スターリング エンジンの潜在効率は他の同等のエンジンよりも高くなりますが、オープンサイクル エンジンの改良にはさらに多くの努力が費やされてきました。 さまざまなエンジンの効率を比較した結果は、 広く普及しているなぜなら、前述したように、自動車メーカーや定置設備を運用する企業は一般に、特定の燃料消費効率に基づいてエンジンを比較することを好むからです。 このパラメータは効率に直接関係しますが、
I - スターリングエンジンの最大効率。 2-材料の引張強度。 3 - 強制点火によるエンジンの最大効率。 4- スターリングエンジンの達成可能な効率。 5 - 内燃機関。 6 - 蒸気エンジン。 7-スターリングエンジン。
それにもかかわらず、効率を直接測定した結果を考慮することは有益です。 現在達成されているエンジンの性能特性とその効率の潜在的な値を示す優れた図は、この研究で作成され、図に示されているグラフです。 1.110 をわずかに変更した形式。
実験用スターリングエンジンの達成効率値を図に示します。 1.111。
カルノーサイクルの効率、%
米。 1.111。 NASA データ、Rpt CR-I59 63I に基づく実験用スターリング エンジンの実際の効率。著者が再構築したもの。
1 - ゼネラルモーターズからのデータ。 2 - ユナイテッド スターリング (スウェーデン) からのデータ。 3 - フォードとフィリップスからのデータ。
B. 特定有効燃料消費量
特定の有効燃料消費量に関して特定のエンジンを比較する前に、以下の情報を収集して要約することをお勧めします。 詳しくはさまざまな結果の組み合わせを使用して、比較したエンジンの性能特性の違いについて説明します。 典型的なエンジンそれぞれのタイプ。 注意すべきこと たくさんのスターリングエンジンに関する結果は車両試験時ではなくダイナモスタンド上で得られたものであり、一部のデータは十分な信頼性を有するモデルのコンピュータ計算に基づいて得られたものです。 1980 年までの車両テストの結果は、計算されたデータと十分な精度で一致していませんでしたが、エンジンの潜在的な能力を実現する方法の概要が示されました。 各種エネルギー源の比有効燃料消費量 発電所自動車のエネルギー源としての使用を目的としたものを図で比較します。 1.112。
このグラフは、動作条件の全範囲にわたるスターリング エンジンの利点を明確に示しています。 特定の有効燃料消費量は速度の関数と負荷の関数の両方として考慮されるため、図では次のようになります。 1.113 と 1.114 は、それぞれ全負荷の 50% と 20% での動作速度の全範囲に対する対応する曲線を示しています。
この場合、スターリング エンジンの利点は非常に明らかです。 これらの概要グラフの入力データ
1-ディーゼル付き 通常のシステム摂取; 2 - ターボチャージャー付きディーゼル; 強制点火と均一充填を備えた 3 ガソリン エンジン。 4軸ガスタービン。 5ダブルバルブガスタービン。 6 - スターリングエンジン。
バツ*^s
■e in -0.2
J___ I___ I___ L
速度/最高速度
米。 1.113。 50% 負荷時のさまざまな発電所の具体的な有効燃料消費量の比較。
1つの単軸ガスタービン。 2二軸ガスタービン。 3 - ターボチャージャー付きディーゼル; 強制点火と均一充填を備えた 4 ガソリン エンジン。 5スターリングエンジン。
彼らは職場から連れ去られました。 燃料価格が上昇し続けるにつれて、特定の有効消費量が決定的な特徴となり、他のエネルギー源の積極的な探索と研究が続けられていますが、炭化水素燃料が当面の主要なエネルギー源であり続けることは疑いの余地がありません。 さらに、
天文学的な価格上昇があっても、燃料消費量の削減はわずかです。 西側諸国の経験によれば、70年代に石油危機が始まって以来、石油価格は燃料消費量にほとんど影響を与えていない。 米国エネルギー省が 1980 年に発表した研究によると、たとえ燃料価格が 100% 上昇しても、燃料消費量はわずか 100% しか減少しないことが示されています。
II％。 燃料消費量が経済的要因にあまり強く影響されない限り、政治的圧力に応じて燃費が低下する可能性は低い。 燃費を目的とした公的規制の影響も問題だ。
具体的な数値が下がっているのは明らかです 有効消費燃料消費量は燃料消費量の削減に役立ちます。なぜなら、燃料消費量が 10% 削減されれば、たとえば米国の場合、1 日あたり 3 億 500 万リットル以上の輸入原油が節約され、これは年間 50 億ドル以上の節約に相当します。 ただし、全体的に見て、これは非常にわずかな節約です。 したがって、比燃料効率を下げることは重要ですが、それはほとんどの国にとってエネルギー問題の解決策にはなりません。 液体炭化水素に代わるエネルギー源は、予見可能な将来により大きな利益をもたらす可能性がありますが、この問題に関連する問題については後で説明します。 さらに、エネルギーの利用可能性はそのコストと同じくらい重要であることに注意する必要があります。
B. 発展した力
この基準に基づく有効な比較は重量対出力ベースでのみ行うことができ、比較されるエンジンは同じ用途向けに設計されている必要があります。 次に、開発された電力に対する発電所全体の質量の比率を比較する必要があります。 車両での使用を目的とした発電所には、トランスミッションユニットが含まれます。 充電式電池、冷却システムなど。比較のために選択されたエンジンのこれらのデータは図に示されています。 1.115と1.116。
どちらの場合も、グラフからわかるように、スターリング エンジンには 明らかな利点ただし、スターリング エンジンの開発においては、これまでのところ出力重量比の最適化にはほとんど注意が払われていないことを考慮する必要があり、それが今回の結果に反映されています。 このような最適化に利用できるリソースがあるとは想定できません。 素晴らしいチャンス、一方で、達成された結果が限界であると言うのは間違いです。 米国のエンジン開発プログラムは1984年までに量産化を予定しており、エンジンの軽量化に多大な努力を払っている。 表に示すように、それを考慮する必要があります。 1.7 では、スターリング エンジン (一軸ガス タービンなど) は、その固有の性能特性により、他のエンジンと同じ定格出力を生成する必要がなく、したがって既存の自動車エンジンよりも質量が小さくなる場合があります。
考慮する必要があるもう 1 つの要素は、特定の出力のエンジンのサイズです。 この要素は、コンパクトさの観点からだけでなく、たとえば船に設置する場合、船倉の有効容積の損失の観点からも重要です。 スターリングエンジンがかかることは確立されています。
米。 1.115。 エンジンの質量と発電所で発生する出力との関係 さまざまな種類.
