Täydellinen lämpövoimakone

Wärtsilän dieselvoimalassa pakokaasujen lämmön talteenotolla on jo vuosia sitten päästy hyötysuhteessa 55 prosenttiin.

Materiaalin vähäinen lämmönkestävyys estää hyötysuhteen helpon noston tuosta eteenpäin, koska juuri moottorissa vallitseva lämpötilaero on ratkaiseva. Keraamisesta moottorista puhuttiin paljon vuosia sitten, mutta sekin idea taisi pysähtyä materiaaliongelmiin.

juurikin näin eli turboahdin ei sinänsä paranna hyötysuhdetta, vaan mahdollistaa suuremman tehon pienemmästä moottorista

martta00 kirjoitti:

juurikin näin eli turboahdin ei sinänsä paranna hyötysuhdetta, vaan mahdollistaa suuremman tehon pienemmästä moottorista

Tämä on kyllä väärä tulkinta edellisestä viestistä. Sekä otto- että dieselmoottorissa painesuhde vaikuttaa kyllä erittäin paljon hyötysuhteeseen. Painesuhteen hyötysuhdetta parantava vaikutus jää sitten vain mäntämoottoreissa sen jalkoihin, että puristussuhdetta ei käytännössä voi kasvattaa, vaan etenkin dieseleissä se jopa laskee.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Tämä on kyllä väärä tulkinta edellisestä viestistä. Sekä otto- että dieselmoottorissa painesuhde vaikuttaa kyllä erittäin paljon hyötysuhteeseen. Painesuhteen hyötysuhdetta parantava vaikutus jää sitten vain mäntämoottoreissa sen jalkoihin, että puristussuhdetta ei käytännössä voi kasvattaa, vaan etenkin dieseleissä se jopa laskee.

Lue lisää

Mitä tarkoitat mäntämoottorin painesuhteella ?
Jos kyseessä on puristustahdin alkupaineen suhde ympäristön paineeseen, se ei vaikuta termodynaamiseen hyötysuhteeseen jos alkupaine tuotetaan loppupaineen energiasta ja suurilla alkupaineilla lämmöt nousee heikentäen hyötysuhdetta enemmän kuin lisätehon suhteellinen kitkahäviöiden tuoma etu.
Yleensä dieselin paras hyötysuhde, siis näillä pienillä nopeakäyntisillä saavutetaan maltillisella ahtopaineella ja teholla, ahtopaineen kasvattaminen tietyn rajan yli heikentää hyötysuhdetta dieseleissä ja bensiinimoottoreissa ahtaminen yleensäkin ellei täytökseen liity takaisin kiertoa.
Asia on helposti todettavissa eri simpukkadiagrammeja vertailemalla.

Painesuhde on ulostulevan ja sisään menevän paineen suhde. Dieselmoottorissa siis palotapahtuman aikaisen paineen suhde puristustahdin alkupaineeseen (turbodieselissä siis yli 1 bar). Tämä EI ole sama asia kuin puristussuhde, joskin perinteisissä mäntämoottoreissa nämä kaksi ovat sidottuja toisiinsa. Piippuvuussuhde on myös puristettavan kaasun koostumuksen, kaasun lämpötilan ja paineen funktio eli turbomoottoreissa riippuvuussuhde ja siten hyötysuhde muuttuvat ahtopaineen funktiona.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Painesuhde on ulostulevan ja sisään menevän paineen suhde. Dieselmoottorissa siis palotapahtuman aikaisen paineen suhde puristustahdin alkupaineeseen (turbodieselissä siis yli 1 bar). Tämä EI ole sama asia kuin puristussuhde, joskin perinteisissä mäntämoottoreissa nämä kaksi ovat sidottuja toisiinsa. Piippuvuussuhde on myös puristettavan kaasun koostumuksen, kaasun lämpötilan ja paineen funktio eli turbomoottoreissa riippuvuussuhde ja siten hyötysuhde muuttuvat ahtopaineen funktiona.

