De efficiëntie werkt. Dieselmotor en benzine: efficiëntievergelijking

« Natuurkunde - Graad 10 "

Wat is een thermodynamisch systeem en welke parameters kenmerken de toestand ervan.
Noem de eerste en tweede wet van de thermodynamica.

Het was de creatie van de theorie van warmtemotoren die leidde tot de formulering van de tweede wet van de thermodynamica.

Aandelen interne energie in aardkorst en oceanen kunnen als vrijwel onbeperkt worden beschouwd. Maar om praktische problemen op te lossen, is het hebben van energiereserves nog steeds niet voldoende. Ook is het nodig om energie te kunnen gebruiken om werktuigmachines in fabrieken en fabrieken, transportmiddelen, tractoren en andere machines in beweging te brengen, de rotoren van generatoren te laten draaien. elektrische stroom enz. De mensheid heeft motoren nodig - apparaten die werk kunnen doen. De meeste motoren op aarde zijn: warmte motoren.

Warmte motoren- Dit zijn apparaten die de interne energie van de brandstof omzetten in mechanisch werk.

Het werkingsprincipe van warmtemotoren.

Om de motor zijn werk te laten doen, is een drukverschil nodig aan beide zijden van de motorzuiger of turbinebladen. In alle warmtemotoren wordt dit drukverschil bereikt door de temperatuur te verhogen werkend lichaam(gas) honderden of duizenden graden boven de temperatuur omgeving. Deze temperatuurstijging treedt op tijdens de verbranding van brandstof.

Een van de belangrijkste onderdelen van de motor is een met gas gevuld vat met een beweegbare zuiger. De werkvloeistof in alle verbrandingsmotoren is een gas dat wel werkt tijdens expansie. Laten we de begintemperatuur van de werkvloeistof (gas) door T 1 aangeven. Deze temperatuur in stoom turbines of machines verkrijgen stoom in een stoomketel. In verbrandingsmotoren en gasturbines treedt de temperatuurstijging op wanneer brandstof in de motor zelf wordt verbrand. De temperatuur T 1 heet verwarmingstemperatuur.

De rol van de koelkast

Naarmate het werk wordt gedaan, verliest het gas energie en koelt het onvermijdelijk af tot een bepaalde temperatuur T2, die gewoonlijk iets hoger is dan de omgevingstemperatuur. Ze noemen haar koelkast temperatuur. De koelkast is de sfeer of speciale apparaten voor het koelen en condenseren van uitlaatstoom - condensatoren. In het laatste geval kan de temperatuur van de koelkast iets lager zijn dan de omgevingstemperatuur.

Dus in de motor kan de werkvloeistof tijdens expansie niet al zijn interne energie geven om werk te doen. Een deel van de warmte wordt onvermijdelijk overgebracht naar de koeler (atmosfeer), samen met uitlaatstoom of uitlaatgassen van verbrandingsmotoren en gasturbines.

Dit deel van de interne energie van de brandstof gaat verloren. Een warmtemotor voert werk uit vanwege de interne energie van de werkvloeistof. Bovendien wordt bij dit proces warmte overgedragen van warmere lichamen (verwarmer) naar koudere (koelkast). schakelschema warmte motor weergegeven in figuur 13.13.

De werkvloeistof van de motor ontvangt van de verwarming tijdens de verbranding van brandstof de hoeveelheid warmte Q 1, werkt A "en draagt ​​de hoeveelheid warmte over aan de koelkast Q2< Q 1 .

Om de motor continu te laten werken, is het noodzakelijk om de werkvloeistof terug te brengen naar zijn oorspronkelijke toestand, waarbij de temperatuur van de werkvloeistof gelijk is aan T1. Hieruit volgt dat de werking van de motor plaatsvindt volgens periodiek herhalende gesloten processen, of, zoals ze zeggen, volgens een cyclus.

Fiets is een reeks van processen, waardoor het systeem terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat.

Prestatiecoëfficiënt (COP) van een warmtemotor.

De onmogelijkheid om de interne energie van het gas volledig om te zetten in het werk van warmtemotoren is te wijten aan de onomkeerbaarheid van processen in de natuur. Als warmte spontaan zou kunnen terugkeren van de koelkast naar de verwarming, dan zou de interne energie volledig kunnen worden omgezet in nuttig werk met elke warmtemotor. De tweede wet van de thermodynamica kan als volgt worden geformuleerd:

Tweede wet van de thermodynamica:
het is onmogelijk om een ​​perpetuum mobile van de tweede soort te maken, die warmte volledig zou omzetten in mechanisch werk.

