Почему в двигателях внутреннего сгорания не используются электрические способы нагрева

Тепло является формой энергии, но по сравнению с электричеством оно менее эффективно. Его трудно использовать для работы. Поэтому, если у вас есть источник электричества, вам будет гораздо выгоднее использовать его в электродвигателе с КПД 99 %, чем нагревать что-то, а затем извлекать работу из тепла с КПД, возможно, 30 % в очень удачный день.

И я даже не упомянул постоянную Больцмана!

Но мы используем электрические системы для нагрева двигателей внутреннего сгорания. Они называются блочными нагревателями.

Как отмечается в большинстве комментариев и постов, в механическую энергию преобразуется не тепло, а сила, возникающая при воспламенении топлива (сгорании) и передаваемая через поршни. Тепло в основном является бесполезной энергией, которая поглощается и отводится охлаждающей жидкостью.

Однако при экстремальных температурах масло становится более вязким, и для его перемещения требуется больше энергии. Это может привести к повреждению двигателя при попытке запустить его в холодном состоянии или к невозможности запустить систему вообще. Блок подогрева был разработан для того, чтобы поддерживать температуру определённых частей двигателя на уровне, близком к идеальной рабочей температуре, что облегчает запуск.

Таким образом, хотя нам и не нужно электричество для дополнительного нагрева уже работающего двигателя, мы используем его для поддержания тепла, когда двигатель выключен.

Цель двигателя внутреннего сгорания — преобразовать химическую энергию в механическую. Для этого топливо воспламеняется не для того, чтобы выделить тепло как таковое, а для того, чтобы вызвать быстрое расширение частиц в цилиндре, которое, в свою очередь, создаёт давление и, следовательно, воздействует на поршень. Тепло — один из многих факторов, влияющих на это расширение. Однако в химических реакциях, связанных со сгоранием, участвует ряд других факторов. Их нельзя имитировать, просто быстро нагревая воздух с помощью электрического нагрева. Оказывается, преобразовать химическую энергию в тепло гораздо проще, чем преобразовать электричество в тепло.

Первый вопрос: откуда вы берёте электричество? Электроэнергия, которую мы используем, поступает из других источников: гидро-, геотермальных и т. д. В сочетании с потерями при преобразовании это означает, что использование других видов топлива, таких как уголь и т. д., для получения тепла было эффективным. Теперь, в условиях глобального потепления, мы переходим на возобновляемые источники энергии...

Я не знаю, что вы имеете в виду под «нагреться и работать», но в Lancia Delta до 1986 года выпуска был электрический обогрев салона. Вы об этом?

Если вы хотите нагреть воздух, поступающий в двигатель, то это плохая идея, потому что холодный воздух имеет самую высокую плотность и, следовательно, содержит больше всего кислорода, необходимого для горения.

tl;dr

Двигатели внутреннего сгорания не могут преобразовывать всё тепло в механическую работу. А если есть источник тепла, почему бы не использовать его для обогрева?

Все тепловые циклы, например цикл Карно (идеальный, наиболее эффективный), цикл Отто (идеализированный бензиновый двигатель), цикл Дизеля (идеализированный дизельный двигатель), цикл Клаузиуса — Ренкина (идеальная паровая турбина), по определению рассеивают часть тепла. В реальных двигателях ещё меньше энергии преобразуется в механическую работу и ещё больше энергии уходит в тепло.

Часть механической энергии расходуется генератором на зарядку аккумулятора, питание свечей зажигания, ЭБУ и других систем. Остальная часть используется для непосредственного движения.

Если мы будем использовать только электрические обогреватели, то будем отводить всё тепло от двигателя и использовать часть механической энергии для обогрева автомобиля. Это двойной убыток.
Если мы будем использовать воздушный обогрев, то сможем использовать часть энергии, которая бесполезно расходуется двигателем.

Для примера сравните расход топлива и ходовые качества Skoda Fabia 1.2 HTP (хотим продать [продайте как можно скорее]) со стереосистемой, кондиционером и подогревом сидений. Когда все системы включены, расход значительно выше, а ускорение значительно хуже — все потому, что больше энергии направляется на генератор, а не на колеса. Отключение кондиционера — распространенная тактика при попытке обгона на таких автомобилях.

Электрический автономный отопитель и электрические подогреватели сидений используются в качестве дополнительных опций для повышения комфорта. Для их нагрева требуется менее минуты независимо от температуры окружающей среды, в то время как для прогрева двигателя требуется от нескольких минут до десятков минут в зависимости от температуры окружающей среды.

Примечание: если ваш двигатель перегревается, рекомендуется включить обогрев на полную мощность — это позволит перенаправить часть тепла от неисправного/перегруженного радиатора в салон.

Потому что это было бы не очень эффективно.

Главное преимущество двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что у них очень высокая плотность энергии в топливе (бензине, дизельном топливе). На относительно небольшом и лёгком баке можно проехать большое расстояние. Недостаток таких двигателей в том, что они не очень эффективны. Большая часть энергии топлива теряется из-за трения и нагрева, и лишь очень небольшая часть (<35%) преобразуется в механическое движение.

Электромобили хороши тем, что они невероятно эффективны. Топливо, которое они используют (аккумуляторы), далеко не такое компактное и лёгкое, как бензин или дизельное топливо, но электродвигатель может преобразовывать более 90 % этой энергии в механическое движение.

Использование электричества для нагрева воздуха и запуска двигателя на основе изменения давления объединило бы в себе худшие стороны обеих этих систем.

Хотя в других ответах содержатся полезные сведения о потерях энергии, следует учитывать ещё один фактор.

Как, чёрт возьми, вы собираетесь нагревать воздух в крошечном цилиндре мощностью в несколько киловатт? Это необходимо, потому что типичный четырёхцилиндровый автомобильный двигатель вырабатывает 100 киловатт мощности, а КПД в лучшем случае составляет около 33 % (при условии, что это не двигатель с циклом Аткинсона). Таким образом, вам нужно 300 киловатт для электрического нагрева, из которых на один цилиндр приходится 75 киловатт.

Что ещё хуже, вам нужно нагреть воздух в определённый момент (между тактами сжатия и расширения). Для максимальной эффективности нагрев должен происходить в течение очень короткого промежутка времени между этими двумя тактами, но давайте предположим, что для нагрева воздуха можно использовать весь такт расширения. Один из четырёх тактов означает, что мгновенная мощность должна составлять 4 (количество тактов) × 75 киловатт, или 300 киловатт. На цилиндр!

Вы когда-нибудь видели электрические нагревательные элементы мощностью 300 киловатт? Если да, то вы, вероятно, понимаете, что такой нагревательный элемент невозможно поместить в цилиндр с ходом поршня 86 мм и диаметром 86 мм в двигателе объёмом 2 литра. На самом деле он должен помещаться в гораздо меньшем пространстве, потому что при степени сжатия 10 в вертикальном направлении остаётся всего около 8,6 мм.

Даже мой электрический обогреватель мощностью 1900 Вт, которым я пользуюсь холодной финской зимой, намного больше, чем 86 мм x 8,6 мм. А это всего 1,9 киловатта, что намного меньше 300 киловатт.

Обратите внимание, что установка нагревателя снаружи, то есть нагрев воздуха перед его подачей в двигатель, невозможна. В этом случае давление воздуха будет повышаться и при такте сжатия, противодействуя повышению давления при такте расширения. Вам действительно нужно, чтобы воздух был холодным при такте сжатия и горячим при такте расширения. Поэтому нагревательный элемент должен быть встроен в двигатель.