ККД двигуна внутрішнього згоряння. Скільки приблизно дорівнює, а також потужність у відсотках

Напевно, кожен задавався питанням про ККД (Коефіцієнт Корисної Дії) двигуна внутрішнього згоряння. Адже чим вище цей показник, тим ефективніше працює силовий агрегат. Найефективнішим на даний момент часу вважається електричний тип, його ККД може досягати до 90 – 95 %, а ось у моторів внутрішнього згоряння, будь то дизель або бензин він, м’яко кажучи, далекий від ідеалу …

• Детальніше про втрати
• У будь двигуна найбільший ККД?
• Про паливної ефективності дизеля

Якщо чесно, то сучасні варіанти моторів набагато ефективніше за своїх побратимів, які були випущені років так 10 тому, і причин цьому маса. Самі подумайте раніше варіант 1,6 літра, видавав лише 60 – 70 к. с. А зараз це значення може досягати 130 – 150 к. с. Це копітка робота над збільшенням ККД, в який кожен «крок» дається методом проб і помилок. Однак давайте почнемо з визначення.

ККД двигуна внутрішнього згоряння – це значення відношення двох величин, потужності яка подається на колінчастий вал двигуна до потужності одержуваної поршнем, за рахунок тиску газів, які утворилися шляхом займання палива.

Якщо сказати простою мовою, то це перетворення термічної або теплової енергії, яка з’являється при згорянні паливної суміші (повітря і бензин) в механічну. Треба зазначити, що таке вже бувало, наприклад у парових силових установок — також паливо під впливом температури штовхало поршні агрегатів. Однак там установки були в рази більше, та й саме було тверде паливо (зазвичай вугілля або дрова), що ускладнювало його перевезення та експлуатацію, постійно потрібно було «піддавати» у піч лопатами. Двигуни внутрішнього згоряння набагато компактніше і легше «парових», так і паливо набагато простіше зберігати і перевозити.

Детальніше про втрати

Якщо забігати вперед, то можна впевнено сказати що ККД бензинового двигуна знаходиться в межах від 20 до 25 %. І на це багато причин. Якщо взяти надходить паливо і перерахувати його на відсотки, то ми одержуємо «100% енергії, яка передається двигуну, а далі пішли втрати:

1) Паливна ефективність. Не все паливо згорає, невелика його частина йде з відпрацьованими газами, на цьому рівні ми вже втрачаємо до 25% ККД. Звичайно, зараз паливні системи поліпшуються, з’явився інжектор, але і він далекий від ідеалу.

2) Друге це теплові втрати. Двигун прогріває себе і безліч інших елементів, такі як радіатори, свій корпус, рідина яка в ньому циркулює. Також частина тепла йде з вихлопними газами. На все це ще до 35% втрати ККД.

3) Третє це механічні втрати. НА всякого роду поршні, шатуни, кільця – всі місця, де є тертя. Сюди можна віднести і втрати від навантаження генератора, наприклад чим більше електрики виробляє генератор, тим сильніше він гальмує обертання коленвала. Звичайно, змащення також зробили крок вперед, але знову ж таки повністю тертя ще нікому не вдалося перемогти – втрати ще 20 %

Таким чином, в сухому залишку, ККД дорівнює близько 20%! Звичайно з бензинових варіантів є виділяються варіанти, у яких цей показник збільшено до 25%, але їх не так багато.

Тобто якщо ваш автомобіль витрачає палива 10 літрів на 100 км, із них всього 2 літри підуть безпосередньо на роботу, а решта це втрати!

Звичайно, можна збільшити потужність, наприклад за рахунок розточки головки, дивимося невелике відео.

Якщо згадати формулу то виходить:

У будь двигуна найбільший ККД?

Тепер хочу поговорити про бензиновому і дизельному варіантах, і з’ясувати, хто ж з них найбільш ефективний.

Якщо сказати простими, мовою і не лізти в нетрі технічних термінів – якщо порівняти два ККД бензинового і дизельного агрегатів – ефективніше з них, звичайно ж дизель і ось чому:

1) Бензиновий двигун перетворює тільки 25 % енергії в механічну, а ось дизельний близько 40%.

2) Якщо оснастити дизельний тип турбонаддувом, то можна досягти ККД в 50-53%, а це дуже суттєво.

