¿Por qué no se utilizan formas eléctricas de calefacción en motores de combustión interna?

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Dado que todo el trabajo de un motor de combustión interna (ICE) es convertir el calor en energía mecánica, ¿por qué los métodos de calefacción eléctrica no son más populares? Sé que debe haber una razón. No estoy hablando de autos eléctricos ni nada, sino de usar electricidad para calentar y trabajar.

engine-theory

— DeusIIXII
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Un motor de pistón convierte una explosión química en rotación, el calor es en gran medida un subproducto no deseado. Convertir la electricidad en calor en movimiento sería ineficiente en comparación con un motor eléctrico (a-la Tesla / Prius, etc.)

— John U

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¿Es incorrecta la premisa de esta pregunta, o las modificaciones a la pregunta han causado que se malinterprete la intención del OP? El trabajo de un ICE no es convertir el calor en energía mecánica. Tal vez el OP pregunta por qué el calentamiento eléctrico no se usa en más motores en general (refiriéndose incorrectamente a ellos como ICE) y no necesariamente significa específicamente la combustión interna. Esto causaría que la respuesta de la pregunta sea completamente diferente.

— Keeta - reinstalar a Monica

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Mira, por eso estoy muy confundido. Por mi parte, cuando investigo escucho constantemente que los motores de combustión interna son motores de calor que convierten el calor en movimiento. Ahora estás diciendo que no. Que esto sea confuso.

— DeusIIXII

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@immibis Los ICE son indudablemente motores de calor, pero el trabajo general es convertir una energía química en energía mecánica (por medio del calor).

— Chris H

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Deus, creo que estás realmente confundido acerca de cómo funciona un ICE. El comentario de John U es la única respuesta razonable que he visto a su pregunta. Técnicamente, para un motor de gasolina, la calefacción eléctrica es MUY popular: el calor extremo generado alrededor del arco de la bujía se usa para encender la mezcla de combustible explosiva y todos los motores de gasolina del mundo usan calefacción eléctrica. Pero el gas caliente, en expansión y explosivo que impulsa el pistón hacia abajo es un producto de una reacción química, no eléctrica. No podría lograr fácilmente una versión sin gasolina de la misma utilizando solo una chispa masiva

— Caius Jard

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Porque no sería muy eficiente.

La principal ventaja de los motores de combustión interna es que la densidad de energía de sus combustibles (gasolina, diesel) es muy buena. Puede recorrer un largo camino en un tanque relativamente pequeño y ligero. El inconveniente de ellos es que no son muy eficientes. La mayor parte de la energía en el combustible se pierde por fricción y calor, y solo una porción muy pequeña (<35%) en realidad se convierte en movimiento mecánico.

Los vehículos eléctricos son geniales porque son increíblemente eficientes. El combustible que usan (baterías) no es tan compacto y liviano como la gasolina o el diesel por la cantidad de energía que almacenan, pero un motor eléctrico puede convertir el 90% + de esa energía en movimiento mecánico.

Usar electricidad para calentar aire y hacer funcionar un motor basado en el cambio de presión combinaría los peores aspectos de ambos sistemas.

— Raydowe
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Esta es la clave Sí, podría usar electricidad para calentar el aire en un pistón para conducir el automóvil hacia adelante. Sin embargo, sería mucho menos eficiente que usar la misma electricidad para alimentar directamente un motor eléctrico. La ventaja que tienen los motores de combustión interna es que pueden almacenar energía en forma de gasolina, lo que no es conveniente para generar trabajo útil (lo mejor que podemos hacer es uno de estos motores con una eficiencia del 30-35%), pero es muy conveniente en términos de densidad de energía. Si ya tiene electricidad, que es una forma conveniente de energía, también podría usarla directamente.

— Cort Ammon

@CortAmmon E incluso si usó gasolina para conducir un automóvil eléctrico, el enfoque más razonable que tenemos ahora es tener un ICE impulsado a las RPM ideales (que puede brindarle una eficiencia sustancialmente mayor que un sistema típico de motor / transmisión) que produce electricidad que impulsa el motor eléctrico. Incluso entonces, es difícil superar el peso extra (y el costo) necesarios para el segundo motor y las baterías.

— Luaan

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Aunque otras respuestas brindan buenas respuestas relacionadas con las pérdidas de energía, hay algo más que considerar.

¿Cómo planeas calentar el aire en un pequeño cilindro a muchos kilovatios? Esto es necesario, porque un motor de automóvil de cuatro cilindros típico produce 100 kilovatios de potencia, y la eficiencia es probablemente de alrededor del 33% en el mejor de los casos (suponiendo que aquí no haya un motor de ciclo de Atkinson). Por lo tanto, necesita 300 kilovatios de calefacción eléctrica, de los cuales la parte de un cilindro es de 75 kilovatios.

Peor aún, debe calentar el aire en un momento específico (entre la carrera de compresión y la carrera de expansión). Para una mejor eficiencia, el calentamiento debe ser un período muy momentáneo entre estos dos golpes, pero supongamos ahora que se puede usar todo el golpe de expansión para calentar el aire. Uno de los cuatro golpes significa que la potencia momentánea debe ser 4 (número de golpes) multiplicado por 75 kilovatios o 300 kilovatios. Por cilindro!

¿Has visto elementos calefactores eléctricos de 300 kilovatios? Si es así, probablemente se dé cuenta de que no hay forma de colocar un elemento de calentamiento dentro de un cilindro de 86 mm de carrera x 86 mm en un motor de 2 litros. En realidad, tendría que caber en un espacio mucho más pequeño, porque si la relación de compresión es 10, solo hay unos 8,6 mm disponibles en dirección vertical.

Incluso mi calentador eléctrico interior de 1900 W que utilizo durante el frío invierno finlandés es mucho más grande que 86 mm x 8,6 mm. Y eso es solo 1.9 kilovatios, mucho menos de 300 kilovatios.

Tenga en cuenta que no es posible tener el calentador externamente, es decir, calentar el aire antes de que pase al motor. En este caso, la presión del aire también aumentaría en la carrera de compresión, contrarrestando el aumento de presión de la carrera de expansión. Realmente necesita que el aire esté frío durante la carrera de compresión y caliente durante la carrera de expansión. Por lo tanto, el elemento calefactor realmente tiene que ser interno al motor.

— juhist
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Si bien esto también es un problema, es mucho menos importante que el problema fundamental de eficiencia. Si ajusta los números solo un poco, esto realmente se vuelve factible: considere que hay calentadores de agua de flujo continuo> 50 kW que encajarían bien en el departamento de motores de un automóvil. Ahora, calentar el agua funciona siempre mejor que calentar el aire, pero calentar el aire comprimido a temperaturas muy altas permite densidades de energía mucho más altas que calentar el aire a presión atmosférica a temperaturas seguras en el hogar, por lo que no tiene sentido compararlo con los calentadores interiores.

— Leftaroundabout

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"¿Cómo diablos estás planeando calentar el aire en un pequeño cilindro a muchos kilovatios?" ¡No lo sé, pero comenzaría colocando un generador de gasolina en la parte trasera del automóvil! :-D

— David Richerby

@DavidRicherby Prefiero comenzar por inyectar la gasolina en el cilindro y encenderlo con una chispa. Pero en realidad, si estamos hablando solo de electricidad, tiene un punto válido: las baterías no pueden igualar la densidad de energía de la gasolina.

— juhist

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Como mencionas, (uniformemente) calentar uno de cada cuatro golpes es extremadamente generoso; En la práctica, la velocidad máxima de calentamiento por cilindro está probablemente en el rango de 1-10 megavatios.

— Nick T

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tl; dr
Los motores de combustión interna no pueden convertir todo el calor en trabajo mecánico. Y si hay una fuente de calor, ¿por qué no usarla para calentar?

Todos los ciclos térmicos, por ejemplo, el ciclo de Carnot (ideal, el más efectivo), el ciclo de Otto (motor de gasolina idealizado), el ciclo de diesel (motor de diesel idealizado), el ciclo de Clausius-Rankine (turbina de vapor ideal), disipa una parte del calor por definición. Los motores reales convierten aún menos energía en trabajo mecánico y más energía al calor.

