Sprawność cieplna silnika jest jednym z ważnych wskaźników oceny wydajności silnika. Im wyższa sprawność cieplna silnika, tym bardziej zaawansowana technologia. Co zatem oznacza sprawność cieplna silnika? Niech każdy, a zwłaszcza znajomi, którzy mają zamiar kupić samochód, rzucą na niego okiem.
zdjęcie
Sprawność cieplna silnika odnosi się do stosunku ciepła mocy czynnej silnika do ciepła paliwa zużywanego w jednostce czasu. W dużym uproszczeniu oznacza to, ile energii powstałej po spaleniu paliwa zamienia się na siłę napędową samochodu.
Sprawność cieplną oblicza się dzieląc rzeczywistą wartość ciepła wykorzystaną przez wartość ciepła zawartego w paliwie. Na przykład: jeden litr benzyny po całkowitym spaleniu wydzieli 33580KJ ciepła, z czego 11000KJ jest przetwarzane na pracę silnika. Zatem sprawność cieplna tego silnika w tym momencie wynosi:
(11000÷33580)×100%=32.8%
Ogólnie rzecz biorąc, sprawność cieplna określonego silnika jest zasadniczo stała od momentu jego zaprojektowania do chwili opuszczenia fabryki. Maksymalna sprawność cieplna silników benzynowych wynosi zazwyczaj od 30% do 40%, a silników wysokoprężnych jest nieco wyższa i wynosi od 35% do 45%. Skoro o tym mowa, niektórzy znajomi mogą zapytać, dlaczego sprawność cieplna nie jest 100%? Rzeczywistość jest taka okrutna. Inżynierom zajmującym się silnikami niezwykle trudno jest zwiększyć sprawność cieplną o 1% w stosunku do 30–40%. Gdzie zatem trafia pozostałe 50–60% energii?
zdjęcie
Silnik to maszyna, która zamienia energię cieplną na energię mechaniczną. Zgodnie z prawami termodynamiki energia cieplna nie może zostać w 100% zamieniona na inną formę energii. We wszystkich maszynach tarcie jest nieuniknione i nie można wyeliminować ciepła zużywanego przez opór tarcia. Ponadto silnik musi utrzymywać określoną temperaturę i objętość i nie może zwiększać się ani zmniejszać w nieskończoność, więc utrata chłodzenia jest nieunikniona. W połączeniu z innymi czynnikami, takimi jak niemożność całkowitego spalenia paliwa, straty gazu w pompie itp., sprawność cieplna silnika nie może wynosić 100%.
Kiedy silnik się urodził, maksymalna sprawność cieplna wynosiła mniej niż 20%. Po stu latach, dzięki ciągłym wysiłkom pokoleń inżynierów motoryzacyjnych, maksymalna sprawność cieplna silników samochodowych wzrosła jedynie do ponad 40%. To już jest niezwykłe osiągnięcie. Przy obecnej technologii sprawność cieplna silnika jest bliska wartości granicznej. Każdy procentowy wzrost to ogromny postęp technologiczny.
Jakie są metody poprawy sprawności cieplnej silnika?
1. W przypadku silników benzynowych najbardziej bezpośrednią metodą jest zwiększenie stopnia sprężania silnika. Jest to również jeden z głównych powodów, dla których sprawność cieplna silników Diesla jest wyższa niż silników benzynowych.
2. Zmniejszyć opór tarcia mechanicznego, stosując tłoki o niskim tarciu, pierścienie tłokowe o niskiej elastyczności i smary o lepszych parametrach.
3. Zoptymalizuj układ zasilania paliwem i zastosuj bezpośredni wtrysk paliwa w cylindrze pod wyższym ciśnieniem itp.
4. Zoptymalizuj konstrukcję kanałów dolotowych i wydechowych układu rozrządu i zastosuj technologię zmiennych faz rozrządu i podnoszenia.
5. Zoptymalizuj konstrukcję komory spalania, aby umożliwić pełniejsze spalanie paliwa.
6. Zoptymalizuj konstrukcję cylindra i uzyskaj odpowiedni stosunek średnicy do skoku;
7. W przypadku silników Diesla można również zastosować technologie takie jak zwiększanie dawki wtrysku, wtryski wielokrotne i wysokie ciśnienie dolotowe.
zdjęcie
Sprawność cieplna silnika nie jest stała
Sprawność cieplna silnika zmienia się wraz ze zmianami warunków pracy. W większości warunków pracy sprawność cieplna silnika jest bardzo niska. Na przykład w najbardziej typowych warunkach zagęszczenia ruchu w miastach sprawność cieplna silnika wynosi tylko około 20%; podczas jazdy po autostradzie sprawność cieplna może osiągnąć około 30%; warunkami pracy o najwyższej sprawności cieplnej są duże obciążenia i niskie prędkości, np. podczas jazdy samochodem. Podczas wjeżdżania na strome wzniesienie przepustnica silnika jest całkowicie otwarta, a opór zasysania powietrza jest minimalny. W tym czasie prędkość obrotowa silnika nie jest wysoka, a opór tarcia mechanicznego jest niewielki. Sprawność cieplna w tym czasie jest stosunkowo wysoka.
Jeśli silnik ma wysoką sprawność cieplną, czy koniecznie oszczędza paliwo?
Niekoniecznie. Silniki o wyższej sprawności cieplnej są z reguły bardziej zaawansowane technologicznie, a ekonomiczność samego silnika jest zdecydowanie lepsza. Ekonomiczność silnika nie jest jednak równa ekonomii samochodu jako całości. Na zużycie paliwa w samochodzie wpływa nie tylko silnik, ale także wiele czynników, takich jak skrzynia biegów, podwozie i masa nadwozia. Dlatego nie wszystkie modele wyposażone w silniki o wysokiej sprawności cieplnej są oszczędne.
zdjęcie
Od czasu pojawienia się silnika spalinowego, zwłaszcza w obliczu trendu oszczędzania energii i redukcji emisji, poprawa sprawności cieplnej stała się najwyższym priorytetem w badaniach i rozwoju. Chociaż w modelach produkowanych masowo istnieją już silniki o sprawności cieplnej sięgającej 43%, pozostałe prawie 50% sprawności cieplnej nadal wymaga zbadania. Takie znaczenie mają także intensywne badania wielu firm motoryzacyjnych nad silnikami paliwowymi.
