Проект: Оценка двигателей
Мы ставим перед собой амбициозную задачу: объединить в одной конструкции положительные качества известных типов двигателей и исключить их недостатки. Мы называем этот двигатель "ОПТИМАЛЬНО".
А как оценить и сравнить такой двигатель с известным и любым другим? Для этого нам понадобятся методы, которые мы изложим ниже.
1. Актуальность оценки ICE
Разнообразие типов и особенностей автомобилей определяется огромным разнообразием используемых двигателей: поршневой двигатель, газотурбинный двигатель, электродвигатель и т. Д.
Поэтому важно иметь инструмент для их объективной сравнительной оценки, чтобы правильно определить эффективные способы их улучшения.
Мы предлагаем провести сравнительную оценку двигателей по 3 количественным параметрам:
- Энергетическое совершенство;
- Кинематическое совершенство;
- Энергетический потенциал.
2. Оценка ДВС по параметру «Энергетическое совершенство»
Энергетическое совершенство поршневых и газотурбинных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различных конструкций может быть количественно определено в первом приближении методом, который представлен в очень упрощенной форме ниже.
Энергетическое совершенство конструкции двигателя внутреннего сгорания целесообразно оценивать одновременно по 2 основным параметрам:
- по тепловой эффективности;
- по удельной грузоподъемности.
Очевидно, что чем больше значение теплового кпд и удельной грузоподъемности, тем больше коммерческих и технических возможностей ДВС реализуется транспортным средством. Следовательно, произведение значения теплового КПД двигателя на его удельную грузоподъемность можно назвать параметром «энергетического совершенства» .
Для оценки и сравнения двигателей внутреннего сгорания различных типов мы берем их усредненные параметры:
- удельная мощность газотурбинного двигателя (ГТД) и «ТурбоМотор» составляет ~ 5 л.с. / кг (~ 3,7 кВт / кг),
- удельная мощность поршневых двигателей составляет 1,36 л.с. / кг (~ 1,0 кВт / кг),
- средний тепловой КПД для поршневого ДВС будет равен 30% (между бензиновым двигателем Отто и дизельным двигателем),
- средний тепловой коэффициент полезного действия для маломощных ГТД (пиковое давление RR300 составляет всего 6,2 атм.) будет принят за ≈13%,
- средний тепловой КПД "ТурбоМотора" составит ≈40% (из-за минимальных потерь на внутреннее трение).
Тогда значение параметра «Энергетическое совершенство» будет равно:
- Поршневой двигатель: Еpe = ~ 0,3 * 1,0 кВт / кг ≈ 0,3 кВт / кг;
- ГТД малой мощности: Еgte = ~ 0,13 * 3,7 кВт / кг ≈ 0,5 кВт / кг;
- «ТурбоМотор»: Etm = ~ 0,4 * 3,7 кВт / кг ≈ 1,5 кВт / кг.
Результат: превосходство «Турбомотора» по параметру «Энергетическое совершенство» составляет:
- для поршневых двигателей внутреннего сгорания: в 1,5 / 0,3 ≈ 5 раз;
- для газотурбинного двигателя (для мощности менее 500 кВт): в 1,5 / 0,5 ≈ 3 раза;
- для газотурбинного двигателя (мощностью 100 МВт): ≈ 1, т.е. равны, потому что тепловая эффективность одинакова ≈40%.
3. Оценка ЛЕД по параметру «Кинематическое совершенство»
Кинематическое совершенство различных конструкций ДВС (рабочий процесс которых осуществляется в замкнутом объеме) может быть количественно определено с помощью предложенного нами метода, который описан в очень упрощенной форме ниже.
Основой этого метода является теория классической термодинамики, в частности термодинамического цикла рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (рис. 1). Его физический смысл в системе отсчета p и V очень прост - это значение 4-мерной области pV -диаграммы. Эта площадь по размеру соответствует работе, выполняемой движущимися стенками рабочей полости двигателя внутреннего сгорания в течение 1 полного рабочего цикла, например, хорошо известного 2- или 4-тактного рабочего цикла. Большая площадь pV- диаграммы соответствует большей работе цикла ДВС и, соответственно, большей эффективности преобразования энергии горячего газа в механическую работу. Таким образом, большая эффективность двигателя внутреннего сгорания означает большую степень расширения горячего газа: от наибольшего давления горячего газа в камере сгорания и до его наибольшего расширения до атмосферного давления.
ДВС может иметь несколько рабочих объемов, каждый из которых должен иметь подвижную стенку, с помощью которой осуществляется преобразование тепловой энергии газов в механические работы. Естественно, каждая подвижная стенка должна иметь кинематический привод. Такой привод может быть индивидуальным для каждой подвижной стенки или может быть общим для всех стен. Естественно, что во втором случае двигатель будет проще по конструкции, легче, компактнее и дешевле в изготовлении из-за меньшего количества деталей.
Кроме того, необходимо учитывать, что только один «Рабочий ход» выполняет полезную работу из всех тактов термодинамического цикла, остальные такты рабочего цикла являются энергозатратными. Следовательно, рабочие циклы с меньшим общим числом ходов являются более энергоэффективными из-за большей удельной доли «рабочего хода» в полном рабочем цикле.
Количественная оценка кинематического совершенства (параметр K ) ДВС различных конструкций очень проста: количество подвижных стенок ( W ) в рабочей полости следует разделить на число ходов рабочего цикла ( S ), то есть :
K = W / S
Например, поршневой двигатель имеет в 1 цилиндре 1 подвижную стенку и 4 такта рабочего процесса. Результатом оценки его кинематического совершенства будет значение:
Кпэ = 1/4 (см. Рис.1, слева).
