Сравнение КПД электромобиля и двигателя внутреннего сгорания

В отношении автомобиля на ДВС ответ на вопрос о КПД будет разным, поскольку в одном случае речь будет о «полезной работе», в другом о КПД на вале двигателя («полезной мощности»), в третьем о КПД «на колесе».
Проще всего проиллюстрировать КПД картинкой

Итак: автомобиль с дизельным ДВС имеет КПД «на колесе» 22,5%, КПД серийного электромобиля Tesla model S «на колесе» - 94%.

Тут бы ещё привести цифры по эффективности переработки разных видов топлива на электростанциях и эффективности электросетей для полноты

Посчитаем цену эксплуатации
Основываясь на этих данных, посчитаем сравнительную эффективность автомобиля с дизельным ДВС и электромобиля Tesla model S.

Удельная теплоемкость 1 литра солярки - 35 мдж или 9,72 кВт*ч.
Количество энергии от 1 литра солярки «на колесе» составляет 9,72 кВт*ч Х на КПД дизельного ДВС 22,5% = 2,19 кВт*ч.
Количество энергии Tesla model S «на колесе» от батареи составляет 85 кВт*ч Х на КПД Tesla model S «на колесе» 94% = 79,90 кВт*ч.
Соответственно батарея Tesla model S примерно равна 36,5 литров солярки.
Проверяем 36,5 литров солярки на 426 км дают средний расход 8,6 литра солярки на 100 км, нормальный показатель для автомобиля весом 2 100 кг.
Считаем затраты на заправку Tesla model S и автомобиля с дизельным ДВС по ценам к примеру Германии, где электроэнергия стоит довольно дорого 30 евроцентов кВт*ч, а дизельное топливо около 1,07 Евро за 1 литр
Соответственно одна заправка автомобиля с дизельным ДВС обойдется: 36,53 литра Х 1,07 Евро = 39,09 Евро, одна заправка Tesla model S обойдется: 85 кВт*ч Х 30 евроцентов = 25,5 Евро.
Таким образом даже в условиях дорогой электроэнергии в Германии серийный электромобиль Tesla model S существенно экономически эффективнее автомобиля с дизельным ДВС.
Следует отметить, что ключевыми показателями для конкурентоспособности электромобиля являются запас хода (минимум 300-400 км) и время перезарядки на электрозаправках (менее 1 часа), поскольку именно достижение указанных показателей позволяет перевести на электротягу всю грузовую и пассажирскую автомобильную логистику.

Квалификация Аналитического Центра про Правительстве РФ

Интерес к электромобилям носит отнюдь не праздный характер. Россия - нефтяная страна, которая живет с экспорта углеводородов. Соответственно, быстрое развитие электромобилей может сократить потребление нефти в мире => сократить экспорт нефти из России => уменьшить доходы РФ в целом и каждого гражданина в частности.
В 2014 году Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ опубликовали капитальный стратегический труд «Прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года» (далее - «Прогноз»).
В открытом доступе опубликован на личном сайте Леонида Марковича Григорьева , Ссылка на прогноз в PDF

Страницы 79-84 Прогноза посвящены электромобилям.
На странице 79-80 авторы Прогноза несколько раз повторяют, что электромобили неконкурентноспособны по сравнению с автомобилям с ДВС, но в перспективе к 2030 году могут составить конкуренцию.

На странице 82 Прогноза содержится расшифровка, чего должны достичь электромобили к 2030 году , чтобы составить конкуренцию автомобилям с ДВС:
1) Запас хода на одной заправке до 300 км (серийная Tesla model S в 2012 году имела запас хода 426 км).
2) Снижение стоимости батареи с 20 тыс. $ до 10 тыс. $ (батареи китайских электромобилей уже дешевле этой цифры).
3) Срок службы батареи не менее 7 лет (срок службы батареи серийной Tesla model S в 2012 году 5 лет).
4) Тройное уменьшение веса до 100 кг (вес батареи Tesla model S - 450 кг, 100 или 450 честно говоря непринципиально).
5) Сокращение времени полного заряда батареи от электросети 220 В до 30-40 минут (от бытовой сети 220 В сократить время заряда батареи до 30-40 минут невозможно по физическим причинам, а специальные электрозаправки существуют и заряжают за 30-40 минут).

