Мотор Nissan STARC показал рекордный тепловой КПД
В мире ДВС выдающимся КПД обладают самые крупные судовые дизели (50% или чуть выше), а автомобильные моторы в основном довольствуются значениями в 30–40%. Но даже эти числа достигаются лишь в самых выгодных режимах работы.
Компания Nissan Motor испытала прообраз ДВС для последовательной гибридной системы e-Power следующего поколения, в котором добилась теплового КПД в 50%. Это число выглядит сокрушительно в сравнении с прошлыми примерами выдающихся моторов (38,3%, 38,5%, 40%, 41%, 43%). Разработчики уверяют, что 50% — это мировой рекорд, и рассказывают о тонкостях технологии сгорания, названной STARC (Strong, Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel, «сильный, вихревой, надёжный канал зажигания с правильным удлинением»).
Разработчики подчёркивают, что высокой эффективности им удалось добиться во многом потому, что задуманный мотор должен работать только на генератор. Значит, его можно вывести в самую выгодную зону по оборотам и нагрузке, одновременно питая бедной топливовоздушной смесью.
Японцы уверяют, что показали на примере многоцилиндрового мотора — КПД в 43% можно получить за счёт грамотной системы рециркуляции отработанных газов, 46% — за счёт сжигания обеднённой смеси и 50%, добавляя рекуперацию отходящего тепла (детали не поясняются). В серийном ДВС для гибрида тепловой КПД в 50% можно будет получить через несколько лет, сообщает компания. Сорокаминутный обзор системы STARC на японском, а также прогноз развития электромобильных технологий можно посмотреть по ссылке.
КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах
Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …
ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ
Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.
КПД двигателя внутреннего сгорания – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.
Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.
Подробнее о потерях
Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:
1) Топливная эффективность. Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.
2) Второе это тепловые потери. Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.
3) Третье это механические потери. НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %
Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.
ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!
Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.
Если вспомнить формулу то получается:
У какого двигателя самый большой КПД?
Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.
Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:
1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.
2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.
Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.
О топливной эффективности дизеля
ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.
Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.
Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.
На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.
(80 голосов, средний: 3,71 из 5)
Матчасть 13. КПД и топливная эффективность
Доброе утро, мы продолжаем изучать матчасть, и просвещать наши темные головы.
вот уже третий день я "курю" статью оч умного человека, вот на этом сайте
к сожалению информация подана достаточно сухо, грубо, но очень точно.
Она защищена от тупого копипаста. по этому я решил ее частями перенести сюда, разбив на несколько частей, несколько дней я уже занимаюсь приведением статьи в человеческий вид, к сожалению это не так просто как может показаться, по этому перед вами часть один, сжатая, что бы оценить, стоит ли ее сюда дальше выкладывать или нет.
Как всегда важно рекомендую обратить внимание
КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?
Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия "тюнинга двигателя", т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.
Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;
КПД роторного ДВС
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД– показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;
Рассмотрим, кратко все эти позиции:
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось.
Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД– в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.
Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.
В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти "минусы баланса" — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа. Поэтому чисто по правилам формальной логики КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…
РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС
Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.
КПД роторного двигателя
Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгоревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.
Задача– получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек.
Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух.
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.
В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.
Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил.
Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода.
Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.
Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп.
И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его "тягу", водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».
Путь избавления от этого недостатка:
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.
Спасибо за прочтение, надеюсь вам интересно, и стоит продолжать.
Отдельное спасибо пользователю xvolroi , который дал ссылку на эту великолепную статью
инстаграм Storogilov
Какие темы еще вас интересуют?
Если вы прочитали, прокомментируйте, интересно ваше мнение все таки
Разбираемся с электрокарами и ДВС
После видео стасяо-сана «Разбираемся с Теслой и другими ЭЛЕКТРОКАРАМИ” возникло много вопросов по его мнению. В данной статье я не ставлю себе целью показать что все однозначно так, или иначе.
Я всего лишь обращу внимание на некоторые моменты.
Начать стоит со слов автора…
«А что такое кпд? Фактически это расшифровывается как коэффициент полезного действия, и это просто условный показатель, который показывает насколько эффективно, совершается то и иное действие, или насколько эффективно передается энергия и так далее.»
Так как показатель условный, то условно можно спорить о цифрах бесконечно. Ведь что считать «точкой отсчета»? Если все наши показатели приблизительны?
Поэтому предлагаю для чистоты разума и нервов считать ВСЕ озвученные цифры в видео стасяо верными!
Конечно это не так, но о цифрах будет немного в конце статьи. Так что любителям поспорить о математике я оставлю возможность порассуждать на эту тему.
Еще одной причиной такого подхода является очевидная трудность сбора объективных данных… т. е. Я знаю где «копать», но на Асафьева работали целой командой, и поэтому для такого же ответа нужен аналогичный подход.
