Diciamo che un'auto a 60 mph richiede circa 20 CV per mantenere la sua velocità (cioè per superare la resistenza al rotolamento e la resistenza).

Se questa macchina produce 240 CV e ottiene circa 34 mpg (non troppo irrealistici), come fa a ottenere 34 mpg se il motore ha solo un'efficienza di 0,05? So che le automobili moderne dovrebbero avere un limite di efficienza vicino al 25-30% grazie a Carnot :

Grafico da qui .

Sento che gli ingranaggi devono essere parte della risposta, ma sto facendo fatica a capire come l'ingranaggio consente al motore di generare 20 CV mentre è chiaramente ad un'efficienza superiore a quella indicata sulla tabella per un basso carico del motore.

Forse non sto ottenendo esattamente a cosa si riferisca il caricamento del motore?

Efficienza termodinamica rispetto al consumo di carburante

Quando si cita un'efficienza del 25-30% per un'energia di combustione interna, si parla dell'efficienza termodinamica del motore. Questo è, a livello teorico, basato su un differenziale di temperatura. Non ha nulla a che fare direttamente con il carburante.

Quando citi un risparmio di carburante di 34 miglia per gallone , stai parlando di qualcosa che dipende molto da altri fattori, ad esempio la densità di energia del carburante . Quanta energia estraibile c'è in un gallone di benzina? Che ne dici di un gallone di antimateria? Un gallone di latte al cioccolato?

Molti motori possono accettare diversi carburanti o miscele di carburanti con densità di energia diverse, senza un cambiamento significativo nella loro efficienza termodinamica. Ad esempio, l'etanolo viene miscelato con la benzina, ma ha una densità di energia di circa il 30% inferiore alla benzina; un gallone di uno non è uguale a un gallone dell'altro.

$Q$$\dot{m}$$q_{in}$

Significato del caricamento del motore

Sento che gli ingranaggi devono essere parte della risposta, ma sto facendo fatica a capire come l'ingranaggio consente al motore di generare 20 CV mentre è chiaramente ad un'efficienza superiore a quella indicata sulla tabella per un basso carico del motore.

Forse non sto ottenendo esattamente a cosa si riferisca il caricamento del motore?

Quando l'auto non accelera, il carico del motore proviene da qualsiasi forza agisca contro il movimento del motore. Attrito interno (pistoni, albero a gomiti, trasmissione, ecc.), Attrito esterno (pneumatici sul fondo stradale), resistenza, gravità (in salita). "Carico" indica quanta potenza è necessaria al motore affinché l'auto abbia una certa velocità e accelerazione.

Come fai notare, quando un veicolo sta navigando in autostrada, ha bisogno solo di una piccola percentuale della sua potenza totale disponibile per mantenere la velocità. A meno che non stiamo parlando di velocità davvero elevate e / o di una meraviglia eccezionalmente sdolcinata di un'auto, la crociera in autostrada non è una situazione ad alto carico. La tua confusione sembra derivare dal fatto che i veicoli ottengono un migliore risparmio di carburante durante la navigazione a velocità autostradale rispetto a quando accelerano.

$q_{out}$

Calcolo del consumo di carburante

Considera la seguente relazione: da dove viene il caricamento del motore?

$v$$Q$

$v = 0$

Gli scenari realistici sono più complicati, ma la lunga storia abbreviata è che la reazione di combustione che si verifica nel cilindro del motore è molto meno efficiente durante i periodi di accelerazione molto elevata (cioè vicino al carico massimo).Più carburante passa attraverso il motore incombusto, o solo parzialmente bruciato, il che significa che non hai estratto tanta energia dallo stesso gallone di carburante. Stai ancora andando da qualche parte e il tuo motore sta funzionando con una maggiore efficienza termodinamica a causa del carico posto su di esso, ma in termini di risparmio di carburante, quel vantaggio è ridotto dal costo della minore efficienza di combustione. È anche possibile, quando l'efficienza di combustione è molto scarsa, che quel costo superi del tutto il vantaggio di un carico elevato. (Ciò potrebbe essere previsto se il veicolo è stato gestito in modo molto scadente. In realtà, molto dipende dall'età dell'auto, dalla qualità delle sue unità di controllo, dalla marcia in cui si sta accelerando, che è difficile fare una previsione esatta per uno scenario generale.)

L'altra cosa che voglio menzionare è che devi considerare dove sta andando il tuo potere. "Carico elevato del motore" significa solo che è richiesta molta della potenza che il motore è in grado di produrre; non ti dice dove sta andando il potere. Se combatterà la resistenza, che aumenta come il quadrato della velocità, allora questa è energia sprecata e carburante sprecato. Puoi consegnarlo in modo molto efficiente, ma se non aumenta la velocità * del veicolo, non contribuisce al risparmio di carburante. Sembra efficiente solo quando si traccia il limite del sistema attorno al motore e si ignora lo scopo della macchina.

* Tecnicamente, dovremmo considerare anche l'elevazione, ma il consumo di carburante è in genere calcolato in termini di distanza del percorso orizzontale. Si presume che gli utili e le perdite dovuti al cambiamento di quota si annullino complessivamente o siano contabilizzati con un fattore di correzione approssimativo.

La trama nella domanda non si applica alla situazione che viene posta. La potenza di un motore automobilistico viene modificata in modo dinamico durante la guida sia modificando gli RPM sia limitando il flusso d'aria nell'aspirazione.

Il picco di efficienza di un motore di un'auto è da qualche parte nella gamma media, con inefficienze con carichi sia alti che bassi. Con un carico del 10%, l'efficienza è ancora migliore della metà di quanto non sia al massimo.

Ma diciamo che stiamo ottenendo un'efficienza del 10% a 34mpg .. Non c'è incoerenza lì. Significa solo che se in qualche modo riuscissi a raggiungere il 100% di efficienza, otterresti 340mpg in quello scenario di carico.

I motori a benzina hanno un'efficienza molto scarsa a basso carico ... senza se e senza ma. L'efficienza 34mpg non è quotata a basso carico.

Esiste una velocità ideale alla quale si verifica il chilometraggio massimo ... l'efficienza del motore aumenta all'aumentare del carico, tuttavia, le perdite di resistenza all'aria aumentano all'aumentare del quadrato della velocità.

Ci sono due ragioni principali per i poveri in modo efficiente a basso carico:

1. A basso carico, una percentuale significativa del lavoro svolto viene utilizzata per superare l'attrito del motore.
2. A basso carico, il rapporto di compressione effettivo è molto basso, il che a sua volta porta a un'efficienza molto bassa.

La potenza generata da un motore è il prodotto della velocità angolare dalla coppia disponibile a quella velocità angolare. La funzione del cambio è semplicemente quella di far corrispondere la velocità del motore alla velocità della strada.

Il chilometraggio di guida in città è inferiore al chilometraggio autostradale principalmente a causa della frenata continua che dissipa l'energia cinetica come calore e al minimo al semaforo o ai segnali di stop.

So che è un vecchio filo, ma non posso resistere a prenderlo a pugni. Soprattutto quando ci sono così tante informazioni cattive o non correlate nelle altre risposte.

1. L'efficienza termica e il chilometraggio del carburante SONO correlati - ci sono altri fattori da considerare però.

   La densità di energia del carburante è un fattore. Per i motori a benzina sono circa 44,5 HP-ora (poiché il mpg si verifica per un certo periodo di tempo e la coppia è istantanea, userò HP, se ti dà fastidio semplicemente moltiplicare per 5252 e dividere per RPM per tradurre. Nonostante l'argomento su quale misura il motore output "migliore", sono direttamente correlati algebricamente) e se usi 20 HP e bruci 1 gallone di carburante ottieni 20 / 44,5 = 44,9% di efficienza termica NET; se potessi farlo a 60 MPH otterrai 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. Un esempio sopra riportato ha utilizzato un'efficienza del 10% a 34 MPG. Presumo 60 MPH per semplificare la matematica; 10% x44,5 = 4,45 HP-ora per gallone. Il raggiungimento di 34 MPG a 60 MPH richiede: 60/34 = 1.765 galloni all'ora di benzina (MPH / MPG = GPH). Se estrai 4,45 CV da 1,765 litri di benzina, utilizzi un totale di 7,85 CV. Non è possibile ottenere 340 MPG da un'auto con motore a benzina efficiente al 100% nel mondo reale (anche se si consente l'impossibilità riconosciuta di un motore efficiente al 100%) perché non è possibile far viaggiare un'auto a 60 MPH con meno di 8 HP! Ci sono veicoli che ottengono un chilometraggio del carburante ancora maggiore, ma non ci sono automobili degne di strada e i motori funzionano certamente molto più del 10%. In conclusione, i numeri SONO correlati e non puoi semplicemente accoppiare numeri casuali o finisci con affermazioni ridicole.
3. A basse velocità autostradali (di nuovo, mi piace usare 60 MPH per semplificare i calcoli), la maggior parte dei motori moderni funzionano dal 15% al ​​18% TE (e c'è una certa variabilità) e la maggior parte delle berline moderne richiedono da circa 15-20 CV a il volano. Ciò significa che la maggior parte delle berline di medie dimensioni ha tra 20 e 32 MPG (TE x 44,5 x gal. = Ore HP: 15 / (. 18x44.5) = 1,87 gal . E 20 / (. 15x44,5) = 3,00 gal. ; 60 / 1.87 = 32.0 MPG e 60 / 3.00 = 20.0 MPG ).
4. Il motivo per cui i produttori stanno ridimensionando i motori è che i motori più piccoli tendono a funzionare con maggiore efficienza ALLA STESSA POTENZA. Le auto che ottengono un chilometraggio del carburante migliore rispetto a quelle calcolate di solito hanno motori inferiori a 2,0 litri.

Tieni presente che il grafico mostrato si riferisce all'efficienza termica del solo motore e non considera un'auto in movimento come un sistema completo e anche che l'asse verticale sembra essere etichettato come un rapporto piuttosto che un'efficienza percentuale, quindi 0,2 su il grafico è equivalente al 20%

Per un'auto nel suo insieme, il carico del motore non è indipendente dalla velocità poiché le forze di resistenza tendono ad aumentare con il quadrato della velocità.

Il motivo principale per cui i motori IC hanno una minore efficienza a carichi inferiori è che molte perdite di energia sono abbastanza costanti, indipendentemente dalla potenza prodotta; questi includono la potenza richiesta per cose come l'induzione dell'aria, il pompaggio di carburante, refrigerante e lubrificanti e l'alimentazione di sistemi elettrici. Pertanto, a una potenza inferiore, queste perdite rappresentano una proporzione molto maggiore della potenza complessiva prodotta dal motore. Ad esempio, supponiamo che un motore abbia un fabbisogno costante di 1 kW per tutti gli accessori. Se sta producendo una potenza di uscita di 1 kW, queste perdite sono la metà della potenza totale prodotta, mentre quando il motore sviluppa 50 kW di quelli che rappresentano solo il 2% del totale.

In un motore più grande con una potenza maggiore, queste perdite (approssimativamente) costanti tenderanno ad essere più grandi che in un motore di capacità inferiore.

Inoltre, l'efficienza del motore non è direttamente correlata a mpg. Un motore efficiente in un'auto pesante potrebbe comunque avere un consumo di carburante più elevato rispetto a un motore relativamente inefficiente in un'auto leggera. Per dirla in altro modo, mpg è correlato a quanta energia è necessaria per percorrere una certa distanza, ma l'efficienza misura quanta energia viene sprecata.

Nel diagramma 'carico' è la coppia prodotta dal motore. Ai fini del test verrà collegato ad un carico regolabile (ad es. Generatore e un banco di resistori). La potenza prodotta è questa coppia moltiplicata per la velocità angolare (RPM). Si noti che tutti i motori hanno un limite pratico sugli RPM a causa delle forze di accelerazione sulle parti mobili (in particolare valvole e bielle), quindi la potenza di uscita è una funzione sia del carico che degli RPM.

In altre parole, il carico del 25% non è uguale al 25% della potenza di picco.

Posso darti un'analogia: per un motore elettrico DC, l'efficienza è massima in un punto MENO DELLA sua massima potenza nominale.

I meccanismi di perdita sono l'attrito dovuto alla rapida rotazione e le perdite del nucleo magnetico (corrente che attraversa la lega di ferro) come parametro indipendente dalla coppia. Se non fosse per perdite magnetiche, l'efficienza sarebbe massima alla coppia = 0. Quindi comprendi i tuoi meccanismi di perdita del motore e vedi se è possibile applicare lo stesso tipo di curva.

Sostituendo la tua domanda:
1. Quanta energia usa un'auto a 60 miglia all'ora facendo 34mpg?
2. Qual è la sua efficienza se richiede 20 CV per mantenere una velocità costante?

In unità SI:
auto a 26,8 m / s che fa 14,4 km / L richiede 14,9 kW

Dati empirici:
* HHV per benzina circa 47MJ / Kg
* Densità della benzina circa 0,74 Kg / L
=> ~ 35MJ / L

Calcoli:
PowerIn = (35MJ / L) * (26.8m / s) / (14km / L)
= (35kJ) * (26.8 / s) / (14), NB: MJ = kkJ
= 67kJ / s
= 67kW
Efficienza = 14,9 / 67
= 22,2%

NB1: I 240 CV indicati sono la massima potenza di USCITA.

NB2: il carico% nel diagramma si riferisce alla massima potenza a quella particolare velocità. È approssimativamente proporzionale all'efficienza volumetrica del motore, che dipende dalla posizione dell'acceleratore, dalla fasatura della valvola e dalle caratteristiche di risonanza del collettore.

Quel grafico è sospetto. Se guardi la pagina Web da cui è stata presa, è chiaro che l'autore di quella pagina non capisce i termini di base che sta usando, come "carico", "potenza", "coppia", ecc. Il grafico può sia corretto se interpretiamo "carico" come "coppia", poiché è noto che l'efficienza del motore migliora all'aumentare della coppia e diminuisce la rotazione (quindi, abbiamo "overdrive").

Riassumendo, l'efficienza del motore è determinata, in ordine decrescente, da:

1. Termodinamica: seconda legge della termodinamica (motori di calore) . È impossibile estrarre una quantità di calore QH da un serbatoio caldo e usarlo tutto per fare il lavoro W. Una certa quantità di QC di calore deve essere esaurita in un serbatoio freddo. Questo preclude un perfetto motore termico.
2. Contenuto energetico di un combustibile: il contenuto energetico specifico di un combustibile è l'energia termica ottenuta quando viene bruciata una certa quantità (come galloni, litri, chilogrammi). A volte viene chiamato il calore della combustione. Il suo valore teorico è determinato dall'energia libera di Gibbs che è un potenziale termodinamico che misura l '"utilità" o il lavoro di avvio del processo ottenibile da un sistema termodinamico a temperatura e pressione costanti (isotermico, isobarico) (in funzione del motore specifico) .
3. Efficienza specifica del motore a combustione interna: l' efficienza di un moderno motore a combustione interna è determinata principalmente dal rapporto aria-carburante , rapporto di compressione , sistemi di controllo della valvola , gestione della temperatura del motore , principalmente curati dai sistemi di controllo a circuito chiuso costituiti da sensori (volume d'aria, temperatura , sensori lambda) collegati al microcomputer. Questi, insieme al cambio , determinano le prestazioni ottimali del motore in corrispondenza della posizione dell'acceleratore , del carico e dell'inclinazione specifici ( coefficiente di resistenza e dimensioni dei pneumatici dovrebbe essere considerato anche.)