Katakanlah sebuah mobil pada 60 mph membutuhkan sekitar 20 hp untuk mempertahankan kecepatannya (yaitu, untuk mengatasi rolling resistance dan drag).

Jika mobil ini menghasilkan 240 hp dan menghasilkan sekitar 34 mpg (tidak terlalu realistis), bagaimana cara mendapatkan 34 mpg jika mesin hanya pada efisiensi 0,05? Saya tahu mobil modern seharusnya memiliki batas efisiensi mendekati 25-30% berkat Tn. Carnot :

Bagan dari sini .

Saya merasa seperti gearing harus menjadi bagian dari jawaban tetapi saya mengalami kesulitan memahami bagaimana gearing memungkinkan mesin menghasilkan 20 hp sementara jelas berada pada efisiensi yang lebih tinggi daripada yang ditunjukkan pada grafik untuk memuat mesin rendah.

Mungkin saya tidak mengerti persis apa yang dimaksud dengan pemuatan mesin?

Efisiensi termodinamika vs. penghematan bahan bakar

Ketika Anda mengutip efisiensi 25-30% untuk energi pembakaran internal, Anda sedang berbicara tentang efisiensi termodinamika mesin. Ini, pada level teoretis, berdasarkan pada perbedaan suhu. Tidak ada hubungannya langsung dengan bahan bakar.

Ketika Anda mengutip penghematan bahan bakar 34 mil per galon , Anda sekarang berbicara tentang sesuatu yang sangat tergantung pada faktor-faktor lain — misalnya, kepadatan energi bahan bakar . Berapa banyak energi yang bisa diekstraksi yang ada dalam satu galon bensin? Bagaimana dengan satu galon antimateri? Satu galon susu cokelat?

Banyak mesin dapat menerima bahan bakar yang berbeda, atau campuran bahan bakar, dengan kepadatan energi yang berbeda, tanpa perubahan signifikan dalam efisiensi termodinamika mereka. Misalnya, etanol dicampur dengan bensin, tetapi memiliki kepadatan energi sekitar 30% lebih rendah dari bensin; satu galon satu tidak sama dengan satu galon yang lain.

Mengoperasikan mesin pada efisiensi termodinamika tertentu berarti memiliki perbedaan suhu; untuk mempertahankan perbedaan suhu itu, Anda perlu menambah energi pada tingkat tertentu. Mendapatkan efisiensi termodinamika yang sama ketika bahan bakar Anda memiliki kepadatan energi yang lebih rendah berarti meningkatkan laju pengiriman bahan bakar ( atau ) sehingga laju pengiriman energi ( ) tetap sama. Ini mengabaikan berbagai nuansa bagaimana mesin membakar bahan bakar yang berbeda tetapi, secara umum, tidak ada hubungan langsung antara efisiensi termodinamika dan ekonomi bahan bakar.˙ m q i $Q$$\dot{m}$$q_{in}$

Signifikansi pemuatan mesin

Saya merasa seperti gearing harus menjadi bagian dari jawaban tetapi saya mengalami kesulitan memahami bagaimana gearing memungkinkan mesin menghasilkan 20 hp sementara jelas berada pada efisiensi yang lebih tinggi daripada yang ditunjukkan pada grafik untuk memuat mesin rendah.

Mungkin saya tidak mengerti persis apa yang dimaksud dengan pemuatan mesin?

Ketika mobil tidak berakselerasi, pemuatan mesin datang dari kekuatan apa pun yang bekerja melawan gerakan mesin. Gesekan internal (piston, poros engkol, transmisi, dll.), Gesekan eksternal (ban di permukaan jalan), seret, gravitasi (saat menanjak). "Beban" berarti seberapa besar daya yang diperlukan mesin untuk mobil agar memiliki kecepatan dan akselerasi.

Seperti yang Anda tunjukkan, saat kendaraan melaju di jalan raya, ia hanya membutuhkan sebagian kecil dari total output daya yang tersedia untuk mempertahankan kecepatan. Kecuali jika kita berbicara tentang kecepatan yang sangat tinggi dan / atau keajaiban mobil yang sangat tidak beralasan, berlayar di jalan raya bukanlah situasi beban tinggi. Kebingungan Anda tampaknya berasal dari kenyataan bahwa kendaraan mendapatkan penghematan bahan bakar yang lebih baik ketika melaju dengan kecepatan di jalan raya daripada saat mereka berakselerasi.

