Что такое механический кпд двигателя

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.
На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Параметры КПД в электродвигателях

Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

В данной формуле p1 – это подведенная электрическая мощность, p2 – полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем.

Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть.

В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.

Снижение КПД

Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением мощности, реактивными токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя.

Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей.

В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.

Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры.

Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B – до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.

Средний КПД электрических двигателей

Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:

1. При холостом ходе КПД равен 0%.
2. При нагрузке 25% КПД равен 83%.
3. При нагрузке 50% КПД равен 87%.
4. При нагрузке 75% КПД равен 88%.
5. При нагрузке 100% КПД равен 87%.

Одна из причин падения коэффициента полезного действия – асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй – 403 В, а на третьей – 390 В, то среднее значение будет равно 401 В.

Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%.

Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.

Общие потери и падение КПД

Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее – на ротор.

Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.

Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.

Автомобильные двигатели

История развития электрических двигателей начинается с момента открытия закона электромагнитной индукции. Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.

Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное – их КПД значительно увеличился.

Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД – это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.

Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач.

Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания.

Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей – это очень спорный вопрос.

Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока.

Также уместно использовать и частотные преобразователи для изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный пуск двигателя, высокую точность регулировки.

Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

Максимальный КПД электродвигателя

В зависимости от типа конструкции, коэффициент полезного действия в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д.

То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% – на нагрев деталей.

Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.

Возможен ли КПД свыше 100%?

Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве.

Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%.

Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.

Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя

Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли.

И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается.

В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.

Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы.

Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция – это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит.

Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Второй интересный источник – постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет.

Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось.

Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.

Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.

Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.

Заключение

КПД электродвигателя – это самый важный параметр, который определяет эффективность работы того или иного мотора. Чем выше КПД, тем лучше мотор.

В двигателе с КПД 95% почти вся затрачиваемая энергия уходит на выполнение работы и только 5% расходуется не по нужде (например, на нагрев запчастей).

Современные дизельные двигатели могут достигать значения КПД 45%, и это считается классным результатом. КПД бензиновых двигателей и того меньше.

Мощность и крутящий момент

При одинаковом показателе рабочего объёма, мощность атмосферного бензинового мотора выше, но достигается при более высоких оборотах. Двигатель нужно «крутить», потери возрастают, увеличивается расход топлива. Также необходимо упомянуть крутящий момент, под которым в буквальном смысле понимается сила, которая передается от мотора на колеса и движет автомобиль. Бензиновые ДВС выходят на максимум крутящего момента при более высоких оборотах.

Аналогичный атмосферный дизель выходит на пик крутящего момента при низких оборотах, при этом расходует меньше солярки для выполнения полезной работы, что означает более высокий КПД и экономию топлива.

Параметры КПД в электродвигателях

Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

В данной формуле p1 — это подведенная электрическая мощность, p2 — полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.

Основные характеристики этого двигателя:

очень высокая степень сжатия 14,0: 1, которая была достигнута благодаря специальной системе выпуска, поршневым полостям, новым многоотверстным инжекторам и другим нововведениям для предотвращения неправильного сгорания (детонации);

• внутреннее трение уменьшено на 30%;
• регулировка фаз газораспределения во впускных и выпускных клапанах;
• легкая конструкция — общий вес на 10% ниже.

В результате этих деталей были получены четырехцилиндровые безнаддувные двигатели с большим рабочим объемом с высоким крутящим моментом (примерно на 15% выше в диапазоне низких и средних оборотов двигателя по сравнению с традиционными версиями), а расход топлива и выбросы CO2 снижены примерно на 15 % по сравнению с бензиновым двигателем аналогичной мощности. Поэтому это альтернатива широко распространенной в настоящее время минимизации двигателя.

Самое главное, что в двигателях SKYACTIV-G у нас нет неблагоприятных вибраций двигателя в диапазоне низких оборотов, нет неблагоприятного увеличения скорости, и мы имеем гораздо более высокую рабочую культуру, чем малые трехцилиндровые соревновательные агрегаты, имеющие аналогичную мощность. Это представлено в таблице, сравнивающей Mazda 2 и Mazda 3 с двигателем SKYACTIV-G и Peugeot с 1,2-цилиндровым двигателем Pure Tech и VW с двигателями 1,0 TSi.

Дизайнеры Toyota пошли несколько другим путем, чтобы повысить тепловой КПД, и они взяли идею английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий ход был длиннее такта сжатия. Благодаря этому, после длительного рабочего цикла, когда начался рабочий ход, давление и температура выхлопных газов были намного ниже, а энергия от расширения использовалась полностью.

Вместо разработки сложных систем толкателя, которые продлили бы рабочий ход, вместо этого использовались «электроника и достижения 21-го века». Благодаря продуманному решению удалось сделать так, что, несмотря на то, что двигатель Toyota поддерживает классическую простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, где при каждом из тактов поршень движется одинаково, эффективный рабочий ход длиннее такта сжатия.

Как говорят конструкторы Toyota, следует сказать иначе: эффективный ход сжатия короче рабочего хода (т. Е. В точности идея двигателя Джеймса Аткинсона). Это достигается путем задержки закрытия всасывающего клапана, который закрывается сразу после начала такта сжатия. Таким образом, часть топливовоздушной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество дымовых газов, образующихся в результате его сгорания, меньше и может полностью расширяться перед началом такта выпуска, передавая всю энергию на поршень, а сжатие меньшего количества смеси требует меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя.

Единственная проблема с двигателем, работающим по системе Аткинсона, заключается в том, что мощность двигателя меньше, чем у традиционной машины. Хотя эта концепция оказалась отличным решением для гибридных автомобилей, в которых нехватка мощности, особенно необходимая для запуска и ускорения, компенсирует электродвигатель по сравнению с классическим двигателем Отто, двигатель Аткинсона явно проигрывает.

Здесь, однако, гений инженера Toyota / Lexus вновь проявил себя. Технические инновации и использование электронного управления открытием клапана позволили использовать обе рабочие системы и создать двигатель с переменной нагрузкой. Когда энергопотребление низкое, например, при спокойной езде по дороге, двигатель работает в цикле Аткинсона, потребляя мало топлива. Однако, когда требуется лучшая производительность — при выключении света или обгоне — он входит в цикл Отто, используя всю доступную динамику. Такой 1,2-литровый двигатель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, например, Toyota Auris и городской внедорожник Toyota C-HR. Аналогичный рабочий двухлитровый агрегат используется в Lexus: IS 300, GS 300, NX 300,

Таким образом, тепловая эффективность является основным фактором, влияющим на потребление топлива и использование тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива. Важно, что продолжается работа по повышению этой эффективности, то есть по разработке более совершенных двигателей.

Новейшим решением является двигатель INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo), который является одним из самых технически совершенных двигателей внутреннего сгорания, когда-либо созданных, и используемая в нем технология VC-Turbo сочетает в себе мощность высокоэффективного 2,0-турбочного бензинового двигателя с крутящим моментом и экономичностью. современный дизельный двигатель, но без выхлопных газов.

Технология Infiniti VC-Turbo имеет возможность непрерывного преобразования, поскольку она использует усовершенствованную многорычажную систему для бесконечного увеличения или уменьшения размера камеры сгорания и сразу же — на основании обнаруженной нагрузки двигателя и команд водителя — выбирает наиболее подходящую степень сжатия. Двигатель способен реализовать любую степень сжатия от 8: 1 до 14: 1.

Развивая максимальную мощность 272 л.с. и 390 Нм крутящего момента, двигатель VC-Turbo сопоставим по производительности с шестицилиндровыми бензиновыми двигателями и определенно более экономичен, чем он.

Понятие «КПД двигателя»

Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.

В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.

Возможно, вас заинтересует статья нашего эксперта, в которой подробно описывается и разбирается двигатель внешнего сгорания.

Что такое роторно-поршневой двигатель Ванкеля? Об особенностях этой разновидности мотора вы сможете узнать из материала нашего специалиста.

Также советуем прочитать статью нашего эксперта, в которой подробно рассматривается двигатель Ибадуллаева.

Сравнение дизельного и бензинового двигателей

Более высокий эффективный КПД дизе­ля по сравнению с обычным бензиновым двигателем вызван следующими причи­нами:

• Более высокая степень сжатия (со­ответственно большая площадь индикаторной диаграммы);
• Высокий коэффициент избытка воз­духа (с возможностью гетерогенно­го внутреннего смесеобразования);
• Отсутствие дроссельной заслонки — т. е. отсутствие потерь на дросселиро­вание в режиме частичных нагрузок.