Kolik energie se ztrácí ve spalovacím motoru?

Automobily nebyly široce dostupné veřejnosti až do počátku 20. století, kdy výrobní linka Ford rostla. [1] Ačkoli před automobilovým boomem existovala vozidla poháněná párou a elektrickým pohonem, většina vozidel byla poháněna benzínem kvůli pokrokům v technologii vnitřního spalování (IC) a rostoucí infrastruktuře ropy. [2] Od té doby došlo v automobilovém průmyslu k mnoha technologickým pokrokům, které zlepšily palivovou účinnost a zároveň uspokojily potřeby a přání svých spotřebitelů. Tento dokument se zaměří na automobily a energetickou účinnost jízdy.

Výroba energie v USA — Sektor dopravy

Automobily pomohly rozvoji dopravního sektoru v USA a v současnosti spotřebovávají značné množství energie. Podle průzkumu amerického ministerstva dopravy z roku 2013 je dopravní sektor v USA zodpovědný za přibližně 28 % (27 kvadrilionů Btu) spotřeby primární energie. [3] Z definovaných způsobů dopravy spotřebovaly druhy dopravy v roce 81 ~22 % (~2013 kvadrilionů Btu spotřebovaných) veškeré spotřeby energie v dopravním sektoru v USA. [3] Na druhou stranu -dálniční a vojenská vozidla spotřebovala ~16 % (4.2 kvadrilionu Btu) a ~3 % (0.67 kvadrilionu Btu) veškeré energie spotřebované v sektoru dopravy. Pokud by USA chtěly snížit množství energie spotřebovávané v dopravním sektoru, výrobci silničních vozidel by byli schopni zasáhnout, pokud by pracovali na zlepšení palivové účinnosti u kteréhokoli ze svých budoucích modelů vozidel.

Energetická účinnost

Energetická účinnost η je definována jako množství využitelné energie vydělené energií v: η = E_out/E_in. Termodynamické principy říkají, že η je vždy menší než Carnotova účinnost η_carnot = 1 – T_studený/T_horký, kde T_horký a T_studený jsou absolutní (Kelvinovy) teploty zdroje tepla a jímky. Ačkoli jsou k dispozici další metriky pro určování účinnosti vozidel (tj. křivky točivého momentu, kompresní poměry, poměry tahu a hmotnosti), tyto termodynamické rovnice jsou užitečné při určování účinnosti motoru vozidla se spalovacím motorem (ICE), jako je např. motor znázorněný na obr. 1. [4]

Aby bylo možné porovnat vozidla s ICE v odvětví dopravy, lze nejprve porovnat energetickou účinnost motorů na vozidlo ICE na dálnici. Účinnost elektromotorů (85-90%) nebude určena, protože potřebujete externí zdroj energie (často tepelný motor v elektrárně). [5-7] Nejprve musíme předpokládat, že veškeré palivo přidané do vozidla je zapáleno v ICE vozidla. Toto zapálené palivo se projevuje vysokou teplotou a tlakem působícím na písty motoru. Protože motory ICE jsou primárně tepelné motory, lze jejich teoretickou účinnost vypočítat, pokud předpokládáme, že fungují jako termodynamické cykly, kde se veškerá chemická energie přeměňuje na užitečnou mechanickou energii pro dopravu. Tento idealizovaný případ však nelze použít, protože ideální podmínky jsou splněny jen zřídka (tj. svět bez tření, ideální plyny). [4]

Energetická účinnost silničních vozidel

Energetickou účinnost jízdy vozidla lze zjistit poté, co byla zjištěna energetická účinnost jeho součástí provedením energetických bilancí v celém vozidle. Ve vozidle ICE se více než 62.4 % energie uvolněné při spalování ztrácí jako teplo v důsledku tření (tj. při čerpání vzduchu do motoru a z motoru) a zbývající energie se používá pro práci mimo motor. [8] Provedení energetické bilance na zbývajících komponentech odhalí, že 10 až 25 % vložené energie se spotřebuje na pohon kol, 4 až 6 % se spotřebuje kvůli parazitním ztrátám, 5 až 6 % se spotřebuje na pohon terénních ztrát, a 3 % v důsledku nečinnosti (připočteno třením působícím na motor a parazitními ztrátami/ztráty spotřebiče). [9-12]

Jak již bylo zmíněno, více než 68 až 76 % energie se ve vozidle ICE ztrácí v důsledku tření. [11,13] Aby výrobci vozidel zmírnili tyto ztráty v motoru, investovali do technologií, které zlepšují časování ventilů, vstřikování vzduchu a chemii paliva (dieselové motory). [8] Rekuperovaná energie z motoru je následně převedena na další komponenty vozidla k využití.

