РазноеКпд двигателя автомобиля: Интервью с Дмитрием Европиным

Кпд двигателя автомобиля: Интервью с Дмитрием Европиным

Содержание

Интервью с Дмитрием Европиным

Высказался в рамках следующего круглого стола:

Эволюция ДВС

«Вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым».

12 марта 2012

Дмитрий Европин

главный редактор MotorPage.ru

В основе всего многообразия сложных механизмов, которыми мы пользуемся сегодня, лежат достижения технической революции конца XIX – начала XX веков. На протяжении всего прошлого столетия изобретения этого периода лишь оттачивались. Совершенствовались технологические процессы, уменьшались допуски, происходила автоматизация, внедрялись второстепенные инновации, направленные на улучшение характеристик той или иной продукции. Это касается и автомобильной промышленности, в особенности в части двигателестроения.

Дело в том, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, ставший чуть менее ста лет назад основой автоиндустрии, имеет целый ряд недостатков, не позволяющих получать высокие показатели его общего КПД.

Так считается, что КПД классического автомобильного бензинового двигателя с принудительным искровым зажиганием составляет от 20 до 30%, дизельный двигатель может обеспечить 35-40%. В первой половине XX века это были выдающиеся характеристики на фоне пресловутого «КПД паровоза», который, как все мы помним из школьного курса физики, составлял 5-10%.

Впрочем, уже тогда инженерам было понятно, что необходимо добиваться лучших показателей, и уже в 1920 – 1940 годы для этого были разработаны практически все основные принципы, как то турбонаддув, прямой впрыск и т.д. К 1970 годам началась настоящая погоня за повышением эффективности, продолжающаяся по сей день. Были разработаны такие элементы как охлаждение рабочей смеси, изменение фаз газораспределения, поэтапный впрыск… Сегодня некоторые автопроизводители утверждают, что в современном бензиновом ДВС удается добиться общего КПД в 35-38%. Однако вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым.

Вся история ДВС – сплошная борьба инженеров с основополагающими особенностями конструкции. Если перечислять их вкратце, то это низкая топливная эффективность за счет слишком короткого цикла сгорания, 25-30% топлива в прямом смысле вылетает в трубу. Низкая механическая эффективность – большие потери на перемещение тяжелых деталей шатунно-поршневой группы, на трение, а так же на работу значительного количества навесного оборудования. Не следует забывать и о том, что в автомобиле ДВС, обладающий очень низким крутящим моментом на малых оборотах, нуждается в коробке передач, а это агрегат, в котором тоже теряется часть полученной энергии. Низкая термодинамическая эффективность – большая часть выделяемого тепла не переводится в полезную работу, ведь на это отведено лишь 0,25 всего цикла. Желающим более подробно ознакомиться с проблемой повышения КПД двигателя внутреннего сгорания могу порекомендовать следующую статью Игоря Исаева, разработчика одной из альтернативных конструкций двигателя.

Как правило, усилия конструкторов приводят к достижению выдающихся результатов в области распределения крутящего момента, повышения мощности и «эластичности» двигателя, снижения вибронагруженности…, но собственно КПД увеличивается не столь существенно, а значит затраты топлива на единицу полученной работы остаются относительно высокими.

Часто приходится сталкиваться с несоответствием реального и декларируемого производителем расхода бензина чуть ли не вдвое. Автомобиль с современными системами турбонаддува оказывается экономичным, только если очень бережно относится к педали газа и лишний раз ее не беспокоить.

Бывает и так, что новая модель автомобиля с двигателем, развивающим 150 л.с., ведет себя словно под капотом на пару десятков «лошадей» меньше, хотя в предыдущем поколении этой же модели ничего подобного не наблюдалось. Объясняется это, как правило, всего лишь новыми экологическими стандартами, ради достижения которых двигатель «душат» перенастройкой блока управления двигателем под использование в основном диапазоне оборотов обедненной смеси, а так же более эффективным каталитическим дожигателем.

Словом, складывается впечатление, что эволюция ДВС достигла своего пика, и в будущем нас ждет лишь увядание этой технологии. В последние годы это ощущение подкрепляется бурным развитием таких направлений, как гибриды и электромобили.

И все же уверенности в скором завершении эпохи ДВС у меня нет!

Не секрет, что параллельно с развитием двигателей Отто и Дизеля были попытки внедрения альтернативных конструкций – Аткинсона, Миллера, Стирлинга, Ванкеля. Есть и более экзотические, в том числе и отечественные, например двигатели Баландина и Фролова. Однако большого распространения они не получили. Пожалуй, только «роторы» Ванкеля применялись на немногочисленных моделях автомобилей вплоть до наших дней, но сейчас и они ушли в прошлое.

Победа силовым агрегатам Отто и Дизеля досталась по причине простоты конструкции, а значит и большей экономической эффективности в производстве. Но сейчас, когда стало возможным добиться гораздо большей механической точности, востребованными оказываются и некоторые, казалось бы, давно забытые идеи. Так для многих современных «гибридов» наиболее удачным оказался двигатель Аткинсона, изобретенный еще в конце XIX века. Его использует корпорация Toyota.

Предпринимаются и попытки внедрения принципиальных инноваций. Например, ученые из Университета Висконсин-Мэдисон в США разработали технологию, позволяющую одновременно использовать преимущества обоих видов топлива, бензина и дизеля, для двигателей внутреннего сгорания. Они предложили осуществлять впрыск дизельного топлива и бензина в цилиндр последовательно в ходе каждого цикла. Это необходимо для самовоспламенения топливной смеси, — вместо свечей зажигания работают капельки солярки, воспламеняющиеся под давлением. Пока эта технология не внедрена в производство, но вполне вероятно у нее есть перспективы.

В России компания «Ё-авто» занимается разработкой роторно-лопастного двигателя, в котором к минимуму сведены потери на трение. Разработчики этой конструкции уже заявляли, что КПД нового двигателя должен составить 42-45%, что весьма неплохо для бензинового агрегата.

Некоторые производители идут по пути дальнейшего увеличения степени сжатия, вплоть до почти «дизельных» значений, для достижения более полного сгорания бензиновой смеси. Не так давно компания Mazda начала производство бензиновых двигателей Skyaktiv-G, в которых степень сжатия составляет 14:1.

Если учесть, что двигатель внутреннего сгорания – это еще и обеспечение постоянного спроса на нефтепродукты, вряд ли в ближайшем будущем мир сможет отказаться от столь «ценной» технологии. Автопроизводители просто обречены заниматься ее дальнейшим совершенствованием. Впрочем, направления этой работы могут быть различны. Надеюсь, в рамках очередной дискуссии на нашем портале представители ведущих автомобильных марок расскажут о своих наиболее перспективных разработках в области повышения эффективности ДВС.

Автор
Дмитрий Европин, главный редактор журнала «MotorPage»

Также высказались:

Обзоров машин на сайте:
5 0 4 0

Каков КПД у двигателя внутреннего сгорания

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.

 

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.

 

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

 

Дизель или бензин

 

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

 

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

 

КПД электрического двигателя двигателя

Другие записи по теме:

Что такое КПД двигателя авто: коэффициент полезного действия

Пожалуй, основным конструктивным элементом любой машины является «сердце», а именно двигатель. От того, как слаженно и эффективно будет работать этот агрегат, дальше зависят скорость, комфорт, тяговые характеристики машины. Важным индикатором эффективной работы ДВС любого агрегата и авто является его КПД.

Эта общепризнанная аббревиатура расшифровывается просто – коэффициент полезного действия. Но что такое КПД двигателя легкового автомобиля знает не каждый водитель? Возможно ему это и ненужно, а знать нужно всё!

Что представляет собой КПД

Теперь немного о том, что же представляет собой КПД, и от чего зависит. По классическому определению это соотношение выполненной работы и затраченной для этого энергии. Определяется в процентном соотношении. Чем выше процент коэффициента полезных действий, тем эффективнее работает двигатель. Правда, даже современные автомобили не могут похвастаться достаточно высокими показателями КПД.

