iskoristivost goriva u transportu

14. Granice iskoristivosti goriva u transportu XIV-1 Mahalec, Luli, Kozarac: Motori s unutarnjim izgaranjem (2013-06-14)

14_MSUI_Iskoristivost_goriva_u_transportu.doc

14. GRANICE ISKORISTIVOSTI GORIVA U TRANSPORTU

14.1. ISKORISTIVOST GORIVA U TRANSPORTU Koliko se energije u transportu potroi na prijevoz samog tereta?

U potrazi za odgovorom ne treba zaboraviti da bi motor troio gorivo ak i kad bi radio sa stupnjem korisnog djelovanja e = 100%.1 Specifina potronja standardnog goriva ogrjevne vrijednosti 42 MJ/kg bila bi:

kWhg86

4213600

3600

dt Hg

Kao to pokazuje sljedee slike, od goriva u Zemlji, za sam koristan transport tereta utroi se vrlo malo. Sve ostalo su gubitci proizvodnje, prerade, distribucije i korisnosti vozila kao transportnog sredstva.

Slika 14.1. Iskoristivost goriva od buotine pod zemljom do pogonskog kotaa teretnog vozila u najpovoljnijoj radnoj toki ( mine g ), kroz koju u stvarnosti motor vrlo rijetko i proe a kamoli da bi u njoj dulje vremena radio. Kod smanjenog optereenja je stupanj djelovanja motora nii. Tu treba uraunati i natovarenost vozila. Ako vozilo prevozi samo sebe, a ne i teret, stupanj korisnog djelovanja jednak je nuli (troi se gorivo a nikakav koristan rad u obliku prijevoza tereta se ne obavlja).

Iako je Dieselov motor, posebno s izravnim ubrizgavanjem, znatno ekonominiji od Ottovog, iznenauje niska ukupna iskoristivost polaznog goriva (nafte) svedena na prijevoz tereta osobnim vozilom. Kod potpuno natovarenih kamiona, pri transportu na velike udaljenosti, bilanca energije je ipak znatno povoljnija.

1 To je naravno nemogue jer se kosi s drugim glavnim stavkom termodinamike koji kae da se kruni proces

moe odvijati samo izmeu dva toplinska spremnika, jednog ogrjevnog i drugog rashladnog. Takav se hipotetiki stroj naziva perpetuum mobile druge vrste i on bi pretvarao svu dovedenu toplinu u koristan rad. Zbog toga bi mu termiki stupanj korisnog djelovanja iznosio: 1// 111t QQQW



Optimalno iskoritenje energije goriva danas dostie vrijednosti od 84 do 86% a postie se pri pogonu stacionarnih motora dizelskim gorivom, u kombiniranom pogonu gdje motor osim gonjenog stroja pogoni i toplinsku pumpu, te uz iskoritavanje rashladne topline i topline ispunih plinova za zagrijavanje. Primjer: Putniki automobil Opel Omega pogonjen je 16-ventilskim Ottovim motorom radnog obujma 2.0 dm3, iji je topografski dijagram prikazan na slici 14.7. Pri vonji brzinom od 100 km/h na horizontalnoj, ravnoj, asfaltnoj cesti snaga motora potpuno optereenog vozila (ukupna masa 1995 kg) iznosi priblino 17,2 kW2 a brzina vrtnje je 2857 min-1. Odatle se dobiva srednji efektivni tlak pe = 3,61 bar. Prema topografskom dijagramu specifina efektivna potronja goriva u toj radnoj toki je priblino 305 g/kWh (strelica na slici). Uz gustou benzina od 0,75 kg/dm3 dobiva se potronja goriva od 7,33 l/100 km (kod ukupne mase od 1570 kg: Pe = 15,6 kW; pe = 3,28 bar; ge = 320 g/kWh; potronja 6,65 l/100 km), to se dosta dobro podudara s rezultatima mjerenja3. Iskoritenje goriva ulivenog u spremnik automobila (Hd = 42 MJ/kg) mjereno na spojci motora jednako je efektivnom stupnju djelovanja motora i iznosi:

%1,28281,042305

36003600de

egoriva Hg

Iskoritenje nafte je manje za 10% zbog gubitaka u preradi i distribuciji:

%3,25%1,289,09,0 gorivanafte Meutim, koristan teret (500 kg) u vozilu je znatno manji od ukupne mase vozila (1995 kg). Pretpostavi li se linearna raspodjela otpora vonje po kilogramu ukupne mase vozila, tada se od energije sadrane u izvaenoj nafti za prijevoz korisnoga tereta utroi samo:

%3,6%3,521995500

1995500 nafteteretaprijevozzanafte .

