Bagaimana efisiensi efektif ditentukan? Efisiensi

Efisiensi (koefisien kinerja) adalah derajat efisiensi penggunaan energi bahan bakar pada mesin, semakin tinggi maka semakin banyak energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah di dalam mesin menjadi energi mekanik putaran poros utama. Semakin sedikit bahan bakar yang dikonsumsi mesin per unit daya keluaran.

PASAL No.1

EFISIENSI MESIN – MENYESUAIKAN IDE GLOBAL,
Apakah ada prospek untuk meningkatkan mesin?

Mesin pembakaran internal modern, beberapa dekade yang lalu, dengan munculnya sistem injeksi langsung dan turbocharging untuk udara yang masuk ke silinder, mencapai nilai efisiensi dan efisiensi bahan bakar saat ini. Oleh karena itu, saat ini, perusahaan global - produsen mesin untuk mobil dan peralatan lainnya menghabiskan banyak uang dan upaya bertahun-tahun untuk meningkatkan efisiensi hanya sebesar 2 - 3% karena biaya tinggi dan kerumitan desain mesin yang signifikan. Upaya dan biaya yang dikeluarkan sama sekali tidak sebanding dengan hasil yang diperoleh. Akibat dari semua ini adalah, seperti dalam pepatah terkenal, “gunung melahirkan seekor tikus”.
Ngomong-ngomong, inilah alasannya negara-negara besar Ada seluruh industri "penyetelan mesin", yaitu. sejumlah besar perusahaan kecil, bengkel semi-kerajinan tangan, dan spesialis individu yang berupaya membawa mesin standar mobil merek massal ke tingkat tenaga, torsi, dll yang lebih tinggi. melakukan penyetelan halus, modifikasi, peningkatan, dll pada mesin. trik yang secara populer didefinisikan sebagai penyetelan mesin.

Namun semua peristiwa dan tindakan teknis pada mesin ini bersifat sangat standar dan semua ide penyetelan ini setidaknya berusia setengah ratus tahun. Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa turbocharging udara yang masuk ke mesin berhasil digunakan pada tahun 20-an abad lalu, dan paten AS pertama untuk perangkat semacam itu sudah diterima oleh insinyur Swiss Alfred Büchi pada tahun 1905... Dan sistem injeksi bahan bakar langsung menjadi silinder banyak digunakan dalam mesin piston penerbangan militer pada periode awal Perang Dunia ke-2. Itu. Semua sistem teknis “canggih” modern untuk meningkatkan efisiensi dan efisiensi bahan bakar mesin sudah berusia sekitar seratus tahun, atau bahkan lebih. Dengan semua trik ini, efisiensi keseluruhan mesin bensin terbaik (dengan pengapian paksa percikan) tidak melebihi 25-30%, dan efisiensi mesin diesel terbaik dalam versi berukuran besar yang paling ekonomis (yang memiliki banyak perangkat tambahan yang rumit ) selama beberapa dekade tidak boleh melebihi 40 -45%. Mesin diesel kecil memiliki efisiensi 10 persen lebih rendah.

Pada artikel ini kami akan mencoba menguraikan secara singkat dan dalam bahasa populer tugas-tugas utama dan menentukan kemungkinan teoretis untuk menciptakan mesin pembakaran internal dengan efisiensi penuh percaya diri di atas 50%.

* * * Jadi, efisiensi mesin, dilihat dari buku teks universitas teknik, terdiri dari dua nilai: efisiensi termodinamika dan efisiensi mekanik .

Nilai pertama menunjukkan bagian mana dari panas yang dihasilkan dalam mesin diubah menjadi kerja yang berguna, dan mana yang terbuang ke ruang sekitarnya. Efisiensi mekanis menunjukkan bagian mana dari operasi aktif mesin yang sia-sia dihabiskan untuk mengatasi berbagai hambatan mekanis dan mengemudi peralatan tambahan di dalam mesin itu sendiri.

Namun karena alasan tertentu, konsep “efisiensi umum” tidak diperkenalkan di semua buku teks. efisiensi bahan bakar" Artinya, nilai yang menunjukkan berapa banyak bahan bakar yang terbakar secara bermanfaat dan pada akhirnya berubah menjadi panas serta volume gas yang bekerja, dan berapa banyak bahan bakar yang tidak terbakar dan habis dalam bentuk uap bahan bakar atau hasil pembakarannya yang tidak sempurna. Bagian bahan bakar yang tidak terbakar inilah yang pada mobil “performa tinggi” modern dibakar dalam katalis yang dipasang di pipa knalpot. Itu. Knalpot akibat penggunaan sistem tersebut ternyata cukup bersih, namun sistem ini tidak meningkatkan efisiensi bahan bakar dan efisiensi mesin. Sebaliknya, hal ini menguranginya - karena untuk "memompa" sebagian gas buang melalui "jaringan padat" permukaan katalitik, mesin harus bekerja seperti pompa padat dan menghabiskan sebagian besar tenaganya untuk hal ini. . Tentu saja, kategori ini ada dalam rumus untuk menghitung efisiensi, tetapi tidak hadir secara jelas dan malu-malu. Misalnya, dalam bentuk seperti, misalnya, dalam salah satu rumus umum keseimbangan panas terdapat komponen “Q n.s. - panas yang diperoleh selama pembakaran tidak sempurna." Namun semua pendekatan ini memiliki beberapa ketidakjelasan, jadi saya akan mencoba menyajikan semuanya sejelas dan sesistematis mungkin.

Jadi, efisiensi mesin secara keseluruhan akan dibagi menjadi 3 bagian utama:

• efisiensi bahan bakar;
• efisiensi termal;
• efisiensi mekanik;

Intisari dari nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut:

Efisiensi bahan bakar- menunjukkan berapa banyak bahan bakar yang dibakar secara efektif di dalam mesin dan diubah menjadi volume gas kerja bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi, dan bagian mana dari bahan bakar yang tidak terbakar dan berupa produk pembakaran tidak sempurna, partikel hangus (dalam berupa asap, jelaga dan jelaga), atau bahkan bisa dibilang dalam bentuk uap bahan bakar murni, langsung melewati mesin dan terbang keluar ke pipa knalpot. Ketika Anda berdiri di samping mobil domestik tua yang sedang berjalan, terutama truk, dan mencium bau bensin yang menyengat, ini adalah akibat dari pembakaran sebagian bahan bakar yang tidak efisien;
Efisiensi termal – menunjukkan berapa banyak panas yang diterima dari pembakaran bahan bakar diubah menjadi pekerjaan yang berguna, dan berapa banyak yang terbuang sia-sia di ruang sekitarnya;
Efisiensi mekanis – menunjukkan berapa banyak kerja mekanis yang diubah menjadi torsi pada poros utama dan disalurkan ke konsumen, dan berapa banyak yang terbuang untuk gesekan atau dihabiskan untuk menggerakkan mekanisme pendukung;

Mari kita lihat sekilas semua posisi ini:
Efisiensi bahan bakar – tidak ada data jelas yang dapat ditemukan mengenai topik ini, baik dalam buku teks Soviet lama tentang teori dan perhitungan mesin pembakaran internal, atau dalam sumber daya Internet modern yang tak ada habisnya.
Data yang jelas dan bermakna terdapat pada informasi perhitungan afterburner katalitik bahan bakar yang tidak terbakar untuk mobil modern. Lagi pula, mereka perlu menghitung dengan jelas kinerja afterburner mereka untuk sejumlah hidrokarbon masuk yang belum terbakar di mesin. Jadi, dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa mesin piston (juga diesel) membakar rata-rata tidak lebih dari 75% bahan bakar, tetapi 25% uap bahan bakar dan produk pembakaran tidak sempurna masuk ke pipa knalpot dan memerlukan layanan afterburner (jadi agar tidak meracuni lingkungan). Itu. Pada mesin yang ada saat ini, tidak lebih dari 75% bahan bakar dibakar seluruhnya dan diubah menjadi panas. Untuk mesin 2 tak, nilai ini bahkan lebih kecil lagi.

Efisiensi termal– rata-rata mesin piston memiliki efisiensi 35-40%. Itu. sekitar 65% panas yang dihasilkan dilepaskan secara sia-sia ke lingkungan melalui sistem pendingin dan gas buang.

Efisiensi mekanis – rata-rata, 10% kerja mesin dihabiskan untuk gesekan antar bagiannya dan untuk menggerakkan mekanisme bantu mesin.

Akibatnya, berdasarkan jumlah kerugian termal dan mekanis, mesin piston modern berukuran kecil dan bertenaga memiliki efisiensi tidak lebih dari 30%.
Pada mesin besar, seperti mesin diesel laut atau mesin besar pada lokomotif kereta api dan truk, lebih mudah menghemat energi, namun kita tidak akan membicarakannya.

Namun - nilai efisiensi 30% tidak memperhitungkan bagian bahan bakar yang tidak terbakar, yaitu. tidak memperhitungkan kesempurnaan pembakaran uap bahan bakar di dalam mesin. Saya percaya bahwa dengan mempertimbangkan parameter ini, nilai efisiensi sebenarnya dari mesin bensin piston tidak akan lebih tinggi dari 20%, dan mesin diesel - sedikit lebih tinggi, sekitar 5-7%.

Hasilnya lebih baik dibandingkan mesin uap berbahan bakar batu bara dengan efisiensi 7-8%, namun masih sangat kecil.
Mari kita pikirkan mengapa konsep efisiensi tidak mencakup “efisiensi bahan bakar” yang ditentukan? Mengapa konsep efisiensi jelas-jelas mengabaikan porsi bahan bakar yang tidak “menyumbang” bagiannya terhadap proses pembakaran dan pembangkitan panas? Itu. konsep efisiensi tidak termasuk sebagian besar kerugian mesin dan angka modern makna modern Apakah efisiensi tanpa memperhitungkan kerugian-kerugian ini jelas-jelas terlalu tinggi?

Kebenarannya terletak pada arti sebenarnya dari istilah “faktor efisiensi”. Itu. ini adalah penentuan bagian dari pekerjaan yang bermanfaat - "tindakan", dan bagian dari pekerjaan yang tidak berguna. Beberapa usaha atau pelepasan energi bermanfaat, dan beberapa (misalnya, untuk mengatasi gesekan, atau energi panas yang hilang di knalpot) tidak ada gunanya, tetapi ada, dan energi ini nyata dan diperhitungkan. Namun kerugian akibat bahan bakar yang tidak terbakar tidak muncul dalam bentuk panas yang tidak berguna atau pekerjaan yang tidak tepat. “Kekurangan keseimbangan” ini bukanlah kehilangan pekerjaan atau kehilangan panas. Ini adalah hilangnya bahan bakar murni. Itu. Kerugian ini tidak dinyatakan dalam joule atau atmosfer, tetapi dalam gram dan liter. Dan kerugian tersebut tidak dapat diukur atau diperhitungkan dalam kategori kehilangan tekanan atau kehilangan panas, tindakan yang tidak berguna atau pekerjaan yang tidak diperlukan.

Oleh karena itu, berdasarkan aturan logika formal, KOEFISIEN EFISIENSI tidak boleh memperhitungkan kerugian-kerugian ini. Untuk tujuan ini harus ada indikator dan kualifikasi lain, namun tidak ada parameter yang jelas dan dapat dipahami yang digunakan secara luas. Jadi kita mendapatkan indikator efisiensi mesin modern yang sengaja terpotong dan terlalu menyenangkan - indikator efisiensi yang hanya memperhitungkan sebagian dari kerugian...

Namun kenyataannya, efisiensi total mesin pembakaran internal modern ternyata jauh lebih rendah daripada efisiensi yang didalilkan secara universal yaitu efisiensi 35-40%. Bagaimanapun, hanya efek menguntungkan dan energi yang terbuang serta kerja ekstra yang dihasilkan akibat bagian bahan bakar yang terbakar yang diperhitungkan. Namun hilangnya bagian bahan bakar yang tidak terbakar dari sisa bahan bakar yang masuk ke mesin belum dapat ditentukan sepenuhnya...

AUDIT DAN INVENTARISASI KERUGIAN PADA ES PISTON Kami akan mencoba mengulas dan menganalisis secara singkat seluruh kehilangan energi yang terkandung dalam bahan bakar satu per satu sesuai dengan posisi yang telah diuraikan di atas. Dan kemudian pikirkan kemungkinan untuk menghilangkan kerugian ini. Itu. Mari kita coba merumuskan konsep dan menguraikan ciri-ciri umum mesin yang sempurna.

* * *
Kerugian tingkat pertama– pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna di ruang bakar mesin. Semua ahli mengetahui bahwa bahan bakar pada mesin modern tidak terbakar sempurna dan sebagian habis bersama gas buang. Itulah sebabnya mesin pembakaran internal modern meracuni udara dengan produk pembakaran hidrokarbon yang tidak sempurna, dan untuk mendapatkan “knalpot yang bersih”, afterburner katalitik dipasang di pipa knalpot mobil modern, yang “membakar” bahan bakar pada permukaan aktifnya. elemen. Akibatnya, bahan bakar yang tidak dipanaskan di dalam silinder akan teroksidasi secara sia-sia dalam katalis ini. Namun knalpot menjadi lebih bersih. Namun harga katalis dengan permukaan rhodium dan platinum ini sangat tinggi dan bekerja dalam jangka waktu terbatas.

Tugas– untuk mendapatkan mesin yang SEPENUHNYA membakar bahan bakar di ruang bakarnya dan sepenuhnya mengubah energi ikatan kimia bahan bakar menjadi panas dan sejumlah besar gas pembakaran sederhana, seperti uap air dan CO2.

Pertama, mari kita lihat mengapa bahan bakar tidak terbakar sempurna pada mesin piston tradisional. Apa yang menghalangi terjadinya proses pembakaran sempurna?

Kesulitan utama pada mesin piston pada topik ini adalah kurangnya oksigen untuk pembakaran, serta terlaksananya proses pembakaran dalam satu langkah teknologi dengan pemuaian gas pembakaran. Situasi terakhir dapat dijelaskan dengan kata lain - Campuran Kerja tidak memiliki cukup waktu untuk pembakaran sempurna. “Penyakit umum” pada mesin piston ini praktis tidak dapat disembuhkan, sehingga pemikiran teknik, setelah lebih dari 120 tahun mencoba menghilangkannya, belum menemukan cara untuk melakukan hal ini.

