Как повысить кпд теплового двигателя
Исследование факторов, влияющих на экономичность двигателя внутреннего сгорания (Способы повышения КПД)
Исследование факторов, влияющих на экономичность двигателя внутреннего сгорания (Способы повышения КПД).
ГБПОУ Колледж градостроительства, транспорта и технологий № 41,
ГБПОУ Колледж градостроительства, транспорта и технологий № 41,
ГБПОУ Колледж градостроительства, транспорта и технологий № 41,
A study of factors affecting the efficiency of the internal combustion engine (Ways to improve efficiency).
Polehov Sergey, a student at Moscow
College of urban development, Transport and Technology № 41,
Managed by: Laskina Mariya, a teacher
College of urban development, Transport and Technology № 41,
Managed by: Shchipkov Oleg, a teacher
College of urban development, Transport and Technology № 41
Аннотация: В данной статье представлены результаты исследования как повысить эффективность автомобильного двигателя, хотя бы за счет частичного использования тепловых потерь и способах повышения КПД двигателя внутреннего сгорания.
Ключевые слова: автомобиль, коэффициент полезного действия, мощность, энергия, теплота.
Abstract: This article presents the results of the research how to improve the efficiency of an automobile engine, at least partially due to the use of heat loss and ways to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Key words: automobile, efficiency, power, energy, heat.
Первый автомобиль был сконструирован и изготовлен на исходе XIX века. В начале прошлого столетия он уже приобрел все основные черты современной машины. Первые автомобильные двигатели, получившие широкое распространение, были четырехтактными бензиновыми с искровым зажиганием от магнето. Мощность двигателей внутреннего сгорания тогда не превышала 35 л. с, а степень сжатия была в редких случаях более 3. Дальнейшее развитие автомобилестроения характеризовалось повышением степени сжатия до 8-10, введением турбонадува и расширением сферы применения дизелей, значительно более экономичных, чем бензиновые моторы с искровым зажиганием.
Как бы мы ни совершенствовали процесс сгорания топлива в двигателе, основная масса выделившегося при этом тепла все равно будет теряться с охлаждающей водой, маслом и выхлопными газами. Причем больше всего тепловых потерь идет через систему охлаждения: до 40%- И это пока неизбежно, так как без охлаждения металлические детали двигателя не выдержат тепловых нагрузок, возникающих при его работе. Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли повысить эффективность автомобильного двигателя, хотя бы за счет частичного использования тепловых потерь?
Изучая в физике «Законы термодинамики», мы задались вопросом: каким образом можно повысить КПД теплового двигателя?
Французский инженер Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя.
В своей книге Карно не сумел еще развить достаточно полную теорию превращения теплоты в работу, так как придерживался теории теплорода.[3,c.53] Правда, из опубликованных после его смерти документов видно, что он впоследствии отказался от этой теория и пришел к заключению, что теплота есть движение. Он установил, что непрерывный процесс превращения теплоты в работу будет происходить при наличии двух тел: нагревателя при более высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т2. [3, c.52]
Карно и последующие ученые показали, что эта машина должна быть такой, чтобы все изменения в ней происходили обратимым путем, т. е. чтобы все процессы в ней были обратимыми.
Как показал Сади Карно, КПД предложенного им цикла может быть выражен через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2. Он оказывается равным : з= ( Т2-Т1) / Т1 или з= 1-(Т2/Т1) [1, с.263]
Исходя из этих формул, КПД будет выше, если разница между температурами нагревателя и холодильника станет максимальна. Источник тепла (в автомобильном двигателе источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,—атмосфера; она играет роль холодильника.
Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать заклиниванию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации.
Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.
Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300—2500 °С. При сгорании в цилиндре, интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.[2,c.73]
Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.
При постоянной температуре системы охлаждения (холодильника), с ростом температуры нагревателя КПД увеличивается.
Во время такта «Рабочий ход» происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Откуда и берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.
