КПД двигателя - Engine efficiency

КПД двигателя теплового двигатели это отношение между общей энергия содержится в топливо, и количество энергии, используемой для выполнения полезной работы. Есть две классификации тепловых двигателей:

  1. Внутреннее сгорание (бензин, дизель и газовая турбина -Цикл Брайтона двигателей) и
  2. Двигатели внешнего сгорания (паровой поршень, паровая турбина, а Цикл Стирлинга двигатель).

Каждый из этих двигателей имеет тепловая эффективность характеристики, которые являются уникальными для него.

Эффективность двигателя, конструкция трансмиссии и конструкция шин - все это способствует хорошему качеству автомобиля. эффективность топлива.

Математическое определение

Основные статьи: Тепловая эффективность и Цикл Карно

КПД двигателя определяется как отношение полезной работа выполнена к теплу обеспечено.

куда, поглощается ли тепло и работа сделана.

Обратите внимание, что термин работа выполнена относится к поставленной мощности в сцеплении или же на карданном валу.

Это означает, что трение и другие потери вычитаются из работы, выполняемой термодинамическим расширением. Таким образом, двигатель, не выполняющий никакой работы во внешнюю среду, имеет нулевую эффективность.

Коэффициент сжатия

Эффективность двигателей внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является степень расширения. Для любого Тепловой двигатель работа, которую можно извлечь из него, пропорциональна разнице между начальным и конечным давлением во время фазы расширения. Следовательно, повышение начального давления является эффективным способом увеличения извлекаемой работы (уменьшение конечного давления, как это делается в паровых турбинах, путем выпуска в вакуум, также эффективно).

Степень расширения (рассчитанная исключительно из геометрии механических частей) типичного бензин (бензин) составляет 10: 1 (топливо премиум-класса ) или 9: 1 (обычное топливо), с некоторыми двигателями, достигающими передаточного числа 12: 1 или более. Чем больше степень расширения, тем эффективнее двигатель в принципе, и более высокая степень сжатия / расширения - в принципе, обычным двигателям необходим бензин с более высокой октан значение, хотя этот упрощенный анализ осложняется разницей между фактической и геометрической степенями сжатия. Высокое октановое число подавляет тенденцию топлива почти мгновенно сгорать (известное как детонация или же стучать ) в условиях высокого сжатия / высоких температур. Однако в двигателях, которые используют сжатие, а не искровое зажигание, за счет очень высоких степеней сжатия (14-25: 1), таких как дизель или же Двигатель Бурка, высокооктановое топливо не требуется. Фактически, низкооктановое топливо, обычно оцениваемое цетановое число, предпочтительны в этих применениях, потому что они легче воспламеняются при сжатии.

В условиях частичного открытия дроссельной заслонки (то есть, когда дроссельная заслонка не полностью открыта), эффективный 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 заполнить камеру до полного атмосферного давления. КПД двигателя ниже, чем при работе двигателя на полностью открытой дроссельной заслонке. Одним из решений этой проблемы является перенос нагрузки в многоцилиндровом двигателе с некоторых цилиндров (путем их отключения) на остальные цилиндры, чтобы они могли работать при более высоких индивидуальных нагрузках и, соответственно, с более высокими эффективными степенями сжатия. Этот метод известен как переменное смещение.

Большинство бензина (бензин, Цикл Отто ) и дизель (Дизельный цикл ) двигатели имеют степень расширения, равную коэффициент сжатия. Некоторые двигатели, использующие Цикл Аткинсона или Цикл Миллера повысить эффективность за счет увеличения степени расширения, превышающей степень сжатия.

Дизельные двигатели имеют степень сжатия / расширения от 14: 1 до 25: 1. В этом случае общее правило более высокого КПД от более высокого сжатия не применяется, потому что дизели с коэффициентом сжатия более 20: 1 дизели с непрямым впрыском (в отличие от прямого впрыска). В них используется форкамера, чтобы сделать возможной работу на высоких оборотах, необходимую в легковых автомобилях и легких грузовиках. Тепловые и газодинамические потери из форкамеры приводят к тому, что дизели с прямым впрыском (несмотря на меньшую степень сжатия / расширения) более эффективны.

Трение

У двигателя много движущихся частей, которые производят трение. Некоторые из этих сил трения остаются постоянными (пока приложенная нагрузка постоянна); некоторые из этих потерь на трение увеличиваются с увеличением частоты вращения двигателя, например, силы со стороны поршня и усилия в соединительных подшипниках (из-за увеличения сил инерции от качающегося поршня). Некоторые силы трения уменьшаются с более высокой скоростью, например сила трения о кулачок доли, используемые для управления впускные и выпускные клапаны (клапаны ' инерция на высокой скорости имеет тенденцию отводить толкатель кулачка от выступа кулачка). Помимо сил трения, работающий двигатель имеет насосные потери, которая представляет собой работу, необходимую для перемещения воздуха в цилиндры и из них. Эти насосные потери минимальны при низкой скорости, но возрастают примерно как квадрат скорости, пока при номинальной мощности двигатель не использует около 20% общей выработанной мощности для преодоления потерь на трение и накачку.

Кислород

Воздуха составляет примерно 21% кислород. Если не хватит кислород для правильного сгорания топливо не сгорит полностью и будет производить меньше энергии. Слишком высокое соотношение топлива и воздуха приведет к увеличению количества несгоревших углеводородных загрязнителей из двигателя. Если весь кислород потребляется из-за слишком большого количества топлива, мощность двигателя снижается.

Поскольку температура горения имеет тенденцию к увеличению с более бедными топливовоздушными смесями, несгоревшие углеводородные загрязнители должны быть сбалансированы с более высокими уровнями загрязняющие вещества такие как оксиды азота (NOx ), которые образуются при более высоких температурах горения. Иногда это смягчается за счет подачи топлива 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 большей мощности, но также и к более высокому уровню углеводородных загрязнителей и более низкому уровню загрязнителей оксида азота. При прямом впрыске этот эффект не столь драматичен, но он может охладить камеру сгорания до уровня, достаточного для уменьшения количества некоторых загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx), и повышения других, таких как частично разложенные углеводороды.

Топливно-воздушная смесь втягивается в двигатель, поскольку движение поршней вниз создает частичный вакуум. А компрессор может дополнительно использоваться для нагнетания большего заряда (принудительная индукция) в цилиндр для получения большей мощности. Компрессор с механическим приводом наддув или выхлопной турбонаддув. В любом случае принудительный впуск увеличивает давление воздуха за пределами впускного отверстия цилиндра.

Есть и другие методы увеличения количества кислорода, доступного внутри двигателя; один из них - ввести оксид азота, (N2O) в смесь, а в некоторых двигателях используется нитрометан, топливо, которое обеспечивает кислород, необходимый для сжигания. Из-за этого смесь могла состоять из 1 части топлива и 3 частей воздуха; таким образом, можно сжигать больше топлива внутри двигателя и получать более высокую выходную мощность.

Двигатель внутреннего сгорания

Поршневые двигатели

Поршневые двигатели на холостом ходу имеют низкий тепловой КПД, потому что единственная полезная работа, выполняемая двигателем, - это генератор.

На низких оборотах бензиновые двигатели несут потери эффективности при малых открытиях дроссельной заслонки из-за высокой турбулентности и потери на трение (напор), когда поступающий воздух должен пробиваться через почти закрытый дроссель (потеря насоса); дизельные двигатели не страдают от этой потери, потому что поступающий воздух не дросселируется, а страдают «потерей сжатия» из-за использования всего заряда для сжатия воздуха до небольшой выходной мощности.

На высоких скоростях эффективность обоих типов двигателей снижается из-за насосных и механических потерь на трение, а также более короткого периода, в течение которого должно происходить сгорание. Высокие скорости также приводят к большему сопротивлению.

