motoarele

După cum am menționat de multe ori înainte, mașinile termice (cum ar fi motoarele pe benzină și diesel) tind să irosească o cantitate mare de energie sub formă de căldură. În ciuda a ceea ce poate părea, tehnologia în continuă evoluție poate zgâria doar câteva puncte procentuale în acea cantitate mare de energie irosită, deoarece motoarele termice sunt absolut limitate de legile fizice pe care se bazează funcționarea sa, care sunt principiile termodinamicii.

Într-un mod simplu, vom vedea care sunt aceste principii, cum afectează acestea performanța motoarelor cu ardere și de ce crește deja eficiența motoarelor actuale nu poate fi prea departe de limita sa termodinamică. Cu alte cuvinte, pentru a realiza un consum substanțial mai mic decât cel actual, afectând doar tehnologia motoarelor, evoluția lor nu ar fi suficientă, ci mai degrabă ar fi necesar să lăsăm în urmă mașinile termice în favoarea unui alt tip de propulsori.

Performanța sau eficiența unui motor termic

Pare important să începem prin a defini conceptul de eficiență sau performanță pe care urmează să îl folosim în mod interschimbabil în tot articolul. Deci, înțelegem performanţă a unui motor ca. munca depusă pentru fiecare unitate de energie consumată.

Dacă munca efectuată de motor (generarea mișcării) ar fi egală cu energia chimică a combustibilului folosit pentru a-l produce, eficiența acestui presupus motor ar fi de 100% (eficiență perfectă).

Evident, nici un proces nu poate fi mai mare de 100% eficient pentru că asta ar fi la fel de mult ca a spune că se creează energie nouă. Primul principiu al termodinamicii (conservarea energiei) neagă această posibilitate.

Pe de altă parte, atunci când munca depusă este mai mică decât energia consumată, pierderea sau diferența dintre cele două valori se transformă în căldură, pe care o putem considera ca o energie inutilă și, prin urmare, irosită.

Eficiența maximă a unui motor termic: ciclul Carnot

Există o limită absolută a performanței oricărui motor termic, care este performanța unei mașini imaginare, perfectă, reversibilă, al cărei proces de funcționare este cunoscut sub numele de Ciclul Carnot. Această eficiență maximă „perfectă” este deja mult sub 100% și este important de reținut că, fiind un maxim fizic, absolut și universal, nu poate fi depășit prin mijloace tehnologice.

Performanța unui motor termic Carnot depinde doar de temperaturile maxime și minime între care funcționează, astfel încât, având în vedere aceste două temperaturi, calculul său este banal. În cazul motoarelor cu ardere care ard hidrocarburi și pe baza datelor propuse în acest exemplu practic, putem considera o temperatură minimă (care ar fi cea a mediului înconjurător) de 17 o C (290 K) și maximă de 1.570 o C (1.843 K). Această combinație de temperaturi ne-ar da o randament teoretic maxim de 84,3%.

Este dificil să se găsească date precise pentru temperatura maximă atinsă în camera de ardere, dar hidrocarburile ard în jur de 2.000 o C și pare deja destul de optimist să considerăm aproximativ 1.600 o C ca temperatura medie a întregii camere în momentul final al arderea. Astfel, eficiența perfectă de 84% poate fi considerată o estimare rezonabilă de optimistă.

Același calcul, efectuat în Wikipedia luând ca exemple alte valori și de data aceasta într-un motor pe benzină, dă un Eficiență maximă de 73%, deși presupunând condiții ideale, această valoare ar putea fi luată în considerare în intervalul scăzut al temperaturilor posibile. Ar fi un calcul rezonabil pesimist.

Indiferent de temperatura maximă atinsă în camera de ardere în fiecare motor specific, vedem că o mașină teoretică, reversibilă și ideală cu temperaturi maxime și minime în intervalul unui motor cu ardere internă ar pierde ceva de genul 15% până la 25% din energie sub formă de căldură, da sau da, ca o consecință directă a principiilor termodinamicii.

Benzină și motorină vs. mașina perfectă a lui Carnot

Motoarele pe benzină și diesel sunt motoare termice și, prin urmare, sunt limitate de maximul absolut Carnot, dar funcționează substanțial diferit și, prin definiție, mai puțin eficient decât motorul reversibil perfect din multe motive. Așadar, ar fi mai precis să o faci un model teoretic al unui motor diesel sau benzină ideal pentru a-i cunoaște eficiența maximă și de neegalat.

