Nehmen wir an, ein Auto mit 60 Meilen pro Stunde benötigt ungefähr 20 PS, um seine Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten (dh um den Rollwiderstand und den Luftwiderstand zu überwinden).

Wenn dieses Auto 240 PS leistet und ungefähr 34 mpg (nicht zu unrealistisch) erreicht, wie kommt es dann zu 34 mpg, wenn der Motor nur einen Wirkungsgrad von 0,05 hat? Ich weiß, dass moderne Automobile dank Herrn Carnot eine Effizienzgrenze von 25 bis 30% haben sollen :

Diagramm von hier .

Ich bin der Meinung, dass das Getriebe Teil der Antwort sein muss, aber es fällt mir schwer zu verstehen, wie das Getriebe es dem Motor ermöglicht, 20 PS zu erzeugen, während der Wirkungsgrad bei geringer Motorbelastung deutlich höher ist als in der Tabelle angegeben.

Vielleicht verstehe ich nicht genau, worauf sich die Motorbelastung bezieht?

Thermodynamischer Wirkungsgrad im Vergleich zum Kraftstoffverbrauch

Wenn Sie einen Wirkungsgrad von 25-30% für eine Verbrennungsenergie angeben, sprechen Sie über den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors. Dies basiert auf theoretischer Ebene auf einem Temperaturunterschied. Es hat nichts direkt mit dem Kraftstoff zu tun.

Wenn Sie einen Kraftstoffverbrauch von 34 Meilen pro Gallone angeben , sprechen Sie jetzt über etwas, das stark von anderen Faktoren abhängt - zum Beispiel der Energiedichte des Kraftstoffs . Wie viel extrahierbare Energie enthält eine Gallone Benzin? Wie wäre es mit einer Gallone Antimaterie? Eine Gallone Schokoladenmilch?

Viele Motoren können unterschiedliche Kraftstoffe oder Kraftstoffmischungen mit unterschiedlichen Energiedichten aufnehmen, ohne dass sich ihr thermodynamischer Wirkungsgrad wesentlich ändert. Zum Beispiel wird Ethanol mit Benzin gemischt, hat aber eine Energiedichte, die etwa 30% niedriger ist als die von Benzin; Eine Gallone von einem ist nicht gleich einer Gallone des anderen.

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

Bedeutung der Motorbelastung

Ich bin der Meinung, dass das Getriebe Teil der Antwort sein muss, aber es fällt mir schwer zu verstehen, wie das Getriebe es dem Motor ermöglicht, 20 PS zu erzeugen, während der Wirkungsgrad bei geringer Motorbelastung deutlich höher ist als in der Tabelle angegeben.

Vielleicht verstehe ich nicht genau, worauf sich die Motorbelastung bezieht?

Wenn das Auto nicht beschleunigt, kommt die Motorbelastung von allen Kräften, die gegen die Bewegung des Motors wirken. Innenreibung (Kolben, Kurbelwelle, Getriebe usw.), Außenreibung (Reifen auf der Fahrbahn), Luftwiderstand, Schwerkraft (beim Bergauffahren). "Last" bedeutet, wie viel Leistung der Motor benötigt, damit das Auto eine gewisse Geschwindigkeit und Beschleunigung hat.

Wie Sie hervorheben, benötigt ein Fahrzeug, wenn es auf der Autobahn fährt, nur einen kleinen Prozentsatz seiner gesamten verfügbaren Leistung, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn wir nicht über wirklich hohe Geschwindigkeiten und / oder ein außergewöhnlich gutloses Wunder eines Autos sprechen , ist das Fahren auf der Autobahn keine Situation mit hoher Beladung. Ihre Verwirrung scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass Fahrzeuge beim Fahren mit Autobahngeschwindigkeit einen geringeren Kraftstoffverbrauch erzielen als beim Beschleunigen.

$q_{out}$

Kraftstoffverbrauch berechnen

Betrachten Sie die folgende Beziehung: Wo kommt die Motorbelastung ins Spiel?

$v$$Q$

$v = 0$

Realistische Szenarien sind komplizierter, aber die lange Geschichte ist, dass die Verbrennungsreaktion, die im Zylinder des Motors auftritt, in Zeiten sehr hoher Beschleunigung (dh nahe der maximalen Last) viel weniger effizient ist.Mehr Kraftstoff fließt unverbrannt oder nur teilweise verbrannt durch den Motor, was bedeutet, dass Sie nicht so viel Energie aus derselben Gallone Kraftstoff gewonnen haben. Sie fahren immer noch irgendwohin und Ihr Motor arbeitet aufgrund der Belastung mit einem höheren thermodynamischen Wirkungsgrad. In Bezug auf den Kraftstoffverbrauch wird dieser Vorteil jedoch durch die Kosten eines geringeren Verbrennungswirkungsgrads verringert. Es ist sogar möglich, dass bei sehr geringem Verbrennungswirkungsgrad diese Kosten den Vorteil einer hohen Belastung vollständig überwiegen. (Dies kann erwartet werden, wenn das Fahrzeug sehr schlecht gewartet wurde. In Wirklichkeit hängt so viel vom Alter des Autos, der Qualität seiner Steuergeräte und dem Gang ab, in dem Sie beschleunigen, dass es schwierig ist, eine genaue Vorhersage zu treffen für ein allgemeines Szenario.)

Die andere Sache, die ich erwähnen möchte, ist, dass Sie überlegen müssen, wohin Ihre Kraft geht. "Hohe Motorlast" bedeutet nur, dass ein Großteil der Leistung, die der Motor erzeugen kann, benötigt wird. es sagt dir nicht, wohin die Energie geht. Wenn es um den Luftwiderstand geht, der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunimmt, dann ist das verschwendete Energie und verschwendeter Kraftstoff. Sie können es sehr effizient liefern, aber wenn es nicht zur Geschwindigkeit * des Fahrzeugs beiträgt, trägt es nicht zum Kraftstoffverbrauch bei. Es sieht nur dann effizient aus, wenn Sie Ihre Systemgrenze um den Motor ziehen und den Zweck des Autos ignorieren.

* Technisch sollten wir auch die Höhe berücksichtigen, aber der Kraftstoffverbrauch wird normalerweise anhand der horizontalen Pfadentfernung berechnet. Es wird angenommen, dass sich Gewinne und Verluste aufgrund von Höhenänderungen entweder insgesamt aufheben oder mit einem groben Korrekturfaktor berücksichtigt werden.

Die Handlung in der Frage gilt nicht für die gestellte Situation. Die Leistung eines Kraftfahrzeugmotors wird während der Fahrt dynamisch geändert, indem sowohl die Drehzahl geändert als auch der Luftstrom im Einlass gedrosselt wird.

Der Spitzenwirkungsgrad eines Automotors liegt irgendwo im mittleren Bereich, mit Ineffizienzen sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Belastungen. Bei einer Beladung von 10% ist der Wirkungsgrad immer noch besser als die Hälfte des Spitzenwerts.

Aber sagen wir dann, wir bekommen 10% Effizienz bei 34mpg. Es gibt dort keine Inkonsistenz. Es bedeutet nur, wenn Sie irgendwie eine 100% ige Effizienz erreichen könnten, würden Sie unter diesem Lastszenario 340 mpg erhalten.

Benzinmotoren haben bei niedriger Last einen sehr schlechten Wirkungsgrad ... kein Wenn und Aber. Der Wirkungsgrad von 34 mpg wird bei geringer Last nicht angegeben.

Es gibt eine ideale Geschwindigkeit, bei der die maximale Laufleistung erreicht wird ... Der Motorwirkungsgrad steigt mit zunehmender Last, jedoch nehmen die Luftwiderstandsverluste mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu.

Es gibt zwei Hauptgründe für die Armen, die bei geringer Last effizient arbeiten:

1. Bei geringer Last wird ein erheblicher Prozentsatz der geleisteten Arbeit zur Überwindung der Motorreibung verwendet.
2. Bei geringer Last ist das effektive Kompressionsverhältnis sehr niedrig, was wiederum zu einem sehr geringen Wirkungsgrad führt.

Die von einem Motor erzeugte Leistung ist das Produkt der Winkelgeschwindigkeit durch das verfügbare Drehmoment bei dieser Winkelgeschwindigkeit. Die Funktion des Getriebes besteht lediglich darin, die Motordrehzahl an die Fahrgeschwindigkeit anzupassen.

Die Fahrleistung in der Stadt ist geringer als auf der Autobahn, hauptsächlich aufgrund des kontinuierlichen Bremsens, bei dem kinetische Energie als Wärme abgeführt wird, und des Leerlaufs an Ampeln oder Stoppschildern.

Ich weiß, dass es ein alter Faden ist, aber ich kann nicht widerstehen, ihn zu erstechen. Vor allem, wenn die anderen Antworten so viele schlechte oder nicht verwandte Informationen enthalten.

1. Wärmewirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch hängen zusammen - es sind jedoch noch andere Faktoren zu berücksichtigen.

   Die Kraftstoffenergiedichte ist ein Faktor. Bei Benzinmotoren sind es ungefähr 44,5 PS-Stunden (da mpg über einen gewissen Zeitraum auftritt und das Drehmoment augenblicklich ist, verwende ich HP, wenn es Sie stört, multiplizieren Sie es einfach mit 5252 und dividieren Sie es durch die Drehzahl, um es zu übersetzen. Trotz aller Argumente darüber, welche Maßnahmen der Motor misst Ausgabe "besser", sie stehen in direktem algebraischen Zusammenhang) und wenn Sie 20 PS verwenden und 1 Gallone Kraftstoff verbrennen, erhalten Sie 20 / 44,5 = 44,9% NET thermischen Wirkungsgrad; Wenn Sie dies bei 60 MPH tun könnten, würden Sie 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH) erhalten.

2. Ein oben angegebenes Beispiel verwendete einen Wirkungsgrad von 10% bei 34 MPG. Ich gehe von 60 MPH aus, um die Mathematik einfach zu halten. 10% x44,5 = 4,45 HP-Stunden pro Gallone. Um 34 MPG bei 60 MPH zu erreichen, sind erforderlich: 60/34 = 1,765 Gallonen pro Stunde Benzin (MPH / MPG = GPH). Wenn Sie 4,45 PS aus 1,765 Gallonen Benzin extrahieren, verwenden Sie insgesamt 7,85 PS. Sie können in der realen Welt keine 340 MPG von einem 100% effizienten Auto mit Benzinmotor erhalten (selbst wenn Sie die anerkannte Unmöglichkeit eines 100% effizienten Motors berücksichtigen), weil Sie kein Auto dazu bringen können, mit weniger als 60 MPH zu fahren 8 PS! Es gibt Fahrzeuge, die noch mehr Kraftstoff verbrauchen, aber es gibt keine straßenwürdigen Autos, und die Motoren laufen mit Sicherheit viel höher als 10%. Unterm Strich hängen die Zahlen zusammen und Sie können nicht einfach Zufallszahlen koppeln oder Sie haben lächerliche Behauptungen.
3. Bei niedrigen Autobahngeschwindigkeiten (ich verwende gerne 60 MPH, um die Berechnungen einfach zu halten) arbeiten die meisten modernen Motoren mit 15% bis 18% TE (und es gibt einige Schwankungen), und die meisten modernen Limousinen benötigen etwa 15 bis 20 PS das Schwungrad. Dies bedeutet, dass die meisten mittelgroßen Limousinen zwischen 20 und 32 MPG (TE x 44,5 x gal. = HP-Stunden: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 gal . Und 20 / (. 15x44,5) = 3,00 gal. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG und 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. Der Grund, warum Hersteller Motoren verkleinern, besteht darin, dass kleinere Motoren dazu neigen, bei gleicher Leistung einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Autos, die eine bessere Laufleistung als die oben berechneten haben, haben normalerweise Motoren mit weniger als 2,0 Litern.

Beachten Sie, dass sich die gezeigte Tabelle nur auf den thermischen Wirkungsgrad des Motors bezieht und ein fahrendes Auto nicht als komplettes System betrachtet und dass die vertikale Achse eher als Verhältnis als als prozentualer Wirkungsgrad von 0,2 angegeben zu sein scheint Die Grafik entspricht 20%

Für ein Auto als Ganzes ist die Motorlast nicht unabhängig von der Geschwindigkeit, da die Widerstandskräfte tendenziell mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunehmen.

Der Hauptgrund dafür, dass Verbrennungsmotoren bei niedrigeren Lasten einen geringeren Wirkungsgrad haben, ist, dass viele Energieverluste unabhängig von der erzeugten Leistung ziemlich konstant sind. Dazu gehört die Leistung, die für Dinge wie Luftansaugung, Pumpen von Kraftstoff, Kühl- und Schmiermittel sowie für die Stromversorgung elektrischer Systeme erforderlich ist. Bei geringerer Leistung machen diese Verluste also einen viel größeren Anteil der vom Motor erzeugten Gesamtleistung aus. Angenommen, ein Motor hat für alle Nebenaggregate einen konstanten Bedarf von 1 kW. Wenn es eine Ausgangsleistung von 1 kW erzeugt, machen diese Verluste die Hälfte der insgesamt erzeugten Leistung aus, während sie bei einer Motorleistung von 50 kW nur ​​2% der Gesamtleistung ausmachen.

Bei einem größeren Motor mit höherer Leistung sind diese (ungefähr) konstanten Verluste tendenziell größer als bei einem Motor mit kleinerem Hubraum.

Auch der Wirkungsgrad des Motors hängt nicht direkt mit mpg zusammen. Ein effizienter Motor in einem schweren Auto könnte immer noch einen höheren Kraftstoffverbrauch haben als ein relativ ineffizienter Motor in einem leichten Auto. Anders ausgedrückt, mpg bezieht sich darauf, wie viel Energie Sie benötigen, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen, aber die Effizienz misst, wie viel dieser Energie verschwendet wird.

Im Diagramm ist "Last" das vom Motor erzeugte Drehmoment. Zu Testzwecken wird es an eine einstellbare Last (z. B. einen Generator und eine Reihe von Widerständen) angeschlossen. Die erzeugte Leistung ist dieses Drehmoment multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit (U / min). Beachten Sie, dass alle Motoren aufgrund der Beschleunigungskräfte auf bewegliche Teile (insbesondere Ventile und Pleuel) eine praktische Drehzahlgrenze haben, sodass die Ausgangsleistung sowohl von der Last als auch von der Drehzahl abhängt.

Anders ausgedrückt, 25% Last entsprechen nicht 25% der Spitzenleistung.

Ich kann Ihnen eine Analogie geben: Bei einem Gleichstrommotor ist der Wirkungsgrad an einem Punkt am höchsten, der WENIGER ALS seine maximale Nennleistung ist.

Die Verlustmechanismen sind Reibung durch schnelle Rotation und Magnetkernverluste (Strom fließt durch die Eisenlegierung) als drehmomentunabhängiger Parameter. Ohne magnetische Verluste wäre der Wirkungsgrad bei Drehmoment = 0 maximal. Verstehen Sie also Ihre eigenen Verlustmechanismen des Motors und prüfen Sie, ob der gleiche Kurventyp angewendet werden kann.

Umformulieren Sie Ihre Frage:
1. Wie viel Energie verbraucht ein Auto bei 60 Meilen pro Stunde und 34 MPG?
2. Wie hoch ist der Wirkungsgrad, wenn 20 PS erforderlich sind, um die Geschwindigkeit konstant zu halten?

In SI-Einheiten: Für ein
Auto mit 26,8 m / s und 14,4 km / l sind 14,9 kW erforderlich.

Empirische Daten:
* HHV für Benzin ca. 47 MJ / kg
* Benzindichte ca. 0,74 kg / l
=> ~ 35 MJ / l

Berechnungen:
PowerIn = (35 MJ / L) * (26,8 m / s) / (14 km / l)
= (35 kJ) * (26,8 / s) / (14), NB: MJ = kkJ
= 67 kJ / s
= 67 kW
Effizienz = 14,9 / 67
= 22,2%

NB1: Die angegebenen 240 PS sind die maximale Ausgangsleistung.

NB2: Die prozentuale Belastung im Diagramm bezieht sich auf die maximale Leistung bei dieser bestimmten Geschwindigkeit. Sie ist in etwa proportional zum volumetrischen Wirkungsgrad des Motors, der von der Drosselklappenstellung, der Ventilsteuerung und den Krümmerresonanzeigenschaften abhängt.

Diese Tabelle ist verdächtig. Wenn Sie sich die Webseite ansehen, von der sie stammt, ist klar, dass der Autor dieser Seite die von ihm verwendeten Grundbegriffe wie "Last", "Leistung", "Drehmoment" usw. nicht versteht Seien Sie richtig, wenn wir "Last" als "Drehmoment" interpretieren, da bekannt ist, dass sich der Motorwirkungsgrad mit zunehmendem Drehmoment und abnehmendem Spin verbessert (daher haben wir "Overdrive").

Zusammenfassend wird der Motorwirkungsgrad in absteigender Reihenfolge bestimmt durch:

1. Thermodynamik: Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (Wärmekraftmaschinen) . Es ist unmöglich, eine Menge Wärme QH aus einem heißen Reservoir zu entnehmen und alles für die Arbeit W zu verwenden. Eine gewisse Menge an Wärme-QC muss an einen kalten Vorratsbehälter abgegeben werden. Dies schließt eine perfekte Wärmekraftmaschine aus.
2. Energiegehalt des Kraftstoffs: Der spezifische Energiegehalt eines Kraftstoffs ist die Wärmeenergie, die beim Verbrennen einer bestimmten Menge (z. B. Gallone, Liter, Kilogramm) anfällt. Es wird manchmal die Verbrennungswärme genannt. Sein theoretischer Wert wird aus der freien Gibbs-Energie bestimmt, die ein thermodynamisches Potential ist, das die "Nützlichkeit" oder prozessinitiierende Arbeit misst, die von einem thermodynamischen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck (isotherm, isobar) (in Abhängigkeit vom spezifischen Motor) erhalten werden kann. .
3. Spezifischer Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors: Der Wirkungsgrad eines modernen Verbrennungsmotors wird hauptsächlich durch das Luft-Kraftstoff-Verhältnis , das Verdichtungsverhältnis , die Ventilsteuerungssysteme und das Motortemperaturmanagement bestimmt , das hauptsächlich von Regelungssystemen übernommen wird, die aus Sensoren bestehen (Luftvolumen, Temperatur) , Lambdasonden) an Mikrocomputer angeschlossen. Diese zusammen mit dem, Getriebe , bestimmt eine optimale Motorleistung bei bestimmten Drosselklappenstellung , Kabinenlast und Neigung . ( Luftwiderstandsbeiwert und Reifengröße sollte ebenfalls berücksichtigt werden.)