Войти
КПД двигателя тепловых двигателей - соотношение между общей энергией содержащаяся в топливе, и количество энергии, используемой для выполнения полезной работы. Существует две классификации тепловых двигателей:
Каждый из них двигатели обладают уникальными характеристиками теплового КПД.
КПД двигателя, конструкция трансмиссии и конструкция шин - все это способствует топливной экономичности автомобиля.
КПД двигателя определяется как отношение полезной выполненной работы к выделенному теплу.
где, 
Обратите внимание, что термин выполненная работа относится к мощности, передаваемой на сцепление или на приводном валу .
Это означает трение и другие потери вычитаются из работы, выполненной термодинамическим расширением. Таким образом, двигатель, не выполняющий никакой работы во внешнюю среду, имеет нулевую эффективность.
КПД двигателей внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является степень расширения. Для любого теплового двигателя работа, которую можно извлечь из него, пропорциональна разнице между начальным давлением и конечным давлением во время фазы расширения. Следовательно, повышение начального давления является эффективным способом увеличения извлекаемой работы (уменьшение конечного давления, как это делается в паровых турбинах, путем выпуска в вакуум, также эффективно).
Степень расширения (рассчитанная исключительно на основании геометрии механических частей) типичного бензина (бензина) составляет 10: 1 (топливо высшего качества ) или 9: 1 (обычное топливо), с некоторыми двигателями, достигающими соотношения 12: 1 и более. Чем больше степень расширения, тем эффективнее двигатель в принципе, и чем выше коэффициент сжатия / расширения, тем в принципе нужен бензин с более высоким октановым числом , хотя этот упрощенный анализ осложняется разницей между фактическими значениями. и геометрические степени сжатия. Высокое октановое число подавляет тенденцию топлива почти мгновенно сгорать (известную как детонация или детонация ) в условиях высокого сжатия / высокой температуры. Однако в двигателях, в которых используется компрессионное зажигание, а не искровое зажигание, за счет очень высоких степеней сжатия (14-25: 1), таких как дизельный двигатель или двигатель Бурка, высокооктановый топливо не нужно. Фактически, для этих целей предпочтительны топлива с более низким октановым числом, обычно имеющие цетановое число , поскольку они легче воспламеняются при сжатии.
В условиях частичного открытия дроссельной заслонки (т. Е. Когда дроссельная заслонка не полностью открыта) эффективная степень сжатия меньше, чем при работе двигателя на полностью открытой дроссельной заслонке, из-за того простого факта, что поступающая топливно-воздушная смесь ограничен и не может заполнить камеру до полного атмосферного давления. КПД двигателя ниже, чем при работе двигателя на полностью открытой дроссельной заслонке. Одним из решений этой проблемы является перенос нагрузки в многоцилиндровом двигателе с некоторых цилиндров (путем их отключения) на остальные цилиндры, чтобы они могли работать при более высоких индивидуальных нагрузках и, соответственно, с более высокими эффективными степенями сжатия. Этот метод известен как переменный рабочий объем.
Большинство бензиновых (бензин, цикл Отто ) и дизельных (Дизельный цикл ) двигателей имеют степень расширения, равную степень сжатия. Некоторые двигатели, в которых используется цикл Аткинсона или цикл Миллера, достигают повышенной эффективности за счет того, что степень расширения превышает степень сжатия.
Дизельные двигатели имеют степень сжатия / расширения от 14: 1 до 25: 1. В этом случае общее правило более высокого КПД от более высокого сжатия не применяется, потому что дизели с коэффициентом сжатия более 20: 1 являются дизелями с косвенным впрыском (в отличие от дизелей с прямым впрыском). В них используется форкамера, чтобы сделать возможной работу на высоких оборотах, необходимую в легковых автомобилях и легких грузовиках. Тепловые и газодинамические потери из форкамеры приводят к тому, что дизели с прямым впрыском (несмотря на меньшую степень сжатия / расширения) более эффективны.
