Скажімо, автомобіль на 60 миль / год потребує приблизно 20 к.с. для підтримки своєї швидкості (тобто для подолання опору кочення та перетягування).

Якщо цей автомобіль робить 240 к.с. і отримує близько 34 миль / год (не надто нереально), як це отримати 34 миль на секунду, якщо двигун працює лише на 0,05 ККД? Я знаю, що сучасні автомобілі повинні мати межу ефективності близько 25-30% завдяки містеру Карно :

Діаграма звідси .

Я відчуваю, що передача повинна бути частиною відповіді, але мені важко зрозуміти, як передача дозволяє двигуну генерувати 20 к.с., при цьому явно бути з більшою ефективністю, ніж зазначено на графіку для низького завантаження двигуна.

Можливо, я не отримую саме того, про що йде мова про завантаження двигуна?

Термодинамічна ефективність та економія палива

Коли ви посилаєтесь на ефективність 25-30% для енергії внутрішнього згоряння, ви говорите про термодинамічну ефективність двигуна. Це на теоретичному рівні базується на перепаді температур. Це не має нічого спільного з паливом.

Коли ви посилаєтесь на економію палива в 34 милі за галон , ви зараз говорите про щось, що багато в чому залежить від інших факторів - наприклад, щільності енергії палива . Скільки видобутої енергії в галоні бензину? Як щодо галлону антиматерії? Галон шоколадного молока?

Багато двигунів можуть приймати різні види палива або суміші палива з різною щільністю енергії без істотної зміни їх термодинамічної ефективності. Наприклад, етанол змішується з бензином, але має щільність енергії приблизно на 30% нижче, ніж бензин; галон одного не дорівнює галону іншого.

Експлуатувати двигун з певним термодинамічним ККД означає, що має перепад температур; щоб підтримувати цей температурний перепад, потрібно додати енергію з деякою швидкістю. Досягнення однакової термодинамічної ефективності, коли паливо має меншу щільність енергії, просто означає збільшення швидкості подачі палива ( або ), щоб швидкість подачі енергії ( ) залишалася однаковою. Це ігнорує різні нюанси того, як двигуни спалюють різні види палива, але, взагалі кажучи, немає прямої залежності між термодинамічною ефективністю та економією палива.$Q$$\dot{m}$$q_{in}$

Значення завантаження двигуна

Я відчуваю, що передача повинна бути частиною відповіді, але мені важко зрозуміти, як передача дозволяє двигуну генерувати 20 к.с., при цьому явно бути з більшою ефективністю, ніж зазначено на графіку для низького завантаження двигуна.

Можливо, я не отримую саме того, про що йде мова про завантаження двигуна?

Коли машина не розганяється, завантаження двигуна відбувається від будь-яких сил, що діють проти руху двигуна. Внутрішнє тертя (поршні, колінчастий вал, трансмісія тощо), зовнішнє тертя (шини про дорожнє покриття), тягнуть, сила тяжіння (під час руху в гору). "Навантаження" означає, скільки потужності потрібно двигуну, щоб автомобіль мав деяку швидкість і прискорення.

Як ви зазначаєте, коли транспортний засіб курсує по шосе, йому потрібен лише невеликий відсоток від його загальної доступної потужності для підтримки швидкості. Якщо ми не говоримо дійсно про високі швидкості та / або про надзвичайно бездоганне диво автомобіля, круїз по шосе просто не є ситуацією з високим завантаженням. Ваша плутанина, здається, випливає з того, що транспортні засоби отримують кращу економію палива, коли курсуватимуть на швидкості шосе, ніж вони, роблячи при цьому прискорення.

Головне, що потрібно усвідомити, це те, що поліпшення економії палива не означає, що двигун працює з більш високою термодинамічною ефективністю, тому що існує багато інших факторів, які переходять у економію палива. Термодинамічна ефективність циклу Карно є лише одним із таких факторів. Інший фактор - ефективність реакції горіння (що технічно не є частиною циклу Карно). Інше - скільки енергії використовується для прискорення автомобіля (корисна робота) та скільки втрачається на тертя, перетягування та провідність (відпрацьоване тепло, ).$q_{out}$

Розрахунок економії палива

Розглянемо наступне співвідношення - звідки відбувається завантаження двигуна?

