COMBUSTION Effizienzsteigerung von Motoren

COMBUSTION Effizienzsteigerung von Motoren

Theoretische Modellierung von Wärme -Motoren und in der Tat die Erscheinung der Thermodynamik als ein Zweig der Physik hat einen Durchbruch nach der Veröffentlichung von Sadi Carnot seiner Studie mit dem Titel " Reflexions sur la puissance du feu et sur ​​les Maschinen Fahren propres à cette developper puissance " erlebt ( in 1824) .
Es wird angenommen, monothermal Dass in einem zyklischen Prozess , nur mechanische Arbeit in Wärme umgewandelt werden kann , aber nicht umgekehrt. Um die Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit erhalten, ist es notwendig, dass Wärme-Maschine mit zwei Wärmequellen bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet .
Carnot vorstellen das ideale Jahr Arbeitsprinzip für reversible Maschinen BITHERM deren Leistungen gezeigt hat , die obere Grenze für eine wirkliche thermische Welche Maschinen zwischen den gleichen extremen Temperaturen wie die Carnot -Zyklus betrieben ergeben.
Echter thermischen Maschinen unterscheidet sich von der idealen Weil Sie bewegliche Teile haben mit Reibung und Wärmeverlust und diese Tatsachen ändern die Energiebilanz .

Carnot Zyklus

Figur . Präsentiert 11 ist die ideale Maschine Zyklus einer thermischen oft als , , der Carnot -Zyklus aufgerufen. " . Dieser Zyklus besteht aus vier Prozesse . Zwischen den Zuständen A und B gibt es die Erweiterung der Isotherme Gas, wobei der Zylinder in thermischen Kontakt mit der heißen Quelle bei der Temperatur T1 . In dieser Ausbau -Isotherme , empfängt das Gas eine Wärmemenge Q1 von der Wärmequelle .
Dann wird der Kontakt mit heißen Quelle unterbrochen wird und Gas, das unter adiabatischen Expansion Jahr zwischen den Zuständen B und C. Im Zustand C erreicht die Abgastemperatur T2 gleicher Temperatur mit der Temperatur der kalten Quelle .
Im Zuge der A - B und B - C Transformationen Gasmoleküle mechanische Arbeit erzeugt am Kolben ( schiebt ) und dieser das Schwungrad zu drehen .
Sobald Erreichen der Temperatur T2 , wird das Gas in thermischem Kontakt mit dem zweiten Tank genannt kalten Wärmequelle . Wegen der Trägheit, dreht das Schwungrad ferner während der Kolben in Eingriff steht und zu komprimieren isotherm (bei ​​T2) Gas zwischen C und D in dieser Isotherme Kompression Gasübertragungen Wärmequelle zu der Wärmemenge Q2 Jahr . Im Zustand 4 wird der thermische Kontakt mit der kalten Quelle unterbrochen und adiabatische Kolben komprimiert das Gas in den ursprünglichen Zustand , wenn die Temperatur wieder T1 .
Wenn der Zyklus im Uhrzeigersinn erfolgt , wird dies als direkte Carnot -Zyklus. Die gesamte Arbeit geliefert (L > 0) , in Form von Koordinaten pV in Abbildung 11 wird der Bereich innerhalb des Zyklus enthalten sind, positiv durch Konvention sein .
Wie Sie sehen können, ist der Bereich von zwei Isothermenkurven auf Abschnitte AB und CD und zwei adiabatischen Kurven in Portionen BC und DA beschrieben . Diese Transformationen sind die idealen Bedingungen betrachtet und mit dem Motor runnig nach dieser Hitze Zyklus Idealerweise würde ergeben :
η = (T1 - T2) / T1
T1 - Temperatur des warmen Quelle
T2 - Temperatur des kalten Quelle
Um diese Leistungen in der Praxis zu erreichen, sollte der Übergang von T1 bis T2 abrupt geschehen , so dass Dämpfe nicht auf der Straße und mittleren Temperaturen Konvertierungen müssen perfekt reversible erfüllen .
In der Realität wird diese Effizienz nie geächtet und manchmal die Ausbeute ist ziemlich weit davon entfernt. Als eine allgemeine Vorstellung von Wärme Wirkungsgrad des Motors variiert ziemlich breit , wie folgt:
• Einfache Dampf = 2 %
• Dampf verfeinert = 20%
• Dampfturbinen = 25%
• Vergaser = 35 %
• Dieselmotor = 45 %

Wie die Effizienz der Verbrennung zu verbessern?

