Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

Что такое коэффициент полезного действия двигателя

Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

Советы

Начнем с определения. Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания – характеристика, которая свидетельствует об эффективности агрегата. Это отношение полезной энергии к полной затраченной в процентном отношении. Другими словами, речь идет о результате преобразования тепловой энергии, получаемой при сгорании топливно-воздушной смеси, в механическую.

Казалось бы, КПД должен быть высоким! Не зря же производители почти повсеместно внедрили непосредственный впрыск топлива, турбонагнетатели и выжимают солидную мощность из сравнительно компактных установок? Для сравнения, в недалеком прошлом атмосферные 2,0-литровые агрегаты развивали 140-150 л.с., а сейчас подобной отдачей могут похвастаться двигатели объемом 1,5 л, но с наддувом.

Тем удивительнее то, что данный параметр для бензиновых агрегатов со всеми их высокотехнологичными ухищрениями равен… 20-25%.

Львиная доля энергии, полученная при сгорании топлива, расходуется непосредственно на потери и лишь малая часть непосредственно на полезную работу двигателя внутреннего сгорания.

У дизельных моторов картина не в пример лучше коэффициент полезного действия атмосферных моторов находится на уровне 40% и достигает 50% и более при наличии турбонагнетателя, который используется повсеместно и превращает ДВС более эффективную установку.

Существует целый ряд причин, почему коэффициент полезного действия ДВС находится на столь невысоком уровне.

В случае с бензиновыми агрегатами примерно 25% потерь КПД приходится на топливную эффективность из-за того, что топливно-воздушная смесь сгорает не полностью.

На тепловые потери расходуется около 35% – огромное количество тепла, которое выделяет двигатель и есть те самые потери энергии, поскольку для получения тепла требуется энергия.

Порядка 20% тратится на механические потери или, проще говоря, потери на трение внутренних частей двигателя, а также на привод дополнительного навесного оборудования, к которому относится генератор, кондиционер, помпа системы охлаждения и другие агрегаты. Как видите, причина весьма низкого КПД бензиновых агрегатов кроется в больших тепловых и механических потерях, возникающих в процессе работе установок данного типа.

Интересно, что снижение последних в ряде случаев привело к снижению надежности ДВС и эта тенденция особенно заметна в моторах последних поколений.

Такие компоненты как поршни, шейки коленвалов и звенья цепей газораспределительного механизма стали компактнее, миниатюрнее.

А более жидкие масла при сниженном давлении должны снизить потери на трение в подшипниках и энергетические затраты на смазку.

Противники моторов на «тяжелом топливе», не жалующие их за вибрации, шумность, особенности моментной характеристики (солидный крутящий момент доступен на низких и средних оборотах, но при этом дизели «крутятся» довольно неохотно) и, самое главное, за риск столкнуться с невозможностью запуска зимой из-за замерзшей солярки, наверняка удивятся, узнав о двукратном превосходстве в коэффициенте полезного действия перед бензиновой когортой. Объяснение этому явлению кроется в другом принципе формирования топливно-воздушной смеси и том, как именно происходит ее воспламенение.

У дизельного агрегата нет свечей зажигания, а смесь воспламеняется при очень высокой степени сжатия, которая позволяет превзойти по КПД бензиновые агрегаты.

Сперва в камеру сгорания подается воздух, а затем в самом конце такта сжатия происходит впрыск топлива – смесь горит при более высокой температуре и максимально полноценно.

Таким образом, у дизельного ДВС заметно меньше расход топлива при существенно более высоком значении крутящего момента и это считается одним из ключевых преимуществ агрегатов данного типа.

Следует отметить, что причина сравнительно низкого коэффициента полезного действия бензиновых моторов и, соответственно, более высокого значения, демонстрируемого дизельными двигателями внутреннего сгорания, кроется также в видах топлива и их энергетической составляющей. Процесс горения солярки, которая состоит из более тяжелых углеводородов, сопровождается большим количеством выделяемого тепла, эффективнее преобразующегося в механическую работу.

