Кпд дизельного двигателя

Каталог статей

Остальные статьи на тему "Дизель"

Почему дизель экономичнее?

У дизеля более высокая степень сжатия, а чем выше степень сжатия, тем выше экономичность и меньше расход топлива.

Автомобильный дизель мощность 100 сил. при среднемесячном расчете расходует 5-7 литров бензина на 100 км пробега
Бензиновый двигатель расходует 7-9 литров на 100 км. разница не очень большая и если вам удаётся уложиться в этот расход, то Вы хороший водитель.
Если расход заметно больше, то у Вас, либо старый автомобиль, либо вы плохой водитель.

Почему бензиновый автомобиль расходует больше топлива при таком же пробеге.
Энергии в бензине и дизельном топливе содержится примерно одинаково, значит, бензиновый двигатель большую часть своей энергии теряет зря, просто на нагрев окружающего воздуха.

Дизель лучше использует тепло от сгоревшего топлива, а значит, для работы ему нужно меньше топлива.

Дизельный двигатель – это такой двигатель, в котором топливо под высоким давлением впрыскивается в конце такта сжатия, в сжатый воздух. Воздух от сжатия имеет очень высокую температуру. Мелко распыленное топливо смешивается с горячим воздухом очень короткое время, и воспламеняется. Это называется «Самовоспламенение», поэтому двигатель называется «с самовоспламенением»

Бензиновый двигатель – это такой двигатель, в котором топливо под небольшим давлением впрыскивается во впускной коллектор, и смешивается с воздухом еще в процессе наполнения и сжатия. В конце сжатия готовая смесь бензина и воздуха должна вспыхнуть, но само это не происходит, нужна электрическая искра. От нее смесь загорается. Это называется «Принудительное воспламенение», поэтому двигатель называется «с принудительным воспламенением»

Главная причина высокой экономичности дизеля в том, что у дизеля высокая степень сжатия, у бензинового двигателя нельзя сделать такую высокую степень сжатия, начнется детонация

Смесь должна сгорать с такой скоростью, с которой газы могут толкать поршень. Если смесь взрывается, то получается не толчок, а удар в поршень — это называется детонацией.

Самая существенная разница состоит в том, у бензинового двигателя смесь бензина и воздуха готовится заранее и сгорает готовая смесь, такая смесь может детонировать. В дизеле смесь готовится только перед самым сгоранием и в процессе сгорания, то есть, очень короткое время, в таких условиях детонация невозможна, именно поэтому в дизеле можно сильно повышать степень сжатия.

При высокой степени сжатия, сгорающие газы превращают свою энергию в давление более эффективно, чем, при низкой степени сжатия, когда значительная часть тепла просто уходит в стенки.

Дальше можно не читать. но если интересно, можно порассуждать.

Коэффициент полезного действия

– КПД определяет, сколько энергии топлива превращается в мощность двигателя,

Чем выше КПД, тем больше мощность получается из данной порции топлива.
КПД дизеля выше, чем КПД бензинового двигателя, поэтому для получения одинаковой мощности дизелю нужно меньше топлива, чем бензиновому двигателю.

КПД зависит от двух факторов – Степени сжатия и совершенства процесса сгорания.

Дизель имеет высокую степень сжатия, но плохой процесс сгорания

Бензиновый двигатель имеет более совершенный процесс сгорания, но низкую степень сжатия.

Главная причина высокой экономичности дизеля в том, что у дизеля высокая степень сжатия, у бензинового двигателя нельзя сделать такую высокую степень сжатия. Степень сжатия у дизеля до 22, а у бензинового двигателя до 10.

Для повышения КПД главное, создать высокую степень сжатия.

Степень сжатия – это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Двигаясь снизу вверх, поршень сжимает воздух (или смесь). Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается воздух. Чтобы усилить степень сжатия, надо уменьшить объем камеры сгорания. В бензиновом двигателе смесь сжимается примерно в 10 раз, в дизельном двигателе воздух сжимается примерно в 22 раза. Высокая степень сжатия у дизеля нужна не только для повышения КПД, но и для нагревания воздуха до высокой температуры, необходимой для воспламенения топлива.

