Среди множества полезных характеристик, кпд двигателя имеет немаловажное значение. От этого показателя зависит продолжительность и эффективность силового агрегата.
Во время работы, мотор превращает тепловую энергию, которая получилась от сгорания топлива, в механическую работу. Современные двигатели намного эффективнее, чем тем, которые были изготовлены лет 10 назад. Таким образом, коэффициент полезного действия рассчитывается на основании теххарактеристик, а также других показателей.
КПД это процентное отношение полезной работы к полной. Другими словами, это преобразование мощности, которая поступает на коленчатый вал двигателя, к мощности, которую получает поршень от сгорания топлива.
ПОСМОТРЕТЬ ВИДЕО
Все механизмы предназначены для выполнения определенной работы, которую называют полезной. Однако при этом часть энергии растрачивается. Для того чтобы выяснить эффективность работы, вполне подойдет формула кпд в физике: ɳ= А1/А2×100%, где А1 – полезная работа, выполненная машиной или двигателем, А2 – вся затраченная работа. При этом кпд обозначается символом η.
Эффективность кпд измеряется в процентах и зависит от различных потерь, которые происходят в процессе работы.
Если пересчитать поступающее топливо на проценты, то получится 100%. Естественно, возникает вопрос, откуда взялись потери. Следует учитывать, что во время работы двигателя тратится много энергии на действие различных узлов и механизмов, поэтому возникают следующие виды потерь:
motorstory.ru
"Вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым".
12 марта 2012
В основе всего многообразия сложных механизмов, которыми мы пользуемся сегодня, лежат достижения технической революции конца XIX – начала XX веков. На протяжении всего прошлого столетия изобретения этого периода лишь оттачивались. Совершенствовались технологические процессы, уменьшались допуски, происходила автоматизация, внедрялись второстепенные инновации, направленные на улучшение характеристик той или иной продукции. Это касается и автомобильной промышленности, в особенности в части двигателестроения.
Дело в том, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, ставший чуть менее ста лет назад основой автоиндустрии, имеет целый ряд недостатков, не позволяющих получать высокие показатели его общего КПД.
Так считается, что КПД классического автомобильного бензинового двигателя с принудительным искровым зажиганием составляет от 20 до 30%, дизельный двигатель может обеспечить 35-40%. В первой половине XX века это были выдающиеся характеристики на фоне пресловутого «КПД паровоза», который, как все мы помним из школьного курса физики, составлял 5-10%.
Впрочем, уже тогда инженерам было понятно, что необходимо добиваться лучших показателей, и уже в 1920 – 1940 годы для этого были разработаны практически все основные принципы, как то турбонаддув, прямой впрыск и т.д. К 1970 годам началась настоящая погоня за повышением эффективности, продолжающаяся по сей день. Были разработаны такие элементы как охлаждение рабочей смеси, изменение фаз газораспределения, поэтапный впрыск… Сегодня некоторые автопроизводители утверждают, что в современном бензиновом ДВС удается добиться общего КПД в 35-38%. Однако вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым.
Вся история ДВС – сплошная борьба инженеров с основополагающими особенностями конструкции. Если перечислять их вкратце, то это низкая топливная эффективность за счет слишком короткого цикла сгорания, 25-30% топлива в прямом смысле вылетает в трубу. Низкая механическая эффективность – большие потери на перемещение тяжелых деталей шатунно-поршневой группы, на трение, а так же на работу значительного количества навесного оборудования. Не следует забывать и о том, что в автомобиле ДВС, обладающий очень низким крутящим моментом на малых оборотах, нуждается в коробке передач, а это агрегат, в котором тоже теряется часть полученной энергии. Низкая термодинамическая эффективность – большая часть выделяемого тепла не переводится в полезную работу, ведь на это отведено лишь 0,25 всего цикла. Желающим более подробно ознакомиться с проблемой повышения КПД двигателя внутреннего сгорания могу порекомендовать следующую статью Игоря Исаева, разработчика одной из альтернативных конструкций двигателя.
Как правило, усилия конструкторов приводят к достижению выдающихся результатов в области распределения крутящего момента, повышения мощности и «эластичности» двигателя, снижения вибронагруженности…, но собственно КПД увеличивается не столь существенно, а значит затраты топлива на единицу полученной работы остаются относительно высокими.
Часто приходится сталкиваться с несоответствием реального и декларируемого производителем расхода бензина чуть ли не вдвое. Автомобиль с современными системами турбонаддува оказывается экономичным, только если очень бережно относится к педали газа и лишний раз ее не беспокоить.
Бывает и так, что новая модель автомобиля с двигателем, развивающим 150 л.с., ведет себя словно под капотом на пару десятков «лошадей» меньше, хотя в предыдущем поколении этой же модели ничего подобного не наблюдалось. Объясняется это, как правило, всего лишь новыми экологическими стандартами, ради достижения которых двигатель «душат» перенастройкой блока управления двигателем под использование в основном диапазоне оборотов обедненной смеси, а так же более эффективным каталитическим дожигателем.
Словом, складывается впечатление, что эволюция ДВС достигла своего пика, и в будущем нас ждет лишь увядание этой технологии. В последние годы это ощущение подкрепляется бурным развитием таких направлений, как гибриды и электромобили.
И все же уверенности в скором завершении эпохи ДВС у меня нет!
Не секрет, что параллельно с развитием двигателей Отто и Дизеля были попытки внедрения альтернативных конструкций – Аткинсона, Миллера, Стирлинга, Ванкеля. Есть и более экзотические, в том числе и отечественные, например двигатели Баландина и Фролова. Однако большого распространения они не получили. Пожалуй, только «роторы» Ванкеля применялись на немногочисленных моделях автомобилей вплоть до наших дней, но сейчас и они ушли в прошлое.
Победа силовым агрегатам Отто и Дизеля досталась по причине простоты конструкции, а значит и большей экономической эффективности в производстве. Но сейчас, когда стало возможным добиться гораздо большей механической точности, востребованными оказываются и некоторые, казалось бы, давно забытые идеи. Так для многих современных «гибридов» наиболее удачным оказался двигатель Аткинсона, изобретенный еще в конце XIX века. Его использует корпорация Toyota.
Предпринимаются и попытки внедрения принципиальных инноваций. Например, ученые из Университета Висконсин-Мэдисон в США разработали технологию, позволяющую одновременно использовать преимущества обоих видов топлива, бензина и дизеля, для двигателей внутреннего сгорания. Они предложили осуществлять впрыск дизельного топлива и бензина в цилиндр последовательно в ходе каждого цикла. Это необходимо для самовоспламенения топливной смеси, - вместо свечей зажигания работают капельки солярки, воспламеняющиеся под давлением. Пока эта технология не внедрена в производство, но вполне вероятно у нее есть перспективы.
В России компания «Ё-авто» занимается разработкой роторно-лопастного двигателя, в котором к минимуму сведены потери на трение. Разработчики этой конструкции уже заявляли, что КПД нового двигателя должен составить 42-45%, что весьма неплохо для бензинового агрегата.
Некоторые производители идут по пути дальнейшего увеличения степени сжатия, вплоть до почти «дизельных» значений, для достижения более полного сгорания бензиновой смеси. Не так давно компания Mazda начала производство бензиновых двигателей Skyaktiv-G, в которых степень сжатия составляет 14:1.
Если учесть, что двигатель внутреннего сгорания – это еще и обеспечение постоянного спроса на нефтепродукты, вряд ли в ближайшем будущем мир сможет отказаться от столь «ценной» технологии. Автопроизводители просто обречены заниматься ее дальнейшим совершенствованием. Впрочем, направления этой работы могут быть различны. Надеюсь, в рамках очередной дискуссии на нашем портале представители ведущих автомобильных марок расскажут о своих наиболее перспективных разработках в области повышения эффективности ДВС.
www.motorpage.ru
Нет в мире более бесполезной штуки, чем личный автомобиль. Подобное утверждение звучит очень странно от автомобильного энтузиаста, который к тому же десять лет проработал журналистом, но это действительно так! Не поймите неправильно, я не спорю с тем, что личный автомобиль полезен в хозяйстве: я говорю немножко о другом. А именно: автомобиль – это перевод ресурсов. Без вариантов. А все из-за врожденно низкого коэффициента полезного действия двигателя.