Сегодня считается нормальным, если уровень полезной работы ДВС машины находится в пределах 20 – 60%. Для сравнения – использование электрических двигателей дает возможность получать КПД на уровне 95%. Потеря эффективности возникает от различных внутренних и внешних факторов, воздействующих на двигатель,когда он эксплуатируется.

В частности к таким можно отнести потерю энергию через «вымывание» тепла, неэффективно подготовленная воздушная смесь, что в дальнейшем становится причиной ее неполного сгорания, затраты энергии на преодоление трения, потеря тепла в процессе отвода сгоревших газов. Суммарно такие потери могут достигать до 60 – 80% от изначально получаемой энергии.

Конечно, такой подход приводит к нецелевому использованию топлива, низкой мощности, быстрому изнашиванию деталей отдельного типа, необходимости выполнения более частых профилактических осмотров и ремонтов. Здесь важным моментом является необходимость использования качественных деталей. Ведь в процессе работы двигателя все его части постоянно находятся в повышенном напряжении. И малейший изъян одной из его частей может стать причиной выхода из строя всего агрегата.

Особенности КПД двигателя в автомобиле

Нужно также понимать, что КПД двигателей, работающих на бензине намного ниже таких же моторов, которые работают на дизтопливе. Отличительной особенностью этих видов топлива является использование дополнительных зажигательных элементов (в случае с бензином), либо же подача готовой топливной смеси в заранее подготовленную камеру со сжатым воздухом, где такое топливо самостоятельно воспламеняется.

Отдельно важно остановиться и на качестве самого топлива. Ведь неполное сгорание топлива может стать причиной потери до 25% выделяемой энергии. Поэтому многие компании тщательно подходят к выбору поставщиков топлива. Ведь четвертая часть потери это достаточно внушительный показатель. Более того, несгоревшее топливо имеет свойство не только попадать в атмосферу и загрязнять ее (а за это можно получить солидный штраф), но и оседает на внутренних стенках двигателя и его частей, тем самым приводя к засорению и преждевременному износу.

Используя качественное топливо, вы имеете возможность без проведения какой-либо внутренней модернизации машины, либо же замены отдельных его частей, фактически на ровном месте существенно повысит КПД мотора.

Усовершенствование КПД двигателя

Учитывая повышенный спрос общества на эффективные, экономные и комфортные автомобили, сегодня ученые и эксперты с разных стран участвуют в программах совершенствования автомобильных двигателей с тем, чтобы довести их КПД до уровня 80% и выше.

Для этого используются различные конструкционные доработки (например, турбо надув), заменяются металлические составляющие основы ДВС на более легкие сплавы, способные держать тепло и сводить уровень трения к минимуму при минимальных необходимых для этого затратах.

Все это становится основой для выпуска более компактных, облегченных двигателей, способных перерабатывать в полезную работу большую часть полученной изначально энергии. Тем самым все это позволяет реально экономить в процессе дальнейшей эксплуатации и обслуживании машины.

При этом уделяется большое внимание усовершенствованию и очистке уже имеющихся элементов (топливо, системы охлаждения, смазки, подачи горючего и отвода газов), ведь, как мы уже обратили внимание ранее, таким образом можно повысить КПД даже не меняя отдельных частей. Достаточно просто заливать правильное топливо, понизить уровень теплоотдачи в процессе работы ДВС, либо же отвода выхлопов.

Еще одним моментом эффективного использования транспортного средства, есть оптимальный уровень загрузки транспортного средства. Выдерживая среднюю скорость, правильные передачи, не пытаясь показывать свое излишнее мастерство, вы получите возможность существенно снизить потребление топлива. А также сможете достигнуть оптимальной мощности и скорости автокара в определенных условиях.

Рекомендуем Вам ознакомиться и узнать, что такое вискомуфта в автомобиле.

Поделитесь информацией с друзьями:


Каков КПД автомобиля?. Удивительная механика

Каков КПД автомобиля?

Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.

А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг.

При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.

Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.

Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности

А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!

А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.

Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.

Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.

Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!

На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля.

Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.

Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии.

Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.

Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

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

Тренажёр «КПД тепловых двигателей»

Тренажёр по теме: « КПД тепловых машин».

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

Дано

Ап = 110,4 МДж

q = 4,6 ·107Дж/кг

m = 8 кг

СИ

110,4· 106 Дж

Решение

=

1) Q = q·m Q = 4,6 ·107 Дж/кг 8 кг = 368·10 6 Дж

2) = 30 % Ответ : 30 %

= ?

№2.Определите какую массу бензина употребляет двигатель автомобиля, который при КПД = 30 % выполняет полезную работу 220,8 МДж .

Дано

Ап = 220,8 МДж

q = 4,6 ·107 Дж/кг

= 30%

СИ

220,8 · 106 Дж

Решение

= = =

Q = q·m

2) m = 16 кг Ответ : 16 кг

m == ?

№3 На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 800 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 72 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Дано

N= 800 кВт

q = 43 МДж/кг

= 30%

m = 1т

=72 км/ч

СИ

800 · 103 Вт

43 · 106 Дж/кг

0,3

1000 кг

=20 м/с

Решение

= = =

Q = q·m Ап= N·t= S=

t =

S = 322,5 км Ответ : 322,5 км

S=?

№4.Патрон травматического пистолета «Оса» 18 x 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.

Дано

mп =8,4 г

q = 3,8 ·106 Дж/кг

m =0,18 г

= 140 м/с

СИ

8,4 10-3 кг

0,18 10-3 кг

Решение: Ап — полезная работа, совершенная силами, действующими со стороны пороховых газов на пулю, в результате чего пуля приобрела скорость .

Ап = Ек = кинетическая энергия в момент вылета

= =

2) = 100% 12 %

Ответ : 12 %

= ?

№5. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За какое время, он израсходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • МДж/кг. КПД трактора равно 3,6 % и мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Дано

N= 1,5 кВт

q = 30 МДж/кг

m = 5 кг

= 3,6 %

СИ

1,5 · 103 Вт

30 · 106 Дж/кг

Решение

= =

Q = q·m Ап= N t

t =

t = = 3600 с = 1ч

Ответ: 1 час.

t =?

№6. Какое количество древестного угля потребуется , чтобы нагреть в самоваре воду, емкостью 3л, от температуры 2100 °С 4 °С до температуры 100 °С. КПД равно 25%. Ответ дайте в кг. q = 34 МДж/кг

Дано

V= 3 л

= 1000кг/ м3

t1=100 °С

t2=100 °С

q = 4,6 ·107 Дж/кг

= 25%

q = 34 МДж/кг

СИ

3 · 10-3 м3

0,25

34 Дж/кг

Решение

= = =

Q = q·m =

m =

Ответ :

m == ?

№7Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 23МДж, и при этом. КПД этого двигателя равно 25% Вычислите. Сколько израсходовали бензина?

Дано

Ап = 23 МДж

q = 4,6 ·107 Дж/кг

= 25%

СИ

23 · 106 Дж

Решение

= = =

Q = q·m

2) m = 2 кг Ответ : 2 кг

m = ?

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

Дано

= 25 %

m = 24 кг

t=3 ч

q = 4,6 ·107 Дж/кг

СИ

3· 3600=10800с

Решение

= Q = q·m Ап = N t =

= = 25556Вт

Ответ: 26 кВт

=?

 

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания ошеломляюще неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50-процентного теплового КПД. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.

А автомобили с бензиновым двигателем еще более неэффективны, значительно более неэффективны.

Хотя может показаться, что транспортное средство, которое преобразует только 50% тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят впустую около 80% энергии, вырабатываемой при сгорании топлива. Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% произведенной энергии через выхлопную трубу или отдают эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.

Причины, по которым двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны, являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.

«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе горения топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс высвобождает тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию», — сообщает X-Engineer.org. Но большая часть произведенной энергии теряется.Большая часть энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.

