Коефіцієнт корисної дії(ККД) є величиною, яка у відсотковому відношенні виражає ефективність того чи іншого механізму (двигуна, системи) щодо перетворення отриманої енергії на корисну роботу.
Читайте у цій статті
Чому ККД дизеля вище
Показник ККД для різних двигунівможе сильно відрізнятися і від ряду чинників. мають відносно низький ККД завдяки великою кількістюмеханічних та теплових втрат, що виникають у процесі роботи силового агрегату даного типу.
Другим чинником виступає тертя, що виникає при взаємодії сполучених деталей. Більшу частину витрати корисної енергії складає приведення в рух поршнів двигуна, а також обертання деталей усередині двигуна, які конструктивно закріплені на підшипниках. Близько 60% енергії згоряння бензину витрачається лише забезпечення роботи цих вузлів.
Додаткові втрати викликає робота інших механізмів, систем та навісного обладнання. Також враховується відсоток втрат на опір у момент впуску чергового заряду палива та повітря, а далі випуску газів, що відпрацювали, з циліндра ДВС.
Якщо порівняти дизельну установкуі двигун на бензині, дизельний двигунмає помітно більший ККД порівняно з бензиновим агрегатом. Силові агрегати на бензині мають ККД на позначці близько 25-30% загальної кількості отриманої енергії.
Іншими словами, з витрачених на роботу двигуна 10 літрів бензину лише 3 літри витрачені на виконання корисної роботи. Решта енергії від згоряння палива розійшлася на втрати.
При однаковому показнику робочого об'єму потужність атмосферного бензинового двигунавище, але досягається при більш високих оборотах. Двигун потрібно «крутити», втрати зростають, збільшується витрата палива. Також необхідно згадати момент, що крутить, під яким у буквальному сенсі розуміється сила, яка передається від мотора на колеса і рухає автомобіль. Бензинові ДВЗвиходять на максимум крутного моменту при вищих оборотах.
Аналогічний атмосферний дизель виходить на пік моменту, що крутить, при низьких оборотах, при цьому витрачає менше солярки для виконання корисної роботи, що означає більше високий ККДта економію палива.
Солярка утворює більше тепла в порівнянні з бензином, температура згоряння дизпалива вища, показник детонаційної стійкості вищий. Виходить, у дизельного ДВЗ проведена корисна робота на певній кількості палива більше.
Енергетична цінність солярки та бензину
Дизельне паливо складається з важчих вуглеводнів, ніж бензин. Менший ККД бензинової установкипорівняно з дизелем також полягають у енергетичній складовій бензину та особливості його згоряння. Повне згоряннярівної кількості солярки та бензину дасть більше тепла саме у першому випадку. Тепло в дизельному ДВЗНайбільш повноцінно перетворюється на корисну механічну енергію. Виходить, що при спалюванні однакової кількості палива за одиницю часу саме дизель виконає більше роботи.
Також варто враховувати особливості упорскування та створення належних умов для повноцінного згоряння суміші. У дизель паливо подається окремо від повітря, впорскується не в впускний колектора прямо в циліндр в самому кінці такту стиснення. Результатом стає більше висока температурата максимально повноцінне згоряння порції робочої паливно-повітряної суміші.
Підсумки
Конструктори постійно прагнуть підвищити ККД як дизельного, так і бензинового двигуна. Збільшення кількості впускних та випускних клапанівна один циліндр, активне застосування , електронне керування паливним упорскуванням, дросельною заслінкоюта інші рішення дозволяють суттєво підвищити коефіцієнт корисної дії. Більшою мірою це стосується дизельного двигуна.
Завдяки таким особливостям сучасний дизель здатний повністю спалити насичену вуглеводнями порцію дизпалива в циліндрі і видати великий показник моменту, що крутить, на низьких оборотах. Низькі оборотиозначають менші втрати на тертя і опір, що виникає в результаті тертя. З цієї причини дизельний мотор сьогодні є одним з найбільш продуктивних та економічних. типів ДВЗ, ККД якого найчастіше перевищує позначку 50%.