Наверняка вы помните цифры КПД двигателя внутреннего сгорания из школьной программы: это примерно 20-30%. Иными словами, только 20-30% энергии, выделяемой при сгорании топлива, конвертируется в мощность! Если еще учесть трансмиссионные потери (а заодно и механический КПД двигателя – этим термином обозначают энергию, которая завязла во вспомогательных агрегатах), то «косвенный» КПД двигателя внутреннего сгорания – то есть та энергия, которая перемещает автомобиль – и того ниже! Остальная энергия уходит, по сути, на нагрев атмосферы: это – тепло, выделяемое выпускной системой и радиатором охлаждения. То и другое автопроизводители стремятся применять с пользой: например, автомобильная печка использует тепло двигателя для нагрева кабины. А вот выхлопные газы... Ну, они – ключевой элемент в самом изящном «лайф-хаке», используемом автопроизводителями для повышения КПД двигателя. Имя этого «лайф-хака» – турбонаддув.
Идея турбонаддува заключается в том, чтобы использовать «бесполезные» отработавшие газы для повышения КПД двигателя внутреннего сгорания. Энтузиастам, которые плотно соприкасаются с этой темой, прекрасно известен принцип действия турбонаддува: отработавшие газы раскручивают турбину, которая механически соединена с центробежным компрессором – вот он уже под большим давлением (от 0,5 и вплоть до трех баров) гонит воздух в цилиндры. Массовое применение турбонаддува началось в Японии в 80-90-е годы прошлого века. Сегодня тенденцию подхватила еще и Европа: большинство современных машин из Старого Света оснащено турбонаддувом. Вкупе с высокоточным непосредственным впрыском топлива, который позволяет каждую каплю горючего применять с пользой, это позволило добиться роста КПД двигателей по экспоненте: даже скромные 1,6-литровые двигатели нынче выдают около 200 сил!
КПД дизельных двигателей – отдельная история. Приведенные несколькими абзацами ранее цифры в 20-30% - это усредненный КПД бензинового двигателя. Современные дизельные двигатели – не чета старым тракторным моторам: в них используется высокоточный впрыск под большим давлением, хитрый турбонаддув с изменяемой геометрией, поэтому по мощности они уже не уступают своим бензиновым собратьям. Кстати, о турбонаддуве с изменяемой геометрией: его чаще используют именно в дизельных двигателях, поскольку для изготовления подобных турбин для бензиновых моторов требуются дорогие сплавы. Почему? Все дело в температуре горения: в дизельных двигателях она значительно (на несколько сотен градусов) ниже! КПД двигателя в таком случае выше уже по одной этой причине: меньше энергии превращается в бесполезное тепло! Как следствие – полезного тепла тоже меньше: все знают, что дизельные двигатели (а вместе с ней – печка в салоне) дольше нагреваются... Что касается конкретных цифр КПД двигателей внутреннего сгорания, работающих на дизельном топливе, то некоторые источники говорят о 40%. Разница по сравнению с бензиновыми двигателями значительная! С учетом более скромного расхода топлива, а также более низкой температуры горения «солярки», такие показатели выглядят вполне правдоподобно.
Разговор о КПД двигателя автомобиля не был бы полным без упоминания роторно-поршневых силовых агрегатов. Из всех моторов, широко применяемых в автомобильной промышленности, именно они – двигатели с максимальной КПД. Не надо быть ученым, чтобы это понять, достаточно вооружиться здравым смыслом: если у обычного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания за два оборота коленвала происходит один мощностной такт, то в роторном двигателе за один оборот происходит аж три вспышки топлива! У такого двигателя КПД равен примерно 45 процентам. Почему же такие моторы не получили широкого применения, и кроме как в спортивных «Маздах» мы их больше нигде не видим? Простой ответ – грязный выхлоп: КПД у таких двигателей выше, мощность – больше, но и вредных выбросов тоже много. Поэтому от них даже Mazda – и та отказалась... КПД двигателя – вопрос не только его конструкции: не меньшее значение имеет еще и топливо, которое в нем используется.
Данная статья размещена на сайте Econcar, поэтому было бы очень странно, если бы в ней не был упомянут энергетик для моторов: как и полагается, его применение способствует повышению КПД двигателя внутреннего сгорания, за счет снижения температуры горения, не говоря уже о том, что в его присутствии топлива в цилиндрах сгорает больше, чем без него.
Пётр Максимов, специально для www.econcar.ru
www.econcar.ru
Эта общепризнанная аббревиатура расшифровывается просто – коэффициент полезного действия. Но что такое КПД двигателя автомобиля знает не каждый водитель? Возможно ему это и ненужно, а знать нужно всё!
Теперь немного о том, что же представляет собой КПД, и от чего зависит. По классическому определению это соотношение выполненной работы и затраченной для этого энергии. Определяется в процентном соотношении. Чем выше процент коэффициента полезных действий, тем эффективнее работает двигатель. Правда, даже современные автомобили не могут похвастаться достаточно высокими показателями КПД.
Сегодня считается нормальным, если уровень полезной работы двигателя машины находится в пределах 20 – 60%. Для сравнения – использование электрических двигателей дает возможность получать КПД на уровне 95%. Потеря эффективности возникает от различных внутренних и внешних факторов, воздействующих на двигатель,когда он эксплуатируется.
В частности к таким можно отнести потерю энергию через «вымывание» тепла, неэффективно подготовленная воздушная смесь, что в дальнейшем становится причиной ее неполного сгорания, затраты энергии на преодоление трения, потеря тепла в процессе отвода сгоревших газов. Суммарно такие потери могут достигать до 60 – 80% от изначально получаемой энергии.
Конечно, такой подход приводит к нецелевому использованию топлива, низкой мощности, быстрому изнашиванию деталей отдельного типа, необходимости выполнения более частых профилактических осмотров и ремонтов. Здесь важным моментом является необходимость использования качественных деталей. Ведь в процессе работы двигателя все его части постоянно находятся в повышенном напряжении. И малейший изъян одной из его частей может стать причиной выхода из строя всего агрегата.
Нужно также понимать, что КПД двигателей, работающих на бензине намного ниже таких же моторов, которые работают на дизтопливе. Отличительной особенностью этих видов топлива является использование дополнительных зажигательных элементов (в случае с бензином), либо же подача готовой топливной смеси в заранее подготовленную камеру со сжатым воздухом, где такое топливо самостоятельно воспламеняется.
Отдельно важно остановиться и на качестве самого топлива. Ведь неполное сгорание топлива может стать причиной потери до 25% выделяемой энергии. Поэтому многие компании тщательно подходят к выбору поставщиков топлива. Ведь четвертая часть потери это достаточно внушительный показатель. Более того, несгоревшее топливо имеет свойство не только попадать в атмосферу и загрязнять ее (а за это можно получить солидный штраф), но и оседает на внутренних стенках двигателя и его частей, тем самым приводя к засорению и преждевременному износу.
Используя качественное топливо, вы имеете возможность без проведения какой-либо внутренней модернизации автомобиля, либо же замены отдельных его частей, фактически на ровном месте существенно повысит КПД двигателя.
Учитывая повышенный спрос общества на эффективные, экономные и комфортные автомобили, сегодня ученые и эксперты с разных стран участвуют в программах совершенствования автомобильных двигателей с тем, чтобы довести их КПД до уровня 80% и выше.
Для этого используются различные конструкционные доработки (например, турбо надув), заменяются металлические составляющие основы двигателя на более легкие сплавы, способные держать тепло и сводить уровень трения к минимуму при минимальных необходимых для этого затратах.
Все это становится основой для выпуска более компактных, облегченных двигателей, способных перерабатывать в полезную работу большую часть полученной изначально энергии. Тем самым все это позволяет реально экономить в процессе дальнейшей эксплуатации и обслуживании машины.
При этом уделяется большое внимание усовершенствованию и очистке уже имеющихся элементов (топливо, системы охлаждения, смазки, подачи горючего и отвода газов), ведь, как мы уже обратили внимание ранее, таким образом можно повысить КПД даже не меняя отдельных частей. Достаточно просто заливать правильное топливо, понизить уровень теплоотдачи в процессе работы двигателя, либо же отвода выхлопов.
Еще одним моментом эффективного использования транспортного средства, есть оптимальный уровень загрузки транспортного средства. Выдерживая среднюю скорость, правильные передачи, не пытаясь показывать свое излишнее мастерство, вы получите возможность существенно снизить потребление топлива. А также сможете достигнуть оптимальной мощности и скорости автомобиля в определенных условиях.
Рекомендуем Вам ознакомиться и узнать, что такое вискомуфта в автомобиле.