Если мы хотим повысить КПД как можно выше, нужно увеличивать температуру нагревателя. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Значит не все материалы, возможно, использовать для изготовления двигателя и его деталей.
Рассмотрим температуры плавления различных веществ:
По этим данным видно, что лучше всего бы для изготовления деталей двигателя подошел вольфрам, но для серийного производства этот материал не подходит. Или титан, но это было бы очень дорогое производство.
Итак, с одной стороны, для повышения экономичности двигателя желательно иметь более высокую температуру деталей, образующих камеру сгорания; с другой стороны, для повышения надежности работы деталей их температура должна быть как можно ниже. Несоблюдение второго условия может привести к перегреву деталей, разрушению масляной пленки и возникновению режима сухого трения. Устранить это можно лишь более интенсивным охлаждением деталей цилиндра, что опять-таки увеличит потери тепла в систему охлаждения.
Создание более высокой температуры цикла и устранение потерь тепла, связанных с охлаждением деталей, позволит поднять кпд двигателя и значительно снизить расход топлива. Весьма существенно, что повышение температуры деталей камеры сгорания двигателя (до 1200°С) делает керамический двигатель многотопливным. Это значит, что могут использоваться бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, синтетические топлива из угля и горючих сланцев и при необходимости даже некоторые сорта мазута. Кроме того, благодаря более высокой температуре в камере сгорания значительно возрастет топливная экономичность двигателя при частичных нагрузках, что очень важно для транспорта, движущегося в условиях города.
Для деталей двигателя, работающих при высоких температурах (250-450° С) и подверженных большому износу, наиболее подходящими керамическими материалами следует считать карбиды и нитриды кремния. Сырьем для их получения служат широко распространенные в природе вещества: кварцевый песок, полевой шпат и каолин.
Следовательно, при отработанной технологии изготовления деталей поршневого двигателя из керамики замена дорогостоящих легированных и жаростойких сталей положительно скажется на его стоимости.
Но, для организации серийного выпуска таких двигателей требуется серьезная перестройка производства, а, следовательно, и значительное время.
Но несмотря на всё вышесказанное о керамическом двигателе, говорить о его серьезной конкуренции традиционным двигателям внутреннего сгорания еще рано. В современных двигателях применяются материалы, технология обработки которых доведена до совершенства, и благодаря массовому их выпуску себестоимость двигателя незначительная. Ресурс же деталей двигателя из керамических материалов мал, да и технология получения этих материалов и их обработки оставляет пока желать лучшего. Эти два обстоятельства, несмотря на заложенные в керамическом двигателе значительные преимущества, и служат пока серьезными препятствиями на пути его широкого распространения.
Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя
Одним из наиболее значимых параметров, которые определяют эффективность различных механизмов машины, является КПД двигателя внутреннего сгорания. Что собой представляет данное понятие, от чего зависит коэффициент полезного действия в случае с автомобильным двигателем? Какой двигатель эффективнее: дизельный или бензиновый? Можно ли увеличить КПД двигателя?
Вопрос о том, насколько мощность соответствует КПД двигателя внутреннего сгорания, интересует практически каждого автолюбителя. В идеале чем выше КПД, тем эффективнее должна быть силовая система. Если же переходить от теории к практике, КПД в районе 95 % наблюдается только у электрических двигателей. Если рассматривать двигатели внутреннего сгорания вне зависимости от типа используемого топлива, то об идеальных цифрах можно только рассуждать.
Разумеется, эффективность современных двигателей существенно повысилась, если сравнивать с моделями, которые были выпущены всего 10 лет назад. Выпускаемые в начале 2000 годов 1,5-литровые моторы были рассчитаны на 70 лошадиных сил, к данному параметру претензий не было. Сегодня же при аналогичном объёме речь идет о 150 лошадиных силах и более.
Производители теряют много времени, сил и ресурсов, чтобы медленно, но уверенно продвигаться в сторону увеличения КПД.