Двигатель имеет множество движущихся частей, которые создают трение. Некоторые из этих сил трения остаются постоянными (пока приложенная нагрузка постоянна); некоторые из этих потерь на трение увеличиваются по мере увеличения частоты вращения двигателя, например, силы со стороны поршня и усилия соединительных подшипников (из-за увеличения сил инерции от качающегося поршня). Некоторые силы трения уменьшаются при более высокой скорости, например сила трения на кулачках кулачка, используемых для управления впускным и выпускным клапанами (инерция клапанов на высокой скорости имеет тенденцию тянуть кулачковый толкатель от кулачка). Помимо сил трения, работающий двигатель имеет насосные потери, которые представляют собой работу, необходимую для перемещения воздуха в цилиндры и из них. Эти насосные потери минимальны при низкой скорости, но возрастают примерно как квадрат скорости, пока при номинальной мощности двигатель не использует около 20% общей выработанной мощности для преодоления потерь на трение и накачку.
Воздух составляет примерно 21% кислорода. Если кислорода недостаточно для нормального сгорания, топливо не сгорит полностью и будет производить меньше энергии. Слишком высокое соотношение топлива и воздуха приведет к увеличению количества несгоревших углеводородных загрязнителей из двигателя. Если весь кислород потребляется из-за слишком большого количества топлива, мощность двигателя снижается.
Поскольку температура сгорания имеет тенденцию к увеличению с более бедными топливовоздушными смесями, несгоревшие углеводородные загрязнители должны уравновешиваться более высокими уровнями загрязнителей, таких как оксиды азота (NOx ), которые создаются при более высоких температурах горения. Иногда это смягчается за счет подачи топлива перед камерой сгорания для охлаждения поступающего воздуха за счет испарительного охлаждения. Это может увеличить общий заряд, поступающий в цилиндр (поскольку более холодный воздух будет более плотным), что приведет к увеличению мощности, но также и к более высоким уровням углеводородных загрязнителей и более низким уровням загрязнителей оксидами азота. При прямом впрыске этот эффект не столь драматичен, но он может охладить камеру сгорания до уровня, достаточного для уменьшения количества некоторых загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx), и повышения других, таких как частично разложенные углеводороды.
Топливно-воздушная смесь втягивается в двигатель, потому что движение поршней вниз создает частичный вакуум. Компрессор может дополнительно использоваться для нагнетания большего заряда (принудительная индукция) в цилиндр для выработки большей мощности. Компрессор имеет либо механический привод с наддувом, либо выхлопной турбонаддув. В любом случае принудительный впуск увеличивает давление воздуха за пределами впускного отверстия цилиндра.
Есть и другие методы увеличения количества кислорода, доступного внутри двигателя; один из них - введение в смесь закиси азота, (N 2 O), а в некоторых двигателях используется нитрометан, топливо, которое обеспечивает сам кислород это нужно сжечь. Из-за этого смесь могла состоять из 1 части топлива и 3 частей воздуха; таким образом, можно сжигать больше топлива внутри двигателя и получать более высокую выходную мощность.
Современные бензиновые двигатели имеют максимальный тепловой КПД более 50%, но легковые автомобили составляют всего от 20% до 35% при использовании в автомобиле. Другими словами, даже когда двигатель работает с максимальной тепловой эффективностью, из общей тепловой энергии, выделяемой потребляемым бензином, около 65-80% общей мощности выделяется в виде тепла без включения в полезную работу, то есть на проворачивание коленчатого вала. Примерно половина этого отбрасываемого тепла уносится выхлопными газами, а половина проходит через стенки цилиндра или головку цилиндра в систему охлаждения двигателя и попадает в атмосферу через радиатор системы охлаждения. Некоторая часть произведенной работы также теряется в виде трения, шума, турбулентности воздуха и работы, используемой для поворота моторного оборудования и приборов, таких как водяные и масляные насосы и электрический генератор, оставляя только около 20-35% энергии, выделяемой топливом, используется для движения транспортного средства.