Так чому він ефективний? Все просто — не дивлячись на схожій тип роботи (і той і інший є агрегатами внутрішнього згоряння) дизель виконує свою роботу набагато ефективніше. У нього більше стиснення, так і паливо запалюється від іншого принципу. Він менше нагрівається, а значить, відбувається економія на охолодженні, у нього менше клапанів (економія на терті), також у нього немає звичних нам, котушок запалювання свічок, а значить не потрібно додаткові енергетичні витрати від генератора. Працює він з меншими оборотами, не потрібно скажено розкручувати колінвал — все це робить дизельний варіант чемпіоном по ККД.

Про паливної ефективності дизеля

З більш високого значення коефіцієнта корисної дії – слід і паливна ефективність. Так, наприклад двигун 1,6 літра може витрачати по місту всього 3 – 5 літрів, на відміну від бензинового типу, де витрата 7 – 12 літрів. У дизеля набагато більше крутний момент, сам двигун найчастіше компактніше і легше, а так само останнім часом і екологічніше. Всі ці позитивні моменти, досягаються завдяки більшому значенню ступеня стиснення, є пряма залежність ККД і стиснення, дивимося невелику табличку.

Однак не дивлячись на всі плюси у нього також і багато мінусів.

Як стає зрозуміло, ККД двигуна внутрішнього згоряння далекий від ідеалу, тому майбутнє однозначно за електричними варіантами – залишилося тільки знайти ефективні акумулятори, які не бояться морозу і довго тримають заряд.

На цьому закінчую, читайте наш АВТОБЛОГ.

Коли міняти гуму?
Сіл акумулятор, як завести машину?
Чорний дим з вихлопної труби – причини, наслідки

Коефіцієнт корисної дії (ККД) — формули і розрахунки

Ефективність і тривалість роботи силового агрегату залежить від коефіцієнта корисної дії (ККД). При експлуатації двигун перетворює теплову енергію, яка утворюється в результаті згоряння палива, в механічну.

Щоб знайти ККД, враховуються характеристики мотора. Формула коефіцієнта корисної дії у фізиці представлена у вигляді процентного відношення корисної роботи до загальної.

Трактування поняття

Електродвигун та інші механізми виконують певну роботу, яка називається корисною. Пристрій, функціонуючи, частково витрачає енергію. Для визначення ефективності роботи застосовується формула

• А₁ – корисна роботу, яку виконує машина або мотор;
• А₂ – загальний цикл роботи;
• η – позначення ККД.

Показник вимірюється у відсотках. Для знаходження коефіцієнта в математиці використовується наступна формула:

• а — енергія або корисна робота;
• Q — витрачена енергія.

Щоб виразити значення у відсотках, ККД множиться на 100%. Дія не несе змістовного сенсу, оскільки 100% = 1. Для джерела струму ККД менше одиниці.

У старших класах учні вирішують завдання, в яких потрібно знайти ККД теплових двигунів. Поняття трактується наступним чином: відношення виконаної роботи силового агрегату до енергії, отриманої від нагрівача. Розрахунок проводиться за наступною формулою:

• Q₁-теплота, отримана від нагрівального елементу;
• Q₂-теплота, віддана холодильній установці.

Максимальне значення показника ККД характерне для циклічної машини. Вона оперує при заданих температурах нагрівального елементу (Т₁) і холодильника (Т₂). Вимірювання здійснюється за формулою:

Щоб дізнатися ККД котла, який функціонує на органічному паливі, використовується нижча теплота згоряння.

Плюс теплового насоса, як нагрівального приладу, полягає в можливості отримання більшої кількості енергії, ніж він може затратити на функціонування.

Показник трансформації обчислюється шляхом ділення тепла конденсації на роботу, що витрачається на виконання даного процесу.

Потужність різних пристроїв

За статистикою, під час роботи приладу втрачається до 25% енергії. При функціонуванні двигуна внутрішнього згоряння паливо згорає частково. Невеликий відсоток вилітає в вихлопну трубу. При запуску бензиновий мотор гріє себе і складові елементи. На втрату йде до 35% від загальної потужності.

При русі механізмів відбувається тертя. Для його ослаблення використовується мастило. Але воно нездатна повністю усунути явище, тому витрачається до 20% енергії.

Приклад на автомобілі: якщо витрата становить 10 літрів палива на 100 км, на рух буде потрібно 2 л, а залишок, рівний 8 л — втрата.

Якщо порівнювати ККД бензинового і дизельного моторів, корисна потужність першого механізму дорівнює 25%, а другого — 40%. Агрегати схожі між собою, але у них різні види сумішоутворення:

Поршні бензинового мотора функціонують на високих температурах, тому потребують хорошого охолодження. Тепло, яке могло б перейти в механічну енергію, витрачається даремно, що сприяє зниженню ККД.

