Допустим, автомобилю на скорости 60 миль в час требуется примерно 20 л.с. для поддержания скорости (т. Е. Для преодоления сопротивления качению и сопротивления).

Если этот автомобиль развивает 240 л.с. и получает около 34 миль на галлон (не слишком нереально), как получается 34 миль на галлон, если двигатель работает только на 0,05 КПД? Я знаю, что современные автомобили должны иметь предел эффективности около 25-30% благодаря мистеру Карно :

Диаграмма отсюда .

Я чувствую, что передача должна быть частью ответа, но мне трудно понять, как передача позволяет двигателю генерировать 20 л.с., в то же время явно с более высокой эффективностью, чем указано в таблице для низкой нагрузки двигателя.

Может быть, я не совсем понимаю, о чем говорит загрузка двигателя?

Термодинамическая эффективность против экономии топлива

Когда вы указываете КПД 25-30% для энергии внутреннего сгорания, вы говорите о термодинамической эффективности двигателя. На теоретическом уровне это основано на разнице температур. Это не имеет ничего общего с топливом.

Когда вы указываете, что экономия топлива составляет 34 мили на галлон , вы сейчас говорите о чем-то, что во многом зависит от других факторов, например, от плотности энергии топлива . Сколько извлекаемой энергии содержится в галлоне бензина? Как насчет галлона антивещества? Галлон шоколадного молока?

Многие двигатели могут принимать различные виды топлива или топливные смеси с различной плотностью энергии без значительного изменения их термодинамической эффективности. Например, этанол смешан с бензином, но его плотность энергии примерно на 30% ниже, чем у бензина; галлон одного не равен галлону другого.

Работать с двигателем с определенной термодинамической эффективностью означает наличие разности температур; чтобы поддерживать этот перепад температур, вам нужно добавить энергию с некоторой скоростью. Получение той же термодинамической эффективности, когда ваше топливо имеет более низкую плотность энергии, просто означает увеличение скорости подачи топлива ( или ), так что скорость подачи энергии ( ) остается неизменной. Это игнорирует различные нюансы того, как двигатели сжигают различные виды топлива, но, вообще говоря, нет прямой связи между термодинамической эффективностью и экономией топлива.$Q$$\dot{m}$$q_{in}$

Значение загрузки двигателя

Я чувствую, что передача должна быть частью ответа, но мне трудно понять, как передача позволяет двигателю генерировать 20 л.с., в то же время явно с более высокой эффективностью, чем указано в таблице для низкой нагрузки двигателя.

Может быть, я не совсем понимаю, о чем говорит загрузка двигателя?

Когда автомобиль не разгоняется, загрузка двигателя происходит от любых сил, действующих против движения двигателя. Внутреннее трение (поршни, коленчатый вал, трансмиссия и т. Д.), Внешнее трение (шины на поверхности дороги), сопротивление, сила тяжести (при движении в гору). «Нагрузка» означает, сколько мощности требуется двигателю для того, чтобы автомобиль имел некоторую скорость и ускорение.

Как вы указали, когда транспортное средство движется по шоссе, ему требуется лишь небольшой процент от общей выходной мощности, чтобы поддерживать скорость. Если мы не говорим о действительно высоких скоростях и / или исключительно безумном чуде автомобиля, круиз по шоссе просто не является ситуацией с высокой нагрузкой. Ваша путаница, кажется, происходит из-за того, что транспортные средства получают лучшую экономию топлива при движении на скоростях по шоссе, чем при ускорении.

Главное, что нужно понять, это то, что повышение экономии топлива не означает, что двигатель работает с более высокой термодинамической эффективностью, потому что есть много других факторов, влияющих на экономию топлива. Термодинамическая эффективность цикла Карно является лишь одним из этих факторов. Другим фактором является эффективность реакции сгорания (которая технически не является частью цикла Карно). Другой - сколько энергии используется для ускорения автомобиля (полезная работа) по сравнению с тем, сколько теряется на трение, сопротивление и проводимость (отработанное тепло, ).$q_{out}$

Расчет экономии топлива

Подумайте о следующем соотношении: откуда происходит загрузка двигателя?

В идеализированной ситуации, при отсутствии сопротивления автомобиля, минимального внутреннего и внешнего трения, при движении по горизонтальной плоскости мощность, необходимая для поддержания любой скорости, фактически равна нулю. Это означает, что нагрузка на двигатель (когда он не ускоряется) также фактически равна нулю. На данном этапе эффективность Карно не имеет значения, но она также будет очень низкой. Тем не менее, экономия топлива будет огромной, потому что у вас есть несколько в числителе с почти нулевым в знаменателе.$v$$Q$

Противоположную ситуацию еще проще продемонстрировать; Вы можете сделать это дома на своей машине. Просто пол ускорителя с коробкой передач в нейтральном положении. (На самом деле не делайте этого.) Сценарий мгновенной высокой нагрузки, когда вы ускоряете ад из этого коленчатого вала, но , так что ваша экономия топлива равна нулю.$v = 0$

Реалистичные сценарии являются более сложными, но длинная история вкратце состоит в том, что реакция сгорания, которая происходит в цилиндре двигателя, намного менее эффективна в периоды очень высокого ускорения (то есть, около максимальной нагрузки).Больше топлива проходит через двигатель, не сгоревший или сгоревший частично, что означает, что вы не извлекли столько энергии из того же галлона топлива. Вы все еще куда-то едете, и ваш двигатель работает с более высокой термодинамической эффективностью из-за нагрузки на него, но с точки зрения экономии топлива это преимущество уменьшается за счет снижения эффективности сгорания. Возможно даже, когда эффективность сгорания очень низкая, чтобы эти затраты полностью перевесили выгоду от высокой загрузки. (Этого можно ожидать, если транспортное средство находится в очень плохом состоянии. На самом деле, многое зависит от возраста автомобиля, качества его блоков управления, передач, на которых вы разгоняетесь, что трудно сделать точный прогноз для общего сценария.)

Еще одна вещь, которую я хочу упомянуть, это то, что вы должны подумать, куда движется ваша сила. «Высокая нагрузка на двигатель» означает, что требуется большая мощность, которую способен выработать двигатель; это не говорит вам, куда движется сила. Если он собирается бороться с сопротивлением, которое увеличивается как квадрат скорости, то это пустая трата энергии и впустую топливо. Вы можете доставить его очень эффективно, но если это не влияет на скорость * транспортного средства, это не способствует экономии топлива. Это выглядит эффективно только тогда, когда вы рисуете границу вашей системы вокруг двигателя и игнорируете назначение автомобиля.

* Технически, мы также должны учитывать высоту, но экономия топлива обычно рассчитывается с точки зрения расстояния по горизонтали. Прибыль и убытки, вызванные изменением высоты, предполагаются либо для компенсации в целом, либо учитываются с некоторым грубым поправочным коэффициентом.

Сюжет в вопросе не относится к запрашиваемой ситуации. Мощность двигателя автомобильного двигателя динамически изменяется при движении, как путем изменения числа оборотов в минуту, так и путем регулирования потока воздуха на впуске.

Пиковая эффективность автомобильного двигателя находится где-то в середине, с неэффективностью как при высоких, так и при низких нагрузках. При нагрузке 10% эффективность все еще лучше, чем вдвое меньше, чем на пике.

Но, скажем, тогда мы получим 10% эффективности при 34 миль на галлон ... Там нет никаких противоречий. Это просто означает, что если бы вы могли как-то достичь 100% эффективности, вы бы получили 340 миль на галлон при таком сценарии нагрузки.

Бензиновые двигатели имеют очень низкую эффективность при низкой нагрузке ... никаких проблем или неудач. Эффективность 34 миль на галлон не указана при низкой нагрузке.

Существует идеальная скорость, при которой достигается максимальный пробег ... КПД двигателя увеличивается с увеличением нагрузки, однако потери сопротивления воздуха увеличиваются как квадрат скорости.

Есть две основные причины плохой эффективности при низкой нагрузке:

1. При низкой нагрузке значительная часть проделанной работы используется для преодоления трения двигателя.
2. При низкой нагрузке эффективная степень сжатия очень низкая, что, в свою очередь, приводит к очень низкой эффективности.

Мощность, генерируемая двигателем, является произведением угловой скорости на имеющийся крутящий момент при этой угловой скорости. Функция коробки передач состоит в том, чтобы просто согласовать частоту вращения двигателя с дорожной скоростью.

Пробег по городу меньше, чем по шоссе, в основном из-за постоянного торможения, которое рассеивает кинетическую энергию в виде тепла, а также на холостом ходу на светофорах или стоп-сигналах.

Я знаю, что это старая нить, но я не могу удержаться от удара. Особенно, когда в других ответах так много плохой или не связанной информации.

1. Тепловая эффективность и расход топлива связаны - есть и другие факторы, которые следует учитывать.

   Плотность энергии топлива является фактором. Для бензиновых двигателей это около 44,5 л.с.-часов (поскольку миль на галлон возникает в течение некоторого времени, а крутящий момент мгновенен, я буду использовать HP, если вам надоело просто умножить на 5252 и поделить на об / мин для перевода. Несмотря на все аргументы, касающиеся измерения двигателя «лучше», они напрямую связаны алгебраически), и если вы используете 20 л.с. и сжигаете 1 галлон топлива, вы получаете 20 / 44,5 = 44,9% чистой тепловой эффективности; если бы вы могли сделать это при 60 милях в час, вы бы получили 60/1 = 60 миль в час (миль в час / галлон в час).

2. Один пример, приведенный выше, использовал эффективность 10% при 34 миль на галлон. Я буду считать 60 миль в час, чтобы упростить математику; 10% x 44,5 = 4,45 л.с.-часов на галлон. Достижение 34 миль на галлон при 60 миль в час требует: 60/34 = 1,765 галлона в час бензина (миль / ч / миль / галлон в час). Если вы извлекаете 4,45 л.с. из 1,765 галлона бензина, то вы используете в общей сложности 7,85 л. Вы не можете получить 340 миль на галлон от 100% эффективного автомобиля с бензиновым двигателем в реальном мире (даже если вы допускаете общепризнанную невозможность 100% эффективного двигателя), потому что вы не можете заставить автомобиль ездить на скорости 60 миль в час, используя меньше, чем 8 л.с. Есть транспортные средства, которые получают еще больший пробег топлива, но там нет автомобилей, достойных улицы, и двигатели, конечно, работают намного выше, чем 10%. Суть в том, что числа связаны, и вы не можете просто соединить случайные числа, иначе у вас получатся нелепые претензии.
3. На низких скоростях по шоссе (опять же, мне нравится использовать 60 миль в час для простоты расчетов), большинство современных двигателей работают на 15-18% TE (и есть некоторая изменчивость), а большинству современных седанов требуется где-то от 15 до 20 л.с. при маховик. Это означает, что большинство седанов среднего размера получают от 20 до 32 миль на галлон (TE x 44,5 x галлон. = HP-часы: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 галлона и 20 / (. 15x44,5) = 3,00 галлона. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG и 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. Причина, по которой производители уменьшают размеры двигателей, заключается в том, что меньшие двигатели имеют тенденцию работать с большей эффективностью при одинаковом выходе. Автомобили, у которых пробег топлива лучше, чем рассчитанные выше, обычно имеют двигатели объемом менее 2,0 литра.

Имейте в виду, что показанная диаграмма относится к тепловому кпд одного двигателя и не рассматривает движущуюся машину как целостную систему, а также, что вертикальная ось, по-видимому, обозначена как отношение, а не как процентная эффективность, так что 0,2 на график эквивалентен 20%

Для автомобиля в целом нагрузка двигателя не зависит от скорости, так как силы сопротивления имеют тенденцию к увеличению с квадратом скорости.

Основная причина того, что двигатели с ИС имеют более низкий КПД при более низких нагрузках, заключается в том, что большая часть потерь энергии является довольно постоянной, независимо от вырабатываемой мощности; к ним относится мощность, необходимая для таких вещей, как всасывание воздуха, перекачка топлива, охлаждающей жидкости и смазочных материалов, а также для питания электрических систем. Таким образом, при более низкой выходной мощности эти потери составляют гораздо большую долю общей мощности, производимой двигателем. Например, скажем, что двигатель имеет постоянную потребность в 1 кВт для всех вспомогательных устройств. Если он вырабатывает выходную мощность 1 кВт, то эти потери составляют половину от общей вырабатываемой мощности, тогда как когда двигатель развивает 50 кВт, они составляют всего 2% от общей мощности.

В большем двигателе с более высокой выходной мощностью эти (приблизительно) постоянные потери будут иметь тенденцию быть больше, чем в двигателе с меньшей мощностью.

Кроме того, эффективность двигателя не имеет прямого отношения к миль на галлон. Эффективный двигатель в тяжелом автомобиле все еще может иметь более высокий расход топлива, чем относительно неэффективный двигатель в легком автомобиле. Другими словами, миль на галлон связан с тем, сколько энергии вам нужно, чтобы пройти определенное расстояние, но эффективность показывает, сколько энергии потрачено впустую.

На диаграмме «нагрузка» - это крутящий момент, создаваемый двигателем. В целях тестирования он будет подключен к некоторой регулируемой нагрузке (например, генератор и набор резисторов). Производимая мощность - это крутящий момент, умноженный на угловую скорость (об / мин). Обратите внимание, что у всех двигателей есть практический предел оборотов из-за ускорения на движущихся частях (особенно клапаны и шатуны), поэтому выходная мощность зависит от нагрузки и оборотов.

Другими словами, нагрузка 25% - это не то же самое, что 25% пиковой мощности.

Я могу привести аналогию: для электродвигателя постоянного тока КПД наивысший в точке МЕНЬШЕ, чем его максимальная номинальная мощность.

Механизмы потерь - это трение от быстрого вращения и потери в магнитном сердечнике (ток, проходящий через железный сплав) как параметр, не зависящий от крутящего момента. Если бы не магнитные потери, КПД был бы максимальным при крутящем моменте = 0. Итак, разберитесь с собственными механизмами потерь двигателя и посмотрите, можно ли применить такой же тип кривой.

Перефразируя ваш вопрос:
1. Сколько энергии автомобиль использует при 60 милях в час, развивая 34 мили на галлон?
2. Какова его эффективность, если для поддержания постоянной скорости требуется 20 л.с.?

В единицах СИ: для
автомобиля со скоростью 26,8 м / с и скоростью 14,4 км / л требуется 14,9 кВт.

Эмпирические данные:
* HHV для бензина около 47 МДж / кг
* Плотность бензина около 0,74 кг / л
=> ~ 35 МДж / л

Расчеты:
PowerIn = (35 МДж / л) * (26,8 м / с) / (14 км / л)
= (35 кДж) * (26,8 / с) / (14), NB: МДж = ккДж
= 67 кДж / с
= 67 кВт,
КПД = 14,9 / 67
= 22,2%

NB1: указанная 240 л.с. является максимальной выходной мощностью.

NB2:% нагрузки на диаграмме относится к максимальной мощности на данной частоте вращения. Он приблизительно пропорционален объемному КПД двигателя, который зависит от положения дроссельной заслонки, фаз газораспределения и резонансных характеристик коллектора.

Эта диаграмма подозрительна. Если вы посмотрите на веб-страницу, с которой она была взята, становится ясно, что автор этой страницы не понимает основные термины, которые он использует, такие как «нагрузка», «мощность», «крутящий момент» и т. Д. Диаграмма может будьте правильными, если мы интерпретируем «нагрузку» как «крутящий момент», поскольку хорошо известно, что КПД двигателя повышается с увеличением крутящего момента и уменьшением вращения (следовательно, мы имеем «повышенную передачу»).

Подводя итог, можно сказать, что эффективность двигателя определяется в порядке убывания:

1. Термодинамика: второй закон термодинамики (тепловые двигатели) . Невозможно извлечь количество тепла QH из горячего резервуара и использовать все это для работы W. Некоторое количество тепла QC должно быть отведено в холодный резервуар. Это исключает идеальный тепловой двигатель.
2. Содержание энергии в топливе . Удельное содержание энергии в топливе - это тепловая энергия, получаемая при сжигании определенного количества (например, галлон, литр, килограмм). Это иногда называют теплотой сгорания. Его теоретическое значение определяется из свободной энергии Гиббса, которая представляет собой термодинамический потенциал, который измеряет «полезность» или работу по запуску процесса, получаемую из термодинамической системы при постоянной температуре и давлении (изотермическое, изобарическое) (в зависимости от конкретного двигателя) ,
3. Удельная внутренняя эффективность двигателя внутреннего сгорания: КПД современных двигателей внутреннего сгорания определяется в основном соотношением воздуха-топливо , степень сжатия , системы управления клапаном , управление температурой двигателя , в основном заботятся системами управления замкнутым контура состоял из датчиков (объема воздуха, температура лямбда-датчики) подключены к микрокомпьютеру. Они вместе с, коробки передач , определить оптимальную работу двигателя при удельном положение дроссельной заслонки , нагрузки автомобиля и наклона . ( Коэффициент лобового сопротивления и шины размера следует учитывать также.)