Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

Как повысить кпд двигателя внутреннего сгорания

Повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) интересует многих автолюбителей. Дело в том, что какую бы машину Вы не купили, всегда хочется иметь более мощный двигатель и ездить быстрее.

Как ни странно, но эти мечты осуществимы. Мощность двигателя можно увеличить. Кроме того можно изменить расход топлива и экологический класс вашего автомобиля.

Но начнём с простого. У бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для воспламенения топливно-воздушной смеси используется свеча зажигания. У дизельного двигателя применяется форсунка.

Чтобы они более эффективно работали, обеспечивая хорошее воспламенение смеси, необходимо подавать на них высокую энергию.

Для дизельной форсунки важна не только конструкция (а конструктив важен и для свечи зажигания), но и давление питающего ее насоса. Для свечи бензинового ДВС важно напряжение, коммутируемое на первичную обмотку катушки зажигания. Поэтому насосы с повышенным давлением для дизельных форсунок и системы тиристорного зажигания для свечного поджига бензиновых моторов, повышают КПД и мощность двигателя.

ПОВЫШЕНИЕ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Если так просто повысить КПД двигателя, то почему этим не пользуются авто производители? Пользуются! Но только для коммерческих грузовиков и генераторов. Ведь у них КПД превышает 80%, при 60% у обычных. Стоя рядом с работающим грузовым автомобилем Volvo или Iveco, ощущается запах озона, а не дизельной гари. То же и с дизельными генераторами ведущих фирм.

Что касается автомобилей некоммерческих, тут есть две причины – обе, правда, коммерческие.

Первое – это очевидный корпоративный сговор о том, что легковой автомобиль не должен быть слишком экономичным. Ведь нефть нужно продавать. И если применяются технологии, снижающие расход топлива, то конечный потребитель сильно переплачивает за них в соответствии с ценой автомобиля.

Второе – это усложнение конструкции, которое также отражается на стоимости автомобиля, а последняя – на конкурентных качествах. Апологетами можно назвать Ford Mondeo (класс “C”) и Ford Ka (класс “A”), которые ухитрялись расходовать одинаковое количество бензина – 8 литров на 100 километров пробега. Как говорится, “почувствуйте разницу”. На “хитрые решения” наподобие повышения давления на насосе впрыска или тиристорного зажигания фирмы не идут по совокупности описанных двух факторов.

Итак, переходим к самому интересному: полезные хитрости. Естественно, что их применение требует дополнительных мер безопасности! Все должно делаться “правильными” руками, иначе возрастает риск возгорания автомобиля.

КАК ПОВЫСИТЬ КПД ДВИГАТЕЛЯ

Подгонка ТНВД- топливного насоса высокого давления. Он есть даже в системах с электронным управлением впрыска. С помощью установки нагнетающего насоса от бензиновой системы впрыска стоимостью около $100 можно получить до 10-16 Бар на входе в насос высокого давления.

Для профилактики преждевременного износа шестерен и плунжеров этого дорогостоящего агрегата стоит поставить насос подкачки с генератором тока. Обычная 20 Вт лампочка соединенная последовательно с мотором насоса дает ограничение давления на выходе 1 Бар. Это предотвращает сухое трение в вакуумных пузырях топлива при засорении топливного фильтра грязью или парафином.
Такая хитрость позволяет продлить срок жизни ТНВД, в особенности – там, где холодные зимы. Дело в том, что моторчик подкачки еще и подогревает солярку.

Существуют некоторые опасности при неправильной настройке. Это прорыв магистрали от насоса к входному фильтру ТНВД, так как рассчитана она на вакуумирование, а не на высокое давление. Соединения могут пропускать, а то и рассоединяться.

Кстати, наибольшее количество “убитых” ТНВД и плохого запуска дизельного двигателя, как раз и приходится на “подсос” воздуха во всасывающей магистрали топлива. А это даже в напорных трубопроводах при фланцевых соединениях имеет место быть (форвакуумный, или инжекторный эффект).

