РазноеКпд двигателя: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Кпд двигателя: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Содержание

Определение КПД электродвигателя и его мощности

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель.
Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры.
Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1
где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;


Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95.
Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами.
Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который  показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При  уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.


 Электродвигатель АИР характеристики
Тип двигателя  Р, кВт Номинальная частота вращения, об/мин кпд,* COS ф 1п/1н Мп/Мн Мmах/Мн 1н, А Масса, кг
Купить АИР56А2 0,18 2840 68,0 0,78 5,0 2,2 2,2 0,52 3,4
Купить АИР56В2 0,25 2840 68,0 0,698
5,0
2,2 2,2 0,52 3,9
Купить АИР56А4 0,12 1390 63,0 0,66 5,0 2,1 2,2 0,44 3,4
Купить АИР56В4 0,18 1390 64,0 0,68 5,0 2,1 2,2 0,65 3,9
Купить АИР63А2 0,37 2840 72,0 0,86
5,0
2,2 2,2 0,91 4,7
Купить АИР63В2 0,55 2840 75,0 0,85 5,0 2,2 2,3 1,31 5,5
Купить АИР63А4 0,25 1390 68,0 0,67 5,0 2,1 2,2 0,83 4,7
Купить АИР63В4 0,37 1390 68,0
0,7
5,0 2,1 2,2 1,18 5,6
Купить АИР63А6 0,18 880 56,0 0,62 4,0 1,9 2 0,79 4,6
Купить АИР63В6 0,25 880 59,0 0,62 4,0 1,9 2 1,04 5,4
Купить АИР71А2 0,75 2840 75,0
0,83
6,1 2,2 2,3 1,77 8,7
Купить АИР71В2 1,1 2840 76,2 0,84 6,9 2,2 2,3 2,6 10,5
Купить АИР71А4 0,55 1390 71,0 0,75 5,2 2,4 2,3 1,57 8,4
Купить АИР71В4 0,75 1390
73,0
0,76 6,0 2,3 2,3 2,05 10
Купить АИР71А6 0,37 880 62,0 0,70 4,7 1,9 2,0 1,3 8,4
Купить АИР71В6 0,55 880 65,0 0,72 4,7 1,9 2,1 1,8 10
Купить АИР71А8 0,25 645
54,0
0,61 4,7  1,8 1,9 1,1 9
Купить АИР71В8 0,25 645 54,0 0,61 4,7  1,8 1,9 1,1 9
Купить АИР80А2 1,5 2850 78,5 0,84 7,0 2,2 2,3 3,46 13
Купить АИР80А2ЖУ2 1,5
2850
78,5 0,84 7,0 2,2 2,3 3,46 13
Купить АИР80В2 2,2 2855 81,0 0,85 7,0 2,2 2,3 4,85 15
Купить АИР80В2ЖУ2 2,2 2855 81,0 0,85 7,0 2,2 2,3 4,85 15
Купить АИР80А4 1,1
1390
76,2 0,77 6,0 2,3 2,3 2,85 14
Купить АИР80В4 1,5 1400 78,5 0,78 6,0 2,3 2,3 3,72 16
Купить АИР80А6 0,75 905 69,0 0,72 5,3 2,0 2,1 2,3 14
Купить АИР80В6 1,1 905 72,0 0,73 5,5 2,0 2,1 3,2 16
Купить АИР80А8 0,37 675 62,0 0,61 4,0 1,8 1,9 1,49 15
Купить АИР80В8 0,55 680 63,0 0,61 4,0 1,8 2,0 2,17 18
Купить АИР90L2
3,0
2860 82,6 0,87 7,5 2,2 2,3 6,34 17
Купить АИР90L2ЖУ2 3,0 2860 82,6 0,87 7,5 2,2 2,3 6,34 17
Купить АИР90L4 2,2 1410 80,0 0,81 7,0 2,3 2,3 5,1 17
Купить АИР90L6 1,5 920 76,0 0,75 5,5 2,0 2,1 4,0 18
Купить АИР90LA8 0,75 680 70,0 0,67 4,0 1,8 2,0 2,43 23
Купить АИР90LB8 1,1 680 72,0 0,69 5,0 1,8 2,0 3,36 28
Купить АИР100S2 4,0 2880 84,2 0,88 7,5 2,2 2,3 8,2 20,5
Купить АИР100S2ЖУ2 4,0 2880 84,2 0,88 7,5 2,2 2,3 8,2 20,5
Купить АИР100L2 5,5 2900 85,7 0,88 7,5 2,2 2,3 11,1 28
Купить АИР100L2ЖУ2 5,5 2900 85,7 0,88 7,5 2,2 2,3 11,1 28
Купить АИР100S4 3,0 1410 82,6 0,82 7,0 2,3 2,3 6,8 21
Купить АИР100L4 4,0 1435 84,2 0,82 7,0 2,3 2,3 8,8 37
Купить АИР100L6 2,2 935 79,0 0,76 6,5 2,0 2,1 5,6 33,5
Купить АИР100L8 1,5 690 74,0 0,70 5,0 1,8 2,0 4,4 33,5
Купить АИР112M2 7,5 2895 87,0 0,88 7,5 2,2 2,3 14,9 49
Купить АИР112М2ЖУ2 7,5 2895 87,0 0,88 7,5 2,2 2,3 14,9 49
Купить АИР112М4 5,5 1440 85,7 0,83 7,0 2,3 2,3 11,7 45
Купить АИР112MA6 3,0 960 81,0 0,73 6,5 2,1 2,1 7,4 41
Купить АИР112MB6 4,0 860 82,0 0,76 6,5 2,1 2,1 9,75 50
Купить АИР112MA8 2,2 710 79,0 0,71 6,0 1,8 2,0 6,0 46
Купить АИР112MB8 3,0 710 80,0 0,73 6,0 1,8 2,0 7,8 53
Купить АИР132M2 11 2900 88,4 0,89 7,5 2,2 2,3 21,2 54
Купить АИР132М2ЖУ2 11 2900 88,4 0,89 7,5 2,2 2,3 21,2 54
Купить АИР132S4 7,5 1460 87,0 0,84 7,0 2,3 2,3 15,6 52
Купить АИР132M4 11 1450 88,4 0,84 7,0 2,2 2,3 22,5 60
Купить АИР132S6 5,5 960 84,0 0,77 6,5 2,1 2,1 12,9 56
Купить АИР132M6 7,5 970 86,0 0,77 6,5 2,0 2,1 17,2 61
Купить АИР132S8 4,0 720 81,0 0,73 6,0 1,9 2,0 10,3 70
Купить АИР132M8 5,5 720 83,0 0,74 6,0 1,9 2,0 13,6 86
Купить АИР160S2 15 2930 89,4 0,89 7,5 2,2 2,3 28,6 116
Купить АИР160S2ЖУ2 15 2930 89,4 0,89 7,5 2,2 2,3 28,6 116
Купить АИР160M2 18,5 2930 90,0 0,90 7,5 2,0 2,3 34,7 130
Купить АИР160М2ЖУ2 18,5 2930 90,0 0,90 7,5 2,0 2,3 34,7 130
Купить АИР160S4 15 1460 89,4 0,85 7,5 2,2 2,3 30,0 125
Купить АИР160S4ЖУ2 15 1460 89,4 0,85 7,5 2,2 2,3 30,0 125
Купить АИР160M4 18,5 1470 90,0 0,86 7,5 2,2 2,3 36,3 142
Купить АИР160S6 11 970 87,5 0,78 6,5 2,0 2,1 24,5 125
Купить АИР160M6 15 970 89,0 0,81 7,0 2,0 2,1 31,6 155
Купить АИР160S8 7,5 720 85,5 0,75 6,0 1,9 2,0 17,8 125
Купить АИР160M8 11 730 87,5 0,75 6,5 2,0 2,0 25,5 150
Купить АИР180S2 22 2940 90,5 0,90 7,5 2,0 2,3 41,0 150
Купить АИР180S2ЖУ2 22 2940 90,5 0,90 7,5 2,0 2,3 41,0 150
Купить АИР180M2 30 2950 91,4 0,90 7,5 2,0 2,3 55,4 170
Купить АИР180М2ЖУ2 30 2950 91,4 0,90 7,5 2,0 2,3 55,4 170
Купить АИР180S4 22 1470 90,5 0,86 7,5 2,2 2,3 43,2 160
Купить АИР180S4ЖУ2 22 1470 90,5 0,86 7,5 2,2 2,3 43,2 160
Купить АИР180M4 30 1470 91,4 0,86 7,2 2,2 2,3 57,6 190
Купить АИР180М4ЖУ2 30 1470 91,4 0,86 7,2 2,2 2,3 57,6 190
Купить АИР180M6 18,5 980 90,0 0,81 7,0 2,1 2,1 38,6 160
Купить АИР180M8 15 730 88,0 0,76 6,6 2,0 2,0 34,1 172
Купить АИР200M2 37 2950 92,0 0,88 7,5 2,0 2,3 67,9 230
Купить АИР200М2ЖУ2 37 2950 92,0 0,88 7,5 2,0 2,3 67,9 230
Купить АИР200L2 45 2960 92,5 0,90 7,5 2,0 2,3 82,1 255
Купить АИР200L2ЖУ2 45 2960 92,5 0,90 7,5 2,0 2,3 82,1 255
Купить АИР200M4 37 1475 92,0 0,87 7,2 2,2 2,3 70,2 230
Купить АИР200L4 45 1475 92,5 0,87 7,2 2,2 2,3 84,9 260
Купить АИР200M6 22 980 90,0 0,83 7,0 2,0 2,1 44,7 195
Купить АИР200L6 30 980 91,5 0,84 7,0 2,0 2,1 59,3 225
Купить АИР200M8 18,5 730 90,0 0,76 6,6 1,9 2,0 41,1 210
Купить АИР200L8 22 730 90,5 0,78 6,6 1,9 2,0 48,9 225
Купить АИР225M2 55 2970 93,0 0,90 7,5 2,0 2,3 100 320
Купить АИР225M4 55 1480 93,0 0,87 7,2 2,2 2,3 103 325
Купить АИР225M6 37 980 92,0 0,86 7,0 2,1 2,1 71,0 360
Купить АИР225M8 30 735 91,0 0,79 6,5 1,9 2,0 63 360
Купить АИР250S2 75 2975 93,6 0,90 7,0 2,0 2,3 135 450
Купить АИР250M2 90 2975 93,9 0,91 7,1 2,0 2,3 160 530
Купить АИР250S4 75 1480 93,6 0,88 6,8 2,2 2,3 138,3 450
Купить АИР250M4 90 1480 93,9 0,88 6,8 2,2 2,3 165,5 495
Купить АИР250S6 45 980 92,5 0,86 7,0 2,1 2,0 86,0 465
Купить АИР250M6 55 980 92,8 0,86 7,0 2,1 2,0 104 520
Купить АИР250S8 37 740 91,5 0,79 6,6 1,9 2,0 78 465
Купить АИР250M8 45 740 92,0 0,79 6,6 1,9 2,0 94 520
Купить АИР280S2 110 2975 94,0 0,91 7,1 1,8 2,2 195 650
Купить АИР280M2 132 2975 94,5 0,91 7,1 1,8 2,2 233 700
Купить АИР280S4 110 1480 94,5 0,88 6,9 2,1 2,2 201 650
Купить АИР280M4 132 1480 94,8 0,88 6,9 2,1 2,2 240 700
Купить АИР280S6 75 985 93,5 0,86 6,7 2,0 2,0 142 690
Купить АИР280M6 90 985 93,8 0,86 6,7 2,0 2,0 169 800
Купить АИР280S8 55 740 92,8 0,81 6,6 1,8 2,0 111 690
Купить АИР280M8 75 740 93,5 0,81 6,2 1,8 2,0 150 800
Купить АИР315S2 160 2975 94,6 0,92 7,1 1,8 2,2 279 1170
Купить АИР315M2 200 2975 94,8 0,92 7,1 1,8 2,2 248 1460
Купить АИР315МВ2 250 2975 94,8 0,92 7,1 1,8 2,2 248 1460
Купить АИР315S4 160 1480 94,9 0,89 6,9 2,1 2,2 288 1000
Купить АИР315M4 200 1480 94,9 0,89 6,9 2,1 2,2 360 1200
Купить АИР315S6 110 985 94,0 0,86 6,7 2,0 2,0 207 880
Купить АИР315М(А)6 132 985 94,2 0,87 6,7 2,0 2,0 245 1050
Купить АИР315MВ6 160 985 94,2 0,87 6,7 2,0 2,0 300 1200
Купить АИР315S8 90 740 93,8 0,82 6,4 1,8 2,0 178 880
Купить АИР315М(А)8 110 740 94,0 0,82 6,4 1,8 2,0 217 1050
Купить АИР315MВ8 132 740 94,0 0,82 6,4 1,8 2,0 260 1200
Купить АИР355S2 250 2980 95,5 0,92 6,5 1.6 2,3 432,3 1700
Купить АИР355M2 315 2980 95,6 0,92 7,1 1,6 2,2 544 1790
Купить АИР355S4 250 1490 95,6 0,90 6,2 1,9 2,9 441 1700
Купить АИР355M4 315 1480 95,6 0,90 6,9 2,1 2,2 556 1860
Купить АИР355MА6 200 990 94,5 0,88 6,7 1,9 2,0 292 1550
Купить АИР355S6 160 990 95,1 0,88 6,3 1,6 2,8 291 1550
Купить АИР355МВ6 250 990 94,9 0,88 6,7 1,9 2,0 454,8 1934
Купить АИР355L6 315 990 94,5 0,88 6,7 1,9 2,0 457 1700
Купить АИР355S8 132 740 94,3 0,82 6,4 1,9 2,7 259,4 1800
Купить АИР355MА8 160 740 93,7 0,82 6,4 1,8 2,0 261 2000
Купить АИР355MВ8 200 740 94,2 0,82 6,4 1,8 2,0 315 2150
Купить АИР355L8 132 740 94,5 0,82 6,4 1,8 2,0 387 2250

