КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах
Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …
ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ
- Подробнее о потерях
- У какого двигателя самый большой КПД?
- О топливной эффективности дизеля
Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.
КПД двигателя внутреннего сгорания – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.
Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.
Подробнее о потерях
Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:
1) Топливная эффективность. Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.
2) Второе это тепловые потери. Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.
3) Третье это механические потери. НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %
Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.
ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!
Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.
Если вспомнить формулу то получается:
У какого двигателя самый большой КПД?
Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.
Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:
1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.
2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.
Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.
О топливной эффективности дизеля
ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.
Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.
Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.
На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.
(80 голосов, средний: 3,71 из 5)
Похожие новости
Добавить комментарий Отменить ответ
Комментарии
иван шкинёв
Почитай «Одноэтажная Америка». Там 2 советских писателя (журналисты) Ильф и Петров проехали по Америке в 20-х годах ПРОШЛОГО века на машине класса «Волги» около 10000 км. СРЕДНИЙ расход бензина был «меньше 10 литров». Сейчас-бы такую машину.
20-25% КПД парового двигателя, а не бензинового.
Читаю: — Дизель . работает с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал . Ну так никто не заставляет бензомотор раскручивать до «бешеных оборотов». НО это делают, и делают не во вред, а пользы для, так что это не недостаток, а необходимость .
Я купил себе Беху в 90-м обьемом 2.5 литра и неслыханной по тем временам мощей -150 коней. Расход был 9-10 литров бензина по трассе. Ноне езжу на Ниссане 1.0 литра 146 коней и расходом до 5литров бензина. Как план . Это за каких-то 30ть лет. А ранее кто-то писал о неэффективности эл моторов в России (бо холодно),так не забудте ,что характеристики эл .двига с понижением температур возрастают, а о примере успешного использования эл.двигов можно убедится на БЕЛАЗАх успешно работающих в Кемерово (без остановок).
Наддув и турбонадув форсируют мотор но снижают кпд при приросте мощности на 20% расход топлива вырастает на большую величину в зависимости от совершенства наддува. Да у сверхтихоходных стационарных дизелей КПД может превышать 50% Но достигается это тем что двигатели очень сильно дефорсированы и работают на очень сильно обедненной смеси воздух-топливо.На автомобильных дизелях более 50% энергии сгорания топлива улетает в атмосферу вместе с выхлопными газами чем больше удельная мощность тем выше потери, у бензиновых эти показатели еще хуже.Можно сделать двигатель для автомобиля с КПД свыше 50% но тогда при сегодняшних размерах у него мощность будет несколько лошадиных сил и это согласитесь маловато. Ну а самое главное основные потери топлива не на движение а на преодоление сопротивлений (воздух дорожное покрытие подЪемы) и на ускорения-торможения поэтому борьба за экономичность в этих направлениях гораздо эффективней нежели погоня за кпд.
Прочел комментарий Георгия от 13.08.19.где все-тупые идиоты,и двоечники не знают физику и Законы термодинамики; потому, для самого умного «Г» В цикле Карно, рассматриваются четыре последовательных процесса: ВС, СЖ, РХ и ВЫХ. тогда,КПД до 67%/ норма. Однако, однотактный, цикл, с одновременным РХ и СЖ, одним и тем же поршнем, рисует иную диаграмм.
Нда уж, не даром говорят, что сколько людей, столько и мнений. Я думаю стоит остановиться на том, что оба варианта имеют свои плюсы и минусы. Да, КПД электродвигателя конечно выше — прям вообще без вариантов. Но вы также не забывайте, что мы живём в явно не самой тёплой стране в мире (привет из Ленинградской области 🙂 ) и порой эти высокие проценты тепла как раз играют нам на руку. Так что если меня спросят, что посоветовать, например, среднестатистическому экономичному немцу, где температура -5 — это уже считается холодно, я посоветую электрокар. Но если мне, русскому, жителю одного из самых северных районов нашей необъятной предложат пересесть на электрокар, погоню я этого человека в три шеи поганой метлой :-). Всё таки НЕТ на земле электромашины, в которой решены все проблемы обогрева. Не говоря уже о том, что НЕТ на свете электродвигателя достаточной мощности, который мог бы с успехом применяться в сильные минусовые температуры. Вопрос аккумуляторов вообще отдельная тема. Так что я считаю, что фанатикам всяких ноухау ни в коем случае нельзя быть категоричными по отношению к ДВС. Но и электродвигатель всё-таки тоже нельзя сбрасывать со счетов
Боже, какие идиоты в комментариях. Видно, что в школе не учились, базовый курс физики не знают. Все давно просчитано, согласно законам термодинамики максимальный теоретический КПД теплового двигателя не может быть выше 67%. О цикле Карно вообще слышали? О каких 80% говорит Геннадий? Это даже теоретически невозможно. КПД зависит от разности температур между холодильником и нагревателем. А если учесть, что есть механические потери, потери из-за качества топливо-воздушной смеси, ну и, конечно же, сам процесс передачи теплорода (как его назвал час Карно), то и выходят эти самые 25-30%. Аж стыдно за людей, тьфу
вообще-то автор сам того не подозревая даёт понять что ДВС есть куда расти! сегодняшние 20% довести ну скажем до 75-85% и всё не надо изобретать «паровоз» запас по росту эффективности 400%! ПОчему не работают в этом направлении?!
Я уже предлагал продвинутым фирмам тип ДВС по иному принципу. И КПД и разгон до ста, все намного выше любого аналога. Интерес нулевой. Кстати и коробка бесступенчатая, не вариатор, работающая как в ручном, так и в автомате, без проблем.Экономичен по изменению мощности в движении от необходимой в данной ситуации. Подходит и под дизель и под бензин. Расход масла как и в четырехтактном, так и в двухтактном одинаков. Просто по любопытству не писать. Вариант остается продать идею. Дорого.
иван шкинёв
В формуле Ньютона S=att/2 -ОШИБКА ! Правильно: S=att. S/tt=F/m. Такая формула определяет движение и яблока, и автомашины, и ракеты. S,t,m -можно измерить. Ускорение и силу-только рассчитать. Движущийся предмет, имеющий вес(массу)испытывает силу, действующую на него.Эта сила- ускорение-есть и при равномерном движении. (Ньютон говорит,что её нет). S=1м. t=1 c. a=S/tt a=1 м/сек.сек S=2м. t=2 c a=0,5 м/сек.сек. s=1000 м. t=1000 c. a=0,001 м/сек.сек. В конце-концов сила будет настолько мала,что фотоны света будут влиять на движение,и оно прекратится. Тело остановится в неподвижности. Вес его будет равен «0». (небесные тела в таком состоянии и находятся,но на них действуют гравитации и магнитные силы соседних тел. ) В механике надо учитывать КПД. КПД ДВС определить просто: S/tt=F/m (ТОЛЬКО разгон !) Пусть: S=120 м, t-8 c., m-1200 кг. F-? F=2250 кг.м/с Это=30 л.с.(16%) 30*6,25=187,5 л.с. И-наоборот: зная паспортную мощность,находим КПД
КПД любого двигателя зависит в основном от полноты сгорания топлива и его удельной энергии. Тяжелые углеводороды (масла), на которых работают дизели, в принципе не могут сгорать эффективно. И дизели существуют только благодаря более дешевому топливу, а не за счет высокого КПД. А еще — благодаря мифу о якобы гораздо меньшей вредности выхлопа. Но, в цивилизованных странах за въезд в черту города дизельных автомобилей уже давно берут дополнительный налог, а теперь — и вовсе запрещают движение дизелей. Дизель, как класс двигателей, исчерпал себя полностью. Вот и Мазда в новых двигателях использует только прнцип дизеля, — степень сжатия до 18, без свечей зажигания, без турбонаддува, но на бензине.
иван шкинёв
КПД ДВС надо начинать с ОДНОГО рабочего такта: сколько грамм бензина надо, чтобы двинуть массы . шатуна, колен-вала, коробки,колёс, ВСЕЙ массы груза и машины. Тысячи подсчётов! ПО этому делают проще: масса машины, и -РАЗГОН (!). Именно «разгон»,а НЕ движение-(скорость). F=m*a. Всё верно! Но Ньютон НЕ правильно предложил искать «ускорение». Принято (?) считать ускорение с конечной скорости-(у падающего»яблока. «она=9,8). Неверно! Ускорение надо искать из Средней скорости. У»яблока» она равна 4,9 м/с. Ускорение будет: 4,9:1=4,9 м/сек.сек. У машины-аналогично. Если есть ускорение (из V/t),то,зная массу, легко узнать силу! (она-же и есть мощность двигателя с поправкой на КПД). Каждому ускорению и массе соответствует одна величина силы. Но, и,зная, силу и ускорение,найдём соответствующую массу,(или ускорение). V/t=F/m=a. «Москвич», «Жигули». N-75 л.с. Масса-1160 кг. Разгон до сотни-18 сек. Найдём ускорение через разгон (до сотни): (0+27,8):2:18=0,77 м/сек.сек. КПД известно. 16%. (у любого бензинового ДВС). 12N=m*a. N-в л.с. N=5625 кг.м. 16%от ста-это 6,25.Цифра 12-это 75/6,25 5625:6,25=900 кг.м 900:1168=0,77 м/сек.сек. Для каждого автомобиля-свои Единственные цифры.Зная расход бензина на один такт,можно узнать общий расход,путь,скорость,время,передачу.. При 100%КПД достаточно 12 сил.