И, конечно, возникает вопрос, существует ли идеальный агрегат, демонстрирующий если не стопроцентный коэффициент полезного действия, то как минимум приближающийся к этой величине? Ответ положительный – столь высокой эффективностью может похвастаться электрический мотор, КПД которого доходит до 90-95%. Экологически чистые силовые установки активно пробивают себе дорогу в будущее и это касается не только автомобильной, но и мотоциклетной промышленности.

Подписывайтесь на нас в и !

Источник: https://autorambler.ru/advice/chto-takoe-koefficient-poleznogo-deistviya-dvigatelya.htm

Глава 3. действительные циклы, мощность, кпд двигателей внутреннего сгорания

Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактный двигатель. Теоретические индикаторные диаграммы были построены нами без учета потерь, которые всегда бывают при работе двигателя. Так, например, при всасывании карбюратор, всасывающий клапан и всасываю­щий патрубок оказывают гидравлическое сопротивление дви­жению газов и тем большее, чем больше скорость газа во всасывающей системе.

По этой причине действительное дав­ление всасывания всегда получается ниже атмосферного и за­висит от длины и проходного сечения трубы, плавности пере­ходов, точности изготовления клапанов и клапанных седел, сопротивлений в карбюраторе и обтекаемой формы деталей, встречающихся на пути потока. Это учитывается пунктирной кривой а1;b1; на диаграмме рис. 11, т. е.

заряд поступает в ци­линдр пониженной плотности. Понижению его плотности спо­собствует также и нагрев смеси от горячих деталей.

Таким образом, весовое количество заряда в цилиндре понижается, что учитывается коэффициентом наполнения ηv .

Коэффициент наполнения показывает, какое по весу количество свежего заряда заполнило цилиндр по срав­нению с тем, которое могло бы вместиться, если бы темпера­тура и давление заряда были равны атмосферным условиям.

Для современных быстроходных легких двигателей коэф­фициент наполнения при полном открытии дросселя находится в пределах 0,8—0,9, т. е. цилиндр двигателя наполняется только на 80—90% от полного объема при нормальных усло­виях(1).

На ηv в известной степени влияет избыток топлива, пони­жающий температуру всасывания и. сгорания, а вместе с ни­ми и температуру цилиндра, поршня и головки. Смесь, содержащая в себе больше топлива, чем требуется для нормальной смеси, называется богатой. Однако работа на богатой смеси неэкономична, так как часть топлива из-за недостатка воздуха сгорает не полностью и уходит наружу с отработанными газами в виде сажи, а отчасти окиси угле­рода СО. Влияет на и род топлива. Каждый вид топлива имеет свою скрытую теплоту парообразования, от которой зависят температура и количество засасываемой смеси. Например, применение в качестве топлива спирта повышает ηv на 5—10% по сравнению с бензином. Так как количество выделенной тепловой энергии, а сле­довательно, и мощность двигателя находятся в прямой зави­симости от весового заряда цилиндра, то в задачу водителя входит использовать все факторы, способствующие увеличе­нию ηv. Рассмотрим влияние фаз газораспределения на наполне­ние цилиндра. В быстроходных двигателях, когда циклы следуют друг за другом очень быстро, всасываемая смесь по трубопроводу движется со скоростью примерно 100 м/сек. С закрытием впускного клапана, в силу инерции движущихся газов, к на­чалу впуска следующего цикла перед клапаном образуется некоторое давление (поджатие) смеси, превосходящее атмо­сферное. В этот момент снова начнет открываться впускной клапан и поджатая смесь с силой устремляется в цилиндр; таким образом можно получить лучшее наполнение цилинд­ра. Поэтому чаще всего в зависимости от быстроходности двигателя начало впуска производят с опережением от 8 до 40°, а в гоночных машинах доводят его до 75° и выше. Такое опережение впуска обычно устанавливается опытным путем. Закрытие впускного клапана также осуществляют не в НМТ, как в теоретическом цикле, а позднее, примерно на 45—70°, давая больше времени на заполнение цилиндра. Таким спо­собом период заполнения удлиняется от 220 до 290° по пово­роту коленчатого вала вместо 180° теоретического цикла, что увеличивает коэффициент наполнения ηv . Следующим фактором, влияющим на наполнение цилинд­ра, являются остаточные газы от предыдущего цикла. В четырехтактных двигателях сгоревшие газы частично задержи­ваются в так называемом вредном пространстве, т. е. в ка­мере сжатия Vc . Так как такт сжатия следует непосредственно за тактом всасывания, то фактически сжатие смеси начинается не в НМТ, а с запозданием, равным концу выпуска, что дает не­которую потерю части хода. Кроме того, на протяжении хо­да сжатия мы имеем дополнительную потерю тепла как на нагрев стенки и головки цилиндра, так и днища поршня, что отражается понижением давления сжатия (пунктирная кривая ac1; на диаграмме рис. 11).