Mari kita pertimbangkan kelemahan ini secara detail: jadi, ketika piston berada pada Titik Mati Atas (TDC), Campuran Kerja terkompresi (PCM) menyala. Proses pembakaran dimulai dan berlanjut selama beberapa waktu. Perkiraan pembakaran Campuran Kerja dalam mesin modern berkecepatan tinggi berlangsung sekitar satu milidetik - 0,001 detik. Secara umum, keempat siklus terjadi dalam 0,02-0,04 detik.

Diketahui bahwa untuk pembakaran uap bahan bakar yang sempurna dan sempurna, diinginkan suhu dan tekanan tinggi. Namun segera setelah piston melewati TMA, piston mulai bergerak ke bawah dengan peningkatan volume ruang di atas piston secara signifikan. Itu. Saat bagian depan pembakaran Campuran Kerja (WMC) menyebar di ruang bakar, bagian pertama WMC yang terbakar akan terbakar pada suhu dan tekanan tinggi. Namun bagian terakhir RSM yang terbakar berada dalam kondisi penurunan tekanan dan penurunan suhu yang tajam. Akibatnya, efisiensi pembakaran turun tajam, atau bahkan berhenti sama sekali. Oleh karena itu, sebagian RSM tidak sempat terbakar atau tidak terbakar sempurna. Oleh karena itu, sebagian uap bahan bakar masuk ke pipa knalpot dan gas buang tersebut tentunya mengandung hasil pembakaran tidak sempurna bahan bakar hidrokarbon. Akibatnya sebagian bahan bakar tidak terbakar dan tidak mengubah energinya menjadi panas, kemudian menjadi putaran poros utama mesin, melainkan hanya mencemari dan meracuni udara sekitar.

Hampir tidak mungkin untuk menghilangkan kelemahan ini, karena desain paling dasar dari mesin piston mengandaikan prinsip paling penting dalam menggabungkan dua proses berbeda dalam satu langkah teknologi "pembakaran - ekspansi": pembakaran dan perluasan produk pembakaran. Sulit untuk menggabungkan proses-proses ini, karena masing-masing proses terjadi secara optimal dalam kondisi optimal yang saling eksklusif untuk proses lainnya.

Memang, proses pembakaran muatan RSM terkompresi paling baik terjadi di ruang terkunci dengan volume konstan. Dalam termodinamika, proses ini didefinisikan sebagai proses “isokhorik”. Itu. muatan PCM akan terbakar sempurna dan mengubah seluruh energi ikatan kimia bahan bakar hidrokarbon dalam ruang tertutup menjadi panas dan tekanan dalam kondisi tekanan dan suhu yang meningkat tajam.
Dan proses pemuaian paling baik terjadi pada kondisi suhu rendah (untuk memastikan pelumasan permukaan geser dan gesekan elemen kerja mesin), dengan sedikit pergerakan benda kerja utama (piston).
Seperti yang bisa kita lihat, pada mesin piston kedua kondisi ini tidak dapat dipenuhi sepenuhnya, oleh karena itu proses gabungan “ekspansi pembakaran” mengikuti “skenario kompromi”, ketika kondisi yang kurang sesuai tercipta untuk setiap proses, namun pada akhirnya kondisi tersebut terjadi. masih memungkinkan penerapan proses gabungan ini dengan efisiensi setidaknya 50%. Akibatnya, proses pengoperasian mesin piston modern merupakan teknologi yang terus menerus mengalami kompromi yang sulit dan kerugian yang signifikan.

Akibat “perkawinan kompromis” yang menimbulkan kerugian bagi kedua belah pihak yang terlibat, diperoleh akibat sebagai berikut:
— pembakaran terjadi dalam kondisi perluasan ruang bakar yang tajam, dan bahkan pada suhu dinding silinder yang sangat rendah. Akibatnya, bahan bakar terbakar tidak sempurna dan tidak efektif, dan sebagian panas dari bahan bakar yang terbakar hilang ketika dinding dingin silinder yang didinginkan dipanaskan. Itu. pembakaran terjadi dalam kondisi yang sangat tidak efisien.
— terjadi perluasan dalam kondisi suhu tinggi dari proses pembakaran yang dikombinasikan dengan pemuaian. Itulah sebabnya dinding silinder harus didinginkan, karena oli untuk melumasi permukaan gesekan piston dan silinder pada suhu lebih dari 220 C° kehilangan “sifat licinnya” dan gesekan mulai “mengering”, dan hangus. minyak disinter menjadi partikel padat, yang mulai mengganggu proses ini lebih jauh lagi.

Jalan keluar dari kebuntuan proses “pembakaran-ekspansi” ditemukan dengan mengatur “pengapian dini” sehingga bagian sekecil mungkin dari pembakaran RCM terjadi pada jalur pemuaian kecepatan tinggi dan peningkatan volume yang tinggi. dari ruang bakar. Tapi ini adalah skema yang dipaksakan dan penuh dengan masalah sampingan lainnya. Karena “pra-penyalaan” melibatkan penyalaan RSM dan penciptaan tahap awal tekanan kerja gas pembakaran bahkan sebelum piston mencapai TMA, mis. pada tahap akhir langkah kompresi. Akibatnya inersia mekanisme engkol (CPM) harus mengatasi tekanan yang muncul dari RCM yang terbakar dan memampatkan akibat inersia putaran CCM atau kerja piston lainnya, RCM yang terbakar mulai mengembang. Akibat dari kompromi ini adalah peningkatan tajam beban pada poros engkol, piston, batang penghubung dan pin poros engkol, serta penurunan efisiensi. Itu. mesinnya ternyata menjadi arena konfrontasi antara kekuatan multi arah.

Topik sulit lainnya pada mesin piston adalah kekurangan oksigen. Benar, ini hanya khas untuk mesin bensin (mesin yang beroperasi dengan penyalaan percikan paksa), mesin diesel (mesin yang beroperasi dengan penyalaan kompresi) tidak memiliki kelemahan ini. Namun sebaliknya, mesin diesel mengalami banyak kesulitan lain - bobot yang berat, ukuran yang besar, dan dimensi yang mengesankan. Memang belum ada yang mampu menciptakan mesin diesel efisien dengan dimensi yang dapat diterima dengan volume kurang dari 1,2 liter... Inilah mesin mobil diesel terkecil, Audi-A2. Dan pengurangan mesin diesel ke dimensi yang sangat kecil membawa akibat yang menyedihkan. Jadi - mesin diesel kecil dari Pabrik Traktor Vladimir D-120 (dipasang pada traktor mini) dengan kekuatan 25-30 hp. memiliki berat 280-300 kg. Itu. Untuk satu tenaga kuda ada berat 10 kg. Pabrikan lain di seluruh dunia mengalami situasi serupa.
Jadi, bahan bakar tidak terbakar sempurna ketika RCM “kaya”, mis. mengandung banyak uap bahan bakar dan sedikit udara (oksigen). RSM seperti itu tidak memiliki peluang untuk terbakar sempurna; oksigen dalam bahan bakar tidak cukup untuk mengoksidasi hidrokarbon. Akibatnya uap bahan bakar yang tidak terbakar karena alasan ini akan dibuang ke knalpot. Namun RSM seperti itu terbakar dengan cepat, meski tidak sepenuhnya. Artinya sebagian besar uap bahan bakar masih terbakar dan memberikan tekanan dan suhu yang dibutuhkan.

Anda dapat melakukannya dengan cara lain - membuat "campuran tanpa lemak", mis. akan ada banyak udara (oksigen) dan sedikit uap bahan bakar di RSM. Hasilnya, idealnya, RSM seperti itu akan mampu terbakar sempurna - semua uap bahan bakar akan terbakar 100% dengan efisiensi penuh. Namun RSM semacam itu memiliki kelemahan besar - ia terbakar jauh lebih lambat daripada "campuran kaya" dan dalam kondisi mesin piston kehidupan nyata, di mana pembakaran terjadi melalui peningkatan volume yang cepat, RSM semacam itu tidak punya waktu untuk terbakar sepenuhnya. Karena sebagian besar pembakaran RSM tersebut menurun karena kecepatan rendah dalam kondisi peningkatan tajam dalam volume ruang bakar dan penurunan suhu. Hasilnya adalah RCM sekali lagi tidak terbakar sempurna bahkan dalam versi “campuran ramping” dan sebagian besarnya masuk ke knalpot tanpa terbakar.

Dan lagi, efisiensi bahan bakar mode pengoperasian mesin piston ini ternyata sangat rendah.
Rendahnya pasokan oksigen untuk proses pembakaran PCM juga berperan dalam metode pengendalian mesin karburator – “metode kuantitatif”. Untuk mengurangi putaran mesin dan mengurangi “daya dorongnya”, pengemudi menutup katup throttle, sehingga membatasi akses udara ke karburator. Akibatnya, sekali lagi terjadi kekurangan udara untuk pembakaran bahan bakar dan lagi-lagi efisiensi bahan bakar yang buruk... Mesin injeksi sebagian bebas dari kelemahan ini, tetapi masalah lain dari mesin piston terwujud di dalamnya “sepenuhnya”.

Penting untuk memisahkan dua proses teknologi kerja yang sangat kontradiktif - "pembakaran - pembentukan gas kerja bertekanan dan suhu tinggi" dan "ekspansi gas kerja bertekanan dan suhu tinggi". Kemudian kedua proses ini dapat mulai dilakukan paling banyak di kamera dan perangkat khusus parameter optimal. Itu. pembakaran akan terjadi “secara isokhorik” - dalam volume terkunci, dengan peningkatan tekanan dan peningkatan suhu. Dan pemuaian dapat dilakukan pada suhu rendah.

Pada prinsipnya, gagasan untuk membuat “pembagian besar” tersebut telah dirumuskan oleh berbagai penemu dan insinyur dari berbagai negara sejak lama. Misalnya saja perkembangan perusahaan Jerman DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG", dengan topik mesin piston dengan ruang bakar terpisah. Namun sejauh ini belum ada yang berhasil mengusulkan sirkuit yang secara teoritis indah dan dapat diterapkan secara teknis untuk diterapkan pada logam. Perusahaan Jerman yang sama DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG mulai menerima paten untuk pengembangannya sekitar 15 tahun yang lalu, namun belum pernah mendengar adanya keberhasilan nyata dalam menciptakan mesin yang benar-benar berfungsi.

Jadi, perlu untuk memastikan proses pembakaran jangka panjang dari muatan RSM dalam volume terkunci - sebuah "proses isokhorik". Dalam kondisi ini, akan dimungkinkan untuk membakar “campuran ramping” yang disengaja, dengan rasio udara berlebih yang besar, ketika uap bahan bakar terbakar sempurna, menghasilkan jumlah panas dan gas pembakaran semaksimal mungkin, dan pada saat yang sama pembakaran beracun minimal produk akan habis. Namun hal ini hanya dapat dilakukan dengan memastikan waktu pembakaran yang cukup lama dari muatan RSM yang “buruk” dalam volume terkunci di bawah tekanan yang meningkat dan suhu yang signifikan. Yang secara praktis tidak mungkin disediakan pada mesin piston.

* * *
Kerugian tingkat kedua– kehilangan panas secara signifikan yang diperoleh dari pembakaran “bahan bakar yang diasimilasi oleh mesin.”
Keseimbangan termal mesin bensin adalah sebagai berikut:
1) – panas diubah menjadi kerja berguna: 35%;
2) – panas yang hilang bersama gas buang: 35%;
3) – panas yang hilang dari kehilangan melalui sistem pendingin: 30%;

Tugas– dapatkan mesin dengan kehilangan panas minimal selama lingkungan luar. Idealnya, tujuannya adalah menciptakan mesin dengan efisiensi termal 80%. Namun bahkan jika kita berhasil mencapai angka 65-70%, dibandingkan saat ini yang hanya 35%, hal ini akan menjadi sebuah lompatan maju yang besar. Itu. mesin dengan tenaga yang sama dengan efisiensi seperti itu akan mulai mengkonsumsi bahan bakar 2 kali lebih sedikit dari sebelumnya.

Analisis situasi yang tidak menguntungkan saat ini: Pertama, mari kita lihat mengapa ada kehilangan panas "ke samping" yang begitu besar pada mesin piston tradisional? Apa yang menyebabkan situasi menyedihkan ini?

Kategori pertama kehilangan panas— kehilangan panas dengan pembuangan melalui dinding silinder dengan sistem pendingin. Secara umum, untuk meningkatkan nilai efisiensi termal, mesin tidak boleh didinginkan sama sekali. Hal ini akan segera meningkatkan suhu bagian-bagian mesin, dan ini akan membuat oli menjadi hangus (yang menciptakan lapisan tipis agar mudah tergelincir pada permukaan gesekan), dan piston akan berhenti bergerak dengan mudah di dalam silinder dan mesin akan segera macet. Di sini kita kembali menghadapi kontradiksi dalam menggabungkan dua proses dalam satu siklus - pembakaran dan ekspansi. Suhu saat terjadinya pembakaran pada periode awal penyalaan RSM mencapai 3000 C°. Dan suhu maksimum oli saat masih melumasi dan melindungi dari gesekan adalah 200 - 220 derajat. Ketika ambang batas suhu ini terlampaui, minyak mulai “terbakar” dan hangus. Untuk memastikan efisiensi tinggi, tidak bijaksana untuk mendinginkan mesin, tetapi untuk memastikan pergerakan benda kerja utama - piston - pelumasan sangat penting... Yaitu. sistem pendingin yang memungkinkan piston bergerak di dalam silinder secara drastis mengurangi efisiensi termal mesin. Ini adalah pengurangan efisiensi secara sadar dan perlu.

Kategori kedua kehilangan panas– kehilangan panas dengan gas buang. Suhu gas buang di saluran keluar silinder untuk berbagai ukuran dan mesin berkisar antara 800 hingga 1100 C°. Oleh karena itu, pada mesin yang berjalan dengan kecepatan tinggi, manifold buang terkadang mulai memanas hingga menyala merah tua... Ini hanya berarti satu hal - energi pembakaran bahan bakar, diubah menjadi energi internal gas pembakaran dalam bentuk gas pembakarannya. suhu tinggi, hilang selamanya dan sama sekali tidak berguna. Melalui saluran “kehilangan panas” inilah mesin pembakaran internal modern kehilangan sekitar 35% energi pembakaran bahan bakar. Dan mengubah energi ini menjadi pekerjaan yang berguna sangatlah sulit; hal yang paling banyak dilakukan adalah memasukkan turbin ke dalam saluran pembuangan, yang memutar kompresor turbocharger. Ini mencapai peningkatan tekanan udara yang masuk ke silinder. Dan ini sedikit meningkatkan efisiensi. Namun - Anda perlu memahami bahwa turbin tidak “menangkap” peningkatan suhu, tetapi tekanan berlebih dari gas yang meninggalkan silinder. Itu. Ini adalah topik yang sedikit berbeda dan jenis penghematan yang berbeda.

