Jak temperatura otoczenia wpływa na wydajność silnika i zużycie paliwa?


13

Z mojej klasy fizyki pamiętam, że silnik Carnot na gaz idealny jest bardziej wydajny, jeśli różnica temperatur między źródłem ciepła a termostatem („odbiornikiem ciepła”) jest większa ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ hbase / thermo / carnot.html ).

I zawsze myślałem, że MOŻE to dotyczyć prawdziwych silników, więc muszę przyznać, że spodziewałem się niższego zużycia paliwa zimą. Niestety, nie doświadczyłem jeszcze oszczędzającej pieniądze mocy zimowego mrozu.

Ale może moje pomiary były wadliwe, a silniki spalinowe są rzeczywiście bardziej wydajne, jeśli nadmiar ciepła jest łatwiej emitowany?

PS: Wiem, że zimny silnik to także lepki / gęsty olej. Zauważyłem więc znaczną utratę wydajności (mocy, naprawdę) zaraz po uruchomieniu silnika. Ale bardziej interesuje mnie sytuacja stacjonarna, kiedy silnik jest ciepły i gotowy.


2
Jedną z komplikacji zimowego zużycia paliwa jest to, że mieszanka paliw sprzedawana na stacjach benzynowych jest inna zimą. Zimowy gaz mieszany jest bardziej lotny, co powoduje uruchomienie pojazdu. Ma również mniejszą gęstość energii, więc pokonujesz mniej mil na zbiornik. Możesz przeczytać więcej tutaj: itisscience.wordpress.com/2011/11/28/…
James Palmer

Świetne pytanie. Smutne, że tęskniłem, gdy było świeże. Wygląda na to, że @Paulster go przybił. :-)
DucatiKiller

Odpowiedzi:


10

tl; dr: Temperatura otaczającego powietrza zasadniczo nie powinna zakłócać wydajności silnika ani zużycia paliwa, ale wpłynie na ogólną moc wyjściową.

Nie należy mylić wydajności z mocą wyjściową . To dwie odrębne rzeczy. Kiedy ładunek wlotowy jest gęstszy, możesz wrzucić do niego więcej paliwa i wytworzyć więcej mocy . ( UWAGA: Ideą systemu zarządzania silnikiem jest utrzymanie ogólnego stosunku powietrza do paliwa 14,6: 1(zwany też w skrócie stechiometryczny lub „stoicki”). Jest to tak zwana „idealna” mieszanka powietrza i paliwa, w której całe paliwo jest spalane bez dodatkowego tlenu. Niestety zwykle nie uzyskuje się stoickiej mieszaniny. Dzieje się tak z powodu dwóch problemów, które powstają w związku z ilością ciepła wytwarzanego podczas procesu spalania. Po pierwsze, cieplejsze spalanie może spowodować detonację. Po drugie, powyżej temperatury spalania około 1700 ° C azot w powietrzu, który jest wprowadzany do silnika (wraz z tlenem - powietrze zawiera ~ 78% azotu i ~ 20% tlenu) i pali się. Powoduje to wytwarzanie NO2 lub dwutlenku azotu. Jest to główne zanieczyszczenie powietrza i było główną przyczyną kwaśnych deszczy, o których mówiono w latach 70. w Kalifornii. Oddychanie jest dla nas bardzo złe - w rzeczywistości toksyczne).

Drugą stroną tego jest wydajność , która w kontekście silników oznacza uzyskanie większej mocy użytecznej z tej samej ilości paliwa. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci poczyniono wielkie postępy w zakresie wydajności silnika. Jednym ze sposobów, w jaki to osiągnęli, jest turbodoładowanie. Mówiąc prościej, turbodoładowanie jest sposobem wykorzystania energii cieplnej, która w przeciwnym razie jest odrzucana w procesie wydechowym. Turbo może zwiększyć ładunek powietrza za pomocą ciśnienia wytwarzanego przez gazy spalinowe, co pozwala komputerowi zrzucić więcej paliwa przy ładunku dolotowym, zwiększając w ten sposób moc. Może to prowadzić do bardzo dużej „innej” dyskusji, więc zostawię to tutaj. Nie trzeba dodawać, że moc jest wytwarzana bardziej efektywnie dzięki tej metodzie niż poprzez normalne zasysanie, a zatem silnik może wytwarzać więcej mocy przy mniejszym zużyciu paliwa.

Innym sposobem na poprawę wydajności silnika jest zwiększenie stopnia sprężania ( CR ) silnika. Ogólna zasada dla CR jest taka, że ​​za każdy punkt dodanego CR Twoja moc wyjściowa wzrośnie o około 3%. Zwiększenie mocy bez dodawania większej ilości paliwa oznacza zwiększenie wydajności.

Chłodniejszy ładunek powietrza wchodzącego do silnika będzie gęstszy i będzie zawierał więcej tlenu niż jego cieplejszy odpowiednik. Nadal zużywasz więcej paliwa, aby wytworzyć więcej mocy, więc nie ma dodatkowej korzyści w zakresie wydajności.

Chociaż zasugerowałeś, aby nie uwzględniać zimnego rozruchu, istnieje powód, dla którego nie zobaczysz lepszego zużycia paliwa w tym okresie. Powodem jest to, że komputer faktycznie wrzuca więcej paliwa do mieszanki, aby zapewnić większą stabilność silnika (pomóc utrzymać płynną pracę - jak dławik w silniku z gaźnikiem) i aby pomóc w szybszym rozgrzaniu się katalizatora, pomagając mu osiągnąć maksymalną wydajność szybciej.

W rzeczywistości silniki spalinowe mogą być znacznie bardziej wydajne, jeśli mogą wykorzystywać ciepło zamiast go promieniować. Pamiętaj, że promieniowane ciepło to utracona energia . Jeśli możesz wykorzystać ciepło do wytworzenia większej mocy lub wytworzyć tę samą moc bardziej efektywnie, po prostu lepiej razem.

Mówię o koncepcji, którą facet o nazwisku Henry „Smokey” Yunick opanował na początku lat 80-tych. Zrealizował pomysł, który wymyślił Ralph Johnson na początku lat 50., podczas gdy Ralph pracował w GM. Idea silnika na gorące powietrze, w którym powietrze jest podgrzewane do około 400 stopni i homogenizowane(bardzo dobrze zmieszany) do punktu, w którym nie miałby detonacji. Możesz przeczytać artykuł, ale powód, dla którego nie ma go dzisiaj w pojazdach, jest podwójny. Najpierw próbowali zrobić z niego zestaw do przykręcania, ale nie mogli tego zrobić, ponieważ wymagało to ulepszonych części tłoków i pierścieni, co w rzeczywistości nie jest tak bardzo zestawem do przykręcania i sprawia, że ​​jest to dużo droższe niż ceny docelowe, za które strzelali. Po drugie, Smokey niestety zmarł jakiś czas temu. Zbyt wiele jego tajemnic zginęło wraz z nim, gdy trzymał szczegóły w swojej głowie. To jest naprawdę smutne, ponieważ wykonał naprawdę niesamowitą pracę i miał rewolucyjne wynalazki i pomysły, które umarły wraz z nim.

Silnik na gorące powietrze leci w obliczu powszechnego myślenia o indukcji zimnego powietrza i twojego pytania. Powszechnie wiadomo, że im zimniejsze powietrze dostaje się do silnika, tym lepsza moc. I jest to w zasadzie prawda w przypadku (co dzisiaj rozważamy) normalnych silników (silnik gorącego powietrza Smokey jest wartością odstającą).


1
Silnik na gorące powietrze wydaje się w najlepszym razie mistyfikacją.
FarO,

Nawiasem mówiąc, możesz uzyskać lepszą wydajność, zwiększając tylko tak bardzo współczynnik kompresji (nawet ignorując samozapłon): w pewnym momencie energia używana do kompresji wzrasta tak bardzo, że nie jest zwracana przez zwiększoną wydajność.
FarO,

@OlafM - Musisz zbadać Smokeya Yunicka, który był czystym mechanicznym geniuszem pierwszego rzędu. Spójrz na jego osiągnięcia, a potem wróć i udowodnij mi, że wyprodukował silnik „mistyfikacji”. To, że ten pomysł wypada w obliczu „powszechnej mądrości”, nie oznacza, że ​​stworzył mistyfikację. Był podobny do Nikoli Tesli, ale z mechanicznego punktu widzenia ... Myślę, że wiele jego mądrości trafiło niestety do grobu, co w obu przypadkach jest smutną stratą dla świata.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

1
Nie, to fizyka. To nie działa i jest to oszustwo znane jako takie . Zaznacz „Oszustwo Smokey Yunick”. Przepraszam, że zrujnowałem twoje marzenie :) Kompresuje już gorący gaz ??? energia do jej sprężania znacznie wzrasta wraz z temperaturą, DLACZEGO na przykład powietrze jest chłodzone w intercoolerze po turbodoładowaniu. Czy wiesz o fizyce i termodynamice oraz formułach gazów? wystarczy podstawowy stopień inżyniera. Mimo to część Twojej odpowiedzi na to pytanie jest całkowicie nie na temat. W każdym przypadku powinieneś go usunąć, ponieważ nie jest on powiązany i nie zapewnia żadnych dodatkowych użytecznych informacji.
FarO,

@OlafM - To nie jest moje marzenie, więc wierz w to, w co chcesz wierzyć. Nauka jest tak dobra, jak ostatni eksperyment. Jeśli jest to oszustwo, jak powiedziałeś - udowodnij to .
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

5

Niższa „zimna strona” cyklu Carnota prowadzi do lepszej wydajności teoretycznej, jasne, ale czy obliczyłeś ile? Chłodzenie na wlocie o 10-20 K przy tej samej temperaturze spalania 1000 K wpływa na wydajność końcową o 1%. Ta sprawność wynosi w każdym razie 70%, więc można się domyślić, że istnieje o wiele więcej parametrów obniżających końcową wydajność do 25%, że Carnot ma niewielkie znaczenie w samochodzie.

W każdym razie silnik musi zostać przeprojektowany, aby użyć tej niższej „zimnej strony”, jeśli chcesz uzyskać tę samą temperaturę spalania, ponieważ jeśli po prostu obniżysz powietrze wlotowe w normalnym silniku, ostatecznie obniżysz o tę samą wartość także temperatura „gorącej strony”, co jeszcze bardziej zmniejsza przyrost wydajności.

Zimą samochody zużywają więcej paliwa, ponieważ powietrze jest gęstsze i trzeba go odepchnąć, opony mają większe tarcie i trzeba je popchnąć mocniej, olej w przekładni staje się grubszy i powoduje większe straty, wykorzystuje się ogrzewanie i inne funkcje, które zużywają energię (który pochodzi z paliwa, oczywiście masz mniej do przeniesienia samochodu), paliwo jest przede wszystkim inne, aby zwiększyć spalanie w niskich temperaturach (oznacza to, że jest zmodyfikowany, aby spalać się lepiej, ale ma mniej energii wewnątrz, więc potrzebujesz więcej) i tak dalej.

Możesz mieć do 50% gorsze zużycie paliwa zimą, w szczególnych sytuacjach nawet o 100% gorsze (oznacza to, że zużycie paliwa podwaja się).

Jako przykład przyczyn większego zużycia paliwa: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

Edytować

Nawiasem mówiąc, mój błąd: maksymalna wydajność 1- (T_low / T_high)) dotyczy Carnota, ale silnik Otto ma inną maksymalną wydajność, patrz /physics/168912/carnot- vs-otto

Oznacza to również, że silnik jest już znacznie bliższy teoretycznej wydajności niż często.

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.