Эффективный КПД двигателя

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
29913 1

В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном тепловые двигатели, в первую очередь двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих потерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе.

Важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу.

Эффективный КПД
Характеристика двигателя, отражающая степень использования теплоты с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических. Представляет собой отношение полезной механической работы ко всей затраченной теплоте.

По определению выше:

ηe = Ae/Q1,

где Ae – полезная механическая работа; Q1 – затраченная теплота.

Также можно выразить эффективный КПД, используя другие коэффициенты полезного действия двигателя:

ηe = ηi·ηm = ηt·ηg·ηm,

где ηi – индикаторный КПД; ηm – механический КПД; ηt – термический КПД; ηg – относительный КПД.

Например, при работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.

Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером экономии топлива, необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для привода турбокомпрессора или вспомогательной турбины.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 24.03.2011

Читайте также

Комментарии

Тема КПД | Роторные двигатели

КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.

СТАТЬЯ №1

 

КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?

 

Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.

Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.

В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.

* * *     Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД .

Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.

Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.

Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:

  • топливная эффективность;
  • термический КПД;
  • механический КПД;

 

Суть этих значений такова:

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

Рассмотрим, кратко все эти позиции:
    Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось.
Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.

Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.

    Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.

В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.

Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.

Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?

Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа.

Поэтому чисто по правилам формальной логики КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…

А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…

РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВСПостараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя. * * *
     Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.

    Задача – получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.

Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?

Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.

Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек.

Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух.

Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.

Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.

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


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

Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет печальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.
Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.

Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп.

И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».

Путь избавления от этого недостатка:
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.

В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.

Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.

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

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

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

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

Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр. Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода.

Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.

Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя.

Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся. Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу.


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

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

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

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

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

 


Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр.
&nbsp Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения.

Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.

 

ИТОГ:

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

После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.

В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.

 

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

 


 

 

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

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

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

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

При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня.

Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.

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

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

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

Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.
Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет.

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

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

 

СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2:

ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ

26.01.13г.

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

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

 

Первый в истории двигатель внутренего сгорания — двигатель Ленуара. 1860г

Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя.Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.

В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз.
Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.

Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин.
Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;

делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.

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


Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше. Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой. Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту.Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.
Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;

ВЫВОД— двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….

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

Атмосферный двигатель Отто образца 1864года. Справа на фото выставлен поршень с длинной зубчатой рейкой, которая дает представление о длине рабочего хода. При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.

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


Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного.
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.

В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.

А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.

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

ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:

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

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

КПД теплового двигателя

всем привет меня зовут владимир романов тема урока коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания рассмотрим схематически двигатель внутреннего сгорания под поршень поступает топливо затем от искры вырабатываемой свечой топлива возгораются при сгорании топлива образуется газ с очень высоким давлением этот газ давит на цилиндр и цилиндр движется вниз при сгорании топлива выделяется теплота пусть это будет q1 это количество теплоты будет соответствовать какой-то температуре пусть это будет температура т1 при сгорании топлива образуется газ который расширяется и толкает цилиндр вниз поэтому объем сверху цилиндра увеличивается газ же совершая работу при этом охлаждается пусть это будет температура т2 которая меньше чем температура т1 и после того как поршень уйдет вниз у газа под поршнем будет количество теплоты q 2 которая будет также меньше чем количество теплоты q 1 и изменения в количестве теплоты дельта кум которая будет равняться разнице q1 минус q2 будет идти на совершение полезной работы q1 принято называть количеством теплоты полученные от нагревателя а q2 называют количество теплоты отданное холодильнику и q1 всегда больше чем q2 им коэффициент полезного действия это отношение полезной работы количеству теплоты полученный от нагревателя коэффициент полезного действия выражают в процентах для этого нам нужно это отношение умножить на 100 процентов давайте вместо полезной работы подставим разность количество теплоты мы получим еще одну формулу для вычисления коэффициента полезного действия двигателя в среднем коэффициент полезного действия бензиновых двигателей от 20 процентов до 30 а коэффициент полезного действия дизельного двигателя может доходить до сорока процентов теперь давайте разберемся почему машины с турбированным двигателем обладают большей мощностью турбина в автомобиле нагнетает в камеру сгорания двигателя больше воздуха при увеличении кислорода повышается температура горения топлива при повышении температуры горения увеличивается количество теплоты получаемое от того же самого количество топлива если у нас увеличивается q1 следовательно увеличивается полезная работа совершаемая двигателем и при увеличении полезные работы возрастает коэффициент полезного действия двигателя поэтому турбированные автомобили обладают большей мощностью при том же самом объеме двигателя теперь давайте рассмотрим ещё один тип двигателей это турбина турбина схематически представляет из себя диск с прикрепленными к нему лопастями на эти лопасти или турбины и лопатки подается под большим давлением горячий пар и этот пар заставляет вращаться турбину в наши дни турбины используются на электростанциях и с помощью турбинных двигателей мы получаем электрический ток который мы все и пользуемся коэффициент полезного действия турбины выше чем у двигателей внутреннего сгорания и может доходить до 60 процентов теперь мы рассмотрим решение задач нагреватель за какое-то время отдает 120 килоджоулей тепла тепловой двигатель при этом совершает полезную работу равную 30 кило джоулям найдите коэффициент полезного действия двигателя у нас количество теплоты полученные от нагревателя это q1 теперь за пишем формулу для расчета коэффициента полезного действия двигателя и подставим наши значения мы не будем переводить 30 и 120 килоджоулей в джоули так как при делении килоджоулей у нас приставка кило сократится и мы получим 25 процентов задача номер два тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты равное 600 килоджоулей какую полезную работу совершает двигатель если его кпд равняется 30 процентам у нас количество теплоты полученный от нагревателя это q1 и полезная работа будет равняться 30 процентам от этого числа чтобы нам от 600 найти 30 процентов нам нужно 600 разделить на 100 и умножить на 30 или что то же самое 600 умножить на 0,3 мы получим 180 так как q1 у нас была в килоджоулях то следовательно и полезная работа будет также в килоджоулях задача номер 3 какое количество теплоты получил тепловой двигатель от нагревателя за 1 час если его полезная мощность равна 2 киловатта а коэффициент полезного действия двадцати процентам мощность двигателя равняется отношению полезной работы к временем перенесем время в левую часть в числитель мы получим формулу для вычисления полезной работы переведем 1 час в секунды получим 3600 секунд и киловатт и переведем ваты мы получим 2000 ватт подставляем эти значения в формулу для работы получим 7 миллионов 200 тысяч джоулей давайте от считаем 6 эфир и поставим запятую у нас будут мегаджоуль и теперь запишем формулу для расчета коэффициента полезного действия поменяем местами q1 и кпд двигателя получим формулу для расчета количества теплоты полученного от нагревателя подставляем наши значения у нас получится 36 так как полезная работа у нас была взята в мега джоулях то и количество теплоты у нас будет так же мега джоулях и так за 1 час работы тепловой двигатель получил от нагревателя 36 мегаджоулей на сегодня это все вопросы и пожелания по урокам пишите в комментариях получайте только хорошие оценки всем пока

Двигатель с КПД выше 50 %

Конференция в Цзинань

16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущая в области двигателестроения в Китае, во главе с председателем Таном Сюйгуаном – провели пресс-конференцию в г. Цзинань провинция Шаньдун. В ходе которой было официально объявлено о выпуске первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50%.

На конференции немецкая TÜV SÜD (всемирная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайский исследовательский центр автомобильных технологий» вручили корпорации Weichai сертификат, подтверждающий, что эффективный КПД нового дизельного двигателя WP13H560E65 превысил 50,26%.

История создания

Эффективный КПД – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность, а уровень выбросов ниже. С 1897 года, когда впервые был успешно использован двигатель внутреннего сгорания, и за сто лет модернизации и технологических инноваций эффективный КПД дизельного топлива вырос с 26% до 46%. На сегодняшний день с постоянным ужесточением нормативов выбросов, процесс роста эффективного КПД значительно замедлился. Данная проблема стала общемировой технологической трудностью в отрасли двигателестроения.

Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период корпорация накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно совершенствует ключевые технологии. За последние 10 лет корпорация инвестировала 4,5 миллиардов долларов, привлекла более 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов со всего мира, более 3000 исследователей для участия в разработках. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан в Китае корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более 1 миллиона единиц двигателей.

Последние несколько лет корпорация Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению эффективного КПД. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, которая осуществляла огромное количество моделирований и стендовых испытаний, изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение эффективного КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва. Были разработаны пять специальных технологий – технология согласованного сгорания, технология согласованного проектирования, технология распределения энергии выхлопа, технология зонирования смазки и технология интеллектуального управления. Благодаря этим технологиям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности, низких потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления. Это позволило создать двигатель с эффективным КПД выше 50%.

Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.

Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении сгорания. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.

Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.

Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.

Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.

Рост эффективного КПД выше отметки в 50% является революцией в мировом развитии двигателестроения. Свои поздравления в достижении корпорацией Weichai этого исторического прорыва выразили: немецкая корпорация Bosch, австрийская AVL, немецкая FEV, американское Сообщество инженеров-автомехаников, Китайская ассоциация машиностроения, Китайская ассоциация промышленности двигателей внутреннего сгорания, другие авторитетные организации и специалисты.

Корпорация Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с эффективным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться соответствия требованиям уровня выбросов, соответствующих национальному стандарту G6/EU-VI, первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты по отрасли указывают на то, что повышение эффективного КПД с предыдущего уровня с 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и снизить уровень выбросов CO2 на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов СО2 на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом для решения экологических проблем.

Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50% ознаменовало выход китайских технологий тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке двигателя корпорация Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил также о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с эффективным КПД 55%!

Факторы влияния на КПД и мощность


Погода

Общеизвестно, что погодные условия оказывают значительное влияние на КПД двигателя внутреннего сгорания. Поэтому установленные номинальные значения мощности относятся к такой мощности, которую двигатель развивает при номинальных оборотах, работая в определенных погодных условиях.
 
Корпорации-производители договорились о соблюдении международных стандартов испытания двигателей Организации международных стандартов (ISO), которые определены в нормативном документе ISO 3046. Эти нормативы стандартизируют расчет мощности на основе данных, полученных при динамометрических измерениях, с приведением всех значений к мощности, которую двигатель развивает на уровне моря при относительной влажности 30%, температуре 25° C (77° F) и барометрическом давлении 29,61 дюймов ртутного столба.
 
В летних условиях при высокой температуре, низком атмосферном давлении и высокой относительной влажности КПД двигателя снижается. Это в свою очередь приводит к снижению скорости судна, в некоторых случаях, на 3-5 км/час (2-3 мили/час). (См. график выше). Восстановлению нормальной скорости может способствовать только сухая прохладная погода.
С учетом практических последствий влияния погодных условий двигатель, работающий в жаркий, влажный летний день, может потерять до 14% мощности, по сравнению с мощностью, которую он мог бы развить весной или осенью в сухой свежий день. Мощность, развиваемая любым двигателем внутреннего сгорания, зависит от плотности атмосферного воздуха, который он потребляет, а эта плотность, в свою очередь, зависит от температуры воздуха, давления и содержания паров воды (или влажности).
 
Параллельно с потерей мощности, вызванной погодными условиями, происходит вторичная, менее явная и более сложная для определения потеря мощности. Например, при оснастке и регулировке в ранний весенний период двигатель был оборудован гребным винтом, который позволял ему работать на установленных для него скоростях при полностью открытой дроссельной заслонке. При наступлении летней погоды и соответственно снижении его мощности шаг этого гребного винта окажется фактически слишком большим. Следовательно, двигатель будет работать на скорости, ниже рекомендованной.
 
С учетом мощностных/скоростных характеристик двигателя это приведет к дальнейшей потере мощности на гребном винте с дополнительным снижением скорости судна. Но эту вторичную потерю можно компенсировать за счет изменения шага гребного винта на меньший, что позволит двигателю вновь работать на рекомендованных оборотах.
Чтобы владельцы моторных лодок могли реализовать оптимальную производительность двигателя при изменяющихся погодных условиях, необходимо оснащать двигатель гребным винтом надлежащего шага, который позволит ему работать на оборотах, лежащих в верхнем участке диапазона рекомендованных максимальных скоростей, или близких к ним, при полностью открытой дроссельной заслонке и нормальной загрузке судна.
 
Это не только позволяет двигателю развивать полную мощность, но и работать, что в равной степени важно, в скоростном диапазоне, который препятствует возникновению повреждений от детонации, что, безусловно, повышает общую надежность и увеличивает срок службы двигателя.

Судно
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ГРУЗА
 

1.    Правильное размещение груза в лодке (людей и оборудования) оказывает существенное влияние на  эксплуатационные характеристики лодки, например:
a. Смещение груза назад (в сторону кормы)

  • в целом увеличивает предельную скорость.
  • если же оно слишком велико, то это может вызвать эффект дельфинирования, т.е. лодка будет «козлить», подпрыгивать.
  • может вызвать слишком большое подскакивание лодки на водной глади с зыбью или небольшими волнами.
  • может увеличить опасность того, что волны начнут захлестывать и накрывать лодку при выходе из режима скольжения по поверхности воды.
б. Смещение груза вперед (в сторону носа)
  • улучшает скольжение по воде.
  • в целом улучшает движение по неспокойной воде.
  • если оно слишком велико, то может привести к уводу лодки влево или вправо (т.е. непроизвольному носовому рулению).

ДНИЩЕ
 
Для развития максимальной скорости днище лодки должно быть почти плоским в области соприкосновения с водной поверхностью и особенно прямым и гладким в продольном направлении.
 
1. «Ныряние» имеет место тогда, когда, глядя сбоку, днище вогнуто в продольном направлении. Когда лодка скользит/планирует, «ныряние» приводит к подъему днища лодки в области транца, при этом нос опускается, тем самым значительно увеличивая «смоченную» поверхность и снижая скорость. Вогнутость часто возникает тогда, когда при транспортировке на трейлере или во время хранения опора под лодкой  слишком смещена в сторону транца.
 
2. «Качание» – это прямая противоположность тому, что происходит от вогнутости днища и имеет место гораздо реже. «Качание» возникает, если, глядя сбоку, днище имеет выпуклую поверхность в продольном направлении, при этом лодка начинает сильно дельфинировать.
 
3. Шероховатость: Мох, налипшие ракушки и т.п. на днище лодки или коррозия корпуса коробки передач ПЛМ увеличивают поверхностное трение и приводят к потере скорости.

 
ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ
 
Очень важно, чтобы во время монтажа все сквозные крепления через корпус были покрыты качественным морским герметиком. Проникновение воды в транцевую корму и/или корпус приведет к дополнительному увеличению веса лодки (снижению КПД), разрушению корпуса и, в конечном итоге, к поломке элементов конструкции лодки.
 

КАВИТАЦИЯ
 
Кавитация вызывается воздушными пузырьками, которые образуются либо от острых краев или углов на коробке передач, либо от неровностей на лопастях самого гребного винта. При ударе о поверхность лопасти винта эти пузырьки лопаются, вызывая разъедание этой поверхности. При длительном воздействии это в конечном итоге приведет к разрушению (поломке) лопасти.

 
Двигатель
ДЕТОНАЦИЯ
 
Детонация в 2-тактном двигателе похожа на «стук» в двигателе автомобиля. По-другому ее можно определить как «дробь» или «звон» при ударах о жесть.
 
Детонация – это взрыв несгоревшей части топливной смеси с воздухом после возникновения искры на свече.
Она создает в двигателе сильные ударные взрывные волны, и эти волны часто находят или создают слабые места, например, на своде поршня, головке цилиндра или прокладке, кольцах и пальцах поршня и роликовых подшипниках.

Ниже приведены некоторые из наиболее часто встречающихся причин детонации в применяемых на судах 2-тактных двигателях:

  • Слишком раннее зажигание.
  • Использование бензина с низким октановым числом.
  • Слишком большой шаг гребного винта (обороты двигателя ниже максимально рекомендованных).
  • Бедная топливная смесь в области полностью открытой дроссельной заслонки.
  • Свечи зажигания (слишком высокий тепловой диапазон) – несвоевременная искра — неправильный порядок зажигания).
  • Недостаточное охлаждение двигателя (старение или износ системы охлаждения).
  • Отложения в камере сгорания или на поршне (в результате более высокий коэффициент компрессии).
     
Обычно детонацию можно устранить, если:
 
1. правильно установить и отрегулировать двигатель.
 
2. осуществлять техобслуживание и вовремя устранять причины детонации.

 


 
Повреждение поршня в результате детонации

Эффективный коэффициент полезного действия двигателя

Количество используемой теплоты для получения эффективной работы (работы на коленчатом валу) определяется эффективным к. п. д. ?е, кото­рый равен отношению количества тепла, превращенного в эффективную ра­боту, к количеству тепла, затраченному на совершение этой работы. Таким образом, ?е учитывает все потери двигателя, т. е. как тепловые, так и механические. Если ?i характеризует собой совершенство индикатор­ного процесса двигателя, т. е. совершенство рабочего цикла, то ?е является показателем экономичности работы двигателя и характеризует совершенство рабочего цикла и конструкции двигателя.

Выражение (150) позволяет сделать заключение, что эффективный к. п. д., так же, как и индикаторный к. п. д., в основном зависит от ? и pi, кроме того, от механического к. п. д. ?т.

Значения ?е и ge у выполненных двигателей при номинальной мощно­сти и числе оборотов составляют:

Наибольшие удельные расходы топлива и соответственно наименьшие значения эффективного к. п. д. как для четырехтактных, так и для двухтакт­ных дизелей относятся к быстроходным типам двигателя. Приведенные зна­чения ?m, ?i и ?е, а соответственно gi и ge, имеют двигатели при нормаль­ном техническом состоянии. При длительной работе двигателя, вследствие изнашивания трущихся деталей и увеличения зазоров, происходит сниже­ние параметров конца процесса сжатия, ухудшение условий смазки, ухуд­шение качества смесеобразования и др. Все это приводит к снижению тепло-

использования в двигателе, а следовательно, к уменьшению це и повышению стоимости эксплуатации двигателя. Для предотвращения этого двигатели подвергаются, согласно инструкции по обслуживанию, профилактическому ремонту и периодическим контрольным теплотехническим испытаниям.


Насколько эффективен двигатель вашего автомобиля

Это стало рутиной. Вы садитесь в машину, поворачиваете ключ, включаете передачу, жмете на газ и вперед. Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, что нужно, чтобы ваша машина завелась? Приведение в действие транспортного средства на дороге требует, чтобы тысячи деталей работали вместе. В ответ на ваши инструкции они управляют непрерывным потоком энергии, когда автомобиль разгоняется, движется и тормозит, обеспечивая при этом оптимальную эффективность и экономию топлива.

При обсуждении автомобильных двигателей эффективность измеряется тем, сколько энергии в бензине фактически преобразуется в мощность, которая двигает автомобиль по дороге. К сожалению, даже при регулярном техническом обслуживании автомобиля, таком как тюнинг или замена масла, современные бензиновые двигатели эффективны всего на 30-35 процентов, а это означает, что примерно 65 центов из каждого доллара, который вы тратите на бензин, тратится впустую. Чтобы решить эту проблему, автопроизводители и их поставщики вкладывают огромные ресурсы в повышение эффективности двигателя, соответствие стандартам экономии топлива Агентства по охране окружающей среды и сокращение выбросов выхлопных газов.

Будущее топливной экономичности автомобилей

Несколько типов гибридных силовых агрегатов и новых конструкций трансмиссии внедряются или совершенствуются для повышения экономии топлива. Недавним примером являются системы «стоп-старт», которые повышают эффективность за счет временного отключения двигателя, когда автомобиль стоит в пробке. Другие ключевые технологические разработки, которые изучаются, включают:

• Усовершенствования механической работы двигателя

• Усовершенствования процесса сгорания

• Инновации, отключающие некоторые цилиндры, когда их мощность не нужна


Несколько отраслевых групп также лоббируют использование бензина с более высоким октановым числом, что позволит в будущем производить дополнительные модификации двигателей для повышения эффективности.

Как стиль вождения влияет на расход топлива

Сегодня наиболее эффективные автомобили, как правило, имеют самые высокие оценки экономии топлива в своем классе по оценке Агентства по охране окружающей среды. При поиске оптимальной эффективности не забывайте о собственном стиле вождения, который оказывает большое влияние на расход топлива. Проверенные методы, которые существенно влияют на экономию топлива, включают умеренное ускорение, раннее переключение на более высокую передачу, соблюдение ограничений скорости, движение накатом до остановившегося транспорта, «синхронизацию» светофоров и «движение вперед», чтобы исключить ненужное торможение и ускорение.

6.2: Двигатели и тепловая эффективность

Простой двигатель

Циклические процессы позволяют иметь повторяющиеся способы преобразования тепловой энергии, поступающей в газ, в рабочую энергию, покидающую газ. Мы знаем, что для теплообмена должна существовать разница температур, и правильно спроектированное устройство может работать в цикле, чтобы использовать разницу температур для получения полезной механической энергии. Такое устройство называется тепловой машиной .Конечно, для этого требуется циклический процесс, который проходит по часовой стрелке на диаграмме \(PV\). Теперь мы рассмотрим простейший вариант двигателя, который образует прямоугольник на своей диаграмме \(PV\). Мы будем делать акцент на том, чтобы визуализировать каждый этап цикла как физический процесс, в котором поршень обменивается теплом с тепловым резервуаром и/или взаимодействует с окружающей средой.

Рисунок 6.2.1 – Простой механизм

Начнем с того, что мы уже знаем о циклах — поскольку термодинамическое состояние возвращается к тому, с чего оно началось, внутренняя энергия не изменяется в течение цикла, а это означает, что выходящая энергия работы (равная площадь, заключенная в петле) равна теплоте, поступающей внутрь.

\[\Дельта U = 0\;\;\;\Стрелка вправо\;\;\; Q_{in} = W_{out} = \left(P_2-P_1\right)\left(V_2-V_1\right) \]

Теперь мы вычислим тепло, переданное во время всех четырех отдельных этапов циклического процесса, чтобы подтвердить этот результат. При этом мы будем включать диаграмму того, что происходит физически.

Рисунок 6.2.2a – Процесс A–B

Это квазистатический изобарический процесс, при котором тепло медленно передается газу (из термального резервуара, который на каждом этапе процесса чуть теплее, чем газ в двигателе).Температура газа в процессе повышается, а объем увеличивается, при этом в систему поступает тепло. Количество переданного тепла:

\[Q_{AB} = nC_P\Delta T_{AB} = nC_P\left(\dfrac{P_2\Delta V_{AB}}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_P}{R}P_2 \право)\лево(В_2-В_1\право) \]

Рисунок 6.2.2b – Процесс B–C

На этот раз у нас изохорный процесс, и поскольку давление падает, это должно быть потому, что падает температура.Это может происходить только при неизменном объеме, когда тепло уходит из системы, а так как процесс квазистатический, то температура теплового резервуара на протяжении всего процесса несколько ниже температуры газа. Потеря тепла на этом этапе:

\[Q_{BC} = nC_V\Delta T_{BC} = nC_V\left(\dfrac{\Delta P_{BC}V_2}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_V}{R}V_2 \вправо)\влево(P_1-P_2\вправо) \]

Рисунок 6.2.2c – Процесс C–D

Этот третий этап снова представляет собой изобарический процесс, на этот раз с падением температуры и объема.Опять же, этот квазистатический процесс требует, чтобы температура резервуара оставалась немного ниже температуры газа. Потери тепла:

\[Q_{CD} = nC_P\Delta T_{CD} = nC_P\left(\dfrac{P_2\Delta V_{CD}}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_P}{R}P_1 \право)\лево(В_1-В_2\право) \]

Рисунок 6.2.2d – Процесс D–A

Последний этап снова изохорный, и давление увеличивается вместе с температурой за счет тепла, поступающего из термального резервуара, который немного теплее газа.Передаваемое тепло:

\[Q_{DA} = nC_V\Delta T_{DA} = nC_V\left(\dfrac{\Delta P_{DA}V_1}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_V}{R}V_1 \справа)\слева(P_2-P_1\справа) \]

Читателю предлагается в качестве упражнения по алгебре продемонстрировать, что сумма этих четырех теплопередач равна общей теплопередаче, как указано в уравнении 6.2.1. При выполнении этого упражнения будет полезно помнить, что \(C_P = C_V + R\).

Реальные двигатели

Во время приведенных выше расчетов читателю могло прийти в голову, что постоянно возникало одно неудобное требование – тепловой резервуар всегда должен бесконечно мало отличаться по температуре от температуры газа в двигателе.Как именно человек совершает такой подвиг? Резервуар становится немного теплее, увеличивая температуру газа до тех пор, пока они не придут к тепловому равновесию, затем резервуар снова становится немного теплее, так что он снова может отдавать небольшое количество тепла газу, и так далее? Этот процесс, очевидно, не может быть разумно спроектирован, и даже если бы это было возможно, тот факт, что скорость теплового потока связана с разницей температур, означает, что он будет мучительно медленным.

В реальном мире у нас обычно есть два термальных резервуара с фиксированными температурами для работы — один с высокой температурой, от которого двигатель получает тепло, и один с низкой температурой, где двигатель сбрасывает тепло.Обратите внимание, что в приведенном выше простом двигателе газ должен был как получать, так и отдавать тепло, даже если он получил чистое количество тепла, которое он преобразовал в работу. Это оказывается необходимой характеристикой всех двигателей (по причинам, которые мы рассмотрим позже) — двигатель не может просто брать тепло из одного горячего теплового резервуара и преобразовывать его в работу в цикле, не отдавая при этом тепло в другой. , более холодный термальный резервуар. Схема этого общего принципа двигателей показана ниже.

Рисунок 6.2.3 – Реальная схема теплового двигателя

На схеме показаны многие элементы двигателя. Во-первых, процесс должен быть циклическим, что означает, что общее изменение внутренней энергии равно нулю, а общее поступающее тепло (тепло, поступающее из более теплого резервуара за вычетом тепла, отводимого в более холодный резервуар) равняется полной работе, которую необходимо совершить. выходит (технически есть и входная работа, но эта схема включает только работу сети , при этом разделяя «входящее» тепло от «исходящего» по причинам, которые скоро станут ясны).Мы включили теплоты, обмениваемые с двумя резервуарами, в терминах их абсолютных значений, так что нам не нужно заботиться о условном обозначении подвода/отвода тепла. Ясно, что произведенная работа представляет собой разность общей тепловой энергии, поступающей из горячего резервуара, за вычетом общей тепловой энергии, отводимой в холодный тепловой резервуар.

Тепловой КПД

Это правда, что в реальном мире когда мы берем тепло из одного резервуара и отдаем его в другой, более холодный, мы делаем два резервуара немного ближе по температуре.В идеале мы хотели бы избежать «траты впустую» любой из той исходящей тепловой энергии, которая ничего не делает, кроме повышения температуры более холодного резервуара, а вместо этого просто преобразовать всю тепловую энергию, поступающую из горячего резервуара, непосредственно в работу. Достижение этой цели означало бы создание «совершенно эффективного двигателя», и мы бы сказали, что он имеет тепловой КПД 100%. Таким образом, определение процентного КПД любого двигателя довольно очевидно — просто возьмите отношение извлекаемой работы к подведенному теплу:

.

\[e = \dfrac{W_{net}}{Q_H} = \dfrac{\left|Q_H\right|-\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} = 1 — \dfrac {\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|}\]

Следует отметить, что «извлекаемая работа» представляет собой чистую работу — работу, полученную в течение полного цикла, за вычетом вложенной работы (т.е. это площадь внутри замкнутого контура на диаграмме PV по часовой стрелке). Заметьте также, что для этого двигателя температура не просто немного выше температуры газа в двигателе, и на самом деле сила, вызванная давлением газа, ненамного больше, чем внешняя сила, когда совершается работа. Таким образом, ни один из этих процессов не является квазистатическим. Но, как мы видели, это не помешает нам эффективно использовать модели квазистатических процессов.

Позже мы увидим, что двигатели максимально эффективны, когда процессы, за которыми они следуют, обратимы, но, конечно, для некоторых процессов это требует, чтобы задействованный тепловой резервуар изменял свою температуру, чтобы оставаться бесконечно мало больше или меньше, чем температура двигателя.Это противоречит самому понятию «теплового резервуара», поэтому ясно, что реальный КПД двигателя будет хуже, чем у реверсивных двигателей, которые мы можем использовать для их моделирования. Тем не менее, мы можем использовать отношение общей работы к общему теплу для обратимой модели, чтобы вычислить максимально возможную эффективность моделируемого двигателя.

Пример \(\PageIndex{1}\)

В циклическом процессе для двигателя, показанного ниже, процесс от A до B увеличивает давление втрое, процесс от B до C является адиабатическим, а рабочий газ в двигателе одноатомным.{\ frac {3} {5}}V_o \right)\right] = -0,933P_oV_o \end{массив}\right\}\;\;\;\Rightarrow\;\;\; W_{net}=W_1+W_2 = 0,667P_oV_o\номер\]

Тепло уходит из системы во время изобарического процесса, а во время адиабатического процесса тепло не обменивается, поэтому все тепло, поступающее в двигатель, поступает во время изохорного процесса, и это легко вычислить для одноатомного идеального газа:

\[Q_{in} = \frac{3}{2}\Delta P V = 3P_oV_o \nonnumber\]

Эффективность определяется отношением полезной работы к теплу:

\[e = \dfrac{W_{net}}{Q_{in}} = \dfrac{0.667P_oV_o}{3P_oV_o} = 22,2\%\не число\]

 

Цикл Отто

Наш самый узнаваемый тип двигателя — это двигатель внутреннего сгорания, и наиболее распространенный циклический процесс, которому они следуют, называется циклом Отто .

Предупреждение

В дальнейшем, когда слово «газ» относится к газу внутри поршня, который в основном представляет собой воздух. Говоря о бензине (наиболее распространенном топливе для сжигания топлива), мы будем называть его в этой длинной форме — мы не будем использовать сокращенную версию «газ».»

Мы начнем с того, что построим диаграмму \(PV\), которая аппроксимирует процесс, а затем объясним каждую часть цикла.

Рисунок 6.2.4 – Цикл Отто

процесс А-В (адиабатическое сжатие)

Пары бензина (или другого горючего) поступают в камеру и смешиваются с воздухом при низкой температуре (окружающей среды), при которой смесь совершает работу по ее сжатию.Это происходит очень быстро, так что газ не успевает обмениваться теплом с окружающей средой, что и побуждает рассматривать этот процесс как адиабатический.

процесс B-C (изохорный нагрев)

Бензин воспламеняется, что приводит к быстрому изменению температуры газа внутри поршня. Технически тепло поступает не снаружи двигателя, а скорее в результате экзотермического химического процесса, но это одно и то же. Это воспламенение происходит очень внезапно, прежде чем газ успеет расширить поршень, поэтому мы рассматриваем этот процесс как изохорный.

процесс C-D (адиабатическое расширение)

Нагретый газ теперь находится под очень высоким давлением, и это давление расширяет поршень, совершая работу. Опять же, скорость этого процесса настолько велика, что очень мало тепла успевает выйти из поршня, когда он происходит, поэтому мы рассматриваем этот процесс как адиабатический.

процесс D-A (изохорное охлаждение)

После полного расширения охлажденный, но все еще более горячий, чем температура окружающей среды газ выбрасывается из двигателя, и в камеру поступает новая порция воздуха и паров бензина.Технически газ не «охлаждается изохорически», но это равносильно тому, что камера вскоре заполняется новым газом с более низкой температурой и тем же объемом.

Этот пример показывает, как мы можем использовать то, что мы узнали о термодинамических процессах, для анализа реальных ситуаций, даже если наше понимание основано на идеальных ситуациях, которых в реальном мире не существует. Мы просто смотрим на особенности реального процесса и максимально приближаем его к квазистатическому процессу.Во время этого процесса «сопоставления» мы заботимся о том, чтобы конечные точки совпадали правильно (поскольку это состояния равновесия) и чтобы тепло/работа, передаваемые во время процесса, имели смысл. В приведенном выше примере это состояло в том, чтобы спросить, произошел ли процесс быстро (нет времени для отвода тепла) или не изменился ли объем (нет выполненной работы). Вскоре мы снова увидим другую форму этого сопоставления.

Давайте посмотрим на эффективность этого цикла. Имейте в виду, что наша идеализированная версия будет более эффективной, чем то, что мы можем достичь в реальном мире, но это дает нам верхний предел того, на что мы можем надеяться.Чтобы получить КПД, нам нужно тепло, отдаваемое горячим резервуаром, и тепло, забираемое холодным резервуаром. В этом цикле теплообмен происходит только во время процессов B-C и DA, которые оба являются изохорными, поэтому теплообмен пропорционален изменениям температуры. Таким образом, эффективность определяется как:

\[e = 1 — \dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} = 1 — \dfrac{nC_V\left(T_D — T_A\right)}{nC_V\left(T_C — T_B\right)} = 1 — \dfrac{\left(T_D — T_A\right)}{\left(T_C — T_B\right)} \]

Из этого результата должно быть ясно, что двигатель работает более эффективно, когда разница температур между двумя тепловыми резервуарами больше.В данном случае это разница между температурой впрыскиваемого газа и воспламененного газа. Из диаграммы должно быть ясно, что эта разница может быть измерена как разность (или, правильнее сказать, отношение) двух объемов, занимаемых газом. С практической точки зрения, газ нельзя сжать до минимального объема, прежде чем воспламенить его, потому что повышение температуры из-за сжатия само по себе может самопроизвольно воспламенить газ. Топливо с более высоким октановым числом обеспечивает большую степень сжатия без нежелательного самовоспламенения, что повышает эффективность.

Как мы можем сделать вывод из вышеизложенного, КПД этого двигателя можно переписать в терминах переменной, которую нам легче измерить, чем температуры, а именно свойства самого двигателя. Два из четырех процессов являются изохорными, что означает, что объем изменяется только дважды в течение всего цикла, что означает, что нам нужно беспокоиться только о двух объемах — максимальном и минимальном. Максимум возникает при полном расширении поршня, а минимум при его полном сжатии.{1-\гамма}\]

Дизельный цикл

Небольшим изменением цикла Отто можно несколько повысить эффективность. Это изменение заключается в управлении процессом воспламенения таким образом, чтобы он происходил при постоянном давлении, а не при постоянном объеме. В этой конструкции двигателя используется так называемый дизельный цикл . Это, конечно, означает, что воспламенение должно происходить менее «взрывно», что снижает скорость, с которой может произойти цикл, и мы знаем из Физики 9А, что скорость, с которой производится работа, является мощностью цикла, поэтому, хотя это цикл получается более эффективным, он обеспечивает меньшую мощность.

Чтобы определить разницу в КПД, нужно только изменить знаменатель уравнения 6.2.7, учитывающего процесс воспламенения (с B на C). Вместо того, чтобы происходить при постоянном объеме, это происходит при постоянном давлении, что просто изменяет \(C_V\) на \(C_P\), что дает:

\[e = 1-\dfrac{C_V\left(T_D-T_A\right)}{C_P\left(T_C-T_B\right)}=1-\dfrac{1}{\gamma}\;\dfrac{ T_D-T_A}{T_C-T_B}\]

Член, который вычитается из эффективности, уменьшается на коэффициент гаммы, что приводит к более высокой эффективности.Кроме того, возможны более высокие степени сжатия, поскольку воздух сжимается без топлива (топливо добавляется постепенно с помощью топливных форсунок в процессе зажигания, поддерживая постоянное давление), что устраняет проблему воспламенения топлива во время сжатия. Конечно, хотя много лет назад этот процесс применялся исключительно для дизельных двигателей, в настоящее время впрыск топлива и сопровождающая его более высокая степень сжатия являются стандартом для автомобилей, работающих на бензине.

Цикл Карно

Мы смогли искусно описать циклы Отто и Дизеля в терминах 4 квазистатических процессов, рассматривая воспламенение газа как добавление тепла, а не в результате химической реакции, и рассматривая замену газа как выделение тепла. исключен.Без этих приемов сохранение квазистатических процессов сделало бы их очень медленными и не могло бы происходить между резервуарами с двумя фиксированными температурами, как показано на рис. чтобы и изохорический, и изобарический процессы происходили квазистатически, резервуар должен изменять температуру так, чтобы она оставалась лишь бесконечно малой, отличной от температуры газа. Мы не можем получить что-то даром, и на самом деле процессы воспламенения и замещения газа необратимы, что делает эти процессы лишь приблизительно квазистатическими циклами, которые мы объявили.

Из этого анализа мы видим, что проблема с включением изохорных и изобарических процессов в «реальный» случай двигателя, вынужденного работать между двумя резервуарами с фиксированными температурами, заключается в том, что мы не можем сделать эти процессы обратимыми. Но даже при этом фиксированном температурном ограничении резервуаров есть два процесса, которые мы можем (в принципе) выполнять квазистатически. Адиабатический процесс вообще не включает теплопередачу, поэтому относительная температура двигателя и резервуара не имеет значения.Изотермический процесс оставляет температуру двигателя неизменной, поэтому, если она равна температуре резервуара, проблем не возникает.

В обсуждении, последовавшем за уравнением 5.8.20, мы отметили, что в любой данной точке на PV-диаграмме газа адиабата, проходящая через эту точку, круче, чем изотерма, которая также проходит через нее. Из-за этого мы можем создать циклический процесс, в котором используются два изотермических процесса (один вверху, один внизу диаграммы PV) и два адиабатических процесса (по одному на каждой стороне диаграммы PV), и этот цикл может быть приводимый в движение двумя резервуарами с фиксированной температурой.Это известно как цикл Карно .

Рисунок 6.2.5 – Цикл Карно

Мы можем рассчитать КПД этого двигателя так же, как мы это делали с циклами Отто и дизельным двигателем. Отметив, что теплота не передается во время двух адиабатических процессов, и используя уравнение 5.8.16 для теплоты, передаваемой во время двух изотермических процессов, мы имеем:

\[ \слева. \begin{массив}{l} \left|Q_H\right| = W_{out} = nRT_H\ln\left[\dfrac{V_B}{V_A}\right] \\ \left|Q_C\right| = -W_{in} = -nRT_C\ln\left[\dfrac{V_D}{V_C}\right]=nRT_C\ln\left[\dfrac{V_C}{V_D}\right] \\ e = 1 — \ dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} \end{массив} \right\} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; e = 1-\dfrac{T_C}{T_H}\dfrac{\ln\left[\dfrac{V_C}{V_D}\right]}{\ln\left[\dfrac{V_B}{V_A}\right]} \]

Однако здесь мы можем сделать больше.{\gamma-1} \end{массив} \right\} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; \dfrac{V_B}{V_A} = \dfrac{V_C}{V_D}\]

Подстановка их выше приводит к сокращению логарифмов в числителе и знаменателе, что делает эффективность цикла Карно простой функцией температур двух резервуаров:

\[e=1-\dfrac{T_C}{T_H} \]

Чем больше разница температур между двумя резервуарами, тем выше КПД двигателя Карно.

Холодильники

Одна вещь, которую мы постоянно видели в нашем обсуждении двигателей, это то, что циклы на диаграмме PV идут по часовой стрелке.Это гарантирует, что после полного цикла работы из системы выйдет из , а тепла из из . Что произойдет, если мы запустим цикл в обратном порядке? Затем идет работа и уходит тепло. Это основа холодильника . Естественно, это не значит, что мы можем взять двигатель внутреннего сгорания, включить его «задним ходом», и он превратится в кондиционер. Во-первых, мы не можем «не воспламенить» газ. Но мы можем осуществлять процессы в обратном направлении другими средствами. Во-первых, давайте посмотрим на схему для холодильника, как мы сделали для тепловой машины:

Рисунок 6.2.6 – Реальная схема холодильника

КПД холодильника не определяется так же, как двигателя, поскольку здесь цель состоит в том, чтобы отвести как можно больше тепла от холодного резервуара при минимально возможной работе. Поэтому мы определяем коэффициент полезного действия как отношение отведенной теплоты к требуемой работе:

\[K=\dfrac{\left|Q_C\right|}{W}=\dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|-\left|Q_C\right|}\]

Чрезвычайно упрощенный способ представить себе, как работает холодильник, таков: мы знаем, что если мы очень резко сожмем газ, он станет намного горячее (см. пример в самом конце раздела 5.8). Неудивительно, что верно и обратное: резкое расширение поршня газом приводит к сильному охлаждению газа. Предположим, мы хотим, чтобы внутри холодильника было холоднее, чем снаружи (да, это определение холодильника!). Начните с газа в поршне вне холодильника, сожмите его до небольшого объема и подождите сжатым, пока он не достигнет температуры наружного воздуха. Затем резко отпустите поршень и быстро отнесите его в холодильник. Если мы сожмем его достаточно, изменение температуры газа в поршне сделает его температуру ниже температуры внутри холодильника.Подождем немного, пока внутренняя часть холодильника отдает тепло холодному воздуху в поршне, тем самым охлаждая воздух внутри холодильника. Когда они достигают равновесия, мы выносим поршень наружу и повторяем процесс. Это транспортирует тепловую энергию из холодильника.

Работа, совершаемая газом при сжатии, превышает работу, совершаемую газом при расширении (т. е. необходимо ввести чистую работу). Процессы сжатия и расширения являются адиабатическими, а процессы «ожидания» — изохорными, что дает PV-диаграмму, которая выглядит примерно так:

Рисунок 6.2.7 – Схема PV простого холодильника

Очевидно, мы пожертвовали реальностью ради этого понятного «холодильника». Очевидно, что нам не нужно транспортировать поршень в охлаждаемую камеру и из нее, и вместо этого мы можем подавать газ в нее и из нее, сжимая его на выходе и расширяя на входе. Но есть еще довольно большая проблема с этой конструкцией. Для того чтобы тепло передавалось в нужных направлениях в нужные моменты времени, нам нужно, чтобы температура газа после его охлаждения от расширения была ниже температуры окружающей среды в холодильнике.На диаграмме PV температуры внутри и снаружи холодильников более или менее соответствуют температурам состояний B и D соответственно. Это означает, что если мы проводим изотермы через точки B и D , то разрыв между этими изотермами представляет собой максимальный температурный разрыв, который мы можем поддерживать между горячей и холодной областями. Очевидно, это зависит от разницы давлений, которую мы можем создать между сжатым газом и расширенным газом, но с практической точки зрения это является существенным препятствием.

Способ преодоления этого ограничения состоит в переносе большей части тепловой энергии в фазу хладагента. Мы знаем, что мы можем изменять фазы, комбинируя сжатие/расширение и нагрев/охлаждение жидкости, а скрытая теплота парообразования значительна по сравнению с удельной теплоемкостью при небольшом изменении температуры. Это приводит к этому основному процессу:

  • компрессор превращает хладагент в жидкую фазу, которая нагревает его выше температуры наружного воздуха
  • затем жидкость поступает в змеевик конденсатора , целью которого является увеличение площади контакта с наружным воздухом, ускорение процесса сброса тепла
  • к тому времени, когда жидкость прошла через змеевик конденсатора, она находится под высоким давлением, но пришла в термическое равновесие с наружным воздухом, и затем она проходит в расширительный клапан , где она адиабатически расширяется, изменяя фазу назад к газу и значительному падению температуры ниже температуры внутреннего воздуха
  • затем газ проходит через змеевик испарителя , что увеличивает скорость, с которой тепло может попасть в хладагент из внутреннего воздуха, и в конце змеевика испарителя он снова поступает в компрессор, чтобы снова запустить цикл.

Тепловой КПД двигателя — обзор

LCA водородных путей

Водород — это безуглеродный энергоноситель, который можно использовать для питания FCEV. Электромобили на водородных топливных элементах (HFCEV) не производят выхлопных газов, кроме водяного пара, и более энергоэффективны, чем обычные бензиновые ICEV, которые ограничены тепловым КПД двигателя Карно.

HFCEV использует технологию протонообменной мембраны топливных элементов для преобразования химической энергии водорода в электричество.Хотя батарея не обязательно нужна в качестве источника питания для HFCEV, она используется для накопления избыточной электроэнергии во время ездового цикла, что позволяет топливному элементу работать с максимальной эффективностью. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, которая приводит в движение колеса HFCEV (Wind, 2016).

Хотя современные технологии транспортных средств на основе бензина обеспечивают более короткое время заправки и большую дальность пробега по сравнению со многими технологиями электромобилей, они производят выбросы выхлопных газов в виде выбросов парниковых газов и определенных загрязнителей воздуха.Электромобили HFCEV могут достигать времени заправки и дальности пробега, аналогичных бензиновым автомобилям ICEV, при этом устраняя выбросы выхлопных газов и снижая выбросы парниковых газов WTW (Elgowainy and Wang, 2012). Одной из основных проблем использования водорода в качестве топлива является его низкая молекулярная масса, что приводит к низкой объемной плотности энергии и, следовательно, требует сжатия до высокого давления (700 бар) с последующим предварительным охлаждением до — 40°C для обеспечения быстрой дозаправки и сравнимого запаса хода. к бензиновым автомобилям. Хотя для хранения водорода на борту FCEV в различных состояниях были изучены различные технологии хранения, резервуар типа IV на 700 бар является единственным вариантом хранения, используемым в настоящее время компаниями-производителями HFCEV.

Хотя работа HFCEV считается чистой и не связана с выбросами выхлопных газов, производство, доставка и заправка водородом могут привести к выбросам перед транспортным средством. Эти выбросы возникают в основном в результате таких процессов, как производство и сжижение, а также сжатие и предварительное охлаждение на заправочных станциях. На рис. 6A и B схематично показаны пути доставки газообразного и жидкого водорода соответственно.

Рис. 6. (A) Схема путей доставки газообразного водорода.(B) Схема пути доставки жидкого водорода.

Анализ WTW водорода охватывает четыре основных этапа: (1) производство молекул водорода, (2) доставка водорода на заправочную станцию, (3) подача водорода в бортовой резервуар транспортного средства посредством серии компрессий процессы предварительного охлаждения и (4) потребление водорода двигателем FCEV для приведения в движение его колес. Водород обычно производится при низком давлении (∼ 20 бар) и сжимается для передачи с завода на распределительный терминал.На распределительном терминале водород дополнительно сжимается в автоцистернах или сжижается и загружается в криогенные автоцистерны для доставки на заправочные станции (Reddi et al., 2016b).

В настоящее время водород в основном производится путем паровой конверсии метана (ПМР) ПГ. Во-первых, метан внутри ПГ реагирует с паром при высоких температурах (700–1000°C) и давлении 3–25 бар в присутствии катализатора с образованием водорода, монооксида углерода и относительно небольшого количества диоксида углерода.Эта стадия является реакцией пар-метанового риформинга. На втором этапе, «реакции конверсии водяного газа», монооксид углерода и водяной пар реагируют в присутствии катализатора с образованием диоксида углерода и дополнительного количества водорода. На третьем этапе, известном как «адсорбция при переменном давлении», диоксид углерода и другие примеси удаляются, оставляя водород высокой чистоты (> 99,999%). Выбросы парниковых газов от скважины до производства заводов SMR составляют примерно 11 кг CO 2 e на кг H 2 при энергоэффективности процесса SMR 72% (на основе более низкой теплотворной способности) (Аргонн, 2016).

Водород может быть получен из различных неископаемых и возобновляемых источников сырья и, таким образом, может снизить зависимость транспортного сектора от топлива на нефтяной основе при одновременном повышении надежности энергоснабжения и сокращении выбросов парниковых газов. Водород можно производить путем газификации биомассы с использованием тепла, пара и кислорода для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Биомасса, включая древесное и другое целлюлозное сырье, считается возобновляемым ресурсом для производства водорода.Процесс газификации превращает органическое вещество при высоких температурах — в присутствии контролируемого количества кислорода и пара — в монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Подобно этапам, выполняемым в процессе SMR, монооксид углерода далее реагирует с паром с образованием диоксида углерода и дополнительного количества водорода (Reddi et al., 2016a).

Водород также можно получить с помощью электролиза воды, при котором используется электричество для расщепления молекул воды на водород и кислород. Тем не менее, производство водорода путем электролиза с использованием электроэнергии из текущей схемы выработки электроэнергии в энергосистеме США (показанной на рис.7 ) может не снизить выбросы парниковых газов WTW по сравнению с базовыми бензиновыми двигателями ICEV, поскольку большая часть электроэнергии в настоящее время вырабатывается из ископаемых видов топлива, таких как уголь и природный газ. Углеродоемкость средней сети энергосистем США, включая потери при передаче и распределении, составляет 0,54 кг CO 2 e на кВтч электроэнергии (Argonne, 2016). Электролиз является устойчивым вариантом производства водорода, когда электричество производится из возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер. Кроме того, поскольку возобновляемая электроэнергия, вырабатываемая солнцем и ветром, носит прерывистый характер, использование электролизеров для производства и хранения водорода дает возможность сбалансировать проблемы спроса и предложения с сетью.

Рис. 7. Средняя структура выработки электроэнергии в сети США, 2015 г.

Аргонн (Аргоннская национальная лаборатория) (2016 г.). Модель GREET: парниковые газы, регулируемые выбросы и использование энергии в транспортной модели. Доступно по адресу: https://greet.es.anl.gov/index.php.

Доставка водорода включает использование энергии для сжатия или сжижения, передачи, распределения и дозаправки. Водород может быть сжат до умеренного давления около 250–500 бар и загружен в автоцистерны для доставки на заправочные станции, как показано на рис.6А . Трейлер для баллонов может перевозить до 1000 кг сжатого газообразного водорода при нагрузочном давлении 500 бар в баллонах типа III или IV. Затем полуприцеп доставляется на заправочную станцию, где его разгружают или заменяют другим пустым полуприцепом. Трубчатый трейлер на заправочной станции подает водород в газовый компрессор, который сжимает водород в буферную систему хранения высокого давления под давлением около 900 бар. Удельная энергия сжатия находится в диапазоне 2,5–4 кВтч/кг H 2 и зависит от степени сжатия на ступень, количества ступеней и изоэнтропического КПД на ступень (DOE, 2015).Система охлаждения на заправочной станции предварительно охлаждает водород до — 40 °C, что позволяет быстро подавать его в баки для хранения транспортных средств. Энергопотребление при охлаждении находится в диапазоне 0,3–0,5 кВтч/кг H 2 (DOE, 2015).

Водород также может поставляться на заправочные станции в виде криогенной жидкости (при −253°C) при низком давлении (2–10 бар) с помощью цистерн с криогенной жидкостью. Водород может быть сжижен с помощью охлаждения жидким азотом с последующей серией процессов сжатия и расширения.Для сжижения водорода требуется значительное количество электроэнергии (около 11–15 кВтч/кг H 2 ), что равно или превышает одну треть химической энергии водорода (33 кВтч) (DOE, 2016). Жидкий водород хранится в больших криогенных резервуарах для загрузки в криогенные танкеры для доставки на заправочные станции. Жидкостный танкер доставляет полезную нагрузку около 4 метрических тонн водорода на одну или несколько заправочных станций. Криогенный насос на заправочной станции повышает давление водорода до уровня выше 700 бар, нагревает водород до − 40 °C через теплообменник и подает его в бак транспортного средства, как показано на рис.6Б . Выбросы ПГ, связанные с требуемыми уровнями энергии для сжижения, сжатия и предварительного охлаждения, зависят от сочетания выработки электроэнергии, используемой для сжатия.

