Кпд двс в среднем: КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя – что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

• Вид топлива.
• Способ образования топливно-воздушной смеси.
• Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Каков КПД автомобиля?. Удивительная механика

Каков КПД автомобиля?

Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.

А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.

Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.

Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности

А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!

А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.

Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.

Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.

Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!

На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля. Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.

Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.

Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ

Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.

Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.

В цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного. Так фактическая степень сжатия смеси оказывается ниже, чем геометрическая. А вот расширение происходит полное. В результате удаётся лучше использовать энергию горячих газов и выбрасывать меньше полезного тепла в выхлопную трубу. Правда, для корректной работы такого цикла на разных нагрузках и оборотах не обойтись без фазовращателей.

Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.

На рисунке показаны выпускной коллектор новой «четвёрки» и вихрь на впуске, который генерируется специально подобранной формой впускных каналов.

Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.

Интересно, что мотор 1.8 2ZR-FXE на нынешнем Приусе показывает тепловой КПД 38,5% при степени сжатия 13:1. Но то агрегат, специально созданный под гибридную систему, которая может уравновесить недостатки цикла Аткинсона (скажем, неустойчивость работы на малых оборотах).

Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в коопера

КПД двигателя внутреннего сгорания — обзорная статья

Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.

Что такое КПД двигателя внутреннего сгорания

Отношение полезной энергии к полной (затраченной), выраженное в процентном отношении, и есть искомый КПД двигателя внутреннего сгорания. Разберемся, куда же теряется энергия.

На что тратиться полезная энергия?

Первый пункт здесь – это потери, возникающие непосредственно при горении топлива, ведь все топливо в двигателе никогда не сгорает, часть его улетает в выхлопную трубу. Эта часть, в среднем, составляет около 25%.

Следующим местом (точнее явлением), куда исчезает энергия, является тепло, выделяемое при горении. Возможно, кто-то из вас еще помнит со времен, проведенных на школьной скамье, что для получения тепла требуется энергия, соответственно, образуемое тепло – это есть потери энергии. Здесь стоит заметить, что тепла при работе двигателя внутреннего сгорания образуется с излишком, что требует внедрения серьезной системы охлаждения.

Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.

Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.

Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.

Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.

КПД бензинового и дизельного двигателя

При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.

Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.

КПД ДВС Видео

Рекомендую прочитать:

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

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%.

 

Читайте также

2 Альтернативные автомобильные технологии: состояние, возможности и препятствия | Переход на альтернативные транспортные средства и виды топлива

Повышение цен на

обсуждается в главе 5. Дополнительная информация о том, как комитет пришел к своим оценкам экономии топлива и прямых производственных затрат, приведена в Приложении F.

2.5 ПОДКЛЮЧАЕМЫЕ ЭЛЕКТРОМОБИЛИ

В производстве находятся три совершенно разные конфигурации, которые используют энергию батареи для приведения в движение: HEV, обсуждавшиеся в предыдущем разделе; PHEV; и BEV.У каждого есть перезаряжаемый аккумулятор, предназначенный для определенной службы. Chevrolet Volt — первый серийный PHEV ⁹ , а Nissan Leaf — первый серийный BEV ¹⁰ , представленный на рынке США. Другие производители представят электромобили обоих типов в течение следующих нескольких лет. Улучшение аккумуляторных технологий будет иметь решающее значение для успеха электромобилей.

Подключаемые гибриды концептуально похожи на HEV. Тот же набор улучшений в экономии топлива, которые принесут пользу HEV, также принесет пользу PHEV.Аккумуляторы PHEV имеют около 4-20 киловатт-часов (кВтч) запасенной энергии, которую можно заряжать от сети. PHEV могут проехать от 10 до 40 миль на электричестве до того, как понадобится двигатель. Таким образом, водитель, который не выходит за пределы электрического диапазона и заряжает автомобиль перед его повторным использованием, будет использовать мало бензина или вообще не использовать его. Однако при движении за пределы режима истощения заряда первых 10-40 миль транспортные средства работают как обычные гибридные транспортные средства (в режиме поддержания заряда), устраняя опасения по дальности, связанные с BEV.Предполагалось, что эффективность PHEV равна эффективности BEV при работе от аккумуляторной батареи и такой же, как HEV, когда двигатель работает.

BEV не имеет двигателя, что дает значительную экономию по сравнению с PHEV, но в настоящее время аккумуляторная батарея даже для небольшого транспортного средства ближнего действия, вероятно, будет составлять не менее 20 кВтч, а большому внедорожнику может потребоваться 100 кВтч для диапазона 200 миль. Nissan Leaf имеет аккумулятор на 24 кВтч. Таким образом, стоимость батареи будет ключевым фактором успеха PHEV и BEV.Основываясь на моделировании энергопотребления, описанном ранее в этой главе, автомобилю, который сегодня потребляет 30 миль на галлон, если он построен как BEV, потребуется около 26 кВтч / 100 миль. Для диапазона 300 миль аккумулятор потребует не менее 78 кВтч доступной энергии. ¹¹ При нынешних технологиях и затратах он был бы чрезмерно дорогим, тяжелым и громоздким для большинства приложений, а для зарядки потребовалось бы слишком много времени. При текущей оценке стоимости аккумуляторного блока в 450 долларов США за киловатт-час (см. Раздел 2.5.3 ниже) батарея на 78 кВт-ч стоит 35000 долларов.Перспективы снижения стоимости обсуждаются ниже.