Бензиновые (бензиновые) двигатели

Современное бензин двигатели имеют максимальный тепловой КПД более 50%,[1] но легальные дорожные автомобили составляют лишь от 20% до 35%, когда используются для приведения в движение автомобиля. Другими словами, даже когда двигатель работает с максимальной тепловой эффективностью, общая тепловая энергия, выделяемая бензин При потреблении около 65-80% общей мощности выделяется в виде тепла, не превращаясь в полезную работу, то есть на вращение коленчатого вала.[2] Примерно половина этого отбрасываемого тепла уносится выхлопными газами, а половина проходит через стенки цилиндра или головку цилиндра в систему охлаждения двигателя и попадает в атмосферу через радиатор системы охлаждения.[3] Некоторая часть произведенной работы также теряется в виде трения, шума, турбулентности воздуха и работы, используемой для поворота оборудования двигателя и таких устройств, как водяные и масляные насосы и электрические генератор, оставляя только около 20–35% энергии, выделяемой израсходованным топливом, доступным для движения транспортного средства.

Бензиновый двигатель сжигает смесь бензина и воздуха, состоящую из диапазона от двенадцати до восемнадцати частей (по весу) воздуха на одну часть топлива (по весу). Смесь с соотношением воздух / топливо 14,7: 1 стехиометрический, то есть при сгорании 100% топливо и кислород потребляются.[нужна цитата ] Смеси с немного меньшим количеством топлива, называемые тощий ожог более эффективны. В горение это реакция, которая использует кислород содержание воздуха для соединения с топливом, которое представляет собой смесь нескольких углеводороды, в результате чего водяной пар, углекислый газ, и иногда монооксид углерода и частично сгоревшие углеводороды. Кроме того, при высоких температурах кислород имеет тенденцию соединяться с азот, формируя оксиды азота (обычно обозначается как NOx, так как количество атомов кислорода в соединении может варьироваться, поэтому индекс «X»). Эта смесь вместе с неиспользованным азотом и другие следовые атмосферные элементы, это то, что находится в выхлоп.

В 2008-2015 гг. GDI (Прямой впрыск бензина ) повысил КПД двигателей, оснащенных данной системой заправки, до 35%.[нужна цитата ] В настоящее время, начиная с 2020 года, технология доступна на самых разных транспортных средствах.[нужна цитата ]

Дизельные двигатели

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 горящих дизельное топливо ), что более высокое передаточное число более чем компенсирует потери на прокачку воздуха в двигателе.

В современных турбодизельных двигателях используется система впрыска Common-Rail с электронным управлением для повышения эффективности. С помощью геометрически изменяемой системы турбонаддува (хотя и с большим объемом обслуживания) это также увеличивает крутящий момент двигателей на низких оборотах двигателя (1200-1800 об / мин). Низкооборотные дизельные двигатели, такие как ЧЕЛОВЕК S80ME-C7 достигли общего КПД преобразования энергии 54,4%, что является самым высоким показателем преобразования топлива в энергию среди всех одноцикловых. внутренний или же внешнее сгорание двигатель.[4][5][6] Двигатели больших дизельных грузовиков, автобусов и новых дизельных автомобилей могут достигать максимальной эффективности около 45%.[7]

Газовая турбина

В газовая турбина наиболее эффективен при максимальной выходной мощности, 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, термическое и эффективность топлива резко упасть. Эффективность неуклонно снижается с уменьшением выходной мощности и очень низка в диапазоне малых мощностей.

Дженерал Моторс одно время производили автобусы с газовой турбиной, но из-за роста цен на сырую нефть в 1970-х годах от этой концепции отказались. Ровер, Chrysler, и Toyota также построила прототипы автомобилей с турбинным двигателем, Chrysler построила небольшую серию их прототипов для реальной оценки. Комфортность вождения была хорошей, но общей экономии по причинам, указанным выше, не хватало. По этой же причине газовые турбины могут использоваться на электростанциях постоянной и пиковой мощности. В этом приложении они работают на полную или близкую к ней мощность только там, где они эффективны, или выключаются, когда они не нужны.

Газовые турбины действительно имеют преимущество в удельной мощности - газовые турбины используются в качестве двигателей в тяжелых бронированных автомобилях и бронированных танках, а также в генераторах энергии на реактивных истребителях.

Еще один фактор, отрицательно влияющий на КПД газовой турбины, - это температура окружающего воздуха. С повышением температуры всасываемый воздух становится менее плотным, и, следовательно, газовая турбина испытывает потери мощности, пропорциональные повышению температуры окружающего воздуха.[8]

Газотурбинные двигатели последнего поколения достигли КПД 46% в простой цикл и 61% при использовании в комбинированный цикл.[9]

Двигатели внешнего сгорания

Паровой двигатель

Основная статья: Паровой двигатель
Смотрите также: Паровой двигатель № КПД
Смотрите также: Хронология мощности пара

Поршневой двигатель

Паровые двигатели и турбины работают на Цикл Ренкина который имеет максимум Эффективность Карно 63% для практических двигателей, с паротурбинными электростанциями, способными достичь КПД в среднем 40%.

Эффективность паровых двигателей в первую очередь зависит от температуры и давления пара и количества ступеней или расширения.[10] Эффективность парового двигателя повысилась по мере открытия принципов работы, что привело к развитию науки о термодинамика. Смотрите график:КПД парового двигателя

В самых первых паровых машинах котел считался частью двигателя. Сегодня они считаются отдельными, поэтому необходимо знать, является ли заявленная эффективность общей, включая котел, или только двигателя.

Сравнение эффективности и мощности первых паровых двигателей затруднено по нескольким причинам: 1) не было 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, невозможно было измерить теплотворную способность. У углей была намного более высокая теплотворная способность, чем у сегодняшних паровых углей, иногда упоминается 13 500 БТЕ / фунт (31 мегаджоуль / кг). 3) Эффективность указывалась как «нагрузка», означающая, сколько фут-фунтов (или ньютон-метров) было произведено рабочей подъемной воды, но эффективность механической откачки неизвестна.[10]

Первый поршневой паровой двигатель, разработанный Томас Ньюкомен около 1710 г., эффективность составила чуть более половины процента (0,5%). Он работал с паром с давлением, близким к атмосферному, втягивавшимся в цилиндр под нагрузкой, затем конденсировавшимся струей холодной воды в заполненный паром цилиндр, вызывая частичный вакуум в цилиндре и давление атмосферы, приводящее к опусканию поршня. Использование цилиндра в качестве емкости для конденсации пара также охлаждает цилиндр, так что часть тепла поступающего пара в следующем цикле теряется на нагревание цилиндра, что снижает тепловой КПД. Улучшения, сделанные Джон Смитон к двигателю Ньюкомена повысил КПД до более чем 1%.

Джеймс Ватт внес несколько улучшений в Двигатель Ньюкомена, наиболее важным из которых был внешний конденсатор, который не позволял охлаждающей воде охлаждать цилиндр. Двигатель Ватта работал с паром при давлении чуть выше атмосферного. Усовершенствования Ватта повысили эффективность более чем в 2,5 раза.[11]Отсутствие общих механических способностей, в том числе квалифицированных механиков, Станки и методы производства ограничивали эффективность реальных двигателей и их конструкцию примерно до 1840 года.[12]

Двигатели высокого давления были разработаны Оливер Эванс и независимо Ричард Тревитик. Эти двигатели были не очень эффективны, но обладали высокой удельной мощностью, что позволяло использовать их для привода локомотивов и лодок.

В центробежный регулятор, который впервые был использован Ваттом для поддержания постоянной скорости, работал путем дросселирования входящего пара, что понижало давление, что приводило к потере эффективности двигателей с высоким (выше атмосферного) давлением.[13] Более поздние методы управления уменьшили или устранили эту потерю давления.

Усовершенствованный клапанный механизм Паровая машина Корлисс (Запатентовано. 1849 г.) лучше регулировал скорость с изменяющейся нагрузкой и повысил эффективность примерно на 30%. Двигатель Corliss имел отдельные клапаны и коллекторы для впускного и выпускного пара, поэтому горячий подаваемый пар никогда не контактировал с более холодными выпускными отверстиями и клапанами. Клапаны были быстродействующими, что уменьшало количество дросселирования пара и приводило к более быстрой реакции. Вместо того, чтобы управлять дроссельным клапаном, регулятор использовался для регулировки фаз газораспределения, чтобы обеспечить переменную отсечку пара. Переменная отсечка была ответственна за большую часть повышения эффективности двигателя Corliss.[14]

У других до Корлисса была хотя бы часть этой идеи, в том числе Захария Аллен, который запатентовал переменную отсечку, но отсутствие спроса, повышенная стоимость и сложность, а также плохо развитая технология обработки задержали внедрение до Corliss.[14]

Высокоскоростной двигатель Портера-Аллена (ок. 1862 г.) работал со скоростью от трех до пяти раз быстрее, чем другие двигатели аналогичного размера. Более высокая скорость минимизировала количество конденсации в цилиндре, что привело к повышению эффективности.[14]

Составные двигатели дал дальнейшее повышение эффективности.[14] К 1870-м годам на кораблях использовались двигатели тройного расширения. Составные двигатели позволяли судам перевозить меньше угля, чем грузов.[15] 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%.[16] Самая эффективная конструкция поршневого парового двигателя (по ступеням) была прямоточный двигатель, но к тому времени, когда выяснилось, что пар вытеснялся дизельными двигателями, которые были еще более эффективными и имели то преимущество, что требовали меньше труда для обработки угля, а нефть, будучи более плотным топливом, вытесняла меньше груза.

Используя статистику, собранную в начале 1940-х годов, Железная дорога Санта-Фе измерили эффективность своего парка паровозов по сравнению с единицами 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, что в среднем дает 20,37 железнодорожных миль в ширину системы. Дизельное топливо стоило 11,61 доллара, но производило 133,13 поездных миль на тонну. Фактически, дизели работали в шесть раз больше, чем пароходы, используя топливо, которое стоило только в два раза дороже. Это было связано с гораздо лучшим тепловым КПД дизельных двигателей по сравнению с паровыми. Предположительно, составы, использовавшиеся в качестве стандарта пробега, были 4 000-тонными грузовыми, что было нормальным таннажем l (sic) в то время.

— Джим Валле: "Насколько эффективен паровой двигатель?"[16]

Паровая турбина

В паровая турбина является наиболее эффективным паровым двигателем и по этой причине повсеместно используется для выработки электроэнергии. Расширение пара в турбине почти непрерывное, что делает турбину сопоставимой с очень большим количеством ступеней расширения. Пар энергостанции работает в критическая точка имеют КПД в диапазоне 40%. Турбины производят прямое вращательное движение, они намного компактнее и весят намного меньше, чем поршневые двигатели, и их можно регулировать с точностью до очень постоянной скорости. Как и в случае с газовой турбиной, паровая турбина наиболее эффективно работает на полной мощности и плохо работает на более низких оборотах. По этой причине, несмотря на их высокое отношение мощности к весу, паровые турбины в основном использовались в приложениях, где они могли работать с постоянной скоростью. При производстве электроэнергии переменного тока поддержание чрезвычайно постоянной скорости турбины необходимо для поддержания правильной частоты.

Двигатели Стирлинга

В Двигатель цикла Стирлинга имеет самый высокий теоретический КПД среди всех тепловых двигателей, но у него низкое отношение выходной мощности к массе, поэтому двигатели Стирлинга практических размеров имеют тенденцию быть большими. Эффект размера двигателя Стирлинга обусловлен его зависимостью от расширения газа при повышении температуры и практических ограничений на рабочую температуру компонентов двигателя. Для идеального газа, увеличивая его абсолютную температуру для данного объема, только пропорционально увеличивает его давление, поэтому, когда низкое давление двигателя Стирлинга является атмосферным, его практическая разница давления ограничена 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 поршня.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Как технологии F1 изменили мир | Formula 1®». www.formula1.com. Получено 2020-10-11.
  2. ^ Баглионе, Мелодия Л. (2007). Разработка методологий и инструментов системного анализа для моделирования и оптимизации эффективности автомобильных систем (Кандидат наук.). Университет Мичигана. С. 52–54.
  3. ^ http://www.arrowheadradiator.com/14_rules_for_improving_engine_cooling_system_capability_in_high-performance_automobiles.htm
  4. ^ "Техническая бумага по низкооборотным двигателям" (PDF). Человек Дизель и Турбо. Получено 2017-04-25.
  5. ^ «Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries, том 45, № 1 (2008 г.)» (PDF). Март 2008 г. В архиве (PDF) из оригинала 4 октября 2010 г.. Получено 2017-04-25.
  6. ^ «MHI достигает температуры на входе турбины 1600 ° C в ходе испытательной эксплуатации с самым высоким в мире тепловым КПД» J-Series «Газовая турбина». Mitsubishi Heavy Industries. 26 мая 2011 г. Архивировано с оригинал 18 марта 2012 г.
  7. ^ «Моделирование средних и тяжелых дизельных транспортных средств с использованием методологии расхода топлива» (PDF). Агентство по охране окружающей среды США. 2004 г.. Получено 2017-04-25.
  8. ^ http://www.cospp.com/articles/print/volume-8/issue-6/features/gas-turbine-plant-efficiency-balancing-power-heat-and-operational-flexibility.html
  9. ^ «Газовые турбины преодолевают барьер эффективности 60%». децентрализованная энергия. 2015-01-05. Получено 2017-04-25.
  10. ^ а б Терстон, Роберт Х. (1875). История развития парового двигателя. Д. Эпплтон и Ко, стр. 464–70. Архивировано из оригинал на 1997-06-29. Получено 2011-10-06.
  11. ^ Джон Энис, «Замечания о функциях паровых двигателей, использовавшихся в шахтах Корнуолла в разные периоды», Сделки института инженеров-строителей, Том 3 (14 января 1840 г.), стр. 457
  12. ^ Роу, Джозеф Уикхэм (1916). Английские и американские производители инструментов. Нью-Хейвен, Коннектикут: Издательство Йельского университета. ISBN  978-0-917914-73-7. LCCN  16011753.. Перепечатано McGraw-Hill, Нью-Йорк и Лондон, 1926 г. (LCCN  27-24075 ); и Lindsay Publications, Inc., Брэдли, Иллинойс, (ISBN  978-0-917914-73-7).
  13. ^ Бенетт, Стюарт (1986). История контрольной техники 1800-1930 гг.. Институт инженерии и технологий. ISBN  978-0-86341-047-5.
  14. ^ а б c d Хантер, Луи К. (1985). История промышленной власти в Соединенных Штатах, 1730-1930, Vol. 2: мощность пара. Шарольтсвилль: Издательство Университета Вирджинии.
  15. ^ Уэллс, Дэвид А. (1891). Недавние экономические изменения и их влияние на производство и распределение богатства и благосостояния общества. Нью-Йорк: Д. Эпплтон и Ко. ISBN  0-543-72474-3. ПОСЛЕДНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БОГАТСТВА И БЛАГОПОЛУЧИЯ ОБЩЕСТВА.
  16. ^ а б jfallon (10 января 2011 г.). "Насколько эффективен паровой двигатель?". Trains.com. Получено 2017-04-25.

внешняя ссылка