Поделитесь информацией с друзьями:
shokavto.ru
С.В. Митрофанов
В настоящее время растущие требования к экологичности и экономичности производимых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) становятся наиболее эффективным способом борьбы за рынки сбыта продукции, использующей ДВС в качестве силового агрегата.
Новым производствам, а также старым, модернизирующим свою продукцию, в этой конкурентной борьбе приходится нести огромные финансовые и временные потери, тем не менее оставаясь позади лидеров – гигантских автомобильных концернов и корпораций.
Однако резервы совершенствования ДВС традиционными высокотехнологичными способами практически использованы до предела, поэтому дальнейшее совершенствование требует новых решений.
И эти решения лежат не в области механики, где достигнуты коэффициенты полезного действия (КПД) выше 0.9, а в области рабочих процессов двигателей, где КПД остается на уровне 0.25-0.53.
Здесь возможны решения, не требующие высоких технологий, а значит можно получить перед конкурентами неоспоримые преимущества, открывающие чужие рынки сбыта и защищающие свои.
Такие решения на сегодня известны и связаны они с отделением в рабочем цикле ДВС сгорания в самостоятельный процесс. Наиболее известные из них – разработки компаний Scuderi Group (scuderigroup.com), Zajac Motors (zajacmotors.com) и DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG (diro-konstruktion.de).
Однако патент Российской Федерации №2066773 с датой регистрации 02 апреля 1993 года, автором которого я являюсь, имеет приоритет и превосходство над вышеуказанными разработками и является основным и достаточным, более широким, чем указанные разработки, решением.
Он также позволяет реализовать, без всяких изменений базового двигателя, полную многотопливность, что очень важно для такой огромной страны как наша. В этом плане, думаю, Вам будет интересен опыт сотрудничества Правительства Советского Союза с немецкой фирмой Elsbett (http://elsbett.com). Материалов довольно много, одну из статей можно прочитать по адресу http://moscvich.auto.ru/docs/articles/5026.html.
О ДВС
Я – не публицист, а профессиональный специалист в области создания и совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в прошлом начальник конструкторского бюро рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания ОАО «Волгоградский моторный завод».
Написать эту статью меня подвигли периодически обращающиеся ко мне изобретатели новых видов двигателей и посетители моей страницы (www.krt.nm.ru) в Интернете с вопросами, касающиеся предложенного мной отделенного процесса сгорания, который я считаю наиболее перспективным в дальнейшем развитии ДВС. Так ли это на самом деле – сделаете выводы сами.
Желание объяснить простым и понятным языком суть происходящих в ДВС явлений заставило меня при написании этой статьи существенно упростить и свести к примитивам многие понятия, разорвав неразрывные связи происходящих в ДВС процессов. Но я надеюсь, что суть от этого пострадала не сильно.
Прошу Вас взглянуть на ДВС моими глазами и увидеть в нем живой организм, в котором все взаимосвязано, устройства и агрегаты являются неотделимыми органами, обеспечивающими его жизнедеятельность, а не «наворотами» для машин распальцованных парней. Перефразируем известную песню – «маслосъемное кольцо – не простое украшенье».
А чтобы было интересней – поставим себе задачу изыскать все резервы и создать экономичный и экологичный двигатель для автомобиля, хотя бы на бумаге.
Каким должен быть двигатель
Двигатель должен быть таким, чтобы обеспечивать быстрый разгон автомобиля и движение его в гору без перегрева. С этим спорить вряд ли кто будет.
При этом он должен быть экономичным.
Но вот проблема. Для того чтобы он был мощным, он должен быть большим, а для того чтобы экономичным – маленьким.
Известно, что для движения автомобиля ГАЗ-24 «Волга» по ровной дороге с постоянной скоростью 60 км/час (назовем этот режим движения «крейсерским») необходима мощность двигателя всего лишь в 5 л.с.
Но для обеспечения динамики автомобиля нужна гораздо большая мощность – и тот же ГАЗ-24 имеет двигатель ЗМЗ-24Д в 95 л.с.
Проведем небольшой расчет, для чего воспользуемся механическим коэффициентом полезного действия (КПД). Для режима номинальной мощности двигателя ЗМЗ-24Д он будет составлять примерно 0,8.
Вспомним, КПД показывает, сколько из подведенной к устройству (в нашем случае к поршням двигателя) мощности полезно используется (в нашем случае выдается на коленчатый вал). Остальная мощность, а это, согласно принятого нами КПД, будет 20%, тратится двигателем на себя или теряется.
В результате расчета получаем, что на режиме номинальной мощности двигатель ЗМЗ-24Д, выдавая 95 л.с. на коленчатом валу, на себя тратит почти 24 л.с.
Примерно такую же мощность двигатель тратит на себя и когда выдает 5 л.с. при номинальной частоте вращения коленчатого вала, что больше полезной работы почти в 5 раз. На этом режиме его механический КПД будет не выше 0,2.
Вы скажете, что ЗМЗ-24Д устаревший двигатель, и будете правы лишь частично. Современные двигатели имеют более высокие КПД, но создаются по тем же принципам: на режимах полной нагрузки – номинальная мощность, на крейсерских режимах – дефорсированная.
В соответствии с продолжительностью работы силовой установки на разных режимах принципы надо менять на противоположные: номинальная мощность для крейсерского режима движения и форсированная для обеспечения динамики и работы под нагрузкой.
Это можно осуществить, как минимум, тремя решениями:
- классический малоразмерный двигатель в комплексе с аккумулирующей системой – очень перспективный путь, по которому идут, в частности, создатели ё-мобиля с электрической конденсаторной системой;
- малоразмерный двигатель со специальным рабочим процессом, допускающим работу на высокофорсированных режимах;
- совместное использование обоих вышеназванных решений.
Поскольку тема наша – ДВС, мы рассмотрим только второй путь, то есть малоразмерный двигатель, допускающий работу на высокофорсированных режимах. Создание такого двигателя проблемы не представляет. Проблемой являются противоречия внутрицилиндровых процессов, приводящих к ухудшению его экологических и экономических показателей на форсированных режимах.
Под малоразмерным двигателем мы будем понимать поршневой ДВС с малым рабочим объемом, а не двигатели, выполненные по компактным схемам типа роторно-поршневой Ванкеля, роторно-лопастной (РЛД) ё-мобиля и другие. Почему – далее станет понятным.
Решение будем искать в двух направлениях:
- уменьшение потерь двигателя с целью увеличения его полного КПД. Это позволит уменьшить сам двигатель при той же полезной работе, а экономику и экологию улучшить;
- устранение внутрицилиндровых противоречий.
Начнем с потерь. А для этого надо знать, где они находятся. Поэтому сначала рассмотрим процессы, происходящие в ДВС.
Процессы в ДВС
ДВС – тепловая машина с внутренним подводом тепла и это, конечно, знает каждый. Мы взглянем на эту машину с несколько необычной стороны, очень условно разделив ее работу на 2 процесса по принципу их разной природы и функционального назначения.
1. Первый и главный процесс - извлечение энергии топлива и превращение этой энергии в работу расширения газов. В общем, рабочий цикл тепловой машины, традиционно у специалистов именуемый рабочим процессом. Степень его совершенства характеризуется индикаторным КПД, который учитывает потери всех химических, физических, термо-, гидро- и газодинамических процессов, происходящих в рабочих полостях двигателя. У современных ДВС этот КПД лежит в диапазоне 0,25÷0,53.
2. Второй процесс - преобразование энергии расширения газов в механическую энергию. Чистая механика. Задачей этого процесса является вывод механической энергии из ДВС, а степень его совершенства характеризуется в большей степени механическим КПД. Почему в большей степени, а не полностью? Потому что механический КПД зависит от форсированности рабочего цикла. Чем форсированнее цикл, тем меньшую относительную долю составляют его механические потери в балансе мощностей, тем выше его механический КПД.
В механические потери также входят затраты мощности двигателя на газообмен (в четырехтактных двигателях это такты впуска и выпуска, в двухтактных это затраты на привод механического нагнетателя) и на обслуживающие двигатель агрегаты: топливный и масляный насосы, систему охлаждения и др. Механический КПД в лучших вариантах ДВС превышает 0,9.
Полный КПД двигателя определяется как произведение индикаторного и механического КПД.
Совершенствование механической части ДВС
В части уменьшения потерь двигателя на трение эффективным способом является переход от 4-х тактного цикла к 2-х тактному. В 4-х тактном цикле двигатель половину времени работает как поршневой воздушный насос, обеспечивающий газообмен (такты впуска и выпуска). В 2-х тактных двигателях эту работу чаще всего выполняет специальный агрегат – продувочный компрессор с механическим приводом от коленчатого вала двигателя. Размер этого агрегата в десятки раз меньше двигателя. Поэтому переход на 2-х тактный цикл позволяет значительно уменьшить размеры и вес двигателя.