Как то так из теории ДВС
КПД тепловой машины частное от деления разницы между температурой нагревателя ( подвод тепла ) и холодильника ( отвод тепла ) при расширении, на температуру холодильника. Q= Тн-Тх/Тх. Цикл Карно тепловой машины. Отсюда вытекает: — Чем выше температура рабочего тела и ниже температура холодильника, те выше КПД. Перегретый пар 300 гр.С, температура в камере сгорания ДВС до 2000 гр.С, отсюда и разница в КПД паровоза и ДВС. — Чем выше степень расширения ( сжатия ) тем ниже температура конца расширения ( холодильника ). Это и есть термический КПД, зависящий от степени сжатия и ограниченный детонационной стойкостью топлива. КПД дизеля выше потому, что он работает на степенях сжатия 18-20, а бензиновый на степенях 8-9. Теплотворная способность бензина и дизельного топлива практически одинаковая. — Остальные потери вынужденные конструктивные. Тепловые за счет отвода тепла от камеры сгорания в охлаждающую воду. Чем в меньшем объеме сгорает топливо воздушная смесь ( ТВС ), тем меньше потери. Скорость сгорания ТВС постоянна и с ростом оборотов угол опережения зажигания увеличивают. Если этого не делать, то на высоких оборотах смесь догорит в конце хода расширения и все тепло уйдет в радиатор. Воспламеняя ее раньше подвод тепла осуществляют в меньшем объеме. Механические потери от трения колец и поршня растут прямо пропорционально скорости поршня. Соответственно чем выше обороты, тем больше механические потери. — Химическая неполнота сгорания топлива незначительна. Это так основное. В деталях все гораздо сложнее. Универсального двигателя нет. Можно сделать экономичный, можно спортивный, можно для трактора с высоким крутящим моментом, можно для гонок с высокими оборотами. Так называемые транспортные двигатели для массового автомобиля как правило компромиссный вариант где все параметры серединные. Пока ДВС это единственный эффективный вариант трансформации тепловой энергии от бочки с нефтью к колесу. Электричество это замечательно, но сложности с его получением в достаточных количествах сводят на нет все преимущества, безусловно значительные. Плотины, атомные станции, ветряки глобально воздействуют на экологию. Тепловые электростанции это тоже самое, что ДВС , но с Курского вокзала на Казанский вокзал через Малаховку. Электромобиля нет не потому, что нет батарей, а потому, что их нечем заряжать.
иван шкинёв
Бензиновый ДВС оказался на редкость НЕ удачной конструкцией в смысле экономичности. Он потребляет топливо по оборотам, а не по нагрузке. Это значит, что при постоянной скорости-оборотов двигателя,-расход остаётся прежним,вне зависимости от нагрузки-(по прямой-в гору-без нагрузки, с этими оборотами..) Думаю,что если в паровом двигателе вместо угля использовать бензин-будет экономичнее,чем в ДВС. При «торможении двигателем» КПД падает до «0». Мотор продолжает потреблять столько-же бензина, как при разгоне за такое-же время и такой-же путь. В паровом двигателе можно уменьшить подачу угля,(или бензина). В бенз. ДВС это не проходит. Обеднение смеси приводит к детонации, или не возгоранию.. В электро-двигателе,при снижении нагрузки, уменьшается ток, в дизеле- порция топлива. И только бензиновый (и на газе)продолжают «кушать». Надо разрабатывать и выпускать ДВС на бензине с двумя фазами наполнения цилиндра смесью: 1-для разгона. 2- для движения с набранной скоростью. Двигатель работает только в 2-х режимах: разгон-накат. И с постоянной скоростью «рабочий такт» толкает машину,-остальные-тормозят. Или делать бензин со свойством дизеля:не детонировать при обеднении. Тогда можно отказаться от др. заслонки, которая может отнять 100% мощности.. Тогда ДВС будет на 50-60% экономичнее прежнего,и на 10-15 экономичнее дизеля.
иван шкинёв
Тех. исправная машина должна пройти «накатом» со скорости 50 км/час 420 м. пусть: 80 метров-на разгон до скорости 50 км/час. Цикл-80+420=500 метров. Машина прошла 100 км.-200 циклов разгон-накат. 16 км. машина шла под тягой мотора. 84 км.-накатом-(без тяги мотора) 16%.
иван шкинёв
Какой КПД моего автомобиля ? По паспорту : N. л.с., m. кг., t-(время разгона до сотни). секунд. ГЛАВНОЕ ! найти ускорение! -(0+27,8):2:t=a -12N:m=a N-в л.с. n=m*a Это-при 100% КПД ! (кг.м.*сек -переведите в л.с. Разделить на 75) И,-последнее: n*100:N 16%.
иван шкинёв
Двигатели внутреннего сгорания работают от расширения сгорающих газов бензина, или солярки, или пропана. Самая высокая температура-от бензина. Давление газов на поршень сильнее- выше крутящий момент, и выше обороты двигателя (правда,в силу конструкции двигателя),значит-выше мощность. Солярка сгорает с более низкой температурой, значит и КПД-меньше. Но в силу конструкции дизеля он на низких оборотах при большом пере-обогащении (дым из трубы!)может превзойти бензин по крутящему моменту на низких оборотах,хотя максимальный крутящий момент у бензина всё-равно больше (при равных раб. объёмах,или мощности). Преимущество дизеля: он экономичнее при малых нагрузках. При разгоне экономичнее бензин. Причина: солярка сгорает при любом соотношении с воздухом. Бензин-1:14,7. Меньше бензина- детонация, больше-догорает в выхлопной трубе без пользы.