Если так, то почему, в бензиновом двигателе, у которого более совершенный процесс сгорания, не сделать такую же степень сжатия, как у дизеля? Тогда и совершенный процесс дает высокий КПД, и степень сжатия дает высокий КПД, получится идеальный двигатель.

В бензиновом двигателе нельзя сделать степень сжатия больше 11 . При более высокой степени сжатия, начнется взрывное сгорание, которое называют детонацией. Детонация, не только не может создать нормального толчка в поршень, но и приводит разрушению двигателя. При такой же степени сжатия, как у дизеля в бензиновом двигателе вместо нормального сгорания, произойдёт взрыв горючей смеси, и поршень просто пробьёт.

Идея дизельного принципа в том, чтобы двигатель мог работать без детонации. Если детонация невозможна, то это позволяет повышать степень сжатия.

Смесь в дизеле создается, когда уже начинается рабочий ход, то есть очень короткое время и она сразу сгорает. Первые порции топлива уже горят, а остальные еще подаются. В таких условия детонация невозможна, чтобы взорвать смесь, нужно время для ее подготовки. В дизельном процессе этого времени нет. У бензинового двигателя смесь готовится долго (впуск, сжатие), и такая смесь готова к детонации.

Почему при высокой степени сжатия повышается КПД? Почему в дизельном двигателе нужно сжигать меньше топлива, а бензиновом больше?

Если в закрытом объеме сгорает газ, то давление газа будет расти (например, пороховые газы выталкивают пулю)

Рост давления, толкает поршень. Чем меньше объем камеры сгорания, тем больше получается давление при данной температуре сгорающих газов.

В бензиновом двигателе степень сжатия меньше — камера сгорания больше, и, чтобы создать в ней достаточное давление, нужно поддерживать высокую температуру сгорающих газов, поэтому и приходится сжигать больше топлива.

Есть еще одна причина меньшего расхода топлива дизеля — у дизеля вообще нет дроссельной заслонки.

В реальной эксплуатации дизель экономичнее не только потому, что у него более высокий КПД, но и потому, что по условиям движения автомобиля, он почти всегда, работает в более экономичном режиме, чем бензиновый.

Это объясняется тем, что большую часть времени любой двигатель работает на частичной нагрузке – средняя скорость, ровная дорога.

У дизеля нет дроссельной заслонки . Для регулирования мощности у дизеля меняется количество топлива. При нажатии на газ топливо впрыскивается дольше, и смесь становится богаче, сгорает больше топлива, мощность растет.

Для регулирования мощности бензинового двигателя стоит дроссельная заслонка . При нажатии на газ заслонка открывается, и в цилиндр попадает больше смеси, а качество (состав смеси) остается примерно таким же Для получения максимальной мощности заслонка полностью открыта. Дроссельная заслонка это большой недостаток двигателя

Дизель наиболее экономично работает при частичной нагрузке,то есть, при движении со средней скоростью, (при среднем положении педали газа), когда двигатель в зоне наилучшей экономичности.

С ростом нагрузки, экономичность дизеля ухудшается.

Сильнее нажимаем на педаль газа, впрыск топлива идет дольше и догорание происходит, когда поршень заметно уходит вниз, давление на поршень ослабевает, тепло уходит в стенки и КПД снижается.

Для бензинового двигателя с ростом нагрузки экономичность улучшается.

Чем сильнее нажимаем на педаль, тем лучше экономичность. Открывается дроссельная заслонка, легче засасывать свежую смесь, больше наполняется цилиндр, больше смеси сжимается, уменьшается относительное количество остаточных газов, давление в конце сжатия увеличивается, а значит, требуется относительно меньше топлива для данной мощности.

Но любой двигатель в реальной эксплуатации, почти всегда работает с прикрытой заслонкой, значит, бензиновый двигатель работает с пониженным КПД и повышенным расходом топлива.

Бензиновый двигатель наиболее экономичен на максимальной нагрузке, когда педаль газа полностью нажата, но, такой режим бывает редко, поэтому, в основном, он работает при отпущенной педали с прикрытой заслонкой, то есть, в зоне худшей экономичности.

Нельзя путать экономичность и расход топлива. Экономичность определяет расход топлива.