Что мешает использовать 2-х тактные двигатели в автотранспорте? На сегодня в большей степени традиции.
Другим эффективным способом повышения механического КПД двигателя является применение турбонаддува. Использование теряемой с отработавшими газами энергии для привода турбокомпрессора позволяет уменьшить потери двигателя на газообмене, а в некоторых случаях даже превратить газообмен в дополнительную полезную работу.
Турбонаддув активно применяется как в 4-х тактных, так и в 2-х тактных двигателях.
Еще одним способом, снижающим потери на газообмене и улучшающим очистку и наполнение цилиндров, является управление фазами газообмена. Но это возможно только в системах с управляемым газораспределением.
Так что отсутствие газораспределительного механизма само по себе еще не повод для радости.
Тем не менее, доля потерь на привод агрегатов и обеспечение газообмена в классическом ДВС, как правило, составляет порядка 4% от мощности двигателя. Отсюда вывод – увеличение механического КПД ДВС больше 0,96 уже поэтому проблематично.
Остаются основные механические потери на трение – в преобразователе энергии расширения газов в механическую энергию. В классическом ДВС это кривошипно-шатунный механизм – простейшее устройство, состоящее из поршней, шатунов и коленчатого вала. Оно имеет всего несколько пар трения: поршень-цилиндр, поршневые кольца-цилиндр, шатун-палец шатуна, шатун-коленвал и коленвал-коренные опоры. Наибольшую долю в потерях на трение дают поршневые кольца в цилиндре. Мощность трения поршней о цилиндр примерно в 10 раз меньше мощности трения поршневых колец.
Теперь отвлечемся на минуту. Для любителей бесшатунных схем.
В бесшатунных двигателях исключается трение тронков поршней о цилиндр. Вернее будет сказать, оно не исключается, а переносится на другие пары, вынесенные из цилиндра. Трение поршневых колец остается, на него бесшатунная схема никак не влияет. Поэтому в бесшатунных двигателях трение практически то же, что и в шатунных. Чтобы в этом убедиться, достаточно один раз посчитать.
Основной целью использования бесшатунной схемы является осуществление цикла двойного действия, в котором рабочий процесс осуществляется с обеих сторон поршня (типа РЛД, только при прямолинейном движении поршня). Цель бесшатунной схемы очевидна – обеспечить герметизацию цилиндра с нижней стороны поршня. Прямолинейно двигающийся шток герметизировать во внутренней головке цилиндра проще, чем шатун.
Кстати говоря, двигатели двойного действия можно отнести к компактным схемам. Сегодня их практически не применяют ввиду очень высокой тепловой нагруженности поршня и сложности его охлаждения. А повышение температуры поршня приводит к снижению мощности, как мы увидим далее. Не стоит овчинка выделки.
Вернемся к теме.
Трение в цилиндре имеет почти квадратическую зависимость от средней скорости поршня. Поэтому уменьшение этой скорости очень сильно снижает потери на трение.
Средняя скорость поршня определяется длиной его хода и частотой вращения коленчатого вала двигателя. Но снижение частоты вращения – это дефорсирование двигателя. Поэтому путь здесь один – уменьшение хода поршня.
В свою очередь уменьшение хода поршня при сохранении рабочего объема приводит к увеличению диаметров поршня и головки цилиндра, и, соответственно, их поверхностей теплообмена.
Но при этом уменьшение количества цилиндров с увеличением их размера при сохранении рабочего объема двигателя приводит к уменьшению суммарных потерь на трение, а заодно и тепловых потерь.
Поэтому для каждого двигателя, исходя из его назначения и основных режимов работы, специалисты определяют оптимальные конструктивные параметры: количество цилиндров, диаметр и ход поршня, номинальные обороты коленчатого вала.
А возможно ли избавиться от трения поршней и колец вообще? Пока это, кроме разработчиков роторно-лопастного двигателя для ё-мобиля, никому не удалось. И вот какой эффект получен.
Разработчиками назван полный КПД РЛД – 0,42÷0,45 против классического ДВС с его 0,37. Это очень серьезная заявка.
Полный КПД есть произведение механического КПД на индикаторный КПД. Последний характеризует качество рабочего процесса. С процессом в РЛД не может быть хорошо. По тем же причинам, что и у двигателей двойного действия. Значит, эффект получен за счет снижения потерь на трение.
Но даже если мы возьмем индикаторный КПД для РЛД равным 0,45, что соответствует хорошему поршневому двигателю, то придется признать, что его механический КПД может быть равен 1. Ну а если индикаторный КПД ниже? Механический КПД РЛД автоматически становится больше 1. Хотя, мы выяснили, что и 0,96 – проблема.
Дополнительно добавлю, что КПД кривошипно-шатунного механизма современного 4-х тактного ДВС составляет не менее 0,95, что легко может проверить любой желающий, исключив из состава механических потерь мощность на газообмен, агрегаты и поршневые кольца (кольца являются уплотнением, а не частью КШМ). КПД же кривошипного механизма в составе 2-х тактного двигателя еще выше.
Наверное, ошиблись ё-специалисты.
А что сам механизм РЛД? Как минимум два факта обращают на себя внимание. Он содержит:
- уплотнение тороидальной камеры – не менее 3-х газовых подвижных стыков. В классическом двигателе таких элементов, и, следовательно, потерь от них (газовых и механических), не существует;
- вместо одного коленчатого вала с шатунами в классическом ДВС – сложный зубчатый механизм синхронизации с кучей шестерен и водилом, все с теми же шатунами, с двумя валами привода лопастей и одного выходного вала.
Логика отказывается признавать, что такая замена снижает потери, поскольку, как ни крути, весь этот механизм передает все ту же мощность, но через большее количество звеньев.
При этом не следует принимать представленный на выставках макет РЛД за серийную конструкцию, так как серийная конструкция должна обеспечить надежность, ресурс, экономику, экологию и много еще чего, а не простую демонстрацию работоспособности. В связи с этим схема и большинство элементов конструкции во время доводки могут сильно измениться, и, как подсказывает опыт, не в сторону уменьшения.
К слову, как здесь относиться к утверждениям конструкторов ё-двигателя о его принципиальной простоте? Не знаю, но увеличение количества элементов конструкции никогда еще не считалось ее упрощением и повышением надежности. По крайней мере, до создания ё-двигателя.
Завершая раздел механики с ее резервами, хочу заметить, что именно в поиске альтернатив кривошипно-шатунному механизму и созданием компактных схем двигателей занято большинство изобретателей. Я думаю, что после прочитанного можно сделать вывод о незначительности возможного эффекта, который, помимо компактности, потенциально может здесь существовать.
Но компактность не дается даром. За нее приходится платить теплонапряженностью, низким ресурсом и плохими экономическими и экологическими параметрами. По крайней мере, других результатов в мировой практике двигателестроения пока не было.
Таким образом, мы убедились, что в механической части ДВС, будь даже он и от ё-мобиля, больших резервов нет.
А где есть? В рабочем цикле, ведь индикаторный КПД двигателей внутреннего сгорания составляет всего лишь 0,25÷0,53.
Резервы совершенствования рабочего цикла ДВС
Что такое рабочий цикл двигателя? Это совокупность процессов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности. Цель осуществления его проста. Необходимо полностью, без образования вредных веществ, сжечь топливо, а полученную энергию превратить в работу.
Что необходимо для полного и экологически «чистого» сжигания топлива? Для разных видов топлива нужно разное количество воздуха, в остальном – достаточное время и температура для сгорания.
Что нужно для обеспечения экологических параметров? Нужно, чтобы было кислорода достаточно для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота.
Что нужно для получения максимальной работы цикла? Нужно энергию уже сгоревшего топлива подвести в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце. Поскольку теплота, подведенная в конце такта рабочего хода, уже никому не нужна и прямиком вылетает в «трубу», в нашем случае выхлопную.
Резервы здесь, как мы помним, колоссальны. Потерянная энергия составляет 47%÷75% от энергии, которую может выделить топливо.
Потерянная эта энергия для разных типов двигателей и разных режимов их работы имеет разное деление на составляющие, но значения этих составляющих находятся в диапазонах, указанных ниже:
- потери от неполноты сгорания топлива 2%÷25%
- потери в систему охлаждения – 15%÷30%
- потери с отработавшими газами – 20% ÷ 55%
- потери от несвоевременности подвода тепла к циклу.
