Леонид Попов, 24 января 2014. Фото и иллюстрации: Renault, Mercedes-Benz
Рекуперация энергии появилась в Формуле-1 ещё в 2009 году. Но новый этап внедрения гибридных технологий столь радикальный, что повлиял даже на официальный язык: в документах вместо слова Engine появилось сочетание Power Unit. На фото показан такой «юнит» от Renault под названием Sport Energy F1-2014.
С сезона 2014 года в Формуле-1 уходит эпоха атмосферных моторов V8 2.4, трудившихся с 2006 года. По новому регламенту на болидах появятся турбомоторы объёмом всего 1,6 л. Звучит знакомо. Но если в обычной жизни это рядные «четвёрки», то в спорте — малолитражные V-образные «шестёрки» с высокопроизводительным одиночным турбонаддувом (давление не регламентировано). Да и частота вращения коленвала внушительна — лимитатор по правилам будет срабатывать на 15 000 об/мин. А ещё на этих движках стоит система двойной рекуперации, способная утилизировать не только кинетическую энергию автомобиля во время торможения, как было в недавнем прошлом, но и энергию выхлопных газов. Да-да, в формульном моторе турбина соединена с генератором — как на заправской электростанции! Потому буковка К (kinetic) из общего наименования системы пропала, теперь это просто ERS (Energy Recovery System).
Предыдущие моторы в Формуле-1 (V8 2.4) развивали приблизительно 760 л.с. (точные числа, понятно, не разглашаются). Новые будут выдавать порядка 600 л.с., утверждает компания Renault, и ещё 160 «лошадок» с копейками будет добавлять на разгонах система ERS. Суммарная отдача установки окажется сопоставима с прошлогодней, а то и выше. На снимке — наддувные V-образные «шестёрки» Renault 1980 и 2014 года. Рабочий объём почти одинаков (34 года назад он составлял 1,5 литра), но насколько различны размеры.
С сезона 2014 года мгновенный расход у двигателя внутреннего сгорания на Формуле-1 не должен выходить за рамки 100 кг/час, и 100 килограммами ограничен общий запас топлива на одну гонку. Ранее пиковый расход не регламентировался (а по факту был на 40% выше). Что до суммарного запаса топлива, то его не ограничивали (нельзя было только дозаправиться), но типично в бак помещалось около 160 кг горючего. Так что теперь инженерам команд будет весьма непросто настраивать системы рекуперации на гонку и выбирать стратегию в данной части.
У Мерседеса мотор PU106A Hybrid по общему виду похож на «собратьев». Характерная черта — единственный турбокомпрессор, расположенный позади блока цилиндров. Эта компоновка продиктована правилами: если раньше на болиде были разрешены два выхлопных патрубка, то теперь только один, причём так, чтобы поток газов не создавал аэродинамического эффекта. С той же целью запрещено располагать какие-то дополнительные элементы кузова за выхлопом, чтобы они не направляли поток газов.
Если раньше от системы KERS разрешено было получать максимальную добавочную мощность 60 кВт (81 л.с.) в течение 6,7 секунды за один круг, то теперь лимит повышен до 120 кВт (162 л.с.), и такую мощность можно будет развивать по 33 секунды на каждом круге. Ещё французские инженеры указывают, что если в прошлом году поломка «керса» стоила гонщику лишних 0,3 с на круг, то теперь выход из строя гибридной составляющей болида Формулы-1 фактически оставляет машину за пределами хоть какой-то борьбы.
Снова немецкий двигатель. Обратите внимание на огромный колпак сверху. Так выглядит одна из важнейших проблем, над которой пришлось поломать головы всем компаниям: под сравнительно небольшой кузов болида Формулы-1 теперь нужно втиснуть солидный интеркулер для охлаждения воздуха на впуске. Вообще инженеры говорят, что в новых болидах суммарная площадь различных радиаторов существенно вырастет и их правильное размещение, а также хорошая эффективность окажутся одним из ключей к успеху.