В ідеалізованій ситуації, без тягання автомобіля, мінімальних внутрішніх і зовнішніх тертя, руху по горизонтальній площині, потужність, необхідна для підтримки будь-якої швидкості, фактично дорівнює нулю. Це означає, що навантаження на двигун (коли не прискорюється) також фактично дорівнює нулю. Ефективність Карно на даний момент не має значення, але вона також буде дуже низькою. Однак економія палива була б величезною, оскільки у чисельнику є деякий має майже нуль у знаменнику.$v$$Q$

Протилежну ситуацію ще простіше продемонструвати; ви можете зробити це вдома у власному автомобілі. Просто підлоги прискорювач з передачею в нейтралі. (Насправді цього не робіть.) Сценарій миттєвого високого навантаження, коли ви прискорите пекло колінчастого вала, але , тож економія палива дорівнює нулю.$v = 0$

Реалістичні сценарії складніші, але довга історія була короткою, що реакція горіння, що виникає в циліндрі двигуна, набагато менш ефективна в періоди дуже високого прискорення (тобто, біля максимального навантаження).Більше палива проходить через незгоріле або лише частково спалене двигун, тобто ви не витратили стільки енергії з того ж галону палива. Ви все ще кудись їдете, і ваш двигун працює з більш високою термодинамічною ефективністю завдяки навантаженню на нього, але з точки зору економії палива, ця вигода зменшується за рахунок зниження ефективності згоряння. Можливо, навіть коли ефективність згоряння дуже низька, ці витрати цілком переважають від переваги високого завантаження. (Цього можна очікувати, якщо транспортний засіб дуже погано обслуговується. Насправді так багато залежить від віку автомобіля, якості його керуючих блоків, передачі, в якій ви розганяєтесь, що важко зробити точний прогноз для загального сценарію.)

Інше, що я хочу зазначити, це те, що ви повинні врахувати, куди рухається ваша сила. "Висока завантаженість двигуна" означає лише, що вимагається багато потужності, яку двигун здатний виробляти; це не говорить вам, куди йде влада. Якщо ви збираєтеся боротися з перетягуванням, яке збільшується як квадрат швидкості, то це витрачена потужність і витрачене паливо. Ви можете доставити це дуже ефективно, але якщо він не додає швидкості * автомобіля, це не сприяє економії палива. Це виглядає ефективно лише тоді, коли ти намалюєш системну межу навколо двигуна і ігноруєш призначення автомобіля.

* Технічно ми також повинні враховувати висоту, але економія палива, як правило, розраховується з точки зору горизонтальної відстані шляху. Прибутки та збитки, пов'язані зі зміною висоти, або вважаються такими, що взагалі скасовуються, або враховуються деяким коефіцієнтом грубого виправлення.

Сюжет у питанні не поширюється на ситуацію, про яку задається питання. Потужність потужності автомобільного двигуна динамічно змінюється під час руху, змінюючи обороти обороту та пригнічуючи повітряний потік на впуску.

Найвища ефективність автомобільного двигуна десь середнього рівня, з неефективністю як при високих, так і при низьких навантаженнях. При 10-відсотковому навантаженні ефективність все-таки краще, ніж наполовину, ніж на піку.

Але скажіть, тоді ми отримуємо 10% ефективність при 34mpg .. Там немає непослідовності. Це просто означає, що якби ви могли якось досягти 100% ефективності, ви отримаєте 340mpg за цим сценарієм завантаження.

Бензинові двигуни мають дуже низький ККД при малому навантаженні ... немає ні в тому, ні в задньому плані. Ефективність 34mpg не котирується при низькому навантаженні.

Існує ідеальна швидкість, з якою відбувається максимальний пробіг ... ККД двигуна збільшується в міру збільшення навантаження, однак втрати на перетяг повітря збільшуються, як і квадрат швидкості.

Є дві основні причини поганої ефективності при малому навантаженні:

1. При малому навантаженні значний відсоток виконаної роботи використовується для подолання тертя двигуна.
2. При малому навантаженні ефективний коефіцієнт стиснення дуже низький, що в свою чергу призводить до дуже низької ефективності.

Потужність, що створюється двигуном, є добуток кутової швидкості від наявного крутного моменту при цій кутовій швидкості. Функція коробки передач полягає лише в тому, щоб відповідати обертів двигуна до швидкості руху.

Пробіг по місту є меншим, ніж пробіг по шосе, головним чином завдяки постійному гальмуванню, яке розсіює кінетичну енергію як тепло, і холостий рух на світлофорах або знаках зупинки.