Сжатие смеси необходимо для того, чтобы ускорить про­цесс ее сгорания и получить большую силу давления на пор­шень как при вспышке, так и во время рабочего хода. Уве­личение рабочего давления повышает мощность двигателя.

Чем выше степень сжатия в двигателе, тем больше мощность его, тем меньше удельный расход топлива, т. е. расход на 1 л. с. ч., тем выше термический коэффициент полезного действия двигателя.

Однако увеличение степени сжатия воз­можно только до определенного предела, зависящего в основ­ном от температуры самовоспламенения рабочей смеси и от возникновения детонации(2) в двигателе. Как самовоспламене­ние, так и детонация нежелательны: они нарушают нормаль­ную работу двигателя.

У современных быстроходных двига­телей степень сжатия достигает обычно 5—8, а давление конца сжатия порядка 7,5—11 кг/см². При этом температура достигает 270—350°.

Горение смеси в действительности не происходит мгновен­но, а требует от 1/300 до 1/600 доли секунды, поэтому воспла­менение смеси производят с некоторым опережением c1. Во время расширения, вследствие большой разности тем­ператур между стенкой и газами, часть тепла теряется в стенки и давление понижается. Все переходы давлений от такта сжатия к такту расширения происходят плавно, без резких пиков и всецело зависят от величины опережения за­жигания (рис. 11, пунктирная кривая c1c2z1e1). Величина снижения давлений за ход расширения зависит от интенсивности охлаждения стенок цилиндра, его диаметра и числа оборотов; чем больше число оборотов и больше диа­метр цилиндра, тем выше линия давления расширения на индикаторной диаграмме. Не доходя примерно 50—70° до НМТ по ходу расширения для лучшей очистки цилиндра, производят опережение выпуска: выпускной клапан откры­вается, отработанные газы с критической скоростью (ско­ростью звука) вытекают из цилиндра и давление резко па­дает, что изображено на диаграмме линией е1a1. Выпуск отработанных газов всегда происходит при повы­шенном давлении порядка 1,1—1,2 см², а температура газов в конце выпуска достигает примерно 500—600°. Закрытие выпускного клапана для лучшей очистки цилиндра от сгорев­ших газов производят также не в ВМТ, как в теоретическом цикле, а значительно позже. Для быстроходных двигателей запоздание выпуска доводят до 30—40°, а для гоночных до 55° и выше. Полезно здесь отметить, что вблизи ВМТ клапан впуска и клапан выпуска оказываются некоторое время од­новременно открытыми, так как впускной клапан открывает­ся до прихода в ВМТ, а выпускной закрывается после ВМТ. Такое перекрытие нередко достигает в моторах величины 60°, доходя в гоночных моторах до 100—120°.

Подобные диаграммы можно получить и непосредственно с работающего двигателя при помощи прибора, называемого индикатором, откуда эти диаграммы и получили свое название индикаторных.

Индикаторные диаграммы характеризуют работу поршня за один цикл двигателя, где по оси ординат отложены давле­ния в цилиндре в килограммах на квадратный сантиметр, а по оси абсцисс — объемы в кубических сантиметрах в опреде­ленном масштабе. Измерив площадь диаграммы при помощи какого-либо способа и помножив на масштаб, взятый для ее изображения, получим работу двигателя за один цикл.

Чаще всего площадь диаграммы приводят к равновели­кому прямоугольнику, у которого основание равно ходу поршня в выбранном нами масштабе, а высота равна средне­му давлению на ходе поршня (линия кл). Это давление полу­чило название среднего индикаторного давле­ния и имеет большое значение при подсчете индикаторной мощности двигателя и при сравнении различных двигателей друг с другом.