1- 通常の吸気システムを備えたディーゼル;
2-スターリングエンジン; ターボ付き 3 ディーゼル - スーパーチャージャー; 4 - 強制点火と層状充填を備えたガソリンエンジン。 5 - 強制点火と均一充填を備えたガソリンエンジン。 6 - 二軸ガスタービン。 7-単軸ガスタービン。
米。 1.116。 さまざまなタイプの発電所の設備の質量と、それが生み出す電力との関係。
1 - 通常の吸気システムを備えたディーゼル。 2 - スターリングエンジン; 3 - ターボチャージャー付きディーゼルエンジン; 4 - 強制点火と層状充填を備えたガソリンエンジン。 G" - 強制点火と均一充填を備えたガソリンエンジン。 ポジティブイグニッションを備えた 6 ローターエンジン。 7 2 軸ガスタービン。 8 - 単気筒ガスタービン。
同等のディーゼルとほぼ同じスペース。 より最近のデータを使用して、電力対体積比の概要表を作成できます。 異なるエンジン電力 78 ～ 126 kW (表 1.8)。
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表1.8。エンジン出力比 Rボリュームへ V、発電所が占有 |
この表から、この指標では強制点火と均一充填を備えたエンジンが依然として他のすべてのエンジンよりも優れていることがわかりますが、層状充填を備えた有望なエンジンには、均一充填を備えたエンジンほど否定できない利点があるわけではありません。 セラミック部品がスターリングエンジンやガスタービンに使用されれば、状況は劇的に変わる可能性があります。 で 現代レベル 技術の進歩スターリングエンジンは一般的に優れています ディーゼルエンジン.
速度と圧力に応じたスターリングエンジンのトルクの変化は、他の発電所と比較してすでに考慮されています。 このエンジンを自動車に使用した場合、そのトルク－速度特性は自動車の効果的な加速の観点から特に良好であり、トランスミッションユニットの簡素化とコストダウンに貢献します。 ただし、全体像を完全に理解するには、トルクの周期的変動について少し説明する必要があります。 文献によれば、スターリングエンジンは他のレシプロエンジンに比べてトルクの変化が滑らかであると報告されています。 「スムーズ」とは、このエンジンのクランク角の変化に対するトルクの変化が比較的小さいことを意味しているようです。 「どうやら」という言葉を意図的に使用したのは、
しかし、「滑らか」という言葉が正確に何を意味するのかと言われると、明確な定義を与えることはできません。 この問題については、第 4 章で詳しく説明します。 2. ここで、クランクの回転角度に応じたトルクの変化に注意するだけで十分です。 多気筒エンジンスターリングは、たとえば強制点火を備えたエンジンよりも小さいです（図1.117）。
トルク変動が小さいということは、トルク変動も小さくなることを意味します。 角速度スターリングエンジンは他のエンジンよりも大幅に小さいです。 もちろん、この記述はフライホイールのないエンジンにも当てはまります。 実際には、これは、スターリング エンジンにそれほど大きなフライホイールを装備できないこと、およびスターリング エンジンの始動に必要な機械的労力が少なくなることを意味します。 さらに、トルクと回転速度の周期的変動が小さいため、スターリング エンジンは自律型発電機に適している可能性があります。
ただし、これらの主張は検証する必要があります。< его среднему значению у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноцилиндрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового 2ストロークディーゼル、4気筒4ストロークディーゼルエンジンの半分です。
コストの見積りは常に困難であり、将来の展開の予測は非常に不正確です。 ただし、最も高価なコンポーネントを考慮して代替エンジンを比較するには、そのような評価が必要であることは疑いの余地がありません。 スターリング エンジンのコストは、同等のディーゼル エンジンよりも約 1.5 ～ 15 倍高くなります。 この評価は技術文献に基づいています。 それは技術会議や会議で発表されました。 一見すると、この評価には根拠がないように見えますが、おそらく根拠がありそうです。
それは正しいことであり、これは今後のプレゼンテーションから明らかになるでしょう。 推定コストに関する根拠のない主張は一般に無意味ですが、残念ながらそのような主張は多くの出版物で行われています。 しかし現在、米国エネルギー省から委託されたプログラムのおかげで、この分野におけるより詳細な研究結果が入手できるようになりました。
コストはさまざまな要因によって決まりますが、主な要因は次のとおりです。
1) 人件費。
2）材料。
3) 資本設備。
4）生産設備。
5) 運用と保守。
6) デザイン開発。
このリストは決して網羅的なものではありません。 多くのコスト要素は大量生産に直接依存します。 これは明らかですが、多くの出版物ではコスト見積もりのこの側面が無視されているため、この記述をもう一度繰り返しても問題はありません。 経済が生産規模に依存するということは、ある種類のエンジンが少量生産されると他の種類よりも高価になるが、生産が増加すると安くなる可能性があります。 エンジンの適用分野も考慮する必要があります。 たとえば、車のエンジンのコストは車の総コストのほんの一部にすぎないため、コストを比較する場合、 さまざまなエンジンこれらのエンジンを搭載する場合、エンジンのコストに大きな違いがあっても車のコストに大きな影響を与えない可能性があることを考慮する必要があります。 この特徴は簡単な計算で説明できます。 たとえば、エンジンのコストが車の総コストの 10% であると仮定すると、車の価格が 6,000 ドルの場合、エンジンのコストは 600 ドルになります。別のエンジンのコストが 2 倍、つまり 1,200 ドルであると仮定しましょう。 それから 全額車の価格は 6,600 ドル、つまり 10% 高いだけであり、購入者は自分に適した車にもう少し高い金額を支払うことを好むかもしれません。
