Digamos que um carro a 100 km / h requer aproximadamente 20 hp para manter sua velocidade (isto é, para superar a resistência ao rolamento e o arrasto).

Se este carro faz 240 hp e atinge cerca de 34 mpg (não muito irrealista), como está ficando 34 mpg se o motor estiver com apenas 0,05 de eficiência? Sei que os automóveis modernos devem ter um limite de eficiência próximo de 25 a 30%, graças ao Sr. Carnot :

Gráfico daqui .

Eu sinto que a engrenagem deve fazer parte da resposta, mas estou tendo dificuldade para entender como a engrenagem permite que o motor gere 20 hp, enquanto claramente está com uma eficiência mais alta do que a indicada na tabela para baixa carga do motor.

Talvez eu não esteja entendendo exatamente a que o carregamento do motor está se referindo?

Eficiência termodinâmica vs. economia de combustível

Quando você cita uma eficiência de 25 a 30% para uma energia de combustão interna, está falando da eficiência termodinâmica do motor. Isso é, no nível teórico, baseado em um diferencial de temperatura. Não tem nada diretamente a ver com o combustível.

Quando você cita uma economia de combustível de 55 quilômetros por galão , agora está falando de algo que depende muito de outros fatores - por exemplo, a densidade de energia do combustível . Quanta energia extraível existe em um galão de gasolina? Que tal um galão de antimatéria? Um galão de leite com chocolate?

Muitos motores podem aceitar diferentes combustíveis, ou misturas de combustíveis, com diferentes densidades de energia, sem uma alteração significativa em sua eficiência termodinâmica. Por exemplo, o etanol é misturado à gasolina, mas tem uma densidade de energia cerca de 30% menor que a gasolina; um galão de um não é igual a um galão do outro.

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

Importância da carga do motor

Eu sinto que a engrenagem deve fazer parte da resposta, mas estou tendo dificuldade para entender como a engrenagem permite que o motor gere 20 hp, enquanto claramente está com uma eficiência mais alta do que a indicada na tabela para baixa carga do motor.

Talvez eu não esteja entendendo exatamente a que o carregamento do motor está se referindo?

Quando o carro não está acelerando, a carga do motor vem de quaisquer forças que estejam agindo contra o movimento do motor. Atrito interno (pistões, virabrequim, transmissão, etc.), atrito externo (pneus na superfície da estrada), arrasto, gravidade (ao subir). "Carga" significa quanta energia é necessária do motor para o carro ter alguma velocidade e aceleração.

Como você ressalta, quando um veículo está navegando na estrada, ele precisa apenas de uma pequena porcentagem de sua potência total disponível para manter a velocidade. A menos que falemos de velocidades realmente altas e / ou uma maravilha excepcionalmente cintilante de um carro, cruzar na estrada simplesmente não é uma situação de alta carga. Sua confusão parece advir do fato de os veículos obterem melhor economia de combustível ao navegar em velocidade de rodovia do que na aceleração.

$q_{out}$

Cálculo da economia de combustível

Considere o seguinte relacionamento - de onde vem o carregamento do motor?

$v$$Q$

$v = 0$

Cenários realistas são mais complicados, mas a longa história resumida é que a reação de combustão que ocorre no cilindro do motor é muito menos eficiente durante períodos de aceleração muito alta (ou seja, carga máxima próxima).Mais combustível passa pelo motor sem queima, ou apenas parcialmente queimado, o que significa que você não extraiu tanta energia do mesmo galão de combustível. Você ainda está indo a algum lugar e seu motor está operando com uma eficiência termodinâmica mais alta devido à carga colocada nele, mas em termos de economia de combustível, esse benefício é reduzido pelo custo de uma menor eficiência de combustão. É ainda possível, quando a eficiência da combustão é muito baixa, que esse custo supere totalmente os benefícios de uma alta carga. (Isso pode ser esperado se o veículo tiver sido muito mal mantido. Na realidade, depende muito da idade do carro, da qualidade de suas unidades de controle, da marcha em que você está acelerando, que é difícil fazer uma previsão exata para um cenário geral.)

A outra coisa que quero mencionar é que você precisa considerar para onde está indo seu poder. "Carga alta do motor" significa apenas que está sendo demandada muita energia que o motor é capaz de produzir; não diz para onde está indo o poder. Se for combater o arrasto, que aumenta conforme o quadrado da velocidade, isso desperdiça energia e combustível. Você pode entregá-lo com muita eficiência, mas se não estiver aumentando a velocidade * do veículo, não estará contribuindo para a economia de combustível. Parece eficiente apenas quando você desenha os limites do sistema em torno do motor e ignora a finalidade do carro.

* Tecnicamente, devemos considerar a elevação também, mas a economia de combustível é normalmente calculada em termos de distância do caminho horizontal. Presume-se que ganhos e perdas devido a mudanças na elevação sejam cancelados de maneira geral ou contabilizados com algum fator de correção aproximado.