«От угля в девятнадцатом году было выброшено 14 миллиардов 620 миллионов тонн, а всего что использует нефть и ее продукты, это электростанции на нефти, предприятия, вся техника на свете, и так далее. это 12 миллиардов 250 миллионов тонн! Почти на два с половиной миллиарда меньше чем от угля. И плюс еще докидывайте от всей газовой промышленности 7.5 миллиардов тонн выбросов. Поэтому все активисты кто орет про то «что автомобили это главный источник СО2 в мире могут смело идти . »
В начале сравнение цифр выбросов СО2 в 2019 году, где кратко поясняется что выбросы по углю и всей нефтяной промышленности отличаются незначительно… но потом «прицепом» идет 7.5 млрд. Тонн СО2 от газовой промышленности, что смешно, так как газ разве не надо считать вместе с нефтью?
В итоге это первая ошибка, ведь считая газ мы понимаем что выбросов от нефтегазовой промышленности (а так ее правильнее называть) будет больше!
Но запомним это сравнение. Далее оно нам еще пригодится.
«Смотрим на эту инфо графику! На момент 2019 года 84.3 % от мировой энергии вырабатывалась за счет сжигания ископаемых. На момент 2000 года от ископаемых мы получали 86.1 % от всей энергии в мире. Т.е. доля чистой энергии повысилась на 1.8 % от общего объема. Серьезное движение к светлому будущему надо заметить.»
Как говорилось в известном выражении «Существуют три вида лжи: ложь, наглая ложь и статистика».
Рассказ о 2% это правда, если не учитывать фактора того что в эти цифры входят все страны. Правильнее было бы применить статистику с учетом количества электромобилей и альтернативной энергетики в каждой стране, и проценты сразу бы стали немного другими.
Так в Норвегии, Дании, Швеции и Финляндии например «зеленая» энергетика занимает намного больший процент в балансе энергетики (и там же ставятся рекорды по продажам электромобилей).
Очень интересный факт — в период с 1900 года до 1919 года доля нефти в мировой энергетике вполне могла составлять те же 2%, если бы можно было бы подсчитать ВСЮ ЭНЕРГЕТИКУ МИРА в то время.
«При этом если посмотреть внимательно сектор зеленой энергии то самый жирный кусок там будет ГЭС. Гидроэлектростанции — 6.4% если быть точным. От которых сейчас мир начинает отказываться! В смысле погоди почему отказываться? Они хорошие и полезные! Экологи то каким № это дело допускают? А вот именно из-за экологов только из-за нормальных, здравомыслящих, и сворачивают все мировые программы по постройкам гидроэлектростанций. И правильно делают! Потому что во-первых, их строительство приводит к затоплению пахотных земель, так как ГЭС создает препятствия для протока воды и она встает озерами, а как вы можете догадаться уменьшение количества пахотных земель это не есть хорошо! Во вторых, из-за блокирования потока воды земля нормально не пропитывается питательными веществами от дождевых осадков, и так как карта грунтовых вод сильно меняется, и мало того что пахотные земли затопляются, так еще и та земля которую не затопило при строительстве ГЭС лишается питательных элементов, и отдает меньше урожая и в целом растительности.»
«В третьих блокируется миграция рыб, и они исчезают целыми популяциями»
В целом согласен с эко-выводами, но вот насчет будущего уже описывал мнение ученых в статье «Таяние ледников обеспечит гидроэнергетику в будущем?». Экология в этом плане даже выиграет.
Так же не стоит забывать о потенциале развития малых ГЭС, о которых нам намекают некоторые животные.
«Вот какой кпд у всего этого хозяйства?(электростанции) Да! Верно! Он низкий! Кпд в 35 процентов на современных электростанциях это прям нормальный хороший показатель в среднем по больнице. В лучшем случае можно получить 60 процентов кпд у парогазовых установок, но их очень мало. Поэтому для наших расчетов берем средний по больнице кпд 35 — 40 % и вот вам к стати еще график изменения кпд на электростанциях с 2003 по 2013 год! Как мы можем заметить за десять лет кпд никак не поменялся!»
Замечание о кпд ценно хотя бы лишь тем что линия газа все таки поднялась… и это за 10 лет. Что происходило после 2013 года уже вызывает вопросы — неужели прогресс в области электростанций остановился?
А пока запомним что кпд парогазовых установок около 60 %.
«Парни, нам обещают что кпд их моторов варьируется от 80 до 90 % в зависимости от манеры езды. В тестах на экономичность, в тех же самых в которых ставят паспортный расход топлива «Тесла» показала кпд в 94%, но мы с вами знаем что паспортный расход это штука эфемерная и нереальная, в жизни он выше, и с электрокарами то же самое»
«Но возьмем официальные цифры от 80 до 90 %, и возьмем среднюю 85 % кпд у электромотора «Тесла». Прошу заметить что это абсолютно недостижимая цифра для ДВС! Это очень важно!»