В то время как даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют несколько длинного объяснения термодинамики, длинное объяснение в Твиттере легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом снаружи двигателя определяет тепловой КПД — т.е. неэффективность двигателя внутреннего сгорания.

Что такое тепловой КПД и каковы законы термодинамики

КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД.Тепловой КПД является следствием термодинамики. Существует и определение, и формула для теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «Тепловой КПД — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».

Строгое определение теплового КПД, согласно словарю Merriam-Webster Dictionary, это «отношение тепла, используемого тепловой машиной, к общему количеству тепловых единиц в потребленном топливе». Более практичное непрофессиональное определение теплового КПД заключается в том, что количество энергии, вырабатываемой при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.

Однако формула для теплового КПД может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия – это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, переданного в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на вход является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое идет на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, с поршнями.

Существуют два закона термодинамики, определяющие тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.

Первый закон термодинамики

Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики выход энергии не может превышать энерговклад. Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потерянная энергия или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше энергетического потенциала топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги в качестве метафоры для первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей с доллара.

В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики невозможно достичь 100% тепловой эффективности.

Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовывать почти 100% поступающего тепла в работу. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”

Чрезвычайно большой процент энергии, произведенной при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии является причиной перегрева двигателя. Нагрев двигателя происходит за счет кондуктивной теплопередачи. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, обогреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в самом двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.

Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выбрасывается выхлопными газами, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.

Теплота — энергия — потери и теорема Карно

Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — факт, доказанный теоремой Карно.

Предел Карно – это количество энергии, выделяемой при сгорании, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже предел Карно .

Какова тепловая эффективность бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Термический КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. В то время как есть компании, стремящиеся улучшить тепловую эффективность бензиновых двигателей, чрезвычайно сложно даже сравнить эффективность сгорания со старыми дизельными двигателями. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить тепловую эффективность своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны в преобразовании сожженного топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «термического КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов.

Дизель

обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, который, по утверждению компании, имеет максимальный тепловой КПД 38 процентов, тепловой КПД, который «больше, чем у любого другого серийного двигателя внутреннего сгорания».

Другой взгляд на тепловую эффективность связан с затратами на топливо. На каждый доллар бензина, который покупает человек, уходит почти 80 центов в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически приводят в движение бензиновый двигатель. Несмотря на то, что это поразительно мало, даже обычные дизельные двигатели стоят не менее 40 центов за доллар при механическом использовании.

Хотя 60 центов из каждого доллара дизельного топлива теряется из-за термической неэффективности, это все же в два раза лучше, чем средний бензиновый двигатель.

Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя

В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария, считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, тогда как дизельные двигатели могут достигать термического КПД почти 50%. «Двигатели с искровым зажиганием современного производства работают с тормозным тепловым КПД (КПД) порядка 30–36 % [12], двигатели с воспламенением от сжатия давно признаны одними из самых эффективных силовых агрегатов, текущий КПД дизелей может достигать до 40–47%.

Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сгорании на обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях по шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи дорогой гибридной системы.

Тепловой КПД и коэффициент сгорания

В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда она приближается к моменту, когда топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.

Коэффициент сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8:1 до 12:1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, а не сжатия в результате воздействия искры.

Дизельные двигатели

имеют гораздо более высокую степень сжатия. На это есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели являются двигателями сжатия.Компрессия — это то, что заставляет дизель в камере сгорания взрываться. В компрессионном двигателе нет искры, которая воспламеняет дизель. Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, поскольку дизель является более стабильным топливом. Для воспламенения дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14:1 до 25:1.

Решения для повышения эффективности двигателя

Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя.Ограничения конструкции и ограничения технологий не позволяют владельцам вносить значительные улучшения в транспортное средство в отношении теплового КПД. Тем не менее, возможно улучшить эффективность сгорания.

Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, применительно к тяжелому топливу с высокой плотностью энергии — дизельному топливу, мазуту, бункерному топливу и т. д. — существуют технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводородов, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.

Топлива с низкой плотностью энергии, такие как бензин и природный газ, обычно имеют постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелыми видами топлива, поскольку они состоят из более мелких молекул углеводородов с короткой цепью. Но более крупные и длинные молекулы углеводородов и молекулярные цепи в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не воспламеняются.

Топливные катализаторы являются одним из простейших средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в составе благородных металлов разрушают кластеры топлива, деполяризуя внутренние заряды, которые заставляют углеводороды собираться вместе.

Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания и, следовательно, топливную экономичность на 3-8% в вездеходах. На тяжелой технике увеличение топливной экономичности еще более заметно.При добавлении топливного катализатора Rentar в печь или котел, работающий на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% и более.

Несмотря на то, что трудно предотвратить растрату энергии, присущую всем двигателям внутреннего сгорания, повысить эффективность использования топлива все же возможно. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это улучшить эффективность сгорания.

Бензиновый двигатель Toyota достиг тепловой эффективности в 38 процентов

Большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны в преобразовании сожженного топлива в полезную энергию.

Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «термического КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов. Дизели, как правило, выше, в некоторых случаях приближаясь к 40 процентам.

Компания Toyota разработала новый бензиновый двигатель, который, как утверждается, имеет максимальный тепловой КПД 38 процентов, что выше, чем у любого другого серийного двигателя внутреннего сгорания.

Новые агрегаты объемом 1,0 и 1,3 литра должны обеспечивать на 10-15% большую экономию по сравнению с их существующими эквивалентами.

Toyota применила несколько знакомых технологий в своих двигателях для достижения такого уровня эффективности.

Одним из них является тот же цикл сгорания, который используется в гибридных моделях фирмы — цикл Аткинсона.

Используемые на 1,3-литровом агрегате двигатели с циклом Аткинсона обычно имеют регулируемые фазы газораспределения, что позволяет впускным клапанам оставаться открытыми в начале такта сжатия. Более низкая плотность воздуха приводит к более эффективному сжиганию топлива и более высокому тепловому КПД.

Как правило, двигателям не хватает мощности по сравнению с обычными двигателями с циклом Отто, что компенсируется в гибридах дополнительной мощностью электродвигателя.

БОЛЬШЕ: Toyota Prius 2015 года: следующий гибрид нацелен на 55 миль на галлон, больше места, лучшая управляемость

В 1,3-литровом двигателе степень сжатия 13,5 компенсирует часть потерянной компрессии в течение цикла двигателя — теоретически двигатель должен работать так же, как обычный 1,3-литровый агрегат.

Модернизированные впускные каналы, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция охлажденных выхлопных газов также используются для повышения эффективности двигателя.

В 1,0-литровом агрегате, разработанном совместно с Daihatsu, японским партнером Toyota, аналогичные технологии двигателя (на этот раз без цикла Аткинсона) обеспечивают 37-процентный тепловой КПД.

Тем не менее, благодаря использованию технологии «стоп-старт» новый двигатель на 30 процентов эффективнее эквивалентных 1,0-литровых двигателей в японском испытательном цикле JC08, ориентированном на город.

Toyota не подтвердила, в каких автомобилях будут использоваться новые двигатели, а также в том, будет ли какая-либо силовая установка поступать в США. Вполне вероятно, что несколько автомобилей японского рынка и отдельные модели, такие как Yaris и Aygo, продаваемые за границей, в конечном итоге выиграют от этих агрегатов.

Это показывает, что в обычных бензиновых двигателях есть еще много возможностей для улучшения.

Обычные двигатели внутреннего сгорания будут оставаться доминирующими в дорожном транспорте, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий, поэтому любые усилия по их улучшению за это время заслуживают одобрения.

