Кратко: максимальная теоретическая эффективность задаётся циклом Карно
${\eta }_C=1-\frac{T_c}{T_h}$.
Реальный автомобильный ДВС далёк от этой границы из-за ряда необратимостей; ниже — обзор основных источников потерь и инженерные меры для их уменьшения.
Основные необратимые процессы (с пояснением)
- Концевое (быстрое) сгорание и химическая необратимость: конечные скорости реакций и неравновесное распределение температур/составов приводят к генерации энтропии и тепловым потерям (неполное сгорание, образование CO/HC/NOx).
- Теплопередача при конечном перепаде температур: тепло не может передаваться при нулевом $\Delta T$, поэтому часть энергии уходит в стенки и охлаждающую систему (тепловые потери).
- Теплопотери в выхлопе: значительная доля теплоты уходит с отработавшими газами.
- Механическое трение и потеря на привод вентиляторов/насосов/генераторов: трение в поршнях, вкладышах, распределительном механизме, насосах, приводах аксессуаров (генератор, насос ОЖ).
- Потери при газообмене и «насосные» потери: всасывание через дроссель, сопротивления в коллекторе, потери при выпуске, перепуск через щели (blow-by), клапанные потери; выражаются в отрицательном МЭД при холостом ходе.
- Турбулентность, вихреобразование и гидродинамические потери в потоках: превращают упорядоченную энергию давления в тепло.
- Теплопроводность и излучение: тепло уходит в блок/головку и далее в охлаждение.
- Невозможность работы в квазистационарных (обратимых) процессах при необходимости мощности — циклы реальные (Ото/Дизель) отличаются от обратимых изотерм/адиабат.
- Экзергетические потери в компонентах очистки и привода (катализатор, турбина с потерь, турбонагнетатель с трением).
Примерная энергетическая картина (порядок величин): современные бенз. двигатели преобразуют в полезную мощность примерно $25\%-40\%$ энергии топлива; остальное: $\sim 30\%$ — в тепло в систему охлаждения, $\sim 30\%$ — в выхлоп, $\sim 5\%-15\%$ — трение/насосные и прочие потери (цифры зависят от режима и типа двигателя).
Инженерные решения, снижающие потери (с привязкой к источнику)
- Сгорание и химическая необратимость:
- прямая впрыск топлива (GDI, дизель) и многократные впрыски — лучшее перемешивание и управление скоростью горения;
- управление фазой и текучестью впуска (VVT, VVTi) для оптимизации наполнения и искрообразования;
- технологии низкотемпературного сгорания (HCCI/CAI) — снижают неравновесные потери при удачной реализации;
- оптимизация форсунок, камера сгорания, предкамерное воспламенение.
- Тепловые потери и повышение $T_h$:
- повышение эффективной температуры сгорания через увеличение степени сжатия и наддув (турбокомпрессоры), но с учётом детонации;
- термические барьерные покрытия на поршнях/клапанах, тонкие стенки головки для уменьшения теплоотвода;
- оптимизация системы охлаждения (локальное охлаждение, управление термостатом) — удержание оптимальной $T_c$, но не чрезмерно низкой.
- Выхлоп и возврат энергии:
- турбонаддув и турбокомпаундинг для утилизации энергии выхлопа;
- системы рекуперации тепла (Rankine WHR, термоэлектрики) — частичная утилизация тепла выхлопа;
- эффективные глушители/выпуск и уменьшение потерь напора.
- Насосные и газообменные потери:
- дроссель-менее работа (например дизель или Atkinson/Miller циклы, управление фазами клапанов), непосредственный впрыск для снижения дросселирования;
- оптимизация коллектора, минимизация местных сопротивлений, впуск с переменной геометрией;
- уменьшение утечек (улучшенные кольца, уплотнения) — снижение blow-by.
- Механические потери:
- низковязкие масла, улучшенные покрытия (DLC, Ni-based), роликовые компенсаторы, улучшенные подшипники;
- уменьшение весов и инерций, оптимизация балансировки;
- сокращение вспомогательных нагрузок (электрические насосы, рекуперация работы).
- Управление и системная оптимизация:
- гибридизация: электрификация позволяет держать ДВС в наиболее КПД-выгодной точке, гасит часть насосных потерь при остановке/пуске;
- продвинутая электронная система управления двигателем (оптимизация фаз, впрыска, искры, EGR) для минимизации потерь в каждом режиме;
- CVT/оптимальные передачи для работы двигателя в зоне максимального КПД.
- Каталитическая и эмиссионная обработка:
- оптимизация исхода сжигания и последующей обработки (катализатор, SCR) для уменьшения повторных энергетических затрат на рециркуляцию/донагрев.
Невозможные к полному устранению ограничения
- необратимость при конечной скорости процессов и теплопередачи, турбулентность, квантование химии — эти источники энтропии нельзя полностью исключить;
- компромисс между мощностью/удельной мощностью и приближением к обратимому циклу — медленное (квазистационарное) преобразование даёт большую эффективность, но малую мощность и большой объём/массу.
Вывод — Carnot даёт верхнюю границу ${\eta }_C$, но реальные ДВС ограничены множеством источников генерации энтропии. Инженерные меры (улучшение сгорания, снижение трения, возврат энергии выхлопа, оптимизация газообмена и управление) существенно уменьшают разрыв, однако фундаментальные необратимости и практические компромиссы не позволят достичь эффективности Карно.