Чем выше экономичность, тем ниже эксплуатационный расход топлива.

При нажатии на газ расход топлива обязательно растет, экономичность бензинового двигателя улучшается, а дизельного двигателя ухудшается.

По мере отпускания газа, расход топлива снижается, но, у дизельного двигателя снижается сильно, а у бензинового двигателя не так сильно.

Это понятно на цифрах

Например, при полностью нажатом газе бензиновый двигатель развивает полную мощность и тратит 20 литров на 100км.

Дизель, при полностью нажатом газе, развивает полную мощность и тратит 20 литров на 100 км.

Если нажимать газ до половины, то получится у бензинового двигателя расход 12 литров на 100 км, а у дизеля 8 л на 100 км.

Один и тот же автомобиль, например, Газель может быть с дизельным двигателем 100 л.с и с бензиновым двигателем 100 л.с.

При средней скорости расход бензинового двигателя будет 12 л. на 100 км. пробега, дизельного двигателя 8л. на 100 км. пробега.

При максимальной скорости расход будет примерно одинаков. При нажатии на педаль экономичность бензинового двигателя улучшается, а дизельного двигателя ухудшается.

Кпд дизельного двигателя

Конференция в Цзинань

16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущая в области двигателестроения в Китае, во главе с председателем Таном Сюйгуаном – провели пресс-конференцию в г. Цзинань провинция Шаньдун. В ходе которой было официально объявлено о выпуске первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50%.

На конференции немецкая TÜV SÜD (всемирная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайский исследовательский центр автомобильных технологий» вручили корпорации Weichai сертификат, подтверждающий, что эффективный КПД нового дизельного двигателя WP13H560E65 превысил 50,26%.

Эффективный КПД – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность, а уровень выбросов ниже. С 1897 года, когда впервые был успешно использован двигатель внутреннего сгорания, и за сто лет модернизации и технологических инноваций эффективный КПД дизельного топлива вырос с 26% до 46%. На сегодняшний день с постоянным ужесточением нормативов выбросов, процесс роста эффективного КПД значительно замедлился. Данная проблема стала общемировой технологической трудностью в отрасли двигателестроения.

Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период корпорация накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно совершенствует ключевые технологии. За последние 10 лет корпорация инвестировала 4,5 миллиардов долларов, привлекла более 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов со всего мира, более 3000 исследователей для участия в разработках. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан в Китае корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более 1 миллиона единиц двигателей.

Последние несколько лет корпорация Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению эффективного КПД. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, которая осуществляла огромное количество моделирований и стендовых испытаний, изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение эффективного КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва. Были разработаны пять специальных технологий – технология согласованного сгорания, технология согласованного проектирования, технология распределения энергии выхлопа, технология зонирования смазки и технология интеллектуального управления. Благодаря этим технологиям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности, низких потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления. Это позволило создать двигатель с эффективным КПД выше 50%.

Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.

Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении сгорания. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.

Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.

Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.

Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.

Рост эффективного КПД выше отметки в 50% является революцией в мировом развитии двигателестроения. Свои поздравления в достижении корпорацией Weichai этого исторического прорыва выразили: немецкая корпорация Bosch, австрийская AVL, немецкая FEV, американское Сообщество инженеров-автомехаников, Китайская ассоциация машиностроения, Китайская ассоциация промышленности двигателей внутреннего сгорания, другие авторитетные организации и специалисты.

Корпорация Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с эффективным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться соответствия требованиям уровня выбросов, соответствующих национальному стандарту G6/EU-VI, первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты по отрасли указывают на то, что повышение эффективного КПД с предыдущего уровня с 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и снизить уровень выбросов CO2 на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов СО2 на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом для решения экологических проблем.

Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50% ознаменовало выход китайских технологий тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке двигателя корпорация Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил также о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с эффективным КПД 55%!

Двигатель в прогрессе: для чего делают новые российские дизели

По данным аналитического агентства «Автостат», каждый десятый автомобиль в Москве ездит на дизельном двигателе. Но в некоторых регионах доля еще выше — например, на Чукотке она составляет 26,1% от всего регионального парка.

