3 Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс - AUDI-TOGLIATTI.RU

3 Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс

КПД двигателя внутреннего сгорания – познаем эффективность в сравнении

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.

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.

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

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

КПД двигателя внутреннего сгорания – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Подробнее о потерях

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность. Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потери. Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери. НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

У какого двигателя самый большой КПД?

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

О топливной эффективности дизеля

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(59 голосов, средний: 3,78 из 5)

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя

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.

Читайте также  Перевести куб см в лошадиные силы

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.

Лекция 5. 1. Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ. — презентация

Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемСофия Варнавина

Похожие презентации

Презентация на тему: » Лекция 5. 1. Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ.» — Транскрипт:

1 Лекция Тепловой баланс двигателя 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ По мнению ведущих специалистов автомобилестроения, например председателя совета директоров компании Adam Opel AG К.-П. Фостера, поршневые двигатели внутреннего сгорания сохранят свое господство в автомобилестроении по крайней мере еще на протяжении 2530 лет. Отмечают также, что после 1985 г. двигатели совершили качественный рывок вперед. Эволюция моторов с искровым зажиганием направлена на непосредственный впрыск бензина, развитие автоматического управления фазами клапанного газораспределительного механизма, применение новых видов топлива, например водорода.

2 Развитие дизелей идет в направлении разработки процесса с использованием «однородной смеси с воспламенением от сжатия» (homogeneous charge compression ignition). Эти направления помогут снизить выбросы вредных веществ в отработанных газах двигателя. Совершенство процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла, совершенство двигателя в целом по его эффективным показателям. Формулы, связывающие эти показатели с условиями работы двигателя и его конструктивными размерами, позволяют определить тенденции улучшения показателей двигателя. Увеличение экономичности реального двигателя возможно только за счет сокращения тепловых потерь, а для этого необходимо установить, куда расходуется теплота, не превращаемая в полезную работу.

3 1. Тепловой баланс двигателя Теплота, выделяемая при горении топлива, не может быть полностью трансформирована в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть теплоты неизбежно должна быть отдана холодному источнику. Расходование теплоты сгорания топлива, внесенного в двигатель за определенный период, на полезную работу и различные потери характеризуется тепловым балансом. Тепловой баланс двигателя определяется для различных режимов работы на основании результатов испытаний при установившемся тепловом режиме. С помощью теплового баланса можно определить степень совершенства конструкции и регулировок двигателя и наметить пути улучшения экономичности его работы. Уравнение теплового баланса можно записать в виде (1) где Q теплота сгорания топлива, поступившего в двигатель; Q е теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; Q в теплота, переданная в охлаждающую среду через стенки цилиндра;

4 Q г теплота, уносимая с отработанными газами; Q н.с потери теплоты вследствие неполноты сгорания топлива; Q ост остальные, не учтенные ранее, тепловые потери. В относительных величинах (в %) уравнение теплового баланса можно записать в виде (2) Теплоту сгорания топлива, расходуемого двигателем за 1 ч работы (3) (к Дж/ч), определяют по низшей теплотворной способности топлива Н и Количество теплоты (к Дж/ч), эквивалентное эффективной мощности двигателя (к Вт), равно (к Дж/кг) и часовому расходу топлива G T (кг/ч): (4) Потери теплоты в окружающую среду (к Дж/ч) составляют (5) где G B расход охладителя через систему, кг/ч;

5 с в теплоемкость охладителя, к Дж/(кг · К); Т 1, Т 2 температура охладителя на входе и выходе из системы охлаждения, К. Теплоту, уносимую с отработанными газами (к Дж/ч), можно определить по формуле, составленной исходя из предположения, что количество газов Q r равно сумме количеств поступившего воздуха G возд и топлива G Т : (6) где с р средняя теплоемкость отработанных газов при постоянном давлении (с р = 1,04 к Дж/(кг · К)); Т г,Т о температура отработанных газов и окружающей среды, К. Потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (к Дж/ч) определяются только для карбюраторных двигателей при значении а

6 Слагаемые теплового баланса изменяются в зависимости от нагрузки, теплового состояния и скоростного режима работы двигателя. Их значения, соответствующие работе автомобильных двигателей на номинальном режиме, приведены в табл. 1. Таблица 1. Значения слагаемых теплового баланса, % При повышении степени сжатия увеличивается доля теплоты, преобразованной в полезную работу. Поэтому эффективный КПД дизелей больше, чем КПД карбюраторных двигателей. По мере уменьшения нагрузки двигателя при постоянном скоростном режиме доля теплоты, преобразуемой в полезную работу, уменьшается, а потери увеличиваются. При работе двигателя без нагрузки они составляют 100 %.

