De efficiëntie werkt. Diesel- en benzinemotoren: vergelijking van efficiëntie

« Natuurkunde - 10e leerjaar"

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.

Reserveringen interne energie V aardkorst en oceanen kunnen als vrijwel onbeperkt worden beschouwd. Maar om praktische problemen op te lossen is het hebben van energiereserves niet voldoende. Het is ook noodzakelijk om energie te kunnen gebruiken om werktuigmachines in fabrieken en fabrieken, voertuigen, tractoren en andere machines in beweging te brengen, en om 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 dat wel warmte motoren.

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

Werkingsprincipe van warmtemotoren.

Om een ​​motor te laten werken, moet er een drukverschil zijn aan beide zijden van de motorzuiger of turbinebladen. Bij alle warmtemotoren wordt dit drukverschil bereikt door de temperatuur te verhogen werkende vloeistof(gas) met honderden of duizenden graden vergeleken met de temperatuur omgeving. Deze temperatuurstijging treedt op wanneer brandstof verbrandt.

Een van de belangrijkste onderdelen van de motor is een met gas gevuld vat met een beweegbare zuiger. De werkvloeistof van alle warmtemotoren is gas, dat wel werkt tijdens expansie. Laten we de begintemperatuur van het werkfluïdum (gas) aangeven met T 1 . Deze temperatuur binnen stoomturbines of machines verkrijgen stoom in een stoomketel. Bij verbrandingsmotoren en gasturbines vindt de temperatuurstijging plaats wanneer de brandstof in de motor zelf verbrandt. Temperatuur T 1 wordt genoemd verwarmingstemperatuur.

De rol van de koelkast.

Naarmate er arbeid wordt verricht, verliest het gas energie en koelt het onvermijdelijk af tot een bepaalde temperatuur T2, die meestal iets hoger is dan de omgevingstemperatuur. Ze bellen haar koelkast temperatuur. De koelkast is de atmosfeer of speciale apparaten voor koeling en condensatie van uitlaatstoom - condensatoren. In het laatste geval kan de temperatuur van de koelkast iets lager zijn dan de omgevingstemperatuur.

In een motor kan de werkvloeistof tijdens de expansie dus niet al zijn interne energie opgeven om arbeid te verrichten. Een deel van de warmte wordt onvermijdelijk overgebracht naar de koelkast (atmosfeer), samen met afvalstoom of uitlaatgassen van verbrandingsmotoren en gasturbines.

Dit deel van de interne energie van de brandstof gaat verloren. Een warmtemotor voert werk uit dankzij de interne energie van de werkvloeistof. Bovendien wordt tijdens dit proces warmte overgedragen van hetere lichamen (verwarming) naar koudere lichamen (koelkast). Schematisch diagram warmte motor weergegeven in figuur 13.13.

De werkvloeistof van de motor ontvangt tijdens de verbranding van brandstof van de verwarming de hoeveelheid warmte Q 1, doet werk A" en geeft de hoeveelheid warmte af aan de koelkast Vraag 2< Q 1 .

Om de motor continu te laten werken, is het noodzakelijk om de werkvloeistof terug te brengen naar de oorspronkelijke staat, waarbij de temperatuur van de werkvloeistof gelijk is aan T 1. Hieruit volgt dat de motor werkt volgens periodiek herhalende gesloten processen, of, zoals ze zeggen, in een cyclus.

Cyclus is een reeks processen waardoor het systeem terugkeert naar de oorspronkelijke staat.

Prestatiecoëfficiënt (efficiëntie) van een warmtemotor.

De onmogelijkheid om de interne energie van gas volledig om te zetten in het werk van warmtemotoren is te wijten aan de onomkeerbaarheid van processen in de natuur. Als de warmte spontaan van de koelkast naar de verwarming zou kunnen terugkeren, zou de interne energie volledig kunnen worden omgezet in nuttig werk met behulp van een 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 in mechanische arbeid zou omzetten.

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

A" = Q1 - |Q2 |, (13.15)

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

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

Omdat alle motoren een bepaalde hoeveelheid warmte naar de koelkast overbrengen, is η< 1.