Lue lisää

Oletettavasti tarkoitit pakokanavasta ulos tulevaa painetta, se on eri asia kuin palotapahtuman aikainen paine.
Kuvaamasi suhde on ilman polttoaineen vaikutusta 1 ahtopaineesta, lämpötilasta, puristussuhteesta tai muista kuvailemistasi seikoista riippumatta ja alle 1 jos huomioidaan lämpöhäviöt.
Pakopuolen suurempi paine johtuu polttoaineen palamislämmön hukasta, eli tämä on juuri se haitta eli mitä enemmän otetaan tehoa, sitä suurempi on kyseinen suhde (jonka kuulee jo äänestäkin) ja kääntöpuolena luonnollisesti huonompi hyötysuhde kun paineita karkaa enemmän taivaan tuuliin.

Vielä täydennyksenä:
Myös koko energiatuotantojärjestelmän hyötysuhdetta voidaan tarkastella painesuhteen avulla. Yleisimmin tarkastellaan silloin järjestelmän hyötysuhdetta sähkön tuotannossa. Tämä painesuhde tarkoittaa dieselmoottorissa palotapahtuman painetta suhteessa sisään imettävän ilman paineeseen (eli noin 1 bar). Tämän painesuhteen ja koko järjestelmän hyötysuhteen välinen yhteys on turbomoottoreissa monimutkainen ja siihen vaikuttaa moni tekijä. Empiirinen havainto on kuitenkin se, että mitä suurempi painesuhde, sen parempi hyötysuhde.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Vielä täydennyksenä:
Myös koko energiatuotantojärjestelmän hyötysuhdetta voidaan tarkastella painesuhteen avulla. Yleisimmin tarkastellaan silloin järjestelmän hyötysuhdetta sähkön tuotannossa. Tämä painesuhde tarkoittaa dieselmoottorissa palotapahtuman painetta suhteessa sisään imettävän ilman paineeseen (eli noin 1 bar). Tämän painesuhteen ja koko järjestelmän hyötysuhteen välinen yhteys on turbomoottoreissa monimutkainen ja siihen vaikuttaa moni tekijä. Empiirinen havainto on kuitenkin se, että mitä suurempi painesuhde, sen parempi hyötysuhde.

Lue lisää

"Tämä painesuhde tarkoittaa dieselmoottorissa palotapahtuman painetta suhteessa sisään imettävän ilman paineeseen"

Tarkoitatko paineella puristuspainetta vai palamisen jälkeistä painetta ?

Puristuksen alku - ja loppupaineen suhde riippuu puristussuhteesta ja kaasun ominaisuudesta ( Cp/Cv).

Maksimipaine ruiskutuksen jälkeen on palamislämmön aiheuttaman lämpötilan muutosta vastaavan verran suurempi.

Jälkimmäisestä voidaan indikoida tehoa mutta kummankaan paineen suhteesta ei voi johtaa mitään, edes ohutta yhteyttä sen enempää työkierron kuin koko moottorin hyötysuhteeseen.

e.d.k kirjoitti:

"Tämä painesuhde tarkoittaa dieselmoottorissa palotapahtuman painetta suhteessa sisään imettävän ilman paineeseen"

Tarkoitatko paineella puristuspainetta vai palamisen jälkeistä painetta ?

Puristuksen alku - ja loppupaineen suhde riippuu puristussuhteesta ja kaasun ominaisuudesta ( Cp/Cv).

Maksimipaine ruiskutuksen jälkeen on palamislämmön aiheuttaman lämpötilan muutosta vastaavan verran suurempi.

Jälkimmäisestä voidaan indikoida tehoa mutta kummankaan paineen suhteesta ei voi johtaa mitään, edes ohutta yhteyttä sen enempää työkierron kuin koko moottorin hyötysuhteeseen.

Lue lisää

Nyt sinulla kyllä menivät otto- ja dieselprosessit sekaisin. Idealisoidussa dieselmoottorissa palamistapahtuman aikana paine on vakio. Ottomoottorissa taas tilavuus.

e.d.k kirjoitti:

"Tämä painesuhde tarkoittaa dieselmoottorissa palotapahtuman painetta suhteessa sisään imettävän ilman paineeseen"

Tarkoitatko paineella puristuspainetta vai palamisen jälkeistä painetta ?

Puristuksen alku - ja loppupaineen suhde riippuu puristussuhteesta ja kaasun ominaisuudesta ( Cp/Cv).

