Кпд двигателя – Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания отражает эффективность всасывания в цилиндр и выпуска из цилиндра рабочей среды (то есть, топливо-воздушной смеси или выхлопных газов). Говоря более строго, объёмный КПД — это отношение (или процентное соотношение) количества рабочей среды, фактически всасываемой в цилиндр, к объёму самого цилиндра (при неизменных условиях). Поэтому те двигатели, которые могут создавать давления на входах в трубопроводы выше давления окружающей среды, могут иметь объёмный КПД больший 100 %.

Объёмный КПД может быть улучшен несколькими путями. В частности, к ним относятся выбор оптимальной степени открытия клапанов (относительно объёма цилиндров) и выбор обтекаемой конструкции портов.

Двигатели с высоким объёмным КПД в общем случае способны работать с бо́льшими скоростями и способны вырабатывать бо́льшую полную мощность из-за меньших потерь при паразитическом перемещении воздуха внутрь и вне двигателя.

Общим, принятым производителями, подходом по увеличению объёмного КПД является использование больших по размеру клапанов или систем с числом клапанов на цилиндр, бо́льшим двух (англ.) (мультиклапанных систем).

Увеличенные клапана улучшают всасывание и впуск воздуха, но имеют повышенную массу. Мультиклапанная система включает в себя два или более клапанов с общей площадью большей, чем площадь одного большого клапана, в то время как мультиклапанная система имеет меньшую массу.

Во многих автомобилях спортивного типа используют точно рассчитанное расположение впускных отверстий и настройки выхлопной системы для перемещения воздуха внутрь и наружу двигателя, используя резонанс системы. В двухтактных двигателях эта идея реализуется в применении камер расширения (англ.), которые возвращают утечки топливо-воздушной смеси обратно в цилиндр. Более современная технология — изменяемые фазы газораспределения, задачей которой является учитывать влияние на объёмный КПД скорости двигателя: при более высоких скоростях двигатель нуждается в том, чтобы клапаны были открыты больший процент времени от продолжительности цикла для перемещения рабочей среды внутрь и наружу двигателя.

Объёмный КПД более 100 % может быть получен путём использования нагнетателей или турбонагнетателей — устройств, принудительно нагнетающих воздух в цилиндры. При должных настройках, можно получить объёмный КПД более 100 % и в атмосферных двигателях. Предельное значение объёмного КПД таких двигателей составляет около 137 %^[1]; такие двигатели обычно имеют два распредвала в головке цилиндров и четыре клапана на цилиндр.

Более радикальные решения задачи повышения объёмного КПД включают в себя использование гильзовых клапанов (англ.), в которых вместо тарельчатого клапана установлена вращающаяся вокруг поршня гильза, или в других случаях вращающаяся под цилиндрическими головками гильза. В такой системе порты могут быть настолько большими, насколько это необходимо. Однако имеется практическое ограничение, накладываемое прочностью гильзы: при слишком больших размерах портов гильза может продавливаться в них под действием давления в цилиндре.

Тепловой двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 ноября 2019; проверки требуют 2 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 ноября 2019; проверки требуют 2 правки.

Теплово́й дви́гатель — машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Первой известной в настоящий момент тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ в. н. э. в Римской Империи. Это изобретение не получило распространения, вероятно из-за низкого уровня развития технологий того времени: тогда не был изобретен даже подшипник, столь необходимый для работы турбины.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A=QH−|QX| {\displaystyle A=Q_{H}-\left|Q_{X}\right|\ }, где:

• QH{\displaystyle Q_{H}} — количество теплоты, полученное от нагревателя,
• QX{\displaystyle Q_{X}} — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η=|QH|−|QX||QH|=1−|QX||QH|{\displaystyle \eta ={\frac {\left|Q_{H}\right|-\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}=1-{\frac {\left|Q_{X}\right|}{\left|Q_{H}\right|}}}

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя(TH{\displaystyle T_{H}}) и холодильника(TX{\displaystyle T_{X}}):

ηK=TH−TXTH=1−TXTH{\displaystyle \eta _{K}={T_{H}-T_{X} \over T_{H}}=1-{T_{X} \over T_{H}}}

Двигатель Стирлинга[править | править код]

Поршневой двигатель внешнего сгорания[править | править код]

Поршневой двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания[править | править код]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания[править | править код]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели[править | править код]

