Кпд двс автомобиля: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Содержание

Каков КПД автомобиля?. Удивительная механика

Каков КПД автомобиля?

Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.

А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.

Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.

Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности

А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!

А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.

Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.

Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.

Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!

На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля.

Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.

Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии.

Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.

Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Какой КПД у двигателя автомобиля

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов.

Что же до двигателей внутреннего сгорания, то  у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

 

 

КПД двигателя внутреннего сгорания

 

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

 

Где теряется эффективность

 

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

 

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

 

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше.

Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

 

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

 

Дизель или бензин

 

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

 

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу.

Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

 

КПД электрического двигателя двигателя

Объёмный КПД двигателя внутреннего сгорания

Автор temass

Дата
Июл 18, 2017
7 816

Среди множества полезных характеристик, кпд двигателя имеет немаловажное значение. От этого показателя зависит продолжительность и эффективность силового агрегата.

  • КПД двигателя внутреннего сгорания – что это?
  • Потери мощности — куда и почему
  • Сравнение КПД тепловых двигателей — бензиновый и дизельный
  • Асинхронный двигатель и стирлинг
  • Максимальное значение кпд идеального двигателя
  • Как повысить КПД?

КПД двигателя внутреннего сгорания – что это?

Во время работы, мотор превращает тепловую энергию, которая получилась от сгорания топлива, в механическую работу. Современные двигатели намного эффективнее, чем тем, которые были изготовлены лет 10 назад.

Таким образом, коэффициент полезного действия рассчитывается на основании теххарактеристик, а также других показателей.

КПД это процентное отношение полезной работы к полной. Другими словами, это преобразование мощности, которая поступает на коленчатый вал двигателя, к мощности, которую получает поршень от сгорания топлива.

Все механизмы предназначены для выполнения определенной работы, которую называют полезной. Однако при этом часть энергии растрачивается. Для того чтобы выяснить эффективность работы, вполне подойдет формула кпд в физике: ɳ= А1/А2×100%, где А1 – полезная работа, выполненная машиной или двигателем, А2 – вся затраченная работа. При этом кпд обозначается символом η.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

Эффективность кпд измеряется в процентах и зависит от различных потерь, которые происходят в процессе работы.

Тепловая эффективность двигателя. Не такая страшная физика.

Обычно, если кто-то слышит слоган «тепловая эффективность двигателя», они сразу же меняют тему. Вы можете говорить о двигателях об их мощности, об их расходе топлива или — вызывая уважение собеседников как эксперта — о рабочих системах, таких как Дизель, Отто, Ванкель и Аткинсон. Но термическая эффективность звучит как домашняя работа по физике, то есть вызывает отвращение и негативные реакции. Между тем все это сливается в одно ….

КПД двигателя — обозначается латинским символом η (eta) — это параметр, который характеризует данный двигатель и означает, сколько подаваемого тепла преобразуется в полезную работу. В случае двигателя внутреннего сгорания это преобразование тепловой энергии, возникающей в результате сгорания топлива, в механическую энергию, выделяемую двигателем в результате вращения коленчатого вала.

Значения этой эффективности различны для разных типов двигателей и, например, для двигателей с искровым зажиганием составляют около 0,30–0,36, а для дизельных двигателей — около 0,40–0,45. Это означает не что иное, как то, что при заливке в бак 50 литров топлива только 15-18 литров бензина и 20-22,5 литра дизельного топлива используются для привода компонентов автомобиля. Остальное безвозвратно потеряно.

Потери мощности — куда и почему

  • топливная эффективность – топливо сгорает не полностью, небольшая его часть просто вылетает в выхлопную трубу. На этом этапе теряется 25%;
  • тепловая – двигатель греет не только себя, но и другие его элементы. Для получения тепла требуется энергия, это и есть потери. На них тратится еще 35%;
  • механические – во время движения механизмов возникает трение. Конечно, смазки ослабляют его действие, однако полностью победить его пока не удалось. Это еще 20%.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

На выходе получаем, что кпд двигателя составляет всего 20-25%. Фактически, если автомобиль расходует 10 л бензина на 100км, то на работу уйдет всего 2 л, остальное составляют потери.

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

  • Паровая машина;
  • машина Стирлинга;
  • двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
  • газовая турбина;
  • паровая турбина;
  • авиационные реактивные двигатели.

Сравнение КПД тепловых двигателей — бензиновый и дизельный

Если сравнивать полезную мощность, то сразу отметим, что бензиновый не такой эффективный. Его величина составляет всего 25-30%, в то время как у дизельного она -40%.

Несмотря на схожесть агрегатов, у них различные виды смесебразования.

  1. У бензинового мотора поршни работают при более высоких температурах, что требует хорошего охлаждения. Поэтому тепловая энергия, которая могла бы трансформироваться в механическую, тратится впустую, тем самым снижая КПД.
  2. У дизельного – рабочая смесь воспламеняется при сжатии, поэтому давление в цилиндрах намного выше. Кроме того, мотор намного меньше и экологичнее.

При низких оборотах и большом рабочем объеме уровень КПД может возрасти до 50%.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

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%.

Асинхронный двигатель и стирлинг

Сегодня на рынке представлены асинхронные машины, большей частью которых являются элетрические. Асинхронный механизм преобразовывает электрическую энергию в механическую.

Основные их достоинства:

  • простота изготовления и относительно низкая стоимость;
  • высокая надежность;
  • эксплуатационные затраты небольшие.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

Формула кпд рассчитывается следующим образом: η = P2 / P1 = (P1 — (Pоб — Pс — Pмх — Pд)) / P1, где Роб =Pоб1 + Роб2 – общие потери в обмотках асинхронного мотора. Для большинства современных механизмов такого типа, коэффициент достигает 80 – 90%.

Еще одним двигателем внутреннего сгорания, который может работать от любого источника тепла, является двигатель Стирлинга.

Следует учесть, что такие механизмы используют на космических аппаратах и современных подводных лодках.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

Он работает при любых температурах, не требует дополнительных систем для запуска, при этом их коэффициент полезного действия выше на 50-70, чем обычных двигателей.

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель. Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1 где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95. Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами. Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

Максимальное значение кпд идеального двигателя

Как найти кпд двигателя, чье значение было бы идеальным и равнялось 100%. Возможно ли такое? Ответ на этот вопрос дал еще в 1824 г. инженер С. Карно. В своих разработках он придумал идеальную машину, где формула кпд теплового двигателя выглядит так: η=(T1 — Т2)/ T1.

  • Фейсбук
  • Гугл+
  • ЖЖ
  • Blogger

В результате было выяснено, что достичь 100% коэффициента можно лишь в том случае, если температура охладителя будет равна абсолютному нулю, а это невозможно, поскольку она не может быть ниже температуры воздуха.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Дизель является одной из разновидностей двигателей внутреннего сгорания, в котором воспламенение рабочей смеси производится в результате сжатия. Поэтому давление воздуха в цилиндре намного выше, чем у бензинового двигателя. Сравнивая КПД дизельного двигателя с КПД других конструкций, можно отметить его наиболее высокую эффективность.

При наличии низких оборотов и большого рабочего объема показатель КПД может превысить 50 %.

Следует обратить внимание на сравнительно небольшой расход дизельного топлива и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах. Таким образом, значение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от его типа и конструкции. Во многих автомобилях низкий КПД перекрывается различными усовершенствованиями, позволяющими улучшить общие технические характеристики.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

  • гидроэлектростанций 93-95%;
  • АЭС – не более 35%;
  • тепловых электростанций – 25-40%;
  • бензинового двигателя – около 20%;
  • дизельного двигателя – около 40%;
  • электрочайника – более 95%;
  • электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнивать между собой КПД бензинового и дизельного двигателя, то следует отметить, что первый из них недостаточно эффективен и преобразует в полезное действие всего 25-30 % произведенной энергии. Например, КПД стандартного дизеля достигает 40 %, а применение турбонаддува и промежуточного охлаждения повышает это значение до 50 %.

Статья в тему: Срок службы масла в двигателе: по моточасам или по пробегу

Оба двигателя, несмотря на схожесть конструкции, имеют различные виды смесеобразования. Поэтому поршни карбюраторного мотора работают при более высоких температурах, требующих качественного охлаждения. Из-за этого тепловая энергия, которая могла бы превратиться в механическую, рассеивается без всякой пользы, понижая общее значение КПД.

Тем не менее, для того чтобы повысить КПД бензинового двигателя, принимаются определенные меры. Например, на один цилиндр могут устанавливаться два впускных и выпускных клапана, вместо конструкции, когда размещается один впускной и один выпускной клапан. Кроме того, в некоторых двигателях на каждую свечу устанавливается отдельная катушка зажигания. Управление дроссельной заслонкой во многих случаях осуществляется с помощью электропривода, а не обыкновенным тросиком.

Если бы кто-то сказал заглянуть под капот и найти там мотор, у большинства из нас не было бы больших проблем с ним. Вы просто показываете на самую большую деталь, здесь сомнений нет – силовой агрегат – самая огромная часть автомобиля. Но что на самом деле скрыто под этим чугунным или алюминиевым корпусом? Достижение поколений — это точно. Говорят, что двигатель — это сердце автомобиля — и это правильно — без него машина не поедет.

Так как же это работает и почему? Что заставляет автомобиль воспроизводить приятную симфонию звуков после поворота ключа в замке зажигания? Как получилось, что двигатель способен привести в движение колеса? Было бы сложно описать последовательно все существующие типы двигателей в мире. Однако существует схема, которая, за исключением нескольких случаев, остается неизменной и на которой проще всего объяснить, как работает двигатель автомобиля, то есть тот тип моторов, который сжигает бензин, дизельное топливо или масло.

Поршень: отсюда начинается всё

Вообще всю работу в двигателе выполняет поршень. Именно он движется в цилиндре по принципу «скольжения» — прямолинейно и поступательно. Последовательно — один раз вверх, один раз вниз. Задача поршня, как следует из названия, заключается в нажатии. Если не один, то другой путь.

Чтобы выполнить работу, привести к появлению полезной энергии (КПД больше нуля), поршень должен немного поработать и сделать четыре движения в цилиндре — первоначально он всасывает воздух или смесь через открытый всасывающий клапан, скользя вниз до самого дна цилиндра. Когда он располагается на дне цилиндра, наполненного воздухом, клапан закрывается. Когда цилиндр наполняется воздухом «до зубов», поршень крепко сжимает его, поднимаясь вверх. Специально для такого сжатого воздуха топливо впрыскивается сверху (в дизельном двигателе) или возникает искра (вариант с бензиновым вариантом), которая вызывает взрыв. Независимо от силы взрыва (бывает, что из-за простоя автомобиля, первая искра недостаточно сильна) поршень отправляется вниз. Когда поршень заканчивает свой путь, цикл может считаться оконченным, затем он совершает еще один ход — вверх. Его уже ждет открытый выпускной клапан, через который поршень выталкивает весь этот ненужный мусор (выхлопной газ) наружу.

Поршневой цикл: схема

Это тот самый дым, который в конечном итоге выходит из выхлопной трубы под вашей машиной. И так продолжается снова и снова: всасывание воздуха — поршень опускается, сжатие воздуха – поршень уходит вверх. Взрыв — поршень опущен, выталкивание выхлопа — поршень вверх. И все время снова и снова.

Таким образом, энергия взрыва превращается в работу, потому что движение поршня, соединенного с шатуном, вызывает вращение коленчатого вала, что приводит в движение силовой агрегат, который перемещает колесо автомобиля. Конечно, двигатель обычно имеет несколько поршней и цилиндров. В целом, чем они больше, тем больше работа двигателя и чем больше мощность этих цилиндров, тем больше потенциал двигателя и, следовательно, — лучшее ускорение, лучшая динамика, но также и большая потребность в топливе.

