Что такое эффективный кпд двигателя

Эффективный КПД двигателя

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.
На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнивать между собой КПД бензинового и дизельного двигателя, то следует отметить, что первый из них недостаточно эффективен и преобразует в полезное действие всего 25-30 % произведенной энергии. Например, КПД стандартного дизеля достигает 40 %, а применение турбонаддува и промежуточного охлаждения повышает это значение до 50 %.

Оба двигателя, несмотря на схожесть конструкции, имеют различные виды смесеобразования. Поэтому поршни карбюраторного мотора работают при более высоких температурах, требующих качественного охлаждения. Из-за этого тепловая энергия, которая могла бы превратиться в механическую, рассеивается без всякой пользы, понижая общее значение КПД.

Тем не менее, для того чтобы повысить КПД бензинового двигателя, принимаются определенные меры. Например, на один цилиндр могут устанавливаться два впускных и выпускных клапана, вместо конструкции, когда размещается один впускной и один выпускной клапан. Кроме того, в некоторых двигателях на каждую свечу устанавливается отдельная катушка зажигания. Управление дроссельной заслонкой во многих случаях осуществляется с помощью электропривода, а не обыкновенным тросиком.

Мощность и крутящий момент

При одинаковом показателе рабочего объёма, мощность атмосферного бензинового мотора выше, но достигается при более высоких оборотах. Двигатель нужно «крутить», потери возрастают, увеличивается расход топлива. Также необходимо упомянуть крутящий момент, под которым в буквальном смысле понимается сила, которая передается от мотора на колеса и движет автомобиль. Бензиновые ДВС выходят на максимум крутящего момента при более высоких оборотах.

Аналогичный атмосферный дизель выходит на пик крутящего момента при низких оборотах, при этом расходует меньше солярки для выполнения полезной работы, что означает более высокий КПД и экономию топлива.

Коэффициент полезного действия (КПД) дизеля

Рис. 4. : Дизели очень сильно различаются по размерам и области применения. Отсюда следуют различия в их эффективности. Наибольший КПД достигается большими тихоходными дизелями. η_th — теоретический КПД (изменяется в зависимости от степени сжатия ε и коэффициента избытка воздуха λ). η_g — относительный КПД действительного цикла с высоким давлением. η_m — механический КПД.

Эффективный КПД дизеля η_e определя­ется следующим образом:

где: W_e — эффективная работа на махови­ке двигателя, W_B — энергосодержание впрыскиваемою топлива.

Этот общий КПД может быть опреде­лен как произведение отдельных КПД (рис. 4 «Диаграмма потерь и полезной работы автомобильного дизеля при полной нагрузке«), которыми описываются все по­тери:

Теоретический КПД η_th

η_th является теоретическим КПД цикла Зейлигера и описывает теоретическую ра­боту, отнесенную к теплотворной способ­ности топлива, которая у дизеля составляет 42,5 МДж/кг. Уже указывались граничные условия этого идеального цикла:

• Идеальный газ;
• Постоянная теплоемкость;
• Бесконечно быстрый подвод и от­вод теплоты;
• Отсутствие потерь на газообмен.

Относительный КПД действительного цикла с высоким давлением η_g

КПД η_g описывает отношение реально замеряемой работы в цилиндре (индика­торный цикл), совершаемой в результате создания давления в цилиндре, к работе теоретическою цикла (рис. 2). Этот КПД включает потери теплоты и потери на газообмен. Граничными условиями явля­ются:

• Реальный газ;
• Тепловые потерн;
• Конечная скорость подвода и отво­да теплоты;
• Переменная теплоемкость.

Все параметры смесеобразования сильно влияют на процесс сгорания и, та­ким образом, на его совершенство.

Механический КПД η_m

Механический КПД η_m учитывает меха­нические потерн на трение, включая по­тери на привод вспомогательных агрега­тов, относительно индикаторного цикла. Он, таким образом, отражает картину ра­боты реальною двигателя. Трение и поте­ри на привод агрегатов возрастают с уве­личением частоты вращения коленчатого вала. Потери при номинальной частоте вращения коленчатого вала состоят из потерь на трение:

• Поршней и поршневых колец (око­ло 50%);
• В подшипниках (около 20%);
• В насосе системы смазки (около 10%);
• В насосе системы охлаждения (око­ло 5%);
• В приводе клапанов (около 10%),
• В насосах системы питания (около 5%).