Acest model există și este un fel de adaptare a ciclului Carnot reversibil la ciclul de funcționare al acestor motoare. Nu ne vom scufunda în formulele lor, ci vom analiza rezultatele lor.

Începând cu un motor Otto Cycle (benzină convențională) și conform acestui calcul explicat de Universitatea din Sevilla, luând date rezonabile pentru variabilele implicate, randamentul maxim al unui motor teoretic perfect pe benzină cu un raport de compresie 8: 1 este de 56,5%.

În cazul în care ciclu diesel, care diferă ușor de benzină și permite raporturi de compresie mai mari, în acest calcul realizat pe modelul teoretic al acestui ciclu, se poate vedea că performanță perfectă pentru raportul de compresie 18: 1 ar fi de 63,2%.

Aceste performanțe (care sunt mai mici decât maximul absolut al Carnot) ar corespunde motoarelor ideale, ceea ce implică lucruri precum absența fricțiunii, pierderile zero datorate pompării, procesele de ardere instantanee, deschiderea și închiderea supapelor în timp zero, procesele de compresie foarte lente și expansiune și izolare termică fără pierderi de energie. Cu alte cuvinte, în lumea reală nu este posibil să se construiască motoare care să funcționeze sau chiar să se apropie de aceste condiții.

Ceea ce înseamnă toate acestea este că, în proiectarea unui motor termic, obiectivul nu poate fi de a transforma toată energia chimică în mișcare, ci încearcă să nu pierzi mult mai mult de jumătate, în cel mai bun caz.

Ca un exemplu notabil al eficienței maxime realizabile în lumea reală de către un motor diesel, am discutat deja în detaliu cazul celui mai puternic motor alternativ din lume, un diesel naval de 109.000 CP. Eficiența sa maximă a fost de 51,5% rotind în jurul valorii de 100 rpm. Deoarece viteza sa mică o face mult mai eficientă decât o mașină diesel, se poate presupune că niciun motor diesel instalat astăzi într-o mașină nu are în prezent performanțe cu mult peste 40% la regimul său optim de sarcină și sarcină, dacă este că ajunge la ea și cu siguranță nu în întreaga sa gamă de revoluții.

În ceea ce privește motoarele pe benzină, acestea ar trebui să fie în jur de 2/3 din cifra respectivă conform numeroaselor referințe consultate, astfel încât am putea lua ca valoare aproximativă a performanțelor optime pentru o benzină modernă o utilizare nu mult mai mare de 30% din energia consumată, presupunând că acest nivel este atins și, din nou, nu peste întreaga gamă de rotații și niveluri de încărcare.

În toate cazurile, vorbim despre căldura generată de motorul unei mașini convenționale cuprinde cel puțin 60% din energia chimică a combustibilului în cazul motorinei și cel puțin 70% în cazul benzinei. Rezistența la rulare, rezistența aerodinamică și toate pierderile de transmisie trebuie încă reduse până când vehiculul este în mișcare ...

Concluzii

După cum am văzut, peste jumătate din energia conținută în combustibil se pierde inevitabil pe măsură ce căldura înainte ca transmisia să înceapă să se miște. În afară de îmbunătățirile tehnologice care pot fi realizate fără îndoială, motoarele termice sunt, prin definiție, o risipă de energie de prima magnitudine și nu vor putea înceta să mai fie. Principiile de bază ale termodinamicii o împiedică absolut.

Deci, dacă dorim să reducem consumul de energie al călătoriilor noastre, va trebui să alegem între mici îmbunătățiri incrementale derivat din evoluția actualelor motoare cu ardere internă, al căror plafon termodinamic nu mai poate fi foarte departe, sau o schimbare radicală în modelul de propulsie care, cu siguranță, abandonează mașinile termice din secolul al XIX-lea și profită de energie cu alte tipuri de mecanisme.

Cu toate problemele foarte importante de rezolvat, se poate spune că motorul electric nu este un motor termic și eficiența dvs. actuală actuală de obicei depășește 90%, necunoscând altă limită decât conservarea energiei.

Vom putea vreodată să-l retragem pe Carnot?