Hal utama yang harus disadari adalah semakin hemat bahan bakar tidak menyiratkan bahwa mesin beroperasi pada efisiensi termodinamika yang lebih tinggi karena ada banyak faktor lain yang menyebabkan penghematan bahan bakar. Efisiensi termodinamika dari siklus Carnot hanyalah salah satu faktor tersebut. Faktor lain adalah efisiensi reaksi pembakaran (yang secara teknis bukan bagian dari siklus Carnot). Lain adalah berapa banyak daya yang digunakan untuk mempercepat kendaraan (pekerjaan yang bermanfaat) versus berapa banyak yang hilang karena gesekan, seret dan konduksi (limbah panas, ).$q_{out}$

Menghitung penghematan bahan bakar

Pertimbangkan hubungan berikut — di mana pemuatan mesin masuk?

Dalam situasi ideal, tanpa hambatan pada kendaraan, gesekan internal dan eksternal minimal, mengemudi di pesawat horizontal, daya yang diperlukan untuk mempertahankan kecepatan apa pun secara efektif nol. Ini berarti beban pada mesin (saat tidak berakselerasi) juga efektif nol. Efisiensi Carnot tidak relevan pada saat ini, tetapi akan sangat rendah juga. Namun, penghematan bahan bakar akan sangat besar karena Anda memiliki beberapa dalam pembilang dengan hampir nol dalam penyebut.$v$$Q$

Situasi sebaliknya bahkan lebih mudah untuk ditunjukkan; Anda dapat melakukannya di rumah dengan mobil Anda sendiri. Cukup injak akselerator dengan transmisi netral. (Jangan benar-benar melakukan ini.) Skenario beban tinggi instan saat Anda mempercepat dari poros engkol itu tetapi , jadi penghematan bahan bakar Anda nol.$v = 0$

Skenario realistis lebih rumit tetapi cerita panjang yang dibuat pendek adalah bahwa reaksi pembakaran yang terjadi pada silinder mesin jauh lebih efisien selama periode akselerasi yang sangat tinggi (yaitu, dekat beban maks).Semakin banyak bahan bakar melewati mesin tanpa terbakar, atau hanya terbakar sebagian, berarti Anda tidak mengekstrak energi sebanyak dari satu galon bahan bakar yang sama. Anda masih pergi ke suatu tempat dan mesin Anda beroperasi pada efisiensi termodinamika yang lebih tinggi karena beban yang diletakkan di atasnya, tetapi dalam hal penghematan bahan bakar, manfaat itu berkurang dengan biaya efisiensi pembakaran yang lebih rendah. Bahkan dimungkinkan, ketika efisiensi pembakaran sangat buruk, untuk itu biaya melebihi manfaat dari pemuatan tinggi sepenuhnya. (Ini mungkin diharapkan jika kendaraan tidak dirawat dengan baik. Pada kenyataannya, sangat tergantung pada usia mobil, kualitas unit kontrolnya, roda gigi di mana Anda berakselerasi, sehingga sulit untuk membuat prediksi yang tepat. untuk skenario umum.)

Hal lain yang ingin saya sebutkan adalah bahwa Anda harus mempertimbangkan kemana kekuatan Anda pergi. "Pemuatan mesin tinggi" hanya berarti bahwa banyak daya yang mampu dihasilkan mesin sedang diminta; itu tidak memberi tahu Anda di mana daya pergi. Jika itu akan melawan drag, yang meningkat seiring kuadrat kecepatan, maka itu adalah tenaga yang terbuang dan bahan bakar yang terbuang. Anda dapat mengirimkannya dengan sangat efisien tetapi jika itu tidak menambah kecepatan * kendaraan, itu tidak berkontribusi pada penghematan bahan bakar. Itu hanya terlihat efisien ketika Anda menarik batas sistem Anda di sekitar mesin dan mengabaikan tujuan mobil.