_________________________________________

Подписывайтесь на GreenCarReports в Facebook, Twitter и Google+

Nissan работает над двигателем с 50-процентной тепловой эффективностью

По большому счету, газовые двигатели внутреннего сгорания не так уж и эффективны, поскольку большая часть того, что они производят, — это отработанное тепло.Считается, что Toyota предлагает самый термически эффективный из производимых на сегодняшний день автомобильных двигателей внутреннего сгорания — 2,0-литровый безнаддувный четырехцилиндровый двигатель, который достигает 41-процентного теплового КПД. Другими словами, 41 процент работы этого двигателя преобразуется в питание автомобиля, а 59 процентов — просто бесполезное тепло.

Компания Nissan заявляет, что добилась прорыва в области теплового КПД внутреннего сгорания, разработав двигатель, который достигает 50-процентного теплового КПД. Но есть большая разница между этим новым двигателем Nissan и четырехцилиндровым двигателем Toyota — первый рассчитан на работу только в очень узком диапазоне.Nissan разрабатывает этот двигатель в качестве генератора для серийного гибридного автомобиля, в котором только электродвигатель приводит в движение колеса. Двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора, и этот аккумулятор питает двигатель. Механической связи между двигателем и колесами нет.

Этот двигатель будет использоваться в будущем поколении системы Nissan e-POWER, которая в настоящее время используется в Note для японского рынка. Nissan смог достичь 50-процентного теплового КПД в ходе испытаний, по существу настроив двигатель для работы в очень определенном диапазоне скоростей и нагрузок.Поскольку двигатель не приводит в движение колеса, ему не приходится работать с такими широкими параметрами.

«В обычном двигателе существуют ограничения на контроль уровня разбавления топливовоздушной смеси в ответ на изменение нагрузки при вождении с несколькими компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как поток газа в цилиндре, метод зажигания и компрессия. соотношение, которое может пожертвовать эффективностью в пользу выходной мощности», — говорится в пресс-релизе Nissan. «Тем не менее, специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне скорости и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить тепловую эффективность.»

Ниссан

Двигатель настроен на работу с очень разбавленной топливно-воздушной смесью и работает с высокой степенью сжатия. Nissan не стал раскрывать подробности о самом двигателе, отказавшись указать размер, количество цилиндров и степень сжатия. Фотографии, опубликованные Nissan, показывают макет одноцилиндрового двигателя на испытательном стенде, поэтому кажется, что компания еще не определилась с точной формой, которую примет этот двигатель.

Nissan стремится к 100-процентному углеродному нейтралитету к 2050 году, и для достижения этой цели компания вкладывает большие средства в электромобили и автомобили, использующие систему e-POWER.Эта система кажется отличной альтернативой электромобилю, особенно в местах, где отсутствует инфраструктура для зарядки.

На данный момент единственным известным нам газовым двигателем внутреннего сгорания, имеющим тепловой КПД более 50 процентов, является 1,6-литровый V-6 Mercedes-AMG Formula 1. Но в этом двигателе используются технологии, слишком дорогие и сложные для массовых дорожных автомобилей. Пока неясно, когда мы увидим этот новый двигатель от Nissan, но подобные разработки показывают, что во внутреннем сгорании еще может быть жизнь.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

ДВС Против. EV — Знаете ли вы, насколько неэффективны двигатели внутреннего сгорания?

Есть много причин любить электромобили. Они бесшумны, мощны и быстры, но, возможно, их наиболее часто наблюдаемая характеристика — эффективность.Джейсон Фенске из Engineering Explained уже рассказал нам об этом во время поездки, которую он совершил на своей модели 3. Во всяком случае, это видео выше, созданное Джонатаном Стюартом для канала YouTube Cleanerwatt , посвящено именно эффективности и предлагает электромобили.

Обычно мы предпочитаем, чтобы наши читатели были достаточно любопытны, чтобы они могли посмотреть видео, которые мы представляем. Мы могли бы сделать это здесь, просто говоря о том, что отходы — это плохо, и что двигатели внутреннего сгорания расточительны по своей природе.Они не могут с этим поделать.

Самые эффективные двигатели внутреннего сгорания, доступные сегодня на рынке, имеют эффективность использования топлива 40 процентов. Это означает, что они могут преобразовать только 40 процентов энергии топлива в движение. Все остальное теряется в тепле и трении — все 60 процентов остались.

Другими словами, на каждые 100 долларов, которые вы тратите на заправку бака автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, вы буквально сжигаете эквивалент 60 долларов в лучшем случае. Видео показывает нам, что то, что вы получаете, намного меньше, чем у большинства автомобилей с ДВС.

Вы когда-нибудь задумывались о том, чтобы сэкономить эти 60 баксов или полностью использовать их для передвижения? Это возможность, которую предлагает электромобиль, и это лишь одна из соответствующих информационных частей, которые приносит это видео. Тот, который мы покажем здесь, вместо того, чтобы позволить его исключительно видео. Прости за это, Джонатан!

Знаете ли вы, что галлон бензина эквивалентен аккумуляторной батарее емкостью 33,7 кВтч? Это больше, чем может предложить новая Mazda MX-30 или Honda E. Тем не менее, их дальность действия превышает 200 км (124 мили).С существенным недостатком: при весе галлона 6 фунтов (2,72 кг) аккумуляторная батарея с таким же количеством энергии весит 475,5 фунтов (215,7 кг). Это все равно, что носить с собой в машине двух больших взрослых людей все время.

По данным Агентства по охране окружающей среды, максимум, что вы можете получить от автомобиля, который сжигает только топливо, составляет 33 мили — с Chevrolet Spark. Если это гибрид, вы можете проехать 58 миль — с Hyundai Ioniq. Это 46,7 процента от того, что Mazda и Honda могут достичь с эквивалентом двух телохранителей на борту постоянно.

Если вы находитесь здесь, по адресу InsideEVs , вы, вероятно, хорошо осведомлены об этих преимуществах, но должно быть много людей, которых вы не знаете. Поделитесь с ними этой статьей, чтобы показать, что если они не сжигают деньги в буквальном смысле, то иметь автомобиль с двигателем внутреннего сгорания — это самое близкое, что они могут сделать для этого. Знают ли ваши друзья-механизмы, что они зарабатывают более 60 процентов своих денег, превращаясь в тепло и дым, заправляя бак? Что еще хуже, быть избитым Теслой на дрэг-стрипе?

Это может быть более разумным призывом к покупке электромобиля, чем более здоровая окружающая среда или более чистый воздух.К сожалению.

Рекордная эффективность для газового двигателя

Двухлитровый четырехцилиндровый форкамерный газовый двигатель на испытательном стенде в лаборатории двигателей Empa. 1 кредит

В конце мая в Брюсселе состоялась итоговая встреча проекта «Горизонт 2020» «ГазОн» с Комиссией ЕС. Целью этого проекта ЕС было дальнейшее развитие газовых двигателей для автомобилей и фургонов. В нем приняли участие около 20 партнеров, в том числе ETH Zurich и Empa, а также четыре европейских производителя автомобилей и известные поставщики.Транспортные средства, работающие на газу, обычно выбрасывают меньше загрязняющих веществ, чем бензиновые или дизельные автомобили. Они, вероятно, приобретут значение в будущем из-за возможности получения энергии от возобновляемых источников энергии.

Помимо электрических и водородных силовых агрегатов, газовые двигатели также играют важную роль в Швейцарском центре компетенций по энергетическим исследованиям в области мобильности («SCCER Mobility»), возглавляемом ETH Zurich.Это связано с тем, что автомобили, работающие на предварительно обработанном биогазе или синтетическом метане («электронный газ»), имеют очень низкий уровень выбросов CO 2 . Синтетический метан производится из возобновляемой избыточной электроэнергии и CO 2 . Предварительно обработанный биогаз и синтетический метан можно смешивать по желанию. Благодаря октановому числу до 130 они обладают значительно более высокой детонационной стойкостью, чем бензин, что делает их идеальным топливом для двигателей внутреннего сгорания. При высоких нагрузках, например, на автомагистралях, автомобили с газовым двигателем уже достигают более высокой эффективности, чем бензиновые двигатели.

Тем не менее, эффективность все еще может быть значительно увеличена благодаря высокой детонационной стойкости метана, поскольку современные газовые двигатели в легковых автомобилях, как правило, представляют собой лишь слегка адаптированные бензиновые двигатели, т.е. концепции, которые еще не были оптимизированы для работы с метаном. Чтобы выявить этот неиспользованный потенциал, в 2015 году был запущен проект ЕС «GasOn». Исследователи из ETH Zurich и Empa также приняли участие в этом проекте в рамках рабочего пакета, возглавляемого Volkswagen Group Research.

Разобранная форкамера. 1 кредит

Газовый двигатель

В двухлитровом газовом двигателе реализован высокоэффективный процесс сгорания: обедненная газовая смесь воспламеняется с помощью форкамеры размером с наперсток, регулируемой потоком. В лаборатории аэротермохимии и систем горения ETH проводились базовые эксперименты на оптически доступных двигателях. Они использовались для исследования поведения воспламенения в форкамере и перетекания горячих лучей в основную камеру сгорания.На основе этих данных были разработаны численные инструменты для детального расчета процессов с помощью компьютерного моделирования. Эти результаты позволили Volkswagen Group Research оптимизировать конструкцию форкамеры и основной камеры сгорания. Ученые Empa соответствующим образом настроили двигатель и исследовали процесс сгорания. Была использована система управления двигателем, разработанная Институтом динамических систем и технологий управления в ETH Zurich, которая координирует сложную общую систему и в то же время позволяет адаптироваться к новым открытиям.

Разрез через головку блока цилиндров тестового двигателя: В центре видна форкамера со свечой зажигания и подачей газа. 1 кредит

Результат: Рекордная эффективность двигателей легковых автомобилей

По сравнению с современным уровнем техники потребление нового газового двигателя с форкамерным процессом сгорания было снижено на 20 процентов (в пересчете на стандартное потребление WLTP для легкового автомобиля среднего размера).Пиковая эффективность в лучшей конфигурации двигателя составляла более 45 процентов, при этом эффективность достигала более 40 процентов в широком рабочем диапазоне. Такие значения в настоящее время достигаются только двигателями значительно большей мощности, например, используемыми в коммерческих транспортных средствах, стационарных или морских машинах. 45 процентов — это новый рекорд для двигателей легковых автомобилей. Для сравнения, бензиновые двигатели обычно имеют КПД от 35 до 40 процентов. Проект GasOn еще не занимался обработкой выхлопных газов такого двигателя; по-прежнему необходимы дальнейшие исследования из-за процесса сжигания обедненной смеси.

В целом было показано, что газовые двигатели могут достигать такой же эффективности, как (значительно более высокие) дизельные двигатели. Кроме того, они могут легко работать с любой смесью возобновляемого биогенного или синтетического метана и, таким образом, достигать очень низких выбросов CO 2 . Участвующие производители транспортных средств теперь собираются выяснить, как результаты проекта GasOn могут быть перенесены на серийные автомобили.


Pinnacle Engines разрабатывает эффективный бензиновый двигатель с низким уровнем выбросов с использованием суперкомпьютеров
Предоставлено Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий

Цитата : Рекордная экономичность для газового двигателя (2019, 20 июня) получено 3 марта 2022 г. с https://физ.org/news/2019-06-efficiency-gas.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Энергоэффективность двигателей и устройств наземного, водного и воздушного транспорта

Амбио.2016 янв; 45 (Приложение 1): 63–68.

8

8

Samuele Furfari

Polytechni, Университет Либре де Брюссель, Авеню Франклин Рузвельт 50, 1050 Брюссель, Бельгия

Политехническая школа, Университет Либре де Брюссель, Авеню Франклин Рузрельт 50, 1050 Брюссель, Бельгия

автор. Открытый доступ Эта статья распространяется на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), который разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что вы укажете автора(ов) и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете если были внесены изменения.Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

Транспортный сектор имеет основополагающее значение как для экономики, так и для личной жизни. С ростом населения и процессом глобализации неудивительно, что спрос на транспорт будет расти в ближайшем будущем и, безусловно, до 2050 года.В этой статье основное внимание уделяется огромному потенциалу прогресса в области транспортных технологий. Поскольку основной сектор транспорта останется на дорогах, в документе подчеркивается прогресс в автомобильном секторе. Поскольку производители автомобилей вкладывают огромные средства в исследования и разработку технологий, чтобы предлагать еще более эффективные автомобили — не только энергоэффективные, но и эффективные с точки зрения безопасности и комфорта, — автомобиль завтрашнего дня будет сильно отличаться от настоящего. Растущая роль электроники в автомобилях будет синергетически взаимодействовать с ролью так называемых умных городов.Обсуждается потенциальное развитие метана в транспортном секторе, в основном используемом для тяжелых перевозок.

Ключевые слова: Авиация, Энергия для транспорта, Энергоэффективность, Транспортные сценарии, Топливо для транспорта, Пассажирский транспорт, Автомобильный транспорт

Введение

Мобильность является основой человеческой деятельности в современном обществе. В глобализованном и взаимосвязанном мире потребность в мобильности будет только возрастать. Теперь цель состоит в том, чтобы повысить мобильность и в то же время снизить потребление энергии.Нефтепродукты составляют около 96 % всего энергопотребления в транспортном секторе. Поэтому очевидно, что это тот сектор, на котором следует сосредоточиться для другого будущего. Расходы ЕС на импорт нефти, которые составляют до 1000 миллионов евро в день в 2014 году, приводят к значительному дефициту торгового баланса ЕС, составляющему около 2,5 % ВВП. Повышение энергоэффективности при использовании нефтепродуктов и переход на другие виды топлива — два направления, заслуживающие внимания.

Слишком часто в Европе акцент в транспортных вопросах делается на городской транспорт, тогда как основной проблемой, вероятно, будет необходимость перевозки грузов.Соответственно, нам придется учитывать любые новшества, происходящие в этом подсекторе транспорта. В транспортной сфере технические решения обычно не появляются в виде технологической революции, возникающей в результате фундаментальных исследований. Прогресс, скорее всего, будет основан на последовательности более мелких шагов, а не на радикальных инновациях. Кроме того, поскольку транспортный сектор является частью глобализированной отрасли, решения могут быть реализованы в массовом порядке только в том случае, если они будут приняты во всем мире.

Перспективы спроса на транспорт

Согласно сценариям Европейской комиссии, прогнозы по транспорту указывают на устойчивый рост личных автомобилей (рис.) (Европейский STTP 2012). Прогресс аналогичен общественному транспорту. Еще более сильный рост ожидается в авиационном секторе. Ожидается, что в 2050 г. пассажиро-километр (т. е. расстояние, пройденное пассажирами на транзитных транспортных средствах, определяемое путем умножения числа несвязанных пассажирских поездок на среднюю продолжительность их поездок) на личных автомобилях будет в 9,1 раза больше, чем на общественным автомобильным транспортом и в 6,9 раза больше, чем железнодорожным (рис.  ). Что касается грузовых перевозок, то рост также устойчив для грузовых автомобилей.В 2050 г. перевозки автомобильным транспортом будут в 3,9 раза больше, чем железнодорожным (рис.  ). Другие сценарии, представленные IEA (2014 г.) и BP (2015 г.), а также EIA США (2013 г.), также представляют аналогичные прогнозы. Это указывает на то, что сектор автомобильного транспорта заслуживает самого пристального внимания, когда мы имеем дело с энергетикой и транспортом. Следовательно, в этой статье в основном будут рассматриваться автомобильные перевозки как для пассажиров, так и для грузов.

Сценарий ЕС для пассажирских перевозок с 1995 по 2050 г. в единицах гигапассажиров на км для автомобильного транспорта общего пользования, частных автомобилей, железнодорожного транспорта и авиации (из STTP 2012 г.)

