КПД двигателя: бензиновый, дизельный
Среди множества характеристик механизмов в автомобиле важное значение имеет КПД двигателя. Наверняка многие автовладельцы задаются вопросом: что собой представляет классический ДВС и его КПД, ведь от этого показателя напрямую зависит работа силового агрегата – чем он выше, тем эффективнее его работа. Сегодня самым эффективным считается электрический тип мотора, его КПД способен достигать 90-95 %, а вот двигатели внутреннего сгорания, будь то бензин или дизель, по этому значению далеки от идеала.
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%.
Матчасть 13. КПД и топливная эффективность
Доброе утро, мы продолжаем изучать матчасть, и просвещать наши темные головы.
вот уже третий день я "курю" статью оч умного человека, вот на этом сайте
к сожалению информация подана достаточно сухо, грубо, но очень точно.
Она защищена от тупого копипаста. по этому я решил ее частями перенести сюда, разбив на несколько частей, несколько дней я уже занимаюсь приведением статьи в человеческий вид, к сожалению это не так просто как может показаться, по этому перед вами часть один, сжатая, что бы оценить, стоит ли ее сюда дальше выкладывать или нет.
Как всегда важно рекомендую обратить внимание
КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?
Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия "тюнинга двигателя", т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.
Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;
КПД роторного ДВС
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД– показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;
Рассмотрим, кратко все эти позиции:
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось.
Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД– в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.
Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.
В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти "минусы баланса" — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа. Поэтому чисто по правилам формальной логики КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…
РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС
Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.
КПД роторного двигателя
Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгоревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.
Задача– получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек.
Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух.
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.
В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.
Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил.
Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода.
Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.
Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп.
И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его "тягу", водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».
Путь избавления от этого недостатка:
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.
Спасибо за прочтение, надеюсь вам интересно, и стоит продолжать.
Отдельное спасибо пользователю xvolroi , который дал ссылку на эту великолепную статью
инстаграм Storogilov
Какие темы еще вас интересуют?
Если вы прочитали, прокомментируйте, интересно ваше мнение все таки
Если не электромобили, то паромобили? Часть 3
Продолжение первой и второй части сопоставления автомобилей с ДВС, электро и паро-приводом. Теперь пришло время обсудить практические вопросы сравнения с минимумом теории по принципу противопоставления.
Диалектический подход к исследованию вопроса выгоды парового привода именно в наше время сейчас может быть не менее важен для развития транспорта и энергетики, чем однобокая надежда на устаревшие ДВС, или пока еще только начинающие себя проявлять электрические технологии.
Противоречия типов привода так же схожи.
1. КПД. Однозначная величина лишь в теории
У ДВС параметр коэффициента полезного действия зачастую либо бывает не озвучен вообще, либо намеренно завышен как данные о расходе топлива. Поэтому в чистой теории можно спорить о любой цифре озвученной в отношении ДВС, тем не менее нельзя не очертить условно верные диапазоны границ этого параметра (так же как и с расходом топлива).
Итак, что же мы знаем в теории? Если кратко, то «средние значения» упоминаемые во многих источниках звучат так.
Для бензиновых моторов это от 25% до 34%. Дизельные моторы успешнее — 34% и 39%.
Но кто же лидер в этом «зачете»?
Гибридные двигатели с циклом Аткинсона при последовательно-параллельной схеме подключения! Примерно 38 — 40% соответственно. Однако если мы присмотримся к «рекордному» КПД повнимательнее то станет очевидным, что это все «заслуги» электромотора, а не ДВС. Особенно если речь идет об подзаряжаемых от розетки гибридах. Сокращенно PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle).
У электрокаров ситуация намного лучше, если конечно не обращать внимание на источник энергии зарядки и связанные с ним потери КПД. При расчете этих потерь мы придем к еще большему разбросу цифр и среднее значение потеряет всякий смысл, тем не менее условно можно сказать что при благоприятных условиях это те же 34% (а не 25% и ниже, как иногда указывают некоторые авторы, ведь тогда можно так же условно признать за ДВС и паровым мотором такие же устаревшие значения).
