Новости → Новинки → Truck&Bus

Создавая новую серию с высокой удельной мощностью, MAN Engines построил новый 12-литровый 29,6-литровый 12-цилиндровый двигатель MAN E3872 мощностью 735 кВт, основанный на проверенной и компактной платформе 25,8-литрового двигателя MAN E3262.

«MAN Engines — это надежные двигатели, которые занимают очень мало места. Впечатляющая мощность в 735 кВт 12-цилиндрового двигателя – это, ориентированное на клиента решение с неоспоримой добавленной стоимостью с точки зрения удобства обслуживания, технического обслуживания и эксплуатационных расходов», — сказал Райнер Ресснер, руководитель отдела продаж MAN Engines.

Для достижения значительно увеличенной мощности 735 кВт инженеры MAN Engines внедрили множество концептуальных нововведений. Основой для этого является существующий картер двигателя MAN E3262, который используется с 2010 года. Это означает, что доступны эмпирические данные о многомиллионных часах работы. Учитывая тот факт, что диаметр отверстия был увеличен с 132 мм до 138 мм, а ход поршня с 157 мм до 165 мм, одновременно были предприняты шаги по придании дополнительной прочности картера.

Другие принципиальные отличия касаются прежде всего изменений, внесенных в концепцию турбонагнетателя, процесса сгорания и головок цилиндров. Результатом этой обширной опытно-конструкторской работы является то, что механический КПД в варианте с природным газом при 50 Гц был увеличен до 44,0%. «Благодаря такой высокой эффективности рентабельность установки может быть значительно увеличена», — говорит Ресснер.

Новая концепция одинарного турбонагнетателя существенно повлияла на высокий КПД инновационного газового двигателя E3872. Путем точной настройки впускных и выпускных направляющих устройств (диффузора и соплового кольца) турбонагнетатель может работать точно с оптимальным КПД компрессора и турбины, что сокращает время цикла зарядки. Другие модификации, произведенные внутри MAN для повышения эффективности, включают использование времени регулирования на основе принципа Аткинсона, что довольно необычно для стационарных двигателей. Более того, новая конструкция стальных поршней позволяет ускорить сгорание и, таким образом, повысить эффективность. Свечи зажигания с предварительной камерой, которые были специально адаптированы к камере сгорания, также положительно влияют на ускорение сгорания, поскольку они вызывают воспламенение газа в нескольких точках внутри камеры сгорания новой конструкции. Кроме того, стабильность горения при работе с низким уровнем выбросов NOx была улучшена в еще большей степени.

Его высокий КПД делает двигатель особенно подходящим для применений, в которых основное внимание уделяется выработке электроэнергии и дополнительной выработке тепла. Это открывает широкий спектр потенциальных применений в сельскохозяйственном и муниципальном секторах, в отелях, больницах и промышленных предприятиях. Его высокий механический КПД и, следовательно, при производстве электроэнергии, соответственно, положительно сказываются на энергетическом балансе оператора. В качестве дополнительного преимущества для клиентов в E3872 используется гидравлический регулятор зазора клапана, который делает ненужными регулярные проверки и регулировку клапанного механизма. Операторы машин выиграют от устранения интервалов планового технического обслуживания и связанных с этим затрат.

Вариант, работающий на скорости 1800 об / мин (60 Гц), также находится в разработке для определенных рынков. В рамках процесса перевода линейки стационарных двигателей, работающих на природном газе, в состояние «водородной готовности» новый двигатель E3872 также будет спроектирован для работы с добавкой водорода (h3) при работе на природном газе.

Вариант двигателя с турбонаддувом E3872, работающий на природном газе, обеспечивает уровень оксидов азота 250 мг / Нм3 NOx (5% O2), тогда как вариант с биогазом обеспечивает уровень NOx 500 мг / Нм3 (5% O2). Производитель ТЭЦ или генераторной установки может легко достичь будущих предельных значений оксидов азота 100 мг / Нм3 NOx (5% O2), используя систему доочистки выхлопных газов (категория селективного каталитического восстановления).

Энергетическое образование

1. Циклы газовых двигателей

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Термодинамические циклы это круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия). Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых двигателях.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Прямой термодинамический цикл.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты $Q_1$ у нагревателя и отдаёт количество теплоты $Q_2$ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом:

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

Изменение внутренней энергии $ΔU$ в круговом процессе равно нулю (это функция состояния), а работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен:

$$η=\frac{A}{Q_1} =\frac{Q_1-Q_2}{Q_1} =\frac{M·q_1-M·q_2}{M·q_1}=\frac{q_1-q_2}{q_1} =1-\frac{q_2}{q_1}.$$

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую.

Цикл Карно.