Понятие «КПД двигателя»
Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.
В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.
Вариант определения
В технической документации можно найти информацию о мощности двигателя внутреннего сгорания. После заливки в него топлива и работы на максимальных оборотах в течение нескольких минут остатки топлива сливают. Вычтя из начального объема конечный результат, вооружившись плотностью, можно посчитать массу топливной смеси.
В настоящее время максимальной эффективностью обладает электрический силовой агрегат. Его КПД может достигать 95%, что является превосходным результатом. Если первые моторы при объеме двигателя 1,6 литра развивали не больше 70 лошадиных сил, то в наши дни этот показатель доходит до 150 лошадиных сил.
КПД – величина отношения мощности, подаваемой на коленчатый вал двигателя, к величине, получаемой от сгорания газовой смеси поршнем. В зависимости от того, какое топливо используется для работы автомобильного двигателя, КПД может варьироваться в диапазоне от 20 до 85 процентов. Безусловно, производители топливных систем ищут способы их улучшения, позволяющие существенно увеличить итоговую величину двигателя внутреннего сгорания.
Для снижения механических потерь от нагрузки генератора, трения в настоящее время в промышленности используют смазки. Но, несмотря на подобные достижения, полностью справиться с силой трения пока еще не удалось никому.
Даже после усовершенствований бензинового двигателя удалось добиться изменения у него коэффициента полезного действия до 20 процентов, только в некоторых случаях удается повышать КПД до 25 %.
Более высокий показатель коэффициента полезного действия свидетельствует о топливной эффективности. К примеру, при объеме дизельного двигателя 1,6 литра в городском цикле расход топлива составляет не более 5 литров. У бензинового аналога эта величина достигает 12 л. Сам дизельный агрегат гораздо легче и компактнее, к тому же считается более экологичным вариантом, чем бензиновый двигатель.
Эти положительные технические характеристики гарантируют дизелям более продолжительный эксплуатационный срок службы.
Смотреть галерею
От чего зависит КПД?
Ошибочно полагать, что КПД дизельного или бензинового двигателя может хоть как-то приблизиться к 100 %. На самом деле итоговый параметр во многом зависит от потерь:
Это интересно: Топливный фильтр Ford Focus 2
Страшно представить, что у нас остаётся, поскольку в случае с бензиновыми агрегатами это в среднем 20 %, в иных не более 5 — 7 % дополнительно. Следовательно, заливая 10 литров топлива, которые уходят за 100 км пробега, всего 2,5 литра уходит на полезную работу, тогда как остальные 7 — 8 литров считаются пустыми потерями.
Коэффициент полезного действия: дизель или бензин?
Сравнивая коэффициент полезного действия бензинового и дизельного силового агрегата, о низкой эффективности первого стоит сказать сразу. КПД бензинового мотора составляет всего 25 — 30 %. Если речь идет о дизельном аналоге, показатель в данном случае составляет 40 %. О 50 % может идти речь при установленном турбокомпрессоре. КПД на уровне 55 % допустим при условии использования на дизельном ДВС современной системы топливного впрыска в сочетании с турбиной.
Несмотря на то, что силовые установки конструктивно похожи, разница в производительности существенная, на что влияет принцип образования рабочей топливно-воздушной смеси и дальнейшая реализация воспламенения заряда. Также существенным фактором является вид используемого топлива. Оборотистость бензиновых силовых агрегатов более высока, если сравнивать с дизельными вариантами, но потери намного больше, поскольку полезная энергия расходуется на тепло. Как итог, эффективность преобразования энергии бензина в механическую работу намного ниже, а большая её часть просто рассеивается в атмосфере.