Maximale efficiëntiewaarde van warmtemotoren.

De wetten van de thermodynamica maken het mogelijk om de maximaal mogelijke efficiëntie te berekenen van een warmtemotor die werkt met een verwarming op temperatuur T1 en een koelkast op temperatuur T2, en om manieren te bepalen om deze te verhogen.

Voor het eerst 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 drijvende kracht van vuur en over machines die deze kracht kunnen ontwikkelen’ (1824). ).

Carnot bedacht een ideale warmtemotor met een ideaal gas als werkvloeistof. Een ideale Carnot-warmtemotor werkt volgens een cyclus die bestaat uit twee isothermen en twee adiabaten, en deze processen worden als omkeerbaar beschouwd (fig. 13.14). Eerst wordt een vat met gas in contact gebracht met de verwarmer, het gas zet isotherm uit en doet positief werk bij temperatuur T 1, en ontvangt een hoeveelheid warmte Q 1.

Vervolgens wordt het vat thermisch geïsoleerd, het gas blijft adiabatisch uitzetten, terwijl de temperatuur daalt tot de temperatuur van de koelkast T2. Hierna wordt het gas in contact gebracht met de koelkast; tijdens isotherme compressie geeft het de hoeveelheid warmte Q 2 aan de koelkast, gecomprimeerd 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 een 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 warmtemotor die werkt met een verwarming op temperatuur T1 en een koelkast op temperatuur T2 kan geen efficiëntie hebben die groter is dan die van een ideale warmtemotor: De processen waaruit de cyclus van een echte warmtemotor bestaat, zijn niet omkeerbaar.

Formule (13.17) geeft een theoretische limiet voor de maximale efficiëntiewaarde van warmtemotoren. Hieruit blijkt dat een warmtemotor efficiënter is, naarmate het temperatuurverschil tussen de verwarming en de koelkast groter is.

Alleen bij een koelkasttemperatuur gelijk aan het absolute nulpunt is η = 1. Daarnaast is bewezen dat het rendement berekend met formule (13.17) niet afhankelijk is van de werkstof.

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

Nu zijn de belangrijkste inspanningen van ingenieurs gericht op het vergroten 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 de maximale efficiëntiewaarde 62% (merk op dat efficiëntie meestal wordt gemeten als een percentage) . De werkelijke efficiëntiewaarde als gevolg van verschillende soorten energieverliezen bedraagt ​​ongeveer 40%. Het maximale rendement – ​​ongeveer 44% – wordt bereikt door dieselmotoren.

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 thermische motoren.

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

Wanneer brandstof verbrandt, neemt het zuurstofgehalte in de atmosfeer af. Bovendien vormen zich de verbrandingsproducten zelf chemische verbindingen, 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 motoren is de vorming van kooldioxide, dat infraroodstraling van het aardoppervlak absorbeert, wat leidt tot een stijging van de atmosferische temperatuur. Dit is het zogenaamde broeikaseffect. Uit metingen blijkt dat de temperatuur in de atmosfeer jaarlijks met 0,05 °C stijgt. Een dergelijke voortdurende temperatuurstijging kan ervoor zorgen dat het ijs smelt, wat op zijn beurt zal leiden tot veranderingen in de waterstanden in de oceanen, dat wil zeggen tot het overstromen van continenten.

Laten we nog een negatief punt opmerken bij het gebruik van warmtemotoren. Soms wordt water uit rivieren en meren dus gebruikt om motoren te koelen. Het verwarmde water wordt vervolgens teruggevoerd. Een stijging van de temperatuur in waterlichamen verstoort het natuurlijke evenwicht; dit fenomeen wordt thermische vervuiling genoemd.

Ter bescherming van het milieu worden op grote schaal verschillende reinigingsfilters gebruikt om emissies naar de atmosfeer te voorkomen. schadelijke stoffen worden de motorontwerpen verbeterd. Er is een voortdurende verbetering van de brandstof die tijdens de verbranding minder schadelijke stoffen produceert, evenals de technologie van de verbranding ervan. Actief in ontwikkeling alternatieve bronnen windenergie, zonnestraling, kernenergie. Er worden al elektrische auto’s en auto’s op zonne-energie geproduceerd.