Druhou oblastí s druhými největšími ztrátami energie je přenos výkonu na kola. Při přenosu výkonu na kola se ztratí 10 až 25 % energie vložené do vozidla. [11,12] Přibližně 9 až 12 % energie se ztrácí v důsledku odporu větru, zatímco 5 až 7 % se ztrácí v důsledku valivého odporu a 5 až 7 % se ztrácí v důsledku brzdění. [11,12] Ke ztrátám energie přispívá brzdění, protože kinetická energie vozidla dříve získaná ze spalování paliva se nyní ztrácí jako teplo vznikající při brzdění. V důsledku toho může brzdění spotřebovat značné množství energie, pokud je kinetická energie potřebná k překonání setrvačnosti vozidla velká a pokud je vozidlo řízeno v provozu s více zastávkami. Odpor vzduchu je další silou, která brání pohybu vozidla v důsledku změn rychlosti pro laminární proudění a druhé mocniny rychlosti turbulentního proudění pro dva objekty (tj. vozidlo a vzduch), které vedou ke ztrátě energie. Odpor vzduchu působící na vozidlo je ovlivněn velikostí, tvarem a rychlostí vozidla a má za následek 9% až 12% ztrátu celkové vstupní energie a je obvykle nižší, pokud je vozidlo provozováno při nižších rychlostech. [11] Valivý odpor je další odporová síla při dodání energie k pohonu kol vozidla, která také spotřebuje 5 až 7 % vložené energie. Valivý odpor je odporová síla vůči pneumatikám, která vzniká při fyzické deformaci pneumatik. Tato odporová síla může být zmírněna, pokud se změní materiál a design pneumatiky. [11,12] Dalším způsobem, jak snížit velikost valivého odporu, kterému vozidlo čelí, je snížit hmotnost vozidla. Výrobci vozidel mohou vyrábět velká vozidla, která splňují potřeby spotřebitelů, jako je Chevrolet Suburban na obr. 2, a pracovat na snížení valivého odporu snížením množství hmoty ve vozidle, nebo mohou vyrábět kompaktní vozidla, která již váží méně, a proto se méně valí. odpor.

Třetí oblastí, která přispívá ke snížení energetické účinnosti, jsou ztráty v hnacím ústrojí, které může spotřebovat ~4 % energie. [11] Energie se spotřebovává v tomto aspektu spotřeby energie u vozidel ICE i elektrických vozidel v důsledku tření v součástech hnacího ústrojí. Poslední oblastí, která se podílí na ztrátě energie, jsou ztráty v důsledku dalšího příslušenství. Příslušenství, které využívá energii produkovanou motorem (např. posilovač řízení, vodní čerpadlo, klimatizace atd.), může způsobit 4 až 6% ztrátu spotřebované energie. [11,14] Ačkoli tyto ztráty nejsou tak významné jako dříve zmíněné ztráty, poskytují výrobcům vozidel oblast, kde se mohou zlepšit.

Společně tyto ztráty představují množství energie ztracené pro vozidlo ICE, které jede ve městě a na dálnici. Ačkoli elektrická vozidla, jako jsou ta na obr. 3, nebyla v tomto dokumentu zahrnuta, měly by mít stejné odporové síly s výjimkou jakýchkoli odporových sil zahrnujících ICE a dalších odporových sil zapojených do nabíjení. Pokud se u elektrických vozidel vezmou v úvahu ztráty při nabíjení, u elektrických vozidel by se zjistilo, že ztráta přibližně 16 % vložené energie by se rozptýlila v důsledku překonání odporu baterie vůči nabití na plnou kapacitu. Ačkoli jsou elektrická vozidla účinná, jak již bylo zmíněno, tento dokument se neponořuje do energetické účinnosti elektrických vozidel, protože energie použitá k nabíjení baterie byla získána z externího zdroje a nikoli ze součásti navržené výrobcem vozidla.

Kromě toho nebyly v tomto dokumentu důkladně diskutovány nové technologie a jejich dopad na energetickou účinnost, protože nové technologie jsou často jedinečné pro výrobce vozidel (tj. regenerativní brzdění, automatizovaná vozidla, hybridy, proměnné časování ventilů a zdvih). [11] V důsledku toho byly zkoumány pouze technologie společné pro všechna vozidla. Pokud by mělo být vyvinuto podrobnější srovnání, muselo by být shromážděno více informací jedinečných pro každé vozidlo (tj. model, použití).

Proč investovat do čističky vzduchu?

