Баламалы отынның бензинге шаққан энергия теңдестігі

Кіріспе

Бір сұйық галлон бензиннің энергия мөлшеріне тең келетін балама отынның көлемі.

Бензиннің бір галлондық эквиваленті (GGE) немесе бензинге шаққандағы галлон (GEG) – бұл бір сұйық галлон бензиннің энергия мөлшерімен тең болатын балама отынның көлемі. GGE тұтынушыларға кең таралған отын – бензинмен салыстырғанда, балама отындардың энергия мөлшерін салыстыруға мүмкіндік береді. Олар әртүрлі бірліктерде және физикалық түрлерде сатылатындықтан, бензиннің құнын басқа отындармен салыстыру қиын. GGE осы мәселені шешуге бағытталған. Бір GGE табиғи газ және бір GGE электр энергиясының энергиясы бензиннің бір галлонына тең. Осылайша, GGE бензинді балама отындармен, оның ішінде газ түрінде сатылатындарымен (табиғи газ, пропан, сутегі) және өлшенген электр энергиясымен тікелей салыстыруға мүмкіндік береді.

Анықтама

1994 жылы АҚШ Ұлттық стандарттар және технология институты (NIST) «бензиннің бір галлонына балама газ (GGE) [5,660 фунт табиғи газ]» деп анықтады. Мысалы, сығылған табиғи газ (CNG) сұйықтық емес, газ болып табылады. Оны атмосфералық жағдайда стандартты куб футта (ft3) көлеммен, фунт (lb) салмақпен немесе джоуль (J), британдық жылу бірліктерімен (BTU) немесе киловатт-сағаттармен (kW·h) энергия мазмұнымен өлшеуге болады. АҚШ-тағы жанар-жағармай құю станцияларында сатылатын CNG бағасы GGE үшін доллармен көрсетіледі. Ішкі жану қозғалтқышында қолданылатын әртүрлі отындардың сақталған энергиясын салыстыру үшін GGE-ні пайдалану – тұтынушылар үшін бір ғана фактор, олар көбінесе көлік құралын жүргізудің жылдық құнын білуге қызығушылық танытады, бұл үшін берілген отыннан қанша пайдалы жұмыс алуға болатынын ескеру қажет. Бұл көліктің жалпы тиімділігімен өлшенеді. GGE контекстінде жалпы тиімділіктің нақты өлшемі – автокөлік өндірушілер жариялаған отынның үнемділігі немесе отын тұтыну көрсеткіштері болып табылады.

