Вопрос

Повышает ли увеличение степени сжатия тепловой КПД?

Повышает ли увеличение эффективной степени сжатия тепловой КПД турбодвигателя или КПД зависит только от статической степени сжатия?


Является ли высокая степень сжатия причиной того, что турбированный двигатель имеет более высокий тепловой КПД, чем атмосферный?



Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/97963/does-increase-of-effective-compression-ratio-increase-thermal-efficiency

7 Комментариев


  1. Повышает ли увеличение эффективной степени сжатия тепловой КПД турбодвигателя или КПД зависит только от статической степени сжатия?



    Ответ - да.


    Двигатель с турбонаддувом вырабатывает больше мощности. Эффективная степень сжатия — это, по сути, показатель степени турбонаддува. Чем выше эффективная степень сжатия, тем больше мощности вырабатывает двигатель с турбонаддувом.


    Потери на трение не увеличиваются пропорционально мощности. Турбонаддув не увеличивает объём двигателя.


    Таким образом, двигатель с турбонаддувом той же мощности меньше по размеру и расходует меньше топлива. Это тенденция к уменьшению размеров. Мало того, что производство небольшого блока цилиндров обходится дешевле, так ещё и небольшой двигатель с турбонаддувом расходует меньше топлива, чем эквивалентный по мощности двигатель без турбонаддува большего размера.


    Таким образом, тепловая эффективность повышается при увеличении мощности турбонаддува.


    Обратите внимание, что расход топлива, скорее всего, не уменьшится, если объём двигателя останется прежним, поскольку автомобилю требуется определённая мощность. Если взять существующий двигатель и увеличить его мощность с помощью турбонаддува, то вы повысите его мощность и тепловую эффективность в новой оптимальной рабочей точке, но новая оптимальная рабочая точка предполагает такую высокую мощность, что она не используется в обычных дорожных ситуациях.


    Таким образом, чтобы повысить тепловую эффективность и снизить расход топлива, нужно уменьшить размер двигателя. Выберите двигатель меньшего объёма, добавьте турбонаддув, и вы получите двигатель, который выдаёт столько же мощности, сколько и более крупный атмосферный двигатель, но расходует меньше топлива.



    Является ли высокая степень сжатия причиной того, что турбированный двигатель имеет более высокий тепловой КПД, чем атмосферный?



    Нет. Если вы думаете, что какая-то математическая формула, в которую можно подставить эффективный коэффициент сжатия, даст вам тепловой КПД, то вы ошибаетесь.


    Причина в том, что турбированный двигатель вырабатывает больше мощности. У него нет пропорционально больших потерь на трение. Именно поэтому турбированные двигатели более эффективны с точки зрения термодинамики.


    Математические формулы игнорируют так много реальных факторов, что дают слишком высокие показатели тепловой эффективности, которых невозможно достичь в реальной жизни.


  1. Попытка объединить степень сжатия, турбонаддув и тепловой КПД в одном вопросе не даёт ответа. Степень сжатия, турбонаддув и тепловой КПД — это три отдельных параметра, которые необходимо рассматривать в контексте двигателей внутреннего сгорания. Например, следующие ссылки могут содержать информацию о тепловом КПД: https://en.demotor.net/heat-engine/cycles/4-stroke-engine/thermal-performance, http://www.epi-eng.com/piston_engine_technology/thermal_efficiency.htm и https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/engine-thermal-efficiency. Повышение степени сжатия или использование турбонаддува не увеличивает тепловой КПД. Как вы узнаете, в 4-тактных двигателях эффективная мощность составляет от 18 % до 35 % независимо от степени сжатия или использования турбонаддува/наддува. Турбонаддув/наддув означает подачу большего количества воздуха в цилиндр, что требует большего количества топлива в правильных стехиометрических соотношениях для полноценного сгорания и увеличения мощности, при этом эффективная мощность остаётся прежней. Тепло, выделяемое при сгорании, — это энергия, которая тратится впустую, нагревая охлаждающую жидкость, масло, блок цилиндров, преодолевая трение в трансмиссии и т. д. Эффективная мощность — это энергия, используемая для выполнения реальной работы, а остальная энергия тратится впустую.


  1. Действительно. Больше воздуха, больше топлива, больше мощности, но пропорционально меньше потерь на трение, так что повышение теплового КПД — это правда. Действительно, прирост мощности намного больше, чем прирост теплового КПД, но это не значит, что теплового КПД не существует. Таким образом, вы не можете повысить тепловой КПД с 36 % до 54 %. Но вы можете повысить тепловой КПД с 36 % примерно до 38 %.
  1. Я вынужден не согласиться. Как уже упоминалось ранее, для поддержания стехиометрического соотношения (14,7:1) при принудительном наддуве требуется больше топлива, поэтому прирост эффективной мощности не происходит. Больше воздуха и топлива — это просто больше мощности, а не эффективной мощности. Прирост эффективной мощности незначителен по сравнению с приростом мощности.
  1. Турбонаддув повышает тепловой КПД, поскольку турбодвигатель вырабатывает больше мощности, но при этом имеет те же размеры, поэтому потери на трение не увеличиваются пропорционально выработке мощности. Тепловой КПД турбодвигателя обычно несколько выше, чем у двигателя без турбонаддува. Тенденция к уменьшению размеров (маленькие турбодвигатели вместо больших атмосферных двигателей) обусловлена не только тем, что производство небольшого блока цилиндров обходится дешевле, но и расходом топлива, который снижается благодаря более высокому тепловому КПД турбодвигателей.
  1. В вашем предыдущем вопросе говорилось, что у турбированных двигателей более низкая степень сжатия. Как уже было сказано, эффективность достигается за счёт снижения потерь энергии в выхлопных газах.
  1. Возможно, вам стоит заменить «эффективный» на «динамический», поскольку я никогда не слышал, чтобы термин «эффективный» использовался при обсуждении степени сжатия. Я думаю, что на самом деле вы имеете в виду динамический.
Вы уже ответили на этот вопрос