Як температура навколишнього середовища впливає на ефективність двигуна та витрату палива?


13

З мого класу фізики я пам’ятаю, що двигун Карно з ідеальним газом є більш ефективним, якщо різниця температур між джерелом тепла та термостатом («теплоприймачем») більша ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ hbase / thermo / carnot.html ).

І я завжди думав, що ця МОЖЕ бути застосовна до реальних двигунів, тому, маю визнати, я очікувала меншої витрати палива взимку. На жаль, я ще не відчув економії грошей на зимовому морозі.

Але, можливо, мої вимірювання були помилковими, а двигуни згоряння дійсно ефективніші, якщо надлишок тепла випромінюється легше?

PS: Я знаю, що холодний двигун також означає більш в'язке / густе масло. Тому я помітив значну втрату працездатності (потужності, справді) відразу після запуску мотора. Але мене більше цікавить стаціонарна ситуація, коли двигун теплий і готовий.


2
Одним із ускладнень вашого зимового споживання палива є те, що паливна суміш, що продається на АЗС, відрізняється взимку. Зимовий газовий суміш є більш летючим, завдяки чому автомобіль стартує. Він також менш енергійний, тому ви проїжджаєте менше миль на танк. Більше ви можете прочитати тут: itisscience.wordpress.com/2011/11/28/…
Джеймс Палмер

Чудове запитання. Сумно, що я сумував, коли він був свіжим. Схоже, @Paulster прибив це. :-)
DucatiKiller

Відповіді:


10

tl; dr: Температура навколишнього повітря, як правило, не повинна перешкоджати ефективності двигуна або витраті палива, але впливатиме на загальну потужність.

Не плутайте ефективність із вихідною потужністю . Це дві окремі речі. Коли заряд вашої споживачі більш щільний, ви можете кидати на нього більше палива і створювати більше енергії . ( ПРИМІТКА . Ідеєю системи управління двигуном є підтримання загального співвідношення повітря до палива 14,6: 1(також коротко називається стехіометричним або «стоїчним»). Це так звана «ідеальна» суміш повітря і палива, де все паливо спалюється, не залишаючись зайвого кисню. На жаль, стоїчну суміш зазвичай не отримують. Це трапляється через дві проблеми, які виникають, і ті, що пов'язані з кількістю тепла, яке утворюється в процесі горіння. По-перше, більш гаряче горіння може викликати детонацію. По-друге, вище температури горіння близько 1700degF, азот у повітрі, який надходить у двигун (разом з киснем - повітря містить ~ 78% азоту та ~ 20% кисню) і горить. При цьому утворюється NO2 або Діоксид азоту. Це є основним забруднювачем повітря і було основною причиною кислотних дощів, про які говорили у 70-х роках у Каліфорнії. Для нас також дуже погано дихати - насправді токсично.)

Зворотний бік цього - ефективність , яка в умовах двигунів означає отримати більше корисної потужності від тієї ж кількості палива. За останні кілька десятиліть було досягнуто великих успіхів у напрямку ефективності двигуна. Один із способів їх досягнення - через турбозарядку. Простіше кажучи, турбозарядка - це спосіб використання теплової енергії, яка інакше відкидається у процесі вихлопу. Турбо здатний збільшувати повітряний заряд за допомогою тиску, створюваного з вихлопних газів, що дозволяє комп’ютеру скидати більше палива на впускний заряд, тим самим роблячи більше енергії. Це може призвести до дуже великої "іншої" дискусії, тому я залишу її тут. Потрібно сказати, що енергія виробляється ефективніше за допомогою цього методу, ніж через нормальне прагнення, і таким чином двигун може зробити більше енергії з меншим рівнем палива.

Ще одним способом підвищення ефективності двигуна є підвищення коефіцієнта стиснення ( CR ) двигуна. Загальне правило для CR полягає в тому, що для кожної точки, що додається, потужність вашої потужності підвищиться приблизно на 3%. Якщо ви збільшуєте потужність, не додаючи більше палива, це підвищує ефективність.

Більш холодний повітряний заряд, що йде в двигун, буде щільніше і міститиме більше кисню, ніж тепліший аналог. Ви все ще використовуєте більше палива для створення більшої потужності, тому немає додаткової переваги ефективності.

Поки ви запропонували не включати холодний пуск, є причина, що ви не побачите кращого споживання палива в цей період. Причина полягає в тому, що комп’ютер насправді кидає більше палива в суміш, щоб забезпечити підвищення стабільності двигуна (допомогти йому працювати безперебійно - як дросель на карбюрованому двигуні) та допомогти каталітичному перетворювачу швидше прогрітися, допомагаючи досягти максимальної ефективності швидше.

На насправді, двигуни внутрішнього згоряння може бути дуже небагато більш ефективно , якщо вони можуть використовувати тепло замість того , щоб випромінювати його. Пам'ятайте, що випромінюване тепло - це втрачена енергія . Якщо ви можете використовувати тепло для отримання більшої енергії або створити ту саму потужність ефективніше, вам просто краще всі разом.

Те, про що я говорю, - це концепція, яку хлопець на ім'я Генрі "Смокі" Юнік освоїв на початку 80-х. Він працював над ідеєю, яку придумав Ральф Джонсон на початку 50-х, поки Ральф працював у GM. Ідея двигуна з гарячим повітрям, в якому повітря нагрівається до приблизно 400degF і гомогенізується(дуже добре змішується) до такої точки, коли це не призведе до детонації. Ви можете прочитати статтю, але причина, коли її сьогодні немає у транспортних засобах, є дворазовою. По-перше, вони спробували перетворити його на комплект болтів, але не змогли цього зробити, оскільки для цього потрібні модернізовані деталі для поршнів і кілець, що насправді є не стільки комплектом "затяжки", що робить його набагато дорожче, ніж цільові ціни, за якими вони стріляли. По-друге, Смокі, на жаль, помер деякий час назад. Занадто багато його таємниць загинуло разом із ним, коли він зберігав деталі в голові. Це справді сумно, тому що він зробив якусь справді ДУХОВУ роботу і мав з ним революційні винаходи та ідеї.

Двигун з гарячим повітрям летить перед поширеними думками про індукцію холодного повітря та ваше питання. Загальна мудрість стверджує, що чим холодніше повітря, що потрапляє в двигун, тим краще вихід. І це в основному вірно з (те, що ми сьогодні вважаємо) нормальними двигунами (двигун гарячого повітря Smokey є надмірним).


1
Двигун з гарячим повітрям у кращому випадку здається хитромудрим.
FarO

До речі, ви можете підвищити ефективність, збільшивши лише такий коефіцієнт стиснення (навіть ігноруючи самозапалювання): в певний момент енергія, яку ви використовуєте для стискання, збільшується настільки, що це не окупається за рахунок підвищення ефективності.
FarO

@OlafM - Вам потрібно розслідувати Смокі Юніка, який був чистим механічним генієм першого порядку. Подивіться на його досягнення, а потім поверніться і доведіть мені, що він створив "підступ" двигуна. Тільки тому, що ідея летить перед обличчям "загальної мудрості", це не означає, що він створив обман. Він був по лінії Нікола Тесла, але з механічної точки зору ... Я думаю, що багато його мудрості, на жаль, пішло в могилу з ним, що в обох випадках - це сумна втрата для світу.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

1
Ні, це фізика. Це не працює, і це відома афера . Поставте прапорець "Афера Смокі Юнік". Вибачте, що зруйнували мрію :) Це стискає вже гарячий газ ??? енергія для його стиснення значно збільшується з температурою, наприклад, ЧОМУ повітря охолоджується в інтеркулері після турбо, наприклад. Чи знаєте ви про фізику та термодинаміку та формули газів? достатньо базового інженерного ступеня. Все-таки частина вашої відповіді про це абсолютно не відповідає темі. Ви повинні видалити його в будь-якому випадку, оскільки він не пов'язаний між собою і не надає додаткової корисної інформації.
FarO

@OlafM - Це не моя мрія, тому повір у те, що хочеш повірити. Наука лише настільки ж хороша, як і останній експеримент. Якщо це афера, як ви сказали, - доведіть це .
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

5

Нижня "холодна сторона" циклу Карно призводить до кращої теоретичної ефективності, але ви обчислили, скільки? 10-20 K холодніше споживання з тією ж температурою спалювання 1000 K впливають на остаточну ефективність на 1%. І ця ефективність у будь-якому випадку становить 70%, тож можна здогадатися, що існує так багато параметрів, що знижують остаточну ефективність до 25%, що Carnot має мало значення в автомобілі.

І в будь-якому випадку двигун повинен бути перепрофільований, щоб використовувати ту нижню "холодну сторону", якщо ви хочете однакову температуру горіння, тому що якщо ви просто знизите всмоктуване повітря в звичайному двигуні, ви в кінцевому підсумку опуститеся на стільки ж. також "гаряча сторона" температури ", знижуючи підвищення ефективності ще більше.

Взимку машини використовують більше палива, тому що повітря щільніше, і ви повинні його відштовхувати, шини мають більше тертя, і вам доведеться їх сильніше штовхати, масло в трансмісії стає густішим і спричиняє більше втрат, ви використовуєте нагрівання та інші функції, які використовують енергію (що виходить від палива, звичайно, у вас менше, ніж насправді рухати машину), паливо відрізняється в першу чергу для посилення горіння при холодних температурах (це означає, що воно модифіковане для кращого спалювання, але має менше енергії всередині, тому вам потрібно більше) тощо.

Ви можете мати до 50% гіршу економію палива взимку, в конкретних ситуаціях навіть на 100% гірше (це означає, що витрата палива подвоюється).

Як приклад причин збільшення споживання палива: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

Редагувати

До речі, моя помилка: максимальна ефективність 1- (T_low / T_high)) стосується Carnot, але двигун Otto має іншу максимальну ефективність, див. Https://physics.stackexchange.com/questions/168912/carnot- vs-otto

Це також означає, що двигун вже набагато ближче до теоретичної ефективності, ніж те, що часто є.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.