26Сен

Кпд двигателя внутреннего сгорания формула: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

КПД двигателя внутреннего сгорания – определение и сравнение видео » АвтоНоватор

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

  • замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
  • в то время, как дизельные – 40% соответственно;
  • при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

  1. Более высокий показатель степени сжатия.
  2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
  3. Корпусные детали нагреваются меньше.
  4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
  5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
  6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.

Относительный КПД действительного цикла с высоким давлением

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

• реальный газ; • тепловые потери; • конечная скорость подвода и отвода теплоты; • неременная теплоемкость. Все параметры смесеобразования сильно влияют на процесс сгорания и,таким образом, на его совершенство.

Рис.4 Дизели очень сильно различаются по размерам и области применения. Отсюда следуют различия в их эффективности. Наибольший КПД достмга ется большими тихо ходными дизелями 7„ — теоретический КПД изменяется в зависимости от степени сжатия Читайте также: Как выбрать свечи зажигания, или не мучай свой автомобиль

Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.

Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.

Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.

Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.

КПД бензинового и дизельного двигателя.

При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.

Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.

Где теряется эффективность

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

Читать дальше: Резина на трактор т 25

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

КПД двигателя внутреннего сгорания – что это такое?

В первую очередь, мотор преобразует тепловую энергию, возникающую при сгорании топлива, в определенное количество механической работы. В отличие от паровых машин, эти двигатели более легкие и компактные. Они гораздо экономичнее и потребляют строго определенное жидкое и газообразное топливо. Таким образом, КПД современных двигателей рассчитывается на основании их технических характеристик и прочих показателей.

КПД (коэффициент полезного действия) представляет собой отношение фактически передаваемой мощности на вал двигателя к мощности, получаемой поршнем за счет действия газов. Если провести сравнение КПД двигателей различной мощности, то можно установить, что это значение для каждого из них имеет свои особенности.

Эффективный КПД двигателя зависит от различных механических потерь на разных стадиях работы. На потери влияет движение отдельных частей мотора и возникающее при этом трение. Это поршни, поршневые кольца и различные подшипники. Эти детали вызывают наибольшую величину потерь, составляющие примерно 65 % от их общего количества. Кроме того, потери возникают от действия таких механизмов, как насосы, магнето и прочие, которые могут дойти до 18 %. Незначительную часть потерь составляют сопротивления, возникающие в топливной системе во время процесса впуска и выпуска.

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.

Читать дальше: Замена механизма стеклоподъемника ваз 2107

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(26 голосов, средний: 4,08 из 5)

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

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.

Анализируем эффективность работы персонала

Для эффективного управления персоналом и увеличения объемов производства постоянно проводятся ежедневные, еженедельные, ежемесячные, квартальные и годовые отчеты по их производительности и эффективности работы.

Учитываются не только показатели по работе одного сотрудника, но и целых отделов и проводятся сравнения в том или ином направлении деятельности предприятия, что прямо влияют на показатели годовой выработки и соответственно от этого зависит получение запланированной прибыли. Все вышеперечисленные факторы и показатели, что применяются для расчета производительности персонала, тесно связаны между собой и характеризуют общий результат деятельности компании.

При проведении анализа производительности труда персонала учитывается удельный вес отдельных видов продукции в общей производительности. Здесь проводятся расчеты для продукции с высокими затратами трудовых ресурсов и более низкими, по необходимости рассчитывают среднее значение.

Анализируют не только показатели по производительности и проводят их сравнение, и оптимизацию, но и обозначают соответствующие резервы компании для уменьшения общей трудоемкости на изготовление продукции как по конкретным видам, так и по предприятию в целом.

Самым из простых способов по контролю и управлению производительностью труда персоналом является выполнение плановых показателей (или соответственно их недовыполнение или перевыполнение).

Основными целями анализа являются следующие:

  • напряженность плана по производительности работы персонала, определение степени;
  • выявление факторов, что влияют на показатели эффективности работы сотрудников;
  • сравнение соответствующих показателей;
  • внедрение и оптимизация предприятий, направленных на увеличение производительности работников организаций.

Планы по производительности в основном анализируют по таким показателям, как плановые и фактические показатели, а уже исходя из результатов отклонений (в меньшую или большей сторону) внедряются соответствующие методы и мероприятия.

Падение КПД и общие потери в электродвигателе

Существует множество негативных факторов, под влиянием которых складывается количество общих потерь в электрических двигателях. Существуют специальные методики, позволяющие заранее их определить. Например, можно определить наличие зазора, через который мощность частично подается из сети к статору, и далее — на ротор.

Потери мощности, возникающие в самом стартере, состоят из нескольких слагаемых. В первую очередь, это потери, связанные с и частичным перемагничиванием сердечника статора. Стальные элементы оказывают незначительное влияние и практически не принимаются в расчет. Это связано со скоростью вращения статора, которая значительно превышает скорость магнитного потока. В этом случае ротор должен вращаться в строгом соответствии с заявленными техническими характеристиками.

Значение механической мощности вала ротора ниже, чем электромагнитная мощность. Разница составляет количество потерь, возникающих в обмотке. К механическим потерям относятся трения в подшипниках и щетках, а также действие воздушной преграды на вращающиеся части.

Для асинхронных электродвигателей характерно наличие дополнительных потерь из-за наличия зубцов в статоре и роторе. Кроме того, в отдельных узлах двигателя возможно появление вихревых потоков. Все эти факторы в совокупности снижают КПД примерно на 0,5% от номинальной мощности агрегата.

При расчете возможных потерь используется и формула КПД двигателя, позволяющая вычислить уменьшение этого параметра. Прежде всего учитываются суммарные потери мощности, которые напрямую связаны с нагрузкой двигателя. С возрастанием нагрузки, пропорционально увеличиваются потери и снижается коэффициент полезного действия.

В конструкциях асинхронных электродвигателей учитываются все возможные потери при наличии максимальных нагрузок. Поэтому диапазон КПД этих устройств достаточно широкий и составляет от 80 до 90%. В двигателях повышенной мощности этот показатель может доходить до 90-96%.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Формула 1 — коэффициент полезного действия

Где—A
полезная работа

Q
суммарная работа, которая была затрачена

Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.

Задачи на КПД тепловых двигателей с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на КПД тепловых двигателей».

Относится ли ружьё к тепловым двигателям? Да, так как при выстреле внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.
Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4 МДж потребовалось 8 кг бензина.

Задача № 2.
Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 220,8 МДж потребовалось 16 кг бензина.

Задача № 3.
Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 27,6 МДж потребовалось 2 кг бензина.

Задача № 4.
На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Задача № 5.
Патрон травматического пистолета «Оса» 18×45 мм, содержит резиновую пулю массой 8,4 г. Определите КПД патрона, если пуля при выстреле приобрела скорость 140 м/с. Масса порохового заряда патрона составляет 0,18 г, удельная теплота сгорания пороха 3,8 • 106 Дж/кг.

Задача № 6.
Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 106 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Задача № 7.
Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 104 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

Задача № 8.
За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

Задача № 9.
Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

Задача № 10.
ОГЭ
Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, 80 % теплоты, полученной от нагревания, передаёт охладителю. Количество теплоты, получаемое рабочим телом за один цикл от нагревателя, Q1 = 6,3 Дж. Найти КПД цикла ɳ и работу А, совершаемую за один цикл.

Задача № 11.
ЕГЭ
Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найти КПД цикла ɳ.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на КПД тепловых двигателей». Выберите дальнейшие действия:

  • Перейти к теме: ЗАДАЧИ на Закон Ома.
  • Посмотреть конспект «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания».
  • Вернуться к списку конспектов по Физике.
  • Проверить свои знания по Физике.

Почему производительность труда так важна в деятельности каждой организации

Производительность труда – это эффективность работы персонала в той или иной отрасли производства и рынка услуг отображается количественным числом изготовленной продукции или проданных услуг конкретным сотрудником за определенный период времени. В основном рассчитывают этот показатель за месяц работы и сравнивают с результатами работы других сотрудников, что работают на аналогичных должностях и имеют те же трудовые обязанности в количественном числе.

Обратным показателем величины производительности труда персонала является трудоемкость. Трудоемкость – это период времени (его количество) на изготовление одной единицы продукции или услуги (в зависимости от сферы деятельности сотрудника в организации).

Если увеличивается эффективность работы персонала организации, то соответственно снижается количество затрат рабочего времени, себестоимость изготавливаемой продукции значительно снижается, повышается общая экономическая эффективность производства.

Эффективность работы персонала прямо влияет на производственный цикл и его обороты. Чем быстрее происходит оборот средств (оборотных), тем скорее эти оборотные средства “освобождаются” из процесса оборота.

На темпы увеличения оборота оборотных средств влияют следующие показатели:

  • увеличения количества и объемов продаж;
  • работа над снижением затрат человеческих ресурсов на изготовление продукции или услуг;
  • постоянное усовершенствование качества и конкурентных способностей товаров и услуг;
  • общее сокращение и ускорение темпов производственного цикла;
  • усовершенствование систем снабжения и сбыта и т.д.

Во всех компаниях постоянно стараются увеличивать количество изготавливаемой продукции или предлагаемых услуг за конкретный период времени, а это в свою очередь сокращает статью по затратах на изготовление одной ее единицы.

В конце каждого месяца отделы кадров (или иные отдели по рекрутингу) проводят статистику по производительности труда персонала в той или иной области. Это могут быть различные производственные отделы в одной и той же фирме. Практикуют методы “слабого звена”: с сотрудниками, с наименьшими показателями по производительности труда персона, проводятся дополнительные обучения, применяются системы штрафов и т.д.

Компаниям не выгодно оплачивать труд персонала, с низкой эффективностью работы, так как это прямо влияет на получение общей прибыли. В то же время сотрудников, с хорошими показателями по производительности труда, постоянно поощряют в виде премий, бонусов, дополнительных отпусков и других видов бонусных программ.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

  • замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
  • в то время, как дизельные – 40% соответственно;
  • при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

  1. Более высокий показатель степени сжатия.
  2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
  3. Корпусные детали нагреваются меньше.
  4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
  5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
  6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.

Относительный КПД действительного цикла с высоким давлением

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

• реальный газ; • тепловые потери; • конечная скорость подвода и отвода теплоты; • неременная теплоемкость. Все параметры смесеобразования сильно влияют на процесс сгорания и,таким образом, на его совершенство.

Рис.4 Дизели очень сильно различаются по размерам и области применения. Отсюда следуют различия в их эффективности. Наибольший КПД достмга ется большими тихо ходными дизелями 7„ — теоретический КПД изменяется в зависимости от степени сжатия Читайте также: Как выбрать свечи зажигания, или не мучай свой автомобиль

Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.

Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.

Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.

Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.

КПД бензинового и дизельного двигателя.

При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.

Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.

Где теряется эффективность

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

Читать дальше: Резина на трактор т 25

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

КПД двигателя внутреннего сгорания – что это такое?

В первую очередь, мотор преобразует тепловую энергию, возникающую при сгорании топлива, в определенное количество механической работы. В отличие от паровых машин, эти двигатели более легкие и компактные. Они гораздо экономичнее и потребляют строго определенное жидкое и газообразное топливо. Таким образом, КПД современных двигателей рассчитывается на основании их технических характеристик и прочих показателей.

КПД (коэффициент полезного действия) представляет собой отношение фактически передаваемой мощности на вал двигателя к мощности, получаемой поршнем за счет действия газов. Если провести сравнение КПД двигателей различной мощности, то можно установить, что это значение для каждого из них имеет свои особенности.

Эффективный КПД двигателя зависит от различных механических потерь на разных стадиях работы. На потери влияет движение отдельных частей мотора и возникающее при этом трение. Это поршни, поршневые кольца и различные подшипники. Эти детали вызывают наибольшую величину потерь, составляющие примерно 65 % от их общего количества. Кроме того, потери возникают от действия таких механизмов, как насосы, магнето и прочие, которые могут дойти до 18 %. Незначительную часть потерь составляют сопротивления, возникающие в топливной системе во время процесса впуска и выпуска.

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.

Читать дальше: Замена механизма стеклоподъемника ваз 2107

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(26 голосов, средний: 4,08 из 5)

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

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.