* Secara teknis, kita harus mempertimbangkan ketinggian juga, tetapi penghematan bahan bakar biasanya dihitung dalam hal jarak lintasan horizontal. Keuntungan dan kerugian karena perubahan ketinggian diasumsikan dibatalkan secara keseluruhan atau diperhitungkan dengan beberapa faktor koreksi kasar.

Plot dalam pertanyaan tidak berlaku untuk situasi yang ditanyakan. Kapasitas daya mesin otomotif berubah secara dinamis saat mengemudi dengan mengubah RPM dan dengan menekan aliran udara di intake.

Efisiensi puncak mesin mobil berada di suatu tempat menengah, dengan inefisiensi di bawah beban tinggi dan rendah. Pada pemuatan 10%, efisiensinya masih lebih baik dari setengah di puncaknya.

Tetapi katakanlah kita mendapatkan efisiensi 10% pada 34mpg .. Tidak ada ketidakkonsistenan di sana. Ini berarti jika Anda entah bagaimana bisa mencapai efisiensi 100%, Anda akan mendapatkan 340mpg di bawah skenario pemuatan itu.

Mesin bensin memiliki efisiensi yang sangat buruk pada beban rendah ... tidak ada atau tidak. Efisiensi 34mpg tidak dikutip pada beban rendah.

Ada kecepatan ideal di mana jarak tempuh maksimum terjadi ... efisiensi mesin meningkat dengan meningkatnya beban, namun, kerugian hambatan udara meningkat seiring kuadrat kecepatan.

Ada dua alasan utama bagi orang miskin secara efisien dengan beban rendah:

1. Pada beban rendah, persentase yang signifikan dari pekerjaan yang dilakukan digunakan untuk mengatasi gesekan mesin.
2. Pada beban rendah, rasio kompresi efektif sangat rendah, yang pada gilirannya menyebabkan efisiensi yang sangat rendah.

Tenaga yang dihasilkan oleh mesin adalah produk dari kecepatan sudut oleh torsi yang tersedia pada kecepatan sudut itu. Fungsi gearbox hanya untuk mencocokkan kecepatan mesin dengan kecepatan jalan.

Jarak tempuh mengemudi kota lebih rendah dari jarak tempuh jalan raya terutama karena pengereman terus-menerus yang menghilangkan energi kinetik sebagai panas, dan berhenti di lampu lalu lintas atau berhenti tanda.

Saya tahu ini adalah utas lama, tetapi saya tidak tahan untuk tidak menusuknya. Terutama ketika ada begitu banyak info buruk atau tidak terkait dalam jawaban lainnya.

1. Efisiensi termal dan jarak tempuh bahan bakar terkait - ada beberapa faktor lain yang perlu dipertimbangkan.

   Kepadatan energi bahan bakar adalah faktor. Untuk mesin bensin sekitar 44,5 HP-jam (karena mpg terjadi selama beberapa waktu dan torsi bersifat instan, saya akan menggunakan HP, jika itu mengganggu Anda, kalikan dengan 5252 dan bagilah dengan RPM untuk menerjemahkan. Meskipun semua argumen tentang ukuran yang mengukur mesin output "lebih baik", mereka terkait langsung secara aljabar) dan jika Anda menggunakan 20 HP dan membakar 1 galon bahan bakar Anda mendapatkan 20 / 44,5 = 44,9% efisiensi termal NET; jika Anda bisa melakukan ini pada 60 MPH Anda akan mendapatkan 60/1 = 60 MPG (MPH / GPH).

2. Salah satu contoh yang diberikan di atas menggunakan efisiensi 10% pada 34 MPG. Saya akan menganggap 60 MPH untuk menjaga matematika sederhana; 10% x44.5 = 4,45 HP-jam per galon. Mencapai 34 MPG pada 60 MPH membutuhkan: 60/34 = 1,765 galon bensin per jam (MPH / MPG = GPH). Jika Anda mengekstrak 4,45 HP dari 1,765 galon bensin, maka Anda menggunakan total 7,85 HP. Anda tidak bisa mendapatkan 340 MPG dari mobil bertenaga mesin 100% efisien di dunia nyata (bahkan jika Anda mengizinkan ketidakmungkinan yang diakui dari mesin 100% efisien) karena Anda tidak bisa mendapatkan mobil untuk bepergian pada 60 MPH menggunakan kurang dari 8 HP! Ada kendaraan yang mendapatkan jarak tempuh bahan bakar lebih besar, tetapi tidak ada mobil jalanan yang layak dan mesinnya berjalan jauh lebih tinggi dari 10%. Intinya, angka-angka itu terkait dan Anda tidak bisa hanya memasangkan angka acak atau Anda berakhir dengan klaim konyol.
3. Pada kecepatan jalan raya yang rendah (sekali lagi, saya suka menggunakan 60 MPH untuk menjaga kalkulasi tetap sederhana), kebanyakan mesin modern beroperasi sekitar 15% hingga 18% TE (dan ada beberapa variabilitas) dan sebagian besar sedan modern membutuhkan sekitar 15 hingga 20 BHP di roda gila. Ini berarti sedan ukuran menengah PALING mendapatkan antara 20 dan 32 MPG (TE x 44,5 x gal. = HP-jam: 15 / (. 18x44,5) = 1,87 gal . Dan 20 / (. 15x44,5) = 3,00 gal. ; 60 / 1.87 = 32.0 MPG dan 60 / 3.00 = 20.0 MPG ).
4. Alasan produsen mengurangi ukuran mesin adalah karena mesin yang lebih kecil cenderung beroperasi dengan efisiensi yang lebih besar DI OUTPUT DAYA YANG SAMA. Mobil yang mendapatkan jarak tempuh bahan bakar lebih baik daripada yang dihitung di atas biasanya memiliki mesin lebih kecil dari 2,0 Liter.

Ingatlah bahwa grafik yang ditampilkan berkaitan dengan efisiensi termal mesin saja dan tidak menganggap mobil yang bergerak sebagai sistem yang lengkap dan juga bahwa sumbu vertikal tampaknya dilabeli sebagai rasio daripada persentase efisiensi jadi 0,2 pada grafik ini setara dengan 20%

Untuk mobil secara keseluruhan, beban mesin tidak terlepas dari kecepatan karena gaya seret cenderung meningkat dengan kuadrat kecepatan.

Alasan utama bahwa mesin IC memiliki efisiensi yang lebih rendah pada beban yang lebih rendah adalah bahwa banyak energi yang hilang cukup konstan, terlepas dari daya yang dihasilkan; ini termasuk daya yang diperlukan untuk hal-hal seperti induksi udara, bahan bakar pompa, cairan pendingin dan pelumas dan sistem tenaga listrik. Jadi pada output daya yang lebih rendah kerugian ini mewakili proporsi yang jauh lebih besar dari daya keseluruhan yang dihasilkan oleh mesin. Sebagai contoh, katakanlah sebuah mesin memiliki persyaratan konstan 1 kW untuk semua peralatan tambahan. Jika menghasilkan daya output 1 kW maka kerugian ini adalah setengah dari total daya yang diproduksi, sedangkan ketika mesin mengembangkan 50 kW daripada hanya 2% dari total.

Pada mesin yang lebih besar dengan output daya yang lebih tinggi, kerugian konstan ini cenderung lebih besar daripada mesin berkapasitas lebih kecil.

Juga, efisiensi mesin tidak berhubungan langsung dengan mpg. Mesin yang efisien dalam mobil berat masih dapat memiliki konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi daripada mesin yang relatif tidak efisien dalam mobil ringan. Dengan kata lain, mpg terkait dengan berapa banyak energi yang Anda butuhkan untuk menempuh jarak tertentu tetapi efisiensi mengukur berapa banyak energi yang terbuang.

Dalam diagram 'beban' adalah torsi yang dihasilkan oleh mesin. Untuk keperluan pengujian ini akan terhubung ke beberapa beban yang dapat disesuaikan (mis. Generator dan bank resistor). Tenaga yang dihasilkan adalah torsi ini dikalikan dengan kecepatan sudut (RPM). Perhatikan bahwa semua mesin memiliki batas praktis pada RPM karena gaya akselerasi pada bagian yang bergerak (terutama katup dan batang penghubung) sehingga daya output adalah fungsi dari beban dan RPM.

Dengan kata lain, 25% beban tidak sama dengan 25% daya puncak.

Saya dapat memberi Anda analogi: Untuk motor listrik DC, efisiensi paling tinggi pada suatu titik KURANG DARI kekuatan maksimumnya.

Mekanisme kehilangan adalah gesekan dari rotasi cepat, dan kehilangan inti magnetik (arus yang melalui paduan besi) sebagai parameter torsi-independen. Jika bukan karena kehilangan magnetik, efisiensi akan maksimum pada torsi = 0. Jadi, pahami mekanisme kehilangan motor Anda sendiri dan lihat apakah jenis kurva yang sama dapat diterapkan.

Mengulang pertanyaan Anda:
1. Berapa banyak energi yang digunakan mobil pada 60mph melakukan 34mpg?
2. Apa efisiensinya jika membutuhkan 20 hp untuk mempertahankan kecepatan konstan?

Dalam satuan SI:
Mobil pada 26,8m / dtk melakukan 14,4km / L memerlukan

data empiris 14,9kW :
* HHV untuk bensin kira-kira 47MJ / Kg
* Kepadatan bensin kira-kira 0,74 Kg / L
=> ~ 35MJ / L

Perhitungan:
PowerIn = (35MJ / L) * (26.8m / s) / (14km / L)
= (35kJ) * (26.8 / s) / (14), NB: MJ = kkJ
= 67kJ / s
= 67kW
Efisiensi = 14.9 / 67
= 22.2%

NB1: 240hp yang dikutip adalah daya OUTPUT maksimum.

NB2:% beban dalam diagram mengacu pada daya maksimum pada kecepatan tertentu. Ini kira-kira sebanding dengan efisiensi volumetrik engine, yang tergantung pada posisi throttle, timing katup, dan karakteristik resonansi berlipat ganda.

Bagan itu mencurigakan. Jika Anda melihat halaman Web yang diambil, jelas bahwa penulis halaman itu tidak memahami istilah dasar yang ia gunakan, seperti "memuat", "daya", "torsi", dll. Bagan mungkin benar jika kita mengartikan "beban" sebagai "torsi", sebagaimana diketahui bahwa efisiensi mesin meningkat ketika torsi meningkat dan putaran berkurang (karenanya, kita memiliki "overdrive").

Ringkasnya, efisiensi mesin ditentukan, dalam urutan menurun, dengan:

1. Termodinamika: Hukum Termodinamika Kedua (Mesin Panas) . Tidak mungkin untuk mengekstraksi sejumlah QH panas dari reservoir panas dan menggunakannya untuk melakukan pekerjaan W. Sejumlah panas QC harus dibuang ke reservoir dingin. Ini menghalangi mesin panas yang sempurna.
2. Kandungan energi bahan bakar: Kandungan energi spesifik suatu bahan bakar adalah energi panas yang diperoleh ketika jumlah tertentu dibakar (seperti satu galon, liter, kilogram). Kadang-kadang disebut panas pembakaran. Nilai teoretisnya ditentukan dari energi bebas Gibbs yang merupakan potensi termodinamika yang mengukur "kegunaan" atau kerja pemrakarsa proses yang diperoleh dari sistem termodinamika pada suhu dan tekanan konstan (isotermal, isobarik) (dalam fungsi mesin spesifik) .
3. Efisiensi mesin pembakaran internal spesifik: efisiensi mesin pembakaran internal modern ditentukan terutama oleh rasio udara-bahan bakar , rasio kompresi , sistem kontrol katup , manajemen suhu mesin , sebagian besar dirawat oleh sistem kontrol loop tertutup yang terdiri dari sensor (volume udara, suhu , lambda sensor) terhubung ke komputer mikro. Ini bersama-sama dengan, gear box , menentukan kinerja engine yang optimal pada posisi throttle tertentu , beban dan kecenderungan mobil . ( Koefisien drag dan ukuran ban harus dipertimbangkan juga.)