In che modo la temperatura ambiente influenza l'efficienza del motore e il consumo di carburante?


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Ricordo dalla mia classe di fisica che il motore Carnot a gas ideale è più efficiente se la differenza di temperatura tra la fonte di calore e il termostato ("ricevitore di calore") è maggiore ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ hbase / thermo / carnot.html ).

E ho sempre pensato che questo POTREBBE essere applicabile ai motori della vita reale, quindi devo ammettere che mi aspettavo un consumo di carburante inferiore durante l'inverno. Purtroppo, non ho ancora sperimentato il potere di risparmiare denaro del gelo invernale.

Ma forse le mie misurazioni erano imperfette e i motori a combustione sono davvero più efficienti se il calore in eccesso viene irradiato più facilmente?

PS: so che un motore freddo significa anche olio più viscoso / denso. Quindi ho notato una significativa perdita di efficienza (potenza, davvero) subito dopo l'avvio del mio motore. Ma sono più interessato a una situazione fissa, quando il motore è caldo e pronto.


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Una complicazione del consumo di carburante invernale è che la miscela di carburante venduta nelle stazioni di servizio è diversa in inverno. Il gas di miscelazione invernale è più volatile, rendendo il veicolo in partenza. È anche meno denso di energia, quindi percorri meno miglia per serbatoio. Puoi leggere di più qui: itisscience.wordpress.com/2011/11/28/…
James Palmer,

Ottima domanda Triste che mi mancasse quando era fresco. Sembra che @Paulster l'abbia inchiodato però. :-)
DucatiKiller

Risposte:


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tl; dr: la temperatura dell'aria ambiente generalmente non dovrebbe interferire con l'efficienza del motore o il consumo di carburante, ma influirà sulla potenza complessiva.

Non confondere l' efficienza con la potenza erogata . Queste sono due cose separate. Quando la tua carica di assunzione è più densa, puoi lanciare più carburante e creare più energia . ( NOTA: l'idea per il sistema di gestione del motore è di mantenere un rapporto aria / carburante di 14,6: 1 generale(chiamato anche stechiometrico o "stoico" in breve). Questa è la cosiddetta miscela "perfetta" di aria e carburante, dove tutto il carburante viene bruciato senza che l'ossigeno venga lasciato in seguito. Sfortunatamente, la miscela stoica non viene solitamente ottenuta. Ciò accade a causa di due problemi che sorgono, entrambi dovuti alla quantità di calore creata durante il processo di combustione. Innanzitutto, la combustione più calda può causare detonazione. In secondo luogo, al di sopra di una temperatura di combustione di circa 1700 ° F, l'azoto nell'aria che viene portato nel motore (insieme all'ossigeno - l'aria contiene ~ 78% di azoto e ~ 20% di ossigeno) e brucia. Questo crea NO2 o biossido di azoto. Questo è un importante inquinante dell'aria ed è stata la causa principale della pioggia acida di cui si parlava negli anni '70 in California. È anche molto brutto per noi respirare - di fatto tossico.)

Il rovescio della medaglia è l' efficienza , che nel contesto dei motori significa ottenere più energia utilizzabile dalla stessa quantità di carburante. Negli ultimi due decenni sono stati compiuti passi da gigante verso l'efficienza del motore. Uno dei modi in cui hanno raggiunto questo obiettivo è attraverso la ricarica turbo. In termini semplici, la turbocompressione è un modo di utilizzare l'energia termica altrimenti scartata nel processo di scarico. Il turbo è in grado di aumentare la carica d'aria utilizzando la pressione creata dai gas di scarico, che consente al computer di lanciare più carburante alla carica di aspirazione, aumentando così la potenza. Ciò potrebbe condurre a una discussione molto "ampia", quindi la lascerò qui. Inutile dire che la potenza viene resa in modo più efficiente con questo metodo rispetto alla normale aspirazione e quindi il motore può produrre più potenza con meno carburante.

Un altro modo per migliorare l'efficienza del motore è aumentare il rapporto di compressione ( CR ) del motore. Una regola generale per CR è che per ogni punto di CR aggiunto la tua potenza aumenterà di circa il 3%. Se si aumenta la potenza senza aggiungere più carburante, si ottiene una maggiore efficienza.

Una carica d'aria più fredda che entra nel motore sarà più densa e conterrà più ossigeno rispetto alla sua controparte più calda. Stai ancora usando più carburante per creare più potenza, quindi non ci sono ulteriori vantaggi in termini di efficienza.

Mentre hai suggerito di non includere un avviamento a freddo, c'è un motivo per cui non vedrai un consumo di carburante migliore durante questo periodo. Il motivo è che il computer in effetti getta più carburante nel mix per fornire una maggiore stabilità del motore (aiuta a farlo funzionare senza intoppi - come farebbe un soffocamento su un motore a carburatore) e per aiutare il convertitore catalitico a riscaldarsi più velocemente aiutandolo a raggiungere la massima efficienza Più veloce.

In realtà, i motori a combustione possono essere un po ' più efficienti se possono utilizzare il calore invece di irradiarlo. Ricorda che il calore irradiato è energia persa . Se puoi utilizzare il calore per produrre più energia o creare la stessa potenza in modo più efficiente, stai solo meglio insieme.

Quello di cui sto parlando è un concetto che un ragazzo di nome Henry "Smokey" Yunick aveva imparato nei primi anni '80. Ha elaborato un'idea che Ralph Johnson ha avuto nei primi anni '50 mentre Ralph lavorava alla GM. L'idea di un motore ad aria calda in cui l'aria viene riscaldata a circa 400 ° F e omogeneizzata(miscelato molto bene) a un punto in cui non avrebbe avuto detonazione. Puoi leggere l'articolo, ma il motivo per cui oggi non è nei veicoli è duplice. In primo luogo, hanno provato a trasformarlo in un kit da imbullonare, ma non ci sono riusciti perché richiedevano parti aggiornate per i pistoni e gli anelli, che in effetti non è tanto un kit "imbullonato" e lo rende un molto più costoso dei prezzi target per cui stavano sparando. In secondo luogo, Smokey purtroppo è morto qualche tempo fa. Troppi dei suoi segreti sono morti con lui mentre teneva i particolari nella sua testa. Questo è veramente triste, perché ha fatto un lavoro davvero FANTASTICO e ha avuto invenzioni e idee rivoluzionarie che sono morte con lui.

Il motore ad aria calda vola di fronte al pensiero comune sull'induzione dell'aria fredda e sulla tua domanda. La saggezza comune afferma che più fredda è l'aria che entra nel motore, migliore è il rendimento. E questo è sostanzialmente vero con (quello che consideriamo oggi) motori normali (il motore ad aria calda di Smokey è un valore anomalo).


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Il motore ad aria calda sembra nella migliore delle ipotesi una bufala.
FarO,

A proposito, puoi ottenere una migliore efficienza aumentando solo il rapporto di compressione (anche ignorando l'autocombustione): ad un certo punto l'energia che usi per comprimere aumenta così tanto da non essere ripagata da una maggiore efficienza.
FarO,

@OlafM - Devi indagare su Smokey Yunick che era un genio meccanico puro del primo ordine. Guarda i suoi successi, poi torna e dimostrami che ha prodotto un motore "ingannevole". Solo perché l'idea vola di fronte alla "saggezza comune" non significa che abbia prodotto una bufala. Era sulla falsariga di Nikola Tesla, ma da un punto di vista meccanico ... Penso che molta della sua saggezza sia andata sfortunatamente nella tomba con lui, che in entrambi i casi è una triste perdita per il mondo.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

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No, è fisica. Non funziona ed è una truffa nota per essere tale . Controlla "Truffa di Smokey Yunick". Scusa per aver rovinato il tuo sogno :) Comprime già gas caldo ??? l'energia per comprimerlo aumenta molto con la temperatura, ecco perché l'aria viene raffreddata nell'intercooler dopo il turbo, per esempio. Conosci fisica e termodinamica e le formule dei gas? è sufficiente una laurea in ingegneria di base. Tuttavia, la parte della tua risposta al riguardo è totalmente fuori tema con la domanda. È necessario rimuoverlo in ogni caso, poiché non è correlato e non fornisce ulteriori informazioni utili.
FarO,

@OlafM - Non è il mio sogno, quindi credi in quello che vuoi credere. La scienza è valida solo come l'ultimo esperimento. Se è una truffa come hai detto, dimostralo .
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

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Il "lato freddo" inferiore del ciclo di Carnot porta a una migliore efficienza teorica, certo, ma hai calcolato quanto? Un'aspirazione più fredda di 10-20 K con la stessa temperatura di combustione di 1000 K influisce sull'efficienza finale dell'1%. E quell'efficienza è del 70% in ogni caso, quindi puoi indovinare che ci sono così tanti altri parametri che riducono l'efficienza finale al 25%, che il Carnot ha poca rilevanza in un'auto.

E in ogni caso, il motore deve essere riprogettato per utilizzare quel "lato freddo" inferiore se si desidera la stessa temperatura di combustione, perché se si abbassa semplicemente l'aria di aspirazione in un motore normale, si finisce per abbassarsi della stessa quantità anche la temperatura "lato caldo", riducendo ulteriormente il guadagno di efficienza.

In inverno le auto consumano più carburante perché l'aria è più densa e devi allontanarla, le gomme hanno un attrito maggiore e devi spingerle più forte, l'olio nella trasmissione diventa più denso e provoca più perdite, usi il riscaldamento e le altre caratteristiche che consumano energia (che proviene ovviamente dal carburante, hai meno per spostare effettivamente la macchina), il carburante è diverso in primo luogo per migliorare la combustione a basse temperature (questo significa che viene modificato per bruciare meglio, ma ha meno energia all'interno quindi è necessario di più) e così via.

In inverno si può avere un consumo di carburante fino al 50% peggiore, in situazioni specifiche anche peggiore del 100% (ciò significa che il consumo di carburante raddoppia).

Come esempio di cause di un maggiore consumo di carburante: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

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A proposito, errore mio: l'efficienza massima di 1- (T_low / T_high)) si applica a Carnot, ma il motore Otto ha un'efficienza massima diversa, vedi /physics/168912/carnot- vs-otto

Significa anche che il motore è già molto più vicino all'efficienza teorica di quanto non sia spesso.

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