Dieses Material ist die Erweiterung einer früheren Texte und verdeutlicht wichtige Aspekte , wie man im Grunde laufen die Verbrennung , um maximale Arbeit zu erreichen. Der wichtigste Punkt wollen wir die Verwendung von Wasser klären direkt in den Zylinder eingespritzt oder als Emulsion oder Lösung , um die mechanische Leistung zu erhöhen .

Kann mit entionisiertem Wasser oder normale Kraftstoff in die Verbrennungskammer zugeführt Zylinder direkt zur Verbesserung der Motorleistung emulgiert ?

Wie zuvor beschrieben, erzeugt Jahr Verbrennungsmotor mechanische Arbeit aufgrund des Druckgradienten durch den Kraftstoff in dem Zylinder verbrannt erzeugt . Im Allgemeinen werden Verbrennungsmotoren auf Erdgas ( Druck LPG) , Benzin, Diesel und andere Erdölprodukte Destillationsfraktionen läuft.
Ich sah im Internet, die schlagen ein paar Patente , um Wasser in unterschiedlichen Anteilen von 10 bis 40 % auf flüssige Brennstoffe , um den Wirkungsgrad des Motors erhöhen hinzuzufügen. Bis vor einigen Jahren dachte ich, dass müsste Diese Patente sind absurd , oder so scheint es aus der Sicht der klassischen Physik . Es ist nicht sicher, dass für einen Kraftstoff hat einen Heizwert zulässig , mit einem nicht brennbaren Substanz dessen, was Brennwert Das reduziert natürlich und Sie behaupten, am Ende erhalten Sie eine höhere Ausbeute an Motorbetrieb verdünnt werden. Nun , jemand sorgfältig, wenn Analysiert die Phänomene in Bezug auf eine neue Theorie der Thermodynamik, scheint dies die einfachste und naheliegendste Möglichkeit, Wärme umwandeln (oder ein großer Teil dieser Wärme ) direkt in mechanische Arbeit.
Obwohl die eigentliche thermodynamischen Diese nicht zahlen Aufmerksamkeit auf Patente, die CAN sorgfältige Untersuchung der Verbrennung beweisen, dass diese Patente eine sehr einfache und intuitive wissenschaftliche Erklärung haben .
Betrachten wir einmal den Dieselmotor und machen einen Vergleich zwischen dem Betrieb eines Motors Solche octan und danach eingespeist, mit einer Mischung mit 45% Oktan , 50% Wasser und 5% Emulgator. Natürlich sind wir in den Wirkungsgrad des Motors interessiert , ausgedrückt durch die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu erzeugen , für zwei brennbaren dieser Stoffe.
Der Einfachheit halber wollen wir wieder davon aus, dass der Injektor befohlen wird, jedes Mal, wenn ein Brennstoff Volumen von 0,1 ml bei der Zündung Phase und das Volumen der Verbrennung Zylinder 0,7 Liter erhalten .
Mit normalen Kraftstoff ( Oktanzahl pure Einfachheit halber ) im normalen Betriebszyklus des Motors nach der Verbrennung Bände haben wir die folgenden :

