تصویر
«بازده حرارتی» موضوعی است که همواره در خودروهای سوختی مطرح است. اگر می خواهید کارایی بالا داشته باشید، به راندمان بالا نیاز دارید و اگر مصرف سوخت پایین می خواهید، به راندمان بالا نیز نیاز دارید. اما بازده حرارتی یک موتور احتراق داخلی تا چه حد می تواند به استاندارد بالایی برسد؟
بالاترین استاندارد برای موتورهای تولید انبوه از 45٪ تجاوز نمی کند. در حال حاضر، چرخه 1.5L NA Atkinson BYD دارای بالاترین استاندارد 43.02 درصدی است. استانداردهای اکثر موتورها حدود 35 درصد است. راندمان حرارتی موتورهای دیزلی در محدوده 35 تا 45 درصد است که چندان زیاد نیست.
آیا راهی برای افزایش قابل توجه راندمان حرارتی موتور وجود دارد؟ اگر بتوان آن را به نصف یا حتی دو برابر سطح فعلی افزایش داد، آینده خودروهای سوخترسان چگونه خواهد بود؟
تصویر
راندمان حرارتی موتورهای احتراق داخلی نمی تواند بالا باشد، که این یک واقعیت بسیار ناتوان است. موتورهای با راندمان حرارتی فوق العاده بالا که هنوز در آزمایشگاه قرار دارند کمی بیش از 50٪ هستند و موادی که استفاده می کنند "مواد کامپوزیت سرامیکی" هستند. در اینجا به اصطلاح سرامیک برای سوزاندن استفاده می شود مفهوم سرامیک برای ساخت بطری و شیشه متفاوت است. این یک ماده نانوکامپوزیت با استاندارد بالا است و هزینه ساخت آن بسیار بالا است.
و حتی راندمان حرارتی این موتور سرامیکی تنها حدود 50 درصد است. چه چیزی بازده حرارتی موتورهای احتراق داخلی را محدود می کند؟ ! به تصویر زیر مراجعه کنید.
تصویر
تلفات ورودی و خروجی، تلفات سایش، تلفات خنک کننده و تلفات کفایت احتراق، اغراق آمیزترین این تلفات "اتلاف خنک کننده" است. به اصطلاح موتورهای احتراق داخلی یا موتورهای احتراق خارجی «موتورهای حرارتی» هستند که بر انرژی گرمایی تولید شده از سوختن سوخت متکی هستند. و سپس از طریق یک ساختار مکانیکی پیچیده به انرژی مکانیکی یعنی قدرت تبدیل می شود.
قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که انرژی گرمایی از اجسام با دمای بالا به اجسام با دمای پایین منتقل می شود. دمای شعله احتراق سوخت بسیار بالاست. بنزین می تواند به 1200 درجه برسد و گازوئیل می تواند به 1800 درجه برسد. می توان دید که انرژی گرمایی تولید شده چقدر اغراق آمیز است. و دمای بدنه موتور به مراتب کمتر از دمای شعله است، اما جنس موتور نیز محدودیت دارد. اگر از آستانه فراتر رود، ذوب می شود. بنابراین، این ماده مقدار زیادی انرژی گرمایی را جذب می کند، اما تنها نمی تواند انرژی گرمایی را جذب کند، بنابراین یک سیستم خنک کننده مورد نیاز است.
تصویر
سیستم خنک کننده به دو بخش تقسیم می شود. یکی فن الکترونیکی خارجی و جریان هوا است که انرژی گرمایی بدن را از بیرون جذب می کند تا خنک شود. دیگری خنک کننده ضد یخ داخلی است که انرژی گرمایی حاصل از احتراق را جذب می کند و آن را از داخل خنک می کند. فقط از این طریق می توان از ذوب شدن مواد موتور جلوگیری کرد. آسیب می بیند، اما مقدار زیادی از انرژی گرمایی را نیز از دست می دهد (جذب می کند) و بخشی که می تواند به برق تبدیل شود بسیار کاهش می یابد.
تصویر
بنابراین اگر می خواهید راندمان حرارتی موتور را بهبود بخشید، هسته اصلی کاهش تلفات خنک کننده است. راه کاهش آن افزایش حد مقاومت حرارتی مواد موتور است. در حال حاضر، به نظر می رسد که مواد با استاندارد بالا که می توان انتخاب کرد، بسیار محدود است. مواد کامپوزیت نانو سرامیک را می توان در نظر گرفت، اما با این مواد هزینه ساخت یک موتور مضحک خواهد بود.
در نتیجه موتور احتراق داخلی وارد یک چرخه بی نهایت شده است. هزینه ساخت موتورهای احتراق داخلی با راندمان بالا بسیار بالا است و امکان عمومیت وجود ندارد. راندمان حرارتی موتورهای احتراق داخلی ساخته شده از مواد معمولی نمی تواند زیاد باشد و محدودیت قدرت و مصرف سوخت بسیار پایین است.
تصویر
انتظار بهبود بازده حرارتی موتورهای احتراق داخلی غیرواقعی است مگر اینکه پیشرفتی در علم مواد حاصل شود، اما هیچ پیشرفتی حاصل نخواهد شد. بنابراین، ما تنها می توانیم از فناوری های دیگر برای ایجاد موتورهای با راندمان بالا در محدوده مواد موجود استفاده کنیم. جهت دستیابی به راندمان بالا "نسوختن روغن" است!
مانند موتورهای الکتریکی.
جریان الکتریکی ورودی به موتور که از طریق بسته باتری قدرت میپیچد، یک میدان الکترومغناطیسی را تشکیل میدهد که میتواند روتور را با "دفع متقابل" قطبهای مغناطیسی آهنربای دائم یا قطبهای مغناطیسی مجموعهای از سیم پیچها به حرکت درآورد. ساختار می تواند بسیار ساده باشد، اما نکته کلیدی اصل تبدیل انرژی مکانیکی است. میدان مغناطیسی به جای انرژی حرارتی، مشکل تلفات خنک کننده حل می شود. ساختار الکترونیکی بسیار ساده است و از دست دادن مقاومت مکانیکی نیز بسیار کم است.
تصویر
بنابراین، حد "بازده حرارتی" موتور می تواند بسیار اغراق آمیز باشد و موتور سنکرون آهنربای دائم استاندارد فوق العاده بالا می تواند به 97.5٪ برسد! این ارتفاعی فراتر از دسترس موتورهای احتراق داخلی است. موتورهای AC آسنکرون تلفات کمی در محدوده سرعت بالا دارند. اگر شباهت ها و تفاوت ها با هم استفاده شوند، کارایی سیستم محرک الکتریکی بسیار ایده آل خواهد بود.
تصویر
موتورهای با راندمان بالا، کارایی بالا و کم مصرف را می توان با استفاده از مواد معمولی ساخت. به نظر می رسد دیگر دلیلی برای مطالعه موتورهای احتراق داخلی وجود ندارد. آنچه اکنون باید شکسته شود، هزینه ساخت باتری های برق است. تا زمانی که بتوان باتری های با چگالی بالا و کم هزینه ایجاد کرد، باتری های برقی و وسایل نقلیه الکتریکی می توانند به طور مستقیم جایگزین وسایل نقلیه سوختی شوند.
پیش از این، تنها لازم بود از فناوری هیبریدی پلاگین و فناوری برد گسترده استفاده شود تا موتور احتراق داخلی بتواند نقش «ژنراتور» را در خودرو ایفا کند. این دستگاه با سرعت کم کار می کند و مقدار کمی از انرژی الکتریکی را برای برآوردن نیازهای رانندگی عادی موتور با راندمان بالا تبدیل می کند. برای خودروها، این حالت معادل رسیدن بازده حرارتی سیستم محرکه به استانداردهای بسیار بالایی است، بنابراین دیگر نیازی به نگرانی در مورد موتور احتراق داخلی نیست.
