КПД тепловых машин. КПД тепловой машины - формула

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Математически определение КПД может быть записано в виде:

  η = A Q , {\displaystyle \eta ={\frac {A}{Q}},}

  где А - полезная работа (энергия), а Q - затраченная энергия.

  Если КПД выражается в процентах, то он вычисляется по формуле:

  η = A Q × 100 % {\displaystyle \eta ={\frac {A}{Q}}\times 100\%} ε X = Q X / A {\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {X} }=Q_{\mathrm {X} }/A} ,

  где Q X {\displaystyle Q_{\mathrm {X} }} - тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A {\displaystyle A}

  Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

  ε Γ = Q Γ / A {\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=Q_{\Gamma }/A} ,

  где Q Γ {\displaystyle Q_{\Gamma }} - тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A {\displaystyle A} - затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

  В идеальной машине Q Γ = Q X + A {\displaystyle Q_{\Gamma }=Q_{\mathrm {X} }+A} , отсюда для идеальной машины ε Γ = ε X + 1 {\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=\varepsilon _{\mathrm {X} }+1}

  Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно : в нём холодильный коэффициент

  ε = T X T Γ − T X {\displaystyle \varepsilon ={T_{\mathrm {X} } \over {T_{\Gamma }-T_{\mathrm {X} }}}} , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

  Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.

  Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.

  Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.

  Немного истории

  Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

  Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

  С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

  Тепловая машина

  

  Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах.

  Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.

  Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.

  Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.

  Расчет коэффициента полезного действия

  Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .

  Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:

  η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2.

  Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:

  • КПД не может превышать 1 (или 100%);
  • для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
  • увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
  • уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.

  

  Идеальный тепловой двигатель

  Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.

  Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.

  КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

  Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.

  Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.

  Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.

  Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.

  

  Пример решения задач

  Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?

  T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ?

  По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

  Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда:

  η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.

  Ответ: КПД = 46%.

  Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?

  Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ?

  В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:

  Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:

  η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1.

  Выполнив математические преобразования, получим:

  Т 1 = Т 2 /(1- η).

  Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).

  Вычислим:

  η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.

  Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.

  Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.

  Реальные условия

  Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.

  

  В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.

  КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.

  Иные тепловые двигатели

  Реальные двигатели работают на иных циклах:

  • цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
  • цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
  • процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.

  Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.

  Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.

  Пути изменения КПД

  Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).

  

  ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.

  Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.

  Значения КПД двигателей

  Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.

  

  Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.

  Определение [ | ]

  Коэффициент полезного действия

  Математически определение КПД может быть записано в виде:

  η = A Q , {\displaystyle \eta ={\frac {A}{Q}},}

  где А - полезная работа (энергия), а Q - затраченная энергия.

  Если КПД выражается в процентах, то он вычисляется по формуле:

  η = A Q × 100 % {\displaystyle \eta ={\frac {A}{Q}}\times 100\%} ε X = Q X / A {\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {X} }=Q_{\mathrm {X} }/A} ,

  где Q X {\displaystyle Q_{\mathrm {X} }} - тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A {\displaystyle A}

  Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

  ε Γ = Q Γ / A {\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=Q_{\Gamma }/A} ,

  где Q Γ {\displaystyle Q_{\Gamma }} - тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A {\displaystyle A} - затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

  В идеальной машине Q Γ = Q X + A {\displaystyle Q_{\Gamma }=Q_{\mathrm {X} }+A} , отсюда для идеальной машины ε Γ = ε X + 1 {\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=\varepsilon _{\mathrm {X} }+1}

  Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенст­вование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено зна­чительно больше усилий. Результаты сравнения различных дви­гателей по их КПД не имеют большого распространения, по­скольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило, предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективно­му расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,

  I - предельные КПД двигателя Стирлинга; 2-предел прочности Материала; 3 - предель­ные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4- потенциально достижимые КПД Двигателя Стирлинга; 5 - двигатели внутреннего сгорания; 6 - паровая Машина; 7- двига­тель Стирлинга.

  Тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения не­посредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенци­альных значений их КПД является график, составленный в ра­боте и представленный на рис. 1.110 в несколько изменен­ном виде.

  Достигнутые к настоящему значения КПД эксперименталь­ных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.

  КПД ЦИКЛЭ Карно, %

  Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по дан­ным НАСА, Rpt CR-I59 63I, перестроенным авторами.

  1 - данные фирмы «Дженерал моторе»; 2 - данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция); 3 - данные фирм «Форд» и «Филипс».

  Б. Удельный эффективный расход топлива

  Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше информации о различии в рабочих характе­ристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность ре­зультатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, от­носящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометри­ческих стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладаю­щих достаточной степенью достоверности. Результаты испыта­ний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пу­ти реализации потенциальных возможностей двигателя. Удель­ные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве ав­томобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 .