Автомобилистов привлекает в первую очередь экономичность в использовании топлива. Дизельные двигатели имеют КПД около 40–45%. Это ощутимо больше, чем в бензиновых, где показатель не превышает 30%, то есть две трети топлива сгорает, не превращаясь в механическую энергию.

Однако легковой автопром — далеко не главный потребитель дизельных двигателей. Их используют для тяжелой грузовой и промышленной техники, железнодорожных локомотивов, судов. Кроме того, дизельные агрегаты применяют в энергетике — например, на атомных станциях устанавливают резервные дизель-генераторы.

Дизели — это поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь смесь топлива и воздуха подвергается сильному сжатию, в результате разогревается и воспламеняется. Механизм отличается от бензиновых двигателей, где сжатая смесь топлива и воздуха поджигается электрической искрой.

Первым новый агрегат построил и описал немецкий инженер Рудольф Дизель в конце 1890-х годов. Уже тогда изобретение превосходило по КПД существующие двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и паровые турбины.

Разработкой заинтересовалась промышленность и энергетика, и спустя почти полтора века дизели по-прежнему пользуются спросом в этих отраслях. Помимо КПД, такие двигатели отличаются от бензиновых долговечностью и большим крутящим моментом, который тесно связан с показателями мощности.

Общий объем глобального рынка дизелей в 2020 году достиг $207 млрд, подсчитали в компании IMARC Group. Аналитики прогнозируют, что в ближайшие пять лет показатель вырастет почти до $265 млрд. По их словам, ситуацию определяет растущий спрос на коммерческие автомобили и машины большой грузоподъемности. Вдобавок рост автопрома и быстрая урбанизация, особенно в развивающихся странах, стимулируют создание эффективной энергетической инфраструктуры, а для этого тоже нужны дизель-генераторы.

В РФ есть устойчивый спрос на дизели, и он увеличивается с каждым годом. Причем, как отмечают эксперты, спрос растет как за счет развития промышленности и экономики, так и на фоне западных санкций, которые ограничивают поставки в Россию зарубежного оборудования.

Что случилось с рынком

Собственное двигателестроение было хорошо развито в СССР, но имело особенности, которые до сих пор влияют на состояние рынка. На создание и развитие отрасли были направлены серьезные ресурсы. Но планово-директивный тип ведения хозяйства привел к полному отсутствию внутренней конкуренции и безусловному «закреплению» видов и семейств двигателей внутреннего сгорания за производителями. По сути, каждый вид или семейство «принадлежали» одному предприятию и были для потребителей безальтернативны. Например, Челябинский тракторный и Алтайский моторный заводы делали дизели для тракторов, а завод «Звезда» — судовые.

Ситуация обострилась с переходом страны на рыночную экономику: большинство российских предприятий не смогли расширить портфолио и освоить новые для себя виды продукции. В итоге сегодня отечественные поставщики практически не конкурируют между собой. Зато конкуренция с иностранными производителями очень сильна, объясняет Денис Тарло, замгендиректора «ТМХ Энергетические решения». Эту компанию в прошлом году создал один из крупнейших участников рынка дизелей — «Трансмашхолдинг». В ней объединены компетенции по разработке и производству комплексных решений в области энергетики, прежде всего, транспортной.

В России пока выпускаются не все виды двигателей, которые нужны рынку. Но просто импортировать их — не лучшая идея, уверен директор Ассоциации развития поршневого двигателестроения России, профессор кафедры Э-2 МГТУ им. Н.Э. Баумана Дмитрий Онищенко. Причем дело не только в санкциях, но и в экономике проектов.

В качестве примера он приводит легкий коммерческий транспорт. Сейчас на «Газели» ставят либо старые и немного модернизированные бензиновые моторы, спроектированные 60 лет назад, либо китайские агрегаты.

«С одной стороны, в этом ничего страшного нет. Но с другой, если посмотреть на структуру стоимости автомобиля, то примерно 30–40% приходится на энергетическую установку. То есть, устанавливая иностранный двигатель, мы большую часть добавленной стоимости, которая получается в результате продажи автомобиля, отдаем за рубеж», — подчеркивает Онищенко.

