Warum haben Motoren so viel ungenutzte Leistung?


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Ich habe mir die Nennleistung eines in einem Humvee verwendeten Motors angesehen (5500 lbs) und war überrascht, dass es nur ~ 190 PS sind, was von vielen viertürigen Limousinen übertroffen wird.

Eine offensichtliche Frage ist also, warum mein Camry SE (3300 lbs) nicht mehr Gas verbrennt als ein Humvee, und ich denke, das liegt nur daran, dass er während des regulären Gebrauchs nicht annähernd 250 PS verbraucht.

Jemand in den Physik-Stack-Foren gab mir eine Schätzung, dass ein durchschnittliches Auto nur ~ 35 PS benötigt, um 80 km / h auf der Autobahn zu fahren.

Ich habe also 2 Fragen:

  1. Kann jemand spekulieren, wie die Drehmoment-Drehzahl-Diagramme eines Limousinen- und eines Humvee-Motors aussehen und wie die typischen Betriebspunkte aussehen? Es scheint, als würde der Humvee-Motor viel näher an seiner Spitzenleistung arbeiten, während er langsamer dreht, aber mit einem viel höheren Drehmoment?

  2. Wenn die Spitzenleistung niemals für Personenkraftwagen verwendet wird, warum verwenden sie dann nicht einen kleineren Motor und sparen etwas Geld?


Ich bin mir nicht sicher, wie dies berücksichtigt wird, aber Humvees sind normalerweise Dieselmotoren, von denen ich glaube, dass sie ein höheres Drehmoment haben und effizienter sind. Ich bin einen gefahren / gewartet, als ich in der Armee war. Sie waren sehr robust.
jmort253

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Ehrlich gesagt ist dies ein klassischer Fall, bei dem Äpfel mit Handgranaten verglichen werden. Stellen Sie sich vor, Sie vergleichen einen Camry mit den Missionsanforderungen eines HMMVW und vergleichen dann die Kraftstoffeffizienz. Ich bin mir ziemlich sicher, dass ich mit einer BB-Waffe oder einer Reißzwecke in die Seite eines Camry eindringen kann.
Bob Cross

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Abgesehen davon gibt es Fahrzeuge, die die meiste Zeit fast zu 100% ausgelastet sind. So fliegen beispielsweise Flugzeuge mit Kolbenmotoren mit nur geringer Reservekraft. Ebenso sind viele funktionierende Dieselmotoren wie Busse, Lokomotiven und Seeschiffe so groß, wie sie sein müssen, weil es niemanden interessiert, ob sie langsam beschleunigen.
AshleyZ

Antworten:


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Das Hauptproblem hierbei ist, dass Sie mehrere verschiedene Begriffe zusammenführen. In Wikipedia finden Sie eine Berechnung der Leistung aus Drehmoment (Tau) und Drehzahl (f in dieser Gleichung):

Pferdestärke ist Drehmoment mal U / min geteilt durch 5252 (in imperialen Einheiten)

Wenn Sie eine flache Drehmomentkurve angenommen haben, können Sie sehen, dass die Spitzenleistung mit der Drehzahl weiter zunimmt. Wenn Sie Ihre Marketingleistung für ein neues Fahrzeug erhöhen möchten, müssen Sie lediglich den Drehzahlbegrenzer anheben und verhindern, dass das Drehmoment schneller als ein Fuß-Pfund / U / min abfällt. Darüber hinaus können Sie sehen, dass die Skalarwerte für Leistung und Drehmoment (dh ohne deren Einheiten) bei 5252 U / min immer gleich sind.

1.Kann jemand spekulieren, wie die Drehmoment-Drehzahl-Diagramme eines Limousinen- und eines Humvee-Motors aussehen und wie die typischen Betriebspunkte aussehen? Es scheint, als würde der Humvee-Motor viel näher an seiner Spitzenleistung arbeiten, während er langsamer dreht, aber mit einem viel höheren Drehmoment?

Wie bereits erwähnt, hat der Diesel im HMMWV ein hohes Spitzendrehmoment bei niedrigen Drehzahlen, aber das Drehmoment fällt schnell ab, was zu einer Spitzenleistung bei niedrigeren Drehzahlen als beim Camry führt (190 PS bei 3.400 U / min / 380 lbf · ft bei 1.700 U / min) auf der Wikipedia-Seite). Der normal angesaugte Camry hat eine viel flachere Drehmomentkurve mit einer Drehmomentspitze näher an 4700 U / min und einer Leistungsspitze bei 6200 U / min (unter der Annahme, dass es sich um einen relativ neuen Camry SE mit dem 2GR-FE-Motor handelt).

Wenn Sie zur ursprünglichen Gleichung zurückkehren, bedeutet dies, dass die erste Ableitung der Drehmomentkurve des Camry bei 4700 U / min Null und bei 6200 U / min eine negative Ableitung ist (wobei die Abnahmerate des Drehmoments den linearen Anstieg der Drehzahl schließlich überwältigt).