  На этом графике наглядно видны преимущества двигателя Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку удельный эффективный расход топлива рассматривается и как функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и 1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазо­на рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответ­ственно.

  Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков

  1-дизель с нормальной системой впуска; 2 - дизель с турбонаддувом; 3-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4-одновальная газовая турбина; 5-двухвальнан газовая турбина; 6 - двигатель Стирлинга.

  X * ^ с

  ■е-ь в -0.2

  J____ I___ I___ L

  Спорость/Максимальная скорость

  Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 50 % нагрузки .

  1-одновальная газовая турбина; 2-двухвальная газовая турбина; 3 - дизель с турбо­наддувом; 4-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 5-двигатель Стирлинга.

  Были взяты из работы . Поскольку цены на топливо про­должают повышаться, удельный эффективный расход становит­ся все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекра­щаются активный поиск и исследования по другим источникам энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводород­ные топлива останутся основным ее источником. Более того,

  Даже в условиях астрономического роста цен снижение потреб­ления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада пока­зывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на нефть оказывали незначительное влияние на потребление топ­лива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на

  II %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится, уступая политическому давлению. Влияние официальных регла­ментации, направленных на экономию топлива, также пробле­матично.

  Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топ­лива может способствовать уменьшению потребления топлива, поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импорти­руемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше 5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая эко­номия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхо­да топлива является важным, оно не дает решения проблемы энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяю­щие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом, будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить, что доступность энергии имеет такое же существенное значение, как и ее стоимость.

  В. Развиваемая мощность

  Обоснованное сравнение по этому показателю может быть сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощ­ности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены для одной и той же области применения. Далее необходимо сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой уста­новки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, пред­назначенная для использования на автомобиле, будет включать агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаж­дения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.

  В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стир­линга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных резуль­татах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы не­верно утверждать, что достигнутые результаты - предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по кото­рой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производ­ства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двига­тели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не дол­жны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем сущест­вующие автомобильные двигатели.

  Еще один фактор, который необходимо принять во внима­ние,- это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор важен не только с точки зрения компактности, но, например, при установке на судне с точки зрения потери полезного объе­ма трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает

  Рис. 1.115. Соотношение между мас­сой двигателя и развиваемой им мощностью для энергосиловых уста­новок различных типов .

  1- дизель с нормальной системой впуска;

  2- двигатель Стирлинга; 3-дизель с турбо - наддувом; 4 - бензиновый двигатель с при­нудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 - бензиновый двигатель с при­нудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6 - двухвальная газовая турбина; 7- одновальная газовая турбина.

  Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощ­ностью для энергосиловых установок различных типов .

  1 - дизель с нормальной системой впуска; 2 - двигатель Стирлинга; 3 - дизель с турбо - наддувом; 4 -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем и слоистым зарядом; Г» -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем н гомогенным зарядом; 6-ротор­ный двигатель с принудительным зажиганнем; 7-двухвальная газовая турбина; 8 - одно - иальная газовая турбина.

  Примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель . Более свежие данные позволяют составить сводную таблицу значений отношения мощности к занимае­мому объему для разных двигателей мощностью 78-126 кВт (табл. 1.8).

  Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V, Занимаемому энергосиловой установкой

  Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажи­ганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому показателю все другие двигатели, однако перспективные двига­тели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в дви­гателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение кера­мические компоненты, то ситуация может резко измениться. При современном уровне технического прогресса двигатель Стирлин­га в целом превосходит дизельные двигатели.

  Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зави­симости от скорости и давления уже рассматривались ранее в сравнении с другими энергосиловыми установками. При исполь­зовании этого двигателя на автомобиле особенности его харак­теристик крутящий момент - скорость особенно благоприятны с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способ­ствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Од­нако для полноты картины необходимо сказать несколько слов о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе со­общается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными изменениями крутящего момента по сравнению с другими дви­гателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» озна­чает, по-видимому, что изменения крутящего момента с измене­нием угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь­
  ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плав­ный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно бу­дет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудитель­ным зажиганием (рис. 1.117).

  Меньшие колебания крутящего мо­мента означают также, что колебания угловой скорости у двигателя Стир­линга также существенно меньше, чем у других двигателей. Это утверждение относится, разумеется, к двигателям без маховиков. Практически это озна­чает, что двигатели Стирлинга мож­но комплектовать менее массивным маховиком и что пуск двигателя Стирлинга требует меньших механиче­ских усилий. Далее, благодаря ма­лым циклическим колебаниям момен­та и скорости вращения двигатели Стирлинга могут оказаться более под­ходящими для автономных электроге­нераторов.

  Эти утверждения, однако, нужда­ются в проверке, поскольку, хотя от­ношение пикового крутящего момента е< его среднему значению у четырехци­линдрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноци­линдрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у че­тырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполови­ну меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.

  Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомнен­но, что такая оценка необходима для сравнения альтернатив­ных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоя­щие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизи­тельно в 1,5-15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая оценка сделана на основе технической литературы; она приво­дилась на технических конференциях и совещаниях. На первый взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.

  Она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездо­казательные утверждения о предполагаемой стоимости, как правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время благодаря программам, выполняемым по заказу министерства энергетики США, стали доступными результаты более подроб­ных исследований в этой области.

  Стоимость может определяться различными факторами, из которых основными являются:

  1) затраты труда;

  2) материалы;

  3) капитальное оборудование;

  4) производственное оборудование;

  5) эксплуатация и техническое обслуживание;

  6) разработка конструкции.

  Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим. Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зави­симость экономики от масштабов выпуска продукции может означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелко­серийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продук­ции. Необходимо принимать во внимание и область применения двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя со­ставляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля, поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необ­ходимо учитывать, что существенное различие в стоимости дви­гателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля при установке этих двигателей. Эту особенность можно проил­люстрировать простым расчетом. Если принять для примера, что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости авто­мобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель бу­дет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомо­биля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель, возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за бо­лее подходящий для него автомобиль.

  Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в услови­ях промышленного производства, нам хотелось бы на основе собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при соз­дании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга или двигателя этого типа, предназначенного для исследователь­ских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограни­ченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна - I о, если двигатель построен той же организацией, которая бу­дет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по детально разработанной документации и с помощью машинно­го проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах;Ю00-3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стир­линга будет становиться более массовым и менее «исследова­тельским», его стоимость будет резко падать. Один из изготови­телей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает, что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индиви­дуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.

  Такая зависимость стоимости от масштабов производства подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей, работающих на солнечной энергии, выполненными Лаборатори­ей реактивных двигателей (США) . Было проведено срав­нение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях, рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт», а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фир­мой «Юнайтед Стерлинг». Результаты проведенных исследова­ний, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты 1981 г., приведены в табл. 1.9.

  Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины)

  Суммарная удельная стоимость, долл./кВг

  Суммарная удельная стоимость включает издержки на оп­лату рабочей силы, стоимость материалов, затрат^ на капи­тальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на стоимость объемом производства, хорошо видно из представлен­ных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом вы­пуске 400 000 двигателей - на 30 % дешевле. Для рассматрива­емых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представ­ляется несколько завышенным, однако для автомобильных дви­гателей такой объем можно считать обычной нормой .

  Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в боль­шей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих двигателей, предназначенных для использования на автомоби­лях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-

  Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)

  Вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, капитального оборудования и инструмента и во многом анало­гична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнеч­ных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в отличие от обычных двигателей требуются различные специаль­ные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлин­га или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, по­скольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная промышленность были бы ориентированы на производство этих материалов, а материалы для производства двигателей с при­нудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными». Более того, специальные материалы часто требуют соответству­ющего специального производственного оборудования, что спо­собствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых в настоящее время в автомобильной промышленности материа­лов и производственного оборудования следует ожидать, что с точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочти­тельнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процент­ные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и про­изводственное оборудование.

  Потребители двигателей интересуются продажными ценами, а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных дви­гателей при годовом выпуске на уровне 400 ООО шт. Там же указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным заря­дом (ГЗБ).

  Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме вы­пуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.) Тип двигателя Удельная Разница в цене Удельная Разница в цене По отношению По отошению Долл./кВт Долл./кВт Двигатель с принуди­ Тельным зажиганием И гомогенным заря­ Двигатель с принуди­ Тельным зажиганием И слоистым зарядом Двухвальная газовая Двигатель Стирлинга

  С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при бла­гоприятных для них объеме выпуска и области применения они могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты. Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигате­лей Стирлинга и объема их производства они станут с эконо­мической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаи­мосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в настоящем разделе, показана на рис. 1.118.

  Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, со­ставляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12 для годового объема выпуска 400 000 шт. .

  Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменни­ки, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до 17 % за счет совершенствования конструкции и технологии из­готовления , пока ее программа совершенствования двига­телей Стирлинга не прекратила свое существование.

  Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться ме­нее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принуди­тельным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут свя­заны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциаль­ные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного масла и увеличению установленной долговечности, то снижение стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-
  атацню двигателя, что на потребителя должно произвести боль­шее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» авто­мобили с низким расходом топлива становятся все более по­пулярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич-

  Ных автомобилей. Интересно, что на рынке подержанных ав­томобилей «экономичный» ав­томобиль перепродается часто по более высокой цене, чем его «собратья» более высокого класса. Расчет общей рента­бельности, которой можно ожи­дать от двигателя Стирлинга, был выполнен фирмой «Юнай­тед Стерлинг» для случая установки двигателя на грузо­вой автомобиль . Опубли­кованные данные относятся к уровню цен 1973 г., однако по­следовавший катастрофиче­ский рост инфляции и рост в геометрической прогрессии цен на топливо и смазочные мате­риалы затрудняют перевод по­лученных результатов к уров­ню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стои­мости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.

  

  Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычис­лялся по следующей формуле:

  (Разность стоимостей____ /Разность первоначальныхЧ

  __ Эксплуатации / V ___________________ Стоимостей _______)

  При этом разности определяются между соответствующими по­казателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.

  Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при экс­плуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затра­ты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизе­лем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а че­рез 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена экономия, равная половине разности первоначальных капитало-

  Вложений. При годовом пробеге 100 000 км - среднем для Ев­ропы при международных автомобильных перевозках - перво­начальные дополнительные капиталовложения окупятся через 2-3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для оди­ночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для ав­токолонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двига­телей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления, зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальней­шем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут стать еще более ощутимыми.

  Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых раз­личных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземно­го транспорта останутся углеводородные топлива. Это не озна­чает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны допол­нительные экономические выгоды за счет способности двигате­ля Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив.

  Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с техноло­гичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; со­ставляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлин­га - использование высоколегированных сплавов для изготов­ления теплообменников. Конструкция теплообменников преду­сматривает применение весьма дорогой технологии пайки и до­рогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна . Допуски на обработанные по­верхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабо­чего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга ка­чество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы дви­гателя.

  Сборка основных механических компонентов двигателя Стирлинга должна производиться с большой тщательностью, особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скаты­вающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сбор­ки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения тре­буется особая чистота места сборки.

  Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя (распределение по видам работ) Доля затраченного времени, % Вид работ Двигатель Сгирлннга Литье Сборка Механическая обработка Таблица 1.14. Стоимость произведенного оборудования и (в ценах 1981 г.) Сооружений Стоимость, долл./двигатель Тип оборудования Двигатель Стирлинга Оборудование для механической Обработки (станки) Литейное оборудование Инструмент Капитальное строительство Суммарные капиталовложения

  На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается при­близительно такое же время, как и на изготовление других дви­гателей, однако квалификация персонала должна быть выше по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других дви­гателей, распределение этого времени по отдельным операциям будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стои­мость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении, подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14. Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного дви­гателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.

  Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость ли­тейного оборудования для первого двигателя в два раза выше. Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных ка­питаловложений, требуемых для строительства заводов двига­телей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изго­товителей двигателей при решении вопроса о широкой произ­водственной программе: они ожидают момента, когда отпадут все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стои­мость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга ин­дивидуального изготовления, весьма высока, также вполне по­нятны.

  Ж. Альтернативные источники энергии

  Происшедший энергетический кризис касался только одного источника энергии - сырой нефти и жидких углеводородных топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971- 1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометриче­ской прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения гарантированных поставок топлива. Однако необходимо по­мнить, что наша планета не располагает неограниченными ре­зервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет замет­ное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным распределением нефти по регионам, так что в настоящее время весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потреб­ности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки. Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит зна­чительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирово­го потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой нефти , и это число показывает чудовищную трудность проблемы, которую предстоит решить.

  Структура потребления энергии различна в разных странах, однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в табл. 1.15 .

  Потребление жидких углеводородов в США аналогично об­щемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии, что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расхо­дуется на нужды транспорта. США приходится импортировать 50 % требуемого им количества нефти, что составляет около 375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов дол­ларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-

  Тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в каче­стве источников энергии представляет собой труднейшую зада­чу и потребует многих лет интенсивных исследований и разра­боток. Решению задачи может помочь использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих источников в настоящее время показывает, что в целом они не будут иметь большого значения по меньшей мере до начала будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектро­станции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю неф­ти останется около 40 % мирового потребления энергии. Одна­ко все эти альтернативные источники окажут незначительное влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транс­порте, если только не увеличится перевозка грузов по железным дорогам и не будет осуществлена полная электрификация же­лезных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топли­вом безрельсового пассажирского и грузового транспорта оста­ется. Очевидно, имеются три возможных варианта:

  1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных ресурсов;

  2) использование углеводородов с меньшей степенью очистки;

  3) использование синтетических жидких углеводородов.

  Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди ко­торых не последнее место занимает обеспечение энергетическо­го эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж. Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увели­чение производства этих топлив на существующих предприяти­ях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая проблема - как использовать эти виды топлива на современ­ных двигателях.

  Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла, таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не со­ставило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматри­ваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным топливам, что видно из табл. 1.16 , где знак X обозначает возможность использования данного топлива, знак ОХ - проб­лематичную возможность такого использования, а прочерк озна­чает, что топливо не может быть использовано.

  Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива

  Авиационная

  Вид топлива ГЗБ СЗБ газовая Дизель

  На основе угля

  TOC o "1-3" h z Смесь угольной пыли и остат - - - - ОХ

  Ков перегонки нефти

  Смесь угольной пыли и метанола - - - ОХ

  Жидкое топливо на основе угля

  Бензин XX - -

  Смесь дизельного топлива и - X - X

  Топлива для реактивной авиа­ции

  Тяжелое топливо (мазут) - - X

  Жидкое топливо из сланцев

  Бензин XX - X

  Смесь дизельного топлива и - X - X топлива для реактивной авиа­ции

  Топливо на основе нефтеоргани - - X XX ческих отходов

  Метанол XX XX

  Водород XX XX

  Метан XX XX

  Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слиш­ком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения ситуации в случае варианта 1 не так уж много.

  Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводоро­дов недостаточны для надежной работы существующих двигате­лей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для рабо­ты на этих топливах, экономия энергии будет не столь значи­тельна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что при использовании менее очищенных углеводородов экономия

  Энергии составит не более 3,8 % , и, поскольку использова­ние таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант также не является решением проблемы.

  Таким образом, единственный вариант, который остается,- это производство синтетических жидких углеводородов, т. е. углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, напри­мер, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостат­кам этого варианта следует отнести большие затраты энергии на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источни­ке, из которого оно получено. Однако производство топлива из угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует сложной технологии, и на получение такого топлива затрачива­лось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует, что для подсчета общего термического КПД установки, работа­ющей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид, пригодный для использования в данной установке. Результаты таких расчетов представлены в табл. 1.17 .

  Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии заключенной в источнике топлива, в полезную работу на выходе из двигателя

  Синтетическое топливо

  КПД Общий двигателя, КПД,

  Сланцевое мас-

  Газовая тур­бина СЗБ

  Двигатель Стерлинга

  По этим результатам вариант 3 представляется более при­влекательным, за исключением того, что все перспективные дви­гатели, для которых получены удовлетворительные результа­ты,- двигатели с принудительным зажиганием и слоистым за­рядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,- требуют значительных капиталовложений для произ­водства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В мо­дифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использо­вания горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы - тывалась в условиях эксплуатации - это газохол (10% этано­ла, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилиро­ванного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, со­ставляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие ха­рактеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использо­вать смеси бензина с метанолом .

  Использование смесей, однако, лишь в незначительной степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно пропорционально процентному содержанию синтетического топ­лива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые для строительства заводов по производству сравнительно не­большого количества таких смесей, превысили бы возможности малых стран и даже многих многонациональных компаний. На­пример, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребно­сти в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее 10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бен­зином в отношении 5: 95, так что общее количество потребляе­мой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %, т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты та­кое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка со­ответствующего количества нефти.

  Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет искать альтернативные источники топлива, потребуются колос­сальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказы­вать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в осо­бенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потреб­ления топлива стационарными силовыми установками как ма­лой, так и большой мощности. Для транспортных силовых уста­новок единственным выходом из положения остается снижение расхода топлива, причем это относится не только к автомоби­лям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых устано­вок составляют дизельные двигатели . Сокращение норм потребления топлива, как уже говорилось, только частично раз­решает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом топлива окажут большее влияние на решение проблемы эконо­мии энергии, особенно если они будут способны работать на различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстри­ровал, что уже на современном этапе своего развития он может обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом интенсивности проводимых в настояшее время исследователь­ских и конструкторских разработок эта экономия может быть еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей про­граммы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % -на 81 % .

  Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

  
  

  Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

  – это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

  Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

  Подробнее о потерях

  Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

  
  

  1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

  2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

  3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

  Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

  
  

  ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

  Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

  Если вспомнить формулу то получается:

  
  

  У какого двигателя самый большой КПД?

  Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

  Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

  1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

  2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

  
  

  Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

  О топливной эффективности дизеля

  ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

  
  

  Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

  Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.