Я знаю, що це стара нитка, але я не можу втриматися від того, щоб вдарити її. Особливо, коли в інших відповідях є стільки поганої або непов'язаної інформації.

1. Теплова ефективність та пробіг палива пов'язані - є й інші фактори, які слід враховувати.

   Щільність енергії палива є фактором. Для бензинових двигунів - це приблизно 44,5 к.с.-годин (оскільки миль на секунду виникає протягом деякого часу, а крутний момент миттєвий, я використовую HP, якщо це заважає вам просто помножити на 5252 і розділити на об / хв для перекладу. Незважаючи на всі аргументи щодо того, які заходи рухає двигун вихід "кращий", вони безпосередньо пов'язані алгебраїчно) і якщо ви використовуєте 20 к.с. і спалюєте 1 галон палива, ви отримуєте 20 / 44,5 = 44,9% NET теплової ефективності; якби ви могли це зробити при 60 МПГ, ви отримаєте 60/1 = 60 МПГ (MPH / GPH).

2. Один з наведених вище прикладів використовував 10% ефективність при 34 MPG. Я припускаю 60 MPH, щоб математика була простою; 10% x44,5 = 4,45 HP-години на галон. Для досягнення 34 MPG при 60 MPH потрібно: 60/34 = 1,765 галонів на годину бензину (MPH / MPG = GPH). Якщо ви видобуваєте 4,55 л.с. з 1,765 галонів бензину, тоді ви використовуєте загалом 7,85 к.с. Ви не можете отримати 340 МПГ від 100% ефективного автомобіля з бензиновим двигуном у реальному світі (навіть якщо ви допускаєте визнану неможливість 100% ефективного двигуна), оскільки ви не можете змусити машину їздити зі швидкістю 60 МПГ, використовуючи менше 8 к.с.! Є транспортні засоби, які отримують ще більший пробіг пального, але там не варті вулиці гідні машини, а двигуни, безумовно, працюють набагато вище 10%. Підсумок, цифри пов'язані, і ви не можете просто з’єднати випадкові числа або ви закінчитеся смішними претензіями.
3. На низьких швидкостях шосе (знову ж, я люблю використовувати 60 МПГ для простоти розрахунків), більшість сучасних двигунів працюють приблизно від 15% до 18% TE (і є певна мінливість), а більшість сучасних седанів потребують десь від 15 до 20 BHP на маховик. Це означає, що МОСТІ седани середнього розміру отримують від 20 до 32 МПГ (TE x 44,5 х гал. = HP-годин: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 гал . І 20 / (. 15x44,5) = 3,00 гал. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG і 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. Причина, по якій виробники скорочують двигуни, полягає в тому, що менші двигуни прагнуть працювати з більшою ефективністю при ТОЖИМИ ВИХІДНІХ ВИХОДАХ. Автомобілі, які отримують кращий пробіг пального, ніж ті, що розраховані вище, зазвичай мають двигуни менше 2,0 літра.

Майте на увазі, що наведена діаграма стосується лише теплового ККД двигуна і не розглядає автомобіль, що рухається, як повноцінну систему, а також, що вертикальна вісь, як видається, позначається як відношення, а не відсотковий ККД, так що 0,2 на графік еквівалентний 20%

Для автомобіля в цілому навантаження двигуна не залежить від швидкості, оскільки сили тяжіння, як правило, збільшуються з квадратом швидкості.

Основна причина того, що двигуни ІС мають менший ККД при менших навантаженнях, полягає в тому, що багато втрат енергії є досить постійними, незалежно від виробленої потужності; До них належать потужність, необхідна для таких речей, як повітряна індукція, відкачування палива, теплоносія та мастил та живлення електричних систем. Тож при меншій потужності енергії ці втрати становлять значно більшу частку від загальної потужності, виробленої двигуном. Наприклад, скажіть, що двигун має постійну потребу в 1 кВт для всіх допоміжних пристроїв. Якщо він виробляє вихідну потужність 1 кВт, то ці втрати становлять половину загальної потужності, що виробляється, тоді як коли двигун розвиває 50 кВт, вони становлять лише 2% від загальної потужності.

У більш великому двигуні з більш високою потужністю, ці (приблизно) постійні втрати, як правило, будуть більшими, ніж у двигунах меншої потужності.

