КПД бензинового и дизельного двигателя
КПД двигателя – что это такое
КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.
На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.
Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель
Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:
- Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
- Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.
Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.
КПД дизельного двигателя – заметная эффективность
Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.
Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.
Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.
Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.
Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:
- Вид топлива.
- Способ образования топливно-воздушной смеси.
- Реализация воспламенения заряда.
Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.
Мощность и крутящий момент
Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.
Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.
В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.
Энергетическая ценность солярки и бензина
В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.
Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.
Подробнее о потерях
Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:- Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
- Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
- Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.
Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.
Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.
Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.
С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.
Каков КПД у двигателя внутреннего сгорания
Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.
КПД двигателя внутреннего сгорания
Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.
Где теряется эффективность
Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.
- Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
- Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
- Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.
И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.
Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%
Дизель или бензин
А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.
Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.
КПД электрического двигателя двигателя
Другие записи по теме:
Содержание статьи
Вопрос о том, насколько мощность соответствует КПД двигателя внутреннего сгорания, интересует практически каждого автолюбителя. В идеале чем выше КПД, тем эффективнее должна быть силовая система. Если же переходить от теории к практике, КПД в районе 95 % наблюдается только у электрических двигателей. Если рассматривать двигатели внутреннего сгорания вне зависимости от типа используемого топлива, то об идеальных цифрах можно только рассуждать.
Разумеется, эффективность современных двигателей существенно повысилась, если сравнивать с моделями, которые были выпущены всего 10 лет назад. Выпускаемые в начале 2000 годов 1,5-литровые моторы были рассчитаны на 70 лошадиных сил, к данному параметру претензий не было. Сегодня же при аналогичном объёме речь идет о 150 лошадиных силах и более.
Производители теряют много времени, сил и ресурсов, чтобы медленно, но уверенно продвигаться в сторону увеличения КПД.
Понятие «КПД двигателя»
Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.
В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.
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:
- 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 %.
- 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 %.
- 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.
Если сравнивать с бензином, то солярка образует тепло в большей степени при более высокой температуре сгорания топлива. Также наблюдается более высокий параметр детонационной стойкости.
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.
Пожалуйста, оцените этот материал!
Загрузка…Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!
Мотор в будущее – Огонек № 31 (5527) от 20.08.2018
У двигателя внутреннего сгорания, без которого невозможно представить современный транспорт, юбилей — 195 лет. Однако полноценной замены имениннику так и не изобрели
Современный автомобиль, каким мы его знаем, рождался, наверное, целый век, и каждый из его дней рождения — исторический. Судите сами: 125 лет назад двумя венгерскими учеными, Донатом Банки и Яношем Чонка, запатентован карбюратор — устройство, где готовится горючая смесь для автомобильного двигателя. Долгое время его изобретателем вообще-то считался немец Вильгельм Майбах, запатентовавший карбюратор раньше венгерских коллег, и лишь после специальной экспертизы выяснилось — Банки и Чонка опередили его с публикацией. Счет шел на месяцы!
Но, пожалуй, еще важнее другая дата: в 1823 году, то есть 195 лет назад, другой инженер, британец Сэмуэль Браун, запатентовал первый получивший успех и коммерческое приложение двигатель внутреннего сгорания (ДВС)! Оговоримся: и на этот почетный титул — изобретателя ДВС — также претендует множество инженеров, выбирай любого. Вот, к примеру, один из претендентов — француз Жозеф Нисефор Ньепс больше известный как один из изобретателей фотографии. Он еще в 1807 году вместе с братом создал прототип ДВС, названный пирэолофором. Пирэолофор был установлен на корабль и успешно испытан, после чего братьям выдали патент, подписанный самим Наполеоном. Был в истории ДВС и русский след: бензиновый двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием — разработка российского конструктора сербского происхождения Огнеслава Костовича, известного проектами дирижабля, вертолета и даже рыбы-лодки.
Парадокс в другом: ни один из изобретателей этого чуда техники не был уверен, что его усилия пригодятся. Сегодня об этом уже не помнят, но с ДВС тогда конкурировали паровой и… электрический двигатель, изобретенный еще в 1828 году!
