Что такое коэффициент полезного действия двигателя
Автомобилисты нечасто задаются вопросом о КПД мотора, установленного на их машине. Отнюдь не факт, что, узнав его значение, они сильно обрадуются… Итак, что же такое коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания?
Shutterstock / VOSTOCK Photo
Начнем с определения. Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания – характеристика, которая свидетельствует об эффективности агрегата. Это отношение полезной энергии к полной затраченной в процентном отношении. Другими словами, речь идет о результате преобразования тепловой энергии, получаемой при сгорании топливно-воздушной смеси, в механическую. Казалось бы, КПД должен быть высоким! Не зря же производители почти повсеместно внедрили непосредственный впрыск топлива, турбонагнетатели и выжимают солидную мощность из сравнительно компактных установок? Для сравнения, в недалеком прошлом атмосферные 2,0-литровые агрегаты развивали 140-150 л.с., а сейчас подобной отдачей могут похвастаться двигатели объемом 1,5 л, но с наддувом.
Значения КПД бензиновых и дизельных двигателей
Тем удивительнее то, что данный параметр для бензиновых агрегатов со всеми их высокотехнологичными ухищрениями равен… 20-25%. Львиная доля энергии, полученная при сгорании топлива, расходуется непосредственно на потери и лишь малая часть непосредственно на полезную работу двигателя внутреннего сгорания. У дизельных моторов картина не в пример лучше коэффициент полезного действия атмосферных моторов находится на уровне 40% и достигает 50% и более при наличии турбонагнетателя, который используется повсеместно и превращает ДВС более эффективную установку.
Потери бензинового двигателя
Существует целый ряд причин, почему коэффициент полезного действия ДВС находится на столь невысоком уровне. В случае с бензиновыми агрегатами примерно 25% потерь КПД приходится на топливную эффективность из-за того, что топливно-воздушная смесь сгорает не полностью. На тепловые потери расходуется около 35% – огромное количество тепла, которое выделяет двигатель и есть те самые потери энергии, поскольку для получения тепла требуется энергия.
Порядка 20% тратится на механические потери или, проще говоря, потери на трение внутренних частей двигателя, а также на привод дополнительного навесного оборудования, к которому относится генератор, кондиционер, помпа системы охлаждения и другие агрегаты. Как видите, причина весьма низкого КПД бензиновых агрегатов кроется в больших тепловых и механических потерях, возникающих в процессе работе установок данного типа.
Интересно, что снижение последних в ряде случаев привело к снижению надежности ДВС и эта тенденция особенно заметна в моторах последних поколений. Такие компоненты как поршни, шейки коленвалов и звенья цепей газораспределительного механизма стали компактнее, миниатюрнее. А более жидкие масла при сниженном давлении должны снизить потери на трение в подшипниках и энергетические затраты на смазку.
Потери дизельного двигателя
Противники моторов на «тяжелом топливе», не жалующие их за вибрации, шумность, особенности моментной характеристики (солидный крутящий момент доступен на низких и средних оборотах, но при этом дизели «крутятся» довольно неохотно) и, самое главное, за риск столкнуться с невозможностью запуска зимой из-за замерзшей солярки, наверняка удивятся, узнав о двукратном превосходстве в коэффициенте полезного действия перед бензиновой когортой. Объяснение этому явлению кроется в другом принципе формирования топливно-воздушной смеси и том, как именно происходит ее воспламенение.
У дизельного агрегата нет свечей зажигания, а смесь воспламеняется при очень высокой степени сжатия, которая позволяет превзойти по КПД бензиновые агрегаты. Сперва в камеру сгорания подается воздух, а затем в самом конце такта сжатия происходит впрыск топлива – смесь горит при более высокой температуре и максимально полноценно. Таким образом, у дизельного ДВС заметно меньше расход топлива при существенно более высоком значении крутящего момента и это считается одним из ключевых преимуществ агрегатов данного типа.
Следует отметить, что причина сравнительно низкого коэффициента полезного действия бензиновых моторов и, соответственно, более высокого значения, демонстрируемого дизельными двигателями внутреннего сгорания, кроется также в видах топлива и их энергетической составляющей. Процесс горения солярки, которая состоит из более тяжелых углеводородов, сопровождается большим количеством выделяемого тепла, эффективнее преобразующегося в механическую работу.
У какого двигателя самый высокий коэффициент полезного действия?
И, конечно, возникает вопрос, существует ли идеальный агрегат, демонстрирующий если не стопроцентный коэффициент полезного действия, то как минимум приближающийся к этой величине? Ответ положительный – столь высокой эффективностью может похвастаться электрический мотор, КПД которого доходит до 90-95%. Экологически чистые силовые установки активно пробивают себе дорогу в будущее и это касается не только автомобильной, но и мотоциклетной промышленности.
У какого двигателя самый высокий кпд
Конференция в Цзинань
16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущая в области двигателестроения в Китае, во главе с председателем Таном Сюйгуаном – провели пресс-конференцию в г. Цзинань провинция Шаньдун. В ходе которой было официально объявлено о выпуске первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50%.
На конференции немецкая TÜV SÜD (всемирная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайский исследовательский центр автомобильных технологий» вручили корпорации Weichai сертификат, подтверждающий, что эффективный КПД нового дизельного двигателя WP13H560E65 превысил 50,26%.
Эффективный КПД – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность, а уровень выбросов ниже. С 1897 года, когда впервые был успешно использован двигатель внутреннего сгорания, и за сто лет модернизации и технологических инноваций эффективный КПД дизельного топлива вырос с 26% до 46%. На сегодняшний день с постоянным ужесточением нормативов выбросов, процесс роста эффективного КПД значительно замедлился. Данная проблема стала общемировой технологической трудностью в отрасли двигателестроения.
Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период корпорация накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно совершенствует ключевые технологии. За последние 10 лет корпорация инвестировала 4,5 миллиардов долларов, привлекла более 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов со всего мира, более 3000 исследователей для участия в разработках. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан в Китае корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более 1 миллиона единиц двигателей.
Последние несколько лет корпорация Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению эффективного КПД. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, которая осуществляла огромное количество моделирований и стендовых испытаний, изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение эффективного КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва. Были разработаны пять специальных технологий – технология согласованного сгорания, технология согласованного проектирования, технология распределения энергии выхлопа, технология зонирования смазки и технология интеллектуального управления. Благодаря этим технологиям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности, низких потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления. Это позволило создать двигатель с эффективным КПД выше 50%.
Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.
Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении сгорания. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.
Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.
Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.
Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.
Рост эффективного КПД выше отметки в 50% является революцией в мировом развитии двигателестроения. Свои поздравления в достижении корпорацией Weichai этого исторического прорыва выразили: немецкая корпорация Bosch, австрийская AVL, немецкая FEV, американское Сообщество инженеров-автомехаников, Китайская ассоциация машиностроения, Китайская ассоциация промышленности двигателей внутреннего сгорания, другие авторитетные организации и специалисты.
Корпорация Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с эффективным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться соответствия требованиям уровня выбросов, соответствующих национальному стандарту G6/EU-VI, первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты по отрасли указывают на то, что повышение эффективного КПД с предыдущего уровня с 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и снизить уровень выбросов CO2 на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов СО2 на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом для решения экологических проблем.
Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50% ознаменовало выход китайских технологий тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке двигателя корпорация Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил также о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с эффективным КПД 55%!
У Nissan появился чудо-двигатель с огромным КПД
Компания Nissan рассказала о своей новой разработке — технологии, благодаря которой термический КПД двигателя внутреннего сгорания увеличен до 50%, в то время как средний показатель в автомобилестроении составляет 40%.
Концепция получила название STARC: Strong, Tumble & Appropriately Stretched Robust Ignition Channel. Если говорить по-русски, то это усиленный поток обеднённой топливовоздушной смеси, которая сгорает при повышенной степени сжатия за счёт более «длинной» искры.
Однако получение 50-процентного КПД возможно только при выполнении одновременно трёх условий: постоянное число оборотов, постоянная нагрузка и технологии рекуперации тепла.
Пока концепция STARC реализована в составе гибридной силовой установки e-Power, в которой ДВС, как известно, выступает исключительно в роли генератора. В Nissan уверены, что новые технологии смогут стать серийными в течение ближайших нескольких лет.
У какого двигателя самый большой КПД?
КПД 100% — это вечный двигатель, в возможность которого ученые отказываются верить. Но человеческий ум продолжает биться над этой загадкой, хотя и меньше чем над средством от облысения. Как далеко ученые продвинулись в изобретении вечного двигателя?
2 Интересно
- Виктория Евшенко
- 22. Сверхразум (176994)
- 6 месяцев
Пользователь
Электрический тип двигателя на данный момент является наиболее эффективным. Его КПД достигает 90-95%. Это очень высокий показатель, особенно, если сравнивать его с эффективностью бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания. Их КПД колеблется в пределах 20-25%. Ну, а создать вечный двигатель ученые пока не в состоянии, потому что по их наблюдениям работа такого двигателя противоречила бы первому или второму закону термодинамики.
5 Нравится Комментировать
Лучший ответ выбран модератором
Другие ответы (6)
- Master
- 22. Сверхразум (216693)
- 8 месяцев
Век живи-век совершенствуйся!
0 Нравится Комментировать
- Виктория
- 15. Конфуций (9876)
- 6 месяцев
Пользователь
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.
2 Нравится Комментировать
- Катя Маркина-Комарова
- 22. Сверхразум (36472)
- 6 месяцев
Пользователь
Если ответить буквально в двух словах, то самый большой КПД будет именно у электрического двигателя. А вот непосредственно электродвигатели бывают разными. Например, есть электродвигатели постоянного тока, имеющие якорь на постоянных магнитах.
1 Нравится Комментировать
- Владислав
- 22. Сверхразум (43430)
- 6 месяцев
Уже разбираюсь в вашем вопросе!
По текущему уровню научного и технологического развития, нет двигателя с КПД 100%. В любом двигателе происходят потери энергии в виде тепла, трения и других факторов, что не позволяет достичь идеального КПД. Однако, существуют энергетически эффективные двигатели, такие как электрические двигатели, которые имеют КПД более 90%. Но они используются в различных условиях и не могут заменить все типы двигателей. Поэтому на данный момент вечного двигателя не существует.
5 Нравится Комментировать
- Кристина Полякова
- 22. Сверхразум (22282)
- 6 месяцев
Пользователь
Наиболее эффективным считается электрический тип силового агрегата. Дело в том, что его КПД способен достигать 90-95 %. При этом двигатели внутреннего сгорания, будь то бензин или дизель, по этому значению далеки от идеала.
2 Нравится Комментировать
- Ирина М.
- 16. Просветленный (10572)
- 6 месяцев
Пользователь
Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип двигателя, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания — у дизеля или бензинового, они пока что далеки от идеала.