Digamos que un automóvil a 60 mph requiere aproximadamente 20 hp para mantener su velocidad (es decir, para superar la resistencia a la rodadura y el arrastre).

Si este automóvil genera 240 hp y obtiene alrededor de 34 mpg (no demasiado realista), ¿cómo está obteniendo 34 mpg si el motor solo tiene una eficiencia de 0.05? Sé que se supone que los automóviles modernos tienen un límite de eficiencia cercano al 25-30% gracias al Sr. Carnot :

Gráfico desde aquí .

Siento que el engranaje debe ser parte de la respuesta, pero me cuesta entender cómo el engranaje permite que el motor genere 20 hp, mientras que claramente tiene una mayor eficiencia que la indicada en la tabla para una carga baja del motor.

¿Quizás no entiendo exactamente a qué se refiere la carga del motor?

Eficiencia termodinámica versus ahorro de combustible.

Cuando cita una eficiencia del 25-30% para una energía de combustión interna, está hablando de la eficiencia termodinámica del motor. Esto es, a nivel teórico, basado en un diferencial de temperatura. No tiene nada que ver directamente con el combustible.

Cuando cita una economía de combustible de 34 millas por galón , ahora está hablando de algo que depende en gran medida de otros factores, por ejemplo, la densidad de energía del combustible . ¿Cuánta energía extraíble hay en un galón de gasolina? ¿Qué tal un galón de antimateria? ¿Un galón de leche con chocolate?

Muchos motores pueden aceptar diferentes combustibles, o mezclas de combustibles, con diferentes densidades de energía, sin un cambio significativo en su eficiencia termodinámica. Por ejemplo, el etanol se mezcla con gasolina, pero tiene una densidad de energía aproximadamente un 30% menor que la gasolina; un galón de uno no es igual a un galón del otro.

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

Importancia de la carga del motor.

Siento que el engranaje debe ser parte de la respuesta, pero me cuesta entender cómo el engranaje permite que el motor genere 20 hp, mientras que claramente tiene una mayor eficiencia que la indicada en la tabla para una carga baja del motor.

¿Quizás no entiendo exactamente a qué se refiere la carga del motor?

Cuando el automóvil no está acelerando, la carga del motor proviene de las fuerzas que actúan contra el movimiento del motor. Fricción interna (pistones, cigüeñal, transmisión, etc.), fricción externa (neumáticos en la superficie de la carretera), arrastre, gravedad (al subir). "Carga" significa cuánta potencia se requiere del motor para que el automóvil tenga algo de velocidad y aceleración.

Como señala, cuando un vehículo está circulando por la carretera, solo necesita un pequeño porcentaje de su potencia de salida total disponible para mantener la velocidad. A menos que estemos hablando de velocidades realmente altas y / o de una maravilla excepcionalmente despiadada de un automóvil, navegar en la carretera no es una situación de alta carga. Su confusión parece provenir del hecho de que los vehículos obtienen una mejor economía de combustible cuando navegan a velocidades de autopista que cuando aceleran.

$q_{out}$

Cálculo de economía de combustible

Considere la siguiente relación: ¿dónde entra la carga del motor?

$v$$Q$

$v = 0$

Los escenarios realistas son más complicados, pero la larga historia resumida es que la reacción de combustión que ocurre en el cilindro del motor es mucho menos eficiente durante períodos de aceleración muy alta (es decir, cerca de la carga máxima).Pasa más combustible por el motor sin quemar, o solo parcialmente quemado, lo que significa que no extrajo tanta energía del mismo galón de combustible. Todavía está yendo a algún lado y su motor está funcionando con una mayor eficiencia termodinámica debido a la carga que se le aplica, pero en términos de ahorro de combustible, ese beneficio se reduce por el costo de una menor eficiencia de combustión. Incluso es posible, cuando la eficiencia de la combustión es muy pobre, que el costo supere por completo el beneficio de la alta carga. (Esto podría esperarse si el vehículo se ha mantenido muy mal. En realidad, mucho depende de la edad del automóvil, la calidad de sus unidades de control, la marcha en la que está acelerando, que es difícil hacer una predicción exacta para un escenario general.)

La otra cosa que quiero mencionar es que debes considerar a dónde va tu poder. "Alta carga del motor" solo significa que se está exigiendo mucha de la potencia que el motor es capaz de producir; no te dice a dónde va el poder. Si va a luchar contra la resistencia, que aumenta a medida que aumenta el cuadrado de la velocidad, entonces eso es energía desperdiciada y combustible desperdiciado. Puede entregarlo de manera muy eficiente, pero si no aumenta la velocidad * del vehículo, no contribuye a la economía de combustible. Solo parece eficiente cuando dibuja los límites de su sistema alrededor del motor e ignora el propósito del automóvil.

* Técnicamente, también deberíamos considerar la elevación, pero la economía de combustible generalmente se calcula en términos de distancia horizontal de la ruta. Se supone que las ganancias y pérdidas debidas al cambio en la elevación se cancelan en general o se contabilizan con algún factor de corrección grueso.

La trama de la pregunta no se aplica a la situación que se le pregunta. La capacidad de potencia de un motor automotriz cambia dinámicamente mientras se conduce alterando las RPM y acelerando el flujo de aire en la admisión.

La eficiencia máxima del motor de un automóvil es en algún lugar de rango medio, con ineficiencias bajo cargas altas y bajas. Con una carga del 10%, la eficiencia sigue siendo mejor que la mitad de lo que es en el pico.

Pero digamos que estamos obteniendo un 10% de eficiencia a 34mpg. No hay inconsistencia allí. Simplemente significa que si de alguna manera pudieras lograr el 100% de eficiencia, obtendrías 340mpg bajo ese escenario de carga.

Los motores de gasolina tienen una eficiencia muy pobre a baja carga ... sin peros ni peros. La eficiencia de 34mpg no se cotiza a baja carga.

Hay una velocidad ideal a la que se produce el kilometraje máximo ... la eficiencia del motor aumenta a medida que aumenta la carga, sin embargo, las pérdidas de arrastre de aire aumentan al cuadrado de la velocidad.

Hay dos razones principales para los pobres de manera eficiente a baja carga:

1. Con poca carga, un porcentaje significativo del trabajo realizado se utiliza para superar la fricción del motor.
2. Con carga baja, la relación de compresión efectiva es muy baja, lo que a su vez conduce a una eficiencia muy baja.

La potencia generada por un motor es el producto de la velocidad angular por el par disponible a esa velocidad angular. La función de la caja de cambios es simplemente hacer coincidir la velocidad del motor con la velocidad de la carretera.

El kilometraje de conducción en la ciudad es más bajo que el de la carretera, principalmente debido al frenado continuo que disipa la energía cinética como calor y al ralentí en los semáforos o señales de alto.

Sé que es un hilo viejo, pero no puedo resistirme a apuñalarlo. Especialmente cuando hay tanta información mala o no relacionada en las otras respuestas.

1. La eficiencia térmica y el millaje de combustible ESTÁN relacionados, aunque hay otros factores a considerar.

   La densidad de energía del combustible es un factor. Para los motores de gasolina es de aproximadamente 44.5 HP-horas (dado que el mpg ocurre durante algún tiempo y el torque es instantáneo, usaré HP, si le molesta, simplemente multiplique por 5252 y divida por RPM para traducir. A pesar de todo el argumento sobre qué mide el motor salida "mejor", están directamente relacionados algebraicamente) y si usa 20 HP y quema 1 galón de combustible obtendrá 20 / 44.5 = 44.9% de eficiencia térmica neta; si pudieras hacer esto a 60 MPH obtendrías 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. Un ejemplo dado anteriormente usó 10% de eficiencia a 34 MPG. Asumiré 60 MPH para mantener las matemáticas simples; 10% x44.5 = 4.45 HP-horas por galón. Lograr 34 MPG a 60 MPH requiere: 60/34 = 1.765 galones por hora de gasolina (MPH / MPG = GPH). Si extrae 4.45 HP de 1.765 galones de gasolina, entonces usa un total de 7.85 HP. No puede obtener 340 MPG de un automóvil con motor de gasolina 100% eficiente en el mundo real (incluso si permite la imposibilidad reconocida de un motor 100% eficiente) porque no puede hacer que un automóvil viaje a 60 MPH usando menos de 8 HP! Hay vehículos que obtienen un mayor rendimiento de combustible, pero no hay autos dignos en la calle y los motores ciertamente funcionan mucho más del 10%. En pocas palabras, los números ESTÁN relacionados y no puede simplemente emparejar números aleatorios o terminar con afirmaciones ridículas.
3. A bajas velocidades en carretera (nuevamente, me gusta usar 60 MPH para mantener los cálculos simples), la mayoría de los motores modernos operan alrededor del 15% al ​​18% TE (y hay alguna variabilidad) y la mayoría de los sedanes modernos requieren entre 15 y 20 BHP en El volante. Esto significa que la mayoría de los sedanes medianos obtienen entre 20 y 32 MPG (TE x 44.5 x gal. = HP-horas: 15 / (. 18x44.5) = 1.87 gal . Y 20 / (. 15x44.5) = 3.00 gal. ; 60 / 1.87 = 32.0 MPG y 60 / 3.00 = 20.0 MPG ).
4. La razón por la que los fabricantes están reduciendo el tamaño de los motores es porque los motores más pequeños tienden a funcionar con mayor eficiencia AL MISMO POTENCIA DE SALIDA. Los automóviles que obtienen un mejor rendimiento de combustible que los calculados anteriormente generalmente tienen motores de menos de 2.0 litros.

Tenga en cuenta que el gráfico que se muestra se relaciona con la eficiencia térmica del motor solo y no considera un automóvil en movimiento como un sistema completo y también que el eje vertical parece estar etiquetado como una relación en lugar de un porcentaje de eficiencia, por lo que 0.2 en el gráfico es equivalente al 20%

Para un automóvil en su conjunto, la carga del motor no es independiente de la velocidad, ya que las fuerzas de arrastre tienden a aumentar con el cuadrado de la velocidad.

La razón principal por la que los motores IC tienen una menor eficiencia con cargas más bajas es que muchas de las pérdidas de energía son bastante constantes, independientemente de la potencia producida; Estos incluyen la potencia requerida para cosas como la inducción de aire, el bombeo de combustible, refrigerante y lubricantes y la alimentación de sistemas eléctricos. Por lo tanto, a una potencia de salida más baja, estas pérdidas representan una proporción mucho mayor de la potencia total producida por el motor. Por ejemplo, supongamos que un motor tiene un requisito constante de 1 kW para todos los accesorios. Si está produciendo una potencia de salida de 1 kW, estas pérdidas son la mitad de la potencia total que se produce, mientras que cuando el motor está desarrollando 50 kW, son solo el 2% del total.

En un motor más grande con mayor potencia, estas pérdidas (aproximadamente) constantes tenderán a ser mayores que en un motor de menor capacidad.

Además, la eficiencia del motor no se relaciona directamente con mpg. Un motor eficiente en un automóvil pesado aún podría tener un mayor consumo de combustible que un motor relativamente ineficiente en un automóvil ligero. Para decirlo de otra manera, mpg está relacionado con la cantidad de energía que necesita para recorrer una cierta distancia, pero la eficiencia mide la cantidad de esa energía desperdiciada.

En el diagrama, "carga" es el par producido por el motor. Para fines de prueba, se conectará a una carga ajustable (por ejemplo, un generador y un banco de resistencias). La potencia producida es este par multiplicado por la velocidad angular (RPM). Tenga en cuenta que todos los motores tienen un límite práctico de RPM debido a las fuerzas de aceleración en las partes móviles (especialmente las válvulas y las bielas), por lo que la potencia de salida es una función tanto de la carga como de las RPM.

Para decirlo de otra manera, el 25% de carga no es lo mismo que el 25% de la potencia máxima.

Puedo darle una analogía: para un motor eléctrico de CC, la eficiencia es más alta en un punto MENOS QUE su potencia nominal máxima.

Los mecanismos de pérdida son la fricción de la rotación rápida y las pérdidas del núcleo magnético (corriente que atraviesa la aleación de hierro) como un parámetro independiente del par. Si no fuera por las pérdidas magnéticas, la eficiencia sería máxima con un par = 0. Entonces, comprenda sus propios mecanismos de pérdida del motor y vea si se puede aplicar el mismo tipo de curva.

Reformulando su pregunta:
1. ¿Cuánta energía usa un automóvil a 60 mph haciendo 34mpg?
2. ¿Cuál es su eficiencia si requiere 20 hp para mantener una velocidad constante?

En unidades SI: el
automóvil a 26.8m / s que hace 14.4km / L requiere 14.9kW

Datos empíricos:
* HHV para gasolina aproximadamente 47MJ / Kg
* Densidad de gasolina aproximadamente 0.74 Kg / L
=> ~ 35MJ / L

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

NB1: los 240 CV citados son la potencia de salida máxima.

NB2: El% de carga en el diagrama se refiere a la potencia máxima a esa velocidad en particular. Es aproximadamente proporcional a la eficiencia volumétrica del motor, que depende de la posición del acelerador, la sincronización de la válvula y las características de resonancia del múltiple.

Ese cuadro es sospechoso. Si observa la página web de la que fue tomada, está claro que el autor de esa página no comprende los términos básicos que está utilizando, como "carga", "potencia", "par", etc. El cuadro puede sea ​​correcto si interpretamos "carga" como "par", ya que es bien sabido que la eficiencia del motor mejora a medida que aumenta el par y disminuye el giro (por lo tanto, tenemos "sobremarcha").

Para resumir, la eficiencia del motor está determinada, en orden descendente, por:

1. Termodinámica: segunda ley de la termodinámica (motores de calor) . Es imposible extraer una cantidad de calor QH de un depósito caliente y usarlo todo para hacer el trabajo W. Se debe expulsar cierta cantidad de calor QC a un depósito frío. Esto impide un motor térmico perfecto.
2. Contenido energético del combustible: el contenido energético específico de un combustible es la energía térmica obtenida cuando se quema una cierta cantidad (como un galón, litro, kilogramo). A veces se le llama el calor de la combustión. Su valor teórico se determina a partir de la energía libre de Gibbs, que es un potencial termodinámico que mide la "utilidad" o el trabajo de inicio del proceso que se puede obtener de un sistema termodinámico a una temperatura y presión constantes (isotérmica, isobárica) (en función del motor específico) .
3. Eficiencia específica del motor de combustión interna: la eficiencia de un motor de combustión interna moderno está determinada principalmente por la relación aire-combustible , la relación de compresión , los sistemas de control de válvulas , la gestión de la temperatura del motor , en su mayoría atendidos por sistemas de control de circuito cerrado que consisten en sensores (volumen de aire, temperatura , sensores lambda) conectados al microordenador. Estos, junto con la caja de cambios , determinan el rendimiento óptimo del motor en la posición específica del acelerador , la carga y la inclinación del automóvil ( coeficiente de arrastre y tamaño de los neumáticos). debe considerarse también).