На холостом ходу термический КПД низкий, поскольку единственная полезная работа, выполняемая двигателем, - это генератор. На низких оборотах бензиновые двигатели несут потери эффективности при малых открытиях дроссельной заслонки из-за высокой турбулентности и потери на трение (напор), когда поступающий воздух должен пробиваться через почти закрытый дроссель (потеря насоса); дизельные двигатели не страдают от этой потери, потому что поступающий воздух не дросселируется, а страдает «потерей сжатия» из-за использования всего заряда для сжатия воздуха до небольшой выходной мощности. На высоких скоростях эффективность обоих типов двигателей снижается из-за насосных и механических потерь на трение и более короткого периода, в течение которого должно происходить сгорание. Высокие скорости также приводят к большему сопротивлению.
Бензиновый двигатель сжигает смесь бензина и воздуха, состоящую из примерно от двенадцати до восемнадцати частей (по весу) воздуха на одну часть топлива (по весу). Смесь с соотношением воздух / топливо 14,7: 1 является стехиометрической, то есть при сгорании расходуется 100% топлива и кислорода. Смеси с немного меньшим количеством топлива, называемые сжиганием обедненной смеси, более эффективны. горение - это реакция, в которой используется кислород, содержащийся в воздухе, для объединения с топливом, которое представляет собой смесь нескольких углеводородов, в результате чего получается водяной пар, диоксид углерода, а иногда оксид углерода и частично сгоревшие углеводороды. Кроме того, при высоких температурах кислород имеет тенденцию соединяться с азотом, образуя оксиды азота (обычно называемые NOx, так как количество атомов кислорода в соединении может варьироваться, таким образом индекс "X"). Эта смесь, наряду с неиспользованным азотом и другими следовыми атмосферными элементами, содержится в выхлопе.
с 2008 по 2015 год, GDI (Gasoline Direct Injection ) увеличил КПД двигателей, оснащенных данной системой заправки, до 35%. В настоящее время, начиная с 2020 года, эта технология доступна на самых разных транспортных средствах.
.
Двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны, хотя сам дизельный цикл менее эффективен при равных степенях сжатия. Поскольку в дизельных двигателях используются гораздо более высокие степени сжатия (теплота сжатия используется для воспламенения медленно горящего дизельного топлива ), эта более высокая степень более чем компенсирует потери при перекачивании воздуха в двигателе.
В современных турбодизельных двигателях используется система впрыска Common-Rail с электронным управлением для повышения эффективности. С помощью геометрически изменяемой системы турбонаддува (хотя и с большим объемом обслуживания) это также увеличивает крутящий момент двигателей на низких оборотах двигателя (1200-1800 об / мин). Низкооборотные дизельные двигатели, такие как MAN S80ME-C7, достигли общего КПД преобразования энергии 54,4%, что является самым высоким показателем преобразования топлива в мощность для любого одноциклового внутреннего или двигатель внешнего сгорания. Двигатели больших дизельных грузовиков, автобусов и новых дизельных автомобилей могут достигать максимальной эффективности около 45%.
Газовая турбина наиболее эффективна при максимальной выходной мощности Таким же образом поршневые двигатели наиболее эффективны при максимальной нагрузке. Разница в том, что при более низкой скорости вращения давление сжатого воздуха падает и, следовательно, резко падает тепловая и топливная эффективность. Эффективность неуклонно снижается с уменьшением выходной мощности и очень низка в диапазоне малых мощностей.
General Motors в свое время производила автобусы с газовой турбиной, но из-за роста цен на сырую нефть в 1970-х годах от этой концепции отказались. Rover, Chrysler и Toyota также построили прототипы автомобилей с турбинным двигателем, Chrysler построил небольшую серию их прототипов для реальной оценки. Комфортность вождения была хорошей, но общей экономии по причинам, указанным выше, не хватало. По этой же причине газовые турбины могут использоваться на электростанциях постоянной и пиковой мощности. В этом приложении они работают на полную или близкую к ней мощность только там, где они эффективны, или выключаются, когда они не нужны.
Газовые турбины действительно имеют преимущество в удельной мощности - газовые турбины используются в качестве двигателей в тяжелых бронированных машинах и бронированных танках, а также в генераторах энергии на реактивных истребителях.