Как несложно убедиться практически все что, авторы прогноза в 2013 году хотели увидеть в будущем на уровне опытных образцов к 2030 году, существовало в серийном виде в 2012 году.

На 84 странице Прогноза авторы сделали смелое предположение, что «Для обеспечения конкурентоспособности электромобилей на протяжении всего прогнозного периода цена на электроэнергию не должна превышать 15 центов за кВт*ч».
Как видно из расчета даже для Германии при цене электричества 30 евроцентов за кВт*ч, и стоимости солярки 1,07 Евро за литр (при нефти 45 $ за баррель), электромобили выигрывают в конкурентоспособности у автомобилей с ДВС.

Отнюдь. На сайте Аналитического центра при Правительстве РФ в декабре 2013 года выложен бюллетень «Электрический и гибридный транспорт в мире» (далее - «бюллетень») Ссылка на бюллетень в PDF .
На странице 7 бюллетеня выложена таблица, согласно которой электромобили (в таблице обозначены BEV) должны достичь запаса хода 250 км к 2030 году.
В тоже время на странице 10 авторы бюллетеня пишут про то, что средний запас хода электромобиля 150-200 км, и продолжает увеличиваться (уже есть модели 300-400 км.).
Как авторы бюллетеня могут сочетать прогноз о запасе хода 250 км к 2030 году с утверждением, что в 2013 году есть модели с запасом хода 300-400 км? Загадка, но не суть.
Главное, что в 2013 году в Аналитическом центре при Правительстве РФ было известно о существовании электромобилей с запасом хода 300-400 км, но стратегический прогноз развития энергетики России и мира до 2040 года был основан на устаревших абсолютно недостоверных данных.

Если допустить, что прогнозный 2030 по электромобилям наступил уже в 2013, то как следует из графика на странице 83 Прогноза (сценарий «перспективные электромобили») в ближайшие 10 лет Россию ждет значительное сокращение экспорта нефти в связи со снижением спроса на нефть на мировом рынке.
В выступлениях руководства страны постоянно звучит тема развития инноваций, между тем анализ Прогноза и бюллетеня приводит к неутешительному выводу: отечественная академическая экономическая наука абсолютно беспомощна в оценке ключевых инноваций, выпускающихся серийно , не говоря уже об оценке и прогнозировании влияния на экономику России и мира перспективных направлений научно-технического прогресса.
Вместе с тем Аналитический центр при Правительстве РФ достоин всяческой похвалы за публикацию своих пусть не вполне блестящих прогнозов. Публичность предполагает возможность обсуждения и критики, а значит улучшения качества публикуемых прогнозов.

Прогноз BP
Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН) и Аналитический центр при Правительстве РФ не одиноки в оценке радужных перспектив мирового рынка углеводородов. В традиционном ежегодном исследовании BP также содержатся вполне радужные перспективы рынка нефти до 2035 года.Ссылка на прогноз BP в PDF
В чем причина столь радужного настроя BP при том факте, что у автомобиля с ДВС есть конкурент - реальный электромобиль, который эффективнее и экономически и экологически?
Может показаться бессмыслицей, но странам ОЭСР невыгодно переходить на более эффективные электромобили по причине построения в странах ОЭСР социального государства.

Я думаю они перестроятся легче, чем думает автор — В.В.

