Содержание
Двигатели с изменяемой степенью сжатия: от Saab до Infiniti
Все чаще звучат авторитетные мнения, что сейчас развитие двигателей внутреннего сгорания достигло наивысшего уровня и больше невозможно заметно улучшить их характеристики. Конструкторам остается заниматься ползучей модернизацией, шлифуя системы наддува и впрыска, а также добавляя все больше электроники. С этим не соглашаются японские инженеры. Свое слово сказала компания Infiniti, которая построила двигатель с изменяемой степенью сжатия. Разбираемся, в чем преимущества такого мотора, и какое у него будущее.
В качестве вступления напомним, что степенью сжатия называют отношение объема над поршнем, находящимся в нижней «мертвой» точке, к объему, когда поршень находится в верхней.
Компоненты / Новости
Париж 2016: Infiniti готовит премьеру новаторского мотора
Для бензиновых двигателей этот показатель составляет от 8 до 14, для дизелей — от 18 до 23.
Степень сжатия задается конструкцией фиксировано.
Рассчитывается она в зависимости от октанового числа применяемого бензина и наличия наддува.
Возможность динамически изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки позволяет поднять КПД турбированного мотора, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном сжатии.
При малых нагрузках, когда смесь обедненная, используется максимальное сжатие, а в нагруженном режиме, когда бензина впрыскивается много и возможна детонация, мотор сжимает смесь минимально.
Это позволяет не регулировать «назад» угол опережения зажигания, который остается в наиболее эффективной позиции для снятия мощности. Теоретически система изменения степени сжатия в ДВС позволяет до двух раз уменьшить рабочий объем мотора при сохранении тяговых и динамических характеристик.
Схема двигателя с изменяемым объемом камеры сгорания и шатуны с системой подъема поршней
Одной из первых появилась система с дополнительным поршнем в камере сгорания, который перемещаясь, изменял ее объем.
Но сразу возник вопрос о размещении еще одной группы деталей в головке блока, где уже и так теснились распредвалы, клапаны, инжекторы и свечи зажигания. Притом нарушалась оптимальная конфигурация камеры сгорания, отчего топливо сжигалось неравномерно. Поэтому система так и осталась в стенах лабораторий. Не пошла дальше эксперимента и система с поршнями изменяемой высоты. Разрезные поршни были чрезмерно тяжелыми, притом сразу возникли конструктивные трудности с управлением высотой подъема крышки.
Система подъема коленвала на эксцентриковых муфтах FEV Motorentechnik (слева) и траверсный механизм для изменения высоты подъема поршня
Другие конструкторы пошли путем управления высотой подъема коленвала. В этой системе опорные шейки коленвала размещены в эксцентриковых муфтах, приводимых в действие через шестерни электромотором. Когда эксцентрики поворачиваются, коленвал поднимается или опускается, отчего, соответственно, меняется высота подъема поршней к головке блока, увеличивается или уменьшается объем камеры сгорания, и изменяется тем самым степень сжатия.
Такой мотор показала в 2000 году немецкая компания FEV Motorentechnik. Система была интегрирована в турбированный четырехцилиндровый двигатель 1.8 л от концерна Volkswagen, где варьировала степень сжатия от 8 до 16. Мотор развивал мощность 218 л.с. и крутящий момент 300 Нм. До 2003 года двигатель испытывался на автомобиле Audi A6, но в серию не пошел.
Не слишком удачливой оказалась и обратная система, также изменяющая высоту подъема поршней, но не за счет управления коленвалом, а путем подъема блока цилиндров. Действующий мотор подобной конструкции продемонстрировал в 2000 году Saab, и также тестировал его на модели 9-5, планируя запустить в серийное производство. Получивший название Saab Variable Compression (SVC) пятицилиндровый турбированный двигатель объемом 1,6 л, развивал мощность 225 л. с. и крутящий момент 305 Нм, при этом расход топлива при средних нагрузках снизился на 30%, а за счет регулируемой степени сжатия мотор мог без проблем потреблять любой бензин — от А-80 до А-98.
