Πως αποδίδεται… η απόδοση;

engine-loss-efficiency

Συχνά μιλάμε για την απόδοση ενός αυτοκινήτου δίχως πολλές φορές να γνωρίζουμε σε τι ακριβώς αναφερόμαστε. Στην πραγματικότητα η απόδοση είναι μία πολύπλοκη, πολυδιάστατη έννοια που εξαρτάται πάντα από τις απώλειες…

Τι είναι η απόδοση; Αν ρωτήσετε κάποιον ειδικό στην αυτοκινητοβιομηχανία το πιο πιθανό είναι να σας πει πως η απόδοση έχει να κάνει πάντα με το κόστος. Βλέπετε οι μηχανικοί καλούνται να βελτιώνουν συνεχώς τις μηχανές χρησιμοποιώντας ίδια ή λιγότερη ενέργεια. Στην περίπτωση της αυτοκινητοβιομηχανίας θα λέγαμε με απλά λόγια πως το ζητούμενο δεν είναι άλλο από το ένα αυτοκίνητο να έχει τη δυνατότητα να κινείται όσο το δυνατό μακρύτερα με την μικρότερη ποσότητα καυσίμου και την μικρότερη εκπομπή ρύπων. Δηλαδή από την ίδια ποσότητα καυσίμου να παράγεται μεγαλύτερο έργο (το γνωστό πλεονέκτημα των ντίζελ) και να βελτιώνεται η αυτονομία. Επομένως η απόδοση συνδέεται άμεσα με την κατανάλωση καυσίμου -όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης τόσο μικρότερη η κατανάλωση καυσίμου- και λιγότερο με την ισχύ και την ροπή όπως συνηθίζεται από αρκετούς.

energy-capacity-engine-01Τι επηρεάζει την απόδοση; Από την συνολική ενέργεια που παράγει ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης περίπου το 30% είναι το ωφέλιμο που μετατρέπεται σε ροπή και περνά στους τροχούς. Χονδρικά οι απώλειες επηρεάζουν σημαντικά τον βαθμό απόδοσης (το διπλανό σχέδιο αντιστοιχεί σε πετρελαιοκινητήρα) καθώς το 30% αποβάλλεται στο περιβάλλον ως θερμότητα, το 30% στην μορφή των καυσαερίων ενώ το 10% αναλώνεται σε μηχανικές τριβές (αντλίες λαδιού-ψύξης, σύστημα κλιματισμού, επιμέρους συστήματα κ.α.). Ακόμη και το 30% (στους βενζινοκινητήρες είναι κάτω από 25%) που περισσεύει μειώνεται στη συνέχεια περίπου στο μισό κατά την μεταφορά ισχύος προς τους τροχούς …

Διαφορετικοί βαθμοί απόδοσης. Το περίπου 1/3 της απόδοσης που αναφέρομαι αντοιστοιχεί στο έργο που μπορεί να μετρήσει κανείς στον στροφαλοφόρο. Εδώ έχουμε να κάνουμε με δύο αποδόσεις: 1) την ενδεδειγμένη απόδοση βάση θερμοδυναμικής, θερμότητας και ποιότητας καύσης, και 2) την μηχανική απόδοση που καθορίζεται από τις τριβές των κινούμενων μερών και την λειτουργία διαφόρων επιμέρους συστημάτων/εξαρτημάτων. Η ενδεδειγμένη απόδοση εξαρτάται από τον θερμοδυναμικό κύκλο (Otto ή Diesel) και από διάφορες παραμέτρους όπως είναι η σχέση συμπίεσης, τον βαθμό απόδοσης (αδράνεια, ιξώδες, άντληση κ.α.) και τον βαθμό καύσης που δείχνει πόση από την ενεργειακή πυκνότητα του καυσίμου είναι ωφέλιμη.

Βενζίνη, πετρέλαιο. Θεωρητικά ο βενζινοκινητήρας έχει καλύτερη θερμοδυναμική απόδοση από τον πετρελαιοκινητήρα αλλά χάρη στην υψηλότερη σχέση συμπίεσης (συνήθως 18:1 έναντι 10:1) και τις μικρότερες απώλειες άντλησης καταφέρνει να υπερτερεί με αποτέλεσμα ο θερμικός συντελεστής απόδοσης στου ντίζελ να κυμαίνεται στο 30-35% σε σχέση με το 20-25% των βενζινοκινητήρων. Επίσης, για να επιτευχθεί η ίδια τιμή έργου, στους diesel απαιτείται μικρότερη ποσότητα καυσίμου η οποία συνεπάγεται σε μικρότερη κατανάλωση.