Двухтактный двигатель. Действительная индикаторная ди­аграмма двухтактного двигателя, подобно индикаторной диа­грамме четырехтактного двигателя, также сильно отличается от теоретической вследствие опережения зажигания смеси в цилиндре, гидравлических потерь в окнах и трубопроводах, утечки тепла в стенки цилиндра и потерь на продувку в мо­мент расширения и сжатия (см. рис. 15). В конце хода сжатия для получения рабочего хода порш­ня, как уже говорилось, необходимо смесь поджечь. Сгора­ние топлива не происходит мгновенно, а требует для себя, хотя и очень короткого (около 1/зоо доли секунды), време­ни, за которое поршень успеет продвинуться примерно на 8—9% своего рабочего хода. Это приводит к сильному снижению как максимального, так и среднего давления по ходу поршня, т. е. к потере мощности двигателя и к непол­ному сгоранию смеси. Чтобы лучше использовать теплоту, заключенную в то­пливе, надо дать больше времени для ее сгорания, а для этого поджигают смесь значительно раньше прихода поршня в ВМТ, или, как говорят, с некоторым опережением, тем большим, чем быстроходнее двигатель (линия с2с3). Очень раннее зажигание делать также нежелательно, так как работа двигателя становится жесткой (жесткий ход). Появляются толчки, крутящий момент на валу становится неравномерным, а иногда это вызывает даже обратный по­ворот коленчатого вала и остановку двигателя. Зажигание производят с таким расчетом, чтобы получить максимальное давление спустя 10—20° после ВМТ. Для этого опережение зажигания в быстроходных двигателях обычно делают в пределах 30—45° до ВМТ. Рабочая диаграмма получается с опережением полнее, а мощность больше, чем при воспламенении смеси в ВМТ. Практически опережение зажигания осуществляют или от руки, поворотом специального рычажка, или при помощи ав­томатического регулятора, устанавливаемого на магнето и увеличивающего! опережение зажигания с ростом числа обо­ротов двигателя. Такие регуляторы установлены на послед­них наших отечественных конструкциях подвесных лодочных моторов ЛММ-6 и ЛМР-6. Одной из значительных потерь, искажающих теоретиче­скую диаграмму, является потеря на ходе поршня благодаря наличию продувочных и выпускных окон. Так как в двухтактных двигателях очистка цилиндров от сгоревших газов и наполнение их свежей смесью происходят через соответствующие окна, то с начала открытия последних до момента закрытия давление в цилиндре устанавливается близким к атмосферному и процесс сжатия начинается не сразу после НМТ, а только с момента закрытия окон; то же самое и рабочий ход заканчивается не в НМТ, как это мы рассматривали в идеальном цикле, а раньше, с момента на­чала открытия их. Таким образом, на протяжении высоты окон получается потеря рабочего хода. Высота этих окон от­нимает около 10—15% рабочего хода поршня.

Продолжительность открытия каждого ряда окон, очевид­но, определяется его высотой: чем выше окно, тем длиннее путь, проходимый поршнем вдоль окна, а следовательно, и больший период времени окно остается открытым.

Время, или период, того или иного процесса, выраженное в градусах по­ворота коленчатого вала, носит название фазы процесса, или фазы газораспределения. Фазы газораспределе­ния обычно изображаются круговыми диаграммами.

Такого рода диаграмма для мотора ЛМР-6 приведена на рис. 16.

Из рис. 16,а видно, что при движении поршня вверх пер­выми закрываются продувочные окна, а выпускные еще открыты и выпуск газов продолжается, вследствие чего часть засосанной смеси вылетает наружу. Это уменьшает коэффи­циент наполнения ?v и снижает мощность двигателя. На уве­личение наполнения двигателя сильно влияет процесс всасы­вания. Значительно лучшее наполнение картера смесью по­лучается при золотниковом распределении, когда всасывание может начинаться сразу после закрытия продувочных окон, а поджатие смеси сразу после прохождения поршнем ВМТ, как изображено на диаграмме (рис. 16,6), и происходит на всем остальном ходе поршня, до нового открытия продувочных окон. На рис. 17 приведен ряд конструкций золотникового уп­равления впуском. Дисковый золотник представляет собой диск со сквозным окном для впуска воздуха. Своей шлифованной стороной он все время прижимается при посредстве слабой пружины к торцу одной из боковых стенок картера, на которой прорезано всасывающее окно. При вращении зо­лотника его окно набегает на окно картера, периодически со­общая последний с атмосферой.