工業生産環境におけるコストと経費を検討する前に、私たち自身の経験に基づいて、プロトタイプのスターリング エンジンや研究目的でのこのタイプのエンジンを作成または購入する場合のコストの推移を検討したいと思います。 このようなエンジンの出力は 100 kW に制限されると考えられます。 このようなエンジンの購入時の価格は、1981 年の価格レベルを考慮すると、約 6,700 ドル/kW になります。 1 つ目は、エンジンがそれを使用するのと同じ組織によって製造されているか、詳細な文書を使用して機械設計を使用してサードパーティによって製造されている場合、そのコストは 100 ～ 3500 ドル/kW の範囲になります。 スターリングエンジンがより普及し、「研究」が少なくなるにつれて、そのコストは急激に低下するでしょう。 メーカーの一つ 小型エンジンスターリング社 (1 kW 未満) は、このようなエンジンを年間 1000 基生産すると、個別に製造した場合に比べて 1 基のエンジンのコストを 30 分の 1 に削減できると考えています。
このコストの生産規模への依存は、稼働中の多数のエンジンに関する最近の研究によって確認されています。 太陽光エネルギー研究室が実施する ジェットエンジン（アメリカ合衆国）。 スターリングエンジンとの比較を行いました。 ガスタービン太陽エネルギーの利用を目的とした改造が施されています。 ガスタービンはギャレットによって特別に設計され、スターリングエンジンはユナイテッドスターリングシリーズから採用されました。 1981 年の価格水準と為替レートに換算した研究結果を表に示します。 1.9.
表1.9.コストの出力量依存性（スターリングエンジンとガスタービンの比較）
総単価、USD/kWg
総単価には支払費用が含まれます 労働力、材料費、資本設備や工具の費用^。 生産量がコストに与える影響は、提示されたデータから明らかです。 出力量の増加に伴うガスタービンの総固有コストは 3 倍減少しますが、スターリング エンジンの同じ指標は 6 倍以上減少します。 スターリングエンジンは生産量が少ないため、ガスタービンよりも50％以上高価ですが、年間40万基のエンジンを生産すると30％安くなります。 検討中の目的からすると、年間 400,000 基のエンジン生産量はやや過大評価されているように見えますが、自動車用エンジンの場合、この量は通常の標準であると考えられます。
スターリング エンジンの潜在的なメーカーは、自動車で使用する場合のこれらのエンジンの推定コストにさらに関心を持つことになるでしょう。 製造コストは表に示されています。 1.10、考慮してください-
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表1.10。生産コスト 自動車エンジン年間生産量40万個（1981年価格） |
人件費、資材、資本設備および工具が含まれており、ソーラーモーターについて計算されたコスト構造とほぼ同様です。 ただし、 自動車版モーターはソーラーモーターバージョンよりも高度な設計になっています。 スターリングエンジンやガスタービンは、従来のエンジンとは異なる特殊な材料を必要とします。 もちろん、これは主に供給と日和見の問題であるため、スターリング エンジンやガス タービンが「従来の」エンジンである場合、鉱業や鉄鋼産業はこれらの材料の生産に集中するため、それらの材料はより安価になる可能性があります。強制点火エンジンやディーゼルエンジンの製造用材料は「特殊」なものとなる。 さらに、 特殊な材料多くの場合、適切な特殊な生産設備が必要となり、追加のコスト増加につながります。 現在自動車業界で使用されている材料と生産設備を考慮すると、コストの観点から、 従来型エンジンの方が好ましいでしょう。 製造原価の形成のこの側面を明確にするために、表を参照してください。 1.10は、2つの出力値（75および112kW）のエンジンのコストを示し、材料および生産設備に起因する総コストの割合も示します。
エンジンの消費者は製造コストではなく販売価格に興味を持っていますが、これは驚くべきことではありません。 したがって、表. 1.11は年間生産40万基の自動車用エンジンの販売価格を示している。 通常との価格差も表示されます。 ガソリンエンジン強制点火と均一充填（CHB）を備えています。
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エンジン出力 75kW エンジン出力 112kW 表1.11年間生産量40万基の自動車用エンジンの販売価格（1981年価格）
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製造コストと販売価格の点では、スターリング エンジンは他のエンジンよりも高価ですが、生産量と用途が有利であれば、競合他社よりも経済的に利益を得ることができます。 しかし、スターリングエンジンの出力が向上し、生産量が増加するにつれて、経済的な観点から見て競争力が高まることは明らかです。 このセクションで説明するコスト構成要素間の関係を図に示します。 1.118。
発電所を構成する構造要素に応じたフォード社の斜座金付きスターリングエンジンの総コストの分布を表に示します。 年間生産量40万個の場合は1.12。 。
熱交換器は相対コストが最も高く、同社はスターリング エンジン改善プログラムが終了するまで、設計および製造技術の改善によりこれを約 17% まで削減することを目指していました。
たとえより安価な材料がスターリングエンジンに使用され、対応する生産量が達成されたとしても、この場合、スターリングエンジンが、例えば強制点火および均一充填を備えたエンジンよりも安くなる可能性は低い。 ただし、上で説明したように、消費者は喜んで 追加費用このエンジンに関連する利点については、 エンジンの持つ燃費性能やポテンシャルを発揮できれば、 潤滑油設置された耐久性が向上すると、スターリング エンジンの運用コストが削減され、購入と運用の総コストの削減につながります。
消費者にとっては、環境やエネルギー変換の考慮よりもエンジンのパフォーマンスの方が印象深いはずです。 西ヨーロッパでは、このような節約に特に注意を払う必要があります。 低消費量燃料はますます人気が高まっていますが、そのような車の初期費用は豪華であるよりもそれほど安くはありませんが、経済的ではありません
新しい車。 興味深いことに、中古車市場では、「エコノミー」車は、より高価な「兄弟車」よりも高い価格で転売されることがよくあります。 高級。 スターリングエンジンから期待できる全体的な収益性の計算は、エンジンをトラックに搭載する場合についてユナイテッド・スターリングによって行われました。 公表されたデータは 1973 年の価格レベルを参照していますが、その後の壊滅的なインフレ上昇と燃料と潤滑油の価格の指数関数的な上昇により、得られた結果を 1981 年の価格レベルに換算することが困難になり、同時にコスト計算をここで公開しています。 1973 年のレベルなので、あまりお勧めできません。