Паровые двигатели… ну все же знают что они неэффективные? Но это лишь общая обывательская оценка, а реально при расчетах КПД еще практически 100 лет назад приходили к цифре в 30% (Для парового двигателя с конденсатором и профилированной проточной частью при высокой температуре и давлении).
Это была лишь теория, но вот практика сравнения хоть и не даст нам прямых цифр, но реально покажет кто есть кто через простой контрольный параметр расхода топлива!
Для сравнения возьмем со стороны ДВС — BMW 3-Series, седан, 7 поколение, G20.
Коэффициент аэродинамического сопротивления — 0,23; Вес 1470 — 1587 кг.;
Расход топлива варьируется от типа привода, мощности и используемого топлива. Возьмем для примера самые большие официальные цифры расхода топлива.
Для чистоты исследования так же не будем учитывать возможное практическое несоответствие расхода топлива, которое в смешанном цикле может отличатся на 10-15% больше заявленного производителем.
3.0 л. M340i, 382 л.с. (бензин) — 10.7 (л/100 км. Расход в городе)
Пример максимального расхода взят исключительно как признак согласия покупателей платить за этот расход топлива и покупать такие машины.
Следующий пример со стороны электрокаров выберем исходя из схожих параметров. Это будет Tesla Model 3.
Коэффициент аэродинамического сопротивления — 0,23; Вес 1611 — 1847 кг.;
Cyммapнaя мoщнocть двигaтeлeй Tecлa Moдeль 3 в самой энергозатратной версии cocтaвляeт 353 kВт, что в пepeвoдe в обычные единицы измерения составляет 480 «лoшaдиных cил».
Расход топлива… определить проблематично, так что стоит взять его с помощью уже проведенных аналогичных тестов с помощью топливного генератора. Этот же расход можно будет записать как максимальный.
Для примера возьмем тест AcademeG из видео «Едем на Tesla на хутор к бобрам. Как зарядиться без зарядки.»
Путем нехитрых вычислений получим расход на 100 км около тех же 10 литров бензина.
Наконец подходим к паромобилям… какой пример тут взять? Аналогов тут немного, и их стоит рассматривать сквозь призму «а что если бы они были сделаны сейчас?». Только при таком подходе можно будет получить реалистичные данные о расходе топлива.
Первый пример — личный паровой автомобиль Абнера Добла на котором он испытывал свои технические идеи. Как он сам говорил в интервью «На галлоне керосина при благоприятных условиях расход топлива моей машины составляет 15 миль на галлон, а в среднем около 11,5 миль на галлон»(по нашему это от 15 до 21 литра топлива). Разумеется как признавал автор его машина была «в некотором роде грубая» т. е. На деле это был «мул» для испытаний на основе машины 20х годов (Cx около 0.8, вес примерно 2 тонны, прочие недостатки так же типичны для аналогов бензиновых машин тех лет). Фактически это был Doble Model C который Абнер в шутку называл «Старая Антилопа».
Поэтому все последующие машины компаний Doble Detroit, Doble Steam Car и Doble Automobile (это все компании Абнера Добла) могли иметь немного лучшие результаты по расходу топлива, при том что это было не главной целью разработчика. Причем подсчитать расход не получится даже примерно так как мощность, габариты и вес сильно отличались при различных типах кузова, но все же есть зацепка!
В 1935 году на Московском автозаводе им. Сталина (ныне ЗИЛ) для испытаний был доставлен автомобиль на шасси «Паккард» сделанный американской фирмой «Беслер» по лицензии компании «Добль» в 1924 году. Этот автомобиль при массе 2200 кг в среднем расходовал 18 л бензина на 100 км.
А в 1969 году в США была произведена конверсия классического Chevrolet Chevelle в паромобиль Биллом Беслером по заказу General Motors. Паромобиль был создан как альтернатива обычным машинам с ДВС в целях экономии топлива и предполагалось в будущем выпустить несколько паровых седанов для калифорнийского дорожного патруля.
К слову с той же целью экономии и экологии дочерняя компания группы Volkswagen под названием Enginion AG с 1996 года проводила разработки парового двигателя EZEE03 для Škoda Fabia, но пришла к выводу что «что рынок не готов к паровым автомобилям» даже несмотря на отличные результаты тестов (двигатель рабочим объемом 1000 куб. См и мощностью до 220 л.с. при крутящем моменте 500 Нм)
Паромобиль был сделан фактически из компонентов ДВС, и весил на 200кг больше оригинальной версии(ДВС-версия 1476,9 кг.), тем не менее расходовал эквивалент жидкого горючего в объеме 15.5 литров (будь то керосин, дизель, бензин, спирт)!