Vozi li se u vozilu samo voza (75 kg), bilanca je jo nepovoljnija: %2,1%24,1

157075

157075 nafteteretaprijevozzanafte .

Rezultati za putniki automobil opremljen Ottovim i Dieselovim motorima, potpuno natovaren, u uvjetima mjeovite vonje prikazani su na slici 14.2. te su nepovoljniji od ovih koji se odnose na vonju konstantnom brzinom od 100 km/h. 2 Za automobil koji se proizvodio 1995. godine vae ovi podaci: masa praznog vozila 1495 kg, najvea

dozvoljena masa 1995 kg, eona povrina A=2,15 m2, faktor otpora zraka cw=0,29, prijenosni omjeri u 5. stupnju prijenosa u mjenjau/osovinskom reduktoru: 0,850/3,900, gume 195/65 R 15 (dinamiki polumjer 308 mm). 100 km/ postie se u 5. stupnju pri brzini vrtnje motora od 2857 min-1. Mehaniki stupanj djelovanja prijenosnika snage od motora do kotaa iznosi priblino m=0,88, koeficijent otpora kotrljanja na asfaltnoj cesti je fk=0,013 a gustoa zraka na nadmorskoj visini od 200 m je z=1,202 kg/m3. Pri vonji horizontalnim ravnim putem sila otpora vonje F (sadri samo otpor kotrljanja Fk i otpor zraka Fz) te snaga na pogonskim kotaima Pkot i snaga motora Pe iznose:

8,54315,229,026,3

100

202,181,91995013,02

2

2

zkzk

AcvgmfFFF w N

kW1,15W151156,3

1008,543kot vFP , kW17,2W1717688,015115

mv

e PP Ispitivanjima u aerodinamikom tunelu (Quattro Route 8/1994, str. 171, 172) dobivena je snaga otpora vonje vozila ukupne mase 1600 kg od 14,2 kW (snaga na pogonskim kotaima). Razlika u odnosu na izraunatu vrijednost od 15,6 kW pokazuje da su pri ispitivanju otpori bili neto manji od ovako izraunatih.

3 Ispitivanjem: 6,3 l/100 km; Quattro Route 8/1994, str. 172. Razlika potjee od vee ogrjevne vrijednosti benzina pri ispitivanju.



Slika 14.2. Energetska bilanca pri proizvodnji i uporabi benzina i dizelskog goriva od nafte za pogon potpuno natovarenog osobnog automobila. Uzme li se kao kriterij samo transport korisnog tereta (prijevoz automobila je nuno zlo), pogon Dieselovim motorima je u konanoj bilanci tek malo ekonominiji od pogona Ottovim. (Izvor: Shell Lexikon 26, 27, 1997) 14.2. ZATO JE DIESELOV MOTOR TEDLJIVIJI OD OTTOVOG? Ope je poznata injenica da su naroito u gradskoj vonji automobili pogonjeni Dieselovim motorima znatno tedljiviji od onih pogonjenih Ottovim. Koji je tome razlog?

Treba imati na umu da je prosjeno optereenje u gradskoj vonji izrazito nisko. Tipian srednji efektivni tlak u tim uvjetima iznosi oko 2 bar a brzina vrnje se kree u rasponu od minimalne do priblino 50% brzine vrtnje kod nazivne snage. Analizira li se rad motora dolazi se do zakljuka da je Dieselov proces bolji kod niskog optereenja zbog dva razloga:

1. Nema priguivanja usisa pa je manji gubitak rada uslijed izmjene plinova u cilindru (slika 14.3.) i zbog toga je kod Dieselovog motora vei stupanj savrenstva procesa.

2. Zbog priguivanja usisa u Ottovom motoru opada efektivni, odnosno stvarni kompresijski omjer4 (slika 14.4., desno) a zbog toga jako opada termiki stupanj djelovanja. S druge strane kod niskog optereenja u cilindru Dieselovog motora udio zraka je nekoliko puta vei (max 7) nego kod Ottovog s homogenom smjesom ( = 1). Zbog

4 Efektivni kompresijski omjer ef dobiva se na temelju stvarnog punjenja cilindra odnosno stvarnog tlaka p2 u

GMT u sluaju kad u cilindru izostane paljenje, i tlaka p1, neprig koji bi nastao u cilindru u DMT na kraju sisa pri punom optereenju motora tj. pri nepriguenom usisu:

kefneprig,12 npp k1

neprig,1

2ef

n

pp

gdje je: nk srednji eksponent politroske kompresije u cilidru.

Gubitci nastaju prilikom: o vaenja nafte o udaljenog transporta o proizvodnje o razdiobe na tritu o pogona vozila o zbog omjera nosivosti i

ukupne mase vozila



veeg udjela dvoatomnih plinova vei je eksponent izentrope to bi dalo i vei termiki stupanj djelovanja. Meutim, kod niskog optereenja je i najvei tlak procesa osjetno nii pa termiki stupanj djelovanja ipak opadne ali ne toliko kao kod Ottovog motora (slika 14.5.). Dakle, kod niskog optereenja je i termiki stupanj djelovanja bolji kod Dieselovog motora.

Slika 14.3. Indikatorski dijagram Ottovog i Dieselovog motora kod punog optereenja (100 %) i u praznom hodu (0 %).

Slika 14.4. Lijevo: Termiki stupanj korisnosti kod raznih faktora zraka . Desno: Efektivni kompresijski omjer u radnom podruju Ottovog motora.

Slika 14.5. Termiki stupanj korisnosti procesa u ovisnosti o kompresijskom omjeru. Oznake: krui = rad motora kod punog optereenja; trokuti = smanjeno optereenje.



Ove se teorijske prednosti dobro vide u topografskom dijagramu specifine efektivne potronje goriva, dvaju motora slinih snaga. Promotrimo potronju kod niskog optereenja u donjem podruju brzine vrtnje, to odgovara prosjeku gradske vonje.

Slika 14.6. Turbo-Diesel s izravnim ubrizgavanjem: Opel, Ecotec 2.2 DI, 4-taktni, 4-cilindarski, redni, 4 ventila po cilindru, promjer cilindra 84 mm, hod klipa 98 mm, stupanj kompresije 18.5, najvea snaga 85 kW kod 4300 min-1, masa motora 196 kg.

Slika 14.7. Otto 4-taktni sa slobodnim usisom: Opel 2.0 16V, (Omega/Vectra), 4-cilindarski, redni, promjer cilindra 86 mm, hod klipa 86 mm, stupanj kompresije 10.8, najvea snaga 100 kW kod 5600 min-1, masa motora 92 kg.

Potronja kod srednjeg efektivnog tlaka od 2 bar, u donjoj polovici raspoloive brzine vrtnje: Diesel oko 360 g/kWh Otto preko 400 g/kWh. Uoite razliku veliine podruja od ge 240 g/kWh kod Dieselovog i kod Ottovog motora (oznaite ga bojom).



Trei, dodatni razlog nie potronje goriva Dieselovog motora je za oko 15 % vea ogrjevna vrijednost litre dizelskog goriva u odnosu na benzin:

Hd (MJ/kg) (kg/m3) Hd (Mj/dm3) Diesel-gorivo ~ 43 835 35.9 115 %

benzin (OB 98) ~ 41 760 31.2 100 %

Po pretpostavkom da je cijena 1 litre dizelskoga goriva jednaka cijeni litre benzina, proizlazi da se za isti novac u spremnik automobila opremljenog Dieselovim motorom ulije do 15 % vie energije. Dakle, Dieselov je motor ve prije samoga starta u prednosti pred Ottovim za 15 %.

Nia potronja u topografskom dijagramu Dieselovog motora, u odnosu na Ottov, posljedica je dakle i veeg sadraja energije u 1 kg goriva, i boljeg stupnja djelovanja procesa u cilindru.

LITERATURA: [1.] Shell Lexikon 26, 27, 30, 31. ATZ MTZ 6, 7/8, 12/1997, 1/1998 [2.] lanci o Opelovim motorima u asopisu MTZ 5/1994, 9/1997

iskoristivost goriva u transportu

Documents