O enredo na pergunta não se aplica à situação que está sendo perguntada. A capacidade de potência de um motor automotivo é alterada dinamicamente durante a condução, alterando as RPM e diminuindo o fluxo de ar na entrada.

O pico de eficiência de um motor de carro está em algum lugar na faixa intermediária, com ineficiências sob cargas altas e baixas. Com 10% de carga, a eficiência ainda é melhor que a metade do que está no pico.

Mas digamos que estamos obtendo eficiência de 10% a 34mpg. Não há inconsistência lá. Significa apenas que, se você conseguisse atingir 100% de eficiência, obteria 340mpg nesse cenário de carga.

Os motores a gasolina têm uma eficiência muito baixa a baixa carga ... sem ses ou buts. A eficiência de 34mpg não é citada em baixa carga.

Existe uma velocidade ideal na qual a quilometragem máxima ocorre ... a eficiência do motor aumenta à medida que a carga aumenta, no entanto, as perdas por arrasto de ar aumentam conforme o quadrado da velocidade.

Há duas razões principais para os pobres de maneira eficiente com baixa carga:

1. Em baixa carga, uma porcentagem significativa do trabalho realizado é usada para superar o atrito do motor.
2. Em carga baixa, a taxa de compressão efetiva é muito baixa, o que leva a uma eficiência muito baixa.

A energia gerada por um motor é o produto da velocidade angular pelo torque disponível nessa velocidade angular. A função da caixa de velocidades é apenas combinar a velocidade do motor com a velocidade da estrada.

A quilometragem da cidade é menor que a da rodovia, principalmente devido à frenagem contínua que dissipa a energia cinética como calor e à marcha lenta nos semáforos ou nos sinais de parada.

Eu sei que é um tópico antigo, mas não resisto a dar uma facada nele. Especialmente quando há muitas informações ruins ou não relacionadas nas outras respostas.

1. A eficiência térmica e a quilometragem do combustível ESTÃO relacionadas - há outros fatores a serem considerados.

   A densidade de energia do combustível é um fator. Para os motores a gasolina, são cerca de 44,5 HP / hora (já que o mpg ocorre durante algum tempo e o torque é instantâneo, usarei o HP, se incomoda você apenas multiplicar por 5252 e dividir por RPM para traduzir. Apesar de todo o argumento sobre quais medidas medem o mecanismo saída "melhor", eles estão diretamente relacionados algebricamente) e se você usar 20 HP e queimar 1 galão de combustível, obterá uma eficiência térmica de 20 / 44.5 = 44.9% NET; se você pudesse fazer isso a 60 MPH, obteria 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. Um exemplo dado acima usou 10% de eficiência a 34 MPG. Vou assumir 60 MPH para manter a matemática simples; 10% x44,5 = 4,45 HP-hora por galão. Atingir 34 MPG a 60 MPH requer: 60/34 = 1,765 galões por hora de gasolina (MPH / MPG = GPH). Se você extrair 4,45 HP de 1,765 galões de gasolina, utilizará um total de 7,85 HP. Você não pode obter 340 MPG de um carro com motor a gasolina 100% eficiente no mundo real (mesmo se você permitir a impossibilidade reconhecida de um motor 100% eficiente) porque você não pode fazer com que um carro viaje a 60 MPH usando menos de 8 HP! Existem veículos que recebem quilometragem ainda maior, mas não há carros dignos de ruas e os motores certamente funcionam muito acima de 10%. Bottom line, os números estão relacionados e você não pode apenas emparelhar números aleatórios ou você acaba com afirmações ridículas.
3. Em baixas velocidades nas rodovias (novamente, eu gosto de usar 60 MPH para manter os cálculos simples), a maioria dos motores modernos opera em torno de 15% a 18% TE (e há alguma variabilidade) e os sedãs modernos exigem algo em torno de 15 a 20 BHP a o volante. Isso significa que a maioria dos sedãs de tamanho médio fica entre 20 e 32 MPG (TE x 44,5 x gal. = Horas-HP: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 gal . E 20 / (. 15x44,5) = 3,00 gal. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG e 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. A razão pela qual os fabricantes estão diminuindo o tamanho dos motores é que os motores menores tendem a operar com maior eficiência na mesma saída de energia. Os carros que obtêm melhor quilometragem de combustível do que os calculados acima geralmente têm motores menores que 2,0 litros.

Lembre-se de que o gráfico mostrado refere-se apenas à eficiência térmica do motor e não considera um carro em movimento como um sistema completo e também que o eixo vertical parece ser rotulado como uma razão, e não como uma porcentagem de eficiência. o gráfico é equivalente a 20%

Para um carro como um todo, a carga do motor não é independente da velocidade, pois as forças de arrasto tendem a aumentar com o quadrado da velocidade.

A principal razão pela qual os motores IC têm menor eficiência em cargas mais baixas é que muitas das perdas de energia são razoavelmente constantes, independentemente da energia produzida; isso inclui a energia necessária para coisas como indução de ar, bombeamento de combustível, refrigerante e lubrificantes e sistemas elétricos de alimentação. Portanto, com menor potência, essas perdas representam uma proporção muito maior da potência total produzida pelo motor. Por exemplo, digamos que um motor tenha um requisito constante de 1 kW para todos os acessórios. Se estiver produzindo uma potência de saída de 1 kW, essas perdas são metade da potência total produzida, enquanto que quando o motor está desenvolvendo 50 kW, elas representam apenas 2% do total.

Em um motor maior, com maior potência, essas perdas (aproximadamente) constantes tendem a ser maiores do que em um motor de menor capacidade.

Além disso, a eficiência do mecanismo não se relaciona diretamente ao mpg. Um motor eficiente em um carro pesado ainda pode ter maior consumo de combustível do que um motor relativamente ineficiente em um carro leve. Em outras palavras, mpg está relacionado à quantidade de energia necessária para percorrer uma certa distância, mas a eficiência mede quanto dessa energia é desperdiçada.

No diagrama 'carga' está o torque produzido pelo motor. Para fins de teste, ele será conectado a alguma carga ajustável (por exemplo, gerador e um banco de resistores). A potência produzida é esse torque multiplicado pela velocidade angular (RPM). Observe que todos os motores têm um limite prático de RPM devido às forças de aceleração nas peças móveis (especialmente válvulas e bielas), portanto a potência de saída é uma função da carga e das RPM.

Em outras palavras, 25% da carga não é o mesmo que 25% do pico de potência.

Posso fazer uma analogia: para um motor elétrico CC, a eficiência é mais alta em um ponto MENOS que a sua potência nominal máxima.

Os mecanismos de perda são o atrito da rotação rápida e as perdas do núcleo magnético (corrente passando pela liga de ferro) como um parâmetro independente do torque. Se não fosse por perdas magnéticas, a eficiência seria máxima no torque = 0. Portanto, entenda seus próprios mecanismos de perda do motor e veja se o mesmo tipo de curva pode ser aplicado.

Reformulando sua pergunta:
1. Quanta energia um carro usa a 60mph fazendo 34mpg?
2. Qual é a sua eficiência se requer 20hp para manter a velocidade constante?

Nas unidades SI: o
carro a 26,8m / s, com 14,4 km / L, requer 14,9kW.

Dados empíricos:
* HHV para gasolina aproximadamente 47MJ / Kg
* Densidade da 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
Eficiência = 14,9 / 67
= 22,2%

NB1: Os 240hp mencionados são a potência máxima de SAÍDA.

NB2: A% de carga no diagrama refere-se à potência máxima nessa velocidade específica. É aproximadamente proporcional à eficiência volumétrica do motor, que depende da posição do acelerador, do tempo da válvula e das características de ressonância do coletor.

Esse gráfico é suspeito. Se você olhar para a página da Web da qual ela foi retirada, fica claro que o autor dessa página não entende os termos básicos que ele está usando, como "carga", "potência", "torque" etc. O gráfico pode esteja correto se interpretarmos "carga" como "torque", pois é sabido que a eficiência do motor melhora à medida que o torque aumenta e o giro diminui (por isso, temos "overdrive").

Para resumir, a eficiência do motor é determinada, em ordem decrescente, por:

1. Termodinâmica: Segunda Lei da Termodinâmica (Motores de Calor) . É impossível extrair uma quantidade de calor QH de um reservatório quente e usar tudo isso para fazer o trabalho W. Alguma quantidade de calor QC deve ser esgotada para um reservatório frio. Isso impede um mecanismo térmico perfeito.
2. Conteúdo energético do combustível: O conteúdo energético específico de um combustível é a energia térmica obtida quando uma certa quantidade é queimada (como galão, litro, quilograma). Às vezes é chamado de calor da combustão. Seu valor teórico é determinado a partir da energia livre de Gibbs, que é um potencial termodinâmico que mede a "utilidade" ou o trabalho de iniciação do processo que pode ser obtido de um sistema termodinâmico a uma temperatura e pressão constantes (isotérmica, isobárica) (em função do motor específico) .
3. Eficiência específica do motor de combustão interna: a eficiência dos modernos motores de combustão interna é determinada principalmente pela razão ar-combustível , taxa de compressão , sistemas de controle de válvulas , gerenciamento de temperatura do motor , principalmente atendidos por sistemas de controle de circuito fechado, compostos por sensores (volume de ar, temperatura , sensores lambda) conectados ao microcomputador. Juntamente com a caixa de velocidades , determinam o desempenho ideal do motor em posição específica do acelerador , carga e inclinação do carro ( coeficiente de arrasto e tamanho dos pneus deve ser considerado também.)