Почему электрические двигатели не используются в двигателях внутреннего сгорания?

Поскольку вся работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) состоит в том, чтобы превращать тепло в механическую энергию, почему методы электрического нагрева не более популярны? Я знаю, что должна быть причина. Я не говорю об электромобилях или чем-то еще, но использую электричество, чтобы нагреться и сделать работу.

Потому что это было бы не очень эффективно.

Основным преимуществом двигателей внутреннего сгорания является то, что плотность энергии их топлива (бензин, дизель) очень хорошая. Вы можете пройти долгий путь на относительно небольшом, легком танке. Недостаток их в том, что они не очень эффективны. Большая часть энергии в топливе теряется на трение и тепло, и только очень небольшая часть (<35%) фактически превращается в механическое движение.

Электромобили великолепны, потому что они невероятно эффективны. Используемое ими топливо (аккумуляторы) далеко не такое компактное и легкое, как бензин или дизельное топливо, по количеству энергии, которое они накапливают, но электрический двигатель может превратить + 90% этой энергии в механическое движение.

Использование электричества для нагрева воздуха и запуска двигателя на основе изменения давления будет сочетать в себе худшие аспекты обеих этих систем.

Хотя другие ответы дают хорошие ответы, связанные с потерями энергии, есть еще одна вещь, которую следует учитывать.

Как же вы планируете нагревать воздух в крошечном цилиндре на много киловатт? Это необходимо, потому что типичный четырехцилиндровый автомобильный двигатель вырабатывает 100 киловатт мощности, а в лучшем случае КПД, вероятно, составляет около 33% (при условии, что здесь используется двигатель без цикла Аткинсона). Итак, вам нужно 300 киловатт электрического отопления, из которых доля одного цилиндра составляет 75 киловатт.

Хуже того, вам нужно нагреть воздух в определенный момент времени (между тактом сжатия и тактом расширения). Для лучшей эффективности нагрев должен быть очень кратковременным между этими двумя тактами, но теперь давайте предположим, что весь такт расширения можно использовать для нагрева воздуха. Один из четырех ударов означает, что мгновенная мощность должна быть в 4 (число ударов) умножить на 75 киловатт или 300 киловатт. За цилиндр!

Вы видели 300-киловаттные электрические нагревательные элементы? Если у вас есть, вы, вероятно, понимаете, что невозможно поместить такой нагревательный элемент в цилиндр с рабочим диаметром 86 мм и диаметром 86 мм в 2-литровом двигателе. На самом деле его нужно разместить в гораздо меньшем пространстве, потому что если степень сжатия равна 10, в вертикальном направлении доступно только около 8,6 мм.

Даже мой электрический отопитель салона мощностью 1900 Вт, который я использую в холодную финскую зиму, намного больше, чем 86 мм х 8,6 мм. И это всего 1,9 киловатта, что намного меньше 300 киловатт.

Обратите внимание, что внешний нагреватель, т. Е. Нагрев воздуха перед его поступлением в двигатель, невозможен. В этом случае давление воздуха также будет увеличиваться в такте сжатия, противодействуя увеличению давления в такте расширения. Вам действительно нужно, чтобы воздух был холодным во время такта сжатия и горячим во время такта расширения. Таким образом, нагревательный элемент действительно должен быть внутренним для двигателя.

TL; DR
Двигатели внутреннего сгорания не может превратить все тепло в механическую работу. А если есть источник тепла, почему бы не использовать его для отопления?

Все термические циклы, например, цикл Карно (идеальный, наиболее эффективный), цикл Отто (идеализированный бензиновый двигатель), дизельный цикл (идеализированный дизельный двигатель), цикл Клаузиуса-Ранкина (идеальная паровая турбина), по определению рассеивают некоторую часть тепла. Настоящие двигатели превращают еще меньше энергии в механическую работу и больше энергии в тепло.

Часть механической энергии потребляется генератором переменного тока для зарядки аккумулятора, питания свечей зажигания, ECU и другой системы. Остальное используется для фактического движения.

Если мы используем только электрические обогреватели, мы отводим все тепло от двигателя и используем часть механической работы для разогрева автомобиля. Это двойной отход. Если мы используем воздушное отопление, у нас было много потраченной энергии двигателя.

В качестве примера сравните расход топлива и опыт вождения Skoda Fabia 1.2 HTP (от honem до prodej [продайте его как можно скорее)) со стереосистемой, кондиционером и обогревателями сидений. Когда все системы включены, потребление значительно выше, а ускорение значительно хуже - все потому, что большая мощность направляется на генератор, а не на колеса. Отключение переменного тока - обычно тактика, используемая при попытке обогнать такие машины.

Электрическое автономное отопление и электрические обогреватели сидений используются в качестве дополнительного оборудования для повышения комфорта. Для их нагрева требуется меньше минуты, независимо от температуры окружающей среды, с другой стороны, прогрев двигателя занимает от нескольких минут до десятков минут по отношению к температуре окружающей среды.

Примечание: если ваш двигатель перегревается, рекомендуется полностью включить отопление - это перенаправит часть тепла от неисправного / перегруженного радиатора в кабину.

Целью ДВС является преобразование химической энергии в движение. Это происходит путем поджига топлива, чтобы не генерировать тепло как таковое, а вызывать быстрое расширение частиц в цилиндре, что, в свою очередь, создает давление и, следовательно, прикладывает усилие к поршню. Тепло является одним из многих факторов, которые вступают в игру в этом расширении. Однако в химических реакциях, связанных с сгоранием, играет роль ряд других факторов. Они не могут быть смоделированы простым нагревом воздуха электрическим нагревом. Оказывается, что преобразование химической энергии в тепло также намного проще, чем преобразование электричества в тепло.

Но мы используем электрические системы для создания тепла в двигателях внутреннего сгорания. Они называются блочными нагревателями.

Как отмечается в большинстве комментариев и постов, это не тепло превращается в механическую энергию, это сила воспламеняемого топлива (сгорания) через поршни. Тепло в большинстве случаев является потраченной впустую энергией, которая поглощается и передается охлаждающей жидкостью.

Однако при экстремальных температурах нефть становится более вязкой, что требует больше энергии для движения. Это может привести к повреждению двигателя при попытке охлаждения или невозможности запустить систему вообще. Блочные нагреватели были спроектированы так, чтобы определенные части двигателя были ближе к их идеальной рабочей температуре, чтобы облегчить запуск.

Поэтому, хотя нам не нужно электричество для создания дополнительного тепла в уже работающем двигателе, мы используем его, чтобы поддерживать тепло в выключенном состоянии.

Я не знаю, что вы имеете в виду под нагревом и работой, но электрическое отопление кабины до 86 Lancia Delta - это то, что вы имеете в виду?

Если вы хотите нагреть воздух, введенный в двигатель, это плохая идея, потому что холодный воздух имеет самую высокую плотность и, следовательно, наибольшее количество кислорода, доступного для сгорания.

Первый вопрос - откуда вы получаете электричество? Электроэнергия, которую мы используем, поступает из других источников - гидро-, геотермальной энергии и т. Д. В сочетании с потерями конверсии это означает, что использование других видов топлива, которые являются непосредственно доступным углем и т. Д., Для обеспечения тепла было эффективным. Теперь, с глобальным потеплением, мы движемся к возобновляемым источникам энергии ...

Тепло является формой энергии, но по сравнению с электричеством оно ленивее. Трудно получить работу из этого. Поэтому, если бы у вас был источник электричества, вам было бы гораздо лучше использовать его в электродвигателе с эффективностью 99%, чем использовать его для нагрева чего-либо, а затем извлечь работу из тепла с эффективностью 30% в действительно хороший день. ,

И я даже не упомянул постоянную Больцмана!