2.Wenn die Spitzenleistung niemals für Personenkraftwagen verwendet wird, warum verwenden sie keinen kleineren Motor und sparen etwas Geld?

Tun sie. Das hast du einfach nicht gekauft.

Das zivile Motoren- und Automobildesign wird von bestimmten Marketingpunkten bestimmt. In diesem Fall verfügt der Camry über breite Drehmoment- und Leistungskurven, sodass keine häufigen Schaltvorgänge erforderlich sind (mehr als zwei Schaltvorgänge auf 100 km / h wirken sich auf die kritische 0-60-Marketingzahl aus). Militärtransporte haben völlig unterschiedliche Missionsparameter, einschließlich Faktoren wie Wartungsfreundlichkeit, Waffensysteme, nicht in die Luft gesprengt werden und so weiter.

Wenn die Wirtschaftlichkeit Ihr Schlüsselfaktor ist, können Sie einen kleineren Motor wählen. Jeder Hersteller bietet jetzt eine Vielzahl von Hubräumen und Motorentechnologien an. Der aktuelle Camry SE bietet einen kleineren Reihenvierzylinder, einen Vierzylinder-Hybrid und einen größeren V6.

Unabhängig davon ist es für einen benzinbetriebenen Motor fast unmöglich, die Meilen pro Gallone eines Turbodiesels zu übertreffen.


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Ihre Frage enthält einige nicht zusammenhängende Punkte:

  • Wie jmosrt253 sagte, ist ein Humvee-Motor ein großer Dieselmotor - was bedeutet, dass sein Drehmoment im Drehzahlbereich niedrig ist
  • Humvee-Motoren sind wie viele große Dieselmotoren nicht stark abgestimmt. Sie sind robust gebaut und überleben unter extremen Bedingungen
  • Bis zu einem gewissen Punkt ist die Leistung für die Geschwindigkeit irrelevant. Es ist relevant für die Beschleunigung. So gut wie alle Autos können heutzutage 80 km / h fahren, aber möchten Sie, dass das Auto in 3 Sekunden oder 12 Sekunden dorthin gelangt? (Wenn die Geschwindigkeiten höher werden, benötigen Sie Pferdestärken, um den Luftwiderstand auszugleichen, weshalb nur die stärksten Autos 200 Meilen pro Stunde erreichen.)
  • Spitzenleistung wird für Personenkraftwagen verwendet, wenn Sie sie benötigen. Wenn Sie sie jedoch nicht benötigen, nehmen Sie den Fuß vom Gaspedal und sparen sofort Geld, indem Sie weniger Kraftstoff an den Motor senden. Einige moderne Motoren versorgen die Hälfte der Zylinder während der Fahrt nicht mehr mit Kraftstoff

Der eigentliche Treiber für die Motorgröße waren schon immer die Kraftstoffkosten. In den USA, wo Kraftstoff billig ist, war der Kraftstoffverbrauch kein Problem - daher große, ineffiziente Motoren. Vergleichen Sie dies mit Großbritannien, Europa und Japan, wo Kraftstoff sehr teuer ist und Sie Hersteller finden, die hoch abgestimmte, hocheffiziente kleine Motoren herstellen.

Ich konnte kein Leistungs- / Drehzahldiagramm für den Humvee finden, aber für normale Autos ist eine beliebige Anzahl online.

Um Ihre Frage zu beantworten: "Warum verbrennt mein Camry nicht mehr Kraftstoff als ein Humvee?"

Der Camry-Motor ist ein weitaus effizienterer Motor - Sie erhalten viel mehr Leistung mit viel weniger Kraftstoff.


Zum Beispiel hat mein Auto einen kleinen japanischen 2,5-Liter-Motor, der jedoch stark abgestimmt ist und fast 400 PS leistet - was einer Beschleunigungszeit von 4,2 Sekunden auf 60 Meilen pro Stunde entspricht. Aber die Höchstgeschwindigkeit liegt unter 200 Meilen pro Stunde, weil es kein aerodynamisches Auto ist - es hat die Form eines Ziegels.
Rory Alsop

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Warum zusätzliche Motorleistung? Wenn 35 PS für 50 MPH erforderlich sind und das alles ist, was Sie haben, wird es sehr lange dauern, bis dieser Punkt erreicht ist - möglicherweise mehrere Minuten.

Außerdem mögen die Leute die zusätzliche Kraft für die Sportlichkeit des Autos - schnelles Beschleunigen, wenn Sie es wollen, und nicht viel Gas geben müssen, um bergauf zu fahren usw. Sie werden feststellen, dass der Camry tatsächlich einen sehr bedeutenden Wert verwendet Menge der verfügbaren HP. Ich würde sagen, manchmal mindestens 50% (z. B. mit einem vollen Auto einen Hügel hinauf beschleunigen), und je nach Fahrer ist eine Annäherung an 100% nicht ungewöhnlich (z. B. Überholen).

Warum ist der Camry effizienter? Den Menschen scheint einer der wichtigsten Punkte zu fehlen - der Humvee ist eine Tonne schwerer (so viel mehr Rollreibung) und hat die Aerodynamik eines Ziegels. Zu setzen Zahlen es, zitiert Wikipedia den Luftwiderstandsbeiwert eines Hummer H2 als 0,57 und einen Toyota Camry 2007 , um 0.27. Es ist also mehr als das Doppelte des Luftwiderstandsbeiwerts, und das schließt die größere Querschnittsfläche bei Humvees aus. Und wenn Sie einen Schützen oben haben, wäre es noch schlimmer!

Wenn Sie also den Humvee-Motor in den Camry einbauen, wird der Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum ursprünglichen Humvee massiv sinken.


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Entschuldigen Sie, dass ich meine eigene Frage beantwortet habe, aber die Antwort ist mir jetzt zumindest für nichtelektrische Motoren so klar. Sie haben so viel ungenutzte Leistung, weil Sie bei Leerlaufdrehzahlen nur einen Bruchteil der angegebenen Leistung erhalten. Für den 2,4-Liter-Camry-Motor im Leerlauf (1000 U / min) werden nur 30 PS und bei 5000 U / min nur 140 PS (ca. 30 MPH basierend auf Videos des Beschleunigungstest-Dashboards) erreicht.

Der V8-Diesel erreicht seine vollen 200 PS bei nur 2500 U / min. Dies erklärt, warum er keinen übergroßen Motor wie bei Benzinfahrzeugen verwendet, um die niedrigen PS bei niedrigen Drehzahlen auszugleichen.

Um zu sehen, wie viel PS Sie benötigen, wenn Ihr Motor eine perfekt flache Leistungskurve hat, habe ich mir einen Beschleunigungstest für einen 2008er Toyota Camry LE 2.4L mit 158 ​​PS angesehen , der in 8,5 Sekunden von 0 auf 60 Meilen pro Stunde geht. Für einen perfekten Motor mit konstanter Leistung ist Geschwindigkeit = sqrt (2 * Leistung * Zeit / Masse), sodass Sie nur einen 86-PS-Motor benötigen würden, um die gleiche Beschleunigung zu erzielen.

Aber jetzt wirft das eine neue Frage auf. Wenn Elektromotoren ein so gutes Leistungsband haben, warum dann so viel PS? Warum ist das Drehmoment bei 0 U / min flach, anstatt wie bei einem perfekten Motor ins Unendliche zu gehen? Hat das etwas damit zu tun, dass die Magnete gesättigt sind?

Hier sind die Diagramme Drehmoment gegen Drehzahl für

  1. 2.4L Camry 2009

2.4L Camry 2009

  1. V8 6.5L Diesel (Hummer H1)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

  1. Tesla Model S Traktionsmotor (irgendwo auf cleantechnica.com zu finden)

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Update: Wie DucatiKiller betonte, habe ich das Motorgewicht oder die Motorgröße nicht berücksichtigt, was erklären könnte, warum einige Motortypen eine so hohe Pferdestärke haben, da das feste Gewicht / die feste Größe eines Motors (z. B. ein 1/2 PS-Benzin) Modellflugmotor) ist klein oder die Grenzkosten für die Erhöhung der PS sind gering, dann kostet es nicht viel mehr, einen übermächtigen Motor herzustellen.

Hier sind Schätzungen der Leistungsgewichtverhältnisse der verschiedenen Motoren:

  1. 2.4L Camry 2009

    158 PS / 121 kg = 1,3 PS / kg

  2. Detroit Diesel 6.5L Diesel

    200 HP / 750 lbs = 0,59 HP / kg

  3. Tesla Model S Traktionsmotor

    400 HP / 70 lbs = 12 HP / kg

    mit Batterien oder wäre sonst nicht fair:

    400 PS / (70 lbs + 540 kg) = 0,70 HP / kg


@DucatiKiller Der Titel dieses Beitrags ist ziemlich allgemein gehalten, und Benzin gegen Diesel war nur ein Beispiel, daher verstehe ich nicht, warum es so wichtig ist, Elektrizität zu erwähnen. Anscheinend magst du entweder nicht meine Herabsetzung von Benzinmotoren oder meinen Buchmacher-Ansatz. Keine Notwendigkeit, mich persönlich anzugreifen. Ich habe meine Antwort mit den Gewichtsüberlegungen aktualisiert.
Yale Zhang

Ich entschuldige mich. Meine Absicht war kein Angriff und ich erinnere mich, dass ich dies geschrieben habe und nicht das Gefühl hatte, dich anzugreifen. Nachdem ich meinen Kommentar noch einmal gelesen habe, kann ich sehen, wie Sie sich so fühlen könnten. Nochmals, entschuldigen Sie, dass Sie sich unwillkommen, angegriffen oder unwohl fühlen. Ich werde meine früheren Kommentare löschen. Ich freue mich sehr über Ihre Beiträge. Sie sind eindeutig intelligent und mit den Themen, auf die Sie antworten, bestens vertraut. Nochmals, Entschuldigung für eine schlechte Füllung, die ich möglicherweise erstellt habe. Alles Gute und ein gutes neues Jahr!
DucatiKiller
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