Другие соображения для автомобилей с подзарядкой от сети включают запас хода, которого можно достичь в доступном автомобиле, и время, необходимое для подзарядки. По мере увеличения веса транспортного средства, аэродинамического сопротивления и сопротивления качению дальность действия может быть увеличена для батареи того же размера, или для того же диапазона можно использовать меньшую и менее дорогую батарею. Многие PHEV и BEV можно подключить дома на ночь к обычным линиям 110 или 220 вольт.Постепенная зарядка, как правило, лучше всего подходит для аккумуляторов, а зарядка в ночное время лучше всего для поставщика электроэнергии, так как потребление энергии ниже, чем днем, и имеется избыточная генерирующая мощность (см. Главу 3). Быстрая зарядка более сложна для аккумуляторов, требует более дорогой инфраструктуры и, вероятно, будет использовать электричество при пиковых нагрузках с более высокой стоимостью, более низкой эффективностью и более высокими выбросами парниковых газов.

2.5.1 Аккумуляторы для электромобилей

Существует общее мнение, что в обозримом будущем литий-ионный аккумулятор будет предпочтительным аккумулятором для электромобилей.Он был разработан для индустрии портативной электроники 20 лет назад из-за его легкого веса, превосходной способности аккумулировать энергию и длительного срока службы — атрибутов, которые также важны для электромобилей. Рабочие характеристики элементов неуклонно повышались за счет улучшений во внутренней структуре электродов, конструкции элементов и производственных процессов, а также за счет внедрения анодных и катодных материалов с более высокими характеристиками.

Существует несколько литий-ионных химических компонентов, которые исследуются для использования в транспортных средствах, но ни один из них не предлагает идеального сочетания плотности энергии, мощности, долговечности, безопасности и стоимости.HEV также переходят на литий-ионные батареи из исходной химии никель-металлогидрид. Батареи HEV, которые оптимизированы для высокой мощности, могут отличаться от батарей для PHEV и BEV, которые будут оптимизированы для высокой энергии и низкой стоимости.

Разработка цилиндрического литий-ионного элемента 18650 для индустрии портативной электроники показывает, как могут развиваться автомобильные аккумуляторы. В 1991 году стоимость 18650 составляла 3,17 доллара за час. Двадцать лет спустя тот же элемент стоит 0,20 доллара США / Вт · ч, в то время как емкость заряда аккумулятора увеличилась с 1 А · ч (А · ч) до более 3 А · ч при том же объеме (см. Рисунок 2.2). Эти улучшения стали результатом внедрения новых высокоэффективных материалов, улучшений конструкции элементов и электродов, а также крупносерийных производственных процессов с уменьшением потерь. Как показывает практика для высокоавтоматизированного производства ячеек, материалы ячеек составляют от 60 до 80 процентов стоимости ячеек при серийном производстве. ¹²

_______________________

⁹ Полностью электрический запас хода Volt сертифицирован EPA и составляет 38 миль.General Motors называет Volt электромобилем с увеличенным запасом хода, потому что всю мощность на колеса передает электромотор, в отличие, скажем, от Toyota Prius PHEV. Однако оба являются гибридами, поскольку имеют два источника топлива.

¹⁰ Сертифицированный EPA диапазон составляет 73 мили, но оценки сильно различаются; Кроме того, дальность действия чрезвычайно чувствительна к погодным условиям, условиям вождения и поведению водителя.

¹¹ Доступная энергия обычно меньше, чем емкость аккумуляторного блока, указанная на паспортной табличке, поскольку аккумуляторы могут не полностью разряжаться, чтобы избежать снижения срока службы аккумулятора и потери мощности.Кроме того, доступная энергия может быть эффективно снижена за счет энергии, необходимой для компенсации потери эффективности транспортного средства, вызванной дополнительным весом более крупной батареи для большей дальности.

¹² Используемый здесь термин «материалы» означает обработанные материалы, готовые для производства клеток. Это не значит, что сырье может быть намного дешевле.

Wells to wheel: экономичность электромобиля

Колодцы к колесам: экономичность электромобиля 22 февраля 2013 г.

Автор: Мори Марковиц об электромобилях.
Теги: электромобили
trackback

Один из распространенных аргументов против электрификации автомобиля состоит в том, что все, что он на самом деле делает, — это перемещает двигатель из одного места в другое — с вашего автомобиля на силовую установку. Отодвигать выхлопные газы подальше от людей дает преимущество, но в целом утверждается, что эффект весьма ограничен.

Угадайте, пора математику!

Если мы собираемся сравнить электрику с автомобилями с обычным двигателем внутреннего сгорания (ДВС), нам нужно правильно измерить.

При использовании обычных топливных циклов мы часто хотим знать о двух основных показателях: «эффективность от бака к колесу», которая говорит вам, насколько эффективно ваш двигатель превращает топливо в движение, и «эффективность от скважины к колесу», которая добавляет энергию, необходимую для получения это топливо в ваш бензобак.

Для обычных автомобилей вы можете просто погуглить эти числа за секунды. Поэтому, если мы хотим провести прямое сравнение, мы хотим получить аналогичные показатели для электромобилей.

Итак, начнем с танка на колесо

Одно из достоинств электродвигателей заключается в том, что они эффективно работают в широком диапазоне скоростей.ДВС варьируется от 0% на холостом ходу до примерно 30% от низкого до среднего. Электродвигатель работает в диапазоне от низких 80 до 90% во всем диапазоне оборотов.

Раньше велись споры о том, должны ли электромобили иметь передачи, как правило, две. Это удерживает двигатель в диапазоне от среднего до высокого уровня 90-х, но добавляет сложности. Эта дискуссия окончена; ни один современный электромобиль не имеет более одной шестерни с фиксированной скоростью.

Итак, в электромобиле нет основной системы трансмиссии, компонентов карданного вала, а в некоторых конструкциях даже нет осей или дифференциалов.Современная электрическая трансмиссия намного проще современной бензиновой, а количество деталей в ней в десятки или сотни раз меньше.

Это трансмиссия в Tesla S. Это двигатель между двумя колесами.

