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:
- Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
- 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:
- 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%.
- 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%.
- 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%.
Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.
Что такое КПД двигателя внутреннего сгорания.
Отношение полезной энергии к полной (затраченной), выраженное в процентном отношении, и есть искомый КПД двигателя внутреннего сгорания. Разберемся, куда же теряется энергия.
На что тратиться полезная энергия?
Первый пункт здесь – это потери, возникающие непосредственно при горении топлива, ведь все топливо в двигателе никогда не сгорает, часть его улетает в выхлопную трубу. Эта часть, в среднем, составляет около 25%.
Следующим местом (точнее явлением), куда исчезает энергия, является тепло, выделяемое при горении. Возможно, кто-то из вас еще помнит со времен, проведенных на школьной скамье, что для получения тепла требуется энергия, соответственно, образуемое тепло – это есть потери энергии. Здесь стоит заметить, что тепла при работе двигателя внутреннего сгорания образуется с излишком, что требует внедрения серьезной системы охлаждения.
Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.
Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.
Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.
Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.
КПД бензинового и дизельного двигателя.
При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.
Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.
Видео.
КПД дизельного двигателя представляет собой отношение мощности, которая подается на коленчатый вал, к мощности, получаемой поршнем благодаря давлению газов, образующихся при воспламенении используемого топлива.
То есть эта величина является той энергией, которая преобразовывается из тепловой или термической энергии в механическую величину.
Бензиновые двигатели обладают принудительным зажиганием воздушно-топливной смеси искрой свечи.
Типы систем питания
Карбюраторный вариант предполагает смешивание воздуха и бензина во впускном трубопроводе карбюратора. В последнее время выпуск таких вариантов двигателей существенно снижается из-за несущественной экономичности подобных двигателей, их несоответствия экологическим нормам современности.
В вариантах впрысковых двигателей подача топлива происходит с помощью одного инжектора (форсунки) в центральный трубопровод.
В случае распределительного впрыска топливо попадает внутрь двигателя несколькими инжекторами. В таком случае увеличивается максимальная мощность, что существенно увеличивает КПД дизельного двигателя.
При этом снижаются расходы бензина и токсичность обработанных газов за счет фиксированной дозировки топлива электронными системами управления автомобильным двигателем.
Рассуждая над тем, каков КПД современного дизельного двигателя, необходимо знать о системе впрыска бензиновой смеси в камеру хранения. Если подача топлива осуществляется порциями, это гарантирует работу двигателя на обедненных смесях, что помогает снижать расход топлива, уменьшать выброс в атмосферу вредных газов.
Особенности дизельных двигателей
КПД бензинового и дизельного двигателя существенно отличаются между собой. Дизели являются теми двигателями, в которых после сжатия нагретая топливно-воздушная смесь воспламеняется. Они намного экономичнее бензиновых аналогов из-за большей степени сжатия, способствующей полному сгоранию воздушно-топливной смеси.
Достоинства дизелей
КПД дизельного двигателя можно увеличить при создании сопротивления движения воздуха из-за отсутствия дроссельной заслонки, но это приводит к повышению расхода топлива.
Наибольший крутящий момент развивают дизели на небольшой частоте вращения коленчатого вала.
Устаревшие конструкции дизельных двигателей от бензиновых аналогов отличаются определенными недостатками:
- большим весом и ценой при равной мощности;
- повышенным шумом, создаваемым при сгорании топлива в цилиндрах;
- меньшими оборотами коленчатого вала, повышенными инерциальными нагрузками.
Принцип деятельности
КПД современного дизельного двигателя определяется отношением полезной работы, совершаемой двигателем, к полной работе. Почти у всех автомобильных двигателей предполагается четыре такта:
- впуск топливно-воздушной смеси;
- сжатие;
- рабочий ход;
- выпуск отработанных газов.
Эффективность дизельного двигателя
КПД дизельного двигателя в процентах составляет порядка 35-40 процентов. Учитывая, что для бензинового агрегата показатель составляет до 25 %, дизель явно лидирует.
Если воспользоваться турбонаддувом, вполне модно увеличить КПД дизельного двигателя до 53 процентов.
Несмотря на сходство типа работы, дизель справляется с поставленной перед ним задачей намного качественнее и результативнее. Так как у него меньшее сжатие, воспламенение топлива происходит по другому принципу. Он будет меньше нагреваться, в результате чего на охлаждении происходит неплохая экономия. В дизеле нет свечей и катушек зажигания, следовательно, нет необходимости тратить дополнительную энергию генератора.
Для повышения эффективности работы бензинового двигателя добавляют пару выпускных и впускных клапанов, а на каждую свечу устанавливают отдельную катушку зажигания. Для управления дроссельной заслонкой используется электрический привод.
Эффективность топлива
Расчет КПД дизельного двигателя позволяет определить целесообразность его применения.
Дизель считается одним из вариантов двигателя внутреннего сгорания, для которого характерно после сжатия воспламенение рабочей смеси.
Для того чтобы выявить суть функционирования бензинового двигателя, и то, какой КПД дизельного двигателя, проводят математические расчеты.
Потери КПД
Сгорает не все топливо, некоторая его часть теряется вместе с выхлопными газами (теряется до 25 процентов КПД). В процессе функционирования двигатель тратит часть энергии на корпус, радиаторы, жидкость. Это приводит к дополнительной потере КПД. На все места, где существует трение: кольца, шатуны, поршни, потребляется дополнительная энергия, что негативно отражается на коэффициенте полезного действия.
Вариант определения
В технической документации можно найти информацию о мощности двигателя внутреннего сгорания. После заливки в него топлива и работы на максимальных оборотах в течение нескольких минут остатки топлива сливают. Вычтя из начального объема конечный результат, вооружившись плотностью, можно посчитать массу топливной смеси.
В настоящее время максимальной эффективностью обладает электрический силовой агрегат. Его КПД может достигать 95%, что является превосходным результатом. Если первые моторы при объеме двигателя 1,6 литра развивали не больше 70 лошадиных сил, то в наши дни этот показатель доходит до 150 лошадиных сил.
КПД – величина отношения мощности, подаваемой на коленчатый вал двигателя, к величине, получаемой от сгорания газовой смеси поршнем. В зависимости от того, какое топливо используется для работы автомобильного двигателя, КПД может варьироваться в диапазоне от 20 до 85 процентов. Безусловно, производители топливных систем ищут способы их улучшения, позволяющие существенно увеличить итоговую величину двигателя внутреннего сгорания.
Для снижения механических потерь от нагрузки генератора, трения в настоящее время в промышленности используют смазки. Но, несмотря на подобные достижения, полностью справиться с силой трения пока еще не удалось никому.
Даже после усовершенствований бензинового двигателя удалось добиться изменения у него коэффициента полезного действия до 20 процентов, только в некоторых случаях удается повышать КПД до 25 %.
Более высокий показатель коэффициента полезного действия свидетельствует о топливной эффективности. К примеру, при объеме дизельного двигателя 1,6 литра в городском цикле расход топлива составляет не более 5 литров. У бензинового аналога эта величина достигает 12 л. Сам дизельный агрегат гораздо легче и компактнее, к тому же считается более экологичным вариантом, чем бензиновый двигатель.
Эти положительные технические характеристики гарантируют дизелям более продолжительный эксплуатационный срок службы.
Заключение
Помимо многочисленных плюсов, есть у него и несколько недостатков, о которых также следует упомянуть. КПД двигателя внутреннего сгорания гораздо меньше 100 процентов, к тому же агрегат не выдерживает резкого понижения температуры воздуха.
Коэффициент полезного действия представляет собой величину, которая в процентном соотношении демонстрирует результативность функционирования механизма относительно преобразования тепловой энергии в полезную работу. ДВС осуществляет подобную деятельность, осуществляя преобразование тепловой энергии. Высвобождается она в результате сгорания в цилиндрах топливной смеси. КПД дизельного мотора является фактически совершенной механической работой, состоящей из отношения энергии, полученной от сгорания топлива, и мощности, отдаваемой установкой на коленчатом валу двигателя.
Эффективность работы современного дизельного агрегата определяется множеством различных факторов. В первую очередь, необходимо отметить тепловые и механические потери, возникающие в ходе работы двигателя такого типа. Кроме того, свою долю вносит в разнообразные потери и сила трения, которая появляется при тесном соприкосновении этих многочисленных деталей.
Основная часть расходуемой полезной энергии приходится на приведение в движение поршня, вращение внутри мотора различных деталей. Более 60 процентов сгорающего топлива требуется для обеспечения работы всех узлов автомобильного двигателя. При дополнительных потерях появляются существенные проблемы с дееспособностью навесного оборудования, разнообразных систем, механизмов.
Благодаря модернизации системы впрыска удалось внести позитивные изменения в значение коэффициента полезного действия, минимизировать потери.