Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.
КПД двигателя внутреннего сгорания
Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.
Где теряется эффективность
Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.
И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.
Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%
Дизель или бензин
А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.
Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.
КПД электрического двигателя двигателя
speechmen.com
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов и пара, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.
После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи вполне возможно. Поршневой ДВС необходимо избавить от КШМ, сделать его полностью теплоизолированным, отделить систему горения топливной смеси и использовать воду для ее преобразования в пар. В своей работе над концепцией совершенного поршневого двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Думаю, мне это удалось сделать.
Первое. Более полное разсмотрение КШМ и механизм его замены.
Передача возвратно поступательного движения во вращательное.
Кривошипно-шатунный механизм КШМ используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Принцип его действия заключается в том, что поршень под действием сжатых газов совершает возвратно-поступательное движение, которое при помощи шатуна и кривошипа преобразуется во вращательное движение вала. Вал совершает один полный оборот за два хода поршня: от верхнего крайнего положения до нижнего под действием сжатых газов и от нижнего крайнего положения до верхнего под давлением сил инерции.
Существенным недостатком ДВС (двигатель внутреннего сгорания) является его КШМ (кривошипно-шатунный механизм). За весь период существования двигателя внутреннего сгорания, усовершенствовались технологии изготовления КШМ и его отдельных деталей, однако, традиционная конструкция КШМ не позволяет увеличить КПД КШМ выше 40%. Это связано с тем, что при работе КШМ угол между шатуном и кривошипом изменяется в пределах от 0 до 360 градусов. В верхней и нижней мертвых точках его КПД = 0, а в точках при которых угол между шатуном и кривошипом = 90 градусов, его КПД = 100%. Во всех остальных точках наблюдается разложение сил, что понижает его КПД. В результате его среднее КПД меньше 40%.
Далее. Реечный механизм - один из наиболее распространенных в технике, применяемых для преобразования вращательного движения в поступательное и, наоборот, поступательного во вращательное. Он состоит из шестерни и прямолинейной зубчатой рейки. Рейка - это развернутое зубчатое колесо, начальный диаметр которого увеличен до бесконечности. Таким образом, если рейку закрепить неподвижно, а шестерню привести во вращение, то она будет совершать сложное движение, то есть вращаться вокруг оси и передвигаться поступательно вдоль рейки. За один оборот вокруг оси шестерня, а вместе с ней и прикрепленный к ней механизм передвинутся на расстояние, равное длине начальной окружности, то есть произведению шага на количество зубьев. Cоответственно применив реечный механизм для передачи возвратно поступательного движения во вращательное вместо КШМ КПД передачи момента силы в ДВС приблизится к 100%. К тому же отсутствие коленчатого вала, шатунов, пальцев поршня устраняет проблемы трущихся деталей и их смазку, уменьшает металлоемкость двигателя и увеличивает его ремонтно пригодность, также устраняется давление поршня на стенки цилиндра. При этом:
• KПД механизма составит около 100%.
• Увеличивается мощность двигателя.
• Отсутствие КШМ упрощает и удешевляет всю конструкция двигателя, как в изготовлении, так и в техническом обслуживании.
• Увеличивается мотто ресурс ДВС.
• Упрощается система смазки . Предлагаемая конструкция самосмазывающаяся.
• При использовании предлагаемого механизма, расположение цилиндров возможно произвольное в разной плоскости, а так же возможно изготовление ДВС модульным типом.
• Mодуль может быть как одно цилиндровый, так и двух цилиндровый.
• Конструкция проста. В ней используются детали, давно применяемые в механике,
и по этому больших дополнительных исследований не требуется.
Разсмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.
Цитата из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.
Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. при обеспечении предельно высокой температуры среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет.
is2006.livejournal.com
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.
Источник: fb.ruКомментарии
Идёт загрузка... Похожие материалы
Образование КПД тепловых машин. КПД тепловой машины - формулаСовременные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных с...
Домашний уют Дебит скважины: формула, определение и расчетОбеспечение загородного участка или недвижимости необходимым количеством воды – первая и важнейшая задача каждого владельца, поскольку от этого зависит комфортность проживания. Обычно для этой цели бурится скваж...
Образование Сила тяжести: формула, определениеАбсолютно на все тела во Вселенной действует волшебная сила, каким-то образом притягивающая их к Земле (точнее к ее ядру). Никуда не сбежать, нигде не укрыться от всеобъемлющего магического тяготения: планеты нашей Со...
Образование Энергия кинетическая: формула, определение. Как найти кинетическую энергию молекулы, поступательного движения, пружины, тела, молекулы газа?Повседневный опыт показывает, что недвижимые тела можно привести в движение, а движимые остановить. Мы с вами постоянно что-то делаем, мир вокруг суетится, светит солнце... Но откуда у человека, животных, да и у приро...
Новости и общество Совместимы ли тепловые двигатели и охрана окружающей среды?Так уж устроен человек – пытаясь познавать мир, он всегда подмечал закономерности явлений и событий, со временем выводя из них все более сложные физические законы жизни. Сегодня физика является одной из базовых ...
Образование Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схемаРассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно....
Образование Тепловая машина: цикл, работа, КПД. Экологические проблемы тепловых машин. Какая она - идеальная тепловая машина?Потребность использования механической энергии на производстве привело к появлению тепловых машин.Устройство тепловых машинТепловая машина (тепловой двигатель) - устройство для преобразования внутренне...
Образование Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателейТепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения ве...
Образование Какой КПД дизельного двигателя? Дизельный и бензиновый двигательКПД дизельного двигателя представляет собой отношение мощности, которая подается на коленчатый вал, к мощности, получаемой поршнем благодаря давлению газов, образующихся при воспламенении используемого топлива....
Домашний уют Расчет тепловой нагрузки на отопление здания: формула, примерыПри проектировании системы отопления, будь то промышленное строение или жилое здание, нужно провести грамотные расчеты и составить схему контура отопительной системы. Особое внимание на этом этапе специалисты рекоменд...
monateka.com
Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика результативности системы в отношении преобразования или передачи энергии, который определяется отношением полезно использованной энергии к суммарной энергии, полученной системой. 
КПД — величина безразмерная, обычно ее выражают в процентах: 
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется по формуле: 
, где A = Q1Q2. КПД теплового двигателя всегда меньше 1.
Цикл Карно — это обратимый круговой газовый процесс, который состоит из последовательно стоящих двух изотермических и двух адиабатных процессов, выполняемых с рабочим телом. 
Круговой цикл, включающий в себя две изотермы и две адиабаты, соответствует максимальному КПД.
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, где рабочее тело — это идеальный газ, цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат, т. е. цикл Карно. Цикл Карно — реальный рабочий цикл теплового двигателя, свершающего работу за счет теплоты, подводимой рабочему телу в изотермическом процессе.
Формула КПД цикла Карно, т. е. максимального КПД теплового двигателя имеет вид: 
, где T1 — абсолютная температура нагревателя, Т2 — абсолютная температура холодильника.
Тепловые двигатели — это конструкции, в которых тепловая энергия превращается в механическую.
Тепловые двигатели многообразны как по конструкции, так и по назначению. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели.
Однако, несмотря на многообразие, в принципе действия различных тепловых двигателей есть общие черты. Основные компоненты каждого теплового двигателя:
Нагреватель выделяет тепловую энергию, при этом нагревает рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ.
Приняв количество теплоты, газ расширяется, т.к. его давление больше внешнего давления, и двигает поршень, производя положительную работу. При этом его давление падает, а объем увеличивается.
Если сжимать газ, проходя те же состояния, но в обратном направлении, то совершим ту же по абсолютному значению, но отрицательную работу. В итоге вся работа за цикл будет равна нулю.
Для того чтобы работа теплового двигателя была отлична от нуля, работа сжатия газа должна быть меньше работы расширения.
Чтобы работа сжатия стала меньше работы расширения, необходимо, чтобы процесс сжатия проходил при меньшей температуре, для этого рабочее тело нужно охладить, поэтому в конструкцию теплового двигателя входит холодильник. Холодильнику рабочее тело отдает при соприкосновении с ним количество теплоты.
xn----7sbfhivhrke5c.xn--p1ai
