Кпд двс
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.
avto-blogger.ru
КПД двигателя внутреннего сгорания – определение и сравнение + видео
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.
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.
carnovato.ru
Дизельный мотор и бензиновый: сравнение КПД
Коэффициент полезного действия (КПД) является величиной, которая в процентном отношении выражает эффективность того или иного механизма (двигателя, системы) касательно преобразования полученной энергии в полезную работу.
Что касается двигателя внутреннего сгорания (ДВС), такой силовой агрегат осуществляет преобразование тепловой энергии. Данная высвобождающаяся энергия является результатом сгорания топлива в цилиндрах двигателя. КПД мотора представляет собой фактически совершенную механическую работу, которая состоит в соотношении полученной поршнем энергии от сгорания топлива и конечной мощности, которая отдается установкой на коленчатом валу ДВС.
Почему КПД дизеля выше
Показатель КПД для различных двигателей может сильно отличаться и зависит от ряда факторов. Бензиновые моторы имеют относительно низкий КПД благодаря большому количеству механических и тепловых потерь, которые возникают в процессе работы силового агрегата данного типа.
Вторым фактором выступает трение, возникающее при взаимодействии сопряженных деталей. Большую часть расхода полезной энергии составляет приведение в движение поршней двигателя, а также вращение деталей внутри мотора, которые конструктивно закреплены на подшипниках. Около 60% энергии сгорания бензина расходуется только на обеспечение работы этих узлов.
Дополнительные потери вызывает работа других механизмов, систем и навесного оборудования. Также учитывается процент потерь на сопротивление в момент впуска очередного заряда топлива и воздуха, а далее выпуска отработавших газов из цилиндра ДВС.
Если сравнить дизельную установку и мотор на бензине, дизельный двигатель имеет заметно больший КПД сравнительно с бензиновым агрегатом. Силовые агрегаты на бензине имеют КПД на отметке около 25-30% от общего количества полученной энергии.
Другими словами, из потраченных на работу двигателя 10 литров бензина только 3 литра израсходованы на выполнение полезной работы. Остальная энергия от сгорания топлива разошлась на потери.
Что касается КПД атмосферного дизельного агрегата, то этот показатель составляет около 40%. Установка турбокомпрессора позволяет увеличить отметку до внушительных 50%. Использование современных систем топливного впрыска на дизельных ДВС в сочетании с турбиной позволило добиться КПД около 55%.
Такая разница в производительности конструктивно схожих бензиновых и дизельных ДВС напрямую связана с видом топлива, принципом образования рабочей топливно-воздушной смеси и последующей реализацией воспламенения заряда. Бензиновые агрегаты более оборотистые по сравнению с дизельными, но большие потери связаны с расходами полезной энергии на тепло. Получается, энергия бензина менее эффективно превращается в полноценную механическую работу, а большая доля попросту рассеивается системой охлаждения в атмосферу.
Мощность и крутящий момент
При одинаковом показателе рабочего объёма, мощность атмосферного бензинового мотора выше, но достигается при более высоких оборотах. Двигатель нужно «крутить», потери возрастают, увеличивается расход топлива. Также необходимо упомянуть крутящий момент, под которым в буквальном смысле понимается сила, которая передается от мотора на колеса и движет автомобиль. Бензиновые ДВС выходят на максимум крутящего момента при более высоких оборотах.
Аналогичный атмосферный дизель выходит на пик крутящего момента при низких оборотах, при этом расходует меньше солярки для выполнения полезной работы, что означает более высокий КПД и экономию топлива.
Солярка образует больше тепла по сравнению с бензином, температура сгорания дизтоплива выше, показатель детонационной стойкости более высокий. Получается, у дизельного ДВС произведённая полезная работа на определенном количестве топлива больше.
Энергетическая ценность солярки и бензина
Дизельное топливо состоит из более тяжелых углеводородов, чем бензин. Меньший КПД бензиновой установки сравнительно с дизелем также заключаются в энергетической составляющей бензина и особенности его сгорания. Полное сгорание равного количества солярки и бензина даст больше тепла именно в первом случае. Тепло в дизельном ДВС более полноценно преобразуется в полезную механическую энергию. Получается, при сжигании одинакового количества топлива за единицу времени именно дизель выполнит больше работы.
Также стоит учитывать особенности впрыска и создание надлежащих условий для полноценного сгорания смеси. В дизель топливо подается отдельно от воздуха, впрыскивается не во впускной коллектор, а напрямую в цилиндр в самом конце такта сжатия. Результатом становится более высокая температура и максимально полноценное сгорание порции рабочей топливно-воздушной смеси.
