„Šiluminis efektyvumas“ yra viena svarbiausių temų kalbant apie transporto priemones, varomas degalais. Jei siekiama didelio našumo ir mažų degalų sąnaudų, būtinas aukštas variklio efektyvumas. Visgi, šiluminiai varikliai susiduria su fundamentaliais fizikiniais apribojimais.
Vidaus degimo variklių šiluminio efektyvumo ribos
Naudingumo koeficientas (NK) - tai naudingo ir viso sunaudoto darbo santykis. Pagal energijos tvermės dėsnį, šis rodiklis negali viršyti 1 (100 proc.). Šiluminiai varikliai pasižymi ypač mažais NK rodikliais. Aukščiausias masinės gamybos variklių standartas šiuo metu neviršija 45 proc. Pavyzdžiui, „BYD 1,5 l NA Atkinsono“ ciklo variklis pasiekia 43,02 proc. efektyvumą, o daugumos kitų variklių standartai siekia tik apie 35 proc.
Laboratorinėmis sąlygomis bandomi itin efektyvūs varikliai, kuriuose naudojamos keraminės kompozitinės medžiagos, pasiekia šiek tiek daugiau nei 50 proc. šiluminį efektyvumą. Tačiau tai yra riba, kurią pasiekti įprastose transporto priemonėse itin sunku.
Kas riboja efektyvumą?
Vidaus degimo variklių efektyvumą riboja įleidimo ir išmetimo nuostoliai, susidėvėjimas, degimo nepakankamumas ir, svarbiausia, aušinimo nuostoliai. Remiantis antruoju termodinamikos dėsniu, šiluma visada perduodama iš aukštesnės temperatūros objektų į žemesnės temperatūros objektus:
- Benzino degimo temperatūra siekia 1200 °C, o dyzelino - iki 1800 °C.
- Variklio korpusas negali atlaikyti šių temperatūrų, todėl aušinimo sistema (elektroninis ventiliatorius ir antifrizo cirkuliacija) privalo šalinti šilumą, taip prarasdama didelę dalį kuro energijos.
Dyzelinių ir benzininių variklių palyginimas
Šiuolaikinių dyzelinių variklių naudingumo koeficientas paprastai siekia iki 40-45 proc., o kai kurių didelių lėtaeigių variklių - viršija 50 proc. (pvz., „MAN S80ME-C7“ pasiekia 54,4 proc. efektyvumą).
| Charakteristika | Benzininis variklis | Dyzelinis variklis |
|---|---|---|
| Degimo būdas | Kibirkštinis uždegimas | Slėginis uždegimas |
| Sukimo momentas | Mažesnis prie žemų apsukų | Aukštesnis prie žemų apsukų |
| Pagrindinė technologija | Tiesioginis įpurškimas | „Common-Rail“ sistema |
Dyzeliniai varikliai pasižymi didesniu ekonomiškumu, tačiau jų konstrukcija yra masyvesnė ir brangesnė dėl didelių mechaninių įtempimų. Šiuolaikinės sistemos, tokios kaip Common-Rail, leido dyzeliniams varikliams tapti tylesniems ir švaresniems, tačiau kartu ir sudėtingesniems.
Technologijų progresas ir elektros variklių pranašumas
Nerealu tikėtis drastiško vidaus degimo variklių (VDV) efektyvumo šuolio be medžiagų mokslo proveržio. Todėl gamintojai tobulina esamas sistemas:
- Mažinamas darbinis tūris (downsizing): turbobenzininiai varikliai pasiekia tą patį galingumą kaip ir senesni, didesnio litražo varikliai, tačiau su mažesniais mechaniniais nuostoliais.
- Papildomos sistemos: naudojami kietųjų dalelių filtrai (DPF), selektyvinės katalizinės redukcijos (SCR) sistemos su „AdBlue“ tirpalu.
Tuo tarpu elektriniai varikliai veikia kitu principu - mechaninė energija gaunama elektromagnetinio lauko pagalba, apeinant šilumos varikliams būdingus aušinimo nuostolius. Itin aukšto standarto nuolatinio magneto sinchroninis variklis gali pasiekti net 97,5 % efektyvumą.
Ateities perspektyvos
Nors elektromobiliai sparčiai populiarėja dėl savo efektyvumo ir mažesnių eksploatacinių sąnaudų, vidaus degimo varikliai išliks aktualūs dar bent pusamžį. Svarbiausios ateities kryptys:
- Alternatyvūs degalai: spiritinių priedų (etanolio) naudojimas, sintetiniai degalai, vandenilis.
- Hibridinės technologijos: VDV naudojimas kaip generatoriaus, kad būtų užtikrintas didžiausias efektyvumas esant optimalioms apsukoms.
- Mechaniniai akumuliatoriai: smagračių technologija, galinti kaupti energiją viešajame transporte.
tags: #automobiliu #naudingumo #koeficientai