logo1

logoT

 

Кпд бензинового и дизельного двигателя


КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:

  1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
  2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
  3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

  • замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
  • в то время, как дизельные – 40% соответственно;
  • при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

  1. Более высокий показатель степени сжатия.
  2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
  3. Корпусные детали нагреваются меньше.
  4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
  5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
  6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

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.

КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя

Среди множества характеристик механизмов в автомобиле важное значение имеет КПД двигателя. Наверняка многие автовладельцы задаются вопросом: что собой представляет классический ДВС и его КПД, ведь от этого показателя напрямую зависит работа силового агрегата – чем он выше, тем эффективнее его работа. 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.

КПД двигателя – что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

  1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
  2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

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.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

  1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
  2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
  3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т. д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Если материал был для вас интересен или полезен, опубликуйте его на своей странице в социальной сети:

Добавить комментарий

В начало страницы

Бензиновые и дизельные двигатели: сравнение топливной экономичности

Бензиновые и дизельные двигатели — с точки зрения топливной эффективности — даже не обсуждается. В отличие от Европы и подавляющего большинства остального развитого мира, люди в Соединенных Штатах нередко не знают, что дизель является лучшим топливом, чем бензин, с точки зрения экономии топлива. Хотя это не является общеизвестным среди потребителей автомобилей в США, это правда. Дизельные двигатели лучше по расходу топлива, чем бензиновые двигатели.

Дизельные двигатели намного экономичнее бензиновых двигателей сопоставимого размера.

Дизельные двигатели намного расходуют больше бензина, чем бензиновые двигатели.

Сравнение топливной экономичности дизеля и бензина даже близко не подходит. Дизельные двигатели обычно на 25-35% экономичнее бензиновых двигателей. Дизельные двигатели расходуют на четверть или треть меньше «газового» пробега, чем бензиновые двигатели.

Если автомобиль с бензиновым двигателем расходует 30 миль на галлон, то аналогичный автомобиль с дизельным двигателем расходует от 37,5 до 40,5 миль на галлон. В худшем случае дизельный двигатель проезжает 40 миль на каждые 30 миль, которые проезжает бензиновый двигатель на том же объеме топлива. В лучшем случае на каждые 65 миль, пройденных бензиновым двигателем, дизельный двигатель проедет 100 миль на том же объеме топлива.

Таким образом, сравнение суммы выбросов галлона дизельного топлива на галлон с количеством выбросов от галлона газа не имеет значения.

Причина в том, что даже несмотря на то, что дизельные двигатели производят на 13% больше углекислого газа на галлон, чем сопоставимые бензиновые двигатели, этот факт имеет очень мало общего с тем, сколько каждый из двигателей вырабатывает во время практического использования. В то время как, по данным Европейской ассоциации производителей автомобилей, «1 кг дизельного топлива, сгоревшего в идеальных условиях, производит 2,65 кг CO2. 1 кг бензина, сожженного в идеальных условиях, производит 2,3 кг CO2», сравнение объемов дает очень мало полезной информации.

Таким образом, на милю бензиновый двигатель производит на 12-22% больше углекислого газа, чем сопоставимый дизельный двигатель. Другими словами, топливная экономичность дизельного двигателя определяет реальное соотношение выбросов дизельного топлива и бензина в гораздо большей степени, чем сравнение по объему.

Почему дизельные двигатели имеют больший пробег на «газе», чем бензиновые двигатели

Чтобы понять, почему дизельные двигатели намного эффективнее бензиновых, не требуется тест-драйв двух двигателей сопоставимого размера — одного с дизельным двигателем и другого с бензиновым двигателем — и сравнение пробега на галлон. Вместо этого, чтобы понять, почему дизельные двигатели намного более экономичны, чем бензиновые двигатели, нужно понять три вещи, касающиеся бензина и дизеля, бензиновых двигателей и дизельных двигателей: плотность энергии, термический КПД и степень сжатия.