В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ передает теплоту рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту $q_1$ по изотерме AB. На процессе BC рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от $T_1$ до $T_2$. В обратимом процессе CD рабочее тело передает теплоту $q_2$ холодному источнику по изотерме $T_2=const$. На процессе DA рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от $Т_2$ до $Т_1$.

Для цикла Карно в $T-s$ диаграмме подведенная $q_1$ и отведенная $q_2$ теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для $q_1$ – с $T_1$ и $Δs$, для $q_2$ – с $T_2$ и $Δs$. Величины $q_1$ и $q_2$ определяются по формулам изотермического процесса:

$$q_1=T_1·Δs,$$
$$q_2=T_2·Δs.$$

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

$$l_ц=q_1-q_2=(T_1-T_2)·Δs.$$

В соответствии с выражением выше получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при $Т_2=0$ K, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около $300$ K. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота $q_1$ превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота $q_2$, отдается холодному источнику, и при заданных $Т_1$ и $Т_2$ она не может быть использована для получения работы, величина $q_2$ является тепловыми потерями (тепловым сбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

$$η=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{T_2·Δs}{T_1·Δs}=1-\frac{T_2}{T_1}.$$

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше $T_1$ и меньше $T_2$. При $T_1=T_2$ КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый часто циклом Отто. В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты $q_2$. осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном объеме $v=const$ (цикл Отто).

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_v·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1 — \frac{ \frac{T_4}{T_1} — 1 }{ \frac{T_3}{T_2} — 1 } · \frac{T_1}{T_2}. {k-1}}.$$

Из этого выражения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия $ε$, и с увеличением $ε$ $η_t$ возрастает. Понятно, что температура в конце сжатия $T_2$ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет порядка $7-10$ или несколько больше, в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеля. Рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2, а изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т. е. подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4. Наконец, изохора 4-1 характеризует отвод теплоты $q_2$, заменяя для четырехтактных двигателей выпуск продуктов сгорания, а для двухтактных выпуск и продувку цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном давлении $p=const$ (цикл Дизеля).

Формула для расчета термического КПД в этом случае принимает вид:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1}=1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_p·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{k·(T_3-T_2)}=1-\frac{ \frac{T_4}{T_1} — 1 }{ k·\frac{T_3}{T_2} — 1 } ·\frac{T_1}{T_2}.$$

Кроме степени сжатия $ε$, у цикла Дизеля имеется еще одна характеристика – степень предварительного расширения:

$$ρ=\frac{v_3}{v_2}.$$

Для изобары 2-3 можно записать $\frac{v_3}{v_2}=\frac{T_3}{T_2}$. Рассматривая изохору 4-1 и учитывая $p_4·v_4^k=p_3·v_3^k$, $p_1·v_1^k=p_2·v_2^k$ и $v_4=v_1$, получаем:

$$\frac{T_4}{T_1}=\frac{p_4}{p_1}=\frac{p_4·v_4^k}{p_1·v_1^k}=\frac{p_3·v_3^k}{p_2·v_2^k}=ρ^k. {k-1}}.$$

Это выражение показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия $ε$, с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Нижний предел для $ε$ обусловлен необходимостью получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. Верхний предел $ε$ (до $20$) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения $ρ$ вызывает снижение термического КПД цикла. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать, наряду с другими обстоятельствами, при определении оптимального режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели, осуществляется по следующей схеме. {k-1}}.$$

Параметр $λ$ называется степенью повышения давления и рассчитывается так:

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыл топлива производится механическим топливным насосом высокого давления, а воздушный компрессор, применяемый в двигателе Дизеля, отсутствует. Степень сжатия $ε$ в рассматриваемом цикле может достигать $18$ и более.

Легко показать, что математическое выражение термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов поршневых ДВС.

Сравнение эффективности рассмотренных циклов проведем на $T-s$ диаграмме, предположив, что в каждом из них достигается одинаковая максимальная температура $T_3$.

Одинаковы и количества отведенной теплоты $q_2$ в каждом цикле (площадь 14аb). При таких условиях теплота цикла $q_ц$, равная полезной работе цикла $l_ц$, будет наибольшей для цикла Дизеля 12”34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 12’3’34 занимает промежуточное положение.

Сравнение циклов ДВС на $T-s$ диаграмме 1234 – цикл Отто; 12”34 – цикл Дизеля; 12’3’34 – цикл Тринклера.

Таким образом, термический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла Отто с подводом теплоты при постоянном объеме.

Цикл двигателя Стирлинга представляет собой цикл газового двигателя поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга. Например двигатель стирлинга модификации «Альфа» состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов. В процессе 3 холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе $T_2=const$ при интенсивном отводе теплоты $q_2»$. В процессе 4 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что $v=const$ (изохорный процесс), а температура увеличивается от $T_2$ до $T_1$ при подводе теплоты $q_1’$.

В изотермическом процессе расширения 1 $T_1=const$ к рабочему телу подводится теплота $q_1»$. Затем в процессе 2 поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную ($v=const$) с отводом теплоты $q_2’$. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты $q_1»$), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты $q_2»$:

$$l_ц=q_1»-q_2».$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1»-q_2»}{q_1′-q_1»}.$$

Дизельная электростанция как правило, объединяет в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, а также систему контроля и управления установкой. Такие электростанции и установки применяются в качестве основных, резервных или аварийных источников электроэнергии для потребителей одно- или трёхфазного переменного тока.

Схема дизельной электростанции.

Цикл газотурбинной установки. Одним из основных недостатков поршневых двигателей является невозможность достижения больших мощностей в одном агрегате, что сужает нишу возможного использования ДВС поршневого типа. Это связано, прежде всего с наличием кривошипно-шатунного механизма, предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Периодичность производства рабочего хода поршня неизбежно вызывает неравномерность работы конструкции и требует наличие маховика, что заметно увеличивает удельный вес двигателя – отношение веса двигателя к вырабатываемой им мощности. Этих недостатков лишены двигатели внутреннего сгорания газотурбинного типа, к числу которых относятся воздушно-реактивные двигатели.

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри).

Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении содержит в себе все основные элементы, присущие турбокомпрессорному воздушно-реактивному двигателю. Газотурбинный двигатель состоит из размещенных на одном валу турбины, компрессора, топливного насоса и потребителя мощности. В схему входит также камера сгорания, выхлопное сопло или патрубок отвода отработавших газов и свеча зажигания.

Турбина приводит во вращение компрессор, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды. Процесс сжатия предполагается протекающим по адиабате 1-2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда насосом из топливной емкости прокачивается топливо. Тщательно перемешенная смесь в камере сгорания воспламеняется свечой зажигания, и при постоянном давлении реализуется процесс сжигания топлива. В результате протекания экзотермической реакции возрастает энтальпия продуктов сгорания – газа. Высокоэнтальпийный поток газа поступает на турбину расширяется в ней по адиабате 3-4. {\frac{k-1}{k}} },$$

где $ε=\frac{v_1}{v_2}$ – степень сжатия, а $λ=\frac{p_2}{p_1}$ – степень повышения давления.

Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.

Отличие регенеративной газотурбинной установки от рассмотренной ранее состоит во введением дополнительного конструктивного узла в виде теплообменника регенератора, в котором тепло от уходящих газов передается к газу, сжатому компрессоре установки.

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

По условиям организации цикла не все избыточное тепло уходящих газов может быть передано воздуху, сжатому в компрессоре. Тогда коэффициент полезного действия можно определить:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =\frac{ (T_5-T_1)-(T_3-T_2) }{T_4-T_2}.$$

Цикл Гемфри. Газотурбинная установка со сгоранием при $v=const$ в случае, если предельные давления одинаковы и подведенные теплоты равны, будут иметь несколько большую эффективность по сравнению с изобарным циклом. Это связано с тем, что при отмеченных условиях сравнения в цикле с $v=const$ по сравнению с циклом $p=const$ отводимая теплота будет несколько меньше, чем в цикле со сгоранием при $p=const$. Это видно из сравнения циклов, построенных в $T-s$ диаграмме.

Сравнение циклов газотурбинных установок с подводом тепла при $v=const$ и $p=const$.

Однако в конструкторском отношении газотурбинная установка с подводом тепла при $v=const$ заметно сложнее. Турбина приводит во вращение сидящие с ней на одном валу компрессор, насос и потребитель выработанной установкой механической энергии, обычно в виде трехфазного электрогенератора. {\frac{1}{k}}-1}{λ-1}.$$

где $λ=\frac{p_3}{p_2}$ – степень повышения давления.

Парогазовая установка – электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около $500$ °C позволяет получать перегретый пар при давлении около $100$ атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор.

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

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.

А автомобили с бензиновым двигателем еще более неэффективны, 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, которую вырабатывает двигатель — 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 .

Какова тепловая эффективность 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 максимальный тепловой КПД 38 процентов, тепловой КПД, который «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 больше, 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 улучшить эффективность 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. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это улучшить эффективность сгорания.

Эффективность двигателя

Эффективность двигателя

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. К ним относятся потери химической энергии с выбросами, потери тепла двигателем и через выхлопные газы, а также потери на перекачку газа и потери на трение в двигателе. Соответственно, общий тепловой КПД торможения двигателя является продуктом сгорания, термодинамического, газообменного и механического КПД.

• Потери энергии в двигателе
  • Сводка убытков
  • Топливная энергия
  • Эффективность сгорания
  • Термодинамическая эффективность
  • Тепловые потери
  • Эффективность газообмена
  • Механический КПД
• Эффективность с точки зрения топлива

Сводка потерь

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь. Основные потери энергии двигателя и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на рис. 1 9.0138 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на КПД двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная со сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не превращается полностью в идеальные продукты сгорания CO ₂ и H ₂ O. Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, равна приходится на эффективность сгорания .

Из энергии, высвобождаемой в процессе горения, второй закон термодинамики определяет, что только часть ее может быть преобразована в полезную работу. Эта доля объясняется термодинамическим КПД , который зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамического КПД обычно определяют с помощью расчетов циклов Отто и Дизеля. Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выброса горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. валовая указанная эффективность равна произведению эффективности сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную при сгорании топлива.

Из энергии, которая была преобразована в работу, часть этой работы используется для подачи всасываемых газов в двигатель и вытеснения выхлопных газов. Эти насосные потери учитываются с помощью эффективности газообмена . Чистая указанная эффективность регулирует общую указанную эффективность с учетом работы, необходимой для перемещения газов в двигатель и из него.

Некоторая работа также должна быть использована для преодоления трения между скользящими поверхностями, такими как поршневые кольца и подшипники, и для привода необходимых вспомогательных устройств, таких как масляные насосы и насосы охлаждающей жидкости. Последнее учитывается с механическим КПД . Как ни странно, потери при газообмене и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Таким образом, оставшаяся работа, работа торможения, может быть получена от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность торможения (или термическая эффективность тормоза) может быть выражена как:

η _тормоз = η _{сжигание} · η _{термодинамический} · η _{газообмен} · η _{механический} (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

.

η _тормоз = η _{закрытый цикл} · η _{открытый цикл} · η _{механический}
(2)

где:
η _{закрытый цикл} – КПД замкнутого цикла, причем закрытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной и выпускной клапаны закрыты. η _{закрытый цикл} = η _{сгорание} · η _{термодинамический}
η _{открытый цикл} — эффективность открытого цикла, причем открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной или выпускной клапаны открыты. η _{открытый цикл} = η _{газообмен}

Следует отметить, что это обсуждение КПД двигателя ведется с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. е. оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла. работать. Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которая может быть преобразована в работу. Более поздний подход, обсуждаемый позже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливная энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются, образуя горючую смесь, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. В то время как количество топлива, попавшего в цилиндр, является основным фактором, определяющим содержание энергии в попавшей воздушно-топливной смеси и, следовательно, общее количество тепла, которое может быть выделено, ряд вторичных факторов также важен. Эти вторичные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​низшей теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, образующаяся при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рис. 2 показана LHV ряда видов топлива, которые можно использовать в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо. Обратите внимание, что для углеводородного топлива значения LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Кислородсодержащие функциональные группы дают меньшую чистую энергию во время сгорания, внося значительный вклад в массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные с [391]

Как только выбор топлива определен, мощность двигателя определяется энергоемкостью топливно-воздушной смеси, попавшей в цилиндр перед сгоранием. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до поступления всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством воздушно-топливной смеси, которая может быть введена и захвачена в цилиндре. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, которое может быть введено и захвачено в цилиндре. Можно показать, что [4730] :

Hport=ρmixLHVfλ·AFRstoich+1H_port = {ρ_mix LHV_f} по {λ AFR_stoich +1}
(3)

где:
H _порт = энергоемкость на единицу объема цилиндра смеси, образующейся до поступления в цилиндр, МДж/м ³
ρ _смесь = плотность смеси, кг/м ³
LHV _f = низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR _стех = стехиометрическая воздушно-топливная смесь

и

HDI=ρairLHVfλ·AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich}
(4)

где:
H _DI = энергоемкость единицы объема цилиндра смеси, образующейся в цилиндре после ВВК, МДж/м ³
ρ _воздух = плотность воздуха, кг/м ³

Следует отметить, что для большинства жидких топлив разница между H _порт и H _DI невелика. Однако для газообразного топлива, такого как метан, основного компонента природного газа, разница может быть более существенной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре перед IVC, H _порт больше отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Влияние повышения давления на входе с помощью турбонагнетателя или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается через член плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0°C, 101,325 кПа

На рис. 4 показаны значения H _порта и H _DI стехиометрических смесей нескольких топлив при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и на основе наиболее распространенных способов их смешивания с всасываемым воздухом 9.0138 [4730] . Хотя существуют важные различия, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, исходя только из плотности энергии смеси, будет удивительно схожей.