— Период, когда люди выбирали тип двигателя для безлошадных повозок (так называемое осевое время автомобилизма), пришелся как раз на конец XIX века,— говорит шеф-редактор журнала «Авторевю» Леонид Голованов.— Так вот, вплоть до середины 1900-х параллельно выпускались машины со всеми тремя типами силовых установок: ДВС, электроприводом и паровым двигателем. В результате победил двигатель внутреннего сгорания, причем заслуженно — он оказался эффективнее, проще в эксплуатации и более пригоден для массового производства. Но главное — сочетание энергоемкости, цены и скорости заправки, которое обеспечивало моторное топливо. Альтернативы этому не было!
О «нефтяном факторе» в успехе двигателя внутреннего сгорания говорит и декан транспортного факультета Московского политехнического университета Пабло Итурралде. По его словам, выпуск машин на ДВС в начале ХХ века получил поддержку у нефтяной отрасли — ей нужен был мощный потребитель производимой продукции, и автомобили, работающие на бензине, идеально подошли для этого.
Парадокс нынешнего момента, впрочем, в другом: топливо, которое когда-то помогло двигателю внутреннего сгорания победить конкурентов, сегодня может… его похоронить.
Разберемся.
«Топливо-изгой», «Европа отказывается от двигателей внутреннего сгорания», «Объявлена война дизелю»… Европейские СМИ предупреждают: в Старом Свете решили всерьез взяться за ДВС. Повод нашелся в 2015-м, когда в результате так называемого Дизельгейта выяснилось: крупнейший европейский производитель дизельных моторов зан
Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.
Что такое КПД двигателя внутреннего сгорания
Отношение полезной энергии к полной (затраченной), выраженное в процентном отношении, и есть искомый КПД двигателя внутреннего сгорания. Разберемся, куда же теряется энергия.
На что тратиться полезная энергия?
Первый пункт здесь – это потери, возникающие непосредственно при горении топлива, ведь все топливо в двигателе никогда не сгорает, часть его улетает в выхлопную трубу. Эта часть, в среднем, составляет около 25%.
Следующим местом (точнее явлением), куда исчезает энергия, является тепло, выделяемое при горении. Возможно, кто-то из вас еще помнит со времен, проведенных на школьной скамье, что для получения тепла требуется энергия, соответственно, образуемое тепло – это есть потери энергии. Здесь стоит заметить, что тепла при работе двигателя внутреннего сгорания образуется с излишком, что требует внедрения серьезной системы охлаждения.
Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.
Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.
Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.
Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.
КПД бензинового и дизельного двигателя
При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.
Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.
КПД ДВС Видео
Рекомендую прочитать:
Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.
КПД парового двигателя
Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.
В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.
С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.
Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.
Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя
В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.
В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.
- КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
- дизельного – 40 %;
- с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.
Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.
Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.
Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.
Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:
- Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
- Расходе тепла.
- Механических потерях.
При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.
Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.
Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.
КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.
Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:
- Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
- Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
- Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.
От чего зависит КПД дизельного двигателя
Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:
- замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
- в то время, как дизельные – 40% соответственно;
- при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.
Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:
- Более высокий показатель степени сжатия.
- Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
- Корпусные детали нагреваются меньше.
- Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
- В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
- Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.
В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.
КПД реактивного двигателя
Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.
Резюме
При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.
Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.
Двигатель ESTEC с самым высоким в мире тепловым КПД
Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия – обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.
Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. – это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% – это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.
Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.
Содержание статьи
Базовые компоненты ESTEC
Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.
В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.
Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.
Восстановление производительности
Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.
При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.
Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.
Цикл Аткинсона
Цикл АткинсонаВ двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.
Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.
Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.
Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, поскольку на них полагается более 250 миллионов автотранспортных средств в Соединенных Штатах. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемое или альтернативное топливо (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими трансмиссиями для увеличения экономии топлива или с подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Горение, также известное как сжигание, является основным химическим процессом выделения энергии из смеси топлива и воздуха. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию от сгорания для работы. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и движущегося поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который в свою очередь вращает коленчатый вал.В конечном счете, благодаря системе передач в трансмиссии это движение приводит в движение колеса автомобиля.