Реактивный двигатель представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движитель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании. Воздушно-реактивные двигатели используют газообразный окислитель из окружающей среды, тогда как ракетные двигатели снабжаются запасами всех компонентов рабочего тела с носителя и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Твёрдотельные двигатели[править | править код]

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.^[1]

Примеры:

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

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

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

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

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

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

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

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

Холодильник

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

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

Основная и дополнительная литература по теме урока:

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

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

Открытые электронные ресурсы по теме урока

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

Теоретический материал для самостоятельного изучения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

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

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

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

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

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

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

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

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

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

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

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

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

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

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

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

Примеры и разбор решения заданий

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

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

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

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

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

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

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

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q₁.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

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

КПД парового двигателя

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

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

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

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

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

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

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

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

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

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

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

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

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

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

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

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

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

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

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

От чего зависит КПД дизельного двигателя

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

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

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

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

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

КПД реактивного двигателя

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

Резюме

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

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

Принцип действия теплового двигателя. Видеоурок. Физика 10 Класс

Темой текущего урока будет рассмотрение процессов, происходящих во вполне конкретных, а не абстрактных, как в прошлых уроках, устройствах – тепловых двигателях. Мы дадим определение таким машинам, опишем их основные составляющие и принцип действия. Также в ходе этого урока будет рассмотрен вопрос о нахождении КПД – коэффициента полезного действия тепловых машин, как реального, так и максимально возможного.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (Источник), (Источник)

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

• Нагреватель
• Рабочее тело
• Холодильник

Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя (Источник)

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты  газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте – часть энергии  уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя (Источник)

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).

 

Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе

Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.

Определение. КПД (Коэффициент полезного действия) теплового двигателя – отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.

Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает — часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на  холодильник:

Получаем:

Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в системе измерения СИ – безразмерная величина и, как видно из формулы, не может быть больше одного (или 100).

Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины. Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):

То есть КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Рис. 5. Сади Карно (Источник)

Для понимания того, какого порядка значения КПД различных тепловых машин, рассмотрим следующую таблицу, в которой приведены различные примеры тепловых двигателей (рис. 6):

Рис. 6.

Темой следующего урока будет рассмотрение тепловых процессов, проходящих без притока теплоты, – адиабатических.

 

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Files.school-collection.edu.ru (Источник).
2. Фестиваль педагогически идей (Источник).
3. Кафедра ТЭФ, КМФ (Источник).

 

Домашнее задание

1. Стр. 87: № 676–680. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
2. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 20 кДж, а холодильнику передалось 120 кДж. Каков КПД двигателя?
3. Какой КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя равна 347, а температура холодильника – 37?
4. *Может ли процесс, происходящий с газом в тепловом двигателе, быть описан следующим образом в координатах P-V?

КПД дизельного двигателя

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

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

Читайте в этой статье

Почему КПД дизеля выше

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

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

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

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

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

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

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

Мощность и крутящий момент

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

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

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

Энергетическая ценность солярки и бензина

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

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

Итоги

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

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

 

Читайте также

3 Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс » СтудИзба

1. Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс

На экономичность двигателя оказывает воздействие большое количество факторов. В данном разделе мы рассмотрим лишь те из них, которые связаны с одним из наиболее ответственных элементов рабочего процесса двигателя – подводом теплоты в цикле. Именно он в основном и определяет пути совершенствования поршневого ДВС согласно требованиям, обозначенным в предыдущем разделе. В ДВС подвод тепла осуществляется, в основном путем сжигания углеводородных топлив в воздухе.

Эталоном совершенства тепловой машины, к которым относятся и поршневые двигатели внутреннего сгорания, является тепловая машина, в которой реализуется цикл Карно. Как известно, КПД этого цикла зависит от температуры горячего источника Т₁ и температуры холодильника Т₂:

.

Практическая реализация этого цикла затруднена, что объясняется целым рядом факторов, главными из которых являются:

1.       Сложность осуществления изотермических подвода и отвода теплоты.

2.       Современные конструкционные материалы имеют предел по температурному режиму, что ограничивает допустимую максимальную температуру цикла. Если учесть, что КПД цикла Карно максимально в сравнении с другими циклами лишь при условии одинаковых температурных диапазонов в цикле, то в реальных условиях при заданных материалах другие циклы могут иметь более высокую максимальную температуру вследствие значительно меньшего времени воздействия ее на стенки рабочей камеры.