Тиімділік пен тұтыну

Бастапқыда, белгілі бір отынның сақталған энергиясының тек бір бөлігі ғана (БТУ немесе кВт сағ өлшенеді) көліктің қозғалтқышымен пайдалы жұмысқа айналдырылады. Мұның өлшемі – қозғалтқыштың тиімділігі, көбінесе ішкі жанатын қозғалтқыштар жағдайында жылу тиімділігі деп аталады. Дизельдік циклді қозғалтқыш отынды жұмысқа айналдыруда 40%-дан 50%-ға дейін тиімді болуы мүмкін, ал әдеттегі автомобиль бензинді қозғалтқышының тиімділігі шамамен 25%-дан 30%-ға дейін. Жалпы, қозғалтқыш бір отынмен жұмыс істеуге арналған, ал бір отынды екіншісімен ауыстыру жылу тиімділігіне әсер етуі мүмкін. Әрбір отын-мотор комбинациясы ауа мен отынның қоспасын реттеуді қажет етеді. Бұл құралдар мен сынақ аспаптарын қолдан қолмен реттеу немесе компьютерлік басқарумен отын құю және көп отынды көліктерде автоматты түрде іске асырылуы мүмкін. Үстелдегіш немесе турбокомпрессорды пайдаланатын ішкі жанатын қозғалтқыштың мәжбүрлі индукциясы отын-ауа арақатынасына және жылу тиімділігіне де әсер етуі мүмкін. Отын бірлігін пайдалы жұмысқа айналдырудың жалпы тиімділігі (жегіткіш дөңгелектердің айналуы) жылу тиімділігін қарастыруды қамтиды, сонымен қатар берілген көліктің құрылымына тән және ерекше динамикалық шығындарды да ескереді. Жылу тиімділігіне сүргілеу және жылу шығыны әсер етеді; ішкі жанатын қозғалтқыштарда сақталған энергияның бір бөлігі ауа шығару немесе салқындату жүйесі арқылы жылу түрінде жоғалады. Сонымен қатар, қозғалтқыштың ішінде сүргілеу цилиндр қабырғаларында, колентәлдік вал төсегінде және негізгі төсегінде, майбелгіш вал төсегінде, қозғалтқыш тізбектерінде немесе дискілерінде, сондай-ақ басқа да әртүрлі және кішігірім төсегі беттерінде болады. Басқа динамикалық шығындар генератордан / балама генератордан, күштік руль сорғысынан, кондиционерден, беріліс қорабынан, беру корпусынан (төрт дөңгелекті жетек болса), дифференциалдан және әмбебап буындардан, сонымен қатар пневматикалық шиналардың тәлтіреуге қарсы кедергісінен туындауы мүмкін. Көліктің сыртқы стилі оның аэродинамикалық соғуына әсер етеді, бұл жалпы тиімділік үшін қарастырылуы тиіс тағы бір динамикалық шығын. Аккумуляторлы немесе электрлік көліктерде көліктің жалпы тиімділігін есептеу аккумулятордың зарядталу-ауысу жылдамдығымен басталады, әдетте 80%-дан 90%-ға дейін. Келесісі – сақталған энергияны электр қуатымен жүретін қашықтыққа айналдыру. Жалпы алғанда, электр қозғалтқышы ішкі жанатын қозғалтқыштан әлдеқайда тиімді, өйткені ол жиналған әлеуетті энергияны пайдалы жұмысқа айналдырады; электр көлігінде сүйреу қозғалтқышының тиімділігі 90%-ға дейін жетуі мүмкін, өйткені мотор бөлшектерінен шығатын ысырапты жылу өте аз, ал салқындатқыш радиатордан және шығарылатын газдан шығарылатын жылу нөлге жуық. Электр қозғалтқышының ішкі сүргісі тек негізгі осьтің подшипниктерінде болады. Қосымша шығындар жалпы тиімділікке әсер етеді, дәстүрлі ішкі жану машинасына ұқсас, оның ішінде дөңгелек кедергісі, аэродинамикалық соғу, қосымша қуат, климаттық бақылау және күштік беріліс шығындары бар. GGE үшін бөлшек сауда электр энергиясының бағасын БТУ түрінде аударатын төмендегі кестеге қараңыз. Жалпы тиімділік өлшенеді және мемлекеттік тестілеу арқылы, көлік құралын стандартты жүргізу циклында пайдалану арқылы, көлік құралдарын салыстыру үшін тұрақты негізді қамтамасыз ете отырып, типтік пайдалануды қайталауға арналған. АҚШ-та сатылатын автомобильдер олардың жалпы тиімділігі (жанар май үнемдеуі) галонға (мпг) шақырыммен өлшенген. Берілген көліктің MPG көрсеткіші отын мен қозғалтқыштың жылу тиімділігінен басталады, жоғарыда аталған сүргі элементтерінің барлығы алынып тасталады. Отынның тұтынуы АҚШ-тан тыс жерде сатылатын автомобильдер үшін баламалы өлшем болып табылады, әдетте 100 км-ге литрмен өлшенеді; әдетте, отынның тұтынуы және галонға шақырымдар тиісті түрлендіру коэффициенттерімен өзара байланысты, бірақ әртүрлі елдер отынның тұтынуын өлшеу үшін әртүрлі жүргізу циклін қолданатындықтан, отынның үнемділігі мен отынның тұтынуы әрқашан тікелей салыстырылмайды.