Читайте також
Чому краще прогріти двигун перед поїздкою: мастило, паливо, зношування холодних деталей. Як правильно гріти дизельний двигун взимку.
Коефіцієнт корисної дії (ККД)- це характеристика результативності системи щодо перетворення чи передачі енергії, що визначається ставленням корисно використаної енергії до сумарної енергії, отриманої системою.
ККД- величина безрозмірна, зазвичай її виражають у відсотках: 
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигунавизначається за такою формулою: , де A = Q1Q2. ККД тепловогодвигуна завжди менше 1.
Цикл Карно- це оборотний круговий газовий процес, який складається з послідовно двох ізотермічних і двох адіабатних процесів, що виконуються з робочим тілом. 
Круговий цикл, що включає дві ізотерми і дві адіабати, відповідає максимальному ККД.
Французький інженер Саді Карно 1824 р. вивів формулу максимального ККД ідеальноготеплового двигуна, де робоче тіло- це ідеальний газ, Цикл якого складався з двох ізотерм і двох адіабат, тобто цикл Карно. Цикл Карно - реальний робочий цикл теплового двигуна, що робить роботу за рахунок теплоти, що підводиться робочому тілу в ізотермічному процесі.
Формула ККД циклу Карно, тобто максимального ККД теплового двигуна має вигляд: 
де T1 - абсолютна температуранагрівача, Т2 – абсолютна температура холодильника.
Теплові двигуни- це конструкції, у яких теплова енергія перетворюється на механічну.
Теплові двигуни різноманітні як за конструкцією, так і за призначенням. До них відносяться парові машини, парові турбіни, двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни
Однак, незважаючи на різноманіття, у принципі дії різних теплових двигунів є загальні риси. Основні компоненти кожного теплового двигуна:
- нагрівач;
- робоче тіло;
- холодильник.
Нагрівач виділяє теплову енергію, при цьому нагріває робоче тіло, яке знаходиться у робочій камері двигуна. Робочим тілом може бути пара чи газ.
Взявши кількість теплоти, газ розширюється, т.к. його тиск більше зовнішнього тиску, і рухає поршень, виробляючи позитивну роботу. При цьому його тиск знижується, а обсяг збільшується.
Якщо стискати газ, проходячи ті ж стани, але у зворотному напрямку, то зробимо ту ж за абсолютним значенням, але негативну роботу. У результаті вся робота за цикл дорівнюватиме нулю.
Для того щоб робота теплового двигуна була відмінна від нуля, робота стиснення газу має бути менше роботирозширення.
Щоб робота стиснення стала меншою за роботу розширення, необхідно, щоб процес стиснення проходив при меншій температурі, для цього робоче тіло потрібно охолодити, тому в конструкцію теплового двигуна входить холодильник. Холодильнику робоче тіло віддає при зіткненні з ним кількість теплоти.
Мабуть, основним конструктивним елементомбудь-якого автомобіля є його "серце", а саме двигун. Від того, як злагоджено і ефективно працюватиме цей агрегат, далі залежать швидкість, комфорт, тягові характеристикимашини. Важливим індикатором ефективної роботидвигуна будь-якого агрегату та автомобіля є його ККД.
Ця загальновизнана абревіатура розшифровується легко – коефіцієнт корисної дії. Але що таке ККД двигуна автомобіля знає не кожен водій? Можливо, йому це й непотрібно, а знати потрібно все!
Що являє собою ККД
Тепер трохи про те, що ж є ККД, і від чого залежить. За класичним визначенням це співвідношення виконаної роботи та витраченої для цього енергії. Визначається в процентному співвідношенні. Що відсоток коефіцієнта корисних дій, то ефективніше працює двигун. Щоправда, навіть сучасні автомобіліне можуть похвалитися достатньо високими показникамиККД.
