Что такое кпд двигателя: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Определение КПД электродвигателя и его мощности

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель.
Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры.
Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1
где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95.
Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами.
Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который  показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При  уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

 Электродвигатель АИР характеристики

Тип двигателя	Р, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	кпд,*	COS ф	1п/1н	Мп/Мн	Мmах/Мн	1н, А	Масса, кг
Купить АИР56А2	0,18	2840	68,0	0,78	5,0	2,2	2,2	0,52	3,4
Купить АИР56В2	0,25	2840	68,0	0,698	5,0	2,2	2,2	0,52	3,9
Купить АИР56А4	0,12	1390	63,0	0,66	5,0	2,1	2,2	0,44	3,4
Купить АИР56В4	0,18	1390	64,0	0,68	5,0	2,1	2,2	0,65	3,9
Купить АИР63А2	0,37	2840	72,0	0,86	5,0	2,2	2,2	0,91	4,7
Купить АИР63В2	0,55	2840	75,0	0,85	5,0	2,2	2,3	1,31	5,5
Купить АИР63А4	0,25	1390	68,0	0,67	5,0	2,1	2,2	0,83	4,7
Купить АИР63В4	0,37	1390	68,0	0,7	5,0	2,1	2,2	1,18	5,6
Купить АИР63А6	0,18	880	56,0	0,62	4,0	1,9	2	0,79	4,6
Купить АИР63В6	0,25	880	59,0	0,62	4,0	1,9	2	1,04	5,4
Купить АИР71А2	0,75	2840	75,0	0,83	6,1	2,2	2,3	1,77	8,7
Купить АИР71В2	1,1	2840	76,2	0,84	6,9	2,2	2,3	2,6	10,5
Купить АИР71А4	0,55	1390	71,0	0,75	5,2	2,4	2,3	1,57	8,4
Купить АИР71В4	0,75	1390	73,0	0,76	6,0	2,3	2,3	2,05	10
Купить АИР71А6	0,37	880	62,0	0,70	4,7	1,9	2,0	1,3	8,4
Купить АИР71В6	0,55	880	65,0	0,72	4,7	1,9	2,1	1,8	10
Купить АИР71А8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР71В8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР80А2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80А2ЖУ2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80В2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80В2ЖУ2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80А4	1,1	1390	76,2	0,77	6,0	2,3	2,3	2,85	14
Купить АИР80В4	1,5	1400	78,5	0,78	6,0	2,3	2,3	3,72	16
Купить АИР80А6	0,75	905	69,0	0,72	5,3	2,0	2,1	2,3	14
Купить АИР80В6	1,1	905	72,0	0,73	5,5	2,0	2,1	3,2	16
Купить АИР80А8	0,37	675	62,0	0,61	4,0	1,8	1,9	1,49	15
Купить АИР80В8	0,55	680	63,0	0,61	4,0	1,8	2,0	2,17	18
Купить АИР90L2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L2ЖУ2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L4	2,2	1410	80,0	0,81	7,0	2,3	2,3	5,1	17
Купить АИР90L6	1,5	920	76,0	0,75	5,5	2,0	2,1	4,0	18
Купить АИР90LA8	0,75	680	70,0	0,67	4,0	1,8	2,0	2,43	23
Купить АИР90LB8	1,1	680	72,0	0,69	5,0	1,8	2,0	3,36	28
Купить АИР100S2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100S2ЖУ2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100L2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100L2ЖУ2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100S4	3,0	1410	82,6	0,82	7,0	2,3	2,3	6,8	21
Купить АИР100L4	4,0	1435	84,2	0,82	7,0	2,3	2,3	8,8	37
Купить АИР100L6	2,2	935	79,0	0,76	6,5	2,0	2,1	5,6	33,5
Купить АИР100L8	1,5	690	74,0	0,70	5,0	1,8	2,0	4,4	33,5
Купить АИР112M2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М2ЖУ2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М4	5,5	1440	85,7	0,83	7,0	2,3	2,3	11,7	45
Купить АИР112MA6	3,0	960	81,0	0,73	6,5	2,1	2,1	7,4	41
Купить АИР112MB6	4,0	860	82,0	0,76	6,5	2,1	2,1	9,75	50
Купить АИР112MA8	2,2	710	79,0	0,71	6,0	1,8	2,0	6,0	46
Купить АИР112MB8	3,0	710	80,0	0,73	6,0	1,8	2,0	7,8	53
Купить АИР132M2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132М2ЖУ2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132S4	7,5	1460	87,0	0,84	7,0	2,3	2,3	15,6	52
Купить АИР132M4	11	1450	88,4	0,84	7,0	2,2	2,3	22,5	60
Купить АИР132S6	5,5	960	84,0	0,77	6,5	2,1	2,1	12,9	56
Купить АИР132M6	7,5	970	86,0	0,77	6,5	2,0	2,1	17,2	61
Купить АИР132S8	4,0	720	81,0	0,73	6,0	1,9	2,0	10,3	70
Купить АИР132M8	5,5	720	83,0	0,74	6,0	1,9	2,0	13,6	86
Купить АИР160S2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160S2ЖУ2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160M2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160М2ЖУ2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160S4	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160S4ЖУ2	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160M4	18,5	1470	90,0	0,86	7,5	2,2	2,3	36,3	142
Купить АИР160S6	11	970	87,5	0,78	6,5	2,0	2,1	24,5	125
Купить АИР160M6	15	970	89,0	0,81	7,0	2,0	2,1	31,6	155
Купить АИР160S8	7,5	720	85,5	0,75	6,0	1,9	2,0	17,8	125
Купить АИР160M8	11	730	87,5	0,75	6,5	2,0	2,0	25,5	150
Купить АИР180S2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180S2ЖУ2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180M2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180М2ЖУ2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180S4	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180S4ЖУ2	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180M4	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180М4ЖУ2	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180M6	18,5	980	90,0	0,81	7,0	2,1	2,1	38,6	160
Купить АИР180M8	15	730	88,0	0,76	6,6	2,0	2,0	34,1	172
Купить АИР200M2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200М2ЖУ2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200L2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200L2ЖУ2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200M4	37	1475	92,0	0,87	7,2	2,2	2,3	70,2	230
Купить АИР200L4	45	1475	92,5	0,87	7,2	2,2	2,3	84,9	260
Купить АИР200M6	22	980	90,0	0,83	7,0	2,0	2,1	44,7	195
Купить АИР200L6	30	980	91,5	0,84	7,0	2,0	2,1	59,3	225
Купить АИР200M8	18,5	730	90,0	0,76	6,6	1,9	2,0	41,1	210
Купить АИР200L8	22	730	90,5	0,78	6,6	1,9	2,0	48,9	225
Купить АИР225M2	55	2970	93,0	0,90	7,5	2,0	2,3	100	320
Купить АИР225M4	55	1480	93,0	0,87	7,2	2,2	2,3	103	325
Купить АИР225M6	37	980	92,0	0,86	7,0	2,1	2,1	71,0	360
Купить АИР225M8	30	735	91,0	0,79	6,5	1,9	2,0	63	360
Купить АИР250S2	75	2975	93,6	0,90	7,0	2,0	2,3	135	450
Купить АИР250M2	90	2975	93,9	0,91	7,1	2,0	2,3	160	530
Купить АИР250S4	75	1480	93,6	0,88	6,8	2,2	2,3	138,3	450
Купить АИР250M4	90	1480	93,9	0,88	6,8	2,2	2,3	165,5	495
Купить АИР250S6	45	980	92,5	0,86	7,0	2,1	2,0	86,0	465
Купить АИР250M6	55	980	92,8	0,86	7,0	2,1	2,0	104	520
Купить АИР250S8	37	740	91,5	0,79	6,6	1,9	2,0	78	465
Купить АИР250M8	45	740	92,0	0,79	6,6	1,9	2,0	94	520
Купить АИР280S2	110	2975	94,0	0,91	7,1	1,8	2,2	195	650
Купить АИР280M2	132	2975	94,5	0,91	7,1	1,8	2,2	233	700
Купить АИР280S4	110	1480	94,5	0,88	6,9	2,1	2,2	201	650
Купить АИР280M4	132	1480	94,8	0,88	6,9	2,1	2,2	240	700
Купить АИР280S6	75	985	93,5	0,86	6,7	2,0	2,0	142	690
Купить АИР280M6	90	985	93,8	0,86	6,7	2,0	2,0	169	800
Купить АИР280S8	55	740	92,8	0,81	6,6	1,8	2,0	111	690
Купить АИР280M8	75	740	93,5	0,81	6,2	1,8	2,0	150	800
Купить АИР315S2	160	2975	94,6	0,92	7,1	1,8	2,2	279	1170
Купить АИР315M2	200	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315МВ2	250	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315S4	160	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	288	1000
Купить АИР315M4	200	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	360	1200
Купить АИР315S6	110	985	94,0	0,86	6,7	2,0	2,0	207	880
Купить АИР315М(А)6	132	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	245	1050
Купить АИР315MВ6	160	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	300	1200
Купить АИР315S8	90	740	93,8	0,82	6,4	1,8	2,0	178	880
Купить АИР315М(А)8	110	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	217	1050
Купить АИР315MВ8	132	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	260	1200
Купить АИР355S2	250	2980	95,5	0,92	6,5	1.6	2,3	432,3	1700
Купить АИР355M2	315	2980	95,6	0,92	7,1	1,6	2,2	544	1790
Купить АИР355S4	250	1490	95,6	0,90	6,2	1,9	2,9	441	1700
Купить АИР355M4	315	1480	95,6	0,90	6,9	2,1	2,2	556	1860
Купить АИР355MА6	200	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	292	1550
Купить АИР355S6	160	990	95,1	0,88	6,3	1,6	2,8	291	1550
Купить АИР355МВ6	250	990	94,9	0,88	6,7	1,9	2,0	454,8	1934
Купить АИР355L6	315	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	457	1700
Купить АИР355S8	132	740	94,3	0,82	6,4	1,9	2,7	259,4	1800
Купить АИР355MА8	160	740	93,7	0,82	6,4	1,8	2,0	261	2000
Купить АИР355MВ8	200	740	94,2	0,82	6,4	1,8	2,0	315	2150
Купить АИР355L8	132	740	94,5	0,82	6,4	1,8	2,0	387	2250

КПД электродвигателей | Полезные статьи

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

η=p2/p1*100%

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

• электрические;
• магнитные;
• механические.