У ланцюзі дизельного пристрою паливо запалюється в процесі стиснення. На основі даного фактора можна зробити висновок, що тиск в циліндрах високий, при цьому мотор екологічніше і менше першого аналога. Якщо перевірити ККД при низькому функціонуванні і великому об’ємі, то результат перевищить 50%.

Асинхронні механізми

Розшифровка терміна “асинхронність” – розбіжність за часом. Поняття використовується в багатьох сучасних машинах, які є електричними і здатні перетворювати відповідну енергію в механічну. Плюси асинхронних механізмів:

• просте виготовлення;
• низька ціна;
• надійність;
• незначні експлуатаційні витрати.

Щоб розрахувати ККД, використовується формула:

Для розрахунку Р ₁ і Р ₂ застосовуються загальні дані втрати енергії в обмотках мотора. У більшості агрегатів показник знаходиться в межах 80-90%. Для швидкого розрахунку використовується онлайн-ресурс або особистий калькулятор.

Для перевірки можливого ККД у мотора зовнішнього згоряння, який функціонує від різних джерел тепла, використовується силовий агрегат Стірлінга. Він представлений у вигляді теплової машини з робочим тілом у вигляді рідини або газу. Речовина рухається по замкнутому об’єму.

Принцип його функціонування заснований на поступовому нагріванні і охолодженні об’єкта шляхом вилучення енергії з тиску. Подібний механізм застосовується на косметичному апараті і сучасному підводному човні.

Його працездатність спостерігається при будь-якій температурі. Він не потребує додаткової системи для запуску. Його ККД можливо розширити до 70%, на відміну від стандартного мотора.

Значення показника ККД

У 1824 році інженер Карно дав визначення ККД ідеального двигуна, коли коефіцієнт дорівнює 100%. Для трактування поняття була створена спеціальна машина з наступною формулою:

Для розрахунку максимального показника застосовується рівняння ККД_макс= (T1-T2)/T1 * 100%. У двох прикладах T1 вказує на температуру нагрівача, а T2 – температуру холодильника.

На практиці для досягнення 100% коефіцієнта потрібно прирівняти температуру охолоджувача до нуля. Подібне явище неможливо, оскільки T1 вище температури повітря.

Процедура підвищення ККД джерела струму або силового агрегату вважається важливим технічним завданням. Теоретично проблема вирішується шляхом зниження тертя елементів двигуна і зменшення тепловтрати. У дизельному моторі подібне досягається турбонаддувом. В такому випадку ККД зростає до 50%.

Потужність стандартного двигуна збільшується наступними способами:

• підключення до системи багатоциліндрового агрегату;
• застосування спеціального палива;
• заміна деяких деталей;
• перенесення місця спалювання бензину.

ККД залежить від типу і конструкції мотора. Сучасні вчені стверджують, що майбутнє за електродвигунами.

На практиці робота, яку здійснює будь-який пристрій, перевищує корисну, оскільки певна її частина виконується проти тертя. Якщо використовується рухливий блок, відбувається додаткова робота: підіймається блок з мотузкою, при цьому долаються сили тертя в блоці.

Рішення прикладів

Задача 1 . Поїзд на швидкості 54 км/год розвиває потужність 720 кВт. Потрібно обчислити силу тяги силових агрегатів.

Рішення : щоб знайти потужність, використовується формула N=F * V. Якщо перевести швидкість в одиницю СІ, вийде 15 м/с. Підставивши дані в рівняння, отримуємо, що F дорівнює 48 kH.

Завдання 2 . Маса транспортного засобу складає 2200 кг. Машина, піднімаючись в гору під ухилом в 0,018, проходить відстань 100 м. Швидкість розвивається до 32,4 км/год, а коефіцієнт тертя відповідає 0,04. Потрібно визначити середню потужність авто при русі.

Рішення: обчислюється середня швидкість — v/2. Щоб визначити силу тяги мотора, виконується малюнок, на якому показуються сили, що впливають на машину:

• тяжкість – mg;
• реакція опори – N;
• тертя – Ftr;
• тяга – Ф.

Перша величина обчислюється за другим законом Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для прискорення використовується рівняння a=v2/2s. Якщо підставити останні значення і скористатися cos, вийде середня потужність. Оскільки прискорення вважається постійною величиною і дорівнює 9,8 м/с², тому v= 9 м/с. Підставивши дані в першу формулу, вийде: N= 9,5 kBt.

При вирішенні складних завдань з фізики рекомендується перевірити відповідність наданих в умовах одиниць виміру з міжнародними стандартами. Якщо вони відрізняються, необхідно перевести дані з урахуванням СІ.