В настоящее время производится два вида двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них — четырехтактные двигатели, что означает, что для завершения цикла необходимы четыре поршневых хода. Цикл включает в себя четыре отдельных процесса: впуск, сжатие, сгорание и рабочий ход, а также выхлоп.
Бензиновые и дизельные двигатели с искровым зажиганием отличаются тем, как они подают и поджигают топливо.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом и затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливовоздушную смесь, искра зажигает ее, вызывая сгорание. Расширение газов сгорания толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух вводится в двигатель и затем сжимается. Дизельные двигатели затем распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей, измеренной скоростью, вызывая его воспламенение.
Улучшение двигателей внутреннего сгорания
За последние 30 лет научные исследования и разработки помогли производителям сократить выбросы ДВС от загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (ТЧ), более чем на 99% в соответствии с нормами выбросов EPA. ,Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (лошадиных сил и времени разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.
Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на то, чтобы сделать двигатели внутреннего сгорания более энергоэффективными с минимальными выбросами.
КПД преобразования топлива — x-engineer.org
Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) при сжигании топлива. Во время процесса сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс выделяет тепла , которое частично преобразуется в механической энергии .
Рассмотрим двигатель внутреннего сгорания как систему с определенной границей. В исходном состоянии двигатель будет содержать около реагентов, , в основном топливо и воздух.После процесса сгорания двигатель будет находиться в конечном состоянии, содержащем продуктов сгорания (выхлопные газы).
Изображение: схема процесса сгорания
Применение первого закона термодинамики к нашей двигательной системе, между начальным и конечным состоянием, дает:
\ [Q_ {RP} — W_ {RP} = U_P — U_R \ tag { 1} \]где:
Q [Дж] — теплопередача
Вт [Дж] — механическая работа
U [Дж] — внутренняя энергия
Т [К] — температура
p [Па] — давление
В [м 3 ] — том
Эффективность сгорания
В реальных двигателях процесс сгорания является неполным .Это означает, что не все энергосодержание топлива, подаваемого в двигатель, выделяется в процессе сгорания. Существует несколько факторов, которые могут влиять на процесс сгорания, наиболее важными из которых являются впуск топлива и распыление топлива (размер капель).
Топливо внутри цилиндра нуждается в воздухе (кислороде) для горения. Если кислорода недостаточно, сгорает не все топливо, поэтому при сгорании выделяется только частичная энергия (например, около 96%).
Если мы проанализируем выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания, мы увидим, что он содержит как неполных продукта сгорания, (угарный газ CO, оксиды азота NO x , несгоревшие углеводороды HC, сажа PM), так и полных продуктов сгорания. (диоксид углерода CO 2 и вода H 2 O).
Изображение: функция эффективности сгорания при соотношении топливно-воздушной эквивалентности
Если двигатель работает в условиях с обедненной рабочей средой , количество неполных продуктов сгорания невелико, так как в избытке кислорода. При богатых рабочих условиях эти количества становятся более существенными, так как кислорода недостаточно для завершения сгорания топлива.
Поскольку часть химической энергии топлива не полностью выделяется внутри двигателя во время процесса сгорания, полезно определить эффективность сгорания.
Эффективность сгорания η c [-] определяется как отношение энергии, выделяемой сгоревшим топливом, к теоретическому содержанию энергии в топливной массе в течение одного полного цикла двигателя.
\ [\ eta_c = \ frac {H_R (T_A) — H_P (T_A)} {m_f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {2} \], где:
H R [J] — энтальпия ( внутренняя энергия) реагента
H P [Дж] — энтальпия (внутренняя энергия) продукта
T A [K] — температура окружающей среды
м f [кг] — масса топлива, введенная за цикл
Q HV [Дж / кг] — теплотворная способность топлива
Теплотворная способность
Теплотворная способность (также известная как энергетическая ценность или теплотворная способность ) фиксированного количества топлива, является количеством тепла выпущен во время его сгорания.Теплотворная способность топлива — это величина теплоты реакции, измеренная при постоянном давлении / объеме и стандартной температуре (26 ° C) для полного сгорания единицы массы топлива.
Любое топливо имеет два типа теплотворной способности:
- с более высокой теплотворной способностью (HHV), также известной как валовые теплотворные способности
- с более низкой теплотворной способностью (LHV), также известной как чистая теплотворная способность (определяется по вычитая теплоту испарения воды из более высокой теплотворной способности)
В качестве примера в приведенной ниже таблице мы видим теплотворную способность для наиболее распространенных и альтернативных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания:
| Топливо | Более низкая теплотворная способность [МДж / кг] | Более высокая теплотворная способность [МДж / кг] |
| Водород | 119.96 | 141,88 |
| Природный газ | 47,13 | 52,21 |
| Обычный бензин | 43,44 | 46,52 |
| Обычные дизель | 42,78 | 45,76 |
| Этанол | 26,95 | 29.84 |
| Сжиженный нефтяной газ (СУГ) | 46.60 | 50.14 |
| Сжиженный природный газ (СПГ) | 48.62 | 55.19 |
| Бутан | 45.27 | 49.20 |
| Пропан | 46.28 | 50.22 |
Тепловая конверсия КПД фактическая теплопроизводительность
Тепловая теплопроизводительность коэффициент полезного действия
Тепловая теплопроизводительность, коэффициент фактической теплопроводности, коэффициент полезного действия
Тепловая конверсия, коэффициент полезного действия
Тепловая конверсия, коэффициент фактической конверсии, коэффициент полезного действия
Тепловая теплопроводность Химическая энергия выделяется в процессе горения.
Эффективность термического преобразования определяется как соотношение между работой за цикл W c [Дж] и энергией, выделяемой сгоревшим топливом.
\ [\ eta_t = \ frac {W_c} {H_R (T_A) — H_P (T_A)} \ tag {3} \]Коэффициент термического преобразования показывает, сколько сгоревшего топлива превращается в полезную механическую работу.
Эффективность преобразования топлива
Эффективность преобразования топлива определяется как соотношение между полезной механической работой, производимой двигателем, и теоретическим содержанием энергии в массе топлива.
\ [\ eta_f = \ frac {W_c} {m_f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {4} \]работы за цикл Вт c [Дж] можно записать как функцию мощности и скорости двигателя :
\ [W_c = \ frac {P \ cdot n_R} {N} \ tag {5} \], где:
P [Вт] — мощность двигателя (указано)
Н [об / с] — частота вращения двигателя
n R [-] — число оборотов коленчатого вала для каждого рабочего такта на цилиндр
Масса топлива , используемая на цикл двигателя, м f [кг] может быть записана как функция массового расхода топлива и частоты вращения двигателя:
\ [m_f = \ frac {\ dot {m} _f \ cdot n_R} {N} \ tag {6} \], где m f (точка) [кг / с] — массовый расход топлива.
Замена (5) и (6) на (4) дает выражение функции эффективности преобразования топлива в зависимости от мощности двигателя, массового расхода топлива и значения нагрева топлива:
\ [\ eta_f = \ frac {P} {\ dot {m} _f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {7} \]Удельный расход топлива двигателем SFC [кг / Дж] — это соотношение между массовым расходом топлива и указанной мощностью двигателя:
\ [SFC = \ frac {\ dot {m} _f} {P} \ tag {8} \]Замена (8) в (7) дает выражение функции эффективности преобразования топлива для удельного расхода топлива и значения нагрева топлива:
\ [ \ eta_f = \ frac {1} {\ text {SFC} \ cdot Q_ {HV}} \ tag {9} \]Эффективность преобразования топлива также зависит от эффективности сгорания и эффективности термического преобразования.6} = 0,307 \]
КПД преобразования топлива в двигателе составляет 30,7%.
Не забудьте лайкать, делиться и подписываться!