Справа находится изображение Tesla Model S (из Rides with Chuck), и это, по сути, весь автомобиль — двигатели размещены между колесами (изображение большого цилиндра посередине), где передняя и задняя оси / трансмиссия будут быть, и аккумулятор в полу автомобиля (светло-серебристая часть вверху слева).

В обычном автомобиле трансмиссия потребляет от двигателя от 5 до 6% энергии, а в электрическом исполнении это значение близко к 0%.

Сам по себе двигатель фантастически эффективен, но это касается электричества, подаваемого к нему от батарей. Это преобразование не является прямым — батареи обеспечивают питание постоянного тока, но двигатель использует переменный ток, поэтому вам нужно использовать «инвертор», чтобы переключить его с одного на другой. Современные инверторы имеют КПД около 95%.

В бензиновом автомобиле топливо, которое закачивается в ваш бак, используется непосредственно в двигателе.Это не относится к электромобилю, где «топливо» — это переменный ток из вашего дома, а бак — это батарея, полная постоянного тока. Таким образом, мы должны преобразовать переменный ток в постоянный с помощью зарядного устройства, эффективность которого также составляет около 95%.

Правильно — мы начинаем с переменного тока, превращаем его в постоянный ток, затем снова в переменный ток и затем в движение. Звучит не очень хорошо, правда?

И, наконец, нужно учитывать утечку. Когда я заряжаю батарею, не вся энергия сохраняется, часть ее расходуется, проталкивая электроны через батарею.Обычно здесь КПД составляет от 85 до 90%.

Таким образом, приблизительная оценка полного КПД колеса туда и обратно составляет:

0,90 (двигатель и трансмиссия) x 0,95 (инвертор) x 0,90 (аккумулятор) x 0,95 (зарядное устройство) = 73%

Это число хорошо согласуется с утверждениями Tesla, согласно которым КПД составляет 75%. Владельцы Tesla и Leaf сообщают о несколько более низких реальных цифрах зарядки, при этом часть цикла зарядного устройства и аккумулятора составляет порядка 80-85%.Если мы используем эти числа, мы получим:

0,90 (двигатель и трансмиссия) x 0,95 (инвертор) x 0,8 (аккумулятор и зарядное устройство) = 68%

Это небольшая разница, поэтому мы разделим ее и назовем 70%. Как это по сравнению с обычным автомобилем? На самом деле, неплохо. Обычный бензиновый автомобиль имеет КПД между баками и колесами 16%.

Верно, электромобиль на в четыре раза эффективнее при превращении энергии в движение.

Но тогда есть хорошо колесо

Это сравнение не относится к яблокам и яблокам, потому что оно не учитывает источник электричества.

Вы будете получать электроэнергию из различных источников, в том числе угля, природного газа, ядерной энергии и множества возобновляемых источников энергии, таких как гидро-, ветровая и солнечная. Прямо сейчас сеть в Северной Америке претерпевает массовый переход с угля на природный газ. Там все еще много угля. Но есть еще много гидроэнергетики и атомной энергетики. Когда вы усредняете все, получается, что мы получаем 100% нашей энергии от NG. На самом деле это верно только в США, здесь, в Канаде, мы получаем более половины нашей энергии от гидроэлектростанций, поэтому структура энергоснабжения значительно чище.

ПГ сжигается в больших турбинах, в основном в реактивных двигателях, вращающих генераторы. Турбина имеет примерно такой же общий КПД, что и газовый двигатель, работающий на пике, превращая около 30% энергии топлива в мощность вращающегося вала. Остальное, 70% энергии, теряется в виде тепла. Но у турбин есть еще одна хитрость … в вашей машине излишнее тепло уносится через радиатор или через выхлопную трубу. Но на электростанции мы можем это уловить. Мы используем его, чтобы нагреть воду, превратить ее в пар, а затем используем поток для вращения другой турбины.Эти генераторы «комбинированного цикла» могут иметь КПД до 60%. Когда вы учитываете такие вещи, как дросселирование и нагрузка, эти числа снижаются, но средние значения порядка 50% очень распространены, а большинство современных заводов ближе к 55%.

Тогда мы должны передать вам эту силу. Вопреки тому, что вы, возможно, слышали, электрическая сеть очень эффективна на . Общие потери в сети США составляют всего около 7%. Это число продолжает снижаться по мере того, как мы совершенствуем системы.

Значит, реальное сравнение танка и колеса:

0,5 (генератор) x 0,93 (потери в линии) x 0,7 (вся сторона кабины) = 33%

Теперь мы должны доставить этот газ и на ПГ. Бурение и добыча требует энергии, эквивалентной примерно 9% топлива, и транспортировка его по трубопроводу чрезвычайно эффективна, составляя около 1,5% энергии. Это означает, что полный цикл составляет:

0,91 (извлечение) x 0,985 (транспортировка) x 0,33 = 29%

И эта оценка определенно консервативна, в большинстве научных работ она приближается к 35-40%, что на 5-10% лучше, чем то, что я здесь подсчитал.

Итак, теперь у нас есть число, которое мы действительно можем сравнить напрямую с бензиновым автомобилем — мы учитываем все, от колодца до колеса, и это число составляет около 30%.

Итак, каково типичное значение расстояния до колеса для обычного автомобиля? Около 14%.

Шкаф для электрики

По сути, если мы возьмем бензин, который вы заливаете в машину, и сожжем его в турбине, а затем направим эту мощность на ваш электромобиль, общая эффективность системы удвоится.

Двойной .