Сценарий ЕС для грузовых перевозок с 1995 по 2050 г. в единицах гигатонн на км (из европейского стандарта STTP 2012)

Методологии определения эффективности транспортировки

Обычно методологии расчета «от скважины до колес» (WTW) преследуют цели оценки энергопотребления и промышленных затрат на все варианты автомобильного топлива. и силовые агрегаты.Этот комплексный анализ призван служить надежным и широко признанным научным справочником для исследований и политики в области транспорта. WTW отличается от подхода анализа жизненного цикла (LCA), поскольку он не учитывает энергию и выбросы, связанные со строительством объектов и самих транспортных средств, а также аспекты окончания срока службы. Таким образом, WTW фокусируется на производстве топлива (Well-to-Tank — WTT) и использовании транспортных средств (Tank-to-Wheel — TTW), которые являются основными источниками энергопотребления в течение всего срока службы.В настоящее время существуют различные методики, дающие различные результаты. Будет уместно попытаться их согласовать, чтобы обеспечить нейтральную в отношении технологии и политики методологию, что приведет к повышению уверенности в результатах. Из-за сложности этого анализа и несмотря на годы работы в этой области с подробными и точными результатами, процесс WTW по-прежнему представляет собой приближение к реальности (Edwards 2013).

Автомобильный транспорт

Улучшение концепций транспортных средств

По данным Европейской комиссии, сектором, инвестирующим больше всего денег в исследования и разработки, является автомобильная промышленность, 1 сектор, занимающий первое место в ЕС и третье место в мире.Среди 10 крупнейших компаний ЕС, инвестирующих в исследования и разработки в 2011 году, четыре являются производителями автомобилей и частью отрасли снабжения (все немецкие). Среди 10 крупнейших компаний мира мы можем найти одного японского, одного европейского и одного американского производителя автомобилей.

Что касается автомобильного транспорта, технологические усовершенствования двигателя внутреннего сгорания и аэродинамики транспортного средства могут привести к повышению эффективности. Если улучшения в легковых и грузовых автомобилях будут следовать тенденциям последних десятилетий, можно ожидать значительного снижения потребления энергии.К 2050 году можно ожидать снижения расхода топлива на 30 % за счет усовершенствования двигателя внутреннего сгорания. Ведется работа по разработке двигателей, работающих с двумя цилиндрами, в то время как другие исследования направлены на возможность электронного отключения некоторых цилиндров в многоцилиндровом двигателе. Электроника стала центральным элементом автомобильных технологий (на нее приходится 35 % стоимости автомобиля в Европе) и будет играть все более важную роль в работе двигателя при еще более низком уровне потребления.Ожидается, что лучший контроль впрыска и воспламенения приведет к значительному потреблению энергии. Использование электроники не только в двигателе, но и во всем автомобиле с датчиками, контроллерами и другими инновациями еще больше улучшит существующие системы.

Дальнейший путь прогресса — облегчение транспортных средств с использованием новых материалов благодаря разработке композитных материалов и технологии углеродного волокна. Новые высокопрочные стали обеспечивают снижение веса на 30 % по сравнению с обычными марками стали для холодной штамповки без снижения показателей безопасности.Таким образом, фундаментальные исследования материалов являются ключевым фактором в области транспорта. Одним из особенно эффективных способов повышения энергоэффективности автомобильных транспортных средств является снижение их динамических характеристик. Также крайне важно снизить потребление энергии большегрузным транспортом в ЕС. Ведутся исследования передовых активных и пассивных аэродинамических свойств грузовых автомобилей и полуприцепов.

Подключенный автомобиль будущего будет взаимодействовать через интеллектуальную дорожную инфраструктуру с другими автомобилями, чтобы объезжать пробки и, таким образом, способствовать ограничению расхода топлива.Еще одной целью подключенного автомобиля является повышение безопасности. Интеграция автомобилей в «облачные вычисления» и развитие систем поддержки эковождения также позволит находить и оплачивать парковочные места или заправочные станции или оплачивать дороги с учетом пробок. Предполагается, что таким образом станет возможным улучшение экономии топлива на 10 %. Расход топлива транспортных средств также зависит от шин. Исследования уже дали результаты, и программа исследований и разработок все еще продолжается, особенно в области использования новых типов технического углерода, которые обеспечивают хорошее сцепление с дорогой при ограничении потребления энергии.

Повышение эффективности вспомогательных агрегатов

За последние годы в системы трансмиссии, включая автоматические коробки передач, были внесены соответствующие усовершенствования, но инновационные разработки продолжаются и потребуют увеличения бортовой выработки электроэнергии. Генерация электроэнергии в двигателе автомобиля имеет очень низкий КПД в результате сложности процесса: химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую, затем в механическую энергию сначала в двигателе, а затем в генераторе переменного тока, чтобы, наконец, выработать электричество.Это актуальная область исследований, но сложная, поскольку обычно в автомобильной промышленности применяются только недорогие решения (вероятно, откладывающие использование топливных элементов). Кардинальным улучшением будет прямое преобразование тепловой энергии выхлопных газов в электричество с использованием термоэлектрического эффекта.

Энергопотребление освещения (например, светодиодов) и другого вспомогательного оборудования можно рассматривать только как постепенное улучшение, но эти шаги, тем не менее, очень важны, поскольку они затрагивают множество приложений.Инженеры-конструкторы работают над всеми этими темами с целью добиться снижения до 10 % общего расхода топлива автомобиля за счет усовершенствования его вспомогательного оборудования.

Топливо на нефтяной основе

Баланс бензиновых и дизельных двигателей оказывает сильное влияние на нефтеперерабатывающие заводы. Нефтеперерабатывающие заводы в Европе сталкиваются с проблемами, связанными с развитием в других частях мира с более современными установками и менее строгими правилами. Уже сегодня из-за конкуренции между дизельным топливом и бензином ЕС необходимо импортировать дизельное топливо.Соответственно, также требуется найти решения для перебалансировки доли дизельного топлива и бензина, например, путем повышения эффективности дизельного двигателя при работе на бензине. Сжиженный нефтяной газ, LPG, побочный продукт нефтедобычи и нефтепереработки, является чистым транспортным топливом, которое необходимо сохранять и по возможности расширять.

Сжатый природный газ (СПГ) и сжиженный природный газ (СПГ)

Из-за их более высокой плотности энергии нефтепродукты пользуются широким спросом во всем мире. В 2013 году 17.7 миллионов автомобилей в мире используют природный газ, подавляющее большинство из которых (16,3 миллиона) составляют легкие коммерческие автомобили, работающие в основном на компримированном природном газе (СПГ). Иран, например, не имеющий перерабатывающих мощностей для производства моторного топлива и не может экспортировать свой газ, решил использовать природный газ в транспортном секторе: у него 3,3 млн автомобилей, работающих на природном газе, или 27 % всего его парка. . Помимо Ирана, еще шесть стран имеют более 1 миллиона автомобилей, работающих на газе: Пакистан (2.8 миллионов), Аргентина (2,2 миллиона), Бразилия (1,7 миллиона), Китай (1,6 миллиона) и Индия (1,5 миллиона). В то время как разработка СПГ начала появляться в Европе, разработка сланцевого газа в США вызвала большой интерес к сжиженному природному газу (СПГ) для транспортировки. Производители сланцевого газа поняли, что их автопарки могут работать на том топливе, которое они реально производят. Это привело к значительному развитию использования СПГ и в других секторах автопарка (например, доставка посылок и школьные автобусы).В 2013 году Европейская комиссия запустила проект «Голубые коридоры СПГ», 2 , который продлится до 2017 года и направлен на превращение СПГ в реальную альтернативу для транспорта на средние и дальние расстояния — сначала в качестве дополнительного топлива, а затем в качестве адекватная замена дизелю. Программа предусматривает строительство парка из около 100 большегрузных автомобилей СПГ, соответствующих стандартам ЕВРО IV 3 , а также 14 новых станций вдоль четырех коридоров с заправкой СПГ в среднем через каждые 400 км.