Предлагаем вам посмотреть занимательное видео, в котором подробно рассказывается и показывается каким именно образом работаем двигатель внутреннего сгорания автомобиля:

Например, когда указатель тахометра в вашей машине приближается к 2000 об./мин. (2 тысячи оборотов коленвала), это означает, что поршень совершает 4000 ходов в это время, и смесь попадает в цилиндр 1000 раз! Все это за минуту. И всего на один цилиндр. Теперь подумайте, сколько топлива нужно двигателю, если вы «стреляете» в него все время, разгоняя до 6000 оборотов при нажатой педали газа в пол!

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание). В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.

Представьте, что случилось бы, если бы в течение длительного времени все компоненты двигателя двигались «всухую». Теперь вы, наверное, понимаете, почему так важно время от времени проверять уровень масла в двигателе.

Бензиновый и дизельный моторы: в чем принципиальные отличия?

В чем главное отличие бензинового двигателя от дизельного? Речь идет о принципе зажигания. Бензиновые двигатели имеют искровое зажигание, дизель является самоходным. Что означают эти слова?

Бензиновые двигатели для взрыва в цилиндре используют искру, генерируемую на свече зажигания. В дизельных двигателях всё совсем иначе. В дизельном моторе воздух в цилиндре сжимается поршнем гораздо сильнее. Настолько, что внутри создается высокая температура, достаточная для взрыва смеси в цилиндре без искры. Бензин не возгорается из-за большого давления, соляра (дизельное топливо), наоборот, не горит при нормальных условиях от обычной искры.

Двигатели также различаются по расположению и количеству цилиндров. В Европе наиболее популярными являются рядные двигатели — как можно заключить из названия, цилиндры, в которых движутся поршни, в них расположены в ряд. Рядный четырехцилиндровый двигатель будет отмечается символом R4, шестицилиндровый R6 и т. д. Теперь представьте, что Lamborghini собирается смонтировать большой 12-цилиндровый двигатель под капотом своей модели. Если бы производитель хотел установить все цилиндры в один ряд, двигатель занял бы много места. Таким образом, было изобретено другое решение — разветвленное расположение цилиндров в два ряда, под углом 60, 90 и даже 180 градусов (оппозитный мотор). Все двигатели этого типа обозначены буквой V, в данном случае это будет двигатель V12. Однако более популярными являются установки V6 и V8. Такие автомобили изготавливались в середине прошлого века в США, после финансового кризиса их посчитали недостаточно оправданными.

Эти «демонические», действительно мощные, производительные моторы, встречаются реже, их можно обнаружить, чаще всего, в Subaru или Porsche. Здесь поршни расположены с обеих сторон коленчатого вала, лицом друг к другу, что делает весь двигатель, по сравнению с другими, очень плоским, но не менее объемным.

Рядный двигатель

Когда дело доходит до поршневого устройства, существует еще один тип двигателя, который сильно отличается от остальных. Это двигатель с одним вихревым поршнем, так называемый Двигатель Ванкеля. Также существуют специальные роторные моторы (цилиндры расположены по кругу), сферические моторы (поршень двигается не поступательно, а описывает сферу) и многие другие изобретения.

Изобретенный более 100 лет назад поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день все еще является самым распространенным в автомобилестроении. При выборе модели двигателя своего будущего автомобиля покупатель может предварительно ознакомиться с его основными характеристиками. В этой статье мы подробно расскажем об основных показателях двигателей внутреннего сгорания, что они собой представляют и как влияют на работу.

Важнейшими характеристиками двигателя являются его мощность, крутящий момент и обороты, при которых эта мощность и крутящий момент достигаются.

Обороты двигателя

Под широкоупотребимым термином «обороты двигателя» имеется в виду количество оборотов коленчатого вала в единицу времени (в минуту).

И мощность, и крутящий момент — величины не постоянные, они имеют сложную зависимость от оборотов двигателя. Эта зависимость для каждого двигателя выражается графиками, подобными нижеследующему:

Производители двигателей борются за то, чтобы максимальный крутящий момент двигатель развивал в как можно более широком диапазоне оборотов («полка крутящего момента была шире»), а максимальная мощность достигалась при оборотах, максимально приближенных к этой полке.

Мощность двигателя

Чем выше мощность, тем большую скорость развивает авто

Мощность — это отношение работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. При вращательном движении мощность определяется как произведение крутящего момента на угловую скорость вращения.

Мощность двигателя последнее время все чаще указывают в кВт, а ранее традиционно указывали в лошадиных силах.

Как видно на приведенном выше графике, максимальная мощность и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах коленвала. Максимальная мощность у бензиновых двигателей обычно достигается при 5-6 тыс. оборотов в минуту, у дизельных — при 3-4 тыс. оборотов в минуту.

График мощности для дизельного двигателя:

Крутящий момент

Крутящий момент характеризует способность ускоряться и преодолевать препятствия

Крутящий момент (момент силы) — это произведение силы на плечо рычага. В случае кривошипно-шатунного механизма, данной силой является сила, передаваемая через шатун, а рычагом — кривошип коленчатого вала. Единица измерения — Ньютон-метр.

Иными словами, крутящий момент характеризует силу, с которой будет вращаться коленвал, и насколько успешно он будет преодолевать сопротивление вращению.

На практике высокий крутящий момент двигателя будет особенно заметен при разгонах и при передвижении по бездорожью: на скорости машина легче ускоряется, а вне дорог — двигатель выдерживает нагрузки и не глохнет.

Виды мощности

Для определения характеристик двигателя применяют такие понятия мощности как:

  • индикаторная;
  • эффективная;
  • литровая.

Индикаторной называют мощность, с которой газы давят на поршень. То есть, не учитываются никакие другие факторы, а только давление газов в момент их сгорания. Эффективная мощность, эта та сила, которая передается коленчатому валу и трансмиссии. Индикаторная будет пропорциональной литражу двигателя и среднему давлению газов на поршень.

Эффективная мощность двигателя будет всегда ниже индикаторной.

Также есть параметр, называемый литровой мощность двигателя. Это соотношение объема двигателя к его максимальной мощности. Для бензиновых моторов литровая мощность составляет в среднем 30-45 кВт/л, а у дизельных – 10-15 кВт/л.

Как узнать мощность двигателя автомобиля

Можно посмотреть в документах на машину, но иногда требуется узнать мощность автомобиля, который подвергался тюнингу или давно находится в эксплуатации. В таких случаях не обойтись без динамометрического стенда. Его можно найти в специализированных организациях и на станциях техобслуживания. Колеса автомобиля помещаются между барабанами, создающими сопротивление вращению. Далее имитируется движение с разной нагрузкой. Компьютер сам определит мощность двигателя. Для более точного результата может понадобиться несколько попыток.

Роль мощности и крутящего момента двигателя

Для обеспечения лучших динамических показателей двигателя, производители стараются наделить силовой агрегат максимальным крутящим моментом, который будет достигаться в более широком значении оборотов двигателя.

Чтобы правильно оценить роль этих двух понятий, стоит обратить внимание на следующие факты:

  • Взаимосвязь мощности и крутящего момента можно выразить в формуле: P = 2П*M*n, где Р – это мощность, M – показатель крутящего момента, а n – количество оборотов коленвала в единицу времени.
  • Крутящий момент более конкретный показатель характеристики двигателя. Низкий крутящий момент (даже при высокой мощности) не позволит реализовать потенциал двигателя: имея возможность разогнаться до высокой скорости, автомобиль будет достигать этой скорости невероятно долго.
  • Мощность двигателя будет возрастать с повышением оборотов: чем выше, тем больше мощность, но до определенных пределов.
  • Крутящий момент увеличивается с повышением количества оборотов, но при достижении максимального значения показатели крутящего момента снижаются.
  • При равных показателях мощности и крутящего момента более эффективным будет двигатель с меньшим расходом топлива.

Вопрос — ответ

1. Автомобиль в глубокой колее сел на брюхо: ведущие колеса вертятся, не касаясь земли. Водитель упрямо газует. Какую полезную мощность может при этом выдать двигатель?

Б — в зависимости от оборотов;

Г — в зависимости от включенной передачи.

Правильный ответ: В. Автомобиль не движется, мотор не совершает полезной работы. Значит, и полезная мощность равна нулю.

2. Заднеприводный автомобиль с блокированным дифференциалом движется по плохой дороге. Как распределена мощность между ведущими колесами?

Б — обратно пропорционально частоте вращения каждого из колес;

В — в зависимости от сил сцепления с покрытием;

Г — прямо пропорционально частоте вращения каждого из колес.

Правильный ответ: В. При блокированном дифференциале ведущие колеса вращаются с одинаковой скоростью, но моменты на них не выравниваются — они зависят только от сцепления с дорогой. Следовательно, реализуемые колесами мощности тоже определяются силами сцепления с покрытием.

3. На что влияет мощность мотора?

А — на динамику разгона;

Б — на максимальную скорость;

В — на эластичность;

Г — на все перечисленные параметры.

Правильный ответ: Г. Часто полагают, что машину тащит исключительно крутящий момент. Но поставщиком крутящего момента является мотор. Если тот перестанет снабжать колеса энергией, то все динамические параметры будут равны нулю. Например, резко тронуться на повышенной передаче не удастся: при низких оборотах просто не хватит мощности. А она-то и определяет запас энергии, которую способен выдать двигатель. И влияет на все перечисленные параметры.

http://avtokart.ru/dvigateli/kpd-sovremennyh-dvs.html
http://3drive.ru/articles/engine/kak-rabotaet-dvigatel-avtomobilya

Мощность двигателя — как работает и что это такое,на что влияет

Кпд двс автомобиля


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.

КПД двигателя внутреннего сгорания:3 фактора, влияющих на мощность

Вопрос о том, насколько мощность соответствует КПД двигателя внутреннего сгорания, интересует практически каждого автолюбителя. В идеале чем выше КПД, тем эффективнее должна быть силовая система. Если же переходить от теории к практике, КПД в районе 95 % наблюдается только у электрических двигателей. Если рассматривать двигатели внутреннего сгорания вне зависимости от типа используемого топлива, то об идеальных цифрах можно только рассуждать.

Разумеется, эффективность современных двигателей существенно повысилась, если сравнивать с моделями, которые были выпущены всего 10 лет назад. Выпускаемые в начале 2000 годов 1,5-литровые моторы были рассчитаны на 70 лошадиных сил, к данному параметру претензий не было. Сегодня же при аналогичном объёме речь идет о 150 лошадиных силах и более.

Производители теряют много времени, сил и ресурсов, чтобы медленно, но уверенно продвигаться в сторону увеличения КПД.

Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.

В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.

От чего зависит КПД

Ошибочно полагать, что КПД дизельного или бензинового двигателя может хоть как-то приблизиться к 100 %. На самом деле итоговый параметр во многом зависит от потерь:

  1. Потери при сгорании топлива стоит рассматривать первостепенно. Всё топливо, которое поступает в мотор, не может полностью сгорать, поэтому его часть просто улетает в выхлопную трубу. Потери в данном случае составляют около 25 %.
  2. Тепловые потери находятся на втором месте по значению. Получение тепла невозможно без энергии. Следовательно, энергия теряется при образовании тепла. Поскольку в случае с двигателем внутреннего сгорания тепло образуется с избытком, возникает необходимость в эффективной системе охлаждения. Однако тепло выделяется не только при сгорании топлива, но также во время работы самого мотора. Это происходит за счёт трения его деталей, поэтому часть энергии он теряет самостоятельно. На эту группу потерь приходится около 35 — 40 %.
  3. Последняя группа потерь имеет место в ходе обслуживания дополнительного оборудования. Расход энергии может идти на кондиционер, генератор, помпу системы охлаждения и прочие установки. Потери в данном случае составляют 10 %.

Страшно представить, что у нас остаётся, поскольку в случае с бензиновыми агрегатами это в среднем 20 %, в иных не более 5 — 7 % дополнительно. Следовательно, заливая 10 литров топлива, которые уходят за 100 км пробега, всего 2,5 литра уходит на полезную работу, тогда как остальные 7 — 8 литров считаются пустыми потерями.