Volgens de wet van behoud van energie is de arbeid van de motor:

A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

waarbij Q 1 - de hoeveelheid warmte die van de verwarming wordt ontvangen, en Q2 - de hoeveelheid warmte die aan de koelkast wordt gegeven.

De prestatiecoëfficiënt (COP) van een warmtemotor is de verhouding tussen arbeid A "uitgevoerd door de motor en de hoeveelheid warmte die wordt ontvangen van de verwarming:

Aangezien in alle motoren een bepaalde hoeveelheid warmte naar de koelkast wordt overgebracht, is η< 1.

Maximale waarde thermische efficiëntie: motoren.

De wetten van de thermodynamica maken het mogelijk om het maximaal mogelijke rendement te berekenen van een warmtemotor die werkt met een verwarming met een temperatuur van T 1 en een koelkast met een temperatuur van T 2, en ook om manieren te bepalen om dit te verhogen.

Voor de eerste keer werd het maximaal mogelijke rendement van een warmtemotor berekend door de Franse ingenieur en wetenschapper Sadi Carnot (1796-1832) in zijn werk "Reflections on the driving force of fire and on machines capable to development this force" (1824). ).

Carnot bedacht een ideale verbrandingsmotor met een ideaal gas als werkvloeistof. Een ideale Carnot-warmtemotor werkt in een cyclus die bestaat uit twee isothermen en twee adiabats, en deze processen worden als omkeerbaar beschouwd (Fig. 13.14). Eerst wordt een vat met gas in contact gebracht met een verwarmer, het gas expandeert isotherm, doet positieve arbeid, bij een temperatuur T1, terwijl het een hoeveelheid warmte Q1 ontvangt.

Vervolgens wordt het vat thermisch geïsoleerd, het gas blijft adiabatisch expanderen, terwijl de temperatuur ervan daalt tot de temperatuur van de koelkast T2. Daarna wordt het gas in contact gebracht met de koelkast, onder isotherme compressie, geeft het de hoeveelheid warmte Q 2 af aan de koelkast, samengeperst tot een volume V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Zoals volgt uit formule (13.17) is het rendement van de Carnot-machine recht evenredig met het verschil in de absolute temperaturen van de verwarming en de koelkast.

De belangrijkste betekenis van deze formule is dat deze de manier aangeeft om de efficiëntie te verhogen, hiervoor is het noodzakelijk om de temperatuur van de verwarming te verhogen of de temperatuur van de koelkast te verlagen.

Elke echte verbrandingsmotor die werkt met een verwarming met een temperatuur T 1 en een koelkast met een temperatuur T 2 kan geen efficiëntie hebben die hoger is dan de efficiëntie van een ideale warmtemotor: De processen die deel uitmaken van de cyclus van een echte warmtemotor zijn niet omkeerbaar.

Formule (13.17) geeft een theoretische grens voor de maximale waarde van het rendement van warmtemotoren. Het laat zien dat een warmtemotor efficiënter is naarmate het temperatuurverschil tussen de verwarming en de koelkast groter is.

Alleen bij de temperatuur van de koelkast, gelijk aan het absolute nulpunt, η = 1. Bovendien is bewezen dat het met formule (13.17) berekende rendement niet afhankelijk is van de werkzame stof.

Maar de temperatuur van de koelkast, waarvan de rol meestal door de atmosfeer wordt gespeeld, kan praktisch niet lager zijn dan de omgevingstemperatuur. U kunt de temperatuur van de kachel verhogen. Echter, elk materiaal stevig) heeft een beperkte hittebestendigheid of hittebestendigheid. Bij verhitting verliest het geleidelijk zijn elastische eigenschappen, en wanneer voldoende hoge temperatuur smelt.

Nu zijn de belangrijkste inspanningen van ingenieurs gericht op het verhogen van de efficiëntie van motoren door de wrijving van hun onderdelen, brandstofverliezen als gevolg van onvolledige verbranding, enz.

Voor een stoomturbine zijn de begin- en eindtemperatuur van de stoom ongeveer als volgt: T 1 - 800 K en T 2 - 300 K. Bij deze temperaturen is het maximale rendement 62% (merk op dat het rendement meestal wordt gemeten als een percentage). De werkelijke waarde van het rendement door verschillende soorten energieverliezen is circa 40%. Dieselmotoren hebben het maximale rendement - ongeveer 44%.

Milieubescherming.

Het is moeilijk voor te stellen moderne wereld zonder warmtemotoren. Zij zijn degenen die ons voorzien comfortabel leven. Warmtemotoren drijven voertuigen aan. Ongeveer 80% van de elektriciteit wordt, ondanks de aanwezigheid van kerncentrales, opgewekt met behulp van warmtemotoren.

Tijdens de werking van warmtemotoren treedt echter onvermijdelijke milieuvervuiling op. Dit is een contradictie: aan de ene kant heeft de mensheid elk jaar meer en meer energie nodig, waarvan het grootste deel wordt verkregen door verbranding van brandstof, aan de andere kant gaan verbrandingsprocessen onvermijdelijk gepaard met milieuvervuiling.

Wanneer brandstof wordt verbrand, neemt het zuurstofgehalte in de atmosfeer af. Bovendien vormen de verbrandingsproducten zelf chemische bestanddelen schadelijk voor levende organismen. Vervuiling vindt niet alleen op de grond plaats, maar ook in de lucht, aangezien elke vliegtuigvlucht gepaard gaat met de uitstoot van schadelijke onzuiverheden in de atmosfeer.

Een van de gevolgen van de werking van de motoren is de vorming van kooldioxide, dat infrarode straling van het aardoppervlak absorbeert, wat leidt tot een stijging van de temperatuur van de atmosfeer. Dit is het zogenaamde broeikaseffect. Metingen laten zien dat de temperatuur van de atmosfeer met 0,05 °C per jaar stijgt. Zo'n continue temperatuurstijging kan het ijs doen smelten, wat op zijn beurt zal leiden tot een verandering van het waterpeil in de oceanen, dat wil zeggen tot het overstromen van de continenten.

We merken nog een negatief punt op bij het gebruik van warmtemotoren. Dus soms wordt water uit rivieren en meren gebruikt om motoren te koelen. Het verwarmde water wordt dan teruggevoerd. De temperatuurstijging in waterlichamen verstoort het natuurlijke evenwicht, dit fenomeen wordt thermische vervuiling genoemd.

Om het milieu te beschermen, worden verschillende zuiveringsfilters veel gebruikt om emissies naar de atmosfeer te voorkomen. schadelijke stoffen motorontwerpen worden verbeterd. Er is een continue verbetering van de brandstof, die minder schadelijke stoffen geeft tijdens de verbranding, evenals de technologie van de verbranding. Actief ontwikkeld alternatieve bronnen energie met behulp van wind zonnestraling, de energie van de kern. Er worden al elektrische voertuigen en voertuigen op zonne-energie geproduceerd.

De moderne realiteit omvat de wijdverbreide werking van warmtemotoren. Talloze pogingen om ze te vervangen door elektromotoren zijn tot nu toe mislukt. Problemen in verband met de accumulatie van elektriciteit in autonome systemen worden met veel moeite opgelost.

Nog steeds relevant zijn de technologische problemen voor de vervaardiging van elektrische stroomaccu's, rekening houdend met hun langdurig gebruik. De snelheidskarakteristieken van elektrische voertuigen zijn verre van die van auto's met verbrandingsmotoren.

De eerste stappen in de richting van de creatie van hybride motoren kunnen de schadelijke uitstoot in megasteden aanzienlijk verminderen en milieuproblemen oplossen.

Een beetje geschiedenis

De mogelijkheid om stoomenergie om te zetten in bewegingsenergie was al in de oudheid bekend. 130 v.Chr.: Filosoof Reiger van Alexandrië presenteerde het publiek een stoomspeelgoed - aeolipil. Een bol gevuld met stoom begon te draaien onder invloed van stralen die eruit kwamen. Dit prototype van moderne stoomturbines vond in die tijd geen toepassing.

Gedurende vele jaren en eeuwen werd alleen gekeken naar de ontwikkeling van de filosoof grappig speelgoed. In 1629 creëerde de Italiaan D. Branchi een actieve turbine. Stoom zette een schijf in beweging die was uitgerust met messen.

Vanaf dat moment begon de snelle ontwikkeling van stoommachines.

warmte motor

De omzetting van brandstof in energie voor de beweging van onderdelen van machines en mechanismen wordt gebruikt in verbrandingsmotoren.

De belangrijkste onderdelen van machines: een verwarming (een systeem voor het verkrijgen van energie van buitenaf), een werkvloeistof (voert een nuttige actie uit), een koelkast.

De verwarmer is ontworpen om ervoor te zorgen dat de werkvloeistof voldoende interne energie heeft verzameld om nuttig werk uit te voeren. De koelkast verwijdert overtollige energie.