Социальное государство определить просто и сложно, но если коротко государство становится социальным тогда когда реально берет на себя обязанность поддерживать определенный стандарт жизни для каждого лояльного гражданина. В понятие социального государства входит как одно из основных обязательствогосударства по обеспечению занятости и сохранению рабочих мест.
Какие экономические последствия повлечет полный переход от автомобилей с ДВС на электромобили?
Из очевидного, резко на 80% сократится добыча и потребление нефти. Сокращение рабочих мест в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности не является крупной проблемой для стран ОЭСР.
Совсем другая картина открывается если посмотреть на автомобильную отрасль.
Автомобиль с ДВС представляет собой сочетание сложных механизмов, работающих в жестких условиях.
Современный ДВС - это сложнейшая система впуска, блок цилиндров в котором в минуту происходит несколько тысяч циклов воспламенения горючей смеси (читай несколько тысяч взрывов в минуту), сложнейшая трансмиссия для передачи импульса от коленвала на привод. Иными словами автомобиль с ДВС - технологическое чудо, для производства которого, а самое главное обслуживания , требуется труд многих людей.
Современный электромобиль - это тяговый электродвигатель, в котором нет ни давления, ни воспламенения, ни постоянно сопрягающихся механизмов, простейшая трансмиссия в виде одноступенчатого редуктора, батарея.

Очевидно, что производство и обслуживание примерно соответствующего текущему уровню автомобилизации количества электромобилей потребует значительно меньшего количества рабочих рук, возможно, в разы, если не в десятки раз.
В экономике есть устоявшийся мем, что «один работник на коневейере автомобильного завода обеспечивает работой 10 человек в автомобильной и смежных отраслях экономики».
На примере той же Германии: число работников Фольксвагена 550 000, Мерседеса - 279 000, БМВ - 100 000, Опель - 25 000.
Не все работают в Германии, не все работают на конвейере, но совершенно очевидно, что в автомобильной и смежных отраслях в Германии занято несколько миллионов человек.

Соответственно, при переходе на электромобили уволенными без перспективы найти аналогичную по доходам и статусу работу окажутся несколько миллионов человек из автомобильной и смежных отраслей.
Всех уволенных и членов их семей социальное государство Германия обязано будет содержать до конца жизни уволенных работников.
Введение в формулу расчета социального государства с легкостью перечеркивает экономический эффект перехода от автомобилей с ДВС на электромобили.
Таким образом, резкий переход на электромобили крайне невыгоден странам ОЭСР как социальным государствам.
Прогнозы энтузиастов электромобилестроения начала 2010-х о миллионах электромобилей в странах ОЭСР и миллионах заправок остались прогнозами, была выбрана стратегия на плавный «органический» рост, при котором электромобили будут составлять значимую долю парка к 2050-2060 году и негативные экономические эффекты в результате исполнения странами ОЭСР обязательств социального государства будут сглажены до удовлетворительных показателей.
Поэтому прогноз BP имеет право на жизнь, но к большому сожалению для BP, в частности, и мировой нефтяной отрасли, в целом, круг производителей и потребителей электромобилей не исчерпывается странами ОЭСР.

Взгляд на Илона Маска как Прогрессора.

По большому счету текущая ситуация на рынке электромобилестроения следствие действий одного человека - Илона Маска.
Илон Маск после начала серийного выпуска Tesla model S сделал удивительную для предпринимателя вещь: открыл все патенты на электромобиль Tesla.
С позиций «экономикс», с позиций научного приоритета - это явная глупость, непонятная отечественным аналитикам.
Отечественная наука проспала смену парадигмы научного познания с «науки приоритета» на «науку открытого кода».

Хотелось бы какие-то данные, что именно патенты компании Маска были использованы. Это была бы статья огромного значения — В.В.

«Наука приоритета» основана на конкуренции отдельных ученых и/или научных коллективов с итоговой оценкой научной деятельности отдельных личностей либо коллективов.
«Наука открытого кода» основана на сотрудничестве отдельных ученых и/или научных коллективов с целью умножения научного знания (к примеру, коллаборации ученых как форма научной организации).
Инновационный бизнес по логике вещей является формой научной деятельности, и также может быть основан на «приоритете» или «открытом коде».
Если смотреть шире то «приоритет» и «открытый код» не сводятся к науке или бизнесу, а гораздо более значимые явления социальной жизни.
Для целей настоящего исследования важен факт приверженности Илона Маска «открытому коду». Маск выступил если смотреть с негативного угла штрейхбрейкером электромобилестроения, а с позитивного культуртрегером прогресса, современным Прометеем.

