Powiedzmy, że samochód z prędkością 60 mil na godzinę wymaga około 20 KM, aby utrzymać swoją prędkość (tzn. Pokonać opór toczenia i opór).

Jeśli ten samochód ma moc 240 KM i osiąga około 34 mpg (niezbyt realistycznie), to w jaki sposób uzyskuje 34 mpg, jeśli silnik ma tylko sprawność 0,05? Wiem, że nowoczesne samochody powinny mieć limit wydajności blisko 25-30% dzięki panu Carnotowi :

Wykres stąd .

Wydaje mi się, że przekładnia musi być częścią odpowiedzi, ale trudno mi zrozumieć, w jaki sposób przekładnia pozwala silnikowi wygenerować 20 KM, a jednocześnie wyraźnie wyższą wydajność niż wskazano w tabeli dla niskiego obciążenia silnika.

Może nie rozumiem dokładnie, o co chodzi z ładowaniem silnika?

Sprawność termodynamiczna a zużycie paliwa

Gdy podajesz wydajność wynoszącą 25–30% dla energii spalania wewnętrznego, mówisz o wydajności termodynamicznej silnika. Jest to, na poziomie teoretycznym, oparte na różnicy temperatur. Nie ma to nic wspólnego z paliwem.

Przytaczając oszczędność paliwa wynoszącą 34 mile na galon , mówisz teraz o czymś, co zależy w dużym stopniu od innych czynników - na przykład od gęstości energii paliwa . Ile energii wydobywalnej jest w galonie benzyny? Co powiesz na galon antymaterii? Galon mleka czekoladowego?

Wiele silników może przyjmować różne paliwa lub mieszanki paliw o różnych gęstościach energii, bez znaczącej zmiany ich wydajności termodynamicznej. Na przykład etanol miesza się z benzyną, ale ma gęstość energii o około 30% niższą niż benzyna; galon jednego nie jest równy galonowi drugiego.

Praca silnika przy określonej wydajności termodynamicznej oznacza różnicę temperatur; aby utrzymać tę różnicę temperatur, należy dodać energię w pewnym tempie. Uzyskanie takiej samej wydajności termodynamicznej, gdy paliwo ma niższą gęstość energii, oznacza po prostu zwiększenie szybkości dostarczania paliwa ($Q$ lub $\dot{m}$), aby szybkość dostarczania energii ($q_{in}$) pozostaje niezmienna. Ignoruje to różne niuanse tego, jak silniki spalają różne paliwa, ale ogólnie rzecz biorąc, nie ma bezpośredniego związku między wydajnością termodynamiczną a oszczędnością paliwa.

Znaczenie obciążenia silnika

Wydaje mi się, że przekładnia musi być częścią odpowiedzi, ale trudno mi zrozumieć, w jaki sposób przekładnia pozwala silnikowi wygenerować 20 KM, a jednocześnie wyraźnie wyższą wydajność niż wskazano w tabeli dla niskiego obciążenia silnika.

Może nie rozumiem dokładnie, o co chodzi z ładowaniem silnika?

Gdy samochód nie przyspiesza, obciążenie silnika pochodzi od sił działających na ruch silnika. Tarcie wewnętrzne (tłoki, wał korbowy, przekładnia itp.), Tarcie zewnętrzne (opony na nawierzchni drogi), opór, grawitacja (podczas jazdy pod górę). „Obciążenie” oznacza, ile mocy potrzeba na silnik, aby samochód miał pewną prędkość i przyspieszenie.

Jak zauważyłeś, gdy pojazd jedzie po autostradzie, potrzebuje tylko niewielkiego procentu całkowitej dostępnej mocy wyjściowej, aby utrzymać prędkość. O ile nie mówimy o naprawdę dużych prędkościach i / lub wyjątkowo bezlitosnym cudu samochodu, jazda po autostradzie po prostu nie jest sytuacją przy dużym obciążeniu. Twoje zamieszanie wydaje się wynikać z faktu, że pojazdy osiągają lepszą oszczędność paliwa podczas jazdy z prędkością na autostradzie niż podczas przyspieszania.