Теперь это действительно и для поездов, и для кораблей. Суда с двигателями, работающими на СПГ, уже наработали 7 миллионов часов, и по-прежнему ограничиваются в основном малыми судами. Также в портах по всему миру установлено 210 установок СПГ. Это полезно как для сокращения выбросов (CO 2 , NOx, но особенно 100 % SO 2 и 100 % твердых частиц по сравнению с дизельными двигателями), так и для повышения или поддержания конкурентоспособности. Производители двигателей работают над созданием более эффективных малотоннажных и крупнотоннажных двигателей СПГ для судов.Осведомленность портовых властей об этом чистом транспортном топливе растет еще и потому, что ЕС решил (Директива 2014/94/UE, 2014 г.), что к 2025 г. все основные порты Трансъевропейской сети должны будут использовать СПГ в качестве топлива. Действительно, между портами, поездами и грузовыми автомобилями в области транспортировки СПГ существует много синергии; их также необходимо определить, чтобы обосновать дальнейшее развитие инфраструктуры СПГ для морских целей. Для дальних перевозок может потребоваться больше времени, прежде чем СПГ станет широко использоваться (за исключением действующих судов-перевозчиков СПГ, которые уже работают на природном газе).

Электричество

Как правило, обычные бензиновые двигатели эффективно используют только 15 % энергии топлива для движения транспортного средства или для питания аксессуаров, а дизельные двигатели могут достигать бортового КПД 20 %, в то время как электрические транспортные средства имеют бортовой КПД около 80 %. Имейте в виду, что с 1890 по 1910 год электромобиль превзошел любой другой тип транспортного средства. После окончания Первой мировой войны автомобили на батарейках исчезли. После этого можно было наблюдать ряд попыток с электрическими автомобилями, но батареи по-прежнему ненадежны для использования в автомобильной промышленности.Чтобы преодолеть эти недостатки, текущие исследования сосредоточены на разработке новых твердых электролитов (полимеров) и электродов, устойчивых к пассивации батарей. Уникальные характеристики графена, в том числе отличная электропроводность и большая площадь поверхности, могут сделать его идеальной средой для электродов батарей. Прорыва в этой технологии можно ожидать, если удастся продемонстрировать низкие потери емкости после многократных циклов зарядки и разрядки и длительный срок службы.Конечно, массовое производство таких аккумуляторов должно иметь совместимую цену.

Суперконденсаторы

В то время как батареи являются электрохимическими, конденсаторные устройства являются электростатическими. Еще одним преимуществом является то, что они могут выдерживать до одного миллиона циклов заряда-разряда без ухудшения характеристик. Зарядка может быть выполнена менее чем за секунду. Недостатком является то, что количество энергии ограничено, а время хранения заряда составляет всего несколько минут. Разновидностью конденсаторов, в которой устранены некоторые из этих недостатков, являются так называемые суперконденсаторы.Чтобы преодолеть ограниченную доступность лития, исследования в настоящее время сосредоточены также на натрии. В дополнение к ограничению срока службы существующих батарей недостатком является их слишком низкое выходное напряжение. В будущем органическая химия и электрохимия будут играть фундаментальную роль в производстве энергии и электричества в частности. Поэтому этим дисциплинам химии необходимо уделить должное внимание.

Увеличитель диапазона

В гибридном автомобиле крутящий момент на колесо передается от электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, работающих в тандеме.В Range Extender колеса всегда приводит в движение электрический двигатель, а энергия для работы электрических двигателей всегда поступает от аккумулятора. Когда заряд батареи слишком низкий (обычно 30 %), тогда двигатель внутреннего сгорания приводит в действие генератор переменного тока, чтобы снова зарядить ее. Поскольку они меньше и проще, чем двигатели внутреннего сгорания, используемые в обычных транспортных средствах, в настоящее время считается, что расширители диапазона имеют преимущества.

Топливные элементы и водород

Топливные элементы станут лучшим вариантом, чем двигатель внутреннего сгорания, с того дня, когда цена и надежность станут приемлемыми.Топливные элементы — хорошо известная технология стабильного производства электроэнергии. Однако они еще не получили широкого признания в качестве экономического решения. Несмотря на многолетние усилия, они по-прежнему ненадежны и дороги. Снижение себестоимости продукции остается главной задачей, поскольку их производство сложно и не может быть автоматизировано. Кроме того, увеличение срока их службы также является проблемой. Как только стационарные топливные элементы станут конкурентоспособными для производства электроэнергии, устройства должны быть миниатюризированы для использования в автомобилях.

Транспортные средства на водороде вряд ли можно назвать решением проблемы с современными технологиями. Поскольку водород необходимо производить из углеводородов или с помощью электричества, процесс газового риформинга или электролиза воды в настоящее время нельзя рассматривать как устойчивое решение из-за накопления потерь эффективности. Таким образом, направление исследований состоит в том, чтобы непосредственно преобразовать энергию фотона в химическую энергию при его воздействии на воду. Усилия по исследованию искусственного фотосинтеза (фотохимического катализа) также продолжаются, но это кажется возможным решением только в долгосрочной перспективе.Перспективны в этом отношении исследования фотоэлектрохимического катализа. Есть надежда, что с помощью катализатора, ускоряющего медленные процессы, жидкое топливо можно будет производить непосредственно из солнечной энергии. Благодаря солнцу и воде в течение нескольких десятилетий можно будет производить искусственное топливо даже в бедных странах. Также изучаются долгосрочные исследования газового риформинга в сочетании с CCS. Принципы известны, но миниатюризацию и массовое производство еще предстоит продемонстрировать.

Водный транспорт

Повышение эффективности

Повышение эффективности использования энергии на судах не концентрируется исключительно на эффективности большого двигателя, но учитывает конструкцию и работу всего судна, а также использование потерянного тепла (когенерация ).Необходимо развивать стандартизированную инфраструктуру во всем мире, и было бы разумно создать международный альянс для разработки общих стандартов.

Альтернативные виды топлива

Огромный потенциал использования СПГ уже упоминался. Это также область исследований в военном секторе. В странах, где доступно много биомассы (например, в Скандинавии), ведутся исследования по производству метанола из продуктов лесного хозяйства, предназначенного главным образом для заправки кораблей. В более общем плане исследования по производству биотоплива второго поколения продолжаются, чтобы использовать 100 % растительного материала и не ограничивать преобразование более прибыльной его части.Только в том случае, если нам удастся преобразовать всю биомассу в набор производных видов топлива, можно достичь экономического и устойчивого успеха.

Воздушный транспорт

Хотя текущая доля спроса на авиационное топливо в общемировом спросе на нефть составляет лишь около 5,8 %, темпы его роста приводят к увеличению спроса на нефть на 2,7 миллиона баррелей в день к 2030 году (Мазраати, 2011 г.), несмотря на впечатляющее повышение энергоэффективности 3 % в год. В авиастроении алюминий постоянно замещается композитными материалами.Однако конструкция самолета должна выдерживать воздействие электромагнитной среды, которой он подвергается. В настоящее время проводится ряд исследовательских проектов по разработке методов, которые предназначены для частичного восстановления некоторых полезных свойств металлических конструкций без чрезмерного веса и затрат. Многофункциональные материалы и нанотехнологии считаются ключевыми направлениями развития использования композитных материалов в гражданской авиации. Использование углеродных нанотрубок для улучшения электропроводности требует дальнейшего изучения.Точно так же графеновая технология демонстрирует высокий потенциал улучшения композитных планеров.

Повышение эффективности и производительности газовых турбин является очень дорогостоящим мероприятием, требующим длительных периодов разработки. Усовершенствования потребуют более высоких рабочих температур; поэтому исследования сосредоточены на материалах, устойчивых к этим суровым условиям (примером является технология производства томо-литографического литья для производства улучшенных аэродинамических профилей). Фундаментальным материаловедениям следует уделить должное внимание.

