Почему электрические двигатели не используются в двигателях внутреннего сгорания?

12

Поскольку вся работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) состоит в том, чтобы превращать тепло в механическую энергию, почему методы электрического нагрева не более популярны? Я знаю, что должна быть причина. Я не говорю об электромобилях или чем-то еще, но использую электричество, чтобы нагреться и сделать работу.

DeusIIXII
источник
22
Поршневой двигатель преобразует химический взрыв во вращение, тепло в значительной степени является нежелательным побочным продуктом. Преобразование электричества в тепло в движение было бы неэффективным по сравнению с электродвигателем (а-ля Тесла / Приус и т. Д.)
Джон У
1
Является ли предпосылка этого вопроса неправильной, или внесенные в него изменения вызвали неверное понимание намерения ФП? Работа ДВС заключается не в том, чтобы превращать тепло в механическую энергию. Возможно, ОП спрашивает, почему электрическое отопление не используется в большем количестве двигателей в целом (неправильно называет их ДВС) и не обязательно означает внутреннее сгорание. Это приведет к тому, что ответ на вопрос будет совершенно другим.
Keeta - восстановить Монику
2
Видите, вот почему я очень смущен. С моей стороны, когда я исследую, я постоянно слышу, что двигатели внутреннего сгорания - это тепловые двигатели, которые превращают тепло в движение. Теперь твоя поговорка - нет. Пусть этот материал сбивает с толку.
DeusIIXII
4
@immibis ДВС, несомненно, являются тепловыми двигателями, но общая задача состоит в том, чтобы превратить химическую энергию в механическую энергию (с помощью тепла).
Крис Х
2
Deus, я думаю, ты действительно не понимаешь, как работает ICE. Комментарий Джона У - единственный разумный ответ, который я видел на ваш вопрос. Технически, для бензинового двигателя ОЧЕНЬ популярно электрическое отопление - чрезмерное тепло, генерируемое вокруг дуги свечи зажигания, используется для зажигания взрывоопасной топливной смеси и каждый бензиновый двигатель в мире использует электрическое отопление. Но горячий, расширяющийся, взрывной газ, который приводит поршень в действие, является побочным продуктом химической реакции, а не электрической. Вы не могли легко достигнуть версии без бензина той же самой, используя только массивную искру
Caius Jard

Ответы:

58

Потому что это было бы не очень эффективно.

Основным преимуществом двигателей внутреннего сгорания является то, что плотность энергии их топлива (бензин, дизель) очень хорошая. Вы можете пройти долгий путь на относительно небольшом, легком танке. Недостаток их в том, что они не очень эффективны. Большая часть энергии в топливе теряется на трение и тепло, и только очень небольшая часть (<35%) фактически превращается в механическое движение.

Электромобили великолепны, потому что они невероятно эффективны. Используемое ими топливо (аккумуляторы) далеко не такое компактное и легкое, как бензин или дизельное топливо, по количеству энергии, которое они накапливают, но электрический двигатель может превратить + 90% этой энергии в механическое движение.

Использование электричества для нагрева воздуха и запуска двигателя на основе изменения давления будет сочетать в себе худшие аспекты обеих этих систем.

raydowe
источник
5
Это ключ. Да, вы можете использовать электричество, чтобы нагреть воздух в поршне, чтобы вести машину вперед. Однако это было бы значительно менее эффективно, чем использование того же электричества для непосредственного питания электродвигателя. Преимущество двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что они могут накапливать энергию в виде бензина, что не удобно для генерирования полезной работы (лучшее, что мы можем сделать, - это один из этих двигателей с КПД 30-35%), но очень удобно в условия плотности энергии. Если у вас уже есть электричество, которое является удобной формой энергии, вы можете просто использовать его напрямую.
Cort Ammon
@CortAmmon И даже если вы использовали бензин для управления электромобилем, самый разумный подход, который у нас сейчас есть, - это использовать ДВС с идеальным числом оборотов в минуту (что может дать вам существенно более высокую эффективность, чем у типичной системы двигатель / трансмиссия), которая производит электричество, которое приводит в движение электрический двигатель. Даже тогда трудно превзойти дополнительный вес (и стоимость), необходимый для второго двигателя и аккумуляторов.
Luaan
18

Хотя другие ответы дают хорошие ответы, связанные с потерями энергии, есть еще одна вещь, которую следует учитывать.