Kluczową rzeczą do zrozumienia jest to, że uzyskanie lepszej oszczędności paliwa nie oznacza, że ​​silnik pracuje z wyższą sprawnością termodynamiczną, ponieważ istnieje wiele innych czynników, które wpływają na oszczędność paliwa. Wydajność termodynamiczna cyklu Carnota jest tylko jednym z tych czynników. Kolejnym czynnikiem jest wydajność reakcji spalania (która technicznie nie jest częścią cyklu Carnota). Innym jest, ile mocy zużywa się do przyspieszenia pojazdu (użyteczna praca), a ile traci się na tarcie, opór i przewodzenie (ciepło odpadowe,$q_{out}$).

Obliczanie zużycia paliwa

Rozważ następującą zależność - skąd bierze się ładowanie silnika?

W wyidealizowanej sytuacji, bez oporu pojazdu, minimalnego tarcia wewnętrznego i zewnętrznego, podczas jazdy w płaszczyźnie poziomej, moc wymagana do utrzymania dowolnej prędkości jest równa zero. Oznacza to, że obciążenie silnika (gdy nie przyspiesza) jest również równe zeru. Wydajność Carnota jest w tym momencie nieistotna, ale byłaby również bardzo niska. Jednak zużycie paliwa byłoby ogromne, ponieważ masz trochę$v$ w liczniku o wartości prawie zero $Q$ w mianowniku.

Przeciwna sytuacja jest jeszcze łatwiejsza do wykazania; możesz to zrobić w domu we własnym samochodzie. Podłóż akcelerator z przekładnią w położeniu neutralnym. (W rzeczywistości nie rób tego.) Natychmiastowy scenariusz wysokiego obciążenia, gdy przyspieszacie piekło z tego wału korbowego, ale$v = 0$, więc zużycie paliwa wynosi zero.

Realistyczne scenariusze są bardziej skomplikowane, ale w skrócie długa historia mówi, że reakcja spalania zachodząca w cylindrze silnika jest znacznie mniej wydajna w okresach bardzo dużego przyspieszenia (tj. Przy maksymalnym obciążeniu).Więcej paliwa przepływa przez silnik niespalony lub tylko częściowo spalony, co oznacza, że ​​nie pobrałeś tyle energii z tego samego galonu paliwa. Nadal gdzieś się wybierasz, a silnik pracuje z wyższą sprawnością termodynamiczną ze względu na obciążenie, jakie na nim nakładasz, ale pod względem oszczędności paliwa korzyść tę zmniejsza koszt niższej wydajności spalania. Jest nawet możliwe, gdy wydajność spalania jest bardzo niska, aby koszt ten całkowicie przeszedł korzyść z dużego obciążenia. (Można się tego spodziewać, jeśli pojazd był bardzo źle konserwowany. W rzeczywistości tak wiele zależy od wieku samochodu, jakości jego jednostek sterujących, biegu, w którym przyspieszasz, że trudno jest dokładnie przewidzieć dla ogólnego scenariusza.)

Inną rzeczą, o której chcę wspomnieć, jest to, że musisz rozważyć, dokąd zmierza twoja moc. „Duże obciążenie silnika” oznacza po prostu, że wymagana jest duża moc, którą silnik jest w stanie wytworzyć; nie mówi ci, dokąd zmierza moc. Jeśli ma zamiar walczyć z oporem, który zwiększa się jako kwadrat prędkości, oznacza to marnowanie mocy i marnowanie paliwa. Możesz dostarczyć go bardzo wydajnie, ale jeśli nie zwiększa prędkości * pojazdu, nie przyczynia się do oszczędności paliwa. Wygląda to wydajnie tylko wtedy, gdy obrysujesz granice systemu wokół silnika i zignorujesz przeznaczenie samochodu.