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ^® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту [email protected] с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.  

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника, значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.

Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Схема квантового теплового двигателя, основанного не NV-центре во внешнем магнитном поле

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

В этой схеме ученые реализовали три типа квантовых тепловых двигателей: непрерывный, двухфазный и четырехфазный. В двигателе первого типа передача тепла и связь с тепловыми резервуарами происходит одновременно и непрерывно; этот режим больше всего напоминает квантовый двигатель Сковила-Шульца. В двигателе второго типа извлечение работы отделено от передачи тепла, однако связь с холодным и горячим резервуарами происходит в одно и то же время. Наконец, в двигателе третьего типа все операции производятся последовательно (как в двигателе Карно). В классическом пределе это устройство переходит в двигатель Отто. Все три двигателя работали в режиме малого действия, то есть произведение продолжительности цикла и средней работы, которая в течение него производилась, было много меньше постоянной Планка.

Схема непрерывного, двухфазного и четырехфазного двигателей. Красные и синие стрелки обозначают связь с «горячим» и «холодным» тепловым резервуаром, оператор U — извлечению работы

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, физики измерили мощность квантовых двигателей и среднее количество работы, которое они совершали за один цикл. Оказалось, что в режиме малого действия и когерентных энергетических уровней рабочего тела все три двигателя были термодинамически эквивалентны, то есть совершали одинаковое количество работы. Более того, их эффективность превышала предельную эффективность классического теплового двигателя, который работал в тех же условиях. По оценкам ученых, расхождение между КПД, измеренном в этом режиме, и «максимальным» КПД составляло 2,4 сигма (p-value

Мощность когерентного двухфазного двигателя (a) и средняя работа, совершаемая за цикл (b), в зависимости от длины «тепловой» фазы, разрушающей когерентное состояние. Красными точками отмечены данные эксперимента, красной линией — теоретическая зависимость. Для сравнения приведены теоретические ограничения на аналогичные параметры классического теплового двигателя (синяя линия)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Авторы статьи замечают, что построенный ими квантовый тепловой двигатель пока еще очень сложно применять на практике. В частности, потому, что совершаемая им работа «пропадает впустую» и измеряется только косвенно. Тем не менее, физики надеются, что их работа заинтересует других исследователей, которые построят более совершенные квантовые тепловые двигатели. Кроме того, ученые надеются, что их статья поможет разобраться, как работают природные микроскопические тепловые двигатели, например фотосинтетический аппарат.

Стоит отметить, что на архив электронных препринтов физики выложили работу еще в октябре 2017 года. Поэтому, несмотря на то, что до рецензируемого журнала она добралась только на этой неделе, ее уже успели процитировать в 13 новых статьях.

В ноябре 2017 года физики из Бразилии и Германии обнаружили, что корреляции между квантовыми состояниями могут «нарушить» второй закон термодинамики. Для этого ученые скоррелировали спины двух атомов, находящихся в тепловых состояниях с разными температурами, и показали, что в такой системе тепло течет от «холодного» атома к «горячему», а энтропия системы уменьшается. Впрочем, второй закон термодинамики это не нарушает, поскольку взаимная информация атомов в ходе процесса уменьшается, а «суммарная разупорядоченность» в целом растет.

Дмитрий Трунин

КПД электродвигателя

В электродвигателе при преобразовании электрической энергии в механическую часть энергии теряется в виде тепла, которое сразу рассеивается в различных частях электродвигателя и частично – в окружающей среде. Все потери делятся на три вида: механические, обмоточные и потери в стали. Существуют еще и добавочные потери.

Расчет потерь в электродвигателе

• Для расчета потерь в электродвигателе используют специальные формулы. Часть мощности, которая подается к статору из электросети, передается на ротор через зазор. Рэм – это электромагнитная мощность.

• Потери мощности непосредственно в статоре – это слагаемое потерь на вихревые токи и на частичное перемагничивание сердечника самого статора. Если рассматривать потери в стали, они настолько незначительные, что редко принимаются во внимание. Объяснить такое можно достаточно просто. Скорость вращения самого статора электродвигателя значительно выше скорости, создаваемой магнитным потоком. Так происходит только в том случае, если скорость вращения ротора полностью соответствует техническим характеристикам электромотора, заявленным производителем.

• Механическая мощность на валу ротора, как правило, меньше мощности Рэм ровно на количество потерь в обмотке. Механические потери в основном приходятся на определенное трение в подшипниках, а также на трение щеток, что характерно для электродвигателей с фазными роторами и на трение вращающихся частей, встречающих воздушную преграду.

• Добавочные потери в асинхронных электродвигателях обусловлены наличием зубчатости статора и ротора, вихревых потоков в разных узлах электродвигателя и иными потерями. При расчете такие потери уменьшают КПД электродвигателя на половину процента от номинальной мощности.

КПД электродвигателя в расчетах

Коэффициент полезного действия (КПД) асинхронного электродвигателя уменьшается на суммарность потерь мощности, которые рассчитываются по формуле. Общая же сумма потерь напрямую зависит от нагрузки электродвигателя. Чем выше нагрузка, тем больше потерь и меньше КПД.

Конструирование асинхронного электродвигателя производится с учетом всех потерь при максимальной нагрузке. Поэтому данный диапазон может быть достаточно широким. Большинство асинхронных электродвигателей имеет коэффициент полезного действия 80-90%. Мощные электродвигатели выпускаются с КПД от 90 до 96%.

Просмотров: 15884

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Что такое КПД двигателя авто: коэффициент полезного действия

Пожалуй, основным конструктивным элементом любой машины является «сердце», а именно двигатель. От того, как слаженно и эффективно будет работать этот агрегат, дальше зависят скорость, комфорт, тяговые характеристики машины. Важным индикатором эффективной работы ДВС любого агрегата и авто является его КПД.

Эта общепризнанная аббревиатура расшифровывается просто – коэффициент полезного действия. Но что такое КПД двигателя легкового автомобиля знает не каждый водитель? Возможно ему это и ненужно, а знать нужно всё!

Что представляет собой КПД

Теперь немного о том, что же представляет собой КПД, и от чего зависит. По классическому определению это соотношение выполненной работы и затраченной для этого энергии. Определяется в процентном соотношении. Чем выше процент коэффициента полезных действий, тем эффективнее работает двигатель. Правда, даже современные автомобили не могут похвастаться достаточно высокими показателями КПД.

Сегодня считается нормальным, если уровень полезной работы ДВС машины находится в пределах 20 – 60%. Для сравнения – использование электрических двигателей дает возможность получать КПД на уровне 95%. Потеря эффективности возникает от различных внутренних и внешних факторов, воздействующих на двигатель,когда он эксплуатируется.

В частности к таким можно отнести потерю энергию через «вымывание» тепла, неэффективно подготовленная воздушная смесь, что в дальнейшем становится причиной ее неполного сгорания, затраты энергии на преодоление трения, потеря тепла в процессе отвода сгоревших газов. Суммарно такие потери могут достигать до 60 – 80% от изначально получаемой энергии.

Конечно, такой подход приводит к нецелевому использованию топлива, низкой мощности, быстрому изнашиванию деталей отдельного типа, необходимости выполнения более частых профилактических осмотров и ремонтов. Здесь важным моментом является необходимость использования качественных деталей. Ведь в процессе работы двигателя все его части постоянно находятся в повышенном напряжении. И малейший изъян одной из его частей может стать причиной выхода из строя всего агрегата.

Особенности КПД двигателя в автомобиле

Нужно также понимать, что КПД двигателей, работающих на бензине намного ниже таких же моторов, которые работают на дизтопливе. Отличительной особенностью этих видов топлива является использование дополнительных зажигательных элементов (в случае с бензином), либо же подача готовой топливной смеси в заранее подготовленную камеру со сжатым воздухом, где такое топливо самостоятельно воспламеняется.

Отдельно важно остановиться и на качестве самого топлива. Ведь неполное сгорание топлива может стать причиной потери до 25% выделяемой энергии. Поэтому многие компании тщательно подходят к выбору поставщиков топлива. Ведь четвертая часть потери это достаточно внушительный показатель. Более того, несгоревшее топливо имеет свойство не только попадать в атмосферу и загрязнять ее (а за это можно получить солидный штраф), но и оседает на внутренних стенках двигателя и его частей, тем самым приводя к засорению и преждевременному износу.

Используя качественное топливо, вы имеете возможность без проведения какой-либо внутренней модернизации машины, либо же замены отдельных его частей, фактически на ровном месте существенно повысит КПД мотора.

Усовершенствование КПД двигателя

Учитывая повышенный спрос общества на эффективные, экономные и комфортные автомобили, сегодня ученые и эксперты с разных стран участвуют в программах совершенствования автомобильных двигателей с тем, чтобы довести их КПД до уровня 80% и выше.

Для этого используются различные конструкционные доработки (например, турбо надув), заменяются металлические составляющие основы ДВС на более легкие сплавы, способные держать тепло и сводить уровень трения к минимуму при минимальных необходимых для этого затратах.

Все это становится основой для выпуска более компактных, облегченных двигателей, способных перерабатывать в полезную работу большую часть полученной изначально энергии. Тем самым все это позволяет реально экономить в процессе дальнейшей эксплуатации и обслуживании машины.