Sektor dopravy představuje významné procento spotřeby energie v USA. V rámci odvětví představuje spotřeba energie silničními vozidly více než 75 % spotřeby energie. Aby bylo možné objasnit, proč se spotřebovává tolik energie, byla u vozidel ICE prozkoumána energetická účinnost jízdy aplikací termodynamických principů na bázi jednotlivých komponent. Protože vozidla nikdy nepracují v termodynamicky ideálním světě, dochází u vozidel ke ztrátám energie v mnoha oblastech. První vozidla ICE a elektrická vozidla byla odlišena od sebe navzájem. Vozidla s ICE ztratí 68 až 76 % energie vložené jako palivo, zatímco elektromobily ztratí 16 %, když se baterie nabije na plnou kapacitu. [7,11] Poté nám energetická analýza pro vozidla ICE umožnila identifikovat energetické ztráty, ke kterým dochází v součástech, kde je výkon dodáván na kola, součásti příslušenství, součásti hnacího ústrojí a neefektivnost během provozu (nečinnost). Ačkoli byly tyto účinnosti provedeny pro vozidla ICE s benzínovým motorem, lze je použít také pro vozidla s elektrickým pohonem s výjimkou ztrát spojených s ICE. Pokud by se však měla vzít v úvahu nová technologie, měla by být tato účinnost aktualizována. Tyto energetické účinnosti společně objasňují oblasti, na kterých mohou výrobci vozidel pracovat, aby zlepšili energetickou účinnost svých vozidel, snížili spotřebu paliva a zároveň uspokojili potřeby svých spotřebitelů.

© Joel Dominguez. Autor uděluje povolení kopírovat, distribuovat a zobrazovat toto dílo v nezměněné podobě, s uvedením autora, pouze pro nekomerční účely. Všechna ostatní práva, včetně obchodních, jsou vyhrazena autorovi.

Reference

[1] J. E. McClellan III a H. Dorn, Věda a technika ve světových dějinách: Úvod, 2. vyd., (Johns Hopkins University Press, 2006), s. 496.

[2] D. L. McKain a B. L. Allen, Kde to všechno začalo (D. L. McKain, 1994), str. 232.

[3] «Roční energetický výhled 2015,» US Energy Information Administration, EOA-EIA-0383(2015), duben 2015.

[4] B. N. Roy, «Základy klasické a statistické termodynamiky,» v Základy klasické a statistické termodynamiky, Illustrated ed., John Wiley & Sons, 2002, str. 130-131.

[5] L. B. Stillwell a H. S. C. Putnam, Náhrada elektrické lokomotivy za parní lokomotivu (Nabu Press, 2011), str. 239. [Přetištěno z přel. Dopoledne. Inst. Zvolit. Ing. 26, 1907].

[6] S. Z. A. S. K. Bahrin a U. A. U. Amirulddin, «Design and Development of the New Electromagnetic Prime Mover Solenoid Powered Engineed Engineed Preliminary Design,» IEEE 6487122, Int. Conf. o řídicích systémech, počítačích a inženýrství (ICCSCE), Penang, 23. listopadu 12.

[7] H. Lohse-Busch et al. „Vliv okolní teploty (20 °F, 72 °F a 95 °F) na spotřebu paliva a energie u několika konvenčních vozidel, hybridních a plug-in hybridních elektrických vozidel a elektrických vozidel na baterie“, SAE Technical Paper 2013-01-1462, Proč. Světový kongres a výstava SAE 2013, Detroit, 8. dubna 2013.

[8] J. K. Casper, Fosilní paliva a znečištění: Budoucnost kvality ovzduší (Facts on File, 2010), str. 285.

[9] J. Thomas, «Účinnost a trendy hnacího cyklu hnacího ústrojí odvozené z výsledků EPA Vehicle Dynamometer,» SAE Technical Paper 2014-01-2562, Int. J. Pass. Automobily Mech. sys. 7, 1374 (2014).

[10] M. Baglione, M. Duty a G. Pannone, «Metodika energetické analýzy systému vozidla a nástroj pro určování energetické nabídky a poptávky subsystému vozidla», SAE TEchnical Paper 2007-01-0398, 16. dubna 07.

[11] A. Bandivadekar et al., «Na cestě v roce 2035 — Snížení spotřeby ropy a emisí skleníkových plynů v dopravě,» Massachusetts Institute of Technology, LFEE 2008-05 RP, červenec 2008.

[12] E. Pike, «Opportunities to Improve Tire Energy Efficiency,» Mezinárodní rada pro čistou dopravu, Bílá kniha č. 13, červenec 2011.