El alternador consume parte de la energía mecánica para cargar la batería, alimentar las bujías, la ECU y otros sistemas. El resto se usa para el movimiento real.

Si solo usamos calentadores eléctricos, volcaremos todo el calor del motor y utilizaremos parte del trabajo mecánico para calentar el automóvil. Es doble desperdicio. Si usamos la calefacción de aire, usamos foud para parte de la energía desperdiciada del motor.

Como ejemplo, compare el consumo de combustible y la experiencia de manejo del Skoda Fabia 1.2 HTP (honem to prodej [venderlo lo antes posible]) con estéreo, aire acondicionado y calentadores de asiento. Cuando todos los sistemas están encendidos, el consumo es significativamente mayor y la aceleración es significativamente peor, todo porque más potencia se dirige al alternador en lugar de a las ruedas. Apagar el aire acondicionado es una táctica comúnmente utilizada cuando se intenta adelantar con tales autos.

La calefacción eléctrica independiente y los calentadores eléctricos de los asientos se utilizan como extra opcional para una mayor comodidad. Tarda menos de un minuto en calentarlos, independientemente de la temperatura ambiente, por otro lado, el calentamiento del motor tarda de minutos a decenas de minutos con respecto a la temperatura ambiente.

Nota al margen, si su motor se está sobrecalentando, se recomienda encender la calefacción por completo; redirigirá parte del calor de un radiador defectuoso / sobrecargado a la cabina.

— Crowley
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En realidad, en lugar de calentar por resistencia eléctrica, en teoría podría usar una bomba de calor que tiene> 100% de eficiencia. La eficiencia> 100% de una bomba de calor multiplicada por la eficiencia <100% del motor de combustión interna puede significar que la eficiencia general es arbitrariamente cercana al 100%. Sin embargo, en la práctica, la bomba de calor es aún más ridícula que el calentamiento por resistencia. Como señalé en mi respuesta, los elementos calefactores deben ser muy grandes. ¿Bomba de calor? Mucho mas grande.

— juhist

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@juhist Las bombas de calor necesitan energía mecánica para bombear calor del calentador más frío al enfriador más cálido. Es por eso que el refrigerador y el aire acondicionado tienen compresores. ¿Por qué usar una bomba de calor para transferir energía del motor> 100 ° C a la cabina <30 ° C? La célula de Peltier funciona de manera similar; El compresor se reemplaza por alternador y medio de gas por carga eléctrica.

— Crowley

@juhist Abordas la pregunta desde diferentes prisioneros de guerra. Usted discute el calentamiento eléctrico del gas de trabajo, reemplazando la gasolina por electricidad. :)

— Crowley

Ah, sí, de hecho. No leí tu respuesta con suficiente cuidado.

— juhist

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@juhist Las bombas de calor no tienen> 100% de eficiencia. Estás pensando en el coeficiente de rendimiento (COP), que puede ser un factor de 3 o 4. Ponga 100 vatios y podrá mover el calor a una velocidad de 300 o 400 vatios. ¡Esto parece una superunidad! Pero no. La realidad es que, uno, simplemente mover el calor no genera ninguna energía nueva. Dos, la temperatura de salida de la bomba de calor no será muy diferente de la ambiente. Esto reduce drásticamente la cantidad de energía que podría recuperar de la salida (consulte "Eficiencia de Carnot").

— Jamie Hanrahan

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El propósito de un ICE es convertir la energía química en movimiento. Lo hace al encender el combustible, no para generar calor per se sino para causar una rápida expansión de partículas en el cilindro, lo que a su vez crea presión y, por lo tanto, aplica fuerza sobre el pistón. El calor es uno de los muchos factores que entran en juego en esa expansión. Sin embargo, una serie de otros factores entran en juego en las reacciones químicas involucradas en la combustión. Estos no podrían simularse simplemente calentando el aire rápidamente con calor eléctrico. La conversión de energía química en calor también es mucho más fácil de hacer eficientemente que convertir la electricidad en calor.

— Michael Lay
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La energía química se usa para liberar el calor. Y las partículas se expanden cambiando la temperatura, eso si entiendo la ley de los gases correctamente.

— DeusIIXII

@DeusIIXII veo tu punto. En una investigación un poco más profunda, parece que la expansión gaseosa involucrada es más compleja de lo que pensaba, y entran en juego varios factores, el más importante es (creo) que el aumento de la temperatura provoca un aumento de la presión.

— Michael Lay

Estoy con usted. Es más complejo de lo que yo pensaba también. Sabía que sería un gran tema, pero hombre. Jajaja

— DeusIIXII

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@Michael: edite su respuesta en consecuencia. Tal como lo tienes, tu respuesta no es correcta.

— Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

@DeusIIXII La terminología también se vuelve complicada rápidamente. En muchos contextos, cuando se habla de calor, realmente se habla de calor residual , la parte que no se puede usar para hacer el trabajo. Pero eso no es realmente apropiado cuando se trata de motores térmicos, cuyo único propósito es extraer la mayor cantidad de trabajo posible de un diferencial de calor :) Pero tenga en cuenta que es exactamente esta "presión" lo que le proporciona la eficiencia bastante baja, no la quema de gasolina . ¿Por qué usaría un motor de calor eléctrico (~ 30% de eficiencia) en lugar de un motor eléctrico (~ 90% de eficiencia)? Y los motores eléctricos son ligeros y baratos :)

— Luaan

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Pero sí utilizamos sistemas eléctricos para generar calor en los motores de combustión interna. Se llaman calentadores de bloque.

Como la mayoría de los comentarios y publicaciones señalan, no es el calor lo que se convierte en energía mecánica, es la fuerza del combustible encendido (la combustión) a través de los pistones. El calor es principalmente energía desperdiciada, que es absorbida y transferida por el refrigerante.

Sin embargo, a temperaturas extremas, el petróleo se vuelve más viscoso y requiere más energía para moverse. Esto puede provocar daños en el motor cuando se trata de funcionar en frío, o la imposibilidad de ejecutar el sistema. Los calentadores de bloque fueron diseñados para mantener ciertas partes del motor más cerca de su temperatura de funcionamiento ideal para facilitar el arranque.

Entonces, aunque no necesitamos electricidad para crear calor adicional en un motor que ya está funcionando, lo usamos para mantener las cosas calientes cuando está apagado.

— Cobarde anónimo
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No estoy seguro de cómo su referencia a un calentador de bloque responde a la pregunta del OP.

— Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

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Los calentadores de bloque no se usan para poner energía a las ruedas, son un sistema de limpieza.

— cuál es

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No sé a qué te refieres con calentar y hacer trabajo, pero el Lancia Delta pre-86 presentaba calefacción de cabina eléctrica, ¿a eso te refieres?

Si quiere calentar el aire inducido en el motor, esta es una mala idea porque el aire frío tiene la mayor densidad y, por lo tanto, la mayor cantidad de oxígeno disponible para la combustión.

— Steve Matthews
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Con respecto al segundo párrafo: Es por eso que los motores turboalimentados usan el intercooler entre turbo y admisión.

— Crowley

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Primera pregunta: ¿de dónde obtiene la electricidad? La electricidad que usamos proviene de otras fuentes hidroeléctricas, geotérmicas, etc. Combinada con pérdidas de conversión significa que el uso de otros combustibles que están directamente disponibles, carbón, etc. para proporcionar calor ha sido efectivo. Ahora, con el calentamiento global, nos estamos alejando hacia las energías renovables ...

— Mike solar
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Mmm no. Incluso con las pérdidas de conversión, la energía eléctrica es más eficiente que un ICE. El problema que obstaculizó la adopción de automóviles eléctricos ha sido la falta de capacidad / alcance de la batería.

— Hobbes

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El calor es una forma de energía, pero en comparación con la electricidad es más vago. Es difícil sacar trabajo de eso. Entonces, si tuviera una fuente de electricidad, sería mucho mejor usarla en un motor eléctrico, con un 99% de eficiencia, que usarla para calentar algo y luego extraer el trabajo del calor con tal vez un 30% de eficiencia en un día realmente bueno .

¡Y ni siquiera mencioné la constante de Boltzmann!

— phunctor
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