Коэффициент полезного действия: дизель или бензин?

Сравнивая коэффициент полезного действия бензинового и дизельного силового агрегата, о низкой эффективности первого стоит сказать сразу. КПД бензинового мотора составляет всего 25 — 30 %. Если речь идет о дизельном аналоге, показатель в данном случае составляет 40 %. О 50 % может идти речь при установленном турбокомпрессоре. КПД на уровне 55 % допустим при условии использования на дизельном ДВС современной системы топливного впрыска в сочетании с турбиной (читайте о том, как работает турбина).

Несмотря на то, что силовые установки конструктивно похожи, разница в производительности существенная, на что влияет принцип образования рабочей топливно-воздушной смеси и дальнейшая реализация воспламенения заряда. Также существенным фактором является вид используемого топлива. Оборотистость бензиновых силовых агрегатов более высока, если сравнивать с дизельными вариантами, но потери намного больше, поскольку полезная энергия расходуется на тепло. Как итог, эффективность преобразования энергии бензина в механическую работу намного ниже, а большая её часть просто рассеивается в атмосфере.

Крутящий момент и мощность

Если взять как основу одинаковый показатель рабочего объёма, мощность бензинового двигателя превосходит дизельный, но для её достижения обороты должны быть более высокими. Вместе с увеличением оборотов возрастают и потери, расход топлива повышается. Сам крутящий момент также не стоит упускать из виду, поскольку это сила, передающаяся на колёса от мотора, именно она и заставляет автомобиль двигаться. Таким образом, максимальный показатель крутящего момента бензиновыми двигателями достигается на более высоких оборотах.

Дизельный двигатель с аналогичными показателями способен на низких оборотах достичь максимума крутящего момента, а для реализации полезной работы расходуется меньше солярки. Следовательно, КПД дизельного двигателя выше, а топливо расходуется более экономно.

Если сравнивать с бензином, то солярка образует тепло в большей степени при более высокой температуре сгорания топлива. Также наблюдается более высокий параметр детонационной стойкости.

Эффективность бензина и солярки

Находящиеся в составе дизельного топлива углеводороды более тяжёлые, чем бензиновые. Во многом меньший коэффициент полезного действия бензинового мотора обусловлен особенностями сгорания бензинового топлива и его энергетической составляющей. Преобразование тепла в полезную механическую энергию в дизельном двигателе происходит более полноценно, следовательно, сжигание одинакового количества топлива за единицу времени позволяет дизелю выполнить больше работы.

Не стоит также упускать из виду создание необходимых для полного сгорания смеси условий и особенности впрыска. Подача топлива в дизельных моторах происходит отдельно от воздуха, поскольку впрыскивание осуществляется непосредственно в цилиндр на завершающем этапе такта сжатия, а не во впускной коллектор. Как итог, удаётся достичь более высокой температуры, а сгорание каждой порции топлива происходит максимально полноценно.

Повышение КПД двигателя

Топливная эффективность и КПД современных двигателей находятся на своём максимальном уровне, поскольку все усовершенствования, которые только могли иметь место в автомобильной инженерии, уже произошли. Тем не менее, производители стремятся повышать коэффициент полезного действия, но результат, который они получают, никак не сопоставим с огромными ресурсами, усилиями и временем, которое тратят для достижения цели. Итогом является увеличение КПД лишь на 2 — 3 %.

Частично именно эта ситуация стала причиной появления полноценной индустрии так называемого тюнинга двигателя в любой крупной стране. Речь идёт о многочисленных полукустарных мастерских, мелких фирмах и отдельных мастерах, которые доводят традиционные моторы массовых брендов для более высоких показателей, как в плане тяги, так и мощности или КПД. Это может быть форсирование, доработка, доводка и другие ухищрения, определяемые, как тюнинг.

Например, используемый впервые в 20-х годах турбонаддув воздуха, который поступает в двигатель, применяется и сейчас. Такое устройство было запатентовано ещё в 1905 году швейцарским инженером Альфредом Бюхи. В начале Второй мировой войны наблюдалось массовое внедрение систем прямого впрыска топлива в цилиндры поршневых моторов военной авиации. Следовательно, те передовые технические ухищрения, которые мы считаем современными, известны уже более 100 лет.

Выводы

В качестве итога стоит напомнить о том, что инженерам удалось шагнуть далеко вперёд от первых двигателей с КПД в районе 5 %. К тому же, изобретение идеального мотора с КПД под 100 % пока не представляется возможным, поэтому современные силовые установки находятся на пике своей эффективности. Единственный вариант для тех, кто принципиально нуждается в двигателе с 90-процентным КПД — это покупка электромобиля или машины с гибридным двигателем.

Пожалуйста, оцените этот материал!

(2 оценок, среднее: 5,00 из 5) Загрузка...

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

Какой КПД у двигателя автомобиля

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то  у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

Где теряется эффективность

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

Дизель или бензин

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

КПД электрического двигателя двигателя

КПД двигателя внутреннего сгорания.

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.

Рекомендую прочитать:

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

почему автотранспорт будет потреблять все меньше топлива :: Мнение :: РБК

Источник: auto.ru

Однако, несмотря на столь впечатляющие успехи, КПД автомобиля с ДВС по-прежнему невысок — 17–20%, что оставляет огромный потенциал для усовершенствований в этой области. Масштабное применение новых технологий в автомобилестроении может увеличить суммарную топливную эффективность еще на 50–60%, что приведет к снижению расхода топлива на новом легковом автомобиле до 4 л на 100 км в среднем. Любопытный факт: сейчас на самом современном дизельном автомобиле класса С уже можно проехать около 1500 км на одном баке, что практически соразмерно поездке из Москвы в Санкт-Петербург и обратно. Главным вопросом остается скорость распространения этих технологий на большую часть производимых автомобилей.

Читайте на РБК Pro

Электромобили

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), число электромобилей в мире за последние шесть лет выросло в 30 раз и достигло отметки 2 млн. При этом электромобили обладают рядом преимуществ перед традиционными машинами:

— электричество может быть произведено из различных источников энергии, включая возобновляемые;

— электродвигатели обладают гораздо большим КПД, чем ДВС;

— инфраструктура для их зарядки безопаснее и дешевле по сравнению с обычными АЗС;

— отсутствие выбросов CO2.

Бурный рост числа электромобилей в последние годы был обусловлен прогрессом в области производства аккумуляторных батарей (их стоимость за шесть лет в среднем снизилась в 3,7 раза, с $830 до $230 за 1 кВт·ч), а также активной государственной поддержкой в ряде стран и регионов, например в Китае, США, Европе и Японии. Субсидии, которые выплачивались в этих странах при покупке электромобиля, если и не делали его полностью конкурентоспособным с традиционными автомобилями, то по крайней мере существенно удешевляли.

Однако, несмотря на субсидии и значительный технический прогресс, для обеспечения реальной конкурентоспособности электромобилей необходимо дальнейшее существенное снижение затрат на батареи, поскольку именно на них приходится 70–90% от стоимости электромобиля. Согласно оценкам Энергетического центра бизнес-школы «Сколково», стоимость батарей должна снизиться в полтора-два раза, чтобы они стали конкурентоспособными без субсидий. Примерно такие же оценки дает McKinsey: стоимость батарей должна снизиться до $100 за 1 кВт·ч. Стоит отметить, что компании Tesla и General Motors объявили, что до 2025 года они снизят стоимость аккумуляторов более чем в два раза, как раз до $100 за 1 кВт·ч. А широкого развития данной технологии можно ожидать к 2030–2040 годам.

Еще одним важным фактором, определяющим скорость распространения электромобилей, является зарядная инфраструктура. По данным МЭА, в 2016 году в мире насчитывалось более 2 млн частных и более 300 тыс. общественных зарядных станций, из которых станций быстрой зарядки было всего 110 тыс. Отсутствие достаточного количества станций, обеспечивающих быструю зарядку, замедляет развитие рынка электромобилей. Более того, по сравнению со временем заправки традиционного ДВС (пять минут, включая оплату), быстрая зарядка электромобиля все равно намного медленнее (от 15 до 30 минут, в зависимости от мощности батареи электромобиля). Столь долгое для современного ритма жизни ожидание потребует изменения конфигурации заправочных станций: как минимум их расширения для сохранения пропускной способности на уровне традиционных АЗС, а как максимум ожидающих людей надо будет чем-то занять. Все это увеличит стоимость электрозаправочных комплексов.

Стоит отметить, что Россию «электромобильная лихорадка» пока толком не затронула. По данным «Автостата», в конце 2016 года электромобилей в стране было всего около 700 штук. Это связано в целом с дороговизной электрокаров, неразвитой заправочной инфраструктурой и отсутствием активной государственной поддержки.

Индустрия электромобилей не сможет демонстрировать равномерный рост во всем мире — скорее они будут распространяться в нескольких странах и регионах, где снижение издержек будет сопровождаться сильной господдержкой и развитием заправочной инфраструктуры — в Европе, Китае и США.

Автомобили на газе

Количество автомобилей на газовом топливе достигло уже 23 млн, однако более 80% из них сосредоточено всего в шести странах: Китае, Иране, Пакистане, Аргентине, Бразилии и Индии. Среди причин, по которым легковые автомобили на природном газе не получили широкого распространения по всему миру, можно выделить следующие:

— их стоимость и техническое обслуживание зачастую выше, чем у дизельных и бензиновых автомобилей;

— пробег на одном баке у автомобиля на газовом топливе обычно меньше, чем у сопоставимых транспортных средств из-за более низкой энергетической плотности природного газа;

— КПД «от бака до колес» автомобиля на природном газе примерно соответствует КПД автомобиля на бензине или дизельном топливе, притом что сжигание газа на электростанции и последующее использование его для электромобилей может поднять топливную эффективность газа в два раза;

— построить газовую автозаправочную станцию сложнее и дороже, чем обычную АЗС или зарядную станцию для электромобилей (около $0,8–1 млн против $0,3–0,5 млн и $0,1–0,2 млн соответственно).

В России главным сдерживающим фактором для газовых автомобилей является крайне ограниченное количество заправочных станций — в 2016 году их насчитывалось всего около 400 штук на всю страну. Однако тут перспективы более оптимистичные: Россия обеспечена природным газом, переоборудование автомобиля или покупка готового не так сильно бьет по карману потребителя, и поездка на газовом автомобиле обойдется почти в два раза дешевле, чем на бензиновом. Поэтому дальнейшее развитие заправочной инфраструктуры, а также, например, запуск конвейерного производства газового авто, как это было сделано в Иране, вполне в состоянии сделать газовые двигатели более привлекательными.

«Век нефти» продолжается​

Если текущие тренды в области развития топливной эффективности и распространения транспорта на альтернативных источниках энергии будут и дальше развиваться, то есть экономия топлива на традиционных ДВС увеличится на 50%, автомобили на природном газе останутся потребительским выбором лишь в некоторых странах, а электромобили к 2030–2040 годам сравняются по стоимости с бензиновыми и дизельными, то к 2040 году можно ожидать, что доля природного газа и электричества в структуре энергопотребления дорожного транспорта станет уже вполне весомой. Наши расчеты показывают, что она превысит 15%. Это действительно очень много по сравнению с сегодняшними 5%, хотя все еще недостаточно для заявлений об окончании «века нефти».

Таким образом, нефтяное топливо останется доминирующим в автомобильных перевозках, однако повышение эффективности ДВС в сочетании с ростом использования альтернативных источников и соответствующее снижение потенциального спроса на нефтепродукты в долгосрочной перспективе могут быть весьма значительными. По оценкам Энергетического центра бизнес-школы «Сколково», к 2030 году «упущенный» за счет этих факторов спрос на нефтепродукты может составить порядка 470 млн т нефтяного эквивалента (н.э.), что соразмерно с добычей целых регионов (например, столько нефти производили вся Африка или Южная Америка в 2015 году), а к 2040 году потеря потенциального рынка для производителей нефти может достичь уже 750 млн т н.э. — это колоссальные объемы, равные совокупной добыче США и Канады в 2015 году.