Jadi, ternyata mesin piston “memproses” dengan buruk tidak hanya suhu, tetapi juga tekanan tinggi dari gas yang bekerja. Faktanya, gas yang bekerja dengan tekanan berlebih 8-10 atmosfer akan habis. Ini banyak; Anda hanya perlu ingat bahwa mesin uap pertama pada awal abad ke-19 memiliki tekanan kerja 3 atau 3,5 atmosfer dan berhasil bekerja di tambang batu bara dan di tanaman metalurgi, seperti mesin lokomotif uap pertama.

Intinya di sini terletak pada dimensi geometris yang identik dari volume kompresi dan volume ekspansi. Untuk mesin piston keduanya sama, dan tidak ada yang bisa dilakukan untuk mengatasinya. Idealnya, volume ini harus berbeda. Trik seperti siklus Atkinson, ketika pada mesin piston volume kompresi lebih kecil dari volume ekspansi, tidak efektif karena mengurangi torsi mesin secara drastis.

Tetapi peningkatan volume ruang ekspansi hanya akan memungkinkan untuk mengubah semua kelebihan tekanan berlebih menjadi pekerjaan yang bermanfaat, namun peningkatan suhu gas panas pembakaran bahan bakar tidak dapat dimanfaatkan dengan metode ini. Satu-satunya hal yang terlintas dalam pikiran para insinyur adalah menyuntikkan air ke dalam silinder untuk mengubah suhu tinggi menjadi kerja. Secara teori: air, yang berubah menjadi uap bertekanan tinggi, akan secara tajam meningkatkan tekanan campuran uap-gas yang dihasilkan dan pada saat yang sama menurunkan suhunya secara signifikan. Namun, selama lebih dari 80 tahun upaya ke arah ini, tidak ada sesuatu pun yang efektif dan efisien yang dapat diciptakan dalam mesin piston. Sirkuit piston pada mesin pembakaran internal ternyata sangat menentang gagasan ini dan tidak memungkinkan langkah uap atau fase uap diintegrasikan ke dalam siklus operasi mesin.

Harus dikatakan bahwa menurut hukum dasar termodinamika, yang dirumuskan hampir 200 tahun yang lalu oleh S. Carnot, mesin kalor dengan efisiensi maksimum yang mungkin harus memiliki suhu maksimum gas kerja pada awal siklus operasi, dan a suhu minimum gas kerja pada akhir siklus.
Namun dalam mesin pembakaran internal piston, sistem pendingin mencegah tercapainya suhu gas maksimum pada tahap pertama siklus, dan suhu gas berlebih minimum pada akhir siklus dicegah oleh ketidakmampuan untuk membuat komponen uap menjadi sirkuit mesin. Hasilnya, saat ini kita menggunakan mesin dengan efisiensi termal sekitar 35%, tidak jauh lebih baik dibandingkan 60 atau 70 tahun yang lalu...

Cara untuk menghilangkan kekurangan ini: perlu dibuat desain mesin yang memungkinkan proses pembakaran bahan bakar dilakukan dalam ruang bakar yang diisolasi secara termal (untuk mencapai suhu maksimum pada awal siklus operasi), dan juga memungkinkan masuknya fase uap pada akhir. tahap pengoperasian gas pembakaran panas (untuk mencapai suhu minimum di akhir siklus kerja). Selain itu, desain mesin ini memungkinkan untuk melakukannya tanpa sistem pendingin terpisah dan besar, yang akan “membuang” panas ke lingkungan luar.

Pada saat yang sama, mesin tidak memerlukan pipa knalpot yang besar dan berat, yang pada mesin piston tradisional meredam deru gas buang yang keluar dalam “tembakan” dengan tekanan berlebih 8-10 atmosfer. Karena pada desain yang diusulkan, kelebihan tekanan gas buang akan diminimalkan.

* * *
Kerugian tingkat ketiga– kehilangan daya yang nyata untuk mengatasi gaya gesekan, serta gaya inersia dari massa yang bergerak bolak-balik, serta kerugian untuk menggerakkan mekanisme bantu. Kerugian-kerugian ini didefinisikan sebagai kerugian mekanis. Mereka bergantung pada diagram kinematik mesin. Namun selain rugi-rugi mekanis itu sendiri, diagram kinematik dan desainnya juga mempengaruhi indikator kinerja penting lainnya, yang tidak berhubungan langsung dengan efisiensi: mode dan besarnya torsi.

Tugasnya adalah mendapatkan mesin dengan kerugian mekanis minimal. Ia juga memiliki torsi tinggi yang konstan dengan ukuran mesin itu sendiri yang kecil. Torsi yang tinggi dan stabil memungkinkan Anda melakukannya tanpa sistem yang besar dan rumit kendaraan seperti gearbox. Contohnya adalah transportasi dengan motor listrik dan mesin uap.

Analisis situasi yang tidak menguntungkan saat ini: dalam mesin piston (batang) standar, reaksi batang penghubung (komponen melintang dari reaksi ini relatif terhadap sumbu silinder) terhadap tekanan gas yang bekerja secara konstan menekan piston ke satu sisi silinder, lalu ke sisi lainnya. . Sistem operasi mesin ini memerlukan pelumasan yang konstan pada permukaan yang sangat bergesekan, dan biaya untuk mengatasi gaya gesek tersebut. Selain itu, ketika engkol berputar, proyeksi lengan penghasil torsi ke vektor gerak piston berubah sepanjang waktu dari “nol” ke “maksimum” dan mundur setiap langkah kerja. Mode torsi yang terus berdenyut ini tidak banyak berguna untuk menggerakkan aktuator. Dan hanya pada kecepatan tinggi mesin piston torsi meningkat secara nyata. Namun kecepatan tinggi (sekitar 3-4 ribu rpm) tidak dibutuhkan oleh sebagian besar konsumen. Oleh karena itu, kita harus membuat gearbox yang rumit dan rumit, yang merupakan bagian integral dari mobil, sepeda motor, dll.
  Selain itu, efisiensi mekanis berkurang secara nyata karena hilangnya tenaga mesin untuk menggerakkan mekanisme bantunya - pompa sistem pendingin, kipas pendingin, poros bubungan dan katup timing, generator listrik, dll. perlu mengompresi campuran kerja, dan semakin tinggi rasio kompresi, semakin tinggi pula kerugiannya. Selain itu, hilangnya daya yang nyata dapat disebabkan oleh pengapian yang terlalu dini, ketika mesin dipaksa, pada akhir langkah “kompresi” ke-2, untuk memampatkan produk pembakaran yang mulai mengembang.

Cara untuk menghilangkan kekurangan ini: perlu untuk membuat desain mesin di mana tekanan gas yang bekerja tidak menekan benda kerja utama yang bergerak terhadap benda yang tidak bergerak. Dalam hal ini, mesin harus memiliki desain yang memungkinkannya memiliki lengan torsi yang konstan di seluruh jalur pergerakan bagian kerja utama mesin. Dalam hal ini, pada jalur ini, tekanan gas yang bekerja harus dipertahankan selama mungkin, idealnya diusahakan 100%. Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa pada mesin 4 tak, dari siklus penuh mesin 2 putaran poros, tekanan pada piston hanya bekerja setengah putaran, dan itupun dalam mode transmisi tekanan ini dengan lengan torsi yang tidak stabil.

HASIL:

JADI, mari kita rumuskan syarat-syarat yang dikedepankan oleh pendekatan ilmiah untuk menciptakan mesin dengan efisiensi tinggi:
1) Proses teknologi utama “pembakaran” dan “ekspansi” mesin harus dipisahkan dan dipisahkan untuk diterapkan di ruang teknologi yang berbeda. Dalam hal ini, pembakaran harus terjadi di ruang terkunci, dalam kondisi peningkatan suhu dan peningkatan tekanan.
2) Proses pembakaran harus berlangsung dalam waktu yang cukup dan dalam kondisi udara berlebih. Ini akan memungkinkan pembakaran 100% dari campuran kerja.
3) Volume ruang ekspansi harus jauh lebih besar dari ruang kompresi, minimal 50% Hal ini diperlukan untuk sepenuhnya mentransfer tekanan gas kerja ke kerja ke benda kerja utama.
4) Harus dibuat suatu mekanisme untuk memindahkan suhu tinggi gas buang ke benda kerja utama. Hanya ada satu kemungkinan nyata untuk hal ini - pasokan air untuk mengubah suhu tinggi gas pembakaran menjadi tekanan uap yang dihasilkan.
5) Benda kerja dan seluruh kinematika mesin harus dirancang sedemikian rupa sehingga benda kerja merasakan tekanan gas kerja selama mungkin selama siklus mesin, dan daya ungkit dalam mentransfer gaya tekanan ini. selalu semaksimal mungkin.

Setelah mempelajari dengan cermat persyaratan pendekatan teoretis fisika dan mekanika pada topik pembuatan mesin dengan efisiensi tinggi, ternyata sangat tidak mungkin membuat mesin piston untuk tugas-tugas seperti itu. Mesin pembakaran internal piston tidak memenuhi persyaratan ini. Kesimpulan berikut berasal dari fakta ini: perlu dicari alternatif desain mesin yang lebih efisien selain rangkaian piston. Dan rangkaian yang paling mendekati persyaratan yang diperlukan ternyata adalah rangkaian mesin putar.

Dalam karya saya tentang konsep mesin putar sempurna, saya berangkat dari upaya untuk memperhitungkan, ketika membuat diagram konseptual mesin, kebutuhan untuk menerapkan semua prasyarat teoretis di atas. Saya harap saya berhasil melakukan ini.

PASAL No.2-1

BERPIKIR TENTANG TINGKAT KOMPRESI:
SEMUANYA BAIK DALAM MODERASI

Kita semua terbiasa dengan kenyataan bahwa mesin yang irit dan bertenaga harus memiliki rasio kompresi yang tinggi. Oleh karena itu, pada mobil sport, mesin selalu memiliki rasio kompresi yang tinggi, dan penyetelan mesin (boosting) untuk meningkatkan tenaga mesin standar yang diproduksi secara massal melibatkan, pertama-tama, peningkatan rasio kompresinya.
Oleh karena itu, gagasan tersebut telah menjadi opini publik yang luas - semakin tinggi rasio kompresi mesin, semakin baik, karena hal ini menyebabkan peningkatan tenaga mesin dan peningkatan efisiensinya. Namun - sayangnya, posisi ini hanya sebagian benar, atau lebih tepatnya, tidak lebih dari 50% benar.
Sejarah teknologi memberi tahu kita bahwa ketika mesin pembakaran internal pertama Lenoir (yang beroperasi tanpa kompresi) muncul pada tahun 1860-an, efisiensinya hanya sedikit lebih unggul dibandingkan mesin uap, dan ketika (15 tahun kemudian) mesin pembakaran internal 4-tak Otto muncul. , beroperasi dengan kompresi, efisiensi model seperti itu segera melampaui semua mesin yang ada saat itu dalam hal efisiensi.
Namun kompresi bukanlah proses yang sederhana dan mudah. Selain itu, tidak masuk akal untuk mencapai rasio kompresi yang sangat tinggi, dan secara teknis juga sangat sulit.
Pertama: semakin tinggi rasio kompresi, semakin lama langkah piston di dalam silinder. Akibatnya, kecepatan linier pergerakan piston pada kecepatan tinggi menjadi lebih besar. Akibatnya, semakin besar pula beban bolak-balik inersia yang bekerja pada seluruh elemen mekanisme engkol. Pada saat yang sama, tingkat tekanan di dalam silinder juga meningkat. Oleh karena itu, untuk mesin dengan rasio kompresi tinggi dan langkah yang panjang, seluruh elemen dan bagian mesin harus ditingkatkan kekuatannya, yaitu. tebal dan berat. Inilah sebabnya mengapa mesin diesel tidak pernah kecil dan ringan. Itulah sebabnya mesin diesel kecil belum diciptakan untuk sepeda motor, mesin perahu tempel, pesawat ringan, dll. Inilah sebabnya mengapa mesin mobil standar yang telah mengalami penyetelan serius telah mengalami penyetelan yang serius dan memiliki masa pakai yang singkat.
Kedua: semakin tinggi rasio kompresi, semakin besar risiko ledakan dengan segala konsekuensi destruktifnya. Mengisi bensin berkualitas rendah dapat merusak mesin seperti itu. Baca tentang peledakan di PASAL khusus. Itu. Pada tingkat kompresi tertentu, perlu menggunakan bensin yang semakin mahal dan khusus atau bahan tambahan khusus untuk itu. Pada tahun lima puluhan dan enam puluhan, jalur utama pembangunan mesin, khususnya di AS, adalah meningkatkan rasio kompresi, yang pada awal tahun tujuh puluhan pada mesin Amerika sering kali mencapai 11-13:1. Namun, hal ini membutuhkan bensin yang sesuai dengan angka oktan tinggi, yang pada tahun-tahun itu hanya dapat diperoleh dengan menambahkan timbal tetraetil yang beracun. Pengenalan standar lingkungan hidup di sebagian besar negara pada awal tahun tujuh puluhan menyebabkan terhentinya pertumbuhan dan bahkan penurunan rasio kompresi pada mesin produksi.
Namun, tidak ada gunanya mencapai derajat kompresi semaksimal mungkin. Faktanya adalah efisiensi termal mesin meningkat dengan meningkatnya rasio kompresi, tetapi tidak secara linier, tetapi dengan perlambatan bertahap. Jika rasio kompresi dinaikkan dari 5 menjadi 10 meningkat 1,265 kali lipat, maka dari 10 menjadi 20 hanya meningkat 1,157 kali lipat. Itu. setelah mencapai ambang batas tertentu dalam rasio kompresi, peningkatan lebih lanjut tidak masuk akal, karena perolehannya akan minimal, dan kesulitan yang semakin besar akan sangat besar.

* * * Dengan analisis peluang kerja yang cermat jenis yang berbeda mesin dan mencari cara untuk meningkatkan efisiensinya, ada kemungkinan selain terus meningkatkan rasio kompresi. Dan mereka akan jauh lebih efisien dan berkualitas lebih tinggi daripada peningkatan rasio kompresi yang tinggi.
Pertama, mari kita cari tahu apa sebenarnya manfaat rasio kompresi yang tinggi. Dan dia memberikan yang berikut:
— memberikan panjang pukulan kerja yang tinggi, karena pada mesin piston, langkah kompresi sama dengan langkah ekspansi;
- tekanan kuat pada muatan campuran kerja, di mana molekul oksigen dan bahan bakar bersatu. Hal ini membuat proses pembakaran lebih siap dan
berjalan lebih cepat.