* Technicznie należy również wziąć pod uwagę wysokość, ale zużycie paliwa jest zazwyczaj obliczane w kategoriach odległości poziomej ścieżki. Przyjmuje się, że zyski i straty wynikające ze zmiany wysokości całkowicie się znoszą lub uwzględniane są zgrubne współczynniki korekcyjne.

Fabuła w pytaniu nie dotyczy zadawanej sytuacji. Wydajność silnika samochodowego zmienia się dynamicznie podczas jazdy, zarówno poprzez zmianę prędkości obrotowej, jak i dławienie przepływu powietrza na wlocie.

Najwyższa wydajność silnika samochodowego jest gdzieś w środku, z nieefektywnością zarówno przy wysokich, jak i niskich obciążeniach. Przy obciążeniu 10% wydajność jest wciąż lepsza niż połowa tego, co osiąga w szczycie.

Ale powiedzmy, że osiągamy 10% wydajności przy 34mpg. Nie ma w tym żadnej niespójności. Oznacza to po prostu, że jeśli uda Ci się w jakiś sposób osiągnąć 100% wydajność, otrzymasz 340mpg w tym scenariuszu obciążenia.

Silniki benzynowe mają bardzo niską sprawność przy niskim obciążeniu ... bez żadnych „ale”. Wydajność 34mpg nie jest podawana przy niskim obciążeniu.

Jest idealna prędkość, przy której występuje maksymalny przebieg ... sprawność silnika rośnie wraz ze wzrostem obciążenia, jednak straty oporu powietrza rosną wraz z kwadratem prędkości.

Istnieją dwa główne powody słabej wydajności przy niskim obciążeniu:

1. Przy niskim obciążeniu znaczny procent wykonanej pracy jest wykorzystywany do przezwyciężenia tarcia silnika.
2. Przy niskim obciążeniu efektywny współczynnik kompresji jest bardzo niski, co z kolei prowadzi do bardzo niskiej wydajności.

Moc wytwarzana przez silnik jest iloczynem prędkości kątowej przez dostępny moment obrotowy przy tej prędkości kątowej. Funkcja skrzyni biegów polega jedynie na dopasowaniu prędkości silnika do prędkości na drodze.

Przebieg jazdy w mieście jest mniejszy niż przebieg na autostradzie, głównie z powodu ciągłego hamowania, które rozprasza energię kinetyczną w postaci ciepła oraz na biegu jałowym na światłach lub znakach stop.

Wiem, że to stara nić, ale nie mogę się powstrzymać przed jej dźgnięciem. Zwłaszcza gdy w innych odpowiedziach jest tyle złych lub niepowiązanych informacji.