Источник Источник http://xn--34-6kc4bzaa.xn--p1ai/sovety/kpd-avto.html
Источник Источник http://mr-build.ru/newteplo/rascet-kpd.html
Источник Источник http://xn--34-6kc4bzaa.xn--p1ai/sovety/kpd-avto.html

КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя – что это такое

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 сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

  1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
  2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

  • Вид топлива.
  • Способ образования топливно-воздушной смеси.
  • Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

  1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
  2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
  3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:

  1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
  2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
  3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

  • замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
  • в то время, как дизельные – 40% соответственно;
  • при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

  1. Более высокий показатель степени сжатия.
  2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
  3. Корпусные детали нагреваются меньше.
  4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
  5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
  6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

КПД двигателя и топливная эффективность

  КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
СТАТЬЯ №1
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?

Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
* * *

   Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД . 
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.

Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;

Суть этих значений такова:
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;

   Рассмотрим, кратко все эти позиции: 
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами
. Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.

    В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%. 
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
 Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа. Поэтому чисто по правилам формальной логики    КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…

РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС

Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.

* * *
    Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок. 
Задача – получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
    Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
    Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек. Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух. 
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
    Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры. 
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.

    В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
— расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.

    Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил. 

    Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее. 
    Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру. 
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп. И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
    На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе». 
    Путь избавления от этого недостатка: 
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
    В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.

* * *
Второй уровень потерь – значительные потери тепла, полученного от сгорания «усвоенного двигателем топлива».
Тепловой баланс бензинового двигателя складывается таким образом :
1) – тепло переводимое в полезную работу: 35%;
2) – тепло теряемое с выхлопными газами : 35%;
3) – тепло теряемое от потерь через систему охлаждения: 30%;

   Задача – получить двигатель имеющий минимальные потери тепла во внешнюю среду. В идеале можно поставить задачу создать двигатель с термическим КПД в 80%. Но даже если удастся добиться этого показателя в 65-70%, вместо 35 % на сегодня, это будет огромный скачок вперед. Т.е. двигатель той же мощности при таком КПД начнет расходовать в 2 раза меньше топлива, чем прежде. 

   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях такие большие потери тепла «на сторону»? Что приводит к такому печальному положению?

   Первая категория тепловых потерь — потери тепла с отводом через стенки цилиндров с системой охлаждения. Вообще для повышения значения термического КПД охлаждать двигатель не следует совсем. От этого температура деталей двигателя сразу поднимется- и от этого обуглится масло (которое создает пленку для легкого скольжения на поверхностях трения), и поршень перестанет легко двигаться в цилиндре и двигатель скоро заклинит. Здесь мы снова напарываемся на противоречия совмещения в одном такте двух процессов – горения и расширения. Температура во время вспышки горения в начальном периоде поджига РСм – достигает 3000 С°. А предельная температура масла, когда оно еще смазывает и спасает от трения, это 200 – 220 градусов. При превышении этого температурного порога масло начинает «гореть» и обугливаться. Для обеспечения высокого КПД двигатель охлаждать не разумно, но для обеспечения возможности движения основного рабочего органа – поршня, смазка жизненно необходима… Т.е. система охлаждения, позволяющая поршню двигаться в цилиндре — резко снижает термический КПД двигателя. Это осознанное и необходимое уменьшение КПД. 

    Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр. Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода. 
    Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.
    Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя. 
    Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся. Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу. 

   Надо сказать, что по основополагающему закону термодинамики, сформулированному почти 200 лет назад С. Карно, тепловой двигатель с предельно возможным КПД должен иметь максимальную температуру рабочих газов в начале рабочего цикла, и минимальную температуру рабочих газов в конце цикла. 
Но в поршневом двигателе внутреннего сгорания максимально высокую температуру газов на первом этапе цикла мешает получить система охлаждения, а минимально избыточную температуру газов в конце цикла мешает получить невозможность встроить в схему двигателя паровую составляющую.
В итоге мы сегодня пользуемся двигателями с термическим КПД около 35%, не многим лучше, чем 60 или 70 лет назад…

   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, позволяющую проводить процесс сгорания топлива в теплоизолированной камере сгорания (для достижения максимальной температуры в начале рабочего цикла), а так же позволяющую включать на завершающем этапе работы горячих газов горения паровую фазу (для достижения минимальной температуры в конце рабочего цикла). Так же такая конструкция двигателя позволит обходиться без обособленной и громоздкой системы охлаждения, которая бы «выкидывала» тепло во внешнюю среду.

   Заодно — двигателю не нужна будет громоздкая и тяжелая выхлопная труба, которая в традиционных поршневых моторах гасит грохот от отработавших газов, вылетающих «выстрелами» с избыточным двлением в 8-10 атмосфер. Ибо в предлагаемой конструкции избыточное давление выхлопных газов будет минимальным. 

* * *
   Третий уровень потерь – заметные потери мощности на преодоление сил трения, как и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, как и потери на привод вспомогательных механизмов. Эти потери определяются как механические потери. Они зависят от кинематической схемы двигателя. Но кроме собственно на механические потери, кинематическая схема и ее конструкция так же влияют на другой важнейший показатель работы, который не имеет прямого отношения к КПД: это режим и величина крутящего момента. 

   Задача – получить двигатель, имеющий минимальные механические потери. А так же обладающий постоянно действующим крутящим моментом высокого значения при небольших размерах самого двигателя. Высокий и стабильный крутящий момент позволяет обходиться без такой громоздкой и сложной системы транспортного средства как коробка переключения скоростей. Пример – транспорт с электродвигателями и паровыми двигателями. 


   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр. 
   Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения. 
   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.

ИТОГ:
ИТАК- сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.

После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.
В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.

Сравним содержание основных возможностей главных механизмов и технических принципов, применяемых в различных типах двигателей. Существующие моторы я буду сравнивать с концепцией совершенного роторного двигателя, над созданием которой тружусь уже некоторое количество времени.

СТАТЬЯ №2-1
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ: ВСЕ ХОРОШО В МЕРУ

  Все мы привыкли к тому, что экономичный и мощный двигатель должен иметь высокую степень сжатия. Поэтому на спортивных автомобилях двигатели всегда имеют высокую степень сжатия, а тюнинг двигателей (форсирование) для повышения мощности стандартных моторов массовых серий предполагает прежде всего увеличение их степени сжатия. 
Поэтому в широком массовом мнении закрепилась идея — чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше, так как это ведет к увеличению мощности мотора и повышению его КПД. Но — к сожалению, это положение верно лишь отчасти, а точнее, оно верно не боле чем на 50%.
История техники говорит нам, что когда в 1860-х годах появился первый ДВС Ленуара (который работал без сжатия), он лишь едва-едва превосходил по КПД паровые машины, а когда (через 15 лет) появился 4-х тактный ДВС Отто, работающий со сжатием, то КПД такой модели сразу превзошел на голову по экономичности все существовавшие тогда двигатели.
Но сжатие – не такой уж простой и однозначный процесс. Тем более, что достигать очень высоких степеней сжатия, не имеет смысла, да и это очень трудно технически.
  Первое: чем выше степень сжатия – тем больше рабочий ход поршня в цилиндре. Следовательно – больше линейная скорость движения поршня на высоких оборотах. Следовательно – тем больше инерционные знакопеременные нагрузки, действующие на все элементы кривошипно-шатунного механизма. При этом — еще и повышаются уровни давления в цилиндре. Поэтому у двигателя с высокой степенью сжатия и длинным рабочим ходом все элементы и детали мотора должны быть повышенной прочности, т.е. толстыми и тяжелыми. Именно поэтому дизеля не бывают маленькими и легкими. Поэтому не создано малых дизелей для мотоциклов, для подвесных лодочных моторов, легкой авиации и пр. Именно поэтому подвергнутые серьезному тюнингу – «пережатые» стандартные авто моторы имеют столь малый моторесурс.
  Второе: чем выше степень сжатия, тем сильнее риск детонации со всеми вытекающими разрушительными последствиями. Заправка бензином с невысоким качеством может попросту разрушить такой мотор. О детонации – читайте в специальной СТАТЬЕ. Т.е. на определенной степени сжатия приходится применять все более дорогой и специальный бензин или особые присадки к нему. В пятидесятые — шестидесятые годы магистральной линией двигателестроения, особенно в США, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
  Однако – достигать предельно возможных степеней сжатия нет никакого смысла. Дело в том, что термический КПД двигателя нарастает с повышением степени сжатия, но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Т.е. после достижения определенного порога степени сжатия ее дальнейшее повышение не имеет смысла, ибо выигрыш будет минимальным, а нарастающие трудности – огромными. 

* * *
При внимательном анализе возможностей работы разных типов двигателей и поиске путей повышения их эффективности можно найти возможности, отличные от постоянного повышения степени сжатия. И они будут гораздо более эффективными и качественными, чем высокое повышение степени сжатия.
Для начала разберемся – а что дает собственно высокая степень сжатия. А дает она следующее:
— дает высокую длину рабочего хода, т.к. в поршневом двигателя длина хода сжатия равна ходу длины расширения;
— сильное давление в заряде рабочей смеси, при котором происходит сближение молекул кислорода и топлива. От этого процесс горения подготавливается лучше и идет быстрее.

По первой позиции можно дать такие комментарии: действительно, экономичность дизелей во многом обязана тому, что они имеют большую длину рабочего хода. Т.е. увеличение длинны хода расширения значительно более серьезно влияет на повышение эффективности и экономичности двигателя, чем повышение длины хода сжатия. Это дает возможность снимать с давления рабочих газов больше пользы – газы работают на большее перемещение поршня. И если в «бензиновых» моторах диаметр поршня примерно равен длине рабочего хода, с соответствующей «степенью сжатия» и «степенью расширения», которые привязаны к длине хода поршня, то в дизельных двигателях этот параметр заметно больше. У классических низкооборотистых дизельных двигателей ход поршня больше, чем диаметр поршня на 15-30%. В судовых дизелях эта разница приобретает вообще вопиющий размер. Например, у огромного 14-цилиндрового дизельного двигателя для супертанкера производства финской фирмы Wartsila, рабочим объёмом 25 480 литров и мощностью 108 920 л.с. при 102 об/мин., диаметр цилиндра составляет 960 мм., при ходе поршня — 2500 мм.

При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня. Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.

Рассмотрение первой позиции – большая длинна рабочего хода. Главное для экономичности – это большая длинна рабочего хода, чтобы все рабочие газы по максимуму передали давление на поршень. А в поршневом моторе рабочий ход равен длине хода сжатия. Вот как-то и закрепилось мнение, что важнее всего – степень сжатия, а не степень расширения. Хотя в поршневом двигателе — эти значения равны. Поэтому и разделять их не имеет особого смысла.

Но в идеале – лучше сделать эти длинны хода разными. Так как повышение хода сжатия ведет к массе неприятных последствий, то его сделать умеренным. А вот ход расширения, как отвечающий по максимуму за экономичность и эффективность, сделать максимально большим. Но в поршневом моторе это сделать практически невозможно (или сделать очень трудно и сложно- пример двигатель Кушуля). Зато есть масса схем роторных двигателей, которые позволяют без особого труда разрешить эту дилемму. Т.е. возможность двигателю иметь умеренную степень сжатия и при этом значительную длину рабочего хода. 

  Рассмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.

Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.

   Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет. 

   Из всех выше описанных теоретических подходов, можно сделать один вывод – мощный двигатель с высоким КПД может обойтись и без высокой степени сжатия, со всеми присущими для нее трудностями. Для этого в двигателе степень расширения должна быть заметно выше степени сжатия, а сгорание заряда свежей рабочей смеси должно происходить в предельно нагретой камере сгорания. При этом в процессе сгорания давление и температура должны повышаться за счет их естественного увеличения за счет энергии процесса горения. Т.е. камера сгорания должна герметично запираться и не менять свой объем в процессе сгорания. Следовательно: скоростного увеличения объёма камеры сгорания — с соответствующим падением давления и температуры (как это происходит в поршневом моторе) быть не должно. 
   Кстати- во время сгорания топливной смеси давление в запертой камере сгорания неизменного объема будет повышаться, т.е.сгорающие «второй серией» (более 60% от массы заряда) порции топлива будут сгорать при очень высокой степени сжатия (давление около 100 атм.) давление которого будет создано сгоранием первой части топлива. Тут надо зметить, что давление завершения такта сжатия даже у дизелей (этих нынешних рекродстменов по КПД) состалвяет не более 45-50 атм. 
Но оба этих вышеупомянутых условия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом соблюсти и обеспечить невозможно. Поэтому и работают поршневые двигатели на повышенных степенях сжатия, со всеми вытекающими трудностями, и никак не могут преодолеть планку КПД в 40% уже почти 100 лет.