Конечно они - китайцы
Результатами просветительской деятельности Илона Маска воспользовался Китай.
Если оценить результаты 2015 года, то объем продаж легковых электромобилей составил 549 000, из них 189 000 пришлось на Китай (рост по отношению к 2014 году 223%), 115 000 на США (падение по отношению к 2014 году 4%), 192 000 на Европу (рост по отношению к 2014 году 99%)
Впечатляющие цифры, но только для тех, кто за деревьями не видит леса.
Как сообщает Газета.ру «Китай в 2015 году вышел на первое место в мире по продажам электромобилей, передает РИА «Новости».
Об этом заявил министр науки и технологий КНР Вань Ган на пресс-конференции.

По его словам, в прошлом году количество новых электромобилей, проданных на территории Китая, превысило 370 тыс. единиц, а общее количество электромобилей в стране оценивается в 497 тыс. единиц» .

370 000 и 189 000 слабо пересекающиеся цифры, если не обращать внимание, что цифра 189 000 касается продаж легковых электромобилей в Китае в 2015 году.

Соответственно более 180 000 единиц составили продажи электрического грузового и грузопассажирского транспорта и это очень серьезно.

Экономическая эффективность электромобилей для целей легкового транспорта не более чем один из многих показателей в ряду, а для грузового и грузопассажирского транспорта - это основной показатель.
Следует отметить, что парк грузового и грузопассажирского транспорта существенно (в разы) меньше легкового, но общее потребление моторного топлива грузовым и грузопассажирским транспортом сравнимо с потреблением моторного топлива легковым транспортом.
При текущих темпах производства электрических грузовиков Китай уже к 2025 году может полностью заместить свои 20-25 млн. единиц коммерческого транспорта с ДВС на электромобили, что автоматически означает сокращение спроса на нефть со стороны Китая на 20-30%, или 4-5 млн. баррелей в день минимум.

Чтобы понять насколько велик разрыв по грузовому электротранспорту между к примеру Европой и Китаем, достаточно погуглить с какой помпой в 2015 году компания BMW обставила приобретение 1 (одного) голландского грузовика Terberg для целей доставки деталей со складского терминала на завод BMW.

Сравните с 180 000 единиц электрического коммерческого транспорта, выпущенных в Китае в том же 2015 году.
Перевод коммерческого транспорта на электротягу даст/дает Китаю огромное преимущество в производительности труда.
Страны ОЭСР будут вынуждены закрывать образующийся разрыв, поэтому к сожалению для BP и нефтезависимых стран электромобили будут развиваться не «органически», а скачкообразно особенно в сфере коммерческого транспорта, что приведет к сильному падению спроса на нефть.

Хорошая новость для России, которую не упустили из виду авторы Прогноза (страница 84 Прогноза) электромобилизация повлечет рост спроса на электричество и рост спроса на газ прежде всего со стороны Китая, причем возможно рост китайского спроса на газ будет значительно более впечатляющим, чем представляют себе авторы Прогноза.

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Подробнее о потерях

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

У какого двигателя самый большой КПД?

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

О топливной эффективности дизеля

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.

Каждая система обладает каким-либо который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.

Параметры КПД в электродвигателях

Основная задача электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую. КПД определяет эффективность выполнения данной функции. Формула КПД электродвигателя выглядит следующим образом:

• n = p2/p1

В данной формуле p1 - это подведенная электрическая мощность, p2 - полезная механическая мощность, которая вырабатывается непосредственно двигателем. Электрическая мощность определяется формулой: p1=UI (напряжение умноженное на силу тока), а значение механической мощности по формуле P=A/t (отношение работы к единице времени). Так выглядит расчет КПД электродвигателя. Однако это самая простая его часть. В зависимости от предназначения двигателя и сферы его применения, расчет будет отличаться и учитывать многие другие параметры. На самом деле формула КПД электродвигателя включает намного больше переменных. Выше был приведен самый простой пример.