Крутящий момент и мощность
Если взять как основу одинаковый показатель рабочего объёма, мощность бензинового двигателя превосходит дизельный, но для её достижения обороты должны быть более высокими. Вместе с увеличением оборотов возрастают и потери, расход топлива повышается. Сам крутящий момент также не стоит упускать из виду, поскольку это сила, передающаяся на колёса от мотора, именно она и заставляет автомобиль двигаться. Таким образом, максимальный показатель крутящего момента бензиновыми двигателями достигается на более высоких оборотах.
Дизельный двигатель с аналогичными показателями способен на низких оборотах достичь максимума крутящего момента, а для реализации полезной работы расходуется меньше солярки. Следовательно, КПД дизельного двигателя выше, а топливо расходуется более экономно.
Если сравнивать с бензином, то солярка образует тепло в большей степени при более высокой температуре сгорания топлива. Также наблюдается более высокий параметр детонационной стойкости.
Это интересно: 5 возможных причин, почему не крутит стартер и не заводится машина
Эффективность бензина и солярки
Находящиеся в составе дизельного топлива углеводороды более тяжёлые, чем бензиновые. Во многом меньший коэффициент полезного действия бензинового мотора обусловлен особенностями сгорания бензинового топлива и его энергетической составляющей. Преобразование тепла в полезную механическую энергию в дизельном двигателе происходит более полноценно, следовательно, сжигание одинакового количества топлива за единицу времени позволяет дизелю выполнить больше работы.
Не стоит также упускать из виду создание необходимых для полного сгорания смеси условий и особенности впрыска. Подача топлива в дизельных моторах происходит отдельно от воздуха, поскольку впрыскивание осуществляется непосредственно в цилиндр на завершающем этапе такта сжатия, а не во впускной коллектор. Как итог, удаётся достичь более высокой температуры, а сгорание каждой порции топлива происходит максимально полноценно.
Потребность в экономии затрат
«У газовых двигателей высокое давление в цилиндре и большая удельная мощность.В этой связи для того, чтобы избежать изнашивания в результате полужидкостного трения, смазочный зазор должен быть минимален. Даже при очевидной кратковременной выгоде от экономии топлива применение масел класса SAE 30 или же SAE 20 может негативно повлиять на ресурс узлов двигателя. Так как мы не смогли продемонстрировать существенное снижение расхода топлива при использовании маловязких масел, то в нашей текущей научно-исследовательской деятельности не уделяется значительного внимания таким маслам. По моему мнению, намного интереснее разработка новых модификаторов трения».
В данном случае технологи компании Texaco полностью разделяют мнение Феликса Кайфера (технический специалист по маслам и технологическим жидкостям компании Caterpillar Energy Solutions GmbH) насчет необходимости работы над формулировкой масел, а не повторения стандартных формулировок, которыми заполнен рынок. Новая линейка масел для стационарных газовых двигателей HDAX имеет ряд отличительных особенностей, в частности модификатор трения, о котором упоминает Феликс Кайфер.
Пакет присадок собственной разработки в сочетании с кристально-чистыми базовыми маслами II группы, также собственного производства, обеспечивает полную совместимость компонентов масла и содержит ряд элементов (в т.ч. молибден на уровне 300 мг/кг), необходимых для решения проблем прогара и полного закрытия клапанов в газовых двигателях. В двигателях, работающих на газе, топливо подается в камеру сгорания в газообразном состоянии, что отражается на состоянии впускных (прежде всего) и выпускных клапанов, так как газ не может обеспечить смазку пары клапан/седло, как это делает жидкое топливо. При этом смазкой между тарелкой клапана и седлом служит только зола, образуемая маслом, ввиду естественного расхода масла на угар. Слишком малое количество золы или не тот тип золымогут усилить износ клапана и седла. В то же время, слишком большое количество золы приводит к ее накоплению на поверхности клапанов и поршней, что может вызвать перегрев последних и их разрушение ввиду нарушения теплоотдачи.
Стандартный диалкилдитиофосфат цинка, который используется во многих продуктах представленных сейчас на рынке, в ходе полевых испытаний оказался гораздо менее эффективен для защиты клапанов.