Представляет интерес сравнение КПД цикла Карно с циклами, реализуемыми в современных поршневых ДВС. Условия сравнения должны быть следующими:

1.       Так как в современных ДВС в качестве окислителя используется кислород атмосферы, то в циклах должна быть общая начальная точка цикла, соответствующая параметрам окружающей среды.

2.       В связи с тем, что основной схемой двигателя является поршневой двигатель с жестким кривошипно – шатунным механизмом, необходимо сравнивать эти циклы при одинаковой степени сжатия.

Рис. 1.1. Термодинамические циклы поршневого ДВС: V_z – изохора минимального объема; V_a – изохора максимального объема; а – общая начальная точка циклов, соответствующая параметрам окружающей среды, с – точка конца сжатия для различных циклов; z – точка конца подвода теплоты для различных циклов

Если рассмотреть эти циклы в T-S координатах, то видно, что лишь при количестве тепла подведенном в цикле стремящемся к нулю, КПД цикла Карно и  КПД с подводом теплоты при р = const становятся равными КПД цикла с изохорным подводом теплоты. Поэтому при указанных выше ограничениях более эффективен цикл с подводом тепла при постоянном объеме. Однако на практике, сокращать продолжительность меньше 40 – 50 градусов угла п.к.в. нецелесообразно ввиду сильного роста механической и тепловой нагрузки на двигатель. Таким образом, 40 – 50 град. является оптимальной продолжительностью сгорания.

Известно, что увеличение степени сжатия и показателя адиабаты рабочего тела приводит к однозначному росту термического КПД цикла. Для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме термический КПД определяется по формуле:

 .

Ниже приведены примерные значения показателя адиабаты для идеального газа: одноатомного – 1,67; двухатомного – 1,4; трех- и многоатомного – 1,29. Отсюда, нетрудно вычислить прирост термического КПД при переходе рабочего тела от трехатомной структуры к двухатомной. К двухатомным молекулам принадлежат  кислород и азот, к трехатомным – продукты полного сгорания – углекислый газ и вода. Таким образом, все мероприятия, которые направлены на сокращение коэффициента остаточных газов в рабочей камере будут приводить к росту КПД. Это означает, что с точки зрения термического КПД необходимо стремиться к повышению коэффициента наполнения на режимах близких к полной нагрузке и к обеднению смеси, а, следовательно, отказу от дросселирования на частичных нагрузках.

Характер изменения индикаторного и эффективного КПД в зависимости от степени сжатия и способа регулирования нагрузки более сложен. На рис. 1.2 представлены характерные зависимости эффективного КПД безнаддувного четырехтактного двигателя с качественным регулированием нагрузки от степени сжатия при различных нагрузках, полученные при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту. Продолжительность сгорания – 80 град. п.к.в. Видно, что повышение степени сжатия выше определенного значения приводит к падению эффективного КПД двигателя. Это обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, увеличением механических потерь (рис. 1.3), поскольку с повышением степени сжатия растет давление газов в цилиндре двигателя (рис.1.4). При увеличении коэффициента избытка воздуха относительная доля механических потерь возрастает, соответственно снижается значение степени сжатия, соответствующее максимальному эффективному КПД.

Во-вторых, повышение степени сжатия при неизменной продолжительности сгорания влечёт большее отклонение от изохорного подвода теплоты. Это легко понять, если ввести условную величину:

где

∆V_h – часть рабочего объёма двигателя, на которую распространяется процесс теплоподвода. При изохорном подводе теплоты (∆V_h=0) это выражение переходит в известное выражение для степени сжатия (расширения):

Отношение этих величин характеризует отклонение от изохорности подвода теплоты в зависимости от объема камеры сгорания:

Видно, что с уменьшением объема камеры сгорания, а, следовательно, с увеличением степени сжатия, отклонение от изохорности при постоянной продолжительности теплоподвода увеличивается. Как следствие, с повышением степени сжатия (при неизменной продолжительности сгорания) индикаторный КПД будет расти гораздо медленнее термического и, при определённых условиях, даже снижаться (рис. 1.3). По этой же причине практически не увеличиваются максимальные значения температуры цикла (рис. 1.4). При меньшей продолжительности сгорания рост индикаторного КПД будет продолжаться до более высоких значений степени сжатия.