   ИТОГ этой статьи таков – высокоэффективный двигатель большой мощности с высоким КПД может иметь умеренную степень сжатия, если будет иметь ход расширения, заметно больше чем ход сжатия. А сгорание рабочей смеси будет происходить в запираемой на время сгорания и не охлаждаемой камере (изохорный адиабатический процесс) при нарастающих температуре и давлении от энергии самого процесса сгорания. 
   В рамках идеи поршневого двигателя такую конструкцию создать невозможно, а вот в поле идей роторных двигателей подобные конструкции создать вполне реально. Чем и занимается автор этого текста и этого сайта. 

СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2: ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ

26.01.13г.

   В первой части статьи я показал – что непрерывное повышение степени сжатия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом — единственный путь небольшого увеличения КПД двигателя, имеет четкие пределы своих возможностей. На степенях сжатия, приближающихся к 16, Рабочая Смесь с парами бензина даже октанового числа 100 начинает сгорать в режиме детонации, а детали и корпус двигателя становятся очень громоздкими и толстостенными (как в дизеле), чтобы выдерживать повышенные давления и великие инерционные нагрузки. Но огромные силы детонационного сгорания даже такие громоздкие и массивные детали разрушают очень быстро. 

   Но есть другие пути повышения КПД двигателя – это:
А) – увеличение температуры сгорания Рабочей Смеси (температуры в камере сгорания), чтобы добиться полного и быстрого сгорания паров бензина. При этом выделяется максимальное количество тепла и Рабочее Тело будет сильнее давить на поршень — т.е. совершать большую работу. По этому пути поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом и совмещенным процессом «горения-расширения» (3-й такт) идти не могут, так как масло (смазывающее стенки кинематической пары «поршень — цилиндр») при температуре 220 градусов уже начинает обугливаться и перестает смазывать. Именно поэтому цилиндр и поршень двигателя надо охлаждать, а это приводит в резкому снижению теплового КПД двигателя.
Б) – увеличение объема (степени) расширения Рабочего Тела (длины хода расширения) для полноценного расширения газов Рабочего Тела. Это позволит полностью использовать их избыточное давление. В современных поршневых двигателях на выхлоп идут газы с давлением в 5-8 атмосфер, что является значительными потерями. И это при том, что среднее эффективное давление поршневого двигателя составляет всего 10 атмосфер. Увеличить величину «срабатывания» этого давления мешает малая длина рабочего хода поршневого двигателя с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).
Если увеличить степень расширения газов Рабочего Тела в двигателе, то его КПД значительно увеличится и без необходимости повышения степени сжатия.

Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.

   Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя. В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз. 
   Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.

   Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин. 
   Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;
делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.

   НО в изложении этой информации- есть одно большое НО…
Оказывается тот же Николаус Отто, прежде чем создать свой знаменитый 4-х тактный двигатель со сжатием в 1877 году, немного раньше – в 1864 году создал, выпускал и успешно продавал многими сотнями другое свое изобретение – атмосферный двигатель внутреннего сгорания, работающий без предварительного сжатия. КПД этого двигателя составлял 15%… Такой высокий КПД совершенно не укладывается в теорию, что сильное предварительное сжатие Рабочей Смеси совершенно необходимо для достижения значительных показателей КПД двигателя.
Что-то в этой теме было не так, чего-то не хватало для понимания очень важных сфактов, и я решил изучить эту ситуацию. И вот к каким выводам я пришел:
-совершенно ужасный – мизерный – КПД двигателя Ленуара получался потому, что он имел совершенно недопустимо малую СРЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
— а очень достойным КПД в 15 % атмосферный двигатель Отто, работающий без сжатия, обладал от того, что имел очень большую СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
Правда этот двигатель Отто имел очень плохой крутящий момент и очень неровный режим вращения главного вала, поэтому и потом был быстро вытеснен 4-х тактными дви-гателями. Но вот со значением КПД у него было очень прилично.

Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.

Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;
   Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше.   Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой.   Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту. 
ВЫВОД- двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….

   ДАЛЕЕ – рассмотрим схему работы другого двигателя, работавшего без предварительного сжатия Рабочей Смеси, но имевшего КПД в 15 %. Это атмосферный двигатель Отто образца 1864 года. Это был очень необычный двигатель. Он по своей кинематике казался чем-то совершенно уродливым и не пригодным к работе, но при «корявой» кинематической схеме, он действовал по весьма рациональной схеме организации рабочих процессов и поэтому имел КПД в 15%. Цилиндр этого двигателя был установлен вертикально и поршень двигателя двигался вверх- вниз. При этом в этом двигателе не было КШМ, а поршень имел направленную вверх очень длинную зубчатую рейку, которая входила своими зубьями в зацепление с шестерней и вращала её.

При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.
   Но зато – в такой конструкции двигателя были крайне удачно организованы рабочие процессы. Рассмотрим, как были организованы и действовали рабочие процессы в этом двигателе. 

   Вначале специальный механизм поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и туда происходило всасывание смеси воздуха и газа. Далее поршень останавливался. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через особую трубку. При взрыве горючего газа давление под поршнем скачкообразно поднималось до 4 атм. Это действие подбрасывало поршень вверх, объём газа в цилиндре увеличивался и давление под ним падало, так как внутренний объем поршня не имел связи с атмосферой и был в этот момент герметично закрыт. При подбрасывании взрывом поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось значительное разрежение. В данном случае рабочий ход оказывался максимальной длинны, и продолжался до тех пор, пока вся энергия сгоревшего топлива (в виде избыточного давления Рабочего Тела) полностью не израсходовалась на подъем поршня. Заметьте, что на фотографии двигателя видно – длинна рабочего хода (высота цилиндра) многократно — в 6-8 раз больше диаметра поршня. Вот какой длины был у него рабочий ход. В то время как в современных поршневых моторах диаметр поршня примерно равен рабочему ходу. Только в дизелях – этих современных чемпионах экономичности – рабочий ход примерно на 20-30 процентов больше диаметра цилиндра. А тут – больше в 6 или даже 8 раз….
   Далее- поршень устремлялся вниз и начинался рабочий ход поршня под нагрузкой собственного веса и под действием атмосферного давления. После того, как давление сжимаемого в цилиндре газа на пути поршня вниз достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Все это время длинная зубчатая рейка крутила шестерню, соединенную валом с маховиком. Именно так производилась мощность двигателя. После возвращения поршня в нижнюю точку траектории движения все повторялось снова — спец механизм плавно поднимал его вверх и происходило всасывание свежей порции Рабочей Смеси. 

   В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного. 
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.

   Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.
В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.
А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.

   Можно предположить, что если бы атмосферный двигатель Отто имел искровое электрическое зажигание (как более ранний двигатель Ленуара), то его КПД мог бы вполне приблизиться к 20%. Дело в том, что при зажигании заряда Рабочей Смеси в цилиндре открытым пламенем через особую трубку при вспышке некоторая часть горящего заряда вылетала в атмосферу через эту трубку и это были заметные потери… Если бы такие потери удалось исключить, то КПД этого двигателя был бы заведомо выше.
Но Отто не обладал знаниями в области электротехники (как Ленуар), поэтому он и установил на свой атмосферный двигатель такую примитивную и уменьшающую КПД систему зажигания.

   ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:
1) – устоявшееся мнение о возможности достижения предельно высокого КПД двигателя преимущественно за счет максимально возможной степени предварительного сжатия Рабочей Смеси справедливо только для конструкций поршневых двигателей , где стремительно движущийся от «донышка» цилиндра в сторону коленвала поршень (за счет принудительного привода от коленвала) с огромной скоростью расширяет объем «камеры сгорания» и уменьшает давление поджигаемого (и горящего- тоже) заряда Рабочей Смеси. В поршневом двигателе Ленуара, работающем без предварительного сжатия Рабочей Смеси, этот недостаток поршневых двигателей проявлялся особенно ярко. Что и приводило к его предельно низкому КПД.
   В современных поршневых двигателях всех типов для устранения именно этого конструктивного «родового» недостатка в организации рабочих процессов как раз и применяется предельно высокая степень предварительного сжатия – именно для того, чтобы заставить свежий заряд Рабочей Смеси гореть при достаточно высоких давлениях и температуре (не смотря на скоростное увеличение объема камеры сгорания и соответствующее падение давления в этой камере), что является залогом относительно полноценного горения заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высокого давления и высокой температуры.
2) – в истории техники существуют конструкции двигателей иных кинематических схем и иного способа организации рабочих процессов, где даже без предварительного сильного сжатия свежего заряда Рабочей Смеси можно достигнуть неплохих значений КПД даже при очень примитивной конструкции. Пример – атмосферный двигатель Отто образца 1864 года, с КПД в 15 %.
3) – можно создать высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, в котором процессы сгорания свежего заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высоких параметров будут происходить путем естественного сжатия горящего заряда за счет самих сил горения в условиях камеры сгорания неизменного объема. Тем более, что процесс предварительного сжатия до высоких значений (в 20-30 атмосфер), который характерен для современных поршневых двигателей, требует затрат значительного количества энергии двигателя и применения массивных, громоздких и тяжелых деталей.
При этом основной вклад в достижение высокого КПД сделает большой параметр объема расширения (длинный рабочий ход), который будет значительно больше объема сжатия.

   ИМЕННО ТАКОЙ двигатель, не требующий затратного и громоздкого Предварительного Сжатия свежего заряда Рабочей Смеси высокого значения, автор данной статьи в настоящее время и создает. В этом двигателе предварительное сжатие будет осуществляться до невысоких значений, а основное сжатие заряда Рабочей Смеси в камере сгорания неизменного объема будет происходить за счет сил первого этапа самого горения. В идеале это будет детонационное горение: вспышка — взрыв. Далее Рабочее Тело высокого давления будет расширяться до конца своих возможностей в секторе расширения большого объема. 

Игорь Исаев.»Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее….»

Кпд двигателя внутреннего сгорания составляет 20

Крутящий момент и мощность

Если взять как основу одинаковый показатель рабочего объёма, мощность бензинового двигателя превосходит дизельный, но для её достижения обороты должны быть более высокими. Вместе с увеличением оборотов возрастают и потери, расход топлива повышается. Сам крутящий момент также не стоит упускать из виду, поскольку это сила, передающаяся на колёса от мотора, именно она и заставляет автомобиль двигаться. Таким образом, максимальный показатель крутящего момента бензиновыми двигателями достигается на более высоких оборотах.

Дизельный двигатель с аналогичными показателями способен на низких оборотах достичь максимума крутящего момента, а для реализации полезной работы расходуется меньше солярки. Следовательно, КПД дизельного двигателя выше, а топливо расходуется более экономно.

Эффективность бензина и солярки

Находящиеся в составе дизельного топлива углеводороды более тяжёлые, чем бензиновые. Во многом меньший коэффициент полезного действия бензинового мотора обусловлен особенностями сгорания бензинового топлива и его энергетической составляющей. Преобразование тепла в полезную механическую энергию в дизельном двигателе происходит более полноценно, следовательно, сжигание одинакового количества топлива за единицу времени позволяет дизелю выполнить больше работы.

Не стоит также упускать из виду создание необходимых для полного сгорания смеси условий и особенности впрыска. Подача топлива в дизельных моторах происходит отдельно от воздуха, поскольку впрыскивание осуществляется непосредственно в цилиндр на завершающем этапе такта сжатия, а не во впускной коллектор. Как итог, удаётся достичь более высокой температуры, а сгорание каждой порции топлива происходит максимально полноценно.

Повышение КПД двигателя

Топливная эффективность и КПД современных двигателей находятся на своём максимальном уровне, поскольку все усовершенствования, которые только могли иметь место в автомобильной инженерии, уже произошли. Тем не менее, производители стремятся повышать коэффициент полезного действия, но результат, который они получают, никак не сопоставим с огромными ресурсами, усилиями и временем, которое тратят для достижения цели. Итогом является увеличение КПД лишь на 2 — 3 %.

Частично именно эта ситуация стала причиной появления полноценной индустрии так называемого тюнинга двигателя в любой крупной стране. Речь идёт о многочисленных полукустарных мастерских, мелких фирмах и отдельных мастерах, которые доводят традиционные моторы массовых брендов для более высоких показателей, как в плане тяги, так и мощности или КПД. Это может быть форсирование, доработка, доводка и другие ухищрения, определяемые, как тюнинг.

Выводы

В качестве итога стоит напомнить о том, что инженерам удалось шагнуть далеко вперёд от первых двигателей с КПД в районе 5 %. К тому же, изобретение идеального мотора с КПД под 100 % пока не представляется возможным, поэтому современные силовые установки находятся на пике своей эффективности. Единственный вариант для тех, кто принципиально нуждается в двигателе с 90-процентным КПД — это покупка электромобиля или машины с гибридным двигателем.

Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.

Что такое КПД двигателя внутреннего сгорания.

Отношение полезной энергии к полной (затраченной), выраженное в процентном отношении, и есть искомый КПД двигателя внутреннего сгорания. Разберемся, куда же теряется энергия.

На что тратиться полезная энергия?

Первый пункт здесь – это потери, возникающие непосредственно при горении топлива, ведь все топливо в двигателе никогда не сгорает, часть его улетает в выхлопную трубу. Эта часть, в среднем, составляет около 25%.

Следующим местом (точнее явлением), куда исчезает энергия, является тепло, выделяемое при горении. Возможно, кто-то из вас еще помнит со времен, проведенных на школьной скамье, что для получения тепла требуется энергия, соответственно, образуемое тепло – это есть потери энергии. Здесь стоит заметить, что тепла при работе двигателя внутреннего сгорания образуется с излишком, что требует внедрения серьезной системы охлаждения.

Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.

Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.

Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.

Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.

КПД бензинового и дизельного двигателя.

При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.

Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.

Формулы, используемые на уроках «Задачи на КПД тепловых двигателей».

Название величины
Обозначение
Единица измерения
Формула
Масса топлива
Удельная теплота сгорания топлива
Полезная работа
Ап =»» ɳ Q
Затраченная энергия
Q =»» qm
КПД

Относится ли ружьё к тепловым двигателям? Да, так как при выстреле внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4 МДж потребовалось 8 кг бензина.

Задача № 2. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 220,8 МДж потребовалось 16 кг бензина.

Задача № 3. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 27,6 МДж потребовалось 2 кг бензина.

Задача № 4. На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Задача № 5. Патрон травматического пистолета «Оса» 18×45 мм, содержит резиновую пулю массой 8,4 г. Определите КПД патрона, если пуля при выстреле приобрела скорость 140 м/с. Масса порохового заряда патрона составляет 0,18 г, удельная теплота сгорания пороха 3,8 • 106 Дж/кг.

Задача № 6. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 10 6 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Задача № 7. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 10 4 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

Задача № 8. За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

Задача № 9. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

Задача № 10. ОГЭ Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, 80 % теплоты, полученной от нагревания, передаёт охладителю. Количество теплоты, получаемое рабочим телом за один цикл от нагревателя, Q1 =»» 6,3 Дж. Найти КПД цикла ɳ и работу А, совершаемую за один цикл.

Задача № 11. ЕГЭ Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А =»» 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 =»» 13,4 кДж. Найти КПД цикла ɳ.

Краткая теория для решения Задачи на КПД тепловых двигателей.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на КПД тепловых двигателей». Выберите дальнейшие действия:

>

КПД теплового двигателя | 8 класс | Физика

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде. То есть, эта часть энергии не используется полезно.

Следовательно, и работу таких механизмов тогда нужно рассчитывать специальным образом. Для этого в физике разделяют работу на полную и полезную, вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) механизма. В данном уроке мы познакомимся с этими величинами и рассмотрим решение задач с использованием КПД.

Полезная работа теплового двигателя

Для того чтобы судить о полезной работе теплового двигателя, обратимся еще раз к его устройству. Если рассматривать его принцип работы, то устройство любого теплового двигателя можно представить в виде простой схемы (рисунок 1).

Рисунок 1. Устройство теплового двигателя

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Рабочим телом является газ или пар. Например, в паровой турбине — это пар, в газовой — газ, в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха.

Этот газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя. Под нагревателем подразумевается не какое-то специальное механическое устройство, как можно подумать. Нагреватель в схеме теплового двигателя — это горящее топливо.

Газ нагревается и расширяется. Так он совершает работу $A_п$, используя свою внутреннюю энергию.

Но важно понимать, что часть этой внутренней энергии $Q_2$ не совершает какую-то полезную для нас работу. Она передается вместе с отработанным паром или выхлопными газами атмосфере — холодильнику. 

В качестве холодильника может использоваться резервуар с водой. Отработавший пар будет в таком случае приносить дополнительную пользу — нагревать воду для ее дальнейшего использования. Но этот процесс уже требует отдельного рассмотрения. 

{"questions":[{"content":"Из каких частей состоит тепловой двигатель?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["холодильник","нагреватель","рабочее тело","поршень","цилиндр","отработанный газ"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Итак, нас интересует именно та часть энергии топлива, выделяемая при его сгорании, которая превращается в полезную работу. От величины этой части энергии зависит экономичность двигателя.

Для этой характеристики мы вводим новое понятие — коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

КПД теплового двигателя также как и КПД простейших механизмов, изученных вами в прошлом курсе, обозначается греческой буквой “эта” — $\eta$ и выражается в процентах.

Формула для расчета КПД теплового двигателя имеет следующий вид:

$\eta = \frac{A_п}{Q_1}$,

или

$\eta = \frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} \cdot 100 \%$,

где $A_п$ — полезная работа,
$Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя,
$Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику,
$Q_1 — Q_2 = A_п$ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Например, при сгорании топлива выделяется определенное количество энергии. Одна пятая этой энергии пошла на совершение полезной работы. Это означает, что КПД двигателя равен $\frac{1}{5}$ или $20 \%$.

{"questions":[{"content":"Одна четвертая часть энергии, которая выделилась при сгорании топлива, пошла на совершение работы. Чему равен КПД этой тепловой машины?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$\\frac{1}{4}$","$25 \\%$","$\\frac{1}{4} \\%$","$40 \\%$"],"explanations":["","Чтобы преобразовать дробь в проценты, нужно разделить числить на знаменатель и умножить на 100 %.","",""],"answer":[0,1]}}}]}

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

ДвигательКПД, %
Паровой двигатель8
Двигатель внутреннего сгорания18 — 40
Газовая турбина25 — 30
Паровая турбина40
Дизельный двигатель40 — 44
Реактивный двигатель на жидком топливе47
Таблица 1.7 \space Дж} = 0.25$.

Или в процентах: $\eta = 25 \%$.

Ответ: $\eta = 25 \%$.

КПД дизельного двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) является величиной, которая в процентном отношении выражает эффективность того или иного механизма (двигателя, системы) касательно преобразования полученной энергии в полезную работу.

Что касается двигателя внутреннего сгорания (ДВС), такой силовой агрегат осуществляет преобразование тепловой энергии. Данная высвобождающаяся энергия является результатом сгорания топлива в цилиндрах двигателя. КПД мотора представляет собой фактически совершенную механическую работу, которая состоит в соотношении полученной поршнем энергии от сгорания топлива и конечной мощности, которая отдается установкой на коленчатом валу ДВС.

Содержание статьи

Почему КПД дизеля выше

Показатель КПД для различных двигателей может сильно отличаться и зависит от ряда факторов. Бензиновые моторы имеют относительно низкий КПД благодаря большому количеству механических и тепловых потерь, которые возникают в процессе работы силового агрегата данного типа.

Вторым фактором выступает трение, возникающее при взаимодействии сопряженных деталей. Большую часть расхода полезной энергии составляет приведение в движение поршней двигателя, а также вращение деталей внутри мотора, которые конструктивно закреплены на подшипниках. Около 60% энергии сгорания бензина расходуется только на обеспечение работы этих узлов.

Дополнительные потери вызывает работа других механизмов, систем и навесного оборудования. Также учитывается процент потерь на сопротивление в момент впуска очередного заряда топлива и воздуха, а далее выпуска отработавших газов из цилиндра ДВС.

Если сравнить дизельную установку и мотор на бензине, дизельный двигатель имеет заметно больший КПД сравнительно с бензиновым агрегатом. Силовые агрегаты на бензине имеют КПД на отметке около 25-30% от общего количества полученной энергии.

Другими словами, из потраченных на работу двигателя 10 литров бензина только 3 литра израсходованы на выполнение полезной работы. Остальная энергия от сгорания топлива разошлась на потери.

Что касается КПД атмосферного дизельного агрегата, то этот показатель составляет около 40%. Установка турбокомпрессора позволяет увеличить отметку до внушительных 50%. Использование современных систем топливного впрыска на дизельных ДВС в сочетании с турбиной позволило добиться КПД около 55%.

Такая разница в производительности конструктивно схожих бензиновых и дизельных ДВС напрямую связана с видом топлива, принципом образования рабочей топливно-воздушной смеси и последующей реализацией воспламенения заряда. Бензиновые агрегаты более оборотистые по сравнению с дизельными, но большие потери связаны с расходами полезной энергии на тепло. Получается, энергия бензина менее эффективно превращается в полноценную механическую работу, а большая доля попросту рассеивается системой охлаждения в атмосферу.

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.

Солярка образует больше тепла по сравнению с бензином, температура сгорания дизтоплива выше, показатель детонационной стойкости более высокий. Получается, у дизельного ДВС произведённая полезная работа на определенном количестве топлива больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

Дизельное топливо состоит из более тяжелых углеводородов, чем бензин. Меньший КПД бензиновой установки сравнительно с дизелем также заключаются в энергетической составляющей бензина и особенности его сгорания. Полное сгорание равного количества солярки и бензина даст больше тепла именно в первом случае. Тепло в дизельном ДВС более полноценно преобразуется в полезную механическую энергию. Получается, при сжигании одинакового количества топлива за единицу времени именно дизель выполнит больше работы.

Также стоит учитывать особенности впрыска и создание надлежащих условий для полноценного сгорания смеси. В дизель топливо подается отдельно от воздуха, впрыскивается не во впускной коллектор, а напрямую в цилиндр в самом конце такта сжатия. Результатом  становится более высокая температура и максимально полноценное сгорание порции рабочей топливно-воздушной смеси.

Итоги

Конструкторы постоянно стремятся повысить КПД как дизельного, так и бензинового двигателя. Увеличение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, активное применение систем изменения фаз газораспределения, электронное управление топливным впрыском, дроссельной заслонкой и другие решения позволяют существенно повысить коэффициент полезного действия. В большей мере это касается дизельного двигателя.

Благодаря таким особенностям современный дизель способен  полностью сжечь насыщенную углеводородами порцию дизтоплива в цилиндре и выдать большой показатель крутящего момента на низких оборотах. Низкие обороты означают меньшие потери на трение и возникающее в результате трения сопротивление. По этой причине дизельный мотор сегодня является одним из наиболее производительных и экономичных типов ДВС, КПД которого зачастую превышает отметку в 50%.

 

Читайте также

(PDF) Расчет КПД двигателя по общему уравнению цикла

Расчет КПД двигателя по общему уравнению цикла

Эрнест Роджерс • 4 мая 2020 г.

Введение

условия газа; последний шаг

возвращает газ в исходное состояние. Общий цикл будет описан в терминах обратимых изменений

идеального газа. Большинство тепловых двигателей можно анализировать с помощью такого «идеального» цикла.Включены только основные

шаги — например, при представлении четырехтактного двигателя два такта

замены газа будут игнорироваться.

Общий цикл имеет такое название, потому что он может представлять наиболее часто используемые

двигатели внутреннего сгорания, такие как карбюраторные бензиновые двигатели, двигатели Аткинсона, дизели и даже

газотурбинные двигатели. Предполагая, что свойства газа — удельная теплоемкость и отношение удельных теплоемкостей — являются константами

, можно получить очень простую формулу для КПД тепловой машины.Эта простая формула

чрезвычайно точна при прогнозировании эффективности реальных двигателей, когда 1,35 используется для «постоянного» значения коэффициента удельной теплоты

и разумно применяется коэффициент потерь энергии. (Анализ приводит к

формуле для обратимого цикла без потерь тепла и трения.)

Можно спросить, зачем нужна эта формула КПД? Ответ заключается в том, что это учебное пособие

, которое показывает нам, как разрабатывать более эффективные двигатели.

Описание цикла

Этапы цикла показаны на диаграмме P–V ниже. Цикл состоит из следующих шагов:

I. Начиная с точки 1 газ адиабатически (без передачи тепла) сжимается от V1 до V2. Коэффициент сжатия

равен RC = V1/V2. Давление увеличивается от P1 до P2.

Работа сжатия от 1 до 2, W12, отрицательна.

II. Первый ввод тепла (топлива) Q1 повышает давление с P2 до P3 при постоянном объеме.Этот P3 является

максимальным давлением. Работа не совершается и V3 = V2.

III. Второй подвод тепла Q2 добавляется при постоянном давлении, когда поршень начинает двигаться наружу от

V3 к V4. (Топливо начало гореть в точке 2, а полностью горит в точке 4.) Суммарная подводимая теплота

равна QIN = Q1 + Q2. Работа с 3 по 4 — W34.

IV. Газ расширяется адиабатически из точки 4 в точку 5. Рабочий ход заканчивается в точке 5. Степень расширения

RE = V5/V2 превышает степень сжатия в раз A = V5/V1.А — коэффициент Аткинсона

. Работа на этом шаге, с 4 по 5, W45.

В. Тепло отводится при постоянном объеме. Давление уменьшается от P5 до P1, начального давления.

VI. Газ сжимается, а тепло отводится при постоянном давлении. Объем уменьшается с V5

до V1, начального объема, и температура возвращается к начальной температуре T1. Работа

от 6 до 1, W61, отрицательна.

Цикл завершен.Общее количество тепла, отводимого на этапах V и VI, представляет собой отведенное тепло QOUT. Всего

работы, доступной в цикле, равно W = W12+W34+W45+W61. В идеальном цикле W = QIN — QOUT. В реальном двигателе

процесс немного отличается от этого идеального цикла — шаги не будут четко определены.

Ожидается, что настоящий двигатель будет иметь клапаны; например: клапаны открываются в точке 5 для удаления выхлопных газов.

Входит свежий заряд воздуха, и поршень возвращается в исходную точку 1.Затем клапаны закрываются и

начинается новый цикл. Открытие клапанов в части цикла может привести к потере работы, так как работа против

атмосферы.

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания – x-engineer.org

Содержание

Определение

Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношения воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем получить в камеру сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.

Поскольку воздух имеет массу, он обладает инерцией. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка действуют как ограничители потока воздуха в цилиндры. Объемным КПД мы измеряем способность двигателя заполнить доступный геометрический объем двигателя воздухом. Его можно рассматривать как отношение объема воздуха, всасываемого в цилиндр (реального), к геометрическому объему цилиндра (теоретического).

Вернуться назад

Формула

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунным механизмом.Строго говоря, общий объем двигателя V t 3 ] вычисляется как функция общего числа цилиндров n c [-] и объема одного цилиндра V цил 3 ] .

Полный объем цилиндра равен сумме рабочего (рабочего) объема V d 3 ] и рабочего объема V c 3 ] .

Объем зазора очень мал по сравнению с рабочим объемом (напр.г. соотношение 1:12), поэтому при расчете объемного КПД двигателя им можно пренебречь.

Изображение: Основные параметры геометрии поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания

где:

IV – впускной клапан
EV – выпускной клапан
ВМТ – верхняя мертвая точка
НМТ – нижняя мертвая точка
B – отверстие цилиндра
S – поршень ход
r – длина шатуна
a – радиус кривошипа (смещение)
x – расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ – угол поворота коленчатого вала
Vd – рабочий объем
Vc – объем зазора

объемный КПД η v [-] определяется как отношение фактического (измеренного) объема всасываемого воздуха V a 3 ] всасываемого в цилиндр/двигатель к теоретическому объему двигатель/цилиндр V d [m 3 ], во время цикла впуска двигателя.

Объемный КПД можно также рассматривать как КПД двигателя внутреннего сгорания для заполнения цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.

В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно мало (соотношение 1:14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.

Фактический объем всасываемого воздуха можно рассчитать как функцию массы воздуха м a [кг] и плотности воздуха ρ a [кг/м 3 ] :

Замена (4) в (3) ) дает объемный КПД, равный:

η v = m a / (ρ a · V d )

(5)

Обычно на динамометре массового расхода всасываемого воздуха измеряют измеряется [кг/с] вместо массы воздуха [кг] .Следовательно, нам нужно использовать массового расхода воздуха для расчета объемной эффективности.

M AF = (M A · N E ) / N R

(6)

, где:

N E [ROT / S] — Скорость двигателя
n r [-] – число оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для 4-тактного двигателя n r = 2 )

Из уравнения (6) можно записать массу всасываемого воздуха в виде:

m a = (m af · n r ) / N e

(7)

Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный: = (m af · n r ) / (ρ a · V d · N e )

(8)

максимальный объем

1

300 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать в двигатель весь теоретический объем воздуха. Существуют особые случаи, когда двигатель специально рассчитан на одну рабочую точку, для которой объемный КПД может быть несколько выше 100 %.

Если давление воздуха на впуске p a [Па] и температура T a [K] измеряются во впускном коллекторе, плотность воздуха на впуске можно рассчитать как:

ρ a = P A / (R A · T A )

(9)

(9)

, где:

ρ A ρ A [KG / M 3 ] — Набор плотности воздуха
P a [Па] – давление воздуха на впуске
T a [K] – температура воздуха на впуске
R a [Дж/кгK] – газовая постоянная для сухого воздуха (равна 286.9 Дж/кгK )

Назад

Пример

Рассмотрим двигатель с воспламенением от сжатия (дизель) со следующими параметрами: = 1,5 бар
T a = 40 °C
R a = 286,9 Дж/кгK
N e = 1000 об/мин
м af = 0,0375 кг/с

.

объемный КПД .

Шаг 1 .Рассчитайте плотность воздуха на впуске , используя уравнение (9). Убедитесь, что все единицы измерения совпадают.

ρ a = (1,5 · 10 5 ) / (286,9 · 313,15) = 1,67 кг/м 3

°C от 90 106 до 90 101 K 90 106 .

Шаг 2 . Рассчитайте объемный КПД двигателя, используя уравнение (8).

η v = (0.0375 · 2) / (1,67 · 3,8 · 10 -3 · 16,667) = 0,70 = 70,91 %

Объем двигателя был преобразован из л в м 3 в 109 об/мин. об/с .

Изображение: Функция объемного КПД от давления всасываемого воздуха и частоты вращения двигателя

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:

  • геометрия впускного коллектора
  • давление всасываемого воздуха
  • всасываемый воздух температура
  • массовый расход всасываемого воздуха (который зависит от частоты вращения двигателя)

Обычно двигатели рассчитаны на максимальную объемную эффективность при средних/высоких оборотах двигателя и нагрузке.

Вы также можете проверить свои результаты, используя калькулятор объемной эффективности ниже.

Вернуться назад

Калькулятор

Для любых вопросов или замечаний относительно этого урока, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться!

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Экономика и энергетика
II год — № 7
Март/Апрель/1998

Главный Страница
Эффективность двигателя внутреннего сгорания
Продажи и парк автомобилей Otto в Бразилии
Энергия Основные показатели отрасли в 1997 г.
Как Повышение производительности капитала

Графический выпуск:
MAK
Editorao Eletrnic
a
[email protected]
Пересмотрено:
Пятница, 22 апреля 2005 г.

http://ecen.com

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Омар Кампос Феррейра
[email protected] ecen .com
Английская версия:
Фрида Эйдельман
[email protected]

 

ВВЕДЕНИЕ

Двигатели внутреннего сгорания были разработаны параллельно passu с технологией добычи и переработки нефти.Важность пара двигатель-бензин в мировом экономическом развитии в ХХ веке и рост экологических проблем, присущих его использованию, вызывает беспокойство о том, как долго он прослужит. Основные вопросы: а) каковы перспективы поставок нефти? б) до чего можно ли повысить КПД двигателя? в) как преимущества внутреннего двигатели внутреннего сгорания и недостатки высокого уровня выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и углекислый газ мириться?

О поставках нефти, e&e представила сводку самых последних прогнозов, которые сходятся к 220 миллиардам тонн в качестве наилучшей оценки «обычные» первоначальные запасы нефти, половина которых извлечена и используется.Существует также согласие между специализированными организациями по вопросу о развитие будущей разведки: до 2050 года добыча должна быть снижена до 20% от нынешнего. Поскольку КПД в настоящее время составляет 32%, очевидно, что в дальнейшем разработка двигателей не сможет компенсировать падение добычи нефти, даже если рассматриваемый предел был бы установлен Принципом энергии Сохранение. Таким образом, как с экономической, так и с экологической точки зрения двигатель КПД имеет фундаментальное значение, поскольку при данном потреблении энергии для вождения большее Эффективность подразумевает меньший расход топлива и меньший выброс загрязняющих веществ.

ЭМПИРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭВОЛЮЦИИ КПД ДВИГАТЕЛЯ

Мы предлагаем оценку, в которой используется та же методология. мы использовали для оценки запасов нефти, что имеет то преимущество, что дает последовательную Лечение обоих вопросов. Нас вдохновила статья профессора Исраэля Варгаса ( «Бразильский энергетический сценарий и обзор окружающей среды», CBPF-CS-003/92) и использовали один и тот же источник данных («Энергия и мощность», Чонси Старр, Научный Американец, том 225, 3, 1971),

график, описывающий эволюцию конверсии эффективность использования энергии.Так как в статье также представлены данные относительно конверсии к электроэнергии, мы предполагаем, что автор имеет в виду, в первом случае, внутренние двигатель внутреннего сгорания, поскольку паровые турбины в настоящее время используются почти исключительно в термоэлектрических растения. Существуют и другие способы прогнозирования эффективности, например, исследование эволюции материаловедения, но более сложные, потому что не учитывают всех факторы, обусловливающие эволюцию, такие как стоимость, удельная мощность, доступность соответствующие виды топлива и т. д.График охватывает период с 1880 по 2000 год со значениями экстраполированы с 1960 г., но мы использовали данные только этого века, в которых внутренние двигатели внутреннего сгорания эффективно проникли на рынок, а паровые турбины были ограничены электростанции.

Мы также понимаем, что данные отражают среднее КПД всех двигателей, не отличая дизель от двигателей Отто. В период Учитывая, что турбины все еще имели небольшое присутствие в промышленности.Используемая методика – это логистическая проекция, уже представленная в e&e («Футурология: Игра с Логистическая функция», Омар Кампос Феррейра / 1996), основные уравнения:

1 — Уравнение Вольтерра-Лотки

2 — выведено из 1

   3 — преобразовано из 2

Первым шагом для определения эффективности как функции времени является проверить, разумно ли адаптируется логистическая функция к экспериментальным данным.В настоящее время случае исходная графика уже предлагает логистическую форму, но для того, чтобы иметь надежной проекции необходимо оценить константы уравнения (2). Большинство Естественным способом является определение сначала предельного значения КПД и константы (a) уравнения (1) путем корректировки расчетного коэффициента эволюции эффективности, как функции эффективности, к параболе (эта настройка более чувствительна к отклонения, чем у логарифмической функции, которая их ослабляет) Расчет эволюция эффективности производится на основе наблюдаемых значений.Для каждого временного интервала существует отношение, соответствующее средней точке интервала, чтобы уравнивание по методу наименьших квадратов. Как только константы получены, можно использовать уравнение (3) для экстраполяции. Наблюденные и расчетные данные приведены в следующую таблицу.

Таблица 1

Год 1902 1907 1912 1918 1923 1929 1935 1947 1958 1967 1975
ч 4,0 5,0 7,0 10,0 20,0 28,0
ч 0,10 0,18 0,25 0,43 0,47
h регулировка * 0,15 0,19 0,25 0,38 0,49
F** -2,56 -2,32 -1,94 -1,52 -0,58 0,007
h регулировка 4,0 5,5 7,0 10,0 20,0 28,1
* h регулировка. . — скорректированное значение темпа роста эффективности.
** F=

Скорректированная функция показана на графиках 1 и 2. значения КПД имеют большие относительные отклонения, парабола плохо подстраивается к этим значениям. Для устранения этого неудобства можно повторить процедуру, но имеем не сделал этого, потому что интересующим параметром является предельная эффективность, скорректированная значение параболы составляет 56%.

График 1
Скорость изменения эффективности двигателей цикла Отто, наблюдаемая и скорректированные значения.

График 2
Эволюция эффективности во времени, наблюдаемые и скорректированные значения
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОЦЕНКИ

Найденное значение предельной эффективности согласовано с другими данными. Если мы рассмотрим один цикл Карно между адиабатическим горением температура бензина (2300 К) и допустимая рабочая температура стали (925 К), ожидаемая эффективность составит 59%. Наивысшая эффективность уже достигнута в морской Дизельный двигатель мощностью 90 000 л.с. составляет 52%.В двигателях с циклом Отто, использующих бензин C (с безводный спирт), он достигает 32%, а те, которые используют гидратированный спирт, достигают 38%. с другой стороны, если мы рассматриваем эффективность как исключительную функцию степени сжатия, гидратированный спиртовой двигатель при степени сжатия 12 л должен достигать 52,5%. Следовательно, можно заметить, что еще есть значительный запас для развития двигателя, не достаточно, чтобы компенсировать падение добычи нефти, но все же существенно условия экономии топлива и снижения выбросов CO 2 и загрязняющих веществ в атмосферу ( CO, HC, Nox, альдегиды и т.д.) Возможность использования тройной бензиновой смеси — спирт-вода, уже продемонстрированная в предварительных опытах, позволит соединить бензин и спирт в качестве переходного топлива для будущих решений (включая гидратированный сам спирт), сочетающий теплотворные свойства первого с антидетонационной свойства спирта и воды. Вероятно, развитие внутреннего двигатель внутреннего сгорания будет ориентироваться на более точный анализ соответствующих термодинамические циклы.Сравнение ожидаемого КПД двигателя цикла Отто, рассчитанного как исключительная функция степени сжатия с эффективностью, измеряемой в двигателях используя настоящую технологию, можно заметить большую разницу, демонстрирующую неадекватность модели, используемой при анализе цикла, основанного исключительно на энергетическом Принцип сохранения. Возможное уточнение, на первый взгляд, связано с учитывая необратимость реальных превращений топливной смеси ( Второй закон термодинамики).

К числу причин потери доступности топливной энергии относятся: теплообмен при конечном перепаде температур и турбулентном течении в дроссельная секция (клапан управления потоком воздуха или дроссельная заслонка, впускной и выпускной клапан). Поступление воды в двигатель и ее испарение во впуске коллектор, где давление меньше атмосферного, охлаждает смесь что позволяет уменьшить отвод тепла и, следовательно, необратимость, связанную с с внешним охлаждением.

Можно заметить, что проведенный анализ позволяет увидеть скачки в развитии техники, как это наблюдалось в сороковых годах, с введение тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора, что позволило повысить степень сжатия от 5:1, допускаемая бензином без присадок, до 7:1. Полученные результаты путем смешивания безводного спирта с бензином в Бразилии показывают, что антидетонационные свойства эффект правильнее отнести к этильному радикалу, чем к свинцу.

Этот пример анализа служит для подтверждая общепринятую гипотезу о том, что технологическое развитие следует за логистический закон, так как в этом случае мы имеем количественный параметр состояния технология, которая является тепловым КПД двигателя.

 

 

Усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания

Усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания

Кристофер Голденстайн


9 декабря 2011 г.

Представлено в качестве курсовой для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2011 г.

Введение

В 2009 году транспортный сектор США потребляется 13.3 миллиона баррелей нефти (558,6 миллиона галлонов) каждый день. Это эквивалентно потреблению почти 1 миллиона галлонов нефти каждый день. 2,5 минуты и составляет 70% от общего объема нефти, потребляемой США. [1] С национальными целями по сокращению выбросов парниковых газов и зависимости на зарубежной нефти очевидно, что повышение эффективности двигатели внутреннего сгорания, используемые в транспортной отрасли, является целью первостепенное значение. В этой статье мы сосредоточимся на фундаментальной проблеме ограничение эффективности таких двигателей и обсуждение потенциальное повышение эффективности Воспламенение от сжатия гомогенного заряда (HCCI) двигатели и импульсно-детонационные двигатели (ИДД) могут привести к транспортная отрасль.

Проблема эффективности

Пункт критики в отношении двигателей внутреннего сгорания, в том, что они неэффективны. Например, усовершенствованное внутреннее сгорание. двигатели, используемые в современных автомобилях, имеют максимальную тепловую эффективность около 35-40% для бензина и 40-45% для дизельного топлива. Массивный морской дизель двигатели способны к тепловому КПД более 60%, однако эти двигатели исключительны в этом отношении. При этом большинство людей удивляюсь, почему инженеры не могут разработать гораздо более эффективные двигатели.

Проблема в том, что 2-й закон термодинамика ограничивает КПД всех двигателей внутреннего сгорания. В 1824 г. Сади Карно показал, что наиболее эффективным циклом тепловой машины является тот, который не генерирует энтропию. Самый простой и, пожалуй, самый сбивающее с толку определение энтропии состоит в том, что это метрика для количественной оценки хаос системы, определяемый постоянной Больцмана, умноженной на натуральный логарифм кратности системы. Для макроскопических систем это правильнее думать об энтропии как о термодинамической величине, описывает энергию, необходимую для организации изолированного, не реагирующего систему частиц в равновесное состояние.В результате любой процесс, генерирующий энтропию, уменьшает количество энергии, которое может быть извлекаются из системы как полезная работа. Карно показал, что максимум КПД такой тепловой машины:

n th = 1 — T C /T H

где n th — тепловой КПД, T C – температура холодного резервуара, а T H — температура горячего резервуара.С типичными двигателями внутреннего сгорания работая между 1750°K и 298°K, это уравнение утверждает, что максимальный КПД для такого двигателя составляет 83%. Внезапно морской дизели с КПД 60% выглядят неплохо.

Предел эффективности Карно представляет собой святой Грааль конструкции двигателя, и это никогда не будет достигнуто на практике, потому что все двигатели внутреннего сгорания генерируют энтропию за счет трения, химического смешения, тепла перенос через конечные градиенты температуры, а процесс горения себя, чтобы назвать лишь несколько механизмов.При этом цель каждого разработчик двигателя должен разработать двигатель, который минимизирует энтропию поколение.

Двигатели, которые борются со 2-м законом

Многие различные циклы двигателя пытаются уменьшить Генерация энтропии была предложена, однако в этой статье основное внимание уделяется два, которые недавно привлекли внимание в академических кругах и промышленности: HCCI двигатели и ПДЭ.

HCCI

Двигатели

HCCI представляют собой привлекательный тип внутреннего двигатель внутреннего сгорания, которые предлагают потенциал для повышения эффективности и уменьшенные выбросы.В этом устройстве топливо и воздух смешиваются при входе в цилиндр и сжимается до тех пор, пока не произойдет самовоспламенение. сжигание HCCI происходит практически мгновенно, так как ограничено химической кинетикой и не распространение фронта пламени или смешение топлива с воздухом, как в случае с искрой с воспламенением (SI) и дизельные двигатели соответственно. В результате двигатели HCCI обычно механически ограничены очень обедненными смесями (низкие нагрузки) для уменьшить тяжесть быстрого и сильного воспламенения.[2]

Поскольку вся смесь воспламеняется почти одновременно, Двигатели HCCI не ограничены разрушительной детонацией двигателя и могут поэтому работайте с такими же степенями сжатия, как у дизельного топлива (CR > 15). [2] Это значительное улучшение конструкции по сравнению с обычными двигателями SI. потому что КПД двигателя увеличивается с увеличением степени сжатия. Например, тепловой КПД идеального цикла Отто улучшается с 47% до 56% при повышении степени сжатия с 8 до 15.В Кроме того, при работе на обедненной смеси рабочая жидкость в двигателях HCCI имеет более высокий коэффициент удельной теплоемкости, что также приводит к большему тепловому эффективность. Наконец, двигатели HCCI не дросселируют впускную смесь и таким образом, не платите штраф за дросселирование.

ПДЭ

PDE предлагают потенциал в качестве более эффективного двигателя двигатель для самолета. ПДЭ обычно состоят из детонационной трубы, играющей роль камера сгорания, соединенная с каким-либо рабочим устройством для извлечения (т.е.г. сопло или турбина). Для инициирования используется искровая система зажигания. пламя, которое распространяется по трубе до тех пор, пока не произойдет дефлаграция. детонационный переход (ДДТ), при котором возникает сверхзвуковая детонационная волна пересекает оставшуюся часть трубы, ударно нагревая и сжимая остаточная топливно-воздушная смесь. В результате большая часть топлива сгорел за детонационной волной при повышенной температуре воспламенения и давление. Затем газы сгорания с высокой температурой и давлением расширяется для создания тяги.

Из анализа идеального цикла, предполагающего калорийность совершенные идеальные газы Рой и др. показал, что воздух-этилен цикл детонации имел тепловой КПД 45,2% по сравнению с 43,5% и 31,5% для цикла Хамфи и Брайтона с одинаковой степенью сжатия. [3] Этот анализ показывает, что цикл PDE может быть на 43% больше. эффективнее, чем цикл Брайтона, который представляет собой упрощенный цикл газовой турбины. модель. Критики PDE задаются вопросом, повышается ли эффективность предложенные этим элементарным анализом, реализуемы, однако исследователи продолжают изучать эти двигатели.

Выводы

Короче говоря, значительный акцент был сделан на разработка двигателей внутреннего сгорания с улучшенным КПД которые потребляют обычное углеводородное топливо. Эти двигатели пытаются свести к минимуму термодинамически необратимые потери, двигателей внутреннего сгорания на протяжении десятилетий. Однако, несмотря на то, что эти двигатели потенциал для повышения эффективности, они чрезвычайно сложны. Приведенный здесь анализ сильно упрощен и полезен только для понимание первых принципов.Нюансы, регулирующие процессы зажигания в обоих этих двигателях недостаточно изучены и освоение разработки этих двигателей потребует достижений в современное понимание материаловедения, турбулентность, квантовая химия и оптическая диагностика, используемые для изучения этих двигателей.

© 2011 Кристофер Голденстайн. Автор разрешает копировать, распространять и отображать эту работу в неизмененном виде. форме, со ссылкой на автора, только для некоммерческих целей.Все остальные права, включая коммерческие права, сохраняются за автор.

Каталожные номера

[1] «Транспорт Статистический годовой отчет за 2010 г., Министерство транспорта США, 2011.

[2] F. Zhao et al. , ред., Однородный заряд Двигатели с воспламенением от сжатия (HCCI) , (Soc. Automotive Engineers Инк., 2003).

[3] G.D. Roy et al. , «Импульсный взрыв» Движение: вызовы, текущее состояние и перспективы на будущее», прог.наук о горении энергии. 30 , 545 (2004).

Тепловой КПД двигателей от EPI, Inc.

И насколько эффективно это происходит?

ПРИМЕЧАНИЕ. Все наши продукты, конструкции и услуги являются УСТОЙЧИВЫМИ, ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗГЛЮТЕНОВЫМИ, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не будут расстраивать чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА или тонкие ЧУВСТВА

«Двигатель внутреннего сгорания» представляет собой устройство, которое преобразует химическую энергию, запасенную в топливе, в тепловую энергию, а затем преобразует часть этой тепловой энергии в механическую работу.Любой двигатель внутреннего сгорания можно эффективно визуализировать с помощью так называемой модели «черного ящика». («Черный ящик» — это разговорное название концептуальной сущности, которая имеет известные входы и выходы и выполняет определенную функцию, но чье внутреннее устройство и функционирование неизвестны.)

Ниже приведен эскиз «черного ящика», который представляет собой двигатель внутреннего сгорания.

Эскиз говорит сам за себя. Воздух и топливо идут в коробку. Что-то происходит внутри. Мощность вала выходит вместе с эклектичной смесью отработанных газов, которые содержат как тепло, так и скорость.(Акустическая энергия и другие небольшие потери здесь для простоты не учитываются.)

Эта модель одинаково хорошо подходит как для поршневых, так и для газотурбинных двигателей. В случае с турбиной скорость потока выхлопных газов относительно больше, и может быть или не быть извлеченной мощности на внешнем валу (турбовал против турбореактивного двигателя). Как в газотурбинных, так и в поршневых двигателях выходные газы включают нагретый воздух (из теплообменников и воздух, не потребляемый при сгорании) и очень горячие газы, являющиеся продуктами сгорания.

Конфигурация выхода определяет температуру, давление и скорость выходящего потока. В некоторых случаях выходящий поток представляет собой смесь обоих компонентов (охлаждающих и выхлопных газов) и может использоваться для создания тяги.

Источником энергии для двигателя является химическая энергия, запасенная в топливе. Эта энергия высвобождается при окислении топлива (сгорании) окислительной средой, которой в большинстве случаев является кислород, составляющий около 20,95% (по объему) воздуха, которым мы дышим.Вариации на эту тему включают использование окисляющих присадок (например, закиси азота) и высокоэнергетических топлив, которые содержат значительное количество окислителя в своем составе (например, нитрометан).

Для этого объяснения предположим, что мы обсуждаем поршневой двигатель, работающий на бензине в качестве топлива. (Этот анализ применим к бензину, метанолу, дизельному топливу, топливу для реактивных двигателей, китовому жиру и т. д. Каждое топливо имеет свой собственный вес и энергоемкость.)

Бензин

, согласно паспортам Pratt & Whitney Aircraft, имеет удельный вес 0.71 и, следовательно, весит около 5,92 фунта на галлон, и высвобождает примерно 19 000 БТЕ энергии на фунт сожженного топлива, что известно как низшая теплотворная способность.

Что такое БТЕ? « Британская тепловая единица » определяется как тепловая энергия, необходимая для повышения температуры одного фунта чистой воды на один градус по Фаренгейту, и эквивалентна 778 футо-фунтам работы/энергии. Арифметически можно показать, что одна лошадиная сила (33 000 ft-lbs в минуту) эквивалентна 42.4 БТЕ в минуту или 2545 БТЕ в час, рассчитывается следующим образом:

33 000 ft-lb/min ÷ 778 ft-lb/BTU = 42,4165 BTU/минута

42,4165 BTU/минута × 60 минут/час = 2544,98 BTU/час

Чем это полезно? Вот пример. Мы протестировали достаточно хороший 4-тактный поршневой двигатель, который преобразует примерно 24 галлона бензина в час (142 фунта топлива в час) в 300 измеренных лошадиных сил.

Итак, какую часть общей энергии топлива этот двигатель преобразует в лошадиные силы? Если вы сожжете 24 галлона бензина (142 фунта) в течение одного часа, вы высвободите 2 699 520 БТЕ энергии (19 000 x 142).Если вы разделите 2 699 520 БТЕ на 2545 (количество БТЕ в час в одном л.с.), вы, к своему удивлению, обнаружите, что это 1061 л.с. Но двигатель выдает всего 300 л.с. Куда уходит вся остальная энергия?

Известно, что поршневой двигатель довольно неэффективно преобразует энергию топлива в мощность. Эмпирическое правило приближение заключается в том, что почти 1/3 энергии топлива уходит в выхлопную трубу в виде потерь тепла, примерно 1/3 энергии топлива теряется в системе охлаждения (охлаждающая жидкость, масло и окружающий воздушный поток), оставляя примерно 1/3 энергии (в лучшем случае), доступной для выходной мощности.Часть этой мощности теряется на движение поршней вверх и вниз, приводные механизмы (масляный насос, насос охлаждающей жидкости, генератор переменного тока, вакуумный насос, гидравлический насос и т. д.), потери на прокачку воздуха через двигатель, прогонку масла в картере. , и трение в различных формах.

Разница между содержанием энергии в потребляемом топливе и полезной мощностью, извлекаемой из двигателя, известна как тепловой КПД (TE). Таким образом, в нашем примере с двигателем мощностью 300 л.с. TE составляет 300 л.с. / 1061 л.с. = 28,3 % (что довольно хорошо по современным стандартам для серийных 4-тактных поршневых двигателей).

Расчет тепловой эффективности (TE):

л.с. = TE x РАСХОД ТОПЛИВА (PPH) x 19 000 (БТЕ на #) / 2545 (БТЕ на л.с. в час)

, что сокращается до:

л.с. = TE x РАСХОД ТОПЛИВА (PPH) x 7,466

решение для ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ:

TE = 0,1339 x л.с. / РАСХОД ТОПЛИВА (PPH)

решение для РАСХОД ТОПЛИВА:

РАСХОД ТОПЛИВА (PPH) = 0,1339 x л.с. / TE

Уравнение 1

Возвращаясь к нашему примеру с 300 л.с., TE = 0,1339 x 300 л.с. / 142 PPH = 0.283 (28,3 %)

(Обратите внимание, что при использовании % в расчетах вы должны разделить процентное число на 100. Таким образом, 28,3 % становится 0,283.)

Если вы предпочитаете галлоны в час, расчет тепловой эффективности:

л.с. = TE x РАСХОД ТОПЛИВА (GPH) x 5,92 (# на галлон) x 19 000 / 2545 (BTU на л.с. в час)

, что сокращается до:

л.с. = TE x РАСХОД ТОПЛИВА (GPH) x 44,2

решение для ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ:

TE = 0,0226 x л.с. / РАСХОД ТОПЛИВА (GPH)

решение для РАСХОД ТОПЛИВА:

РАСХОД ТОПЛИВА (GPH) = 0.0226 х HP/TE

Ценность этого соотношения тепловой эффективности заключается в том, что, принимая разумное значение TE (27% — 29%), вы можете оценить количество топлива, необходимое для производства заданного количества энергии.

Предположим, например, что вам нужно произвести 300 HP. Какой будет требуемый расход топлива при 28,3% TE?

РАСХОД ТОПЛИВА = 0,1339 x 300 л.с. / 0,283    (28,3%), 

или

РАСХОД ТОПЛИВА = 142 PPH или 24 GPH.

 

Удельный расход топлива при торможении (BSFC)

Более широко используемый критерий для выражения тепловой эффективности известен как удельный расход топлива при торможении ( BSFC ).Это просто расход топлива (в фунтах в час), деленный на измеренное количество л.с., и выражается в фунтах в час на л.с.

BSFC = Расход топлива (PPH) ÷ Мощность в лошадиных силах

так

Расход топлива (PPH) = BSFC x Мощность в л.с.

в галлонах в час,

BSFC = 5,92 x Расход топлива (GPH) ÷ Мощность в лошадиных силах

это тоже

Расход топлива (GPH) = BSFC x Мощность в лошадиных силах ÷ 5,92

Уравнение 2

Этот инструмент также является важным критерием для сравнения производительности одного двигателя с другим и для оценки обоснованности утверждений о производительности .

Отличный BSFC для хорошо разработанного 4-тактного безнаддувного высокопроизводительного двигателя с жидкостным охлаждением при 100% мощности находится в районе 0,44–0,45. Заявления о значениях BSFC для бензиновых двигателей менее 0,42 при максимальной мощности вызывают подозрения. При пониженных настройках мощности (в районе 70% и ниже) были достигнуты значения BSFC 0,38, которые станут более распространенным явлением по мере усовершенствования технологии сжигания в стремлении к энергосбережению.

В руководстве по эксплуатации двигателя Lycoming IO-540-K, L или M серии мощностью 300 л.с. указан расход топлива на полной мощности, равный 24 галлонам в час, что соответствует BSFC, равному 0.474 ( 24 * 5,92 ÷ 300 ) и TE 28,3% (объяснено выше). Эти цифры не так уж плохи для двигателя с воздушным охлаждением, который соответствует требованиям FAR по детонации. Однако для TIO-540-V2AD с турбонаддувом требуется МИНИМУМ 39,2 GPH при 350 л.с. для BSFC 0,663 и TE 20,4%.

Итак, если кто-то скажет вам, что он разработал 4-тактный поршневой двигатель, который при максимальной мощности развивает мощность 300 л.4%. Вы должны с большим подозрением относиться к такому заявлению.

Существует много задокументированных примеров хорошо разработанных двигателей, развивающих максимальную мощность при показателях BSFC в диапазоне 0,45–0,48. Если мы используем предполагаемый BSFC в качестве отправной точки, легко рассчитать воздушный поток, который потребуется двигателю для производства указанной мощности.

Мы знаем, что плотность воздуха составляет 0,0765 фунта на кубический фут при стандартных условиях на уровне моря 14,7 фунтов на квадратный дюйм (101,325 кПа) и 59°F (15°C). Мы также знаем, что фунт бензина выделяет около 19 000 БТЕ при сгорании, и что типичное соотношение воздух/топливо для наилучшей мощности составляет 12.6 и 12,9 фунтов/фунт

Таким образом, с учетом этих знаний, если нам нужно оценить расход воздуха, необходимый двигателю для развития заданной мощности, это можно рассчитать с предполагаемым BSFC и максимальной мощностью AFR.

Так, например, если мы оцениваем BSFC в 0,47 фунта/л.с./час и максимальную мощность AFR в 12,6 (вполне разумные цифры), требуемый воздушный поток для 600 л.с. составляет::

Требуемый воздушный поток (фунтов в минуту) = Мощность x BSFC x AFR / 60

или

Требуемый воздушный поток = 600 x 0.47 х 12,6 / 60 = 59,2 фунта в минуту

Преобразование в стандарт CFM,

59,2 фунта/мин ÷ 0,0765 фунта/кубический дюйм = 774 кубических футов в минуту.

Тогда возникает вопрос: как быстро вы хотите запустить двигатель, чтобы создать такой воздушный поток? Ответ на этот вопрос содержится в следующем разделе под названием «Объемная эффективность».

Четыре столпа двигателя внутреннего сгорания Формулы-1: часть 2

В первой части статьи мы рассмотрели первые два столпа двигателя Формулы-1.А именно, крутящий момент и мощность, а также надежность. Если у вас еще не было возможности проверить это, я рекомендую вам посмотреть, нажав здесь: https://thef1clan.com/2020/03/03/the-4-pillars-of-a-formula-one. -двигатель-внутреннего сгорания-деталь-1/

Введение

Как я упомянутый в предыдущей статье, 4 столпа двигателя F1 — это краеугольные камни, на которых построен двигатель. Хотя мы обсуждаем эффективность и сила в Части 2, это не означает, что эти два элемента более или менее важным, чем любой другой элемент.Итак, с учетом сказанного, давайте прыгать в него

Первым элементом, на который мы собираемся обратить внимание, является эффективность. Основное внимание здесь уделяется тому, как инженеры сделали двигатель внутреннего сгорания более эффективным. Поэтому все внимание сосредоточено на ДВС, а не на МГУ-К и МГУ-Н, о которых будет отдельная статья.

Эффективность

Стремление к более эффективному двигателю стало характерной чертой Формулы-1 за последние несколько лет.Растущая потребность в снижении выбросов углерода в сочетании со спортивной целью по сокращению затрат привела к значительным ограничениям, наложенным на производителей двигателей с точки зрения количества топлива, которое двигатель может получать. Это стремление к эффективности привело к созданию одних из самых инновационных технологий, которые мы когда-либо видели в Формуле-1. Однако, к сожалению, эффективность не является самой волнующей темой для широкой публики, поэтому внедренные инновации остались практически незамеченными по сравнению с другими технологическими достижениями в спорте.

Это Важно отметить, что электронные компоненты блока питания были самый большой фактор, который способствовал эффективности, однако, как уже упоминалось, эти будет рассмотрено отдельно в другой статье.

Всю идею КПД двигателя внутреннего сгорания можно обобщить термином, известным как тепловой КПД тормозов. По сути, это означает, насколько хорошо двигатель преобразует тепловую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию. Если мы вернемся к двигателям V10 прошлого, тепловой КПД составлял около 30%, что означает, что только около 3 rd доступной накопленной энергии было преобразовано в реальную полезную работу для движения автомобиля по трассе. .Однако теперь Mercedes сообщил, что они достигли термического КПД выше 50% на динамометрическом стенде, что является огромным шагом вперед. Конечно, эта цифра в 50% не отразится на трассе, поскольку динамометрический стенд работает в оптимальных условиях, но тем не менее даже 10%-ное повышение тепловой эффективности является шагом вперед для спорта.

Чтобы добиться этого, командам пришлось изменить способ сжигания топлива. Если топливо, впрыскиваемое в цилиндр, можно сжечь более чистым образом, то большая часть накопленной энергии может быть преобразована в механическую энергию.Традиционный метод заключался в использовании свечи зажигания в цилиндре, которая воспламеняла топливо в одной точке в нужный момент, вызывая взрыв топлива и движение поршня. Однако этот способ сжигания топлива не самый лучший из-за единой точки воспламенения. Распространение горения должно было бы распространиться из этой единственной точки и воспламенить оставшееся топливо в цилиндре, и хотя это занимает незначительное количество времени, этого небольшого периода достаточно, чтобы оставить некоторое количество топлива и, следовательно, энергию несгоревшей и исчерпанной. заднюю часть машины как отходы.

Есть способы обойти это, но задача производителей двигателей заключалась в том, чтобы лучше сжигать топливо, при этом придерживаясь технических регламентов. Эти правила гласят, что должна быть одна топливная форсунка на цилиндр и одна свеча зажигания, воспламеняющая это топливо.

Камера предварительного зажигания

Это принесло плоды в виде новшества под названием камера предварительного сгорания. Свеча зажигания теперь перемещается вверх, поэтому она больше не выступает в цилиндр, а скорее в небольшую камеру над цилиндром.Затем топливо впрыскивается одной форсункой как в камеру предварительного зажигания, так и в цилиндр. Затем свеча зажигания воспламеняет топливо в камере, а затем это воспламененное топливо проталкивается через форсунки в верхней части цилиндра в виде зонтика, который затем воспламеняет топливо в цилиндре. Этот зонтичный эффект нескольких струй пламени, распространяющихся в верхней части цилиндра, обеспечивает гораздо более чистое горение, а это означает, что сжигается значительно больше топлива и превращается в полезную работу. По сути, это нововведение позволило производителям превратить единственную точку воспламенения в камере предварительного зажигания в несколько точек воспламенения в цилиндре.Затем это позволяет топливу в цилиндре быть гораздо более обедненной смесью, поскольку теперь двигатель может впрыскивать меньше топлива в цилиндр, но по существу сжигать то же количество, используя метод предварительного зажигания. Более бедная топливная смесь, впрыскиваемая в цилиндр, обеспечивает экономию топлива, поскольку теперь для достижения того же результата можно сжечь меньше топлива.

Эта смесь, впрыскиваемая в цилиндр, может варьироваться, что позволяет командам использовать различные режимы мощности, о которых мы так много слышим в Формуле-1.Хотя в принципе это звучит просто, реализовать на практике гораздо сложнее. Только представьте, что одна форсунка должна впрыскивать точное количество топлива не в одну, а в две камеры точно в нужный момент. Тогда свеча зажигания должна воспламениться с учетом возможных задержек от искры до движения воспламененного топлива в цилиндр. Затем топливо выбрасывается из двигателя, и процесс начинается снова. Все это должно происходить при 15 000 об/мин, что означает, что одно действие должно выполняться каждые 4 миллисекунды.

Эта технология, тщательно контролируемая системой ЭБУ автомобиля, помогает производителям двигателей все ближе и ближе приближаться к волшебной цифре 50-процентного теплового КПД тормозов.

Прочность

Характеристика, о которой обычно не говорят, когда речь идет о двигателе Формулы-1, — это его мощность. Прежде чем мы углубимся в это, важно понять, что двигатель болида Формулы-1 является полностью нагруженным элементом автомобиля. Итак, что это значит? По сути это означает, что все нагрузки, которым подвергаются подвеска и шасси, на том или ином этапе передаются через двигатель.Двигатель является одним из трех нагруженных элементов автомобиля. Карбоновый монокок спереди образует первый нагруженный элемент. Сзади находится коробка передач, а посередине — двигатель.

Эти полностью нагруженные элементы образуют шасси болида Формулы-1. Как мы все знаем, в автогонках поддержание жесткости шасси является одним из ключевых элементов производительности. Если шасси может образовывать стабильную и жесткую основу, то это значительно облегчает работу инженеров, поскольку они имеют прочную и, что более важно, предсказуемую основу для проектирования других компонентов подвески автомобиля.Однако, если шасси не является жестким, то оно может действовать как пружина 5 th в автомобиле, поглощая энергию и высвобождая ее в странные моменты, что приводит к очень непредсказуемым характеристикам управляемости автомобиля.

Именно для этого причина, по которой двигатель болида Формулы-1 должен быть чрезвычайно мощным. Как соединительный элемент между передним и задним напряженными элементами необходимо справляться с огромными нагрузками, возложенными на него, при этом будучи чрезвычайно легким и поддержание низкого центра тяжести, чтобы обеспечить автомобилю максимальную возможные преимущества обработки.

Проблема в прошлом заключалась в том, что огромные нагрузки, которые испытывает двигатель на гоночной трассе, могут вызывать так называемую деформацию цилиндра. Это деформация блока цилиндров, которая, как вы понимаете, имеет катастрофические последствия для двигателя. Эти высокопроизводительные двигатели спроектированы с минимальным инженерным запасом, поэтому любой изгиб в блоке может привести к тому, что двигатель выйдет из строя, что приведет к внезапному завершению Гран-при для гонщика.

Итак, как устраняются эти проблемы? К счастью, в современном мире инженерии и моделирования искусство моделирования и прогнозирования деформации материала является высокоразвитой областью знаний.К чему сводится эта наука, так это к прогнозированию, а затем к заданию нагруженных элементов двигателя. Инженеры рассчитывают, как будут передаваться нагрузки от других элементов автомобиля на двигатель. Исходя из этого, они могут затем начать проектировать двигатель, чтобы он был достаточно прочным в этих несущих областях, чтобы максимально уменьшить изгиб.

Однако после того, как этот теоретический проект будет завершен, остается вопрос о производстве двигателей. Теоретическая конструкция основана на известных характеристиках используемых материалов.Однако если эти характеристики не воплотить в жизнь из-за несовершенства материала, то вся конструкция развалится. Поэтому крайне важно, чтобы производственный процесс был тщательным во время изготовления компонентов, чтобы гарантировать, что произведенный компонент в действительности соответствует теоретическим расчетам.

Сердцевина, напечатанная песком

Это достигается с использованием революционного метода литья, известного как «песочная печать». По сути песочная печать — это метод, который позволяет производителям двигателей печатать на 3D-принтере сердцевины пресс-формы, что, в свою очередь, позволяет сложным внутренним компонентам двигатель должен быть отлит в наилучшей степени.После того, как форма установлена, песок затем вытряхивается из двигателя.

После завершения первого этапа печати песчаных стержней пришло время отлить двигатель. Это важная часть производственного процесса, поскольку способ заливки и охлаждения металла оказывает значительное влияние на прочность. Первым элементом, который необходимо учитывать, является скорость, с которой металл заливается в форму. Слишком быстро, и турбулентность вызовет дефекты и, следовательно, слабость в металле.Слишком медленно, и металл будет охлаждаться с разной скоростью, что также приведет к слабости. Другим ключевым элементом является максимальное предотвращение контакта металла с воздухом. Когда алюминий вступает в контакт с воздухом, образуется оксид алюминия, который не срастается с металлом. Этот оксид алюминия может стать причиной слабых мест в блоке, и его количество должно быть сведено к минимуму, насколько это возможно.

Конечный элемент производства заключается в затвердевании металла и последующем формовании кристаллическая структура.Производитель использует методы контроля охлаждение металла путем стратегического размещения проводников или изоляторов вокруг плесень. Это позволяет металлу охлаждаться с правильной скоростью, которая затем образует кристаллические связи в максимально прочном образовании.

После изготовления блоки сканируются на наличие дефектов, а данные импортируются в сложные программные пакеты для завершения окончательного процесса контроля качества.

Этот строгий процесс расчета и производства позволяет производить небольшие, легкие двигатели, которые по-прежнему способны выдерживать огромные нагрузки и напряжения, воздействующие на них как внутри, так и снаружи во время Гран-при.Без этого ключевого элемента автомобиль будет демонстрировать непостоянные и непредсказуемые характеристики управляемости, что неизбежно приведет к более медленному времени прохождения круга.

Закрытие

Вот и все! Четыре столпа двигателя внутреннего сгорания Формулы-1. Хотя некоторые опоры могут быть более захватывающими, чем другие, каждая из них является неотъемлемой частью общего дизайна движка. Это действительно нечто – видеть достижения в области технологий в этой области Формулы-1, а с помощью поддерживающей электроники, которая сейчас вступает в игру, прогресс, который мы увидим в течение следующих нескольких лет, – это то, за чем мы все можем наблюдать с ожиданием и трепетом.

Если вам понравилась эта статья, оставьте комментарий ниже и поделитесь ею с друзьями и другими поклонниками в социальных сетях. Кроме того, не стесняйтесь отправить нам сообщение, если у вас есть что добавить к статье или у вас есть интересные идеи, которые я здесь не упомянул. Как и ранее, я оставил кучу ссылок ниже, если вы хотите пойти и покопаться в двигателе внутреннего сгорания F1 самостоятельно. Кроме этого, я надеюсь, вам понравилось то, что я сказал, и следите за новыми статьями #techanalysis.

Некоторые полезные ссылки :

http://www.formula1-dictionary.net/engine.html

https://www.longdom.org/open-access/analysis-of-torsion-stiffness-of-the-frame-of-a-formula-student-vehicle.pdf

https://matmatch.com/learn/material/cast-wrought-aluminium

соотношение компрессии и термическая эффективность

термическая эффективность для цикла OTTO

в целом, термическая эффективность ,

1 η Th , любого теплого двигателя определяется как соотношение работы делает, W , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q H .

Тепловая эффективность ,

1 η

2 Th , представляет собой долю Тепло , Q

2 H , преобразован на работу . Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота, Q H , должна равняться выполненной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна как отработанное тепло. Q C в окружающую среду.Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД в виде:

Поглощение тепла происходит при сгорании топливно-воздушной смеси, когда возникает искра, примерно при постоянном объеме. Поскольку во время изохорного процесса система не совершает никакой работы, первый закон термодинамики диктует ∆U = ∆Q. Следовательно, тепло, добавленное и отклоненное тепло, добавлено:

Q Add = MC V (T 3 — T 2 )

Q OUT = MC V (T 4 – T 1 )

Подставив эти выражения для подводимого и отводимого тепла в выражение для теплового КПД, получаем:

Мы можем упростить приведенное выше выражение, используя тот факт, что процессы а из 3 → 4 являются адиабатическими, и для адиабатического процесса справедлива следующая формула p,V,T:

Отсюда можно получить, что: 1 /V 2 известна как степень сжатия , CR .Когда мы переписываем выражение для теплового КПД с использованием степени сжатия, мы заключаем, что тепловой КПД по стандартному воздушному циклу Отто является функцией степени сжатия и κ = c p /c в .

Термический КПД для цикла Отто – κ = 1,4

Это очень полезный вывод, поскольку желательно достичь высокой степени сжатия для извлечения большего количества механической энергии из данной массы воздушно-топливной смеси.Более высокая степень сжатия позволяет достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения. Это создает большую выходную механическую мощность и снижает температуру выхлопных газов . Снижение температуры выхлопных газов приводит к снижению энергии, выбрасываемой в атмосферу. Это соотношение показано на рисунке для κ = 1,4, представляющего окружающий воздух.