КПД двигателя внутреннего сгорания – что это такое?
В первую очередь, мотор преобразует тепловую энергию, возникающую при сгорании топлива, в определенное количество механической работы. В отличие от паровых машин, эти двигатели более легкие и компактные. Они гораздо экономичнее и потребляют строго определенное жидкое и газообразное топливо. Таким образом, КПД современных двигателей рассчитывается на основании их технических характеристик и прочих показателей.
КПД (коэффициент полезного действия) представляет собой отношение фактически передаваемой мощности на вал двигателя к мощности, получаемой поршнем за счет действия газов . Если провести сравнение КПД двигателей различной мощности, то можно установить, что это значение для каждого из них имеет свои особенности.
Оба двигателя, несмотря на схожесть конструкции, имеют различные виды смесеобразования. Поэтому поршни карбюраторного мотора работают при более высоких температурах, требующих качественного охлаждения. Из-за этого тепловая энергия, которая могла бы превратиться в механическую, рассеивается без всякой пользы, понижая общее значение КПД.
Тем не менее, для того чтобы повысить КПД бензинового двигателя, принимаются определенные меры. Например, на один цилиндр могут устанавливаться два впускных и выпускных клапана, вместо конструкции, когда размещается один впускной и один выпускной клапан. Кроме того, в некоторых двигателях на каждую свечу устанавливается отдельная катушка зажигания. Управление дроссельной заслонкой во многих случаях осуществляется с помощью электропривода, а не обыкновенным тросиком.
Что входит в капитальный ремонт двигателя
Перед ремонтом организуется рабочее пространство. Необходимо подготовить стол для ремонта, хорошее освещение, коробки для деталей.
Весь процесс делится на этапы.
Демонтаж двигателя из автомобиля. Силовые агрегаты весят минимум 100 кг. Для демонтажа понадобится автомобильный подъёмник.
Разборка двигателя. Понадобится набор ключей и головок
Важно найти инструкцию по ремонту силового агрегата от производителя. Проверить номер и модель двигателя — должен совпадать с описанным в инструкции
Поочерёдно снимается выпускной коллектор, поддон картера, крышка и головка блока цилиндров.
Проверка узлов двигателя на соответствие стандартам. Для осуществления диагностики элементов двигателя понадобится комплект для капитального ремонта: манометр, стетоскоп, компрессометр, нутромер и эндоскоп.
Ремонт и замена непригодных деталей.
Сбор двигателя.
Регулировка. Настройка после ремонта двигателя включает в себя: регулировку оборотов на холостом ходу и зажигания.
Обкатка двигателя после ремонта обязательна.
Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель
Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:
- Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
- Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.
Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.
Двигатели внешнего сгорания
Двигатель Стирлинга относится к двигателям с внешним сгоранием. Рабочее тело (воздух) получает теплоту не за счет прямого сгорания топлива в рабочем цилиндре, а путем ее подвода извне через стенки. Подробнее это рассмотрено в статье «Двигатель Стирлинга». Цикл со смешанным подводом теплоты (см. рис. 3) может служить и для оценки двигателя Стирлинга с тем исключением, что часть отводимой теплоты при использовании регенератора снова возвращается в общее количество подводимой теплоты . Изменение давления в цилиндре реального двигателя существенно отличается от изменения давлений в термодинамическом цикле. Это вызвано тем, что сгорание топлива не происходит только в момент нахождения поршня в ВМТ или при постоянном давлении в начале хода расширения. Выпускные каналы открываются раньше, чем поршень достигает НМТ, и поэтому давление перед ней уже ниже того, которое было бы в НМТ поршня при закрытом канале. Сжатие также начинается лишь после закрытия впускного клапана, т. е. после НМТ. Однако для четырехтактных двигателей в представленных выше диаграммах термодинамических циклов не изображены процессы изменения давления при тактах впуска и выпуска, из-за наличия которых углы термодинамических циклов в действительных рабочих циклах значительно скруглены вблизи ВМТ и НМТ.
Поскольку здесь рассматривается только один практический вопрос — снижение расхода топлива при условии обеспечения эффективного и экономичного функционирования автомобиля, выше были изложены лишь основные принципы, необходимые для понимания циклов работы двигателей.
Для привода автомобиля ранее применялся паровой двигатель, о котором конструкторы не забывают и сегодня. Поэтому кратко поясним принципы работы паросиловой установки по циклу Ранкина.
 |
| Рис. 5. Схема паросиловой установки, работающей по циклу Ранкина: |
|---|
| 1 — паровой котел; 2 — перегреватель; 3 — паровой двигатель; 4 — конденсатор; 5 — питающий насос. |
Схема такой установки изображена на рис. 5. В паровом котле вода нагревается до точки кипения, а насыщенный пар поступает к пароперегревателю , в котором температура пара увеличивается. Перегретый пар далее поступает в паровой двигатель , цилиндр которого снабжен тепловой изоляцией, где происходит адиабатическое расширение пара и за счет этого совершается работа.
Отработанный пар из двигателя поступает в конденсатор , где конденсируется в воду. Вода из конденсатора при помощи питающего насоса снова возвращается в паровой котел.
Полезная работа парового двигателя определяется разницей работ, совершаемых собственно паровой машиной и питающим насосом. Так как объем воды, подаваемой насосом в котел, незначителен по сравнению с объемом пара, выходящего из котла при постоянном давлении, то при низких значениях давления работа этого насоса весьма мала и ее можно не учитывать. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где процесс сгорания топлива происходит непосредственно в рабочем цилиндре, паровой двигатель не имеет камеры сжатия (сгорания). Это явный выигрыш, поскольку камера сжатия — вредное пространство, которое должно быть минимальным.
Отрицательное свойство парового двигателя состоит в том, что теплота к рабочему телу подводится через металлическую стенку, которая должна иметь высокую термостойкость и прочность. Несмотря на то, что в настоящее время паровые котлы работают под давлением выше 10 МПа и при температуре пара 470 °C, величина температуры рабочего тела остается почти на 2000 °C меньше, чем в двигателе внутреннего сгорания. Минимальная температура может быть у сравниваемых циклов одинаковой, так как это практически температура окружающего воздуха. У парового двигателя с конденсатором легко достижимо значение °C.
У хорошей паровой турбины КПД составляет примерно 34 % в сравнении с 40 % у двигателя внутреннего сгорания. Однако при использовании паровой турбины необходимо учитывать, что КПД котла составляет примерно 85 %, так что общий КПД паровой турбины в целом падает до 28,9 %. Топливо для котла дешевле нефтяных моторных топлив, так как в качестве него может использоваться уголь. Теплотворная способность угля, правда, меньше, чем нефти, однако если в качестве котельного топлива используют природный газ или мазут, то разница в затратах по сравнению с углем невелика.
Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных моторов
По показателям экономичности первенство дизеля неоспоримо, поэтому львиная доля среднетоннажных грузовиков и мощных тягачей для автопоездов комплектуется дизельными моторами.Легкие грузовики с бензиновым мотором мощностью в 100 – 150 лошадиных сил находят применение на внутригородских и внутриобластных маршрутах. При наличии небольших габаритов и грузоподъемности такой грузовик не нуждается в большом крутящем моменте для того, чтобы тронуться с места с грузом. Важными моментами становятся облегченный запуск двигателя в морозы и маневренность машины. Не нужен длительный прогрев двигателя, что влияет на скорость доставки при многочисленных разгрузках товара.Теоретически оба двигателя внутреннего сгорания построены на едином принципе и используют одинаковые рабочие циклы:
- впрыск топлива (прямой или распределенный);
- сжатие (топливо-воздушной смеси или воздуха);
- воспламенение горючего и отработка поршней;
- удаление отработанных газов.
Для дизеля не нужно пропорционально вводить в цилиндры воздушно-топливную смесь, при этом необходима высокая степень сжатия воздуха для самостоятельного воспламенения топлива (без свечей зажигания).Высокое давление в цилиндрах потребовало увеличения механической прочности всех деталей мотора (блока цилиндров, поршней, клапанов), поэтому дизель гораздо тяжелее бензинового двигателя и не может работать на высоких оборотах. Традиционно считается, что дизели сложнее в производстве и ремонте. Действительно, прецизионной точности сборки требуют дизельные форсунки и топливный насос высокого давления, нагнетающий в мотор солярку с давлением до 20 атмосфер. Чтобы набрать соизмеримые с дизельными двигателями мощность и крутящий момент, конструкторам бензиновых моторов приходится применять множество новых технологий. К ним относятся дорогие легкие сплавы для цилиндров, электронные регулировки фаз газораспределения.В результате более легкий бензиновый мотор стоит гораздо дороже дизеля. Для ремонта сложной конструкции нужна высокая квалификация автомехаников и дорогие запчасти.
Основными эксплуатационными преимуществами дизеля становятся:
- Экономичность. Стандартное дизельное топливо (солярка) в Украине стоит на 5-8% дешевле бензина (А92-95). Учитывая, что расход топлива у дизелей на 10 – 20% меньше, чем у бензиновых моторов, это важнейший показатель. При длинных рейсах в 1000 – 2000 км экономия получается внушительной. Улучшение экономических показателей снижает себестоимость грузоперевозок, увеличивает рентабельность грузовика. Владелец грузовика, который при выборе цен ориентируется на рекомендуемые транспортно-информационным сервисом Transportica расценки, имеет большие шансы получить выгодные заказы, может снижать цену при переговорах с заказчиком.
- Безопасность дизельного топлива. Солярка не относится к легковоспламеняемым видам горючего, поэтому не бывает самовозгорания топливных газов. Выхлоп дизтоплива менее токсичен, содержит низкое количество углекислого газа.
- Большой крутящий момент. Этот показатель важен, чтобы груженный грузовик легко трогался с места и набирал оптимальную скорость без максимального расхода горючего. Хорошие показатели крутящего момента позволяют водителю вовремя подавать тяжелый грузовик под погрузку и разгрузку.
- Огромный ресурс силовой установки. Стандартный ресурс дизеля до капитального ремонта превышает 500 000 км. На импортные грузовики нередко устанавливаются дизели с гарантированным ресурсом в 1 млн. км.
Такие недостатки дизеля, как шумность, недостаточная динамика, украинские дальнобойщики не считают критичными. Действительно важными недостатками нужно признать сложность и высокую стоимость ремонта топливной системы (особенно – ТНВД). В приличную стоимость выльется и замена изношенных форсунок. К таким недостаткам дизельного мотора, как затрудненный запуск на морозе и необходимость длительного прогрева двигателя зимой, опытные водители давно привыкли.Такое достоинство бензинового мотора, как динамика (быстрый разгон, достижение максимальных скоростей) дальнобойщики не считают важным преимуществом. Гораздо важнее более длинные межсервисные циклы между плановыми техническими обслуживаниями, низкие цены ремонта и запасных частей для работ с двигателем.
Двигатель Карно
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 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.
КПД дизельного двигателя заметная эффективность
Дизель является одной из разновидностей двигателей внутреннего сгорания, в котором воспламенение рабочей смеси производится в результате сжатия. Поэтому давление воздуха в цилиндре намного выше, чем у бензинового двигателя. Сравнивая КПД дизельного двигателя с КПД других конструкций, можно отметить его наиболее высокую эффективность.
Следует обратить внимание на сравнительно небольшой расход дизельного топлива и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах.
Таким образом, значение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от его типа и конструкции. Во многих автомобилях низкий КПД перекрывается различными усовершенствованиями, позволяющими улучшить общие технические характеристики. Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии
Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии , полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:
Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии , полученному системой; обозначается обычно η («эта») . η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах . Математически определение КПД может быть записано в виде:
X 100 %,
где А — полезная работа, а Q — затраченная энергия.
В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.
КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя , к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле
где — количество теплоты , полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T 1 и холодного T 2 , обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно ; этот предельный КПД равен
Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.
КПД котлов
Основная статья: Тепловой баланс котла
КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания ; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара . В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания , учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.
Тепловые насосы и холодильные машины
Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность иногда получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу; аналогичным образом холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается на организацию процесса.
Эффективность таких тепловых машин характеризуют холодильный коэффициент (для холодильных машин) или коэффициент трансформации (для тепловых насосов)
где — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах) или передаваемое к горячему (в тепловых насосах); — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия). Наилучшими показателями производительности для таких машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент
где , — температуры горячего и холодного концов, . Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент всё же может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр. электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.
Автомобили с какими моторами дороже
Выше мы уже говорили о том, что машины, оснащенные дизельными силовыми установками, стоят дороже, дороже они обходятся также в ремонте и обслуживании. Если планируется покупка т.н. «автомобиля выходного дня», когда транспортное средство используется лишь время от времени, для поездок, например, на дачу или на природу, целесообразнее отдать предпочтение силовым установкам на бензине.
В случаях же более интенсивного использования машины, например в целях осуществления какого-то бизнеса, когда владелец «наматывает» в год по несколько десятков тысяч километров, вложения в дизель будут оправданны.
Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя
Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.
Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция — это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.
Подробнее о потерях
Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:
- Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
- Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
- Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.
Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.
Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.
Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.
С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.
Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.
Накануне
В феврале 1893 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель, по имени изобретателя вот уже более ста лет называющийся «дизельным». Первый работоспособный образец мотора своей конструкции был изготовлен Р. Дизелем к началу 1897 г. и 28 января успешно прошел испытания. К этому времени четко обозначилась потребность народного хозяйства и военного ведомства в транспортном двигателе, работавшем на тяжелом топливе. С самого момента появления такой мотор нашел горячих приверженцев в нашей стране, а лицензию на выпуск дизельмотора приобрел завод Нобелей в Петербурге.
К числу достоинств моторов, работавших на тяжелом топливе, относились: отсутствие электрической системы зажигания, меньший на 25-35% удельный расход топлива и его меньшая пожароопасность. Более высокая плотность дизельного топлива позволяла использовать под него баки меньшего объема.
Уже в 1903 г. дизелем петербургского завода Нобелей был оснащен первый в мире теплоход «Вандал». Однако в деле внедрения дизельных двигателей на транспорте возникли и существенные трудности, поскольку для изготовления их топливных систем требовалось применение сложного, а следовательно, и более дорогого, прецизионного оборудования. Кроме того, дизели отличались в целом большей металлоемкостью и существенной удельной массой. Более высокое по сравнению с карбюраторными двигателями давление вспышки (примерно двух-четырех кратное) предъявляло повышенные требования к прочности и жесткости кривошипно-шатунного механизма. Ручной пуск дизельных двигателей был практически невозможен, что, в свою очередь, вызывало необходимость установки специальных пусковых устройств. Поэтому первые опыты с применением дизелей на автомобильном или воздушном транспорте не имели успеха, и они изначально не могли конкурировать с карбюраторными (бензиновыми) двигателями. Первоначально развитие получили малооборотные судовые дизели, а также мобильные дизель-генераторы, предназначавшиеся для снабжения электричеством отдаленных жилых, народнохозяйственных или иных объектов.
