Какой КПД электродвигателя? Как повысить эффективность электродвигателя?

Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.

Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.

Параметры КПД в электродвигателях

Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

В данной формуле p1 — это подведенная электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.

Снижение КПД

Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.

Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B — до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.

Средний КПД электрических двигателей

Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:

1. При холостом ходе КПД равен 0%.
2. При нагрузке 25% КПД равен 83%.
3. При нагрузке 50% КПД равен 87%.
4. При нагрузке 75% КПД равен 88%.
5. При нагрузке 100% КПД равен 87%.

Одна из причин падения коэффициента полезного действия — асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй — 403 В, а на третьей — 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.

Общие потери и падение КПД

Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее — на ротор.

Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.

Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.

Автомобильные двигатели

История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.

Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное — их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД — это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.

Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей — это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

Максимальный КПД электродвигателя

В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% — на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.

Возможен ли КПД свыше 100%?

Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.

Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя

Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.

Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция — это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Второй интересный источник — постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.

Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.

Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.

Заключение

КПД электродвигателя — это самый важный параметр, который определяет эффективность работы того или иного мотора. Чем выше КПД, тем лучше мотор. В двигателе с КПД 95% почти вся затрачиваемая энергия уходит на выполнение работы и только 5% расходуется не по нужде (например, на нагрев запчастей). Современные дизельные двигатели могут достигать значения КПД 45%, и это считается классным результатом. КПД бензиновых двигателей и того меньше.

3 Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс

1. Возможности повышения эффективного кпд поршневых двс

На экономичность двигателя оказывает воздействие большое количество факторов. В данном разделе мы рассмотрим лишь те из них, которые связаны с одним из наиболее ответственных элементов рабочего процесса двигателя – подводом теплоты в цикле. Именно он в основном и определяет пути совершенствования поршневого ДВС согласно требованиям, обозначенным в предыдущем разделе. В ДВС подвод тепла осуществляется, в основном путем сжигания углеводородных топлив в воздухе.

Эталоном совершенства тепловой машины, к которым относятся и поршневые двигатели внутреннего сгорания, является тепловая машина, в которой реализуется цикл Карно. Как известно, КПД этого цикла зависит от температуры горячего источника Т₁ и температуры холодильника Т₂:

.

Практическая реализация этого цикла затруднена, что объясняется целым рядом факторов, главными из которых являются:

1. Сложность осуществления изотермических подвода и отвода теплоты.

2. Современные конструкционные материалы имеют предел по температурному режиму, что ограничивает допустимую максимальную температуру цикла. Если учесть, что КПД цикла Карно максимально в сравнении с другими циклами лишь при условии одинаковых температурных диапазонов в цикле, то в реальных условиях при заданных материалах другие циклы могут иметь более высокую максимальную температуру вследствие значительно меньшего времени воздействия ее на стенки рабочей камеры.

Представляет интерес сравнение КПД цикла Карно с циклами, реализуемыми в современных поршневых ДВС. Условия сравнения должны быть следующими:

1. Так как в современных ДВС в качестве окислителя используется кислород атмосферы, то в циклах должна быть общая начальная точка цикла, соответствующая параметрам окружающей среды.

2. В связи с тем, что основной схемой двигателя является поршневой двигатель с жестким кривошипно – шатунным механизмом, необходимо сравнивать эти циклы при одинаковой степени сжатия.

Рис. 1.1. Термодинамические циклы поршневого ДВС: V_z – изохора минимального объема; V_a – изохора максимального объема; а – общая начальная точка циклов, соответствующая параметрам окружающей среды, с – точка конца сжатия для различных циклов; z – точка конца подвода теплоты для различных циклов

Если рассмотреть эти циклы в T-S координатах, то видно, что лишь при количестве тепла подведенном в цикле стремящемся к нулю, КПД цикла Карно и КПД с подводом теплоты при р = const становятся равными КПД цикла с изохорным подводом теплоты. Поэтому при указанных выше ограничениях более эффективен цикл с подводом тепла при постоянном объеме. Однако на практике, сокращать продолжительность меньше 40 – 50 градусов угла п.к.в. нецелесообразно ввиду сильного роста механической и тепловой нагрузки на двигатель. Таким образом, 40 – 50 град. является оптимальной продолжительностью сгорания.

Известно, что увеличение степени сжатия и показателя адиабаты рабочего тела приводит к однозначному росту термического КПД цикла. Для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме термический КПД определяется по формуле:

.

Ниже приведены примерные значения показателя адиабаты для идеального газа: одноатомного – 1,67; двухатомного – 1,4; трех- и многоатомного – 1,29. Отсюда, нетрудно вычислить прирост термического КПД при переходе рабочего тела от трехатомной структуры к двухатомной. К двухатомным молекулам принадлежат кислород и азот, к трехатомным – продукты полного сгорания – углекислый газ и вода. Таким образом, все мероприятия, которые направлены на сокращение коэффициента остаточных газов в рабочей камере будут приводить к росту КПД. Это означает, что с точки зрения термического КПД необходимо стремиться к повышению коэффициента наполнения на режимах близких к полной нагрузке и к обеднению смеси, а, следовательно, отказу от дросселирования на частичных нагрузках.

Характер изменения индикаторного и эффективного КПД в зависимости от степени сжатия и способа регулирования нагрузки более сложен. На рис. 1.2 представлены характерные зависимости эффективного КПД безнаддувного четырехтактного двигателя с качественным регулированием нагрузки от степени сжатия при различных нагрузках, полученные при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максимальному крутящему моменту. Продолжительность сгорания – 80 град. п.к.в. Видно, что повышение степени сжатия выше определенного значения приводит к падению эффективного КПД двигателя. Это обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, увеличением механических потерь (рис. 1.3), поскольку с повышением степени сжатия растет давление газов в цилиндре двигателя (рис.1.4). При увеличении коэффициента избытка воздуха относительная доля механических потерь возрастает, соответственно снижается значение степени сжатия, соответствующее максимальному эффективному КПД.

Во-вторых, повышение степени сжатия при неизменной продолжительности сгорания влечёт большее отклонение от изохорного подвода теплоты. Это легко понять, если ввести условную величину:

∆V_h – часть рабочего объёма двигателя, на которую распространяется процесс теплоподвода. При изохорном подводе теплоты (∆V_h=0) это выражение переходит в известное выражение для степени сжатия (расширения):

Отношение этих величин характеризует отклонение от изохорности подвода теплоты в зависимости от объема камеры сгорания:

Видно, что с уменьшением объема камеры сгорания, а, следовательно, с увеличением степени сжатия, отклонение от изохорности при постоянной продолжительности теплоподвода увеличивается. Как следствие, с повышением степени сжатия (при неизменной продолжительности сгорания) индикаторный КПД будет расти гораздо медленнее термического и, при определённых условиях, даже снижаться (рис. 1.3). По этой же причине практически не увеличиваются максимальные значения температуры цикла (рис. 1.4). При меньшей продолжительности сгорания рост индикаторного КПД будет продолжаться до более высоких значений степени сжатия.

Таким образом, варьирование степени сжатия в диапазоне от 12,5 до 20 практически не влияет на эффективный КПД двигателя на полной нагрузке. Если учесть, что большинство транспортных двигателей эксплуатируется на частичных режимах (меньше половины максимальной мощности) до 50 – 70% общего времени, а на режимах холостого хода до 40%, то можно констатировать, что снижение степени сжатия до значений 12,5 — 15 не повлечёт ухудшения экономичности. При этом уровень нагрузок на элементы двигателя (рис. 1.4) значительно уменьшится (до 30%).

К тому же высокие степени сжатия приводят к необходимости увеличения массы и габаритов двигателя, что в условиях применения его в автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода топлива, а также – к перерасходу материалов и энергии при производстве, как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются.

Рис.1.2. Зависимость эффективного КПД от степени сжатия при различных нагрузках

Рис.1.3. Зависимость механического (h_m) и индикаторного (h_i) КПД от степени сжатия при различных нагрузках

Рис. 1.4. Зависимости максимального давления и максимальной температуры цикла от степени сжатия.

На рис. 1.5 представлены характерные зависимости показателей четырехтактного двигателя от коэффициента избытка воздуха, полученные на режиме близком к холостому ходу (обороты двигателя n = 1000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны). Рост эффективной мощности четырехтактного двигателя с увеличением коэффициента избытка воздуха объясняется ростом индикаторного КПД, а соответственно и индикаторной мощности, и снижением насосных потерь. В расчетах мощность насосных потерь включена в индикаторную мощность. Поэтому кривая 2 есть результат суммирования их влияний. Мощность механических потерь состоит только из потерь на трение. Увеличение с ростом коэффициента избытка воздуха индикаторного КПД является следствием относительного уменьшения количества продуктов сгорания, содержащих в основном трехатомные компоненты, которые обладают более высокой теплоемкостью.

На рис. 1.6 представлены зависимости показателей двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой от коэффициента избытка воздуха, полученные на режиме, близком к холостому ходу (обороты двигателя n = 2000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны). Зависимость 2 на этом рисунке представляет собой, как и в случае с четырехтактным двигателем индикаторную мощность за вычетом мощности, затрачиваемой на насосные ходы двигателя. Поэтому мощность механических потерь определяется только потерями на трение.

Рис.1.5. Распределение мощностей при работе двигателя на режиме близком к холостому ходу: 1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная мощность; 3 – мощность механических потерь; 4 – мощность насосных потерь двигателя

В случае двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой рост индикаторной мощности с увеличением коэффициента избытка воздуха практически компенсируется соответствующим ростом насосных потерь, что наряду с увеличением мощности механических потерь приводит к тому, что эффективная мощность изменяется меньше, чем в четырехтактном ДВС. Следовательно, менее значительно будет меняться и расход топлива.

Дросселирование на впуске вызывает рост относительного количества остаточных газов. Разбавление смеси остаточными газами может создать в цилиндре двигателя такие условия, когда воспламенение смеси или вообще прекращается, или сгорание развивается вяло. Отсюда вытекает необходимость обогащения смеси по мере дросселирования, поскольку максимумы скоростей воспламенения и распространения пламени лежат в области богатых смесей. Это приводит к выбросу в атмосферу продуктов неполного сгорания и перерасходу топлива. Поэтому, на практике, при переходе с количественного регулирования нагрузки двухтактного ДВС на качественное, выигрыш в топливной экономичности, видимо, будет более значительным.

Рис. 1.6. Зависимости показателей двигателя от коэффициента
избытка воздуха; режим, близкий к холостому ходу:
1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная мощность; 3 – мощность механических потерь; 4 – мощность насосных потерь двигателя

Таким образом, как для двухтактных, так и четырехтактных двигателей в безнаддувном исполнении для повышения эффективного КПД необходимо, чтобы рабочий процесс позволял реализовать следующие основные требования:

1. Подвод теплоты в цикле, близкий к изохорному (40 – 50 град.пкв).

2. Отсутствие ограничений по степени сжатия (оптимальная находится в диапазоне 12 – 15).

3. Качественное регулирование – работа в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха (1 – 6).

4. Учитывая, что двигатели находятся в составе автомобилей, экономичность которых также зависит от массы и размеров, необходимо добавить требование высокой удельной мощности, которая зависит и от частоты вращения. Как показала практика, достаточным диапазоном эксплуатации по целому ряду причин является диапазон, реализованный в современных двигателях с искровым воспламенением.

Необходимо упомянуть еще об одном требовании к рабочему процессу поршневого ДВС, которое, по всей видимости, в будущем может стать определяющим.

Массовое использование ископаемых источников сырья для производства моторных топлив привело к истощению углеводородных ресурсов. В свете надвигающегося глобального топливного кризиса многие ведущие научно-исследовательские организации и предприятия энергетической отрасли мира ведут широкомасштабные исследования по предотвращению его возможных негативных последствий. Анализ современных подходов позволил выделить два лидирующих направления в этом вопросе:

1. Увеличение энергоэффективности использования ископаемых топливных ресурсов

2. Замена современных товарных топлив на возобновляемые альтернативные топлива.

В современных условиях вопрос увеличения эффективности производства механической энергии не может быть решён без рассмотрения полного цикла производства и потребления топлива, что может быть описано системой «перерабатывающий завод – топливо – двигатель». С такой позиции можно установить взаимосвязь между эффективностью производства топлива и эффективностью его сжигания в традиционном поршневом ДВС. Так, например, увеличение коэффициента полезного действия бензинового двигателя обеспечивается за счёт повышения степени сжатия, что, в свою очередь, требует увеличения детонационной стойкости топлива, и, следовательно, существенное увеличение энергозатрат, усложнение производства и увеличение стоимости топлива.

Принципиальным решением этого вопроса могло бы стать использование нефтяных топлив широкого фракционного состава, что, по оценкам специалистов, должно значительно повысить эффективность переработки сырья за счёт отказа от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к перерабатывающему оборудованию и экономии углеводородного сырья. Однако, традиционные типы поршневых двигателей не способны функционировать на таком топливе.

Осуществление второго пункта также имеет некоторые особенности. По данным ведущих двигателестроительных фирм мира, одним из наиболее предпочтительных альтернативных топлив, способным частично, а в перспективе и полностью, заменить традиционные нефтяные топлива, являются спирты, произведенные из лигноцеллюлозного сырья, в том числе биоэтанол. Объясняется это практически неисчерпаемой сырьевой базой (при производстве из органического сырья и отходов), простотой производства и хранения.

Тем не менее, как и в случае с традиционными топливами, анализ системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» даёт более полное представление о перспективах внедрения этанола. В традиционных поршневых двигателях можно использовать только обезвоженный этанол (содержание воды менее 1%) ввиду необходимости добавления бензина, что объясняется низкой испаряемостью и, как следствие низкими пусковыми свойствами этанола. При этом производство обезвоженного этанола значительно дороже обводненного – примерно в полтора-два раза. И если для производства обезвоженного этанола требуется специальное высокоорганизованное производство, то обводненный этанол можно производить, в том числе, и в условиях крупного сельскохозяйственного предприятия из отходов обычных посевных культур, без высоких требований к квалификации обслуживающего персонала.

В то же время, добавление в рабочую камеру двигателя воды является наиболее перспективным способом понижения токсичности отработавших газов. Этанол является наилучшим топливом, с точки зрения добавления воды, поскольку он образует с водой устойчивые смеси, а с товарными топливами вода не смешивается. Применение обводнённого этанола в качестве топлива для поршневого ДВС позволило бы одновременно радикально улучшить экологические характеристики двигателя, решить проблемы исчерпания источников углеводородного сырья и роста количества парниковых газов в атмосфере. Тем не менее, как уже отмечалось выше, воспламенять и сжигать обводнённый этанол в традиционных поршневых двигателях не представляется возможным.

Таким образом, как в случае с нефтяными топливами, так и в случае с альтернативными топливами производители вынуждены идти на компромисс между эффективностью производства топлива и эффективностью двигателя, функционирующего на этом топливе.

Обобщая вышесказанное, необходимо ещё раз отметить, что в современных условиях вопрос увеличения КПД производства механической энергии не может быть решён без рассмотрения полного цикла производства и потребления топлива. Анализ системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» показывает, что существенного результата в этом вопросе можно добиться, если обеспечить эффективную работу поршневого двигателя внутреннего сгорания на дешёвых и простых в изготовлении видах топлива.

Таким образом, еще одним требованием к рабочему процессу является возможность работы:

1. на любых современных товарных топливах (от дизельного топлива до высокооктановых бензинов;

2. на водных растворах этанола.

Рабочий процесс, реализующий все эти требования, обеспечит широкое применение нефтяных топлив широкого фракционного состава и водных растворов этанола в качестве моторного топлива и, одновременно, объединит лучшие качества дизелей и бензиновых двигателей. Широкое внедрение двигателя с таким рабочим процессом позволит добиться существенного повышения эффективности производства топлив без ухудшения эффективности самого двигателя, что означает повышение энергоэффективности всей системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель». С экономической точки зрения необходимо также, чтобы рабочий процесс реализовывался на базе традиционного поршневого ДВС, т.е. имелась возможность конвертирования традиционных поршневых двигателей (в том числе уже эксплуатируемых).

Традиционные бензиновые двигатели имеют к моменту воспламенения уже подготовленную, близкую к однородной, смесь. Это условие налагает два ограничения:

1. по максимальной (вблизи 10) степени сжатия, т.к. в однородных смесях при повышенных степенях сжатия возникает детонация,

2. по максимальному обеднению топливовоздушной смеси, т.к. в однородных смесях бедный концентрационный предел искрового воспламенения близок к составу с a » 1.

Эти же ограничения практически исключают возможность реализации работы на низкооктановых топливах. С другой стороны однородная стехиометрическая смесь, в сочетании с искровым воспламенением позволяют реализовать высокую удельную мощность.

Дизели имеют к моменту самовоспламенения неоднородную смесь, что позволяет реализовать качественное регулирование и бездетонационное сгорание. Однако снижение степени сжатия в быстроходных безнаддувных модификациях до вышеуказанного оптимального диапазона приводит к ухудшению процессов воспламенения и сгорания (будет рассмотрено в последующих разделах).

Дизели позволяют осуществить многотопливный цикл при высоких степенях сжатия (более 20). Повышенные значения максимального давления и жесткости сгорания цикла при высоких степенях сжатия определяют высокие нагрузки на детали цилиндропоршневой группы, что приводит к увеличению механических потерь и требует более прочной конструкции двигателя. При использовании топлив с низкими цетановыми числами (например, бензинов) указанные явления усиливаются, поэтому время работы дизеля на резервных топливах по техническим условиям не превышает 10% от общего ресурса двигателя. Снижение степени сжатия в дизелях до уровня 12 – 15 позволило бы снизить массу и габариты двигателя без увеличения расхода топлива. Однако в традиционном дизеле снижение степени сжатия менее 15 приводит к ухудшению смесеобразования, воспламенения и сгорания.

В связи с ограничениями по максимальной частоте вращения и минимальному значению коэффициента избытка воздуха дизели имеют низкую, относительно поршневых ДВС с искровым воспламенением, литровую мощность. Вес и габариты дизеля из-за высоких степеней сжатия достаточно большие. Соответственно, остается относительно низкой удельная мощность, что в условиях применения его в автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода топлива, а также приводит к перерасходу материалов и энергии при производстве, как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются.

Решение вышеперечисленных задач выдвигает ряд проблем смесеобразования, воспламенения и сгорания, которые необходимо разрешить в целях достижения высоких экологических и экономических показателей как двигателя, так и системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» в целом.

Вопросы для самоконтроля

1. Цикл Карно. Причины отсутствия практической реализации цикла Карно.

2. Обоснуйте преимущества цикла двигателя с изохорным подводом теплоты. При каких условиях они справедливы. Причины необходимости увеличения продолжительности теплоподвода до 40 –50 град. угла пкв.

3. Каково влияние продолжительности теплоподвода на КПД? Как влияет на КПД величина теплоподвода?

4. Объясните причины влияния свойств рабочего тела на КПД двигателя.

5. Назовите способы регулирования мощности в поршневых ДВС, их суть. В каких типах поршневых двигателей они применяются?

6. Охарактеризуйте поведение индикаторного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, скоростной режим двигателя?

7. Как изменяется зависимость индикаторного КПД от степени сжатия при различных нагрузках. Влияет ли способ регулирования мощности на их протекание?

8. Охарактеризуйте поведение эффективного КПД в зависимости от степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, нагрузка, способ регулирования, скоростной режим двигателя?

9. Объясните причины влияния способа регулирования мощности на эффективный КПД двигателя. Влияет ли способ регулирования мощности на КПД при полной нагрузке?

10. Охарактеризуйте зависимость степени сжатия, соответствующей максимальному эффективному КПД, от нагрузки при качественном регулировании мощности.