7 При работе двигателя с полной нагрузкой наилучшее теплоиспользование имеет место на средних скоростных режимах, когда суммарные тепловые потери в охлаждающую среду, с отработавшими газами и механические потери минимальны (рис. 1, а). Рис. 1. Изменение теплового баланса карбюраторного двигателя: а в зависимости от частоты вращения коленчатого вала; б в зависимости от состава смеси

Читайте также  Прошивка основного блока starline a93

8 Изменение состава смеси существенно влияет на теплоиспользование в двигателе вследствие изменения теплоты сгорания и скорости сгорания смеси (рис. 1, б). Работа на обогащенных смесях характеризуется уменьшением эффективности использования теплоты из-за неполноты сгорания топлива, хотя тепловые потери в охлаждающую среду и с отработанными газами при этом несколько снижаются. По мере обеднения смеси потери от неполноты сгорания уменьшаются, но возрастают потери в охлаждающую среду и с отработавшими газами. Суммарные потери в карбюраторном двигателе минимальны при его работе на экономичных смесях (α 1,1). В дизелях по сравнению с карбюраторными двигателями потери теплоты на преодоление механических сопротивлений больше вследствие больших сил давления газа и связанных с ними потерь на трение. Однако принципиально неустранимые потери теплоты в дизелях из-за более высокой степени сжатия меньше, чем в карбюраторных двигателях, поэтому эффективный КПД дизелей выше.

9 2. Пути повышения мощности и улучшения экономичности автомобильных двигателей В ходе совершенствования автомобильных двигателей увеличивается их мощность, улучшается экономичность, уменьшаются габаритные размеры, снижается масса, и повышаются надежность и срок службы. Эффективная мощность двигателей может быть повышена путем воздействия на ряд параметров двигателя. Повышение мощности за счет увеличения литража (V hit ) связано с увеличением габаритов и массы двигателя. Поэтому этот метод целесообразно применять после того, как исчерпаны другие возможности. Совершенство рабочего процесса и конструкции двигателя оценивается по литровой мощности: Среднее эффективное давление р е = р i η М Из выражения для индикаторного КПД

10 имеем Следовательно Подставляя это выражение в формулу литровой мощности, имеем (8) Удельный эффективный расход топлива, кг/(к Вт ч), равен (9) Выражения (8) и (9) позволяют проанализировать влияние различных факторов на литровую мощность и экономичность и наметить возможные пути их повышения.

11 Значение H 0 /L 0 для автомобильного жидкого топлива изменяется незначительно и поэтому на литровую мощность практически не влияет. Следовательно, повышение литровой мощности двигателя может осуществляться за счет увеличения η i /a, η м, η v, п, 1/τ и изменения условий наполнения (p 0 и T 0 ). Индикаторный КПД в основном зависит от степени сжатия s и состава рабочей смеси а (рис. 2). Рис. 2. Влияние степени сжатия и коэффициента избытка воздуха на индикаторный КПД

12 Однако увеличение степени сжатия приводит к росту теплоотдачи через стенки камеры сгорания, что затягивает догорание заряда, повышает технические потери тепла и ухудшает динамику сгорания. Поэтому на практике рост η i достигает максимума при ε = Наибольший η i а значит, и экономичность двигателя достигаются при a = 1, ,08 (для карбюраторных ДВС). В карбюраторных двигателях повышение ε без появления признаков детонационного сгорания возможно при уменьшении диаметра цилиндра, применении алюминиевых поршней, использовании впрыска топлива вместо карбюрации. Отношение η i /a характеризует качество протекания рабочего процесса. Наибольшее значение η i /a для карбюраторных двигателей имеет место при a 0,9 Для дизелей, у которых процесс смесеобразования менее совершенный, наибольшее значение η i /a имеет место при a>1. Изменение тактности двигателя, в частности применение двухтактного цикла вместо четырехтактного, теоретически повышает литровую мощность в два раза. Это следует из формулы (8). В двухтактном цикле полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется не за четыре, а за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала. 1. Изменение тактности двигателя, в частности применение двухтактного цикла вместо четырехтактного, теоретически повышает литровую мощность в два раза. Это следует из формулы (8). В двухтактном цикле полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется не за четыре, а за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала.»>

