Эффективный кпд двигателя: Эффективный КПД двигателя – 403 — Доступ запрещён

Содержание

Эффективный КПД двигателя

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
23862 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

КПД двигателя внутреннего сгорания – познаем эффективность в сравнении — Auto-Self.ru

Среди множества характеристик различных механизмов в автомобиле решающее значение имеет КПД двигателя внутреннего сгорания. Для того чтобы выяснить суть этого понятия, необходимо точно знать, что представляет собой классический двигатель внутреннего сгорания.

КПД двигателя внутреннего сгорания – что это такое?

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

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

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

Мнение экспертаРуслан КонстантиновЭксперт по автомобильной тематике. Окончил ИжГТУ имени М.Т. Калашникова по специальности «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Опыт профессионального ремонта автомобилей более 10 лет.Потери КПД двигателя внутреннего сгорания, особенно бензинового, весьма существенные. В пересчёте на топливовоздушную смесь чистая энергия, передающаяся двигателю, составляет до 100%, а вот после этого начинаются потери.

Больше всего КПД снижается из-за тепловых потерь. Силовая установка прогревает все элементы системы, включая охлаждающую жидкость, радиатор охлаждения и отопителя, вместе с этим теряется тепло. Часть теряется вместе с выхлопными газами. В среднем на тепловые потери приходится до 35% от КПД, а на топливной эффективности ещё 25%. Ещё около 20% занимают механические потери, т.е. на элементы, создающие трение (поршни, кольца и т. д.). Снизить трение помогают качественные моторные масла, но полностью исключить этот фактор невозможно.

Учитывая низкий КПД двигателя можно представить потери более наглядно, например, на количестве топлива. При среднем расходе топлива 10 литров на сто километров пробега на прохождение этого участка уходит лишь 2-3 литра топлива, остальное потери. У дизеля потери меньше, как и к ДВС с газобаллонным оборудованием. Если вопрос высокого КПД двигателя принципиален, то есть на варианты с коэффициентом 90%, но это электромобили и авто с двигателем гибридного типа. Как правило, их стоимость несколько выше и из-за специфики эксплуатации (нужна регулярная подзарядка и ограничен запах хода) такие машины в нашей стране пока редкость.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

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

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

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

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Дизель является одной из разновидностей двигателей внутреннего сгорания, в котором воспламенение рабочей смеси производится в результате сжатия. Поэтому давление воздуха в цилиндре намного выше, чем у бензинового двигателя. Сравнивая КПД дизельного двигателя с КПД других конструкций, можно отметить его наиболее высокую эффективность.

При наличии низких оборотов и большого рабочего объема показатель КПД может превысить 50 %.

Следует обратить внимание на сравнительно небольшой расход дизельного топлива и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах. Таким образом, значение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от его типа и конструкции. Во многих автомобилях низкий КПД перекрывается различными усовершенствованиями, позволяющими улучшить общие технические характеристики.

Поделитесь с друзьями в соц.сетях:

Facebook

Twitter

Google+

Telegram

Vkontakte

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: Vz – изохора минимального объема; Va – 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

Vh – часть рабочего объёма двигателя, на которую распространяется процесс теплоподвода. При изохорном подводе теплоты (Vh=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 (hm) и индикаторного (hi) 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.

Описание:

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.

Описание: б7

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.

Механический КПД двигателя

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
18646 1

Индикаторная мощность, развиваемая тепловым двигателем, не может быть в полной мере реализована из-за потерь на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов, но, чтобы улучшить топливную экономичность двигателя, необходимо точно знать все эти потери. Для удобства их оценки введено понятие механического КПД ηm.

Механический КПД
Отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая – трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Потери, связанные с поступлением воздуха в двигатель (насосные потери), весьма важны, так как они возрастают пропорционально квадрату частоты вращения двигателя.

Потери мощности, необходимые для привода оборудования, обеспечивающего работу двигателя, включают мощность на привод механизма газораспределения, масляного, водяного и топливного насосов, вентилятора системы охлаждения. При воздушном охлаждении вентилятор подачи воздуха является неотъемлемым элементом двигателя при его испытаниях на стенде, в то время как у двигателей жидкостного охлаждения при проведении испытаний вентилятор и радиатор часто отсутствуют, а для охлаждения используют воду из внешнего контура охлаждения. Если потребляемую мощность вентилятора двигателя жидкостного охлаждения не учитывать, то это дает заметное завышение его экономических и мощностных показателей по сравнению с двигателем воздушного охлаждения.

Другие потери на привод оборудования связаны с генератором, пневмокомпрессором, гидронасосами, необходимыми для освещения, обеспечения работы приборов, тормозной системы, рулевого управления автомобиля. При испытании двигателя на тормозном стенде следует точно определить, что считать дополнительным оборудованием и как его нагружать, поскольку это необходимо для объективного сопоставления характеристик разных двигателей. В частности, это относится к системе охлаждения масла, которое при движении автомобиля охлаждается обдувом масляного поддона воздухом, отсутствующим при испытаниях на тормозном стенде. При испытании на стенде двигателя без вентилятора не воспроизводятся условия обдува трубопроводов воздухом, что вызывает повышение температур во впускной трубе и ведет к уменьшению величины коэффициента наполнения и мощности двигателя.