Рис. 16. Круговые диаграммы газораспределения с поршневым и золотниковым впуском смеси:
а — поршневое распределение; б — золотниковое распределение

Иногда золотники изготовляются в виде пустотелого бара­бана с окном на цилиндрической поверхности. Цилиндрические золотники для свободного вращения выполняются с некото­рым зазором. При сжатии смесь через зазор частично будет протекать в картер; цилиндрические золотники применяются только на быстроходных двигателях, где влияние зазора не­значительно. Гидравлические потери и понижение давления на протя­жении рабочего хода примерно остаются такими же, как и у четырехтактного двигателя. Сумма всех перечисленных потерь в индикаторной диа­грамме двухтактного двигателя составляет приблизительно 8—10% от диаграммы теоретического цикла, а потому для определения работы цикла можно пользоваться последней, уменьшая ее на указанный процент. Определять площадь диаграммы можно или при помощи специального прибора (планиметра), или вычертив ее на миллиметровке и подсчитав число миллиметров, заключен­ных внутри диаграммы. Площадь умножают на масштаб диаграммы и получают действительную работу цилиндра за один цикл. Продолжительность отдельных фаз по углу поворота ко­ленчатого вала в современных двухтактных подвесных мото­рах колеблется в пределах: для всасывающих окон 100— 115°, для продувочных 86—115°, для выхлопных 110—135°. Делая сводку всех явлений в цилиндре двухтактного дви­гателя за полный цикл, мы получим такую картину: 1-й такт — ход поршня к ВМТ: над поршнем сжатие смеси/под поршнем всасывание смеси.

Рис. 17. Конструкции золотников для впуска рабочей смеси в картер:
а — дисковый золотник; б — цилиндрический золотник двухцилиндрового двигателя; в — цилиндрический золотник, приводимый от шестерни, свя­занной с коленчатым валом; г — цилиндрический золотник четырехци­линдрового двигателя