При этом уделяется большое внимание усовершенствованию и очистке уже имеющихся элементов (топливо, системы охлаждения, смазки, подачи горючего и отвода газов), ведь, как мы уже обратили внимание ранее, таким образом можно повысить КПД даже не меняя отдельных частей. Достаточно просто заливать правильное топливо, понизить уровень теплоотдачи в процессе работы ДВС, либо же отвода выхлопов.

Еще одним моментом эффективного использования транспортного средства, есть оптимальный уровень загрузки транспортного средства. Выдерживая среднюю скорость, правильные передачи, не пытаясь показывать свое излишнее мастерство, вы получите возможность существенно снизить потребление топлива. А также сможете достигнуть оптимальной мощности и скорости автокара в определенных условиях.

Рекомендуем Вам ознакомиться и узнать, что такое вискомуфта в автомобиле.

Поделитесь информацией с друзьями:

Эффективный КПД двигателя

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
28724 1

В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном тепловые двигатели, в первую очередь двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих потерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе.

Важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу.

Эффективный КПД

Характеристика двигателя, отражающая степень использования теплоты с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических. Представляет собой отношение полезной механической работы ко всей затраченной теплоте.

По определению выше:

η_e = A_e/Q₁,

где A_e – полезная механическая работа; Q₁ – затраченная теплота.

Также можно выразить эффективный КПД, используя другие коэффициенты полезного действия двигателя:

η_e = η_i·η_m = η_t·η_g·η_m,

где η_i – индикаторный КПД; η_m – механический КПД; η_t – термический КПД; η_g – относительный КПД.

Например, при работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.

Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером экономии топлива, необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для привода турбокомпрессора или вспомогательной турбины.

Последнее обновление 02.03.2012
Опубликовано 24.03.2011

Читайте также

Комментарии

КПД двигателя внутреннего сгорания: 3 фактора, влияющих на мощность

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.

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.

Возможно, вас заинтересует статья нашего эксперта, в которой подробно описывается и разбирается двигатель внешнего сгорания.

Что такое роторно-поршневой двигатель Ванкеля? Об особенностях этой разновидности мотора вы сможете узнать из материала нашего специалиста.

Также советуем прочитать статью нашего эксперта, в которой подробно рассматривается двигатель Ибадуллаева.

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:

1. Потери при сгорании топлива стоит рассматривать первостепенно. Всё топливо, которое поступает в мотор, не может полностью сгорать, поэтому его часть просто улетает в выхлопную трубу. Потери в данном случае составляют около 25 %.
2. Тепловые потери находятся на втором месте по значению. Получение тепла невозможно без энергии. Следовательно, энергия теряется при образовании тепла. Поскольку в случае с двигателем внутреннего сгорания тепло образуется с избытком, возникает необходимость в эффективной системе охлаждения. Однако тепло выделяется не только при сгорании топлива, но также во время работы самого мотора. Это происходит за счёт трения его деталей, поэтому часть энергии он теряет самостоятельно. На эту группу потерь приходится около 35 — 40 %.
3. Последняя группа потерь имеет место в ходе обслуживания дополнительного оборудования. Расход энергии может идти на кондиционер, генератор, помпу системы охлаждения и прочие установки. Потери в данном случае составляют 10 %.

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 (читайте о том, как работает турбина).

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.

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.

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.

Выводы

В качестве итога стоит напомнить о том, что инженерам удалось шагнуть далеко вперёд от первых двигателей с КПД в районе 5 %. К тому же, изобретение идеального мотора с КПД под 100 % пока не представляется возможным, поэтому современные силовые установки находятся на пике своей эффективности. Единственный вариант для тех, кто принципиально нуждается в двигателе с 90-процентным КПД — это покупка электромобиля или машины с гибридным двигателем.

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

Единицы измерения

Коэффициент полезного действия – величина безразмерная, то есть не нужно ставить какую-либо единицу измерения. Но эту величину можно выразить и в процентах. Для этого полученное в результате деления по формуле число необходимо умножить на 100%. В школьном курсе математики рассказывали, что процент – этот одна сотая чего-либо. Умножая на 100 процентов, мы показываем, сколько в числе сотых.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Как обозначается

В русских учебниках обозначается двояко. Либо так и пишется – КПД, либо обозначается греческой буквой η. Эти обозначения равнозначны.

Символ, обозначающий КПД

Символом является греческая буква эта η. Но чаще все же используют выражение КПД.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

• гидроэлектростанций 93-95%;
• АЭС – не более 35%;
• тепловых электростанций – 25-40%;
• бензинового двигателя – около 20%;
• дизельного двигателя – около 40%;
• электрочайника – более 95%;
• электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Источник http://motorsguide.ru/system/kpd-dvigatelya
Источник http://remont220.ru/osnovy-elektrotehniki/976-kpd-fizicheskiy-smysl-velichiny-kak-ee-vychislyat/

КПД двигателя

63% смога является причиной, выбросы диоксида азота в Онтарио вызваны автомобилями, грузовые автомобили и другие виды транспорта. Такие программы, как Правительство Онтарио «Drive Green» — попытка для устранения серьезности проблемы, вызванной автомобилем загрязнение, убедившись, что наши автомобили работают должным образом и максимально эффективно.

Дизайнеров в настоящее время работает над перепроектированием энергии внутреннего сгорания. Там буквально миллиарды вариаций параметров, которые влияют на работу двигателя. Проблема, с которой сталкиваются дизайнеры: что улучшения в области контроля выбросов часто отрицательно влияют на топливную экономичность. Хитрость в том, чтобы найти баланс между многочисленными конструктивными параметрами.

Эффективность автомобильный двигатель можно определить, исследуя ввод и выходная энергия. Входная энергия будет количеством химическая потенциальная энергия, которая будет храниться в молекулы, обнаруженные в бензине. Когда эта энергия высвобождается при сгорании происходят многочисленные преобразования энергии. Много энергии теряется в виде тепловой и звуковой энергии.Охлаждение система в автомобиле имеет решающее значение для удаления этой тепловой энергии из двигатель. Менее четверти энергии выделяется из бензин фактически превращается в кинетическую энергию. В большая часть энергии просто теряется во время трансформации, происходящие в двигателе автомобиля.

КПД в процентах рассчитывается путем сравнения выходной энергии, кинетическая энергия в случае автомобиля, с входящей энергией, энергия, содержащаяся в молекулах бензина.

Эффективность для любого автомат можно определить, посчитав количество энергия, идущая на преобразование энергии в полезную энергия выходит. Оба типа трансформации возникновение и тип используемого устройства могут повлиять на уровень эффективности.

Тепловой КПД двигателя — обзор

LCA водородных путей

Водород — это энергоноситель с нулевым содержанием углерода, который можно использовать для питания FCEV. Электромобили на водородных топливных элементах (HFCEV) не производят выбросов из выхлопной трубы, кроме водяного пара, и являются более энергоэффективными, чем обычные бензиновые ICEV, которые ограничены КПД теплового двигателя Карно.

HFCEV использует технологию протонообменной мембраны топливных элементов для преобразования химической энергии водорода в электричество.Хотя батарея не обязательно нужна в качестве источника питания для HFCEV, она используется для хранения избыточной электроэнергии во время цикла движения, что позволяет топливному элементу работать с максимальной эффективностью. Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, приводящую в движение колеса HFCEV (Wind, 2016).

Хотя современные автомобильные технологии на основе бензина обеспечивают более короткое время заправки топливом и больший запас хода по сравнению со многими технологиями электромобилей, они производят выбросы выхлопных газов в виде выбросов парниковых газов и основных загрязнителей воздуха.HFCEV могут достигать времени заправки и дальности движения, аналогичных бензиновым ICEV, при этом устраняются выбросы из выхлопной трубы и сокращаются выбросы парниковых газов WTW (Elgowainy and Wang, 2012). Одной из основных проблем использования водорода в качестве топлива является его низкая молекулярная масса, что приводит к низкой объемной плотности энергии и, следовательно, требует сжатия до высокого давления (700 бар) с последующим предварительным охлаждением до -40 ° C, чтобы обеспечить быструю заправку и сопоставимый запас хода. к бензиновым автомобилям. В то время как различные технологии хранения были исследованы для хранения водорода на борту FCEV в различных состояниях, резервуар Типа IV на 700 бар является единственным вариантом хранения, который в настоящее время используется компаниями-производителями HFCEV.

Хотя работа HFCEV считается чистой без выбросов из выхлопной трубы, производство, доставка и заправка водорода могут привести к выбросам перед транспортным средством. Эти выбросы происходят в основном в результате таких процессов, как производство и сжижение, а также сжатие и предварительное охлаждение на автозаправочных станциях. На фиг. 6A и B схематически показаны пути доставки газообразного и жидкого водорода, соответственно.

Рис. 6. (A) Схема путей доставки газообразного водорода.(B) Схема пути доставки жидкого водорода.

Анализ водородного WTW охватывает четыре основных этапа: (1) производство молекул водорода, (2) доставка водорода на заправочную станцию, (3) подача водорода в бортовой накопительный бак транспортного средства посредством серии сжатий. и процессы предварительного охлаждения, и (4) потребление водорода FCEV для приведения в движение своих колес. Водород обычно производится при низком давлении (~ 20 бар) и сжимается для передачи от производственного предприятия к распределительному терминалу.На распределительном терминале водород дополнительно сжимается в трубчатых трейлерах или сжижается и загружается в цистерны с криогенными жидкостями для доставки на заправочные станции (Reddi et al., 2016b).

В настоящее время водород в основном производится путем парового риформинга метана (ППМ) природного газа. Во-первых, метан в ПГ реагирует с паром при высоких температурах (700–1000 ° C) и давлении 3–25 бар в присутствии катализатора с образованием водорода, окиси углерода и относительно небольшого количества двуокиси углерода.Эта стадия представляет собой реакцию парового риформинга метана. На второй стадии, «реакция конверсии водяного газа», монооксид углерода и водяной пар реагируют в присутствии катализатора с образованием диоксида углерода и дополнительного водорода. На третьем этапе, известном как «адсорбция при переменном давлении», углекислый газ и другие примеси удаляются, оставляя водород высокой чистоты (> 99,999%). Выбросы парниковых газов от скважины к добыче на заводах SMR составляют примерно 11 кг CO ₂ e на кг H ₂ при 72% энергоэффективности процесса SMR (на основе более низкой теплотворной способности) (Argonne, 2016).

