КПД двигателя внутреннего сгорания

В прошлой статье я писал про КПД двигателя внешнего сгорания. А сегодня попробую прикинуть КПД двигателя внутреннего сгорания.

Для этого пришлось немного вспомнить термодинамику, которой я вынужденно занимался когда-то давно, аж в прошлом веке. Мало уже что помню, поэтому фактически двигался на ощупь.
Даже нашел какие-то старые данные по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ. Возможно, сейчас они уже слегка устарели, но тем не менее, воспользовался тем, что есть.

Не буду углубляться в арифметические подробности расчетов, а приведу лишь основные результаты. В общем, потенциально двигатели внутреннего сгорания обладают существенно меньшим КПД, чем двигатели внешнего сгорания.
Почему же они тогда так широко применяются на практике? В первую очередь из-за компактности. При прочих равных они существенно легче и занимают меньше места, чем аналогичные двигатели внешнего сгорания, что критично практически для любого транспорта. Платой за это является более низкий КПД.

В чем же причина более низкого КПД двигателя внутреннего сгорания? В первую очередь это вызвано тем фактом, что человечество умеет прямо преобразовывать высокое давление газа в механическую работу, которую, при необходимости, легко преобразовать в другие виды энергии, в первую очередь в электрическую.
А вот эффективно, без дополнительных механизмов, преобразовывать тепловую энергию горячего газа низкого давления пока возможностей не придумали.

А в ДВС именно так и происходит: нагретое до высокой температуры (и давления) в результате сжигания топлива рабочее тело совершает работу практически адиабатически. В результате в конце рабочего такта, после выполнения практически приемлемой работы, рабочее тело имеет низкое давление, но при этом достаточно высокую температуру - сотни градусов Цельсия, а в некоторых случаях и больше тысячи. И это тепло практически никак не используется, что и приводит к снижению КПД двигателя.

Методы повышения КПД таких двигателей известны и в принципе широко используются. Самый наверное широко известный - турбирование двигателей. Традиционно турбину добавляют к ДВС, что бы повысить давление воздушно-топливной смеси (и, пропорционально, её количество), подаваемой в двигатель. В первую очередь это приводит к повышению мощности, но также и слегка повышает КПД.
Но турбину можно использовать и по-другому: например, вместо повышения давления можно присоединить её напрямую к электрическому генератору. В классических авто на ДВС такой подход бесполезен, но вот в гибридах вполне себе может пригодиться.

Второй способ, в принципе эквивалентный предыдущему варианту с электротурбиной, состоит в увеличении коэффициента расширения на рабочем такте при сохранении коэффициента сжатия. Это достигается на так называемом цикле Миллера, но в принципе, может быть реализовано и по-другому, если мы может точно управлять клапанами.

Эффект и первого, и второго метода состоит в увеличении КПД за счет снижения мощности. Похоже, это универсальный принцип в тепловых двигателях.

Естественно, что эти методы на транспорте могут быть реализованы только в гибридных схемах. Непосредственное применение их не очень удобно, так как невысокая мощность не позволяет достичь современных потребительских характеристик.

Но даже после таких улучшений температура отходящих газов остается достаточно высокой, поэтому по отчетам производителей максимально достигнутый КПД для таких вариантов двигателей приближается к 50%, но их не превышает. Решение для дальнейшего повышения эффективности есть и здесь - использовать тепло отработанных газов для запуска уже двигателя внешнего сгорания.
Проблема здесь только одна - существенное, более чем двукратное, увеличение массогабаритных характеристик такой системы. Понятно, что на транспорте такое решение на практике не применимо, но вполне себе рабочее для стационарных систем.

Какой же можно сделать вывод из всего этого? Если говорить о максимальном повышении эффективности использования энергии, то переход на электрические варианты транспорта как бы напрашивается.
Основные причины, по которым такой переход совершается крайне медленно, состоит в несовершенстве электрических автомобилей.
А гибриды - это некий компромисс, возникший на промежуточном этапе перехода от машин на базе ДВС к полностью электрическим.

Но про недостатки и достоинства тех и других я расскажу как-нибудь в следующий раз.