КПД двигателя автомобиля.

12.09.2019

Тепловая эффективность двигателя. Не такая страшная физика.

Кпд двигателя

Обычно, если кто-то слышит слоган «тепловая эффективность двигателя», они сразу же меняют тему. Вы можете говорить о двигателях об их мощности, об их расходе топлива или - вызывая уважение собеседников как эксперта - о рабочих системах, таких как Дизель, Отто, Ванкель и Аткинсон. Но термическая эффективность звучит как домашняя работа по физике, то есть вызывает отвращение и негативные реакции. Между тем все это сливается в одно ....

КПД двигателя - обозначается латинским символом η (eta) - это параметр, который характеризует данный двигатель и означает, сколько подаваемого тепла преобразуется в полезную работу. В случае двигателя внутреннего сгорания это преобразование тепловой энергии, возникающей в результате сгорания топлива, в механическую энергию, выделяемую двигателем в результате вращения коленчатого вала.

Значения этой эффективности различны для разных типов двигателей и, например, для двигателей с искровым зажиганием составляют около 0,30–0,36, а для дизельных двигателей - около 0,40–0,45. Это означает не что иное, как то, что при заливке в бак 50 литров топлива только 15-18 литров бензина и 20-22,5 литра дизельного топлива используются для привода компонентов автомобиля. Остальное безвозвратно потеряно.

От чего зависит тепловая эффективность?

кпдВообще говоря, это «использование тепловой энергии» возникает из-за разницы между температурой воспламенения смеси и температурой выхлопного газа, выходящего из цилиндра. Чем больше разница, тем больше тепла превращается в работу.

Здесь, к сожалению, мы должны помнить несколько принципов в физике / механике. Поршень, двигаясь к головке, сжимает топливовоздушную смесь (бензиновые версии) или воздух (дизель), и после воспламенения / взрыва отработавший газ расширяется точно по тому же пути, что и ранее сжатая топливно-воздушная смесь, или - в дизеле - сжатый воздух. Это означает, что чем больше сжатая среда, тем больше она расширяется после взрыва, и чем больше она расширяется, тем больше будет работать поршень, а выхлопные газы будут охлаждаться.

В качестве примера, стоит упомянуть, что температура сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания превышает 2000 градусов по Цельсию, температура выхлопных газов в бензиновых двигателях (где степень сжатия обычно составляет около 9-11: 1) составляет около 550 - 700 градусов по Цельсию, а в случае версии Дизель (где степень сжатия составляет более 20: 1) температура выхлопных газов составляет около 400 С.

Следовательно, следует отметить, что для того, чтобы отметить более высокий тепловой КПД в бензиновом двигателе, степень сжатия должна быть увеличена. Тем не менее, проблема заключается в том, что возникает стук, потому что в какой-то момент сжатия температура повышается настолько, что даже до воспламенения - вызванного искрой от свечи - топливо может взорваться, что приводит к нарушению плавности работы двигателя и его неравномерной работе.

Стук также может привести к повреждению двигателя. Оболочки на головке шатуна, а также подшипники коленчатого вала особенно подвержены взрывам топлива. В меньшей степени такое сгорание отрицательно сказывается на клапанах, поршнях или шатунах. Сам феномен детонации зависит от конструкции двигателя и химического состава топлива.

кпд 2Следовательно, увеличение октанового числа выше 100 (я напоминаю топливо на станциях 95 или 98) может нейтрализовать неблагоприятный стук. Теоретически это возможно, потому что такой бензин в настоящее время включает в Бразилии (добавление этанола) и авиационные двигатели также нуждались в более высоком октановом значении.

Однако в ведущих исследовательских лабораториях также начались исследования по модернизации существующих конструкций двигателей с использованием всех известных технических инноваций. Эффект этих работ, среди прочего Бензиновый двигатель SKYACTIV-G от исследовательских лабораторий Mazda.

Этот бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива использует полный спектр совершенно новых технических решений. Благодаря этому он чрезвычайно прочен и в то же время чрезвычайно эффективен благодаря использованию беспрецедентной степени сжатия. Удалось преодолеть все трудности, которые ранее этому мешали.

Основные характеристики этого двигателя:

очень высокая степень сжатия 14,0: 1, которая была достигнута благодаря специальной системе выпуска, поршневым полостям, новым многоотверстным инжекторам и другим нововведениям для предотвращения неправильного сгорания (детонации);

  • внутреннее трение уменьшено на 30%;
  • регулировка фаз газораспределения во впускных и выпускных клапанах;
  • легкая конструкция - общий вес на 10% ниже.