経済収益係数 (ERR) は次の式を使用して計算されました。
(コスト差____ / 初期差額
__ オペレーション / V ___________________ コスト _______)
この場合、スターリング エンジンと同等のディーゼル エンジンの対応する指標の間で差異が決定されます。
United Stirling によって取得され、著者によって修正された結果 (図 1.119) から、年間 16,000 km の運転距離では、4.1 年間の運転後に CER = 0 になることがわかります。 言い換えれば、この期間中、ディーゼルエンジンと比較してスターリングエンジンの運転コストが低いため、高い初期コストとバランスが取れ、5.7 年後には EER の値が 0.5 に達します。つまり、節約額は 0.5 になります。当初資本の差額の半分
投資。 年間走行距離は 100,000 km - 国際的なヨーロッパの平均です。 道路輸送- 初期の追加投資は 2 ～ 3 か月の運用後に回収されます。 これらの結果は 1 台の車両について得られたものです。 同様の計算を輸送船団に対して実行すると、さらに有利な結果が得られます。 これでも 短いレビュースターリング エンジンのコストに関連する問題により、このエンジンは製造コストが高いものの、潜在的には運転コストが安くなる可能性があるという合理的な結論を下すことができます。 石油製品の価格がさらに上昇し、入手が困難になると、スターリングエンジンの利点はさらに顕著になる可能性があります。
スターリング エンジンはさまざまなエネルギー源で動作できますが、次世紀の初めにおいても炭化水素燃料が地上輸送の主なエネルギー源であり続けることは疑いの余地がありません。 これは、炭化水素燃料が既存の供給源から引き続き得られること、または現在の状態が維持されることを意味するものではありません。 スターリングエンジンはさまざまな種類の燃料で動作できるため、さらなる経済的利点がある可能性があるため、この問題はまだ研究されていません。 したがって、スターリング エンジンの製造可能性について説明した後、代替炭化水素燃料を使用する可能性を検討します。
この問題はコストとは切り離して考えられますが、実際には、製造コストは製造性に直接関係します。 ただし、表現をより明確にするために、製造性に関連する問題を個別に考慮する方が便利です。 表からもわかるように。 1.10 では、スターリング エンジンは他の自動車エンジン オプションよりもコストが高くなります。 このコストの構成要素を表に示します。 1.12. スターリング エンジンのコストが比較的高い主な理由は、熱交換器の製造に高合金が使用されていることです。 熱交換器の設計には、非常に高価なはんだ付け技術とはんだ付け用の高価な材料が使用されており、はんだ付けの継ぎ目の長さが非常に重要です。 スターリング エンジン部品の機械加工表面の公差は一般的により厳しくなっており、これは閉じた動作サイクルの結果です。 フリー ピストン スターリング エンジンの場合、エンジンが適切に動作するためには、加工の品質がおそらく最も重要な要件となります。
スターリング エンジンの主要な機械部品の組み立て、特にシール装置の組み立ては細心の注意を払って行う必要があります。 組み立てに不正確な点があると、エンジンの故障につながります。 ロールストッキングシールは特に粗雑な組み立てが行われやすいため、このように薄くて壊れやすいシールを取り付けるには、組み立てエリアを非常に清潔にする必要があります。
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表1.13エンジン製造にかかった時間（作業内容別分布）
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スターリングエンジンの製造時間は他のエンジンとほぼ同じですが、上記の理由により、人材の資格はより高くなければなりません。 組み立てに費やす時間は他のエンジンと同じかもしれませんが、個々の作業間のその時間の配分は異なり、当然、これが全体のコストに影響を与える可能性があります。 この簡単な議論で表明されたアイデアは、表に示されたデータによって確認されます。 1.13と1.14。 エンジン 1 台の製造にかかる時間は、エンジンの種類に関係なく 10 時間とします。
表から、スターリング エンジンの部品の鋳造にはポジティブ点火エンジンの部品の鋳造と同じ時間がかかりますが、前者のエンジンの鋳造設備のコストは 2 倍高いことがわかります。 このことから、スターリングエンジン工場の建設には多額の初期資本投資が必要となることが予想され、これがおそらくエンジンメーカーが大規模な生産計画を決定することに消極的であることを説明している。彼らはもはや疑いの余地がなくなる瞬間を待っているのだ。このエンジンが彼らの商品を販売できるだろうと 潜在的な利点。 実験用のカスタムメイドスターリングエンジンによって開発された1kWのコストが非常に高い理由も非常に明らかです。
G. 代替エネルギー源
発生したエネルギー危機は、原油とそこから得られる液体炭化水素燃料という 1 つのエネルギー源のみに関係していました。 過去 10 年間 (1971 年から 1981 年)、この危機により燃料価格が急激に上昇し、保証された燃料供給を維持することが困難になりました。 しかし、地球に原油の埋蔵量が無限にあるわけではなく、既存の埋蔵量が世界に大きな影響を与えるほど枯渇するまでには何年もかかるだろうということを忘れてはなりません。 危機は地域間での石油の偏在によってさらに悪化しており、そのため現在、自国の石油需要を満たす国はほとんどなく、多大な余剰を抱えるほど多くの石油を保有している国もほとんどない。 ほとんどの国は、必要なものの一部またはすべてを輸入することを余儀なくされています 炭化水素燃料、それには多額の外貨が必要です。 1980年までに、世界のエネルギー消費量の44.6%が原油によって供給されることになり、この数字は、未解決の問題の非常に困難な問題を示しています。
エネルギー消費パターンは国によって異なりますが、米国は他のどの国よりも多くのエネルギーを消費しているため、米国の消費パターンを例として取り上げました。 1977年の消費構造を表に示す。 1.15。
米国における液体炭化水素の消費量は世界の消費量と同様で、総エネルギー消費量の 48.8% を占め、これは年間 7 億 9,500 万トンに相当します。 この燃料の 54.5% は輸送ニーズに費やされます。 米国は石油需要の50％を輸入する必要があり、これは年間約3億7,500万トンで、数十億ドルの費用がかかる。 当然のことながら、そのようなコストがかかると、代替手段の模索が促されます。
ネイティブ燃料。 しかし、液体炭化水素をエネルギー源として置き換えるのは困難な作業であり、長年にわたる集中的な研究開発が必要です。 太陽エネルギー、地熱エネルギー、風力エネルギーの利用は問題の解決に役立つ可能性がありますが、これらのエネルギー源の開発は現在、一般に、少なくとも次の世紀の初めまではそれほど重要ではないことを示しています。 原子力発電所と水力発電所は、1990 年までにエネルギー需要の約 15% を供給すると予測されています。 これは、石油が世界のエネルギー消費の約 40% にとどまることを意味します。 ただし、これらすべて 代替ソース鉄道による貨物輸送が増加し、鉄道が完全に電化されない限り、輸送における石油消費にはほとんど、またはまったく影響がありません。 この場合でも、無軌道旅客輸送や貨物輸送に燃料を供給するという問題は残る。 明らかに、考えられるオプションは 3 つあります。
１）石油以外の化石燃料資源の利用。
2) 精製度の低い炭化水素の使用。
３）合成液体炭化水素の使用。
オプション 1 には、次のような多くの問題が伴います。 最後の場所これには、石油 7 億 9,500 万トンに相当するエネルギー (4-1018 J に相当) を供給する必要があります。この同等量を確保するには、非現実的なペースで固体および気体の化石燃料産業が発展する必要があります。 近い将来、既存の工場でこれらの燃料の生産を増やすことが可能になり、これは問題の解決には役立ちますが、これらの種類の燃料を最新のエンジンでどのように使用するかという別の問題が発生します。
スターリング エンジンや蒸気エンジンなど、外部から熱を供給する発電所の場合、これは問題になりません。 この問題は通常、強力な定置式ガス タービンの場合には解決できます。 表からわかるように、検討中の他のエンジンは代替燃料に適応するのがそれほど簡単ではありません。 1.16 では、X 記号はこの燃料を使用する可能性を示し、OX 記号はそのような使用に問題がある可能性を示し、ダッシュは燃料が使用できないことを示します。
表1.16。さまざまな種類の燃料に対するエンジンの適応性
航空
燃料の種類 GZB SZB ガス ディーゼル
石炭ベース
TOC o "1-3" h z 石炭粉塵と残留物の混合物 - - - - OX
牛油蒸留
石炭粉塵とメタノールの混合物 - - - OX
石炭ベースの液体燃料
ガソリン XX - -
ディーゼル燃料と - X - X の混合物
ジェット燃料
重燃料（重油） - - X
シェールからの液体燃料
ガソリン XX - X
ディーゼルと - X - X ジェット燃料のブレンド
有機石油ベースの燃料 - - X XX 化学廃棄物
メタノール XX XX
水素 XX XX
メタン XX XX
テーブルデータ 1.16 は、状況があまり心強いものではないことを示しており、選択肢 1 の場合、状況が改善されるまでの時間はそれほど長くないようです。
オプション 2 は一般報道である程度の支持を得ましたが、オクタン価と セタン価このような炭化水素は、既存のエンジンを確実に動作させるには不十分です。 たとえこれらのエンジンがこれらの燃料で動作するように適合できたとしても、エネルギーの節約は一見したほど顕著ではありません。 精製度の低い炭化水素を使用すると、節約できると推定されます。
エネルギーは 3.8% に過ぎず、そのような燃料の使用は悪影響を与えるため、 具体的な費用燃料と大気への排出を考慮すると、このオプションも問題の解決策ではありません。
したがって、 唯一の選択肢残るのは合成液体炭化水素、すなわち化石油からではなく、例えば石炭、オイルシェール、タールサンドから得られる炭化水素の生産である。 このオプションの欠点としては、合成燃料の製造プロセスにかかるエネルギーコストが高いことが挙げられます。 例えば、石炭から得られる液体燃料、特に積極点火エンジン用の液体燃料は、その製造中にその燃料が得られるエネルギー源に含まれるエネルギーの最大 40% を失います。 ただし、スターリングエンジン用の石炭からの燃料の製造には、 複雑な技術そして、そのような燃料を得るために費やされるエネルギーは大幅に少なくなります。 上記のことから、合成燃料で動作する設備の全体的な熱効率を計算するには、元の種類のエネルギーをこの設備での使用に適した形式に変換する効率も考慮する必要があることがわかります。 このような計算の結果を表に示します。 1.17。
表1.17。熱効率。燃料源に含まれるエネルギーがエンジン出口で有用な仕事に変換されることを特徴づけます。
合成燃料
効率 一般的なエンジン、 効率、
シェールオイル
ガスタービン SZB
スターリングエンジン
これらの結果に基づくと、満足のいく結果が得られたすべての有望なエンジン（積極点火および成層給気を備えたエンジン、ターボ過給ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、およびガスタービン）は生産に多大な資本投資を必要とすることを除いて、オプション 3 の方が魅力的であるように思われます。収益性を確保できる量で。 修正バージョン 3 では、合成燃料と石油から得られるガソリンからなる可燃性混合物の使用の可能性が考慮されています。 このような混合物の 1 つであるガソホール (粒状原料から得られた 10% エタノールと 90% 無鉛ガソリン) を動作条件下でテストしました。 試験の結果、この混合物はベースとなるガソリンとほぼ同じ性質を持ち、ガソリンとほぼ同じエンジン性能を発揮し、混合物の単位体積当たりのエネルギーポテンシャルがわずかに低いものの、混合物の高いエネルギーによって相殺されることが示されています。 オクタン価。 ガソリンとメタノールの混合物も使用できます。
しかしながら、混合物の使用は、石油輸入問題の深刻さをわずかな程度、つまり混合物中の合成燃料の割合に比例して軽減するだけである。 同時に、そのような混合物を比較的少量生産するためのプラントを建設するために必要な資本投資は、小国や多くの多国籍企業の能力を超えます。 たとえば、1990 年までに年間 1,720 万トンのガソホールを生産するには (つまり、液体炭化水素の総需要のわずか 2% にすぎません)、少なくとも 100 億ドルが必要になると推定されています。オイルとガソリンを 5:95 の比率で使用すると、消費されるオイルの総量は 2% の 5%、つまり 0.1% 減少します。 考慮して 現在の価格石油製品の場合、そのような建設には対応する量の石油の購入の 20 倍の費用がかかります。
上記のことから、必要に応じて代替燃料源を探す必要があるとはいえ、次世紀の第 1 四半期末までにこれらの燃料源が燃料消費構造に影響を与えるには莫大な設備投資が必要となるということになります。特に合成燃料。 重い 石油燃料そして石炭は、低出力と高出力の両方の定置型発電所による燃料消費の構造にある程度の影響を与える可能性があります。 輸送用発電所にとって、この状況を打開する唯一の方法は燃料消費量を削減することです。これは自動車だけでなく船舶にも当てはまります。船上発電所の 72% はディーゼル エンジンです。 すでに述べたように、燃料消費率の削減は問題の一部しか解決しません。燃料消費量が大幅に低いエンジンは、特に異なる種類の燃料で動作できる場合、エネルギー節約の問題の解決により大きな影響を及ぼします。 スターリング エンジンは、開発の現段階でも大幅な燃料節約が可能であることを実証しています。 ただし、現在の研究開発の激しさを考慮すると、これらの節約はさらに大きくなる可能性があります。 スターリング エンジン プログラムの終了時に、フォードは、信頼水準 73% では燃料消費量の 38% 削減が期待でき、信頼水準 52% では燃料消費量の 81% 削減が期待できると予測しました。
係数 役立つアクション(効率) は、おそらくあらゆるシステムやデバイスに適用できる用語です。 人間にも効率係数がありますが、おそらくそれを見つけるための客観的な公式はまだありません。 この記事では、効率とは何か、さまざまなシステムでの効率の計算方法について詳しく説明します。
効率の定義
効率は、エネルギー出力または変換の観点からシステムの有効性を特徴付ける指標です。 効率は計り知れない量であり、0 ～ 1 の範囲の数値またはパーセンテージで表されます。
一般式
効率は記号 Š で示されます。
効率を求めるための一般的な数式は次のように記述されます。
Š=A/Q、ここで、A はシステムによって実行される有用なエネルギー/仕事、Q は有用な出力を得るプロセスを組織するためにこのシステムによって消費されるエネルギーです。
残念ながら、エネルギー保存則によれば、消費したエネルギー以上の仕事を得ることができないため、効率係数は常に 1 以下になります。 さらに、実際には、効率が 1 に等しくなることは非常にまれです。 役に立つ仕事機構の加熱などによる損失が常に伴います。
熱機関の効率
熱エンジンは、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。 熱機関では、仕事はヒーターから受け取った熱量とクーラーに与えられた熱量の差によって決まるため、効率は次の式で決まります。
- Ϡ=Qн-Qх/Qн、ここでQнはヒーターから受け取る熱量、Qхはクーラーに与える熱量です。
カルノーサイクルで動作するエンジンによって最高の効率が得られると考えられています。 で この場合効率は次の式で求められます。
- Ϡ=T1-T2/T1、T1は温泉の温度、T2は冷泉の温度です。
電動機の効率
電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であるため、この場合の効率は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置の効率の比率です。 電気モーターの効率を求める公式は次のようになります。
電力はシステム電流と電圧の積 (P=UI) として求められ、機械的電力は単位時間あたりの仕事の比率 (P=A/t) として求められます。
変圧器の効率
変圧器は変換する装置です 交流電流周波数を維持しながら、ある電圧を別の電圧の交流に変換します。 さらに、変圧器は交流を直流に変換することもできます。
変圧器の効率は次の式で求められます。
- Š=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n)、ここで P0 - モード損失 アイドルムーブ、PL - 負荷損失、P2 - 負荷に供給される有効電力、n - 負荷の相対度。
効率か非効率か？
効率に加えて、エネルギープロセスの効率を特徴付ける指標が多数あることは注目に値します。時々、130%程度の効率などの説明に遭遇することがありますが、この場合は次のことを理解する必要があります。この用語は完全に正しく使用されているわけではありません。おそらく、作成者または製造者は、この略語がわずかに異なる特性を意味すると理解しています。
たとえば、ヒートポンプは、消費する熱よりも多くの熱を放出できるという事実によって区別されます。 したがって、冷凍機は、冷却対象物から、除去を組織するのに費やしたエネルギーと同等の熱よりも多くの熱を除去することができます。 冷凍機の効率指標は冷凍係数と呼ばれ、Ɛという文字で表され、次の式で求められます。Ɛ=Qx/A、ここでQxは低温側から除去される熱、Aは除去プロセスに費やされる仕事量です。 。 ただし、冷凍係数を冷凍機の効率と呼ぶこともあります。
稼働中のボイラーの効率も興味深いです。 有機燃料、通常は低い方の発熱量に基づいて計算されますが、1 より大きくなる場合もあります。 しかし、それは依然として伝統的に効率と呼ばれています。 より高い発熱量によってボイラーの効率を決定することは可能であり、その場合、常に 1 未満になりますが、この場合、ボイラーの性能を他の設備のデータと比較するのは不便になります。
エンジンによって行われる仕事は次のとおりです。
このプロセスは、1824 年にフランスの技術者で科学者の N. L. S. カルノーによって、「火の原動力とこの力を開発できる機械についての考察」という本の中で初めて検討されました。
カルノーの研究の目標は、当時の熱機関の不完全性 (効率が 5% 以下だった) の理由を解明し、それらを改善する方法を見つけることでした。
カルノー サイクルはすべてのサイクルの中で最も効率的です。 その効率は最大です。
この図は、サイクルの熱力学的プロセスを示しています。 温度での等温膨張中 (1-2) T 1 、仕事はヒーターの内部エネルギーの変化、つまりガスへの熱の供給によって行われます。 Q:
あ 12 = Q 1 ,
圧縮前のガス冷却 (3-4) は断熱膨張 (2-3) 中に発生します。 内部エネルギーの変化 ΔU 23 断熱プロセス中（ Q = 0) は完全に機械的な作業に変換されます。
あ 23 = -ΔU 23 ,