Сьогодні вважається нормальним, якщо рівень корисної роботи двигуна машини в межах 20 – 60%. Для порівняння – використання електричних двигунівдає можливість отримувати ККД лише на рівні 95%. Втрата ефективності виникає від різних внутрішніх та зовнішніх факторів, що впливають на двигун, коли він експлуатується.
Зокрема, до таких можна віднести втрату енергію через «вимивання» тепла, неефективно підготовлену. повітряна сумішщо надалі стає причиною її неповного згоряння, витрати енергії на подолання тертя, втрата тепла в процесі відведення згорілих газів. Сумарно такі втрати можуть досягати до 60 - 80% від енергії, що спочатку отримується.
Звичайно, такий підхід призводить до нецільового використання палива, низької потужності, швидкого зношування деталей окремого типу, необхідності виконання частіших профілактичних оглядів та ремонтів. Тут важливим моментомє необхідність використання якісних деталей. Адже в процесі роботи двигуна всі його частини постійно перебувають у підвищеній напрузі. І найменша вада однієї з його частин може стати причиною виходу з ладу всього агрегату.
Особливості ККД двигуна в автомобілі
Потрібно також розуміти, що ККД двигунів, що працюють на бензині, набагато нижче таких же моторів, які працюють на дизпаливі. Відмінною особливістюцих видів палива є використання додаткових запальних елементів (у разі бензину), або ж подача готової паливної сумішів заздалегідь підготовлену камеру з стисненим повітрям, де таке паливо самостійно спалахує.
Окремо важливо зупинитися і на якості палива. Адже неповне згоряння палива може стати причиною втрати до 25% енергії, що виділяється. Тому багато компаній ретельно підходять до вибору постачальників палива. Адже четверта частина втрати це досить значний показник. Більше того, паливо, що не згоріло, має властивість не тільки потрапляти в атмосферу і забруднювати її (а за це можна отримати солідний штраф), але й осідає на внутрішніх стінках двигуна і його частин, тим самим призводячи до засмічення і передчасного зносу.
Використовуючи якісне паливо, Ви маєте можливість без проведення будь-якої внутрішньої модернізації автомобіля, або заміни окремих його частин, фактично на рівному місці істотно підвищить ККД двигуна.
Удосконалення ККД двигуна
Враховуючи підвищений попит суспільства на ефективні, економні та комфортні автомобілі, сьогодні вчені та експерти з різних країнберуть участь у програмах удосконалення автомобільних двигунівдля того, щоб довести їх ККД до рівня 80% і вище.
Для цього використовуються різні конструкційні доробки (наприклад, турбо надув), замінюються металеві складові основи двигуна більш легкі сплави, здатні тримати тепло і зводити рівень тертя до мінімуму при мінімальних необхідних цього витратах.
Все це стає основою для випуску компактніших, полегшених двигунів, здатних переробляти в корисну роботу більшу частину отриманої спочатку енергії. Тим самим усе це дозволяє реально економити у процесі подальшої експлуатації та обслуговування машини.
При цьому приділяється велика увагаудосконалення та очищення вже наявних елементів (паливо, системи охолодження, мастила, подачі пального та відведення газів), адже, як ми вже звернули увагу раніше, таким чином можна підвищити ККД навіть не змінюючи окремих частин. Достатньо просто заливати правильне паливо, знизити рівень тепловіддачі в процесі роботи двигуна, або відведення вихлопів.
Ще одним моментом ефективного використання транспортного засобу є оптимальний рівень завантаження транспортного засобу. Витримуючи середню швидкість, правильні передачі, не намагаючись показувати свою зайву майстерність, ви отримаєте можливість суттєво знизити споживання палива. А також зможете досягти оптимальної потужностіта швидкості автомобіля в певних умовах.
У теоретичній моделі теплового двигуна розглядаються три тіла: нагрівач, робоче тілоі холодильник.
Нагрівач – тепловий резервуар (велике тіло), температура якого є постійною.