De moderne realiteit vereist het wijdverbreide gebruik van warmtemotoren. Talrijke pogingen om ze te vervangen door elektromotoren zijn tot nu toe mislukt. Problemen in verband met energieopslag in autonome systemen, worden met grote moeite opgelost.

De problemen van de productietechnologie voor elektrische batterijen zijn, rekening houdend met het gebruik ervan op de lange termijn, nog steeds relevant. De snelheidskenmerken van elektrische voertuigen zijn verre van die van auto's met verbrandingsmotoren.

De eerste stappen om hybride motoren te creëren kunnen de schadelijke uitstoot in megasteden aanzienlijk verminderen, waardoor milieuproblemen worden opgelost.

Een beetje geschiedenis

De mogelijkheid om stoomenergie om te zetten in bewegingsenergie was al in de oudheid bekend. 130 v.Chr: De filosoof Heron van Alexandrië presenteerde een stoomspeelgoed - aeolipile - aan het publiek. De met stoom gevulde bol begon te roteren onder invloed van de stralen die eruit kwamen. Dit prototype van moderne stoomturbines werd in die tijd niet gebruikt.

Jaren en eeuwen lang werd alleen gekeken naar de ontwikkelingen van de filosoof grappig speelgoed. In 1629 creëerde de Italiaan D. Branchi een actieve turbine. De stoom dreef een schijf aan die was uitgerust met messen.

Vanaf dat moment begon de snelle ontwikkeling van stoommachines.

Warmte motor

De omzetting van brandstof in bewegingsenergie van machineonderdelen en mechanismen wordt gebruikt in warmtemotoren.

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

De verwarmer is ontworpen om ervoor te zorgen dat de werkvloeistof voldoende interne energie verzamelt om nuttig werk te verrichten. De koelkast verwijdert overtollige energie.

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

Efficiëntieberekening

Laat de verwarmer energie van buitenaf verkrijgen die gelijk is aan Q 1 . De werkvloeistof verrichtte arbeid A, terwijl de energie die aan de koelkast werd gegeven Q 2 bedroeg.

Op basis van de definitie berekenen we de efficiëntiewaarde:

η= EEN / Q 1 . Laten we er rekening mee houden dat A = Q 1 - Q 2.

De efficiëntie van de warmtemotor, waarvan de formule η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 is, stelt ons dus in staat de volgende conclusies te trekken:

• De efficiëntie mag niet hoger zijn dan 1 (of 100%);
• om deze waarde te maximaliseren, is het noodzakelijk om ofwel de energie die van de verwarming wordt ontvangen te verhogen, ofwel de energie die aan de koelkast wordt gegeven te verlagen;
• het verhogen van de verwarmingsenergie wordt bereikt door de kwaliteit van de brandstof te veranderen;
• Door de energie die aan de koelkast wordt gegeven te verminderen, kunt u dit bereiken ontwerpkenmerken motoren.

Ideale warmtemotor

Is het mogelijk om een ​​motor te maken waarvan de efficiëntie maximaal is (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 processen die in gassen plaatsvinden openbaar gemaakt.

Het hoofdidee dat inherent is aan de ideale machine kan worden overwogen om omkeerbare processen uit te voeren met een ideaal gas. We beginnen met het isotherm expanderen van het gas bij temperatuur T 1 . De hiervoor benodigde hoeveelheid warmte is Q 1. Daarna zet het gas uit zonder warmte-uitwisseling. Nadat het de temperatuur T 2 heeft bereikt, comprimeert het gas isotherm, waardoor energie Q 2 wordt overgedragen aan de koelkast. Het gas keert adiabatisch terug naar zijn oorspronkelijke staat.

Het rendement van een ideale Carnot-warmtemotor is, wanneer nauwkeurig berekend, gelijk aan de verhouding tussen het temperatuurverschil tussen de verwarmings- en koelinrichtingen en de temperatuur van de verwarming. Het ziet er zo 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 temperaturen van de verwarming en koeler en kan niet meer dan 100% bedragen.

Bovendien stelt deze relatie ons in staat te bewijzen dat de efficiëntie van warmtemotoren alleen gelijk kan zijn aan één wanneer de koelkast de temperatuur bereikt. Zoals bekend is deze waarde onhaalbaar.

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

De door Carnot bewezen stelling is als volgt. Onder geen enkele omstandigheid kan een willekeurige warmtemotor een rendement hebben dat groter is dan dezelfde efficiëntiewaarde van een ideale warmtemotor.

Voorbeeld van probleemoplossing

Voorbeeld 1. Wat is het rendement van een ideale warmtemotor als de verwarmingstemperatuur 800 o C is en de koelkasttemperatuur 500 o C lager?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 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), dus:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Antwoord: Efficiëntie = 46%.

Voorbeeld 2. Bepaal het rendement van een ideale warmtemotor als, dankzij de verkregen één kilojoule verwarmingsenergie, nuttig werk van 650 J wordt verricht. Wat is de temperatuur van de verwarming van de warmtemotor als de koelertemperatuur 400 K is?

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

Bij dit probleem waar we het over hebben over een thermische installatie waarvan het rendement kan worden berekend met de formule:

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

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Na het uitvoeren van wiskundige transformaties krijgen we:

T1 = T2/(1- η).

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).

Laten we berekenen:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Antwoord: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.

Echte omstandigheden

Een ideale warmtemotor is ontworpen met ideale processen in gedachten. Er wordt alleen gewerkt in isotherme processen; de waarde ervan wordt bepaald als het gebied dat wordt begrensd door de grafiek van de Carnot-cyclus.

In werkelijkheid is het onmogelijk omstandigheden te creëren waarin het proces van verandering van de toestand van een gas kan plaatsvinden zonder dat daarmee temperatuurveranderingen gepaard gaan. Er zijn geen materialen die warmte-uitwisseling met omringende objecten uitsluiten. Het adiabatische proces wordt onmogelijk uit te voeren. Bij warmtewisseling moet de gastemperatuur noodzakelijkerwijs veranderen.

De efficiëntie van warmtemotoren die in reële omstandigheden worden gecreëerd, verschilt aanzienlijk van de efficiëntie van ideale motoren. Merk op dat de processen in echte motoren zo snel plaatsvinden dat de variatie in de interne thermische energie van de werksubstantie tijdens het veranderen van het volume niet kan worden gecompenseerd door de instroom van warmte van de verwarming en overdracht naar de koelkast.

Andere warmtemotoren

Echte motoren werken op verschillende cycli:

• Ottocyclus: een proces met een constant volume verandert adiabatisch, waardoor een gesloten cyclus ontstaat;
• Dieselcyclus: isobaar, adiabatisch, isochoor, adiabatisch;
• proces dat plaatsvindt tijdens constante druk, wordt vervangen door adiabatisch, waardoor de cyclus wordt gesloten.

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

Maar je moet je rol niet verkleinen berekeningsformule Efficiëntie, want juist dit wordt het startpunt in het proces van werken aan het verhogen van de efficiëntie van echte motoren.

Manieren om de efficiëntie te veranderen

Bij het vergelijken van ideale en echte warmtemotoren is het vermeldenswaard dat de temperatuur van de koelkast van laatstgenoemde geen enkele temperatuur kan hebben. Meestal wordt de atmosfeer als een koelkast beschouwd. De temperatuur van de atmosfeer kan alleen bij benadering worden aanvaard. 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 (afgekort als ICE).

ICE is de meest voorkomende warmtemotor ter wereld. Het rendement van de warmtemotor hangt in dit geval af van de temperatuur die door de brandende brandstof wordt gecreëerd. Aanzienlijk verschil Een verbrandingsmotor van stoommachines is een samensmelting van de functies van een verwarming en een werkvloeistof van het apparaat in een lucht-brandstofmengsel. Terwijl het mengsel verbrandt, ontstaat er druk op de bewegende delen van de motor.