Двигатель

Двигатель автомобиля должен иметь максимальный коэффициент полезного действия. Конструкция двигателя во многом определяется используемым источником энергии.

  • Как работает система старт-стоп — функция, устройство, виды реализации

    Назначение и принцип работы системы старт-стоп. Рассмотрено несколько видов реализации (варианты «Start&Stop Bosch», «Idle Stop&Go Kia», «STARS Valeo», «SISS Mazda», «CleanStart»), а также интеллектуальная система старт-стоп с рекуперацией.

  • Немного теории:

    Повышение индикаторного КПД двигателя внутреннего сгорания:

    Использование теплоты, отводимой в систему охлаждения, и энергии отработавших газов:

  • Потери теплоты, отводимой в систему охлаждения и уносимой с отработавшими газами

    Большая часть тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами, проблема заключается в том, как минимизировать потери этой энергии или использовать её.

  • Адиабатный двигатель

    Адиабатный двигатель – трудности создания, пути реализации, пример конструкции.

  • Наддув, нагнетатели и немного истории

    Большая статья о наддуве и турбонаддуве двигателя, о принципе действия и конструкции различных нагнетателей.

  • Тепловые машины на основе сплавов с памятью формы

    Тепловые машины на основе сплавов с памятью формы позволят получить дополнительную мощность для автомобилей, станков и бытовой техники.

  • Повышение механического КПД двигателя внутреннего сгорания:

    Двигатели нетрадиционных типов и схем:

  • Автомобильные двигатели нетрадиционных типов и схем

    Каждый из типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки: один двигатель ценится за достаточно хорошую систему охлаждения, другой — за ее отсутствие вовсе и т. д.

  • Пластиковый двигатель внутреннего сгорания

    Создание двигателя внутреннего сгорания с использованием пластмасс позволит уменьшить общую массу автомобиля, сократив тем самым расход топлива.

  • Компаундный двигатель

    Компаундный двигатель – это тепловой двигатель, где расширение рабочего тела происходит многократно. Данный двигатель имеет два (или более) рабочих цилиндра разного диаметра.

  • Турбокомпаундный двигатель

    Турбокомпаундный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, в котором работа газов происходит не только в цилиндро-поршневой группе, но и в силовой турбине, связанной с коленчатым валом.

  • Роторный двигатель на ударной волне

    Вы поворачиваете ключ зажигания — и двигатель Вашего автомобиля разрывает ударная волна. Это звучит катастрофой, но роторный двигатель на ударной волне может сделать автомобили гораздо более эффективными.

  • Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

    Двухтактный двигатель как альтернатива четырёхтактному, его преимущества и недостатки.

  • Паровой двигатель

    За время своего развития паровые машины значительно усовершенствовались, поэтому на них было обращено внимание при поиске замены двигателя внутреннего сгорания.

  • Газотурбинный двигатель

    Повышается интерес к применению газотурбинного двигателя для привода автомобиля, но ряд особенностей газовой турбины служат причиной того, что она до сих пор не применяется в автомобилях.

  • Двигатель Стирлинга

    Двигатель Стирлинга является новым возможным источником механической энергии для привода автомобиля.

  • Разное:

  • Увеличиваем пробег

    Современные технологии помогут сделать двигатель внутреннего сгорания более экологически чистым.

  • Отключение цилиндров

    Если при частичной нагрузке многоцилиндрового двигателя выключить несколько цилиндров, то остальные будут работать при большей нагрузке с лучшим КПД.

  • Плазменное зажигание

    Плазменное зажигание может обеспечить гарантированное зажигание бедных топливовоздушных смесей, использование которых в двигателе позволяет экономить топливо.

  • Влияние диаметра цилиндра и хода поршня на эффективный кпд двигателя внутреннего сгорания

    В статье рассмотрены преимущества и недостатки двигателей внутреннего сгорания в зависимости от таких параметров, как диаметр цилиндра, ход поршня и объём камеры сгорания.

  • перспективы ДВС, продленная гарантия Hyundai и другие события индустрии — Авторевю

    В концерне Volkswagen считают, что автопром еще очень далек от полного забвения двигателей внутреннего сгорания. По мнению инженеров компании, такие агрегаты могут получить вторую жизнь после начала массового использования синтетического топлива. Несмотря на ряд преимуществ электрических силовых установок перед дизельными и бензиновыми двигателями, батарейные автомобили по-прежнему серьезно проигрывают в массе и дальности хода, а значит, говорить о доминировании пока рано.

    Второй страной после Германии, где началось производство хэтчбеков Volkswagen Golf восьмого поколения, стал Китай. Местное СП FAW-Volkswagen отчиталось о начале тестовой сборки машин, серийный выпуск будет развернут до конца весны, а на рынок машины выйдут летом. Китайский Golf сохранит внешность, интерьер и оснащение немецкого исходника, а отличаться будет, прежде всего, набором силовых агрегатов. Пока он не рассекречен, но в нем обязательно появится атмосферный мотор, от которого уже отказались в Европе.

    Список обновок для суперкара Chevrolet Camaro SS 2021 модельного года, который представят через несколько месяцев, будет включать пересмотренный трековый пакет 1LE Track Performance Package. Прежде такие машины предлагались только с механической коробкой передач, однако теперь Camaro SS с атмосферным мотором LT1 V8 6.2 в трековом исполнении можно будет заказать с десятиступенчатым «автоматом». Хотя с учетом того, что концерн GM откладывает плановые обновления большинства популярных моделей из-за пандемии коронавируса, дебют новой модификации, по всей видимости, будет перенесен.

    Будущий электрический Mercedes-Benz EQS, который представят в этом году, в самой дорогой версии обзаведется силовой установкой с отдачей более 600 л.с. и 900 Нм. Как сообщает издание Autocar, такой седан подоспеет после дебюта более доступных модификаций, а это значит, что раньше 2022 года его можно не ждать. По предварительной информации, топ-версия сможет похвастать разгоном до 100 км/ч примерно за три секунды, то есть такой электромобиль может оказаться даже быстрее нового S-класса в AMG-модификации.

    Nissan не собирается использовать вертикальные экраны медиасистемы по примеру Теслы. Несмотря на то, что другие производители все чаще заимствуют подобную компоновку передней панели, в компании считают, что на более привычных горизонтальных дисплеях информация читается гораздо быстрее. За рулем глаза водителя чаще всего двигаются в горизонтальной плоскости, так что при работе с мультимедийкой ему не придется сильно отвлекаться, ведь все необходимое находится практически на одном уровне с дорогой.

    А еще в компании Nissan нашли преимущество в том, что флагманский суперкар Nissan GT-R выпускается уже 13 лет без серьезных изменений. Как заявил главный менеджер компании по продукту Хироши Тамура, минимальные изменения в GT-R позволяют удерживать его цену на относительно низком для подобных машин уровне. В России Nissan GT-R не продается, но, скажем, в США за базовое купе с мотором мощностью 574 л.с. просят 113540 долларов, тогда как Porsche 911 Turbo S уходящего поколения (580 л.с.) стоит минимум 192 тысячи.

    К флешмобу с измененным логотипом, в котором уже участвуют Audi, Volkswagen и Mercedes, присоединилась компания Hyundai. Такой креатив призывает людей сохранять дистанцию, чтобы избежать заражения коронавирусом. Но куда важнее, что из-за пандемии компания продлила гарантию на 1,21 млн автомобилей в 175 странах по всему миру. В программе участвует и российское подразделение Hyundai: первоначальная гарантия на все автомобили Hyundai, действие которой истекает в период с 30 марта по 30 апреля 2020 года, продлена до конца мая 2020-го.

    Также сегодня мы рассказали о будущем пикапе Hyundai Santa Cruz, обновленном внедорожнике Maxus D90 Pro, продлении выпуска модели Volkswagen e-Golf, тюнинговом универсале ABT RS6-R и состоянии российского автобизнеса в период пандемии.

    Mazda заявляет, что ее бензиновый двигатель следующего поколения будет работать чище, чем электромобиль

    Mazda делает ставку в своем будущем на продолжение существования двигателя внутреннего сгорания, с такими умными технологиями, как искровое зажигание от сжатия, которое дебютирует в двигателе Skyactiv-X для серийных автомобилей нового поколения Mazda. Но автопроизводитель уже задумывается о будущем двигателей внутреннего сгорания. Automotive News сообщает, что Mazda работает над новым газовым двигателем Skyactiv-3, который, по словам автопроизводителя, будет таким же чистым, как электромобиль.

    Выступая на техническом форуме в Токио, руководитель трансмиссии Mazda Мицуо Хитоми сказал, что главная цель Skyactiv-3 - повысить тепловой КПД двигателя примерно до 56 процентов. Если это будет достигнуто, двигатель Skyactiv станет первым поршневым двигателем внутреннего сгорания, который превращает большую часть энергии своего топлива в энергию, а не в отходы из-за трения или потери тепла.

    На сегодняшний день самый термически эффективный автомобильный двигатель внутреннего сгорания принадлежит команде Mercedes-AMG Formula 1 с КПД 50 процентов; AMG надеется, что двигатель на основе F1 в уличном суперкаре Project One достигнет 41-процентного теплового КПД, что сделает его самым термически эффективным двигателем для серийных автомобилей в истории. Automotive News говорит, что цель Mazda - 56% - это улучшение на 27% по сравнению с нынешними двигателями Mazda. Хитоми не указал сроки, когда Skyactiv-3 выйдет в производство, и не указал, как Mazda надеется добиться такого улучшения.

    Заявление Mazda о том, что Skyactiv-3 будет более чистым в эксплуатации, чем полностью электрический автомобиль, является смелым и требует некоторой распаковки. Mazda основывает свое утверждение на своих оценках выбросов «от скважины к колесам», подсчитывая загрязнение, вызванное как производством ископаемого топлива, так и выработкой электроэнергии коммунальными предприятиями, для сравнения выбросов Skyactiv-3 и электромобилей.Такой анализ отражает реальность того, что в настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается за счет ископаемого топлива. В регионах, где электричество получают от ветра, солнца или гидроэлектроэнергии, электромобили явно выиграют спор, но сегодня для многих потребителей это не так.

    Если Mazda сможет создать серийный двигатель внутреннего сгорания с тепловым КПД более 50 процентов, это будет невероятный подвиг - и, вероятно, поможет гарантировать дальнейшую выживаемость поршневого двигателя.

    Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

    Они действительно эффективнее?

    Их провозгласили новым поколением автомобилей, которые могут превзойти бензиновые автомобили по безопасности, эксплуатационным расходам, характеристикам и дизайну. Однако в последнее время повышенное внимание уделяется электромобилям (EV), и некоторые задаются вопросом, являются ли они более эффективными, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), учитывая, что в них используется энергия, работающая на угле.Дебаты также подняли мнения по поводу выбросов, возникающих в процессе производства аккумуляторов электромобилей.

    Однако верны ли эти утверждения? Смотрим…

    КПД

    Электромобили полагаются на зарядку от местной электросети, и хотя угольные электростанции не свободны от выбросов, исследование BloombergNEF показывает, что выбросы углекислого газа от транспортных средств с батарейным питанием были примерно на 40 процентов ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания в прошлом году. год.Это преимущество будет расти по мере того, как генераторы откажутся от угля и будут получать больше энергии от ветряных и солнечных электростанций - переход, который уже происходит во всем мире, почти повсюду, кроме Юго-Восточной Азии.

    Согласно прогнозу Global EV на 2019 год Международного энергетического агентства (IEA): Расширение масштабов перехода на электрическую мобильность [i] , Увеличение объемов электрического транспорта на дорогах мира привело к прогнозируемому снижению выбросов CO в эквиваленте 2 -выбросы до 2030 г.Электромобили во всем мире выбросили около 38 млн т CO 2 -экв. В течение 2018 года по сравнению с 78 млн. Т CO 2 -экв, которые выбросил бы эквивалентный парк двигателей внутреннего сгорания за тот же период времени. Согласно IEA , мировой парк электромобилей потребил около 58 ТВтч электроэнергии в 2018 году, при этом на Китай приходится около 80 процентов мирового спроса на электроэнергию для электромобилей.

    Однако при определении общей эффективности транспортного средства необходимо учитывать источник электроэнергии для электромобилей, и, хотя питание электромобиля от угля не так экологически безопасно, как использование электричества из возобновляемых источников, это не означает, что электромобили с угольной зарядкой не так эффективны, как Автомобили с ДВС.Анализ Bloomberg показывает, что, хотя самая большая разница в повышении эффективности транспортных средств наблюдалась в Великобритании, где развита отрасль возобновляемых источников энергии, электромобили по-прежнему были более эффективными в Китае, который больше зависит от угля [ii].

    Электродвигатель имеет КПД примерно 85–90% при преобразовании энергии, работающей на угле, в энергию. По оценкам Bloomberg, в результате технологических усовершенствований выбросы от двигателей внутреннего сгорания будут сокращаться примерно на 1,9% в год до 2040 года, в то время как выбросы электромобилей будут падать на 3–10% в год.

    «Электромобили преобразуют более 77 процентов электроэнергии из сети в энергию на колесах. По данным Министерства энергетики США [iii], обычные автомобили с бензиновым двигателем преобразуют только около 12–30% энергии, хранящейся в бензине, в мощность колес ».

    Трудность для автомобилей с ДВС заключается в обеспечении гибкости вождения; они приносят в жертву термодинамическую эффективность. Как отмечает The Driven, «бензиновые и дизельные автомобили очень неэффективны в преобразовании энергии своих баков в движение за рулем... более 60 процентов энергии тратится впустую в виде тепла ».

    В частности, при езде по городу двигатели расходуют топливо на холостом ходу или работают с очень низкой мощностью по сравнению с их проектной мощностью, а двигатели с низкой мощностью достигают очень низкого КПД. Однако электростанции, работающие на ископаемом топливе, спроектированы и эксплуатируются таким образом, чтобы обеспечить максимальную термодинамическую эффективность, обычно достигающую 40-55 процентов. Фактически, электромобиль, заряжаемый бензиновым генератором , работающим на базе , потреблял бы меньше бензина в целом, чем обычный автомобиль.

    И, в отличие от электромобилей, большинство обычных транспортных средств не рекуперируют энергию, потраченную на тепло, при торможении на светофоре.

    Также существуют выбросы, связанные с разведкой нефти и газа, транспортировкой и переработкой их в топливо, а также транспортировкой местным дистрибьюторам перед их транспортировкой на автозаправочные станции.

    По данным Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, «Гибридные и подключаемые к электросети электромобили могут способствовать повышению энергетической безопасности, экономии топлива, снижению затрат на топливо и сокращению выбросов.[iv] »Департамент далее заявляет, что« электромобили не выбрасывают загрязняющие вещества из выхлопной трубы, хотя электростанция, производящая электричество, может их выделять. Электроэнергия от атомных, гидро-, солнечных или ветряных электростанций не загрязняет воздух ».

    Выбросы аккумулятора и преимущества в течение срока службы

    Источники сырья (описанные здесь в предыдущей статье) и производственный процесс, необходимый для производства аккумуляторов электромобилей, также вызвали споры по поводу их выбросов.

    Недавнее исследование, опубликованное ScienceDirect, показывает, что, хотя загрязнение, создаваемое при добыче и производстве аккумуляторов, остается таким же или немного выше, чем при производстве бензиновых или дизельных двигателей, , где производится аккумулятор, оказывает большое влияние на выбросы, образующиеся во время этого процесса.

    Китай по-прежнему является крупнейшим в мире рынком электромобилей, на долю которого приходится почти половина мировых электромобилей.1 миллион продано в 2018 году. Около 45 процентов электромобилей на дорогах в 2018 году приходилось на Китай (всего 2,3 миллиона), за ним следовали Европа, на которую приходилось 24 процента мирового автопарка, и США - 22 процента. [v].

    Из-за размера рынка страны исследование ScienceDirect сравнивает процесс производства электромобилей и автомобилей с ДВС в Китае и показывает, что повышение эффективности производственного процесса и инфраструктуры имеет жизненно важное значение для сокращения выбросов при производстве электромобилей.Китайские производители аккумуляторов производят на 60 процентов больше CO2 при производстве, чем производство двигателей ДВС, но, согласно отчету, производители страны могут сократить свои выбросы до 66 процентов, если они будут внедрять американские или европейские производственные технологии - также ожидается, что Китай добиться быстрого прогресса в использовании электромобилей по мере дальнейшего роста отрасли возобновляемых источников энергии [vi].

    По мере развития технологий производства литий-ионных аккумуляторов и других альтернативных аккумуляторов, а также дальнейшего развития технологий переработки и повторного использования в отрасли электромобилей и снятых с производства аккумуляторов для электромобилей (ранее рассматриваемых здесь) существует потенциал для значительного сокращения выбросов CO 2 выбросов в Китае, а также на других ключевых производственных рынках.

    Однако, хотя электромобили производят большую часть своих выбросов в результате производственного процесса и источников энергии, срок службы электромобилей и автомобилей с ДВС дает им явное преимущество.

    При поддержке Министерства энергетики США в исследовании ICTT отмечается разница в выбросах (нет сгорания, нет выхлопных газов). Хотя The Driven также указывает:

    «Недавние исследования, которые включают полный жизненный цикл различных типов транспортных средств, а также их данные о колесах, показали, что даже при выработке электроэнергии на основе ископаемого топлива и потерях мощности во время передачи от выработки электроэнергии к заправке аккумулятора электромобили было установлено, что уровень производства парниковых газов ниже… даже в богатой углем австралийской энергосистеме электромобили производят на 40 процентов меньше парниковых газов по сравнению с аналогичными автомобилями с ДВС.Фактически, их расчеты показывают, что для проезда 1 км в среднем бензиновом автомобиле требуется 1,36 кВтч / км, в то время как средний показатель для электромобилей составляет всего 0,28 кВтч / км - показатель энергопотребления почти в пять раз меньше, чем для автомобилей с бензиновым двигателем. . »

    По мере того как электромобили становятся все более распространенными, переработка аккумуляторов повысит эффективность и снизит потребность в добыче сырья, а это означает, что у электромобилей будет значительно меньше выбросов в течение срока их службы, независимо от источника, вырабатывающего электроэнергию, питающую автомобиль.

    Выводы

    Будущее выглядит все более электрическим: все больше электросетей в настоящее время движутся в сторону увеличения производства возобновляемой энергии, электромобили производят меньше выбросов в течение всего срока службы независимо от источника энергии, а производители автомобилей стремятся производить больше альтернативных электромобилей для массового потребления. - рынок, и многие автопроизводители объявили о планах вывести на рынок электрические версии своих автомобилей в ближайшие несколько лет.

    Транспорт в настоящее время составляет 19 процентов от общего объема выбросов в Австралии, и эта доля растет как в абсолютном, так и в процентном отношении [vii].Крайне важно решить эту проблему для снижения выбросов углерода в экономику. Для перехода на электромобили не нужно ждать, пока электричество будет декарбонизировано: факты очевидны: чем раньше мы перейдем на электромобили, тем быстрее будут достигнуты экологические преимущества.


    [i] Глобальный прогноз по электромобилям Международного энергетического агентства (МЭА) на 2019 год: Расширение масштабов перехода к электрической мобильности

    [ii] https://www.bloomberg.com/news/articles/2019-01-15/electric-cars-seen-getting-cleaner-even-where-grids-rely-on-coal

    [iii] https: // www.fueleconomy.gov/feg/evtech.shtml

    [iv] https://afdc.energy.gov/fuels/electricity_benefits.html

    [v] Глобальный прогноз по электромобилям Международного энергетического агентства (МЭА) на 2019 год: Расширение масштабов перехода к электрической мобильности

    [vi] https://www.bloomberg.com/news/articles/2019-01-15/electric-cars-seen-getting-cleaner-even-where-grids-rely-on-coal

    [vii] http://www.environment.gov.au/system/files/resources/4aa038fc-b9ee-4694-99d0-c5346afb5bfb/files/australias-emissions-projection-2019-report.pdf

    Связанный анализ

    Анализ

    Получение почты о солнечных установках

    Австралийский энергетический совет проанализировал лучшие пригороды страны для солнечных установок за первый квартал 2021 года. На основе данных за 20 лет, собранных Регулятором чистой энергии, мы также смотрим, как эти данные соотносятся с историческими данными.

    13 мая 2021

    Анализ

    Повлияют ли батареи оператора сети на конкуренцию?

    Австралия пытается справиться с быстрыми изменениями в том, как и когда вырабатывается и потребляется электроэнергия. В Западной Австралии недавние изменения в Кодексе доступа к электрическим сетям позволяют расширить роль сетевого оператора. Oakley Greenwood рассмотрела, что означают поправки для конкуренции на оптовом рынке электроэнергии.

    13 мая 2021

    Анализ

    FMG преследует зеленую мечту

    Disruption - один из краеугольных камней успеха Fortescue Metals Group. Способность FMG добиваться результатов перед лицом, казалось бы, непреодолимых препятствий может быть проиллюстрирована не более ярко, чем когда BHP и Rio Tinto пытались помешать тогдашнему начинающему добытчику железной руды доступ к своим железнодорожным линиям в Пилбаре.FMG построила собственное предприятие и превзошла своих конкурентов, расширив эти линии до Перта. Теперь FMG хочет приложить то же самое рвение к энергии и экологически чистой стали.

    04 марта 2021

    Nissan достигает 50% теплового КПД с системой e-POWER нового поколения; STARC

    Компания Nissan объявила о прорыве в эффективности двигателей, достигнув 50% теплового КПД с разрабатываемой системой e-POWER следующего поколения.

    Система Nissan e-POWER использует бортовой бензиновый двигатель для обеспечения электрической энергией аккумуляторной батареи электронного силового агрегата. Новейший подход Nissan к разработке двигателей поднял планку до мирового уровня, превысив текущий средний для автомобильной промышленности диапазон 40% теплового КПД, что позволило еще больше снизить выбросы CO 2 автомобилей.

    Стремясь к 2050 году обеспечить экологическую нейтральность на протяжении всего жизненного цикла нашей продукции, Nissan планирует к началу 2030-х годов электрифицировать все новые модели, представленные на основных рынках.Стратегия электрификации Nissan способствует разработке электронных силовых агрегатов и высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей, при этом e-POWER представляет собой еще одну важную стратегическую опору.

    - Тошихиро Хираи, старший вице-президент инженерного подразделения силовых агрегатов и электромобилей

    Транспортные средства с обычными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) требуют мощности и производительности от двигателя в широком диапазоне скоростей (об / мин) и нагрузок. Это фундаментальное требование означает, что обычные двигатели не могут всегда работать с оптимальной эффективностью.

    Однако система Nissan e-POWER использует бортовой двигатель в качестве специального генератора электроэнергии для электронной трансмиссии системы. Работа двигателя ограничена его наиболее эффективным диапазоном, соответствующим образом регулируя выработку электроэнергии двигателем и количество электроэнергии, хранящейся в батарее.

    Благодаря такому целенаправленному подходу, развитию аккумуляторных технологий и методов управления энергопотреблением компания Nissan смогла повысить термический КПД по сравнению с нынешними уровнями.Разработка системы e-POWER следующего поколения продолжает этот путь повышения эффективности благодаря проектированию и разработке двигателя Nissan исключительно для e-POWER.

