L'efficienza termica del motore è uno degli indicatori importanti per valutare le prestazioni del motore. Maggiore è l'efficienza termica del motore, più avanzata è la tecnologia. Allora cosa significa efficienza termica del motore? Lascia che tutti, soprattutto gli amici che stanno per acquistare un'auto, diano un'occhiata.
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L'efficienza termica del motore si riferisce al rapporto tra il calore della potenza effettiva del motore e il calore del carburante consumato per unità di tempo. In parole povere, significa quanta energia generata dopo la combustione del carburante viene convertita nella forza motrice dell'auto.
L'efficienza termica viene calcolata dividendo il potere calorifico effettivo utilizzato per il potere calorifico contenuto nel combustibile. Ad esempio: un litro di benzina rilascerà 33580 KJ di calore dopo la combustione completa, di cui 11000 KJ vengono convertiti in lavoro dal motore. Quindi l'efficienza termica di questo motore in questo momento è:
(11000÷33580)×100%=32.8%
In generale, il rendimento termico di un determinato motore è sostanzialmente fisso dal momento in cui viene progettato fino a quando esce dalla fabbrica. Il rendimento termico massimo dei motori a benzina è generalmente compreso tra il 30% e il 40%, mentre quello dei motori diesel è leggermente superiore, tra il 35% e il 45%. A proposito di questo, alcuni amici potrebbero chiedersi, perché l'efficienza termica non è al 100%? La realtà è così crudele. È estremamente difficile per gli ingegneri motoristici aumentare l'efficienza termica dell'1% su una base compresa tra il 30% e il 40%. Allora dove va a finire il restante 50~60% dell’energia?
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Un motore è una macchina che converte l'energia termica in energia meccanica. Secondo le leggi della termodinamica, l’energia termica non può essere convertita al 100% in altre forme di energia. In tutti i macchinari l’attrito è inevitabile e il calore consumato dalla resistenza d’attrito non può essere eliminato. Inoltre, il motore deve mantenere una certa temperatura e volume e non può aumentare o diminuire indefinitamente, quindi la perdita di raffreddamento è inevitabile. Insieme ad altri fattori, come l'impossibilità di una combustione completa del carburante, la perdita di gas della pompa, ecc., l'efficienza termica del motore non può essere del 100%.
Alla nascita del motore il rendimento termico massimo era inferiore al 20%. Dopo cento anni, grazie al continuo impegno di generazioni di ingegneri automobilistici, l'efficienza termica massima dei motori automobilistici è stata aumentata solo a oltre il 40%. Questo è già un risultato notevole. Con la tecnologia attuale, l’efficienza termica del motore è prossima al limite. Ogni aumento percentuale è un enorme progresso tecnologico.
Quali sono i metodi per migliorare l’efficienza termica del motore?
1. Per i motori a benzina, il metodo più diretto è aumentare il rapporto di compressione del motore. Questo è anche uno dei motivi principali per cui l’efficienza termica dei motori diesel è superiore a quella dei motori a benzina.
2. Ridurre la resistenza all'attrito meccanico utilizzando pistoni a basso attrito, fasce elastiche a bassa elasticità e lubrificanti con prestazioni migliori.
3. Ottimizzare il sistema di alimentazione del carburante e adottare l'iniezione diretta nel cilindro a pressione più elevata, ecc.
4. Ottimizzare il design dei passaggi di aspirazione e scarico del treno di valvole e adottare la fasatura variabile delle valvole e la tecnologia di sollevamento.
5. Ottimizzare il design della camera di combustione per consentire una combustione più completa del carburante.
6. Ottimizzare il design del cilindro e avere un rapporto alesaggio-corsa adeguato;
7. Per i motori diesel è possibile utilizzare anche tecnologie come l'aumento della velocità di iniezione, le iniezioni multiple e l'elevata pressione di aspirazione.
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L'efficienza termica del motore non è costante
L'efficienza termica del motore cambia con il cambiamento delle condizioni operative. Nella maggior parte delle condizioni di lavoro, l’efficienza termica del motore è molto bassa. Ad esempio, nelle più comuni condizioni di congestione urbana, il rendimento termico del motore è solo del 20% circa; durante la guida in autostrada l'efficienza termica può raggiungere circa il 30%; le condizioni di lavoro con la massima efficienza termica sono grandi carichi e basse velocità, come quando si guida un'auto. Quando si sale su un pendio ripido, l'acceleratore del motore è completamente aperto e la resistenza all'aspirazione dell'aria è minima. In questo momento, la velocità del motore non è elevata e la resistenza all'attrito meccanico è ridotta. L'efficienza termica in questo momento è relativamente alta.
Se un motore ha un’elevata efficienza termica, fa necessariamente risparmiare carburante?
Non necessariamente. I motori con efficienza termica più elevata sono generalmente più avanzati dal punto di vista tecnologico e l’economia del motore stesso è decisamente migliore. Tuttavia, l’economia del motore non è uguale all’economia dell’auto nel suo complesso. Il consumo di carburante dell'auto non è determinato solo dal motore, ma anche da molti fattori come il cambio, il telaio e il peso della carrozzeria. Pertanto, non tutti i modelli dotati di motori ad alta efficienza termica sono efficienti nei consumi.
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Dall’avvento del motore a combustione interna, soprattutto nell’ottica del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni, il miglioramento dell’efficienza termica è diventata una priorità assoluta nella ricerca e nello sviluppo. Sebbene esistano già motori con efficienze termiche fino al 43% nei modelli prodotti in serie, il restante quasi 50% dell’efficienza termica deve ancora essere esplorato. Questo è anche il significato dell'intensa ricerca condotta da molte case automobilistiche sui motori a carburante.