Mengenai posisi pertama, dapat dikemukakan komentar sebagai berikut: Memang, efisiensi mesin diesel sebagian besar disebabkan oleh fakta bahwa mesin tersebut mempunyai langkah kerja yang panjang. Itu. Menambah panjang langkah ekspansi mempunyai dampak yang jauh lebih serius terhadap peningkatan efisiensi dan keekonomian mesin dibandingkan menambah panjang langkah kompresi. Hal ini memungkinkan untuk mendapatkan lebih banyak manfaat dari tekanan gas yang bekerja - gas bekerja untuk menggerakkan piston lebih banyak. Dan jika pada mesin “bensin” diameter piston kira-kira sama dengan panjang langkah kerja, dengan “rasio kompresi” dan “rasio ekspansi” yang sesuai, yang terikat pada panjang langkah piston, maka pada mesin diesel parameter ini adalah terasa lebih besar. Pada mesin diesel kecepatan rendah klasik, langkah piston 15-30% lebih besar dari diameter piston. Pada mesin diesel kelautan, perbedaan ini menjadi sangat mencolok. Misalnya, mesin diesel besar 14 silinder untuk supertanker yang diproduksi oleh perusahaan Finlandia Wartsila, dengan kapasitas 25.480 liter dan tenaga 108.920 hp. pada 102 rpm, diameter silinder 960 mm, dan langkah piston 2500 mm.

Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa mesin diesel kelautan tersebut menggunakan bahan bakar minyak mentah, yang dapat menahan rasio kompresi yang sangat tinggi dengan langkah piston yang begitu besar.

Namun peningkatan rasio kompresi juga memiliki sisi yang tidak menyenangkan - hal ini memerlukan penggunaan bensin beroktan tinggi yang mahal, peningkatan bobot mesin, serta pengeluaran tenaga mesin yang cukup besar untuk proses kompresi yang kuat.
Mari kita coba mencari tahu apakah mungkin untuk mencapai efek serupa atau bahkan lebih besar dalam meningkatkan tenaga dan meningkatkan efisiensi mesin dengan cara lain, mis. tanpa meningkatkan derajat kompresi secara berlebihan seiring dengan peningkatan negativitas yang melekat pada proses tersebut. Ternyata jalan seperti itu mungkin saja terjadi. Itu. Semua aspek positif dari peningkatan rasio kompresi dapat diperoleh dengan cara lain dan tanpa kesulitan yang melekat dalam meningkatkan rasio kompresi.

Pertimbangan posisi pertama – panjang langkah kerja yang panjang. Hal utama untuk efisiensi adalah langkah kerja yang panjang sehingga semua gas yang bekerja mentransfer tekanan maksimum ke piston. Dan pada mesin piston, langkah kerja sama dengan panjang langkah kompresi. Dengan demikian menjadi kuatnya pendapat bahwa yang terpenting adalah derajat kompresi, dan bukan derajat ekspansi. Meskipun pada mesin piston nilai-nilai tersebut sama. Oleh karena itu, memisahkan mereka tidak masuk akal.

Namun idealnya, lebih baik membuat panjang guratan ini berbeda. Karena peningkatan langkah kompresi menyebabkan banyak konsekuensi yang tidak menyenangkan, lakukanlah secara moderat. Namun arah ekspansi, yang bertanggung jawab atas keekonomian dan efisiensi maksimum, harus dibuat sebesar mungkin. Namun dalam mesin piston hal ini hampir tidak mungkin dilakukan (atau sangat sulit dan rumit untuk dilakukan - misalnya, mesin Kushul). Namun ada banyak desain mesin putar yang memungkinkan Anda melakukannya tenaga kerja khusus menyelesaikan dilema ini. Itu. kemampuan mesin untuk memiliki rasio kompresi sedang dan pada saat yang sama panjang langkah yang signifikan.

Pertimbangan posisi kedua – aktivasi dan efisiensi tinggi dari proses pembakaran bahan bakar. Kecepatan dan kelengkapannya tinggi. Ini merupakan syarat penting untuk kualitas dan efisiensi pengoperasian mesin. Namun ternyata rasio kompresi (memberikan tekanan tinggi) bukan satu-satunya, bahkan bukan yang terbanyak jalan terbaik mencapai hasil seperti itu.

Di sini saya izinkan diri saya mengutip dari sebuah buku akademis tentang teori mesin untuk universitas-universitas pada masa Soviet: “Automobile Engines,” ed. M.S.Hovaha. Moskow, “Teknik Mesin”, 1967.
Seperti dapat dilihat dari kutipan di atas, kualitas dan laju pembakaran lebih bergantung pada suhu pembakaran, dan sedikit bergantung pada tekanan. Itu. jika dimungkinkan untuk memastikan suhu media pembakaran yang sangat tinggi, maka efisiensi pembakaran akan maksimal, dan kebutuhan akan tekanan yang sangat tinggi sebelum proses pembakaran (dalam rasio kompresi) akan hilang.

Dari semua pendekatan teoretis yang dijelaskan di atas, satu kesimpulan dapat ditarik - mesin bertenaga dengan efisiensi tinggi dapat bertahan tanpa rasio kompresi yang tinggi, dengan segala kesulitan yang melekat di dalamnya. Untuk melakukan ini, rasio ekspansi dalam mesin harus jauh lebih tinggi daripada rasio kompresi, dan pembakaran muatan campuran kerja yang baru harus terjadi di ruang bakar yang sangat panas. Dalam hal ini, selama proses pembakaran, tekanan dan suhu harus meningkat karena peningkatan alaminya akibat energi proses pembakaran. Itu. Ruang bakar harus tertutup rapat dan tidak berubah volumenya selama proses pembakaran. Oleh karena itu: tidak boleh ada peningkatan cepat dalam volume ruang bakar - dengan penurunan tekanan dan suhu yang sesuai (seperti yang terjadi pada mesin piston).
Ngomong-ngomong, selama pembakaran campuran bahan bakar, tekanan di ruang bakar terkunci dengan volume konstan akan meningkat, yaitu. porsi bahan bakar yang terbakar pada “seri kedua” (lebih dari 60% massa muatan) akan terbakar pada suhu rasio kompresi yang sangat tinggi (tekanan sekitar 100 atm.), tekanan yang akan dihasilkan oleh pembakaran bagian pertama bahan bakar. Di sini perlu dicatat bahwa tekanan pada akhir langkah kompresi, bahkan untuk mesin diesel (pemecah rekor efisiensi saat ini) tidak lebih dari 45-50 atm.
Namun kedua kondisi tersebut di atas tidak mungkin dapat dipenuhi dan dipastikan pada mesin piston dengan mekanisme engkol. Itulah sebabnya mesin piston beroperasi pada rasio kompresi yang tinggi, dengan segala kesulitan yang timbul, dan belum mampu mengatasi tingkat efisiensi 40% selama hampir 100 tahun.

Inti dari artikel ini adalah ini: – mesin berdaya tinggi yang sangat efisien dengan efisiensi tinggi dapat memiliki rasio kompresi sedang jika memiliki langkah ekspansi yang jauh lebih besar daripada langkah kompresi. Dan pembakaran campuran kerja akan terjadi dalam ruangan yang terkunci selama pembakaran dan tidak didinginkan (proses adiabatik isokorik) dengan meningkatnya suhu dan tekanan dari energi proses pembakaran itu sendiri.
Tidak mungkin membuat desain seperti itu dalam kerangka ide mesin piston, tetapi di bidang ide mesin putar sangat mungkin untuk membuat desain seperti itu. Inilah yang dilakukan oleh penulis teks ini dan situs ini.

PASAL No.2-2

REFLEKSI TINGKAT KOMPRESI-2:
MELIHAT SEJARAH

26/01/13

Pada bagian pertama artikel, saya menunjukkan bahwa peningkatan rasio kompresi secara terus-menerus pada mesin piston dengan mekanisme engkol adalah satu-satunya cara untuk sedikit meningkatkan efisiensi mesin, dan memiliki batasan yang jelas pada kemampuannya. Pada rasio kompresi mendekati 16, Campuran Kerja dengan uap bensin bahkan beroktan 100 mulai terbakar dalam mode detonasi, dan bagian-bagian mesin serta bodi menjadi sangat besar dan berdinding tebal (seperti pada mesin diesel) untuk menahan peningkatan tekanan dan beban inersia yang besar. Tetapi kekuatan yang sangat besar pembakaran detonasi bahkan menghancurkan bagian yang besar dan masif dengan sangat cepat.

Namun ada cara lain untuk meningkatkan efisiensi mesin, yaitu:
A) - meningkatkan suhu pembakaran Campuran Kerja (suhu di ruang bakar) untuk mencapai pembakaran uap bensin yang sempurna dan cepat. Dalam hal ini, jumlah panas maksimum yang dilepaskan dan Fluida Kerja akan memberi tekanan lebih besar pada piston - mis. melakukan banyak pekerjaan.
Mesin piston dengan mekanisme batang penghubung engkol dan proses gabungan “pembakaran-ekspansi” (langkah ke-3) tidak dapat mengikuti jalur ini, karena oli (melumasi dinding pasangan kinematik “silinder piston”) pada suhu 220 derajat sudah mulai hangus dan berhenti melumasi. Itulah sebabnya silinder mesin dan piston harus didinginkan, dan ini menyebabkan penurunan tajam efisiensi termal mesin.
B) – peningkatan volume (derajat) pemuaian Benda Kerja (panjang langkah pemuaian) untuk pemuaian penuh gas-gas Benda Kerja. Ini akan memanfaatkan tekanan berlebih mereka sepenuhnya. Pada mesin piston modern, gas dengan tekanan 5-8 atmosfer habis, yang merupakan kerugian yang signifikan. Padahal tekanan efektif rata-rata mesin piston hanya 10 atmosfer. Kecilnya panjang langkah kerja mesin piston dengan mekanisme engkol (crankmechanism) mencegah peningkatan nilai “reaksi” tekanan tersebut.
Jika derajat pemuaian gas-gas Fluida Kerja di dalam mesin ditingkatkan, maka efisiensinya akan meningkat secara signifikan tanpa perlu meningkatkan rasio kompresi.

Mesin pembakaran internal pertama dalam sejarah adalah mesin Lenoir. 1860

Jadi, topik artikel ini: untuk meningkatkan efisiensi, adalah mungkin dan perlu untuk meningkatkan derajat pemuaian Badan Kerja (gas kerja) tanpa meningkatkan rasio kompresi. Hal ini akan menghasilkan peningkatan efisiensi mesin yang signifikan. Mari kita buktikan kemungkinan tersebut dalam artikel ini.

Yang optimal, Anda perlu memiliki: tingkat kompresi bisa sangat kecil - sekitar 3 kali, ini sesuai dengan tekanan dalam muatan Campuran Kerja terkompresi sebesar 4 atmosfer, tetapi tingkat ekspansi (panjang langkah kerja garis) harus melebihi tingkat kompresi kecil ini sekitar 6-8 kali.
Rumusan pertanyaan ini mungkin tampak aneh dan tidak masuk akal bagi semua ahli desain mesin tradisional yang terbiasa dengan rasio kompresi tinggi pada mesin piston. Namun justru keadaan paradoks dalam kenyataan inilah yang dibuktikan dengan studi yang cermat terhadap desain mesin pembakaran internal yang dibuat dan dioperasikan pada awal kemunculan mesin tersebut, yaitu. di era penciptaan mesin pembakaran internal pertama.

Jadi, kesalahpahaman pertama, yang memperkuat mitos tentang perlunya menciptakan rasio kompresi yang tinggi pada mesin, dibenarkan oleh fakta bahwa mesin pembakaran internal pertama, yang diciptakan 150 tahun yang lalu, tidak melakukan pra-kompresi. Campuran Kerja sebelum dinyalakan dan oleh karena itu memiliki efisiensi yang sangat sedikit - hampir sama dengan mesin uap primitif.
Memang, mesin pembakaran internal operasional pertama yang dirancang oleh Jean Lenoir (dipatenkan pada tahun 1859) tidak memiliki pra-kompresi Campuran Kerja dan dioperasikan dengan efisiensi 4%. Hanya 4% yang sama dengan mesin uap yang rakus dan besar pada masa itu.
Namun sampel pertama mesin 4 tak oleh Nikolaus Otto, dibuat pada tahun 1877, bekerja dengan kompresi awal Campuran Kerja dan selama pengoperasian menunjukkan efisiensi sebesar 22 persen, yang merupakan pencapaian fenomenal pada saat itu. Pada saat yang sama, rasio kompresi dan rasio ekspansi (seperti semua mesin pembakaran internal piston dengan poros engkol) sama satu sama lain.
Berdasarkan data ini:
- Efisiensi mesin Lenoir tanpa kompresi - 4%;
— Efisiensi mesin Otto dengan kompresi – 22%;
kesimpulan sederhana dan jelas diambil - mesin yang beroperasi dengan kompresi awal Campuran Kerja beroperasi dalam mode yang secara fundamental lebih efisien, dan semakin tinggi rasio kompresi, semakin baik. Selama 140 tahun terakhir, kesimpulan ini bersifat disangkal, dan selama 100 tahun terakhir, pengembangan mesin telah bergerak menuju peningkatan nilai rasio kompresi, yang saat ini telah mencapai nilai batasnya.

TAPI dalam penyajian informasi ini ada satu TAPI besar...
Ternyata Nikolaus Otto yang sama, sebelum menciptakan mesin 4 taknya yang terkenal dengan kompresi pada tahun 1877, sedikit lebih awal - pada tahun 1864, ia menciptakan, memproduksi, dan berhasil menjual ratusan penemuannya yang lain - mesin pembakaran internal atmosferik yang beroperasi tanpa kompresi. kompresi awal. Efisiensi mesin ini adalah 15%... Efisiensi tinggi seperti itu tidak sesuai dengan teori bahwa pra-kompresi yang kuat dari Campuran Kerja mutlak diperlukan untuk mencapai efisiensi mesin yang signifikan.
Ada yang salah dalam topik ini, ada yang kurang untuk memahami fakta yang sangat penting, dan saya memutuskan untuk mempelajari situasi ini. Dan inilah kesimpulan yang saya dapatkan:
- benar-benar buruk - sedikit - efisiensi mesin Lenoir diperoleh karena memang benar TINGKAT EKSPANSI yang sangat kecil gas kerja;
- dan mesin atmosferik Otto, yang beroperasi tanpa kompresi, memiliki efisiensi yang sangat baik sebesar 15% dari kenyataan yang dimilikinya TINGKAT EKSPANSI yang sangat tinggi gas kerja;
Benar, mesin Otto ini memiliki torsi yang sangat buruk dan mode putaran poros utama yang sangat tidak merata, sehingga dengan cepat digantikan oleh mesin 4 tak. Namun nilai efisiensinya sangat baik.

Mari kita lihat lebih dekat dimensi bagian kerja mesin Lenoir dan buat beberapa perhitungan kasar. Diameter piston 120 mm dan langkah piston 100 mm. Deskripsi mesin pada masa itu menyimpan data bahwa jarak kira-kira setengah panjang “garis ekspansi” dialokasikan untuk penghisapan gas dan udara. Kemudian katup suplai menutup dan lilin listrik menyala. Itu. kurang dari setengah panjang langkah kerja yang tersisa untuk proses ekspansi, atau lebih tepatnya untuk proses gabungan “pembakaran-ekspansi”... Percikan menyulut campuran gas dan udara, terjadi kilatan cahaya, suhu dan tekanan gas di dalam silinder meningkat tajam dan tekanan kerja mendorong piston lebih jauh. Tekanan gas operasi puncak maksimum pada piston adalah 5 atmosfer. Tetapi kita harus memahami bahwa Campuran Kerja dinyalakan dalam kondisi penurunan tekanan yang semakin dalam - lagi pula, piston terus bergerak, menciptakan ruang hampa di bawah tekanan atmosfir... Dalam kondisi seperti itu, hanya campuran yang sangat “kaya”, jenuh dengan gas, dapat tersulut. Oleh karena itu, pembakaran dalam mode ini sangat tidak sempurna, dan bahkan produk pembakaran hampir tidak dapat mengembang sepenuhnya - lagipula, panjang langkah kerja sangat pendek. Itu. untuk piston dengan diameter 120 mm. panjang langkah kerja kurang dari 50 mm. Kita dapat dengan aman berasumsi bahwa gas buang bertekanan sangat tinggi, dan bahkan terlalu jenuh dengan gas penerangan yang tidak terbakar. Oleh karena itu, mesin dengan parameter tersebut hanya memiliki tenaga 0,5 daya kuda pada kecepatan putaran poros 120-140 rpm Jadi - kita lihat mesin Lenoir. Mesin ini beroperasi pada siklus 2 tak. Awalnya, sepanjang garis langkah kerja, piston menarik gas dan udara yang menerangi (Campuran Kerja). Katup suplai kemudian ditutup. Busi listrik mengeluarkan percikan - dan Campuran Kerja menyala, dan gas panas bertekanan tinggi mendorong piston lebih jauh. Kemudian, pada langkah mundur, piston mendorong hasil pembakaran keluar silinder, dan kemudian semuanya terulang kembali.
Itu. dalam satu siklus kerja - pada "jalur ekspansi" - TIGA proses kerja digabungkan:
— pemasukan Campuran Kerja;
— pembakaran Campuran Kerja;
— perluasan Badan Kerja;

KESIMPULAN- mesin Lenoir memiliki efisiensi yang rendah dan daya yang rendah terutama karena panjangnya langkah kerja yang sangat pendek (ketika gas yang bekerja tidak memiliki kesempatan untuk bekerja) dan pengaturan proses kerja yang sangat tidak efisien, ketika sangat Campuran Kerja yang “kaya” dinyalakan pada tekanan yang jauh lebih rendah daripada tekanan atmosfer dalam kondisi ekspansi volume aktif. Itu. mesin ini seharusnya ditetapkan sebagai mesin yang beroperasi dengan PRA-EKSPANSI (vakum) Campuran Kerja….

BERIKUTNYA - mari kita lihat diagram pengoperasian mesin lain yang beroperasi tanpa kompresi awal Campuran Kerja, tetapi memiliki efisiensi 15%. Ini adalah mesin Otto yang disedot secara alami dari tahun 1864. Itu adalah mesin yang sangat tidak biasa. Dalam kinematikanya, ia tampak seperti sesuatu yang sangat jelek dan tidak cocok untuk bekerja, tetapi dengan skema kinematik yang “kikuk”, ia beroperasi sesuai dengan skema yang sangat rasional dalam mengatur proses kerja dan oleh karena itu memiliki efisiensi 15%.
Silinder mesin ini dipasang secara vertikal dan piston mesin digerakkan ke atas dan ke bawah. Selain itu, mesin ini tidak memiliki poros engkol, dan pistonnya memiliki rak bergigi sangat panjang yang mengarah ke atas, yang menghubungkan giginya dengan roda gigi dan memutarnya.

Mesin atmosfer Otto model 1864. Di sebelah kanan foto terdapat piston dengan rak bergigi panjang, yang memberikan gambaran panjang langkah kerja. Pada saat yang sama, ketika Campuran Kerja meledak di bawah piston, dan piston langsung terbang, roda gigi menjadi idle, karena mekanisme khusus memutusnya dari roda gila mesin. Kemudian, ketika piston dan rak mencapai titik paling atas, dan tekanan gas yang bekerja di dalam piston berhenti bekerja, piston dan rak, karena beratnya sendiri, mulai bergerak ke bawah. Pada saat ini, roda gigi dipasang pada poros roda gila, dan langkah kerja dimulai. Oleh karena itu, mesin bekerja dengan impuls yang tersentak-sentak dan memiliki rezim torsi yang sangat buruk. Mesinnya juga memiliki tenaga yang rendah, karena gaya tersebut hanya diciptakan oleh berat piston dan rak (yaitu gravitasi yang bekerja), serta tekanan. udara atmosfer, ketika gas didinginkan dan piston terangkat menciptakan ruang hampa di dalam silinder. Itulah sebabnya mesin disebut atmosfer, karena di dalamnya, bersama dengan gaya gravitasi, gaya tekanan atmosfer juga bekerja.

Namun di sisi lain, proses kerja diatur dengan sangat sukses dalam desain mesin ini.
Mari kita lihat bagaimana proses kerja pada mesin ini diatur dan dioperasikan.
Awalnya, mekanisme khusus menaikkan piston hingga 1/10 tinggi silinder, akibatnya terbentuk ruang yang dijernihkan di bawah piston dan campuran udara dan gas tersedot ke dalamnya. Lalu pistonnya berhenti. Campuran tersebut kemudian dinyalakan dengan api terbuka melalui tabung khusus. Ketika gas yang mudah terbakar meledak, tekanan di bawah piston tiba-tiba naik hingga 4 atm. Tindakan ini melemparkan piston ke atas, volume gas di dalam silinder meningkat dan tekanan di bawahnya turun, karena volume internal piston tidak ada hubungannya dengan atmosfer dan pada saat itu tertutup rapat. Ketika piston terlempar karena ledakan, mekanisme khusus memutuskan rak dari poros. Piston, pertama di bawah tekanan gas, dan kemudian karena inersia, naik hingga tercipta ruang hampa yang signifikan di bawahnya. Dalam hal ini, langkah kerja menjadi panjang maksimum, dan berlanjut hingga seluruh energi bahan bakar yang terbakar (dalam bentuk kelebihan tekanan Fluida Kerja) habis seluruhnya untuk mengangkat piston. Perlu diketahui bahwa foto mesin menunjukkan bahwa panjang langkah tenaga (tinggi silinder) berkali-kali lipat lebih besar dari diameter piston. Ini adalah berapa lama pukulan kerjanya. Sedangkan pada mesin piston modern diameter piston kira-kira sama dengan langkah kerja. Hanya pada mesin diesel - juara efisiensi modern ini - langkahnya kira-kira 20-30 persen lebih besar dari diameter silinder. Dan di sini - 6 atau bahkan 8 kali lebih banyak...
Selanjutnya, piston bergerak ke bawah dan langkah kerja piston dimulai di bawah beban beratnya sendiri dan di bawah pengaruh tekanan atmosfer. Setelah tekanan gas yang dikompresi di dalam silinder pada jalur ke bawah piston mencapai tekanan atmosfer, katup buang terbuka dan piston, dengan massanya, menggantikan gas buang. Selama ini rak bergigi panjang sedang memutar roda gigi yang dihubungkan dengan poros ke roda gila. Beginilah tenaga mesin dihasilkan. Setelah piston kembali ke titik terendah lintasan pergerakan, semuanya terulang kembali - mekanisme khusus mengangkatnya dengan mulus dan sebagian baru Campuran Kerja disedot ke dalamnya.

Ada fitur lain yang berkontribusi pada peningkatan efisiensi yang nyata. Fitur ini tidak ditemukan pada mesin Lenoir, juga tidak terdapat pada mesin 2 dan 4 tak modern.Dalam desain mesin yang tidak biasa ini, karena pemuaian yang sangat lengkap dari Cairan Kerja yang dipanaskan, efisiensi mesin ini meningkat secara signifikan. lebih tinggi dari efisiensi mesin Lenoir sehingga mencapai 15%. Selain itu, penyalaan campuran kerja pada mesin atmosfer Otto terjadi pada tekanan atmosfer, sedangkan pada mesin Lenoir proses ini terjadi pada kondisi penghalusan yang semakin meningkat, yaitu. dalam kondisi peningkatan gaya penurunan tekanan, ketika tekanannya terasa lebih kecil dari tekanan atmosfer.
Perlu juga dikatakan bahwa saat ini, tiang pancang - palu diesel - beroperasi berdasarkan prinsip yang mirip dengan mesin ini. Benar, pasokan dan penyalaan bahan bakar di dalamnya diatur secara berbeda, tetapi diagram prinsip umum pergerakan elemen kerja adalah sama.

Dalam mesin atmosferik Otto, pada saat Campuran Kerja dinyalakan, piston berhenti, dan ketika bagian pertama bahan bakar terbakar, peningkatan tekanan tercipta dalam volume pembakaran, yaitu. bagian bahan bakar yang terbakar pada tahap kedua, ketiga dan selanjutnya - mereka terbakar dalam kondisi tekanan yang meningkat, yaitu. kompresi Campuran Kerja terjadi karena peningkatan tekanan dari flash dan pelepasan panas dari bagian pertama muatan pembakaran. Pada saat yang sama, inersia sistem yang menekan gas yang terbakar dari atas - piston, rak yang panjang dan tekanan atmosfer, menciptakan resistensi yang kuat terhadap dorongan pertama gerakan ke atas, yang menyebabkan peningkatan tekanan yang nyata dalam pembakaran. lingkungan gas. Itu. dalam mesin Otto di atmosfer, pembakaran Campuran Kerja terjadi dalam kondisi kompresi tajam dari volume utama bagian muatan gas yang mudah terbakar yang belum mulai terbakar. Meski tidak ada kompresi awal oleh piston. Kompresi aktual dari sejumlah besar sebagian besar uap bahan bakar yang muncul selama pembakaran muatan Campuran Kerja (bersama dengan langkah kerja yang panjang) inilah yang berperan dalam efisiensi signifikan mesin atmosfer Otto model 1864.

Tetapi mesin piston modern, seperti mesin Lenoir 150 tahun yang lalu, dipaksa untuk menyalakan muatan baru dari Campuran Kerja dalam kondisi volume yang meningkat tajam, ketika piston (dan digerakkan dengan sangat kuat oleh batang penghubung dan poros engkol) bekerja mati-matian. menjauh dari bagian bawah silinder dan memperluas volume "ruang pembakaran". Sebagai referensi, kecepatan gerak piston pada mesin modern adalah 10-20 meter per detik, dan kecepatan rambat muka api dalam muatan uap bahan bakar yang sangat terkompresi adalah 20-35 meter per detik. Namun dalam mesin modern, untuk menghilangkan situasi yang tidak menyenangkan ini, Anda dapat mencoba menyalakan muatan Campuran Kerja "lebih awal" - mis. hingga piston yang bergerak mencapai Titik Mati Atas (TMA) pada garis selesai langkah sebelumnya, atau pada posisi dekat titik tersebut. Namun pada mesin Lenoir hal ini tidak mungkin dilakukan, karena setelah piston mencapai TMA, proses penghisapan sebagian gas dan udara yang mudah terbakar dimulai, dan penyalaannya hanya dapat dilakukan dalam kondisi volume “ruang bakar” yang meningkat tajam. dan penurunan tekanan yang tajam pada bagian segar Campuran Kerja di bawah tekanan atmosfer. Itulah sebabnya mesin Lenoir mempunyai efisiensi yang sangat rendah.

Dapat diasumsikan bahwa jika mesin Otto yang disedot secara alami memiliki penyalaan bunga api listrik (seperti mesin Lenoir sebelumnya), maka efisiensinya dapat mendekati 20%. Faktanya adalah ketika muatan Campuran Kerja di dalam silinder dinyalakan dengan nyala api terbuka melalui tabung khusus selama kilatan, sebagian muatan yang terbakar terbang ke atmosfer melalui tabung ini dan ini merupakan kerugian yang nyata... Jika kerugian seperti itu dapat dihilangkan, maka efisiensi mesin ini jelas akan lebih tinggi.
Namun Otto tidak memiliki pengetahuan di bidang teknik kelistrikan (seperti Lenoir), sehingga ia memasang sistem pengapian yang primitif sehingga mengurangi efisiensi pada mesin natural aspirated miliknya.

KESIMPULAN dari artikel ini adalah sebagai berikut:

1) – pendapat yang sudah mapan tentang kemungkinan mencapai efisiensi mesin yang sangat tinggi terutama karena tingkat maksimum yang mungkin pra-kompresi Campuran Kerja hanya berlaku untuk desain mesin piston , di mana piston yang bergerak cepat dari "bawah" silinder menuju poros engkol (karena penggerak paksa dari poros engkol) dengan kecepatan yang sangat besar memperluas volume "ruang pembakaran" dan mengurangi tekanan bahan bakar (dan juga pembakaran) biaya Campuran Kerja. Pada mesin piston Lenoir, yang beroperasi tanpa kompresi awal Campuran Kerja, kelemahan mesin piston ini sangat menonjol. Hal ini menyebabkan efisiensinya sangat rendah.
Dalam semua jenis mesin piston modern, untuk menghilangkan cacat desain "generik" dalam pengorganisasian proses kerja ini, tingkat kompresi awal yang sangat tinggi digunakan secara tepat untuk memaksa muatan baru dari Campuran Kerja terbakar pada suhu yang cukup tinggi. tekanan dan suhu (meskipun terjadi peningkatan cepat dalam volume ruang bakar dan penurunan tekanan yang sesuai di ruang ini), yang merupakan kunci pembakaran yang relatif sempurna dari muatan Campuran Kerja dan terciptanya Cairan Kerja bertekanan tinggi dan suhu tinggi.
2) – dalam sejarah teknologi, terdapat desain mesin dengan skema kinematik lain dan cara pengorganisasian proses kerja yang berbeda, di mana bahkan tanpa kompresi awal yang kuat dari muatan baru Campuran Kerja, nilai efisiensi yang baik dapat dicapai bahkan dengan desain yang sangat primitif. Contohnya adalah mesin atmosferik Otto model 1864, dengan efisiensi 15%.
3) – dimungkinkan untuk membuat mesin pembakaran internal yang sangat efisien di mana proses pembakaran muatan baru dari Campuran Kerja dan pembuatan Fluida Kerja dengan parameter tinggi akan terjadi melalui kompresi alami dari muatan pembakaran disebabkan oleh gaya pembakaran itu sendiri dalam kondisi ruang bakar dengan volume konstan. Selain itu, proses prakompresi hingga nilai tinggi (20-30 atmosfer), yang merupakan ciri khas mesin piston modern, memerlukan pengeluaran energi mesin yang besar dan penggunaan suku cadang yang masif, besar, dan berat.
Dalam hal ini, kontribusi utama untuk mencapai efisiensi tinggi akan diberikan oleh parameter volume ekspansi yang besar (langkah kerja yang panjang), yang akan jauh lebih besar daripada volume kompresi.

INI PERSIS MESINNYA, yang tidak memerlukan Pra-Kompresi yang mahal dan rumit dari muatan baru Campuran Kerja yang bernilai tinggi, itulah yang sedang dibuat oleh penulis artikel ini. Pada mesin ini, kompresi pendahuluan akan dilakukan hingga nilai yang rendah, dan kompresi utama muatan Campuran Kerja di ruang bakar dengan volume konstan akan terjadi karena gaya pembakaran tahap pertama itu sendiri. Idealnya, ini adalah pembakaran detonasi: ledakan - ledakan. Selanjutnya, Fluida Kerja Bertekanan Tinggi akan mengalami ekspansi hingga akhir kapasitasnya pada sektor ekspansi volume besar.

Isi:

Dalam proses perpindahan muatan dalam suatu rangkaian tertutup, sejumlah kerja tertentu dilakukan oleh sumber arus. Semoga bermanfaat dan lengkap. Dalam kasus pertama, sumber arus menggerakkan muatan di sirkuit eksternal sambil melakukan kerja, dan dalam kasus kedua, muatan bergerak ke seluruh rangkaian. Dalam proses ini sangat penting memiliki efisiensi sumber arus, yang didefinisikan sebagai rasio resistansi eksternal dan resistansi total rangkaian. Jika hambatan dalam sumber dan hambatan luar beban sama, separuh daya total akan hilang pada sumber itu sendiri, dan separuh lainnya akan dilepaskan pada beban. Dalam hal ini, efisiensinya akan menjadi 0,5 atau 50%.

Efisiensi rangkaian listrik

Faktor efisiensi yang dipertimbangkan terutama dikaitkan dengan besaran fisis yang mencirikan kecepatan konversi atau transmisi listrik. Diantaranya, daya, diukur dalam watt, adalah yang utama. Ada beberapa rumus untuk menentukannya: P = U x I = U2/R = I2 x R.

Di sirkuit listrik mungkin ada arti yang berbeda tegangan dan jumlah muatan masing-masing, dan pekerjaan yang dilakukan juga berbeda dalam setiap kasus. Seringkali ada kebutuhan untuk memperkirakan kecepatan transmisi atau konversi listrik. Kecepatan ini mewakili daya listrik yang berhubungan dengan usaha yang dilakukan dalam satuan waktu tertentu. Dalam bentuk rumus, parameter ini akan terlihat seperti ini: P=A/∆t. Oleh karena itu, usaha ditampilkan sebagai hasil kali daya dan waktu: A=P∙∆t. Satuan kerja yang digunakan adalah .

Untuk menentukan seberapa efisien suatu perangkat, mesin, rangkaian listrik, atau sistem serupa lainnya dalam kaitannya dengan daya dan pengoperasian, digunakan efisiensi. Nilai ini didefinisikan sebagai rasio energi berguna yang dikeluarkan dengan jumlah total energi yang masuk ke sistem. Efisiensi dilambangkan dengan simbol η, dan didefinisikan secara matematis dengan rumus: η = A/Q x 100% = [J]/[J] x 100% = [%], dimana A adalah usaha yang dilakukan oleh konsumen , Q adalah energi yang diberikan oleh sumber . Sesuai dengan hukum kekekalan energi, nilai efisiensi selalu sama atau di bawah satu. Artinya pekerjaan yang bermanfaat tidak dapat melebihi jumlah energi yang dikeluarkan untuk mencapainya.

Dengan cara ini, kehilangan daya pada sistem atau perangkat apa pun, serta tingkat kegunaannya, dapat ditentukan. Misalnya, pada konduktor, rugi-rugi daya terjadi ketika sebagian arus listrik diubah menjadi energi panas. Besarnya rugi-rugi ini bergantung pada resistansi konduktor, namun sebenarnya tidak bagian yang tidak terpisahkan pekerjaan yang bermanfaat.

Terdapat perbedaan yang dinyatakan dengan rumus ∆Q=A-Q yang secara jelas menunjukkan rugi-rugi daya. Di sini hubungan antara peningkatan rugi-rugi daya dan hambatan penghantar terlihat sangat jelas. Contoh paling mencolok adalah lampu pijar, yang efisiensinya tidak melebihi 15%. Sisanya 85% daya diubah menjadi termal, yaitu radiasi infra merah.

Berapa efisiensi sumber arus

Efisiensi yang dipertimbangkan dari seluruh rangkaian listrik memungkinkan kita untuk lebih memahami esensi fisik Efisiensi suatu sumber arus yang rumusnya juga terdiri dari berbagai besaran.

Dalam proses perpindahan muatan listrik sepanjang rangkaian listrik tertutup, sejumlah kerja tertentu dilakukan oleh sumber arus, yang dibedakan sebagai berguna dan lengkap. Saat melakukan pekerjaan yang bermanfaat, sumber arus memindahkan muatan di sirkuit eksternal. Ketika beroperasi penuh, muatan, di bawah pengaruh sumber arus, bergerak ke seluruh rangkaian.

Mereka ditampilkan sebagai rumus sebagai berikut:

• Pekerjaan yang bermanfaat - Apolez = qU = IUt = I2Rt.
• Usaha total - Jumlah = qε = Iεt = I2(R +r)t.

Berdasarkan hal ini, kita dapat memperoleh rumus daya berguna dan daya total dari sumber arus:

• Kekuatan yang berguna - Puse = Apole /t = IU = I2R.
• Daya total - Ppenuh = Apenuh/t = Iε = I2(R + r).

Sebagai akibat, rumus efisiensi sumber saat ini mengambil bentuk berikut:

• η = Apole/Atol = Puse/Ptot = U/ε = R/(R + r).

Daya berguna maksimum dicapai pada nilai resistansi rangkaian eksternal tertentu, tergantung pada karakteristik sumber arus dan beban. Namun, perhatian harus diberikan pada ketidaksesuaian antara daya bersih maksimum dan efisiensi maksimum.

Studi daya dan efisiensi sumber arus

Efisiensi suatu sumber arus bergantung pada banyak faktor yang harus dipertimbangkan dalam urutan tertentu.

Untuk menentukannya, sesuai dengan hukum Ohm, digunakan persamaan berikut: i = E/(R + r), di mana E adalah gaya gerak listrik sumber arus, dan r adalah resistansi internalnya. Ini adalah nilai konstan yang tidak bergantung pada resistansi variabel R. Dengan menggunakannya, Anda dapat menentukan daya berguna yang dikonsumsi oleh rangkaian listrik:

• W1 = i x U = i2 x R. Disini R adalah hambatan konsumen listrik, i adalah arus dalam rangkaian, ditentukan oleh persamaan sebelumnya.

Oleh karena itu, nilai pangkat dengan menggunakan variabel akhir akan ditampilkan sebagai: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Karena merupakan variabel perantara, dalam hal ini fungsi W1(R) dapat dianalisis ekstremnya. Untuk itu perlu ditentukan nilai R dimana nilai turunan pertama daya berguna yang dihubungkan dengan resistansi variabel (R) akan sama dengan nol: dW1/dR = E2 x [(R + r )2 - 2 x R x (R + r) ] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r )4 (R + r)3

Dari rumus tersebut dapat disimpulkan bahwa nilai turunannya dapat bernilai nol hanya dengan satu syarat: hambatan penerima listrik (R) dari sumber arus harus mencapai nilai hambatan dalam sumber itu sendiri (R => r ). Dalam kondisi ini, nilai faktor efisiensi η akan ditentukan sebagai rasio daya berguna dan daya total sumber arus - W1/W2. Karena pada titik daya berguna maksimum, hambatan konsumen energi sumber arus akan sama dengan hambatan dalam sumber arus itu sendiri, dalam hal ini efisiensinya adalah 0,5 atau 50%.

Masalah daya dan efisiensi saat ini

Informasi teoritis dasar

Pekerjaan mekanis

Ciri-ciri energi gerak diperkenalkan berdasarkan konsep kerja mekanis atau kerja paksa. Usaha yang dilakukan dengan gaya yang konstan F, ditelepon kuantitas fisik, sama dengan hasil kali modul gaya dan perpindahan dikalikan kosinus sudut antara vektor gaya F dan gerakan S:

Usaha merupakan besaran skalar. Bisa positif (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). Pada α = 90° usaha yang dilakukan gaya adalah nol. Dalam sistem SI, usaha diukur dalam joule (J). Satu joule sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 newton untuk bergerak sejauh 1 meter searah gaya tersebut.

Jika gaya berubah seiring waktu, maka untuk mencari usaha, buatlah grafik gaya versus perpindahan dan temukan luas gambar di bawah grafik - inilah usahanya:

Contoh gaya yang modulusnya bergantung pada koordinat (perpindahan) adalah gaya elastis pegas yang mematuhi hukum Hooke ( F kontrol = kx).

Kekuatan

Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya per satuan waktu disebut kekuatan. Kekuatan P(terkadang dilambangkan dengan huruf N) – besaran fisis sama dengan rasio kerja A ke jangka waktu tertentu T selama pekerjaan ini selesai:

Rumus ini menghitung kekuatan rata rata, yaitu. kekuatan yang secara umum mencirikan proses tersebut. Jadi, usaha juga dapat dinyatakan dalam kekuasaan: A = Pt(jika, tentu saja, kekuatan dan waktu melakukan pekerjaan diketahui). Satuan daya disebut watt (W) atau 1 joule per detik. Jika geraknya beraturan, maka:

Dengan menggunakan rumus ini kita bisa menghitung kekuatan instan(daya pada waktu tertentu), jika alih-alih kecepatan kita mengganti nilai kecepatan sesaat ke dalam rumus. Bagaimana Anda tahu kekuatan apa yang harus dihitung? Jika soal meminta daya pada suatu saat atau pada titik tertentu dalam ruang, maka yang dipertimbangkan adalah sesaat. Jika mereka bertanya tentang daya dalam jangka waktu tertentu atau bagian dari rute, maka carilah daya rata-rata.

Efisiensi – faktor efisiensi, sama dengan rasio kerja berguna terhadap pengeluaran, atau daya berguna terhadap pengeluaran:

Pekerjaan mana yang bermanfaat dan mana yang sia-sia ditentukan dari kondisi tugas tertentu melalui penalaran logis. Misalnya, jika sebuah derek melakukan kerja mengangkat suatu beban sampai ketinggian tertentu, maka kerja yang berguna adalah kerja mengangkat beban (karena untuk tujuan inilah derek itu diciptakan), dan kerja yang dikeluarkan adalah usaha yang dilakukan oleh motor listrik derek.

Jadi, daya berguna dan daya yang dikeluarkan tidak memiliki definisi yang tegas, dan ditemukan dengan penalaran yang logis. Dalam setiap tugas, kita sendiri yang harus menentukan apa dalam tugas tersebut yang menjadi tujuan dilakukannya kerja (pekerjaan atau tenaga yang berguna), dan apa mekanisme atau cara melakukan semua pekerjaan tersebut (tenaga atau kerja yang dikeluarkan).

Secara umum, efisiensi menunjukkan seberapa efisien suatu mekanisme mengubah satu jenis energi menjadi energi lain. Jika daya berubah seiring waktu, maka usaha ditemukan sebagai luas gambar di bawah grafik daya versus waktu:

Energi kinetik

Besaran fisika yang sama dengan setengah hasil kali massa suatu benda dan kuadrat kecepatannya disebut energi kinetik tubuh (energi gerak):

Artinya, jika sebuah mobil bermassa 2000 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s, maka energi kinetiknya sebesar E k = 100 kJ dan mampu melakukan usaha 100 kJ. Energi ini dapat berubah menjadi panas (saat mobil direm, ban, jalan, dan cakram rem memanas) atau dapat digunakan untuk merusak bentuk mobil dan bodi tempat mobil bertabrakan (saat terjadi kecelakaan). Saat menghitung energi kinetik, tidak menjadi masalah kemana mobil bergerak, karena energi, seperti halnya usaha, adalah besaran skalar.

Suatu benda mempunyai energi jika dapat melakukan usaha. Misalnya, suatu benda yang bergerak mempunyai energi kinetik, yaitu. energi gerak, dan mampu melakukan usaha untuk mengubah bentuk benda atau memberikan percepatan pada benda yang mengalami tumbukan.

Arti fisis energi kinetik : agar suatu benda diam bermassa M mulai bergerak dengan kecepatan tinggi ay perlu dilakukan usaha yang sama dengan nilai energi kinetik yang diperoleh. Jika benda mempunyai massa M bergerak dengan kecepatan ay, maka untuk menghentikannya perlu melakukan usaha yang sama dengan energi kinetik awalnya. Saat pengereman, energi kinetik terutama (kecuali dalam kasus tumbukan, ketika energi berubah menjadi deformasi) “dihilangkan” oleh gaya gesekan.

Teorema energi kinetik: kerja gaya resultan sama dengan perubahan energi kinetik benda:

Teorema energi kinetik juga berlaku dalam kasus umum, ketika suatu benda bergerak di bawah pengaruh gaya yang berubah, yang arahnya tidak sesuai dengan arah gerak. Teorema ini mudah diterapkan dalam soal-soal yang melibatkan percepatan dan perlambatan suatu benda.

Energi potensial

Seiring dengan energi kinetik atau energi gerak dalam fisika peran penting memainkan konsep energi potensial atau energi interaksi benda.

Energi potensial ditentukan oleh posisi relatif suatu benda (misalnya, posisi suatu benda relatif terhadap permukaan bumi). Konsep energi potensial hanya dapat diperkenalkan untuk gaya-gaya yang kerjanya tidak bergantung pada lintasan benda dan hanya ditentukan oleh posisi awal dan akhir (yang disebut kekuatan konservatif). Usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya tersebut pada lintasan tertutup adalah nol. Sifat ini dimiliki oleh gravitasi dan gaya elastis. Untuk gaya-gaya ini kita dapat memperkenalkan konsep energi potensial.

Energi potensial suatu benda dalam medan gravitasi bumi dihitung dengan rumus:

Arti fisis energi potensial suatu benda: energi potensial sama dengan usaha yang dilakukan gravitasi ketika benda diturunkan tingkat nol (H– jarak dari pusat gravitasi benda ke tingkat nol). Jika suatu benda mempunyai energi potensial, maka ia mampu melakukan usaha ketika benda tersebut jatuh dari ketinggian H ke tingkat nol. Usaha yang dilakukan oleh gravitasi sama dengan perubahan energi potensial benda yang diambil tanda yang berlawanan:

Seringkali dalam masalah energi seseorang harus mencari kerja mengangkat (membalikkan, keluar dari lubang) tubuh. Dalam semua kasus ini, yang perlu diperhatikan bukan pergerakan benda itu sendiri, tetapi hanya pusat gravitasinya.

Energi potensial Ep bergantung pada pilihan level nol, yaitu pilihan titik asal sumbu OY. Dalam setiap soal, level nol dipilih karena alasan kenyamanan. Yang mempunyai arti fisis bukanlah energi potensial itu sendiri, melainkan perubahannya ketika suatu benda berpindah dari satu posisi ke posisi lain. Perubahan ini tidak bergantung pada pilihan level nol.

Energi potensial pegas yang diregangkan dihitung dengan rumus:

Di mana: k– kekakuan pegas. Pegas yang diperpanjang (atau dikompresi) dapat menggerakkan benda yang menempel padanya, yaitu memberikan energi kinetik pada benda tersebut. Oleh karena itu, mata air tersebut memiliki cadangan energi. Ketegangan atau kompresi X harus dihitung dari keadaan tubuh yang tidak cacat.

Energi potensial suatu benda yang mengalami deformasi elastis sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya elastis selama transisi dari keadaan tertentu ke keadaan tanpa deformasi. Jika pada keadaan awal pegas sudah mengalami deformasi, dan perpanjangannya sama dengan X 1, kemudian setelah transisi ke keadaan baru dengan perpanjangan X 2, gaya elastis akan melakukan usaha yang sama dengan perubahan energi potensial, yang diambil dengan tanda berlawanan (karena gaya elastis selalu diarahkan melawan deformasi benda):

Energi potensial selama deformasi elastis adalah energi interaksi masing-masing bagian tubuh satu sama lain oleh gaya elastis.

Kerja gaya gesek bergantung pada lintasan yang ditempuh (jenis gaya yang kerjanya bergantung pada lintasan dan lintasan yang ditempuh disebut: kekuatan disipatif). Konsep energi potensial gaya gesekan tidak dapat diperkenalkan.

Efisiensi

Faktor efisiensi (efisiensi)– karakteristik efisiensi suatu sistem (perangkat, mesin) dalam kaitannya dengan konversi atau transmisi energi. Hal ini ditentukan oleh rasio energi yang dapat digunakan dengan jumlah total energi yang diterima oleh sistem (rumusnya telah diberikan di atas).

Efisiensi dapat dihitung baik melalui kerja maupun melalui tenaga. Usaha (kekuatan) yang berguna dan dikeluarkan selalu ditentukan oleh penalaran logis yang sederhana.

Pada motor listrik, efisiensi adalah perbandingan kerja mekanis (berguna) yang dilakukan dengan energi listrik yang diterima dari sumbernya. Dalam mesin kalor, rasio kerja mekanis yang berguna dengan jumlah panas yang dikeluarkan. Pada transformator listrik, perbandingan energi elektromagnetik yang diterima pada belitan sekunder dengan energi yang dikonsumsi oleh belitan primer.

Karena sifatnya yang umum, konsep efisiensi memungkinkan untuk membandingkan dan mengevaluasi sistem yang berbeda seperti reaktor nuklir, generator dan mesin listrik, pembangkit listrik tenaga panas, perangkat semikonduktor, benda biologis, dll.

Karena hilangnya energi yang tak terhindarkan akibat gesekan, pemanasan benda di sekitarnya, dll. Efisiensi selalu kurang dari kesatuan. Oleh karena itu, efisiensi dinyatakan dalam bagian energi yang dikeluarkan, yaitu dalam bentuk pecahan yang tepat atau sebagai persentase, dan merupakan besaran tak berdimensi. Efisiensi mencirikan seberapa efisien suatu mesin atau mekanisme beroperasi. Efisiensi pembangkit listrik termal mencapai 35-40%, mesin pembakaran internal dengan supercharging dan pra-pendinginan - 40-50%, dinamo dan generator berdaya tinggi - 95%, transformator - 98%.

Sebuah tugas di mana Anda perlu menemukan efisiensi atau diketahui, Anda harus memulai dengan penalaran logis - pekerjaan mana yang berguna dan mana yang sia-sia.

Hukum kekekalan energi mekanik

Energi mekanik total disebut jumlah energi kinetik (yaitu energi gerak) dan potensial (yaitu energi interaksi benda oleh gaya gravitasi dan elastisitas):

Jika energi mekanik tidak berubah bentuk lain, misalnya energi dalam (panas), maka jumlah energi kinetik dan energi potensial tetap tidak berubah. Jika energi mekanik berubah menjadi energi panas, maka perubahan energi mekanik sama dengan kerja gaya gesekan atau kehilangan energi, atau banyaknya kalor yang dilepaskan, dan seterusnya, dengan kata lain perubahan energi mekanik total adalah sama. untuk pekerjaan kekuatan eksternal:

Jumlah energi kinetik dan energi potensial benda-benda yang membentuk sistem tertutup (yaitu sistem yang tidak ada gaya luar yang bekerja, dan usahanya sama dengan nol) serta gaya gravitasi dan elastis yang berinteraksi satu sama lain tetap tidak berubah:

Pernyataan ini mengungkapkan hukum kekekalan energi (LEC) dalam proses mekanis. Ini adalah konsekuensi dari hukum Newton. Hukum kekekalan energi mekanik terpenuhi hanya jika benda-benda dalam sistem tertutup berinteraksi satu sama lain melalui gaya elastisitas dan gravitasi. Dalam semua soal hukum kekekalan energi akan selalu ada setidaknya dua keadaan suatu sistem benda. Hukum menyatakan bahwa energi total keadaan pertama akan sama dengan energi total keadaan kedua.

Algoritma penyelesaian masalah hukum kekekalan energi:

1. Temukan titik-titik posisi awal dan akhir benda.
2. Tuliskan energi apa atau apa yang dimiliki tubuh pada titik-titik ini.
3. Samakan energi awal dan akhir suatu benda.
4. Tambahkan persamaan lain yang diperlukan dari topik fisika sebelumnya.
5. Selesaikan persamaan atau sistem persamaan yang dihasilkan dengan menggunakan metode matematika.

Penting untuk dicatat bahwa hukum kekekalan energi mekanik memungkinkan diperolehnya hubungan antara koordinat dan kecepatan suatu benda pada dua titik lintasan yang berbeda tanpa menganalisis hukum gerak benda di semua titik perantara. Penerapan hukum kekekalan energi mekanik dapat sangat menyederhanakan penyelesaian banyak masalah.

Dalam kondisi nyata, benda yang bergerak hampir selalu ditindaklanjuti, bersama dengan gaya gravitasi, gaya elastis, dan gaya lainnya, oleh gaya gesekan atau gaya resistensi lingkungan. Usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan bergantung pada panjang lintasan.

Jika gaya gesekan bekerja antara benda-benda yang membentuk sistem tertutup, maka energi mekanik tidak kekal. Sebagian energi mekanik diubah menjadi energi internal benda (pemanasan). Dengan demikian, energi secara keseluruhan (yaitu, tidak hanya energi mekanik) tetap kekal.

Selama interaksi fisik apa pun, energi tidak muncul atau hilang. Itu hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Fakta yang dibuktikan secara eksperimental ini mengungkapkan hukum dasar alam - hukum kekekalan dan transformasi energi.

Salah satu akibat dari hukum kekekalan dan transformasi energi adalah pernyataan tentang ketidakmungkinan menciptakan “mesin gerak abadi” (perpetuum mobile) – mesin yang dapat melakukan kerja tanpa batas waktu tanpa menghabiskan energi.

Berbagai tugas untuk bekerja

Jika masalahnya memerlukan pencarian pekerjaan mekanis, maka pertama-tama pilih metode untuk menemukannya:

1. Suatu pekerjaan dapat ditemukan menggunakan rumus: A = FS∙cos α . Temukan gaya yang melakukan usaha dan besar perpindahan benda di bawah pengaruh gaya ini dalam kerangka acuan yang dipilih. Perhatikan bahwa sudut harus dipilih antara vektor gaya dan perpindahan.
2. Pekerjaan kekuatan eksternal dapat ditemukan sebagai perbedaan energi mekanik pada situasi akhir dan awal. Energi mekanik sama dengan jumlah energi kinetik dan energi potensial suatu benda.
3. Usaha yang dilakukan untuk mengangkat suatu benda dengan kecepatan tetap dapat dicari dengan menggunakan rumus: A = mgh, Di mana H- ketinggian dimana ia naik pusat gravitasi tubuh.
4. Kerja dapat ditemukan sebagai produk tenaga dan waktu, yaitu. sesuai dengan rumus: A = Pt.
5. Usaha dapat dicari luas bangunnya di bawah grafik gaya versus perpindahan atau daya versus waktu.

Hukum kekekalan energi dan dinamika gerak rotasi

Masalah pada topik ini secara matematis cukup kompleks, tetapi jika Anda mengetahui pendekatannya, masalah tersebut dapat diselesaikan dengan menggunakan algoritma yang sepenuhnya standar. Dalam semua soal, Anda harus mempertimbangkan rotasi benda pada bidang vertikal. Solusinya adalah dengan melakukan urutan tindakan berikut:

1. Anda perlu menentukan titik yang Anda minati (titik di mana Anda perlu menentukan kecepatan benda, gaya tegangan benang, berat, dan sebagainya).
2. Tuliskan hukum kedua Newton pada saat ini, dengan memperhatikan bahwa benda berputar, yaitu mempunyai percepatan sentripetal.
3. Tuliskan hukum kekekalan energi mekanik sehingga memuat kecepatan benda pada titik yang sangat menarik tersebut, serta ciri-ciri keadaan benda pada keadaan tertentu yang diketahui sesuatu.
4. Bergantung pada kondisinya, nyatakan kecepatan kuadrat dari satu persamaan dan substitusikan ke persamaan lainnya.
5. Lakukan sisa operasi matematika yang diperlukan untuk mendapatkan hasil akhir.

Saat memecahkan masalah, Anda perlu mengingat bahwa:

• Syarat melewati titik puncak pada saat memutar benang dengan kecepatan minimum adalah gaya reaksi tumpuan N di titik teratas adalah 0. Kondisi yang sama terpenuhi ketika melewati titik teratas loop mati.
• Saat memutar pada sebuah batang, syarat untuk melewati seluruh lingkaran adalah: kecepatan minimum di titik puncak adalah 0.
• Syarat pemisahan suatu benda dari permukaan bola adalah gaya reaksi tumpuan pada titik pemisahan adalah nol.

Tumbukan tidak lenting

Hukum kekekalan energi mekanik dan hukum kekekalan momentum memungkinkan penyelesaian masalah mekanis dalam kasus di mana gaya-gaya yang bekerja tidak diketahui. Contoh dari masalah jenis ini adalah dampak interaksi benda.

Berdasarkan dampak (atau tabrakan) Merupakan kebiasaan untuk menyebut interaksi benda-benda sebagai jangka pendek, akibatnya kecepatannya mengalami perubahan yang signifikan. Selama tumbukan benda, gaya tumbukan jangka pendek bekerja di antara benda-benda tersebut, yang besarnya, biasanya, tidak diketahui. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk mempertimbangkan interaksi tumbukan secara langsung menggunakan hukum Newton. Penerapan hukum kekekalan energi dan momentum dalam banyak kasus memungkinkan untuk mengecualikan proses tumbukan itu sendiri dari pertimbangan dan memperoleh hubungan antara kecepatan benda sebelum dan sesudah tumbukan, melewati semua nilai antara besaran ini.

Kita sering kali harus berhadapan dengan interaksi tumbukan benda dalam kehidupan sehari-hari, dalam teknologi dan fisika (terutama dalam fisika atom dan partikel elementer). Dalam mekanika, dua model interaksi tumbukan sering digunakan - dampak yang benar-benar elastis dan dampak yang benar-benar tidak elastis.

Dampak yang benar-benar tidak elastis Mereka menyebutnya interaksi tumbukan di mana benda-benda saling terhubung (bersatu) satu sama lain dan bergerak sebagai satu benda.

Pada tumbukan tidak lenting sempurna, energi mekanik tidak kekal. Itu sebagian atau seluruhnya berubah menjadi energi internal tubuh (pemanasan). Untuk mendeskripsikan dampak apa pun, Anda perlu menuliskan hukum kekekalan momentum dan hukum kekekalan energi mekanik, dengan memperhitungkan panas yang dilepaskan (sangat disarankan untuk membuat gambar terlebih dahulu).

Dampak yang benar-benar elastis

Dampak yang benar-benar elastis disebut tumbukan yang energi mekanik suatu sistem benda kekal. Dalam banyak kasus, tumbukan atom, molekul, dan partikel elementer mematuhi hukum tumbukan elastik mutlak. Dengan tumbukan lenting mutlak, sesuai dengan hukum kekekalan momentum, hukum kekekalan energi mekanik terpenuhi. Sebuah contoh sederhana Tumbukan lenting sempurna dapat terjadi akibat tumbukan sentral dari dua bola bilyar yang salah satunya diam sebelum tumbukan.