Как возрождают разработку и производство

Новые конструкции двигателей в России почти не создавались вплоть до 2010-х годов. Но при поддержке государства процесс постепенно возобновили, а для крупных отраслевых предприятий дизели стали одним из приоритетов. К примеру, общий объем инвестпрограммы с 2018 года по 2022 год составляет около ₽12 млрд. Эти деньги пошли в том числе на создание производств по выпуску топливной аппаратуры и эталонной линии сборки дизелей, участков для испытания двигателей.

По словам представителей ТМХ, основная задача сегодня — создать продукты, не уступающие иностранным, в тех целевых нишах, где традиционно присутствовали советские заводы. «Такой подход позволяет получить современную технику, удовлетворяющую требованиям потребителей, с минимальной или полностью отсутствующей зависимостью от заграницы, а также восполнить появившиеся в 1990-е пробелы в инженерной и производственной школах», — отмечает Денис Тарло.

Конечно, сейчас уже никто не собирается выпускать ту же продукцию, что советские предприятия. Речь идет о создании новых видов и семейств дизелей. Это двигатели внутреннего сгорания на различных видах топлива, силовые установки на водороде и агрегаты, в основе которых лежат электрохимические генераторы и системы накопления энергии. Они предназначены для тепловозов и судов, малой и атомной энергетики, нефтегазовой промышленности.

Часть новых двигателей рассчитана на газ. Он позволяет снизить объем вредных выбросов и повысить экологичность транспорта и производств. В ТМХ, в частности, уже создали новый двигатель-генератор 9ГМГ для маневровых локомотивов, которые используются на ж/д станциях и подъездных путях. Потенциально его можно применять не только на железной дороге, но и на электростанциях.

«Дизельные двигатели на газе использовались уже в начале прошлого века, никаких технических препятствий для этого нет», — уверен основатель компании «Болотин и партнеры «Индустриальный консалтинг» Михаил Болотин. Однако переход на газовое топливо будет не быстрым, прогнозирует он.

Откуда берутся кадры

Современный дизель — это намного более сложный и инновационный продукт по сравнению с теми моделями, которые считались продвинутыми 20 лет назад, говорит Онищенко из МГТУ им. Н.Э. Баумана. «Чтобы создать его, необходимо привлечь огромное количество не только инженеров-конструкторов, но и специалистов в различных научных областях — по газовой и термодинамике, теплообмену, материаловедению. А для этого нужны большие ресурсы», — считает эксперт.

Дело осложняет тот факт, что наработки советской школы оказались частично утрачены, указывает Михаил Болотин. «Практически все отраслевые институты, которые занимались фундаментальными исследованиями, уже не существуют, многие превратились в офисные центры», — напоминает он.

По мнению Онищенко, отрасль действительно понесла кадровые потери, но нельзя сказать, что прошлые достижения совсем обнулены. «Мы общаемся с зарубежными коллегами из ведущих университетов мира, и могу сказать, что наша научно-инженерная школа точно не хуже, чем западные», — подчеркивает профессор «Бауманки».

В ТМХ профильные кадры, которые преимущественно готовит базовая кафедра «Двигатели внутреннего сгорания» Московского Политехнического университета, работают в Инжиниринговом центре двигателестроения, который создан на базе конструкторских подразделений компании. Именно здесь проектируют и испытывают новые продукты, в том числе двигатели на новых видах топлива.

Центр уже разработал несколько агрегатов для энергетического комплекса и новых модификаций дизель-генераторов для тепловозов. Сейчас инженеры занимаются созданием нового продукта — 16-цилиндрового двигателя мощностью 3,5 тыс. кВт. Он предназначен для перспективной разработки ТМХ — мощного локомотива 2ТЭ30. На базе этого двигателя в холдинге планируют создать газодизельный агрегат — он будет готов к концу 2022 года.

Что будет с отраслью дальше

Будущее отрасли эксперты связывают с развитием альтернативных источников энергии. Этот тренд опирается на все возрастающие требования к экологичности транспорта и производств.

«Уже сегодня широко распространены двигатели, работающие на газовом топливе, и двухтопливные двигатели. Особенно такие агрегаты востребованы в сфере малой энергетики», — говорит замгендиректора «ТМХ Энергетические решения» Денис Тарло. Он также подчеркивает, что для стационарных объектов использование газа даже выгоднее, чем на транспорте, поскольку ниже затраты на оборудование для подготовки и подачи газа и инфраструктуру для обеспечения топливом.

В дальнейшем компания планирует запустить производство поездов на водородных топливных элементах. Предполагается, что такой подвижной состав будут использовать для пассажирских ж/д перевозок на Сахалине. Потенциально на водород можно перевести и маневровые локомотивы — например, для работы в черте городов или на промышленных предприятиях.

Одновременно в ТМХ задумались и об установках на биодизельном топливе, которые позволяют обеспечить нулевой углеродный след.

«Перспективы развития связаны с переходом на экологически чистое синтетическое топливо, которое может быть получено из природного сырья — газа, нефти, торфа, продуктов жизнедеятельности или просто мусора. Москва генерирует 18 млн т отходов в год, и в них около 80% приходится на углеводороды. Если заправить этот мусор определенными бактериями, они сгенерируют грязный метан, который можно использовать для синтеза чистого топлива», — рассказывает Дмитрий Онищенко.

В то же время он уверен, что обычные дизели тоже не уйдут из-под капотов автомобилей и с предприятий. «Несмотря на все новые тренды, дизельные двигатели будут иметь свою нишу, — согласен Михаил Болотин. — Они обладают важным преимуществом — это большой крутящий момент. Для многих силовых установок это является основным критерием».

Корпорация Weichai создала первый в мире дизельный двигатель для коммерческого транспорта с КПД выше 50%

16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущий производитель в области двигателестроения в Китае, возглавляемая Таном Сюйгуаном, провела в г. Цзинань (провинция Шаньдун) пресс-конференцию, в ходе которой было официально объявлено о выпуске дизельного двигателя для коммерческого транспорта с КПД выше 50%.

Здесь сразу требуются пояснения. КПД (коэффициент полезного действия) – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность силового агрегата, а уровень выбросов ниже. С 1897 года – начала активного использования ДВС (т. е. двигателя внутреннего сгорания) – благодаря технологическим инновациям, КПД двигателей, работающих на дизельном топливе вырос с 26% до 46%. Этот технологический показатель стал общемировой проблемой в отрасли двигателестроения. К тому же, в наши дни, когда постоянно ужесточаются нормативы по выбросам, процесс роста КПД двигателей и вовсе замедлился.

Конференция Weichai не была рекламным мероприятием. Приглашенные на это событие специалисты из немецкой TÜV SÜD (Международная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайского исследовательского центра автомобильных технологий» действительно подтвердили, что КПД нового дизельного двигателя компании составил 50,26%. В связи с этим, представителям корпорации Weichai был вручен подтверждающий сертификат.

Бесрецедентные меры

Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период она накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно работает в области ключевых технологий двегателестроения и стремится совершенствовать их. За последние 10 лет корпорация привлекла к своим разработкам около 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов, свыше 3000 исследователей со всего мира и инвестировала 4,5 миллиарда долларов. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан (Китай) корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более одного миллиона двигателей.

Последние несколько лет Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению КПД двигателей внутреннего сгорания. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, осуществлявшая огромное количество моделирований и стендовых испытаний. Эта группа ученых изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва.

Пять специальных технологий

Чтобы достичь результата были разработаны пять специальных технологий:

• технология согласованного сгорания;
• технология согласованного проектирования;
• технология распределения энергии выхлопа;
• технология зонирования смазки;
• технология интеллектуального управления.

Благодаря этим специализациям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – наиболее эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности двигателя, малых потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления силовым агрегатом. Всё это и позволило создать двигатель с реальным КПД выше 50%.

Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.

Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении в камере. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.

Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.

Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.

Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.

Это только начало

Рост КПД в ДВС выше отметки в 50% безусловно является революцией в мировом двигателестроении. Корпорация Weichai уже получила поздравления от немецких компаний Bosch и FEV, австрийской AVL, американского Сообщества инженеров-автомехаников, Китайской ассоциации машиностроения, Промышленной китайской ассоциации двигателей внутреннего сгорания. Продолжают поступать поздравления от других авторитетных организаций и специалистов.

Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с реальным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться уровня выбросов, соответствующих требованиям национального стандарта G6/EU-VI. Корпорация первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты отрасли указывают на то, что повышение КПД с предыдущего уровня 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и соответственно снизить уровень выбросов CO₂ на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов CO₂ на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом в решение экологических проблем.

Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с КПД выше 50% лишь подтвердило стремительный выход китайских технологий по созданию тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке своего силового агрегата Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с реальным КПД 55%!

Механический КПД

Индикаторная мощность, развиваемая тепловым двигателем, не может быть в полной мере реализована из-за потерь на преодоление трения и на привод вспомогательных механизмов, но, чтобы улучшить топливную экономичность двигателя, необходимо точно знать все эти потери. Для удобства их оценки введено понятие механического КПД η_m .

Механический КПД Отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной.

Наиболее значительная часть потерь вызвана трением в цилиндре, меньшая – трением в хорошо смазываемых подшипниках и приводом необходимого для работы двигателя оборудования. Потери, связанные с поступлением воздуха в двигатель (насосные потери), весьма важны, так как они возрастают пропорционально квадрату частоты вращения двигателя.

Потери мощности, необходимые для привода оборудования, обеспечивающего работу двигателя, включают мощность на привод механизма газораспределения, масляного, водяного и топливного насосов, вентилятора системы охлаждения. При воздушном охлаждении вентилятор подачи воздуха является неотъемлемым элементом двигателя при его испытаниях на стенде, в то время как у двигателей жидкостного охлаждения при проведении испытаний вентилятор и радиатор часто отсутствуют, а для охлаждения используют воду из внешнего контура охлаждения. Если потребляемую мощность вентилятора двигателя жидкостного охлаждения не учитывать, то это дает заметное завышение его экономических и мощностных показателей по сравнению с двигателем воздушного охлаждения.

Другие потери на привод оборудования связаны с генератором, пневмокомпрессором, гидронасосами, необходимыми для освещения, обеспечения работы приборов, тормозной системы, рулевого управления автомобиля. При испытании двигателя на тормозном стенде следует точно определить, что считать дополнительным оборудованием и как его нагружать, поскольку это необходимо для объективного сопоставления характеристик разных двигателей. В частности, это относится к системе охлаждения масла, которое при движении автомобиля охлаждается обдувом масляного поддона воздухом, отсутствующим при испытаниях на тормозном стенде. При испытании на стенде двигателя без вентилятора не воспроизводятся условия обдува трубопроводов воздухом, что вызывает повышение температур во впускной трубе и ведет к уменьшению величины коэффициента наполнения и мощности двигателя.

Размещение воздушного фильтра и величина сопротивления выпускного трубопровода должны соответствовать реальным условиям работы двигателя в автомобиле. Эти важные особенности необходимо учитывать при сопоставлении характеристик различных двигателей или одного двигателя, предназначенного для применения в различных условиях, например, в легковом или грузовом автомобиле, тракторе или для привода стационарного генератора, компрессора и т. д.

При уменьшении нагрузки двигателя его механический КПД ухудшается, так как абсолютная величина большинства потерь не зависит от нагрузки. Наглядным примером служит работа двигателя без нагрузки, т. е. на холостом ходу, когда механический КПД равен нулю и вся индикаторная мощность двигателя расходуется на преодоление его потерь. При нагрузке двигателя на 50% или менее удельный расход топлива по сравнению с полной нагрузкой значительно возрастает, и поэтому использовать для привода двигатель, имеющий большую, чем это требуется, мощность, совершенно неэкономично.

Механический КПД двигателя зависит от типа используемого масла. Применение в зимнее время масел повышенной вязкости приводит к росту расхода топлива. Мощность двигателя при больших высотах над уровнем моря падает вследствие уменьшения давления атмосферы, однако его потери практически не меняются, вследствие чего удельный расход топлива возрастает аналогично тому, как это имеет место при частичной нагрузке двигателя.

Стоит заметить, что высокий механический КПД не является гарантией высокого эффективного КПД двигателя.