Βελτιώσεις. Μία σημαντική παράμετρος που μπορεί να βελτιώσει την απόδοση ενός κινητήρα και την θερμοδυναμική του απόδοση είναι η αύξηση της σχέσης συμπίεσης (τεχνολογία Skyactiv της Mazda). Παράλληλα υπάρχουν τρόποι μείωσης της χαμένης ενέργειας (π.χ. ηλεκτρικές αντλίες) ή της θερμικής (π.χ. σύστημα EGR), της σχεδίαση αποδοτικότερων θαλάμων καύσεως, την χρήση ελαφρύτερων υλικών, νέας τεχνολογίας λιπαντικών κ.α. Ήδη πολλές από αυτές τις τεχνολογίες εφαρμόζονται στους σύγχρονους κινητήρες (άμεσος ψεκασμός, downsizing κ.α.) με σκοπό την παραγωγή ίδιου έργου με λιγότερη ποσότητα καυσίμου.

Αναλυτικότερα…

Ο κύκλος Carnot είναι ένας υποθετικός κύκλος και αναφέρεται ως μέτρο σύγκρισης για τους πραγματικούς κύκλους. Ο συγκεκριμένος κύκλος αποδεικνύει πως μία θερμική μηχανική δεν μπορεί να μετατρέψει όλη την θερμική της ενέργεια σε μηχανική ακόμη και υπό ιδανικές συνθήκες. Ο κύκλος Carnot βασίζεται σε μια μηχανή με εξωτερική πηγή θερμότητας όπου ένα μέρος την μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια ενώ την υπόλοιπη την αποβάλλει σαν θερμική προς ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία. Η απόδοση μίας μηχανής είναι πάντοτε ένας αριθμός μικρότερος της μονάδας ακόμη και όταν η μηχανή είναι ιδανική.

Ανεξαρτήτως της μορφής ενέργειας που παραλαμβάνουν (χημική, θερμική, ηλεκτρική, υδραυλική κ.α.) όλες οι μηχανές μετατρέπουν μόνο ένα μέρος της ενέργειας αυτής σε μηχανική ή έργο.

Ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος (αρχή Carnot) λέει πως η θερμότητα ρέει από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα και ποτέ αντιστρόφως. Έτσι, γίνεται αντιληπτό πως η απόδοση μίας μηχανής εξαρτάται πάντα από τη θερμοκρασία του θερμού σώματος που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη καθώς το ψυχρό σώμα είναι συνήθως το περιβάλλον (νερό, αέρας). Ο S.Carnot ήταν από τους πρώτους που περιέγραψαν πως για να παραχθεί έργο πρέπει να υπάρχει ροή θερμότητας από μία θερμή πηγή προς μία άλλη με χαμηλότερη θερμοκρασία. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του θερμού και του ψυχρού σώματος τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση/έργο της μηχανής.

Ερώτηση: Γιατί η απόδοση του κινητήρα να ταυτίζεται με την ιπποδύναμη και όχι με την ροπή; Στις ιππήλατες άμαξες η συγκεκριμένη μέτρηση όριζε το μέγεθος της ελκτικής δύναμης. Σε ένα αυτοκίνητο ποια είναι η ελκτική δύναμη; Μήπως η κινητήρια δύναμη προέρχεται από την ροπή του κινητήρα; Θα μπορούσαμε να μιλάμε για χιλιογραμμόμετρα αντί για ίππους ως μέτρο σύγκρισης αυτοκινήτων;

Ετικέτες

Nίκος Ι. Mαρινόπουλος

Πρόκειται για τον δημιουργό και συντονιστή του καρότου με τις περισσότερες τεχνολογικές βιταμίνες σε όλον τον κόσμο!

Σχόλια

  1. Γιατί η ροπή είναι ένα τόσο δυσκολονόητο φυσικό μέγεθος;
    Ρωτάω ως ένας αδαής περί της Φυσικής, ο οποίος δεν μπορώ να καταλάβω πολύ καλά την έννοιά της (ροπή) και πώς αυτή μετριέται στους κινητήρες.
    Θα ήμουν ευγνώμων εάν κάποιος από την κοινότητα του http://www.caroto.gr μπορούσε να με βοηθήσει να κατανοήσω καλύτερα τι είναι η ροπή.

    Ευχαριστώ πολύ εκ των προτέρων.

  2. Έχω την εντύπωση ότι η ελκτική δύναμη είναι αυτή που μας ενδιαφέρει πρακτικά σε ένα όχημα. Χάρη στο κιβώτιο ταχυτήτων όμως η τιμή της ελκτικής δύναμης πολλαπλασιάζετε όταν έχουμε ανάγκη για όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ροπή (εκκίνηση ή ανηφόρα). Παράλληλα η μέγιστη ροπή πάντα κορυφώνεται στις μεσαίες στροφές, με αποτέλεσμα να αποτελεί μέτρο σύγκρισης για την ελαστικότητα ή την ευστροφία του κινητήρα, όχι όμως για το έργο που παράγει ο κινητήρας ανά μονάδα χρόνου. Το έργο μπορούμε να το υπολογίσουμε από την ισχύ και για καλύτερο μέτρο σύγκρισης μιλάμε για την μέγιστη ισχύ που αποδίδεται με πλήρες φορτίο στον μέγιστο (συνήθως) ρυθμό περιστροφής. Βέβαια είναι εφικτό να υπολογιστεί η ισχύς ενός κινητήρα από την ροπή, αλλά ποιος θα μας έδινε την ροπή του κινητήρα στις 6.οοο rpm, όταν μάλιστα αυτή είναι μικρότερη από την ροπή στις 3.000 rpm; Τέλος η καμπύλη ροπής και το ζυγολόγιο αποτελούν ένδειξη της επιτάχυνσης ενός οχήματος, ενώ ο αεροδυναμικός συντελεστής και η ιπποδύναμη ένδειξη της τελικής ταχύτητας που θα έχει το όχημα.

  3. Η ροπή είναι στην κυκλική κίνηση ότι είναι η δύναμη στην ευθύγραμμη. Στην ευθύγραμμη η δύναμη «σπρώχνει» η «τραβάει», στην κυκλική η ροπή προσπαθεί να «περιστρέψει». Στη ροπή μιλάμε πάντα για περιστροφική κίνηση δηλαδή ότι συμβαίνει στον κινητήρα μέχρι τους τροχούς. Στη συνέχεια αυτή η ροπή γίνεται η δύναμη που σπρώχνει το αμάξι, όσο πιο πολλή ροπή τόσο πιο δυνατά αισθάνεσαι την επιτάχυνση.
    Η απόδοση έχει να κάνει με το ποσοστό μετατροπής της ενέργειας από τη διαθέσιμη μορφή στην επιθυμητή μορφή. Η απόδοση αν και στην επιστήμη είναι αυστηρά ορισμένο μέγεθος, στην αυτοκινητιστική καθομιλουμένη είναι όρος λάστιχο που συνήθως περιγράφει σύγκριση με κάποιο βασικό επίπεδο αναφοράς. Σύνηθες η σύγκριση κινητήρων ίδιων κυβικών οπου αυτός με μεγαλύτερη ιπποδύναμη έχει καλύτερη «απόδοση». Τέτοιες συγκρίσεις καταλήγουν κάποιες φορές σε ανακολουθίες και παραλογισμούς όπως πχ το RX8 που έχει καταπληκτική «απόδοση» ίππων σε σχέση με τον κυβισμό του, αλλά χείριστη απόδοση θερμοδυναμικά μιλώντας.
    Επίσης η απόδοση συνοδεύει κάθε τμήμα η υποσύνολο που μετέχει στην παραγωγή και μεταφορά ενέργειας η και συνολικά το αυτοκίνητο εντείνοντας τη σύγχυση.
    Η βελτίωση της γενικής απόδοσης σήμερα γίνεται κυρίως μέσω της προσπάθειας ελαχιστοποίησης των απωλειών αφού οι επεμβάσεις στην απόδοση του κινητήρα είναι ελάχιστες και με δεδομένα καύσιμα και τεχνολογία έχουν σχεδόν απόλυτα όρια, (πχ δεν μπορείς να αυξήσεις τη σχέση συμπίεσης σε βενζινοκινητήρα στο 16 προς 1 γιατί θα αυταναφλέγεται το καύσιμο).
    Επεκτείνοντας το ερώτημα του αρθρογράφου ως προς τι χαρακτηρίζει την απόδοση ενός κινητήρα, πιστεύω ότι πιο σωστή είναι η «ειδική κατανάλωση» καυσίμου αντί ροπής/ιπποδύναμης.
    Και πάλι όμως η απόδοση ενος αυτοκινήτου με τον ίδιο κινητήρα θα ήταν διαφορετική αν απλά άλλαζε το βάρος η το σχήμα του.

  4. Νομίζω πως η απόδοση ενός αυτοκινήτου θα πρέπει να μετράται βάσει του συνολικά ωφέλιμου έργου που παράγει, δηλαδή πόσο θα κάψει για να σε πάει από το Α σημείο στο Β με ίδιες φυσικά συνθήκες. Για να μεγιστοποιήσει την απόδοση του θα πρέπει να ελαχιστοποιήσει το καύσιμο. Τώρα αν αυτο θα το κάνει μειώνοντας το βάρος του, αυξάνοντας την θερμοδυναμική απόδοση του κινητήρα, βελτιώνοντας το κιβώτιο, μειώνοντας τις αεροδυναμικές αντιστάσεις που σε ταχύτητες άνω των 80 είναι υπεύθυνες για το μεγαλύτερο μέρος της κατανάλωσης καυσίμου είναι θέμα του κατασκευαστή. Φυσικά, επειδή το αυτοκίνητο είναι χρηστικό αντικείμενο πρέπει όλα να γίνονται με μέτρο, τουτέστιν τι να κάνεις την υψηλή απόδοση εαν θα έχεις ένα αυτοκίνητο που δεν είναι ασφαλές ή δεν αναπτύσει ταχύτητα με αποτέλεσμα να κάνει χρονοβόρες τις μετακινήσεις. Ιδανικά η απόδοση θα δινόταν από έναν αριθμό (ακόμα καλύτερα αδιάστατο) που θα λαμβάνει όλα τα πραπάνω υπόψη, ροπή, ιπποδύναμη, βάρος (συνηθίζεται να δίνεται σα στοιχείο το κιλά/ίππο), αεροδυναμικές αντιστάσεις κτλ. Αυτό που μου κάνει εντύπωση είναι πως δεχόμαστε ως δεδομένο το ότι πετιούνται εξαρχής τα 2/3 της ενέργειας του καυσίμου μας. Είναι άραγε τόσο δύσκολο να ανακτηθεί η ενέργεια των καυσαερίων, να μετατραπεί δηλαδή από θερμική σε μηχανική, με πιθανό ενδιάμεσο στάδιο την ηλεκτρική; Οι ατμομηχανές, που ως κινητήρες εξωτερικής καύσης έιχαν ακόμη χειρότερη απόδοση, αυτό κάναν. Είναι δύσκολο η έξοδος των καυσαερίων να συνδυαστεί με compact ατμοκινητήρα ή κινητήρα stirling; Επίσης αναρωτιέμαι κατά πόσο η κινητική ενέργεια των καυσαερίων που μέχρι τώρα την χρησιμοποιούμε μόνο στους τουρμο κινητήρες, μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική περιστρέφοντας μόνιμους μαγνήτες. Όπως και να έχει ο κινητήρας εσωτερικής καύσης ήταν από την πρώτη στιγμή που κατασκευάστηκε πεπαλαιωμένος.

  5. Αγαπητοί «Johnny555» και «komitis», σας ευχαριστώ πάρα πολύ για τις πληροφορίες, για τον κόπο που κάνατε και το χρόνο που διαθέσατε για να απαντήσετε στην ερώτησή μου. Βεβαίως, τώρα έχω περισσότερες ερωτήσεις (π.χ. τι είναι το «ζυγολόγιο» που έγραψε ο «Johnny555») αλλά μόνο έτσι θα μάθω κάποια πράγματα.
    Σας ευχαριστώ και πάλι!

  6. Με τη λέξη ζυγολόγιο εννοούσα τη μέτρηση του μικτού βάρους που ζυγίζει το όχημα με καύσιμα και οδηγό. Υπάρχουν και κάποιοι μαθηματικοί τύποι αν δεν κάνω λάθος, βάσει των οποίων μπορείς να υπολογίσεις την ιπποδύναμη ενός οχήματος από το βάρος του και τον χρόνο κατά τον οποίο επιταχύνει από μια δεδομένη ταχύτητα σε μια άλλη. Με λίγο googling βρήκα αυτό: http://www.nissantuners.gr/forum/index.php?topic=3065.0;wap2

  7. Να προσθεσω οτι ο κυκλος Otto υστερει στην πραξη με τον κυκλο Diesel γιατι στον πρωτο υπαρχει η πεταλουδα στην εισαγωγη που σε καταστασεις μη-πληρους φορτιου δυσκολευει στην «αναπνοη».
    Τωρα οσο για το ερωτημα που εθεσες. Στην ουσια ο κινητηρας δημιουργει μια κυκλικη κινηση (στον στροφαλοφορο) κι αυτη μεταφερετε στους τροχους. Η ροπη αυτη που περιστρεφει τον αξονα ειναι η δυναμη που εφαρμοζεται απο τους διωστηρες, αυτη ειναι η κινητηρια δυναμη (μεχρι να φτασει στους τροχους βεβαια εχει καποιες απωλειες).Η ελκτικη δυναμη εφαρμοζεται στους τροχους, ειναι δυναμη αντιδρασης της κινητηριας απο το οδοστρωμα (που στην ουσια αυτη κινει το οχημα) και προκυπτει ετσι:
    Pελ=Mτρ/rτρ
    Μτρ=ροπη τροχου
    rτρ=ακτινα τροχου
    H ελκτικη δυναμη ονομαζεται ο λογος μεταξυ της ροπης του ημιαξονιου ως προς την ακτινα του κινητηριου τροχου.
    Η Pελ ειναι ιση (αλλα αντιθετη) με την κινητηρια δυναμη.
    Οσο για την ισχυ ενος κινητηρα κανονικα την μετραμε με Watt(μοναδα ισχυος) αλλα εχουμε συνηθισει να την μετατρεπουμε σε ιπποδυναμη, μαλλον για λογους μαρκετινγκ. Οπως ειπε και καποιος παραπανω η μεγιστη ροπη σε εναν κινητηρα εμφανιζεται στις μεσαιες στροφες (2500-4000 στροφες πανω κατω), η μεγιστη ισχυς ομως του κινητηρα βρισκεται στον κοφτη (η λιγο πιο πριν) οπου παραγεται το περισσοτερο εργο/λεπτο ή εργο/sec (watt).

  8. Διορθωση
    «…Η ροπη αυτη που περιστρεφει τον αξονα ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗ δυναμη που εφαρμοζεται απο τους διωστηρες, αυτη ειναι η κινητηρια δυναμη (μεχρι να φτασει στους τροχους βεβαια εχει καποιες απωλειες)…»

    1. Δεν συνδέεται, κυρίως διότι οι rpm δεν είναι συνδεδεμένες με την στιγμιαία ισχύ που παράγεται αλλά μόνο με τη μέγιστη δυνατή ισχύ που είναι δυνατό να παραχθεί σε αυτές τις rpm.
      Παράδειγμα: Από το διάγραμμα ισχύως/rpm προκύπτει οτι ένας diesel κινητήρας έχει π.χ. 70 PS στις 2000 rpm. Στην πραγματικότητα αυτή είναι η ΜΕΓΙΣΤΗ ισχύς που μπορεί να αποδώσει.
      Όταν κινείσαι με σταθερή ταχύτητα και με 2000rpm ο κινητήρας ΔΕΝ αποδίδει ισχύ 70 PS αλλά πολύ λιγότερη αφού απλά αποδίδει αυτή που χρειάζεται για να αντισταθμίσει τις τριβές (ας πούμε 40 PS).
      Αν τώρα πατήσεις τέρμα το γκάζι ο κινητήρας θα αναγκαστεί να αποδώσει τη μέγιστη ισχύ των 70 PS, και το αυτοκίνητο θα αρχίσει να επιταχύνει αφού η ισχύς που παράγεται πλέον θα είναι περισσότερη από την ισχύ που καταναλίσκεται σε τριβές και η πλεονάζουσα θα γίνεται κινητική ενέργεια.
      Συνοψίζοντας οι 2000rpm από μόνες τους δεν λένε τίποτα.
      Αν δείς διαγράμματα «ειδικής κατανάλωσης καυσίμου» θα διαπιστώσεις οτι στον οριζόντιο άξονα είναι rpm αλλά στον κάθετο είναι gr/KWh δαλαδή η κατανάλωση για δεδομένες στροφές είναι ανάλογη της ισχύως που ζητήται.
      Στο ίδιο διάγραμμα θα βρείς την απάντηση που πιθανολογώ οτι ψάχνεις: που καταναλώνεις το λιγότερο καύσιμο ανα ζητούμενη μονάδα ενέργειας.
      Στους κινητήρες diesel των επιβατηγών αυτό συμβαίνει κοντά στις 2000 rpm.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Back to top button
Close
Close