13 В действительности мощность двигателя повышается только на % в связи с потерями, которые определяются спецификой рабочего процесса двухтактного цикла. Повышение экономичности и мощности двигателей всех типов может быть осуществлено за счет снижения механических потерь, на преодоление которых затрачивается % теплоты сгорании топлива. Значение механического КПД η м можно увеличить, уменьшая потери на трение деталей КШМ и на приведение вспомогательных механизмов двигателя и увеличивая индикаторную мощность Р i. Необходимо также учитывать, что наибольшая величина η м имеет место при работе двигателя на полной нагрузке при малых скоростных режимах. Для уменьшения механических потерь в приводе, например, вентилятора системы охлаждения там устанавливают автоматически отключаемую муфту, что позволяет уменьшать потери мощности на привод вентилятора путем его отключения на некоторых режимах работы. Увеличение коэффициента наполнения μ v в современных быстроходных двигателях обеспечивается применением верхнего расположения клапанов, двухкамерных карбюраторов, автоматического регулирования фаз газораспределения, уменьшением сопротивления впускной системы.

14 Одним из наиболее эффективных мероприятий, увеличивающих литровую мощность двигателя, является наддув. Под наддувом понимается принудительная подача свежего заряда в цилиндры двигателя под давлением, превышающим давление окружающей среды. Из формулы (8) видно, что чем больше давление и меньше температура окружающей среды, определяющие давление и температуру при наполнении цилиндра, тем больше масса свежего заряда, а следовательно, мощность двигателя. Плотность, а значит, и массу свежего заряда можно значительно увеличить, повышая давление перед поступлением в цилиндры, что и делается при наддуве. Для наддува двигателей применяются центробежные и объемные нагнетатели. Привод центробежных нагнетателей осуществляется или от коленчатого вала двигателя, или от специальной газовой турбины, использующей энергию отработавших газов (газотурбинный наддув). Для охлаждения наддувочного воздуха применяют специальные охладители. Увеличение индикаторной мощности при газотурбинном наддуве приводит к некоторому росту η м и снижает удельный расход топлива. При величине давления наддува p k = 0, ,2 МПа степень повышения эффективной мощности составляет ψ rk = 1,4. 1,7, при p k >0,2 МПа ψ rk = 2,0. 0,2 МПа ψ rk = 2,0.»>

15 В карбюраторных двигателях наддув почти не применяется из-за опасности возникновения детонации. Влияние частоты вращения коленчатого вала п на литровую мощность двигателя необходимо оценивать по комплексному множителю nηvηM. При повышении частоты вращения для форсирования двигателя необходимо, чтобы этот множитель был максимальным. На развиваемую двигателем мощность и его экономичность оказывают влияние условия технической эксплуатации. Здесь, прежде всего надо отметить необходимость организации оптимального технического обслуживания, соблюдения рекомендованных заводом-изготовителем технических регулировок в механизмах и системах двигателя. Оценка различных путей реализации рассмотренных направлений приводит к выводу, что наиболее эффективными методами повышении экономических показателей двигателя являются: — повышение степени сжатия и использование бедных горючих смесей; — совершенствование качества смесеобразования и повышение механического КПД;

16 — соблюдение условий технической эксплуатации двигателя. Повышения мощности двигателя, кроме того, можно достичь следующими способами: — увеличением объема двигателя; — повышением частоты вращения коленчатого вала; — переходом с четырехтактного цикла на двухтактный; — увеличением массы циклового заряда за счет совершенствования процесса газообмена и за счет наддува и промежуточного охлаждения заряда.

Исследование зависимости мощности и КПД источника тока от внешней нагрузки

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

  • простое изготовление;
  • низкая цена;
  • надёжность;
  • незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

Читайте также  Кран печки ВАЗ-2108-21099, 2113-2115 (керамика)

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Значения показателя

В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

  • подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
  • применение специального топлива;
  • замена некоторых деталей;
  • перенос места сжигания бензина.

КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

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

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

  • тяжесть — mg;
  • реакция опоры — N;
  • трение — Ftr;
  • тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

  • гидроэлектростанций 93-95%;
  • АЭС – не более 35%;
  • тепловых электростанций – 25-40%;
  • бензинового двигателя – около 20%;
  • дизельного двигателя – около 40%;
  • электрочайника – более 95%;
  • электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Повышение эффективности рабочего процесса ДВС применением топливно-водородных смесей

Проблема энергосбережения на автомобильном транспорте стоит в настоящее время на первом месте среди многих других имеющих место быть в автотранспортном комплексе. И она связана не только с истощением нефтегазовых ресурсов на планете, но и с не менее важными общечеловеческими проблемами, такими, как экология и ресурсосбережение. В связи с этим одним из важнейших эксплуатационных показателей автомобилей, являющихся основными потребителями нефтегазовых ресурсов и ведущими загрязнителями окружающей среды, является топливная экономичность. Топливная экономичность автомобилей практически на 50 % связана с эффективными показателями ДВС, одним из которых является удельный расход топлива.

Эффективность ДВС, оцениваемая удельным эффективным расходом топлива является величиной обратно пропорциональной такому эффективному показателю, как эффективный КПД, который с определенной степенью достоверности на 70 % зависит от индикаторного КПД и на 30% от механического КПД. В то же время индикаторный КПД является на 80–90 % аналогом такого теоретического показателя, как термодинамический КПД. Таким образом, с высокой степенью достоверности можно говорить о том, что эффективный КПД современных ДВС равен 50 % от термодинамического (теоретического) КПД, характеризующего степень совершенства термодинамического цикла.

Известно, что анализ теоретических циклов ДВС применяется для определения основных путей дальнейшего совершенствования конструкций реальных двигателей. Поэтому, проводя работу по выявлению наиболее перспективных направлений в решении проблемы повышения топливной экономичности ДВС, произведем анализ цикла Отто (цикла идеального карбюраторного двигателя).

Из технической термодинамики известно, что термодинамический КПД зависит от количества теплоты, подведенной за цикл (Q1), и теплоты, отведенной за цикл (Q2) Чем больше будет Q1 и меньше Q2, тем выше будет эффективность ДВС. При этом на практике мы не можем пока свести составляющую Q2 так, чтобы довести ее до минимума, следовательно, повысить эффективность ДВС возможно за счет увеличения Q1. Каким же образом можно увеличить эту составляющую? Ответ напрашивается простой – за счет увеличения низшей теплотворной способности топлива (Hu). То же самое можно увидеть, анализируя теоретические зависимости для определения удельного эффективного расхода топлива. Все это доказывает, что одним из наиболее эффективных и экономически оправданных путей улучшения топливной экономичности двигателей является применение топливно-водородных смесей в системах питания как бензиновых, так и дизельных ДВС.

Из теории ДВС известно, что низшая теплота сгорания топлива определяется исходя из элементного состава и может быть вычислена по формуле Д.И. Менделеева [1]:

где С, Н, О, S и W – соответственно, углерод, водород, кислород, сера и водяной пар в продуктах

сгорания массовой или объемной единицы топлива, %.

Как видим из формулы (1), большая доля теплоты выделяется при сгорании водорода. Следовательно, путь повышения эффективности ДВС находится в изменении состава топлива, в связи с чем возникает способ повышения Q1 – применение топливно-водородных смесей. Такой подход имеет ряд преимуществ: появляется возможность подобрать наиболее экономичные составы для разных режимов, получить топливо, имеющее более высокие характеристики, чем каждый отдельный компонент.

Сравнительные характеристики моторных свойств бензина и водорода представлены в табл. 1.

Моторные свойства водорода и бензина [2]

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: