какой двигатель наиболее эффективный? – Богдан-Авто
Post Views: 21 780
Поделиться
- Share on Facebook
- Tweet
- Share on Google+
- Send email
В настоящее время существует большое количество двигателей и альтернативных приводов. Предложение различных моторных решений для автомобилей часто вызывает у клиентов вопрос: какой же двигатель работает наиболее эффективно? Эксперты издания futurezone.de пришли к выводу, что самым высоким коэффициентом полезного действия (КПД) обладает электродвигатель. Для «зеленого» привода он составляет до 99%, а это означает, что 99% вырабатываемой электрической энергии преобразовывается в кинетическую энергию движения. Сегодня мы рассмотрим, чем отличаются наиболее известные типы двигателей и сравним их преимущества и недостатки.
Электро
Интересно, что принцип работы электродвигателя был открыт еще в 1830-х годах, за несколько десятилетий до появления двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, которые работают на постоянном или переменном токе. В качестве топлива используется электричество, которое обеспечивает бортовая аккумуляторная батарея. Сегодня в основном применяются литий-ионные аккумуляторы благодаря хорошим характеристикам и длительному сроку службы. Несмотря на то, что многие модели электромобилей обладают пока еще низким запасом хода, а для зарядки потребуется в общей сложности несколько часов, электродвигатели обладают явными преимуществами. Во-первых, они не загрязняют окружающую среду, так как выбросы равны нулю. Во-вторых, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, электромотор имеет меньше деталей, которые подлежат износу, а это означает, что Вас ожидает меньше расходов на ремонт и обслуживание. В дополнение к этому, электромотор предлагает отличную динамику, так как максимальный крутящий момент уже доступен на низких оборотах двигателя.
Водород
С точки зрения эксплуатационных характеристик, близкими по духу чистым электромобилям являются электромобили на водородных двигателях. Данный тип привода использует топливный элемент для производства электроэнергии из газообразного водорода и кислорода. При этом из выхлопной трубы выделяется только вода. Помимо экологического аспекта, водородный двигатель имеет практические преимущества по сравнению с электромотором. Автомобили на водороде быстро заправляются и не нуждаются в длительной зарядке, а также обладают более широким запасом хода при меньшем весе по сравнению с электромобилями, оснащенными тяжелыми аккумуляторными батареями.
Гибрид
Менее эффективными, чем электродвигатели, но более экономичными по сравнению с двигателями внутреннего сгорания являются гибриды. В автомобилях с гибридным приводом применяются как двигатели внутреннего сгорания, так и электромоторы, что позволяет использовать преимущества обеих систем. В таких моделях аккумулятор для электродвигателя обычно заряжается во время движения от двигателя внутреннего сгорания или от восстановления энергии торможения.
Более низкий расход топлива обеспечивается в основном при движении в городе, так как в большинстве случаев система автоматически переключается на электропривод при низких скоростях, таких как остановка и движение в пробках. Во время путешествий на дальние расстояния гибридные приводы практически не экономят топливо. При этом гибриды стоят на порядок выше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
Газ
Если сравнивать линейку классических двигателей внутреннего сгорания, то Вашим фаворитом легко может стать газ. Во-первых, двигатель, работающий на природном газе, более экологически чистый, чем бензиновый или дизельный мотор. Сжигание природного газа, который в принципе состоит из метана, является относительно чистым, а это означает, что при этом не образуется сажа и значительно снижается количество других загрязняющих веществ. Во-вторых, двигатель, работающий на газе, до 10% более эффективный, чем бензиновый. Помимо этого, цена на газ существенно ниже по сравнению со стоимостью бензина или дизельного топлива.
Но при всех плюсах Вы должны учитывать, что за авто на газе Вам придется заплатить дополнительные тысячи евро, и к тому же газ предлагается не на каждой АЗС.
Дизель
Выбирая дизельный двигатель, клиенты сознательно платят более высокую стоимость за автомобиль с целью сэкономить в будущем на затратах на топливо, так как главный плюс дизеля – это более низкий расход топлива. В дизельных моторах воздух всасывается в камеру цилиндра, где он смешивается с дизельным топливом путем прямого впрыска. Дизельно-воздушная смесь воспламеняется самостоятельно, поэтому дизельный двигатель не нуждается в свечах зажигания. При этом давление сжатия составляет от 30 до 50 бар, а температура на 700-900 градусов Цельсия выше, чем у бензинового двигателя. Учитывая данные значения, дизель должен иметь более устойчивую конструкцию и соответственно больше весить. Тем не менее, дизель имеет более высокую плотность энергии и КПД дизеля составляет около 33%, в результате чего снижается расход топлива.
Бензин
Бензиновый двигатель обладает наименьшим КПД среди двигателей – 25%. Это означает, что 75% энергии, получаемой при сжигании бензина, преобразуется в тепло, и только 25% в движение. Но сегодня многие бензиновые двигатели оснащаются системой непосредственного впрыска, а также турбонаддувом. Данные технологии позволяют увеличить производительность мотора, а также снизить вредные выбросы. Не смотря на более низкую эффективность, бензиновый двигатель обладает другими полезными характеристиками. По сравнению с дизелем, у бензина более низкие выбросы оксида азота. Помимо этого, бензиновый двигатель дает широкий диапазон оборотов, что идеально подходит для спортивного вождения. Именно по этой причине мотоциклы ездят исключительно на бензине. В дополнение, автомобили с бензиновым двигателем являются самыми доступными по стоимости на рынке.
Виды двигателей, которыми оборудованы автомобили дилерской сети «Богдан-Авто Холдинг»
| Модель авто | Тип двигателя | Расход топлива в смешанном цикле (л / 100 км) |
| Subaru | ||
| Subaru XV | Бензин | 7 |
| Subaru Outback | Бензин | 7,3 |
| Subaru Forester | Бензин | 7,2 |
| Hyundai | ||
| Hyundai i30 | Бензин/ Дизель | 6 / 5,3 |
| Hyundai i10 | Бензин | 4 |
| Elantra | Бензин | 6,6 |
| Creta | Бензин | 7 |
| Santa Fe New | Бензин/ Дизель | 7,1 / 5,2 |
| Tucson | Бензин/ Дизель | 7,9/ 5,3 |
| Accent | Бензин | 5,7 |
| Grand Santa Fe | Турбодизель | 7,8 |
| Ioniq Electric | Электро | 0 |
| Ioniq Hybrid | Гибрид | 3,4 |
| Grandeur | Бензин | 9,1 |
| Great Wall | ||
| Wingle 5 | Дизель | 7,4 |
| Wingle 6 | Бензин/ Дизель | 11,2 / 8,6 |
| HAVAL | ||
| HAVAL h3 | Бензин | 6,7 |
| HAVAL H6 | Бензин | 8,5 |
| HAVAL H9 | Бензин/ Дизель | 10,9 / 9,1 |
| JAC | ||
| JAC S2 | Бензин | 6,5 |
| JAC S3 | Бензин | 5,6 |
| JAC iEV 7S | Электро | 0 |
Подготовлено по материалам Futurezone.
de]]>
КПД дизельного двигателя
Коэффициент полезного действия (КПД) является величиной, которая в процентном отношении выражает эффективность того или иного механизма (двигателя, системы) касательно преобразования полученной энергии в полезную работу.
Что касается двигателя внутреннего сгорания (ДВС), такой силовой агрегат осуществляет преобразование тепловой энергии. Данная высвобождающаяся энергия является результатом сгорания топлива в цилиндрах двигателя. КПД мотора представляет собой фактически совершенную механическую работу, которая состоит в соотношении полученной поршнем энергии от сгорания топлива и конечной мощности, которая отдается установкой на коленчатом валу ДВС.
Содержание статьи
- Почему КПД дизеля выше
- Мощность и крутящий момент
- Энергетическая ценность солярки и бензина
- Итоги
Почему КПД дизеля выше
Показатель КПД для различных двигателей может сильно отличаться и зависит от ряда факторов.
Бензиновые моторы имеют относительно низкий КПД благодаря большому количеству механических и тепловых потерь, которые возникают в процессе работы силового агрегата данного типа.
Вторым фактором выступает трение, возникающее при взаимодействии сопряженных деталей. Большую часть расхода полезной энергии составляет приведение в движение поршней двигателя, а также вращение деталей внутри мотора, которые конструктивно закреплены на подшипниках. Около 60% энергии сгорания бензина расходуется только на обеспечение работы этих узлов.
Дополнительные потери вызывает работа других механизмов, систем и навесного оборудования. Также учитывается процент потерь на сопротивление в момент впуска очередного заряда топлива и воздуха, а далее выпуска отработавших газов из цилиндра ДВС.
Если сравнить дизельную установку и мотор на бензине, дизельный двигатель имеет заметно больший КПД сравнительно с бензиновым агрегатом. Силовые агрегаты на бензине имеют КПД на отметке около 25-30% от общего количества полученной энергии.
Другими словами, из потраченных на работу двигателя 10 литров бензина только 3 литра израсходованы на выполнение полезной работы. Остальная энергия от сгорания топлива разошлась на потери.
Что касается КПД атмосферного дизельного агрегата, то этот показатель составляет около 40%. Установка турбокомпрессора позволяет увеличить отметку до внушительных 50%. Использование современных систем топливного впрыска на дизельных ДВС в сочетании с турбиной позволило добиться КПД около 55%.
Такая разница в производительности конструктивно схожих бензиновых и дизельных ДВС напрямую связана с видом топлива, принципом образования рабочей топливно-воздушной смеси и последующей реализацией воспламенения заряда. Бензиновые агрегаты более оборотистые по сравнению с дизельными, но большие потери связаны с расходами полезной энергии на тепло. Получается, энергия бензина менее эффективно превращается в полноценную механическую работу, а большая доля попросту рассеивается системой охлаждения в атмосферу.
Мощность и крутящий момент
При одинаковом показателе рабочего объёма, мощность атмосферного бензинового мотора выше, но достигается при более высоких оборотах. Двигатель нужно «крутить», потери возрастают, увеличивается расход топлива. Также необходимо упомянуть крутящий момент, под которым в буквальном смысле понимается сила, которая передается от мотора на колеса и движет автомобиль. Бензиновые ДВС выходят на максимум крутящего момента при более высоких оборотах.
Аналогичный атмосферный дизель выходит на пик крутящего момента при низких оборотах, при этом расходует меньше солярки для выполнения полезной работы, что означает более высокий КПД и экономию топлива.
Солярка образует больше тепла по сравнению с бензином, температура сгорания дизтоплива выше, показатель детонационной стойкости более высокий. Получается, у дизельного ДВС произведённая полезная работа на определенном количестве топлива больше.
Энергетическая ценность солярки и бензина
Дизельное топливо состоит из более тяжелых углеводородов, чем бензин.
Меньший КПД бензиновой установки сравнительно с дизелем также заключаются в энергетической составляющей бензина и особенности его сгорания. Полное сгорание равного количества солярки и бензина даст больше тепла именно в первом случае. Тепло в дизельном ДВС более полноценно преобразуется в полезную механическую энергию. Получается, при сжигании одинакового количества топлива за единицу времени именно дизель выполнит больше работы.
Также стоит учитывать особенности впрыска и создание надлежащих условий для полноценного сгорания смеси. В дизель топливо подается отдельно от воздуха, впрыскивается не во впускной коллектор, а напрямую в цилиндр в самом конце такта сжатия. Результатом становится более высокая температура и максимально полноценное сгорание порции рабочей топливно-воздушной смеси.
Итоги
Конструкторы постоянно стремятся повысить КПД как дизельного, так и бензинового двигателя.
Увеличение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, активное применение систем изменения фаз газораспределения, электронное управление топливным впрыском, дроссельной заслонкой и другие решения позволяют существенно повысить коэффициент полезного действия. В большей мере это касается дизельного двигателя.