ЗАЖИГАНИЕ

По тиристорному зажиганию пишут много неправды про то, что искра сильнее, но короче. Это не так. Если на первичную обмотку катушки зажигания подаётся 300 вольт вместо 15, то вполне естественно, что при том же токе потребления в 5 ампер то же количество энергии будет израсходовано примерно за 1/20. На самом деле – около 1/10-1/5, в зависимости от конструкции LC контура и величины зазора.

Но никто же не ограничивает в мощности накачки в разумных пределах! И 15, и даже 30 ампер большинство электро систем автомобиля выдерживают: при 80 амперных генераторах можно себе позволить. Свечи, конечно, будут изнашиваться быстрее, но обычная толсто электродная свеча будет жить как высокотехнологичная.
Кстати, на двух электродных катушках зажигания она работает всего 5000 километров при условии смены полярности – электрод распыляется на одном полюсе катушки. И в качестве бонуса – 30% экономии топлива!

Почему важна продолжительная искра? Что происходит, если укоротить искру? Машина попросту не едет: сняли конденсатор с катушки зажигания, и мотор “не тянет”. Заводится, крутится вхолостую, а тяги нету даже чтобы тронуться. В цилиндрах происходит эффект вакуумной бомбы: один импульс поджигает небольшой шарик объема топлива, а дальше идёт процесс горения, а не фронтового воспламенения… “Бомба маленькая была”.

После ее подрыва вернувшаяся назад волна с уплотненным фронтом (эффект укладывания обломков в кучку на месте взрыва) не встречает дружественно поджигающей искры. Этот вариант аналогичен тому, когда дизельная форсунка не распыляет топливо. Крупные капли плохо горят.

ТЕРИСТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Поэтому было придумано много искровое тиристорное зажигание. В нем количество искр определяется количеством периодов накачивающего генератора в отведенный промежуток времени для поджига. Подбирать нужно к конструкции системы зажигания, объему цилиндра и конструкции поршня.

У BMW – купольные поршни, что является наилучшим вариантом. Отсюда и любовь владельцев “москвичей” к тиристорным системам зажигания. О обратный фронт очень быстро возвращается, и искра может быть короткой. Это – один из факторов “вечной жизни” свечей в старых моторах BMW.

Относительно обычного транзисторного зажигания, система получается намного сложнее и опаснее. Мало того, что такая искра способна ударить током, так и 300 вольт, подаваемые на первичную обмотку катушки зажигания, способны убить горе-специалиста автосервиса (а там, похоже, только такие остались).

Тем не менее, система зажиганию Common Rail по цене намного дороже и конструктивно сложнее. Вдобавок, эта система как правило сильно изнашивает поршневую. Но зато, это в духе современной коммерции: платите в кассы! А мы за это продадим вам призрачное преимущество – большую мощность двигателя при том же объеме. Неужели просто объем больше нельзя поставить, загнав его в нужный режим по крутящему моменту компьютером, как у BMW?

Чип тюнинг двигателя

Кроме того, что мы Вам рассказали, есть и самый простой способ повысить КПД двигателя. Увеличить мощность мотора любого автомобиля можно не только на бензиновом но и дизельном силовом агрегате. С этой целью используется Чип Тюнинг двигателя.

В обычном бензиновом двигателе, без турбо наддува, чип тюнингом можно добиться большего нагнетания горючей смеси в цилиндры. Изменить режимы работы различных систем. Можно экспериментировать с установкой более высоких углов опережения системы зажигания. Менять показатель ограничения количества оборотов и многое другое.

У турбированных моторах можно изменять максимальное давление и настройку момента запуска турбо наддува.

Чип тюнинг увеличивает мощность и крутящий момент бензинового атмосферного двигателя на 5–10 %. Это относится и к атмосферным дизельным моторам. Стоит заметить, что чип тюнинг турбированного дизельного двигателя позволяет увеличить его мощность на 20–25 %. Кроме того крутящий момент увеличивается до 30%.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

Методы повышения эффективности работы котла

Фактические показатели КПД для котлов различных типов

На первом этапе нужно правильно подобрать тип отопительного оборудования. Определяющими показателями для организации отопления с высоким КПД являются тип используемого топлива и мощность котла. Лучше всего себя зарекомендовали себя модели, работающие на газе.

Как видно из данных графика, существенного отличия при работе котла в нормальном режиме нет. Разница КПД для газовых котлов отопления возникает только в момент запуска до достижения требуемого температурного режима (50-70°С). Затем происходит стабилизация работы и показателя эффективности. Но для улучшения последней можно сделать следующие шаги:

• Разница между расчетной и фактической мощности котла не должна быть более 15%. Превышение значения приведет к неполному сгоранию газов, что еще больше увеличит расход топлива;
• Использование конденсационного фактора. Это незначительно повысит КПД у всей системы отопления. Однако стоимость конденсационных котлов отличатся от традиционных на 35-40%;
• Уменьшение тепловых потерь через дымоход. Увеличение КПД батареи отопления напрямую зависит от этого фактора.

Работа чугунного радиатора через тепловизор

Выполнив эти условия можно на 1-1,5 процента повысить эффективность работы отопительных приборов. Но лучше всего изначально приобретать подходящую модель кота, которая максимально соответствует параметрам всей системы.

Во время работы конденсационных котлов скапливаемую жидкость нельзя утилизировать в канализацию. Она имеет ряд вредных элементов, что скажется на работе автономной системы отчистки сточных вод.

Как повысить коэффициент полезного действия котла?

Предлагаем вам ознакомиться с рекомендациями, которые направлены на повышение продуктивности работы системы:

1. Если причина недостаточно эффективной работы кроется в площади отбора тепловой энергии, для ее увеличения устанавливается турбулизатор. Его размещают между теплообменником и топочной камерой.
2. Чтобы устранить теплопотери, возникающие вследствие химического недожога, необходимо грамотно настроить работу оборудования. Рекомендуем доверять эту процедуру только специалисту. Также для снижения тяги рекомендуется установить ее ограничитель. Его установка позволяет регулировать сечение дымоходной трубы. Монтаж ограничителя тяги особенно необходим при сильно низких температурах снаружи.
3. Для снижения теплопотерь, возникающих из-за физического недожога, и поддержания нормальной тяги необходимо своевременно удалять сажу, которая образовывается на жаровых трубах. Также необходимо удалять накипь, образующуюся на отопительном контуре. Регулярная очистка этих элементов позволяет устранить физические теплопотери.
4. Поддерживать должное состояние труб системы отопления. Металлические трубы могут «зарастать» изнутри вследствие грязевых отложений. С ПВХ-трубами такого не происходит, но в профилактических целях рекомендуется периодически выполнять продувку отопительной системы. Полностью сливать теплоноситель не стоит. Так как при поступлении неочищенной воды, ее нагревании и прохождении через трубы, выпадает осадок. Из-за этого на стенках трубопроводов образуется накипь.
5. Отрегулировать заслонку поддувала. Для этого необходимо использовать термометр. Заслонку устанавливают в то положение, при котором достигается максимальное значение температуры теплоносителя.
6. Поддерживать нормальную тягу. Во избежание ее ухудшения требуется регулярное очищение дымоотводящей трубы от продуктов сгорания. А также нельзя допускать образования копоти в камере сгорания. Из-за большого количества копоти увеличивается объем потребляемого топлива.
7. Для повышения эффективности котельного оборудования, работающего на газовом топливе, также можно выполнить монтаж коаксиального дымохода. У традиционных дымовых труб есть очевидный недостаток – они зависимы от внешних условий. Коаксиальная отводящая труба отличается стойкостью к скачкам температуры, обеспечивает поддержание заданных температурных параметров в помещении, экономит газ. Конструктивно коаксиальный дымоход состоит из двух труб, которые имеют разный диаметр. Одна труба используется для транспортировки продуктов сгорания, вторая – воздуха, который насыщен кислородом.

Устранить эти причины снижения КПД котлов реально своими руками без вызова специалистов.

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.

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%.

КПД теплового двигателя (формула)

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q1. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q2