Водород может производиться из различных источников неископаемого и возобновляемого сырья и, таким образом, может снизить зависимость транспортного сектора от топлива на основе нефти, одновременно повышая надежность энергоснабжения и сокращая выбросы парниковых газов. Водород можно производить путем газификации биомассы с использованием тепла, пара и кислорода для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Биомасса, включая древесное и другое целлюлозное сырье, считается возобновляемым ресурсом для производства водорода.В процессе газификации органические вещества при высоких температурах — в присутствии контролируемого количества кислорода и пара — преобразуются в монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Подобно шагам, выполняемым в процессе SMR, монооксид углерода дополнительно вступает в реакцию с паром с образованием диоксида углерода и дополнительного водорода (Reddi et al., 2016a).

Водород также можно производить путем электролиза воды, при котором молекулы воды расщепляются на водород и кислород с помощью электричества. Тем не менее, производство водорода путем электролиза с использованием электроэнергии из текущей структуры производства электроэнергии в сети США (показано на рис.7 ) может не снизить выбросы парниковых газов WTW по сравнению с базовыми бензиновыми двигателями ICEV, поскольку большая часть электроэнергии в настоящее время вырабатывается из ископаемых видов топлива, таких как уголь и природный газ. Углеродоемкость средней структуры энергосистем США, включая потери при передаче и распределении, составляет 0,54 кг CO ₂ э / кВтч электроэнергии (Argonne, 2016). Электролиз — это экологически безопасный вариант производства водорода, когда электричество производится из возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер. Кроме того, поскольку возобновляемая электроэнергия, вырабатываемая за счет солнечной и ветровой энергии, является непостоянной, использование электролизеров для производства и хранения водорода дает возможность уравновесить проблемы спроса и предложения в сети.

Рис. 7. Структура производства электроэнергии в сетях в среднем в США за 2015 год.

Аргонн (Аргоннская национальная лаборатория) (2016). Модель GREET: парниковые газы, регулируемые выбросы и использование энергии в транспортной модели. Доступно по адресу: https://greet.es.anl.gov/index.php.

Доставка водорода включает использование энергии для сжатия или сжижения, передачи, распределения и заправки. Водород можно сжимать до умеренного давления около 250–500 бар и загружать в газотрубные прицепы для доставки на заправочные станции, как показано на рис. Рис.6А . Трубчатый полуприцеп может перевозить до 1000 кг сжатого газообразного водорода при давлении нагрузки 500 бар в трубах типа III или IV. Трубчатый прицеп затем доставляется на заправочную станцию, где он разгружается или заменяется другим пустым трубным прицепом. Трубчатый трейлер на заправочной станции подает водород в газовый компрессор, который сжимает водород в буферную систему хранения высокого давления под давлением около 900 бар. Удельная энергия сжатия находится в диапазоне 2,5–4 кВтч / кг H ₂ и зависит от степени сжатия на ступень, количества ступеней и изоэнтропической эффективности на ступень (DOE, 2015).Система охлаждения на заправочной станции предварительно охлаждает водород до -40 ° C, чтобы обеспечить быструю выдачу в резервуары для хранения транспортных средств. Энергопотребление охлаждения находится в диапазоне 0,3–0,5 кВтч / кг H ₂ (DOE, 2015).

Водород также может подаваться на автозаправочные станции в виде криогенной жидкости (при –253 ° C) при низком давлении (2–10 бар) через цистерны для криогенных жидкостей. Водород можно сжижать с помощью охлаждения жидким азотом с последующим рядом процессов сжатия и расширения.Сжижение водорода требует значительного количества электроэнергии (около 11–15 кВтч / кг H ₂ ), что равно или превышает одну треть химической энергии водорода (33 кВтч) (DOE, 2016). Жидкий водород хранится в больших криогенных резервуарах для загрузки в цистерны с криогенными жидкостями для доставки на заправочные станции. Танкер с жидкостью доставляет полезную нагрузку около 4 метрических тонн водорода на одну или несколько заправочных станций. Криогенный насос на заправочной станции увеличивает давление водорода до уровня выше 700 бар, нагревает водород до -40 ° C через теплообменник и подает его в бак транспортного средства, как показано на рис.6Б . Выбросы парниковых газов, связанные с необходимыми уровнями энергии сжижения, сжатия и предварительного охлаждения, зависят от структуры производства электроэнергии, используемой для сжатия.

На рис. 8 показан вклад WTW GHG в несколько текущих путей HFCEV по сравнению с обычными бензиновыми ICEV. Выбросы WTW GHG состоят из двух компонентов, представляющих стадии WTP и PTW. Экономия топлива HFCEV, доступных в настоящее время на рынке, колеблется от 50 до 68 миль на галлон. Соотношение экономии топлива FCEV и базового бензинового ICEV составляет примерно 2.1 для автомобилей среднего класса на основе тех же характеристик (например, ускорение, максимальная скорость и т. Д.). Выбросы парниковых газов, показанные на рис. 8 , отражают 26 миль на галлон для бензиновых двигателей ICEV и 55 миль на галлон для HFCEV.

Рис. 8. Потенциал сокращения выбросов парниковых газов различными путями передачи водорода для HFCEV.

Рис. 8 также показывает четыре пути водорода, включая центральный и распределенный SMR для производства водорода, с улавливанием и хранением углерода (CCS) и без него. Также показано влияние электричества, используемого для сжижения и сжатия / предварительного охлаждения на автозаправочных станциях.Благодаря централизованному производству водорода SMR, доставка жидких и газообразных продуктов снижает выбросы парниковых газов WTW на милю на 11% и 39% соответственно по сравнению с базовым бензиновым двигателем ICEV. Благодаря распределенному производству водорода на месте с помощью SMR, выбросы парниковых газов WTW могут быть сокращены на 36% по сравнению с уровнями ICEV для бензина. Центральный путь производства SMR с CCS может снизить выбросы парниковых газов WTW на 73% по сравнению с бензиновыми двигателями ICEV. Хотя путь доставки жидкости имеет преимущество в виде более высокой плотности энергии и более благоприятной экономики, эти преимущества достигаются за счет увеличения выбросов парниковых газов по сравнению с соответствующим путем подачи газообразного водорода, главным образом из-за энергоемкости процесса сжижения, как упоминалось ранее.

Централизованное производство водорода с использованием газификации биомассы (например, тополя) и доставка водорода в газообразной форме через трубчатые трейлеры сокращают помильные выбросы парниковых газов WTW на 79% по сравнению с выбросами ICEV с базовым бензином. Низкие выбросы парниковых газов на пути биомассы объясняются в основном поглощением CO ₂ из атмосферы во время фазы роста биомассы, которое компенсирует CO ₂ , высвобождаемый во время процесса газификации для производства водорода. Используя энергию ветра для производства водорода путем электролиза воды и доставки водорода с помощью газотрубных прицепов, выбросы парниковых газов WTW могут быть сокращены до 88% по сравнению с выбросами обычных бензиновых двигателей ICEV.Эти возобновляемые технологии для производства водорода демонстрируют потенциал для значительного сокращения выбросов парниковых газов для HFCEV; однако они требуют дальнейших исследований и разработок, чтобы быть экономически конкурентоспособными с существующей технологией SMR.

DuPont ™ Vespel® | КПД двигателя для снижения выбросов CO2

Уменьшение габаритов для повышения эффективности двигателя

Уменьшение габаритов бензиновых и дизельных двигателей с помощью технологий, повышающих производительность или эффективность, является основным способом снижения выбросов и повышения топливной экономичности без ущерба для производительности.Эти технологии варьируются от турбонагнетателей, повышающих мощность, до многоскоростных автоматических трансмиссий с прямым впрыском.

Наука, лежащая в основе восприятия потребителей

DuPont фокусируется на том, как материалы и наука могут уменьшить трение и оптимизировать соотношение массы и эффективности. Мы разрабатываем легкие материалы, устойчивые к нагреванию, химическим веществам и давлению, чтобы автомобильная промышленность могла достичь целей по снижению массы. Эксперты DuPont работают над способами улавливания и повторного использования CO ₂ и снижения сопротивления качению.Огромные научные и инженерные разработки направлены на повышение эффективности двигателя и экономии топлива, помогая при этом поддерживать комфорт, производительность и общую стоимость системы.

Технологии для удовлетворения потребностей клиентов и более чистого мира

Когда дело доходит до оптимизации КПД двигателя, автомобильная промышленность сталкивается с серьезными проблемами — более 65% потерь энергии происходит внутри двигателя. DuPont специализируется на разработке технологий и материалов, которые помогают автопроизводителям уменьшать габариты двигателей, одновременно повышая экономию топлива и сохраняя рабочие характеристики.В настоящее время мы работаем над различными технологиями: от турбонагнетателей и форсунок до непосредственного впрыска и многоскоростных автоматических трансмиссий. Мы разрабатываем термостойкие, устойчивые к давлению и химическим веществам пластмассы, эластомеры и композиты, чтобы помочь отрасли добавить более легкие технологии повышения мощности для более эффективных двигателей меньшего размера.

Материалы DuPont, повышающие эффективность двигателя, помогают отрасли достичь целей по снижению массы, улавливанию и повторному использованию выхлопных газов, а также снижению сопротивления качению.Потребители хотят автомобили, которые обеспечивают экономию топлива без ущерба для комфорта или производительности, а также без увеличения стоимости. Ученые DuPont ежедневно работают с автомобильными инженерами, чтобы соответствовать строгим требованиям современного рынка.