Autor

1. Noël Brunetière Directoreur de recherche, Université de Poitiers

Prohlášení o zveřejnění

Noël Brunetière nepracuje, nekonzultuje, nevlastní akcie ani nepřijímá finanční prostředky od žádné společnosti nebo organizace, která by měla prospěch z tohoto článku, a nezveřejnila žádné relevantní vztahy nad rámec svého akademického jmenování.

Partneři

Region Nouvelle-Aquitaine poskytuje finanční prostředky jako strategický partner The Conversation FR.

Université de Poitiers poskytuje finanční prostředky jako člen The Conversation FR.

Jazyky

Vzhledem k tomu, že růst cen plynu nevykazuje žádné známky poklesu, zdá se, že je vhodná doba, abychom si položili otázku: Nejsou naše auta dostatečně účinná? Evropa se rozhodla zakázat výrobu nových vozidel poháněných spalovacím motorem do roku 2035, ale většina osobních vozidel v současnosti na silnicích ve Francii a po celém světě stále spadá do této kategorie.

Jejich motory fungují tak, že spalují benzin nebo naftu a přeměňují výslednou tepelnou energii na mechanickou energii, která se využívá k pohonu vozidla. Maximálně 50 % dodané energie se přemění na mechanickou energii, ale zbytek se rozptýlí jako teplo. Navíc ne všechna mechanická energie je dodávána do kol, přičemž téměř 30 % se ztrácí v důsledku tření.

Skutečná energie použitá k pohybu vozidla nakonec činí přibližně 30 % celkové energie dodávané palivem. Kde se tedy všechno toto plýtvání vyskytuje, jsme schopni jej omezit a kolik můžeme rozumně očekávat, že ušetříme na spotřebě paliva?

Jak funguje spalovací motor

Ve spalovacím motoru se uvnitř části zvané spalovací komora spaluje směs paliva a vzduchu. Tím se zvětší objem plynu v komoře a výsledný tlak tlačí pístovou součást dolů. Píst je spojen s klikovým hřídelem ojnicí, která převádí vertikální pohyb pístu na rotační pohyb. Dále je tato rotace přenášena klikovým hřídelem na mechanickou převodovku (včetně převodovky) a následně na kola.

Řada ventilů motoru se pak otevírá a zavírá, čímž se vypouštějí odpadní plyny a následně dovnitř čerstvá dávka vzduchu a paliva. Omezená část (40 až 50 %) tepelné energie vznikající při spalování se přeměňuje na mechanickou energii. Zbytek se vyplýtvá, vypouští se přes horké plyny z výfukového potrubí a přes chladič, který udržuje motor chladný. Zlepšením spalování a instalací systémů rekuperace energie však můžeme být schopni zvýšit množství užitečně přeměněné energie a snížit spotřebu paliva téměř o 30 %.

Plýtvání palivem v důsledku tření

Stojí za zmínku, co znamená „tření“. Termín se vztahuje k síle, která působí jako odpor proti posuvnému pohybu mezi dvěma předměty, když jsou uvedeny do vzájemného kontaktu. Například tření mezi našimi botami a zemí nám umožňuje chodit bez uklouznutí. V případech nízkého tření, například když je zem zledovatělá, je pro naše boty snazší klouzat po zemi a chůze se stává mnohem obtížnější. Mohli bychom se však rozhodnout nosit brusle, které využívají své nízké tření o zem a umožňují nám pohybovat se klouzáním.

V podstatě, když jsou dva předměty klouženy (nebo třeny) dohromady, vzniká výsledná odporová síla v důsledku tření. To vede ke ztrátě energie teplem, což můžeme pozorovat například mnutím rukou. V autě dochází k úplně stejnému jevu mezi pohyblivými částmi motoru a mechanickou převodovkou. Jako výzkumníci se snažíme posoudit dopad tohoto jevu.

„Tribologie“ je vědní obor zabývající se kontaktem, třením a tím, jak zmírnit jejich dopady. Nedávný výzkum v této oblasti pomohl odhadnout energetické ztráty v důsledku tření, ke kterému dochází ve spalovacím motoru automobilu a v převodovce spojené s jeho koly. Na výše uvedeném diagramu jsou žlutě znázorněny kontaktní plochy, kde dochází ke ztrátám v důsledku tření. K nejvýznamnějším ztrátám energie dochází kolem pístu (přibližně 45 % ztrát); následují články mezi ojnicí, klikovým hřídelem a blokem válců (přibližně 30 %); a kolem ventilů a jejich ovládacího systému (přibližně 10 %). Zbývajících 10 % je ztraceno prostřednictvím jiných armatur motoru.