У кожному циклі роботи двигуна робоче тіло отримує деяку кількість теплоти від нагрівача, розширюється та здійснює механічну роботу. Передача частини енергії, отриманої від нагрівача, холодильнику необхідна повернення робочого тіла у вихідний стан.
Так як у моделі передбачається, що температура нагрівача та холодильника не змінюється в ході роботи теплового двигуна, то при завершенні циклу: нагрівання-розширення-охолодження-стискання робочого тіла вважається, що машина повертається у вихідний стан.
Для кожного циклу на підставі першого закону термодинаміки можна записати, що кількість теплоти Qнагр, отриманий від нагрівача, кількість теплоти | Qхол|, віддане холодильнику, та досконала робочим тілом робота Апов'язані між собою співвідношенням:
A = Qнагр - | Qхол|.
В реальних технічні пристрої, Які називаються тепловими машинами, робоче тіло нагрівається за рахунок тепла, що виділяється при згорянні палива. Так, у парової турбіниЕлектростанції нагрівачем є топка з гарячим вугіллям. У двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ) продукти згоряння можна вважати нагрівачем, а надлишок повітря – робочим тілом. Як холодильник у яких використовується повітря атмосфери чи вода природних джерел.
ККД теплового двигуна (машини)
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна (ККД)називається відношення роботи, що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:
Коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше одиниці і виражається у відсотках. Неможливість перетворення всієї кількості теплоти, отриманого від нагрівача, на механічну роботу є платою за необхідність організації циклічного процесу і випливає з другого закону термодинаміки.
У реальних теплових двигунах ККД визначають за експериментальною механічної потужності Nдвигуна і кількості палива, що спалюється за одиницю часу. Так, якщо за час tспалено паливо масою mта питомою теплотою згоряння q, то
Для транспортних засобівдовідковою характеристикою часто є обсяг Vпалива, що спалюється на шляху sпри механічній потужності двигуна Nі за швидкості . В цьому випадку, враховуючи щільність r палива, можна записати формулу для розрахунку ККД:
Другий закон термодинаміки
Існує кілька формулювань другого закону термодинаміки. Одна з них свідчить, що неможливий тепловий двигун, який робив би роботу лише за рахунок джерела теплоти, тобто. без холодильника. Світовий океан міг би служити для нього практично невичерпним джерелом внутрішньої енергії (Вільгельм Фрідріх Оствальд, 1901).
Інші формулювання другого закону термодинаміки еквівалентні даній.
Формулювання Клаузіуса(1850): неможливий процес, у якому тепло мимоволі переходило від тіл менш нагрітих до тіл нагрітішим.
Формулювання Томсона(1851): неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок зменшення внутрішньої енергії теплового резервуара.
Формулювання Клаузіуса(1865): всі мимовільні процеси в замкнутій нерівноважній системі відбуваються у тому напрямі, у якому ентропія системи зростає; у стані теплової рівноваги вона максимальна та постійна.
Формулювання Больцмана(1877): замкнута система багатьох частинок мимоволі переходить з більш упорядкованого стану менш упорядковане. Неможливий мимовільний вихід системи з рівноваги. Больцман ввів кількісний захід безладу в системі, що складається з багатьох тіл. ентропію.
ККД теплового двигуна з ідеальним газом як робоче тіло.
Якщо задана модель робочого тіла в тепловому двигуні (наприклад, ідеальний газ), можна розрахувати зміну термодинамічних параметрівробочого тіла в ході розширення та стиснення. Це дозволяє обчислити ККД теплового двигуна на підставі законів термодинаміки.
На малюнку показані цикли, котрим можна розрахувати ККД, якщо робочим тілом є ідеальний газ і задані параметри у точках переходу одного термодинамічного процесу на інший.
|
|
Ізобарно-ізохорний |
|
Ізохорно-адіабатний |
|
Ізобарно-адіабатний |
|
Ізобарно-ізохорно-ізотермічний |
|
|
Ізобарно-ізохорно-лінійний |
Цикл Карно. ККД ідеального теплового двигуна
Найбільшим ККД при заданих температурах нагрівача Tнагр та холодильника Tхол має тепловий двигун, де робоче тіло розширюється і стискається по циклу Карно(рис. 2), графік якого складається з двох ізотерм (2–3 та 4–1) та двох адіабат (3–4 та 1–2).
Теорема Карнодоводить, що ККД такого двигуна не залежить від робочого тіла, що використовується, тому його можна обчислити, використовуючи співвідношення термодинаміки для ідеального газу:
Екологічні наслідки роботи теплових двигунів
Інтенсивне використання теплових машин на транспорті та в енергетиці (теплові та атомні електростанції) відчутно впливає на біосферу Землі. Хоча про механізми впливу життєдіяльності людини на клімат Землі йдуть наукові суперечки, багато вчених відзначають фактори, завдяки яким може відбуватися такий вплив:
- Парниковий ефект- Підвищення концентрації вуглекислого газу (продукт згоряння в нагрівачах теплових машин) в атмосфері. Вуглекислий газ пропускає видиме та ультрафіолетове випромінювання Сонця, але поглинає інфрачервоне випромінювання, що йде в космос від Землі. Це призводить до підвищення температури нижніх шарів атмосфери, посилення ураганних вітрів та глобального танення льодів.
- Прямий вплив отруйних вихлопних газівна живу природу (канцерогени, смог, кислотні дощі від побічних продуктівзгоряння).
- Руйнування озонового шару при польотах літаків та запусках ракет. Озон верхніх шарів атмосфери захищає все живе Землі від надлишкового ультрафіолетового випромінювання Сонця.
Вихід із екологічної кризи, що створюється, лежить у підвищенні ККД тепловихдвигунів (ККД сучасних теплових машин рідко перевищує 30%); використання справних двигунівта нейтралізаторів шкідливих вихлопних газів; використання альтернативних джереленергії ( сонячні батареїта обігрівачі) та альтернативних засобів транспорту (велосипеди та ін.).
Коефіцієнт корисної дії (ККД) - характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення чи передачі енергії. Визначається ставленням корисно використаної енергії до сумарної кількості енергії, отриманої системою; позначається зазвичай η («ця»). η = Wпол/Wcyм. ККД є безрозмірною величиною і часто вимірюється у відсотках. Математично визначення ККД може бути записане у вигляді:
X 100%,
де А- Корисна робота, а Q- Витрачена енергія.
Через закон збереження енергії ККД завжди менше одиниці чи дорівнює їй, тобто неможливо отримати корисної роботи більше, ніж витрачено енергії.
ККД теплового двигуна- Відношення здійсненої корисної роботи двигуна до енергії, отриманої від нагрівача. ККД теплового двигуна може бути обчислений за такою формулою
,де – кількість теплоти, отримана від нагрівача, – кількість теплоти, віддана холодильнику. Найбільшим ККД серед циклічних машин, що оперують при заданих температурах гарячого джерела T 1 та холодного T 2, мають теплові двигуни, що працюють за циклом Карно; цей граничний ККД дорівнює
.Не всі показники, що характеризують ефективність енергетичних процесів, відповідають наведеному вище опису. Навіть якщо вони традиційно чи помилково називаються «коефіцієнт корисної дії», вони можуть мати інші властивості, зокрема, перевищувати 100%.
ККД котлів
Основна стаття: Тепловий баланс котла
ККД котлів на органічному паливі традиційно розраховується за нижчою теплотою згоряння; при цьому передбачається, що волога продуктів згоряння залишає котел у вигляді перегрітої пари. У конденсаційних казанах ця волога конденсується, теплота конденсації корисно використовується. При розрахунку ККД по нижчій теплоті згоряння він може вийти більше одиниці. У даному випадкукоректніше було б вважати його за найвищою теплотою згоряння, що враховує теплоту конденсації пари; Однак при цьому показники такого котла важко порівнювати з даними про інші установки.
Теплові насоси та холодильні машини
Перевагою теплових насосів як нагрівальної техніки є можливість іноді отримувати більше теплоти, ніж витрачається енергія на їх роботу; аналогічно холодильна машина може відвести від охолоджуваного кінця більше теплоти, ніж витрачається на організацію процесу.
Ефективність таких теплових машин характеризують холодильний коефіцієнт(для холодильних машин) або коефіцієнт трансформації(Для теплових насосів)
,де - тепло, яке відбирається від холодного кінця (у холодильних машинах) або передається до гарячого (у теплових насосах); - робота, що витрачається на цей процес (або електроенергія). Найкращими показникамипродуктивності для таких машин має зворотний цикл Карно: в ньому холодильний коефіцієнт
,де , - Температури гарячого і холодного кінців, . Ця величина, очевидно, може бути як завгодно велика; хоча практично до неї важко наблизитися, холодильний коефіцієнт все ж таки може перевищувати одиницю. Це не суперечить першому початку термодинаміки , оскільки, крім енергії, що приймається в розрахунок A(напр. електричної), тепло Qйде й енергія, що відбирається від холодного джерела.
Література
- Перишкін А. В.фізика. 8 клас. – Дрофа, 2005. – 191 с. - 50 000 екз. - ISBN 5-7107-9459-7.
Примітки
Wikimedia Foundation. 2010 .
Синоніми:Дивитись що таке "Коефіцієнт корисної дії" в інших словниках:
коефіцієнт корисної дії- Відношення потужності, що віддається, до споживаної активної потужності. [ОСТ 45.55 99] коефіцієнт корисного дії ККДВеличина, що характеризує досконалість процесів перетворення, перетворення чи передачі енергії, що є ставленням корисною… … Довідник технічного перекладача
Або коефіцієнт віддачі (Efficiency) – характеристика якості роботи будь-якої машини або апарату з боку її економічності. Під К. П. Д. мається на увазі відношення кількості отриманої від машини роботи або енергії від апарата до тієї кількості.
- (К.п.д.), показник ефективності дії механізму, що визначається як відношення роботи, що здійснюється механізмом, до роботи, витраченої на його функціонування. К.п.д. зазвичай виражають у відсотках. Ідеальний механізм мав би мати к.п.д =… … Науково-технічний енциклопедичний словник
Сучасна енциклопедія
- (ККД) характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення енергії; визначається ставленням корисно використаної енергії (перетвореної на роботу при циклічному процесі) до сумарної кількості енергії, … Великий Енциклопедичний словник
- (ККД), характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення або передачі енергії; визначається ставленням т) корисно використаної енергії (Wпол) до сумарного колу енергії (Wсум), отриманого системою; h=Wпол… … Фізична енциклопедія
- (ККД) відношення корисно використовуваної енергії W п, напр. у вигляді роботи, до загальної кількості енергії W, одержуваної системою (машиною або двигуном), W п/W. Через неминучі втрати енергії на тертя та ін. нерівноважні процеси для реальних систем. Фізична енциклопедія
Відношення корисно витрачається роботи або одержуваної енергії до всієї витраченої роботи або споживаної енергії. Напр., К. п. д. електродвигуна відношення механ. потужності, що їм віддається, до електр. потужності; К.… … Технічний залізничний словник
Сущ., кількість у синонімів: 8 ккд (4) віддача (27) плідність (10) … Словник синонімів
Коефіцієнт корисної дії- - величина, що характеризує досконалість будь-якої системи по відношенню до будь-якого процесу перетворення або передачі енергії, що протікає в ній, яка визначається як відношення корисної роботи, до роботи, витраченої на приведення в дію. Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів
Коефіцієнт корисної дії- (ккд), числова характеристика енергетичної ефективності будь-якого пристрою чи машини (зокрема теплової машини). Ккд визначається ставленням корисно використаної енергії (тобто перетвореної на роботу) до сумарної кількості енергії, … Ілюстрований енциклопедичний словник