Потери энергии из-за неполноты сгорания
Связаны эти потери в основном с крайне коротким – для современного высокооборотного двигателя менее миллисекунды – периодом, в течение которого нужно обеспечить сгорание топлива.
Второй фактор – условия сгорания после прохождения ВМТ такта рабочего хода ухудшаются – объем полости сгорания расширяется, из-за чего давление и температура газа имеют тенденцию к понижению, а площадь охлаждающих поверхностей, и, соответственно, потери тепла, увеличиваются.
Третий фактор связан со смесеобразованием – недостаток кислорода именно в том месте, где находится топливо. Топливо и воздух не успели перемешаться. Не хватило времени.
На решение этой задачи направлены современные топливные системы с электронным управлением, многостадийный впрыск, высокоэнергетические системы воспламенения и другие, доведенные практически до предела совершенства, технические средства.
Но, похоже, этот путь пройден до конца.
Основная проблема – недостаток времени на организацию и осуществление сгорания. Ускорить эти процессы не удается.
Потери в систему охлаждения
В идеале тепло от рабочего тела (газа) не должно отводиться в поверхности рабочей полости двигателя – стенки цилиндра, головка цилиндра и поршень. Но и не должно подводиться тоже. Такой процесс, без теплообмена, в термодинамике называется адиабатным. Для этого теплоотдача от газа стенкам должна быть равна нулю или материал стенок должен иметь нулевую теплопроводность. Но таких материалов нет. Поэтому потери в систему охлаждения есть. И проблемы, связанные с теплообменом, есть. И для решения этих проблем в двигателе существует система охлаждения.
Следует знать, что задача системы охлаждения двигателя не столько охлаждение, как может показаться из названия, сколько управление температурами. Потому что неравномерный или излишний отвод тепла, как и подвод, вреден и даже опасен. Создание системы охлаждения - дело очень тонкое и трудоемкое, требующее огромной исследовательской и конструкторской работы. Здесь учитываются напряжения и перемещения деталей от термических расширений и от газовых сил. Вся конструкция должна надежно существовать при постоянно меняющихся режимах работы.
Но мы будем рассматривать только отвод тепла, считая его потерями.
Причины, по которым тепло необходимо отводить, следующие:
- высокие температуры поверхностей рабочей полости ДВС приводят к подогреву свежего заряда (воздуха или рабочей смеси), поступающего в цилиндр на такте впуска. От нагрева плотность заряда снижается. Чем меньше плотность заряда, тем меньше его масса, и, следовательно, меньше топлива можно сжечь. Значит, и меньше мощность;
- подогрев заряда на такте сжатия, когда температура поверхностей выше температуры заряда, заставляет его расширяться, а двигатель совершать лишнюю работу сжатия, которую смело можно отнести к потерям;
- подогрев заряда также приводит к росту максимального давления в цилиндре, а оно ограничено прочностью деталей;
- прочность деталей зависит от температуры. С ростом температуры прочность материалов снижается. Кто не слышал про «прогар» поршней? Это отсюда, из-за перегрева.
Как можно уменьшить потери в систему охлаждения?
Один способ – уменьшить теплообмен рабочего тела с ограничивающими его поверхностями за счет материалов или создания пограничных условий, препятствующих теплообмену. Эффективного решения пока нет.
Другой способ – уменьшить сами поверхности теплообмена. И здесь есть два давно известных и используемых решения.
Первое решение вытекает из законов геометрии. Газ, содержащий тепло, занимает объем, а теплообмен определяется площадью поверхности, которая ограничивает этот объем. Объем – это кубическая величина, и с увеличением прирастает в третьей степени, в то время как площадь – квадратичная величина, и прирастает во второй степени. Таким образом, с увеличением размеров цилиндров двигателя отношение поверхности к объему уменьшается, и относительные тепловые потери также уменьшаются. Отсюда вывод: двигатель с одним цилиндром будет иметь меньшие тепловые потери, чем с шестью цилиндрами и тем же суммарным рабочим объемом. Просто потому, что поверхности теплообмена уменьшатся.
Второе решение этой задачи – уменьшение количества контактирующих с газом поверхностей. Это возможно, например, в схеме, когда в одном цилиндре располагаются два поршня, движущиеся навстречу друг другу. Рабочая полость здесь находится между поршнями. Как понятно из описания, здесь отсутствуют две головки цилиндров. Нет головок – нет поверхностей теплообмена. Такие двигатели работают по двухтактному циклу, а газообмен у них осуществляется с помощью продувочного насоса через окна в районах нижних (еще их называют наружными) мертвых точек поршней. Продувка называется прямоточно-щелевой и является самой эффективной из всех применяющихся в ДВС. Схема эта классическая, известна много лет и широко применяется. Например, на немецких гражданских и военных самолетах с 1935 года использовался дизельный двигатель ЮМО-205 и его модификации. У нас в стране двигатели этой схемы серийно применяются на танках Т-64 и Т-80 – 5ТДФ и 6ТДФ соответственно, а также на тепловозах – двигатели серии 10Д100.
Кстати говоря, в последнее время этому типу двигателей уделяется все больше внимания. В частности, ею занялась всемирно известная компания EcoMotors, а финансируют разработку инвестиционная фирма «Khosla Ventures» и всем известный Билл Гейтс.
Таким образом, показанные здесь резервы – укрупнение цилиндров с одновременным уменьшением их количества и сокращение контактирующих с газом поверхностей за счет конструктивной схемы двигателя – наиболее перспективные способы в борьбе за мощность и экономику.
Завершая этот раздел, хочу сказать, что даже простой отвод тепла является сложной задачей, особенно в компактных схемах. Чтобы представить это, рассмотрим внутренний теплообмен РЛД ё-мобиля.
Можно утверждать, что при номинальной мощности двигателя в 45 кВт существует необходимость отвести от его внутренних огневых поверхностей не менее 15 кВт тепловой мощности. Для этого необходимо прокачивать хладагент с теплофизическими свойствами воды в объеме не менее 2,1 килограммов в секунду (более 7,5 тонн в час). В случае применения в качестве хладагента масла объем следует увеличить в 8-10 раз.
Самым теплонапряженным элементом в РЛД являются, безусловно, лопасти, выполняющие функцию поршней. Нагреваются они с двух сторон. И не менее 2/3 тепловой мощности будут приходиться именно на них.
Конечно, есть соблазн покрыть лопасти керамикой и ограниченно охлаждать маслом, но тогда проявятся последствия, описанные выше (снижение наполнения, отрицательная работа сжатия, возрастание максимальных давлений, ну и детонация в придачу). И зачем тогда нужна компактность без мощности.
Кто видел в рекламных роликах компоновку РЛД, может вспомнить соединение лопастей с приводными валами. Легко понять, что охлаждение лопастей в этой компоновке является задачей изобретательского уровня. Поэтому надеюсь, что скоро мы станем свидетелями остроумного решения конструкторов ё-двигателя.
Поэтому, повторюсь, специалисты по ДВС практически не занимаются применением компактных схем двигателей, если только не имеют на это специальной задачи. Но, как правило, подобные задачи сопровождаются пониженными требованиями к двигателям. У нас же задача стоит обратная.
Потери с отработавшими газами
Что это за энергия и из-за чего теряется? По большей части из-за несвоевременности подвода тепла (помните тепло, подведенное в конце такта рабочего хода?) и недостаточности хода поршня для полного расширения газов до атмосферного давления.
Эта энергия может быть использована для привода турбин компрессоров наддува двигателей (мы уже рассматривали), реже – еще и для привода дополнительных силовых турбин, отдающих мощность на выходной вал. Во всех этих случаях двигатели называются уже не поршневыми, а комбинированными.
Срабатывание этой энергии в дополнительных силовых турбинах транспортных машин усложняет и удорожает силовую установку из-за необходимости использования редукторов с большим понижающим числом, а также дополнительных узлов защиты от разрушения из-за резко изменяющихся оборотов коленчатого вала.
А вот в гибридных схемах, где режимы двигателя достаточно стабильны и отсутствуют ударные нагрузки, применить силовую турбину проще.
Вот еще один резерв.
Потери от несвоевременности подвода тепла
Это потери, связанные с неэффективным использованием полученного тепла. Вспомним, что чем позже после ВМТ рабочего хода подведено тепло, тем меньше оно используется, тем больше его вылетает в трубу с отработавшими газами.
