Энергия, полученная от топлива, только небольшой частью переходит в работу по движению автомобиля.
Большая ее часть теряется на пути от бензобака до колес.
Рассмотрим представленную выше схему.
Основные потери энергии - потери с выхлопом и потери на охлаждение.
1. Потери с выхлопом.
Часть топлива из впускного тракта транзитом через цилиндр попадает сразу в выпускной тракт, минуя фазы СЖАТИЯ и РАСШИРЕНИЯ. В первую очередь это относится к двухтактным двигателям существующей конструкции с предварительным смесеобразованием и петлевой продувкой.
Четырехтактный двигатель. Здесь полный цикл занимает два оборота коленчатого вала, то есть 720°. Однако, из-за стремления за лучшей вентиляцией и наполняемостью цилиндров на высоких оборотах двигателя фазы ВЫПУСК и ВПУСК взаимно пересекаются на "чужих" территориях. В некоторых двигателях угол взаимного пересечения достигает 60°. Это приводит на малых оборотах (особенно в режиме резкого дросселирования) к потерям топлива до 6 %. В двигателе происходит еще один процесс - воздушно-топливная смесь, находящаяся в непосредственном контакте со стенками камеры сгорания, как бы "прилипает" к стенкам.
С одной стороны, это явление полезное. Образующаяся газовая рубашка защищает двигатель от потерь тепловой энергии.
Однако, с другой стороны, газовая рубашка имеет толщину около 200 мкм, и в ней "прячется" около 2 % топлива. Топливо в газовой рубашке не может гореть, так как температура в пристеночной зоне ниже 800 °С. Аналогичные процессы происходят и в щелях между стенками цилиндра и поршнем. В щели выше первого кольца, как правило, наблюдаются отложения продуктов неполного сгорания топлива (кокса).
Существующие системы питания двигателей формируют воздушно-топливную смесь в виде аэрозоли. Размеры капелек топлива непостоянны и подчиняются закону распределения Гаусса, с капельками порядка 30…40 мкм и наличием капелек с диаметром свыше 150 мкм. Пока в воздушно-топливной смеси присутствуют капельки топлива, эффективное богатство смеси ниже расчетного. Поэтому на холостых оборотах, особенно при запуске двигателя, воздушно-топливная смесь обогащается. Капельки топлива являются своеобразными замедлителями горения. Если капелька топлива имеет оптимальные размеры, то ее горение продолжается примерно до 90° фазы РАСШИРЕНИЕ. Если же капелька слишком большая, и топливо не успевает вовремя испариться и сгореть, тогда этот процесс продолжается в выпускной системе. С повышением частоты вращения потери растут.
Потери топлива в богатой воздушно-топливной смеси понятны с точки зрения физики. Процесс горения определяется балансом двух составляющих: с одной стороны - количеством атомов углерода и водорода, с другой стороны - количеством атомов кислорода (окислителя). Если кислород заканчивается, то "лишнее" топливо не может сгореть.
Четырехтактный двигатель. Здесь полный цикл занимает два оборота коленчатого вала, то есть 720°. Однако, из-за стремления за лучшей вентиляцией и наполняемостью цилиндров на высоких оборотах двигателя фазы ВЫПУСК и ВПУСК взаимно пересекаются на "чужих" территориях. В некоторых двигателях угол взаимного пересечения достигает 60°. Это приводит на малых оборотах (особенно в режиме резкого дросселирования) к потерям топлива до 6 %. В двигателе происходит еще один процесс - воздушно-топливная смесь, находящаяся в непосредственном контакте со стенками камеры сгорания, как бы "прилипает" к стенкам.
С одной стороны, это явление полезное. Образующаяся газовая рубашка защищает двигатель от потерь тепловой энергии.
Однако, с другой стороны, газовая рубашка имеет толщину около 200 мкм, и в ней "прячется" около 2 % топлива. Топливо в газовой рубашке не может гореть, так как температура в пристеночной зоне ниже 800 °С. Аналогичные процессы происходят и в щелях между стенками цилиндра и поршнем. В щели выше первого кольца, как правило, наблюдаются отложения продуктов неполного сгорания топлива (кокса).
Существующие системы питания двигателей формируют воздушно-топливную смесь в виде аэрозоли. Размеры капелек топлива непостоянны и подчиняются закону распределения Гаусса, с капельками порядка 30…40 мкм и наличием капелек с диаметром свыше 150 мкм. Пока в воздушно-топливной смеси присутствуют капельки топлива, эффективное богатство смеси ниже расчетного. Поэтому на холостых оборотах, особенно при запуске двигателя, воздушно-топливная смесь обогащается. Капельки топлива являются своеобразными замедлителями горения. Если капелька топлива имеет оптимальные размеры, то ее горение продолжается примерно до 90° фазы РАСШИРЕНИЕ. Если же капелька слишком большая, и топливо не успевает вовремя испариться и сгореть, тогда этот процесс продолжается в выпускной системе. С повышением частоты вращения потери растут.
Потери топлива в богатой воздушно-топливной смеси понятны с точки зрения физики. Процесс горения определяется балансом двух составляющих: с одной стороны - количеством атомов углерода и водорода, с другой стороны - количеством атомов кислорода (окислителя). Если кислород заканчивается, то "лишнее" топливо не может сгореть.
Модель двигателя можно представить в виде поршня с пружиной. В фазе СЖАТИЕ (это фаза потерь) поршень принудительно сжимает относительно слабую пружину. При достижении поршнем ВМТ начинается фаза РАСШИРЕНИЕ.
При сжатии воздушно-топливной смеси давление и температура заметно повышаются по сравнению со сжатием чистого воздуха. Это объясняется тем, что, во-первых, при нагреве воздушно-топливной смеси до нескольких сотен градусов начинается "холодная" (без горения) реакция окисления топлива, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Таким образом, топливо в фазе СЖАТИЕ теряет свою калорийность. Этому способствует наличие в двигателе раскаленных поверхностей (свеча зажигания, выпускной клапан).
Во-вторых, горение воздушно-топливной смеси не происходит мгновенно (опять же к счастью), а требует значительного времени. Финиш горения достаточно строго задан - это примерно 15° после ВМТ. Поэтому старт горения (зажигание) определяется частотой вращения коленвала двигателя. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше угол опережения зажигания. Это означает, что тепловая энергия газов все больше выделяется в фазе СЖАТИЕ и все сильнее убывает в фазе РАСШИРЕНИЕ. То есть сила пружины, которая противодействует поршню, становится все больше, а сила пружины, которая совершает полезную работу, становится все меньше. Таким образом, потери нарастают с двойной скоростью. Наступает момент, когда двигатель работает на высоких оборотах, а крутящего момента почти нет. Тепловая энергия газов никуда не исчезла, ее вдоволь, но она выделилась слишком рано. Первопричиной этих огромных потерь является неоправданно долгое горение воздушно-топливной смеси, особенно, это проблема газового топлива.
Также к потерям на выхлоп отнесем потери на декомпрессию в связи с износом поршневой группы, связанной с трением поршня о цилиндр, когда давление вхолостую стравливается.
При сжатии воздушно-топливной смеси давление и температура заметно повышаются по сравнению со сжатием чистого воздуха. Это объясняется тем, что, во-первых, при нагреве воздушно-топливной смеси до нескольких сотен градусов начинается "холодная" (без горения) реакция окисления топлива, которая сопровождается выделением тепловой энергии. Таким образом, топливо в фазе СЖАТИЕ теряет свою калорийность. Этому способствует наличие в двигателе раскаленных поверхностей (свеча зажигания, выпускной клапан).
Во-вторых, горение воздушно-топливной смеси не происходит мгновенно (опять же к счастью), а требует значительного времени. Финиш горения достаточно строго задан - это примерно 15° после ВМТ. Поэтому старт горения (зажигание) определяется частотой вращения коленвала двигателя. Чем выше частота вращения коленвала, тем больше угол опережения зажигания. Это означает, что тепловая энергия газов все больше выделяется в фазе СЖАТИЕ и все сильнее убывает в фазе РАСШИРЕНИЕ. То есть сила пружины, которая противодействует поршню, становится все больше, а сила пружины, которая совершает полезную работу, становится все меньше. Таким образом, потери нарастают с двойной скоростью. Наступает момент, когда двигатель работает на высоких оборотах, а крутящего момента почти нет. Тепловая энергия газов никуда не исчезла, ее вдоволь, но она выделилась слишком рано. Первопричиной этих огромных потерь является неоправданно долгое горение воздушно-топливной смеси, особенно, это проблема газового топлива.
Также к потерям на выхлоп отнесем потери на декомпрессию в связи с износом поршневой группы, связанной с трением поршня о цилиндр, когда давление вхолостую стравливается.
2. Потери на охлаждение.
Природа потерь в стенки камеры сгорания и цилиндра очевидна. Горение происходит циклично, максимальная температура достигает 2500 °С, а температура стенок двигателя примерно 95 °С. Чем больше разность температур, тем больше потери тепла. Поэтому самые большие потери там, где самая высокая температура. Это область начала горения, где располагаются свеча зажигания и начальная часть спиральной траектории горения - в головке двигателя, порядка 15-20 %.
Также потери на охлаждение связаны не только с потерей тепловой энергии, но и с затратами двигателя на привод водяного насоса и вентилятора охлаждения.
3. Потери на трение.
Одними из основных потерь на трение - трение поршня о стенки цилиндра и уплотнительных колец.
4. Насосные потери.
Поршень в ходе всасывания воздуха (топливо-воздушной смеси) работает в режиме насоса. В двигателях, использующих дроссельную заслонку в качестве регулятора поступающего воздуха, она создает дополнительное сопротивление и является, своего рода, тормозом. Чем менее открыта заслонка, тем больший тормоз. Это, в частности, один из пунктов, почему дизелный двигатель экономичнее бензинового.
Перечисленные выше потери относятся больше к процессам, происходящим внутри цилиндра.
Перечисленные выше потери относятся больше к процессам, происходящим внутри цилиндра.
Кроме этих потерь энергии необходимо упомянуть и другие потери:
- Инерционные потери. Поршень-шатун за очень малое время (порядка 0.01 сек) приобретают большую скорость. Энергия топлива частично переходит в их кинетическую энергию. Затем, за столь же малый промежуток времени, они останавливаются. Эта часть энергии теряется. На графике ниже, снижение крутящего момента связано как раз с инерционными потерями. Они пропорциональны квадрату скорости.
- Инерционные потери. Поршень-шатун за очень малое время (порядка 0.01 сек) приобретают большую скорость. Энергия топлива частично переходит в их кинетическую энергию. Затем, за столь же малый промежуток времени, они останавливаются. Эта часть энергии теряется. На графике ниже, снижение крутящего момента связано как раз с инерционными потерями. Они пропорциональны квадрату скорости.
- Кинетической энергии коленвала на подготовительные фазы, которые больше в четырехтактном двигателе, по сравнению с двухтактным.
- Потери энергии при передаче посредством кривошипно-шатунного механизма.
Также, к потерям энергии в автомобиле можно отнести потери, связанные с массовыми характеристиками двигателя. Чем больше масса двигателя, тем больше затраты автомобиля на разгон и движение.