Как же вы планируете нагревать воздух в крошечном цилиндре на много киловатт? Это необходимо, потому что типичный четырехцилиндровый автомобильный двигатель вырабатывает 100 киловатт мощности, а в лучшем случае КПД, вероятно, составляет около 33% (при условии, что здесь используется двигатель без цикла Аткинсона). Итак, вам нужно 300 киловатт электрического отопления, из которых доля одного цилиндра составляет 75 киловатт.

Хуже того, вам нужно нагреть воздух в определенный момент времени (между тактом сжатия и тактом расширения). Для лучшей эффективности нагрев должен быть очень кратковременным между этими двумя тактами, но теперь давайте предположим, что весь такт расширения можно использовать для нагрева воздуха. Один из четырех ударов означает, что мгновенная мощность должна быть в 4 (число ударов) умножить на 75 киловатт или 300 киловатт. За цилиндр!

Вы видели 300-киловаттные электрические нагревательные элементы? Если у вас есть, вы, вероятно, понимаете, что невозможно поместить такой нагревательный элемент в цилиндр с рабочим диаметром 86 мм и диаметром 86 мм в 2-литровом двигателе. На самом деле его нужно разместить в гораздо меньшем пространстве, потому что если степень сжатия равна 10, в вертикальном направлении доступно только около 8,6 мм.

Даже мой электрический отопитель салона мощностью 1900 Вт, который я использую в холодную финскую зиму, намного больше, чем 86 мм х 8,6 мм. И это всего 1,9 киловатта, что намного меньше 300 киловатт.

Обратите внимание, что внешний нагреватель, т. Е. Нагрев воздуха перед его поступлением в двигатель, невозможен. В этом случае давление воздуха также будет увеличиваться в такте сжатия, противодействуя увеличению давления в такте расширения. Вам действительно нужно, чтобы воздух был холодным во время такта сжатия и горячим во время такта расширения. Таким образом, нагревательный элемент действительно должен быть внутренним для двигателя.

juhist
источник
Хотя это тоже проблема, она гораздо менее важна, чем фундаментальная проблема эффективности. Если вы немного откорректируете значения, это реально выполнимо - учтите, что существуют водонагреватели с непрерывным потоком> 50 кВт, которые хорошо подходят для автомобильного отделения двигателя. Теперь нагрев воды работает всегда лучше, чем нагрев воздуха, но нагрев сжатого воздуха до очень высоких температур обеспечивает гораздо более высокую удельную мощность, чем нагрев воздуха атмосферного давления до просто безопасных теплых температур дома, поэтому сравнение с внутренними нагревателями не имеет смысла.
оставил около
5
"Как же вы планируете нагревать воздух в крошечном цилиндре на много киловатт?" Я не знаю, но я бы начал с бензинового генератора в задней части машины! :-D
Дэвид Ричерби
@DavidRicherby Я бы предпочел начать с впрыска бензина в цилиндр и зажигания его искрой. Но на самом деле, если мы говорим только об электричестве, у вас есть верное замечание: батареи не могут соответствовать плотности энергии бензина.
юхист
2
Как вы упомянули, (равномерное) нагревание одного из четырех ударов чрезвычайно щедро; на практике пиковая скорость нагрева на цилиндр, вероятно, находится в диапазоне 1-10 мегаватт.
Ник Т
7

TL; DR
Двигатели внутреннего сгорания не может превратить все тепло в механическую работу. А если есть источник тепла, почему бы не использовать его для отопления?