Еще одним фактором, отрицательно влияющим на КПД газовой турбины, является температура окружающего воздуха. С повышением температуры всасываемый воздух становится менее плотным, и поэтому газовая турбина испытывает потери мощности, пропорциональные увеличению температуры окружающего воздуха.
Газотурбинные двигатели последнего поколения достигли КПД 46% в простом цикле. и 61% при использовании в комбинированном цикле.
Паровые двигатели и турбины работают по циклу Ренкина, который имеет максимальный КПД Карно 63% для практических двигателей с паротурбинные электростанции, способные достигать КПД в среднем 40%.
КПД паровых двигателей в первую очередь зависит от температуры и давления пара, а также от количества ступеней или расширений. Эффективность парового двигателя повысилась по мере открытия принципов работы, что привело к развитию науки термодинамики. См. График: КПД парового двигателя
В самых ранних паровых двигателях котел считался частью двигателя. Сегодня они считаются отдельными, поэтому необходимо знать, является ли заявленная эффективность общей, включая котел, или только двигателя.
Сравнение эффективности и мощности первых паровых двигателей затруднено по нескольким причинам: 1) не было стандартного веса бушеля угля, который мог составлять от 82 до 96 фунтов (от 37 до 44 кг). 2) Не существовало стандартной теплотворной способности угля и, вероятно, не существовало способа ее измерения. У углей была намного более высокая теплотворная способность, чем у сегодняшних паровых углей, иногда упоминается 13 500 БТЕ / фунт (31 мегаджоуль / кг). 3) Эффективность указывалась как «нагрузка», означающая, сколько фут-фунтов (или ньютон-метров) рабочей подъемной воды было произведено, но эффективность механической откачки неизвестна.
Разработанный первый поршневой паровой двигатель Автор Томас Ньюкомен около 1710 г., эффективность составила чуть более половины процента (0,5%). Он работал с паром с давлением, близким к атмосферному, втягивавшимся в цилиндр под нагрузкой, затем конденсировавшимся струей холодной воды в заполненный паром цилиндр, вызывая частичный вакуум в цилиндре и давление атмосферы, приводящее поршень вниз. Использование цилиндра в качестве емкости для конденсации пара также охлаждает цилиндр, так что часть тепла поступающего пара в следующем цикле теряется на нагревание цилиндра, что снижает тепловой КПД. Усовершенствования, внесенные Джоном Смитоном в двигатель Ньюкомена, увеличили эффективность до более чем 1%.
Джеймс Ватт внес несколько улучшений в двигатель Newcomen, наиболее значительным из которых был внешний конденсатор, который не позволял охлаждающей воде охлаждать цилиндр. Двигатель Ватта работал с паром при давлении чуть выше атмосферного. Усовершенствования Ватта повысили эффективность более чем в 2,5 раза. Отсутствие общих механических способностей, включая опытных механиков, станков и методов производства, ограничивало эффективность реальных двигателей и их конструкцию примерно до 1840 года.
Двигатели с более высоким давлением были разработаны Оливер Эванс и независимо Ричард Тревитик. Эти двигатели были не очень эффективны, но обладали высокой удельной мощностью, что позволяло использовать их для привода локомотивов и лодок.
Центробежный регулятор , который впервые был использован Watt для поддержания постоянной скорости, работал путем дросселирования входящего пара, что снижало давление, что приводило к потере эффективности на высоких ( двигатели с давлением выше атмосферного). Более поздние методы управления уменьшили или устранили эту потерю давления.
Усовершенствованный клапанный механизм паровой машины Корлисс (запатентован. 1849 г.) был лучше способен регулировать скорость с изменяющейся нагрузкой и повысил эффективность примерно на 30%. Двигатель Corliss имел отдельные клапаны и коллекторы для впускного и выпускного пара, поэтому горячий подаваемый пар никогда не контактировал с более холодными выпускными отверстиями и клапанами. Клапаны были быстродействующими, что уменьшало количество дросселирования пара и приводило к более быстрой реакции. Вместо того, чтобы управлять дроссельным клапаном, регулятор использовался для регулировки фаз газораспределения, чтобы обеспечить переменную отсечку пара. Отсечка переменных была ответственна за большую часть повышения эффективности двигателя Корлисса.