И это тупой способ что-то делать. Прелесть «экономии электроэнергии» в том, что батареи можно заряжать в любой момент. Они не потребляют уголь и энергию природного газа, которые являются пиковыми расходами в течение дня. Они заряжаются ночью, когда в основном ядерная и ветровая. По мере того, как в смесь включается все больше и больше источников энергии, неизменно более эффективных и менее загрязняющих, чем существующие генераторы, ваш автомобиль становится все лучше и лучше.Вы не можете сделать это со своим существующим автомобилем, эффективность и выбросы которого фиксированы на момент его постройки и, как правило, со временем ухудшаются.

Автомобиль с атомным двигателем. Да, действительно.

Есть люди, которые говорят, что мы должны «сжигать» водород, например, в топливных элементах. Но я могу сделать это на электростанции и отправить его в свою машину с общим убытком всего 30%. Другие говорят, что мы должны использовать больше биотоплива. Но я могу сжечь их на электростанции и отправить в свою машину, что приведет к потере всего 30%.Хотите автомобиль с ядерным двигателем? Сжечь его на электростанции и отправить в мою машину с полными потерями всего 30%.

Вы видите, как это работает? Электромобили сжигают всего. Это идеальные автомобили с гибким топливом. Какое бы новое топливо мы ни изобрели в будущем, ваша машина будет его сжигать, ничего не меняя.

А пока…

Пока мы ждем неизбежного перехода на электричество, у нас есть проблемы, которые мы хотим решить в ближайшее время. И быстрое решение — подключаемые гибриды, или PEH.Это дает нам все преимущества электричества в подавляющем большинстве поездок и дает вам надежный вариант для длительных поездок. Разница между PEH и полностью электрическим транспортным средством заключается в том, что вы везде носите двигатель, даже если он вам не нужен. Но если вы вытащите его, вам понадобится больше батарей, так что разница не такая большая, как вы думаете. А поскольку у PEH меньше батареи, скажем, на 1/4 меньше, чем у полностью электрического, так что пока батареи остаются такими же дорогими, как сейчас, это гораздо более дешевый вариант.

Итак, я коплю на PEH. Мне очень нравится Ford Fusion…

Обновление 2016: Поскольку мой Civic Hybrid отказывается умирать, мой выбор становится все лучше. Стоимость Fusion Hybrid в настоящее время составляет ~ 26 тысяч долларов за базовую модель, но я могу получить Tesla 3 примерно за 40 тысяч долларов. Bolt скоро будет доступен здесь, и ходят слухи, что Subaru сделает электрический Forester или Outback к 2019 году.

Тепловой КПД

Погрузка

Тепловой КПД — это способ измерения КПД двигателя внутреннего сгорания.Двигатели внутреннего сгорания в целом по своей сути неэффективны, и даже современные современные двигатели F1 не являются исключением. Они очень неэффективны, когда дело доходит до преобразования мощности топливно-воздушной смеси в мощность на задних колесах. Для двигателя F1 это значение (до изменения технических правил 2014 г.) обычно составляло около 30% и ниже. Это означает, что если типичный двигатель F1 выдает на динамометрическом стенде чуть меньше 560 кВт (примерно 750 л.с.), то теряется примерно 1500 кВт (или потенциально 2000 л.с.) энергии, в основном из-за тепла.После изменения правил в 2014 году цифра 30% изменилась: от старых двигателей внутреннего сгорания 2,6 V8 без наддува с тепловым КПД около 30% до 40% с новыми двигателями 1,6 V6, и это огромный шаг вперед.
Между тем, после 2015 года технология повысила эффективность двигателей до 47% и достигла исторического максимума мощности — и все это с ДВС, ограниченным потреблением топлива со скоростью всего 100 кг / час, что означает, что 50% потенциальной мощности чем можно вывести из единицы конвертируемого бензина.Цель — 100%, но это еще далеко. В начале двигателя внутреннего сгорания стандартным был КПД 12%. За 130 лет этот показатель увеличился до 29%, что соответствует уровню двигателей F1 V8 в 2013 году. Постепенно этот показатель вырос до 50%.

Турбогибридные «силовые агрегаты» V6, представленные в Формуле-1 в 2014 году, представляют собой шедевры технологий, которые сделали революционный шаг вперед в производительности двигателя внутреннего сгорания. За 130 лет КПД увеличился с 12% до 29%, то есть на 0 в год.68%. За 3 года, когда у F1 появились эти новые силовые агрегаты, они повысили эффективность почти до 50%. Ежегодное увеличение на 20%. Это означает, что скорость прогресса в отношении эффективности более чем на 98% выше с тех пор, как были задействованы инженеры F1.

---

Mercedes доминировал в Формуле-1 с момента введения действующих правил в 2014 году и большую часть этого периода имел значительное преимущество в силе над своими соперниками. В презентации для СМИ на заводе по производству двигателей в Бриксворте Энди Коуэлл, руководитель двигателей Mercedes объяснил, что нынешний 1.6-литровый турбогибрид V6 теперь производит больше мощности, чем 3,0-литровый двигатель V10 Mercedes 2005 года, превышающий 900 л.с., и говорит, что нет никаких оснований полагать, что темпы его развития замедлятся в ближайшие несколько лет.
«Это самый мощный двигатель Формулы-1, [который мы сделали], с более чем 900 л.с.. Это довольно неплохо, если исходить из этого маленького шустрого 1,6-литрового двигателя, но эта мощность была создана благодаря изменению эффективности. автомобильные технологии и новые развивающиеся технологии присутствуют в MGU-H.
Коуэлл сообщил, что силовой агрегат Mercedes в настоящее время достигает более 45 и почти 50 процентов теплового КПД, то есть 45-50 процентов потенциальной энергии топлива передается на коленчатый вал, а КПД превышает 50 процентов, когда ERS работает на полную мощность.
Для сравнения: двигатели V8 до 2014 года имели тепловой КПД 29 процентов, а первая итерация Mercedes V6 turbo в 2014 году обеспечивала 40-процентный тепловой КПД.