Все термические циклы, например, цикл Карно (идеальный, наиболее эффективный), цикл Отто (идеализированный бензиновый двигатель), дизельный цикл (идеализированный дизельный двигатель), цикл Клаузиуса-Ранкина (идеальная паровая турбина), по определению рассеивают некоторую часть тепла. Настоящие двигатели превращают еще меньше энергии в механическую работу и больше энергии в тепло.

Часть механической энергии потребляется генератором переменного тока для зарядки аккумулятора, питания свечей зажигания, ECU и другой системы. Остальное используется для фактического движения.

Если мы используем только электрические обогреватели, мы отводим все тепло от двигателя и используем часть механической работы для разогрева автомобиля. Это двойной отход. Если мы используем воздушное отопление, у нас было много потраченной энергии двигателя.

В качестве примера сравните расход топлива и опыт вождения Skoda Fabia 1.2 HTP (от honem до prodej [продайте его как можно скорее)) со стереосистемой, кондиционером и обогревателями сидений. Когда все системы включены, потребление значительно выше, а ускорение значительно хуже - все потому, что большая мощность направляется на генератор, а не на колеса. Отключение переменного тока - обычно тактика, используемая при попытке обогнать такие машины.

Электрическое автономное отопление и электрические обогреватели сидений используются в качестве дополнительного оборудования для повышения комфорта. Для их нагрева требуется меньше минуты, независимо от температуры окружающей среды, с другой стороны, прогрев двигателя занимает от нескольких минут до десятков минут по отношению к температуре окружающей среды.

Примечание: если ваш двигатель перегревается, рекомендуется полностью включить отопление - это перенаправит часть тепла от неисправного / перегруженного радиатора в кабину.

Crowley
источник
1
На самом деле, вместо электрического сопротивления можно теоретически использовать тепловой насос с КПД> 100%. КПД> 100% теплового насоса, умноженный на КПД <100% двигателя внутреннего сгорания, может означать, что общий КПД произвольно близок к 100%. Однако на практике тепловой насос еще более нелеп, чем резистивный нагрев. Как я указал в своем ответе, нагревательные элементы должны быть очень большими. Тепловой насос? Даже больше.
юхист
1
@juhist Тепловым насосам нужна механическая энергия для перекачки тепла от более холодного нагревателя к более теплому охладителю. Вот почему у холодильника и кондиционера есть компрессоры. Зачем использовать тепловой насос для передачи энергии от двигателя> 100 ° C к кабине <30 ° C? Ячейка Пельтье работает одновременно; компрессор заменяется генератором, а газовая среда - электрическим зарядом.
Кроули,
@juhist Вы подходите к вопросу из разных военнопленных. Вы обсуждаете электрический нагрев рабочего газа - замена бензина на электричество. :)
Кроули,
Ах да, действительно. Я недостаточно внимательно прочитал ваш ответ.
Юхист
2
@juhist Тепловые насосы не имеют> 100% эффективности. Вы думаете о коэффициенте полезного действия (КПД), который может быть в 3 или 4 раза. Поставьте 100 Вт, и вы сможете передавать тепло со скоростью 300 или 400 Вт. Это похоже на единство! Но нет. Реальность такова, что просто движущееся тепло не производит никакой новой энергии. Во-вторых, температура на выходе теплового насоса не будет сильно отличаться от температуры окружающей среды. Это резко уменьшает количество энергии, которое вы можете извлечь из выхода (см. «Эффективность Карно»).
Джейми Ханрахан
2

Целью ДВС является преобразование химической энергии в движение. Это происходит путем поджига топлива, чтобы не генерировать тепло как таковое, а вызывать быстрое расширение частиц в цилиндре, что, в свою очередь, создает давление и, следовательно, прикладывает усилие к поршню. Тепло является одним из многих факторов, которые вступают в игру в этом расширении. Однако в химических реакциях, связанных с сгоранием, играет роль ряд других факторов. Они не могут быть смоделированы простым нагревом воздуха электрическим нагревом. Оказывается, что преобразование химической энергии в тепло также намного проще, чем преобразование электричества в тепло.

Майкл Лэй
источник
Химическая энергия используется для выделения тепла. И частицы расширяются при изменении температуры, вот если я правильно понимаю закон газа.
DeusIIXII
@ DeusIIXII Я понимаю вашу точку зрения. После нескольких дальнейших исследований выясняется, что газовое расширение является более сложным, чем я думал, и в игру вступают несколько факторов, самый большой из которых (я думаю) - повышение температуры, вызывающее повышение давления.
Майкл Лэй
Я с тобой. Это сложнее, чем я думал. Я знал, что это будет обширная тема, но человек. Лол.
DeusIIXII
1
@ Майкл - Пожалуйста, измените свой ответ соответственно. Как у вас есть, ваш ответ не верен.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
@DeusIIXII Терминология тоже быстро усложняется. Во многих случаях, когда вы говорите о тепле, вы действительно говорите об отработанном тепле - той части, которую нельзя использовать для работы. Но это не совсем уместно при работе с тепловыми двигателями, единственная цель которых состоит в том, чтобы извлечь как можно больше работы из разницы температур :) Но учтите, что именно такое «сжатие» дает вам довольно низкую эффективность, а не сжигание бензина , Зачем вам использовать электрический тепловой двигатель (КПД ~ 30%) вместо электродвигателя (КПД ~ 90%)? А электродвигатели легкие и дешевые :)
Luaan
2

Но мы используем электрические системы для создания тепла в двигателях внутреннего сгорания. Они называются блочными нагревателями.

Как отмечается в большинстве комментариев и постов, это не тепло превращается в механическую энергию, это сила воспламеняемого топлива (сгорания) через поршни. Тепло в большинстве случаев является потраченной впустую энергией, которая поглощается и передается охлаждающей жидкостью.

Однако при экстремальных температурах нефть становится более вязкой, что требует больше энергии для движения. Это может привести к повреждению двигателя при попытке охлаждения или невозможности запустить систему вообще. Блочные нагреватели были спроектированы так, чтобы определенные части двигателя были ближе к их идеальной рабочей температуре, чтобы облегчить запуск.

Поэтому, хотя нам не нужно электричество для создания дополнительного тепла в уже работающем двигателе, мы используем его, чтобы поддерживать тепло в выключенном состоянии.

Анонимный трус
источник
Я не уверен, как ваша ссылка на нагреватель блока отвечает на вопрос ОП?
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
1
Блочные нагреватели не используются для подачи энергии на колеса, они являются системой домашнего хозяйства.
whatsisname
1

Я не знаю, что вы имеете в виду под нагревом и работой, но электрическое отопление кабины до 86 Lancia Delta - это то, что вы имеете в виду?

Если вы хотите нагреть воздух, введенный в двигатель, это плохая идея, потому что холодный воздух имеет самую высокую плотность и, следовательно, наибольшее количество кислорода, доступного для сгорания.

Стив Мэтьюз
источник
Относительно второго абзаца: Вот почему двигатели с турбонаддувом используют промежуточный охладитель между турбонаддувом и впуском.
Кроули,
1

Первый вопрос - откуда вы получаете электричество? Электроэнергия, которую мы используем, поступает из других источников - гидро-, геотермальной энергии и т. Д. В сочетании с потерями конверсии это означает, что использование других видов топлива, которые являются непосредственно доступным углем и т. Д., Для обеспечения тепла было эффективным. Теперь, с глобальным потеплением, мы движемся к возобновляемым источникам энергии ...

Солнечный Майк
источник
Нет Даже с потерями преобразования электроэнергия более эффективна, чем ДВС. Проблема, которая препятствовала принятию электромобилей, была нехваткой батареи / диапазона.
Гоббс
1

Тепло является формой энергии, но по сравнению с электричеством оно ленивее. Трудно получить работу из этого. Поэтому, если бы у вас был источник электричества, вам было бы гораздо лучше использовать его в электродвигателе с эффективностью 99%, чем использовать его для нагрева чего-либо, а затем извлечь работу из тепла с эффективностью 30% в действительно хороший день. ,

И я даже не упомянул постоянную Больцмана!

phunctor
источник