Perché non vengono utilizzate forme elettriche di riscaldamento nei motori a combustione interna

Poiché l'intero lavoro di un motore a combustione interna (ICE) consiste nel trasformare il calore in energia meccanica, perché i metodi di riscaldamento elettrico non sono più popolari? So che ci deve essere un motivo. Non sto parlando di auto elettriche o altro, ma di usare l'elettricità per riscaldarsi e lavorare.

Perché non sarebbe molto efficiente.

Il vantaggio principale dei motori a combustione interna è che la densità energetica dei loro carburanti (benzina, diesel) è molto buona. Puoi fare molta strada su un serbatoio relativamente piccolo e leggero. Lo svantaggio è che non sono molto efficienti. Gran parte dell'energia nel combustibile viene persa per attrito e calore e solo una porzione molto piccola (<35%) si trasforma in realtà in movimento meccanico.

I veicoli elettrici sono fantastici perché sono incredibilmente efficienti. Il carburante che usano (batterie) non è affatto compatto e leggero come la benzina o il diesel per la quantità di energia che immagazzinano, ma un motore elettrico può trasformare il 90% + di quell'energia in movimento meccanico.

L'uso dell'elettricità per riscaldare l'aria e far funzionare un motore basato sulla variazione di pressione significherebbe combinare gli aspetti peggiori di entrambi questi sistemi.

Sebbene altre risposte forniscano buone risposte relative alle perdite di energia, c'è un'altra cosa da considerare.

Come diavolo stai pensando di riscaldare l'aria in un minuscolo cilindro a molti kilowatt? Ciò è necessario, poiché un tipico motore a quattro cilindri produce 100 chilowatt di potenza e, nel migliore dei casi, l'efficienza è probabilmente del 33% circa (ipotizzando un motore a ciclo non Atkinson qui). Quindi, hai bisogno di 300 chilowatt di riscaldamento elettrico, di cui una parte del cilindro è di 75 chilowatt.

Peggio ancora, è necessario riscaldare l'aria in un determinato momento (tra corsa di compressione e corsa di espansione). Per una migliore efficienza, il riscaldamento dovrebbe essere un periodo molto momentaneo tra queste due corse, ma supponiamo ora che l'intera corsa di espansione possa essere utilizzata per riscaldare l'aria. Uno dei quattro colpi significa che la potenza momentanea deve essere 4 (numero di colpi) per 75 chilowatt o 300 chilowatt. Per cilindro!

Hai visto resistenze elettriche da 300 kilowatt? Se sì, probabilmente ti rendi conto che non c'è modo di inserire un tale elemento riscaldante all'interno di un cilindro con corsa 86 mm x 86 mm in un motore da 2 litri. Dovrebbe effettivamente adattarsi in uno spazio molto più piccolo, perché se il rapporto di compressione è 10, è disponibile solo circa 8,6 mm nella direzione verticale.

Anche il mio riscaldatore interno elettrico da 1900 W che utilizzo durante il freddo inverno finlandese è molto più grande di 86 mm x 8,6 mm. E questo è solo 1,9 chilowatt, molto meno di 300 chilowatt.

Notare che non è possibile avere il riscaldatore esternamente, cioè riscaldare l'aria prima che passi al motore. In questo caso, la pressione dell'aria aumenterebbe anche nella corsa di compressione, contrastando l'aumento di pressione della corsa di espansione. Hai davvero bisogno che l'aria sia fredda durante la corsa di compressione e calda durante la corsa di espansione. Quindi l'elemento riscaldante deve essere davvero interno al motore.

tl; dr
I motori a combustione interna non possono trasformare tutto il calore in lavori meccanici. E se c'è una fonte di calore, perché non usarlo per il riscaldamento?

Tutti i cicli termici, ad esempio il ciclo di Carnot (ideale, il più efficace), il ciclo Otto (motore a benzina idealizzato), il ciclo diesel (motore diesel idealizzato), il ciclo Clausius-Rankine (turbina a vapore ideale), dissipano una parte del calore per definizione. I motori reali trasformano ancora meno energia in lavori meccanici e più energia in calore.

Parte dell'energia meccanica viene consumata dall'alternatore per caricare la batteria, alimentare le candele, la centralina e altri sistemi. Il resto viene utilizzato per il movimento effettivo.

