wird üblicherweise der niedrigere Heizwert verwendet.
· 3.6: Einheitenumrechnungskoeffizient. Da 1 kW·h=3.6 × 10^6 J ist und die Einheit von b_e g/(kW·h) und die von H_u kJ/kg ist, müssen die Abmessungen vereinheitlicht werden.
· Diesel-Heizwert: Hersteller müssen zur Berechnung und Freigabe des BTE Standardkraftstoff und den vereinbarten Standard-Heizwert (z. B. 42.500 kJ/kg) verwenden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Brennwert gleich und dient als einheitlicher Maßstab.
Warum sagt man, dass ein spezifischer Kraftstoffverbrauch von 160 g/kWh·h für einen Dieselmotor die Grenze ist?
Wir können diese Grenze durch ein einfaches Gedankenexperiment verstehen.
1. Theoretische Obergrenze: Carnot-Effizienz
Erstens haben alle Wärmekraftmaschinen (einschließlich Dieselmotoren) eine unerreichbare theoretische Effizienzgrenze, nämlich den Carnot-Wirkungsgrad. Sie hängt nur von der Temperatur der Wärmequelle (in - Zylinderverbrennungstemperatur) und der Temperatur der Kältequelle (Umgebungstemperatur) ab.
· Formel: η_carnot=1 - (T_cold / T_hot)
· Bei einem Dieselmotor ist T_hot (maximale Verbrennungstemperatur in - Zylindern) durch die Hitzebeständigkeit - der Materialien (Kolben, Ventile usw. schmelzen) und die Stickoxidemissionen begrenzt und kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Die Temperatur beträgt ungefähr 2200 Grad (2473 K).
· T_cold (Abgastemperatur) wird durch die Umgebungstemperatur begrenzt, die mit 25 Grad (298 K) angenommen wird.
· Theoretische Carnot-Effizienz ≈ 1 - (298 / 2473) ≈ 88 %
Diese 88 % sind eine absolute Obergrenze, die alle Wärmekraftmaschinen anstreben, aber niemals erreichen können.
2. Mehrschichtige „Rabatte“ in der Realität
Bei einem echten Dieselmotor treten Energieverluste in mehrfacher Hinsicht auf. Wir müssen diese unvermeidlichen Verluste Schicht für Schicht von der theoretischen Obergrenze von 88 % abziehen, um den tatsächlich verfügbaren thermischen Wirkungsgrad der Bremse zu erhalten. Die folgende Abbildung zeigt deutlich, wie die Energie nach und nach von 100 % der Brennstoffenergie abgebaut wird und nur noch etwa 52 % der effektiven Arbeit übrig bleiben:
Energieverlustpfad des Dieselmotors: Von 100 % Kraftstoff zu etwa 52 % effektiver Arbeit
„Effektive Arbeit (ca. 52 %)“
„Kühl-/Strahlungsverlust (ungefähr 26 %)“
„Abgasenergieverlust (ungefähr 25 %)“
„Pumpen/Reibung/andere Verluste (ungefähr 17 %)“
Wie oben gezeigt, untersuchen wir, wo diese wichtigen „Rabatte“ angewendet werden:
A. Verbrennungs- und Wärmeübertragungsverluste - Wärme, die abgeführt werden muss
Das ist der größte Verlust. Um einen kontinuierlichen Motorbetrieb zu gewährleisten, muss der Zylinder Wärme über die Zylinderwand und das Kühlsystem ableiten. Dieser Teil der Energie wird direkt vom Kühlmittel abgeführt und verschwendet. Wie in der Abbildung dargestellt, verbraucht dieser einzelne Gegenstand etwa 26 % der Energie. Dies wird durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt und kann nicht grundsätzlich beseitigt werden.
B. Abgasenergieverlust - Wärme, die abgeführt werden muss
Das Abgas mit hoher --Temperatur muss nach der Arbeit aus dem Zylinder ausgestoßen werden, um sich auf den nächsten Arbeitszyklus vorzubereiten. Die große Wärmemenge dieses Abgases (ca. 25 % der Kraftstoffenergie) wird auch an die Atmosphäre abgegeben. Obwohl erstklassige Motorentechnologien (z. B. hocheffiziente Turboaufladung) einen kleinen Teil davon zurückgewinnen können, bleibt der größte Teil davon ungenutzt.
C. Pump- und mechanischer Reibungsverlust - Interner Verbrauch
· Pumpverlust: Der Motor muss während des Ansaug- und Auslassvorgangs den Luftströmungswiderstand überwinden und fungiert dabei wie eine „Pumpe“, die eine gewisse Menge an Arbeit verbraucht (ca. 6 %).
· Mechanischer Reibungsverlust: Reibung zwischen beweglichen Teilen wie Kolbenringen und der Zylinderwand sowie Wellen und Lagern (ca. 5 %) ist ein weiterer inhärenter Verbrauch.
· Fahrzubehör: Der Betrieb von Kraftstoffpumpen, Ölpumpen, Wasserpumpen usw. (ca. 6 %) erfordert ebenfalls Arbeit.
3. Zuordnung der Verluste zum spezifischen Kraftstoffverbrauch
Wenn wir nun diese Verlustverhältnisse in den spezifischen Kraftstoffverbrauch umrechnen, können wir intuitiv die Grenze erkennen:
· Gesamtkraftstoffenergie: Gehen Sie davon aus, dass 1 kg Diesel bei vollständiger Verbrennung 42.700 kJ Wärme freisetzt.
· Zielleistung: Erzeugen Sie 1 kWh (dh 3.600 kJ) effektive Arbeit.
· Berechnungspfad:
1. Wärmewirkungsgrad von 40 % (Common Excellent Level): Die erforderliche Eingangsenergie beträgt=3.600 kJ / 0.4=9.000 kJ. Der Kraftstoffverbrauch beträgt=9.000 / 42.700 ≈ 0,211 kg=211 g/kWh·h.
2. Wärmewirkungsgrad von 50 % (erstklassiges --Laborniveau): Die erforderliche Eingangsenergie beträgt=3.600 kJ / 0.5=7.200 kJ. Der Kraftstoffverbrauch=7,200 / 42.700 ≈ 0,169 kg=169 g/kW·h.
3. Wärmewirkungsgrad von 52 % (Rekordniveau von Weichai): Die erforderliche Eingangsenergie beträgt=3.600 kJ / 0,52 ≈ 6.923 kJ. Der Kraftstoffverbrauch=6,923 / 42.700 ≈ 0,162 kg=162 g/kW·h.
4. Wärmewirkungsgrad von 55 % (scheinbar nur 3 Prozentpunkte höher): Die erforderliche Eingangsenergie beträgt=3.600 kJ / 0,55 ≈ 6.545 kJ. Der Kraftstoffverbrauch=6,545 / 42.700 ≈ 0,153 kg=153 g/kW·h.
Fazit: Warum ist 160 die Grenze?
Aus der obigen Analyse können wir Folgendes erkennen:
1. Gesetz der abnehmenden Erträge: Nach Erreichen eines ultrahohen Wirkungsgrades von über 50 % ist es für jeden weiteren Prozentpunkt der Verbesserung notwendig, enorme und nahezu fixe physische Verluste zu überwinden. Von 52 % auf 55 % muss der spezifische Kraftstoffverbrauch von 162 auf 153 gesenkt werden. Die technische Schwierigkeit dieser Reduzierung um 9 - Einheiten kann größer sein als die einer Erhöhung von 40 % auf 50 %.
2. Einschränkungen physischer Grenzen:
· Materialtemperatur - Widerstandsgrenze: Die Verbrennungstemperatur kann nicht unbegrenzt erhöht werden, sonst können die Materialien ihr nicht standhalten.
· Wärmeableitung ist notwendig: Ohne Kühlung wird der Motor sofort beschädigt.
· Reibung ist unvermeidlich: Solange es eine Relativbewegung gibt, gibt es Reibung.
· Abgas muss abgeführt werden: Dies ist eine Grundvoraussetzung für den Arbeitszyklus.
Daher kann man mit den derzeit bekannten Materialien und physikalischen Prinzipien sagen, dass die Optimierung aller oben genannten Verluste auf ein so extremes Niveau, die Steigerung der effektiven Arbeit eines Dieselmotors auf den Bereich von 52 % - 55 % der gesamten Kraftstoffenergie und der entsprechende spezifische Kraftstoffverbrauch, der in den Bereich von 160 g/kWh·h gelangt, die „Obergrenze“ des bestehenden technologischen Systems erreicht haben.
Wenn ich also sage, dass ein spezifischer Kraftstoffverbrauch von 160 für einen Dieselmotor die Grenze ist, beziehe ich mich auf die technische praktische Grenze unter dem aktuellen technologischen Paradigma. Sofern es in der Zukunft nicht zu einer disruptiven technologischen Revolution kommt (z. B. neue Verbrennungsmethoden, revolutionäre Materialien), wird es schwierig sein, einen signifikanten Effizienzsprung wie in den letzten Jahrzehnten zu erreichen.