---

Вообще говоря, если вы хотите выяснить эффективность двигателя внутреннего сгорания, вы, как правило, смотрите на дизельные двигатели на огромных кораблях, которые работают со скоростью 100 об / мин или что-то в этом роде.Они настолько медленные, что у них очень мало трения, и они настолько устойчивы в работе, что их можно настроить и оптимизировать для работы в одном цикле для достижения оптимальной эффективности. Этот одноцелевой двигатель, разработанный исключительно для экономии топлива, работает в течение нескольких дней, и никто к нему не прикасается, и у них есть отличные, большие установки для рекуперации тепла размером с дом. Это своего рода ориентир для термически эффективного двигателя внутреннего сгорания.

Потеря энергии через выхлопные газы представляет собой очень важный источник энергии, который необходимо задействовать для повышения эффективности и, следовательно, выходной мощности двигателя.Чтобы сделать двигатели более энергоэффективными и иметь большее отношение к производственной автомобильной промышленности, FIA и производители двигателей договорились изменить формат двигателей на 2014 год и далее. Согласованная конфигурация представляет собой 6-цилиндровый двигатель объемом 1600 куб. См -V- 90 градусов с ограничением REV 15 000 об / мин. При желании сохранить уровни мощности, аналогичные двигателям спецификации 2013 года, разрешены системы турбонаддува и рекуперации энергии. Эти двигатели являются наиболее впечатляющими двигателями в истории отрасли, с неслыханными показателями теплового КПД и впечатляющими показателями мощности при потребляемом количестве топлива.Чтобы узнать больше о новых двигателях 2014 года (силовых агрегатах), прочтите мою статью здесь.
Внедрение такой технологии в Формуле-1, несомненно, будет иметь большое значение для повышения экологичности автоспорта и, кроме того, разработки технологии, которая окажется полезной для применения в дорожных автомобилях.

Это изображение и энергетическая дорожка для современных бензиновых дорожных автомобилей. Автомобиль F1 примерно на 25% эффективнее! (зеленая часть диаграммы).

Например, тепло смазочного масла рассеивает около 120 кВт энергии, система водяного охлаждения около 160 кВт и гидравлика около 30 кВт.
30% оставшейся потерянной энергии теряется из-за выхлопных газов и тепла, в то время как до 10% доступной энергии может приходиться на несгоревшее топливо. Небольшой процент превращается в характерный звук автомобиля F1. И это сложная задача, поскольку шум по определению — это растрата энергии, и весь смысл гибридных двигателей состоит в том, чтобы регенерировать как можно больше того, что традиционно было бы потраченной впустую энергии.

Отвести это тепло в окружающий воздух — настоящая проблема для дизайнеров. Хотя теплообменники гоночного автомобиля чрезвычайно эффективны, их способность охлаждать двигатель является функцией «производительности по воздуху».По сути, насколько большую массу воздуха вы можете заставить проходить через радиатор для данной области в данный момент. Это зависит от создания высоких скоростей воздуха во впускных каналах радиатора. Однако, как правило, скорость воздуха в воздуховодах радиатора (боковые части автомобиля F1) составляет всего 10-15% от скорости автомобиля. Таким образом, даже если машина движется со скоростью 300 км / ч, воздух в воздуховодах, вероятно, будет только 30-40 км / ч. Эти данные более или менее одинаковы для всех гоночных автомобилей без дополнительного вентилятора. Для семейной машины скорость воздуха еще меньше, но помогает вентилятор охлаждения.
Если проектировщик сделает отверстия воздухозаборников охлаждающих каналов слишком большими, это улучшит охлаждение, но затянет. Если они будут слишком маленькими, перегрев будет проблемой. Они должны найти правильный баланс между охлаждением и аэродинамическими характеристиками, потому что чем больше воздуха они пропускают через радиаторы, тем менее эффективной становится общая аэродинамика. Больше воздуха они пропускают через радиаторы, меньше воздуха остается под полом, диффузором и задними крыльями.

Они не могут сделать внутреннюю аэродинамику такой чистой и эффективной, как внешняя.Фактически, переключение между минимальным и максимальным охлаждением может снизить прижимную силу на целых 5%, что означает дефицит времени прохождения круга около 0,4 с на средней трассе. Поскольку воздухозаборник определяется в основном на ранних этапах проектирования автомобиля F1 и не может быть легко изменен в течение сезона (воздухозаборник очень часто проектируется как часть зоны бокового удара), воздушный поток, проходящий через боковые стойки, регулируется различными конфигурациями выход радиатора, и у автомобиля F1 есть множество различных возможных конфигураций, чтобы справиться с любыми условиями.Конфигурация, используемая в конкретном контуре, определяется в зависимости от температуры окружающей среды, «факторов контура», таких как степень использования полного дросселя, и температурных пределов, при которых может работать двигатель.

Как правило, температура масла составляет около 100 ° C и выше, а давление воды составляет 3,75 бар (ограничено FIA), что позволяет поднять точку кипения примерно до 120 ° C. Использование более высоких температур воды означает, что для них требуется меньший поток воздуха через радиаторы. и таким образом они могут улучшить аэродинамические характеристики.
Этот выбор влечет за собой штраф: каждые дополнительные 5 ° C температуры воды, которую они запускают, в результате чего выпускные отверстия радиатора становятся меньше, лишают двигатель более 1 л.с. Однако важность аэродинамики в современной F1 означает, что они продолжают уделять значительные ресурсы и время в аэродинамической трубе охлаждению и внутренней аэродинамике. Это лучше всего иллюстрируется тем фактом, что штраф с точки зрения аэродинамической эффективности, который они должны принять за падение температуры в автомобиле на 10 ° C, на 80% меньше, чем это было всего четыре года назад.Это доказывает, что внутренняя аэродинамика автомобиля F1 так же важна, как и внешняя аэродинамика. Только мы этого не видим.

После изменения формулы двигателя 2014 года в двигателях F1 используются две отдельные гибридные технологии. Один восстанавливает энергию от задней оси во время торможения, сохраняет ее в батарее и повторно использует ее при ускорении. Вторая, совершенно новая технология, рекуперирует энергию вала турбокомпрессора и используется для двух целей. Его можно применять непосредственно к задним колесам для увеличения ускорения, и его можно использовать для запуска электродвигателя на турбонагнетателе, чтобы раскрутить его, чтобы вы сразу получили ускорение, как только водитель нажмет на акселератор.Это почти полностью устраняет задержку отклика дроссельной заслонки, присущую двигателям с турбонаддувом, которая известна как «турбо-лаг». Вот где двигатели F1 актуальны для дорог.

Сочетание этих двух гибридных технологий привело к тому, что двигатели F1 теперь имеют тепловой КПД более 40% — лучше, чем у дорожного дизельного двигателя.

Вернуться к началу страницы

Международная таблица показателей энергоэффективности

Перейти к основному содержанию

Главное меню

• Около
• Наши доски
  • совет директоров
  • Консультативный совет по исследованиям
• Наш персонал
• Союзник / Корпорация
• Работа и стажировки

Поиск Поиск Поиск

Пожертвовать

Поиск

Главное меню

• Избранные темы
  • Все темы
  • Политика строительства
  • Вакансии
  • Сельские общины
• Исследовательские программы
  • Федеральная политика
  • Государственная политика
  • Местная политика
  • Утилиты
  • Здания
  • Промышленность
  • Транспорт
  • Экономика и финансы
  • Поведение
  • Международный
  • Здоровье и окружающая среда
• Ресурсы
  • Исследование
  • Нормативная подача
  • Бюллетени
  • Летние учебные материалы
  • Просмотреть все ресурсы
• Новости и блог
  • Пресс-релизы
  • Новостная рассылка
  • Блог
  • Видео
  • Просмотреть все новости
• События
  • ACEEE События
  • Партнерские мероприятия
  • Архив событий
  • Летние учебные материалы
  • Кодекс поведения конференции
  • Записи конференций

Поиск Поиск Поиск

Поиск Поиск Поиск

Главное меню

• Избранные темы
  • Все темы
  • Политика строительства
  • Вакансии
  • Сельские общины
• Исследовательские программы
  • Федеральная политика
  • Государственная политика
  • Местная политика
  • Утилиты
  • Здания
  • Промышленность
  • Транспорт
  • Экономика и финансы
  • Поведение
  • Международный
  • Здоровье и окружающая среда
• Ресурсы
  • Исследование
  • Нормативная подача

Тепловой КПД — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Тепловой КПД (ηth {\ displaystyle \ eta _ {th} \,}) — это безразмерный показатель производительности теплового устройства, такого как внутренний например, двигатель внутреннего сгорания, котел или топка.

Вход Qin {\ displaystyle Q_ {in} \,} в устройство — это тепло или теплосодержание потребляемого топлива. Желаемый результат — это механическая работа, Wout {\ displaystyle W_ {out} \,}, или тепло, Qout {\ displaystyle Q_ {out} \,}, или, возможно, оба. Поскольку входящее тепло обычно связано с реальными финансовыми затратами, запоминающееся общее определение термического КПД: ^[1]

ηth≡OutputInput. {\ Displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {\ text {Output }}{\ввод текста}}}.}

Согласно первому и второму законам термодинамики, выход не может превышать входной, поэтому

0≤ηth≤1.0. {\ Displaystyle 0 \ leq \ eta _ {th} \ leq 1.0.}

Термический КПД, выраженный в процентах, должен находиться в пределах от 0% до 100%. Из-за неэффективности, такой как трение, потеря тепла и других факторов, тепловой КПД обычно намного меньше 100%. Например, типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД около 25%, а большая угольная электростанция достигает пика около 36%. Тепловой КПД парогазовой установки приближается к 60%.

При преобразовании тепловой энергии в механическую, тепловой КПД теплового двигателя — это процент энергии, преобразованной в работу.Термический КПД определяется как

ηth≡WoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {W_ {out}} {Q_ {in}}}},

или через первый закон термодинамики, чтобы заменить отказ от отработанного тепла для произведенной работы,

ηth = 1 − QoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} = 1 — {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}}.

Например, когда 1000 джоулей тепловой энергии преобразуется в 300 джоулей механической энергии (а оставшиеся 700 джоулей рассеиваются как отходящее тепло), тепловой КПД составляет 30%.

Для устройства преобразования энергии, такого как котел или печь, тепловой КПД равен

ηth≡QoutQin {\ displaystyle \ eta _ {th} \ Equiv {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}}.

Таким образом, для котла, который производит 210 кВт (или 700 000 БТЕ / ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ / ч) вводимого теплового эквивалента, его тепловой КПД составляет 210/300 = 0,70, или 70%. Это означает, что 30% энергии теряется в окружающей среде.

Электрический резистивный нагреватель имеет тепловой КПД около 100% или около него, поэтому, например, 1500 Вт тепла вырабатывается на 1500 Вт входной электроэнергии.При сравнении нагревательных элементов, таких как электрический резистивный нагреватель с КПД 100% и топкой на природном газе с КПД 80%, необходимо сравнить цены на энергию, чтобы найти более низкую стоимость.

Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры, например, перемещают тепло, а не преобразовывают его, поэтому для описания их тепловых характеристик необходимы другие меры. Общими показателями являются коэффициент полезного действия (COP), коэффициент энергоэффективности (EER) и сезонный коэффициент энергоэффективности (SEER).

