อุณหภูมิโดยรอบมีผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอย่างไร


13

ฉันจำได้จากคลาสฟิสิกส์ของฉันว่าเครื่องยนต์การ์โนต์ในอุดมคตินั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าหากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแหล่งความร้อนและเทอร์โมสตัท ("ผู้รับความร้อน") มีขนาดใหญ่กว่า ( http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/) hbase / thermo / carnot.html )

และฉันคิดเสมอว่า MIGHT นี้สามารถใช้ได้กับเครื่องยนต์ในชีวิตจริงดังนั้นฉันต้องยอมรับว่าฉันคาดว่าจะสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยลงในช่วงฤดูหนาว อนิจจาฉันยังไม่ได้สัมผัสกับพลังการประหยัดเงินของน้ำค้างแข็งในช่วงฤดูหนาว

แต่การวัดของฉันอาจมีข้อบกพร่องและเครื่องยนต์สันดาปมีประสิทธิภาพมากขึ้นหากความร้อนส่วนเกินมีการแผ่รังสีได้ง่ายขึ้น?

PS: ฉันรู้ว่าเครื่องยนต์เย็นยังหมายถึงน้ำมันหนืด / หนามากขึ้น ดังนั้นฉันจึงสังเกตเห็นการสูญเสียอย่างมีประสิทธิภาพ (กำลังจริงๆ) ทันทีหลังจากสตาร์ทมอเตอร์ แต่ฉันสนใจในสถานการณ์ที่หยุดนิ่งเมื่อเครื่องยนต์อบอุ่นและพร้อม


2
ความยุ่งยากประการหนึ่งของการบริโภคน้ำมันเชื้อเพลิงในฤดูหนาวของคุณคือการผสมผสานของเชื้อเพลิงที่ขายในสถานีบริการน้ำมันนั้นแตกต่างกันในช่วงฤดูหนาว ก๊าซที่ผสมในฤดูหนาวนั้นมีความผันผวนมากขึ้นทำให้รถสตาร์ทได้ นอกจากนี้ยังเป็นพลังงานที่หนาแน่นน้อยลงดังนั้นคุณจึงขับรถต่อไมล์ได้น้อยลง คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่: itisscience.wordpress.com/2011/11/28/…
James Palmer

เป็นคำถามที่ดีมาก เศร้าที่ฉันคิดถึงมันเมื่อมันสด ดูเหมือน @Paulster ถูกจับแม้ว่า :-)
DucatiKiller

คำตอบ:


10

tl; dr: อุณหภูมิอากาศโดยทั่วไปไม่ควรรบกวนประสิทธิภาพของเครื่องยนต์หรือการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง แต่จะส่งผลต่อกำลังโดยรวม

อย่าสับสนระหว่างประสิทธิภาพกับการส่งออกพลังงาน นี่คือสองสิ่งที่แยกจากกัน เมื่อค่าใช้จ่ายการบริโภคของคุณจะมีความหนาแน่นมากขึ้นคุณสามารถโยนเชื้อเพลิงมากขึ้นที่มันและสร้างพลังงานมากขึ้น ( หมายเหตุ:แนวคิดสำหรับระบบการจัดการเครื่องยนต์คือการรักษาอัตราส่วนอากาศโดยทั่วไปต่อน้ำมันเชื้อเพลิง 14.6: 1(เรียกอีกอย่างว่า stoichiometric หรือ "stoic" เป็นเวลาสั้น ๆ ) นี่คือส่วนผสมที่สมบูรณ์แบบของอากาศและเชื้อเพลิงที่เผาไหม้เชื้อเพลิงทั้งหมดโดยไม่มีออกซิเจนเหลืออยู่หลังจากนั้น น่าเสียดายที่ส่วนผสมที่ทนไม่ได้มักจะได้รับ สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากปัญหาสองประการที่เกิดขึ้นซึ่งทั้งสองเกี่ยวข้องกับปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ อย่างแรกการเผาไหม้ที่ร้อนกว่าอาจทำให้เกิดการระเบิดได้ ประการที่สองเหนืออุณหภูมิการเผาไหม้ประมาณ 1,700degF ไนโตรเจนในอากาศซึ่งถูกนำเข้าไปในเครื่องยนต์ (พร้อมกับออกซิเจน - อากาศมีไนโตรเจนประมาณ 78% และออกซิเจน 20% ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 20%) สิ่งนี้จะสร้าง NO2 หรือไนโตรเจนไดออกไซด์ นี่คือมลพิษทางอากาศที่สำคัญและเป็นสาเหตุหลักของฝนกรดพูดคุยเกี่ยวกับในยุค 70 ในแคลิฟอร์เนีย มันเป็นสิ่งที่แย่มากที่เราจะหายใจ - เป็นพิษในความเป็นจริง)

ด้านพลิกของนี้คือประสิทธิภาพซึ่งในบริบทของเครื่องยนต์หมายถึงการใช้พลังงานได้มากขึ้นจากเชื้อเพลิงในปริมาณที่เท่ากัน ความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ได้เกิดขึ้นในสองสามทศวรรษที่ผ่านมาเพื่อประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ หนึ่งในวิธีที่พวกเขาประสบความสำเร็จคือการชาร์จเทอร์โบ กล่าวง่ายๆว่าการชาร์จเทอร์โบเป็นวิธีการใช้พลังงานความร้อนหรือทิ้งไว้ในกระบวนการไอเสีย เทอร์โบสามารถเพิ่มประจุอากาศโดยใช้ความดันที่สร้างขึ้นจากก๊าซไอเสียซึ่งทำให้คอมพิวเตอร์สามารถโยนเชื้อเพลิงได้มากขึ้นที่ค่าไอดีซึ่งทำให้มีพลังงานมากขึ้น นี่อาจนำไปสู่การอภิปราย "อื่น ๆ " ที่มีขนาดใหญ่มากดังนั้นฉันจะทิ้งไว้ที่นี่ จำเป็นต้องพูดพลังทำอย่างมีประสิทธิภาพด้วยวิธีนี้มากกว่าผ่านความทะเยอทะยานปกติและทำให้เครื่องยนต์สามารถสร้างพลังงานมากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงน้อยลง

อีกวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์คือการเพิ่มอัตราส่วนการอัด ( CR ) ของเครื่องยนต์ กฎทั่วไปสำหรับ CR คือสำหรับทุกจุดของการเพิ่ม CR เอาท์พุทพลังงานของคุณจะเพิ่มขึ้นประมาณ 3% หากคุณกำลังเพิ่มกำลังขับโดยไม่ต้องเพิ่มเชื้อเพลิงนี่เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพ

ค่าอากาศที่เย็นกว่าในเครื่องยนต์จะมีความหนาแน่นและมีออกซิเจนมากกว่าของที่อุ่นกว่า คุณยังคงใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นเพื่อสร้างพลังงานที่มากขึ้นดังนั้นจึงไม่มีการเพิ่มประสิทธิภาพ

แม้ว่าคุณจะแนะนำให้ไม่รวมการเริ่มระบบเย็น แต่ก็มีเหตุผลที่คุณจะไม่เห็นอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นในช่วงเวลานี้ เหตุผลก็คือคอมพิวเตอร์ทิ้งน้ำมันเชื้อเพลิงลงในส่วนผสมเพื่อให้เครื่องยนต์มีเสถียรภาพมากขึ้น (ช่วยให้มันทำงานได้อย่างราบรื่น - เหมือนโช้กบนเครื่องยนต์คาร์บูเรต) และเพื่อช่วยให้เครื่องฟอกไอเสียอุ่นขึ้นเร็วขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด ได้เร็วขึ้น

ที่จริงแล้วเครื่องยนต์สันดาปสามารถมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิมเล็กน้อยหากพวกเขาสามารถใช้ความร้อนแทนการแผ่ความร้อน โปรดจำไว้ว่าความร้อนที่แผ่ออกไปนั้นสูญเสียพลังงานไป หากคุณสามารถใช้ความร้อนเพื่อผลิตพลังงานมากขึ้นหรือสร้างพลังงานเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นคุณก็จะดีขึ้นด้วยกัน