Оценка работы двигателя внутреннего сгорания
Рис. 1 — Давление и температура окружающего воздуха могут влиять на мощность двигателя. Обратите внимание, что в случае более высоких температур снижение характеристик начинается уже на малых высотах. Это показывает, насколько важно использовать полную информацию об условиях сайта. (Нажмите на изображение для полного просмотра.)
Нагрузка
Очевидно, что эффективность двигателя зависит от его нагрузки.Это особенно важно для установок, которые не должны работать при полной нагрузке в течение значительного периода времени. К счастью, в случае более крупных установок, силовая установка с двигателем внутреннего сгорания позволяет достигать частичной нагрузки, отключая отдельные генераторные установки, в то же время поддерживая остальные как можно ближе к полной нагрузке. Тем не менее, иногда будет необходимо эксплуатировать двигатели при частичных нагрузках из-за других соображений (например, поддержания резерва вращения), и эффективность неизбежно будет снижаться.Тем не менее, можно отметить, что кривая эффективности двигателя, как правило, намного более плоская, чем у других машин.
Рис. 2 — Одной из выдающихся особенностей технологии двигателей внутреннего сгорания является плоская кривая эффективности нагрузки. Эта диаграмма показывает такие кривые для завода с десятью двигателями, работающего двумя различными способами. Оранжевая кривая представляет управление нагрузкой путем выключения отдельных двигателей, в то время как остальные работают при почти номинальной нагрузке. Черная кривая представляет ситуацию, когда все двигатели разгружаются вместе, как в случае с установками, которые должны поддерживать запас при вращении. (нажмите на картинку для полного просмотра.)
Коэффициент мощности
Генератор переменного тока генерирует не только активную мощность, но и определенное количество реактивной мощности. Обычно это описывается значением, называемым коэффициентом мощности (или, п.ф.). П.Ф. это соотношение между активной мощностью и полной мощностью. Наибольшее значение p.f. 1,0 и соответствует чисто резистивной нагрузке. Это также значение, когда генератор и, следовательно, генераторная установка достигает максимальной эффективности.Во многих случаях коэффициент мощности, равный 1,0, используется в качестве точки для определения номинальных параметров, опубликованных в технических паспортах оборудования. С другой стороны, в некоторых других данных каталога производительность определяется для относительно низкого значения 0,8, что является типичным параметром конструкции генератора.
К сожалению, в реальной жизни коэффициент мощности никогда не соответствует этим идеализированным значениям. В большинстве приложений это где-то между 0,90 и 0,95. Это означает, что если номинальная эффективность для генераторной установки определена в p.е. = 1.0, фактическое значение всегда будет ниже. И, если номинальное значение определено в п.ф. = 0,8, то в реальных ситуациях будет выше, чем указано в листах каталога. Здесь очевидно, что если значения для двух разных машин определены для двух разных коэффициентов мощности, они не будут сопоставимы.
Оптимизация выбросов
Как и в случае любой другой технологии сжигания топлива, двигатели внутреннего сгорания выделяют определенное количество загрязняющих веществ.В контексте производительности наиболее важной группой загрязняющих веществ являются оксиды азота или NOx.
Образование NOx является неизбежным побочным продуктом процесса сгорания и поэтому не может быть полностью устранено. Однако есть способы уменьшить его. Фактически, самые последние экологические нормы требуют от нас принятия таких мер. Есть два способа сделать это: основной и дополнительный методы. Основные методы направлены на предотвращение образования загрязняющих веществ, а второстепенные — очистку выхлопных газов.
Современные двигатели внутреннего сгорания могут использовать как первичные, так и вторичные меры по снижению выбросов NOx. Вторичные методы не влияют на производительность генераторной установки. Первичные из них делают, поскольку оптимизация процесса сгорания для снижения выбросов несет определенный штраф эффективности.
Обычно данные каталога для генераторной установки приведены для машин, оптимизированных для достижения максимальной эффективности и, следовательно, относительно высокого выброса NOx. Газовые двигатели, как правило, рассчитаны на достижение целевого показателя NOx 500 мг / м³, определенного при эталонном содержании кислорода 5%, также иногда называемом уровнем «TA-Luft» из названия немецкого стандарта выбросов 2002 года.К сожалению, этот стандарт уже устарел, и во многих юрисдикциях необходим более строгий контроль выбросов.
Большинство конструкций газовых двигателей могут быть оптимизированы для соответствия более строгим уровням выбросов первичными методами, как правило, вплоть до «1/2 TA-Luft» или даже ниже, до 200 мг / м³ при 5% O2 (75 мг / м³N, если выражено 15% уровень кислорода). Это соответствует действующей Директиве ЕС по промышленным выбросам. Такая оптимизация выбросов обычно приводит к снижению эффективности примерно на 1.0-1,5 процентного пункта. Конечно, также можно использовать двигатель с более высокой эффективностью и очистку дымовых газов от SCR. Или определенная комбинация обеих мер. Оптимальное решение выбирается на основе технико-экономического анализа для конкретного проекта, где увеличение стоимости генерации, вызванное оптимизацией двигателя, сопоставляется с инвестиционными и эксплуатационными затратами системы SCR.
Рис. 3 — Снижение характеристик газового двигателя связано с более низкой теплотворной способностью топливного газа.Обратите внимание, что в некоторой степени падение LHV может быть компенсировано более высоким давлением подачи газа. (нажмите на картинку для полного просмотра.)
Износ
Как и любое другое оборудование, двигатели внутреннего сгорания также страдают от износа, и производительность двигателя ухудшается во время работы. К счастью, это ухудшение в большинстве случаев полностью обратимо во время капитальных ремонтов, когда двигатели возвращаются к своим номинальным параметрам.Здесь важно отметить, что в большинстве конструкций ухудшение качества влияет только на эффективность, а объем производства остается на номинальном уровне. Тем не менее, помните, что средняя эффективность моторного завода будет несколько ниже, чем номинальные значения, указанные для фактических условий на площадке. Величина этого ухудшения зависит от конструкции двигателя и его программы обслуживания.
Свойства топлива
Как правило, двигатели внутреннего сгорания могут выдерживать широкий спектр свойств и свойств топлива.Тем не менее, есть ограничения. Некоторые из них являются абсолютными, и в этом случае невозможно или безопасно эксплуатировать двигатель ниже или выше определенного значения. Другие условны, что означает, что их превышение разрешено, но это может привести к некоторому снижению или снижению эффективности двигателя. Типичные случаи включают теплотворную способность или метановое число. Превышение минимальных значений приведет к определенному снижению производительности или эффективности.
Следовательно, крайне важно проверить, соответствует ли рассматриваемое топливо стандартным характеристикам.В противном случае обратитесь к поставщику за показателями производительности, которые действительны для конкретного типа топлива.
Допуск
Это самая сложная проблема, с которой даже многие инженеры могут быть незнакомы. Часто в таблицах данных или каталогах среди условий, для которых указываются данные, вы можете встретить такие утверждения, как «допуск ISO», «допуск согласно ISO 3046» или «допуск 5%». Он напрямую связан со стандартом ISO 3046 «Поршневые двигатели внутреннего сгорания — рабочие характеристики».Этот стандарт предусматривает, что «если не указано иное, более высокий расход [топлива] + 5% допускается для удельного расхода топлива, заявленного при заявленной мощности».
Это означает, что, если какое-либо значение расхода топлива указано «с допуском ISO 3046», двигатель может фактически иметь расход топлива на 5% выше и при этом технически соответствовать указанному значению. Таким образом, любая эффективность, заявленная с «допуском ISO», может быть на 5% ниже (примечание: не в процентах, а в процентах).Например, генераторная установка с заявленной эффективностью 48,0% «с допуском ISO» может фактически достигать только 48,0 / 1,05 = 45,7%. На самом деле, более чем вероятно, что он достигнет только такого значения. Исторически этот допуск действительно предоставлялся для учета различий между отдельными двигателями, покидающими производственную линию. Однако с современными методами производства эти различия, по большей части, остались в прошлом. Теперь, к сожалению, концепция толерантности используется для обеспечения преувеличенных значений эффективности во многих публикациях.К сожалению, это также подводный камень для тех, кто не знаком с особенностями моторного бизнеса. Это также создает угрозу сравнения яблок с апельсинами, когда один лист данных содержит 5% допуска, а другой — нет. Таким образом, всякий раз, когда значение допуска явно не указано, рекомендуется попросить поставщика предоставить явное заявление о допусках, как разница 5% (то есть около 2,0-2,5 процентных пункта, в зависимости от конструкции). далеко не незначительный.
Рис.4 — Некоторые более крупные конструкции двигателей, такие как Wärtsilä 50SG или другие конструкции Wärtsilä, оснащены масляными и водяными насосами, приводимыми в движение непосредственно от вала двигателя. В некоторых других конструкциях, где насосы приводятся в действие электрическим током, это приводит к увеличению внутреннего расхода топлива установки.
Чистая мощность и оборудование с приводом от двигателя
В случае технологии двигателя, собственное потребление электроэнергии не очень велико.Однако значительные различия могут быть вызваны разными конструкциями. Это в основном из-за насосов. Каждый двигатель нуждается в некоторых насосах для работы: обычно это насосы смазочного масла, насосы охлаждающей воды и — если топливо жидкое — топливные насосы. Разница заключается в том, что в некоторых конструкциях двигателей, как правило, более крупных среднеоборотных двигателей, насосы приводятся в движение механически валом двигателя. Это означает, что об их потреблении энергии «заботятся» еще до выработки электроэнергии. Но для некоторых других двигателей, особенно небольших высокоскоростных конструкций, в которых используются электрические насосы, это увеличит собственное потребление установки.
На собственное потребление также могут влиять условия окружающей среды. Это связано с тем, что на большинстве силовых установок отработанное тепло выбрасывается через радиаторы, приводимые в действие электрическими вентиляторами. Те вентиляторы, которые обычно являются крупнейшими потребителями электроэнергии на такой установке, управляют скоростью вращения, чтобы обеспечить надлежащее охлаждение охлаждающей воды. Чем выше температура окружающего воздуха, тем выше необходимый поток воздуха, что также увеличивает потребление электроэнергии. Поскольку фактическое потребление зависит от конкретных условий на месте и конфигурации установки, обычно это не параметр, указанный в каталогах.Поэтому рекомендуется запрашивать оценочную стоимость у поставщиков.
Заключение
Суть в том, что «номинальные» параметры, взятые прямо из каталога, почти никогда не представляют значения, которые достижимы в реальных условиях объекта, даже когда все оборудование новое.
Хотя в некоторых случаях (умеренный климат, работа при полной нагрузке, нет необходимости в оптимизации выбросов в процессе сгорания), сравнительно легко преобразовать параметры каталога в значения, достижимые в условиях объекта без дополнительных знаний.В других приложениях это будет невозможно без обращения к поставщикам за дополнительной информацией.
Это означает, что более высокая эффективность каталога определенного типа двигателя не обязательно означает, что эффективность проекта сайта будет выше, чем у его конкурентов, даже если параметры каталога выражены для идентичных условий.
В конце концов, производительность должна быть определена для конкретных условий эксплуатации. Поэтому рекомендуется запросить дополнительные данные на стадии технико-экономического обоснования электростанции.Это обеспечит реалистичность ожидаемой производительности оборудования для рассматриваемой площадки.
Отказ от ответственности
Все значения, приведенные в этой статье, особенно на диаграммах, предназначены только для иллюстрации определенных явлений. Они не представляют какой-либо конкретный продукт или дизайн.
Автор: Адам Раевски , Менеджер по развитию бизнеса, Отдел продаж в Европе, Wärtsilä Energy Solutions mail: [email protected]
,Страница не найдена | MIT
Перейти к содержанию ↓- образование
- Исследовательская работа
- новаторство
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Alumni
- О MIT
- Больше ↓
- Прием + помощь
- Студенческая жизнь
- Новости
- Alumni
- О MIT
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Посмотреть больше результатов
Предложения или отзывы?
,