В сезоне 2014 года 11 команд будут использовать двигатели всего от трёх поставщиков. Red Bull, Lotus, Toro Rosso и Caterham возьмут на вооружение мотор Renault Sport Energy F1-2014. Команды Mercedes, McLaren, Force India и Williams возложили свои надежды на агрегат Mercedes-Benz PU106A Hybrid. Наконец, болиды Ferrari увлекать вперёд призваны двигатели Ferrari 059/3, и они же оживят болиды Marussia и Sauber. Творение итальянцев «живьём» пока не показывали, но о нём кое-что уже известно, как и о моторе Mercedes. Однако наиболее детальные сведения о новом двигателе предоставила французская компания.
Ключевые элементы нового формульного мотора Renault. Особого рассказа требуют системы MGU-K и MGU-H.
В новой установке есть два мотор-генератора, способных как вырабатывать ток, так и действовать в роли электродвигателя. Первый называется MGU-K (Motor-Generator Unit-Kinetic). Он соединён с коленвалом ДВС и собирает энергию на торможении, отдавая её высоковольтному накопителю. При разгоне MGU-K добавляет свою мощность к мощности основного агрегата. Эта добавка как раз лимитирована по регламенту 120 киловаттами. Ещё есть ограничение по количеству энергии, которую можно собрать на одном круге (два мегаджоуля), и энергии, которую можно использовать для разгона на одном круге (четыре мегаджоуля), что, к слову, в десять раз больше, чем разрешено было в 2013 году для старого «керса».
У «юнита» Mercedes-Benz PU106A Hybrid две системы рекуперации также именуются MGU-K и MGU-H, и размещены они в целом похоже на компоновку этих агрегатов у Renault.
Устройство MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) — самое интересное в новой Формуле. Это электрическая машина, сидящая на валу турбокомпрессора. И работать она может в обе стороны: извлекать энергию из выхлопных газов и раскручивать турбокомпрессор для сокращения турболага. Причём, в отличие от MGU-K, величина потоков энергии (выработка в качестве генератора и работа как электромотора) правилами не ограничена. Это даёт инженерам мощный рычаг для управления балансом энергии в машине. Если учесть работу ДВС и MGU-K, в сумме энергия в болиде может перекачиваться по семи направлениям.
В этой презентации силовая установка Ferrari 059/3 предстаёт только в виде анимации, но можно убедиться, что она в общих чертах повторяет агрегаты Мерседеса и Рено. В том числе и в части двойной рекуперации. Инженеры Ferrari тут выступают вместе со специалистами Shell. Они не раз повторяют: новые двигатели не только должны приблизиться к гражданским по аппетиту, но и по надёжности, и по долговечности. Хоть на шаг. Ведь по новому регламенту одному гонщику за сезон будет разрешено использовать лишь пять моторов вместо восьми ранее.
Вспомним, что обычный «керс» вводился под соусом помощи мира Формулы-1 массовой автомобильной индустрии в деле сохранения окружающей среды. Мол, в Королеве автоспорта будут проверяться идеи и технологии, которые далее могут в том или ином виде найти свой путь к обычным автомобилям. Новый регламент — заметный шаг в этом направлении. Болиды в 2014 году просто вынуждены стать экономичнее, а ключ к экономичности — хитроумная гибридная система. Вполне вероятно, что мы скоро увидим что-то похожее на серийных автомобилях. Собственно, это уже происходит. Вспомним опыты Audi c электрическим приводом компрессора. От него недалеко до утилизации энергии выхлопа (такие турбогенераторы тоже предлагались в разное время, но развития не получили) и объединения подобных устройств в единый комплекс.
www.drive.ru
С сезона 2014 года из Формулы 1 уходит время атмосферных двигателей V8 2.4, которые активно использовались с 2006 года. Теперь на смену им придут двигатели объемом лишь 1,6 литров. Но если в обычном применении это рядовые «четверки», то здесь это малолитражные «шестерки», оснащенные одиночным турбонадувом с высокой производительностью. Да и что касается частоты вращения коленвала, то здесь тоже довольно внушительные показатели – лимитатор срабатывает на 15 000 об/мин. Также эти двигатели оснащены системой двойной рекуперацией, которая помимо кинетической энергии, способна утилизировать и энергию выхлопных газов. В этом двигателе турбина соединяется с генератором. По этой причине в названии отсутствует буква «К», теперь он называется ERS.