denn wir Reaktionsenthalpie ist AH = -5460 kJ / mol.
Ein Mol flüssiges Oktan nehmen ein Volumen von etwa 0,2 L , während ein Mol Gas ( Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasser) nimmt ein Volumen von 22,4 L. Von der Stöchiometrie der Gleichung haben wir 12,5 Mol Sauerstoff , dass diese 280 Liter ist eine Einrichtung verbraucht während Oktan Verbrennung eines Maulwurfs . Nach dem Brennen aufgrund der RHE Reaktionsbedingungen , sind alle Produkte in gasförmiger Form geführt , welche die betreffenden Produkte besetzen 381 L.
Wenn der Injektor nimmt nur 0,1 ml Octan auf den Zylinder , bedeutet dies, dass sie die Zulassung während der geforderten minimalen Volumen von 0,14 l Sauerstoff sein , und das bedeutet eine minimale Luftvolumen von 0,7 L. Die resultierenden Volumina zu geben, dass 0.0896 L CO2 Berechnungen und 0,1008 l H2O produziert hat. Die Analyse des Motors zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen des Arbeitszyklus hergestellt : unteren Totpunkt , wenn der Zylinder mit Luft gefüllt und der zweiten Phase nach der Verbrennung , wenn nach der Verbrennung Kolben dreht und sich in Richtung des unteren Totpunktes wieder . Die Menge an Stickstoff, dh 0,56 l N2 ( 0,7 minus 0,14) vom Zylinder erwärmt wird und nur nicht teilnehmen chemischen Prozessen.
Wenn pro Mol Flüssigkeit Oktanzahl (200 ml) Ein Betrag von -5460 kJ Wärme erzeugt wird , dann werden 0,1 ml davon produzieren Ausbeuten -2.73 kJ . Auch hier der Einfachheit halber betrachten wir die ganze Hitze der Reaktion, die nur einen Beitrag zur Erhöhung der Abgastemperatur im Zylinder.
Ohne ins Detail zu gehen , lassen Sie uns ungefähre die spezifische Wärme des Gasgemisches aus dem Zylinder mit der Stickstoff Cv = 0,8 kJ / kg K. Für eine detaillierte Berechnung sollte es für jede spezifische Wärme , die spezifische Wärme mit der Temperatur und prozentuale Zusammensetzung zuständig des endgültigen Gas, aber so weit diese Variante ist nicht so groß, wir können dies apporximation für einen angemessenen Charakterisierung des Phänomens machen .

Wir brauchen , um die Masse der Gase während der Verbrennung im Zylinder erzeugt und dies kann von bekannten Beziehungen in der Chemie erhalten werden wissen:
Für Stickstoff :
wobei M = 28 , v = 0,56 l und VM = 22,4
folglich die Masse der Stickstoff in dem Zylinder
ähnlicher Masse von Kohlendioxid   wird 
und die Wasser - Dämpfe 

Die Gesamtmasse der Gase nach der Verbrennung in dem Zylinder zu 0,957 g und das Gemisch wird -2.73 kJ Wärme .
Aus der Definition der Wärmekapazität :

Mit diesen Annäherungen und Idealisierungen , in der letzten Phase der Entspannung, Wenn Verbrennungsgase in die Atmosphäre ausgestoßen werden Ihre Temperatur liegt bei etwa 3500 ° C , und natürlich die Wärme verloren geht .
In der Praxis ist diese Temperatur nicht Kühlkreislauf Wegen der , dass einige Heizleistung des Motors Körper ist nicht isoliert und verlieren nimmt andere direkte Wärmeübertragung usw. erreicht wird. Es wird angenommen, dass die maximale Temperatur bei der Verbrennung des Gasgemisches erzielt zwischen 2000 und 2500 ° C und die Temperatur der Abgase in dem Zylinder zwischen 600 und 900 ° C ist
Praktische Arbeit wird durch die Ausdehnung von Gasen (beheizt Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser) in den Zylinder des Motors Angesichts .
Sicherlich unserem Beispiel ist rein theoretisch , aber es kann leicht auf die reale Modellierung angepasst werden.
Mal sehen, was passiert, wenn der Kraftstoff enthält 50% Wasser und zur Vereinfachung emulsifinat die Macht hat die gleichen Kalorien wie Oktan .
In diesem Fall , obwohl die Einspritzeinrichtung zu dem gleichen Volumen von Flüssigkeit in Richtung Zylinder ( 0.1 ml) ist octan nur 0,05 ml 0,05 ml und der Rest ist Wasser. Natürlich Experiment erfolgt ohne Änderung der technischen Merkmale des Motors ( die Einnahme Bühne nimmt die gleiche Menge an Luft und so weiter ) .
Wiederholen Sie die gleiche Berechnung oben wir 0,05 ml Oktan dass die Hälfte der Wärme produzieren Bevor verbraucht die Hälfte des Sauerstoffs in der Verbrennungszylinders Wird die Hälfte der Kohlendioxid und Wasser Produziert zuvor erzeugte haben .
Wenn Sie 0,05 ml Octan Injektor zum Zylinder , und die Aufnahme von Luft beträgt 0,7 l nehmen , wird es ein Überschuss an nicht umgesetzten Sauerstoff, Verbrennung während Denn es ist nur 0,07 konsumierte . Von Reaktion in diesem Fall 0.0448L Wir erhalten 0,0504 L von CO2 und H2O .
Die Menge an Stickstoff und überschüssiger Sauerstoff , dh 0,63 l ( 0,7 bis 0,07 ) innerhalb des Zylinders Taken nur und nicht teilnehmen Chemical Processes erhitzt wird , wird das Brennen in diesem Fall ca. 1365 kJ freizugeben. Auch hier der Einfachheit halber betrachten wir die ganze Hitze der Reaktion, die nur zur Verdampfung von Wasser im Kraftstoff aufgenommen und erhöhen auch die Zylinder Temperatur.
Um flüssiges Wasser in Dampf zu 0,05 ml Verbesserte Verbrennung -07 wiederum ist erforderlich.
Diese Ergebnisse sind erstaunlich. Obwohl wir 50% Wasser im Kraftstoff eingeführt , und das Wasser stieg in den Zylinder gedämpft , und natürlich diese erstellt einen größeren CAN Dampfdruckgefälle Weitere , die nützlich sein umgewandelt in mechanische Arbeit kann, wird die Temperatur der Abgase noch groß genug, um Sie benötigen eine sekundäre Kühlung für den Motor als Ganzes. Ich bin sicher, dass jemand die in der Lage Will um allgemeine mechanische Arbeit Selbst mit 20 % Brennstoff und 80 % Wasser und in diesem Fall ist die Ausbeute der Überführung bereits Motor Carrnot Solche Grenzen .

 Kommen wir zurück zu unserem Beispiel wird die Wärme aus dem System entfernt werden 1,23 kJ .

Wenn wir die obigen Berechnungen , um die Temperatur der Abgase aus dem Zylinder in den Brennraum Anbetracht Bedingungen ideal bekommen wiederholen , erkennt man, dass es etwa 1.500 ° C werden
Gasmasse im Zylinder nach dem Brand :
Für Stickstoff : 
wobei M = 28 , v = 0,56 l und VM = 22,4
folglich die Masse der Stickstoff in dem Zylinder 0,7 g
 Sauerstoff - 
ähnlicher Masse von Kohlendioxid  wird 
 Wasserdampf und 
Aus der Definition der Molwarme :

Mit diesen Annäherungen und Idealisierungen , in der letzten Phase der Entspannung, Wenn Verbrennungsgase in die Atmosphäre ausgestoßen werden Ihre Temperatur liegt bei etwa 1.500 ° C , und natürlich diese sekundäre Wärme verloren geht .
Das Experiment zeigt , obwohl die US Dieser kleine Temperaturgradienten verloren geht, ist eine erhebliche Zunahme der Nützliche Arbeit aufgrund der Verdampfung des Wassers in dem Zylinder, der einen Gradienten der Druck erzeugt, kann erhalten werden.
Das Buch wird eine genauere Berechnung der Ausbeute nützliche Arbeit für ideale und reale Fälle .
Obwohl diese Berechnung für das Jahr ideale Motor fertig war, ist die Modellierung sehr leicht zu realen Motoren in einer Weise, dass eine Rate von bis zu 75% oder sogar 80 % Kann emulsionated Wasser im Kraftstoff angepasst werden. Natürlich wirft Jahr Erhöhung des Anteils von Wasser im Kraftstoff Fragen im Zusammenhang mit Verbrennung , Korrosion und so weiter, aber das sind sekundäre Probleme, die leicht überwunden werden .
Was ist nicht in der aktuellen thermodynamischen und von vielen Theoretikern verstanden , ist die einfache Tatsache, dass im Wesentlichen Jahr CAN Motor ohne die Notwendigkeit für zwei Wärmequellen betrieben . Die Need fo die Wärmeübertragung Gegen kalte Quelle ist nur aus der Praxis notwendigen Voraussetzungen becasuse es dammage den Motor , aber es ist nicht eine , die " Notwendigkeit.
Ein solcher Motor kann leider nicht so ferner Verbrennungsmotor klassifiziert werden : "Er ist eigentlich eine Dampfmaschine Verbrennung mit direkter Dampferzeugung im Zylinder Verbrennungsmotor kombiniert .