Благодаря таким особенностям современный дизель способен полностью сжечь насыщенную углеводородами порцию дизтоплива в цилиндре и выдать большой показатель крутящего момента на низких оборотах. Низкие обороты означают меньшие потери на трение и возникающее в результате трения сопротивление. По этой причине дизельный мотор сегодня является одним из наиболее производительных и экономичных типов ДВС, КПД которого зачастую превышает отметку в 50%.
Постоянно повышающаяся эффективность дизельного двигателя
Рудольф Дизель в 1880-х годах сказал: «Автомобильный двигатель придет, и тогда я буду считать дело своей жизни завершенным».
Он ясно знал, насколько важным было его изобретение. Но какое бы суждение ни следовало судить о работе всей жизни Дизеля, сам дизельный двигатель был далек от совершенства. Во-первых, его первые двигатели имели КПД всего около 26%. Но это было очень-очень давно.
Потенциальная эффективность дизельного двигателя является горячей темой в 2015 году, спустя столетие. Это связано с тем, что Агентство по охране окружающей среды США и НАБДД оценивают потенциальную строгость новых правил эффективности для дизельных двигателей в рамках предложения «Фаза 2» по большегрузным автомобилям. Федеральные агентства имеют право регулировать двигатели большегрузных транспортных средств для достижения максимально возможных улучшений и принятия стандартов, требующих применения технологий, с надлежащим учетом затрат на соблюдение требований, времени разработки технологии и других соображений.
Современные дизельные двигатели с воспламенением от сжатия доминируют в отрасли коммерческих грузовых автомобилей с эффективными двигателями, которые преобразуют около 43–44% энергии топлива в работу двигателя, на основе двигателей, сертифицированных в 2013–2014 годах.
Чтобы соответствовать существующим нормам эффективности и выбросов углерода, тракторные двигатели, вероятно, сократят потребление топлива и выбросы CO2 на 6% в период с 2010 по 2017 год, или примерно на 1% в год. Вопрос на данный момент заключается в том, насколько более эффективными станут дизельные двигатели на следующем этапе правил, с 2017 по 2024–2027 годы.
В июньском предложении EPA/NHTSA дизельные двигатели сократят расход топлива и выбросы CO2 на единицу работы на 4,2% с 2017 по 2027 год. Окончательные стандарты, вероятно, будут действовать еще три года, поэтому стандарты будут применяться до 2029 или 2030. Это будет означать, что выбросы CO2 двигателями будут сокращаться в среднем на 0,3–0,4% в год до 2030 года. Как это соотносится с другими цифрами?
- Крупнейший производитель тракторных двигателей Cummins указывает, что двигатели могут достигать 9%–15% снижение расхода топлива по сравнению с 2017 г. в период 2020–2030 гг.
- Анализ двигателей, проведенный исследователями из Университета Западной Вирджинии (WVU), показывает, что дизельные двигатели для тягачей и прицепов могут быть улучшены более чем на 10% по сравнению с базовым уровнем 2017 года в период до 2020 года и далее.
- Работа Юго-Западного научно-исследовательского института для NHTSA показывает, что дизельные тракторные двигатели могут снизить расход топлива на 4–7 % — и до 8–10 % с рекуперацией отработанного тепла — по сравнению с базовым уровнем 2019 года в пределах временных рамок Фазы 2.
- Команды под руководством Cummins, Daimler, Navistar и Volvo продемонстрировали улучшение двигателя на 12–17 % по сравнению с базовым уровнем 2010 года. В результате эти команды Министерства энергетики США SuperTruck достигают максимальной тепловой эффективности тормозов примерно на 50–51%.
- Дальнейшая цель программ SuperTruck будет идти дальше, с термической эффективностью тормозов 55% в пиковых условиях.
Невозможно не задаться вопросом, что подумал бы Рудольф Дизель, узнав, что последние инновации в области дизельного топлива могут удвоить эффективность его первых дизельных конструкций?
На приведенном ниже рисунке показаны существующие стандарты на 2014–2018 гг.
, предлагаемые стандарты на 2017–2027 гг., а также технологический потенциал от более широкого внедрения технологий на основе вышеупомянутого исследования WVU в граммах CO2 на тормозную мощность-час. Технологический потенциал, показанный на рисунке, предполагает, что тракторные двигатели могут достичь улучшения до 7% за счет технологии повышения эффективности с внедрением пакета двигателей «2020+» исследований WVU (т. оптимизация сгорания и расширенные средства управления). Этот потенциал от этих дополнительных технологий примерно вдвое превышает тот, который агентства включили в предлагаемое правило на 2027 год9.0003
Кроме того, мы учитываем увеличение проникновения передовых технологий двигателя в анализе на рисунке. При более широком внедрении дополнительных технологий 2020+ и 15-процентном проникновении системы рекуперации отработанного тепла с органическим циклом Ренкина (WHR) (как предполагают агентства) сокращение выбросов CO2 во всем парке до 10% в 2027 году возможно. С более широким распространением технологий WHR и SuperTruck Министерства энергетики США технологический потенциал еще выше.
Результаты показывают, что существенно более низкие выбросы CO2, чем предложенные стандартные уровни EPA-NHTSA, технически достижимы в период до 2025 года. Окончательный технологический потенциал всего автопарка может разумно соответствовать эффективности демонстраций SuperTruck Министерства энергетики США в 2014–2016 годах в период до 2030 года.
Регуляторные стандарты фазы 1 (2014–2017 гг.) и предлагаемой фазы 2 (2018–2030 гг.) США, технологический потенциал, технологический потенциал с повышенной рекуперацией отходящего тепла (WHR) и демонстрации SuperTruck Министерства энергетики США.
Находящееся на рассмотрении решение США по стандартам двигателей может стать единственным реальным действием по существенному повышению эффективности дизельных двигателей в ближайшие 10–15 лет. По этой причине можно привести веские доводы в пользу того, что они должны продвигать технологический конверт настолько сильно, насколько это возможно на основе новых технологий повышения эффективности.
И это решение имеет более широкие последствия для глобальных инноваций, поскольку одни и те же компании повсюду продают одни и те же двигатели. Индия также рассматривает стандарты эффективности двигателей для своих двигателей большой мощности. Такие же высокоэффективные двигатели могли бы использоваться в грузовиках на дизельном топливе в Китае, Европе, Мексике и других странах, если в этих регионах будут приняты аналогичные, все более строгие правила.
Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания
Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания ошеломляюще неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50-процентного теплового КПД. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.
Бензиновые автомобили еще неэффективнее, значительно более неэффективны.
Хотя может показаться, что транспортное средство, которое преобразует только 50% тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят впустую около 80% энергии, вырабатываемой при сгорании топлива. Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% произведенной энергии через выхлопную трубу или отдают эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.
Причины низкой эффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.
«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс высвобождает тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию», — сообщает X-Engineer.
org. Но большая часть произведенной энергии теряется. Большая часть энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.
В то время как даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют несколько длинного объяснения термодинамики, объяснение длины в Твиттере легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом снаружи двигателя определяет тепловой КПД. — то есть неэффективность двигателя внутреннего сгорания.
Что такое тепловой КПД и законы термодинамики
КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД. Тепловой КПД является следствием термодинамики. Существует и определение, и формула для теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «тепловой КПД — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».
Строгое определение теплового КПД, согласно словарю Merriam-Webster, это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству тепловых единиц в потребленном топливе».
Более практичное непрофессиональное определение теплового КПД заключается в том, что количество энергии, вырабатываемой при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.
Формула для теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия – это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, переданного в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на вход является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое идет на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, с поршнями.
Существуют два закона термодинамики, определяющие тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.
Первый закон термодинамики
Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики выход энергии не может превышать энерговклад.
Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потерянная энергия или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше энергетического потенциала топлива, подаваемого в камеру сгорания.
Первый закон термодинамики интуитивно понятен. Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги в качестве метафоры для первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей с доллара.
В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.
Второй закон термодинамики
Согласно второму закону термодинамики невозможно достичь 100% тепловой эффективности.
Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания.
Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовывать почти 100% поступающего тепла в работу. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло».
Чрезвычайно большой процент энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии является причиной перегрева двигателя. Нагрев двигателя происходит за счет кондуктивной теплопередачи. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, обогреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.
Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выбрасывается выхлопными газами, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.
Теплота — энергия — потери и теорема Карно
Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии. Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — факт, доказанный теоремой Карно.
Предел Карно — это количество энергии, выделяемой при сгорании, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже предел Карно .
Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?
Термический КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. В то время как есть компании, стремящиеся улучшить тепловую эффективность бензиновых двигателей, чрезвычайно сложно даже сравнить эффективность сгорания со старыми дизельными двигателями.
По словам Toyota, компании, пытающейся повысить тепловую эффективность своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны в преобразовании сожженного топлива в полезную энергию. Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов.
Дизель обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, который, по утверждению компании, имеет максимальную тепловую эффективность 38 процентов, тепловую эффективность, которая «больше, чем у любого другого серийного двигателя внутреннего сгорания».
Еще один взгляд на тепловую эффективность связан с затратами на топливо. На каждый доллар бензина, который покупает человек, уходит почти 80 центов в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически приводят в движение бензиновый двигатель.
Несмотря на то, что это поразительно мало, даже обычные дизельные двигатели стоят не менее 40 центов за доллар при механическом использовании.
Несмотря на то, что 60 центов из каждого доллара дизельного топлива теряется из-за термической неэффективности, это все равно в два раза лучше, чем средний бензиновый двигатель.
Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового
В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария, считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, тогда как дизельные двигатели могут достигать термического КПД почти 50%. «Двигатели с искровым зажиганием современного производства работают с тормозным тепловым КПД (КПД) порядка 30–36 % [12], двигатели с воспламенением от сжатия давно признаны одними из самых эффективных силовых агрегатов, текущий КПД дизелей может достигать до 40–47%.
Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сгорании на обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях по шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы».
Тепловой КПД и степень сгорания
В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда она достигает точки, в которой топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается.
Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.
Коэффициент сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8:1 до 12:1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, а не сжатия в результате воздействия искры.
Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На это есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели являются двигателями сжатия. Компрессия — это то, что заставляет дизель в камере сгорания взрываться. В компрессионном двигателе нет искры, которая воспламеняет дизель. Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, поскольку дизель является более стабильным топливом. Для воспламенения дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14:1 до 25:1.
Решения для повышения эффективности двигателя
Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения термической эффективности двигателя. Ограничения конструкции и ограничения технологий не позволяют владельцам вносить значительные улучшения в транспортное средство в отношении теплового КПД. Тем не менее, возможно сделать улучшения в отношении эффективности сгорания.
Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, применительно к тяжелому топливу с высокой плотностью энергии — дизельному топливу, мазуту, бункерному топливу и т. д. — существуют технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания. Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводородов, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.
Топлива с низкой плотностью энергии, такие как бензин и природный газ, обычно имеют постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелыми видами топлива, поскольку они состоят из более мелких молекул углеводородов с короткой цепью.
Но более крупные и длинные молекулы углеводородов и молекулярные цепи в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха. Без воздуха углеводороды не воспламеняются.
Топливные катализаторы являются одним из простейших средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в составе благородных металлов разрушают кластеры топлива, деполяризуя внутренние заряды, которые заставляют углеводороды собираться вместе.
Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания топлива и, следовательно, эффективность использования топлива на 3–8 % в вездеходах. На тяжелой технике увеличение топливной экономичности еще более заметно. При добавлении топливного катализатора Rentar в печь или котел, работающий на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% и более.
Несмотря на то, что трудно предотвратить растрату энергии, присущую всем двигателям внутреннего сгорания, повысить эффективность использования топлива все же возможно.