Самолетам во время работы требуется много электроэнергии. Производство электроэнергии на борту в настоящее время осуществляется за счет сжигания керосина. Производители самолетов гражданской авиации разрабатывают различные решения для более эффективной выработки бортовой электроэнергии. На борту H 2 возможно производство реактивного топлива для выработки электроэнергии. Путем каталитического частичного дегидрирования топлива можно производить водород (Liew 2011), а затем с более высокой эффективностью вырабатывать электроэнергию благодаря технологии топливных элементов.Побочный продукт дегидрирования по-прежнему является очень хорошим топливом для сжигания в турбине.

Железнодорожный транспорт

Для железнодорожного транспорта загрязнение дизельными поездами является серьезной проблемой, требующей решения. С точки зрения энергетики это также очень актуально при полной электрификации, поскольку эффективность всей системы повысится. Как было сказано ранее, поезда, работающие на СПГ, являются многообещающим решением для неэлектрических путей, особенно для грузовых перевозок. Усовершенствование электропоездов является сложной задачей, поскольку технология уже хорошо разработана и очень эффективна.Тем не менее, продолжаются исследования тяговых/тормозных систем путем разработки новых полупроводников, которые снизят диссипативные потери (при проводимости и коммутации). Еще одна область, которая обеспечит повышение эффективности, — это рекуперативное торможение, когда двигатель поезда работает в режиме генератора и возвращает электроэнергию постоянного тока в сеть. Вырабатываемая таким образом электроэнергия может использоваться другими поездами, курсирующими по той же линии. Также продолжаются исследования, чтобы не ограничиваться этим последним ограничением, чтобы восстанавливать энергию торможения в каждом случае.Все эти усилия относятся скорее к прикладным наукам, чем к фундаментальным исследованиям, и для создания эффективной энергетической системы для железнодорожного транспорта необходимы инженерные разработки в промышленности.

Резюме

Транспорт и энергетика тесно связаны. Без энергии не будет современной транспортной системы; однако верно и обратное. Поскольку потребность в транспорте будет расти, потребление энергии, безусловно, будет расти в течение нескольких десятилетий. Меры по повышению энергоэффективности не смогут поглотить все увеличение спроса, вызванное этим ростом.Тем не менее прогресс в повышении энергоэффективности на транспорте имеет основополагающее значение. Необходимость улучшения особенно важна для автомобильного транспорта, поскольку это наиболее важный сектор, и он будет продолжать расширяться. Автомобильная промышленность и поставщики вкладывают большие средства в RTD не только для повышения энергоэффективности своей продукции по маркетинговым причинам, но и для того, чтобы соответствовать все более строгим законам и правилам. Электроника и взаимосвязь будут играть ведущую роль в этом стремлении к эффективности.В то время как ограничения автомобилей с подключаемыми модулями связаны с аккумулятором, гибридные автомобили и выработка электроэнергии на дорогах кажутся более привлекательными решениями для автомобильной промышленности. Энергоэффективность во всех транспортных цепях также нуждается в более точном определении; государственные органы должны сотрудничать с заинтересованными сторонами для установления четких стандартов. Что касается альтернативных видов топлива, экологические ограничения существующих видов биотоплива требуют более инновационных решений. Есть надежда, что исследования ускорят разработку биотоплива следующего поколения.В то же время СПГ представляется легкодоступной и более чистой альтернативой нефтепродуктам, особенно для грузовых перевозок. Морской и железнодорожный транспорт может воспользоваться преимуществами этого обильного, доступного и чистого топлива. Энергоэффективность на воздушном транспорте также является приоритетом для производителей самолетов и авиадвигателей. Инновационные концепции для пассажирских перевозок уже существуют — теперь пришло время предоставить экономически эффективную альтернативу ископаемому топливу для перевозки грузов по дорогам.

Биография

Самуэле Фурфари

— профессор Свободного университета Брюсселя в Институте BEAMS (биологических, электрических и механических систем).Он также является советником Генерального директора по энергетике в Комиссии Генерального директората по энергетике и транспорту.

Ссылки

  • BP 2015. Energy Outlook 2035. http://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/energy-outlook-2035.html.Bp.com/energy-outlook,# BPstats.
  • Эдвардс, Р. 2013 г. Well-to-wheels: Представляем консорциум JEC и его методологию WTW, Брюссель, 13 мая 2013 г.
  • Европейский план стратегических транспортных технологий (STTP), 2012 г. стратегический план энергетических технологий (План SET) — На пути к низкоуглеродному будущему», COM (2007) 723; COM(2012)501 финал; SWD (2012) финал.
  • МЭА. 2014. Ключевая мировая энергетическая статистика. http://www.iea.org/newsroomandevents/agencyannouncements/key-world-energy-statistics-2014-now-available-for-free.html.
  • Лью, К.Э. 2011. Докторская диссертация, Университет Монпелье. Основания для частичной дегидрогенизации: теоретическое и экспериментальное исследование нового горючего метода.
  • Мазраати, М. 2011. Энергетический обзор ОПЕК 34: 2–72. Прогноз мирового спроса на авиационное топливо.
  • США-МЭА. 2013. Обзор мировой энергетики. Сценарии новой политики. http://www.iea.org/publications/scenariosandprojections/.
  • США EIA. 2015 г. Годовой энергетический прогноз на 2015 г. с прогнозами до 2040 г. http://www.eia.gov/forecasts/aeo/.

Тенденции в области производительности и экономии топлива — двигатели внутреннего сгорания

•В конце 60-х и начале 70-х годов основной целью автомобилестроения было увеличение мощности за счет увеличения рабочего объема двигателя. Этот большой объем двигателя привел к увеличению мощности и крутящего момента, но в конечном итоге привел к снижению эффективности использования топлива.

• С двигателями большего диаметра эти автомобили сжигали больше топлива на пройденную милю из-за того, что в двигателе происходит большее сгорание.

• Как вы можете видеть на рисунке выше, экономия топлива значительно увеличилась с течением времени вместе с мощностью. Это увеличение экономии топлива и мощности связано с корректировкой таких факторов, как соотношение воздуха и топлива и улучшение конструкции двигателя в целом.

• Чтобы дополнительно показать изменения мощности и расхода топлива, обратитесь к приведенному выше графику.Показано, что в начале 80-х годов произошло резкое снижение производительности транспортных средств из-за проблем с безопасностью, связанных с очень распространенными двигателями большого диаметра в начале 70-х и конце 60-х годов. В конце 80-х транспортное средство стало намного более безопасным, и производители автомобилей снова начали увеличивать мощность двигателя. Поскольку производители автомобилей снова начали увеличивать мощность, экономия топлива начала снижаться в начале 80-х годов примерно до 2005 года. Дополнительные исследования и разработки в области экономии топлива и конструкции двигателя в начале 2000-х годов привели к увеличению как экономии топлива, так и мощности двигателя с 2005 года по настоящее время. .

• На этом графике показаны конкретные взаимосвязи между различными аспектами производительности автомобиля с течением времени. Из кривой л.с./рабочий объем видно, что двигатели увеличивают мощность, создаваемую на единицу объема рабочего объема. Это стало возможным благодаря усовершенствованию конструкции двигателя и корректировке соотношения воздуха и топлива. Кривая «Расход топлива/рабочий объем» показывает, что в целом наблюдается уменьшение количества топлива, потребляемого на единицу объема рабочего объема.Это опять-таки можно объяснить улучшениями конструкции двигателя за последние 40 лет. Третья кривая, Потребление топлива/л.с., показывает, что количество топлива, потребляемого двигателем, уменьшилось на единицу лошадиных сил, вырабатываемых двигателем. Другими словами, за последние 40 лет автомобили стали более экономичными без относительной потери мощности, вырабатываемой двигателем. Инженеры разработали двигатели, чтобы они были более экономичными, не жертвуя при этом мощностью двигателя.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.