Таким образом, варьирование степени сжатия в диапазоне от 12,5 до 20 практически не влияет на эффективный КПД двигателя на полной нагрузке. Если учесть, что большинство транспортных двигателей эксплуатируется на частичных режимах (меньше половины максимальной мощности) до 50 – 70% общего времени, а на режимах холостого хода до 40%, то можно констатировать, что снижение степени сжатия до значений 12,5 — 15 не повлечёт ухудшения экономичности. При этом уровень нагрузок на элементы двигателя (рис. 1.4) значительно уменьшится (до 30%).

К тому же высокие степени сжатия приводят к необходимости увеличения массы и габаритов двигателя, что в условиях применения его в автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода топлива, а также – к перерасходу материалов и энергии при производстве, как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются.

Рис.1.2. Зависимость эффективного КПД от степени сжатия при различных нагрузках

Рис.1.3. Зависимость механического (h_m) и индикаторного (h_i) КПД от степени сжатия при различных нагрузках

Рис. 1.4. Зависимости максимального давления и максимальной температуры цикла от степени сжатия.

На рис. 1.5 представлены характерные зависимости показателей четырехтактного двигателя от коэффициента избытка воздуха, полученные на режиме близком к холостому ходу (обороты двигателя n = 1000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны). Рост эффективной мощности четырехтактного двигателя с увеличением коэффициента избытка воздуха объясняется ростом индикаторного КПД, а соответственно и индикаторной мощности, и снижением насосных потерь. В расчетах мощность насосных потерь включена в индикаторную мощность. Поэтому кривая 2 есть результат суммирования их влияний. Мощность механических потерь состоит только из потерь на трение. Увеличение с ростом коэффициента избытка воздуха индикаторного КПД является следствием относительного уменьшения количества продуктов сгорания, содержащих в основном трехатомные компоненты, которые обладают более высокой теплоемкостью.

На рис. 1.6 представлены зависимости показателей двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой от коэффициента избытка воздуха, полученные на режиме, близком к холостому ходу (обороты двигателя n = 2000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны). Зависимость 2 на этом рисунке представляет собой, как и в случае с четырехтактным двигателем индикаторную мощность за вычетом мощности, затрачиваемой на насосные ходы двигателя. Поэтому мощность механических потерь определяется только потерями на трение.

Рис.1.5. Распределение мощностей при работе двигателя на режиме близком к холостому ходу: 1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная мощность; 3 – мощность механических потерь; 4 – мощность насосных потерь двигателя

В случае двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой рост индикаторной мощности с увеличением коэффициента избытка воздуха практически компенсируется соответствующим ростом насосных потерь, что наряду с увеличением мощности механических потерь приводит к тому, что эффективная мощность изменяется меньше, чем в четырехтактном ДВС. Следовательно, менее значительно будет меняться и расход топлива.

Дросселирование на впуске вызывает рост относительного количества остаточных газов. Разбавление смеси остаточными газами может создать в цилиндре двигателя такие условия, когда воспламенение смеси или вообще прекращается, или сгорание развивается вяло. Отсюда вытекает необходимость обогащения смеси по мере дросселирования, поскольку максимумы скоростей воспламенения и распространения пламени лежат в области богатых смесей. Это приводит к выбросу в атмосферу продуктов неполного сгорания и перерасходу топлива. Поэтому, на практике, при переходе с количественного регулирования нагрузки двухтактного ДВС на качественное, выигрыш в топливной экономичности, видимо, будет более значительным.

Рис. 1.6. Зависимости показателей двигателя от коэффициента
избытка воздуха; режим, близкий к холостому ходу:
1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная мощность; 3 – мощность механических потерь; 4 – мощность насосных потерь двигателя

Таким образом, как для двухтактных, так и четырехтактных двигателей в безнаддувном исполнении для повышения эффективного КПД необходимо, чтобы рабочий процесс позволял реализовать следующие основные требования:

1. Подвод теплоты в цикле, близкий к изохорному (40 – 50 град.пкв).

2. Отсутствие ограничений по степени сжатия (оптимальная находится в диапазоне 12 – 15).

3. Качественное регулирование – работа в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха (1 – 6).

4. Учитывая, что двигатели находятся в составе автомобилей, экономичность которых также зависит от массы и размеров, необходимо добавить требование высокой удельной мощности, которая зависит и от частоты вращения. Как показала практика, достаточным диапазоном эксплуатации по целому ряду причин является диапазон, реализованный в современных двигателях с искровым воспламенением.