КПД электромотора как мы видим подсчитано, но мало что сказано о кпд ДВС. Создается определенная недосказанность в этом вопросе. Ведь как мы помним ранее статсяо говорил о кпд двс 35-40%, а значит можно ошибочно решить что этот показатель как и у мотора «теслы» постоянен, и так же не одинаков с просадкой в 10% как у «Теслы».
Начать стоит с того что кпд в данном случае это показатель до выхода энергии через вал электродвигателя/ДВС. Это важно понимать.
Дальше уже идут потери, которые в случае сравнения ДВС и электромотора у них разные.
В идеальном розовом мире ДВС, где супер вариатор в паре с супер ДВС мог бы стабильно перемещать автомобиль, изменяя передаточное число так, чтоб обороты двигателя всегда были стабильно в точке схождения мощности и момента (это точка где кпд самый высокий), можно было бы говорить о равенстве с электромотором. Разумеется если попутно решить проблемы с понижением кпд из-за торможения двигателя, холостого хода и расходов энергии на прогрев мотора (все эти потери есть и в электромоторе, но они минимальны, плюс еще наличие рекуперации сглаживает эти потери).
«Поэтому берем нашу несчастную цифру 28.35 % энергии которая осталась после зарядки автомобиля, отнимаем еще 15% и по итогу получаем гордые 24% кпд с маленьким хвостиком. То есть мы с вами получаем что финальная эффективность электрокаров в кпд от изначального получения электроэнергии до перемещения вашей задницы в пространстве 24 %! У вас сначала где-то там сжигается топливо, преобразуется в электроэнергию с потерями, потом доставляется до хранилища с потерями, потом преобразуется с потерями, потом доставляется до вашего дома с потерями, заряжает ваш автомобиль с потерями и электромотор крутит ваши колеса то же с потерями, а ужасный и неэффективный двс, который вот прям тут сам в себе потребляет топливо, и преобразует его в энергию движения имеет кпд 35 — 40 %.»
На вопросе о кпд нужно вспомнить то что изначально я просил вас запомнить. А именно соотношение угольной и нефтяной промышленности и кпд парогазовых электростанций.
Начнем с первого… В целом сравнение «угольного» электрокара (такой вывод исходя из источника энергии по стасяо) и бензиново-дизельного автомобиля это не совсем корректно по выбросам и кпд.
Это как сравнивать что лучше и быстрее бьет в голову? Бутылка шампанского? Самогон? Или 5 литров пива? Вроде говорим об одном и том же, но разница сразу ощущается.
Можно вспомнить технологии «угольных» ДВС, и сравнить их с «угольными» электрокарами для более равноправного сравнения.
Во-вторых, вспоминая про парогазовые электростанции нужно обратить внимание на то что вопреки названию гореть там может практически все что угодно. Нефть т. е. Дизель, уголь-биомасса после газификации. Таким образом заменяя цифру от электростанций на 60% мы видим совсем другую картину. Ведь главный тренд на отказ от ДВС, но куда по вашему денется вся добыча нефти и газа после такого перехода? Моментально исчезнет, и останется только уголь? Или все же просто поменяет конечный пункт сжигания ради энергии?
С чем я в корне не согласен с некоторыми эко-активистами, это что электромобиль убьет автомобиль на традиционном топливе, а заодно и нефтегазовую промышленность. Нет не убьет! Сожрет изнутри да…
Тут хорошо подойдет аналогия с самкой богомола, поедающей своего незадачливого партнера (это пример лишь дань традиции особого юмора стасяо).
Ведь по сути происходит именно это…
Как указывалось еще в «экологии» нефте-компании активно инвестируют в альтернативную энергетику и электромобили. Ведь процесс перерождения (благодаря смерти самца богомола появляется потомство) лучше контролировать самому… чем допустить хаотичное движение в этом направлении.
Так же можно вспомнить что нефть-газ имеют тенденцию к снижению добычи, но это еще полбеды. Гораздо хуже то что качество углеводородов становится хуже, что удорожает переработку. Сланцевая нефть это не от хорошей жизни, а скорее шаг вперед по инерции. Проще такой «сироп» сжечь на ТЭС чем перерабатывать. Тем более спрос они себе смогут обеспечить, за счет проблем альтернативной энергетики.
«Кпд у современных моторов 35 — 40 % почти в два раза выше чем полный цикл получения энергии и преобразование его в движение у электрокаров. А у современных дизелей у теплоходов кпд 50 — 55 %.»
Не стоит забывать и об обычных ДВС в качестве генератора электроэнергии. Сейчас этот показатель у небольших домашних генераторов может быть ровно в 2 раза меньше чем у больших моторов, но это вовсе не значит что показатель в 50% кпд для небольшого ДВС-генератора недостижим.
«В энергетике есть такой термин сезонность, это типа не зима весна лето, а кое-что другое… сезонность на электростанциях означает что какой-то тип электростанции или какая-то конкретная электростанция не может выдавать один и тот же объем энергии постоянно. У всех угольных, нефтяных, газовых и атомных электростанций, а вообще у всех электростанций работающих на топливе понятия сезонность нет как явление. Они могут постоянно и стабильно, не зависимости от времени суток, времени года, погоды, или там ретроградного меркурия выдавать нам электричество. Есть только предельная мощность, а внутри уже играйся как, хочешь.»
«У всех электростанций которые работают на возобновляемых источниках энергии есть сезонность. Они не могут постоянно, стабильно и прогнозируемо выдавать нам электричество.»
«Плюс надо понимать что потребление энергии это штука нестабильная. Мы потребляем энергию неравномерно. Днем например когда светит солнце, и мы все либо на работе, либо где-то шляемся по городу потребление одно, а когда вечером все возвращаются домой, включают свет, включают телек -ютубчик, начинают стирать, готовить еду, когда включается вся иллюминация в городе. Потребление совершенно другое. И в случае электростанций на топливе это легко регулируется.»
Проблема сезонности нет у традиционных ТЭС и АЭС, но есть проблема отсутствия спроса, а точнее снижения потребления ниже оптимального уровня.
Из-за этого сначала снижается кпд станции, так как она работает на слишком низких нагрузках, а затем возникает опасность полного выключения (а запуск это опять же потеря времени и кпд).
Разумеется у сезонных солнечных панелей и ветряков такой проблемы нет, и более того потенциальные варианты решений тут уже не раз обсуждались на Хабре.
В двух словах это о том что электромобиль, так же как и автомобиль большую часть времени проводит в неподвижном состоянии. Поэтому будучи подключенным к умной зарядной станции, которая имеет связь с энергосистемой, батарея электрокара может быть заряжена с учетом необходимости в энергобалансе всей системы при котором в пике потребления батареи не будут заряжаться. Соответственно когда потребление упадет до минимумов заряд продолжится с выгодой для кпд электростанций.
«Все современные моторы давно уже выполняют нормы евро 6, а то и евро 6 Д, и от них выбросов намного меньше чем от электроэнергии которую вы получаете из розетки. Именно это я имел ввиду, когда говорил в документалке что причина тут не в экологии, а в глобальной энергетике. Аргумент что в городах сейчас вместо воздуха смог и говно, может существовать только от того, что у нас не все двигатели заточены под современные требования норм по выхлопам, автопарк то в основном старый! Между автомобилями 2000-х и автомобилями 2020-х по чистоте выхлопов просто пропасть! Вот какая разница между современными нормами и нормами прошлого! А на электростанциях выбросы не очищаются настолько сильно как в автомобиле! Да там есть системы очистки выбросов, но они не настолько эффективны как в двс с их катализаторами, системами рециркуляции и дожигания отработанных газов и так далее… и поэтому в текущей картине мира электромобили это не решение! Он по общим цифрам в энергетике даже рядом не валялся!»
Нюанс в том что мировой автопарк не состоит в основном из современных автомобилей/двс. Во многом причина этому цена подобных доработок.
Беда так же в том, что даже условно современные моторы сейчас часто заканчивают свою жизнь в странах третьего мира с анти-экологичными доработками, которые снижают стоимость эксплуатации и владения, а также те же евро-нормы. Таким образом изначальный евро 6 в последствии сначала начнет потреблять сверх-нормы топливо из-за несвоевременного обслуживания, а потом и вовсе избавится от «катализаторов» став полноценным евро 0.
Стоит задуматься над вопросом почему при всем совершенстве современных моторов евро 6 мы не видим массового перехода на них? Почему никто не спешит выкидывать/сдавать в металл старые моторы и ставить экологичные?
Разве могло бы что-то остановить этот процесс если бы экономически это было возможно?
Но нет… вы не увидите в мире примеров такого массового перехода. Даже если вспомнить Кубу с ее раритетами или антипод — Швейцарию. Везде это лишь вопрос тюнинга, но никак не экономики.
Всё правда может стать еще хуже с вступлением в силу норм евро 7. Этот стандарт загоняет ДВС в рамки такого удорожания конструкции, что даже сами автокомпании отказываются от дальнейших разработок моторов. При таких ограничениях проще и выгоднее уже делать только электромобили… или моторы работающие в узком диапазоне оборотов на бензине, так как дизельное эко-дополнение по евро 7 самое дорогое в этом стандарте.
И как обещал немного цифр…
Осторожно! В видео присутствует риторика ненависти ( хейтспич ).
В этом видео кратко рассмотрен вопрос кпд двс с учетом добычи от скважины и до попадания топлива в бак.