Se utilizziamo solo riscaldatori elettrici, scaricheremo tutto il calore dal motore e useremo parte del lavoro meccanico per riscaldare l'auto. È doppio spreco. Se usiamo il riscaldamento ad aria, abbiamo avuto un utilizzo massiccio per parte dell'energia sprecata dal motore.

Ad esempio, confronta il consumo di carburante e l'esperienza di guida di Skoda Fabia 1.2 HTP (honem to prodej [sell it ASAP]) con stereo, AC e riscaldamento dei sedili. Quando tutti i sistemi sono accesi, il consumo è significativamente più elevato e l'accelerazione è significativamente peggiore, tutto perché più potenza viene indirizzata all'alternatore piuttosto che alle ruote. La disattivazione di CA è comunemente tattica utilizzata quando si tenta di sorpassare con tali auto.

Il riscaldamento elettrico indipendente e i riscaldatori elettrici dei sedili vengono utilizzati come optional per un maggiore comfort. Ci vuole meno di un minuto per riscaldarli indipendentemente dalla temperatura ambiente, d'altra parte il riscaldamento del motore impiega da minuti a decine di minuti rispetto alla temperatura ambiente.

Nota a margine, se il motore si surriscalda, si consiglia di accendere completamente il riscaldamento: reindirizzerà parte del calore dal radiatore guasto / sovraccarico alla cabina.

Lo scopo di un GHIACCIO è convertire l'energia chimica in movimento. Lo fa accendendo il combustibile non per generare calore di per sé ma per causare una rapida espansione delle particelle nel cilindro, che a sua volta crea pressione e quindi applica forza sul pistone. Il calore è uno dei numerosi fattori che entrano in gioco in quella espansione. Tuttavia, una serie di altri fattori entrano in gioco nelle reazioni chimiche coinvolte nella combustione. Non è stato possibile simularli semplicemente riscaldando rapidamente l'aria con il calore elettrico. Risulta inoltre che convertire l'energia chimica in calore è molto più semplice fare in modo efficiente la conversione dell'elettricità in calore.

Ma utilizziamo sistemi elettrici per creare calore nei motori a combustione interna. Si chiamano Block heaters.

Come la maggior parte dei commenti e dei post sottolineano, non è il calore che viene convertito in energia meccanica, è la forza del combustibile acceso (la combustione) attraverso i pistoni. Il calore è principalmente energia sprecata, che viene assorbita e trasferita dal liquido di raffreddamento.

Tuttavia a temperature estreme l'olio diventa più viscoso, richiedendo più energia per muoversi. Ciò può causare danni al motore quando si tenta di funzionare a freddo o l'impossibilità di far funzionare il sistema. I riscaldatori del blocco sono stati progettati per mantenere alcune parti del motore più vicine alla loro temperatura di funzionamento ideale per facilitare l'avvio.

Quindi, anche se non abbiamo bisogno di elettricità per creare calore extra in un motore già in funzione, lo usiamo per mantenere le cose calde quando è spento.

Non so cosa intendi per riscaldamento e lavoro, ma la Lancia Delta pre-86 presentava il riscaldamento elettrico della cabina, è questo a cui ti riferisci?

Se intendi riscaldare l'aria indotta nel motore, questa è una cattiva idea perché l'aria fredda ha la più alta densità e quindi la maggior quantità di ossigeno disponibile per la combustione.

Prima domanda: da dove prendi l'elettricità? L'elettricità che utilizziamo proviene da altre fonti idroelettriche, geotermiche, ecc. Insieme alle perdite di conversione, l'uso di altri combustibili che sono direttamente disponibili carbone ecc. Per fornire calore è stato efficace. Ora, con il riscaldamento globale, ci stiamo spostando verso le energie rinnovabili ...

Il calore è una forma di energia, ma rispetto all'elettricità è più pigro. È difficile lavorarci fuori. Quindi, se avessi una fonte di elettricità, sarebbe molto meglio usarla in un motore elettrico, con un'efficienza del 99%, che usarla per riscaldare qualcosa e quindi estrarre il lavoro dal calore con un'efficienza forse del 30% in una giornata davvero buona .

E non ho nemmeno menzionato la costante di Boltzmann!