To start, only a fraction of the stored energy of a given fuel (measured in BTU or kW hr) can be converted to useful work by the vehicle's engine. The measure of this is engine efficiency, often called thermal efficiency in the case of internal combustion engines. A diesel cycle engine can be as much as 40% to 50% efficient at converting fuel into work, where a typical automotive gasoline engine's efficiency is about 25% to 30%. In general, an engine is designed to run on a single fuel source and substituting one fuel for another may affect the thermal efficiency. Each fuel–engine combination requires adjusting the mix of air and fuel. This can be a manual adjustment using tools and test instruments or done automatically in computer controlled fuel injected and multi fuel vehicles. Forced induction for an internal combustion engine using supercharger or turbocharger may also affect the optimum fuel–air mix and thermal efficiency. The overall efficiency of converting a unit of fuel to useful work (rotation of the driving wheels) includes consideration of thermal efficiency along with dynamic losses that are inherent and specific to the design of a given vehicle. Thermal efficiency is affected by both friction and heat losses; for internal combustion engines, some of the stored energy is lost as heat through the exhaust or cooling system. In addition, friction inside the engine happens along the cylinder walls, crankshaft rod bearings and main bearings, camshaft bearings, drive chains or gears, plus other miscellaneous and minor bearing surfaces. Other dynamic losses can be caused by friction outside the motor/engine, including loads from the generator / alternator, power steering pump, A/C compressor, transmission, transfer case (if four wheel drive), differential(s) and universal joints, plus rolling resistance of the pneumatic tires. The vehicle's external styling affects its aerodynamic drag, which is another dynamic loss that must be considered for overall efficiency. In battery or electric vehicles, calculating the vehicle's overall efficiency of useful work begins with the charge–discharge rate of the battery pack, generally 80% to 90%. Next is the conversion of stored energy to distance traveled under power. Generally speaking, an electrical motor is far more efficient than an internal combustion engine at converting the stored potential energy into useful work; in an electric vehicle, traction motor efficiency can approach 90%, as there is minimal waste heat coming off the motor parts, and zero heat cast off by the coolant radiator and out of the exhaust. An electric motor typically has internal friction only at the main axle bearings. Additional losses will affect the overall efficiency, similar to a conventional internal combustion car, including rolling resistance, aerodynamic drag, accessory power, climate control, and drivetrain losses. See table below translating retail electricity costs for a GGE in BTU. Overall efficiency is measured and reported, typically by government testing, through operating the vehicle in a standardized driving cycle designed to replicate typical use, while providing a consistent basis for comparison between vehicles. Cars sold in the United States are advertised by their measured overall efficiency (fuel economy) in miles per gallon (mpg). The MPG of a given vehicle starts with the thermal efficiency of the fuel and engine, less all of the above elements of friction. The fuel consumption is an equivalent measure for cars sold outside the United States, typically measured in litres per 100 km traveled; in general, the fuel consumption and miles per gallon would be reciprocals with appropriate conversion factors, but because different countries use different driving cycles to measure fuel consumption, fuel economy and fuel consumption are not always directly comparable.

Галондағы бензин эквиваленті (MPGe)

MPGe метрикасы 2010 жылдың қараша айында EPA Nissan Leaf электр көлігінің және Chevrolet Volt плагин-гибридінің Monroney таңбасында енгізілді. Бұл рейтингтер EPA формуласына негізделген, онда 33,7 киловатт-сағат электр энергиясы бензиннің бір галлонына балама (оның жылу беру қасиеті), және әр көліктің EPA-ның әртүрлі жүргізу жағдайларын имитациялайтын бес стандартты жүргізу цикліндегі сынақтар кезіндегі энергия тұтынуы ескеріледі. АҚШ-та сатылатын барлық жаңа автомобильдер мен жеңіл жүк көліктерінің міндетті түрде осы таңбасы болуы керек, онда EPA көліктің отын экономиясының шамамен есебі көрсетілген.