Pemogokan sentral bola disebut tumbukan yang kecepatan bola sebelum dan sesudah tumbukan diarahkan sepanjang garis pusat. Jadi, dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik dan momentum, kecepatan bola setelah tumbukan dapat ditentukan jika kecepatannya sebelum tumbukan diketahui. Dampak sentral sangat jarang diterapkan dalam praktik, terutama jika menyangkut tumbukan atom atau molekul. Pada tumbukan elastik nonpusat, kecepatan partikel (bola) sebelum dan sesudah tumbukan tidak searah dalam satu garis lurus.

Kasus khusus tumbukan elastis di luar pusat dapat berupa tumbukan dua bola bilyar bermassa sama, salah satunya tidak bergerak sebelum tumbukan, dan kecepatan bola kedua tidak diarahkan sepanjang garis pusat bola. . Dalam hal ini, vektor kecepatan bola setelah tumbukan lenting selalu berarah tegak lurus satu sama lain.

hukum konservasi. Tugas yang kompleks

Banyak badan

Dalam beberapa soal hukum kekekalan energi, kabel yang digunakan untuk menggerakkan benda tertentu dapat memiliki massa (yaitu, tidak berbobot, seperti yang mungkin sudah biasa Anda lakukan). Dalam hal ini, pekerjaan memindahkan kabel tersebut (yaitu pusat gravitasinya) juga perlu diperhitungkan.

Jika dua benda yang dihubungkan oleh sebuah batang tak berbobot berputar pada bidang vertikal, maka:

1. pilih level nol untuk menghitung energi potensial, misalnya pada level sumbu rotasi atau pada level titik terendah salah satu beban dan pastikan untuk membuat gambar;
2. tuliskan hukum kekekalan energi mekanik, dimana pada ruas kiri kita tuliskan jumlah energi kinetik dan energi potensial kedua benda pada keadaan awal, dan pada ruas kanan kita tuliskan jumlah energi kinetik dan potensial benda tersebut. kedua badan dalam situasi terakhir;
3. memperhitungkan bahwa kecepatan sudut benda adalah sama, maka kecepatan linier benda sebanding dengan jari-jari rotasi;
4. jika perlu, tuliskan hukum kedua Newton untuk masing-masing benda secara terpisah.

Cangkangnya pecah

Ketika proyektil meledak, energi ledakan dilepaskan. Untuk mencari energi ini, energi mekanik proyektil sebelum ledakan perlu dikurangi dari jumlah energi mekanik pecahan setelah ledakan. Kita juga akan menggunakan hukum kekekalan momentum, yang ditulis dalam bentuk teorema kosinus (metode vektor) atau dalam bentuk proyeksi pada sumbu yang dipilih.

Tabrakan dengan pelat yang berat

Mari kita temui lempengan berat yang bergerak dengan kecepatan tinggi ay, sebuah bola ringan bermassa bergerak M dengan kecepatan kamu N. Karena momentum bola jauh lebih kecil daripada momentum pelat, setelah tumbukan kecepatan pelat tidak akan berubah, dan ia akan terus bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama. Akibat tumbukan elastis tersebut, bola akan terbang menjauhi pelat. Penting untuk dipahami di sini bahwa kecepatan bola relatif terhadap pelat tidak akan berubah. Dalam hal ini, untuk kecepatan akhir bola kita peroleh:

Dengan demikian, kecepatan bola setelah tumbukan bertambah dua kali kecepatan dinding. Alasan serupa untuk kasus ketika sebelum tumbukan bola dan pelat bergerak dalam arah yang sama menghasilkan kecepatan bola berkurang dua kali kecepatan dinding:

Dalam fisika dan matematika, antara lain, tiga syarat terpenting harus dipenuhi:

1. Pelajari semua topik dan selesaikan semua tes dan tugas yang diberikan dalam materi pendidikan di situs ini. Untuk melakukan ini, Anda tidak memerlukan apa pun, yaitu: mencurahkan tiga hingga empat jam setiap hari untuk mempersiapkan CT fisika dan matematika, mempelajari teori, dan memecahkan masalah. Faktanya CT merupakan ujian yang tidak cukup hanya mengetahui fisika atau matematika, Anda juga harus mampu menyelesaikan banyak soal dengan cepat dan tanpa kegagalan. topik yang berbeda dan kompleksitas yang berbeda-beda. Yang terakhir ini hanya dapat dipelajari dengan memecahkan ribuan masalah.
2. Pelajari semua rumus dan hukum dalam fisika, serta rumus dan metode dalam matematika. Faktanya, hal ini juga sangat mudah dilakukan; hanya ada sekitar 200 rumus yang diperlukan dalam fisika, dan bahkan lebih sedikit lagi dalam matematika. Dalam masing-masing mata pelajaran ini terdapat sekitar selusin metode standar untuk memecahkan masalah tingkat kompleksitas dasar, yang juga dapat dipelajari, dan dengan demikian, sepenuhnya otomatis dan tanpa kesulitan menyelesaikan sebagian besar CT pada waktu yang tepat. Setelah ini, Anda hanya perlu memikirkan tugas yang paling sulit.
3. Hadiri ketiga tahap tes latihan fisika dan matematika. Setiap RT dapat dikunjungi dua kali untuk memutuskan kedua pilihan tersebut. Sekali lagi, pada CT, selain kemampuan menyelesaikan masalah dengan cepat dan efisien, serta pengetahuan tentang rumus dan metode, Anda juga harus mampu merencanakan waktu dengan baik, mendistribusikan tenaga, dan yang terpenting, mengisi formulir jawaban dengan benar, tanpa membingungkan nomor jawaban dan soal, atau nama belakang Anda sendiri. Selain itu, selama RT, penting untuk membiasakan diri dengan gaya mengajukan pertanyaan dalam suatu masalah, yang mungkin tampak sangat tidak biasa bagi orang yang tidak siap di DT.

Penerapan ketiga poin ini yang berhasil, rajin, dan bertanggung jawab akan memungkinkan Anda menunjukkan hasil yang sangat baik di CT, semaksimal kemampuan Anda.

Menemukan kesalahan?

Jika Anda merasa telah menemukan kesalahan dalam materi pendidikan, lalu silakan tulis tentang hal itu melalui email. Anda juga dapat melaporkan kesalahan di jejaring sosial (). Dalam surat tersebut sebutkan mata pelajaran (fisika atau matematika), nama atau nomor topik atau ujian, nomor soal, atau tempat dalam teks (halaman) yang menurut Anda terdapat kesalahan. Jelaskan juga apa dugaan kesalahannya. Surat Anda tidak akan luput dari perhatian, kesalahannya akan diperbaiki, atau Anda akan dijelaskan mengapa itu bukan kesalahan.

Efisiensi merupakan suatu ciri efisiensi pengoperasian suatu alat atau mesin. Efisiensi didefinisikan sebagai rasio energi berguna yang dihasilkan sistem dengan jumlah total energi yang disuplai ke sistem. Efisiensi adalah nilai yang tidak berdimensi dan sering kali ditentukan dalam persentase.

Formula 1 - efisiensi

Di mana- A pekerjaan yang bermanfaat

—Q total pekerjaan yang dikeluarkan

Sistem apa pun yang melakukan pekerjaan apa pun harus menerima energi dari luar, yang dengannya pekerjaan itu akan dilakukan. Ambil contoh, transformator tegangan. Tegangan listrik 220 volt disuplai ke input, dan 12 volt dialihkan dari output ke daya, misalnya lampu pijar. Jadi trafo mengubah energi pada masukan menjadi nilai yang diperlukan agar lampu akan beroperasi.

Namun tidak semua energi yang diambil dari jaringan akan sampai ke lampu, karena terdapat rugi-rugi pada trafo. Misalnya saja hilangnya energi magnet pada inti transformator. Atau hilangnya resistansi aktif belitan. Dimana energi listrik akan diubah menjadi panas tanpa sampai ke konsumen. Ini energi termal tidak berguna dalam sistem ini.

Karena rugi-rugi daya tidak dapat dihindari dalam sistem apa pun, efisiensinya selalu di bawah satu.

Efisiensi dapat dipertimbangkan untuk keseluruhan sistem, yang terdiri dari banyak bagian individual. Jadi, jika Anda menentukan efisiensi setiap bagian secara terpisah, maka efisiensi total akan sama dengan hasil kali koefisien efisiensi semua elemennya.

Kesimpulannya, kita dapat mengatakan bahwa efisiensi menentukan tingkat kesempurnaan perangkat apa pun dalam hal transmisi atau konversi energi. Ini juga menunjukkan berapa banyak energi yang disuplai ke sistem dihabiskan untuk pekerjaan yang bermanfaat.

Ketentuan umum

Efisiensi didefinisikan sebagai rasio daya yang berguna atau dihasilkan P 2 untuk konsumsi daya P 1:

Mesin listrik modern mempunyai faktor efisiensi (efisiensi) yang tinggi. Jadi, untuk mesin DC dengan daya 10 kW efisiensinya 83 - 87%, dengan daya 100 kW - 88 - 93% dan dengan daya 1000 kW - 92 - 96%. Hanya mesin kecil yang memiliki efisiensi relatif rendah; misalnya motor DC 10 W memiliki efisiensi 30 - 40%.

Kurva efisiensi mesin listrik η = F(P 2) mula-mula meningkat dengan cepat seiring bertambahnya beban, kemudian efisiensi mencapai nilai maksimumnya (biasanya pada beban yang mendekati beban pengenal) dan menurun pada beban tinggi (Gambar 1). Yang terakhir ini dijelaskan oleh fakta bahwa jenis kerugian tertentu (listrik SAYA sebuah 2 R dan tambahannya) tumbuh lebih cepat dari daya manfaatnya.

Metode langsung dan tidak langsung untuk menentukan efisiensi

Metode langsung untuk menentukan efisiensi dari nilai eksperimen P 1 dan P 2 menurut rumus (1) dapat memberikan ketidakakuratan yang cukup besar, karena pertama, P 1 dan P 2 nilainya hampir sama dan, kedua, penentuan eksperimentalnya dikaitkan dengan kesalahan. Kesulitan dan kesalahan terbesar disebabkan oleh pengukuran tenaga mekanik.

Jika, misalnya, nilai kekuatan sebenarnya P 1 = 1000 kW dan P 2 = 950 kW dapat ditentukan dengan ketelitian 2%, maka bukan nilai efisiensi sebenarnya.

η = 950/1000 = 0,95

tersedia

Oleh karena itu, GOST 25941-83, "Mesin listrik berputar. Metode untuk menentukan kerugian dan efisiensi," menetapkan untuk mesin dengan η% ≥ 85% metode tidak langsung untuk menentukan efisiensi, di mana jumlah kerugian ditentukan dari data eksperimen P Σ .

Substitusikan ke rumus (1) P 2 = P 1 - PΣ , kita dapatkan

(3)

Menggunakan substitusi di sini P 1 = P 2 + PΣ, kita mendapatkan bentuk rumus lain:

(4)

Karena lebih mudah dan akurat untuk mengukur daya listrik (untuk motor P 1 dan untuk generator P 2), maka rumus (3) lebih cocok untuk mesin dan rumus (4) untuk generator. Metode penentuan eksperimental kerugian individu dan jumlah kerugian PΣ dijelaskan dalam standar untuk mesin listrik dan manual untuk pengujian dan penelitian mesin listrik. Bahkan jika PΣ ditentukan dengan akurasi yang jauh lebih rendah dibandingkan P 1 atau P 2, bila menggunakan rumus (3) dan (4) alih-alih ekspresi (1), diperoleh hasil yang jauh lebih akurat.

Kondisi untuk efisiensi maksimum

Berbagai jenis kerugian bergantung pada beban dengan cara yang berbeda. Secara umum dapat diasumsikan bahwa beberapa jenis kerugian tetap konstan seiring dengan perubahan beban, sementara yang lain bersifat variabel. Misalnya, jika generator DC beroperasi pada kecepatan putaran konstan dan fluks eksitasi konstan, maka rugi-rugi mekanis dan magnetis juga konstan. Sebaliknya rugi-rugi listrik pada belitan jangkar, kutub tambahan, dan belitan kompensasi berubah secara proporsional SAYA a ², dan pada kontak sikat - secara proporsional SAYA A. Tegangan generator juga kira-kira konstan, dan karenanya memiliki tingkat akurasi tertentu P 2 ∼ SAYA A.

Jadi, secara umum, kasus yang agak ideal, kita dapat berasumsi demikian

Di mana P 0 – kerugian konstan, tidak bergantung pada beban; P 1 – nilai kerugian tergantung pada derajat pertama k ng pada beban terukur; P 2 – nilai kerugian tergantung pada luasnya k ng, pada beban terukur.

Mari kita gantikan P 2 dari (5) dan PΣ dari (7) ke dalam rumus efisiensi.

(8)

Mari kita tentukan berapa nilainya k ng efisiensi mencapai nilai maksimumnya, yang turunannya kita tentukan Dη/ dk ng menurut rumus (8) dan samakan dengan nol:

Persamaan ini terpenuhi jika penyebutnya sama dengan tak terhingga, yaitu kapan k ng = ∞. Kasus ini tidak menarik. Oleh karena itu, pembilangnya perlu diatur sama dengan nol. Dalam hal ini kita dapatkan

Dengan demikian, efisiensi akan maksimum pada beban dengan kerugian variabel k ng ² × P 2, bergantung pada kuadrat beban, menjadi sama dengan rugi-rugi konstan P 0 .

Nilai faktor beban pada efisiensi maksimum, menurut rumus (9),

(10)

Jika suatu mesin dirancang untuk nilai tertentu η maks, maka kerugiannya adalah k ng × P 1 biasanya relatif kecil, kita dapat berasumsi demikian

P 0 + P 2 ≈ PΣ = konstanta.

Mengubah rasio kerugian P 0 dan P 2, nilai efisiensi maksimum dapat dicapai pada beban yang berbeda. Jika mesin beroperasi sebagian besar pada beban yang mendekati beban pengenal, maka nilai tersebut menguntungkan k ng [lihat rumus (10)] mendekati kesatuan. Jika mesin beroperasi terutama pada beban ringan, maka ini menguntungkan dari segi nilai k ng [lihat rumus (10)] juga lebih kecil.