КПД теплового насоса (HP) и холодильников (R) *:
EHP = | QH || W | {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {| Q_ {H} |} {| W |}}}

ER = | QL || W | {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {| Q_ {L} |} {| W |}}}

EHP − ER = 1 {\ displaystyle \ displaystyle E_ {HP} -E_ {R} = 1}

Если температуры на обоих концах теплового насоса или холодильника постоянны, а их процессы обратимы:

EHP = THTH-TL {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

ER = TLTH-TL {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

 * H = высокая (температура / источник тепла), L = низкая (температура / источник тепла)
 

«Тепловой КПД» иногда называют энергоэффективностью .В Соединенных Штатах при повседневном использовании SEER является более распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов в режиме нагрева. Для нагревательных устройств с преобразованием энергии часто указывается их пиковая стационарная тепловая эффективность, например, «эта печь имеет КПД 90%», но более подробным показателем сезонной энергоэффективности является Годовая эффективность использования топлива (AFUE). ^[2]

1. ↑ Основы инженерной термодинамики , Хауэлл и Бакиус, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1987
2. ↑ HVAC Systems and Equipment volume of the ASHRAE Handbook , ASHRAE, Inc., Атланта, Джорджия, США, 2004 г.

Является ли энергоэффективность рентабельной? | EnergySage

Последнее обновление 13.07.2020

По оценкам Министерства энергетики США, обычное домашнее хозяйство может сэкономить 25% на счетах за коммунальные услуги с помощью мер по повышению энергоэффективности, что составляет более 2200 долларов в год. Хотя энергоэффективность часто оказывается более дорогостоящим вариантом в краткосрочной перспективе по сравнению с традиционными альтернативами, экономия на счетах за коммунальные услуги в течение срока службы эффективного продукта может полностью компенсировать первоначальную надбавку к затратам и обеспечить неявный возврат инвестиций для домовладельцев.С учетом того, что номинальные цены на топливо для домашних хозяйств, согласно прогнозам, вырастут только в ближайшие пару десятилетий из-за увеличения производственных затрат, это является еще более веским аргументом в пользу инвестиций в энергоэффективность сегодня.

Есть множество энергоэффективных обновлений, которые вы можете сделать в своем доме, от простой замены лампочек до более интенсивных проектов, таких как герметизация утечек воздуха и замена окон. Известно, что энергоэффективность является рентабельным вложением, но фактическая сумма экономии зависит от рассматриваемой модернизации.Общая экономия энергии прямо коррелирует со стоимостью и сложностью модернизации, а это означает, что более обширный ремонт дома приведет к большей экономии со временем.

Кроме того, сочетание совместимых обновлений в рамках подхода «весь дом» принесет непропорционально большую экономию по сравнению с их общей начальной стоимостью. Фактически, по оценкам Министерства энергетики, вы потенциально можете сократить свои счета за коммунальные услуги до 30% за счет нескольких энергоэффективных улучшений в регулировании внутренней температуры.

Энергоэффективное освещение

Замена старых лампочек энергосберегающими альтернативами — один из самых простых способов сократить ваши счета за коммунальные услуги. Однако освещение составляет всего 5% от среднего бюджета энергии, и получаемая в результате экономия не так впечатляет по сравнению с другими мерами по повышению энергоэффективности. Тем не менее, компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиоды (светодиоды) потребляют на 65-80% меньше энергии и служат в 10 и 25 раз дольше, чем традиционные лампы накаливания, соответственно.Энергосберегающие галогенные лампы накаливания потребляют на 25% меньше энергии и служат до трех раз дольше, чем стандартные лампы накаливания.

Светодиодные лампы

— самый дорогой вариант, который в среднем составляет 8 долларов, что в восемь раз больше стоимости традиционной лампы накаливания. Учитывая средний годовой счет за коммунальные услуги в размере 2200 долларов, расчетная экономия энергии в 75-80% на 12-ваттную светодиодную лампу может привести к сокращению ваших счетов за коммунальные услуги в течение года на 22–27,50 долларов.

Если учесть годовую экономию и более длительный срок службы эффективных ламп, энергоэффективные лампы являются явными победителями как с экологической, так и с финансовой точки зрения.Если содержание ртути в лампах CFL вызывает беспокойство, исследование, опубликованное в журнале Environmental Engineering Science , показало, что оставленной без присмотра сломанной лампе CFL потребуется несколько недель, чтобы выбросить в воздух достаточно ртути, которая потенциально может нанести вред детям.

Что такое энергоэффективный прибор?

В среднем доме на бытовые приборы приходится чуть менее четверти общего потребления энергии в жилищном секторе. У бытовой техники есть две цены: покупная цена и стоимость эксплуатации прибора.Чтобы определить истинную стоимость устройства в течение срока его службы, умножьте ежемесячные эксплуатационные расходы на срок службы продукта и прибавьте полученную сумму к покупной цене. Хотя закупочные цены на энергоэффективные приборы выше, в долгосрочной перспективе они могут быть более дешевым вариантом из-за более низких эксплуатационных расходов.

При покупке бытовой техники обращайте внимание на сертификат ENERGY STAR. Устройства, сертифицированные ENERGY STAR, будут потреблять меньше энергии во время активного использования и в режиме ожидания, чем сопоставимые традиционные продукты.Распространенными бытовыми приборами, имеющими маркировку ENERGY STAR, являются холодильники, стиральные и сушильные машины, а также посудомоечные машины. Фактическая экономия зависит от срока службы и показателей экономии энергии, предлагаемых энергоэффективными альтернативами, которые различаются в зависимости от конкретного устройства.

Сушилки для белья — одно из наиболее энергоемких бытовых приборов, потребляющее 4% от общего потребления энергии. Сушилки, сертифицированные ENERGY STAR, потребляют на 20% меньше энергии, чем обычные сушилки для одежды, и могут предложить экономию в среднем 210 долларов за весь срок службы.