У других до Корлисса была хотя бы часть этой идеи, в том числе Захария Аллен, который запатентовал переменную резку выкл., но отсутствие спроса, повышенная стоимость и сложность, а также плохо развитая технология обработки отложили внедрение до Corliss.
Высокоскоростной двигатель Портера-Аллена (ок. 1862 г.) работал со скоростью от трех до пяти раз быстрее, чем другие двигатели аналогичного размера. Более высокая скорость позволила свести к минимуму конденсацию в цилиндре, что привело к повышению эффективности.
Составные двигатели дали дальнейшее повышение эффективности. К 1870-м годам на кораблях использовались двигатели тройного расширения. Составные двигатели позволяли судам перевозить меньше угля, чем грузов. Составные двигатели использовались на некоторых локомотивах, но не получили широкого распространения из-за их механической сложности.
Очень хорошо спроектированный и построенный паровоз, который в период своего расцвета имел КПД около 7-8%. Наиболее эффективной конструкцией поршневого парового двигателя (для каждой ступени) был однопоточный двигатель, но к тому времени, когда он появился, пар вытеснялся дизельными двигателями, которые были еще более эффективными и имели то преимущество, что требовали меньше труда для перевалка угля и нефти, будучи более плотным топливом, вытеснила меньше груза.
Используя статистику, собранную в начале 1940-х годов, Железная дорога Санта-Фе измерила эффективность своего парка паровозов по сравнению с единицами FT, которые они только что вводили в эксплуатацию в значительном количестве. Они определили, что стоимость тонны нефтяного топлива, используемого в паровых двигателях, составляла 5,04 доллара, что в среднем дает 20,37 железнодорожных миль в ширину системы. Дизельное топливо стоило 11,61 доллара, но производило 133,13 поездных миль на тонну. Фактически, дизели работают в шесть раз больше, чем пароходы, используя топливо, которое стоит вдвое дороже. Это было связано с гораздо лучшим тепловым КПД дизельных двигателей по сравнению с паровыми. Вероятно, поезда, использовавшиеся в качестве стандартного пробега, составляли 4 000-тонный грузовой состав, что было нормальным в то время дублением.
— Джим Валле, «Насколько эффективен паровой двигатель?»паровая турбина является наиболее эффективным паровым двигателем и по этой причине повсеместно используется для выработки электроэнергии. Расширение пара в турбине почти непрерывное, что делает турбину сопоставимой с очень большим количеством ступеней расширения. Паровые электростанции, работающие в критической точке, имеют КПД в диапазоне низких 40%. Турбины производят прямое вращательное движение, они намного компактнее и весят намного меньше, чем поршневые двигатели, и их можно регулировать с точностью до очень постоянной скорости. Как и в случае с газовой турбиной, паровая турбина наиболее эффективно работает на полной мощности и плохо работает на более низких оборотах. По этой причине, несмотря на их высокое отношение мощности к массе, паровые турбины в основном использовались в приложениях, где они могли работать с постоянной скоростью. При производстве электроэнергии переменного тока поддержание чрезвычайно постоянной скорости турбины необходимо для поддержания правильной частоты.
Двигатель с циклом Стирлинга имеет самый высокий теоретический КПД среди всех тепловых двигателей, но он имеет низкое отношение выходной мощности к массе, поэтому двигатели Стирлинга имеют практический размер имеют тенденцию быть большими. Эффект размера двигателя Стирлинга обусловлен его зависимостью от расширения газа при повышении температуры и практических ограничений на рабочую температуру компонентов двигателя. Для идеального газа, увеличивая его абсолютную температуру для данного объема, только пропорционально увеличивает его давление, поэтому, когда низкое давление двигателя Стирлинга является атмосферным, его практический перепад давления ограничен температурными пределами и обычно составляет не более пары атмосфер, что делает давление в поршнях двигателя Стирлинга очень низким, поэтому для получения полезной выходной мощности требуются относительно большие площади поршня.