1. Efektywność cieplna i przebieg paliwa są powiązane - należy jednak wziąć pod uwagę inne czynniki.

   Gęstość energii paliwa jest czynnikiem. W przypadku silników benzynowych jest to około 44,5 KM godzin (ponieważ mpg pojawia się przez pewien czas, a moment obrotowy jest natychmiastowy, użyję HP, jeśli przeszkadza to tylko pomnożyć przez 5252 i podzielić przez RPM do przetłumaczenia. Pomimo wszystkich argumentów o tym, który silnik mierzy wydajność „lepsza”, są one bezpośrednio powiązane algebraicznie), a jeśli użyjesz 20 HP i spalisz 1 galon paliwa, otrzymasz 20 / 44,5 = 44,9% sprawności cieplnej netto; gdybyś mógł to zrobić przy 60 MPH, dostałbyś 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. W jednym z podanych powyżej przykładów użyto 10% wydajności przy 34 MPG. Przyjmę 60 mil na godzinę, aby matematyka była prosta; 10% x44,5 = 4,45 HP godzin na galon. Osiągnięcie 34 MPG przy 60 MPH wymaga: 60/34 = 1,765 galonów na godzinę benzyny (MPH / MPG = GPH). Jeśli wyodrębnisz 4,45 HP z 1,765 galonów benzyny, zużyjesz w sumie 7,85 HP. Nie można uzyskać 340 MPG ze 100% sprawnego samochodu napędzanego silnikiem benzynowym w prawdziwym świecie (nawet jeśli dopuszcza się uznaną niemożność 100% wydajnego silnika), ponieważ nie można zmusić samochodu do jazdy z prędkością 60 MPH przy użyciu mniej niż 8 HP! Są pojazdy, które mają jeszcze większy przebieg paliwa, ale nie ma samochodów godnych ulic, a silniki z pewnością pracują znacznie powyżej 10%. Podsumowując, liczby SĄ powiązane i nie możesz po prostu sparować losowych liczb lub skończysz z śmiesznymi roszczeniami.
3. Przy niskich prędkościach na autostradzie (znowu lubię używać 60 MPH, aby ułatwić obliczenia), większość nowoczesnych silników pracuje w przedziale od 15% do 18% TE (i jest pewna zmienność), a większość nowoczesnych sedanów wymaga około 15 do 20 BHP przy koło zamachowe. Oznacza to, że NAJWYŻSZE sedany średniej wielkości uzyskują między 20 a 32 MPG (TE x 44,5 x gal. = Godzin HP: 15 / (. 18 x 44,5) = 1,87 gal . I 20 / (. 15 x 44,5 ) = 3,00 gal. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG i 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. Powodem, dla którego producenci zmniejszają rozmiary silników, jest to, że mniejsze silniki mają tendencję do działania z większą wydajnością W TYM SAMYM MOCY. Samochody, które mają lepszy przebieg paliwa niż obliczone powyżej, zwykle mają silniki mniejsze niż 2,0 litry.

Należy pamiętać, że pokazana tabela odnosi się do sprawności cieplnej samego silnika i nie uważa jadącego samochodu za kompletny system, a także, że oś pionowa wydaje się być oznaczona raczej jako stosunek niż wydajność procentowa, więc 0,2 wykres odpowiada 20%

W całym samochodzie obciążenie silnika nie jest niezależne od prędkości, ponieważ siły oporu zwykle rosną wraz z kwadratem prędkości.

Głównym powodem, dla którego silniki spalinowe mają niższą sprawność przy niższych obciążeniach, jest to, że wiele strat energii jest dość stała, niezależnie od wytwarzanej mocy; obejmują one moc potrzebną do takich rzeczy, jak indukcja powietrza, pompowanie paliwa, chłodziwa i smarów oraz zasilanie układów elektrycznych. Zatem przy niższej mocy wyjściowej straty te stanowią znacznie większą część całkowitej mocy wytwarzanej przez silnik. Powiedzmy na przykład, że silnik ma stałe zapotrzebowanie na 1 kW dla wszystkich urządzeń pomocniczych. Jeśli wytwarza moc wyjściową 1 kW, straty te stanowią połowę wytwarzanej mocy całkowitej, podczas gdy gdy silnik rozwija 50 kW, stanowią one tylko 2% całkowitej mocy.

W większym silniku o większej mocy wyjściowej te (w przybliżeniu) stałe straty będą zwykle większe niż w silniku o mniejszej pojemności.

Również wydajność silnika nie odnosi się bezpośrednio do mpg. Wydajny silnik w ciężkim samochodzie może nadal mieć większe zużycie paliwa niż stosunkowo mało wydajny silnik w lekkim samochodzie. Innymi słowy, mpg wiąże się z ilością energii potrzebnej do pokonania określonej odległości, ale wydajność mierzy, ile energii marnuje się.

Na schemacie „obciążenie” to moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Do celów testowych zostanie podłączony do pewnego regulowanego obciążenia (np. Generatora i zestawu rezystorów). Wytworzona moc to ten moment obrotowy pomnożony przez prędkość kątową (RPM). Należy pamiętać, że wszystkie silniki mają praktyczne ograniczenie obrotów na minutę ze względu na siły przyspieszenia na częściach ruchomych (zwłaszcza zawory i korbowody), więc moc wyjściowa jest funkcją zarówno obciążenia, jak i obrotów na minutę.

Innymi słowy, 25% obciążenia to nie to samo co 25% mocy szczytowej.

Mogę dać ci analogię: w przypadku silnika elektrycznego prądu stałego wydajność jest najwyższa w punkcie MNIEJSZYM niż maksymalna moc znamionowa.

Mechanizmy strat to tarcie spowodowane szybkim obrotem, a straty magnetyczne (prąd przechodzący przez stop żelaza) jako parametr niezależny od momentu obrotowego. Gdyby nie straty magnetyczne, wydajność byłaby maksymalna przy momencie obrotowym = 0. Zrozum więc swoje własne mechanizmy utraty silnika i sprawdź, czy można zastosować ten sam typ krzywej.

Przeredagowanie pytania:
1. Ile energii zużywa samochód przy prędkości 60 km / h przy 34mpg?
2. Jaka jest jego wydajność, jeśli wymaga 20 KM do utrzymania stałej prędkości?

W jednostkach SI:
samochód o prędkości 26,8 m / s wykonujący 14,4 km / l wymaga 14,9 kW

Dane empiryczne:
* HHV dla benzyny około 47 MJ / kg
* Gęstość benzyny około 0,74 kg / l
=> ~ 35 MJ / l

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

NB1: Podana wartość 240 KM to maksymalna moc WYJŚCIA.

NB2:% obciążenia na schemacie odnosi się do maksymalnej mocy przy tej konkretnej prędkości. Jest to w przybliżeniu proporcjonalne do wydajności objętościowej silnika, która zależy od położenia przepustnicy, rozrządu zaworu i charakterystyki rezonansu kolektora.

Ten wykres jest podejrzany. Jeśli spojrzysz na stronę internetową, z której została pobrana, jasne jest, że autor tej strony nie rozumie podstawowych terminów, których używa, takich jak „obciążenie”, „moc”, „moment obrotowy” itp. Tabela może być poprawnym, jeśli interpretujemy „obciążenie” jako „moment obrotowy”, ponieważ dobrze wiadomo, że wydajność silnika poprawia się wraz ze wzrostem momentu obrotowego i zmniejszeniem wirowania (stąd mamy „nadbieg”).

Podsumowując, sprawność silnika jest ustalana w kolejności malejącej przez:

1. Termodynamika: druga zasada termodynamiki (silniki cieplne) . Niemożliwe jest wydobycie QH ciepła z gorącego zbiornika i wykorzystanie go do wykonania pracy W. Pewna ilość ciepła QC musi zostać zużyta do zimnego zbiornika. Wyklucza to doskonały silnik cieplny.
2. Zawartość energetyczna paliwa: Właściwa zawartość energetyczna paliwa to energia cieplna uzyskana podczas spalania określonej ilości (np. Galon, litr, kilogram). Czasami nazywa się to ciepłem spalania. Jego wartość teoretyczną określa się na podstawie energii swobodnej Gibbsa, która jest potencjałem termodynamicznym, który mierzy „użyteczność” lub pracę inicjującą proces uzyskiwaną z układu termodynamicznego przy stałej temperaturze i ciśnieniu (izotermiczne, izobaryczne) (w zależności od konkretnego silnika) .
3. Specyficzna sprawność silnika spalinowego: wydajność nowoczesnych silników spalinowych zależy głównie od stosunku powietrza do paliwa , stopnia sprężania , układów sterowania zaworów , zarządzania temperaturą silnika , w większości obsługiwanych przez układy sterowania w zamkniętej pętli składające się z czujników (objętość powietrza, temperatura , sondy lambda) podłączone do mikrokomputera. Są wraz z, przekładnia , określenie optymalnego działania silnika w określonych położenia przepustnicy , obciążenia samochodów i nachylenia . ( Współczynnik oporu i opon o wymiarach należy również wziąć pod uwagę.)