Мощность мотора составляла всего 50 л.с. при значительном крутящем моменте (который без сомнения был, так как аналогичный более мощный мотор Doble E-20 1925 года у Джея Лено в наше время при тестах выдавал 150 лошадиных сил при крутящем моменте 1355.78 Ньютон-метров), а конструкция этого двигателя основывалась как раз на патентах Doble 1920 года.
Во всем остальном это был практически обычный Chevrolet Chevelle, за исключением боковых вентиляционных решеток.
При таком расходе может возникнуть впечатление недосягаемости современных примеров автомобилей? Но это только если не посчитать потери энергии автомобилей 60х годов, которые при современном исполнении были бы в разы меньше!
Начать стоит с массы… не подрессореной массы паромобиля Chevrolet Chevelle. Известно, что уменьшение массы колес на один килограмм увеличивает мощность автомобиля примерно на 1%, а вот разница современных литых дисков с используемыми в 60-х стальными отличается на порядок.
Вес большинства автодисков различного типа в среднем варьируется в наше время так:
Штампованные стальные: от 4.5 (кг) до 12.40 (кг).
Литые из алюминиевого сплава: от 3.63 (кг) до 22.22 (кг).
Литые из магниевого сплава: от 2.3 (кг) до 9.2 (кг).
Кованые из алюминиевого сплава: от 3.58 (кг) до 11.51 (кг).
Далее если перейти к шинам, их размерности и сопротивлению качению машин 60-х последуют похожие цифры отличий. Для расчета можно исходить из простой зависимости где чем больше диаметр колеса, тем меньшим будет сопротивление качению. Известно, что плюс один сантиметр к диаметру колеса – это минус 1% от общего числа сопротивления качению. Состав шины современной и ее конструкция так же разительно отличается. В 60-х на Chevrolet Chevelle использовались диагональные шины у которых параметр сопротивления качению даже не рассматривался как параметр для исследований. А между тем сейчас доказано, что 5-15% топлива автомобиль расходует лишь на преодоление сопротивления качению!
Из прочих особенностей подсчета стоит учитывать еще углы развал-схождения колес, наличие карданной передачи от парового мотора и сопротивление подшипников колес Chevrolet Chevelle в сравнении с современными показателями.
Но все это если и даст экономию, то точно не сравняет ее с показателями 10 литров бензинового и электрического конкурента. Больше всего стоит обратить внимание на различия в показателях аэродинамики!
Стандартный коэффициент аэродинамического сопротивления машин 60-х годов около 0,50% что больше BMW и Tesla у которых 0, 23%! Значит применяя более обтекаемый современный кузов паромобиля можно рассчитывать на снижение расхода топлива уже до нескольких литров! Тем более что известно, что в теории в общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть расхода энергии.
Доказано, что сокращение коэффициента аэродинамического сопротивления всего на 2% приводит к экономии топлива на 1%.
Так при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) доля аэродинамического сопротивления движению достигает 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая!
Поэтому сочетая все современные методы экономии энергии движения при фактически том же моторе 20- годов прошлого столетия вполне можно рассчитывать в 2022 году на 11 — 12 литров на 100км расхода топлива! (Есть данные о переделанном на паровой привод Ford Falcon примерно того же года выпуска, что и Chevrolet Chevelle с расходом 22.5 мили на галлон или 10 литров на 100 км, но это слишком оптимистичная цифра без указания условий эксплуатации).
Разумеется при модернизации уже самого мотора эти цифры могут упасть еще на несколько литров и… мы получим расход BMW и Tesla. Неплохо да?
И эти расчеты в целом подтверждают факт практически одинакового КПД трех типов моторов при практическом отображении через расход топлива.
Впрочем, на этом преимущества паровой установки на автомобиле не заканчиваются.