иван шкинёв
КПД можно высчитать только через разгон автомобиля. Ошибочно брать движение с максимальной скоростью-под гору машина может раскатиться и без мотора до максимальной скорости. Формула f=m*a -это при 100% КПД. Сила * на КПД- это мощность двигателя. КПД двигателя ВАШЕГО автомобиля: посмотрите в Тех.паспорте: 1-мощность в л.с., 2-вес (массу) в кг.,3- время разгона до сотни в сек. (л.с. перевести в кг.метры). Найти ускорение. Пример-«Жигули»: n-75 л.с. t-18сек. m-1170 кг. a=v(СРЕДНЯЯ . ):t 27,8:2:18. а=0,77 м/сек.сек.. 5625*КПД=m*a. m*a=900 кг.м. 5625:900=6,25. Это 16% Универсальная формула мощности ДВС, веса машины и время разгона до сотни n*t=m*1,16 (Nissan-1,4) n-? 1050*1,16:14. n=87 л.с. m-? 87*14:1,16=1050 кг. t-? 1050*1,16:87. t=14 секунд. Можно «уличить» производителей в завышении параметров своей продукции. . n=250 сил. Вес машины-2350 кг. Время разгона-10 секунд. Проверим: 2350*1,16:250. t=10,9 Почти 11. Для 10 секунд нужен мотор 272,6 л.с Или вес машины не 2350 кг., а 2026 кг. Вот так!
Что такое коэффициент полезного действия двигателя
Автомобилисты нечасто задаются вопросом о КПД мотора, установленного на их машине. Отнюдь не факт, что, узнав его значение, они сильно обрадуются… Итак, что же такое коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания?
Shutterstock / VOSTOCK Photo
Начнем с определения. Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания – характеристика, которая свидетельствует об эффективности агрегата. Это отношение полезной энергии к полной затраченной в процентном отношении. Другими словами, речь идет о результате преобразования тепловой энергии, получаемой при сгорании топливно-воздушной смеси, в механическую. Казалось бы, КПД должен быть высоким! Не зря же производители почти повсеместно внедрили непосредственный впрыск топлива, турбонагнетатели и выжимают солидную мощность из сравнительно компактных установок? Для сравнения, в недалеком прошлом атмосферные 2,0-литровые агрегаты развивали 140-150 л.с., а сейчас подобной отдачей могут похвастаться двигатели объемом 1,5 л, но с наддувом.
Значения КПД бензиновых и дизельных двигателей
Тем удивительнее то, что данный параметр для бензиновых агрегатов со всеми их высокотехнологичными ухищрениями равен… 20-25%. Львиная доля энергии, полученная при сгорании топлива, расходуется непосредственно на потери и лишь малая часть непосредственно на полезную работу двигателя внутреннего сгорания. У дизельных моторов картина не в пример лучше коэффициент полезного действия атмосферных моторов находится на уровне 40% и достигает 50% и более при наличии турбонагнетателя, который используется повсеместно и превращает ДВС более эффективную установку.
Потери бензинового двигателя
Существует целый ряд причин, почему коэффициент полезного действия ДВС находится на столь невысоком уровне. В случае с бензиновыми агрегатами примерно 25% потерь КПД приходится на топливную эффективность из-за того, что топливно-воздушная смесь сгорает не полностью. На тепловые потери расходуется около 35% – огромное количество тепла, которое выделяет двигатель и есть те самые потери энергии, поскольку для получения тепла требуется энергия.
Порядка 20% тратится на механические потери или, проще говоря, потери на трение внутренних частей двигателя, а также на привод дополнительного навесного оборудования, к которому относится генератор, кондиционер, помпа системы охлаждения и другие агрегаты. Как видите, причина весьма низкого КПД бензиновых агрегатов кроется в больших тепловых и механических потерях, возникающих в процессе работе установок данного типа.
Интересно, что снижение последних в ряде случаев привело к снижению надежности ДВС и эта тенденция особенно заметна в моторах последних поколений. Такие компоненты как поршни, шейки коленвалов и звенья цепей газораспределительного механизма стали компактнее, миниатюрнее. А более жидкие масла при сниженном давлении должны снизить потери на трение в подшипниках и энергетические затраты на смазку.
Потери дизельного двигателя
Противники моторов на «тяжелом топливе», не жалующие их за вибрации, шумность, особенности моментной характеристики (солидный крутящий момент доступен на низких и средних оборотах, но при этом дизели «крутятся» довольно неохотно) и, самое главное, за риск столкнуться с невозможностью запуска зимой из-за замерзшей солярки, наверняка удивятся, узнав о двукратном превосходстве в коэффициенте полезного действия перед бензиновой когортой. Объяснение этому явлению кроется в другом принципе формирования топливно-воздушной смеси и том, как именно происходит ее воспламенение.
У дизельного агрегата нет свечей зажигания, а смесь воспламеняется при очень высокой степени сжатия, которая позволяет превзойти по КПД бензиновые агрегаты. Сперва в камеру сгорания подается воздух, а затем в самом конце такта сжатия происходит впрыск топлива – смесь горит при более высокой температуре и максимально полноценно. Таким образом, у дизельного ДВС заметно меньше расход топлива при существенно более высоком значении крутящего момента и это считается одним из ключевых преимуществ агрегатов данного типа.
Следует отметить, что причина сравнительно низкого коэффициента полезного действия бензиновых моторов и, соответственно, более высокого значения, демонстрируемого дизельными двигателями внутреннего сгорания, кроется также в видах топлива и их энергетической составляющей. Процесс горения солярки, которая состоит из более тяжелых углеводородов, сопровождается большим количеством выделяемого тепла, эффективнее преобразующегося в механическую работу.
У какого двигателя самый высокий коэффициент полезного действия?
И, конечно, возникает вопрос, существует ли идеальный агрегат, демонстрирующий если не стопроцентный коэффициент полезного действия, то как минимум приближающийся к этой величине? Ответ положительный – столь высокой эффективностью может похвастаться электрический мотор, КПД которого доходит до 90-95%. Экологически чистые силовые установки активно пробивают себе дорогу в будущее и это касается не только автомобильной, но и мотоциклетной промышленности.
КПД двигателя внутреннего сгорания
Эффективность «внутреннего сгорания» двигателя является отношение механической мощности восстановленной к тепловой энергии , подаваемой на топливо. Этот выход всегда увеличивается за счет выхода Карно , и последний изменяется в зависимости от разницы температур. Следовательно, эффективность двигателей внутреннего сгорания может быть разной в зависимости от типов применений и рассматриваемых видов топлива. Например, лучшие серийные двигатели для автомобилей имеют КПД до 36% для бензиновых двигателей с искровым зажиганием и 42% для дизельных двигателей, в то время как лучшие промышленные двигатели, работающие на тяжелой нефти, могут приближаться к 50%.
Резюме
- 1 Максимальная доходность
- 2 Автомобильный двигатель
- 3 Из-за чего возникают потери в двигателе?
- 4 Как бороться с потерями?
- 4.1 термодинамического цикла
- 4.2 Охлаждение двигателя
- 4.3 Набор фрикций
- 4.3.1 Трение поршень / цилиндр
- 4.3.2 Трение шатуна и коленчатого вала
- 4.3.3 Распределительное трение
- 5.1 Промежуточная нагрузка
- 5.1.1 Двигатели с отключением части цилиндров
- 5.1.2 Двигатели с переменной степенью сжатия (VCR)
- 5.1.3 Регулируемые клапаны подъема
- 5.1.4 Остановка двигателя, когда он не используется
- 5.2.1 Коленчатые валы с игольчатыми подшипниками
- 5.2.2 Поршни без боковых сил
- 5.2.3 Рекуперация выхлопной энергии турбиной
- 5.2.4 Рекуперация энергии охлаждения
- 5.2.5 Двухтактные двигатели
- 5.2.6 Комбинируйте различные решения
- 6.1 Примечания
- 6.2 Ссылки
- 7.1 Статьи по теме
- 7.2 Внешние ссылки
Максимальная доходность
Наибольшая эффективность двигателей внутреннего сгорания достигается на промышленных дизельных двигателях, работающих на мазуте, предназначенном для лодок или электростанций. Их доходность близка к 50%. Эти двигатели большой мощности (от 7 500 до 90 000 кВт ) представляют собой длинноходные двухтактные двигатели (диаметр поршня более чем в два раза), оснащенные турбонагнетателями, обеспечивающими давление наддува в несколько бар.
Их шатуны не приводят в действие поршни напрямую, а скользят , так что поршни не получают бокового усилия и очень мало изнашиваются. Срок службы такого двигателя превышает 50 лет. Эти очень медленно вращающиеся моторы очень высокие из-за ползунков. Для двигателя мощностью 90 мегаватт частота вращения колеблется от 65 до 100 об / мин и позволяет использовать прямой привод безредукторного гребного винта, что помогает минимизировать трение, сократить техническое обслуживание и повысить производительность. Высота превышает 17 метров (шесть этажей), масса — более 2000 тонн, диаметр цилиндров — около 1 метра .
Эти двигатели часто имеют впускные каналы и выпускной клапан. Для достижения такой эффективности часть энергии выхлопных газов рекуперируется турбогенераторами и может быть возвращена в валопровод с помощью синхронных машин .
Автомобильный двигатель
Лучшие серийные двигатели для использования в автомобилях имеют высокий КПД в оптимальных условиях: 36% для бензинового двигателя с искровым зажиганием и 42% для дизельного двигателя с общей топливораспределительной рампой высокого давления .
Однако эти значения сильно зависят от рабочей точки двигателя и соответствуют работе с высокой нагрузкой. Для использования в автомобилях текущее использование требует быстрых изменений двигателей в широком диапазоне скоростей и мощностей. Поэтому двигатели часто работают далеко от идеальной рабочей точки. «Как правило, автомобили используются для коротких поездок в населенных пунктах, что в конечном итоге приводит к перегрузке двигателей при низких нагрузках. В этих условиях урожайность снижается до значений, достигающих всего 15%. «
Можно повысить эффективность двигателей внутреннего сгорания, создав двигатели, эффективность которых при различных нагрузках улучшается, или оптимизировать их работу в довольно узком диапазоне, но для этого требуется подходящий пример трансмиссии ( HSD ). Ниже обсуждаются многие решения, которые изучались десятилетиями.
Из-за чего возникают потери в двигателе?
- По большей части неснижаемые потери связаны с термодинамическим циклом : все подводимое тепло не может быть восстановлено механически, оставшаяся часть теряется с выхлопными газами (см. Цикл Карно ).
- Потери, связанные с охлаждением двигателя, необходимым для поддержания его температуры, которую могут выдержать его компоненты.
- К потерям на трение:
- поршни в цилиндрах;
- в коленчатом валу и на оси коленчатого вала;
- на уровне распределения ( в частности, распредвала );
- впускные и выхлопные газы.
За исключением энергии, потребляемой аксессуарами, все эти потери превращаются в тепло.
Как бороться с потерями?
Термодинамического цикла
- При увеличении степени сжатия ограничивается самовоспламенение двигателей с искровым зажиганием. Рабочая температура увеличивается с увеличением степени сжатия. Наддув с помощью механического компрессора или турбонагнетателя позволяет повысить эффективность, в частности потому, что можно охлаждать газы, попадающие во время сжатия, что снижает потребление механической энергии, присущей термодинамическому циклу (для двигателей внутреннего сгорания, самовоспламенение всегда ограничивает максимально допустимое давление).
- Всегда находясь на максимальной степени сжатия с двигателем с самовоспламенением (HCCI) , решение, которое трудно контролировать.
- Увеличивая ход спускового крючка, чтобы восстановить максимум механической мощности. Помимо механических решений, можно использовать цикл Аткинсона , который выбрасывает часть уже введенных всасываемых газов, задерживая закрытие впускного клапана.
Охлаждение двигателя
- Путем термоизоляции определенных деталей, например керамики (головка поршня, головка цилиндра и даже цилиндр), что создает проблемы с ценой, растрескиванием и износом. Используется в основном в соревнованиях (где стоимость и ремонтопригодность не являются главными критериями).
- За счет использования двигателей с оппозитными поршнями полностью исключаются тепловые потери головок цилиндров, так как их больше нет.
Из всего трения
- С двухтактным циклом, поскольку количество оборотов за цикл двигателя меньше, что создает проблемы с загрязнением из-за сгорания смазочного масла и при котором без прямого впрыска часть топлива попадает в выхлоп;
- за счет уменьшения сил трения , либо за счет уменьшения сил между деталями за счет большей точности размеров (лучше согласованные детали с лучше контролируемыми зазорами), либо за счет уменьшения коэффициентов трения :
- путем модификации деталей: улучшение состояния поверхности (более гладкие детали), обработка поверхности (термическая или химическая, например, азотирование), изменение конструкции деталей с целью ограничения контактных поверхностей;
- путем лучшей смазки , путем модификации смазочной жидкости: масла с лучшими свойствами или путем попытки смазывать газом (никогда не использовались на промышленном уровне); или путем изменения контура смазки.
Трение поршень / цилиндр
- Обеспечивая системы скольжения (фиксированные промышленные двигатели) или преобразование движения кулачка, устраняющее поперечные силы.
Трение шатуна и коленвала
- Путем изменения технологии подшипников, например, путем замены подшипников скольжения шариковыми подшипниками (существуют в двигателях мотоциклов и некоторых двухцилиндровых автомобилей), которые могут создавать проблемы с сопротивлением во времени и ремонтопригодностью .
Распределение трения
Используя электрические, пневматические или гидравлические элементы управления клапанами , с деликатным управлением .
Повышенная эффективность двигателя
Промежуточная нагрузка
Самая большая трудность в некоторых случаях применения, в частности в автомобиле, заключается в значительном падении эффективности при промежуточных нагрузках. Тенденция к увеличению мощности двигателя для повышения комфорта вождения также означает, что двигатели используются при все более низких нагрузках, что ухудшает ситуацию. Поэтому желательно стремиться к повышению эффективности при промежуточных нагрузках.
Двигатели с отключением части цилиндров
В этих двигателях клапаны перестают работать на некоторых цилиндрах, когда потребность в них низкая. Остальные цилиндры работают при более высокой нагрузке и, следовательно, с большей эффективностью. Механическая система усложняется, и деактивированные цилиндры продолжают генерировать потери на трение, только потери накачки Удаляются. Управлять тепловым балансом двигателя непросто. Это используется на высокопроизводительных автомобилях с большим рабочим объемом, обычно с несколькими рядами цилиндров.
Двигатели с переменной степенью сжатия (VCR)
С помощью механических систем компрессию можно регулировать в зависимости от нагрузки двигателя. Большинство используемых систем включают смещение больших частей двигателя, что создает механические ограничения или ограничения трансмиссии. Одним из исключений является двигатель MCE-5 , блок цилиндров которого остался целым. Этот двигатель близок к индустриализации .
Переменное сжатие облегчило бы реализацию двигателя HCCI .
Клапаны регулируемого подъема
Существуют механические системы переменного подъема (например, система V-TEC в компании Honda) или другие системы без распределительных валов с пневматическим, гидравлическим или электрическим управлением, известные как бескулачковые .
Наполнение цилиндра можно изменять с помощью цикла Аткинсона , повышая эффективность при частичной нагрузке. Опережение и задержка открытия также изменяются в реальном времени в зависимости от мгновенных параметров двигателя. Одна из целей, в частности, состоит в том, чтобы больше не иметь впускного дросселя, что ограничивает потери потока. Это также облегчило бы реализацию двигателя HCCI .
С электрическими клапанами, помимо регулируемого подъема, снижаются потери при распределении, поскольку потребление электроэнергии для подъема клапана требует меньше энергии, чем традиционный распределительный вал. Пневматические подъемные клапаны используются на некоторых двигателях грузовиков.
Остановите двигатель, когда он не используется.
Транспортные услуги включают остановки, которые могут быть частыми в городских условиях. Без нагрузки КПД равен нулю, а потребление холостого хода можно сократить, просто остановив двигатель и перезапустив его при необходимости.
Общее улучшение
Коленчатые валы с игольчатыми подшипниками
Игольчатые подшипники имеют меньшее трение, чем подшипники скольжения, но шатуны нельзя разбирать, а коленчатый вал и шатуны необходимо собирать вместе. Он не подходит для шатунов большого диаметра. Поскольку шатуны легче, это также способствует быстрым оборотам.
Это обычная технология в двигателях мотоциклов. Один из немногих автомобильных применений был Panhard двигатель из 1950 — х годов и 1960 — х годов , который показал две плоские цилиндры.
Поршни без боковых усилий
Двигатель Revetec предлагает систему, заменяющую систему шатун / коленчатый вал, на двойной кулачок, полностью компенсирующий поперечные силы. Поскольку поршни приводятся в движение подшипниками, вращающимися на кулачке, также есть выигрыш от преобразования линейного движения во вращательное движение, поскольку нет подшипников скольжения. Максимальный КПД последнего прототипа достигает 38% для двигателя с зажиганием, у которого синхронизация и головки цилиндров относительно примитивны. Этот двигатель находится во втором поколении прототипов.
Двигатель MCE-5 , основной задачей которого является двигатель с переменной степенью сжатия, предлагает в качестве дополнительного преимущества нейтрализацию поперечных сил, действующих на поршни, с помощью колебательной зубчатой передачи. Имеет коленчатый вал и шатуны.
Рекуперация выхлопной энергии с помощью турбины
В турбокомпрессоры используют энергию от выхлопных газов , чтобы сжать впускные газы.
Также возможно соединить турбину с приводным валом, чтобы восстановить один из силовых агрегатов ( двигатели с турбонаддувом (in) ). Редукционная передача сложна, и она работает правильно только в ограниченном диапазоне мощности. Это решение было разработано на авиационных двигателях в конце 1940 — х годов и в настоящее время используется на Detroit Diesel и Scania и Volvo грузовиков двигателей (с 2017 года).
Рекуперация охлаждающей энергии
Шесть-тактный двигатель Crower восстанавливает охлаждения тепло путем впрыскивания воды в цилиндр, который создает дополнительный цикл парового двигателя в дополнение к циклу сгорания. Данных о существующих прототипах практически нет, и разработка, похоже, остановлена (см. « Водяной двигатель» ).
Шестицилиндровый двигатель Bajulaz извлекает охлаждающее тепло из камеры сгорания, отдельной от цилиндра. Это тепло используется для предварительного нагрева воздуха, расширение которого будет использоваться на пятой стадии.
Двигатель Velozeta восстанавливает охлаждение и тепло выхлопных газов путем непосредственного впрыска воздуха в цилиндр во время выпуска. Дополнительное преимущество заключается в уменьшении загрязнения за счет лучшего сканирования цилиндра.
Двигатель с рекуперацией тепла соединяет двигатель внешнего сгорания Ericsson с обычным тепловым двигателем . Связь между двумя системами осуществляется многофункциональным поршнем. Ожидается, что общая доходность составит 65%.
Двухтактные двигатели
Простые двухтактные двигатели, хотя и имеют меньшие потери на трение, часто имеют более низкий КПД, чем четырехтактные, по разным причинам:
- в случае предварительной смеси воздух / топливо часть этой смеси идет прямо в выхлоп, не сгорая во время фазы подметания, что представляет собой потери и значительный источник загрязнения. Эту потерю можно устранить, установив непосредственный впрыск в цилиндр, а это значит, что при подметании поступает только воздух, не содержащий топлива;
- вся энергия расширения не используется, потому что расширение прерывается, чтобы позволить выхлопному газу уноситься. Это можно улучшить различными способами:
- с установленным в выхлопе клапаном, который замедляет выхлоп и дает возможность рекуперировать небольшую часть остаточной энергии расширения;
- с турбонагнетателем, при улучшении развертки за счет давления турбонагнетателя, что позволяет сократить его продолжительность;
- за счет более длинного хода, что увеличивает продолжительность взмаха или позволяет лучше расслабиться при таком же взмахе;
В настоящее время наиболее эффективными промышленными дизельными двигателями являются медленные двухтактные двигатели с очень высокой степенью турбонаддува, очень длинным ходом и впускным клапаном .