断熱膨張(2-3)によりガスの温度は冷凍機の温度まで下がります T 2 < T 1 。 工程(3-4)ではガスを等温圧縮し、その熱量を冷凍機に伝えます。 Q2:
A34 = Q2,
サイクルは断熱圧縮プロセス (4-1) で終了し、ガスはある温度まで加熱されます。 T1.
カルノーサイクルに従った理想的なガス熱機関の最大効率値:
.
式の本質は実証済みの形で表現されています。 と。 いかなる熱機関の効率も超えることはできないというカルノーの定理 サイクル効率カルノー、ヒーターと冷蔵庫の同じ温度で実行されます。
意味 [ | ]
効率
数学的に 効率の決定次のように書くことができます:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)どこ あ- 有益な仕事（エネルギー）、そして Q- 消費されるエネルギー。
効率がパーセンテージで表される場合、次の式で計算されます。
η = A Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),どこ Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- 低温側から奪われる熱（冷凍機、冷却能力）。 A (\displaystyle A)
ヒートポンプに使用される用語は、 変換率
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),どこ Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- 凝縮熱が冷却剤に伝達される。 A (\displaystyle A)- このプロセスに費やされる仕事 (または電力)。
で 完璧な車 Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A)、ここから理想のクルマへ ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
現代の現実では、熱機関の広範な使用が必要です。 それらを電気モーターに置き換えようとする多くの試みはこれまでのところ失敗しています。 エネルギー貯蔵に関連する問題 自律システム、非常に困難を抱えて解決されます。
長期間の使用を考慮した電力用電池の製造技術の問題は依然として存在する。 速度特性電気自動車は内燃機関を搭載した自動車とは大きく異なります。
ハイブリッド エンジンの作成に向けた最初のステップでは、コストを大幅に削減できます。 有害な排出物大都市で環境問題を解決します。
ちょっとした歴史
蒸気エネルギーを運動エネルギーに変換する可能性は古代に知られていました。 紀元前 130 年: アレクサンドリアの哲学者ヘロンは、蒸気のおもちゃ - アエオリパイル - を聴衆にプレゼントしました。 蒸気で満たされた球体は、そこから発せられるジェットの影響を受けて回転し始めました。 この現代のプロトタイプ 蒸気タービン当時は使用されていませんでした。
何年も何世紀にもわたって、哲学者の発展は単なる楽しいおもちゃとみなされていました。 1629 年にイタリアの D. Branchi がアクティブなタービンを作成しました。 蒸気はブレードを備えた円盤を駆動しました。
この瞬間から急速な開発が始まりました 蒸気機関.
熱機関
燃料を機械部品や機構の運動エネルギーに変換することは、熱機関で使用されます。
機械の主要部分：ヒーター（外部からエネルギーを得るシステム）、作動流体（有用な作用を実行する）、冷凍機。
ヒーターは、有効な仕事を実行するために作動流体が十分な内部エネルギーを蓄積できるように設計されています。 冷蔵庫は余分なエネルギーを取り除きます。
効率の主な特性は、熱機関の効率と呼ばれます。 この値は、暖房に費やされるエネルギーのうち、有益な仕事を行うためにどれだけのエネルギーが費やされるかを示します。 効率が高ければ高いほど、 もっと儲かる仕事ただし、この値は 100% を超えることはできません。
効率計算
ヒーターが外部から Q 1 に等しいエネルギーを取得するとします。 作動流体は仕事 A を行い、冷凍機に与えられたエネルギーは Q 2 になります。
定義に基づいて、効率値を計算します。
η＝Ａ／Ｑ １． A = Q 1 - Q 2 であることを考慮してみましょう。
したがって、熱機関の効率 (式は η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1) により、次の結論を導き出すことができます。
- 効率は 1 (または 100%) を超えることはできません。
- この値を最大化するには、ヒーターから受け取るエネルギーを増やすか、冷蔵庫に与えるエネルギーを減らす必要があります。
- ヒーターのエネルギーを増やすには、燃料の品質を変更します。
- 冷蔵庫に与えられるエネルギーを削減することで、 デザインの特徴エンジン。
理想的な熱機関
効率が最大 (理想的には 100%) になるエンジンを作成することは可能ですか? フランスの理論物理学者であり才能あるエンジニアのサディ・カルノーは、この質問に対する答えを見つけようとしました。 1824 年に、気体中で起こるプロセスに関する彼の理論計算が公開されました。
理想的なマシンに固有の主なアイデアは、可逆プロセスの実装と考えることができます。 理想気体。 まず、温度 T 1 でガスを等温膨張させます。 このために必要な熱量は Q 1 であり、その後、ガスは熱交換なしで膨張し、温度 T 2 に達すると等温圧縮され、エネルギー Q 2 が冷凍機に伝達されます。 気体は断熱的に元の状態に戻ります。
理想的なカルノー熱機関の効率は、正確に計算すると、加熱装置と冷却装置の間の温度差とヒーターの温度の比に等しくなります。 次のようになります: η=(T 1 - T 2)/ T 1。
熱機関の可能な効率 (式: η = 1 - T 2 / T 1) はヒーターとクーラーの温度のみに依存し、100% を超えることはできません。
さらに、この関係により、冷蔵庫が所定の温度に達した場合にのみ、熱機関の効率が 1 と等しくなることが証明できます。 知られているように、この値は達成不可能です。
カルノーの理論計算により、あらゆる設計の熱機関の最大効率を決定することができます。
実証済み カルノーの定理このように聞こえます。 いかなる状況においても、任意の熱機関の効率が理想的な熱機関の同じ効率値を超えることはあり得ません。
問題解決の例
例1 ヒーターの温度が 800 ℃、冷蔵庫の温度が 500 ℃ 低い場合、理想的な熱機関の効率はどれくらいですか?
T 1 = 800 o C = 1073 K、ΔT = 500 o C = 500 K、η - ?
定義により: η=(T 1 - T 2)/ T 1。
冷蔵庫の温度は与えられていませんが、ΔT= (T 1 - T 2) であるため、次のようになります。
η= ΔT / T1 = 500 K/1073 K = 0.46。
答え: 効率 = 46%。
例 2 取得した 1 キロジュールのヒーター エネルギーにより 650 J の有用な仕事が実行される場合の理想的な熱機関の効率を求めます。クーラーの温度が 400 K の場合、熱機関のヒーターの温度はいくらですか?
Q 1 = 1 kJ = 1000 J、A = 650 J、T 2 = 400 K、η - ?、T 1 = ?
この問題では熱設備について話しています。その効率は次の式を使用して計算できます。
ヒーターの温度を決定するには、理想的な熱エンジンの効率を求める公式を使用します。
η = (T 1 - T 2)/T 1 = 1 - T 2 / T 1。
数学的変換を実行すると、次の結果が得られます。
T 1 = T 2 /(1-η)。
T 1 = T 2 /(1- A / Q 1)。
計算してみましょう:
η= 650 J/1000 J = 0.65。
T1 = 400 K / (1-650 J / 1000 J) = 1142.8 K。
答え: η= 65%、T 1 = 1142.8 K。
実際の状況
理想的な熱エンジンは、理想的なプロセスを念頭に置いて設計されています。 仕事は等温プロセスでのみ実行され、その値はカルノー サイクルのグラフによって制限される領域として決定されます。
実際には、温度変化を伴わずに気体の状態変化のプロセスが起こる条件を作り出すことは不可能です。 周囲の物体との熱交換を排除する材料はありません。 断熱プロセスが実行できなくなります。 熱交換の場合、ガス温度は必然的に変化する必要があります。
実際の条件で作成された熱エンジンの効率は、理想的なエンジンの効率とは大きく異なります。 なお、処理の流れは、 本物のエンジンこの現象は非常に急速に起こるため、作動物質の体積変化の過程における内部熱エネルギーの変化は、ヒーターからの熱の流入と冷凍機への伝達では補償できません。
その他の熱機関
実際のエンジンはさまざまなサイクルで動作します。
- オットーサイクル: 一定量のプロセスが断熱的に変化し、閉じたサイクルを形成します。
- ディーゼル サイクル: 等圧線、断熱、等平均線、断熱。
- 一定の圧力で発生するプロセスは断熱プロセスに置き換えられ、サイクルが終了します。
条件下で実際のエンジンに平衡プロセスを作成する（理想的なエンジンに近づける） 現代のテクノロジー不可能のようです。 同じことを考慮しても、熱機関の効率ははるかに低くなります。 温度条件理想的な熱設備と同様です。
しかし、計算の役割を減らすべきではありません 効率の計算式なぜなら、これこそが実際のエンジンの効率を高める取り組みのプロセスの出発点となるからです。
効率を変える方法
理想的な熱機関と実際の熱機関を比較するとき、後者の冷蔵庫の温度はどのようなものであってもいけないことに注意する価値があります。 通常、大気は冷蔵庫とみなされます。 大気の温度は近似計算でのみ受け入れられます。 経験上、内燃機関 (ICE と略称) の場合と同様、冷却剤の温度はエンジン内の排気ガスの温度と等しいことがわかっています。
ICE は、私たちの世界で最も一般的な熱機関です。 この場合の熱機関の効率は、燃料の燃焼によって生成される温度に依存します。 内燃エンジンと蒸気エンジンの大きな違いは、ヒーターと装置の作動流体の機能が統合されていることです。 混合気。 混合気が燃焼すると、エンジンの可動部分に圧力が発生します。
作動ガスの温度が上昇し、燃料の特性が大幅に変化します。 残念ながら、これを無期限に行うことはできません。 エンジンの燃焼室を構成する材料にはそれぞれ独自の融点があります。 このような材料の耐熱性はエンジンの主な特性であり、効率に大きな影響を与える能力です。
モーター効率の値
入口での作動蒸気の温度が800 K、排気ガスの温度が300 Kであることを考慮すると、この機械の効率は62％です。 実際には、この値は 40% を超えません。 この減少は、タービンケーシングを加熱する際の熱損失により発生します。
内燃機関の最高値は 44% を超えません。 この値を増やすことは近い将来の問題です。 材料や燃料の性質を変えることが課題となっている 最高の頭脳人類。