Предыдущие двигатели Формулы-1 развивали мощность около 760 л.с. Новые моторы 2014 года будут развивать мощность около 600 лошадиных сил, заявляет компания Renault. И дополнительно 160 лошадиных сил буде добавлено на системах ERS. Общая сумма мощности силовой установки будет сопоставима с прошлыми версиями.
С нового сезона мгновенный расход топлива двигателя Формулы-1 не должен превышать 100 кг/час, и за всю гонку суммарное количество топлива ограничено 100 кг. Ранее максимальный расход не был регламентирован и суммарный запас топлива тоже не был лимитирован, но как правило в бак помещалось приблизительно 160 кг топлива. Поэтому теперь инженерам команд придется поломать голову на настройку системы рекуперации и подобрать для этого определенную систему.
У Мерседеса двигатель общим видом напоминает своих «собратьев». Характерной чертой является единственный турбокомпрессор, который расположен сзади цилиндров. Такая компоновка продиктована требованиями: раньше на болидах разрешалось использование двух выхлопных патрубков, но теперь позволено использовать только один, причем он должен применяться так, чтобы поток выхлопных газов никаким образом не создавал аэродинамического эффекта. По этой же причине запрещается использовать какие-либо дополнительные кузовные элементы, располагая их за выхлопом, для направления выхлопных газов.
Следует обратить внимание на колпак сверху этого бензинового двигателя. Это одна из наиболее важных проблем, над которой поломали головы разработчики. Под довольно небольшой кузов болида нудно каким-то образом разместить крупный интеркулер, нужный для охлаждения воздуха на впуске. Как говорят многие инженеры, в новых болидах общая площадь разных радиаторов ощутимо увеличится, и поэтому их правильное размещение станет одним из основных моментом для достижения наибольшей эффективности.
Если ранее от систем KERS было разрешено получать максимальную мощность равную 60кВт (81 л.с.) за 6,7 секунд, то сейчас лимит увеличили до 120 кВт (соответственно 162 л.с.) и эту мощность можно развить за 33 секунды на каждом круге. Также французские инженеры уточняют, что если ранее поломка «керса» обходилась гонщику лишними 0,3 секундами на круг, то сейчас полмкА гибридной части болида практически оставит автомобиль за пределами какой-либо борьбы.
В сезоне 2014 года в Формуле 1 будут использоваться двигатели от трех поставщиков: Lotus, Red Bull и Toro Rosso. Команды MCLaren, Mercedes, Williams и Force India, возлогают свои надежды на двигатель Mercedes-Benz PU106A Hybrid. Что касается болидов Ferrari, то в них будет установлен двигатель Ferrari 059/3. Этот же мотор будет использоваться в болидах Sauber и Marussia. В «живую» пока творение итальянцев не показывали, но уже кое-что о нем, все-таки известно, также как и о двигателе Mercedes. Но самые полные данные о новом моторе сообщила французская компания.
В новой силовой установке расположено два мотор-генератора, которые способны вырабатывать ток, а также работать в роли электрического двигателя. Первый из них называется MGU-K. Он соединяется с коленвалом ДВС и набирает энергию во время торможения и отдает ее высоковольтному накопителю. Во время разгона двигатель складывает свою мощность с мощностью основного двигателя. Эта добавка лимитируется по регламенту в 120 кВт. Существую еще ограничения по количеству энергии, которая может быть собрана на одном круге, что между прочим, в десять раз больше, чем было разрешено в 2013 году предыдущему типу двигателя.
MGU-H - наиболее интересное устройство в новом болиде. Теперь это электрическая машина, которая сидит на валу турбокомпрессора. При этом она может работать в обе стороны: вырабатывать энергию из выхлопных газов, и также раскручивать турбокомпрессор, с целью сокращения турболага. И в отличие, от системы MGU-K, правила не ограничивают величину потоков энергии. Это дает большие возможности инженерам по управлению балансом энергии в автомобиле. Если учитывать работу MGU-K и ДВС, суммарная энергия машины может перемещаться по семи направлениям.