สิ่งที่ฉันกำลังพูดถึงคือแนวคิดที่ผู้ชายใช้ชื่อว่าเฮนรี่ "สโมคกี้" ยุนนิคเชี่ยวชาญในช่วงต้นยุค 80 เขาทำงานออกจากความคิดที่ราล์ฟจอห์นสันมาในช่วงต้นยุค 50 ขณะที่ราล์ฟทำงานที่จีเอ็ม แนวคิดของเครื่องยนต์ลมร้อนที่อากาศร้อนถึงประมาณ 400degF และทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน(ผสมได้ดีมาก) จนถึงจุดที่มันจะไม่เกิดการระเบิด คุณสามารถอ่านบทความ แต่เหตุผลที่มันไม่ได้อยู่ในยานพาหนะในวันนี้เป็นสองเท่า ก่อนอื่นพวกเขาพยายามทำให้มันกลายเป็นชุด bolt-on แต่ไม่สามารถทำได้เพราะมันต้องการชิ้นส่วนอัพเกรดสำหรับลูกสูบและแหวนซึ่งมีผลไม่มากสำหรับชุด "bolt-on" และทำให้มันเป็น ราคาแพงกว่าราคาเป้าหมายมาก ประการที่สองสโมคกี้โชคไม่ดีที่เสียชีวิตในบางเวลา วิธีที่ความลับของเขามากเกินไปเสียชีวิตกับเขาเมื่อเขาเก็บรายละเอียดไว้ในหัวของเขา นี่เป็นเรื่องน่าเศร้าอย่างแท้จริงเพราะเขาทำงานที่ยอดเยี่ยมอย่างแท้จริงและมีสิ่งประดิษฐ์และความคิดที่ปฏิวัติวงการซึ่งเสียชีวิตกับเขา

เครื่องยนต์ลมร้อนต้องเผชิญกับความคิดทั่วไปเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำลมเย็นและคำถามของคุณ ภูมิปัญญาทั่วไประบุว่าอากาศจะเข้าไปในเครื่องยนต์ที่เย็นกว่า และนี่เป็นเรื่องจริงกับเครื่องยนต์ปกติ (สิ่งที่เราพิจารณาวันนี้) (เครื่องยนต์ลมร้อนของสโมคกี้เป็นค่าผิดปกติ)


1
เครื่องยนต์ลมร้อนดูเหมือนจะหลอกลวงที่ดีที่สุด
FarO

ด้วยวิธีที่คุณจะได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการเพิ่มอัตราส่วนการบีบอัดที่มาก (แม้จะไม่สนใจการเผาไหม้ด้วยตนเอง): ณ จุดหนึ่งพลังงานที่คุณใช้ในการบีบอัดเพิ่มขึ้นมากจนไม่ได้รับผลตอบแทนโดยประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น
FarO

@OlafM - คุณต้องตรวจสอบ Smokey Yunick ผู้ซึ่งเป็นอัจฉริยะทางกลอันบริสุทธิ์ของคำสั่งแรก ดูความสำเร็จของเขาจากนั้นกลับมาและพิสูจน์ให้ฉันเห็นว่าเขาผลิตเครื่องมือ "หลอกลวง" เพียงเพราะความคิดที่บินอยู่ในหน้าของ "ภูมิปัญญาทั่วไป" ไม่ได้หมายความว่าเขาก่อให้เกิดการหลอกลวง เขาเดินตามแนวของ Nikola Tesla แต่จากมุมมองเชิงกล ... ฉันคิดว่าภูมิปัญญาของเขามากมายโชคไม่ดีที่ไปที่หลุมศพของเขาซึ่งในทั้งสองกรณีเป็นการสูญเสียที่น่าเศร้าสำหรับโลก
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

1
ไม่มันเป็นวิชาฟิสิกส์ มันไม่ทำงานและมันหลอกลวงที่รู้จักกันเป็นเช่น ตรวจสอบ "การหลอกลวง Smokey Yunick" ขออภัยที่ทำลายความฝันของคุณ :) มันอัดก๊าซร้อนอยู่แล้ว ??? พลังงานในการอัดจะเพิ่มขึ้นมากตามอุณหภูมินั่นคือเหตุผลที่อากาศเย็นลงในอินเตอร์คูลเลอร์หลังจากเทอร์โบตัวอย่างเช่น คุณรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์และอุณหพลศาสตร์และสูตรของก๊าซหรือไม่? ปริญญาวิศวกรรมขั้นพื้นฐานก็เพียงพอแล้ว แต่ถึงกระนั้นส่วนหนึ่งของคำตอบของคุณเกี่ยวกับคำถามนอกประเด็นทั้งหมด คุณควรลบออกไม่ว่าในกรณีใดเนื่องจากไม่เกี่ยวข้องและไม่ได้ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เพิ่มเติม
FarO

@OlafM - ไม่ใช่ความฝันของฉันดังนั้นเชื่อในสิ่งที่คุณต้องการเชื่อ วิทยาศาสตร์นั้นดีพอ ๆ กับการทดลองครั้งสุดท้าย ถ้ามันคือการหลอกลวงที่คุณได้กล่าวว่า - พิสูจน์มัน
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

5

"ด้านเย็น" ของวงจรการ์โนต์ที่ต่ำกว่านำไปสู่ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีที่ดีขึ้นแน่นอน แต่คุณคำนวณได้มากแค่ไหน? การบริโภคที่เย็นกว่า 10-20 K ที่อุณหภูมิการเผาไหม้ 1,000 K เท่ากันส่งผลต่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้าย 1% และประสิทธิภาพนั้นคือ 70% ในทุกกรณีดังนั้นคุณสามารถเดาได้ว่ามีพารามิเตอร์อื่น ๆ อีกมากมายที่ลดประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายลงเหลือ 25% ซึ่ง Carnot มีความเกี่ยวข้องเพียงเล็กน้อยในรถยนต์

และในกรณีใด ๆ เครื่องยนต์จะต้องได้รับการออกแบบใหม่เพื่อใช้ "ด้านเย็น" ที่ต่ำกว่าหากคุณต้องการอุณหภูมิการเผาไหม้ที่เท่ากันเพราะถ้าคุณลดอากาศเข้าในเครื่องยนต์ปกติคุณจะลดลงด้วยจำนวนเดียวกัน อีกทั้งอุณหภูมิ "ด้านร้อน" ช่วยลดประสิทธิภาพได้มากยิ่งขึ้น

ในฤดูหนาวรถยนต์ใช้เชื้อเพลิงมากขึ้นเพราะอากาศมีความหนาแน่นมากขึ้นและคุณต้องผลักมันออกไปยางมีแรงเสียดทานมากขึ้นและคุณต้องดันให้หนักขึ้นน้ำมันในการส่งมีความหนาและทำให้เกิดการสูญเสียมากขึ้นคุณใช้ความร้อนและคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ใช้พลังงาน (นั่นมาจากเชื้อเพลิงแน่นอนว่าคุณมีน้อยกว่าที่จะย้ายรถจริง ๆ ) เชื้อเพลิงนั้นแตกต่างกันในสถานที่แรกเพื่อเพิ่มการเผาไหม้ในอุณหภูมิเย็น (หมายถึงมีการดัดแปลงให้เผาไหม้ได้ดีขึ้น แต่มีพลังงานน้อยลงภายใน มากขึ้น) และอื่น ๆ

คุณสามารถลดการใช้น้ำมันเชื้อเพลิงลงได้มากถึง 50% ในฤดูหนาวในบางสถานการณ์ยิ่งแย่ลงถึง 100% (นั่นหมายถึงการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า)

ตัวอย่างของสาเหตุของการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงขึ้น: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

แก้ไข

ความผิดพลาดของฉัน: ประสิทธิภาพสูงสุดที่ 1 (T_low / T_high)) ใช้กับ Carnot แต่เครื่องยนต์ Otto มีประสิทธิภาพสูงสุดแตกต่างกันโปรดดู/physics/168912/carnot- VS-otto

นอกจากนี้ยังหมายความว่าเครื่องยนต์นั้นใกล้เคียงกับประสิทธิภาพทางทฤษฎีแล้วมากกว่าที่คิดไว้

โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.