Система двигателя Saab Variable Compression, в которой степень сжатия изменяется за счет отклонения верхней части блока цилиндров
Задачу подъема блока цилиндров в Saab решили так: блок был разделен на две части — верхнюю с головкой и гильзами цилиндров, и нижнюю, где остался коленвал. Одной стороной верхняя часть была связана с нижней через шарнир, а на другой был установлен механизм с электроприводом, который, как крышку у сундука, приподнимал верхнюю часть на угол до 4 градусов. Диапазон степени сжатия при поднимании — опускании мог гибко варьироваться от 8 до 14. Для герметизации подвижной и неподвижной частей служил эластичный резиновый кожух, который оказался одним из самых слабых мест конструкции, вместе с шарнирами и подъемным механизмом. После приобретения Saab корпорацией General Motors американцы закрыли проект.
Проект МСЕ-5 в котором применен механизм с рабочим и управляющим поршнями, связаными через зубчатое коромысло
На рубеже веков свою конструкцию мотора с изменяемой степенью сжатия предложили и французские инженеры компании MCE-5 Development S.
A. Показанный ими турбированный 1.5-литровый мотор, в котором степень сжатия могла варьироваться от 7 до 18, развивал мощность 220 л. с. и крутящий момент 420 Нм. Конструкция тут довольно сложная. Шатун разделен и снабжен наверху (в части, устанавливаемой на коленвал) зубчатым коромыслом. К нему примыкает другая часть шатуна от поршня, оконечник которой имеет зубчатую рейку. С другой стороной коромысла связана рейка управляющего поршня, приводимого в действие через систему смазки двигателя посредством специальных клапанов, каналов и электропривода. Когда управляющий поршень перемещается, он воздействует на коромысло и высота поднятия рабочего поршня изменяется. Двигатель экспериментально обкатывался на Peugeot 407, но автопроизводитель не заинтересовался данной системой.
Теперь свое слово решили сказать конструкторы Infiniti, представив двигатель с технологией Variable Compression-Turbocharged (VC-T), позволяющей динамически изменять степень сжатия от 8 до 14. Японские инженеры применили траверсный механизм: сделали подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которую, в свою очередь, связали системой рычагов с приводом от электромотора.
Получив команду от блока управления, электродвигатель перемещает тягу, система рычагов меняет положение, регулируя тем самым высоту подъема поршня и, соответственно, изменяя степень сжатия.
Конструкция системы Variable Compression у мотора Infiniti VC-T: а - поршень, b - шатун, с - траверса, d - коленвал, е - электродвигатель, f - промежуточный вал, g - тяга.
За счет данной технологии двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T развивает мощность 270 л.с., оказываясь на 27% экономичнее других двухлитровых двигателей компании, имеющих постоянную степень сжатия. Японцы планируют запустить моторы VC-T в серийное производство в 2018 году, оснастив ими кроссовер QX50, а затем и другие модели.
Заметим, что именно экономичность выступает сейчас основной целью разработки моторов с изменяемой степенью сжатия. При современном развитии технологий наддува и впрыска, нагнать мощности в моторе для конструкторов не составляет больших проблем. Другой вопрос: сколько бензина в супернадутом двигателе будет вылетать в трубу? Для обычных серийных моторов показатели расхода могут оказаться неприемлемы, что и выступает ограничителем для надувания мощности.
Японские конструкторы решили этот барьер преодолеть. Как считают в компании Infiniti, их бензиновый двигатель VC-T, способен выступить как альтернатива современным турбированным дизелям, показывая тот же расход топлива при лучших характеристиках по мощности и более низкой токсичности выхлопа.
Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет — этим направлением занимались конструкторы Ford, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot и Volkswagen. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены тысячи патентов. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство.
Не все гладко и у Infiniti. Как признаются сами разработчики мотора VC-T, у их детища пока остаются общие проблемы: возросла сложность и стоимость конструкции, не решены вопросы с вибрацией. Но японцы надеются доработать конструкцию и запустить ее в серийное производство. Если это произойдет, то будущим покупателям осталось только понять: сколько придется переплатить за новую технологию, насколько такой мотор будет надежен и сколько позволит экономить на топливе.