Для получения максимальной работы все тепло должно быть подведено в ВМТ перед тактом рабочего хода, ни раньше (увеличивается отрицательная работа сжатия), ни позже (уменьшается эффективность расширения). Но для этого сжечь топливо надо в ВМТ. А эта проблема нам уже известна.
Выводы те же – в классическом цикле принципиального решения нет.
Итоги рассмотрения классического ДВС
Дополнительно к рассмотренным нами выше способам повышения эффективности рабочего цикла можно назвать следующие: форсирование за счет наддува и промежуточного охлаждения надувочного воздуха, управление степенью сжатия двигателя и рециркуляцию отработавших газов. Все эти способы известны достаточно давно и, за исключением изменения степени сжатия, применяются в серийно выпускаемых двигателях. То есть их применение можно отнести к достигнутому на сегодня уровню эффективности ДВС.
Подводя итог, попробуем описать наилучший двигатель, который максимально использует определенные резервы. Он должен быть:
- двухтактный;
- по схеме с противоположно-движущимися поршнями;
- с минимальным количеством цилиндров и максимальным их объемом;
- с изменяемой степенью сжатия;
- с рециркуляцией отработавших газов;
- с наддувом и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;
- с силовой турбиной.
Большего классический цикл ДВС не позволяет.
Неклассические рабочие циклы
Наша цель – полное сжигание топлива и подведение всей выделившейся энергии в начале такта рабочего хода. Наши резервы – большая часть от потерянной энергии в 47%÷75%.
Частичным решением поставленной выше задачи можно считать наиболее раскрученный сегодня проект – двигатель Скудери, разрабатываемый американской компанией «Scuderi Group». Назван он так по имени его изобретателя, как думают американцы, Кармело Скудери, рассчитавшего его на логарифмической линейке в 2001 году.
Справедливости ради вспомним, что автором базового цикла, применяемом в этом проекте, является профессор Ленинградского института авиационного приборостроения Вениамин Моисеевич Кушуль, защитивший в 1962 г. докторскую диссертацию на тему «Термодинамические основы и рабочий процесс автотракторного двигателя внутреннего сгорания нового типа». Цикл свой он осуществил на П-образном двигателе Цоллера. Как видим, «Scuderi Group» ни от базового цикла, ни от двигателя Цоллера не отошла.
Цикл осуществляется в парных сообщающихся цилиндрах, в которых движутся поршни с фазовым смещением кривошипов друг относительно друга.
Смещение кривошипов, за счет совместного движения поршней в районах мертвых точек, позволяет получить такой закон изменения суммарного рабочего объема цилиндров, при котором время минимального и максимального суммарных объемов как бы удлиняется (аналогично выстою поршня в верхней и нижней мертвых точках).
Это дополнительное время при постоянном объеме позволяет более полно сжечь топливо до такта рабочего хода. А особым способом осуществляемое смесеобразование, использующее потоки воздуха при перетекании из одного цилиндра в другой для турбулизации заряда, позволяет более качественно и быстро произвести смесеобразование.
Доработанный «Scuderi Group» цикл с пневмоаккумулятором превращает подачу рабочего заряда в цилиндр в аналог топливной системы Common Rail.
Основные недостатки двигателя Кушуля и Скудери очевидны:
- существенное усложнение конструкции двигателя;
- снижение его механического КПД за счет дополнительных узлов и газодинамических потерь при перетекании большого объема газов в сообщающихся цилиндрах. Это уменьшает эффект, получаемый от, несомненно, лучшей организации рабочего цикла;
- увеличенные, по сравнению с обычным ДВС, габариты и вес.
Положительные качества бесспорны – лучшие, чем у классических ДВС, экономические и экологические показатели.
Здесь мы видим движение к поставленной нами цели, но полностью она не достигается.
Дальнейшим развитием рабочего процесса Кушуля и «Scuderi Group» является двигатель американца Джона Заджака (John Zajac), разрабатываемый фирмой «Zajac Motors».
В нем уже в полной мере реализован принцип отделенного процесса сгорания, позволяющего произвести наиболее полное и экологически чистое сжигание топлива.
Результат достигнут, двери к кладовым главных резервов открыты.
Но основные недостатки этого двигателя те же, что и у двигателей Кушуля и Скудери.
Но ближе всех к отделенному процессу сгорания, без излишеств рассмотренных выше двигателей, подошла немецкая фирма «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG». Свои решения она защитила американским, немецким и японским патентами в 2001 году.
Принцип отделения процесса реализуется посредством вращающегося в головке цилиндра блока, в котором размещены две камеры сгорания. Камеры сгорания, работая друг с другом в противофазе, периодически соединяются с рабочей полостью цилиндра в конце такта сжатия и начале такта рабочего хода. Процесс сгорания производится в каждой камере сгорания отдельно, после разобщения ее с полостью цилиндра, и длится до следующего соединения камеры с полостью цилиндра в начале такта рабочего хода. Немцы реализовали процесс на базе 4-х тактного цикла, назвав его 5-и тактным. Времени на сгорание топлива может быть выделено предостаточно.
О достигнутых успехах фирма пока не сообщает.
Однако цикл с отделенным процессом сгорания был разработан задолго до Скудери, Заджака и DIRO мной, еще в конце 1980-х годов, и защищен патентом Российской Федерации №2066773 с приоритетом от 2 апреля 1993 года. Он не имеет недостатков двигателей Кушуля, Скудери, Заджака и DIRO потому, что изначально создавался как отделенный процесс сгорания с задачей динамичного управления циклом. И если Вы обратите внимание на схемы реализации цикла, описанные в патенте (рисунок ниже), то увидите варианты и перечисленных выше двигателей. Кстати, именно поэтому патенты Заджака и DIRO в части принципа организации отделенного процесса сгорания могут быть аннулированы по признаку отсутствия новизны.
Рабочий цикл ДВС с отделенным процессом сгорания
Что он позволяет?
- в идеале избавиться от неполноты сгорания топлива;
- сделать двигатель экологически чистым;
- сделать двигатель действительно многотопливным;
- максимально сократить потери от несвоевременности подвода тепла к циклу за счет подвода тепла в ВМТ рабочего хода от уже сгоревшего топлива. Почему сократить, а не полностью избавиться? К сожалению, это не возможно. При перетекании газа из камеры сгорания в рабочую полость ДВС часть энергии будет расходоваться как газодинамические потери;
- уменьшить потери с отработавшими газами – за счет своевременного подвода тепла в ВМТ, а не в конце такта рабочего хода;
- создать двигатель с малой номинальной мощностью, малыми механическими потерями и возможностью кратного увеличения мощности на форсированных режимах;
- получать оптимальные характеристики крутящего момента двигателя, более свойственные паровым машинам и электродвигателям.
Упрощенно, без описания деталей и возможностей, решение заключается в следующем. В каждом цилиндре двигателя размещаются по две камеры сгорания. Канал каждой камеры сгорания, соединяющий ее с полостью цилиндра, перекрывается клапаном.
Работает цикл с отделенным процессом сгорания следующим образом. В конце такта сжатия одна камера сгорания наполняется воздухом или рабочей смесью (в зависимости от типа двигателя) и в ВМТ клапаном запирается. Далее, до следующего такта рабочего хода, в запертой камере производится сжигание рабочей смеси. Объем камеры сгорания не изменяется, температура нарастает, а «длительное» время локализации камеры сгорания (в зависимости от выбранной схемы – смотрите рисунок выше) позволяет сжечь углеводороды без лишнего кислорода, следовательно, и без окислов азота. Очевидно, что топливо может быть разнообразное.
Вторая камера сгорания работает в противофазе с теми же процессами.
Таким образом, на каждый цикл двигателя приходится один квазимгновенный процесс сгорания.
Для номинального режима работы двигателя («крейсерский» режим движения автомобиля) подвод тепла производится в ВМТ такта рабочего хода. При этом реализуется максимальный индикаторный КПД двигателя и лучшая экономичность. Графики давлений и температур для этого режима показаны на развернутых индикаторных диаграммах ниже.
Для форсированного режима двигателя (обеспечение динамики автомобиля) подвод тепла осуществляется после ВМТ, с целью ограничения максимального давления газа в цилиндре. При этом реализуется не самый экономичный, но экологически чистый форсированный режим.
Рабочий цикл с отделенным процессом сгорания теоретически может рассматриваться как занимающий нишу между процессами двигателей внутреннего сгорания (классические двигатели, работающие по термодинамическим циклам Отто, Дизеля, Тринклера) и двигателями с внешним подводом тепла (цикл Стирлинга).