2. Эффективность зимой
У ДВС традиционно расходы энергии в зимний период растут на 20 — 40%… что противоречит теории Карно о тепловых машинах, но достаточно легко объяснимо.
Затраты энергии расходуются на прогрев мотора и салона автомобиля. Причем сам прогрев вопреки мнению о том что «в движении мотор сам прогреется лучше» не прекращается до достижения требуемой температуры мотора из-за коррекции впрыска у инжекторных моторов (у карбюраторных все проще — коррекцией выступает та грань работоспособности двигателя когда он еще способен ехать, но уже глохнет периодически и приходится вручную регулировать обогащение смеси с помощью дополнительного перекрытия впуска).
Так же неизбежны затраты мотора до достижения номинальных температур из-за повышенной вязкости моторного масла, масла в КПП — редукторах и охлаждающей жидкости. Свою долю в постоянство потерь вносит и сам процесс перемещения автомобиля при более низких оборотах двигателя в потоке при котором средний КПД мотора так же падает.
Решение части проблем повышенного расхода топлива сейчас лежит в основном в области применения различных предпусковых подогревов (электрических и топливных), и иногда в использовании аккумуляторов тепла.
Более технологичным решением считается улучшение термоизоляционных характеристик пространства вокруг мотора(различные теплоизолирующие материалы, активные жалюзи перед радиатором) и внедрение сложной многоступенчатой поочередной системы прогрева агрегатов (Сначала ГБЦ, потом блок цилиндров или сначала мотор, а печку отапливает какое-то время электрический подогрев от аккумулятора). Но все эти меры служат лишь одной цели — сокращение потерь топлива.
Физику процессов обмануть нельзя, и несмотря на теоретические выводы о повышении КПД за счет большего перепада температур в двигателях внутреннего сгорания происходит всегда обратное.
У электромобилей зимние условия эксплуатации так же снижают КПД всей системы за счет повышенного расхода энергии.
Потери тут в основном за счет подогрева большой аккумуляторной батареи и сопутствующих устройств. А если учитывать еще определенные ограничения на рекуперацию энергии при недостаточно высокой температуре АКБ то неизбежен будет вывод об практически таком же 20 — 40 % снижении пробега по причине температурных ограничений.
Каков выход? Такой же, как у ДВС — улучшенная теплоизоляция, использование предпусковых топливных подогревателей и совершенствование процессов ступенчатого подогрева. Различия можно найти разве что в более широком использовании тепловых насосов в обогреве машины в определенных условиях.
Так по результатам испытаний ADAC тепловой насос, который часто используют для нагрева АКБ до оптимальной температуры (20-40 градусов) часто может вызывать повышенное энергопотребление, особенно заметное на меньших расстояниях. Однако во время более длинных поездок это приводит к повышению эффективности.
Однако если сравнивать с ДВС падение КПД стоит рассматривать менее неопределенным по причине отсутствия затрат на прогрев большого количества жидкости и стабильности характеристик по всей величине оборотов двигателя(который к тому же содержит значительно меньше пар трения).
И наконец паровой двигатель.
Схожим качеством с ДВС паровые моторы обладают за счет использования цикла Ренкина для работы, который практически идентичен циклу Карно.
В нем так же теоретически обосновывается повышение КПД за счет большего перепада температур, но при этом реальность совпадает с ДВС.
Расход топлива например у паровозов зимой не падает как часто ошибочно утверждают, а растет на 20 -40%. Причина этого повышенные теплопотери от самого котла и попутных линий передачи пара.
У паромобилей начала 20 века работающих по паровозной технологии наблюдались те же потери КПД.
Диаграмма устройства мотора Stanley.
Компенсация этих потерь была найдена за счет применения бросового тепла отработанного пара для подогрева воздуха и воды, примерно как это делают сейчас на современных электростанциях. Но выброс пара в атмосферу все равно происходил периодически по причине сложности соблюдения баланса производимого пара и требуемой на момент движения мощности. Лишний пар сбрасывался в атмосферу по тому же принципу как у автомобиля с ДВС срабатывает паровой клапан в системе охлаждения.
Однако низкие температуры зимой оказывали уже положительное влияние на этот процесс за счет улучшенного охлаждения конденсатора(радиатора) этих потерь было меньше.
Поэтому если в наше время повысить эффективность паровых моторов за счет таких же мер как у автомобилей с ДВС и электромотором, то можно впервые рассчитывать на эффект повышения КПД!
Ведь в отличие от конкурентов у парового мотора система охлаждения отвечает не за компенсацию потерь, а за рост КПД.
3. При низком атмосферном давлении
У ДВС в настоящем времени существует серьезные ограничения стабильности характеристик в зависимости атмосферного давления в районе использования мотора. В теории с каждым километром над уровнем моря двигатель теряет около 10 процентов мощности.
Мощность двигателя при подъеме машин на каждые 1000 м вплоть до высоты 3000 м снижается на 11-13 % из-за ухудшения наполнения цилиндров воздухом и переобогащения рабочей смеси, а расход топлива увеличивается на 10-12 % летом и на 20 % зимой.
Причем это далеко не равнозначная величина для всех ДВС. У дизельных моторов нехватка мощности дает еще больше рисков проблем работы мотора из-за нехватки нужного давления воздуха для воспламенения от сжатия.
А особенно критичным может быть «закипание» мотора на больших высотах(4000 — 5000 м), когда сниженное атмосферное давление может создать условия парообразования в тормозной системе и жидкости системы охлаждения. Причем датчик температуры может показывать нормальную температуру жидкостей, но высвобождение паров будет все равно происходить по причине сниженного сопротивления давления воздуха на жидкость.
Эти условия эксплуатации отличаются наибольшим снижением КПД ДВС и лишь применение нагнетателей воздуха и частично гибридных приводов способно удержать расход топлива в приемлемых рамках сейчас.
Электропривод у электромобилей испытывает похожие проблемы, но в значительно меньшем масштабе. Только значительно более низкие температуры высокогорных районов вносят свой вклад в снижение КПД электромобиля фактически ограничивая возможность использования рекуперации, и иногда переводя машину в «зимний режим» подогрева батареи. Процент падения КПД тут незначителен, и просто приведен как факт.
Паромобили… отличаются полностью обратной реакцией на сниженное атмосферное давление. Так как смещение границы начала парообразования наоборот повышает КПД парового привода расход топлива падает. Нехватка воздуха так же создает условия для худшей теплопередачи тепла наружу.
Паровозы имеющие как мы знаем низший КПД в теории в таких условиях становятся экономически выгодным транспортом который используют до сих пор в Латинской Америке и Швейцарии(после небольшой модернизации механической части и перехода на сжигание жидких нефтепродуктов). Им до сих пор нет равных по весу, экономичности и надежности в горных условиях эксплуатации.
Но что наиболее интересно — самолеты с паровым мотором начиная с высоты 2000 метров становятся так же конкурентноспособны с ДВС по КПД! Таким был единственный паровой биплан 30-х годов Travel Air 2000 созданный при помощи специалистов из Doble Steam Motors братьями Беслерами. Паролёт был оснащён двухцилиндровым V-образным паровым двигателем мощностью 150 л. с.
Бак емкостью около десяти галлонов (около 40 литров) позволял Airspeed 2000 пролететь 600 км.(Паровая машина имела вес 80 кг, но бак для воды с топкой весил 220 кг.)
Что по сути означало расход топлива около 15 литров на 100 км, как и у легкового паромобиля Doble 20-х годов. Возможно если не считать компоновки мотора все остальное так же было практически идентично.
При высотах более 2000 метров КПД продолжал расти, а расход снижался.
Может возникнуть закономерный вопрос, а причем тут автомобили с паровым приводом? А дело в том что высоты выше 2000 метров это стандарт для некоторых столиц. Так Мехико (Мексика) это 2240 м, Сана (Йемен) – 2250 м (Город с населением около 2 млн человек – один из старейших городов в мире), Тхимпху(Бутан) — 2400 м, Богота (колумбия) — 2625 м, Аддис-Абеба (Эфиопия) – 2355 м, Сукре (Боливия) — 2810 м. Многочисленные города и поселки стран с горными хребтами могут быть и выше этой отметки(у королевства Бутан более 50% территории выше 3000 м), а значит теоретически паровой автомобиль в этих регионах сможет показывать не меньший рост КПД чем у паровоза и самолета «на пару».