КПД двигателя с турбонаддувом

Эксперты DuPont по эффективности двигателей в настоящее время работают с автомобильной промышленностью над созданием технологий и материалов для турбонаддува для использования в массовом производстве автомобилей, где требования к применению жесткие, если не сказать больше.Мы разрабатываем материалы, устойчивые к:

• Высокие температуры
• Повышенная кислотность системы рециркуляции выхлопных газов (EGR)
• Высокое давление
• Химически агрессивные охлаждающие жидкости

DuPont ^™ Zytel ^® PLUS Нейлоновая смола

Семейство Zytel ^® из высококачественного нейлона и PPA-материалов обеспечивает долгосрочную устойчивость к теплу, химическим веществам и давлению. В отличие от специальных нейлоновых смол, Zytel ^® PLUS сохраняет легкость обработки, типичную для традиционных нейлоновых смол.Это семейство предназначено, в первую очередь, для применения в днищах автомобилей и двигателях.

DuPont ^™ Zytel ^® HTN Высокоэффективный полиамид

Экономичный DuPont ^™ Zytel ^® HTN устраняет разрыв в характеристиках между обычными техническими смолами и высококачественными специальными полимерами, обеспечивая баланс химической, влаго- и температурной стойкости, обеспечивая при этом превосходную технологичность.

DuPont ™ Vespel ^® Детали и формы

Фиксаторы шарикоподшипников, изготовленные из деталей и форм DuPont ^™ Vespel ^® , могут улучшить время отклика турбокомпрессора за счет малого веса и инерции.Втулки перепускного клапана Vespel ^® обеспечивают требуемое уплотнение без обычного износа и истирания вала. В наши дни волокно DuPont ^™ Nomex ^® помогает OEM-производителям решать новые задачи, включая повышенные требования к удельной мощности и суровые условия эксплуатации двигателей и генераторов, используемых в (H) электромобилях.

Другие решения DuPont для повышения эффективности двигателей

Узнайте, как можно использовать DuPont ^™ Zytel ^® PLUS для снижения веса компонентов, повышающих эффективность двигателя.

В DuPont мы используем науку для преобразования задач в инновации. Вот некоторые из инициатив, над которыми мы работаем с нашими партнерами из автомобильной промышленности.

Эффективность бензинового двигателя 50% в поле зрения

Эта статья также появляется в

Подпишитесь сейчас »

Бензиновый двигатель Delphi Gen3X с непосредственным впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) продемонстрировал примерно 43 балла.Тепловой КПД 5%, но разработчики говорят, что есть потенциал для большего. (Delphi)

Исследователи двигателей: на горизонте 50% эффективности бензинового двигателя

2019-04-09 Билл Висник

Выступая на симпозиуме SAE по высокоэффективным двигателям внутреннего сгорания, предшествовавшем конференции WCX19 на этой неделе в Детройте, ведущий исследователь долгосрочной программы Delphi Technologies, направленной на максимальное повышение теплового КПД бензиновых двигателей, сказал, что последние разработки обещают обеспечить готовый к производству бензиновый двигатель с тепловым КПД около 50%.

Марк Селлнау, который до недавнего времени оставил Delphi для работы в Aramco, руководил программой разработки системы сгорания бензина с прямым впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) Delphi и представил результаты испытаний третьего поколения 4-цилиндрового двигателя GDCI, получившего название Gen3X. Селлнау резюмировал анализ в недавнем техническом документе SAE, подробно описывающем достижения Gen3X (SAE 2018-01-0901), заявив, что усовершенствования, примененные к двигателю Gen3X, повысили его термический КПД тормозов (BTE) до 43.5%.

Но, добавил он, в концепции четвертого поколения двигателя прогнозируется повышение его эффективности примерно до 48% или выше — «Почти практические пределы для легкового двигателя внутреннего сгорания» в практической трансмиссии, сказал он. , также подтверждая, что Gen4X — это «двигатель, который мы планируем построить в ближайшем будущем».

Между тем, существующий двигатель Gen3X в сочетании с 8-ступенчатой ​​автоматической коробкой передач и 12-вольтовой системой старт-стоп, установленный в легковом автомобиле среднего размера, продемонстрировал экономию топлива 61 миль на галлон в цикле шоссе и 48 миль на галлон в городском цикле.Селлнау сказал, что двигатель Gen4X, как ожидается, будет способен развивать скорость 68 миль на галлон на шоссе.

Достижения по сокращению затрат и повышению производительности
Однако на данный момент усовершенствования двигателя Gen3X еще больше улучшают концепцию GDCI, которая разрабатывалась в рамках исследовательской программы Департамента энергетики США стоимостью 9,8 млн долларов США, которая началась в 2011 г. и производились две предыдущие версии двигателя. «Все эти двигатели уже устарели», — категорично заявил Селльнау. «Ни один из них не отвечает требованиям для коммерческих двигателей малой мощности.”

Sellnau сказал, что многочисленные изменения снизили стоимость и сложность новейшего двигателя Gen3X и повысили производительность, не говоря уже о долговечности. «Я вижу лучшую надежность», — сказал он участникам давнего симпозиума по высокоэффективным двигателям ИС в 2019 году. «Вы можете это почувствовать».

Главным среди конструктивных изменений является установка компрессора с регулируемым впуском (VIC) и турбонагнетателя с регулируемым соплом (VNT), что позволило исследователям отказаться от нагнетателя, необходимого для двигателя GDCI второго поколения, что значительно снизило стоимость.

Не менее важно управление сложной «частично предварительно смешанной» воздушно-топливной смесью (в отличие от некоторых других бензиновых конструкций с воспламенением от сжатия, таких как Mazda SpCCI, Delphi GDCI не использует свечи зажигания для увеличения самовоспламенения при определенных условиях) для Gen3X Двигатель теперь поставляется в двух различных рабочих «регионах»: режим низкой нагрузки / холодного запуска и отдельная рабочая фаза для работы со средней и высокой нагрузкой. «С точки зрения контроля это относительно просто», — сказал Селльнау.

Другие важные новые особенности двигателя Gen3X включают более высокую степень сжатия 17: 1 (по сравнению с 14,5: 1) и увеличенное отношение длины хода к диаметру цилиндра (1,28). Увеличенный ход уменьшает объем поверхности поршня, что помогает снизить тепловые потери.

Переход к четвертому поколению
Но, несмотря на значительный рост производительности, эффективности и сокращения выбросов, Селлнау указывает, что продолжающиеся исследования уже обращаются к двигателю Gen4X, в основном из-за низких цен на бензин в США.S. подтолкнули потребителей к более крупным автомобилям, в то время как тенденции ценообразования на дизельное топливо сделали его еще более неблагоприятным после глобального исследования выбросов дизельных двигателей. И, добавляет он, исследования показывают, что двигатель GDCI может заметно превосходить эффективность лучших на сегодняшний день бензиновых двигателей с искровым зажиганием и гибридных электромобилей, которые, по его словам, также тяжелее и сложнее.

Он утверждает, что нынешний двигатель Gen3X уже демонстрирует удовлетворительную кривую крутящего момента, подобную дизельной, и соответствует целям проекта по шуму, в то время как его удельный расход топлива на тормоз 194 г на кВт · ч соответствует 43.5% BTE, что превосходит современные достижения в производстве двигателей с искровым зажиганием.

Он предвидит новую разработку термобарьерных покрытий как новое достижение, которое поможет усовершенствовать двигатель Gen4X, и сказал, что «планируется OEM-программа с несколькими автомобилями» для разработки Gen4X.

Продолжить чтение »

Квантовый КПД двигателя выходит за рамки второго закона термодинамики

Непассивные состояния

Энергия E состояния ρ относительно гамильтониана H может быть разложена на эрготропию \ ({\ cal W} \) и пассивной энергии E _па .\ dagger \), т.е. как унитарно преобразованное пассивное состояние π , где V _ρ — это унитар, который реализует минимум, появляющийся на правой стороне. уравнения (17). Таким образом, энергия состояния ρ имеет вид

$$ E = E _ {{\ mathrm {pas}}} + {\ cal W} = {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ pi H} \ right ] + {\ mathrm {Tr}} \ left [{(\ rho — \ pi) H} \ right]. $$

(18)

Явно, пассивное состояние и его энергия считываются

$$ \ pi: = \ mathop {\ sum} \ limits_n r_n \ left | n \ right \ rangle \ left \ langle n \ right | $$

(19)

$$ E _ {{\ mathrm {pas}}} = {\ mathrm {Tr}} [\ pi H] = \ mathop {\ sum} \ limits_n r_nE_n, $$

(20)

где { r _n } являются заказанными ( r _{n +1} ≤ r _n ∀ n ) собственные значения ρ и \ (\ left \ {{\ left | n \ right \ rangle} \ right \} \) являются упорядоченными ( E _{n +1} ≥ E _n ∀ n ) собственное основание H .Когда H невырожден, π уникален. Если H является вырожденным, его собственный базис и, следовательно, пассивное состояние (19) может быть не уникальным. Однако энергии (20) всех пассивных состояний, соответствующих ρ , одинаковы и равны пассивной энергии ρ .

Отношение мажоризации

Предположим, \ (\ rho \ left ({t {\ prime}} \ right) \ succ \ rho \ left ({t {\ prime \ prime}} \ right) \) для любого t ″ ≥ t ′ в некотором интервале времени I ( t ′, t ″ ∈ I ), а именно, что ρ ( t ′) мажоритарно ^{44, 59} ρ ( t ″) в этом интервале, т.е.n r_m \ left ({t {\ prime \ prime}} \ right) \, \ left ({1 \ le n \ le N} \ right), $$

(21)

где r _{м +1} ( τ ) ≤ r _м ( τ ) ( τ ∈ I ) — упорядоченные собственные значения ρ ( τ ) (см. n \ frac {{r_m (\ tau) — r_m ( \ tau + h)}} {h}.$

(24)

Первый множитель неотрицателен из-за монотонно упорядоченных энергий. Второй фактор также неотрицателен, если уравнение. (21) выполняется во всей области интегрирования [0, t ]. В этом случае отношение мажоризации подразумевает \ (\ Delta \ left. {E _ {{\ mathrm {pas}}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} (t) \ ge 0 \).

Обратимся теперь к знаку изменения энтропии. Если \ (\ rho _1 \ succ \ rho _2 \), то \ ({\ cal S} \ left ({\ rho _2} \ right) \ ge {\ cal S} \ left ({\ rho _1} \ right ) \) ¹¹ .Следовательно, мы имеем соотношение

$$ \ rho \ left ({t {\ prime}} \ right) \ succ \ rho \ left ({t {\ prime \ prime}} \ right) \, \ forall \, 0 \ le t {\ prime} \ le t {\ prime \ prime} \ le t \ Rightarrow \ Delta \ left. {E _ {{\ mathrm {pas}}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} (t) \ ge 0 \ wedge \ Delta {\ cal S} (t) \ ge 0, $$

(25)

, где \ (\ Delta {\ cal S} (t) = {\ cal S} (\ rho (t)) — {\ cal S} \ left ({\ rho _0} \ right) \). Аналогичным образом можно показать, что выполняется обратное соотношение: \ (\ rho \ left ({t {\ prime}} \ right) \ prec \ rho \ left ({t {\ prime \ prime}} \ right) \ Rightarrow \ Дельта \ налево.{E _ {{\ mathrm {pas}}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} (t) \ le 0 \ wedge \ Delta {\ cal S} (t) \ le 0 \). Когда гамильтониан невырожден, \ (\ Delta \ left. {E _ {{\ mathrm {pas}}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} (t) \) и \ (\ Delta {\ cal S} (t) \) можно показать, что оно обращается в нуль тогда и только тогда, когда пассивное состояние, соответствующее ρ ( τ ), является постоянным (т. е. эволюция ρ ( τ ) унитарна) для τ ∈ [0, t ].

Для случая постоянного гамильтониана соотношение (25) было получено в [4]. ⁴⁴ . В этом случае \ (\ Delta \ left. {E _ {{\ mathrm {pas}}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} (t) = \ Delta E _ {{\ mathrm {pas}}} (t) \) и, следовательно, уравнение Из (25) следует, что пассивная энергия ρ ₂ больше или равна пассивной энергии ρ ₁ , если \ (\ rho _1 \ succ \ rho _2 \) или, что то же самое, если \ (\ pi _1 \ succ \ pi _2 \), где π _i — пассивное состояние, соответствующее ρ _i ( и = 1, 2).\ dagger, b) [\ rho]. $$

(29)

Его стационарное решение — сжатое тепловое состояние S ( r ) [ Z ⁻¹ exp (- ħωa ^† a / [ k _B T ])] S ^† ( r ).

Производство энтропии Σ

Неравенство Спона для скорости производства энтропии имеет вид ⁴⁷

$$ \ sigma: = — \ frac {{\ mathrm {d}}} {{{\ mathrm {d}} t} } S \ left ({\ left.{\ rho (t)} \ right \ | \ rho _ {{\ mathrm {ss}}}} \ right) \ ge 0, $$

(30)

где \ (S \ left ({\ left. {\ Rho (t)} \ right \ | \ rho _ {{\ mathrm {ss}}}}} \ right): = k _ {\ mathrm {B}} \, {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ rho (t) \ left ({{\ mathrm {ln}} \, \ rho (t) — {\ mathrm {ln}} \, \ rho _ { {\ mathrm {ss}}}} \ right)} \ right] \). Неравенство (30) выполняется для любого ρ ( t ), которое эволюционирует согласно главному уравнению Линдблада ⁴⁶

$$ \ dot \ rho = {\ cal L} \ rho, $$

(31)

\ ({\ cal L} \) — лиувиллиан (оператор Линдблада).\ infty \ sigma {\ mathrm {d}} t \) интегрированное по времени неравенство (30) дает

$$ \ Sigma = S \ left ({\ left. {\ rho _0} \ right \ | \ rho _ {{\ mathrm {ss}}}} \ right) \ ge 0. $$

(32)

Равенство (30) требует, чтобы связь между системой и ванной была достаточно слабой, а релаксация ванны была достаточно быстрой, чтобы сделать возможным вывод основного уравнения Линдблада по теории возмущений. В духе традиционной термодинамики подход Линдблада исключает корреляции или запутанность между системой и ванной ⁴⁶ .В общем, уравнение. (30) не может применяться к немарковским баням ¹² . Напротив, поскольку относительная энтропия неотрицательна, уравнение. (32) выполняется при произвольном соединении системы и ванны ^{40, 62} .

Как показано в исх. ^{9, 61} , неравенство Спона (30) может быть обобщено на зависящие от времени гамильтонианы при условии, что H ( t ) изменяется медленно по сравнению со временем релаксации резервуара ⁹ . Соответствующее главное уравнение будет выглядеть так:

$$ \ dot \ rho (t) = {\ cal L} (t) \ rho (t), $$

(33)

где \ ({\ cal L} (t) \) — тот же лиувиллиан, что и в уравнении.\ infty {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ left ({{\ cal L} (t) \ rho (t)} \ right) {\ mathrm {ln}} \, \ rho _ {{\ mathrm {ss}}} (t)} \ right] {\ mathrm {d}} t \ ge 0 $$

(35)

для изменения энтропии \ (\ Delta {\ cal S} = {\ cal S} \ left ({\ rho _ {{\ mathrm {ss}}} (\ infty)} \ right) — {\ cal S } \ left ({\ rho _0} \ right) \). В случае постоянного гамильтониана уравнение. (35) сводится к формуле. (32).

Если лиувиллиан описывает взаимодействие с термостатом при температуре T , т.е.е., \ ({\ cal L} (t) = {\ cal L} _ {{\ mathrm {th}}} (t) \), то ρ _ss ( t ) = ρ _th ( t ), где

$$ \ rho _ {{\ mathrm {th}}} (t) = \ frac {1} {{Z (t)}} {\ mathrm {exp} } \ left ({- \ frac {{H (t)}} {{k _ {\ mathrm {B}} T}}} \ right) $$

(36)

— тепловое состояние для (мгновенного) гамильтониана H ( t ). \ infty {\ mathrm { Tr}} \ left [{\ dot \ rho (t) H (t)} \ right] {\ mathrm {d}} t = \ frac {{{\ cal E} _ {\ mathrm {d}}}} {Т}, $$

(37)

с рассеиваемой энергией \ ({\ cal E} _ {\ mathrm {d}} \), определенной в формуле.(2).

Производство энтропии Σ для нетепловых ванн

Рассмотрим Σ в случае постоянного гамильтониана (уравнение (32)) для нетепловой ванны, которая приводит к непассивному установившемуся состоянию ρ _ss = Uπ _ss U ^† через лиувилль \ ({\ cal L} _U \). Это Σ может быть связано с пассивным состоянием следующим образом. Поскольку относительная энтропия инвариантна относительно унитарного преобразования ее аргументов, уравнение\ кинжал \ rho _0U \). Таким образом, Σ равно производству энтропии, полученному при релаксации открытой системы из унитарно преобразованного состояния \ (\ tilde \ rho _0 \) в пассивное состояние π _ss .

В частности, когда π _ss является тепловым состоянием ρ _th , Σ равно производству энтропии, полученному при термализации системы, начиная с состояния \ (\ tilde \ rho _0 \), и мы имеем

$$ \ Sigma = \ Delta {\ cal S} — \ frac {{\ tilde {\ cal E} _ {\ mathrm {d}}}} {T} \ ge 0, $$

(39)

где \ (\ tilde {\ cal E} _ {\ mathrm {d}} \) — изменение энергии \ (\ tilde E = {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ tilde \ rho H } \ right] \) преобразованного состояния \ (\ tilde \ rho \).\ dagger \ dot \ rho (t) U \) равняется тепловому лиувиллю, действующему на унитарно преобразованное состояние (уравнение (45)). Следовательно, также для гамильтониана, зависящего от времени, оценка Σ в нетепловой ванне сводится к случаю преобразованного состояния, которое распадается при контакте с термостатом.

Оптимальность неравенства для относительной энтропии

Уравнение (10) обеспечивает в целом более жесткое неравенство для \ (\ Delta {\ cal S} \), чем уравнение. (38) (или (32)). Действительно, уравнение. (38) можно записать как \ (\ Delta {\ cal S} \ ge {\ cal S} \ left ({\ pi _ {{\ mathrm {ss}}}} \ right) — k _ {\ mathrm {B }} A \), где \ (A = — {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ tilde \ rho _0 \, {\ mathrm {ln}} \, \ pi _ {{\ mathrm {ss}}} }} \Правильно]\).Это неравенство является наиболее жестким (т. Е. Его правая сторона максимальна) на множестве всех состояний \ (\ tilde \ rho _0 \), которые отличаются от ρ ₀ унитарным преобразованием, когда A минимально на этом установленный. Обратите внимание, что π _ss коммутирует с гамильтонианом, и собственные значения −ln π _ss не уменьшаются как функция собственных значений гамильтониана. Таким образом, −ln π _ss можно рассматривать в некотором смысле как эффективный «гамильтониан», для которого A является средней «энергией» в состоянии \ (\ tilde \ rho _0 \).Как известно, средняя энергия между унитарно доступными состояниями в пассивном состоянии минимальна. Когда H невырождено, то пассивное состояние π ₀ , соответствующее H , также является пассивным состоянием, соответствующим эффективному «гамильтониану» –ln π _ss ; следовательно, A минимален для \ (\ tilde \ rho _0 = \ pi _0 \).

Напротив, если H является вырожденным, обычно нет уникального пассивного состояния (см. Методы «Непассивные состояния»).В этом случае A минимально не для каждого π ₀ , но если π ₀ также является пассивным состоянием эффективного «гамильтониана», т.е. если π ₀ коммутирует с № _н.с. . Можно показать, что существует хотя бы одно такое состояние π ₀ . Таким образом, уравнение. (10) дает самое строгое неравенство для \ (\ Delta {\ cal S} \) среди всех неравенств вида (38) или (32).

Унитарная эквивалентность нетепловых и термальных ванн

Временная эволюция начального состояния ρ ₀ согласно лиувиллю \ ({\ cal L} _U \), как определено в Методах (‘Производство энтропии Σ для не -термальные ванны ‘) может быть заменен альтернативным временным интервалом, включающим термальную ванну.Эти два эквивалентных пути развития могут быть наглядно представлены диаграммой на рис. 9a (см. Также ссылку ⁶³ и методы «Основное уравнение для ванны с отжимом»). Согласно рис. 9a, эволюция ρ ₀ , вызванная нетепловой ванной, к ρ _ss (сплошная стрелка) может быть заменена трехстадийным процессом (пунктирные стрелки), в котором система является контактирует с термальной ванной только на втором этапе.

Рис. 9

Различные пути развития. a Эволюция начального состояния ρ ₀ в нетепловой ванне в соответствии с лиувиллевским \ ({\ cal L} _ {\ it U} \) (сплошной путь) унитарно эквивалентна эволюции состояния \ (\ tilde \ rho _0 \) в термальной ванне согласно лиувиллю \ ({\ cal L} _ {{\ mathrm {th}}} \) (пунктирный путь). b Устойчивое состояние, достигаемое путем релаксации непассивного состояния ₀ в термальной ванне (твердый путь), также может быть достигнуто альтернативным (пунктирным) путем, при котором исходная эрготропия сначала удаляется в унитарный процесс

Это можно показать следующим образом.\ dagger \ rho (t) U} \ right). $$

(45)

Изменение энтропии для гамильтонианов, зависящих от времени

Уравнение (11) для термостата было получено на основе альтернативного (пунктирного) пути на рис. 9b. Энергии \ ({\ cal E} _ {\ mathrm {d}} \) (вдоль исходного пути) и \ ({\ cal E} \ prime _ {\ mathrm {d}} \) (вдоль альтернативного пути) те, которые появляются на правой стороне энтропийных неравенств (8) и (11).

Σ-неравенство для ситуации, когда инвариантное состояние непассивно, дается в формуле.\ dagger \ rho (t) U \) и \ ({\ cal L} _ {\ mathrm {th}}} (t) \) — термический лиувиллиан с той же температурой и тем же H ( t ), как в \ ({\ cal L} _U (t) \). Таким образом, проблема состояния ρ ( t ), которое развивается в нетепловой ванне, была сведена к проблеме состояния \ (\ tilde \ rho (t) \), которое развивается согласно термальной ванне. . Это ситуация, рассмотренная на исходном (сплошном) пути на рис. 9b после замены там ρ ( t ) на \ (\ tilde \ rho (t) \).\ dagger \ left [{{\ cal L} _U (t) \ varrho (t)} \ right] U \, {\ mathrm {ln}} \, \ pi _ {{\ mathrm {ss}}} (t )} \ right] {\ mathrm {d}} t. $$

(48)

Затем можно действовать, как указано выше, но \ ({\ cal L} _ {{\ mathrm {th}}} (t) \) затем заменяется «пассивным» лиувилльским \ ({\ cal L} _ { {\ mathrm {pas}}} (t) \), чье инвариантное состояние — π _ss ( t ). Полученное неравенство для \ (\ Delta {\ cal S} \) [обобщение уравнения (11), т.е. аналог уравнения\ infty {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ left [{{\ cal L} _ {{\ mathrm {pas}}} (t) \ varrho (t)} \ right] {\ mathrm {ln} } \, \ pi _ {{\ mathrm {ss}}} (t)} \ right] {\ mathrm {d}} t, $$

(49)

где \ (\ varrho \) (0) = π ₀ . Отметим, что последний интеграл нельзя отождествлять с переносом энергии. Уравнение (49) справедливо также для случая пассивного инвариантного состояния ρ _ss ( t ) = π _ss ( t ), где теперь \ ({\ cal L} _ {{ \ mathrm {pas}}} (t) = {\ cal L} (t) \).

Получение предела эффективности

Сохранение энергии (уравнение (1)) в течение цикла дает

$$ {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}} + {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} + W = 0, $$

(50)

где \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}} \) \ (\ left ({{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}} \ right ) \) представляет собой изменение диссипативной энергии ВМ из-за его взаимодействия с холодной тепловой (горячей нетепловой) ванной (рис. 4). Как упоминалось в основном тексте, мы предполагаем, что WM является тепловым и, следовательно, пассивным до его взаимодействия с холодной термальной ванной.\ infty {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ left ({{\ cal L} _U (t) \ rho (t)} \ right) H (t)} \ right] {\ mathrm {d}} t \) обеспечивается нетермальной ванной, что дает

$$ \ eta: = \ frac {{- W}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}}} = 1 + \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}}}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}}}. $$

(51)

Это выражение справедливо для \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}} \ le 0 \) и \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} \ ge 0 \); см. ниже обсуждение противоположного случая. Тогда из условия (13) следует, что

$$ {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}} \ le — \ frac {{T _ {\ mathrm {c}}}} {{T_ {\ mathrm {h}}}} {\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h}}}.\ infty {\ mathrm {Tr}} \ left [{\ left [{{\ cal L} _ {{\ mathrm {pas}}} (t) \ varrho (t)} \ right] {\ mathrm {ln} } \, \ pi _ {{\ mathrm {ss}}} (t)} \ right] {\ mathrm {d}} t, $$

(54)

, где интеграл оценивается для такта включения.

Если \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}}> 0 \) \ (\ left ({{\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h}}}) <0} \ right) \), то холодная ванна также дает энергию, которую необходимо учитывать при оценке эффективности. Последнее теперь выглядит так: ³²

$$ \ eta = \ frac {{- W}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} + {\ cal E} _ {{ \ mathrm {d, c}}}}} = \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} + {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}} }}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} + {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}}}} = 1, $$

(55)

, который не может быть ограничен никаким неравенством для \ (\ Delta {\ cal S} \).

Теперь выведем оценку эффективности, которая следует из условия обратимости (7). Требование исчезающего изменения энтропии в течение цикла тогда дает

$$ \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}}}} {{T _ {\ mathrm {c}}}} + \ frac {{\ tilde {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}}} {{T _ {\ mathrm {h}}}} \ le 0, $$

(56)

где \ (\ tilde {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} \) (интеграл в уравнении (40)) — изменение энергии во время взаимодействия с термостатом вдоль штриховой путь на рис.9а. Следовательно, согласно этому критерию эффективность (51) ограничена

$$ \ eta \ le 1 — \ frac {{T _ {\ mathrm {c}}}} {{T _ {\ mathrm {h}}}} \ frac {{\ tilde {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}}}} =: \ eta _ \ Sigma. $$

(57)

Эта граница превосходит 1, если \ (\ tilde {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} <0 \), что, например, имеет место, если ванна "чрезмерно сжата": Это означает, что из-за чрезмерного сжатия ванны взаимодействие с термальной ванной по альтернативному пути, показанному на рис.9а уменьшает энергию, а с нетепловой ванной на начальном пути ее увеличивает.

Если гамильтониан постоянен во время возбуждающего удара, то \ (\ tilde {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} = \ Delta \ left. {E _ {{\ mathrm {pas, h) }}}} \ right | _ {\ mathrm {d}} + \ widetilde {\ left. {\ Delta {\ cal W}} \ right | _ {\ mathrm {d}}} \), где \ (\ widetilde {\ left. {\ Delta {\ cal W}} \ right | _ {\ mathrm {d}}} \ le 0 \) — это эрготропия, теряемая эффективной термальной ванной на втором этапе альтернативного пути на рис. .{{\ mathrm {Otto}}} \ le \ eta _ \ Sigma \).

Максимальный КПД квантовых двигателей с несколькими ваннами

Мы рассматриваем цикл, работающий между термостатами N (либо источниками тепла, либо отводами тепла) и M нетепловыми ваннами, которые, как предполагается, приводят в действие двигатель. А именно, нетепловые ванны обеспечивают рабочую среду как пассивной энергией, так и эрготропией. Как и раньше (см. Основной текст и методы «Вывод оценки эффективности»), мы предполагаем, что штрихи достаточно длинные, так что уравнение.M \ frac {{{\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h}}, i}}} {{T _ {{\ mathrm {h}}, i}}} + \ mathop {\ sum} \ limits _ {\ left \ {{1 \ le i \ le N {\ mathrm {|}} {\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} \ ge 0} \ right \}} \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i}}} {{T_i}} + \ mathop {\ sum} \ limits _ {\ left \ {{1 \ le i \ le N {\ mathrm {|}} {\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} \ le 0} \ right \}} \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d}}, i}}} {{T_i}}. $$

(58)

Здесь температуры термальных ванн обозначены как T _i и температурные параметры нетермических ванн на T _{h, i} .Обратите внимание, что при сделанных выше предположениях \ ({\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h,}} i} \ ge 0 \) и для термальных ванн \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} \ Equiv {\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d,}} i} \).