Wie kann die Erzeugung von Strom in der plantpower verbessert werden?

Etwa 80% der Elektrizität in der Welt wird auf Brennstoffen (Kohle, Öl , Biomasse, etc.) basiert. Beispiellose Wachstum des Stromverbrauchs ernsthafte Umweltverschmutzung , Klimawandel und erzeugt eine Menge andere Schäden nachteilig Das betrifft den gesamten Planeten.
Sicherlich gibt es eine Tendenz , um die Auswirkungen der menschlichen industriellen Tätigkeit durch eine Reihe von Verordnungen zu begrenzen, aber Wichtige playerss ist immer noch zögern, restriktive Regeln einzuführen. Ihre Zurückhaltung ist aufgrund der Tatsache, dass die Annahme dieser Regeln erforderlichen Investitionen zu begrenzen Schadstoffe sind .
Natürlich Früher oder später wird es notwendig sein , um eine saubere Energieerzeugung ohne sekundäre Emissionen haben , aber diese Forschung befasst sich mit der aktuellen Situation und zeigt, dass die Energieerzeugung ohne Regulierung mindestens verdoppelt werden , ohne Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs werden. Das heißt, wir können die Energie -Produktion verdoppeln , pflegen die aktuellen Grenzen der Schadstoffemissionen , ist das bereits ein großer Schritt .

Konventionell-thermische Produktion ist durch den Rankine -Zyklus zeigt. Januar .

Abbildung 1 . Vereinfachte Rankine Cycle L Herstellung der mechanischen Arbeit
In diesem Zyklus das Volumen des Wassers erfährt körperliche Veränderungen (Verdunstung , Kondensation, Temperatur erhöhen oder Abnahme) als Folge von Kontakt mit zwei Tanks Wärme bei verschiedenen Temperaturen. Wasser wird im Kessel und der Turbine DANN die übertragen zu versenden verdampft mechanische Arbeit verrichtet und das weitere Drehen der Turbine erzeugt Strom. Das Schiff wird dann dann zum Kondensator und zur Wärmepumpe geleitet und Platzierte wieder in den Heizkreislauf .
Derzeit nimmt der Verbrennung in Kraftwerken bei konstantem Druck (Atmosphärendruck) und dies führt zu Ertragseinbußen , da die Steigung der Druck während der erzeugt wird , dass die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen können nicht verwendet werden .
Um die Ausbeute des gesamten Verfahrens zur Verbesserung der Verbrennung von Brennstoff sind in einem großen Turbomotoren durchgeführt werden , und in diesem Fall wird der Druckgradient als Mechanische Leistung zuerst wiederhergestellt , und der Gradient der Temperatur auf dem Rankine -Zyklus übertragen Weitere Trommeln in mechanische Leistung wie in Abb. umgewandelt. Februar statt. .

Abbildung 2 . Verbesserte Version des flüssige Brennstoffe

Unter diesen Bedingungen Verbesserte Verbrennungsgasturbine nur mechanische Arbeit erholte sich von (L1 ) größer ist als die Arbeit Produkt L klassischen Rankine -Zyklus ( Abb. 1). Verwendung weiterer als Agent der Verdampfung / Kondensation Jahr organische Verbindung oder einer Mischung von organischen Verbindungen besser von unten verwenden , dass die Temperaturen in diesem Zyklus , die mechanische Arbeit gewonnen werden kann doppelte Arbeit für klassischen Rankine -Zyklus erhalten.
Natürlich für neue Kraftwerke ausgelegt ist, kann der Rankine- Zyklus vollständig abzuweisen und die maxi -Turbomotoren muss entworfen, um eine Wasser -Kraftstoff- WEDER emmulsion direkt verwenden oder um Wasser in die Brennkammer zu injizieren und erholen sich so viel wie possibl mechanische Leistung werden.