Желание сократить эксплуатационные расходы – еще один серьезный стимул для внедрения новых высокоэкономичных двигателей. Однако у таких двигателей высокий КПД, что существенно усложняет их конструкцию и повышает затраты на их установку. Как поясняет Феликс Кайфер, важно предоставить для каждого рынка правильный двигатель. «Для того чтобы выполнить требования каждого из наших целевых рынков, мы должны найти оптимальное соотношение между эксплуатационными характеристиками, затратами на установку, эксплуатационной пригодностью и надёжностью».
Повышение КПД двигателя
Топливная эффективность и КПД современных двигателей находятся на своём максимальном уровне, поскольку все усовершенствования, которые только могли иметь место в автомобильной инженерии, уже произошли. Тем не менее, производители стремятся повышать коэффициент полезного действия, но результат, который они получают, никак не сопоставим с огромными ресурсами, усилиями и временем, которое тратят для достижения цели. Итогом является увеличение КПД лишь на 2 — 3 %.
Частично именно эта ситуация стала причиной появления полноценной индустрии так называемого тюнинга двигателя в любой крупной стране. Речь идёт о многочисленных полукустарных мастерских, мелких фирмах и отдельных мастерах, которые доводят традиционные моторы массовых брендов для более высоких показателей, как в плане тяги, так и мощности или КПД. Это может быть форсирование, доработка, доводка и другие ухищрения, определяемые, как тюнинг.
Например, используемый впервые в 20-х годах турбонаддув воздуха, который поступает в двигатель, применяется и сейчас. Такое устройство было запатентовано ещё в 1905 году швейцарским инженером Альфредом Бюхи. В начале Второй мировой войны наблюдалось массовое внедрение систем прямого впрыска топлива в цилиндры поршневых моторов военной авиации. Следовательно, те передовые технические ухищрения, которые мы считаем современными, известны уже более 100 лет.
Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин
Разделы: Физика
Цели урока:
Оборудование к уроку: LCD проектор, компьютер, таблица с циклом Карно.
Учащиеся заранее получают задания по подготовке электронных презентаций о С. Карно и по разным видам тепловых двигателей: внутреннего сгорания, дизельного, паровой турбины, турбореактивного двигателя и т.д.
Ход урока
Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.
В чем состоит 1 закон термодинамики?
В чем смысл 2 закона термодинамики?
Из каких основных частей состоит любая тепловая машина? Охарактеризуйте роль каждой из этих частей?
Какие виды тепловых машин вы знаете?
Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?
Объяснение нового материала:
Любая машина, устройство можно характеризовать такой величиной как коэффициент полезного действия. Как можно определить эту величину для тепловой машины? Какова полезная работа в тепловой машине? Для этого можно вспомнить геометрический смысл работы.
Это площадь фигуры под графиком в системе координат (р,V). За один замкнутый цикл полезная работа будет численно равна площади фигуры, ограничивающей заданный цикл. Чем больше будет площадь этой фигуры, тем больше будет полезная работа. Что же затрачивается в этом случае? Это количество теплоты, полученное газом от нагревателя Qн. Тогда коэффициент полезного действия будет равен:
; 
.
Эта формула дает теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1.
Температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышение температуры нагревателя ограничивается теплостойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливают цилиндры и поршни двигателей. Пути повышения КПД инженеры видят в уменьшении трения в частях двигателей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Основные проблемы, связанные с использованием тепловых машин:
Проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей, являются глобальными для всей планеты. Для их решения необходимо проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобилей на сжиженный газ в качестве топлива, а для бензиновых двигателей разрабатывается переход на топливо стандарта «Евро 4» и «Евро 5». Обсуждается возможность использования в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода. В настоящее время практически все мировые автопроизводители разработали машины с электрическими двигателями, которые возможно в будущем заменят тепловые двигатели.
Домашнее задание: п. 84, упр.15(15,16)