Степень сжатия двигателя, компрессия и октановое число
Ноя
1
2014
Понятие «степень сжатия» относится к поршневым двигателям, у которых есть камера сгорания. Под этим термином понимают отношение объема пространства над поршнем в момент, когда он находится в нижней мертвой точке к объему надпоршневого пространства в верхней мертвой точке.
Иными словами, это выраженная математически разница в давлении внутри камеры сгорания на момент подачи горючей смеси в цилиндр, и на момент ее воспламенения.
Вокруг этого термина очень много недоразумений и мифов. Чтобы понять, что истина, и что ложь, стоит разобраться, почему у разных двигателей этот параметр отличается, и какие преимущества дает низкая или высокая степень сжатия.
Преимущества высокой степени сжатия
Двигатель внутреннего сгорания работает за счет воспламенения смеси воздуха и паров топлива. При воспламенении смесь расширяется и толкает поршень, который вращает коленвал.
При большей степени сжатия интенсивность давления на поршень увеличивается, и зак один такт двигатель совершает больше полезной работы.
Отсутствие детонации в дизельных двигателях объясняется просто: в камере сгорания сначала сжимается чистый воздух, а топливо впрыскивается позже.
При этом подразумевается, что количество бензина в топливо-воздушной смеси остается неизменным, и за счет большего количества воздуха оно сгорает с более высоким КПД.
На современном этапе конструирования легковых автомобилей применение двигателей с низкой степенью сжатия практически прекратилось. Несмотря на то, что в них допустимо использовать низкооктановый и недорогой бензин А-80, их популярность равна нулю.
Дело в том, что современные потребители стремятся приобретать автомобили с большим количеством «лошадей под капотом», а с двигателей, рассчитанных на низкооктановый бензин (например, двигателя УАЗ 469, (который, правда, с измененной степенью сжатия и рядом модернизаций устанавливается в УАЗ Hunter), снять большую мощность невозможно по конструктивным причинам.
Можно ли изменить степень сжатия?
Увеличить степень сжатия можно, уменьшив объем камеры сгорания, но при модернизации уже имеющегося двигателя инженерам приходится постоянно искать компромисс между эффективностью и безопасностью. Дело в том, что, увеличение степени сжатия ведет к понижению детонационного порога.
Если увеличить степень сжатия слишком сильно, можно столкнуться с тем, что имеющимися средствами предотвратить возникновение детонации не получится. Иными словами, порой разработать (или поставить от другого, более мощного автомобиля) новый двигатель легче, чем модернизировать старый.
Для современных двигателей характерна высокая степен сжатия. В подавляющем большинстве случаев в них используется бензин с октановым числом не ниже 95 или даже 98.
Один из вариантов изменения степени сжатия, доступный частным тюнерам – фрезеровка головки блока цилиндров. После «укорачивания» ГБЦ объем камеры сгорания уменьшается.
Степень сжатия в этом случае увеличится.
Есть и обратная сторона такой манипуляции (кстати, официально ее называют форсированием) уменьшится общий объем горючей смеси, сгорающей в цилиндре за один цикл.
Степень сжатия или компрессия?
Степень сжатия часто путают с понятием «компрессия». Это не одно и то же. Компрессией называют максимальное давление в цилиндре при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней.
Компрессия измеряется в атмосферах, а степень сжатия имеет вид математического отношения, например, 10:1 (десять к одному).
Преждевременное воспламенение и детонация
Смесь, поступающая в камеру сгорания, должна не взрываться, а гореть, причем, равномерно, и на протяжении всего отрезка времени, пока поршень движется вниз.
При этом условии энергия расходуется максимально эффективно, а детали поршневой группы изнашиваются равномерно и не перегреваются. Сложность заключается в том, что скорость горения смеси обычно гораздо быстрее скорости движения поршня.
В связи с этим и возникает основная проблема, встающая на пути тех, кто задался целью увеличить степень сжатия.
При увеличении давления смесь самопроизвольно возгорается.
Это явление называется преждевременным воспламенением. Более того, возгорание смеси происходит, когда поршень еще только завершает фазу сжатия. В этом случае энергия сгорающего топлива создает дополнительное сопротивление и растрачивается на выполнение бесполезного действия.
Вторая проблема: выделение чрезмерного количества энергии. Проще говоря – взрыв. Явление это в теории двигателестроения называется детонацей и имеет крайне негативные последствия.
Таким образом, увеличение степени сжатия может сыграть с владельцем двигателя злую шутку. Чтобы избежать неприятных последствий, стоит ознакомиться с таким понятием, как октановое число.
Что такое октановое число и на что оно влияет?
Бензин, который используется для работы ДВС, отличается стойкостью к детонации и самовоспламенению. Для обозначения уровня этой стойкости вводится понятие «октановое число».
Детонация возникает только в камере сгорания бензинового двигателя.
Сжигание дизельного топлива требует большей степени сжатия, и воспламеняется оно «само собой» разогреваясь под воздействием давления и соприкасаясь с раскаленными металлическими деталями.
Казалось бы, все условия для возникновения созданы, но благодаря некоторым особенностям дизельного двигателя он полностью защищен от этого вредного явления.
Важный факт – октановое число бензина не влияет на количество энергии, которое выделяет топливо при сгорании. Иными словами, думать, что заливая в двигатель бензин с более высоким октановым числом, вы повышаете его мощность, ошибочно.
Все очень просто: при высоком значении степени сжатия необходимо использовать топливо с большим октановым числом.
Последствия использования топлива с несоответствующим октановым числом
Стоит обратить внимание, что при несоответствии используемого топлива требованиям завода-изготовителя, могут возникнуть следующие проблемы:
— При использовании топлива с большим октановым числом возможно прогорание выпускных клапанов.
Происходит это потому, что бензин с большим октановым числом горит с меньшей температурой и медленнее. Соответственно, при его использовании, на фазе выпуска вместо отработанных газов через выпускные клапана вылетает горящая смесь.
— При использовании топлива с высоким октановым числом на свечах возможно образование нагара. Причины все те же: скорость горения может не совпадать с циклами хода поршня.
— При использовании топлива с низким октановым числом блок управления двигателем (или октан-корректор распределителя) не сможет установить угол опережения зажигания, исключающий детонацию.
Альтернативный способ изменения степени сжатия
В современной практике разработки двигателей активно применяется альтернативный способ динамического изменения степени сжатия – установка турбонагнетателя.
Он помогает увеличить давление в камере сгорания, не изменяя при этом ее физического объема. Принцип работы нагнетателя заключается в том, что в камеру сгорания под давлением поступает больше воздуха за единицу времени.
В результате степень сжатия меняется постоянно, реагируя на увеличение и уменьшение нагрузки на двигатель. Этот процесс происходит под контролем электроники, которая оперативно изменяет условия воспламенения топливо-воздушной смеси.
В результате всех перечисленных выше негативных факторов, связанных с изменением давления в камере сгорания, удается избежать.
В Объединенных Арабских Эмиратах крайней популярностью пользуются гонки на дизельных внедорожниках. Для увеличения степени сжатия и мощности используются турбины максимальной производительности
Поклонники тюнинга восприняли применение турбонагнетателей как более гибкий и управляемый способ увеличения мощности двигателя.
Можно сказать, что приобретение турбо-кита (набора деталей, предназначенных для установки турбонаддува на конкретный двигатель), гораздо более распространена по сравнению с форсированием. Нагнетатели разных типов успешно используются и при необходимости увеличить эффективность работы дизельного двигателя.
Коэффициент сжатия и тепловой КПД
Какой процент тепловой энергии, производимой при сгорании ископаемого топлива, способствует передвижению транспортного средства?
При сравнении дизельных и бензиновых двигателей возникает загадка. В Европе, Азии, Австралии, Южной и Центральной Америке — почти во всем мире, за исключением Соединенных Штатов, — общеизвестно, что дизельные двигатели значительно более экономичны, чем бензиновые.
Дизельный двигатель проезжает гораздо больше на галлоне топлива, чем искровой двигатель внутреннего сгорания сопоставимого размера на галлоне бензина. Дизельный двигатель проедет на 25-30% дальше на галлоне топлива, чем искровой бензиновый двигатель сопоставимого размера на галлоне.
И этот разрыв увеличивается.
Малоизвестно, что дизельные двигатели значительно более экологичны, чем бензиновые двигатели. Причина, по которой большинство людей не знает, что дизель загрязняет окружающую среду меньше, чем бензиновые двигатели, заключается в том, что 1) большинство статистических данных о выбросах бензина по сравнению с дизельным двигателем приведены на единицу объема и 2) люди — опять же — не знают, что дизель дает водители на треть больше миль на галлон, чем бензин.
Математика проста. По данным Агентства по охране окружающей среды, на галлон дизельного топлива выбрасывается около 22 фунтов углекислого газа. Галлон высокооктанового бензина производит около 20 фунтов. (Бензин с низким октановым числом выбрасывает больше.) Это означает, что на галлон дизельного топлива выбрасывается примерно на 10% больше CO2, чем бензина. Но это по-прежнему означает, что дизель выбрасывает на 15-25% меньше углекислого газа на милю.
Дизель просто лучше с точки зрения экологии и экономии топлива. Не менее важно и то, что дизельные двигатели лучше — гораздо эффективнее — бензиновых двигателей.
Так почему же американцы ездят на бензиновых автомобилях?
Почему дизельные двигатели более экономичны, чем бензиновые
Здравый смысл подсказывает, что причина, по которой дизельные двигатели намного экономичнее бензиновых, заключается в том, что дизельное топливо лучше бензина. И это правда. Дизельное топливо является лучшим топливом, чем бензин, пропан, метан (природный газ) и почти любое другое ископаемое, «чистое» и альтернативное топливо, потому что дизельное топливо имеет более высокую плотность топлива.
Плотность топлива — она же плотность «энергии» — бензина. «Теплотворная способность дизельного топлива составляет примерно 45,5 МДж/кг (мегаджоулей на килограмм), что немного ниже, чем у бензина, который составляет 45,8 МДж/кг. Однако дизельное топливо плотнее бензина и содержит примерно на 15% больше энергии по объему (примерно 36,9МДж/литр по сравнению с 33,7 МДж/литр)», — поясняет Европейская ассоциация автопроизводителей.
Однако плотность дизельного топлива — не единственная причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокую топливную экономичность, чем бензиновые двигатели.
Дизель имеет на 11-15% большую удельную энергию, чем бензин, сумма, которая, хотя и играет большую роль в эффективности использования топлива дизельными двигателями, не объясняет тот факт, что дизельные двигатели проходят от 25% до 35% дальше, чем бензиновые двигатели сопоставимого размера на том же объеме топлива.
Итак, вопрос в том, откуда берутся дополнительные 20-25% эффективности пробега? Опять же, если дизель только на 11-15% более энергоемкий, чем бензин, то почему дизельные двигатели проезжают 9 миль на каждые 6 километров, которые проезжает бензин?
Ответ прост.
Мало того, что дизельное топливо имеет более высокую плотность, чем бензин, дизельные двигатели являются двигателями более высокого качества, чем бензиновые двигатели. Термический КПД дизельных двигателей намного превышает КПД бензиновых двигателей.
Сравнение качества бензиновых и дизельных двигателей
Существует множество способов определения «качества» двигателя. Крутящий момент и ускорение — два примера стандартов, по которым можно судить о качестве двигателя. Но в отношении эффективности двигателя внутреннего сгорания есть только две важные переменные.
Что касается КПД двигателя внутреннего сгорания, качество определяется 1) долговечностью — как долго двигатель будет работать — и 2) производительностью — сколько мощности выдает двигатель по отношению к потенциальной мощности потребляемого топлива.