Maksimipaine ruiskutuksen jälkeen on palamislämmön aiheuttaman lämpötilan muutosta vastaavan verran suurempi.

Jälkimmäisestä voidaan indikoida tehoa mutta kummankaan paineen suhteesta ei voi johtaa mitään, edes ohutta yhteyttä sen enempää työkierron kuin koko moottorin hyötysuhteeseen.

Lue lisää

Termodynamiikan perusoppikirjoissahan tosiaan on tapana esittää moottoreiden hyötysuhdekaavat joko lämpötilan tai puristussuhteen funktioina, koska ne ovat moottoreiden periaatteellisen toiminnan ymmärtämisen kannalta helpompia.

Jos oletetaan Cp/Cv vakioksi, näistä voidaan melko helposti johtaa hyötysuhdekaava alku- ja loppupaineen (ennen sytytystä ottomoottirssa) funtiona. Valitettavasti Cp/Cv ei ole vakio.

Käytännössä energiantuotantojärjestelmiä mitattaessa hyötysuhteet esitetään yleensä paineen funktiona. Tähän lienee syynä se, että paine on helppo mitata.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Nyt sinulla kyllä menivät otto- ja dieselprosessit sekaisin. Idealisoidussa dieselmoottorissa palamistapahtuman aikana paine on vakio. Ottomoottorissa taas tilavuus.

Vaikuttaa että keskustelu muuttuu opetustuokioksi, sen verran käsityksesi harhailee todellisuudesta erossa.

Vanha käsitys ns. tasapainemoottoreista dieselprosessin yhteydessä on perua ruiskutuksen ajallisesta ja täytöstä lisäävästä vaikutuksesta ja vain teoreettisen käsittelyn perusteena.
Tekniikan kehittyessä painemittaus on mahdollistunut ja nykyisten nopeakäyntisten dieseleiden painejakauma on lähes bensiinimoottoreiden kaltainen.

Oheisissa kuvissa on esitetty vanha P-V kaavio teoreettista laskentamallia varten ja toisessa mitattuja arvoja oikeasta moottorista.

Toivottavasti näistä olisi edes jotain apua.


http://2.bp.blogspot.com/-ifRh6uC3pt0/UFlU_yWlE7I/AAAAAAAAABc/uxTSVQ8HeuA/s1600/420px-DieselCycle_PV.svg.png

http://www.peachparts.com/shopforum/attachments/diesel-performance-tuning/54459d1208813563-fuel-talk-diesel_cylinder_pressure_graph2.gif

Ps.
Voinet nyös kertoa syyn, mikä muuttaa puristuksen aikana kaasun Cp/Cv - suhdetta ? ?

Niin, turbon lisääminen järjestelmään tosiaan muuttaa dieselmoottorin painekäyttäytymistä. Tämä on yksi syy, miksi paine ja painesuhteiden mittaaminen on empiirisessä moottoreiden kehittämisessä tärkeämpää kuin lämpötilat tai tilavuudet, joihin perusprosessien vanhat termodynaamiset tarkastelut perustuvat.

Ja kannattaa muistaa, että nimenomaan paine synnyttää mekaanisen energian (työ=voima*vaikutusmatka ja voima=paine*pinta-ala).

Cp/Cv -suhteeseen reaalikaasuilla vaikuttavat:
1. Kaasun lämpötila
2. Kaasun tiheys
3. Kaasun molekyylien rakenne (ennen kaikkea koko)

Karkeasti mitä korkeampi lämpötila, pienempi tiheys ja pienemmät molekyylit, sitä lähempänä ollaan ideaalikaasua.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Niin, turbon lisääminen järjestelmään tosiaan muuttaa dieselmoottorin painekäyttäytymistä. Tämä on yksi syy, miksi paine ja painesuhteiden mittaaminen on empiirisessä moottoreiden kehittämisessä tärkeämpää kuin lämpötilat tai tilavuudet, joihin perusprosessien vanhat termodynaamiset tarkastelut perustuvat.

Ja kannattaa muistaa, että nimenomaan paine synnyttää mekaanisen energian (työ=voima*vaikutusmatka ja voima=paine*pinta-ala).

Cp/Cv -suhteeseen reaalikaasuilla vaikuttavat:
1. Kaasun lämpötila
2. Kaasun tiheys
3. Kaasun molekyylien rakenne (ennen kaikkea koko)

Karkeasti mitä korkeampi lämpötila, pienempi tiheys ja pienemmät molekyylit, sitä lähempänä ollaan ideaalikaasua.

Lue lisää

Turboahtimella ei ole muuta vaikutusta sylinterin painekuvioon kuin että paineet on korkeampia, oikeassa elämässä tasapainemoottoria ei ole koskaan ollutkaan ja tuosta Cp/Cv suhteesta lainaus :

> >Sekä teoreettisesti että kokeellisesti on voitu osoittaa, että näiden ominaislämpökapasiteettien suhde riippuu atomien lukumäärästä kaasun molekyylissä. Yksiatomisilla kaasuilla (esimerkiksi jalokaasuilla) suhde on noin 5/3, kaksiatomisilla (esimerkiksi vedyllä, typellä ja hapella) noin 7/5, kolmiatomisilla (esimerkiksi hiilidioksidilla) noin 3/2, useampiatomisilla (esimerkiksi metaanilla) vielä pienempi.... <<

Jospa antaisit jo olla, palautteesi taso on jo riittävästi selvinnyt.

kaasua_putkeen kirjoitti:

Niin, turbon lisääminen järjestelmään tosiaan muuttaa dieselmoottorin painekäyttäytymistä. Tämä on yksi syy, miksi paine ja painesuhteiden mittaaminen on empiirisessä moottoreiden kehittämisessä tärkeämpää kuin lämpötilat tai tilavuudet, joihin perusprosessien vanhat termodynaamiset tarkastelut perustuvat.

Ja kannattaa muistaa, että nimenomaan paine synnyttää mekaanisen energian (työ=voima*vaikutusmatka ja voima=paine*pinta-ala).

Cp/Cv -suhteeseen reaalikaasuilla vaikuttavat:
1. Kaasun lämpötila
2. Kaasun tiheys
3. Kaasun molekyylien rakenne (ennen kaikkea koko)

Karkeasti mitä korkeampi lämpötila, pienempi tiheys ja pienemmät molekyylit, sitä lähempänä ollaan ideaalikaasua.

Lue lisää

Tio linkissä oleva painekuvio on muuten ahtamattoman dieselin kuvio, joten ei ole turbon lisääminen muuttanut mitään.

http://en.wikipedia.org/wiki/Jet_engine#Energy_efficiency

Muuttuvan puristussuhteen innovaatio liittyi ahdetun bensiinimoottorin onnettoman hyötysuhteen korjaamiseen alueella jolla turbo ei vielä toimi.
Ohjatusti säätyvä venttiiliajoitus liitettynä takaisin kierrätykseen hoitaa saman asian paljon tehokkaammin, ja luotettavammin.

Dieselin hyötysuhde ei sentään ole liian hyvä, normaali ajossa lämmöksi menee pari litraa tunnissa = 20 kW lämpötehoa, liian vähänkö ?
Dieselin, varsinkin pienten ahdettujen, ongelma on siinä että kuormasta riippumattoman runsaan ilmaylimäärän kierto siirtää suurimman osan hukkalämmöstä pakoputken kautta eikä jäähdytysnesteeseen.


Tuosta suihkumoottorin hyötysuhteesta pitäisi tietää mitä hyötysuhdetta tarkoitetaan ?
Suihkumoottorin puhaltaman ilman virtausenergian suhde tuotuun lämpöenergiaanko , joka noudattaa em.Carnot. n ajatuksia, on ainoastaan näitä "kiva tietää", pelkkä puhalluslampun hyötysuhde kun ei kerro juuri mitään.
Paljonko energiasta saadaan hyödynnettyä koneen liike-energiaksi on venyvä käsite, joka riippuu moottorin kehittämän suihkun ja koneen nopeuksien suhteesta ja esim kun kone on paikallaan hyötysuhde on 0 , ärjyipä moottorit miten tahansa.
Nyky kehitys on kulkenut halkaisijaltaan suurempiin voimalaitteisiin , joilla suihkun ja koneen nopeuseroa saadaan pienemmäksi ja polttoainetalous paranee, mutta hyötysuhdetta ei voi määrittää yksiselitteisesti kuten mäntämoottorille.
Jos virtaus muutetaan mekaaniseksi energiaksi vakioidulla tavalla vaikka turbiinilla, hyötysuhde on jo määriteltävissä ja esimerkiksi lentokoneiden potkuriturbiinien ominaiskulutus on jotain 350 g/kWh, kun saman kokoisilla dieseleillä 200 molemmin puolin.

Täysin adiabaattisen mäntämoottorin hyötysuhde on suurin kun puristus - ja paisuntatilavuuksien suhde on sellainen että työkierron jäännöspaine on sama kuin puristuksen alkupaine.
Vaikuttavina suureina on tuotu lämpömäärä ja puristussuhde, joten moottori pitäisi suunnitella vakioteholle, joka olisi lisäksi aika vaatimaton.
Esimerkkinä e=10 ja dT 1000 C hyötysuhde olisi 75 %

Jos tällaiseen moottoriin laitettaisi pakokaasuahdin, se ei toimisi, koska pakokaasujen painetta ei olisi ja pelkkää lämpöä turbo ei pysty hyödyntämään.
Jos halutaan saada ahtopainetta olisi työkiertoa huononnettava niin että pakokaasuissa olisi myös riittävä paineylimäärää, ja kun turbo sitten ahtaa se lisää myös pakopuolen painetta joka lisää ahtopainetta jne..., eli turbon itseään ruokkima kierto on kokonaisuudessaan peräisin polttoaineen energiasta ja kierto on vielä runsaasti tehoa hukkaavaa.

Tämä selityksenä sille väärälle käsitykselle että turbo parantaisi hyötysuhdetta, asian laita on se että mäntämoottori on suunniteltava tietoisesti epätaloudelliseksi jotta siitä saataisi edes järjellisesti tehoa ja turbo on keino lisätä tehoa huonontamatta hyötysuhdetta yhtä paljon kuin vapaasti hengittävillä ja erityisesti dieseleissä joissa ilmaylimäärä voidaan kierrättää kuormituksesta riippumatta.

Anekdoottina mainittu Wärtsilän diesel, jonka hyötysuhde on yli 50% , sen litrateho on 2-tahti toiminnasta huolimatta 4 hv/L, eli vastaisi 2-litraisen automoottorin huimaa alle 10 hv tehoa !

Mikä on tyypillisen pikkuautodieselin hyötysuhde, jos sitä kuormitetaan optimissa ? Jostain on jäänyt haravaan, että 40 % pintaan.

e.d.k kirjoitti:

Täysin adiabaattisen mäntämoottorin hyötysuhde on suurin kun puristus - ja paisuntatilavuuksien suhde on sellainen että työkierron jäännöspaine on sama kuin puristuksen alkupaine.
Vaikuttavina suureina on tuotu lämpömäärä ja puristussuhde, joten moottori pitäisi suunnitella vakioteholle, joka olisi lisäksi aika vaatimaton.
Esimerkkinä e=10 ja dT 1000 C hyötysuhde olisi 75 %

Jos tällaiseen moottoriin laitettaisi pakokaasuahdin, se ei toimisi, koska pakokaasujen painetta ei olisi ja pelkkää lämpöä turbo ei pysty hyödyntämään.
Jos halutaan saada ahtopainetta olisi työkiertoa huononnettava niin että pakokaasuissa olisi myös riittävä paineylimäärää, ja kun turbo sitten ahtaa se lisää myös pakopuolen painetta joka lisää ahtopainetta jne..., eli turbon itseään ruokkima kierto on kokonaisuudessaan peräisin polttoaineen energiasta ja kierto on vielä runsaasti tehoa hukkaavaa.

Tämä selityksenä sille väärälle käsitykselle että turbo parantaisi hyötysuhdetta, asian laita on se että mäntämoottori on suunniteltava tietoisesti epätaloudelliseksi jotta siitä saataisi edes järjellisesti tehoa ja turbo on keino lisätä tehoa huonontamatta hyötysuhdetta yhtä paljon kuin vapaasti hengittävillä ja erityisesti dieseleissä joissa ilmaylimäärä voidaan kierrättää kuormituksesta riippumatta.