Путем введения минимальной и максимальной температуры T _мин ≤ { T _i , T _{h, i} } ≤ T _max , получаем ²

$$ \ begin {array} {* {20} {l}} 0 \ hfill & \ ge \ hfill & {\ mathop {\ sum} \ limits_ {i = 1} ^ M \ frac {{{\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h,}} i}}} {{T _ {{ \ mathrm {h}}, i}}} + \ mathop {\ sum} \ limits _ {\ left \ {{1 \ le i \ le N {\ mathrm {|}} {\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d,}} i} \ ge 0} \ right \}} \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} ^ \ prime}} {{T_i}} + \ mathop {\ sum} \ limits _ {\ left \ {{1 \ le i \ le N {\ mathrm {|}} {\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} \ le 0} \ right \}} \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d}}, i}}} {{T_i}}} \ hfill \\ {} \ hfill & \ ge \ hfill & \ sum_ {i = 1} ^ M \ frac {{{\ cal E} _ {\ mathrm {d, h}, i} ^ {\ prime}}} {T _ {\ mathrm {max}}} + \ sum _ {\ {1 \ leq i \ leq N | {\ mathcal {E}} _ {\ mathrm {d,} i} ^ \ prime \ geq 0 \}} \ frac {{{\ cal E} _ {\ mathrm {d,} i} ^ \ prime}} {T _ {\ mathrm {max}}} + \ sum _ {\ {1 \ leq i \ leq N | {\ mathcal {E}} _ {\ mathrm {d,} i} \ leq 0 \}} \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d}}, i}}} {{T _ {\ mathrm min}}} \ hfill \\ {} \ hfill & {} \ hfill & {=: \ frac {{{\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, in}}}}} {{T _ {{\ mathrm {max}}}}} + \ frac {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, out}}}}} {{T_ {{\ mathrm {min}}}}}. M {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}, i} + \ mathop {\ sum} \ limits _ {\ left \ {{1 \ le i \ le N {\ mathrm {|}} {\ cal E} _ {{\ mathrm { d,}} i} \ ge 0} \ right \}} {\ cal E} _ {{\ mathrm {d,}} i} $$

(62)

— это полная энергия, которую рабочее тело получило от ванн питания во время цикла.Благодаря формуле. (60) эффективность (61) ограничена

$$ \ eta \ le 1 — \ frac {{T _ {{\ mathrm {min}}}}}} {{T _ {{\ mathrm {max}}} }} \ frac {{{\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, in}}}}} {{{\ cal E} _ {{\ mathrm {d, in}}}}}. $$

(63)

Обратите внимание, что знак равенства в формуле. (63) выполняется только в том случае, если оба знака равенства в формуле. (59) держать. В частности, уравнение. (63) является строгим неравенством в случае нескольких ванн, т. Е. Если в уравнении появляется более двух температур. (58).

Неравенство (63) является обобщением уравнения. (14) для более чем одной ванны с энергией. Таким образом, КПД двигателей с несколькими ваннами всегда ниже, чем максимальный КПД двигателя с двумя ваннами, который работает между холодной термальной ванной с температурой T _мин и горячей нетепловой ванной с температурным параметром T _max , что приводит к тому же соотношению \ ({\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, in}}} \) / \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, in}}} \) входных энергий.Это также верно в том случае, если первый знак равенства в формуле. Выполняется (59), что в случае термальных ванн соответствует второму закону и, следовательно, условию обратимости.

Оценка эффективности (63), таким образом, содержит как частный случай тот факт, что эффективность тепловых двигателей с несколькими ваннами (т. Е. Случай, когда все ванны являются тепловыми, так что \ ({\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, in}}} \ Equiv {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, in}}} \)) всегда ниже КПД Карно, определяемого минимальной и максимальной температурами цикла, даже если цикл обратимый ² .В этом смысле наша оценка (14) универсальна.

Приведенные выше соображения справедливы для случая \ ({\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h,}} i} \ ge 0 \). Как обсуждалось в разделе Методы («Вывод оценки эффективности») для ситуации с двумя ваннами, в случае, когда \ ({\ cal E} \ prime _ {{\ mathrm {d, h}}} <0 \), два -ванный двигатель работает с КПД η = 1 (уравнение (55)), который, очевидно, не может быть превзойден любым двигателем, приводимым в действие несколькими тепловыми или нетермическими ваннами.

Выражения, использованные на рис.8

На рис. 8 мы использовали энергии

$$ {\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} = \ hbar \ omega _ {\ mathrm {h}} \ left ( {\ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}} \ right) $$

(64)

$$ \ Delta E _ {{\ mathrm {pas, h}}} = \ hbar \ omega _ {\ mathrm {h}} \ left ({\ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n_ { \ mathrm {c}}} \ right) $$

(65)

$$ \ tilde {\ cal E} _ {\ mathrm {d}} = \ Delta \ left.2 (r) \) для i ∈ {c, h}, где r e r обозначает параметр сжатия ⁴⁶ . Используя энергии (64) — (66), границы эффективности η _Σ (уравнение (57)) и η _max (уравнение (16)), затем оцениваются как

$$ \ eta _ \ Sigma = 1 — \ frac {{T _ {\ mathrm {c}}}} {{T _ {\ mathrm {h}}}} \ frac {{\ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n_ {\ mathrm {c}} — \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {c}}}} {{\ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}}} $$

(67)

и

$$ \ eta _ {{\ mathrm {max}}} = 1 — \ frac {{T _ {\ mathrm {c}}}} {{T _ {\ mathrm {h}}}} \ frac {{\ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}}} {{\ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}}}, $$

(68)

соответственно.Кроме того, мы использовали фактическую эффективность ³²

$$ \ eta = 1 — \ frac {{\ left ({\ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}} \ right) \ omega _ {\ mathrm {c}}}} {{\ left ({\ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} — \ bar n _ {\ mathrm {c}}} \ right) \ omega _ {\ mathrm {h}}}}, $$

(69)

, который действителен для \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, c}}} \ le 0 \), то есть \ (\ bar n _ {\ mathrm {c}} \ le \ bar n_ {\ mathrm {h}} \). Для \ (\ bar n _ {\ mathrm {h}} \ le \ bar n _ {\ mathrm {c}} \ le \ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} \) КПД составляет η = 1.Машина действует как двигатель для \ ({\ cal E} _ {{\ mathrm {d, h}}} \ ge 0 \), то есть для \ (\ bar n _ {\ mathrm {h}} + \ Delta \ bar n _ {\ mathrm {h}} \ ge \ bar n _ {\ mathrm {c}} \), что для параметров рис. 8 соответствует \ (\ omega _ {\ mathrm {c}} {\ mathrm {/}} \ omega _ {\ mathrm {h}} \) ≳ 0,22.

Доступность данных

Все актуальные данные доступны у авторов.

Nissan достигает 50% теплового КПД с системой e-POWER нового поколения; STARC

Компания Nissan объявила о прорыве в эффективности двигателей, достигнув 50% теплового КПД с разрабатываемой системой e-POWER следующего поколения.

Система Nissan e-POWER использует бортовой бензиновый двигатель для обеспечения электрической энергией аккумуляторной батареи электронного силового агрегата. Новейший подход Nissan к разработке двигателей поднял планку до мирового уровня, превысив текущий средний для автомобильной промышленности диапазон 40% теплового КПД, что позволило еще больше снизить выбросы CO ₂ автомобилей.

Стремясь к 2050 году обеспечить экологическую нейтральность в течение всего жизненного цикла нашей продукции, Nissan стремится к началу 2030-х годов электрифицировать все новые модели, представленные на основных рынках.Стратегия электрификации Nissan способствует разработке электронных силовых агрегатов и высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей, при этом e-POWER представляет собой еще одну важную стратегическую опору.

— Тошихиро Хираи, старший вице-президент инженерного отдела силовых агрегатов и электромобилей

Транспортные средства с обычными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) требуют мощности и производительности от двигателя в широком диапазоне скоростей (об / мин) и нагрузок. Это фундаментальное требование означает, что обычные двигатели не могут всегда работать с оптимальной эффективностью.

Однако система Nissan e-POWER использует бортовой двигатель в качестве специального генератора электроэнергии для электронной трансмиссии системы. Работа двигателя ограничена его наиболее эффективным диапазоном, соответствующим образом регулируя выработку электроэнергии двигателем и количество электроэнергии, хранящейся в батарее.

Благодаря такому целенаправленному подходу, развитию аккумуляторных технологий и методов управления энергопотреблением компания Nissan смогла повысить термический КПД по сравнению с нынешними уровнями.Разработка системы e-POWER следующего поколения продолжает этот путь повышения эффективности благодаря проектированию и разработке двигателя Nissan исключительно для e-POWER.

Концепция STARC. Для достижения 50% теплового КПД компания Nissan разработала концепцию под названием «STARC», названную в честь ключевых слов «сильный», «неровный» и «надлежащим образом растянутый прочный канал зажигания». Эта концепция позволяет повысить тепловой КПД за счет усиления потока газа в цилиндре (потока топливовоздушной смеси, которая втягивается в цилиндр) и зажигания, надежно сжигая более разбавленную топливно-воздушную смесь при высокой степени сжатия.

В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси, чтобы реагировать на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как расход газа в цилиндре, метод зажигания и степень сжатия, которая может пожертвовать эффективностью ради выходной мощности.

Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.

При внутренних испытаниях Nissan достиг теплового КПД 43% при использовании метода разбавления системы рециркуляции отработавших газов и 46% при использовании обедненного горения (коэффициент избытка воздуха λ = 2) с многоцилиндровым двигателем. Уровень 50% был достигнут за счет работы двигателя при фиксированных оборотах и ​​нагрузке в сочетании с технологиями утилизации отработанного тепла.

Система Nissan e-POWER. e-POWER был впервые представлен в Японии в 2016 году вместе с Nissan Note. В его основе лежит та же технология, полностью управляемая электродвигателем, которая используется в Nissan LEAF для обеспечения мгновенного крутящего момента, мощности, эффективности и азарта.Система включает бензиновый двигатель с генератором энергии, инвертор, аккумулятор и электродвигатель.

В отличие от традиционной гибридной системы, e-POWER позволяет использовать только бортовой двигатель для выработки электроэнергии, разделяя мощность двигателя и движущую силу на колесах.

В конце декабря 2020 года Nissan выпустил на рынок Японии совершенно новый Note. Совершенно новый Note поставляется исключительно с e-POWER и уже получил более 20 000 заказов.Как самая продаваемая модель компании на внутреннем рынке, Note играет ключевую роль в глобальном плане трансформации бизнеса Nissan NEXT.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.