Необходимо упомянуть еще об одном требовании к рабочему процессу поршневого ДВС, которое, по всей видимости, в будущем может стать определяющим.

Массовое использование ископаемых источников сырья для производства моторных топлив привело к истощению углеводородных ресурсов. В свете надвигающегося глобального топливного кризиса многие ведущие научно-исследовательские организации и предприятия энергетической отрасли мира ведут широкомасштабные исследования по предотвращению его возможных негативных последствий. Анализ современных подходов позволил выделить два лидирующих направления в этом вопросе:

1. Увеличение энергоэффективности использования ископаемых топливных ресурсов

2. Замена современных товарных топлив на возобновляемые альтернативные топлива.

В современных условиях вопрос увеличения эффективности производства механической энергии не может быть решён без рассмотрения полного цикла производства и потребления топлива, что может быть описано системой «перерабатывающий завод – топливо – двигатель». С такой позиции можно установить взаимосвязь между эффективностью производства топлива и эффективностью его сжигания в традиционном поршневом ДВС. Так, например, увеличение коэффициента полезного действия бензинового двигателя обеспечивается за счёт повышения степени сжатия, что, в свою очередь, требует увеличения детонационной стойкости топлива, и, следовательно, существенное увеличение энергозатрат, усложнение производства и увеличение стоимости топлива.

Принципиальным решением этого вопроса могло бы стать использование нефтяных топлив широкого фракционного состава, что, по оценкам специалистов, должно значительно повысить эффективность переработки сырья за счёт отказа от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к перерабатывающему оборудованию и экономии углеводородного сырья. Однако, традиционные типы поршневых двигателей не способны функционировать на таком топливе.

Осуществление второго пункта также имеет некоторые особенности. По данным ведущих двигателестроительных фирм мира, одним из наиболее предпочтительных альтернативных топлив, способным частично, а в перспективе и полностью, заменить традиционные нефтяные топлива, являются спирты, произведенные из лигноцеллюлозного сырья, в том числе биоэтанол. Объясняется это практически неисчерпаемой сырьевой базой (при производстве из органического сырья и отходов), простотой производства и хранения.

Тем не менее, как и в случае с традиционными топливами, анализ системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» даёт более полное представление о перспективах внедрения этанола. В традиционных поршневых двигателях можно использовать только обезвоженный этанол (содержание воды менее 1%) ввиду  необходимости добавления бензина, что объясняется низкой испаряемостью и, как следствие низкими пусковыми свойствами этанола. При этом производство обезвоженного этанола значительно дороже обводненного – примерно в полтора-два раза. И если для производства обезвоженного этанола требуется специальное высокоорганизованное производство, то обводненный этанол можно производить, в том числе, и в условиях крупного сельскохозяйственного предприятия из отходов обычных посевных культур, без высоких требований к квалификации обслуживающего персонала.

В то же время, добавление в рабочую камеру двигателя воды является наиболее перспективным способом понижения токсичности отработавших газов. Этанол является наилучшим топливом, с точки зрения добавления воды, поскольку он образует с водой устойчивые смеси, а с товарными топливами вода не смешивается. Применение обводнённого этанола в качестве топлива для поршневого ДВС позволило бы одновременно радикально улучшить экологические характеристики двигателя, решить проблемы исчерпания источников углеводородного сырья и роста количества парниковых газов в атмосфере. Тем не менее, как уже отмечалось выше, воспламенять и сжигать обводнённый этанол в традиционных поршневых двигателях не представляется возможным.

Таким образом, как в случае с нефтяными топливами, так и в случае с альтернативными топливами производители вынуждены идти на компромисс между эффективностью производства топлива и эффективностью двигателя, функционирующего на этом топливе.

Обобщая вышесказанное, необходимо ещё раз отметить, что в современных условиях вопрос увеличения КПД производства механической энергии не может быть решён без рассмотрения полного цикла производства и потребления топлива. Анализ системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» показывает, что существенного результата в этом вопросе можно добиться, если обеспечить эффективную работу поршневого двигателя внутреннего сгорания на дешёвых и простых в изготовлении видах топлива.

 Таким образом, еще одним требованием к рабочему процессу является возможность работы:

1.       на любых современных товарных топливах (от дизельного топлива до высокооктановых бензинов;

2.       на водных растворах этанола.

Рабочий процесс, реализующий все эти требования, обеспечит широкое применение нефтяных топлив широкого фракционного состава и водных растворов этанола в качестве моторного топлива и, одновременно, объединит лучшие качества дизелей и бензиновых двигателей. Широкое внедрение двигателя с таким рабочим процессом  позволит добиться существенного повышения эффективности производства топлив без ухудшения эффективности самого двигателя, что означает повышение энергоэффективности всей системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель». С экономической точки зрения необходимо также, чтобы рабочий процесс реализовывался на базе традиционного поршневого ДВС, т.е. имелась возможность конвертирования традиционных поршневых двигателей (в том числе уже эксплуатируемых).

Традиционные бензиновые двигатели имеют к моменту воспламенения уже подготовленную, близкую к однородной, смесь. Это условие налагает два ограничения:

1. по максимальной (вблизи 10) степени сжатия, т.к. в однородных смесях при повышенных степенях сжатия возникает детонация,

2. по максимальному обеднению топливовоздушной смеси, т.к. в однородных смесях бедный концентрационный предел искрового воспламенения близок к составу с a » 1.

Эти же ограничения практически исключают возможность реализации работы на низкооктановых топливах. С другой стороны однородная стехиометрическая смесь, в сочетании  с искровым воспламенением позволяют реализовать высокую удельную мощность.

Дизели имеют к моменту самовоспламенения неоднородную смесь, что позволяет реализовать качественное регулирование и бездетонационное сгорание. Однако снижение степени сжатия в быстроходных безнаддувных модификациях до вышеуказанного оптимального диапазона приводит к ухудшению процессов воспламенения и сгорания (будет рассмотрено в последующих разделах).

Дизели позволяют осуществить многотопливный цикл при высоких степенях сжатия (более 20). Повышенные значения максимального давления и жесткости сгорания цикла при высоких степенях сжатия определяют высокие нагрузки на детали цилиндропоршневой группы, что приводит к увеличению механических потерь и требует более прочной конструкции двигателя. При использовании топлив с низкими цетановыми числами (например, бензинов) указанные явления усиливаются, поэтому время работы дизеля на резервных топливах по техническим условиям не превышает 10% от общего ресурса двигателя. Снижение степени сжатия в дизелях до уровня 12 – 15 позволило бы снизить массу и габариты двигателя без увеличения расхода топлива. Однако в традиционном дизеле снижение степени сжатия менее 15 приводит к ухудшению смесеобразования, воспламенения и сгорания.

В связи с ограничениями по максимальной частоте вращения и минимальному значению коэффициента избытка воздуха дизели имеют низкую, относительно поршневых ДВС с искровым воспламенением, литровую мощность. Вес и габариты дизеля из-за высоких степеней сжатия достаточно большие. Соответственно, остается относительно низкой удельная мощность, что в условиях применения его в автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода топлива, а также приводит к перерасходу материалов и энергии при производстве, как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются.

Решение вышеперечисленных задач выдвигает ряд проблем смесеобразования, воспламенения и сгорания, которые необходимо разрешить в целях достижения высоких экологических и экономических показателей как двигателя, так и системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» в целом.

Вопросы для самоконтроля

1.       Цикл Карно. Причины отсутствия практической реализации цикла Карно.

2.       Обоснуйте преимущества цикла двигателя с изохорным подводом теплоты. При каких условиях они справедливы. Причины необходимости увеличения продолжительности теплоподвода до 40 –50 град. угла пкв.

3.       Каково влияние продолжительности теплоподвода на КПД? Как влияет на КПД величина теплоподвода?

4.       Объясните причины влияния свойств рабочего тела на КПД двигателя.

5.       Назовите способы регулирования мощности в поршневых ДВС, их суть. В каких типах поршневых двигателей они применяются?

6.       Охарактеризуйте поведение индикаторного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, скоростной режим двигателя?

7.        Как изменяется зависимость индикаторного КПД от степени сжатия при различных нагрузках. Влияет ли способ регулирования мощности на их протекание?

8.       Охарактеризуйте поведение эффективного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, нагрузка, способ регулирования, скоростной режим двигателя?

9.       Объясните причины влияния способа регулирования мощности на эффективный КПД двигателя. Влияет ли способ регулирования мощности на КПД при полной нагрузке?

10.   Охарактеризуйте зависимость степени сжатия, соответствующей максимальному эффективному КПД, от нагрузки при качественном регулировании мощности.