Испытания двухтактных двигателей с прямым впрыском для использования в автомобилях дали интересные результаты с точки зрения эффективности, но проблемы загрязнения, связанные с уносом масла при прохождении через картер, не позволили выполнить требования по защите от загрязнения. текущее загрязнение .
Комбинируйте различные решения
Некоторые из описанных выше решений можно комбинировать, причем эффекты этих комбинаций более или менее кумулятивны. Например, двигатель Revetec с низким коэффициентом трения полностью выиграет от системы клапанов с регулируемым подъемом. Комбинация двигателя с переменным сжатием и клапанов с регулируемым подъемом положительна, но преимущества не складываются полностью .
Примечания и ссылки
Примечания
- ↑ Хотя выражение неверно, так как на самом деле это не взрыв , в строгом смысле этого слова, а быстрое сгорание , этот термин обычно используется для обозначения типа двигателя внутреннего сгорания с последовательным сгоранием.
использованная литература
- ↑« Renault представляет прототип двухтактного дизельного двигателя » , на Карадизиаке , 11 декабря 2014 г. (по состоянию на 17 ноября 2016 г. ) .
- ↑MAN SE , Промышленный дизельный двигатель , 2 апреля 2013 г. , 29 с. ( читать онлайн [PDF] ) .
- ↑ ab и c«Транспортные средствасбензиновым и дизельным двигателем» на IFP Énergies nouvelles(по состоянию на27 февраля 2020 г.) .
- ↑ (ru) Деактивация цилиндра , на сайте thinkco.com.
- ↑ (in) [видео] Отключение цилиндра — Объяснение .
- ↑ (ru) Деактивация цилиндра объяснена на carwow.co.uk
- ↑ (in) 5 Новая технология газового двигателя: 4. Деактивация цилиндра на howstuffworks.com
- ↑Scania Turbocompound Engines , на веб-сайте Scania .
- ↑Турбомоторы Volvo D13 используются в новой серии Volvo VNL
- ↑ (in) «Архивная копия»шестицилиндрового двигателя(версия от 15 мая 2007 г. вИнтернет-архиве) , сайт Bajulaz SA.
- ↑ (в) сайт Велозета
- ↑Резюме патента 2669322 — Тепловой двигатель с рекуперацией энергии, оснащенный многофункциональным поршнем двойного действия, и чертежи [PDF] , на сайте patents-patents.ic.gc.ca, по состоянию на 9 декабря 2014 г.
Приложения
Статьи по Теме
- Двигатель внутреннего сгорания и взрыва
- Архитектура поршневых двигателей
- Шестицилиндровый двигатель
внешние ссылки
- (ru) Существующие и будущие потребности в турбонаддуве современных больших двухтактных дизельных двигателей , Wärtsilä Corporation, 1- 2 октября 2002 г. [PDF]
Почему КПД дизтоплива выше
Главное преимущество дизельного топлива перед бензином – более высокий КПД, то есть отношение тепловой энергии от сгорания топлива к механической.
КПД бензинового двигателя составляет 25–30 %. Это значит, что из 10 л максимум 3 л расходуются на полезное действие, остальное списывается на потери от трения сопряженных деталей, работы других механизмов и т. д.
КПД дизельного двигателя – минимум 40 %. При помощи турбокомпрессора или системы топливного впрыска этот показатель можно довести до 55 %.
Это обусловлено следующими причинами.
- У бензиновых двигателей пик крутящего момента возможен только на высоких оборотах. Дизель достигает этой точки на меньших оборотах, благодаря чему снижаются трение и потери энергии, уменьшается расход.
- Дизтопливо дает больше тепла в сравнении с бензином, и оно более эффективно преобразуется в механическую энергию.
- В дизельных моторах воздух подается отдельно, в конце такта сжатия. Это увеличивает степень сжатия и обеспечивает максимальный результат от использования топливно-воздушной смеси.
Кроме того, использование дизеля снижает трение, увеличивает срок эксплуатации деталей и сокращает расходы на топливо. Особенно если приобретать его в компании «Дизель Сервис». У нас низкие цены на все виды дизельного топлива. Обращайтесь!
Заинтересовались?
Задайте любой интересущий
вас вопрос по телефону:* * «Нажимая кнопку «Отправить», вы подтверждаете свое согласие на обработку персональных данных и принимаете пользовательское соглашение»
Классификация дизельного топлива и его стандарты Что представляет собой дизтопливо? Это топливо, используемое для дизельных поршневых двигателей. Основа дизтоплива Подробнее ››
Дизельное топливо в частных домах Не смотря на довольно серьезную конкуренцию, лишь несколько компаний оказывают услуги на должном уровне. У большей же части . Подробнее ››
Дизельное топливо для строительных компаний Не смотря на довольно серьезную конкуренцию, лишь несколько компаний оказывают услуги на должном уровне. У большей же части . Подробнее ››
Дизельное топливо Для катеров и яхт Не смотря на довольно серьезную конкуренцию, лишь несколько компаний оказывают услуги на должном уровне. У большей же части . Подробнее ››
Дизельное топливо для котельных Не смотря на довольно серьезную конкуренцию, лишь несколько компаний оказывают услуги на должном уровне. У большей же части . Подробнее ››