Плотность энергии, тепловой КПД и степень сжатия дизельного топлива по сравнению с газом

Первое существенное различие между дизельным топливом и бензином заключается в плотности энергии. В галлоне дизельного топлива содержится больше энергии, чем в галлоне бензина. Плотность энергии дизельного топлива как минимум на 13% больше, чем у бензина. Часто плотность энергии дизельного топлива более чем на 13% выше, чем у бензина.

По совпадению существует прямая зависимость между плотностью энергии и загрязнением. Чем более энергоемкое топливо, тем больше загрязнения оно производит в объемном масштабе. Дизель производит на 13% или более энергии и на 13% больше выбросов. Но опять же, сравнение выбросов, произведенных по единице измерения объема, не дает полезной информации. Если поездка из одного места в другое составляет 50 миль и для преодоления этого расстояния в бензиновом автомобиле требуется галлон бензина, то для дизельного двигателя обязательно требуется только 6,5 галлона.

Вторым фактором, отличающим дизельные двигатели от бензиновых, также называемых «тепловыми двигателями», является тепловой КПД. Тепловой КПД дизельного двигателя может быть в два раза выше, чем у бензинового двигателя. Термическая эффективность увеличивает эффективность использования топлива.

Третьим фактором, влияющим на эффективность использования топлива и выбросы двигателей внутреннего сгорания, является степень сжатия. Степень сжатия двигателя определяется сопротивлением сжатию топлива. Сопротивление сжатию - это то, какое давление сжатия топливо может выдержать без возгорания. Чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше. Чем выше степень сжатия, тем больше полнота сгорания, сколько топлива сгорает при сгорании.

В сочетании плотность дизельного топлива, тепловой КПД дизельных двигателей и степень сжатия дизельных двигателей делают транспортные средства и механизмы с дизельным двигателем значительно более экономичными, чем бензиновые двигатели. И эти три фактора также являются причиной того, что дизельные двигатели загрязняют окружающую среду меньше, чем бензиновые двигатели.

Плотность энергии бензина по сравнению с дизельным топливом

Плотность энергии дизельного топлива на 15-25% выше, чем у бензина. Плотность энергии — это мощность топлива, количество энергии на единицу измерения — галлон, литр, кубический фут или метр и т. д. Как объясняет Исаак Рамос из Стэнфордского университета в статье под названием «Сравнение дизельного и бензинового топлива в потребительских автомобилях,

«Что касается энергии, следует помнить еще об одном важном показателе — плотности энергии дизельного топлива и бензина. Дизельное топливо тяжелее и маслянистее бензина, и для его получения требуется меньше очистки, его химический состав C14h40. Бензин, с другой стороны, C9h30. [4] При сгорании эти химические соединения соответствуют плотности энергии примерно 155 миллионов Дж на галлон для дизельного топлива и 132 миллиона Дж на галлон для бензина. Таким образом, с точки зрения удельной энергии дизель явно лидирует в химическом отношении».

Причина, по которой дизельное топливо имеет более высокую плотность энергии, чем бензин, заключается в структуре содержащихся в нем углеводородов. Углеводороды являются ценным компонентом ископаемого топлива. Углеводороды — это молекулы ископаемого топлива, которые воспламеняются, горят, сгорают и взрываются — окисляются. Именно окисление углеводородов заставляет вращаться современный мир.

Не все углеводороды одинаковы. Чем выше отношение водорода к углероду в углеводородах, тем легче ископаемое топливо. Кроме того, чем выше отношение атомов водорода к атомам углерода в молекулах углеводородов ископаемого топлива, тем меньше энергии ископаемого топлива на единицу объема, например, на галлон. Именно из-за того, что метан — он же «природный газ» — имеет очень маленькие молекулы углеводорода с очень высоким соотношением водорода к углероду, он является ископаемым топливом в газообразном состоянии.

С другой стороны, высокое соотношение атомов углерода к атомам водорода приводит к образованию тяжелых молекул с высокой плотностью энергии. Дизельные углеводороды имеют высокое отношение углерода к водороду. Бензин, с другой стороны, имеет среднее соотношение углерода к водороду по сравнению с другими видами ископаемого топлива. Таким образом, бензиновые углеводороды имеют очень низкое отношение углерода к водороду по сравнению с дизельными углеводородами. Из-за высокого отношения углерода к водороду дизельное топливо более энергоемкое, чем бензин.

Поскольку дизель производит больше энергии на галлон, литр, кубический фут или метр, это означает, что бензиновым двигателям требуется больше галлонов газа, чтобы проехать то же расстояние, что и дизельному двигателю на меньшем количестве топлива.

Но плотность топлива — не единственная причина, по которой автомобили с дизельным двигателем более экономичны, чем их бензиновые собратья. Эффективность сгорания дизельных двигателей также делает их более экономичными.

Эффективность сгорания определяется двумя факторами: отношением кислорода к топливу и степенью сжатия.

Эффективность сгорания дизельных и бензиновых двигателей

Эффективность сгорания — скорость окисления углеводородов — частично является продуктом соотношения между углеводородами и кислородом. Чем больше количество кислорода, добавляемого в топливно-кислородную смесь, тем выше процент топлива, которое сгорает. Без кислорода углеводороды не будут гореть независимо от того, сколько тепла или пламени-искры-воздействия.

Однако это не означает, что воздействие тепла и пламени не изменяет неоксигенированные углеводороды. Углеводороды, которые не смешаны с кислородом, но которые подвергаются воздействию тепла и/или пламени, вступят в химическую реакцию. Но они не окислятся — воспламенятся, сгорят, сгорят, взорвутся. Химическая реакция, в которую вступают неоксигенированные углеводороды при воздействии тепла или пламени, обычно представляет собой химическую связь.

Полностью сгоревшее ископаемое топливо производит только два выброса: воду и углекислый газ.

В двигателе неоксигенированные углеводороды, подвергающиеся воздействию тепла и/или пламени, связываются друг с другом, образуя самые разнообразные выбросы. Продукты связанных несгоревших углеводородов в двигателе внутреннего сгорания включают монооксид углерода, оксиды натрия, оксиды азота, озон, ацетальдегид, ацетон, бензол, метилбензол, этилбензол и ксилолы.

Возникает очевидный вопрос: почему бы просто не спроектировать все транспортные средства для работы на чрезвычайно обедненной топливной смеси с высоким содержанием кислорода? Дизельные двигатели могут работать на очень обедненной топливной смеси.

Но бензиновые двигатели не могут работать на обедненных топливно-воздушных смесях.

Почему бензиновые двигатели не могут сжигать сверхкислородное топливо

Бензиновые двигатели не могут работать на обедненной топливно-воздушной смеси. Бензиновые двигатели всегда должны работать на богатой смеси. Идеальная смесь воздуха и топлива называется стехиометрическим отношением . Стехиометрическое соотношение - это точка, при которой количество кислорода точно соответствует необходимому для сжигания суммы топлива. Если кислорода меньше, чем требуется для достижения стехиометрического соотношения, автомобиль работает на обогащенной смеси. Если есть избыток кислорода — больше кислорода, чем требуется для достижения стехиометрического соотношения — двигатель работает на обедненной смеси.

Бензиновые двигатели не могут работать ни на стехиометрическом соотношении, ни на обедненной смеси. Причина в том, что когда автомобиль работает при стехиометрическом соотношении, двигатель не может справиться с выделяемым теплом.

«Нагрузка на большинство двигателей внутреннего сгорания максимальна, когда они работают при стехиометрическом соотношении. Фронт пламени быстро распространяется, максимизируя пиковое давление и температуру и генерируя максимальную мощность для данного воздушного потока. [Бензиновые] двигатели, генерирующие большую мощность, рассчитаны на работу со значительным обогащением при пиковых температурах и внутреннем давлении. [Они предназначены для работы] при соотношении примерно 12:1, [а не] при стехиометрическом соотношении 14,7:1».

Работа бензинового двигателя на стехиометрическом уровне приведет к перегреву двигателя, разрушению поршней и расплавлению прокладок. Работа на обедненной смеси — избыток воздуха, выталкивающий смесь за пределы стехиометрического соотношения, — также вызывает проблемы, в том числе обратный выброс, неустойчивый холостой ход, резкий холодный пуск и т. д. 

При работе бензинового двигателя с равным стехиометрическое соотношение означает, что эффективность сгорания самая высокая, а выбросы самые низкие, это невозможно сделать, не разрушив двигатель.

Дизель, с другой стороны, может работать на обедненной смеси.

Почему дизельные двигатели могут работать на очень обедненной топливной смеси

С другой стороны, дизель настолько энергоемок, что в смесь можно добавить гораздо большее количество воздуха. Стехиометрическое соотношение дизельного топлива намного выше, чем у бензина, потому что, опять же, дизельное топливо значительно более плотное по энергии. «Типичные рабочие диапазоны дизельных двигателей распределяются между соотношением воздух/топливо от 18 до 70, в зависимости от рабочей точки».

Дизель начинает свое сгорание в локально богатой среде (прямо рядом с форсункой), но топливо в целом находится в достаточно бедной смеси, поэтому, как только пламя начинается в богатой области, оно горит в бедной среде с медленным и устойчивым фронт пламени, но высокие температуры пламени связаны с образованием NOx в процессе пикового сжигания обедненной смеси. Именно высокое давление и внезапный выброс энергии при работе на пике вызывают перегрев двигателей, а не температура пламени, поэтому дизель не перегревается.

Стук, также известный как предварительное сгорание. Причина в том, что бедные топливные смеси будут предварительно сгорать в бензиновом двигателе из-за слабого сопротивления сжатию бензина. Поскольку бензин представляет собой легкое топливо с низким энергопотреблением и высокой летучестью, бензин сгорает при меньшем давлении, чем тяжелое стабильное топливо, такое как дизельное топливо. Это означает, что бензиновые двигатели имеют гораздо более низкую степень сжатия, чем дизельные двигатели.

Чем выше давление углеводородов перед сгоранием, тем эффективнее сгорание. Эффективность сгорания и, следовательно, экономия топлива в бензиновых двигателях плохая, потому что сопротивление сжатию бензина низкое, когда бензин сильно насыщен кислородом.

Двигатели с высокой степенью сжатия, работающие на обедненной смеси, отличаются максимальной топливной экономичностью. Но в бензиновых двигателях эти две переменные взаимоисключающие. Таким образом, чтобы повысить эффективность сгорания за счет увеличения степени сжатия бензинового двигателя, бензиновые двигатели должны работать на богатых топливных смесях, смеси, предотвращающей преждевременное сгорание.

В то время как лабораторное исследование, за которым последовало полевое исследование — два исследования, в которых сравнивается топливная экономичность дизельных и бензиновых двигателей, — дает наилучшие доказательства того, что дизельные двигатели превосходят их в отношении пробега «газа», плотности энергии, теплового КПД и степени сжатия. отношение объяснить почему . Дизельные двигатели более экономичны как на практике, так и в принципе. И именно теория, лежащая в основе этих сравнений, объясняет, почему дизельные двигатели, вероятно, всегда будут превосходить бензиновые двигатели в отношении эффективности использования топлива.

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания ошеломляюще неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50-процентного теплового КПД. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.

Бензиновые автомобили еще более неэффективны, значительно более неэффективны.

Хотя может показаться, что транспортное средство, которое преобразует только 50% тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят впустую около 80% энергии, вырабатываемой при сгорании топлива. Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% произведенной энергии через выхлопную трубу или отдают эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.

Причины низкой эффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.

«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс высвобождает тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию», — сообщает X-Engineer.org. Но большая часть произведенной энергии теряется. Большая часть энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.

В то время как даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют несколько длинного объяснения термодинамики, объяснение длины в Твиттере легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом снаружи двигателя определяет тепловой КПД. — то есть неэффективность двигателя внутреннего сгорания.

Что такое тепловой КПД и законы термодинамики

КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД. Тепловой КПД является следствием термодинамики. Существует и определение, и формула для теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «тепловой КПД — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».

Строгое определение теплового КПД, согласно словарю Merriam-Webster, это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству тепловых единиц в потребленном топливе». Более практичное непрофессиональное определение теплового КПД заключается в том, что количество энергии, вырабатываемой при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.

Формула для теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия – это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, переданного в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на вход является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое идет на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, с поршнями.

Существуют два закона термодинамики, определяющие тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.

Первый закон термодинамики

Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики выход энергии не может превышать энерговклад. Другими словами, энергия, которую вырабатывает двигатель — будь то потерянная энергия или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше энергетического потенциала топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Первый закон термодинамики интуитивно понятен. Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги в качестве метафоры для первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей с доллара.

В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики невозможно достичь 100% тепловой эффективности.

Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовывать почти 100% поступающего тепла в работу. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло».

Чрезвычайно большой процент энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии является причиной перегрева двигателя. Нагрев двигателя происходит за счет кондуктивной теплопередачи. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, обогреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.

Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выбрасывается выхлопными газами, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.

Теплота — энергия — потери и теорема Карно

Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии. Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — факт, доказанный теоремой Карно.

Предел Карно — это количество энергии, выделяемой при сгорании, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже предел Карно .

Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Термический КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. В то время как есть компании, стремящиеся улучшить тепловую эффективность бензиновых двигателей, чрезвычайно сложно даже сравнить эффективность сгорания со старыми дизельными двигателями. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить тепловую эффективность своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны в преобразовании сожженного топлива в полезную энергию. Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов.

Дизель обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, который, по утверждению компании, имеет максимальную тепловую эффективность 38 процентов, тепловую эффективность, которая «больше, чем у любого другого серийного двигателя внутреннего сгорания».

Еще один взгляд на тепловую эффективность связан с затратами на топливо. На каждый доллар бензина, который покупает человек, уходит почти 80 центов в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически приводят в движение бензиновый двигатель. Несмотря на то, что это поразительно мало, даже обычные дизельные двигатели стоят не менее 40 центов за доллар при механическом использовании.

Несмотря на то, что 60 центов из каждого доллара дизельного топлива теряется из-за термической неэффективности, это все равно в два раза лучше, чем средний бензиновый двигатель.

Почему тепловой КПД дизельного двигателя больше, чем у бензинового

В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария, считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, тогда как дизельные двигатели могут достигать термического КПД почти 50%. «Двигатели с искровым зажиганием современного производства работают с тормозным тепловым КПД (КПД) порядка 30–36 % [12], двигатели с воспламенением от сжатия давно признаны одними из самых эффективных силовых агрегатов, текущий КПД дизелей может достигать до 40–47%.

Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сгорании на обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях по шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы».

Тепловой КПД и степень сгорания

В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда она достигает точки, в которой топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.

Коэффициент сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8:1 до 12:1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, а не сжатия в результате воздействия искры.

Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На это есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели являются двигателями сжатия. Компрессия - это то, что заставляет дизель в камере сгорания взрываться. В компрессионном двигателе нет искры, которая воспламеняет дизель. Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, поскольку дизель является более стабильным топливом. Для воспламенения дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14:1 до 25:1.

Решения для повышения эффективности двигателя

Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения термической эффективности двигателя. Ограничения конструкции и ограничения технологий не позволяют владельцам вносить значительные улучшения в транспортное средство в отношении теплового КПД. Тем не менее, возможно сделать улучшения в отношении эффективности сгорания.

Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, применительно к тяжелому топливу с высокой плотностью энергии — дизельному топливу, мазуту, бункерному топливу и т. д. — существуют технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания. Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводородов, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.

Топлива с низкой плотностью энергии, такие как бензин и природный газ, обычно имеют постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелыми видами топлива, поскольку они состоят из более мелких молекул углеводородов с короткой цепью. Но более крупные и длинные молекулы углеводородов и молекулярные цепи в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха. Без воздуха углеводороды не воспламеняются.

Топливные катализаторы являются одним из простейших средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в составе благородных металлов разрушают кластеры топлива, деполяризуя внутренние заряды, которые заставляют углеводороды собираться вместе.


Learn more

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf