Dlaczego w silnikach spalinowych nie stosuje się elektrycznych form ogrzewania?

Skoro cała praca silnika spalinowego (ICE) polega na zamianie ciepła w energię mechaniczną, dlaczego metody ogrzewania elektrycznego nie są bardziej popularne? Wiem, że musi być jakiś powód. Nie mówię o samochodach elektrycznych ani niczym innym, ale używam elektryczności do ogrzewania i wykonywania pracy.

Ponieważ nie byłoby to bardzo wydajne.

Główną zaletą silników spalinowych jest to, że gęstość energii ich paliw (benzyny, oleju napędowego) jest bardzo dobra. Możesz przejść długą drogę na stosunkowo małym, lekkim czołgu. Ich wadą jest to, że nie są zbyt wydajne. Większość energii w paliwie jest tracona na tarcie i ciepło, a tylko bardzo niewielka część (<35%) faktycznie zamienia się w ruch mechaniczny.

Pojazdy elektryczne są świetne, ponieważ są niezwykle wydajne. Paliwo, którego używają (akumulatory), nie jest tak kompaktowe i lekkie jak benzyna lub olej napędowy pod względem ilości energii, którą gromadzą, ale silnik elektryczny może przekształcić ponad 90% tej energii w ruch mechaniczny.

Wykorzystanie energii elektrycznej do podgrzania powietrza i uruchomienia silnika w oparciu o zmianę ciśnienia stanowiłoby połączenie najgorszych aspektów obu tych systemów.

Chociaż inne odpowiedzi dostarczają dobrych odpowiedzi związanych ze stratami energii, należy rozważyć jeszcze jedną rzecz.

Jak, u licha, planujesz podgrzać powietrze w maleńkim cylindrze przy wielu kilowatach? Jest to wymagane, ponieważ typowy czterocylindrowy silnik samochodowy wytwarza 100 kilowatów mocy, a sprawność wynosi prawdopodobnie około 33% w najlepszym przypadku (przy założeniu, że silnik nie jest cyklem Atkinsona). Potrzebujesz więc 300 kilowatów ogrzewania elektrycznego, z czego udział jednego cylindra wynosi 75 kilowatów.

Co gorsza, należy ogrzać powietrze w określonym momencie (między skokiem kompresji a skokiem rozprężania). Aby uzyskać najlepszą wydajność, grzanie powinno być bardzo krótkotrwałym okresem między tymi dwoma skokami, ale załóżmy teraz, że cały skok rozprężania można wykorzystać do podgrzania powietrza. Jeden z czterech skoków oznacza, że ​​chwilowa moc musi wynosić 4 (liczba uderzeń) razy 75 kilowatów lub 300 kilowatów. Na cylinder!

Czy widziałeś 300 kilowatów elektrycznych elementów grzejnych? Jeśli tak, prawdopodobnie zdajesz sobie sprawę, że nie ma sposobu na umieszczenie takiego elementu grzejnego w cylindrze o skoku 86 mm x otworze 86 mm w 2-litrowym silniku. Musiałby faktycznie zmieścić się w znacznie mniejszej przestrzeni, ponieważ jeśli współczynnik kompresji wynosi 10, tylko około 8,6 mm jest dostępne w kierunku pionowym.

Nawet mój elektryczny grzejnik wewnętrzny o mocy 1900 W, którego używam podczas mroźnej fińskiej zimy, jest znacznie większy niż 86 mm x 8,6 mm. A to tylko 1,9 kilowata, znacznie mniej niż 300 kilowatów.

Należy pamiętać, że umieszczenie nagrzewnicy na zewnątrz, tj. Podgrzanie powietrza, zanim dotrze ono do silnika, nie jest możliwe. W tym przypadku ciśnienie powietrza również wzrosłoby w suwie sprężania, przeciwdziałając wzrostowi ciśnienia w suwie rozprężania. Naprawdę potrzebujesz zimnego powietrza podczas suwu sprężania i gorącego podczas suwu rozprężania. Tak więc element grzewczy naprawdę musi znajdować się wewnątrz silnika.

tl; dr
Silniki spalinowe nie mogą zamienić całego ciepła w pracę mechaniczną. A jeśli istnieje źródło ciepła, dlaczego nie wykorzystać go do ogrzewania?

Wszystkie cykle termiczne, na przykład cykl Carnota (idealny, najbardziej efektywny), cykl Otto (idealny silnik benzynowy), cykl Diesel (idealny silnik diesla), cykl Clausiusa-Rankine'a (idealna turbina parowa) z definicji rozprasza pewną część ciepła. Prawdziwe silniki zamieniają jeszcze mniej energii w pracę mechaniczną i więcej energii w ciepło.

Część energii mechanicznej jest zużywana przez alternator do ładowania akumulatora, zasilania świec zapłonowych, ECU i innych układów. Reszta służy do faktycznego ruchu.

Jeśli użyjemy wyłącznie grzejników elektrycznych, zrzucimy całe ciepło z silnika i wykorzystamy część prac mechanicznych do podgrzania samochodu. Jest podwójny. Jeśli zastosujemy ogrzewanie powietrzne, będziemy mieli duże zużycie części zmarnowanej energii z silnika.

Jako przykład porównaj zużycie paliwa i doświadczenie w prowadzeniu samochodu Skoda Fabia 1.2 HTP (honem to prodej [sell it ASAP]) z ogrzewaniem stereo, klimatyzacją i siedzeniami. Gdy wszystkie systemy są włączone, zużycie jest znacznie wyższe, a przyspieszenie znacznie gorsze - wszystko dlatego, że większa moc kierowana jest na alternator, a nie na koła. Wyłączanie prądu przemiennego jest powszechnie stosowaną taktyką, gdy próbuje się wyprzedzić takimi samochodami.

Elektryczne niezależne ogrzewanie i elektryczne podgrzewacze foteli są stosowane jako dodatkowe wyposażenie dla większego komfortu. Nagrzewanie ich zajmuje mniej niż minutę, niezależnie od temperatury otoczenia, z drugiej strony rozgrzanie silnika trwa od kilku minut do kilkudziesięciu minut w stosunku do temperatury otoczenia.

Z drugiej strony, jeśli silnik się przegrzewa, zaleca się całkowite włączenie ogrzewania - przekieruje część ciepła z uszkodzonego / przeciążonego grzejnika do kabiny.

Celem ICE jest przekształcenie energii chemicznej w ruch. Odbywa się to poprzez zapłon paliwa, aby nie generować ciepła jako takiego, ale powodować szybkie rozszerzanie się cząstek w cylindrze, co z kolei wytwarza ciśnienie, a zatem wywiera siłę na tłok. Upał jest jednym z wielu czynników, które wchodzą w grę w tym rozszerzeniu. Jednak szereg innych czynników ma wpływ na reakcje chemiczne związane ze spalaniem. Nie można tego zasymulować, po prostu szybko ogrzewając powietrze za pomocą ciepła elektrycznego. Okazuje się również, że zamiana energii chemicznej w ciepło jest znacznie łatwiejsza do wykonania niż zamiana energii elektrycznej w ciepło.

Ale używamy układów elektrycznych do wytwarzania ciepła w silnikach spalinowych. Nazywane są grzejnikami blokowymi.

Jak wskazuje większość komentarzy i postów, to nie ciepło zamieniane jest w energię mechaniczną, to siła z zapalonego paliwa (spalania) przez tłoki. Ciepło to głównie zmarnowana energia, która jest absorbowana i przenoszona przez chłodziwo.

Jednak w ekstremalnych temperaturach olej staje się bardziej lepki, co wymaga większego zużycia energii. Może to prowadzić do uszkodzenia silnika podczas próby uruchomienia na zimno lub niemożności uruchomienia systemu w ogóle. Grzejniki blokowe zostały zaprojektowane tak, aby niektóre części silnika były bliżej ich idealnej temperatury roboczej, aby ułatwić rozruch.

Tak więc, chociaż nie potrzebujemy energii elektrycznej, aby wytworzyć dodatkowe ciepło w już działającym silniku, używamy go do utrzymywania ciepła, gdy jest on wyłączony.

Nie wiem, co masz na myśli mówiąc o podgrzewaniu i wykonywaniu pracy, ale to właśnie dotyczyło elektrycznego ogrzewania kabiny przed 86 Lancia Delta?

Jeśli chcesz podgrzać powietrze wprowadzane do silnika, jest to zły pomysł, ponieważ zimne powietrze ma najwyższą gęstość, a zatem najwięcej tlenu dostępnego do spalania.

Pierwsze pytanie - skąd czerpiesz energię elektryczną? Używana przez nas energia elektryczna pochodzi z innych źródeł, takich jak energia wodna, geotermalna itp. W połączeniu ze stratami konwersji oznacza, że ​​stosowanie innych paliw, które są bezpośrednio dostępnym węglem itp. W celu zapewnienia ciepła, było skuteczne. Teraz, wraz z globalnym ociepleniem, odchodzimy w kierunku odnawialnych źródeł energii ...

Ciepło jest formą energii, ale w porównaniu z elektrycznością jest leniwe. Trudno z tego wyjść. Więc gdybyś miał źródło prądu, lepiej byłoby użyć go w silniku elektrycznym o sprawności 99%, niż użyć go do podgrzania czegoś, a następnie wydobycia pracy z ciepła z wydajnością może 30% w naprawdę dobry dzień .

I nawet nie wspominałem o stałej Boltzmanna!