Конструкторы постоянно стремятся повысить КПД как дизельного, так и бензинового двигателя. Увеличение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, активное применение систем изменения фаз газораспределения, электронное управление топливным впрыском, дроссельной заслонкой и другие решения позволяют существенно повысить коэффициент полезного действия. В большей мере это касается дизельного двигателя.
Благодаря таким особенностям современный дизель способен полностью сжечь насыщенную углеводородами порцию дизтоплива в цилиндре и выдать большой показатель крутящего момента на низких оборотах. Низкие обороты означают меньшие потери на трение и возникающее в результате трения сопротивление. По этой причине дизельный мотор сегодня является одним из наиболее производительных и экономичных типов ДВС, КПД которого зачастую превышает отметку в 50%.
KrutiMotor.ru
Двигатель внутреннего сгорания с повышенным кпд
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней. Поршни разведены на некоторый угол, оптимальная величина которого составляет 35 - 60o, фиксируются путем зацепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах коленчатых валов с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для стартерного пуска двигателя и отбора мощности ее вала. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя внутреннего сгорания. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению, а точнее к двигателестроению и способу работы.
Может применено всюду, где ныне используются ДВС.
Главный недостаток современных ДВС - низкий КПД.
Для карбюраторных двигателей он составляет 25-30%, для дизельных - 35-40%. Столь низкий КПД объясняется тремя причинами: первая - рабочий такт начинается до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (в.м.т.), т.е. с отрицательной работы; вторая - максимум давления в цилиндре при рабочем такте приходится на момент, когда поршень находится вблизи в.м.т., что очень существенно снижает эффективность преобразования тепловой энергии давления в механическую; третья - малой рабочей площадью, используемой для свершения крутящего момента (площадь нижнего днища поршня).
Известен двигатель внутреннего сгорания, камера сгорания которого образована внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение и они разведены на некоторый угол разбежки (см. пат. США N 3868931, F 02 B 75/04, 1975).
Однако этот двигатель имеет невысокий коэффициент полезного действия (КПД).
Технической задачей изобретения является повышение КПД двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что двигатель содержит камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение, а разведены на некоторый угол (угол разбежки), при этом оптимальная величина его составляет от 35 до 60 градусов и фиксируется путем защепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах валов, с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для пуска двигателя и отбора мощности с ее вала. Кроме того, один из поршней (рабочий), опережающий другой поршень (вспомогательный), имеет удлиненный шатун, величина которого определяется углом разбежки поршней и углом для рабочего поршня. Объем камеры сгорания определяется как соотношением длин шатунов, так и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня. Двигатель выполнен с увеличенной рабочей площадью за счет увеличения диаметра цилиндра, имеет максимальное сближение поршней, при этом в их днищах выполнены выемки, обеспечивающие необходимую степень сжатия. Рабочий такт в двигателе начинается с положительной работы, определяемой углом положения рабочего поршня при оптимальном угле разбежки поршней, величина которого устанавливается опытным путем для каждого типа двигателя и используемого топлива, обеспечивающим в итоге развития двигателем максимального крутящего момента.
Следует заметить, что при обратном движении оба поршня будут двигаться в одном направлении, причем у рабочего поршня линейная скорость будет возрастать, а у вспомогательного замедляться. Такое взаимное расположение при их максимальном сближении и создает необходимую степень сжатия, величина которой определяется путем соотношения длины шатунов и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня.
Последнее делается с целью сглаживания линейных скоростей.
Известно, что в замкнутом объеме давление газа во всех направлениях одинаково на единицу площади. Следовательно, чем больше рабочая площадь в двигателе, тем более эффективно будет использоваться тепловая энергия давления. С этой целью в двигателе предусматривается некоторое увеличение диаметра цилиндра при максимально допустимом сближении поршней при рабочем такте с одновременным устройством выемок в днищах поршней с целью обеспечения необходимой степени сжатия. Таким приемом обеспечивается значительное превосходство рабочей площади над нерабочей.
В современных двигателях с одним поршнем в цилиндре начальная фаза рабочего такта, в лучшем случае, начинается при 50% доле рабочей площади с последующим ее уменьшением по мере удаления поршня от в.м.т.
В предлагаемом двигателе уравнение площадей произойдет только тогда, когда расстояние между поршнями составит половину диаметра цилиндра. А это существенно важно, если учесть, что 80% всей работы приходится на 60 градусов поворота коленчатого вала при рабочем такте. Оптимальные размеры цилиндра принимаются опытным путем в зависимости от типа двигателя и вида используемого топлива.
Принципиальная особенность работы двигателя заключается в следующем: наличие угла разбежки поршней позволяет до начала рабочего такта вывести рабочий поршень на некоторый заданный угол, при котором достигается максимальный крутящий момент. Необходимым условием для этого является, чтобы максимум деления в цилиндре совпадал с выходом вспомогательного поршня из в.м. т.
Оптимальная величина угла сдвижки поршней находится в пределах 35-60 градусов.
Повышение КПД в предлагаемом двигателе будет определяться следующими факторами: углом разбежки поршней и углом для рабочего поршня, большей рабочей площадью и более эффективным способом преобразования тепловой энергии давления в механическую. Помимо этого следует отметить, что рабочий такт в новом двигателе будет начинаться с положительной работы, а на достижение необходимой степени сжатия будет затрачиваться меньше энергии по причине одностороннего направления движения поршней.
Данный принцип устройства двигателя и предлагаемый способ работы поршней может быть использован и при внешнем подводе тепловой энергии.
На фиг.1 схематически показан общий вид дизельного двигателя.
Он состоит из цилиндра 1; рабочего 2 и вспомогательного 3 поршней; форсунки 4; шатунов 5 и 6; выхлопных окон 7; продувочных щелей 8; коленчатых валов 9 и 10; одинаковых шестерен 11 и 12; центральной шестерни 13; вала отбора мощности 14.
На фиг. 2, 3 показаны возможные варианты положения поршней в момент начала рабочего такта. Обозначения см. фиг.1.
Из рисунка видно, что угол для рабочего поршня составляет 20 градусов, вспомогательный поршень находится на расстоянии 15 градусов до его прихода в в.м.т. Сумма указанных углов дает угол разбежки поршней - 35 градусов.
Из теории известно, что крутящий момент определяется формулой где P - сила давления поршня; R - радиус кривошипа; - угол поворота кривошипа; - угол поворота шатуна.
(см. "Автомобильные двигатели" под ред. М.С.Ховаха, Москва, "Машиностроение", 1977, стр. 346).
Если допустить, что максимум давления в обычном двигателе соответствует углу в 15o, то в нашем примере это произойдет при угле в 35 градусов. В этом случае геометрический множитель возрастет в два раза (cм. таблицу 3, стр. 575, "Автомобильные двигатели"). А если учесть, что и произведение также возрастет, то в целом итоговая величина крутящего момента еще больше увеличится.
При максимальном угле разбежки поршней геометрический множитель возрастет многократно, что в итоге превысит 100% значение КПД. Этот парадокс объясняется тем, что его величина для ныне эксплуатируемых двигателей явно завышена.
Соотношением диаметров шестерен коленчатых валов c центральной шестернью можно в больших пределах изменять передаточное число, что делает двигатель более универсальным и стабильным в работе.
Наиболее технологично простыми выглядят дизельные варианты двигателей. Что же касается двигателей с искровым зажиганием, то в этом случае клапаны и свеча зажигания должны устанавливаться в формкамере, устраиваемой в центральной части цилиндра.
Переход на новый тип двигателей помимо чисто экономических выгод позволит значительно оздоровить и экологическую обстановку, которая ныне приобретает катастрофический характер.
1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, образованную внутренней поверхностью цилиндра и днищами поршней, последние имеют не взаимовстречное движение, а разведены на некоторый угол (угол разбежки поршней), отличающийся тем, что оптимальная величина его составляет 35 - 60oC и фиксируется путем зацепления одинаковых шестерен, неподвижно закрепленных на концах коленчатых валов, с центральной шестерней-маховиком, приспособленной для стартерного пуска двигателя и отбора мощности с ее вала.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что один из поршней (рабочий), опережающий в своем движении другой поршень (вспомогательный) имеет удлиненный шатун, величина которого определяется углом разбежки поршней и углом для рабочего поршня.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что объем камеры сгорания определяется как соотношением длин шатунов, так и изменением (увеличением) радиуса кривошипа вспомогательного поршня.
4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с увеличенной рабочей площадью за счет увеличения диаметра цилиндра, имеет максимальное сближение поршней, при этом в их днищах выполнены выемки, обеспечивающие степень сжатия.
5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочий такт в нем начинается с положительной работы, определяемой углом положения рабочего поршня при оптимальном угле разбежки поршней, величина которого устанавливается опытным путем для каждого типа двигателя и используемого топлива, обеспечивающим в итоге развития двигателем максимального крутящего момента.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
www.FindPatent.ru
