Термический КПД двигателя. Физика не так страшна
Обычно, если кто-то слышит лозунг «тепловой КПД двигателя», сразу меняет тему. Можно говорить о двигателях об их мощности, расходе топлива или – вызывая уважение собеседников как специалистов – о системах работы типа: Дизеля, Отто, Ванкеля или Аткинсона. Но тепловой КПД звучит как домашняя работа по физике, что отвратительно и негативно. При этом все сходится….
КПД двигателя — обозначаемый латинским символом η (эта) — параметр, характеризующий данный двигатель и означающий, какая часть подведенного тепла превращается в полезную работу. В случае с двигателем внутреннего сгорания это преобразование тепловой энергии, возникающей в результате сгорания топлива, в механическую энергию, отдаваемую двигателем в результате вращения коленчатого вала.
Значения этого КПД различны для разных типов двигателей и, например, для двигателей с искровым зажиганием они составляют около 0,30 – 0,36, а для дизелей – около 0,40-0,45. Это означает ни больше, ни меньше, что при заливке в бак 50 литров топлива на привод узлов автомобиля расходуется всего 15-18 литров бензина и 20-22,5 литра дизельного топлива. Остальное безвозвратно утеряно.
От чего зависит тепловой КПД?
Это «использование тепловой энергии» обычно связано с разницей между температурой воспламенения смеси и температурой выхлопных газов, выходящих из цилиндра. Чем больше эта разница, тем больше теплоты превращается в работу.
Здесь, к сожалению, приходится напоминать себе несколько правил из физики/механики. Поршень, двигаясь к головке, сжимает топливовоздушную смесь (бензиновые версии) или воздух (дизельные) и после воспламенения/взрыва выхлопные газы расширяются точно так же, как ранее сжималась топливно-воздушная смесь, или – в дизелях – самосжатый воздух. Это означает, что чем сильнее сжат хладагент, тем больше он расширится после взрыва, а чем больше он расширится, тем большую работу будет совершать поршень, и выхлопные газы холоднее.
В качестве примера стоит упомянуть, что температура сгорания топлив в двигателях внутреннего сгорания составляет более 2000 градусов Цельсия, температура выхлопных газов в бензиновых двигателях (где степень сжатия обычно составляет примерно 9-11:1) составляет ок. 550-700 градусов С, а в случае версии Дизель (где степень сжатия более 20:1) температура выхлопных газов около 400 С.
Смотрите также: Форд Куга. Что такое третье поколение?
Отсюда следует, что для достижения большего теплового КПД в бензиновом двигателе необходимо увеличить степень сжатия. Однако проблема тогда заключается в детонации сгорания, потому что в какой-то момент сжатия температура поднимается настолько, что еще до воспламенения, вызванного искрой на свече зажигания, топливо может взорваться, что приводит к плавной остановке двигателя и его работе. неравномерно.
Детонация двигателя также может повредить двигатель. Вкладыши на головке и основании шатуна, а также подшипники коленчатого вала особенно уязвимы для взрыва топлива. В меньшей степени такое сгорание отрицательно сказывается на клапанах, поршнях или шатунах. Само явление детонационного сгорания зависит от конструкции двигателя и химического состава топлива.
Таким образом, неблагоприятную детонацию горения можно нейтрализовать повышением октанового числа выше 100 (напомню, что топливо на АЗС бывает 95 или 98). Теоретически это возможно, поскольку такой бензин в настоящее время, в том числе, в Бразилии (добавка к этанолу), а авиационным двигателям также требовалось более высокое октановое число.
Однако в ведущих научно-исследовательских лабораториях также начаты исследования по модернизации существующих конструкций двигателей с использованием всех известных технических новшеств. Результатом этих работ является, среди прочего Бензиновый двигатель SKYACTIV-G от исследовательских лабораторий Mazda.
В этом бензиновом двигателе с непосредственным впрыском используется полный набор совершенно новых технологий. В результате он чрезвычайно прочен и в то же время чрезвычайно эффективен благодаря использованию беспрецедентной степени сжатия. Удалось преодолеть все трудности, которые раньше этому мешали.
Основные характеристики этого двигателя:
очень высокая степень сжатия 14.0:1, которая была достигнута благодаря специальной выхлопной системе, углублениям в поршнях, новым многоканальным форсункам и другим нововведениям, предотвращающим неправильное сгорание (детонацию);
внутреннее трение снижено на 30%;
регулируемые фазы газораспределения в приводе впускных и выпускных клапанов;
легкая конструкция – общий вес меньше на 10%.
В результате этих усилий были получены четырехцилиндровые безнаддувные двигатели с большим рабочим объемом и высоким крутящим моментом (примерно на 15 % больше в диапазоне низких и средних оборотов двигателя, чем у традиционных версий), а расход топлива и выбросы CO2 ниже. примерно на 15 % по сравнению с бензиновым двигателем аналогичной мощности. Таким образом, это альтернатива широко распространенной в настоящее время минимизации двигателя.
Самое главное, что в двигателях SKYACTIV-G у нас нет неблагоприятной вибрации двигателя в диапазоне низких оборотов, нет неблагоприятного прироста скорости и у нас гораздо лучшая культура работы, чем у небольших трехцилиндровых агрегатов конкурентов с аналогичным власть. Мы представляем это в таблице сравнения Mazda 2 и Mazda 3 с двигателем SKYACTIV-G и Peugeot с трехцилиндровым двигателем 1,2 Pure Tech и VW с двигателями 1,0 TSi.
Mazda 2 | Peugeot 208 | VW Polo | Mazda 3 | Peugeot 308 | Фольксваген гольф | |
SKYACTIV-G | 1,2 без наддува | 1,0 TSI | SKYACTIV-G | 1,2 турбо | 1,0 TSI | |
Емкость [смXNUMX] | 1496 | 1199 | 999 | 1998 | 1199 | 999 |
Moc [км] | 90 | 82 | 95 | 122 | 130 | 115 |
Момент [Нм] | 148 | 118 | 175 | 213 | 230 | 200 |
Скорость [км/ч] | 183 | 171 | 187 | 197 | 207 | 198 |
Песис [сек] | 9,7 | 13,5 | 10,8 | 10,4 | 9,6 | 9,8 |
Сгорание согласно WLTP [литр] | 5,7 | 5,5 | 6,4 | 6,2 | 5,8 |
Конструкторы Toyota пошли по несколько иному пути повышения тепловой эффективности, следуя идее английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий такт был длиннее такта сжатия. В результате после длительного рабочего такта давление и температура отработавших газов были значительно ниже, когда начался такт выпуска, и энергия расширения использовалась полностью.
Однако сегодня вместо разработки сложных толкающих систем, которые удлиняли бы рабочий ход, использовались «электроника и достижения XNUMX века». Благодаря этому умному решению удалось сохранить в двигателе Toyota классическую простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, в которых поршень проходит одинаковое расстояние при каждом такте, а эффективный рабочий такт длиннее, чем такт сжатия.
Как говорят конструкторы Toyota, на самом деле следует говорить иначе: эффективный такт сжатия короче рабочего хода (что и является идеей двигателя Джеймса Аткинсона). Это достигается за счет задержки закрытия впускного клапана, который закрывается вскоре после начала такта сжатия. Таким образом, часть воздушно-топливной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество выхлопных газов, образующихся при его сжигании, меньше и способно полностью расширяться до начала такта выпуска, передавая всю энергию поршню, а на сжатие меньшего количества смеси требуется меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя. Используя это и другие решения, двигатель трансмиссии Toyota Prius четвертого поколения смог достичь теплового КПД до 41 процента, ранее доступного только для дизельных двигателей.
Единственная проблема с двигателем, работающим в системе Аткинсона, заключается в меньшей мощности, которую двигатель получает от рабочего объема цилиндров, аналогичного традиционным. В то время как эта концепция оказалась отличным решением в гибридных автомобилях, где недостаток мощности, особенно необходимой при трогании с места и разгоне, компенсируется электродвигателем, по сравнению с классическим двигателем Отто двигатель Аткинсона явно проигрывает.
Однако здесь в очередной раз раскрылась гениальность инженеров Toyota/Lexus. Технические новшества и использование электронного управления открытием клапанов позволило использовать как операционные системы, так и создать двигатель с изменяемым рабочим циклом. Когда потребность в мощности невелика, например, при движении по неспешным дорогам, двигатель работает по циклу Аткинсона для низкого расхода топлива. Однако когда требуется более высокая производительность — при старте с фарами или при обгоне — переключается на цикл Отто, используя всю доступную динамику. Этот 1,2-литровый двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском используется, например, в Toyota Auris и городском внедорожнике Toyota C-HR. Аналогично работающий двухлитровый агрегат используется в автомобилях Lexus: IS 300, GS 300, NX 300, RX 300 и RC 300 (ранее версии обозначались как 200т), обеспечивая им большую производительность при меньшем расходе топлива и минимальном выбросе нежелательных веществ. .
Таким образом, тепловой КПД является основным фактором, влияющим на расход топлива и использование тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива. Важно отметить, что продолжаются работы по повышению этой эффективности, то есть по разработке более совершенных двигателей.
Последним решением является двигатель INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo) т. Это один из самых технологичных двигателей внутреннего сгорания из когда-либо созданных, а используемая в нем технология VC-Turbo позволяет сочетать мощность высоко- бензиновый двигатель 2.0 с турбонаддувом с крутящим моментом и экономичностью современный дизельный двигатель, но без выбросов выхлопных газов.
Технология Infiniti VC-Turbo постоянно трансформируется, используя передовую многорычажную систему для непрерывного увеличения или уменьшения размера камеры сгорания и мгновенного выбора наиболее подходящей степени сжатия на основе воспринимаемой нагрузки двигателя и команд водителя. Двигатель способен достичь любой степени сжатия в пределах от 8:1 до 14:1.
Развивая максимальную мощность 272 л.с. и крутящий момент 390 Нм, двигатель VC-Turbo сравним по производительности с шестицилиндровыми бензиновыми моторами, и при этом однозначно экономичнее их.
Будущее?
Мы должны помнить, что разработка новых двигателей не так проста, как создание новых кузовов или компонентов автомобилей, потому что в этом случае огромное значение имеют лабораторные испытания, но можно предположить, что двигатели будут иметь более высокий тепловой КПД через десяток или около того. годы.
Если на самом деле электродвигатели не завоюют рынок настолько, что ДВС отправится в музей и исследования новых решений перестанут быть экономически выгодными…
Читайте также: Тестируем Mazda 6