Что такое механический кпд двигателя

Велицко В.В.

Все применяемые в настоящее время термодинамические циклы, по которым работают серийно производимые тепловые двигатели, в частности – двигатели внутреннего сгорания (ДВС), требуют предварительного сжатия рабочего тела или горючей смести, перед тем, как к ним будет подведена или выделена из них энергия, в камере сгорания или, например, в паровом котле. Указанный принцип работы тепловых двигателей реализован в двигателях, работающих по таким циклам, как цикл Отто, циклы Дизеля или Тринклера, цикл Брайтона, по которому работают газотурбинные установки (ГТУ), или цикл Ренкина, по которому работают паросиловые установки. Недостатком данных циклов является то, что необходимая максимальная степень расширения продуктов или иного рабочего тела сгорания в процессе совершения работы, требует предварительного повышения давления, т.к. без этого КПД такого двигателя будет сопоставим с КПД двигателя Ленуара, работавшего без предварительного сжатия топливовоздушной смеси.

Данная проблема отчасти нашла решение в т.н. циклах с внутренними охлаждением – циклах Миллера и Аткинсона, степень расширения продуктов сгорания в которых превосходит степень предварительного сжатия топливовоздушной смеси. Однако данные двигатели (поршневые двигатели внутреннего сгорания – ПДВС) так и не смогли решить проблему эффективной теплоутилизации, т.к. отходящие газы ПДВС имеют высокую температуру, составляющую 400°С и более.

Наиболее остро проблема рекуперации энергии стоит в газотурбинных установках, которые, в связи с высокими коэффициентами избытка воздуха, составляющим 3 и более, требуют крайне эффективной утилизации тепла отходящих газов посредством рекуперативного теплообменника на подогрев воздуха за компрессором перед подачей воздуха в камеру сгорания. Это позволяет минимизировать расход горючего в камере сгорания двигателя.

Однако принципиально нерешенной является задача полной утилизации тепла отходящих газов по той причине, что в процессе сжатия как в компрессоре ГТУ, так и в цилиндре ПДВС, воздух нагревается до температуры в сотни градусов, что позволяет даже в противоточном рекуперативном теплообменнике передать свежему рабочему телу незначительную часть тепла отходящих газов. Вследствие этого мощные установки, такие как стационарные ГТУ или ПДВС комплектуются дополнительными паросиловыми ступенями, в которых используются различные теплоносители, начиная с воды и заканчивая фреонами, что позволяет, в соответствии с циклом Карно, снизить температуру отвода тепла вовне, а следовательно – увеличить общий механический КПД энергетического комплекса. Попытки объявить, что существенную роль играет коэффициент полезного использования (КПИ) топлива, составляющий в ДВС, в частности в ГТУ и ПДВС, до 90% и состоящий из механического КПД, составляющего до 40% у ГТУ и до 55% у ПДВС плюс КПД системы теплоутилизации, не обоснованы, т.к. в первую очередь важен именно механический КПД системы.

Например, в условиях России, разница между стоимостью автономно выработанной электроэнергии и теплом составляет порядка десяти крат, тогда как, например, в условиях Евросоюза, указанная разница трѐхкратно выше в пользу электроэнергии. В данной связи видно, что стоимость выработанной тепловой энергии, хотя и необходимо учитывать, но еѐ стоимость не является существенной, а для условий России – и пренебрежимо мала к стоимости выработанной механической мощности или выработанной электроэнергии.

Достигнутый механический КПД в 55% для тепловых двигателей простого цикла, какими являются как ПДВС, так и ГТУ является практически предельным и не может быть существенно улучшен с сохранение существующих термодинамических циклов. Некоторое улучшение КПД, как указано выше, путѐм усложнения эксплуатации и увеличения стоимости основных фондов возможен в бинарном цикле (парогазовый цикл) или в монарном цикле (впрыск воды в продукты сгорания), однако указанные циклы практически неприемлемы для маломощных стационарных и транспортных установок.

Решение слоившейся тупиковой ситуации с ростом КПД тепловых двигателей лежит в сфере разработки тепловых циклов двигателей, не требующих предварительного сжатия рабочего тела, что позволит эффективно утилизировать, практически все тепло отходящих газов и возвращать его в тепловой двигатель. Для решения данной задачи разработаны тепловые двигатели с конвейерными регенеративными установками, теоретически позволяющие достигать КПД, вплотную приближающийся к КПД цикла Карно для имеющихся условий, что позволяет получать максимальный эксергетический коэффициент. Недостатком предложенных регенеративных циклов является техническая нереализуемость, связанная как со сложностью изготовления, так и с большим числом нерешѐнных проблем, в частности – с невозможностью осуществлять эффективный газообмен в связи с отсутствием предварительного сжатия рабочего тела.

Предложенное решение по созданию бескомпрессионного ДВС представляет собой двигатель, в значительной степени базирующийся на стандартном оборудовании, таком как газовые турбины или модернизированные ПДВС. Принцип работы ДВС базируется на изменении энтальпии рабочего тела при глубокой рекуперации тепла, при которых не требуется предварительное сжатие рабочего тела, что позволяет снять ограничение КПД двигателя, обусловленное высокой температурой рабочего тела за нагнетателем (компрессором).

Предложенный двигатель реализует термодинамический цикл без предварительного сжатия рабочего тела, что позволяет при более высокой удельной массе двигателя, составляющей в зависимости от мощности 25-30 кг/кВт, реализовывать высокую степень рекуперации тепла, позволяющую осуществлять рабочий цикл практически с неизменным КПД более 50% вне зависимости от применяемых видов топлив.

Данная технология, имея высокую степень совместимости с производимым в настоящий момент оборудованием, может быть реализована на ГТУ и паротурбинных (ПТУ) ТЭЦ, что, в зависимости от режимов работы ГТУ и ПТУ установок может позволить получить увеличение механического КПД на 2-4%. Практическое освоение предложенной технологии бескомпрессионных ДВС с применением классических компонентов современных ГТУ и ПТУ может быть реализовано в период 10-15 мес. после начала финансирования

Понятие «КПД двигателя»

Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.

В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.

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

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

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

Формула КПД электродвигателя

Асинхронный двигатель и стирлинг

Сегодня на рынке представлены асинхронные машины, большей частью которых являются элетрические. Асинхронный механизм преобразовывает электрическую энергию в механическую.

Основные их достоинства:

• простота изготовления и относительно низкая стоимость;
• высокая надежность;
• эксплуатационные затраты небольшие.

Формула кпд рассчитывается следующим образом: η = P2 / P1 = (P1 — (Pоб – Pс – Pмх – Pд)) / P1, где Роб =Pоб1 + Роб2 – общие потери в обмотках асинхронного мотора. Для большинства современных механизмов такого типа, коэффициент достигает 80 – 90%.

• Еще одним двигателем внутреннего сгорания, который может работать от любого источника тепла, является двигатель Стирлинга.
• Следует учесть, что такие механизмы используют на космических аппаратах и современных подводных лодках.
• Он работает при любых температурах, не требует дополнительных систем для запуска, при этом их коэффициент полезного действия выше на 50-70, чем обычных двигателей.

Максимальное значение кпд идеального двигателя

Как найти кпд двигателя, чье значение было бы идеальным и равнялось 100%. Возможно ли такое? Ответ на этот вопрос дал еще в 1824 г. инженер С. Карно. В своих разработках он придумал идеальную машину, где формула кпд теплового двигателя выглядит так: η=(T1 — Т2)/ T1.

В результате было выяснено, что достичь 100% коэффициента можно лишь в том случае, если температура охладителя будет равна абсолютному нулю, а это невозможно, поскольку она не может быть ниже температуры воздуха.

Как повысить КПД?

Повышение этого значения – важная техническая задача. Теоретически его можно повысить за счет снижения трения деталей двигателя, уменьшения теплопотерь. В дизелях это достигается за счет турбонаддува. В этом случае уровень полезной энергии возрастает до 50%.

Как видим, КПД двигателя полностью зависит от его типа и конструкции. Ученые же считают, что будущее за электрическими вариантами, поэтому изобретение идеального механизма – вопрос будущего.

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.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнивать между собой КПД бензинового и дизельного двигателя, то следует отметить, что первый из них недостаточно эффективен и преобразует в полезное действие всего 25-30 % произведенной энергии. Например, КПД стандартного дизеля достигает 40 %, а применение турбонаддува и промежуточного охлаждения повышает это значение до 50 %.

Оба двигателя, несмотря на схожесть конструкции, имеют различные виды смесеобразования. Поэтому поршни карбюраторного мотора работают при более высоких температурах, требующих качественного охлаждения. Из-за этого тепловая энергия, которая могла бы превратиться в механическую, рассеивается без всякой пользы, понижая общее значение КПД.

Тем не менее, для того чтобы повысить КПД бензинового двигателя, принимаются определенные меры. Например, на один цилиндр могут устанавливаться два впускных и выпускных клапана, вместо конструкции, когда размещается один впускной и один выпускной клапан. Кроме того, в некоторых двигателях на каждую свечу устанавливается отдельная катушка зажигания. Управление дроссельной заслонкой во многих случаях осуществляется с помощью электропривода, а не обыкновенным тросиком.

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.

Чего не делать

— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.

Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.

Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.

— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%.

— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.

А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.