2-й такт — ход поршня к НМТ: над поршнем сгорание и расширение/под поршнем сжатие смеси Чистота заряда в двухтактных двигателях зависит от качества продувки. Количество отработанных газов после продувки колеблется в весьма широких пределах: от 3% для двухтактных двигателей с прямоточной продувкой при наличии избыточного воздуха или смеси при продувке и до­стигает 40—50% при камерной продувке. Мощность двигателя и коэффициент полезного действия. Из механики известно, что мощность есть работа, совершае­мая в единицу времени. Работа за один полный цикл выра­жается произведением среднего индикаторного давления рi на рабочий объем цилиндра. Зная число оборотов двигателя в минуту и среднее инди­каторное давление, легко подсчитать его мощность по формулам:
Получаемая мощность носит название индикаторной мощности двигателя. Она дает представление о работе газа, переданной поршню. Из приведенных формул видно, что индикаторная мощ­ность возрастает: 1) с увеличением литража двигателя Vs ; 2) с увеличением числа оборотов коленчатого вала дви­гателя n; 3) с увеличением среднего индикаторного давления рi ; 4) с увеличением числа цилиндров i. Индикаторную мощность нельзя полностью использовать, для полезной работы из-за существующих потерь в самом двигателе, или так называемых «механических потерь», кото­рые учитываются механическим коэффициентом полезного-действия. Мощность, которой мы можем располагать в дей­ствительности на коленчатом валу, называется «эффектив­ной мощностью». Таким образом, под механическим коэффициентом полезного действия понимают отношение эффектив­ной мощности двигателя, т. е. мощности, действительно полу­чаемой на валу двигателя Ne к индикаторной, т. е. мощ­ности, передаваемой газами поршню двигателя Ni : Так как при различном числе оборотов ηm неодинаков, то принято относить к двигателю только ηm , получающий­ся при максимально достижимой мощности Nemaks Механические потери в двигателе можно подразделить на три основных вида: 1. На потери при трении всех движущихся частей двига­теля: поршня, поршневых колец, подшипников. Величина этого вида потерь является самой большой и в основном за­висит: а) от состояния поверхностей трущихся деталей, б) от давления между ними и в) от характера и качества смазки и равняется примерно 55—65% от общего количества меха­нических потерь. 2. На потери при приведении в действие вспомогательных механизмов (магнето, насосы) обычно падает от 6 до 18% от общего количества потерь. 3. На потери при наполнении цилиндра свежей смесью и очистку его от отработанных газов, так называемые «гидрав­лические», или «насосные потери», падает все остальное. По­следние потери слагаются из сопротивлений во всасываю­щем трубопроводе, в карбюраторе и во впускных окнах. Сю­да относят трение газов о шероховатую поверхность каналов. Обычно механические потери на основании практических данных принимаются равными 10—25% от индикаторной мощности, т. е. к гребному винту может быть подведено лишь 90—75% мощности, передаваемой газами поршням двигателя. Эффективная мощность подобно индикаторной может быть выражена соответственными формулами:
величина Pеf входящая в формулу эффективной мощно­сти, носит название среднего эффективного да­вления (по аналогии со средним индикаторным давлени­ем). Она в действительности не может быть замеренной на двигателе и является условной. Ее получают вычислением из формулы мощности, если известны: литраж двигателя, обо­роты и мощность, развиваемая двигателем на гребном валу. Когда двигатель построен, эффективная мощность, а следова­тельно, и среднее эффективное давление определяются испы­танием мотора или его двигателя на тормозном станке, где обычно замеряется развиваемый двигателем крутящий мо­мент, а по крутящему моменту определяют уже эффектив­ную мощность по формуле где Мк выражен в кгм, а эффективное давление уже по­лучается из ранее приведенных формул мощности в кило­граммах на квадратный сантиметр. Среднее эффективное давление является важной величиной, им часто пользуются при сравнении различных двигателей между собой. Для двухтактных двигателей подвесных моторов обычно­го типа величина среднего эффективного давления при мак­симальной мощности колеблется в пределах от 4 до 6 кг/см² и для спортивных и гоночных—от 7 до 12 кг/см². С увеличением числа оборотов механические потери силь­но возрастают, требуя затраты полезной энергии, а заряд ци­линдра уменьшается. Потери возрастают не прямо пропор­ционально числу оборотов двигателя, а с некоторым превы­шением и, наконец, достигают величины прироста мощности; это соответствует максимальной мощности, после чего с дальнейшим ростом числа оборотов мощность двигателя на­чинает убывать.

Рис. 18. Типовой график внешней характеристики двигателя:
Ni и Nе — мощность; Мк — крутящий момент; Се — удельный расход топлива на 1 л. с. ч.; ηm — механический КПД двигателя

Диаграммы, показывающие изменение эффективной мощ­ности, в зависимости от числа оборотов при полном откры­тии дросселя получили название характеристик дви­гателей. Часто на этом же графике изображают кривые расхода топлива, изменения pt от числа оборотов, измене­ния крутящего момента Mk , механический КПД ηm , удель­ный расход топлива Се и другие данные, характеризующие двигатель. Такая диаграмма изображена на рис. 18. Если эффективную мощность двигателя разделить на пол­ный рабочий объем двигателя, выраженный в литрах, то мы получим так называемую литровую мощность, т. е. мощность, отнесенную к одному литру рабочего объема, двигателя. Литровая мощность характеризует полноту использования объема всех цилиндров двигателя. Для гоночных моторов в настоящее время, литровая мощ­ность достигает величины 60—70 л. с, а в отдельных случа­ях бывает и значительно больше. Двухтактные двигатели, уступая в экономичности четы­рехтактным двигателям, обладают, в свою очередь, такими преимуществами, как отсутствием клапанов и распределитель­ного механизма, повышенной литровой мощности, простотой конструкции и ухода за ним, меньшим удельным весом и де­шевизной двигателя в изготовлении. Чем проще двигатель, тем меньше причин для его неисправности, тем он надежнее. Здесь необходимо отметить и еще одно важное преимущест­во двухтактных двигателей: большую равномерность крутя­щего момента, так как в четырехтактных двигателях за счет инерции маховика осуществляются три такта, а в двухтакт­ном всего один. Поэтому для установления равномерности крутящего момента требуются маховики значительно мень­шего веса, что дополнительно снижает общий вес двухтакт­ного двигателя примерно на 10—20% и даже больше.