Снижение КПД

Механический КПД электродвигателя должен обязательно учитываться при выборе мотора. Очень большую роль играют потери, которые связаны с нагревом двигателя, снижением токами. Чаще всего падение КПД связано с выделением тепла, которое естественным образом происходит при работе двигателя. Причины выделения теплоты могут быть разными: двигатель может нагреваться в процессе трения, а также по электрическим и даже магнитным причинам. В качестве самого простого примера можно привести ситуацию, когда на электрическую энергию было потрачено 1 000 рублей, а работы было произведено на 700 рублей. В таком случае коэффициент полезного действия будет равен 70%.

Для охлаждения электрических двигателей применяются вентиляторы, которые прогоняют воздух через созданные зазоры. В зависимости от класса двигателей, нагрев может осуществляться до определенной температуры. Например, двигатели класса A могут нагреваться до 85-90 градусов, класса B - до 110 градусов. В том случае, когда температура превышает допустимую границу, это может свидетельствовать о замыкании статора.

Средний КПД электрических двигателей

Стоит отметить, что КПД электродвигателя постоянного тока (и переменного тоже) изменяется в зависимости от нагрузки:

1. При холостом ходе КПД равен 0%.
2. При нагрузке 25% КПД равен 83%.
3. При нагрузке 50% КПД равен 87%.
4. При нагрузке 75% КПД равен 88%.
5. При нагрузке 100% КПД равен 87%.

Одна из причин падения коэффициента полезного действия - асимметрия токов, когда подается разное напряжение на каждой из трех фаз. Если, к примеру, на первой фазе будет напряжение 410 В, на второй - 403 В, а на третьей - 390 В, то среднее значение будет равно 401 В. Асимметрия в данном случае будет равна разнице между максимальным и минимальным напряжением на фазах (410-390), то есть 20 В. Формула КПД электродвигателя для расчета потерь будет иметь вид в нашей ситуации: 20/401*100 = 4.98%. Это значит, что мы теряем 5% КПД при работе из-за разности напряжений на фазах.

Общие потери и падение КПД

Негативных факторов, которые оказывают влияние на падение КПД электродвигателя, очень много. Есть определенные методики, позволяющие их определять. К примеру, можно определить, есть ли зазор, через который частично передается мощность из сети к статору и далее - на ротор.

Потери в стартере также имеют место, и они состоят из нескольких значений. В первую очередь это могут быть потери, имеющие отношение к вихревым токам и перемагничиванию сердечников статора.

Если двигатель асинхронный, то имеют место дополнительные потери из-за зубцов в роторе и статоре. Также в отдельных узлах двигателя могут возникать вихревые токи. Все это в сумме снижает КПД электродвигателя на 0,5%. В асинхронных моторах учитываются все потери, которые могут возникать при работе. Поэтому диапазон коэффициента полезного действия может варьироваться от 80 до 90%.

Автомобильные двигатели

История развития электрических двигателей начинается с момента открытия Согласно ему, индукционный ток всегда движется таким образом, чтобы противодействовать вызывающей его причине. Именно эта теория легла в основу создания первого электрического двигателя.

Современные модели основаны на этом же принципе, однако кардинально отличаются от первых экземпляров. Электрические моторы стали намного мощнее, компактнее, но самое главное - их КПД значительно увеличился. Мы уже писали выше о том, какой КПД электродвигателя, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания это потрясающий результат. К примеру, максимальный КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 45%.

Преимущества электрического двигателя

Высокий КПД - это главное достоинство подобного мотора. И если двигатель внутреннего сгорания тратит более 50% энергии на нагрев, то в электрическом моторе на нагрев уходит небольшая часть энергии.