В результате этих деталей были получены четырехцилиндровые безнаддувные двигатели с большим рабочим объемом с высоким крутящим моментом (примерно на 15% выше в диапазоне низких и средних оборотов двигателя по сравнению с традиционными версиями), а расход топлива и выбросы CO2 снижены примерно на 15 % по сравнению с бензиновым двигателем аналогичной мощности. Поэтому это альтернатива широко распространенной в настоящее время минимизации двигателя.

Самое главное, что в двигателях SKYACTIV-G у нас нет неблагоприятных вибраций двигателя в диапазоне низких оборотов, нет неблагоприятного увеличения скорости, и мы имеем гораздо более высокую рабочую культуру, чем малые трехцилиндровые соревновательные агрегаты, имеющие аналогичную мощность. Это представлено в таблице, сравнивающей Mazda 2 и Mazda 3 с двигателем SKYACTIV-G и Peugeot с 1,2-цилиндровым двигателем Pure Tech и VW с двигателями 1,0 TSi.

табл

Дизайнеры Toyota пошли несколько другим путем, чтобы повысить тепловой КПД, и они взяли идею английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий ход был длиннее такта сжатия. Благодаря этому, после длительного рабочего цикла, когда начался рабочий ход, давление и температура выхлопных газов были намного ниже, а энергия от расширения использовалась полностью.

кпд 3Вместо разработки сложных систем толкателя, которые продлили бы рабочий ход, вместо этого использовались «электроника и достижения 21-го века». Благодаря продуманному решению удалось сделать так, что, несмотря на то, что двигатель Toyota поддерживает классическую простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, где при каждом из тактов поршень движется одинаково, эффективный рабочий ход длиннее такта сжатия.

Как говорят конструкторы Toyota, следует сказать иначе: эффективный ход сжатия короче рабочего хода (т. Е. В точности идея двигателя Джеймса Аткинсона). Это достигается путем задержки закрытия всасывающего клапана, который закрывается сразу после начала такта сжатия. Таким образом, часть топливовоздушной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество дымовых газов, образующихся в результате его сгорания, меньше и может полностью расширяться перед началом такта выпуска, передавая всю энергию на поршень, а сжатие меньшего количества смеси требует меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя.

Единственная проблема с двигателем, работающим по системе Аткинсона, заключается в том, что мощность двигателя меньше, чем у традиционной машины. Хотя эта концепция оказалась отличным решением для гибридных автомобилей, в которых нехватка мощности, особенно необходимая для запуска и ускорения, компенсирует электродвигатель по сравнению с классическим двигателем Отто, двигатель Аткинсона явно проигрывает.

Здесь, однако, гений инженера Toyota / Lexus вновь проявил себя. Технические инновации и использование электронного управления открытием клапана позволили использовать обе рабочие системы и создать двигатель с переменной нагрузкой. Когда энергопотребление низкое, например, при спокойной езде по дороге, двигатель работает в цикле Аткинсона, потребляя мало топлива. Однако, когда требуется лучшая производительность - при выключении света или обгоне - он входит в цикл Отто, используя всю доступную динамику. Такой 1,2-литровый двигатель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, например, Toyota Auris и городской внедорожник Toyota C-HR. Аналогичный рабочий двухлитровый агрегат используется в Lexus: IS 300, GS 300, NX 300,

Таким образом, тепловая эффективность является основным фактором, влияющим на потребление топлива и использование тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива. Важно, что продолжается работа по повышению этой эффективности, то есть по разработке более совершенных двигателей.

Новейшим решением является двигатель INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo), который является одним из самых технически совершенных двигателей внутреннего сгорания, когда-либо созданных, и используемая в нем технология VC-Turbo сочетает в себе мощность высокоэффективного 2,0-турбочного бензинового двигателя с крутящим моментом и экономичностью. современный дизельный двигатель, но без выхлопных газов.

Технология Infiniti VC-Turbo имеет возможность непрерывного преобразования, поскольку она использует усовершенствованную многорычажную систему для бесконечного увеличения или уменьшения размера камеры сгорания и сразу же - на основании обнаруженной нагрузки двигателя и команд водителя - выбирает наиболее подходящую степень сжатия. Двигатель способен реализовать любую степень сжатия от 8: 1 до 14: 1.

Развивая максимальную мощность 272 л.с. и 390 Нм крутящего момента, двигатель VC-Turbo сопоставим по производительности с шестицилиндровыми бензиновыми двигателями и определенно более экономичен, чем он.

Будущее?

Мы должны помнить, что разработка новых двигателей не так проста, как создание новых корпусов или компонентов, потому что в этом случае лабораторные испытания имеют колоссальное значение, но можно предположить, что двигатели через дюжину или около того лет будут иметь более высокий тепловой КПД.

Если, только электродвигатели не завоюют рынок, что двигатель внутреннего сгорания отправится в музей, и исследования новых решений перестанут быть экономически жизнеспособными ...

Поделиться в соцсетях: