Disons qu'une voiture à 60 mi / h nécessite environ 20 ch pour maintenir sa vitesse (c'est-à-dire pour surmonter la résistance au roulement et la traînée).

Si cette voiture fait 240 chevaux et obtient environ 34 mpg (pas trop irréaliste), comment obtient-elle 34 mpg si le moteur n'est qu'à 0,05 efficacité? Je sais que les automobiles modernes sont censées avoir une limite d'efficacité proche de 25-30% grâce à M. Carnot :

Graphique d' ici .

J'ai l'impression que les engrenages doivent faire partie de la réponse, mais j'ai du mal à comprendre comment les engrenages permettent au moteur de générer 20 ch tout en étant clairement à un rendement plus élevé que celui indiqué sur le tableau pour une faible charge du moteur.

Peut-être que je ne comprends pas exactement à quoi fait référence la charge du moteur?

Efficacité thermodynamique vs économie de carburant

Lorsque vous citez une efficacité de 25 à 30% pour une énergie de combustion interne, vous parlez de l'efficacité thermodynamique du moteur. C'est, au niveau théorique, basé sur un différentiel de température. Cela n'a rien à voir directement avec le carburant.

Lorsque vous citez une économie de carburant de 34 miles par gallon , vous parlez maintenant de quelque chose qui dépend beaucoup d'autres facteurs - par exemple, la densité d'énergie du carburant . Quelle quantité d'énergie extractible y a-t-il dans un gallon d'essence? Que diriez-vous d'un gallon d'antimatière? Un gallon de lait au chocolat?

De nombreux moteurs peuvent accepter différents carburants, ou mélanges de carburant, avec des densités d'énergie différentes, sans changement significatif de leur efficacité thermodynamique. Par exemple, l'éthanol est mélangé avec de l'essence, mais a une densité d'énergie d'environ 30% inférieure à celle de l'essence; un gallon de l'un n'est pas égal à un gallon de l'autre.

Faire fonctionner un moteur à un certain rendement thermodynamique signifie avoir un différentiel de température; pour maintenir cet écart de température, vous devez ajouter de l'énergie à un certain rythme. Obtenir la même efficacité thermodynamique lorsque votre carburant a une densité d'énergie inférieure signifie simplement augmenter le débit de carburant ( ou ) afin que le débit de livraison d'énergie ( ) reste le même. Cela ne tient pas compte des diverses nuances de la façon dont les moteurs brûlent différents carburants mais, d'une manière générale, il n'y a pas de relation directe entre l'efficacité thermodynamique et l'économie de carburant.˙ m q i $Q$$\dot{m}$$q_{in}$

Importance de la charge du moteur

J'ai l'impression que les engrenages doivent faire partie de la réponse, mais j'ai du mal à comprendre comment les engrenages permettent au moteur de générer 20 ch tout en étant clairement à un rendement plus élevé que celui indiqué sur le tableau pour une faible charge du moteur.

Peut-être que je ne comprends pas exactement à quoi fait référence la charge du moteur?

Lorsque la voiture n'accélère pas, la charge du moteur provient des forces qui agissent contre le mouvement du moteur. Frottements internes (pistons, vilebrequin, transmission, etc.), frottements externes (pneus sur la chaussée), traînée, gravité (en montée). "Charge" signifie la puissance requise du moteur pour que la voiture ait une certaine vitesse et accélération.

Comme vous le faites remarquer, lorsqu'un véhicule roule sur l'autoroute, il n'a besoin que d'un petit pourcentage de sa puissance totale disponible pour maintenir la vitesse. À moins que nous parlons vraiment des vitesses élevées et / ou d' une exceptionnelle merveille d'une voiture lâche, croisière sur l'autoroute est tout simplement pas une situation élevée de chargement. Votre confusion semble provenir du fait que les véhicules obtiennent une meilleure économie de carburant lorsqu'ils roulent à vitesse d'autoroute que lorsqu'ils accélèrent.

La chose clé à réaliser est que l'amélioration de l'économie de carburant n'implique pas que le moteur fonctionne à un rendement thermodynamique plus élevé, car de nombreux autres facteurs entrent dans l'économie de carburant. L'efficacité thermodynamique du cycle de Carnot n'est qu'un de ces facteurs. Un autre facteur est l'efficacité de la réaction de combustion (qui ne fait techniquement pas partie du cycle de Carnot). Une autre est la quantité d'énergie utilisée pour accélérer le véhicule (travail utile) par rapport à la quantité perdue par frottement, traînée et conduction (chaleur perdue, ).$q_{out}$

Calcul de l'économie de carburant

Tenez compte de la relation suivante: d'où vient la charge du moteur?

Dans une situation idéalisée, sans traînée sur le véhicule, frottement interne et externe minimal, conduite sur un plan horizontal, la puissance requise pour maintenir n'importe quelle vitesse est effectivement nulle. Cela signifie que la charge sur le moteur (lorsqu'il n'accélère pas) est également nulle. L'efficacité de Carnot n'est pas pertinente à ce stade, mais elle serait également très faible. Cependant, l'économie de carburant serait énorme car vous avez un certain au numérateur avec presque zéro au dénominateur.$v$$Q$

La situation inverse est encore plus facile à démontrer; vous pouvez le faire à la maison dans votre propre voiture. Il suffit de mettre l'accélérateur au sol avec la transmission au point mort. (Ne le faites pas vraiment.) Scénario de charge élevée instantanée lorsque vous accélérez l'enfer hors de ce vilebrequin mais , donc votre économie de carburant est nulle.$v = 0$

Les scénarios réalistes sont plus compliqués, mais la longue histoire est que la réaction de combustion qui se produit dans le cylindre du moteur est beaucoup moins efficace pendant les périodes d'accélération très élevée (c.-à-d. Près de la charge maximale).Plus de carburant passe dans le moteur non brûlé, ou seulement partiellement brûlé, ce qui signifie que vous n'avez pas extrait autant d'énergie du même gallon de carburant. Vous allez toujours quelque part et votre moteur fonctionne à une efficacité thermodynamique plus élevée en raison de la charge qui lui est imposée, mais en termes d'économie de carburant, cet avantage est réduit par le coût d'une efficacité de combustion inférieure. Il est même possible, lorsque l'efficacité de combustion est très faible, que ce coût l'emporte entièrement sur l'avantage d'une charge élevée. (Cela peut être prévu si le véhicule a été très mal entretenu. En réalité, cela dépend tellement de l'âge de la voiture, de la qualité de ses unités de contrôle, de la vitesse dans laquelle vous accélérez, qu'il est difficile de faire une prédiction exacte pour un scénario général.)

L'autre chose que je veux mentionner est que vous devez considérer où va votre pouvoir. Une «charge moteur élevée» signifie simplement qu'une grande partie de la puissance que le moteur est capable de produire est demandée; il ne vous dit pas où va le pouvoir. Si cela va lutter contre la traînée, qui augmente avec le carré de la vitesse, alors c'est de la puissance et du carburant gaspillés. Vous pouvez le livrer très efficacement, mais s'il n'augmente pas la vitesse * du véhicule, il ne contribue pas à l'économie de carburant. Il ne semble efficace que lorsque vous tracez la limite de votre système autour du moteur et ignorez le but de la voiture.

* Techniquement, nous devrions également prendre en compte l'élévation, mais l'économie de carburant est généralement calculée en termes de distance horizontale. Les gains et les pertes dus au changement d'élévation sont supposés annuler globalement ou être comptabilisés avec un facteur de correction grossier.

L'intrigue de la question ne s'applique pas à la situation posée. La capacité de puissance d'un moteur automobile est modifiée dynamiquement pendant la conduite en modifiant à la fois le régime et en étranglant le débit d'air dans l'admission.

L'efficacité maximale d'un moteur de voiture se situe quelque part dans le milieu de gamme, avec des inefficacités sous des charges élevées et faibles. À 10% de charge, le rendement est toujours meilleur que la moitié de ce qu'il est en pointe.

Mais disons que nous obtenons une efficacité de 10% à 34 mpg. Il n'y a pas d'incohérence. Cela signifie simplement que si vous pouviez atteindre 100% d'efficacité, vous obtiendriez 340mpg dans ce scénario de charge.

Les moteurs à essence ont un très faible rendement à faible charge ... pas de si ni de mais. L'efficacité de 34 mpg n'est pas indiquée à faible charge.

Il y a une vitesse idéale à laquelle le kilométrage maximal se produit ... l'efficacité du moteur augmente à mesure que la charge augmente, cependant, les pertes de traînée d'air augmentent à mesure que le carré de la vitesse.

Il y a deux raisons principales pour lesquelles les pauvres sont efficaces à faible charge:

1. À faible charge, un pourcentage important du travail effectué est utilisé pour surmonter la friction du moteur.
2. A faible charge, le taux de compression effectif est très faible, ce qui conduit à son tour à une très faible efficacité.

La puissance générée par un moteur est le produit de la vitesse angulaire par le couple disponible à cette vitesse angulaire. La fonction de la boîte de vitesses est simplement d'adapter la vitesse du moteur à la vitesse de la route.

Le kilométrage en ville est inférieur au kilométrage sur autoroute, principalement en raison du freinage continu qui dissipe l'énergie cinétique sous forme de chaleur et du ralenti aux feux de circulation ou aux panneaux d'arrêt.

Je sais que c'est un vieux fil, mais je ne peux pas résister à essayer. Surtout quand il y a tellement d'informations mauvaises ou sans rapport avec les autres réponses.

1. L'efficacité thermique et la consommation de carburant SONT liées - il y a cependant d'autres facteurs à considérer.

   La densité énergétique du carburant est un facteur. Pour les moteurs à essence, c'est environ 44,5 HP-heures (puisque le mpg se produit sur un certain temps et que le couple est instantané, je vais utiliser HP, si cela vous dérange, multipliez par 5252 et divisez par RPM pour traduire. Malgré tout l'argument sur les mesures du moteur sortie "mieux", ils sont directement liés algébriquement) et si vous utilisez 20 HP et brûlez 1 gallon de carburant, vous obtenez 20 / 44,5 = 44,9% d'efficacité thermique NET; si vous pouviez le faire à 60 MPH, vous obtiendriez 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. Un exemple donné ci-dessus a utilisé une efficacité de 10% à 34 MPG. Je suppose que 60 MPH pour garder les mathématiques simples; 10% x44,5 = 4,45 HP-heures par gallon. Atteindre 34 MPG à 60 MPH nécessite: 60/34 = 1,765 gallons par heure d'essence (MPH / MPG = GPH). Si vous extrayez 4,45 HP de 1,765 gallons d'essence, vous utilisez un total de 7,85 HP. Vous ne pouvez pas obtenir 340 MPG d'une voiture à moteur à essence 100% efficace dans le monde réel (même si vous permettez l'impossibilité reconnue d'un moteur 100% efficace) parce que vous ne pouvez pas faire rouler une voiture à 60 MPH en utilisant moins de 8 HP! Il existe des véhicules qui consomment encore plus de carburant, mais il n'y a pas de voitures dignes de la rue et les moteurs tournent certainement beaucoup plus haut que 10%. En bout de ligne, les chiffres SONT liés et vous ne pouvez pas simplement associer des nombres aléatoires ou vous vous retrouvez avec des affirmations ridicules.
3. À basse vitesse sur autoroute (encore une fois, j'aime utiliser 60 MPH pour garder les calculs simples), la plupart des moteurs modernes fonctionnent entre 15% et 18% TE (et il y a une certaine variabilité) et la plupart des berlines modernes nécessitent environ 15 à 20 BHP à le volant. Cela signifie que la plupart des berlines de taille moyenne obtiennent entre 20 et 32 ​​MPG (TE x 44,5 x gal. = HP-heures: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 gal . Et 20 / (. 15x44,5) = 3,00 gal. ; 60 / 1,87 = 32,0 MPG et 60 / 3,00 = 20,0 MPG ).
4. La raison pour laquelle les constructeurs réduisent leurs moteurs est que les moteurs plus petits ont tendance à fonctionner avec une plus grande efficacité À LA MÊME PUISSANCE DE SORTIE. Les voitures qui obtiennent une meilleure consommation de carburant que celles calculées ci-dessus ont généralement des moteurs inférieurs à 2,0 litres.

Gardez à l'esprit que le tableau illustré concerne l'efficacité thermique du moteur seul et ne considère pas une voiture en mouvement comme un système complet et que l'axe vertical semble être étiqueté comme un rapport plutôt qu'un pourcentage d'efficacité, donc 0,2 sur le graphique équivaut à 20%

Pour une voiture dans son ensemble, la charge du moteur n'est pas indépendante de la vitesse, car les forces de traînée ont tendance à augmenter avec le carré de la vitesse.

La principale raison pour laquelle les moteurs à circuit intégré ont un rendement inférieur à des charges plus faibles est qu'une grande partie des pertes d'énergie sont assez constantes, quelle que soit la puissance produite; ceux-ci comprennent la puissance requise pour des choses comme l'induction d'air, le pompage de carburant, de liquide de refroidissement et de lubrifiants et l'alimentation des systèmes électriques. Ainsi, à une puissance plus faible, ces pertes représentent une proportion beaucoup plus grande de la puissance globale produite par le moteur. Par exemple, disons qu'un moteur a une exigence constante de 1 kW pour tous les accessoires. S'il produit une puissance de sortie de 1 kW, ces pertes représentent la moitié de la puissance totale produite, alors que lorsque le moteur développe 50 kW, elles ne représentent que 2% du total.

Dans un moteur plus gros avec une puissance plus élevée, ces pertes (approximativement) constantes auront tendance à être plus importantes que dans un moteur de plus petite capacité.

En outre, l'efficacité du moteur n'est pas directement liée au mpg. Un moteur efficace dans une voiture lourde pourrait toujours avoir une consommation de carburant plus élevée qu'un moteur relativement inefficace dans une voiture légère. En d'autres termes, le mpg est lié à la quantité d'énergie dont vous avez besoin pour parcourir une certaine distance, mais l'efficacité mesure la quantité d'énergie gaspillée.

Dans le diagramme, la «charge» est le couple produit par le moteur. Aux fins de test, il sera connecté à une charge réglable (par exemple, un générateur et une batterie de résistances). La puissance produite est ce couple multiplié par la vitesse angulaire (RPM). Notez que tous les moteurs ont une limite pratique de régime en raison des forces d'accélération sur les pièces mobiles (en particulier les soupapes et les bielles), de sorte que la puissance de sortie est fonction à la fois de la charge et du régime.

Autrement dit, une charge de 25% n'est pas la même chose que 25% de la puissance de crête.

Je peux vous donner une analogie: pour un moteur électrique à courant continu, l'efficacité est la plus élevée à un point MOINS QUE sa puissance nominale maximale.

Les mécanismes de perte sont le frottement d'une rotation rapide et les pertes de noyau magnétique (courant traversant l'alliage de fer) en tant que paramètre indépendant du couple. S'il n'y avait pas de pertes magnétiques, l'efficacité serait maximale au couple = 0. Comprenez donc vos propres mécanismes de perte du moteur et voyez si le même type de courbe peut s'appliquer.

Reformulant votre question:
1. Combien d'énergie une voiture utilise-t-elle à 60 mph en faisant 34mpg?
2. Quelle est son efficacité si elle nécessite 20 ch pour maintenir une vitesse constante?

En unités SI: une
voiture à 26,8 m / s faisant 14,4 km / L nécessite 14,9 kW

Données empiriques:
* HVH pour essence environ 47MJ / Kg
* Densité d'essence environ 0,74 Kg / L
=> ~ 35MJ / L

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

NB1: La puissance de 240 ch indiquée est la puissance de sortie maximale.

NB2: Le% de charge dans le diagramme se réfère à la puissance maximale à cette vitesse particulière. Il est à peu près proportionnel à l'efficacité volumétrique du moteur, qui dépend de la position du papillon, du calage des soupapes et des caractéristiques de résonance du collecteur.

Ce graphique est suspect. Si vous regardez la page Web d'où il provient, il est clair que l'auteur de cette page ne comprend pas les termes de base qu'il utilise, comme "charge", "puissance", "couple", etc. Le graphique peut être correct si nous interprétons la «charge» comme «couple», car il est bien connu que l'efficacité du moteur s'améliore à mesure que le couple augmente et que le spin diminue (par conséquent, nous avons une «surcharge»).

Pour résumer, l'efficacité du moteur est déterminée, par ordre décroissant, par:

1. Thermodynamique: Deuxième loi de la thermodynamique (moteurs thermiques) . Il est impossible d'extraire une quantité de chaleur QH d'un réservoir chaud et de tout utiliser pour faire le travail W. Une certaine quantité de chaleur QC doit être évacuée vers un réservoir froid. Cela empêche un moteur thermique parfait.
2. Contenu énergétique du carburant: Le contenu énergétique spécifique d'un carburant est l'énergie thermique obtenue lorsqu'une certaine quantité est brûlée (comme un gallon, un litre, un kilogramme). On l'appelle parfois la chaleur de combustion. Sa valeur théorique est déterminée à partir de l' énergie libre de Gibbs qui est un potentiel thermodynamique qui mesure "l'utilité" ou le travail initiateur de processus pouvant être obtenu à partir d'un système thermodynamique à température et pression constantes (isotherme, isobare) (en fonction du moteur spécifique) .
3. Efficacité spécifique des moteurs à combustion interne: l' efficacité des moteurs à combustion interne modernes est déterminée principalement par le rapport air-carburant , le taux de compression , les systèmes de contrôle des soupapes , la gestion de la température du moteur , principalement pris en charge par les systèmes de contrôle en boucle fermée composés de capteurs (volume d'air, température , capteurs lambda) connectés au micro-ordinateur. Ces éléments, ainsi que la boîte de vitesses , déterminent les performances optimales du moteur à une position de papillon , une charge et une inclinaison spécifiques ( coefficient de traînée et taille des pneus). devrait également être pris en compte.)