Например, 1 секция ДВС им. Ф. Ванкеля имеет 3 подвижные стенки в рабочей полости секции и 4 такта рабочего процесса. Результатом оценки его кинематического совершенства будет значение:
Крпе = 3/4 (см. Фиг.1, в центре).
Еще один пример. Компания «ЭкоМоторс» в США с 2008 года при финансовой поддержке Билла Гейтса разрабатывает двигатель « Оппозит - Ппозитон - Цилиндр» (« OPOC - двигатель»). Это двухтактный дизельный двигатель с двумя поршнями, движущимися друг к другу в каждом цилиндре. Газораспределительного механизма нет, баллоны продуваются воздушным компрессором. Таким образом, 1 цилиндр двигателя OPOC имеет 2 подвижные стенки в цилиндре и 2 цикла рабочего процесса. Результатом оценки его кинематического совершенства будет значение:
Копок = 2/2 = 1 (см. Рис.1, справа).
Количественная оценка «ТурбоМотора» проводится на основании его конструктивных параметров. Он работает с 4- тактным циклом и имеет два 4-лопастных ротора, которые совершают вращательно-колебательное движение в 1 рабочей полости. Для «ТурбоМотора» количество подвижных стенок роторов в 1 рабочей полости будет:
W = 2 ротора * 4 лопасти * 2 грани = 16 .
Следовательно,
Ktm = 16/4 = 4 .
Kpe = 1/4
Поршневой двигатель (ПР)
Крпе = 3/4
Роторно-поршневой двигатель
(РПЭ)
Копок = 2/2 = 1
OPOC-двигатель Билла Гейтса
Рисунок 1. Количественная оценка ДВС различного дизайна.
Такое высокое значение показателя кинематического совершенства указывает на перспективность конструкции вращающихся лопастных ДВС. Общая информация о параметре «Кинематическое совершенство» различных типов двигателей внутреннего сгорания приведена ниже.
Результат: Превосходство «ТурбоМотор» по параметру «Кинематическое совершенство» составляет:
- для поршневых двигателей внутреннего сгорания: 4 / (1/4) = 16 раз;
- для RPE Ф. Ванкеля: 4 / (3/4) = 16/3 ≈5,3 раза;
- для OPOC-двигателя: 4/1 = 4 раза.
4. Оценка ДВС по «Энергетическому потенциалу»
Энергетический потенциал современного транспортного электропривода в сравнении с существующими поршневыми ДВС (и «ТурбоМотор») можно оценить на основе сравнения энергетической емкости как параметра «Энергетический потенциал» современных электрических батарей с углеводородное топливо (согласно: http://madoptic.narod.ru/info/Electro.htm ).
Энергоемкость килограмма бензинового топлива типа А95 (или аналогичного) находится на уровне 47 МДж. В более удобной для сравнения системе это 13 кВтч / кг. Чтобы подвести энергоемкость килограмма топлива к входу трансмиссии, т.е. принять во внимание эффективность силовой установки, используют среднее (и пессимистическое) значение теплового КПД для бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Это около 20%, поэтому мощность подачи топлива, подаваемого на вход трансмиссии, составит 2,61 кВтч / кг.
Определим мощность двигателя электропривода. В настоящее время одним из лучших и наиболее эффективных аккумуляторов, выпускаемых промышленностью, является литий-ионный аккумулятор «LEV50» от «Lithium Energy Japan». Вес каждого элемента составляет 1,8 кг, выходное напряжение - 3,75 В, емкость - 50 А * ч, что дает мощность 187,5 Вт * ч. Подведем его к единице массы и получим 0,104 кВтч / кг. Далее, опять же, мы будем приравнять его к входу трансмиссии, чтобы учесть КПД электродвигателя (в среднем это около 80%), и мы получим 0,083 кВтч / кг. Это значение будет примерно на 10% ниже, если в электродвигателе используется двигатель переменного тока и требуется преобразователь напряжения постоянного тока в аккумуляторную.
Результат: сравните две полученные цифры - 2,61 кВт-ч / кг для бензина и 0,083 кВт-ч / кг для батареи. Разница в приведенной удельной энергоемкости составляет: 2,61 / 0,083 = 31,5 раза в пользу бензина.
Следовательно, эквивалент 50-литрового бензобака - это 1150 кг батареи. Сейчас для обычного автомобиля весом около 1,5 тонн полезная нагрузка составляет до 500 кг. То есть электромобиль несет свои батареи, а не пассажиров и полезный груз. Тупиковая ситуация - если установить большее количество батарей для более длительного пробега, тем больше энергии будет потрачено на перемещение этих батарей, а эффективность доставки полезной нагрузки значительно снизится.
Экологичность электропривода во многом является относительной концепцией. Например, согласно данным «Тесла», в Сингапуре при производстве электроэнергии выбросы CO2 в среднем превышают 0,5 кг / кВтч по всем источникам. Поскольку автомобиль (электрический или обычный) потребляет около 24 кВт-ч энергии на 100 км, выбросы CO2 для электромобиля составят около 120 г / км. У автомобиля с бензиновым ДВС по данным производителей выбросы составят около 170 г / км. Поэтому разница не очень большая. А в регионах с большой долей выработки электроэнергии на угле электромобили могут быть даже более вредными, чем автомобили с обычным ДВС.