Кому процесс интересен в цифрах, может посетить мою страницу www.krt.nm.ru
На каком двигателе может быть осуществлен рабочий цикл с отделенным процессом сгорания?
На любом.
Но с точки зрения термодинамики и газодинамики наиболее подходящий схемой двигателя для его реализации является двухтактный двигатель с противоположно движущимися поршнями. Этот тип двигателей мы рассматривали выше.
Как видим, решение нашей задачи найдено давно.
Завершая статью, хочу еще раз напомнить, что двигатель внутреннего сгорания – это не просто механическая машина с проблемами уплотнения и износа трущихся поверхностей, а организм, продукт огромного высокоинтеллектуального труда специалистов, воплощенный в его сердце – рабочем процессе, и его органах – системах и агрегатах, обеспечивающих рабочий процесс.
Надеюсь, что после прочитанного ответ на вечный «мужской» вопрос, какой двигатель лучше – РПД, РЛД или дизель с карбюраторным, станет очевидным: лучше тот, у которого лучший рабочий цикл. А лучший рабочий цикл – с отделенным процессом сгорания.
rtc-ec.ru
ИсточникКогда говорят о КПД двигателя чаще всего речь идет о «полезной работе», которая в определенных режимах на больших чаще всего судовых дизельных ДВС может достигать 54%, у автомобильного дизеля КПД «полезной работы» максимум 42%, у бензинового ДВС КПД «полезной работы» еще ниже 35%.Если же вести речь о КПД «полезной мощности» учитывающей топливную эффективность и механические потери, то итоговый КПД «полезной мощности» составляет около 25% у автомобильного дизеля и 20% у бензинового ДВС.Вал двигателя с колесами соединяет трансмиссия, т.е. коробка передач и привод, в среднем КПД трансмиссии принимают равным 90% механическая коробка передач, 85-87% автоматическая коробка передач.Итоговый КПД автомобиля на ДВС «колесе» составляет около 22,5% дизельный двигатель и 18% бензиновый двигатель.ЭлектромобильТяговый электродвигатель значительно проще устроен и имеет одно значение КПД «полезной мощности» - 90-95% Сслыка на ВикипедиюЭлектродвигатель Tesla model S имеет КПД – 95%.Трансмиссия Tesla model S также очень проста и представляет собой одноступенчатый редуктор с КПД 98-99%.Итоговый КПД Tesla model S «на колесе» - 94%.Запас хода Tesla model S с батареей 85 кВт*ч – 426 км, время полной зарядки на заправочной станции 30 минут.Серийный выпуск Tesla model S с июня 2012 года.Масса Tesla model S - 2108 кг, вес батареи - 450 кг.Источник
Итак: автомобиль с дизельным ДВС имеет КПД «на колесе» 22,5%, КПД серийного электромобиля Tesla model S «на колесе» - 94%.
РасчетыОсновываясь на этих данных, посчитаем сравнительную эффективность автомобиля с дизельным ДВС и электромобиля Tesla model S.
Удельная теплоемкость 1 литра солярки - 35 мдж или 9,72 кВт*ч.Количество энергии от 1 литра солярки «на колесе» составляет 9,72 кВт*ч Х на КПД дизельного ДВС 22,5% = 2,19 кВт*ч.Количество энергии Tesla model S «на колесе» от батареи составляет 85 кВт*ч Х на КПД Tesla model S «на колесе» 94% = 79,90 кВт*ч.Соответственно батарея Tesla model S примерно равна 36,5 литров солярки.Проверяем 36,5 литров солярки на 426 км дают средний расход 8,6 литра солярки на 100 км, нормальный показатель для автомобиля весом 2 100 кг.Считаем затраты на заправку Tesla model S и автомобиля с дизельным ДВС по ценам к примеру Германии, где электроэнергия стоит довольно дорого 30 евроцентов кВт*ч, а дизельное топливо около 1,07 Евро за 1 литрСоответственно одна заправка автомобиля с дизельным ДВС обойдется: 36,53 литра Х 1,07 Евро = 39,09 Евро, одна заправка Tesla model S обойдется: 85 кВт*ч Х 30 евроцентов = 25,5 Евро.Таким образом даже в условиях дорогой электроэнергии в Германии серийный электромобиль Tesla model S существенно экономически эффективнее автомобиля с дизельным ДВС.Следует отметить, что ключевыми показателями для конкурентоспособности электромобиля являются запас хода (минимум 300-400 км) и время перезарядки на электрозаправках (менее 1 часа), поскольку именно достижение указанных показателей позволяет перевести на электротягу всю грузовую и пассажирскую автомобильную логистику.
Ошибка аналитического центра при Правительстве РФТеперь о грустном.Интерес к электромобилям носит отнюдь не праздный характер. Россия – нефтяная страна, которая живет с экспорта углеводородов. Соответственно, быстрое развитие электромобилей может сократить потребление нефти в мире => сократить экспорт нефти из России => уменьшить доходы РФ в целом и каждого гражданина в частности.В 2014 году Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ опубликовали капитальный стратегический труд «Прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года» (далее – «Прогноз»).В открытом доступе опубликован на личном сайте Леонида Марковича ГригорьеваСсылка на прогноз в PDFСтраницы 79-84 Прогноза посвящены электромобилям.На странице 79-80 авторы Прогноза несколько раз повторяют, что электромобили неконкурентноспособны по сравнению с автомобилям с ДВС, но в перспективе к 2030 году могут составить конкуренцию.
На странице 82 Прогноза содержится расшифровка, чего должны достичь электромобили к 2030 году , чтобы составить конкуренцию автомобилям с ДВС:1) Запас хода на одной заправке до 300 км (серийная Tesla model S в 2012 году имела запас хода 426 км).2) Снижение стоимости батареи с 20 тыс. $ до 10 тыс. $ (батареи китайских электромобилей уже дешевле этой цифры).3) Срок службы батареи не менее 7 лет (срок службы батареи серийной Tesla model S в 2012 году 5 лет).4) Тройное уменьшение веса до 100 кг (вес батареи Tesla model S - 450 кг, 100 или 450 честно говоря непринципиально).5) Сокращение времени полного заряда батареи от электросети 220 В до 30-40 минут (от бытовой сети 220 В сократить время заряда батареи до 30-40 минут невозможно по физическим причинам, а специальные электрозаправки существуют и заряжают за 30-40 минут).Как несложно убедиться практически все что, авторы прогноза в 2013 году хотели увидеть в будущем на уровне опытных образцов к 2030 году, существовало в серийном виде в 2012 году.
На 84 странице Прогноза авторы сделали смелое предположение, что «Для обеспечения конкурентоспособности электромобилей на протяжении всего прогнозного периода цена на электроэнергию не должна превышать 15 центов за кВт*ч».Как видно из расчета даже для Германии при цене электричества 30 евроцентов за кВт*ч, и стоимости солярки 1,07 Евро за литр (при нефти 45 $ за баррель), электромобили выигрывают в конкурентоспособности у автомобилей с ДВС.Может быть авторам Прогноза не было известно в 2014 году о выпуске серийной Tesla model S?
Отнюдь. На сайте Аналитического центра при Правительстве РФ в декабре 2013 года выложен бюллетень «Электрический и гибридный транспорт в мире» (далее – «бюллетень») Ссылка на бюллетень в PDF.На странице 7 бюллетеня выложена таблица, согласно которой электромобили (в таблице обозначены BEV) должны достичь запаса хода 250 км к 2030 году.В тоже время на странице 10 авторы бюллетеня пишут про то, что средний запас хода электромобиля 150-200 км, и продолжает увеличиваться (уже есть модели 300-400 км.).Как авторы бюллетеня могут сочетать прогноз о запасе хода 250 км к 2030 году с утверждением, что в 2013 году есть модели с запасом хода 300-400 км? Загадка, но не суть.Главное, что в 2013 году в Аналитическом центре при Правительстве РФ было известно о существовании электромобилей с запасом хода 300-400 км, но стратегический прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года был основан на устаревших абсолютно недостоверных данных.