Во время торможения блок MGU-K перемещает энергию, полученную от колес в аккумулятор. Кстати вес батареи, теперь тоже лимитирован и составляет от 20 до 25 кг. Поэтому разработчикам потребовалось более мощная система, способная развить около 6 кВт на один килограмм веса машины. Скорее всего здесь будут установлены суперконденсаторы. Другая фаза – выход из торможения. Здесь батарея отдает свою энергию в блок MGU-H, и он быстро развивает максимальные обороты турбокомпрессора. Дале происходит ситуация обгона. В этом случае и MGU-H и батарея поставляют энергию для MGU-K, развивающему пиковую скорость и ускоряющему болид. Во время обычного ускорения запас энергии в батарее не изменяется, но при этом происходит передача энергии системе MGU-K от MGU-H.
В этой презентации двигатель от Ferari 059/3 показан только в анимационном виде, но этого достаточно чтобы убедиться, что в общих чертах он копирует силовые установки Рено и Мерседеса. В том числе и в плане двойной рекуперации. Разработчики Farrari, здесь выступают вместе с сотрудниками компании Shell. И они не однократно повторили, что новые агрегаты должны не только приблизиться по аппетиту к гражданским установкам, но и стать более долговечными и надежными. Тем более, сто по новому регламенту один гонщик может воспользоваться только пятью двигателями за сезон, а не восемью, как было раньше.
Следует напомнить, что обыкновенные «керс» был введен под предлогом помощи автомобильной индустрии в качестве технологии для сохранения экологии и окружающей среды. С целью того, чтобы на болидах проверялись технологии и идеи, которые потом нашли бы свое применение в обыкновенных автомобилях. В этом направлении новый регламент стал довольно заметным шагом. Болиды в году были просто вынуждены стать более экономными, а способ сделать их экономичнее – использование новой уникальной гибридной установки. Вполне возможно, что скоро, что-то подобное появится на серийных автомобилях городского типа. Хотя можно сказать, что это уже постепенно происходит. Для этого достаточно вспомнить опыты компании Audi с электроприводом компрессора. От таких технологий недалеко и до утилизации выхлопной энергии ( такие турбогенераторы уже предлагались в различное время, но на получили развития) и объединения таких систем в единый комплекс.
Оцените статью: Поделитесь с друзьями!pol-z.ru
кВт.
Требуемое число цилиндров формула (1.3)
.
Принимаем i=8.
Уточняем значение литровой мощности по формуле (1.4)
кВт/л.
Плотность воздуха, требуемая для реализации Nел, определяется по формуле (1.6)
кг/м3
Учитывая, что при 293 К плотность воздуха 0=1,21 кг/м3, определяем, что наддув данного двигателя не требуется (k=0), (рk=р0), (Тk=Т0).
Теоретическое количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива
кг/кг топлива,
кмоль/кг топлива.
Действительное количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива
L=L0=0,950,516=0,419 кмоль/кг топлива.
Количество свежего заряда (горючей смеси)
кмоль/кг.
Общее количество продуктов сгорания
кмоль/кг.
Химический коэффициент молекулярного изменения
.
Давление заряда в конце процесса наполнения (начале сжатия) по формуле (2.6)
МПа0,09 МПа.
Принимаем значение ΔТ=15 К,Тr=1100 K,Pr=0,12 Мпа.
Коэффициент остаточных газов формула (2.8)
.
Температура заряда в конце впуска формула (2.9)
К.
Коэффициент наполнения формула (2.10)
.
Давление газов в конце процесса сжатия (показатель политропы сжатия n1=1,35) по формуле (2.11)
рс=0,0971,35 МПа,
температура формула (2.12)
Тс=355,771,35-1=702,8 К.
Принимаем Hu=44000 кДж/кг. Тогда
mCv=20,16+1,73810-3702,8=21,38 кДж/кмольград,
средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания
=(18,42+2,610,95)+(15,4+13,830,95)10-4Тz=20,9+30,1810-4Тz.
Принимаем т=0,9. Тогда уравнение сгорания топлива (3.1) после подстановки в него численных значений величин имеет вид
,
где Hu=119950(1-0,95)0,516=3094,7 кДж/кг,
или
30,310-4Тz2+21,00Тz-99206,5=0.
Решая данное квадратное уравнение, получаем
Тz=3224,2 К.