Er wordt een verhoging van de temperatuur van de werkgassen bereikt, waardoor de eigenschappen van de brandstof aanzienlijk veranderen. Helaas kan dit niet voor onbepaalde tijd worden gedaan. 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.

Motorefficiëntiewaarden

Als we kijken naar de temperatuur van de werkende stoom aan de inlaat waarvan 800 K is, en het uitlaatgas - 300 K, dan is het rendement van deze machine 62%. In werkelijkheid bedraagt ​​deze waarde niet meer dan 40%. Deze afname treedt op als gevolg van warmteverliezen bij het verwarmen van het turbinehuis.

De hoogste waarde van interne verbranding bedraagt ​​niet meer dan 44%. Het verhogen van deze waarde is een zaak van de nabije toekomst. Het veranderen van de eigenschappen van materialen en brandstoffen is een probleem waar de knapste geesten van de mensheid aan werken.

Publicatiedatum 28-01-2013 13:48

Geen enkele actie wordt zonder verliezen uitgevoerd - ze bestaan ​​altijd. Het verkregen resultaat is altijd minder dan de inspanning die moet worden geleverd om het te bereiken. De prestatiecoëfficiënt (efficiëntie) geeft aan hoe groot de verliezen zijn bij het uitvoeren van arbeid.

Wat gaat er schuil achter deze afkorting? In wezen is het de efficiëntiefactor van een mechanisme of een indicator van het rationeel gebruik van energie. De efficiëntiewaarde heeft geen meeteenheden; deze wordt uitgedrukt als een percentage. Deze coëfficiënt wordt bepaald als de verhouding tussen het nuttige werk van het apparaat en het werk dat aan de werking ervan wordt besteed. Voor efficiëntieberekeningen De berekeningsformule ziet er als volgt uit:

Efficiëntie =100* (nuttig gedaan werk/bestede arbeid)

IN verschillende apparaten om deze verhouding te berekenen gebruiken we verschillende betekenissen. Voor elektromotoren zal efficiëntie lijken op de verhouding tussen nuttig werk en arbeid elektrische energie ontvangen van het netwerk. Voor warmtemotoren wordt de efficiëntiefactor gedefinieerd als de verhouding tussen de nuttige arbeid die wordt verricht en de hoeveelheid verbruikte warmte.

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

Zoals reeds opgemerkt, is de efficiëntiefactor, als gevolg van onvermijdelijke verliezen tijdens de werking van mechanismen, altijd minder dan 1. De efficiëntie van thermische stations bereikt dus 90%, de efficiëntie van verbrandingsmotoren is minder dan 30% en de efficiëntie van een elektrische transformator is 98%. Het concept van efficiëntie kan zowel op het mechanisme als geheel als op de afzonderlijke componenten ervan worden toegepast. Bij het maken van een algemene beoordeling van de efficiëntie van het mechanisme als geheel (de efficiëntie ervan), het product van de efficiëntie van het individu componenten dit apparaat.

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

Als we kijken naar de efficiëntie van de verbrandingsmotor (ICE), blijkt dat er in alle fasen van de werking verliezen optreden. Zo wordt slechts 75% van de binnenkomende brandstof verbrand in de motorcilinders en komt 25% vrij in de atmosfeer. Van alle verbrande brandstof wordt slechts 30-35% van de vrijkomende warmte gebruikt om nuttig werk te verrichten; de rest van de warmte gaat verloren in de uitlaatgassen of blijft achter 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 hierover eenvoudig voorbeeld analyse van de efficiëntie van het mechanisme stelt ons in staat de richtingen te bepalen waarin moet worden gewerkt om verliezen te verminderen. Een van de prioriteitsgebieden is dus het garanderen van volledige verbranding van brandstof. Dit wordt bereikt door extra verneveling van de brandstof en verhoogde druk. Daarom worden motoren met directe injectie en turbocompressie zo populair. De warmte die uit de motor wordt verwijderd, wordt gebruikt om de brandstof te verwarmen voor een betere verdamping, en mechanische verliezen worden verminderd door het gebruik van moderne soorten synthetische olie.