Если допустить, что прогнозный 2030 по электромобилям наступил уже в 2013, то как следует из графика на странице 83 Прогноза (сценарий «перспективные электромобили») в ближайшие 10 лет Россию ждет значительное сокращение экспорта нефти в связи со снижением спроса на нефть на мировом рынке.В выступлениях руководства страны постоянно звучит тема развития инноваций, между тем анализ Прогноза и бюллетеня приводит к неутешительному выводу: отечественная академическая экономическая наука абсолютно беспомощна в оценке ключевых инноваций, выпускающихся серийно , не говоря уже об оценке и прогнозировании влияния на экономику России и мира перспективных направлений научно-технического прогресса.Вместе с тем Аналитический центр при Правительстве РФ достоин всяческой похвалы за публикацию своих пусть не вполне блестящих прогнозов. Публичность предполагает возможность обсуждения и критики, а значит улучшения качества публикуемых прогнозов.
Прогноз BPИнститут энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ не одиноки в оценке радужных перспектив мирового рынка углеводородов. В традиционном ежегодном исследовании BP также содержатся вполне радужные перспективы рынка нефти до 2035 года.Ссылка на прогноз BP в PDFВ чем причина столь радужного настроя BP при том факте, что у автомобиля с ДВС есть конкурент - реальный электромобиль, который эффективнее и экономически и экологически?Может показаться бессмыслицей, но странам ОЭСР невыгодно переходить на более эффективные электромобили по причине построения в странах ОЭСР социального государства.
Социальное государство определить просто и сложно, но если коротко государство становится социальным тогда когда реально берет на себя обязанность поддерживать определенный стандарт жизни для каждого лояльного гражданина. В понятие социального государства входит как одно из основных обязательствогосударства по обеспечению занятости и сохранению рабочих мест.Какие экономические последствия повлечет полный переход от автомобилей с ДВС на электромобили?Из очевидного, резко на 80% сократится добыча и потребление нефти. Сокращение рабочих мест в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности не является крупной проблемой для стран ОЭСР.Совсем другая картина открывается если посмотреть на автомобильную отрасль.Автомобиль с ДВС представляет собой сочетание сложных механизмов, работающих в жестких условиях.Современный ДВС – это сложнейшая система впуска, блок цилиндров в котором в минуту происходит несколько тысяч циклов воспламенения горючей смеси (читай несколько тысяч взрывов в минуту), сложнейшая трансмиссия для передачи импульса от коленвала на привод. Иными словами автомобиль с ДВС – технологическое чудо, для производства которого, а самое главное обслуживания, требуется труд многих людей.Современный электромобиль – это тяговый электродвигатель, в котором нет ни давления, ни воспламенения, ни постоянно сопрягающихся механизмов, простейшая трансмиссия в виде одноступенчатого редуктора, батарея.
Очевидно, что производство и обслуживание примерно соответствующего текущему уровню автомобилизации количества электромобилей потребует значительно меньшего количества рабочих рук, возможно, в разы, если не в десятки раз.В экономике есть устоявшийся мем, что «один работник на коневейере автомобильного завода обеспечивает работой 10 человек в автомобильной и смежных отраслях экономики».На примере той же Германии: число работников Фольксвагена 550 000, Мерседеса – 279 000, БМВ – 100 000, Опель – 25 000.Не все работают в Германии, не все работают на конвейере, но совершенно очевидно, что в автомобильной и смежных отраслях в Германии занято несколько миллионов человек.
Соответственно, при переходе на электромобили уволенными без перспективы найти аналогичную по доходам и статусу работу окажутся несколько миллионов человек из автомобильной и смежных отраслей.Всех уволенных и членов их семей социальное государство Германия обязано будет содержать до конца жизни уволенных работников.Введение в формулу расчета социального государства с легкостью перечеркивает экономический эффект перехода от автомобилей с ДВС на электромобили.Таким образом, резкий переход на электромобили крайне невыгоден странам ОЭСР как социальным государствам.Прогнозы энтузиастов электромобилестроения начала 2010-х о миллионах электромобилей в странах ОЭСР и миллионах заправок остались прогнозами, была выбрана стратегия на плавный «органический» рост, при котором электромобили будут составлять значимую долю парка к 2050-2060 году и негативные экономические эффекты в результате исполнения странами ОЭСР обязательств социального государства будут сглажены до удовлетворительных показателей.Поэтому прогноз BP имеет право на жизнь, но к большому сожалению для BP, в частности, и мировой нефтяной отрасли, в целом, круг производителей и потребителей электромобилей не исчерпывается странами ОЭСР.
Штрейхбрейкер электромобилестроенияПо большому счету текущая ситуация на рынке электромобилестроения следствие действий одного человека – Илона Маска.Илон Маск после начала серийного выпуска Tesla model S сделал удивительную для предпринимателя вещь: открыл все патенты на электромобиль Tesla.С позиций «экономикс», с позиций научного приоритета – это явная глупость, непонятная отечественным аналитикам.Отечественная наука проспала смену парадигмы научного познания с «науки приоритета» на «науку открытого кода».
«Наука приоритета» основана на конкуренции отдельных ученых и/или научных коллективов с итоговой оценкой научной деятельности отдельных личностей либо коллективов.«Наука открытого кода» основана на сотрудничестве отдельных ученых и/или научных коллективов с целью умножения научного знания (к примеру, коллаборации ученых как форма научной организации).Инновационный бизнес по логике вещей является формой научной деятельности, и также может быть основан на «приоритете» или «открытом коде».Если смотреть шире то «приоритет» и «открытый код» не сводятся к науке или бизнесу, а гораздо более значимые явления социальной жизни.Для целей настоящего исследования важен факт приверженности Илона Маска «открытому коду». Маск выступил если смотреть с негативного угла штрейхбрейкером электромобилестроения, а с позитивного культуртрегером прогресса, современным Прометеем.
Конечно они – китайцыРезультатами просветительской деятельности Илона Маска воспользовался Китай.Если оценить результаты 2015 года, то объем продаж легковых электромобилей составил 549 000, из них 189 000 пришлось на Китай (рост по отношению к 2014 году 223%), 115 000 на США (падение по отношению к 2014 году 4%), 192 000 на Европу (рост по отношению к 2014 году 99%) ИсточникВпечатляющие цифры, но только для тех, кто за деревьями не видит леса.Как сообщает Газета.ру «Китай в 2015 году вышел на первое место в мире по продажам электромобилей, передает РИА «Новости».Об этом заявил министр науки и технологий КНР Вань Ган на пресс-конференции.
По его словам, в прошлом году количество новых электромобилей, проданных на территории Китая, превысило 370 тыс. единиц, а общее количество электромобилей в стране оценивается в 497 тыс. единиц» .
370 000 и 189 000 слабо пересекающиеся цифры, если не обращать внимание, что цифра 189 000 касается продаж легковых электромобилей в Китае в 2015 году.Соответственно более 180 000 единиц составили продажи электрического грузового и грузопассажирского транспорта и это очень серьезно.Экономическая эффективность электромобилей для целей легкового транспорта не более чем один из многих показателей в ряду, а для грузового и грузопассажирского транспорта - это основной показатель.Следует отметить, что парк грузового и грузопассажирского транспорта существенно (в разы) меньше легкового, но общее потребление моторного топлива грузовым и грузопассажирским транспортом сравнимо с потреблением моторного топлива легковым транспортом.При текущих темпах производства электрических грузовиков Китай уже к 2025 году может полностью заместить свои 20-25 млн. единиц коммерческого транспорта с ДВС на электромобили, что автоматически означает сокращение спроса на нефть со стороны Китая на 20-30%, или 4-5 млн. баррелей в день минимум.
Чтобы понять насколько велик разрыв по грузовому электротранспорту между к примеру Европой и Китаем, достаточно погуглить с какой помпой в 2015 году компания BMW обставила приобретение 1 (одного) голландского грузовика Terberg для целей доставки деталей со складского терминала на завод BMW.Сравните с 180 000 единиц электрического коммерческого транспорта, выпущенных в Китае в том же 2015 году.Перевод коммерческого транспорта на электротягу даст/дает Китаю огромное преимущество в производительности труда.Страны ОЭСР будут вынуждены закрывать образующийся разрыв, поэтому к сожалению для BP и нефтезависимых стран электромобили будут развиваться не «органически», а скачкообразно особенно в сфере коммерческого транспорта, что приведет к сильному падению спроса на нефть.
Хорошая новость для России, которую не упустили из виду авторы Прогноза (страница 84 Прогноза) электромобилизация повлечет рост спроса на электричество и рост спроса на газ прежде всего со стороны Китая, причем возможно рост китайского спроса на газ будет значительно более впечатляющим, чем представляют себе авторы Прогноза.
venn77.livejournal.com
Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия — обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.
Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. — это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% — это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.
Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.
Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.
В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.
Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.
Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.
При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.
Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.
Цикл АткинсонаВ двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.
Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.
Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.
avtonov.info