Холодильники также занимают одно из первых мест в списке энергозатрат, составляя около 6% от потребляемой энергии. Холодильники ENERGY STAR потребляют на 9% меньше энергии, а эффективные стиральные машины потребляют на 25% меньше энергии и на 45% меньше воды по сравнению со стандартными моделями. Посудомоечные машины составляют 1% от стандартного энергопотребления, которое можно в основном снизить за счет сокращения потребления воды. С эффективными посудомоечными машинами вы можете сэкономить воду и иметь более чистую посуду благодаря датчикам почвы, инновационной конструкции полок для посуды и другим полезным характеристикам моделей ENERGY STAR.

Водяное отопление

Водонагревание составляет значительную долю в общем потреблении энергии в жилищах, составляя в среднем 12% от общего потребления энергии в домах. Есть четыре основных способа сократить расходы на нагрев воды:

1. Используйте меньше горячей воды в течение дня, чтобы уменьшить счет за отопление воды
2. Уменьшите значение термостата на водонагревателе, чтобы пропорционально снизить расходы на нагрев воды
3. Изолируйте водонагреватель и первые 6 футов труб с горячей и холодной водой, подключенных к водонагревателю, чтобы минимизировать ненужные потери тепла
4. Замените водонагреватель на более эффективную модель

Водонагреватели служат в среднем от 10 до 15 лет, что дает энергоэффективным водонагревателям значительную экономию по сравнению с более дешевыми традиционными моделями.Если вы хотите заменить водонагреватель, вам следует помнить о типе водонагревателя, который будет соответствовать вашим потребностям, а также о типе топлива, которое он будет использовать. Например, безбаквальные водонагреватели не могут одновременно использовать несколько раз горячей воды, что делает их плохим выбором для больших семей. Бесконтактные змеевики и водонагреватели косвенного действия часто являются неэффективным вариантом для домов, но особенно для тех, которые расположены в более теплом климате. Если вам нужна дополнительная информация, Министерство энергетики США предлагает исчерпывающий обзор всех факторов, которые вы должны учитывать при покупке нового водонагревателя.

Преимущества энергоэффективных окон

Окна — одна из самых привлекательных черт любого дома, но они несут ответственность за значительный расход энергии. От 10 до 25% вашего счета за отопление является результатом потери тепла через ваши окна, что составляет от 91,30 до 228,25 долларов, которые вы могли бы сэкономить на своих ежегодных расходах на электроэнергию.

Если вы хотите сократить ненужные расходы на отопление, вы можете заменить окна с одинарным остеклением на окна с двойным остеклением.В домах с более холодным климатом газонаполненные окна с покрытиями с низким коэффициентом излучения (low-E) могут значительно снизить потери тепла. С другой стороны, домохозяйства в более жарком климате должны покупать окна со спектрально-избирательным покрытием, чтобы уменьшить приток тепла. Покрытия с низким E также могут снизить приток тепла из-за своей отражающей природы, что делает их жизнеспособными вариантами для сохранения тепла зимой и летом.

Оконные шторы также могут сыграть важную роль в сокращении нежелательных потерь или увеличения тепла, обеспечивая дополнительный слой изоляции между интерьером вашего дома и условиями снаружи.Штормовые окна — еще один вариант минимизации расходов на отопление или охлаждение, а также дополнительное преимущество защиты вашего дома во время экстремальных погодных явлений.

Регулировка температуры

По оценкам Министерства энергетики США, вы можете сэкономить около 30% на счетах за коммунальные услуги, сочетая модернизацию вашей системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, надлежащую герметизацию и изоляцию вашего дома, а также контроль внутренней температуры с помощью программируемого термостата.

Расходы на отопление и охлаждение составляют 42% от энергопотребления в жилых домах и, таким образом, имеют наибольший потенциал для экономии на счетах за коммунальные услуги.Эти расходы можно немного снизить с помощью программируемых термостатов, которые оптимизируют использование температуры в вашем доме. Вы можете настроить свой программируемый термостат на обогрев и охлаждение дома в определенное время и выключить системы отопления и охлаждения, когда вас нет.

Однако программируемый термостат сам по себе не устраняет основную причину ваших высоких счетов за коммунальные услуги. Расходы на отопление и охлаждение сильно зависят от средних региональных температур. Существуют значительные региональные различия в расходах на энергию в США.S. в результате различий в климатических условиях, особенно между западным и северо-восточным регионами. В результате домохозяйства в регионах с более экстремальными температурами могут получить больше преимуществ от модернизации, связанной с отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха (HVAC).

Кроме того, для поддержания внутренней температуры на любом заданном уровне потребуется больше энергии, если ваш дом не имеет надлежащей герметизации или изоляции. Поскольку интерьер вашего дома более подвержен воздействию внешних температур, потребуется больше энергии для обогрева дома зимой и охлаждения дома летом.

Насколько правильная изоляция влияет на ваши затраты на электроэнергию? Подумайте об этом: дома, построенные до 1950 года и имеющие недостаточное количество теплоизоляции, потребляют на 60% больше энергии на квадратный фут, чем дома, построенные после 2000 года. При средних расходах на отопление и охлаждение в 1049 долларов это означает, что годовой счет за коммунальные услуги примерно на 630 долларов выше по сравнению с в дома с достаточной изоляцией. Даже при максимальной средней стоимости проектов теплоизоляции в 3000 долларов вы можете начать получать реальную экономию всего за пять лет.Те же проблемы, связанные с утечкой воздуха и надлежащей изоляцией, следует учитывать и для воздуховодов, что может снизить ваши счета за отопление и охлаждение на 20%.