МПа.
Выбираем показатель политропы расширения n2=1,30.
Температура газов в конце процесса расширения формула (2.19)
К,
давление в конце расширения формула (2.20)
МПа.
Проверка по формуле (2.20)
К.
Относительная ошибка
.
Таким образом, достоверность результатов рабочего цикла подтверждена.
Приложение 6
Рекомендации по выполнению и
оформлению курсовой работы.
1. При выполнении курсовой работы в пояснительной записке необходимо проводить все расчеты с указанием численных значений величин, входящих в формулу. Если расчеты по одной формуле многократно повторяются, то в пояснительной записке проводятся примеры расчетов 2…3 значений. Все расчеты должны сопровождаться необходимыми текстовыми пояснениями.
2. В конце каждого раздела должен проводится самостоятельный анализ полученных результатов.
3. В состав графической части должны входить графики, диаграммы, схемы и чертежи, указанные в задании.
4. Графики и диаграммы традиционно удобно выполнять на миллиметровой бумаге формата А1. На первом листе изображается индикаторная диаграмма и характеристики двигателя, а на втором – графики сил РГ, Pj, Ррез, график определения сил PjI, PjII и Pj, график силы Rш, график тангенциальных сил.
Литература
Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. – М.: Колос, 1984.
Железко Б.Е., Адамов В.М. и др. Расчет и конструирование автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Вышэйшая школа, 1987.
Архангельский В.М., Вихерт М.М. и др. Автомобильные двигатели. – М.: Маштностроение, 1977.
Тракторные дизели: Справочник. Под общей редакцией Б.А. Взорова. – М.: Машиностроение, 1981.
Тепловой и динамический расчет двигателя. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Основы теории и динамики автомобильных и тракторных двигателей», Мн.: БГПА, 1994.
У Т В Е Р Ж Д А Ю
Зав. кафедрой «Тракторы и автомобили»
_____________________М.A. Солонский
«___» ___________ 200_ г.
З А Д А Н И Е №
на курсовую работу по теории трактора и автомобиля
Тема: «Основы теории и расчета автотракторных двигателей»
Студенту _____ курса _____ группы _____________________________
studfiles.net
В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.
Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).
Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.
Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где
Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:
(QHp = Q)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯБольшая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.
КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.
КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.
Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:
Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.
neauto.ru
Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.
Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.
Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:
КПД = (Тнагрев. - Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.
При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.
При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.
В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q1. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q2<Q1.
КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:
η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.
Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.
КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:
η = (Q1-Q2)/ Q1, где Q1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q2 — отданная холодильнику.
Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:
A = |QH| - |QX|, где А — работа, QH — количество теплоты, получаемое от нагревателя, QX — количество теплоты, отдаваемое охладителю.
КПД теплового двигателя (формула):
|QH| - |QX|)/|QH| = 1 - |QX|/|QH|
Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.
Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:
(Тн - Тх)/ Тн = - Тх - Тн.
Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.
В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:
• Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.
• Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.
• Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.
• Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.
• Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.
• Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.
• Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.
Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.
Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.
fb.ru
Парадокс, но лишь немногие автолюбители ясно представляют принципиальную разницу между «лошадиными силами» и «ньютон-метрами», в которых измеряется крутящий момент. В обиходе определение крутящего момента двигателя напрямую связывают с динамикой разгона, а лошадиные силы с максимальной скорость. Если говорить уж совсем грубо, то формулировка вполне удовлетворительна, хоть и не объясняет всей сути физических процессов. Восполнить теоретические пробелы, а также получить наглядное представление о том, что такое крутящий момент двигателя, — вам поможет предоставленный ниже материал.
Если выражаться языком физики, то понятие о вращающем моменте легко уяснить, зная принцип получения преимущества от использования рычага. Вычисляемые путем сложения приложенных на рычаг усилий (вес груза) к длине плеча (рычага) «ньютон-метры», показывают потенциальное количество выполняемой работы. В случае с ДВС вес груза – это усилие с которым поршень после сгорания топливно-воздушной смеси совершает возвратно-поступательное движение. Длина плеча будет не чем иным, как ходом поршня (расстояние от ВМТ до НМТ). Вращающее усилие создается только во время рабочего такта.
Согласно расчетной формуле Мкр = F х L, где F – это сила, а L – длина плеча, момент вращения будет зависеть от КПД сгорания топливно-воздушной смеси (F) и величины хода поршней (L).
Поскольку автомобиль – это комплексный механизм, на крутящий момент двигателя влияет ряд характеристик других узлов и агрегатов. Ведущие колеса автомобиля будут получать максимальное тяговое усилие лишь в тот момент, когда взаимодействие механизмов является оптимальным. Пик крутящего момента достигается на таких оборотах двигателя, когда наполнение камеры сгорания рабочей смесью, сжигание продуктов горение и вывод отработавших газов осуществляется с минимальными механическими потерями. Для каждого двигателя этот параметр колеблется в зависимости от конструктивных особенностей и типа используемого топлива.
Количество полезной работы, преобразованное возвратно-поступательными движениями КШМ, обозначается ньютон-метрами (крутящий момент). Тогда что такое мощность двигателя? Мощностью именуется количество произведенной работы за единицу времени. Иными словами, количество единиц крутящего момента, которое мотор способен выдать за определенный промежуток времени. Мощность двигателя измеряется в киловаттах (кВт).
Формула для расчета мощности в киловаттах:
P=Mkp*n/9549, где n – количество оборотов коленвала в минуту; Mkp – вращающий момент на коленчатом валу.
Нехитрое логическое умозаключение приводит нас к тому, что мощность мотора зависит от количества оборотов.
Для получения наглядного представления о взаимодействии двух величин рассмотрим основные характеристики мотора на графике. Он демонстрирует выдаваемую двигателем мощность и крутящий момент двигателя в зависимости от оборотов коленчатого вала.
График отчетливо демонстрирует тот факт, что тяговое усилие на колесах не прямо пропорционален количеству оборотов либо мощности. Двигатель достигает пика крутящего момента уже на 3 тыс. об/мин. Максимум мощности доступно на 5500 об/мин. В обоих случаях обороты продолжают расти, но отдача падает. Для обозначенного двигателя обороты от 2500 до 5 тыс. наиболее оптимальные.
В этом режиме работы близкая к максимальному значению «полка» момента позволит полноценно реализовать потенциал мотора на протяжении всего отрезка.
Приведенный график является примером гражданской настройки современных бензиновых моторов. Преимущества очевидны:
Настройка подобного типа позволяет добиться «эластичности» двигателя. Такая работа обеспечивается не только программно (настройка ЭБУ), но и применением различных вспомогательных технологий (изменяемые фазы газораспределения).
Разница мощностных характеристик во многом зависит от конструкции системы впуска и выпуска. К примеру, двигатели оснащенные турбонаддувом в точке выхода на «буст» получают значительную прибавку в динамике. Крутящий момент и количество лошадиных сил таких моделей значительно превышают своих атмосферных собратьев.
Наблюдательный читатель, скорей всего, отметит подозрительным тот факт, что до сих пор не прозвучало, всеми так любимое «лошадиные силы». Суть в том, что «скакуны» — это лишь дань моде тех времен, когда механизмам приходилось доказывать свое преимущество над живой рабочей силой. Поэтому превосходство (способность выполнить определенное количество работы) удобно было выражать в пересчете на потенциал одной лошади. Фактически 1 л.с – это усилие, которого достаточно для поднятия груза массою 75 кг на 1 м за 1 с.
Для того чтобы получить «лошадиные силы» достаточно умножить значение мощности в киловаттах на коэффициент 1,36.
Покупатели не потеряют ровным счетом ничего, если производители откажутся использовать «л.с» в качестве показателя мощностных характеристики автомобилей. Обозначить крутящий момент и мощность в кВт вполне достаточно. Но традиция настолько глубоко запечатлелась в сознании, что тратить усилия на ее разрушения попросту нецелесообразно.
Выражаясь простым языком, «ньютон-метры» – это сила вашего автомобиля, а киловатты – выносливость.
autolirika.ru
В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.
Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).
Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.
Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где
Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:
(QHp = Q)
Эффективность двигателя внутреннего сгоранияБольшая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.
КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.
КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.
Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:
Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.
autolirika.ru