Efficiëntiefactor (efficiëntie) is een kenmerk van de prestaties van het systeem met betrekking tot de omzetting of overdracht van energie, die wordt bepaald door de verhouding tussen de gebruikte nuttige energie en de totale door het systeem ontvangen energie.

Efficiëntie- een dimensieloze hoeveelheid, meestal uitgedrukt als een percentage:

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

Carnot-cyclus is een omkeerbaar circulair gasproces, dat bestaat uit achtereenvolgens twee isotherme en twee adiabatische processen, uitgevoerd met de werkvloeistof.

Een cirkelvormige cyclus, die twee isothermen en twee adiabaten omvat, komt overeen met maximale efficiëntie.

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

De formule voor het rendement van de Carnot-cyclus, dat wil zeggen het maximale rendement van een warmtemotor, heeft de vorm: , waarbij T1 de absolute temperatuur van de verwarming is, is T2 de absolute temperatuur van de koelkast.

Warmte motoren- dit zijn constructies waarin thermische energie wordt omgezet in mechanische energie.

Warmtemotoren zijn divers, zowel qua ontwerp als qua doel. Het gaat onder meer om stoommachines, stoomturbines, verbrandingsmotoren, straalmotoren.

Ondanks de diversiteit is de werking van verschillende warmtemotoren in principe wel hetzelfde gemeenschappelijke kenmerken. De belangrijkste componenten van elke warmtemotor zijn:

• verwarming;
• werkvloeistof;
• koelkast.

De verwarming straalt 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 een gas comprimeren, waarbij we dezelfde toestanden doorlopen, maar in de tegenovergestelde richting, dan zullen we dezelfde absolute waarde doen, maar negatief werk. Als gevolg hiervan zal al het werk per cyclus nul zijn.

Om de arbeid van een warmtemotor verschillend te laten zijn van nul, moet de arbeid van gascompressie kleiner zijn dan de arbeid van expansie.

Om het werk van compressie minder te laten worden dan het werk van expansie, is het noodzakelijk dat het compressieproces bij een lagere temperatuur plaatsvindt; hiervoor moet de werkvloeistof worden gekoeld, daarom is een koelkast in het ontwerp opgenomen van de warmtemotor. De werkvloeistof brengt warmte over naar de koelkast wanneer deze ermee in contact komt.

Waarschijnlijk heeft iedereen zich afgevraagd wat de efficiëntie (Coefficient of Efficiency) van een verbrandingsmotor is. Hoe hoger deze indicator, hoe efficiënter de krachtbron werkt. Momenteel beschouwd als het meest effectief elektrisch type De efficiëntie kan oplopen tot 90 - 95%, maar voor verbrandingsmotoren, of het nu diesel of benzine is, is het, op zijn zachtst gezegd, verre van ideaal...

Eerlijk gezegd dan moderne opties motoren zijn veel efficiënter dan hun tegenhangers die 10 jaar geleden op de markt kwamen, en daar zijn veel redenen voor. Denk maar eens zelf na, de 1,6 liter versie produceerde slechts 60 - 70 pk. En nu kan deze waarde 130 - 150 pk bereiken. Dit is nauwgezet werk om de efficiëntie te vergroten, waarbij elke ‘stap’ met vallen en opstaan ​​wordt gegeven. Laten we echter beginnen met een definitie.

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

Simpel gezegd is dit de omzetting van thermische of thermische energie die ontstaat tijdens de verbranding van een brandstofmengsel (lucht en benzine) in mechanische energie. Opgemerkt moet worden dat dit al is gebeurd, bijvoorbeeld in stoom energiecentrales— Brandstof duwde ook de zuigers van de eenheden onder invloed van de temperatuur. De installaties daar waren echter vele malen groter en de brandstof zelf was vast (meestal steenkool of brandhout), waardoor het moeilijk was om deze met schoppen in de oven te "voeden"; Verbrandingsmotoren zijn veel compacter en lichter dan “stoommotoren”, en de brandstof is veel gemakkelijker op te slaan en te transporteren.

Meer over verliezen

Vooruitkijkend kunnen we vol vertrouwen zeggen dat de efficiëntie van een benzinemotor varieert van 20 tot 25%. En daar zijn veel redenen voor. Als we de binnenkomende brandstof nemen en deze omzetten in percentages, lijken we “100% van de energie” te krijgen die naar de motor wordt overgebracht, en dan zijn er verliezen:

1)Brandstofefficiëntie . Niet alle brandstof wordt verbrand, een klein deel ervan gaat met de uitlaatgassen mee, op dit niveau verliezen we al tot 25% efficiëntie. Nu de brandstofsystemen verbeteren, is er natuurlijk een injector verschenen, maar deze is ook verre van ideaal.

2) De tweede is thermische verliezenEn . De motor verwarmt zichzelf en vele andere elementen, zoals radiatoren, de carrosserie en de vloeistof die erin circuleert. Ook gaat een deel van de warmte verloren met uitlaatgassen. Dit alles resulteert in een efficiëntieverlies tot wel 35%.

3) De derde zijn mechanische verliezen . OP alle soorten zuigers, drijfstangen, ringen - alle plaatsen waar wrijving is. Dit kunnen ook verliezen door de belasting van de generator zijn. Hoe meer elektriciteit de generator genereert, hoe meer deze de rotatie van de krukas vertraagt. Natuurlijk hebben smeermiddelen ook vooruitgang geboekt, maar nogmaals, niemand heeft de wrijving nog volledig kunnen overwinnen - de verliezen bedragen nog steeds 20%.

Het komt er dus op neer dat de efficiëntie ongeveer 20% bedraagt! Natuurlijk zijn er onder de benzine-opties opvallende opties waarbij dit cijfer wordt verhoogd tot 25%, maar er zijn er niet veel.

Dat wil zeggen, als uw auto 10 liter brandstof per 100 km verbruikt, dan gaat slechts 2 liter daarvan direct aan het werk, en de rest is verlies!

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

Als je de formule onthoudt, blijkt:

Welke motor heeft het hoogste rendement?

Nu wil ik het hebben over benzine- en dieselopties, en ontdekken welke van hen het meest efficiënt is.

Om het in eenvoudige taal te zeggen en zonder in technische termen te vervallen: als je de twee efficiëntiefactoren vergelijkt, is diesel uiteraard de meest efficiënte, en dit is de reden:

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

2) Als je een dieseltype uitrust met turbolading, kun je een rendement van 50-53% behalen, en dit is zeer significant.

Dus waarom is het zo effectief? Het is simpel: ondanks het vergelijkbare soort werk (beide zijn interne verbrandingseenheden), doet diesel zijn werk veel efficiënter. Het heeft een grotere compressie en de brandstof ontbrandt volgens een ander principe. Hij warmt minder op, waardoor er wordt bespaard op de koeling, hij heeft minder kleppen (besparing op wrijving) en hij beschikt ook niet over de gebruikelijke bobines en bougies, waardoor hij geen extra energiekosten van de generator vraagt . Het werkt op lagere snelheden, het is niet nodig om de krukas verwoed te laten draaien - dit alles maakt de dieselversie tot een kampioen op het gebied van efficiëntie.

Over dieselbrandstofefficiëntie

VAN meer hoge waarde efficiëntie - zou ook moeten brandstofefficiëntie. Zo kan een 1,6-liter motor in de stad bijvoorbeeld slechts 3-5 liter verbruiken, in tegenstelling tot het benzinetype, waar het verbruik 7-12 liter bedraagt. Een dieselmotor is veel efficiënter; de motor zelf is vaak compacter en lichter, en ook de laatste tijd en milieuvriendelijker. Al deze positieve aspecten worden bereikt dankzij hogere waarde Als er een directe relatie bestaat tussen efficiëntie en compressie, kijk dan naar het kleine plaatje.

Ondanks alle voordelen kent het echter ook veel nadelen.

Zoals duidelijk wordt, Motorefficiëntie interne verbranding is verre van ideaal, dus de toekomst behoort duidelijk aan elektrische opties - het enige dat overblijft is het vinden van efficiënte batterijen die niet bang zijn voor vorst en lang hun lading vasthouden.