Вторым преимуществом является небольшой вес и компактные размеры. Например, компания Yasa Motors создала мотор с весом всего 25 кг. Он способен выдавать 650 Нм, что очень приличный результат. Также такие моторы долговечные, не нуждаются в коробке передач. Многие владельцы электрокаров говорят об экономичности электрических двигателей, что логично в некоторой степени. Ведь при работе электромотор не выделяет никаких продуктов сгорания. Однако многие водители забывают о том, что для производства электроэнергии необходимо использовать уголь, газ или обогащенный уран. Все эти элементы загрязняют окружающую среду, поэтому экологичность электродвигателей - это очень спорный вопрос. Да, они не загрязняют воздух в процессе работы. За них это делают электростанции при производстве электроэнергии.

Повышение эффективности электродвигателей

Электрические двигатели обладают некоторыми недостатками, которые плохо влияют на эффективность работы. Это слабый пусковой момент, высокий пусковой ток и несогласованность механического момента вала с механической нагрузкой. Это приводит к тому, что КПД устройства снижается.

Для повышения эффективности стараются обеспечить нагрузку двигателя до 75% и выше и увеличивать коэффициенты мощности. Также есть специальные приборы для регулирования частоты подаваемого тока и напряжения, что тоже приводит к повышению эффективности и росту КПД.

Одним из самых популярных приборов для увеличения КПД электродвигателя является устройство плавного пуска, которое ограничивает скорость роста пускового тока. Также уместно использовать и изменения скорости вращения мотора путем изменения частоты напряжения. Это приводит к снижению расхода электроэнергии и обеспечивает плавный высокую точность регулировки. Также увеличивается пусковой момент, а при переменной нагрузке стабилизируется скорость вращения. В результате эффективность электродвигателя повышается.

Максимальный КПД электродвигателя

В зависимости от типа конструкции, в электрических двигателях может варьироваться от 10 до 99%. Все зависит от того, какой именно это будет двигатель. Например, КПД электродвигателя насоса поршневого типа составляет 70-90%. Конечный результат зависит от производителя, строения устройства и т. д. То же самое можно сказать и про КПД электродвигателя подъемного крана. Если он равен 90%, то это значит, что 90% потребляемой электроэнергии пойдет на выполнение механической работы, остальные 10% - на нагрев деталей. Все же есть наиболее удачные модели электродвигателей, коэффициент полезного действия которых приближается к 100%, но не равен этому значению.

Возможен ли КПД свыше 100%?

Ни для кого не секрет, что электрические двигатели, КПД которых превышает 100%, не могут существовать в природе, так как это противоречит основному закону о сохранении энергии. Дело в том, что энергия не может взяться из ниоткуда и точно так же исчезнуть. Любой двигатель нуждается в источнике энергии: бензине, электричестве. Однако бензин не вечен, как и электроэнергия, ведь их запасы приходится пополнять. Но если бы существовал источник энергии, который не нуждался в пополнении, то вполне возможно было бы создать мотор с КПД свыше 100%. Российский изобретать Владимир Чернышов показал описание двигателя, который основан на постоянном магните, и его КПД, как уверяет сам изобретатель, составляет более 100%.

Гидроэлектростанция как пример вечного двигателя

Для примера возьмем гидроэлектростанцию, где энергия вырабатывается за счет падения с большой высоты воды. Вода вращает турбину, и та производит электричество. Падение воды осуществляется под действием гравитации Земли. И хотя работа по производству электроэнергии совершается, гравитация Земли не становится слабее, то есть сила притяжения не уменьшается. Далее вода под действием солнечных лучей испаряется и снова поступает в водохранилище. На этом цикл завершается. В результате электроэнергия выработана, затраты на ее производство возобновлены.

Конечно, можно сказать, что Солнце не вечно, это так, но пару-тройку миллиардов лет оно протянет. Что касается гравитации, то она постоянно совершает работу, вытягивая влагу из атмосферы. Если сильно обобщить, то гидроэлектростанция - это двигатель, который преобразует механическую энергию в электрическую, и его КПД составляет более 100%. Это дает понять, что искать пути создания электродвигателя, КПД которого может быть более 100%, прекращать не стоит. Ведь не только гравитацию можно использовать в качестве неисчерпаемого источника энергии.

Постоянные магниты как источники энергии для двигателей

Второй интересный источник - постоянный магнит, который ниоткуда не получает энергию, а магнитное поле не расходуется даже при совершении работы. Например, если магнит что-либо притянет к себе, то он выполнит работу, а его магнитное поле слабее не станет. Это свойство уже не раз пытались использовать для создания так называемого вечного двигателя, но пока что ничего более-менее нормального из этого не получилось. Любой механизм износится рано или поздно, но сам источник, которым является постоянный магнит, практически вечен.

Впрочем, есть специалисты, которые утверждают, что со временем постоянные магниты теряют свои силы в результате старения. Это неправда, но даже если бы и было правдой, то вернуть его к жизни можно было бы всего лишь одним электромагнитным импульсом. Двигатель, который бы требовал перезарядку раз в 10-20 лет, хоть и не может претендовать на роль вечного, но очень близко к этому подходит.

Уже было много попыток создать вечный двигатель на базе постоянных магнитов. Пока что не было удачных решений, к сожалению. Но учитывая тот факт, что спрос на такие двигатели есть (его просто не может не быть), вполне возможно, что в скором будущем мы увидим что-то, что очень близко подойдет к модели вечного мотора, который будет работать на возобновляемой энергии.

Заключение

КПД электродвигателя - это самый важный параметр, который определяет эффективность работы того или иного мотора. Чем выше КПД, тем лучше мотор. В двигателе с КПД 95% почти вся затрачиваемая энергия уходит на выполнение работы и только 5% расходуется не по нужде (например, на нагрев запчастей). Современные дизельные двигатели могут достигать значения КПД 45%, и это считается классным результатом. КПД бензиновых двигателей и того меньше.

Пожалуй, основным конструктивным элементом любого автомобиля является его «сердце», а именно двигатель. От того, как слаженно и эффективно будет работать этот агрегат, дальше зависят скорость, комфорт, тяговые характеристики машины. Важным индикатором эффективной работы двигателя любого агрегата и автомобиля является его КПД.

Эта общепризнанная аббревиатура расшифровывается просто – коэффициент полезного действия. Но что такое КПД двигателя автомобиля знает не каждый водитель? Возможно ему это и ненужно, а знать нужно всё!

Что представляет собой КПД

Теперь немного о том, что же представляет собой КПД, и от чего зависит. По классическому определению это соотношение выполненной работы и затраченной для этого энергии. Определяется в процентном соотношении. Чем выше процент коэффициента полезных действий, тем эффективнее работает двигатель. Правда, даже современные автомобили не могут похвастаться достаточно высокими показателями КПД.

Сегодня считается нормальным, если уровень полезной работы двигателя машины находится в пределах 20 – 60%. Для сравнения – использование электрических двигателей дает возможность получать КПД на уровне 95%. Потеря эффективности возникает от различных внутренних и внешних факторов, воздействующих на двигатель,когда он эксплуатируется.

В частности к таким можно отнести потерю энергию через «вымывание» тепла, неэффективно подготовленная воздушная смесь, что в дальнейшем становится причиной ее неполного сгорания, затраты энергии на преодоление трения, потеря тепла в процессе отвода сгоревших газов. Суммарно такие потери могут достигать до 60 – 80% от изначально получаемой энергии.

Конечно, такой подход приводит к нецелевому использованию топлива, низкой мощности, быстрому изнашиванию деталей отдельного типа, необходимости выполнения более частых профилактических осмотров и ремонтов. Здесь важным моментом является необходимость использования качественных деталей. Ведь в процессе работы двигателя все его части постоянно находятся в повышенном напряжении. И малейший изъян одной из его частей может стать причиной выхода из строя всего агрегата.