    Концепция STARC. Для достижения 50% теплового КПД компания Nissan разработала концепцию под названием «STARC», названную в честь ключевых слов «сильный», «неровный» и «надлежащим образом растянутый прочный канал зажигания». Эта концепция позволяет повысить тепловой КПД за счет усиления потока газа в цилиндре (потока топливовоздушной смеси, которая втягивается в цилиндр) и зажигания, надежно сжигая более разбавленную топливно-воздушную смесь при высокой степени сжатия.

    В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси, чтобы реагировать на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как расход газа в цилиндре, метод зажигания и степень сжатия, которая может пожертвовать эффективностью ради выходной мощности.

    Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.

    При внутренних испытаниях Nissan достиг теплового КПД 43% при использовании метода разбавления EGR и 46% при использовании обедненного горения (коэффициент избытка воздуха λ = 2) с многоцилиндровым двигателем. Уровень 50% был достигнут за счет работы двигателя при фиксированных оборотах и ​​нагрузке в сочетании с технологиями утилизации отработанного тепла.

    Система Nissan e-POWER. e-POWER был впервые представлен в Японии в 2016 году вместе с Nissan Note. В его основе лежит та же технология, полностью управляемая электродвигателем, которая используется в Nissan LEAF для обеспечения мгновенного крутящего момента, мощности, эффективности и азарта.Система включает бензиновый двигатель с генератором энергии, инвертор, аккумулятор и электродвигатель.

    В отличие от традиционной гибридной системы, e-POWER позволяет использовать только бортовой двигатель для выработки электроэнергии, разделяя мощность двигателя и движущую силу на колесах.

    В конце декабря 2020 года Nissan выпустил на рынок Японии совершенно новый Note. Совершенно новый Note поставляется исключительно с e-POWER и уже получил более 20 000 заказов.Как самая продаваемая модель компании на внутреннем рынке, Note играет ключевую роль в глобальном плане трансформации бизнеса Nissan NEXT.

    Почему эффективность электромобилей важна

    Электромобили (ЭМ) лучше для окружающей среды, чем автомобили, работающие на газе, не только потому, что автомобили с газом работают на ископаемом топливе, но и потому, что электромобили более эффективны.

    Немного предыстории: автомобили могут двигаться, потому что они преобразуют энергию топлива (дизельное топливо, бензин или электричество) в кинетическую энергию или энергию движения.Эффективность измеряет, сколько энергии топлива преобразуется в кинетическую энергию, чтобы колеса катились.

    Ни одна машина не может быть 100% эффективной, потому что часть энергии всегда теряется на выработку тепла. Из-за физических ограничений автомобилей энергия будет теряться из-за сопротивления ветра и сопротивления качению от шин. Но в целом, чем выше КПД, тем меньше энергии нам нужно для питания нашей машины. Другими словами, эффективность означает достижение той же производительности при меньшем потреблении энергии.

    Это имеет большое значение для перехода к низкоуглеродному будущему. На каждую единицу энергии, которую нам не нужно использовать из-за повышения эффективности, мы сокращаем наш спрос на энергию и делаем более возможным доминирование возобновляемых источников энергии в нашей электросети. Это означает, что мы делаем больше с меньшими затратами или создаем то, что эколог Эмори Ловинс назвал бы «негаваттом».

    Куда уходит энергия, теряемая автомобилем?

    Транспортные средства с бензиновым и дизельным двигателем не очень эффективны, потому что они используют двигатели внутреннего сгорания, которые выделяют много отработанного тепла.В тепловых двигателях также есть гораздо больше движущихся частей, таких как топливные насосы, которые используют часть энергии бензина, но не участвуют в движении автомобиля. В результате автомобили, работающие на газе, могут преобразовывать только около 17% - 21% доступной энергии бензина в кинетическую энергию. Вы можете увидеть разбивку того, куда идет вся эта потерянная энергия.

    80% энергии бензина не используется для приведения в движение обычных транспортных средств. Куда уходит все потраченное впустую тепло от двигателя внутреннего сгорания? Изображение с https: // www.fueleconomy.gov/feg/atv.shtml

    Регенеративное торможение восстанавливает энергию, которая в противном случае теряется при использовании тормозов, и играет важную роль в повышении эффективности транспортного средства - у гибридных автомобилей есть эта функция. Регенеративное торможение может повысить эффективность автомобиля, работающего на ископаемом топливе, до 21-40%. Это означает, что даже самые эффективные автомобили с бензиновым двигателем могут использовать только около 40% доступной энергии, хранящейся в бензине.

    Для сравнения, КПД электромобиля обычно колеблется в районе 60%, а если учесть эффект рекуперативного торможения, то вырастет примерно до 77%, что и должно быть, поскольку его используют все электромобили (одни лучше, другие.Таким образом, эффективность электромобиля в четыре раза выше, чем у среднего газового автомобиля, и в два раза выше, чем у самого эффективного гибрида. Таким образом, управляя электромобилем, вы не только снижаете конкретный спрос на масло, но и потребляете меньше энергии, чтобы проехать такое же количество миль.

    Показатели эффективности в 2018 году

    миль на галлон (мили на галлон) - это простой способ сравнить эффективность транспортного средства, но этот показатель работает только для автомобилей, которые работают на жидком топливе. Вот почему эффективность электромобилей стандартизирована до MPGe (эквивалент миль на галлон).MPGe - это мера пройденных миль за 33,7 киловатт-часа, количество энергии, содержащееся в галлоне бензина. Это позволяет нам сравнивать эффективность бензиновых и электромобилей по принципу «яблоко к яблоку».

    Эффективность полностью электрических автомобилей измеряется в MPGe, тогда как в обычных гибридных и бензиновых автомобилях используется MPG. Данные с https://www.fueleconomy.gov/

    Тенденция говорит сама за себя: электромобили не только ненамного эффективнее бензиновых, но и выдувают их из воды.Конечно, многие из самых популярных автомобилей с бензиновым двигателем являются полноприводными или намного больше, чем самые популярные электрические и гибридные автомобили, что снижает их производительность. Размер - особенно важный фактор для определения эффективности, но это не значит, что электромобили всегда должны быть маленькими.

    Электрификация внедорожника предоставит потребителям необходимую им функциональность без ущерба для производительности. 2019 год обещает как минимум два хороших и доступных полностью электрических варианта - Kia Niro и Hyundai Kona - чтобы начать переход на электрические внедорожники.Таким образом, наличие большой семьи или спортивного образа жизни не лишает вас возможности выбрать эффективный вариант, как раньше.

    Hyundai Kona (слева) и Kia Niro (справа), вероятно, обеспечат эффективность без ущерба для размера.

    Я оставил подключаемые гибридные автомобили, которые имеют как электрические, так и бензиновые двигатели, для упрощения сравнения, поскольку у них есть рейтинг эффективности для каждого двигателя. Но уже есть несколько хороших вариантов подключаемых гибридных внедорожников.Подключаемый модуль Kia Niro Hybrid получает 105 миль на галлон на полном электрическом приводе и 46 миль на галлон на бензиновом приводе - цифры сопоставимы с показанными выше характеристиками полностью электрического и обычного гибрида. Фактическая эффективность подключаемого гибрида будет зависеть от того, как часто водитель полагается на свой электродвигатель - чем больше, тем лучше, - но это все равно огромное улучшение для автомобилей такого размера.

    хорошо для планеты, хорошо для потребителя

    Эта разница в эффективности между электромобилями и бензиновыми автомобилями имеет два важных последствия.Во-первых, запуск автомобиля на электричестве обходится дешевле, чем на бензине, а постоянное повышение эффективности электромобилей только удешевит их владельцам заправку своих автомобилей. Во-вторых, это увеличивает экологические преимущества электромобилей.

    Электромобили, как правило, более эффективны, чем обычные автомобили, но их эффективность может варьироваться от модели к модели. Чем меньше киловатт-часов энергии требуется для поездки на 100 миль, тем эффективнее будет автомобиль. Данные с https: // www.fueleconomy.gov/

    В конце концов, когда электромобили станут нормой, вместо того, чтобы спрашивать, сколько миль на галлон проезжает автомобиль, люди будут спрашивать, сколько миль на киловатт-час. А пока вы можете быть уверены, зная, что электромобиль существенно снизит ваше энергопотребление и деньги, которые вы тратите на насос.

    Является ли молниеносная плазма ключом к более чистому двигателю автомобиля?

    Сегодня на дорогах мира ездит около миллиарда автомобилей, и почти все они работают от внутреннего сгорания.Фактически, 150-летняя технология лежит в основе большинства видов транспорта, будь то самолет, поезд или лодка. Важность двигателя для ... ну, для всего означает, что поколения действительно умных людей посвятили свою жизнь - и неисчислимые миллиарды долларов - тому, чтобы сделать его лучше. Но независимо от того, насколько он близок к совершенству, двигатель внутреннего сгорания всегда будет иметь один серьезный недостаток: он убивает нашу планету.

    Большинство двигателей внутреннего сгорания сжигают ископаемое топливо и при этом выделяют парниковые газы, такие как диоксид углерода и оксид азота.В США на транспорт приходится почти треть выбросов парниковых газов, несмотря на ряд мер, направленных на ограничение его воздействия на окружающую среду. Двигатель внутреннего сгорания - принципиально грязная технология, но есть много способов сделать его чище. И они начинаются с искры, точнее, свечи зажигания.

    Дэвид Хауэлл - директор отдела автомобильных технологий Министерства энергетики США, много времени уделяет размышлениям о том, как создать более совершенные двигатели.В этом году около 70 миллионов долларов - почти четверть годового бюджета его офиса - будет потрачено на исследования и разработки в области сжигания топлива и топлива. «Мы видим, что электромобили на аккумуляторных батареях широко распространены, но двигатели внутреннего сгорания в той или иной форме будут существовать еще долгое время», - говорит Хауэлл. «И нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы повысить эффективность и сократить выбросы».

    В двигателях внутреннего сгорания существует глубокая связь между эффективностью и выбросами. Более эффективный двигатель использует меньше топлива для выполнения того же объема работы, а меньшее количество топлива означает меньшие выбросы.Есть несколько способов воспользоваться этим приростом эффективности. В течение многих лет Управление автомобильных технологий было сосредоточено на замене обычного бензина на более экологически чистое биотопливо.

    «В двигателе внутреннего сгорания может использоваться широкий спектр видов топлива, и некоторые из них могут быть частично возобновляемыми», - говорит Хауэлл. Но чтобы избавиться от бензина на заправке, потребуется время. Это новое биотопливо должно быть не только таким же эффективным, как бензин, но и дешевым. А у бензина есть большая фору.«Бензин существует уже столетие, и было проведено множество оптимизаций с точки зрения его характеристик сгорания», - говорит Хауэлл. Поэтому, пока новые модные виды топлива Министерства энергетики не будут готовы для широкой публики, другие исследователи ищут способы улучшить использование обычного старого бензина в двигателях сегодня.

    Типичный автомобильный двигатель объединяет воздух и газ в камере сгорания, а затем воспламеняет смесь с помощью свечи зажигания. Эта вековая технология расположена в камере сгорания и установлена ​​в верхней части двигателя в головке блока цилиндров.Когда поршень движется к верхней камере, сжимая топливно-воздушную смесь, свеча создает кратковременную электрическую искру. Искра запускает молекулярную мешанину, которая выделяет тепло и создает парниковые газы, которые выбрасываются из двигателя в виде выхлопных газов.

    Одним из способов сокращения выбросов является смешивание большего количества воздуха с топливом во время сгорания, что известно как «обедненное сжигание». Идея проста - разбавить топливно-воздушную смесь большим количеством воздуха, но заставить ее работать - нет. Двигатели внутреннего сгорания лучше всего работают при очень определенном соотношении топлива к воздуху.Отклонение от этого соотношения может быстро сделать неэффективным каталитический нейтрализатор двигателя - систему дополнительной обработки, предназначенную для преобразования вредных газов, таких как оксид азота, в более безвредные вещества. В какой-то момент воздуха слишком много, чтобы двигатель вообще воспламенил топливно-воздушную смесь.

    Будущее двигателей внутреннего сгорания

    Карлос Гон, генеральный директор Nissan и Renault, заявил, что к 2020 году на автомобили с батарейным питанием будет приходиться 10 процентов мировых продаж новых автомобилей.Г-н Гон, конечно же, планирует представить как минимум четыре электромобиля в ближайшие три года. Однако независимые аналитики, такие как Тим Уркхарт из IHS Global Insight, считают, что в 2020 году автомобили с батарейным питанием будут составлять менее одного процента от общего числа новых автомобилей.

    Дело в том, что электромобили сегодня непомерно дороги - одна батарея в электромобиле может стоить 20 000 долларов - и останется таковой в течение некоторого времени. Более того, электромобили не зарекомендовали себя в реальных условиях.Если автопроизводители сделают ставку на эту технологию в своем будущем, они сделают это очень постепенно. Даже с оптимистической точки зрения Гона, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут установлены в 90% автомобилей 2020 года. Коэй Сага, руководитель передовых технологий Toyota (включая электромобили), идет дальше: «На мой взгляд, я думаю, что мы никогда не откажемся от двигателя внутреннего сгорания».

    Но они не будут теми же двигателями внутреннего сгорания, которые используются сегодня в транспортных средствах. Поскольку в ближайшие пять лет федеральные стандарты экономии топлива ужесточатся на 35 процентов, эффективность ИС должна резко повыситься - в противном случае мы все будем вынуждены использовать экономичные боксы.

    Поговорив с ключевыми инженерами по силовым агрегатам и некоторыми независимыми изобретателями, мы изучили некоторые технологии, которые могут повысить эффективность.

    Распыление топлива непосредственно в камеры сгорания бензинового двигателя вместо его впускных отверстий - не новая идея - ее использовал немецкий истребитель ME109 времен Второй мировой войны. Mitsubishi Galant, продаваемый на японском рынке, в 1996 году стал первым автомобилем, сочетающим прямой впрыск с инжекторами с компьютерным управлением.Прямой впрыск (DI) стоит дороже, чем впрыск через порт, потому что топливо распыляется под давлением 1500–3000 фунтов на квадратный дюйм, а не 50–100 фунтов на квадратный дюйм, а форсунки должны выдерживать давление и высокую температуру сгорания.

    Но у DI есть ключевое преимущество: за счет впрыска топлива непосредственно в цилиндр во время такта сжатия охлаждающий эффект испаряющегося топлива не исчезает до того, как загорится свеча зажигания. В результате двигатель становится более устойчивым к детонации - преждевременному и почти взрывному сгоранию топлива, производящему стук и удару поршней под действием давления и тепла - и, следовательно, может работать с более высокой степенью сжатия - примерно 12: 1. вместо 10.5: 1. Одно это улучшает экономию топлива на два-три процента.

    Кроме того, DI предлагает возможность сгорания обедненной смеси, поскольку топливная струя может быть ориентирована таким образом, чтобы рядом со свечой зажигания всегда была горючая смесь. Это может дать на пять процентов больше эффективности.

    Некоторые европейские автопроизводители уже используют эту стратегию экономии топлива. К сожалению, обедненное сжигание вызывает более высокие выбросы NOx (оксидов азота) из выхлопной трубы, что противоречит более жестким ограничениям Америки.Катализаторам, которые могут решить эту проблему, не нравится высокое содержание серы в американском бензине. Новые катализаторы обещают снизить выбросы. Между тем, к 2020 году можно ожидать, что прямой впрыск станет универсальным.

    Современные двигатели достигают уровней мощности, о которых мы могли только мечтать 20 лет назад. Обратной стороной является то, что во время обычного вождения большинство двигателей бездельничают, а 300-сильные двигатели неэффективны, когда они выкладывают только 30 лошадок, необходимых для того, чтобы протолкнуть средний седан по шоссе.Когда дроссельная заслонка двигателя приоткрыта, во впускном коллекторе создается сильный вакуум. Во время такта впуска, поскольку поршни всасывают против этого вакуума, снижается эффективность.

    Классическое решение этой проблемы - сделать двигатель меньше. Маленький двигатель работает тяжелее, работает с меньшим вакуумом и, следовательно, более эффективен. Но маленькие двигатели вырабатывают меньше мощности, чем большие.

    Чтобы обеспечить мощность большого двигателя при экономии топлива для малого двигателя, многие компании обращаются к двигателям меньшего размера с турбонагнетателями, прямым впрыском топлива и регулируемыми фазами газораспределения.Эти три технологии работают вместе, принося общую пользу.

    Нагнетание дополнительного воздуха в камеры сгорания двигателя с помощью турбонагнетателя определенно увеличивает мощность; производители автомобилей занимаются этим годами. Но в прошлом, чтобы избежать опасной детонации, двигатели с турбонаддувом нуждались в более низких степенях сжатия, что снижало эффективность.

    Как мы видели, прямой впрыск топлива помогает решить эту проблему за счет охлаждения всасываемого заряда для минимизации детонации.Во-вторых, если изменение фаз газораспределения увеличивает время, когда впускной и выпускной клапаны открыты, турбонагнетатель может продувать свежий воздух через цилиндр, чтобы полностью удалить горячие оставшиеся газы из предыдущего цикла сгорания. А поскольку форсунки впрыскивают топливо только после закрытия клапанов, никакое из него не выходит через выпускной клапан.

    Первым двигателем в Америке со всеми этими тремя элементами был базовый 2,0-литровый четырехцилиндровый двигатель Audi A4 2006 года. У него было 10.Степень сжатия 5: 1 - такая же высокая, как у многих безнаддувных двигателей - несмотря на пиковое давление наддува 11,6 фунтов на квадратный дюйм. Он производил 200 лошадиных сил и 207 Нм крутящего момента.

    Система Ford EcoBoost - это не что иное, как прямой впрыск и турбонаддув. Дэн Капп, директор Ford по разработке передовых силовых агрегатов, говорит, что эта технология будет распространяться на легковые и грузовые автомобили компании. «Ничто другое не обеспечивает двузначного повышения эффективности использования топлива по разумной цене».

    В будущем Ford рассчитывает заменить свои 5.4-литровый V-8 с 3,5-литровым EcoBoost V-6; его 3,5-литровый V-6 с 2,2-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost; и его 2,5-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель с 1,6-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost. При каждом уменьшении габаритов пиковая мощность должна быть одинаковой, крутящий момент на низких оборотах должен быть примерно на 30 процентов больше, а экономия топлива должна быть на 10-20 процентов выше. Единственным недостатком будет дополнительная плата в размере 1000 долларов или около того к цене автомобилей с DI-turbo для оплаты дополнительного оборудования.

    BMW, Mercedes, Toyota и Volkswagen планируют аналогичные двигатели, в некоторых из которых вместо турбонагнетателей используются нагнетатели.Турбонаддув с прямым впрыском будет продолжать расширяться.

    Позже в этом десятилетии мы увидим второе поколение этих двигателей, использующих более высокое давление наддува. Это позволит дополнительно уменьшить габариты двигателя и повысить эффективность на 10 процентов.

    Чтобы это произошло, потребуется рециркуляция охлажденных выхлопных газов для контроля детонации и ступенчатые турбины или турбины с изменяемой геометрией, чтобы ограничить обычную задержку. Эти технологии уже используются в дизельных двигателях, но более высокие температуры выхлопных газов газовых двигателей создают проблемы с долговечностью, которые необходимо решить, прежде чем автопроизводители смогут внедрить эти технологии.

    Еще один способ повысить эффективность большого двигателя - отключить некоторые из его цилиндров. Поскольку дроссельная заслонка должна открываться дальше, чтобы получить ту же мощность от остальных цилиндров, разрежение во впускном коллекторе снижается, а эффективность повышается.

    В реальных условиях вождения это может привести к экономии топлива на пять процентов при довольно низких затратах. Эта технология особенно рентабельна для двухклапанных двигателей с толкателем, поэтому мы видели переменный рабочий объем на двигателях GM и Chrysler V-8.

    Honda использует переменный рабочий объем на своих 24-клапанных двигателях V-6, но дополнительное оборудование для закрытия множества клапанов увеличивает стоимость. Более того, отключение некоторых цилиндров на V-6 создает больше проблем с вибрацией и шумом, чем с V-8, потому что V-6 имеют более грубые импульсы срабатывания и более плохой внутренний баланс. Активные опоры двигателя и впускные коллекторы с регулируемой мощностью, необходимые для решения этих проблем, увеличивают дополнительные расходы.

    Простейшая реализация системы изменения фаз газораспределения началась около 25 лет назад, с использованием двухпозиционного опережения или замедления впускного или выпускного распредвала двигателя, чтобы лучше соответствовать условиям работы двигателя.Сегодня большинство двигателей DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр имеют бесступенчатую регулировку фаз как на впускном, так и на выпускном распредвалах.

    Около 20 лет назад компания Honda представила более сложный подход со своей системой VTEC, которая переключалась между двумя (а позже и тремя) отдельными наборами кулачков - одним для работы на высокой скорости, а другим - для низкой. VTEC также может просто отключить один из двух впускных клапанов цилиндра при небольших нагрузках. В 2001 году BMW пошла еще дальше, выпустив систему Valvetronic, которая может непрерывно изменять ход открытия впускных клапанов для оптимизации мощности и эффективности двигателя.Кроме того, такое обширное управление впускными клапанами служит для замены дроссельной заслонки, что устраняет вакуум и, следовательно, снижает насосные потери.

    Хотя они обеспечивают повышение эффективности, системы с переменным подъемом сложны и дороги. Продолжаются разработки чисто электронных систем, которые могли бы заменить распредвалы и просто открывать и закрывать клапаны двигателя в соответствии с компьютером. Но электронные механизмы открытия клапана также дороги и потребляют значительную мощность. Вице-президент GM Powertrain Дэн Хэнкок предполагает, что двухступенчатый механизм подъема клапана может обеспечить 90 процентов преимуществ полностью регулируемого подъема.Более того, Капп из Ford говорит, что преимущества переменного подъема клапана ограничены в сочетании с EcoBoost (DI turbo).

    С другой стороны, BMW со своим последним 3,0-литровым рядным шестицилиндровым двигателем с прямым впрыском и одинарным турбонаддувом (N55), заменяющим твин-турбо (N54) во всей линейке, сделала именно это, добавив Valvetronic в свой DI- турбо-комплектация. В сочетании с переходом от шестиступенчатой ​​автоматической коробки передач к восьмиступенчатой, это изменение, как говорят, дает на 10 процентов больше миль на галлон.

    Возможно, ответом будет система Fiat Multiair, конструкция с регулируемым подъемом и гидравлическим приводом, которая намного менее сложна, чем механические системы, подобные системе BMW.Ожидайте скоро увидеть Multiair на будущих автомобилях Chrysler.

    Эта технология, сокращенно HCCI, по сути, представляет собой комбинацию принципов работы газового двигателя и дизеля. Когда требуется высокая мощность, двигатель HCCI работает как обычный бензиновый двигатель, сгорание которого инициируется свечой зажигания. При более скромных нагрузках он работает больше как дизель, сгорание которого инициируется просто давлением и теплотой сжатия.

    В дизельном двигателе сгорание начинается, когда топливо впрыскивается поршнем в верхней части такта сжатия, и сгорание регулируется скоростью впрыска топлива. Однако с HCCI топливо уже впрыскивается и смешивается с воздухом до начала такта сжатия.

    Поскольку только сжатие инициирует сгорание, это больше серьезный удар, чем даже резкий рабочий ход дизеля. Благодаря тому, что двигатель достаточно крепкий, чтобы избежать разрыва, HCCI по крайней мере такой же тяжелый, как дизель.Ключевым моментом является достижение достаточного управления сгоранием, чтобы цикл HCCI можно было использовать в максимально широком диапазоне скоростей и нагрузок, чтобы извлечь выгоду из эффективности.

