Πως αποδίδεται… η απόδοση;

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.

Τι 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;