Особенности КПД двигателя в автомобиле

Нужно также понимать, что КПД двигателей, работающих на бензине намного ниже таких же моторов, которые работают на дизтопливе. Отличительной особенностью этих видов топлива является использование дополнительных зажигательных элементов (в случае с бензином), либо же подача готовой топливной смеси в заранее подготовленную камеру со сжатым воздухом, где такое топливо самостоятельно воспламеняется.

Отдельно важно остановиться и на качестве самого топлива. Ведь неполное сгорание топлива может стать причиной потери до 25% выделяемой энергии. Поэтому многие компании тщательно подходят к выбору поставщиков топлива. Ведь четвертая часть потери это достаточно внушительный показатель. Более того, несгоревшее топливо имеет свойство не только попадать в атмосферу и загрязнять ее (а за это можно получить солидный штраф), но и оседает на внутренних стенках двигателя и его частей, тем самым приводя к засорению и преждевременному износу.

Используя качественное топливо, вы имеете возможность без проведения какой-либо внутренней модернизации автомобиля, либо же замены отдельных его частей, фактически на ровном месте существенно повысит КПД двигателя.

Усовершенствование КПД двигателя

Учитывая повышенный спрос общества на эффективные, экономные и комфортные автомобили, сегодня ученые и эксперты с разных стран участвуют в программах совершенствования автомобильных двигателей с тем, чтобы довести их КПД до уровня 80% и выше.

Для этого используются различные конструкционные доработки (например, турбо надув), заменяются металлические составляющие основы двигателя на более легкие сплавы, способные держать тепло и сводить уровень трения к минимуму при минимальных необходимых для этого затратах.

Все это становится основой для выпуска более компактных, облегченных двигателей, способных перерабатывать в полезную работу большую часть полученной изначально энергии. Тем самым все это позволяет реально экономить в процессе дальнейшей эксплуатации и обслуживании машины.

При этом уделяется большое внимание усовершенствованию и очистке уже имеющихся элементов (топливо, системы охлаждения, смазки, подачи горючего и отвода газов), ведь, как мы уже обратили внимание ранее, таким образом можно повысить КПД даже не меняя отдельных частей. Достаточно просто заливать правильное топливо, понизить уровень теплоотдачи в процессе работы двигателя, либо же отвода выхлопов.

Еще одним моментом эффективного использования транспортного средства, есть оптимальный уровень загрузки транспортного средства. Выдерживая среднюю скорость, правильные передачи, не пытаясь показывать свое излишнее мастерство, вы получите возможность существенно снизить потребление топлива. А также сможете достигнуть оптимальной мощности и скорости автомобиля в определенных условиях.

КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как "инфракрасные обогреватели", поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.

(Бес)полезное тепло

Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.

Схожим примером может служить автомобильная "печка": она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.

Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.

Внешний контур теплового насоса: через эти пластиковые трубы прокачивается жидкость, забирающая тепло из толщи воды в отапливаемое здание. Mark Johnson / Wikimedia

Много или эффективно?

Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом - неподходящую мощность.

Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении - от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.

Самый мощный серийный локомотив, шведский IORE. Второе место удерживает советский электровоз ВЛ-85. Kabelleger / Wikimedia

Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.

Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.

Эффективно или дешево?

Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример - светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным "энергосберегайкам". Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.

Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.

Синие светодиоды нужны для получения белого света в сочетании с красными и зелеными. Эти два цвета научились получать в достаточно ярких светодиодах намного раньше; синие долгое время оставались слишком тусклыми и дорогими для массового применения

Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств - солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.

КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.

Не по общим правилам

Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.

Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.

В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.

Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.

Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях "Аполло", и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.

Плазменные двигатели серии СПД. Их делает ОКБ «Факел», и они используются для удержания спутников на заданной орбите. Тяга создается за счет потока ионов, которые возникают после ионизации инертного газа электрическим разрядом. КПД этих двигателей достигает 60 процентов

Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства - с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.