    Один из способов расширить режим HCCI - использовать переменную степень сжатия, что Mercedes сделала на своем экспериментальном двигателе Dies-Otto. Но другие инженеры, такие как Хэнкок из GM, хотели бы избежать этой проблемы. «Чтобы заставить HCCI работать, нам нужен очень хороший контроль над процессом сгорания с более быстрым компьютером управления двигателем и обратной связью по давлению сгорания.”

    Все это звучит сложно, но выигрыш может заключаться в 20-процентном улучшении экономии топлива без улавливателей твердых частиц и катализаторов NOx, которые необходимы дизелям. Этого достаточно, чтобы поддержать интерес крупных игроков. Хэнкок предполагает, что HCCI может поступить в производство к концу этого десятилетия, возможно, в качестве эффективного двигателя для подключаемого гибрида, потому что ему нужно только работать в небольшом диапазоне оборотов для питания генератора.

    Выключение двигателя при остановке на светофоре определенно может сэкономить топливо.Компьютер управления двигателем легко запрограммировать так, чтобы он останавливал двигатель, когда скорость автомобиля упадет до нуля, и перезапускал его, когда водитель убирал ногу с педали тормоза. Стартер и аккумулятор могут нуждаться в усилении, чтобы выдерживать более частое использование, но это не техническая проблема.

    Mazda придумала более простой метод выполнения подвига "стоп-старт". В своей системе, называемой i-stop, компьютер останавливает двигатель, когда один из поршней проходит только верхнюю точку такта сжатия.Для повторного запуска в цилиндр впрыскивается топливо, зажигается свеча зажигания, и двигатель мгновенно снова запускается.

    К сожалению, хотя эти системы могут сэкономить до пяти процентов расхода топлива в городских условиях, испытательные циклы Агентства по охране окружающей среды демонстрируют только 1 процентную выгоду из-за ограниченного времени простоя. В результате большинство производителей не хотят вкладывать средства в технологию, которая не очень помогает им в достижении целей CAFE, независимо от реальной выгоды.

    Одним из недостатков этанола на основе кукурузы является то, что современные двигатели с гибким топливом обычно не используют в полной мере преимущества E85 с октановым числом 95.Но легко представить себе двигатель с турбонаддувом DI второго поколения, который работает с более высоким давлением наддува при сжигании E85. Такой двигатель мог бы быть в два раза меньше нынешней безнаддувной силовой установки с существенно более высокой экономией топлива. А когда заправлялся чистым бензином, компьютер просто уменьшал наддув. Двигатель потерял бы часть мощности, но без ущерба для долговечности или топливной экономичности.

    Более радикальный способ использовать более высокое октановое число этанола - это «система повышения концентрации этанола» (EBS), над которой работают несколько профессоров Массачусетского технологического института, а также Нил Ресслер, бывший топ-менеджер Ford по технологиям.

    Идея проста. Начните с двигателя DI-turbo и добавьте к нему обычную систему впрыска топлива. Затем добавьте второй, небольшой топливный бак и залейте в него E85. При умеренных нагрузках двигатель работает на бензине и левом впрыске. Но когда вы требуете большей мощности и появляется наддув, система DI вводит E85. E85 не только имеет более высокое октановое число, чем бензин, но и обладает более сильным охлаждающим эффектом. Это обеспечивает безопасную работу наддува выше 20 фунтов на квадратный дюйм.

    Форд проявил серьезный интерес к проекту.Для пикапов 5,0-литровый двигатель EBS с двойным турбонаддувом может заменить 6,7-литровый дизель в грузовике Super Duty. Он будет развивать такую ​​же мощность и крутящий момент, обеспечивать такую ​​же топливную экономичность и дешевле в изготовлении, поскольку не требует дорогостоящей дополнительной обработки выхлопных газов дизеля.

    При нормальном использовании расход E85 составляет менее 10 процентов от расхода бензина. Таким образом, вы экономите много газа, потребляя лишь небольшое количество этанола. Двигатель EBS кажется технически исправным и уже прошел предварительные испытания.Мы ожидаем, что в ближайшие пять лет он в той или иной форме попадет в производство.

    Новые творческие концепции двигателей - пруд пруди. Наш технический директор обычно хранит толстый файл с надписью «сумасшедшие двигатели». Большинство из них даже не достигают стадии прототипа. И даже те, которые построены, обычно гаснут из-за проблем, связанных с долговечностью, сложностью конструкции или эффективностью. Лишь немногим, кто преодолеет этот уровень, предстоит тяжелая битва с автопроизводителями, которые вложили миллиарды в создание обычных двигателей, доказавших свою надежность и производительность.

    Одной из немногих перспективных концепций двигателей является двухтактный OPOC от EcoMotors. OPOC означает «оппозитный поршень и оппозитный цилиндр». Чтобы визуализировать двигатель, начните с горизонтально расположенного четырехцилиндрового двигателя, такого как Subaru Legacy. Затем выдвиньте цилиндры и потеряйте головки цилиндров, чтобы освободить место для второго набора поршней в каждом цилиндре, которые движутся противоположно обычным поршням. Длинные шатуны передают движение этих дополнительных поршней на коленчатый вал.

    Как и в обычном двухтактном двигателе, дыхание происходит через отверстия по бокам цилиндров. Но в двигателе OPOC впускные и выпускные каналы находятся на противоположных концах цилиндров. Когда поршни двигаются, выхлопные газы открываются до того, как воздухозаборники и турбокомпрессоры продувают воздух через цилиндры, чтобы вытолкнуть выхлопные газы и заполнить их чистым воздухом. Поскольку для этого двигателю требуется положительное давление, турбонагнетатели оснащены электродвигателями, которые приводят их в действие на низких оборотах, когда энергия выхлопных газов низкая.

    Хотя первые двигатели OPOC являются дизельными, концепция также может работать на бензине. В любом случае форсунка прямого подачи топлива находится в центре цилиндра, где две головки поршня почти встречаются, и именно здесь свеча зажигания будет в газовой версии.

    Если замысел OPOC кажется радикальным, его поддерживают солидные люди. Конструктором двигателя является Петер Хофбауэр, бывший главный инженер Volkswagen. Генеральный директор EcoÂMotors - Дон Ранкл, бывший топ-менеджер Delphi and GM.Президентом является Джон Колетти, легендарный бывший руководитель подразделения SVT компании Ford. А выдающийся производитель выхлопных газов Алекс Борла входит в совет директоров. Большая часть финансирования компании поступает от Винода Хосла, мегаинвестора Кремниевой долины.

    К настоящему времени прототипы двигателя OPOC продемонстрировали на 12-15% более высокий КПД, чем обычные поршневые двигатели, в первую очередь из-за отсутствия головок цилиндров, устраняя большую поверхность, через которую тепло сгорания передается охлаждающей жидкости, и отсутствие клапанного механизма, который снижает трение примерно на 40 процентов.

    Более того, поскольку каждый двухцилиндровый и четырехпоршневой модуль идеально сбалансирован, в четырехцилиндровой версии двигателя можно полностью разъединить одну пару цилиндров при небольших нагрузках. Это не только снижает насосные потери, но и полностью исключает трение из-за неисправного цилиндра, повышая топливную экономичность еще на 15 процентов.

    На данный момент Колетти утверждает, что очевидных проблем нет: «Выбросы выглядят хорошо, как и потребление масла.Меня ничего не беспокоит ». Ранкл добавляет, что из-за меньшего количества деталей - без головок или клапанного механизма - двигатель должен быть на 20 процентов дешевле в производстве, чем современный V-6. «Мы работаем над двумя семействами двигателей. EM100d - это дизельный двигатель со 100-миллиметровым диаметром цилиндра, развивающий 325 лошадиных сил, а EM65ff - с диаметром цилиндра 65 мм и мощностью около 75 лошадиных сил в двухцилиндровом варианте на бензине ».

    Двигатель находится в нескольких годах от производства. Для небольшой растущей компании без огромных вложений в обычные двигатели - подумайте, китайские или индийские - двигатель OPOC является привлекательным.Военный контракт также проложит путь к приемлемости для гражданского населения.

    Как уже упоминалось, возможность изменить степень сжатия работающего двигателя поможет заставить работать HCCI. Большинство таких схем включают в себя какое-то изменение либо хода поршня двигателя, либо расстояния от коленчатого вала до камеры сгорания. Оба подхода механически проблематичны. Умные инженеры Lotus придумали более простой способ изменить компрессию двигателя.Они создали головку блока цилиндров с подвижной частью - они называют ее шайбой - которая может выходить в камеру сгорания. При полностью втянутой шайбе степень сжатия составляет 10: 1. Когда он продлен в головку, он уменьшает объем камеры сгорания, тем самым увеличивая соотношение до 40: 1. Для этой шайбы есть место, потому что двигатель, который Lotus называет «Всеядным», является двухтактным без каких-либо клапанов. Вместо этого впускной и выпускной потоки проходят через отверстия в стенках цилиндров. Впрыск топлива происходит непосредственно в цилиндр с помощью пневматической системы, разработанной Orbital для другого двухтактного двигателя, над которым компания работает около 30 лет.Lotus утверждает, что двигатель Omnivore может широко работать в режиме HCCI и обеспечивает 10-процентный прирост топливной эффективности по сравнению с нынешними бензиновыми двигателями DI. Благодаря переменной степени сжатия он также может работать на различных видах топлива, отсюда и его название. На данный момент двигатель представляет собой только одноцилиндровый исследовательский проект. Умно, но будет ли оно продвигаться дальше - неизвестно.

    Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

    Какое будущее у двигателя внутреннего сгорания?

    С более строгими стандартами выбросов и появлением электрических силовых агрегатов может показаться, что дни двигателей внутреннего сгорания сочтены. Но инженерное объяснение Ведущий Джейсон Фенске считает, что внутреннее сгорание будет продолжаться благодаря новым технологиям.

    Fenske довольно оптимистично оценивает долговечность двигателя внутреннего сгорания, как из-за присущего бензину преимущества по плотности энергии над батареями, так и из-за технологий, повышающих эффективность.В этом видео он более подробно рассматривает некоторые из этих технологий.

    Один из вариантов - воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI). Двигатель HCCI сжигает бензин, но использует воспламенение от сжатия, как и дизельный двигатель, а не свечу зажигания. Теоретически это обеспечивает эффективность дизеля без образования сажи и высоких уровней выбросов оксидов азота (NOx). Однако для этого требуется гораздо более точный контроль температуры на впуске, а также момента зажигания.

    Феррари 488 GT Modificata

    Следующая опция - воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда (PCCI).Фенске описал это как «золотую середину» между воспламенением от сжатия дизельного двигателя и HCCI, потому что он впрыскивает немного топлива раньше, чтобы позволить ему смешаться с воздухом в камере сгорания, а затем впрыскивает больше топлива позже. Это обеспечивает больший контроль времени зажигания, чем HCCI, но также может создавать очаги несгоревших побочных продуктов углеводородов, что плохо сказывается на выбросах. По словам Фенске, двигатели PCCI также имеют довольно узкий рабочий диапазон с высоким потенциалом детонации при полностью открытой дроссельной заслонке.

    Наконец, у нас есть воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI).При этом используются два вида топлива: топливо с низкой реактивностью (например, бензин), которое впрыскивается через порт, и топливо с высокой реактивностью (например, дизельное топливо), которое впрыскивается напрямую. «Реакционная способность» относится к тенденции топлива воспламеняться при сжатии. По словам Фенске, этот метод приводит к значительному повышению эффективности, но по-прежнему с довольно высокими выбросами. Сложность использования двух видов топлива также может сделать его коммерчески не пусковым.

    Эти альтернативные конструкции двигателей внутреннего сгорания, возможно, еще не готовы к использованию, но автопроизводители стремятся выжать каждую каплю эффективности из сегодняшних бензиновых двигателей, используя более совершенные технологии, такие как прямой впрыск.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *