Что такое КПД двигателя

про моторы, коробки, мосты... и сердца. Или что у них есть ещё там?
Учиться никогда не поздно - теоретический раздел

Модераторы: Black, Boris Leibman, genkor

Lew
Сообщения: 333
Зарегистрирован: Чт сен 24, 2009 5:45
Откуда: lдер. Ивановское

Что такое КПД двигателя

Непрочитанное сообщение Lew »

Мне сильно импонирует интерес к науке и технике, проявляемый многими участниками данной конференции. Поэтому я решил выложить в форуме свою очередную научно-популярную статью, ибо такой материал никогда не возьмет в печать ни один российский журнал. А показать его людям все же хочется. Поэтому пусть шагает в жизнь из этого места широкого виртуального пространства.




Если я сегодня не узнал ничего нового,
то уже завтра я начинаю волноваться.

Айртон Сенна



Что такое КПД двигателя




При написании научно-популярных статей авторы нередко используют фразу «КПД двигателя», например пишут: «КПД этого замечательного двигателя составляет 34%».
При этом нередко читатель, да и сам автор статьи, недостаточно хорошо представляют, а что означает эта цифра, и что же в этом такого замечательного? Мало того, большинство уверены, что эта цифра у ДВС постоянна и никогда не изменяется. Т.е. раз написано 34%, то при всех режимах работы двигателя это значение так и останется неизменным.
Думаю многим будет любопытно узнать, что в теории ДВС принято рассматривать аж пять разичных КПД двигателя. Поэтому при упоминании о КПД нужно обязательно уточнять, какой именно из пяти имеющихся указывается.
Расскажу кратко и несколько упрощенно о каждом из них.
Как известно, любой КПД дает представление о том, какая часть энергии теряется в механизме при его работе. ДВС очень сложный механизм (тепловая машина), в котором в результате сгорания топлива (рабочей смеси) высвобождается тепловая энергия и образуются газы, стремящиеся расшириться и занять больший объем. Для осуществления данной задачи газы толкают поршень от ВМТ к НМТ, за счет чего совершается работа и на коленчатом валу возникает крутящий момент Ме.
Итак, начнем по порядку.

Термический КПД
Так называется КПД некоего воображаемого идеального двигателя, где все потери энергии (тепла) обусловлены лишь осуществлением термодинамического цикла, что согласно законам термодинамики обязательно должно сопровождаться отводом (потерей) части теплоты. Поэтому иногда такой КПД называют термодинамическим.
Данный КПД есть некий идеал, недостижимый пик на горной вершине, к которому, тем не менее, должен карабкаться каждый конструктор. Термический КПД идеального поршневого ДВС зависит исключительно от степени сжатия СЖ. Например, согласно подсчетам английского конструктора профессора Г. Рикардо при рабочем процессе воображаемого поршневого ДВС со СЖ=10 термический КПД составит около 60% (0,6). Таким образом даже в идеальном двигателе потери 40% тепла (энергии) являются принципиально неустранимыми и должны отводиться в окружающую среду. При снижении СЖ эти потери возрастают.

Индикаторный КПД
В действительном воплощенном в металле ДВС к вышеуказанным обязательным потерям теплоты дополнительно добавляется значительная доля её потерь, обусловленная техническим несовершенством мотора.
В результате возникает КПД, называемый индикаторным, представляющий собой отношение теплоты, преобразованной в индикаторную работу (совершаемую газами в цилиндре), к общему количеству теплоты, выделившейся при сгорании топлива.
Название это возникло от старинного измерительного прибора родом из XIX века - индикатора, предназначенного для снятия индикаторных диаграмм, представляющих собой геометрические фигуры сложной формы, при измерении общей площади которых можно рассчитать количество работы, совершаемой газами в цилиндре за 1 цикл.
Работа, совершаемая газами в цилиндрах ДВС за 1 сек называется индикаторной мощностью Ni. Часть этой мощности сначала расходуется на преодоление внутренних потерь в двигателе (механические потери), а что остается — идет на полезную работу по движению автомобиля.
Индикаторный КПД не постоянен, и может изменяться в достаточно широком диапазоне от максимально возможного, обычно возникающего при средних нагрузках, до минимально возможного (около 0,25...0,27) при малых нагрузках и на холостом ходу ХХ.
Максимальный индикаторный КПД современных бензиновых двигателей без наддува (по оценкам некоторых исследователей) составляет 0,3...0,4 (у ДВС с высокой СЖ КПД может быть выше).
Из чего следует, что к принципиально неустранимым потерям теплоты, неизбежным при совершении термодинамического цикла, в реальном ДВС добавляется еще 20...30% принципиально устранимых, и в итоге даже в самом наилучшем случае 60...70% тепла, полученного в результате сгорания топлива в двигателе, бездумно выпускается в атмосферу Земли.

Относительный КПД
Представляет собой отношение индикаторного КПД к термическому КПД и характеризует уменьшение степени использования теплоты в действительном цикле по сравнению с термодинамическим (степень совершенства действительного цикла).


Механический КПД
При работе ДВС возникают различные механические потери, наибольшие из которых вызваны трением поршневых колец, поршня и подшипников коленвала. Также немаловажно влияние потерь механизма газораспределения, где превалируют так называемые «насосные потери» - потери при всасывании смеси в цилиндр и выталкивании остаточных газов. Наибольшие потери на всасывание возникают при работе двигателя на малых нагрузках (на прикрытом дросселе). К механическим также относят потери на привод вспомогательных агрегатов ДВС.
На преодоление указанных сопротивлений расходуется часть индикаторной мощности Ni, и для удобства расчетов в теории ДВС расход мощности на потери в двигателе называют мощность механических потерь Nм.
О механическом КПД нагляднее всего дает представление следующая формула:
Мех. КПД = 1 - (Nм / Ni) (1)
Из этой формулы очевидно, что механический КПД достаточно условное понятие, и его значение может изменяться в очень широком диапазоне.
Например, при работе ДВС на холостом ходу (ХХ) Ni= Nм, следовательно механический КПД=0.
Если к маховику приложено какое-то минимальное сопротивление, необходимое для передачи усилия, необходимого для движения машины, например такое, чтобы на нем возник Ме около 15 Нм, то механический КПД будет уже больше 0, но тем не менее весьма незначителен, т.к. в таком режиме Ni будет лишь ненамного больше Nм.
И лишь при больших нагрузках, когда в двигателе начнет развиваться существенная индикаторная мощность, большая часть которой будет расходоваться для осуществления полезной работы, и он выйдет на обороты, примерно соответствующие максимальному крутящему моменту, механический КПД достигнет своего максимального значения, которое по некоторым оценкам у современных бензиновых ДВС без наддува составляет 0,75...0,85.
При снижении нагрузки (уменьшении среднего эффективного давления в цилиндре) менее чем 25% механический КПД стремительно снижается и стремится к нулю.


Эффективный КПД
Этот КПД в старинных изданиях называли словом «экономический». И вовсе неспроста, так как покупателя мотора мало интересовали происходящие в нем процессы и все эти мудреные КПД. Ему нужно было знать сколько мотор израсходует топлива на производство определенного объема работы, выраженного в лошадиных силах. Например, сколько потребуется топлива для вращения станка в течении часа его работы.
Для этого и ввели эффективный КПД, дающий представление о том, какая часть теплоты (энергии) выделившейся при сгорании определенной массы бензина превращается в полезную работу. Его значение равно произведению индикаторного и механического КПД.
Из чего следует, что эффективный КПД автомобильного двигателя еще более непостоянный показатель, чем механический КПД, ибо зависит от большого числа быстро изменяющихся факторов.
Например, при работе ДВС на ХХ эффективный КПД (также, как и механический) равен нулю, поскольку в данном режиме мотор полезную (эффективную) работу не совершает.
И он становится больше 0 лишь когда на маховике возникнет какой-то Ме и автомобиль стронется с места. И далее по мере увеличения нагрузки КПД растет от 0 до своего максимального значения. И становится наибольшим при работе мотора по внешней скоростной характеристике, т.е. при полной подаче топлива (полностью открытой дроссельной заслонке). Максимальный КПД обычно достигается в интервале между оборотами, соответствующими максимальному Ме и максимальной эффективной мощности Nе, и у современных бензиновых ДВС он составляет примерно 0,25...0,35.
Из этих цифр следует, что даже в самом благоприятном случае на движение автомобиля расходуется лишь 25...35% энергии, полученной при сгорании бензина.
Чтобы люди могли лучше оценить экономику ДВС, еще в позапрошлом веке конструкторы ввели понятие удельный эффективный расход топлива.
Он измеряется в граммах бензина, расходуемого на развитие эффективной мощности в 1 л.с. за 1 час работы мотора — г/ э. л. с.-ч.
Допустим, на развитие 1 л.с. в продолжении одного часа работы мотору потребуется 200 г бензина. Тогда его удельный эффективный расход составит 200 г/э.л.с.-ч (в системе СИ расход обозначается г / э. квт-ч)
Удельный эффективный расход топлива обратно пропорционален эффективному КПД ДВС — чем больше последний, тем меньше первый (и наоборот).
Отсюда следует, что когда ДВС работает на ХХ, удельный эффективный расход топлива будет равен плюс бесконечность, так как в таком режиме эффективный КПД=0. Если мотор работает с очень малой нагрузкой, то эффективный КПД ничтожно мал, а удельный расход топлива будет очень велик.
И лишь когда ДВС работает при нагрузке, составляющей примерно 85...90% от максимальной, эффективный КПД достигает своего максимального значения, а эффективный удельный расход топлива снижается до своего минимума.
По данным чешского автоинженера Ю. Мацкерле при движении автомобиля в условиях города (трафик середины 80-х г.г. прошлого века) на развитие эффективной мощности в среднем используется лишь 12% от энергии, полученной в результате сгорания топлива. Что соответствует эффективному КПД=0,12. А удельный расход топлива при таком низком КПД составит примерно 506 г/э.л.с.-ч или 688 г/кВт-ч. Это усредненный расход, поскольку, как говорилось выше, при снижении нагрузки удельный расход топлива будет стремиться к бесконечности, а при разгоне автомобиля с использованием примерно 85...90% мощности ДВС (что для города не характерно) будет достигать минимума, например, при эффективном КПД ДВС=0,35 составит примерно 174 г/э.л.с.-ч. Т.е. он будет постоянно изменяться, возрастая от 174 г/э.л.с.-ч до плюс бесконечности.
Но при современном городском трафике с весьма малыми средними скоростями движения мотор машины работает в крайне невыгодном режиме малых нагрузок, и эффективный КПД будет мал, а удельный расход топлива велик. Что может увидеть каждый городской водитель при взгляде на борткомпьютер, показывающий расход бензина. Катастрофический рост путевого расхода топлива сдерживает лишь то, что для перемещения автомобиля с небольшой скоростью вполне достаточно одной лошадиной силы, и увеличение расхода обусловлено лишь необходимостью частых разгонов, на что требуется относительно большая мощность.
Ниже приводится график, отражающий динамику изменения удельного эффективного расхода топлива первого советского мотора АМО Ф-15 при различных нагрузках.

Изображение

Как видите, наиболее экономичный режим работы данного ДВС соответствует нагрузкам 80...90%, а при уменьшении нагрузки более 50% кривые начинают резко уходить вверх. А расход топлива при 30% мощности становится практически в 2 раза больше, чем при 80%.
Такая же закономерность была выявлена при работе советского двигателя ГАЗ-ММ во время испытаний, проведенных в 1946 г. (см. рисунок ниже).

Изображение

На первый взгляд кажется, что факт резкого увеличения удельного расхода топлива при малых нагрузках противоречит банальной логике. Ибо та подсказывает, что чем меньше выполняемая работа (развиваемая мотором мощность), тем меньше расход топлива. Однако при рассмотрении рабочих процессов ДВС логика не самый лучший советчик. Расход то не путевой, а удельный эффективный. А он (как ранее указывалось) обратно пропорционален эффективному КПД.
При работе на малых нагрузках из-за прикрытия дроссельной заслонки резко увеличиваются потери при всасывании смеси в цилиндры — растет мощность механических потерь.
Время протекания процессов сгорания и расширения в цикле увеличивается, что увеличивает отдачу тепла в стенки цилиндра — возникают дополнительные потери тепла, снижается индикаторный КПД. Вследствие снижения цикловой массы вводимого в цилиндры бензина снижается индикаторная мощность, что, согласно формуле (1), вызывает снижение механического КПД. Попутно это сопровождается утечкой части газов из цилиндров в картер, так как при снижении давления снижаются силы, прижимающие кольца к стенкам цилиндров.
При снижении нагрузки приходится обогащать состав смеси, а это расход «лишнего» бензина. Мало того, современный ДВС при малых нагрузках и ХХ вынужденно работает на несколько обогащенной смеси, что необходимо для поддержания рабочей температуры катализатора.
Но основной причиной увеличения удельного расхода бензина на малых нагрузках является существенное снижение средней индикаторной мощности Ni (из-за снижения цикловой подачи топлива), и небольшое увеличение мощности механических потерь Nм. Что влечет за собой сильное снижение механического КПД, ибо как ранее указывалось, мех. КПД = 1 - (Nм / Ni).
Ниже приведен график, показывающий динамику изменения величины механического КПД в зависимости от нагрузки (среднего эффективного давления).

Изображение

А поскольку эффективный КПД равен произведению индикаторного КПД на механический КПД, то нетрудно догадаться, что на малых нагрузках эффективный КПД будет весьма мал, что вызовет увеличение удельного эффективного расхода бензина.
Данная особенность резкого увеличения удельного расхода топлива при уменьшении используемой мощности свойственна всем современным автомобильным моторам, ибо рабочий процесс поршневого ДВС с годами особо не изменился, и остаются в силе все те же закономерности, что действовали и 100 лет назад. Поэтому конструкторы, прекрасно зная данный факт, предпринимают меры, чтобы при движении автомобиля на шоссе его двигатель был как можно сильнее нагружен (использовал большее количество потенциальной мощности) и выходил в экономичный режим, соответствующий низкому удельному расходу топлива. Для этого в современных КПП предусматривается несколько повышающих передач с числом менее 1. Поэтому в загородном цикле современные машины, двигаясь с оптимальной скоростью (примерно соответствующей максимально разрешенной), показывают хорошую топливную экономичность.
А в условиях современного отечественного мегаполиса с его постоянными пробками их путевой расход увеличивается чуть ли не в 3 раза, и у некоторых даже становится намного больше, чем расход автомобиля Форд А образца 20-х г.г. прошлого столетия, который при испытаниях, проведенных в СССР, показал максимальный путевой расход 15,6 кг на 100 км., а минимальный — 4,3 кг на 100 км. Неплохой результат для ДВС со СЖ 4,3 и объемом 3,28 л.
В итоге можно отметить, что за прошедшие без малого 100 лет особенности рабочего процесса бензиновых автомобильных ДВС не сильно изменились. И основным фактором, влияющим на расход топлива современными автомобилями в условном ездовом цикле «5 дней в городе — выходные на даче», является не степень технического совершенства их двигателей, а условия эксплуатации. И при наличии в трансмиссии гидротрансформатора эти условия становятся еще более неблагоприятными.
Но об этом, пожалуй, в следующий раз.
Автор выражает надежду, что по прочтении этой несколько нудной статьи каждый откроет для себя что-то новое и иными глазами посмотрит на эту старую добрую архаичную несовершенную тепловую машину, имя которой автомобильный двигатель.


Лев Тюрин

Новогорск, октябрь 2013


При подготовке материала использовалась следующая основная литература:
Белов П.М., Бурячко Р.В., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Военное издательство Министерства Обороны СССР, М., 1971.
Мацкерле, Ю. Современный экономичный автомобиль. М., Машиностроение, 1987.
Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. М, ИД «ФОРУМ» - ИНФА-М, 2007.
Яковлев Н.А. Теория автомобиля. Государственное научно-техническое издательство по машиностроению и металлообработке. М, 1933.
Аватара пользователя
genkor
Модератор
Сообщения: 16671
Зарегистрирован: Пн ноя 26, 2007 22:33
Откуда: Kiryat-Ono
Контактная информация:

Непрочитанное сообщение genkor »

Лёв, как всегда :thumbup:
If you work for a living, why do you kill yourself working?
Lew
Сообщения: 333
Зарегистрирован: Чт сен 24, 2009 5:45
Откуда: lдер. Ивановское

Непрочитанное сообщение Lew »

Если кто обнаружит неточности - поправляйте, не стесняйтесь.
Аватара пользователя
Дани
Сообщения: 7724
Зарегистрирован: Пн июн 06, 2011 10:54
Откуда: Лод Диско 2 все есть

Непрочитанное сообщение Дани »

Lew
:thumbup: Наглядно и достаточно понятно даже для неподкованной публики :yes:
Изображение
Lew
Сообщения: 333
Зарегистрирован: Чт сен 24, 2009 5:45
Откуда: lдер. Ивановское

Непрочитанное сообщение Lew »

При снижении нагрузки (уменьшении среднего эффективного давления в цилиндре) менее чем 25% механический КПД стремительно снижается и стремится к нулю.
менее чем 25% от максимальной
Жаль, что теперь форум не дает возможность редактирования текста. Не всегда быстро замечаешь неточности
Аватара пользователя
genkor
Модератор
Сообщения: 16671
Зарегистрирован: Пн ноя 26, 2007 22:33
Откуда: Kiryat-Ono
Контактная информация:

Непрочитанное сообщение genkor »

Lew писал(а):
При снижении нагрузки (уменьшении среднего эффективного давления в цилиндре) менее чем 25% механический КПД стремительно снижается и стремится к нулю.
менее чем 25% от максимальной
Жаль, что теперь форум не дает возможность редактирования текста. Не всегда быстро замечаешь неточности
Напиши точно предложение и я заменю. :yes:
If you work for a living, why do you kill yourself working?
Аватара пользователя
pogarnik
Сообщения: 1332
Зарегистрирован: Сб дек 15, 2012 9:10
Откуда: Ашкелон

Непрочитанное сообщение pogarnik »

ТС - статью можно "украсть" на другой ресурс???
Индеец 3.7, Лимитед) - был -(((
Х6 - сейчас
Аватара пользователя
Strannik
Основатель форума Сусанин
Сообщения: 27207
Зарегистрирован: Пн окт 22, 2007 14:38

Непрочитанное сообщение Strannik »

Lew писал(а): И основным фактором, влияющим на расход топлива современными автомобилями в условном ездовом цикле «5 дней в городе — выходные на даче», является не степень технического совершенства их двигателей, а ...
совершенство комьпютерной логики.
Как пример, у современых автомобилей при езде накатом на спуск крайне не рекомендуется переводить ручку в нейтральное положение, т.к. расход резко увеличивается.
Если же коробка остаётся на передаче, то расход по расходометру практически равен нулю.

P.S.Интересная статья, спасибо что у нас :thumbup:
Нас невозможно сбить с пути - нам пофигу куда идти
____________________________________________
LR Defender 110 TDI300
Lew
Сообщения: 333
Зарегистрирован: Чт сен 24, 2009 5:45
Откуда: lдер. Ивановское

Непрочитанное сообщение Lew »

Если же коробка остаётся на передаче, то расход по расходометру практически равен нулю.
Не практически - фактически. Если при вкл. передаче МКПП акселератор полностью отпущен (режим принудительного ХХ), ЭБУ прекращает подачу топлива.
Можно так экономить, например вкл. 5 пер. и катиться с горки.
Соответственно если вкл. нейтраль - ЭБУ обеспечивает работу мотора на ХХ, т.е. топливо сгорает.
Расход на ХХ примерно 0,7...1 л. в час (в зависимости от объема мотора).
Интересная статья, спасибо что у нас
А где еще найдешь в наше время адекватных читателей? :)
Чаще всего люди на форумах сразу начинают с критики автора и его материала, при этом даже не поняв и трети из написанного :D
Самая яркая черта наших дней - обострение амбиций при низком уровне собственной технической культуры
stingrey
Сообщения: 3755
Зарегистрирован: Ср янв 23, 2008 21:48

Непрочитанное сообщение stingrey »

интересная статья..Lew-а есть ли зависимость падения компрессии и падение мощности?
:beer:
stingrey
Сообщения: 3755
Зарегистрирован: Ср янв 23, 2008 21:48

Непрочитанное сообщение stingrey »

насчет того что расход не изменился за сто лет-не знаю.но что выброс вредных веществ снизили в сотни раз это точно.Причем как на бензине так и на дизеле :shuffle:
Ответить