Регистрация Войти
Вопрос

Насколько снижается эффективность из-за «потерь при перекачке», если они вообще есть?

Я имею в виду потери, возникающие из-за того, что поршни втягивают воздух через почти полностью закрытую дроссельную заслонку при движении на высокой скорости с бензиновым двигателем.



Например, я всегда задавался вопросом, почему это не более экономично с точки зрения расхода топлива:



Добавьте в коробку передач ещё одну передачу, скажем, шестую передачу для 5-ступенчатого автомобиля. Эта передача будет бесполезна для ускорения; передаточное число будет настолько высоким, что на скорости 105 км/ч при полностью открытой дроссельной заслонке автомобиль будет двигаться с постоянной скоростью или лишь немного ускоряться. Это значительно снизит насосные потери, возникающие из-за того, что поршни всасывают воздух через почти закрытую дроссельную заслонку, и, по-видимому, позволит экономить топливо, отчасти за счёт 1) снижения оборотов и, соответственно, потерь на трение и 2) снижения насосных потерь.



Я понимаю, что для этого могут потребоваться и другие условия. Например, WOT на 6-й передаче не должен обогащать смесь, как это обычно делает WOT, и т. д. Допустим, автомобиль был выпущен с завода с компьютером и сопутствующей электроникой, поддерживающими топливную систему.



Однако эта функция так и не была реализована. Может быть, она просто неэффективна? Если нет, то почему? Или она будет раздражать потребителей, которые ожидают от автомобиля большей отзывчивости и необходимости переключения передач для ускорения? Слишком дорого добавлять передачу или просто никто никогда не пробовал?
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/3711/how-much-efficiency-is-robbed-from-pumping-loss-if-any
2
+ Читать

21 Комментарий

  1. Это само по себе более эффективно...




    Экипажи B-29 во время Второй мировой войны обнаружили, что при разгрузке их четырехмоторный
    самолет мог пролететь дальше при трех работающих двигателях и одном остановленном двигателе
    (а его пропеллер оперялся, чтобы минимизировать лобовое сопротивление), чем при
    вращении всех четырех. Почему? Потому что для достижения крейсерской скорости всего с тремя двигателями
    требовалось больше открывать дроссели, снижая потери при прокачке.



    Инженерные школы проводят широко освещаемые в СМИ конкурсы на экономию топлива, в которых
    сейчас побеждают с невероятными показателями, такими как 1200 миль на галлон. Это достигается за счёт очень
    лёгких форм с низким аэродинамическим сопротивлением, которые разгоняются с помощью крошечных двигателей
    на средних или полных оборотах. Затем двигатель отключается и
    останавливается, пока автомобиль движется по инерции до выбранной низкой скорости,
    после чего крошечный двигатель снова запускается и снова разгоняет
    автомобиль. Небольшой размер двигателя, необходимость работать при полностью открытой дроссельной заслонке
    и прерывистый режим работы сводят к минимуму как насосные потери, так и
    механическое трение. Фанаты экономии топлива, управляющие двухместными автомобилями Honda
    Insight с бортовыми приборами в том же стиле «пульсируй и скользи», смогли
    добиться расхода топлива около 100 миль на галлон при длительных поездках.



    Конечно, в описанных выше случаях дело не только в потерях при перекачке.
    Отключение цилиндров также позволяет снизить потери на поршневых кольцах и подшипниках в
    отключенных цилиндрах, и очевидно, что три двигателя B-29 имеют
    меньшее общее механическое трение, чем четыре.




    &




    Чарльз Линдберг использовал аналогичный метод, чтобы значительно увеличить
    дальность полёта истребителей P-38 в Тихом океане. Он показал пилотам
    что снижение оборотов, обогащение смеси и ПОВЫШЕНИЕ давления в коллекторе
    значительно сокращают расход топлива.




    Я подозреваю, что эта функция не реализована в автомобилях массового производства, потому что она не очень «проста» в использовании и не так выгодна для производителей.



    Как видно из приведённых выше примеров, для обеспечения максимальной эффективности этого метода предпочтительнее использовать несколько двигателей меньшего объёма, работающих на средних и высоких оборотах, а не один мощный двигатель, работающий в разных режимах.
    Затраты производителей на оснащение автомобиля несколькими двигателями для эффективного использования каждого диапазона скоростей будут огромными и, вероятно, не оправдают экономию топлива, которую получат клиенты. Не говоря уже об увеличении расходов на техническое обслуживание как минимум в соответствии с количеством двигателей в автомобиле.



    Но что, если мы скажем: «К чёрту несколько двигателей, давайте просто попробуем сделать один двигатель более экономичным за счёт изменения передаточного числа»?



    Тогда у автомобиля на любой заданной скорости будет одна оптимальная передача для ускорения и другая оптимальная передача для движения с крейсерской скоростью, обеспечивающая топливную экономичность.

    Я думаю, что в среднем этот метод может повысить расход топлива среднестатистического человека примерно на 1 галлон, а может, и на 2, за счёт снижения чувствительности дроссельной заслонки в реальном времени. Я думаю, что если попытаться найти баланс между откликом дроссельной заслонки и расходом топлива в 1–2 мили на галлон, то выгода от экономии топлива для миллионов людей будет очевидной (1–2 миллиона миль, или примерно 50 000–100 000 галлонов бензина, или примерно 200 000–400 000 долларов на миллион человек). Но действительно ли это настолько важно, чтобы перевешивать те несколько аварий, которых можно было бы избежать благодаря лучшему отклику дроссельной заслонки (и дополнительному «комфорту» от некоторой задержки при нажатии на педаль газа во время обычной езды)? Это действительно зависит от статистики и анализа, но я бы предположил, что вряд ли.



    Кроме того, этот метод, особенно в случае с автоматическими системами, должен строго контролироваться компьютером, чтобы его можно было использовать в повседневной жизни. Это потребует гораздо больших затрат на исследования и разработки, тестирование и производство, что является ещё одной предоставляемой ими функцией. Если функция предоставляется, но работает некорректно или недостаточно плавно, это наносит ущерб бренду и может привести к прямым убыткам из-за гарантийных работ или отзывов продукции.



    Честно говоря, мне кажется, что вы лучше разбираетесь в насосных и фрикционных потерях в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, чем другие участники обсуждения. Возможно, на Engineering SE ответы были бы лучше.

  1. Извините за некромантию, но я наткнулся на эту тему и думаю, что есть ещё одна важная причина, по которой этого делать не стоит и по которой производители, скорее всего, даже не пробовали это делать. Дело в том, что в описанной вами ситуации двигатель постоянно работает на максимальном крутящем моменте/нагрузке. Вполне вероятно, что там это будет более эффективно (если удастся справиться с AFR), так что я понимаю вашу идею, но есть один большой недостаток.



    Крутящий момент — это просто немного другая разновидность силы. Представьте, что произойдёт, если все детали двигателя будут постоянно испытывать нагрузки, возникающие при работе двигателя с максимальным крутящим моментом. Они не смогут выдерживать такие нагрузки в течение длительного времени. Детали быстро износятся.



    Переключайтесь на высшую передачу на скорости 70 км/ч или ниже, чтобы двигатель работал на 1000 об/мин, и жмите на педаль газа. Двигатель будет протестовать, но машина не будет ускоряться. Это нездоровый звук, и он нездоровый. На 2000 об/мин двигатель должен выдавать только половину крутящего момента, а 2000 об/мин — это совсем немного. Двигатель сможет поддерживать такую ситуацию гораздо дольше, но да, вероятно, он будет работать немного менее эффективно.



    Дизельные генераторы управляют своим двигателем так, как вы предложили. Они работают на постоянных оборотах и с максимальным крутящим моментом, потому что именно в этом случае достигается максимальная эффективность. Но они спроектированы именно для этого, с учётом такой ситуации. Автомобиль не спроектирован для этого, потому что в этом нет необходимости. Это сделало бы двигатель намного тяжелее с точки зрения материала, расхода топлива, дорожных налогов и т. д.

  1. Я могу назвать пару причин (хотя в основном они касаются автоматики)...



    Если вы едете на пониженной передаче, чтобы поддерживать скорость, то у вас не останется ресурсов для обгона/подъёма в гору/переключения на пониженную передачу. Кроме того, автомобиль будет работать в разомкнутом режиме и расходовать топливо.



    Чтобы удерживать автомобиль в замкнутом цикле, вам нужно будет выжимать максимум из 75 % газа. Каждый раз, когда вы будете проходить поворот или подниматься на холм, вам придётся переключать передачу на пониженную и/или использовать режим «только движение».



    «Социальная» причина заключается в том, что людям нравится ощущение того, что у них ещё много хода педали/«резервной мощности» . Нажимать на педаль газа при обычной скорости движения по шоссе — это не то, чего хочет обычный/неосведомлённый потребитель.



    Потери при накачивании шин действительно можно измерить, по крайней мере на моей машине. Если я нажимаю на газ на 50–75 %, начиная движение со светофора, но при этом переключаю передачи на тех же низких оборотах, как при медленном разгоне, то могу стабильно экономить 2 мили на галлон по сравнению с обычным стилем вождения.
  1. Занимаетесь ли вы инженерными или кинематическими расчётами в своей сфере деятельности? Можете ли вы привести пример того, как вы используете «максимальный крутящий момент» в описанном вами контексте? Что такое минимальный крутящий момент при заданных оборотах в минуту? И чем этот минимальный крутящий момент отличается от максимального крутящего момента, который вы описываете?
  1. почему я не могу их защитить? почему вы считаете, что я не могу? что такого вы знаете обо мне, что позволяет вам делать такие выводы? это дискуссия о фактах, а вы на самом деле не привели ни одного факта, только утверждения, которые вы считаете фактами.
  1. Ситуация, описанная OP, не имеет никакого отношения к тому, работает ли двигатель в диапазоне максимального крутящего момента или нет. Всё дело в снижении насосных и фрикционных потерь в бензиновом двигателе внутреннего сгорания

  1. Были внедрены некоторые решения: во многих двигателях (особенно с турбонаддувом) уменьшен входной поток воздуха, поэтому через двигатель не проходит большое количество воздуха.



    В любом случае «провал» при слегка приоткрытой дроссельной заслонке минимален, так что вы не теряете много энергии.



    Вы бы потратили больше энергии, если бы для движения на крейсерской скорости вам приходилось полностью открывать дроссельную заслонку. Вместо этого во многих автомобилях есть повышающая передача. В моей машине на 6-й передаче при движении по автомагистрали обороты составляют около 2200 об/мин, что практически не требует усилий.
  1. Итак, теперь вы спорите о семантике между понятиями «пиковый» и «максимальный»? В любом случае, в машиностроении, как и в любой другой отрасли, мы обычно не используем термин «максимальный крутящий момент» для обозначения максимального крутящего момента, доступного при текущих оборотах, поскольку максимальный крутящий момент при заданных оборотах — это буквально просто крутящий момент при заданных оборотах. Это избыточно и бесполезно. Это всё равно что сказать, что я прикладываю эту силу в момент времени t, и эта сила является «максимальной силой» в этот момент времени t, потому что в этот момент времени t мы рассматриваем только эту силу в данной системе.
  1. @agentprovocateur Нет, вы путаете его с пиковым крутящим моментом. Пиковый крутящий момент часто, но не всегда, достигается только на определенных оборотах. (Но в наши дни у многих двигателей кривая крутящего момента частично плоская, поэтому нельзя говорить о реальных оборотах, при которых достигается пиковый крутящий момент.) Максимальный крутящий момент — это просто максимальный крутящий момент, доступный при текущих оборотах. И вы получаете его при работе на холостом ходу. Работа двигателя на холостом ходу при низких оборотах, как предлагает OP, — это «таскание» двигателя, что является плохой идеей.
  1. «При работе на холостом ходу вы получаете максимальный крутящий момент при любых заданных оборотах». Понимаете ли вы, что типичный поршневой двигатель внутреннего сгорания вырабатывает «максимальный крутящий момент» при определённых заданных оборотах? Это означает, что если двигатель не работает на этих конкретных оборотах, то он выдаёт «минимальный крутящий момент». Мы не определяем максимальный крутящий момент как работу на холостом ходу. Похоже, вы путаете крутящий момент с открытием дроссельной заслонки и характеристиками крутящего момента двигателя.
  1. Я понимаю, почему люди не хотят вдавливать педаль в пол, но это можно реализовать внутри любой машины с электронным управлением дроссельной заслонкой. Водителю даже не нужно ничего замечать или «вдавливать в пол». Для этой передачи режим замкнутого цикла должен быть расширен до 100 % дроссельной заслонки.
  1. Нет, это возможно только в дизельном автомобиле. Суть системы WOT в том, что вы больше не ограничиваете приток воздуха в цилиндры, а компьютер определяет, сколько топлива нужно впрыснуть, на основе данных о потоке воздуха.
  1. Но зачем заморачиваться с WOT? Суть WOT в том, что вы подаёте в цилиндры больше топлива, так что лучше этого не делать. Или я вас неправильно понял?
  1. Но ваша 6-я передача, вероятно, весьма полезна, особенно в автомобилях с турбонаддувом. Я спрашиваю: почему бы не переключиться на более высокую передачу, где обороты снижаются до 1500 или около того, а при полной нагрузке вы едва ускоряетесь (или даже стоите на месте) на скорости 65 миль в час
  1. В автомобиле с автоматической коробкой передач переключение на пониженную передачу происходит автоматически. В автомобиле с механической коробкой передач водителю нужно просто знать, что для ускорения нужно переключиться на пониженную передачу. Возможно, вы правы: выигрыш настолько незначителен, что не стоит дополнительных хлопот. Было бы неплохо, если бы это можно было измерить.
  1. @agentprovocateur Это потому, что именно это и описывает автор: «Эта передача была бы бесполезна для ускорения; передаточное число было бы настолько высоким, что на скорости 105 км/ч при полностью открытой дроссельной заслонке автомобиль двигался бы с постоянной скоростью или лишь немного ускорялся». При движении на максимальной скорости вы получаете максимальный крутящий момент при любых заданных оборотах (вы не можете поддерживать двигатель в «диапазоне максимального крутящего момента», как вы упомянули. Узнайте разницу.) Вот об этом мой ответ, и я могу его обосновать, как и сделал. Вы не можете этого сделать, не выдвигайте возражений, если не можете их обосновать или понять ситуацию. Так что извините, но вы неправы. Дело закрыто.
  1. В первом абзаце вы буквально прямым текстом упомянули максимальный крутящий момент, о котором говорит автор вопроса: «Дело в том, что в ситуации, которую вы описываете, двигатель постоянно работает с максимальным крутящим моментом/нагрузкой. Вполне вероятно, что в этом случае он работает более эффективно (если для этого регулируется соотношение воздух-топливо), так что я понимаю вашу идею, но есть один большой недостаток». В ситуации, которую описывает автор вопроса, двигатель не работает с максимальным крутящим моментом. Весь ваш ответ построен на этом предположении.
  1. @agentprovocateur Я ничего не говорил о максимальном диапазоне крутящего момента и признаю наличие проблем с насосами и потерями на трение. Так что я не понимаю ваш комментарий. Я говорю, что перегружать двигатель, как предлагает OP, вредно. Да, потери на перекачку и некоторые потери на трение можно уменьшить, но у этого есть серьёзные недостатки. Это даже не улучшит ситуацию в современных автомобилях, поскольку в них используется система изменения фаз газораспределения. Они регулируют подачу воздуха с помощью клапанов, что позволяет минимизировать потери при перекачке. С чем именно вы не согласны?
  1. Вы попали в точку; я прошу добавить ещё одну передачу, ещё одну ступень. Возможно, повышающую передачу или топливную передачу с передаточным числом 0,5:1 или любым другим, в зависимости от того, какая мощность требуется для поддержания крейсерской скорости на полном газу. Когда я смотрю на автомобили с 6 или 7 передачами, я обычно вижу, что это просто более узкие передачи, которые охватывают тот же диапазон, что и 5-ступенчатая коробка.
  1. choster: Однако у многих [автоматических коробок] есть именно это. У них есть повышающая передача. Обычно передаточное число меньше 1:1. — Довольно жалкое ускорение, поэтому у них также есть кнопка кикдауна. Вы нажимаете на газ, и коробка достаточно умна, чтобы переключиться на пониженную передачу. Это не совсем то, о чём говорит автор, но в принципе можно применить тот же принцип. (Кикдаун для «топливной передачи».)
  1. Передача, которая «бесполезна для ускорения» на высоких скоростях, показалась бы мне очень опасной. Всегда нужен небольшой запас, чтобы можно было ускориться и проехать мимо/сквозь препятствия. Я бы сказал, что фактор безопасности перевешивает незначительное повышение топливной эффективности при типичной поездке по городу или пригороду.
Вы уже ответили на этот вопрос