Эффективность двигателя: почему дизельные двигатели лучше, чем бензиновые двигатели с искровым зажиганием
Дизельные двигатели — по сравнению с другими типами двигателей — являются исключительными достижениями инженерной мысли.
С момента появления первых дизельных двигателей до тех, которые производятся сегодня, дизель всегда превосходил бензиновые двигатели в отношении эффективности двигателя. Дизельные двигатели всегда были более качественными. Они всегда работали дольше, а дизельные двигатели всегда были более экономичными. Самое главное, дизельные двигатели всегда меньше загрязняли окружающую среду.
Современные инженеры еще больше отделяют дизельные двигатели от бензиновых.
Современные инженеры по дизельным двигателям ломают барьеры ограничения тепловой эффективности. Другими словами, дизельные двигатели производят больше кинетической энергии за счет тепла, выделяемого при сгорании, чем любой другой тип двигателя.
Что касается производства двигателей внутреннего сгорания: «Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД (КПД двигателя) среди всех практически используемых двигателей внутреннего или внешнего сгорания благодаря очень высокому коэффициенту расширения и характерному сжиганию обедненной смеси, которое обеспечивает рассеивание тепла избыточным воздухом.
”
Причина, по которой дизельные двигатели более эффективно преобразовывают тепло, образующееся при сгорании, в кинетическую энергию, заключается в том, как дизельное топливо сгорает в дизельном двигателе
Сжатие по сравнению с искровым сгоранием
Существует два способа сжигания ископаемого топлива в дизельном двигателе. двигатель: с искрой или сжимая ее до такой степени, что она воспламеняется. Все дизельные двигатели являются двигателями сжатия. Все бензиновые двигатели искровые. Это означает, что сжатие является катализатором сгорания дизельного топлива в двигателе, а искра воспламеняет бензин в камере сгорания бензинового двигателя.
Разница между двумя способами сжигания ископаемого топлива в двигателе важна, поскольку эти два способа обеспечивают разную эффективность сгорания.
Компрессионные двигатели сжигают топливо более эффективно, чем искровые двигатели.
Почему компрессионные двигатели сжигают топливо более эффективно, чем бензиновые искровые двигатели
Компрессионные дизельные и искровые бензиновые двигатели имеют много общего, включая форсунки, поршни, поршневые цилиндры и выпускные патрубки.
И компрессионные, и искровые двигатели разработаны с так называемым циклом Отто. Цикл Отто — это цикл четырехтактного двигателя: 1) такт впуска, 2) такт сжатия, 3) рабочий такт, 4) такт выпуска — который оказался наиболее эффективной конструкцией автомобильного двигателя.
При беглом объяснении компрессионных и искровых двигателей необходимо отметить только одно различие в отношении двух типов двигателей: компрессионные двигатели используют давление для сжигания дизельного топлива, в то время как искровые двигатели воспламеняют бензин от электрической искры.
Перед попаданием в камеру сгорания двигателя как дизельное топливо, так и бензин преобразуются в газообразное состояние. Когда газообразное топливо сжимается, оно нагревается. Тепло, выделяемое при сжатии, является функцией закона идеального газа. «Объем (V), занимаемый n молями любого газа, имеет давление (P) при температуре (T) в градусах Кельвина. Соотношение для этих переменных P V = n R T, где R известно как газовая постоянная».
Поскольку температура и объем постоянны, увеличение давления на газ, т. е. уменьшение объема газа, увеличивает температуру.
В поршневых цилиндрах как искровые, так и компрессионные двигатели сжимают соответствующее топливо. Однако дизель сжимается до такой степени, что сгорает. Хотя бензин также сжимается, прежде чем он сожмется до такой степени, что воспламенится, искра от свечи зажигания воспламенит бензин в газообразном состоянии.