Het belangrijkste kenmerk van efficiëntie wordt de efficiëntie van warmtemotoren genoemd. Deze waarde geeft aan welk deel van de energie die aan verwarming wordt besteed, wordt besteed aan nuttig werk. Hoe hoger het rendement, hoe winstgevender de werking van de machine, maar deze waarde kan niet hoger zijn dan 100%.

Efficiëntieberekening

Laat de kachel van buitenaf de energie verkrijgen die gelijk is aan Q 1 . De werkvloeistof werkte A, terwijl de energie die aan de koelkast werd gegeven Q 2 was.

Op basis van de definitie berekenen we het rendement:

η= A / Q 1 . We houden er rekening mee dat A \u003d Q 1 - Q 2.

Vanaf hier kunnen we door de efficiëntie van de warmtemotor, waarvan de formule de vorm heeft η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, de volgende conclusies trekken:

• Efficiëntie mag niet hoger zijn dan 1 (of 100%);
• om deze waarde te maximaliseren, is ofwel een toename van de energie die wordt ontvangen van de verwarming of een afname van de energie die aan de koelkast wordt gegeven, noodzakelijk;
• een toename van de energie van de verwarming wordt bereikt door de kwaliteit van de brandstof te veranderen;
• het verminderen van de energie die aan de koelkast wordt gegeven, stelt u in staat om ontwerpkenmerken motoren.

Ideale warmtemotor

Is het mogelijk om zo'n motor te maken waarvan de efficiëntie maximaal zou zijn (idealiter gelijk aan 100%)? De Franse theoretisch natuurkundige en getalenteerde ingenieur Sadi Carnot probeerde het antwoord op deze vraag te vinden. In 1824 werden zijn theoretische berekeningen over de processen in gassen openbaar gemaakt.

Het belangrijkste idee achter de ideale machine is om omkeerbare processen uit te voeren met een ideaal gas. We beginnen met de isotherme expansie van het gas bij een temperatuur T 1 . De hoeveelheid warmte die hiervoor nodig is, is Q 1. Nadat het gas expandeert zonder warmte-uitwisseling.Na het bereiken van de temperatuur T 2 wordt het gas isotherm gecomprimeerd, waardoor de energie Q 2 naar de koelkast wordt overgebracht. De terugkeer van het gas naar zijn oorspronkelijke staat is adiabatisch.

Het rendement van een ideale Carnot-warmtemotor is, indien nauwkeurig berekend, gelijk aan de verhouding tussen het temperatuurverschil tussen de verwarmings- en koelapparatuur en de temperatuur die de verwarming heeft. Het ziet er als volgt uit: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Het mogelijke rendement van een warmtemotor, waarvan de formule is: η= 1 - T 2 / T 1 , hangt alleen af ​​van de temperatuur van de verwarming en de koeler en kan niet meer dan 100% zijn.

Bovendien stelt deze verhouding ons in staat om te bewijzen dat het rendement van warmtemotoren alleen gelijk kan zijn aan één als de koelkast de temperatuur bereikt. Zoals u weet, is deze waarde onbereikbaar.

De theoretische berekeningen van Carnot maken het mogelijk om het maximale rendement van een warmtemotor van elk ontwerp te bepalen.

De door Carnot bewezen stelling luidt als volgt. Een willekeurige warmtemotor kan onder geen enkele omstandigheid een efficiëntiecoëfficiënt hebben die groter is dan de vergelijkbare waarde van de efficiëntie van een ideale warmtemotor.

Voorbeeld van probleemoplossing

voorbeeld 1 Wat is het rendement van een ideale warmtemotor als de temperatuur van de verwarming 800°C is en de temperatuur van de koelkast 500°C lager?

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?

Per definitie: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

We krijgen niet de temperatuur van de koelkast, maar ∆T = (T 1 - T 2), vanaf hier:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Antwoord: efficiëntie = 46%.

Voorbeeld 2 Bepaal het rendement van een ideale warmtemotor als 650 J nuttige arbeid wordt verricht vanwege de verkregen één kilojoule verwarmingsenergie Wat is de temperatuur van de verwarming van de warmtemotor als de koelvloeistoftemperatuur 400 K is?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d?

In deze taak we zijn aan het praten over een thermische installatie waarvan het rendement kan worden berekend met de formule:

Om de temperatuur van de kachel te bepalen, gebruiken we de formule voor het rendement van een ideale warmtemotor:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

Na het uitvoeren van wiskundige transformaties, krijgen we:

T 1 \u003d T 2 / (1- ).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

Laten we berekenen:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142.8 K.

Antwoord: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142.8 K.

Echte omstandigheden

De ideale warmtemotor is ontworpen met de ideale processen in gedachten. Er wordt alleen gewerkt in isotherme processen, de waarde ervan wordt gedefinieerd als het gebied dat wordt begrensd door de Carnot-cyclusgrafiek.

In feite is het onmogelijk om voorwaarden te scheppen voor het proces van het veranderen van de toestand van een gas zonder veranderingen in temperatuur te begeleiden. Er zijn geen materialen die warmte-uitwisseling met omringende objecten zouden uitsluiten. Het adiabatische proces is niet langer mogelijk. In het geval van warmteoverdracht moet de temperatuur van het gas noodzakelijkerwijs veranderen.

De efficiëntie van warmtemotoren die in reële omstandigheden zijn gemaakt, verschilt aanzienlijk van de efficiëntie van ideale motoren. Merk op dat de processen in echte motoren zo snel zijn dat de variatie in de interne thermische energie van de werkende substantie tijdens het veranderen van het volume niet kan worden gecompenseerd door de instroom van warmte van de verwarming en terugkeer naar de koeler.

Andere warmtemotoren

Echte motoren werken op verschillende cycli:

• Otto-cyclus: het proces bij een constant volume verandert adiabatisch, waardoor een gesloten cyclus ontstaat;
• Dieselcyclus: isobaar, adiabat, isochor, adiabat;
• het proces dat plaatsvindt bij constante druk wordt vervangen door een adiabatisch proces, waardoor de cyclus wordt gesloten.

Creëer evenwichtsprocessen in echte motoren (om ze dichter bij de ideale te brengen) onder omstandigheden moderne technologie lijkt niet mogelijk. Het rendement van warmtemotoren is veel lager, zelfs als we daarmee rekening houden temperatuur voorwaarden, zoals bij een ideale thermische installatie.

Maar onderschat de rol niet. rekenformule Efficiëntie omdat dit het uitgangspunt wordt in het proces om de efficiëntie van echte motoren te verhogen.

Manieren om de efficiëntie te veranderen

Bij het vergelijken van ideale en echte warmtemotoren, is het vermeldenswaard dat de temperatuur van de koelkast van de laatste niet kan zijn. Meestal wordt de atmosfeer als een koelkast beschouwd. De temperatuur van de atmosfeer kan alleen bij benadering worden berekend. De ervaring leert dat de temperatuur van de koelvloeistof gelijk is aan de temperatuur van de uitlaatgassen in de motoren, zoals het geval is bij verbrandingsmotoren (afgekorte verbrandingsmotoren).

ICE is de meest voorkomende warmtemotor in onze wereld. Het rendement van een warmtemotor hangt in dit geval af van de temperatuur die wordt gecreëerd door de brandende brandstof. Het essentiële verschil: ICE van stoommachines is een samensmelting van de functies van de verwarming en de werkvloeistof van het apparaat in het lucht-brandstofmengsel. Bij verbranding zorgt het mengsel voor druk op de bewegende delen van de motor.

Een verhoging van de temperatuur van de werkgassen wordt bereikt door de eigenschappen van de brandstof aanzienlijk te veranderen. Helaas is het niet mogelijk om dit voor onbepaalde tijd te doen. Elk materiaal waaruit de verbrandingskamer van een motor is gemaakt, heeft zijn eigen smeltpunt. De hittebestendigheid van dergelijke materialen is het belangrijkste kenmerk van de motor, evenals het vermogen om de efficiëntie aanzienlijk te beïnvloeden.

Motor efficiëntie waarden

Als we kijken naar de temperatuur van de werkende stoom bij de inlaat waarvan 800 K is en het uitlaatgas 300 K, dan is de efficiëntie van deze machine 62%. In werkelijkheid is deze waarde niet hoger dan 40%. Een dergelijke afname treedt op als gevolg van warmteverliezen tijdens het verwarmen van het turbinehuis.

De hoogste waarde van interne verbranding is niet hoger dan 44%. Het verhogen van deze waarde is een kwestie van de nabije toekomst. Het veranderen van de eigenschappen van materialen en brandstoffen is een probleem waar de knapste koppen van de mensheid aan werken.

Publicatiedatum 28.01.2013 13:48

Geen enkele actie wordt uitgevoerd zonder verliezen - er zijn altijd verliezen. Het behaalde resultaat is altijd minder dan de inspanning die moet worden geleverd om het te bereiken. Over hoe groot de verliezen in de uitvoering van het werk zijn, en blijkt uit de prestatiecoëfficiënt (COP).

Wat gaat er schuil achter deze afkorting? In wezen is dit de efficiëntiecoëfficiënt van het mechanisme of een indicator van het rationeel gebruik van energie. De waarde van efficiëntie heeft geen meeteenheden, het wordt uitgedrukt als een percentage. Deze coëfficiënt wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het nuttige werk van het apparaat en het werk dat aan de werking ervan wordt besteed. Om het rendement te berekenen, ziet de berekeningsformule er als volgt uit:

Efficiëntie \u003d 100 * (nuttig uitgevoerd werk / besteed werk)

BIJ verschillende apparaten om deze verhouding te berekenen worden gebruikt verschillende betekenissen. Voor elektromotoren zal de efficiëntie eruitzien als de verhouding tussen nuttig werk en elektrische energie ontvangen van het netwerk. Voor warmtemotoren zal het rendement worden gedefinieerd als de verhouding tussen het uitgevoerde nuttige werk en de hoeveelheid verbruikte warmte.

Om de efficiëntie te bepalen, is het noodzakelijk dat alle verschillende soorten energie en arbeid werden uitgedrukt in dezelfde eenheden. Dan is het mogelijk om alle objecten, zoals kerncentrales, stroomgeneratoren en biologische objecten, te vergelijken op efficiëntie.

Zoals reeds opgemerkt, is het rendement vanwege de onvermijdelijke verliezen tijdens de werking van mechanismen altijd minder dan 1. Het rendement van thermische installaties bereikt dus 90%, voor verbrandingsmotoren is het rendement minder dan 30%, het rendement van een elektrische transformator is 98%. Het concept van efficiëntie kan zowel op het mechanisme als geheel als op de afzonderlijke knooppunten worden toegepast. In een algemene beoordeling van de effectiviteit van het mechanisme als geheel (zijn efficiëntie), het product van de efficiëntie van individuele samenstellende delen dit apparaat.

Het probleem van efficiënt brandstofgebruik deed zich vandaag niet voor. Met een voortdurende stijging van de kosten van energiebronnen, verandert de kwestie van het verhogen van de efficiëntie van mechanismen van een puur theoretische in een praktische kwestie. Als het rendement van een conventionele auto niet hoger is dan 30%, dan gooien we gewoon 70% van ons geld dat we uitgeven aan het tanken van een auto weg.

Rekening houdend met het rendement van de verbrandingsmotor (verbrandingsmotor) blijkt dat verliezen optreden in alle stadia van zijn werking. Dus slechts 75% van de binnenkomende brandstof verbrandt in de motorcilinders en 25% komt in de atmosfeer terecht. Van alle verbrande brandstof wordt slechts 30-35% van de vrijgekomen warmte besteed aan nuttig werk, de rest van de warmte gaat ofwel verloren met uitlaatgassen of blijft in het koelsysteem van de auto. Van het ontvangen vermogen wordt ongeveer 80% gebruikt voor nuttig werk, de rest van het vermogen wordt besteed aan het overwinnen van wrijvingskrachten en wordt gebruikt door de hulpmechanismen van de auto.

zelfs op zulke eenvoudig voorbeeld analyse van de efficiëntie van het mechanisme stelt u in staat om de richtingen te bepalen waarin het werk moet worden uitgevoerd om verliezen te verminderen. Een van de prioriteiten is dus om de volledige verbranding van brandstof te verzekeren. Dit wordt bereikt door extra brandstof te spuiten en de druk op te voeren, waardoor motoren met directe injectie en turbolader zo populair worden. De warmte die uit de motor wordt verwijderd, wordt gebruikt om de brandstof te verwarmen om de vluchtigheid te verbeteren, en mechanische verliezen worden verminderd door het gebruik van moderne synthetische oliën.

Efficiëntiefactor (COP) is een maatstaf voor de efficiëntie van een systeem in termen van energieomzetting of -overdracht, die wordt bepaald door de verhouding van de nuttig gebruikte energie tot de totale energie die door het systeem wordt ontvangen.

efficiëntie- de waarde is dimensieloos en wordt meestal uitgedrukt als een percentage:

De prestatiecoëfficiënt (COP) van een warmtemotor wordt bepaald door de formule: , waarbij A = Q1Q2. Het rendement van een warmtemotor is altijd kleiner dan 1.

Carnot-cyclus- Dit is een omkeerbaar circulair gasproces, dat bestaat uit twee opeenvolgende isotherme en twee adiabatische processen die worden uitgevoerd met een werkvloeistof.

De cirkelvormige cyclus, die twee isothermen en twee adiabats omvat, komt overeen met het maximale rendement.

De Franse ingenieur Sadi Carnot heeft in 1824 de formule afgeleid voor het maximale rendement van een ideale warmtemotor, waarbij de werkvloeistof wordt Ideaal gas, waarvan de cyclus bestond uit twee isothermen en twee adiabats, d.w.z. de Carnot-cyclus. De Carnot-cyclus is de echte werkcyclus van een warmtemotor die werk verricht vanwege de warmte die in een isotherm proces aan de werkvloeistof wordt geleverd.

De formule voor het rendement van de Carnot-cyclus, d.w.z. het maximale rendement van een verbrandingsmotor, is: , waar T1 de absolute temperatuur van de verwarming is, is T2 de absolute temperatuur van de koelkast.

Warmte motoren- Dit zijn structuren waarin thermische energie wordt omgezet in mechanische energie.

Warmtemotoren zijn divers, zowel qua ontwerp als qua doel. Deze omvatten stoommachines, stoom turbines, verbrandingsmotoren, straalmotoren.

Ondanks de diversiteit is de werking van verschillende warmtemotoren in principe veelvoorkomende eigenschappen. De belangrijkste componenten van elke warmtemotor:

• verwarming;
• werkend lichaam;
• koelkast.

Kachel straalt uit thermische energie, terwijl de werkvloeistof wordt verwarmd, die zich in de werkkamer van de motor bevindt. De werkvloeistof kan stoom of gas zijn.

Nadat het de hoeveelheid warmte heeft geaccepteerd, zet het gas uit, omdat. de druk is groter dan de externe druk en beweegt de zuiger, waardoor positief werk wordt geproduceerd. Tegelijkertijd daalt de druk en neemt het volume toe.

Als we het gas comprimeren, door dezelfde toestanden gaan, maar in de tegenovergestelde richting, dan zullen we dezelfde absolute waarde uitvoeren, maar negatief werk. Als resultaat zal al het werk voor de cyclus gelijk zijn aan nul.

Om ervoor te zorgen dat het werk van een warmtemotor niet nul is, moet het werk van het comprimeren van het gas minder zijn dan het werk van expansie.

Om ervoor te zorgen dat het compressiewerk minder wordt dan het uitzettingswerk, is het noodzakelijk dat het compressieproces bij een lagere temperatuur plaatsvindt, hiervoor moet de werkvloeistof worden gekoeld, daarom is een koelkast opgenomen in het ontwerp van de warmte motor. De werkvloeistof geeft de hoeveelheid warmte af aan de koelkast wanneer deze ermee in contact komt.

Waarschijnlijk vroeg iedereen zich af wat de efficiëntie (Coefficient of Efficiency) van een verbrandingsmotor was. Immers, hoe hoger deze indicator, hoe efficiënter de power unit werkt. De meest effectieve op dit moment wordt beschouwd elektrisch type, zijn efficiëntie kan oplopen tot 90 - 95%, maar voor verbrandingsmotoren, of het nu diesel of benzine is, om het zacht uit te drukken, is het verre van ideaal ...

Om eerlijk te zijn dan moderne opties motoren zijn veel efficiënter dan hun tegenhangers, die 10 jaar geleden werden uitgebracht, en daar zijn veel redenen voor. Denk zelf na voordat de 1,6-liter optie slechts 60 - 70 pk leverde. En nu kan deze waarde 130 - 150 pk bereiken. Dit is nauwgezet werk om de efficiëntie te verhogen, waarbij elke "stap" met vallen en opstaan ​​wordt gegeven. Laten we echter beginnen met een definitie.

- dit is de waarde van de verhouding van twee grootheden, het vermogen dat wordt geleverd aan de krukas van de motor en het vermogen dat door de zuiger wordt ontvangen, vanwege de druk van de gassen die werden gevormd door de brandstof te ontsteken.

Simpel gezegd is dit de omzetting van thermische of thermische energie die ontstaat tijdens de verbranding van het brandstofmengsel (lucht en benzine) in mechanische energie. Opgemerkt moet worden dat dit al is gebeurd, bijvoorbeeld met stoom energiecentrales- Ook duwde de brandstof onder invloed van temperatuur de zuigers van de units. De installaties daar waren echter vele malen groter en de brandstof zelf was vast (meestal kolen of brandhout), waardoor het moeilijk te vervoeren en te bedienen was, het was constant nodig om het met schoppen in de oven te "voeren". Verbrandingsmotoren zijn veel compacter en lichter dan stoommachines, en brandstof is veel gemakkelijker op te slaan en te vervoeren.

Meer over verliezen

Vooruitkijkend kunnen we vol vertrouwen zeggen dat het rendement van een benzinemotor tussen de 20 en 25% ligt. En daar zijn veel redenen voor. Als we de inkomende brandstof nemen en deze opnieuw berekenen als een percentage, krijgen we een soort van "100% van de energie" die naar de motor wordt overgebracht, en toen gingen de verliezen:

1)Brandstofefficiëntie . Niet alle brandstof verbrandt, een klein deel ervan verlaat de uitlaatgassen, op dit niveau verliezen we al tot 25% aan efficiëntie. Natuurlijk, nu de brandstofsystemen verbeteren, is er een injector verschenen, maar het is verre van ideaal.

2) De tweede is warmteverliezen.en . De motor warmt zichzelf op en vele andere elementen, zoals radiatoren, zijn lichaam, de vloeistof die erin circuleert. Ook gaat een deel van de warmte met de uitlaatgassen weg. Voor dit alles tot 35% rendementsverlies.

3) De derde is mechanische verliezen . OP alle soorten zuigers, drijfstangen, ringen - alle plaatsen waar wrijving is. Dit omvat verliezen door de belasting van de generator, bijvoorbeeld, hoe meer elektriciteit de generator produceert, hoe meer deze de rotatie van de krukas vertraagt. Natuurlijk zijn smeermiddelen ook naar voren gestapt, maar nogmaals, niemand heeft wrijving tot nu toe volledig overwonnen - nog een verlies van 20%

Dus in het droge residu is het rendement ongeveer 20%! Natuurlijk zijn er opvallende opties van benzine-opties, waarbij dit cijfer wordt verhoogd tot 25%, maar dat zijn er niet zo veel.

Dat wil zeggen, als uw auto 10 liter brandstof per 100 km verbruikt, gaat er slechts 2 liter rechtstreeks naar het werk en de rest is verlies!

Natuurlijk kun je het vermogen vergroten, bijvoorbeeld door het hoofd te boren, we kijken naar een korte video.

Als je de formule onthoudt, krijg je:

Welke motor heeft het hoogste rendement?

Nu wil ik het hebben over benzine- en dieselopties en uitzoeken welke het meest efficiënt is.

Om het in eenvoudige taal te zeggen en niet in de jungle van technische termen te gaan, dan - als we twee efficiëntiefactoren vergelijken - is diesel natuurlijk de meest efficiënte, en dit is waarom:

1) Gasmotor zet slechts 25% van de energie om in mechanische energie, maar diesel ongeveer 40%.

2) Als u het dieseltype uitrust met een turbolader, kunt u een efficiëntie van 50-53% behalen, en dit is zeer significant.

Dus waarom is het zo effectief? Het is simpel - ondanks het soortgelijk werk (beide zijn verbrandingsmotoren), doet een dieselmotor zijn werk veel efficiënter. Het heeft een grotere compressie en de brandstof ontsteekt vanuit een ander principe. Hij warmt minder op, wat betekent dat hij bespaart op koeling, hij heeft minder kleppen (besparing op wrijving), en hij heeft ook niet de gebruikelijke bobines en bougies, waardoor hij geen extra energiekosten van de generator vereist . Het werkt bij lagere snelheden, het is niet nodig om de krukas wild te tornen - dit alles maakt de dieselversie tot een kampioen in efficiëntie.

Over brandstofefficiëntie van diesel

VAN meer hoge waarde efficiëntiefactor - volgt en brandstofefficiëntie. Zo kan een 1,6-liter motor bijvoorbeeld slechts 3-5 liter verbruiken in de stad, in tegenstelling tot het benzinetype, waar het verbruik 7-12 liter is. Een dieselmotor heeft veel, de motor zelf is vaak compacter en lichter, en ook nog eens in recente tijden en milieuvriendelijker. Al deze positieve aspecten worden bereikt dankzij: grotere waarde, er is een directe relatie tussen efficiëntie en compressie, kijk naar een plaatje.

Ondanks alle voordelen heeft het echter ook veel nadelen.

Zoals het duidelijk wordt Motor efficiëntie interne verbranding is verre van ideaal, dus de toekomst is zeker elektrische opties - het blijft alleen om efficiënte batterijen te vinden die niet bang zijn voor vorst en die lang opgeladen blijven.