Efisiensi dan emisi NOx dari engine gas tanpa pembakaran

Saya punya pertanyaan mengenai efisiensi mesin gas lean burn. Mungkin ini hanya kebingungan tentang terminologi "efisiensi termal", "tekanan rata-rata rem", "efisiensi termal rem" dll. Tetapi mari kita lihat.

Mesin gas stasioner dalam kombinasi panas dan pembangkit listrik biasanya dijalankan pada rasio udara-bahan bakar yang sangat tinggi untuk memaksimalkan efisiensi dan mengurangi emisi NOx pada saat yang sama. Dengan diperkenalkannya lebih banyak udara, efisiensi termal meningkat karena rasio kapasitas panas yang lebih tinggi dari campuran gas. Pada saat yang sama ini juga menghasilkan penurunan suhu di ruang bakar yang mengurangi oksidasi nitrogen dan karenanya menurunkan emisi nitrogenoksida.

Namun, dalam literatur tradeoff antara emisi NOx rendah dan efisiensi mesin yang tinggi sering disebutkan.

Juga, saya berasumsi bahwa suhu yang lebih tinggi di dalam ruang bakar adalah indikasi pembakaran yang efisien, yang juga tidak sesuai dengan paragraf pertama.

Makalah lain yang saya baca juga menunjukkan maksimum efisiensi termal rem pada rasio udara-bahan bakar yang sama dengan emisi NOx maksimum, yang juga tidak sesuai dengan paragraf pertama.

Apakah ada orang di sini yang memiliki pemahaman yang baik tentang mekanisme mesin pembakaran lean dan dapat membantu saya memahami ini? Saya juga dapat memberikan rincian lebih lanjut tentang kesalahpahaman saya sendiri.

Pertanyaan tindak lanjut:

Sekali lagi, terima kasih atas jawaban Anda, Mark. Berikut adalah beberapa pemikiran lebih lanjut termasuk grafik yang membingungkan saya pada awalnya. Terutama grafik "efisiensi siklus otto vs rasio kompresi".

Mengenai grafik yang disebutkan sebelumnya: Dengan bertambahnya lambda, gamma eksponen isentropik juga meningkat, menghasilkan efisiensi termal yang lebih tinggi. Apakah peningkatan efisiensi ini juga menyiratkan peningkatan daya yang tersedia di poros engkol? Asumsi saya adalah bahwa peningkatan efisiensi juga meningkatkan pekerjaan yang tersedia dalam diagram p-V dari siklus Otto (area antara 4 titik dari berbagai langkah siklus otto). Satu percobaan pemikiran akan meningkatkan lambda hingga tak terbatas, oleh karena itu memaksimalkan efisiensi termal ketika eksponen isentropik mendekati udara. Namun, ini tidak masuk akal sekarang karena tidak akan ada kekuatan di poros engkol. Atau untuk menempatkan seluruh paragraf ini secara singkat: Apa yang saya dapatkan dengan peningkatan efisiensi termal? Di mana pernyataan "mesin pembakaran ramping efisien dan mengurangi emisi NOx" berasal, ketika minimum konsumsi bahan bakar rem pada lambda yang sama dengan emisi NOx maksimum?

Argumen efisiensi mesin lean burn sering digunakan dalam literatur, namun konsumsi bahan bakar spesifik rem terendah terjadi pada lambda hanya sedikit lebih tinggi daripada operasi stochiometrik mesin dan kemudian dengan cepat naik. Ini sangat membingungkan karena investigasi previos gamma akan mengarah pada asumsi bahwa saya hanya dapat "meningkatkan lambda untuk mendapatkan lebih banyak efisiensi". Apa motivasi di balik peningkatan efisiensi termal ketika tidak dapat digunakan sebagai tenaga mekanik di poros engkol?

Maafkan pertanyaan saya agak naif.

Dan satu pertanyaan terakhir yang sangat penting: Ketika menyelidiki lambda, apakah benar bahwa dengan peningkatan lambda massa bahan bakar aktual berkurang? Atau apakah massa bahan bakar biasanya dipertahankan konstan dalam percobaan seperti itu dan lambda meningkat dengan menambahkan lebih banyak oksigen, secara efektif meningkatkan total massa gas di ruang bakar? (Untuk membuat pertanyaan panjang pendek: Apakah konvensi bahwa massa total dalam ruang pembakaran dijaga konstan ketika memvariasikan lambda atau massa bahan bakar dijaga konstan dan lambda divariasikan dengan menambahkan lebih banyak oksigen)

Ini adalah pertanyaan yang bagus dan kompleks, dan jawaban singkatnya adalah bahwa hal itu sepenuhnya berkaitan dengan kebingungan terminologi. Untuk menjawabnya, saya harus menjelaskan fisika di balik persamaan, karena banyak percobaan tunggal akan membahas masing-masing istilah ini, tetapi hasil bersih dari seluruh sistem mendorong terminologi lain.

Untuk memulai dengan panas dari pembakaran ditentukan di laboratorium di mana mereka memiliki jumlah bahan bakar dalam ruang tertutup yang terisolasi sehingga panas tidak dapat keluar. Dalam hal ini, kami memperoleh bahwa reaksi akan melepaskan sejumlah panas (dalam satuan yang disebut Joule, yang merupakan jumlah energi dalam 1 detik dari sumber daya 1 Watt) untuk setiap jumlah bahan bakar. Biasanya ini dilakukan berdasarkan massa (J / kg), tetapi versi lain, seperti volume atau basis per-molekul (J / L atau J / mol) digunakan. Panas yang dilepaskan (dalam Joule), adalah ukuran energi. Untuk menentukan berapa banyak energi yang dilepaskan, kita sebenarnya perlu melakukan beberapa perhitungan mundur. Di dunia yang ideal, di mana percobaan memiliki jumlah stoikiometrik (jumlah yang tepat secara kimiawi yang dibutuhkan untuk reaksi - tidak lebih, tidak kurang) jumlah oksigen murni dan campuran bahan bakar, kami akan menjalankan perhitungan sebagai berikut:

1. Ukur suhu sebelum reaksi
2. Ukur suhu setelah reaksi
3. Perhatikan panas spesifik s dari produk-produk reaksi (Uap dan Karbon Dioksida)
4. Akun perubahan fasa air jika ini dilakukan pada suhu kamar.

Bersama-sama, kita melihat kenaikan suhu, dan menggunakan properti yang diambil dalam percobaan sebelumnya (bagaimana suhu beberapa zat berubah ketika sejumlah panas listrik tertentu diterapkan), kita dapat menemukan jumlah energi yang dihasilkan selama reaksi. Catat itu asumsi anda dalam percobaan ini benar-benar akurat - kenaikan suhu tinggi akan menunjukkan reaksi selesai. Jika suhunya rendah, sayangnya kita akan melihat banyak reaksi samping yang mengakibatkan pembakaran yang buruk (seperti pembentukan NOx). Kami akan menyebut kenaikan suhu tertinggi dengan nilai 1, dan apa pun yang mencapai 90% dari nilai ini akan dianggap 90% efisien. Ini adalah bentuk efisiensi termal yang dikenal sebagai efisiensi bahan bakar

Cara lain suhu dalam eksperimen pemikiran ini akan diturunkan adalah jika penuh dengan gas inert, seperti Helium, yang tidak berpartisipasi dalam reaksi. Jumlah bahan bakar yang terbatas di bilik akan menaikkan suhu bahan bakar dan oksigen, tetapi juga perlu memanaskan helium. Kenaikan suhu seperti itu akan menggunakan sebagian energi yang tersedia. Ini adalah kedua cara kita dapat memiliki suhu rendah - melalui pembakaran yang buruk, dan melalui pengenceran. Satu masih memiliki efisiensi termal yang tinggi, yang lainnya hanya suhu yang lebih rendah.

Eksperimen pemikiran akhir, jika kami memiliki mesin yang ideal dalam mengambil udara dari oven panas, itu akan jauh lebih efisien. Mesin harus didinginkan lebih banyak, dan itu harus berjalan sangat lambat. Ini sebagian karena komponen over-heating, dan sebagian karena ketukan bahan bakar, tetapi sebagian besar karena fakta bahwa akan lebih banyak pekerjaan untuk mengompres udara panas maka akan mengompres udara dingin. Akibatnya, mesin jauh lebih efisien. Pada awal 1820-an, terbukti bahwa energi paling banyak yang bisa Anda peroleh dari panas adalah a siklus termodinamika disebut siklus Carnot adalah yang paling efisien, dan efisiensi bergantung sepenuhnya pada seberapa panas Anda bisa mendapatkan gas, dan pada seberapa dingin gas dimulai. Efisiensi Carnot ini, antara dua suhu, bisa disebut 1, dan apa pun yang 90% dari ekstraksi daya ini akan menjadi bentuk efisiensi termal yang bisa kita sebut efisiensi termal rem , karena secara fisika tidak ada mesin yang bisa lebih efisien daripada nilai itu. Ini disebut efisiensi rem atau daya rem karena Anda mengukur daya yang Anda gunakan pada rem untuk menghentikan mesin, bukan tenaga (dalam hal energi kimia mengalir melalui mesin per detik).

Perhatikan bahwa efisiensi termal rem berbeda dari efisiensi termal dalam konteks ini - efisiensi termal bahan bakar adalah seberapa banyak bahan bakar dikonversi dari bahan bakar menjadi produk akhir, tetapi efisiensi termal rem hanya merujuk pada seberapa hangat gas menjadi. Jika gas tidak menjadi panas dalam pembakaran, ia tidak dapat mengekstraksi daya secara efisien. Akibatnya, pergi ke percobaan dengan helium, jika kita membanjiri mesin dengan udara, sebagian besar udara akan tetap tidak bereaksi, dan bertindak sebagai helium. Namun, kelebihan udara akan memastikan semua bahan bakar akan terbakar. Kami akan memiliki efisiensi bahan bakar yang sangat baik, tetapi efisiensi Carnot mengerikan, karena gas tidak akan cukup hangat untuk efisiensi Carnot yang baik. Suhu rendah ini mencegah pembentukan NOx, tetapi secara keseluruhan sistem tidak akan menghasilkan daya sebanyak yang bisa dihasilkan jika udara berlebih tidak dimasukkan ke dalam sistem.