(1) Нормальными атмосферными условиями называется атмосферное давление 1 кг/см² и температура +15°.

(2) О детонации см. главу 6.

Вперед

Оглавление
Назад

Источник: https://flot.com/publications/books/shelf/agatov/4.htm

Кпд двигателя: бензиновый, дизельный

Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества.

К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%.

Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

  1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
  2. 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.

Кпд дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии.

Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы.

Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

  • Вид топлива.
  • Способ образования топливно-воздушной смеси.
  • Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива.

Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания.

При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию.

Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

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:

  1. 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%.
  2. 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%.
  3. 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%.

Источник: https://rulikoleso.ru/interesnoe-na-jrepair-ru/agregats/kpd-dvigatelya-benzinovyj-dizelnyj

Матчасть 13. КПД и топливная эффективность — DRIVE2

Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

Доброе утро, мы продолжаем изучать матчасть, и просвещать наши темные головы.

вот уже третий день я «курю» статью оч умного человека, вот на этом сайте

к сожалению информация подана достаточно сухо, грубо, но очень точно.

Она защищена от тупого копипаста. по этому я решил ее частями перенести сюда, разбив на несколько частей, несколько дней я уже занимаюсь приведением статьи в человеческий вид, к сожалению это не так просто как может показаться, по этому перед вами часть один, сжатая, что бы оценить, стоит ли ее сюда дальше выкладывать или нет.

Как всегда важнорекомендую обратить внимание

Поехали

КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.

КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?

Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности.

Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом.

Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е.

огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч.

ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя

Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет.

Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.

В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.

Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД

Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство.

Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.

Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность».

То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания.

Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает.

А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко.

Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.

Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:— топливная эффективность;— термический КПД;

— механический КПД;

КПД роторного ДВС

Топливная эффективностьпоказывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД– показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;Рассмотрим, кратко все эти позиции:

Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось.

Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПДв среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.
Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.

В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.

В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе.

Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.

https://www.youtube.com/watch?v=AMwvcPELG2o

Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е.

из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?

Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы.

Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы.

Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа.

Поэтому чисто по правилам формальной логики КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…

А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности.

Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива.

А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…

РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВСПостараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.

КПД роторного двигателя


Первый уровень потерь
неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами.

Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгоревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах.

Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.

Задача– получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.

Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью.

Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?

Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения.

Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.

Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек.
Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух.
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса. Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).

Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.

В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра.

В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.

расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения.

Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.

Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема.

Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие».

Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм.

Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил.

Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода.

Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка.

Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты.

Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат.

Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.

Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно.

Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД.

Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать.

Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп.

И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.

На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ».

Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».

Путь избавления от этого недостатка:

Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е.

горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно.

Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co.

KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.

Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс».

В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения.

Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.

Спасибо за прочтение, надеюсь вам интересно, и стоит продолжать.

Отдельное спасибо пользователю xvolroi, который дал ссылку на эту великолепную статью

Список Матчастей с сылками на них

моя страничка, добавляйтесь в друзья)

инстаграм Storogilov

Какие темы еще вас интересуют?

Если вы прочитали, прокомментируйте, интересно ваше мнение все таки

Источник: https://www.drive2.ru/b/607971/

Кпд двигателя внутреннего сгорания. сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Найти кпд карбюраторного двигателя внутреннего сгорания

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат.

Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса.

Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с.

Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

КПД двигателя внутреннего сгорания – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую.

Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов.

Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Подробнее о потерях

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность. Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потери. Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери. НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала.  Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

У какого двигателя самый большой КПД?

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа.

Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора.

Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал —  все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

О топливной эффективности дизеля

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров.

У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее.

Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(34 , 4,21 из 5)

Источник: http://avto-blogger.ru/texchast/kpd-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya.html

Biz-books
Добавить комментарий