Крім того, ефективність двигуна не стосується безпосередньо мпг. Ефективний двигун у важкій машині все ще може мати більший витрата палива, ніж відносно неефективний двигун у легкій машині. Інакше кажучи, mpg пов'язаний з тим, скільки енергії вам потрібно, щоб пройти певну відстань, але ефективність вимірює, скільки цієї енергії витрачено.

На діаграмі "навантаження" - крутний момент, що створюється двигуном. Для тестування він буде підключений до деякого регульованого навантаження (наприклад, генератора та банку резисторів). Вироблена потужність - це крутний момент, помножений на кутову швидкість (RPM). Зауважте, що всі двигуни мають практичний обмеження частоти обертів, завдяки силам прискорення рухомих частин (особливо клапанів та шатунів), тому вихідна потужність є функцією як навантаження, так і обертів.

Інакше кажучи, навантаження на 25% не є 25% пікової потужності.

Я можу надати вам аналогію: для електричного двигуна постійного струму ефективність найвища в моменті, меншому за його максимальну потужність.

Механізми втрат - тертя від швидкого обертання та втрати магнітного ядра (струм, що проходить через залізний сплав) як параметр, що не залежить від крутного моменту. Якби не магнітні втрати, ефективність була б максимальною при крутному моменті = 0. Тож зрозумійте власні механізми втрат двигуна і подивіться, чи може застосовуватися крива одного типу.

Перефразовуючи своє запитання:
1. Скільки енергії використовує автомобіль при швидкості 60 м / с, роблячи 34 мпг?
2. Яка його ефективність, якщо для підтримки постійної швидкості потрібно 20 к.с.

У одиницях СІ:
Автомобіль зі швидкістю 26,8 м / с при 14,4 км / л вимагає 14,9 кВт

Емпіричні дані:
* ГВЧ для бензину приблизно 47 МДж / кг
* Щільність бензину приблизно 0,74 кг / л
=> ~ 35 МДж / л

Розрахунки:
PowerIn = (35MJ / L) * (26,8m / s) / (14km / L)
= (35kJ) * (26,8 / s) / (14), NB: MJ = kkJ
= 67kJ / s
= 67kW
ККД = 14,9 / 67
= 22,2%

NB1: Цитується 240 к.с. - максимальна потужність виходу.

NB2:% навантаження в діаграмі стосується максимальної потужності при цій конкретній швидкості. Це приблизно пропорційно об'ємній ефективності двигуна, що залежить від положення дросельної заслінки, термінів роботи клапана та резонансних характеристик колектора.

Цей графік підозрюваний. Якщо ви подивитеся на веб-сторінку, з якої вона взята, то зрозуміло, що автор цієї сторінки не розуміє основних термінів, якими він користується, як-от "навантаження", "потужність", "крутний момент" тощо. Будьте правильні, якщо ми інтерпретуємо "навантаження" як "крутний момент", оскільки добре відомо, що ефективність двигуна поліпшується, коли крутний момент збільшується і обертання зменшується (отже, ми "перегнали".

Підводячи підсумок, ефективність двигуна визначається у порядку зменшення:

1. Термодинаміка: Другий закон термодинаміки (теплові двигуни) . Неможливо витягти кількість теплової енергії з гарячого резервуару та використовувати його для роботи W. Певна кількість тепла КК повинна бути вичерпана до холодного резервуару. Це виключає ідеальний тепловий двигун.
2. Енергоємність палива: Питома енергоємність палива - це теплова енергія, яка отримується при спалюванні певної кількості (наприклад, галон, літр, кілограм). Іноді його називають теплом горіння. Його теоретичне значення визначається з вільної енергії Гіббса, яка є термодинамічним потенціалом, який вимірює "корисність" або роботу, що ініціює процес, отриману з термодинамічної системи при постійній температурі і тиску (ізотермічна, ізобарна) (у функції конкретного двигуна) .
3. Питома внутрішня ефективність двигуна внутрішнього згоряння: ККД сучасних двигунів внутрішнього згоряння визначається в основному співвідношенням повітря-паливо , ступінь стиснення , системи управління клапаном , управління температурою двигуна , в основному піклуються системами управління замкнутим контуру складався з датчиків (обсягу повітря, температура , лямбда-датчики), підключені до мікрокомп'ютера. Вони разом з, коробки передач , визначити оптимальну роботу двигуна при питомій положення дросельної заслінки , навантаження автомобіля і нахилу . ( Коефіцієнт лобового опору і шини розміру слід також враховувати.)