КПД тепловых двигателей — это соотношение между общей энергией , содержащейся в топливе , и количеством энергии, затраченной на совершение полезной работы. Существует две классификации тепловых двигателей:
Каждый из этих двигателей имеет уникальные характеристики теплового КПД .
Эффективность двигателя, конструкция трансмиссии и конструкция шин способствуют топливной экономичности автомобиля .
КПД двигателя определяется как отношение совершенной полезной работы к выделяемому теплу.
где – поглощенное тепло и совершенная работа.
Обратите внимание, что термин « совершенная работа» относится к мощности, передаваемой на сцепление или карданный вал .
Это означает, что трение и другие потери вычитаются из работы, совершаемой термодинамическим расширением. Таким образом, двигатель, не передающий никакой работы во внешнюю среду, имеет нулевой КПД.
процент эффективности двигателя внутреннего сгорания - это сопротивление воздуха внутри внутренних движущихся частей двигателя... внутренняя турбулентность, вызывающая сопротивление воздуха во время работы... не все из-за тепла, а скорее сопротивление воздуха в движущихся частях, вызывающее большие потери энергии.
в поддоне требуется непрерывная вакуумная система, чтобы воздух не вызывал сопротивления воздуха в кривошипной камере. коробка передач также может выиграть от снижения трения и турбулентности воздуха.
-Кристофер Перкинс
КПД двигателей внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является степень расширения. Для любой тепловой машины работа, которую можно из нее извлечь, пропорциональна разнице между начальным и конечным давлением во время фазы расширения. Следовательно, увеличение пускового давления является эффективным способом увеличения извлекаемой работы (снижение конечного давления, как это делается в паровых турбинах путем выхлопа в вакуум, также эффективно).
Степень сжатия (рассчитанная исключительно на основе геометрии механических частей) типичного бензина (бензина) составляет 10:1 ( топливо премиум-класса ) или 9:1 (обычное топливо), при этом в некоторых двигателях степень сжатия достигает 12:1 и более. . Чем больше степень расширения, тем более эффективен двигатель в принципе, а обычным двигателям с более высокой степенью сжатия/расширения в принципе требуется бензин с более высоким октановым числом, хотя этот упрощенный анализ осложняется разницей между фактической и геометрической степенью сжатия. Высокое октановое число препятствует склонности топлива к почти мгновенному сгоранию (известному как детонация или детонация ) при высокой степени сжатия/высоком нагреве. Однако в двигателях, в которых используется сжатие, а не искровое зажигание, за счет очень высоких степеней сжатия (14–25: 1), таких как дизельный двигатель или двигатель Бурка , высокооктановое топливо не требуется. Фактически, топливо с более низким октановым числом, обычно оцениваемое по цетановому числу , предпочтительнее в этих целях, поскольку оно легче воспламеняется при сжатии.
В условиях частичного открытия дроссельной заслонки (т. е. когда дроссельная заслонка открыта не полностью) эффективная степень сжатия меньше, чем при работе двигателя на полностью открытой дроссельной заслонке, из-за того простого факта, что поступающая топливно-воздушная смесь ограничена и не может заполниться. камере до полного атмосферного давления. КПД двигателя меньше, чем при работе двигателя на полном газу. Одним из решений этой проблемы является перенос нагрузки в многоцилиндровом двигателе с некоторых цилиндров (путем их отключения) на оставшиеся цилиндры, чтобы они могли работать при более высоких отдельных нагрузках и с, соответственно, более высокой эффективной степенью сжатия. Этот метод известен как переменное смещение .
Большинство бензиновых (бензин, цикл Отто ) и дизельных ( дизельный цикл ) двигателей имеют степень расширения, равную степени сжатия . Некоторые двигатели, использующие цикл Аткинсона или цикл Миллера, достигают повышенной эффективности за счет того, что степень расширения превышает степень сжатия.
Дизельные двигатели имеют степень сжатия/расширения от 14:1 до 25:1. В этом случае общее правило более высокого КПД за счет более высокой степени сжатия не применяется, поскольку дизели со степенью сжатия более 20:1 являются дизелями с непрямым впрыском (в отличие от прямого впрыска). В них используется предкамера, позволяющая работать на высоких оборотах, необходимых в легковых автомобилях и легких грузовиках. Тепловые и газодинамические потери в форкамере приводят к тому, что дизели с непосредственным впрыском (несмотря на более низкую степень сжатия/расширения) становятся более эффективными.
Двигатель имеет множество движущихся частей, которые создают трение . Некоторые из этих сил трения остаются постоянными (пока приложенная нагрузка постоянна); некоторые из этих потерь на трение увеличиваются по мере увеличения скорости двигателя, например, силы со стороны поршня и силы соединительного подшипника (из-за увеличения сил инерции колеблющегося поршня). Некоторые силы трения уменьшаются при более высокой скорости, например, сила трения на кулачках кулачка , используемая для управления впускными и выпускными клапанами ( инерция клапанов на высокой скорости имеет тенденцию оттягивать толкатель кулачка от кулачка). Наряду с силами трения работающий двигатель имеет насосные потери — работу, необходимую для перемещения воздуха в цилиндры и из них. Эти потери на насосе минимальны на низкой скорости, но увеличиваются примерно пропорционально квадрату скорости, пока при номинальной мощности двигатель не будет использовать около 20% общей вырабатываемой мощности для преодоления потерь на трение и насосных потерь.
В воздухе примерно 21% кислорода . Если кислорода для правильного сгорания недостаточно, топливо не сгорит полностью и будет производить меньше энергии. Чрезмерно богатое соотношение топлива и воздуха приведет к увеличению количества несгоревших углеводородных загрязняющих веществ в двигателе. Если весь кислород израсходован из-за слишком большого количества топлива, мощность двигателя снижается.
Поскольку температура сгорания имеет тенденцию повышаться при более бедных топливно-воздушных смесях, несгоревшие углеводородные загрязняющие вещества должны быть сбалансированы с более высокими уровнями загрязняющих веществ , таких как оксиды азота ( NOx ), которые образуются при более высоких температурах сгорания. Иногда это можно уменьшить, вводя топливо перед камерой сгорания для охлаждения поступающего воздуха за счет испарительного охлаждения. Это может увеличить общий заряд, поступающий в цилиндр (поскольку более холодный воздух будет более плотным), что приведет к увеличению мощности, но также к более высокому уровню углеводородных загрязнителей и снижению уровня загрязняющих веществ оксидов азота. При прямом впрыске этот эффект не столь значителен, но он может достаточно охладить камеру сгорания, чтобы уменьшить количество некоторых загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx), и одновременно повысить уровень других, таких как частично разложившиеся углеводороды.
Топливно-воздушная смесь всасывается в двигатель, поскольку движение поршней вниз создает частичный вакуум. Дополнительно можно использовать компрессор для подачи большего заряда (принудительная индукция) в цилиндр для производства большей мощности. Компрессор имеет либо наддув с механическим приводом , либо турбонаддув с приводом от выхлопных газов . В любом случае, принудительная индукция увеличивает давление воздуха снаружи во впускном отверстии цилиндра.
Есть и другие методы увеличения количества кислорода внутри двигателя; один из них — впрыск закиси азота (N 2 O) в смесь, а в некоторых двигателях используется нитрометан — топливо, которое обеспечивает сам кислород, необходимый для сгорания. По этой причине смесь могла состоять из 1 части топлива и 3 частей воздуха; таким образом, можно сжечь больше топлива внутри двигателя и получить более высокую выходную мощность.
Поршневые двигатели на холостом ходу имеют низкий тепловой КПД, поскольку единственная полезная работа, передаваемая двигателем, — это генератор.
На низких скоростях бензиновые двигатели теряют эффективность при малых открытиях дроссельной заслонки из-за высокой турбулентности и потерь на трение (напор), когда входящий воздух должен пробиться вокруг почти закрытой дроссельной заслонки (потеря насоса); Дизельные двигатели не страдают от этой потери, поскольку входящий воздух не дросселируется, но страдают от «потери сжатия» из-за использования всего заряда для сжатия воздуха до небольшой выходной мощности.
На высоких скоростях эффективность двигателей обоих типов снижается из-за потерь на перекачку и механического трения, а также из-за более короткого периода, в течение которого должно происходить сгорание. Высокие скорости также приводят к увеличению сопротивления.
Современные бензиновые двигатели имеют максимальный тепловой КПД более 50%, [1] но у большинства автомобилей, разрешенных к использованию на дорогах, этот показатель составляет всего лишь от 20% до 40%, когда они используются в качестве привода автомобиля. [2] [3] [4] [5] Многие двигатели будут способны работать с более высоким тепловым КПД, но за счет более высокого износа и выбросов. [6] Другими словами, даже когда двигатель работает в точке максимального термического КПД, из общей тепловой энергии, выделяемой при потреблении бензина , около 60-80% общей мощности выделяется в виде тепла, не превращаясь в полезную работу. , то есть проворачивая коленвал. [7] Примерно половина этого отводимого тепла уносится выхлопными газами, а половина проходит через стенки цилиндров или головку блока цилиндров в систему охлаждения двигателя и передается в атмосферу через радиатор системы охлаждения. [8] Некоторая часть произведенной работы также теряется из-за трения, шума, турбулентности воздуха и работы, используемой для вращения оборудования и приборов двигателя, таких как водяные и масляные насосы и электрический генератор , оставляя только около 20-40% высвободившейся энергии. по израсходованному топливу, доступному для движения транспортного средства.
Бензиновый двигатель сжигает смесь бензина и воздуха, состоящую из двенадцати-восемнадцати частей (по весу) воздуха на одну часть топлива (по весу). Смесь с соотношением воздух/топливо 14,7:1 является стехиометрической , то есть при сгорании расходуется 100% топлива и кислорода . [ нужна цитата ] Смеси с немного меньшим количеством топлива, называемые сжиганием обедненной смеси, более эффективны. Сгорание — это реакция, в которой кислород, содержащийся в воздухе, смешивается с топливом, представляющим собой смесь нескольких углеводородов , в результате чего образуются водяной пар , углекислый газ , а иногда и окись углерода и частично сгоревшие углеводороды. Кроме того, при высоких температурах кислород имеет тенденцию соединяться с азотом , образуя оксиды азота (обычно называемые NOx , поскольку количество атомов кислорода в соединении может варьироваться, отсюда и нижний индекс «X»). Эта смесь, наряду с неиспользованным азотом и другими микроэлементами атмосферы , содержится в выхлопных газах .
Наиболее эффективным циклом является цикл Аткинсона, но большинство производителей бензиновых двигателей используют цикл Отто для повышения мощности и крутящего момента. В некоторых конструкциях двигателей, таких как Skyactiv-G компании Mazda и некоторые гибридные двигатели, разработанные Toyota, используются циклы Аткинсона и Отто вместе с электродвигателем/генератором и тяговой аккумуляторной батареей. Гибридная трансмиссия может достичь эффективности, близкой к 40%.
Двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны, хотя сам дизельный цикл менее эффективен при равных степенях сжатия. Поскольку в дизельных двигателях используются гораздо более высокие степени сжатия (теплота сжатия используется для воспламенения медленно сгорающего дизельного топлива ), эта более высокая степень более чем компенсирует потери при перекачке воздуха в двигателе.
Современные турбодизельные двигатели используют систему впрыска топлива Common Rail с электронным управлением для повышения эффективности. С помощью геометрически изменяемой системы турбонаддува (хотя и требующей большего обслуживания) это также увеличивает крутящий момент двигателей на низких оборотах (1200–1800 об/мин). Низкооборотные дизельные двигатели, такие как MAN S80ME-C7, достигли общего КПД преобразования энергии 54,4%, что является самым высоким показателем преобразования топлива в мощность среди всех однотактных двигателей внутреннего или внешнего сгорания . [9] [10] [11] Двигатели больших дизельных грузовиков, автобусов и новых дизельных автомобилей могут достигать пикового КПД около 45%. [12]
Газовая турбина наиболее эффективна при максимальной выходной мощности, точно так же, как поршневые двигатели наиболее эффективны при максимальной нагрузке. Разница в том, что при более низкой скорости вращения давление сжатого воздуха падает, и, следовательно, резко падает тепловая и топливная эффективность . КПД неуклонно снижается с уменьшением выходной мощности и очень низок в диапазоне низких мощностей.
General Motors в свое время производила автобус с газовой турбиной, но из-за роста цен на сырую нефть в 1970-х годах от этой концепции отказались. Rover , Chrysler и Toyota также построили прототипы автомобилей с турбинными двигателями. Chrysler построил короткую серию их прототипов для реальной оценки. Комфорт вождения был хорошим, но в целом экономичности не хватало по причинам, упомянутым выше. Именно поэтому газовые турбины можно использовать для электростанций постоянной и пиковой мощности. В этом приложении они работают на полной мощности или близкой к ней только там, где они эффективны, или отключаются, когда в них нет необходимости.
Газовые турбины имеют преимущество в удельной мощности — газовые турбины используются в качестве двигателей в тяжелой бронетехнике и бронетанках, а также в качестве генераторов энергии в реактивных истребителях.
Еще одним фактором, отрицательно влияющим на эффективность газовой турбины, является температура окружающего воздуха. С повышением температуры всасываемый воздух становится менее плотным, и поэтому в газовой турбине возникают потери мощности, пропорциональные повышению температуры окружающего воздуха. [13]
Газотурбинные двигатели последнего поколения достигли КПД 46% в простом цикле и 61% при использовании в комбинированном цикле . [14]
Паровые двигатели и турбины работают по циклу Ренкина , максимальный КПД Карно для практических двигателей составляет 63%, а паротурбинные электростанции могут достигать КПД в среднем диапазоне 40%.
КПД паровых двигателей в первую очередь связан с температурой и давлением пара, а также количеством ступеней или расширений . [15] КПД парового двигателя повысился по мере открытия принципов его работы, что привело к развитию науки термодинамики . См. график: КПД парового двигателя.
В самых ранних паровых двигателях котел считался частью двигателя. Сегодня они считаются отдельными, поэтому необходимо знать, является ли заявленный КПД общим, включая котел, или только двигателя.
Сравнение эффективности и мощности первых паровых двигателей затруднено по нескольким причинам: 1) не существовало стандартного веса бушеля угля, который мог составлять от 82 до 96 фунтов (от 37 до 44 кг). 2) Не существовало стандартной теплотворной способности угля и, вероятно, не было способа измерить теплоту сгорания. Угли имели гораздо более высокую теплотворную способность, чем современные энергетические угли: иногда упоминается 13 500 БТЕ/фунт (31 мегаджоуль/кг). 3) Эффективность указывалась как «обязанность», то есть сколько футо-фунтов (или ньютон-метров) рабочей подъемной воды было произведено, но эффективность механической откачки неизвестна. [15]
Первый поршневой паровой двигатель, разработанный Томасом Ньюкоменом около 1710 года, имел КПД чуть более половины процента (0,5%). Он работал с паром при давлении, близком к атмосферному, всасываемым в цилиндр под нагрузкой, а затем конденсируемым распылением холодной воды в цилиндр, заполненный паром, вызывая частичный вакуум в цилиндре и давление атмосферы, толкающее поршень вниз. Использование цилиндра в качестве сосуда для конденсации пара также приводило к охлаждению цилиндра, так что часть тепла входящего пара в следующем цикле терялась на нагрев цилиндра, что снижало тепловой КПД. Усовершенствования, внесенные Джоном Смитоном в двигатель Ньюкомена, увеличили эффективность до более чем 1%.
Джеймс Уатт внес в двигатель Ньюкомена несколько усовершенствований , наиболее значительным из которых стал внешний конденсатор, не позволявший охлаждающей воде охлаждать цилиндр. Двигатель Уатта работал на пару при давлении немного выше атмосферного. Усовершенствования Уатта увеличили эффективность более чем в 2,5 раза. [16] Отсутствие общих механических способностей, включая квалифицированных механиков, станков и методов производства, ограничивало эффективность реальных двигателей и их конструкции примерно до 1840 года. [17]
Двигатели более высокого давления были разработаны Оливером Эвансом и Ричардом Тревитиком , работавшими независимо. Эти двигатели были не очень эффективны, но имели высокую удельную мощность , что позволяло использовать их для привода локомотивов и лодок.
Центробежный регулятор , который впервые был использован Уоттом для поддержания постоянной скорости, работал за счет дросселирования входящего пара, что снижало давление, что приводило к потере эффективности двигателей с высоким (выше атмосферного) давлением. [18] Более поздние методы контроля уменьшили или устранили эту потерю давления.
Усовершенствованный клапанный механизм парового двигателя Корлисса (патент. 1849 г.) позволял лучше регулировать скорость при изменении нагрузки и повышал эффективность примерно на 30%. Двигатель Corliss имел отдельные клапаны и коллекторы для впускного и выхлопного пара, поэтому горячий подаваемый пар никогда не контактировал с более холодными выпускными отверстиями и клапанами. Клапаны были быстродействующими, что уменьшало степень дросселирования пара и приводило к более быстрому реагированию. Вместо управления дроссельным клапаном регулятор использовался для регулировки фаз газораспределения, чтобы обеспечить переменное отключение пара. Переменная отсечка в значительной степени обеспечила повышение эффективности двигателя Корлисса. [19]
У других до Корлисса была хотя бы часть этой идеи, в том числе Захария Аллен , который запатентовал переменное отсечение, но отсутствие спроса, увеличение стоимости и сложности, а также плохо развитая технология обработки отложили внедрение до Корлисса. [19]
Высокоскоростной двигатель Портера-Аллена (около 1862 г.) работал со скоростью, в три-пять раз превышающей скорость других двигателей аналогичного размера. Более высокая скорость свела к минимуму количество конденсата в цилиндре, что привело к повышению эффективности. [19]
Составные двигатели дали дальнейшее повышение эффективности. [19] К 1870-м годам на кораблях использовались двигатели тройного расширения. Составные двигатели позволяли судам перевозить меньше угля, чем грузов. [20] Составные двигатели использовались на некоторых локомотивах, но не получили широкого распространения из-за их механической сложности.
Очень хорошо спроектированный и построенный паровоз в свои лучшие времена имел КПД около 7-8%. [21] Наиболее эффективной конструкцией поршневого парового двигателя (на каждую ступень) был прямоточный двигатель , но к тому времени, когда он появился, пар был вытеснен дизельными двигателями, которые были еще более эффективными и имели преимущества, заключающиеся в меньших затратах рабочей силы (для обработки угля). и смазка), поскольку является более плотным топливом и вытесняет меньше груза.
Используя статистику, собранную в начале 1940-х годов, железная дорога Санта-Фе измерила эффективность своего парка паровозов по сравнению с локомотивами FT, которые они только что вводили в эксплуатацию в значительном количестве. Они определили, что стоимость тонны нефтяного топлива, используемого в паровых двигателях, составляла 5,04 доллара, а средняя протяженность системы составляла 20,37 железнодорожных миль. Дизельное топливо стоило 11,61 доллара, но расход топлива составлял 133,13 железнодорожных миль на тонну. Фактически, дизели проезжали в шесть раз дольше, чем пароходы, использующие топливо, которое стоило лишь вдвое дороже. Это произошло из-за гораздо лучшего теплового КПД дизельных двигателей по сравнению с паровыми. Предположительно, поезда, используемые в качестве стандарта пробега, имели грузоподъемность 4000 тонн, что было обычным тоннажем (так в оригинале) в то время.
— Джим Валле, «Насколько эффективен паровой двигатель?» [21]
Паровая турбина является наиболее эффективной паровой машиной и по этой причине повсеместно используется для выработки электроэнергии. Расширение пара в турбине происходит практически непрерывно, что делает турбину сравнимой с очень большим количеством ступеней расширения. Паровые электростанции, работающие в критической точке, имеют КПД в диапазоне около 40%. Турбины производят прямое вращательное движение, они гораздо более компактны, весят намного меньше, чем поршневые двигатели, и могут управляться с очень постоянной скоростью. Как и в случае с газовой турбиной, паровая турбина наиболее эффективно работает на полной мощности и плохо на малых оборотах. По этой причине, несмотря на высокое соотношение мощности и веса, паровые турбины в основном используются там, где они могут работать с постоянной скоростью. При производстве электроэнергии переменного тока для поддержания правильной частоты необходимо поддерживать чрезвычайно постоянную скорость турбины.
Двигатель Стирлинга имеет самый высокий теоретический КПД среди всех тепловых двигателей, но у него низкое соотношение выходной мощности к весу, поэтому двигатели Стирлинга практической мощности, как правило, имеют большие размеры. Размерный эффект двигателя Стирлинга обусловлен его зависимостью от расширения газа при повышении температуры и практическими ограничениями на рабочую температуру компонентов двигателя. Для идеального газа, увеличивая его абсолютную температуру для данного объема, пропорционально увеличивается и его давление, поэтому там, где низкое давление двигателя Стирлинга является атмосферным, его практический перепад давлений ограничен температурными пределами и обычно составляет не более пары атмосфер, что делает давление в поршнях двигателя Стирлинга очень низким, поэтому для получения полезной выходной мощности требуются относительно большие площади поршней.
ПОСЛЕДНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БОГАТСТВА И БЛАГОСОСТОЯНИЕ ОБЩЕСТВА.