Anekdoottina mainittu Wärtsilän diesel, jonka hyötysuhde on yli 50% , sen litrateho on 2-tahti toiminnasta huolimatta 4 hv/L, eli vastaisi 2-litraisen automoottorin huimaa alle 10 hv tehoa !

Lue lisää

Millähän kierroksilla tuo 4 hv/l saavutetaan? 5 r/min? Tehohan on kuitenkin sama kuin tuotettu lämpömäärä suhteessa aikayksikköön Q/t. Jos kierroksia siis lisätään, lisääntyy teho. Toyota Priuksen 1,6 litran moottorista irtoaa tehoa 43 kW/4000 r/min, jolloin yhden sylinterin tehoksi tulee reilut 10 kW ja litratehoksi 26,87 kW.

Jos ajatellaan, että tuossa 1,6 litran sarjakammiossa poltetaan bensiiniä ja ilmaa 1/17 suhteella, niin bensiiniä tuohon moottoriin mahtuu sen kierron aikana 0,094 litraa ja sen vapauttama lämpömäärä on 3031,5 J. Jos tiedettäisiin vielä paloaika, niin saataisiin helposti laskettua bruttoteho. Se on joka tapauksessa enemmän kuin tuo 4 hv/l.

1357 kirjoitti:

Mikä on tyypillisen pikkuautodieselin hyötysuhde, jos sitä kuormitetaan optimissa ? Jostain on jäänyt haravaan, että 40 % pintaan.

Tossa kuplan 1.9 moottori, jonka teho on rajattu n. 100 hv ja 12 bar teholliselle keskipaineelle, joka vastaa noin 0.4 bar ahtopainetta.
Kulutus 196 g/kWh , mikä 42.7 MJ/kg polttoaineen lämpöarvolla antaa hyötysuhteeksi 43 %.
Samalta valmistajalta löytyy hieman ylemmäksikin viritettyjä versioita samalla minimikulutuksella, joskin suurempien moottoreiden polttoainetalous on yleensä parempi ja tämäkin on valmistajan esite ilman selvitystä mittaustavasta tai olosuhteista.

http://www.mazda-speed.com/albums/VentureShield-Clear-Bra/TDI_BSFC_02.png

Juu. Eikös hybridin idea perustu juuri siihen, että akkua ladataan moottorin toimiessa lähellä optimikuormaa ja kaupunkiliikenteen "nykyvä" ajo hoidetaan sähköllä, jossa hyötysuhde ei ole niin kranttu kuormitusolosuhteille.

Avaaja ajatteli varmaan ideaalista lämpövoimakonetta tavoitteena.

Niin ihanteellisintahan olisi, että tuon sylinterin sisältämä lämpöenergia voitaisiin käyttää kokonaan muuttaa kokonaan liike-energiaksi. Lämmön karkaamista voidaan rakenteellisin keinoin rajoittaa (tyhjiö, lämpösäteilyä takaisin heijastavat pinnat), prosessin pitäisi olla nopea -> bensiiniseoksen pitäisi räjähtää.

Ajattelin tuossa diesel-prosessin hyödyntämistä niin, että herkemmin syttyvän bensiinin itsesyttymistä rajoitettaisiin suihkutushetken oikealla ajoituksella ja syntynyt lämpö ohjattaisiin turbiiniin ja turbiinin kautta kytkinakselille..

Ei edes takaisin liikkuvia massoja vaan jo varmiiksi pyörivää.

Riippuu, mitä kokonaisjärjestelmää tarkastellaan. Jos rajoitutaan siihen, millä hyötysuhteella saadaan polttoaineen energia muutettua kampiakselin päästä otettavaksi liike-energiaksi, mäntämoottoreissa puhutaan enää prosenttien parannuspotentiaalista.

Jos sen sijaan katsotaan kokonaisjärjestelmää, jossa tuotetaan energiaa jonkin sovelluksen tarpeisiin, niin parannuspotentiaalia on vielä vaikka kuinka paljon. Jos sähköä tuotetaan nykyaikaisessa CHP-voimalassa (mitä suomalaisten kaupunkien keskitetyt kaukolämpövoimalat muistuttavat enintään etäisesti) tarkoituksena lämmittää taloja, niin jo nykyään päästään helposti 1,5 COP-hyötysuhteeseen lämpöpumpputekniikan ansiosta.