На рис. 8 показан вклад в выбросы парниковых газов WTW нескольких текущих путей HFCEV по сравнению с обычными бензиновыми двигателями ICEV. Выбросы ПГ WTW состоят из двух компонентов, представляющих этапы WTP и PTW. Экономия топлива HFCEV, доступных в настоящее время на рынке, составляет от 50 до 68 миль на галлон. Отношение топливной экономичности FCEV к экономичности базового бензинового ICEV составляет примерно 2.1 для автомобилей среднего класса на основе одинаковых характеристик (например, ускорение, максимальная скорость и т. д.). Выбросы парниковых газов, показанные на рис. 8 , отражают 26 миль на галлон для бензиновых ICEV и 55 миль на галлон для HFCEV.

Рис. 8. Потенциал сокращения выбросов парниковых газов различными водородными путями для HFCEV.

На рис. 8 также показаны четыре пути получения водорода, включая центральный и распределенный SMR для производства водорода, с улавливанием и хранением углерода (CCS) и без него. Также показано влияние электроэнергии, используемой для сжижения и сжатия/предварительного охлаждения на заправочных станциях.При централизованном производстве водорода SMR подача жидкости и газа снижает выбросы парниковых газов WTW на милю на 11% и 39% соответственно по сравнению с базовым бензиновым двигателем ICEV. Благодаря распределенному производству водорода на месте с помощью SMR выбросы парниковых газов WTW могут быть снижены на 36% по сравнению с уровнями бензина ICEV. Центральный путь производства SMR с CCS может снизить выбросы парниковых газов WTW на 73% по сравнению с бензиновыми ICEV. Хотя жидкий путь доставки имеет преимущество более высокой плотности энергии и более благоприятной экономики, эти преимущества достигаются за счет увеличения выбросов парниковых газов по сравнению с соответствующим газообразным водородным путем, главным образом из-за энергоемкости процесса сжижения, как упоминалось ранее.

Централизованное производство водорода с использованием газификации биомассы (например, тополя) и доставка водорода в газообразной форме с помощью трубчатых трейлеров снижает выбросы парниковых газов WTW на милю на 79% по сравнению с базовыми бензиновыми двигателями ICEV. Низкие выбросы ПГ при использовании биомассы в основном связаны с поглощением CO 2 из атмосферы на этапе роста биомассы, что компенсирует выделение CO 2 в процессе газификации для производства водорода. Используя энергию ветра для производства водорода посредством электролиза воды и доставки водорода с помощью газовых трубных прицепов, выбросы парниковых газов WTW могут быть сокращены на 88% по сравнению с выбросами обычных бензиновых ICEV.Эти возобновляемые технологии для производства водорода демонстрируют потенциал для значительного сокращения выбросов парниковых газов для HFCEV; однако они требуют дальнейших исследований и разработок, чтобы быть экономически конкурентоспособными с существующей технологией ММР.

Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире

Добро пожаловать в новое поколение двигателей. Wärtsilä 31 устанавливает новый стандарт энергоэффективности, обеспечивая самый низкий уровень потребления топлива среди всех четырехтактных двигателей в мире.Он также предлагает беспрецедентный уровень оперативного гибкостью и легко адаптируется к различным типам топлива и рабочим профилям. На протяжении всего срока службы двигателя Wärtsilä 31 вы будете получать наилучшую поддержку по запчастям, выездному обслуживанию, техническим вопросам, переоборудованию и Сервисные соглашения. Wärtsilä 31 — это просто самый экономичный, удобный и универсальный двигатель из когда-либо разработанных.

 

Wärtsilä 31 — это не один двигатель, а платформа, состоящая из трех разных продуктов: дизельного двигателя, газового двигателя и двухтопливного двигателя.Двигатели могут работать на самых разных доступных видах топлива, таких как тяжелое жидкое топливо (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (СПГ), этановый газ (ЭГ) или нефть. газ (СНГ).

Ульф Астранд, директор Wärtsilä по программам разработки продуктов, руководил внедрением всех новых технологий, содержащихся в новом двигателе. Он объясняет, что впервые была разработана платформа двигателя. одновременно для всех его вариантов топлива.

«Предыдущие двигатели изначально разрабатывались для работы на дизельном топливе, а затем адаптировались для работы на газе», — говорит он. «Это сделало невозможным полную оптимизацию их производительности и топливной экономичности для газового или двухтопливного режимов».

«Это совершенно новый двигатель, который мы разработали с нуля», — добавляет Джулио Тирелли, директор по портфелю двигателей и приложениям. «Это результат почти десятилетней работы по развитию и содержит самые передовые технологии, открывая двери для дальнейших будущих разработок.”

 

Топливная эффективность

Новый Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный двигатель, доступный в настоящее время на рынке. Дизельная версия двигателя потребляет в среднем на 8–10 г/кВтч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом по всему объему. диапазон нагрузки. В оптимальной точке это число может опускаться до 165 г/кВтч. В пересчете на эксплуатационные расходы ежедневная экономия для эталонного буксира для обработки якорей (AHTS) составит около 10 000 евро в день на расходах на топливо.

«Повышение топливной экономичности такого масштаба еще никогда не достигалось за один шаг», — говорит Астранд. — И мы сделали это за один раз.

«Сегодня топливная экономичность является высшим признаком технического прогресса, — соглашается Тирелли. «И повышение производительности на 10 г/кВтч при запуске одного продукта — это существенное улучшение. Этот двигатель достиг уровня эффективности всего несколько лет назад это считалось физически невозможным».

 

 

Экологичность

Поскольку выбросы возникают в результате сжигания топлива, вполне естественно, что двигатель, который потребляет значительно меньше топлива, также производит значительно меньше выбросов.Совершенно новый Wärtsilä 31 не только соответствует существующему стандарту выбросов IMO Tier II. стандарта, он также соответствует законодательству IMO Tier III, которое вступит в силу в 2016 году. Кроме того, концепция двойного топлива позволяет судам легко переключаться между дизельным топливом и газом в зависимости от того, где они работают.

«Являясь лидером рынка по эффективности использования топлива, судно будет производить значительно меньше CO2, CO, THC и SOX. В двухтопливной версии он может работать на дизельном топливе в зоне уровня II, а затем переключаться на газ при переходе на уровень III. зона (например, зона контроля выбросов или ECA).Переключение происходит мгновенно — нет необходимости ждать переключения — судно может просто продолжать движение с той же скоростью».

 

Меньше техобслуживания, больше времени безотказной работы

Что касается техобслуживания, расходы, связанные с новым Wärtsilä 31, сократились примерно на 20%. В то время как стандартные двигатели аналогичной мощности требуют первой остановки для технического обслуживания примерно через 1000 часов работы, первая остановка на новом двигателе происходит через 8000 часов.

«Поскольку мы знаем, насколько критично время безотказной работы для прибыльности наших клиентов, снижение потребности в техническом обслуживании было одним из наших главных приоритетов для этого нового двигателя», — объясняет Астранд. «Мало того, что его компоненты имеют более срок службы, мы также вложили много энергии в сокращение времени, необходимого для его обслуживания».

Удаленный доступ к оперативным данным обеспечивает расширенную поддержку и немедленный ответ от Wärtsilä для обеспечения безопасной работы судна или электростанции независимо от их местонахождения.Специализированный эксперт с высшим техническим уровнем опыт дает советы экипажу по телефону и электронной почте. Это сокращает количество незапланированных посещений для технического обслуживания на борту.

 

Модульная конструкция

Модульная конструкция нового Wärtsilä 31 позволяет легко снимать и заменять целые модули двигателя. Это сокращает время обслуживания, так как модуль можно просто заменить, вместо того, чтобы демонтировать каждую отдельную часть.

«Этот переход от отдельных запасных частей к сменным узлам, то есть замена полных узлов или модулей, таких как силовые агрегаты, форсунки и топливные насосы высокого давления, способствует более эффективному обслуживанию. и максимизирует время безотказной работы», — говорит Астранд.

Когда двигателю требуется техническое обслуживание, время простоя значительно сокращается, поскольку весь модуль можно просто вынуть и заменить сменным блоком. Сменные модули перечислены в руководстве по запасным частям и доступны на складе.

 

Эксплуатационная гибкость

Эксплуатационная гибкость является серьезной проблемой для оффшорных приложений, поскольку многие суда работают с низкой нагрузкой, но также требуют возможности быстрого набора мощности. Операторы должны убедиться, что они могут работать при низких нагрузках при максимальной эффективности использования топлива. и прибыльность.Wärtsilä 31 можно легко адаптировать для различных рабочих профилей с различными настройками благодаря усовершенствованной системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкостью впрыска топлива и подачи воздуха. системы. Дополнительные усовершенствования для операций с низкой нагрузкой также могут быть достигнуты путем установки пакета повышения эффективности при низкой нагрузке, который включает в себя некоторые механические изменения.

«Благодаря чрезвычайно высокому уровню автоматизации мы смогли оптимизировать несколько моментов, которые раньше не могли адаптировать», — объясняет Тирелли.

«Многие механические системы невозможно настроить для различных рабочих профилей, но современные электронные и гидравлические системы легко адаптируются к рабочим потребностям клиента», — соглашается Астранд, добавляя, что если Если владелец хочет изменить способ эксплуатации существующего судна, его всегда можно перенастроить в соответствии с новыми требованиями.

 

Перспективный двигатель

Модульная конструкция не только облегчает быстрый ремонт, но и поддерживает модернизацию в будущем.По словам Ульфа Астранда, это делает двигатель «готовым к будущему»:

«В будущем, когда мы разработаем новую технологию, судовладелец сможет просто установить модуль, содержащий обновление. Это будет особенно полезно при введении новых норм выбросов, но может также применяться к будущим типам топлива. Мы разработали продукт, который можно легко адаптировать к любым будущим возможностям. Я называю это двигателем, рассчитанным на будущее».

 

Три двигателя, одна общая платформа

Работа над новой Wärtsilä 31 началась еще в 2010 году.Инженеры Wärtsilä решили создать платформу двигателя с высоким уровнем общности между тремя вариантами двигателя.

«Все три двигателя почти идентичны, — говорит Джулио Тирелли. «Технический специалист, прошедший обучение на одном из двигателей, сможет очень легко управлять двумя другими, в то время как владельцам более чем одного типа двигателя потребуется меньше запасных частей. запасов, благодаря высокой унификации деталей. Кроме того, двигатель, который изначально покупался для работы, скажем, на дизеле, можно легко адаптировать под газовый или двухтопливный двигатель, если требования заказчика со временем изменятся. от срока службы продукта.

«Благодаря модульной конструкции и использованию общих технологий в различных вариантах двигатель можно преобразовать из одного варианта в другой с незначительными механическими изменениями», — добавляет Астранд. «Это делает его надежным выбором на будущее, независимо от изменений в наличии топлива или возможных значительных колебаний цен на топливо».

Подробнее о Wärtsilä 31 

Меньше энергии, затрат, простоев и выбросов. Больше гибкости и времени безотказной работы.

Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г/кВтч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузки, что позволяет экономить до 10 000 евро в день.

Топливная гибкость. Wärtsilä 31 может работать на самых разных видах топлива: мазуте (HFO), судовом дизельном топливе (MDO), топливе с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженном природном газе (СПГ), этановом газе (ЭГ) или нефти. газ (СНГ).

Экономическая эффективность . Затраты на техническое обслуживание снижены примерно на 20%.

Меньше обслуживания , больше времени безотказной работы. Первая остановка для технического обслуживания производится через 8000 часов по сравнению с 1000 часами для стандартных двигателей аналогичной мощности. Наличие сменных модулей обеспечивает короткое время простоя для Обслуживание.

Операционная гибкость. Полностью рабочий, везде. Двухтопливный двигатель позволяет легко переключаться на газ при входе в зону уровня III без изменения скорости. Wärtsilä 31 легко адаптируется к различным операционные профили и любые будущие возможности.

Меньше выбросов. Значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. Полностью соответствует нормам IMO Tier III, вступающим в силу в 2016 г.

КПД бензинового двигателя 50% в поле зрения

Эта статья также появляется в

Подпишитесь сейчас »

Бензиновый двигатель Delphi Gen3X с непосредственным впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) продемонстрировал примерно 43.Тепловая эффективность составляет 5%, но разработчики говорят, что есть потенциал и для большего. (Дельфи)

Исследователи двигателей: 50% эффективности бензиновых двигателей не за горами

2019-04-09 Билл Висник

Выступая на симпозиуме SAE по высокоэффективным двигателям внутреннего сгорания перед конференцией WCX19 на этой неделе в Детройте, ведущий исследователь долгосрочной программы Delphi Technologies по максимизации теплового КПД бензиновых двигателей сказал, что последние разработки обещают обеспечить готовый к производству бензиновый двигатель с тепловым КПД, приближающимся к 50%.

Марк Селлнау, который до недавнего времени покидал Delphi для работы в Aramco, руководил программой Delphi по разработке бензиновой системы сгорания с непосредственным впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) и представил результаты испытаний третьего поколения 4-цилиндрового двигателя GDCI, получившего название Gen3X. Селлнау резюмировал анализ в недавнем техническом документе SAE, подробно описывающем достижения Gen3X (SAE 2018-01-0901), заявив, что усовершенствования, примененные к двигателю Gen3X, довели его тепловую эффективность тормозов (BTE) до 43.5%.

Но, добавил он, видение четвертого поколения двигателя предполагает повышение его эффективности почти до 48% или выше — «почти практический предел для легкого двигателя внутреннего сгорания», — сказал он. , также подтверждая, что Gen4X — это «движок, который мы планируем построить в ближайшем будущем».

Между тем, существующий двигатель Gen3X в сочетании с 8-ступенчатой ​​автоматической коробкой передач и 12-вольтовой системой старт-стоп и установленный на легковом автомобиле среднего размера продемонстрировал экономию топлива 61 миля на галлон в цикле шоссе и 48 миль на галлон в цикле города.Селлнау сказал, что двигатель Gen4X, как ожидается, будет способен расходовать 68 миль на галлон на шоссе.

Достижения, направленные на снижение затрат, повышение производительности
Однако на данный момент усовершенствования двигателя Gen3X еще больше расширяют концепцию GDCI, которая разрабатывалась в рамках исследовательской программы стоимостью 9,8 млн долларов, финансируемой Министерством энергетики США, которая началась в 2011 г. и выпускались две предыдущие версии двигателя. «Все эти двигатели уже устарели, — категорически заявил Селлнау. «Ни один из них не соответствует требованиям к коммерческим двигателям малой грузоподъемности.

Селлнау сказал, что многочисленные изменения позволили снизить стоимость и сложность последнего двигателя Gen3X и повысить производительность, не говоря уже о долговечности. «Я вижу лучшую надежность», — сказал он участникам давнего симпозиума по высокоэффективным двигателям внутреннего сгорания в 2019 году. «Вы можете это почувствовать».

Главным из конструктивных изменений является установка компрессора с регулируемым впуском (VIC) и турбокомпрессора с регулируемым соплом (VNT), что позволило исследователям отказаться от нагнетателя, необходимого для двигателя GDCI второго поколения, что значительно снизило стоимость.

Не менее важным является контроль сложной «частично предварительно смешанной» воздушно-топливной смеси (в отличие от некоторых других бензиновых двигателей с воспламенением от сжатия, таких как SpCCI от Mazda, GDCI от Delphi не использует свечи зажигания для усиления самовоспламенения при определенных условиях) для Gen3X Теперь двигатель поставляется в двух различных рабочих «регионах»: режим низкой нагрузки/холодный пуск и отдельная рабочая фаза для работы со средней и высокой нагрузкой. «С точки зрения управления это относительно просто», — сказал Селлнау.

Другие важные новые функции двигателя Gen3X включают более высокую степень сжатия 17: 1 (по сравнению с 14,5: 1) и увеличенное отношение длины хода к диаметру цилиндра (1,28). Увеличенный ход поршня уменьшает объем поверхности поршня, что способствует снижению тепловых потерь.

Переходим к четвертому поколению
Но, несмотря на значительный прирост производительности, эффективности и сокращения выбросов, Селлнау указывает, что продолжающиеся исследования уже нацелены на двигатель Gen4X, в основном из-за низких цен на бензин в США.S. подтолкнули потребителей к более крупным автомобилям, в то время как тенденции ценообразования на дизельное топливо сделали его еще более неблагоприятным после глобального изучения выбросов дизельных двигателей. И, добавляет он, исследования показывают, что двигатель GDCI может заметно превзойти эффективность лучших современных бензиновых двигателей с искровым зажиганием и гибридных электромобилей, которые, по его словам, также тяжелее и сложнее.

Он утверждает, что нынешний двигатель Gen3X уже демонстрирует удовлетворительную кривую крутящего момента, подобную дизелю, и соответствует проектным требованиям по шуму, а его удельный расход топлива при торможении составляет 194 г на кВтч, что соответствует 43.5% BTE, что превосходит современное состояние производства двигателей с искровым зажиганием.

Он рассматривает новые разработки в области термобарьерных покрытий в качестве одного из новых достижений, которые помогут улучшить двигатель Gen4X, и сказал, что «запланирована OEM-программа с несколькими автомобилями» для разработки Gen4X.

Продолжить чтение »

Усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания

Усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания

Кристофер Голденстайн


9 декабря 2011 г.

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

Введение

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

Проблема эффективности

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

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

n th = 1 — T C /T H

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

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

Двигатели, которые борются со 2-м законом

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

HCCI

Двигатели

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

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

ПДЭ

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

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

Выводы

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

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

Каталожные номера

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

[2] Ф. Чжао и др. , ред., Однородный заряд Двигатели с воспламенением от сжатия (HCCI) , (Соц. Автомобильные инженеры Инк., 2003).

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

Дюпон™ Веспел® | Эффективность двигателя для снижения выбросов CO2

Уменьшение размеров для повышения эффективности двигателя

Уменьшение размеров газовых и дизельных двигателей с помощью технологий, повышающих производительность или повышающих эффективность, — это основной способ, с помощью которого отрасль снижает выбросы и улучшает экономию топлива без ущерба для производительности. Эти технологии варьируются от турбонагнетателей, повышающих мощность, до многоступенчатых автоматических коробок передач с непосредственным впрыском топлива.

Наука о потребительском восприятии

DuPont уделяет особое внимание тому, как материалы и наука могут уменьшить трение и оптимизировать соотношение массы и эффективности. Мы разрабатываем легкие материалы, которые могут противостоять нагреву, химическим веществам и давлению, чтобы автомобильная промышленность могла достичь целей по снижению массы. Эксперты DuPont работают над способами повторного улавливания и повторного использования CO 2 и снижения сопротивления качению. Существует огромное количество научных и инженерных разработок, направленных на повышение эффективности двигателя и экономии топлива, помогая при этом поддерживать комфорт, производительность и общую стоимость системы.

Технологии для удовлетворения потребностей клиентов и более чистого мира

Когда дело доходит до оптимизации эффективности двигателя, автомобильная промышленность сталкивается с серьезными проблемами — более 65% потерь энергии происходит в двигателе. DuPont сосредоточена на разработке технологий и материалов, которые помогают автопроизводителям уменьшать размеры двигателей, повышая при этом экономию топлива и сохраняя рабочие характеристики. В настоящее время мы работаем над различными технологиями, от турбокомпрессоров для увеличения мощности до прямого впрыска и многоступенчатых автоматических коробок передач.Мы разрабатываем устойчивые к теплу, давлению и химическим веществам пластмассы, эластомеры и композиты, чтобы помочь отрасли внедрить более легкие технологии повышения мощности в более компактные и эффективные двигатели.

Материалы

DuPont, повышающие эффективность двигателей, помогают отрасли достичь целей по снижению массы, улавливанию и повторному использованию выхлопных газов, а также снижению сопротивления качению. Потребителям нужны автомобили, которые обеспечивают экономию топлива без ущерба для комфорта или производительности и без увеличения стоимости.Ученые DuPont каждый день работают с автоинженерами, чтобы соответствовать жестким требованиям современного рынка.

КПД двигателя с турбонаддувом

Специалисты DuPont по эффективности двигателей в настоящее время работают с автомобильной промышленностью над созданием технологии турбонаддува и материалов для использования в массовом производстве автомобилей, где требования к применению являются, по меньшей мере, строгими. Мы разрабатываем материалы, которые сопротивляются:

  • Высокие температуры
  • Повышенная кислотность системы рециркуляции отработавших газов (EGR)
  • Высокое давление
  • Химически агрессивные охлаждающие жидкости

DuPont Zytel ® PLUS Нейлоновая смола

Семейство Zytel ® , состоящее из высокоэффективных материалов из нейлона и полипропилена, обеспечивает долговременную устойчивость к теплу, химическим веществам и давлению.В отличие от специальных нейлоновых смол, Zytel ® PLUS сохраняет простоту обработки, типичную для традиционных нейлоновых смол. Это семейство предназначено в первую очередь для применения в автомобильных двигателях и подкапотном пространстве.

DuPont Zytel ® Высококачественный полиамид HTN

Экономичность DuPont Zytel ® HTN устраняет разрыв между традиционными конструкционными смолами и высокотехнологичными специальными полимерами, сочетая химическую, влаго- и температурную стойкость, обеспечивая при этом выдающуюся технологичность.

DuPont™ Vespel ® Детали и формы

Держатели шарикоподшипников, изготовленные из деталей и форм DuPont Vespel ® , могут улучшить время отклика турбокомпрессора за счет малого веса и инерции. Втулки перепускного клапана Vespel ® обеспечивают требуемое уплотнение без обычного износа и истирания вала. В настоящее время волокно DuPont Nomex ® помогает OEM-производителям решать новые задачи, включая повышенные требования к удельной мощности и тяжелые условия эксплуатации двигателей и генераторов, используемых в (H)EV.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.