Užitečná mechanická energie z motoru je dále omezena ztrátami v mechanickém převodu, způsobenými zejména třením mezi ozubenými koly. V konečném důsledku všechny tyto ztráty vedou ke ztrátě přibližně 30 % mechanické energie dodávané spalovacím motorem za průměrných provozních podmínek vozidla.

Mohli bychom snížit spotřebu paliva omezením energetických ztrát z tření?

Protože asi 30 % paliva automobilu se spotřebuje k překonání tření mezi jeho pohyblivými mechanickými částmi, snížení těchto ztrát by mohlo přinést značné úspory paliva. Proto se musíme podívat na prvky vystavené tření, abychom mohli diskutovat o možných zlepšeních. Součásti motoru a převodovky jsou již mazány olejem, který je vložen mezi povrchy, aby se zabránilo tření a opotřebení.

S cílem dále snížit energetické ztráty z tření pokrývá tribologický výzkum dvě hlavní oblasti. První se týká zlepšení maziv. Tento výzkum si klade za cíl řídit, jak jsou určité vlastnosti maziva, jako je viskozita, ovlivněny teplotou. Obecně má tření tendenci se snižovat, když se používá méně viskózní mazivo, ale jeho olejový film může být příliš tenký, což vede k většímu kontaktu mezi nerovnými povrchy a rychlejšímu opotřebení. Aby se tomu zabránilo, jedna větev výzkumu se zaměřuje na vývoj nových aditiv pro maziva, která mohou pokrýt povrchy ochrannými vrstvami s nízkým třením.

Druhá výzkumná oblast zahrnuje zdokonalování samotných povrchů vytvářením nových (zejména uhlíkových) povlaků, které chrání povrchy, které přicházejí do vzájemného kontaktu, a mají za následek nižší tření. Alternativně mohou být povrchy texturovány sítí otvorů, které mají optimální rozměry pro účinnější mazání.

Nedávno jsme provedli výzkumný projekt v Institutu Pprime v Poitiers (vedený CNRS, University of Poitiers a ISAE Ensma), který ukázal, že tření některých typů kontaktů lze snížit o 50 % použitím povrchové textury.

Kromě toho v případě vozidel poháněných spalovacím motorem již několik studií potvrdilo, že tato nová technologie může ve střednědobém horizontu snížit energetické ztráty způsobené třením o 50 až 60 %, což představuje přibližně o 15 % nižší spotřebu paliva. V kombinaci s vylepšenými motory a menšími, lehčími vozidly – ​​a v konečném důsledku i užšími pneumatikami – by toto zdánlivě malé množství ušetřeného paliva mohlo potenciálně dosáhnout hodnot kolem 50 %. Rozšiřující se sektor SUV na automobilovém trhu nám však říká, že tento způsob úspory paliva v posledních letech bohužel výrobci automobilů nepřijali.

[Téměř 80,000 XNUMX čtenářů hledá ve zpravodaji The Conversation France odborný pohled na nejpalčivější problémy světa. Zaregistrujte se nyní]

Jaká jsou tedy naše okamžitá řešení pro snížení nákladů? S výjimkou nákupů nových vozidel může použití účinnějších maziv snížit spotřebu o několik procent, což je zanedbatelné množství vzhledem k rostoucím cenám pohonných hmot. Kromě toho může být pro jednotlivce obtížné vědět, které mazivo si vybrat, protože srovnávací studie jsou v současné době dostupné pouze ve vědecké literatuře, a proto jsou omezeny na odbornou čtenářskou obec.

Neměli bychom však zapomínat, že auta jsou určena k přepravě několika cestujících. Když spotřebu paliva rozdělí několik cestujících, spolujízda může snížit spotřebu dvakrát, třikrát, čtyřikrát a více. Ale pokud jde o snižování účtů za palivo, méně jezdit zůstává nejefektivnějším a nejpřímějším řešením.

Pokud jde o dlouhodobější horizont, mohl by být elektromobil – nyní široce chválený – efektivnějším řešením při snižování energetických ztrát v důsledku tření? S mnohem menším počtem mechanických součástí vystavených tření byly energetické ztráty u elektromobilů vyhodnoceny na méně než 5 %. Než to však bude oslavováno jako zázračné řešení, musíme zvážit všechny ostatní šrouby a matice, včetně hmotnosti vozu, nákladů na baterie a těžby a recyklace jeho výrobních materiálů.

Tento článek byl původně publikován ve francouzštině

• Fosilní paliva
• Auta
• Znečištění ovzduší
• Konverzace Francie
• Auta