К этому также необходимо добавить потери на привод механического нагне­тателя, вентилятора, генератора и проче­го навесною оборудования.

Преимущества роторно-волнового двигателя:

– роторно-волновой двигатель имеет неограниченную мощность, малые габариты и вес (0.25-0.40 кг/кВт), высокую экономичность, свободу выбора топлива;

– рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива;

– высокий ресурс по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники , а для них ресурс в 30 – 40 тыс. рабочих часов не предел;

– роторно-волновой двигатель не имеет ограничений по ресурсу и числам оборотов из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части;

– ротор вращается с постоянной угловой скоростью и уравновешивается;

– вместо клапанов, или окон, в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя;

– в РВД газовые силы, действующие на ротор, постоянны и непрерывны, что делает ненужной установку маховика, а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя;

– расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит – 51 %. Расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе силовой установки 0,15 – 0,25 кг/кВт;

– расчетный механический КПД двигателя составляет – 97 %.

Основные характеристики этого двигателя:

очень высокая степень сжатия 14,0: 1, которая была достигнута благодаря специальной системе выпуска, поршневым полостям, новым многоотверстным инжекторам и другим нововведениям для предотвращения неправильного сгорания (детонации);

• внутреннее трение уменьшено на 30%;
• регулировка фаз газораспределения во впускных и выпускных клапанах;
• легкая конструкция — общий вес на 10% ниже.

В результате этих деталей были получены четырехцилиндровые безнаддувные двигатели с большим рабочим объемом с высоким крутящим моментом (примерно на 15% выше в диапазоне низких и средних оборотов двигателя по сравнению с традиционными версиями), а расход топлива и выбросы CO2 снижены примерно на 15 % по сравнению с бензиновым двигателем аналогичной мощности. Поэтому это альтернатива широко распространенной в настоящее время минимизации двигателя.

Самое главное, что в двигателях SKYACTIV-G у нас нет неблагоприятных вибраций двигателя в диапазоне низких оборотов, нет неблагоприятного увеличения скорости, и мы имеем гораздо более высокую рабочую культуру, чем малые трехцилиндровые соревновательные агрегаты, имеющие аналогичную мощность. Это представлено в таблице, сравнивающей Mazda 2 и Mazda 3 с двигателем SKYACTIV-G и Peugeot с 1,2-цилиндровым двигателем Pure Tech и VW с двигателями 1,0 TSi.

Дизайнеры Toyota пошли несколько другим путем, чтобы повысить тепловой КПД, и они взяли идею английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий ход был длиннее такта сжатия. Благодаря этому, после длительного рабочего цикла, когда начался рабочий ход, давление и температура выхлопных газов были намного ниже, а энергия от расширения использовалась полностью.

Вместо разработки сложных систем толкателя, которые продлили бы рабочий ход, вместо этого использовались «электроника и достижения 21-го века». Благодаря продуманному решению удалось сделать так, что, несмотря на то, что двигатель Toyota поддерживает классическую простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, где при каждом из тактов поршень движется одинаково, эффективный рабочий ход длиннее такта сжатия.

Как говорят конструкторы Toyota, следует сказать иначе: эффективный ход сжатия короче рабочего хода (т. Е. В точности идея двигателя Джеймса Аткинсона). Это достигается путем задержки закрытия всасывающего клапана, который закрывается сразу после начала такта сжатия. Таким образом, часть топливовоздушной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество дымовых газов, образующихся в результате его сгорания, меньше и может полностью расширяться перед началом такта выпуска, передавая всю энергию на поршень, а сжатие меньшего количества смеси требует меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя.

Единственная проблема с двигателем, работающим по системе Аткинсона, заключается в том, что мощность двигателя меньше, чем у традиционной машины. Хотя эта концепция оказалась отличным решением для гибридных автомобилей, в которых нехватка мощности, особенно необходимая для запуска и ускорения, компенсирует электродвигатель по сравнению с классическим двигателем Отто, двигатель Аткинсона явно проигрывает.

Здесь, однако, гений инженера Toyota / Lexus вновь проявил себя. Технические инновации и использование электронного управления открытием клапана позволили использовать обе рабочие системы и создать двигатель с переменной нагрузкой. Когда энергопотребление низкое, например, при спокойной езде по дороге, двигатель работает в цикле Аткинсона, потребляя мало топлива. Однако, когда требуется лучшая производительность — при выключении света или обгоне — он входит в цикл Отто, используя всю доступную динамику. Такой 1,2-литровый двигатель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, например, Toyota Auris и городской внедорожник Toyota C-HR. Аналогичный рабочий двухлитровый агрегат используется в Lexus: IS 300, GS 300, NX 300,

Таким образом, тепловая эффективность является основным фактором, влияющим на потребление топлива и использование тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива. Важно, что продолжается работа по повышению этой эффективности, то есть по разработке более совершенных двигателей.

Новейшим решением является двигатель INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo), который является одним из самых технически совершенных двигателей внутреннего сгорания, когда-либо созданных, и используемая в нем технология VC-Turbo сочетает в себе мощность высокоэффективного 2,0-турбочного бензинового двигателя с крутящим моментом и экономичностью. современный дизельный двигатель, но без выхлопных газов.

Технология Infiniti VC-Turbo имеет возможность непрерывного преобразования, поскольку она использует усовершенствованную многорычажную систему для бесконечного увеличения или уменьшения размера камеры сгорания и сразу же — на основании обнаруженной нагрузки двигателя и команд водителя — выбирает наиболее подходящую степень сжатия. Двигатель способен реализовать любую степень сжатия от 8: 1 до 14: 1.

Развивая максимальную мощность 272 л.с. и 390 Нм крутящего момента, двигатель VC-Turbo сопоставим по производительности с шестицилиндровыми бензиновыми двигателями и определенно более экономичен, чем он.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно его приобрести.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

На прошлом уроке мы с вами начали знакомство с тепловыми двигателями. Давайте вспомним, что так называется устройство, которое совершает механическую работу за счёт внутренней энергии топлива.

Простейший тепловой двигатель представляет собой цилиндрический сосуд, в котором находится газ под поршнем. При нагревании газа, его давление и объём увеличиваются, и поршень приходит в движение, поднимая груз на некоторую высоту.

Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (чаще всего атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. А некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику. Таким образом, получается, что полное превращение внутренней энергии газа в работу невозможно. Это обусловлено необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Но второй закон термодинамики запрещает это: ведь невозможно создать вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Баланс энергии за цикл можно получить на основе первого закона термодинамики.

Для идеального теплового двигателя изменение внутренней энергии равно нулю, так как рабочее тело вернулось в исходное состояние. Отсюда находим, что полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя, и количеством теплоты, отданной холодильнику:

Отношение полезной работы к количеству теплоты, которое рабочее тело получило от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (сокращённо, КПД):

Так как часть теплоты, полученной от нагревателя, передаётся холодильнику, то коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше единицы:

Для получения максимально возможного коэффициента полезного действия необходимо охладить рабочее тело перед сжатием.

Это можно сделать путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаст холодильнику некоторое количество теплоты. А завершить цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до первоначальной температуры. Впервые этот цикл был предложен французским инженером Сади Карно, поэтому его ещё называют циклом Карно. Формулу для определения коэффициента полезного действия цикла Карно вы сейчас видите на экране:

КПД любого реального теплового двигателя не может превышать КПД идеального цикла Карно. Формула Карно даёт теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что двигатель тем эффективней, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

А КПД идеального теплового двигателя мог бы быть равен единице только в том случае, если бы было возможно использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю. Но, как известно, это невозможно даже теоретически, потому что абсолютного нуля температуры достичь нельзя.

Для закрепления нового материала, решим с вами задачу. Задача 1. Каждый из четырёх двигателей реактивного самолёта на 5000 км пути развивает среднюю силу тяги 0,11 МН. Определите объём керосина, израсходованного на этом пути, если коэффициент полезного действия двигателя равен 24 %. Плотность и удельная теплота сгорания керосина соответственно равны 800 кг/м 3 и 43 МДж/кг.

В заключение урока отметим, что изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 г. имело исключительно важное значение.

Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива частично преобразуется в механическую работу.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока.

Двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, тракторах и тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду. При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы.

Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа, который, соединяясь в атмосфере с водяными парами, образует угольную кислоту и выпадает в виде кислотных дождей.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа, являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании тонны бензина образуется около 60 кг оксида углерода.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива учёные и конструкторы видят:

· в очистке газовых выбросов в атмосферу;

· увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива;

· замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические;

· использование альтернативных источников энергии.