Как температура окружающей среды влияет на КПД двигателя и расход топлива?

Вкратце: температура окружающего воздуха, как правило, не влияет на КПД двигателя или расход топлива, но влияет на общую выходную мощность.

Не путайте эффективность с выходной мощностью . Это две отдельные вещи. Когда ваш впускной заряд более плотный, вы можете направить на него больше топлива и создать больше мощности . ( ПРИМЕЧАНИЕ: Идея системы управления двигателем состоит в том, чтобы поддерживать общее соотношение воздуха и топлива 14,6:1.(также называемый стехиометрическим или «стоическим» для краткости). Это так называемая «идеальная» смесь воздуха и топлива, при которой все топливо сгорает без лишнего кислорода. К сожалению, стоическую смесь обычно не получают. Это происходит из-за двух возникающих проблем, связанных с количеством тепла, которое выделяется в процессе горения. Во-первых, более горячее горение может вызвать детонацию. Во-вторых, при температуре сгорания около 1700 градусов по Фаренгейту азот в воздухе, который подается в двигатель (вместе с кислородом - воздух содержит ~ 78% азота и ~ 20% кислорода) и сгорает. Это создает NO2 или двуокись азота. Это основной загрязнитель воздуха и основная причина кислотных дождей, о которых говорили в 70-х годах в Калифорнии. Нам также очень вредно дышать — на самом деле ядовито.)

Оборотной стороной этого является эффективность , которая в контексте двигателей означает получение большей полезной мощности при том же количестве топлива. За последние пару десятилетий были достигнуты большие успехи в повышении эффективности двигателей. Одним из способов достижения этого является турбонаддув. Проще говоря, турбонаддув — это способ использования тепловой энергии, которая в противном случае отбрасывалась бы в процессе выхлопа. Турбина способна увеличивать заряд воздуха за счет давления, создаваемого выхлопными газами, что позволяет компьютеру подбрасывать больше топлива на впускной заряд, тем самым увеличивая мощность. Это может привести к очень большому «другому» обсуждению, поэтому я оставлю это здесь. Излишне говорить, что с помощью этого метода мощность вырабатывается более эффективно, чем с помощью обычного всасывания, и, таким образом, двигатель может развивать большую мощность с меньшим количеством топлива.

Еще одним способом повышения эффективности двигателя является увеличение степени сжатия ( CR ) двигателя. Общее эмпирическое правило для CR заключается в том, что за каждую единицу добавленного CR ваша выходная мощность будет увеличиваться примерно на 3%. Если вы увеличиваете выходную мощность, не добавляя больше топлива, это повышает эффективность.

Более холодный воздушный заряд, поступающий в двигатель, будет более плотным и содержать больше кислорода, чем его более теплый аналог. Вы по-прежнему используете больше топлива для создания большей мощности, поэтому нет никакого дополнительного преимущества в эффективности.

Хотя вы предложили не включать холодный пуск, есть причина, по которой вы не увидите лучшего расхода топлива в этот период. Причина в том, что компьютер на самом деле подбрасывает в смесь больше топлива, чтобы обеспечить повышенную стабильность двигателя (помогает поддерживать его плавную работу, как дроссельная заслонка на карбюраторном двигателе) и помогает каталитическому нейтрализатору быстрее прогреться, помогая ему достичь максимальной эффективности. Быстрее.

На самом деле, двигатели внутреннего сгорания могут быть немного более эффективными, если они могут использовать тепло, а не излучать его. Помните, что излучаемое тепло – это потерянная энергия . Если вы можете использовать тепло для производства большего количества энергии или создания той же мощности более эффективно, вам просто лучше вместе.

Я говорю о концепции, которую парень по имени Генри «Смоки» Юник освоил в начале 80-х. Он работал над идеей, которую Ральф Джонсон придумал в начале 50-х, когда Ральф работал в GM. Идея двигателя горячего воздуха, в котором воздух нагревается примерно до 400 градусов по Фаренгейту и гомогенизируется .(очень хорошо смешанный) до такой степени, что не будет детонации. Вы можете прочитать статью, но причина, по которой его сегодня нет в автомобилях, двоякая. Во-первых, они пытались сделать его в виде комплекта с болтовым креплением, но не смогли этого сделать, потому что для этого требовались модернизированные детали для поршней и колец, что, по сути, является не столько комплектом для крепления на болтах, сколько делает его намного дороже, чем целевые цены, на которые они рассчитывали. Во-вторых, Смоки, к сожалению, некоторое время назад умер. Слишком много его секретов умерло вместе с ним, поскольку он держал подробности в своей голове. Это действительно грустно, потому что он проделал действительно УДИВИТЕЛЬНУЮ работу и имел революционные изобретения и идеи, которые умерли вместе с ним.

Двигатель с горячим воздухом бросает вызов общепринятым представлениям о впуске холодного воздуха и вашему вопросу. Здравый смысл гласит, что чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем лучше мощность. И это в основном верно для (то, что мы рассматриваем сегодня) нормальных двигателей (двигатель горячего воздуха Смоки является исключением).

Более низкая «холодная сторона» цикла Карно, конечно, приводит к лучшей теоретической эффективности, но вы подсчитали, насколько? Более холодный впуск на 10-20 К при той же температуре сгорания в 1000 К влияет на конечный КПД на 1%. И этот КПД в любом случае составляет 70%, поэтому вы можете догадаться, что существует так много других параметров, снижающих конечный КПД до 25%, что Карно не имеет большого значения в автомобиле.

И в любом случае двигатель необходимо перепроектировать, чтобы использовать эту более низкую «холодную сторону», если вы хотите такую ​​же температуру сгорания, потому что, если вы просто уменьшите количество всасываемого воздуха в обычном двигателе, вы в конечном итоге понизите его на ту же величину. также температура «горячей стороны», что еще больше снижает прирост эффективности.

Зимой автомобили потребляют больше топлива, потому что воздух плотнее, и вам приходится его отталкивать, шины имеют большее трение, и вам приходится сильнее отталкивать их, масло в трансмиссии становится гуще и вызывает больше потерь, вы используете нагрев и другие функции, которые потребляют энергию. (конечно, это происходит из-за топлива, у вас меньше, чтобы фактически двигать машину), топливо отличается, в первую очередь, тем, что улучшает сгорание при низких температурах (это средство модифицировано, чтобы лучше гореть, но имеет меньше энергии внутри, поэтому вам нужно больше) и так далее.

Зимой экономия топлива может быть на 50% хуже, а в определенных ситуациях даже на 100% хуже (то есть расход топлива удваивается).

В качестве примера причин повышенного расхода топлива: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

Редактировать

Кстати, моя ошибка: максимальный КПД 1-(T_low/T_high)) относится к Карно, но у двигателя Отто другой максимальный КПД, см. https://physics.stackexchange.com/questions/168912/carnot- против-отто

Это также означает, что двигатель уже намного ближе к теоретической эффективности, чем это часто бывает.

Если взять двигатель, работающий по термодинамическому циклу Отто (работа, получаемая за каждый цикл, представляет собой площадь внутри диаграммы P(V)) с той же нагрузкой и с оптимальной рабочей температурой во всей его системе смазки: более холодный воздухозаборник означает, что смесь можно сделать более бедной, потому что большую часть времени (все меньше и меньше по мере роста вычислительной мощности ЭБУ) смесь поддерживается на богатой стороне стехиометрической реакции горения 14: 1 для более низких температур камеры и предотвращения нежелательной предварительной детонации (детонации). ). Если двигатель с турбонаддувом, температура между горячей и холодной сторонами турбины будет выше, и промежуточный коллектор (ы) будет извлекать больше тепла из сжатого воздуха. что подразумевает повышение эффективности на всех этапах операции. Таким образом, прирост мощности в автоспорте достигается за счет использования «