Степень сжатия дизельных и бензиновых двигателей
В масштабе объема компрессионные двигатели обеспечивают более высокий тепловой КПД (выходная энергия, деленная на входную мощность двигателя), чем двигатели с искровым зажиганием. Большая часть тепловой энергии, произведенной при сгорании бензина в искровом двигателе, просто теряется в виде тепла, тепла, которое не преобразуется в кинетическую энергию, а скорее теряется с выхлопом
Причина, по которой больше энергии теряется при бензиновый двигатель, который проигрывает дизельному двигателю, заключается в том, что дизельные двигатели с компрессией имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые двигатели с искровым зажиганием.
Тепловая эффективность может быть представлена разницей температур. Температура воздуха, поступающего в двигатель во время такта впуска, отличается (значительно меньше) от температуры воздуха, вытесняемого из двигателя во время такта выпуска. Вычитание температуры всасываемого воздуха из температуры выхлопа равно тепловому КПД.
Департамент физики и астрономии Технологического института Джорджии объясняет:
«Поскольку такты сжатия и рабочего хода этого идеализированного цикла являются адиабатическими, эффективность можно рассчитать на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Входная и выходная энергии, а также КПД могут быть рассчитаны по температуре и удельной теплоемкости».
В идеальных условиях — при 100% тепловом КПД — температура выхлопных газов будет такой же, как и всасываемого воздуха. Это означало бы, что все тепло, выделяемое при сгорании топлива, использовалось для опускания поршня двигателя. На самом деле, двигатель, который использует 30% тепла — то есть энергии — для того, чтобы заставить поршень опускаться, относительно эффективен.
«Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «термического КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов. Дизель, как правило, выше — в некоторых случаях приближается к 40 процентам», — объясняет GreenCarReports.com.
Проще говоря, двигатель сжатия преобразует большую сумму энергии, произведенной во время сгорания, в кинетическую энергию, чем двигатель с искровым зажиганием, потому что дизельные двигатели могут достигать более высокой степени сжатия.
Почему степень сжатия повышает эффективность использования топлива
Связь между адиабатическим сжатием и эффективностью использования топлива связана с термодинамикой и физикой. Айна Т., Фолаян К. О. и Пэм Г. Ю. Факультет машиностроения, Университет Ахмаду Белло, Зариа, Нигерия объясняют,
«Увеличение степени сжатия приводит к большему вращению кривошипа цилиндра [6]. Это означает, что двигатель сильнее давит на поршень, и, следовательно, создается больший крутящий момент.
Прирост крутящего момента за счет увеличения степени сжатия можно представить как отношение новой степени сжатия (-./) к старой степени сжатия».
Проще говоря, чем сильнее сжато топливо в газообразном состоянии, тем меньше площадь его взрыва. Это означает, что большая сила воздействует на поршень, а не на стенки цилиндра. Если два двигателя имеют одинаковое количество топлива в соответствующих цилиндрах и сила, создаваемая сгоранием в одном двигателе, больше действует на головку поршня, чем в другом, этот двигатель будет иметь больший тепловой КПД.
Дизельные двигатели — хотя и не те, которые используются в автомобилях, пикапах и грузовиках — могут достигать чрезвычайно высокой тепловой эффективности. «Малкооборотные дизельные двигатели (используемые на кораблях и в других приложениях, где общий вес двигателя относительно неважен) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50%».
Если дизельные двигатели намного эффективнее, почему мы ездим на автомобилях с бензиновым двигателем?
Можно только догадываться, почему мы принимаем те решения, которые принимаем индивидуально, но, вероятно, можно с уверенностью сказать, что большинство американцев ездят на бензиновых двигателях, потому что мы к ним привыкли.
Кроме того, бензиновые двигатели были тише и традиционно быстрее разгонялись. Сегодняшние дизельные двигатели тихие и чрезвычайно отзывчивые, но покупательская привычка американцев от этого не изменилась.
Итак, можно с уверенностью сказать, что маркетинг во многом определяет, почему американцы покупают автомобили с бензиновым двигателем.
Как бы то ни было, покупка бензиновых двигателей — ошибка. Это дорого, а дизельные двигатели гораздо более экологичны.
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели цикла Отто (обновлено 22.04.12)
Глава 3: Первый закон термодинамики для
Закрытые системы
d) Стандартный воздушный цикл Отто (искровое зажигание)
Двигатель
Воздух
Стандартный цикл Отто — идеальный цикл
для искрового зажигания
(SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные
Николауса Отто более 130 лет назад и который в настоящее время используется наиболее
автотранспорт. Следующая ссылка на Kruse
Технологическое партнерство представляет
описание четырехтактного двигателя
Цикл Отто операция включая короткий
История Николауса Отто. И снова у нас отличные анимации
произведено Мэтт
Keveney представляет как четырехтактный , так и .
и двухтактный
двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием
операция
Анализ цикла Отто очень похож на
цикл Дизеля, который мы проанализировали в предыдущих
раздел . Мы будем использовать идеал
«стандартное» предположение в нашем анализе. Таким образом, рабочая
жидкость – это фиксированная масса воздуха, совершающая полный цикл, т.
везде рассматривается как идеальный газ. Все процессы идеальны,
горение заменяется подводом тепла к воздуху, а выхлоп
заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в
начальное состояние.
Самая существенная разница между идеальным
Цикл Отто и идеальный цикл Дизеля — это метод зажигания
топливно-воздушная смесь.
Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно
высокая степень сжатия (около 18:1) позволяет воздуху достигать
температура воспламенения топлива. Затем топливо впрыскивается таким образом, что
процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеальном Отто
цикл топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска
и сжаты до гораздо более низкой степени сжатия (около 8:1) и
затем воспламеняется от искры. Горение приводит к резкому скачку
давление, в то время как объем остается практически постоянным.
продолжение цикла, включая расширение и выхлоп
процессы практически идентичны процессам идеального дизельного топлива.
цикл. Мы считаем удобным развивать подход к анализу
идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:
Решенная проблема 3.7 — Ан
идеальный воздушный стандартный двигатель цикла Отто имеет степень сжатия 8. При
начало процесса сжатия, рабочее тело при 100
кПа, 27°С (300 К) и 800 кДж/кг тепла подводится во время
процесс подвода тепла с постоянным объемом.
Аккуратно нарисуйте
давление-объем [ P-v ]
диаграмму для этого цикла и используя значения удельной теплоемкости воздуха при
типичная средняя температура цикла 900K определить:
а) температура
и давление воздуха в конце каждого процессаб) сеть
выход/цикл [кДж/кг] иc) тепловой КПД [η th ]
этого цикла двигателя.
Подход к решению:
Первый шаг — начертить P-v диаграмму
полный цикл, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем
что ни объем, ни масса не были предоставлены, поэтому диаграмма
и решение будет в терминах конкретных величин.
Будем считать, что топливно-воздушная смесь представлена
чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и
адиабатический процесс для воздуха:
Напомним из предыдущего раздела, что номинал
Значения удельной теплоемкости, использованные для воздуха при 300 К, равны С v = 0,717 кДж/кг·К, а k = 1,4.
Однако все они
функции температуры, а при чрезвычайно высокой температуре
диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить
существенные ошибки. В этой задаче мы используем типичный средний цикл
температура 900К взято из таблицы Конкретный
Теплоемкость воздуха .
Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы
определить температуру и давление в конце каждого процесса, т.к.
а также работу, выполненную и переданную теплоту в каждом процессе.
Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2
выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.
Мы делаем это ниже для проверки достоверности, однако мы находим это более
удобно использовать уравнение состояния идеального газа везде, где это возможно.
Любой метод является удовлетворительным.
Мы продолжаем последний процесс определения
тепло отклонено:
Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к
все четыре процесса, позволяющие нам использовать два альтернативных способа оценки
«чистая производительность за цикл» и тепловой КПД,
следующим образом:
Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости в течение
цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из
отношение удельных теплоемкостей k по следующей формуле:
где
r — степень сжатия
Быстрый тест: Использование тепла
и уравнения работы энергии, полученные выше, выведите это соотношение
Проблема 3.