Бензин галоны эквивалентінің кестелері

Галлон АҚШ есебімен бензин үшін есептелген GGE (бензин эквиваленті)
Отын: сұйық, АҚШ галлондары GGE GGE % BTU/гал kWh/гал ж/сағ/гал ккал/литр Бензин (негізгі) 1.0000 100.00% 114,000 Бензин (дәстүрлі, жазғы) % 112,000 Дизель #2 % 129,500 Биодизель (B100) % 118,700 Авиациялық отын (керосин) 1.0000 галлон (АҚШ) /галUS Табиғи газ (CNG) стандартты жағдайларда фунт /фунт Табиғи газ (CNG) Атмосфералық жағдайлардағы сутек, куб. фут /куб. фут Салмақ бойынша сутек кг /кг Электр энергиясы 33.40 киловатт сағат kWh

+ 1 GGE үшін электр энергиясы құны 1 GGE = 33.40 kWh Жергілікті тариф бойынша kWh $/галлонэквивалент $0.03 $1.000 $0.04 $1.333 $0.05 $1.667 $0.06 $2.000 $0.07 $2.338 $0.08 $2.670 $0.09 $3.006 $0.10 $3.340 $0.11 $3.674 $0.12 $4.000 $0.13 $4.342 $0.14 $4.670 $0.15 $5.010 $0.16 $5.344 $0.17 $5.678 $0.18 $6.012 $0.19 $6.346 $0.20 $6.680 $0.25 $8.350 $0.27 $9.018 $0.28 $9.352 $0.29 $9.686 $0.30 $10.020
АҚШ-тағы тұрғын үйлер үшін электр энергиясының тарифтері $0.0728 (Айдахо) бастап $0.166 (Аляска) дейін,
$0.22 (Сан-Диего 1-деңгей, ал 2-деңгей $.40) және $0.2783 (Гавайи) құрайды.

Қысылған табиғи газ

Табиғи газдың бір ГЭК-і стандартты жағдайларда өлшенген. Осы көлемдегі табиғи газдың энергиясы бензиннің бір АҚШ галлонына тең (төменгі жылулық мәндеріне сүйенгенде: табиғи газ үшін және бензин үшін). 2400 фунт/квадрат дюйм қысымдағы бір ГГЭ СГҚ-ның көлемі бензиннің бір АҚШ галлонына тең энергияға ие (төменгі жылулық мәндеріне сүйенгенде: СГҚ және бензин үшін). АҚШ-та тұтынушылар СГҚ көліктерін жанармаймен толтырғанда, СГҚ көбінесе ГЭК бірліктерімен өлшеніп, сатылады. Бұл бензиннің галлондарымен салыстыру үшін өте ыңғайлы.

Этанол және аралас отын (E85)

Этанолдың энергиясы бензиннің энергиясымен бірдей. Этанолдың энергиясы бензинмен салыстырғанда , . (жоғарыдағы диаграмманы қараңыз) 100% бензинмен салыстырғанда, флекс-отынмен жұмыс істейтін көлік құралы E85 (85% этанол) өнімдерін пайдаланғанда отынның 76% дейін жүріс етеді. Этанол мен бензиннің BTU мәндерін қарапайым есептеулер ішкі жанатын қозғалтқышқа қол жетімді жылу мөлшерінің азайғанын көрсетеді. Таза этанол таза бензиннің жылу мөлшерінің 2/3 бөлігін қамтамасыз етеді. Көбінесе қолданылатын есептеуде, яғни таза бензиннің BTU мәні 10% этанол қосылған бензинмен салыстырғанда, соңғысының BTU құны таза бензиннің 96% құрайды. Бензиннің BTU мәні Ридтің бу қысымына байланысты өзгереді (этанол қыстағы араласпаларда оңайрақ булануға мүмкіндік береді (суық ауада этанолмен көлікті іске қосу қиын) және соққыға қарсы қоспалардың әсерінен. Мұндай қоспалар BTU мәнін төмендетеді.