Размещение воздушного фильтра и величина сопротивления выпускного трубопровода должны соответствовать реальным условиям работы двигателя в автомобиле. Эти важные особенности необходимо учитывать при сопоставлении характеристик различных двигателей или одного двигателя, предназначенного для применения в различных условиях, например, в легковом или грузовом автомобиле, тракторе или для привода стационарного генератора, компрессора и т. д.

Механический КПД различных двигателей
Двигатель Механический КПД
Бензиновый ДВС, четырёхтактный 0,75 – 0,90
Дизельный ДВС, четырёхтактный 0,70 – 0,85
Двигатель типа Рикардо с гильзовым газораспределением до 0,92
Поршневой, бесшатунный ДВС до 0,94
Двигатель Ванкеля до 0,92&nbsp
Роторно-лопастной двигатель (РЛД) 0,65 – 0,95
Примечание. Подробнее о механических потерях в бензиновом и дизельном двигателях
в статье «Сравнение механических потерь в бензиновом и дизельном двигателях».

При уменьшении нагрузки двигателя его механический КПД ухудшается, так как абсолютная величина большинства потерь не зависит от нагрузки. Наглядным примером служит работа двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу, когда механический КПД равен нулю и вся индикаторная мощность двигателя расходуется на преодоление его потерь. При нагрузке двигателя на 50% или менее удельный расход топлива по сравнению с полной нагрузкой значительно возрастает, и поэтому использовать для привода двигатель, имеющий большую, чем это требуется, мощность, совершенно неэкономично.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает аналогично тому, как это имеет место при частичной нагрузке двигателя.

Стоит заметить, что высокий механический КПД не является гарантией высокого эффективного КПД двигателя.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 17.02.2011

Читайте также

Комментарии

Относительный и индикаторный КПД двигателя

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
13061 0

Условия работы реального двигателя существенно отличаются от условий идеального термодинамического цикла, поэтому термического КПД не достаточно для оценки эффективности теплового двигателя. Полный учёт всех тепловых потерь возможен с помощью индикаторного КПД (или же произведения термического на относительный КПД), а всех механических потерь – с помощью механического КПД.

Дадим определение индикаторному и относительному КПД.

Индикаторный КПД
Характеристика двигателя, отражающая степень использования теплоты в действительном цикле с учетом всех тепловых потерь. Представляет собой отношение теплоты, эквивалентной полезной индикаторной работе, ко всей затраченной теплоте.
Относительный КПД
Отношение индикаторного КПД двигателя к термическому КПД идеального термодинамического цикла.

Индикаторный КПД двигателя зависит от многих факторов. Например, важное влияние на индикаторный КПД двигателя внутреннего сгорания оказывают степень сжатия, состав топливовоздушной смеси, а также конструкция камеры сгорания [1].

Отметим, что оценкой эффективности двигателя в целом служит эффективный КПД.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 05.06.2011

Читайте также

  • Характеристика крутящего момента двигателя

    Для того чтобы двигатель имел малую массу и размеры, необходимо повышать его рабочие частоты вращения. Тем самым к двигателю предъявляются требования противоположного характера, и из-за этого возникает необходимость поиска компромиссного решения.

  • Присадки для экономии топлива

    Сегодня в ассортименте практически каждого автомобильного магазина среди разных товаров вы найдёте чудодейственные средства для автомобиля — так называемые присадки для экономии топлива.

Сноски

  1. ↺ Узнать больше о конструкции камер сгорания можно в следующих статьях: «Камеры сгорания бензиновых двигателей», «Камеры сгорания бензиновых двигателей, обеспечивающие сжигание бедных смесей», «Камеры сгорания дизелей».

Комментарии

Электродвигатели с высокой энергоэффективностью — Control Engineering Russia

Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.

Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. — Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.

Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).

Экономия за год благодоря применению двигателя с высоким КПД

По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.

— Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, — утверждает Малиновски.

— Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, — утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.

 

Что определяет КПД двигателя

какие потери имеют место в двигателях— Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке — меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.

Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.

Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:

  • Сопротивление обмоток. ? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор.
  • Ламинирующее средство. – Потери в обмотках статора зависят непосредственно от качества примененной магнитной стали и от ламинирующего средства. Тонкий изолирующий слой приводит к меньшим потерям в сердечнике, нежели толстый слой.
  • Геометрия зубьев. – Специальная геометрия зубьев увеличивает концентрацию магнитного потока внутри двигателя. Б?льшая концентрация ? это меньшее рассеяние энергии, а следовательно, более высокий КПД

 

Важен комплекс

— Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. — Ключ к успеху анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.

какие потери имеют место в двигателяхС этим соглашается Малиновски: — Замена двигателей — это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90-95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50-60%.

Фишбах подтверждает: — Более высокая эффективность — понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД  95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.

 

Чего не делать

— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.

Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.

Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.

— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%.

— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.

А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2 < Q1.

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т1. Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А’ = Q1 — |Q2|,         (13.15)

где Q1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796—1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4 < V1. Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Насыщенный пар — Давление насыщенного пара — Влажность воздуха — Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» — Кристаллические тела — Аморфные тела — Внутренняя энергия — Работа в термодинамике — Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» — Количество теплоты. Уравнение теплового баланса — Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» — Первый закон термодинамики — Применение первого закона термодинамики к различным процессам — Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» — Второй закон термодинамики — Статистический характер второго закона термодинамики — Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о