Как температура окружающей среды влияет на эффективность работы двигателя и расход топлива?

Если взять двигатель, работающий по термодинамическому циклу Отто (работа, получаемая за каждый цикл, равна площади внутри диаграммы P(V)), с одинаковой нагрузкой и оптимальной рабочей температурой во всех частях системы смазки, то более холодный воздух на впуске означает, что смесь можно сделать более бедной, потому что большую часть времени (и всё меньше и меньше по мере увеличения вычислительной мощности ЭБУ) смесь остаётся богатой по сравнению со стехиометрической реакцией горения 14:1, что позволяет снизить температуру в камере сгорания и избежать нежелательной предварительной детонации (стука). Если двигатель оснащён турбонаддувом, разница температур между горячей и холодной сторонами турбины будет больше, и промежуточный охладитель (охладители) будет отводить больше тепла от сжатого воздуха. Это означает повышение эффективности на всех этапах работы.
Таким образом, прирост мощности, достигаемый в автоспорте за счёт использования «впускных коллекторов холодного воздуха», более крупных и эффективных интеркулеров, турбокомпрессоров, которые поддерживают высокую температуру на «горячей» стороне турбины и низкую — на «холодной», — всё это также способствует повышению топливной эффективности.
Однако в транспортном средстве, движущемся по воздуху, эти термодинамические преимущества могут быть быстро сведены на нет увеличением аэродинамического сопротивления, если встречаемый воздух окажется более плотным (что обеспечивается не только температурой, но и содержанием паров).

Вкратце: Температура окружающего воздуха, как правило, не влияет на эффективность работы двигателя или расход топлива, но влияет на общую выходную мощность.

Не путайте эффективность с выходной мощностью. Это две разные вещи. Когда заряд на впуске более плотный, вы можете подать в него больше топлива и получить больше мощности. (ПРИМЕЧАНИЕ: задача системы управления двигателем — поддерживать общее соотношение воздуха и топлива 14,6:1 (также называемое стехиометрическим или сокращённо «стехи»). Это так называемая «идеальная» смесь воздуха и топлива, при которой всё топливо сгорает без остатка кислорода. К сожалению, стехиометрическая смесь обычно не получается. Это происходит из-за двух проблем, связанных с количеством тепла, выделяемого в процессе сгорания. Во-первых, более горячее сгорание может привести к детонации. Во-вторых, при температуре сгорания около 1700 градусов по Фаренгейту азот, содержащийся в воздухе, который поступает в двигатель (вместе с кислородом — воздух содержит ~78 % азота и ~20 % кислорода), сгорает. В результате образуется NO2, или диоксид азота. Это один из основных загрязнителей воздуха, который в 70-х годах в Калифорнии был основной причиной кислотных дождей. Кроме того, он очень вреден для нашего дыхания — фактически токсичен.)

С другой стороны, есть эффективность, которая в контексте двигателей означает получение большей полезной мощности при том же количестве топлива. За последние пару десятилетий были достигнуты значительные успехи в повышении эффективности двигателей. Один из способов добиться этого — турбонаддув. Проще говоря, турбонаддув — это способ использовать тепловую энергию, которая в противном случае выбрасывалась бы с выхлопными газами. Турбокомпрессор способен увеличивать заряд воздуха за счёт давления, создаваемого выхлопными газами, что позволяет компьютеру подавать больше топлива во впускной коллектор, тем самым увеличивая мощность. Это может привести к очень большому количеству «других» дискуссий, поэтому я остановлюсь на этом. Излишне говорить, что этот метод позволяет более эффективно использовать мощность, чем обычное всасывание, и, таким образом, двигатель может выдавать больше мощности при меньшем расходе топлива.

Ещё один способ повысить эффективность двигателя — увеличить степень сжатия (CR) двигателя. Общее эмпирическое правило для CR заключается в том, что при каждом увеличении степени сжатия выходная мощность увеличивается примерно на 3%. Если вы увеличиваете выходную мощность без добавления топлива, это повышает эффективность.

Более холодный воздух, поступающий в двигатель, будет более плотным и будет содержать больше кислорода, чем его более тёплый аналог. Вы по-прежнему расходуете больше топлива для получения большей мощности, поэтому дополнительной эффективности не наблюдается.

Хотя вы и предложили не учитывать холодный запуск, есть причина, по которой вы не заметите снижения расхода топлива в этот период. Причина в том, что компьютер фактически подаёт больше топлива в смесь, чтобы обеспечить повышенную стабильность двигателя (помочь ему работать ровно — как если бы на карбюраторном двигателе была установлена воздушная заслонка) и чтобы каталитический нейтрализатор быстрее прогрелся и достиг максимальной эффективности.

На самом деле двигатели внутреннего сгорания могут быть намного более эффективными, если они могут использовать тепло, а не излучать его. Помните, что излучаемое тепло — это потерянная энергия. Если вы можете использовать тепло для выработки большей мощности или для более эффективного производства той же мощности, вам будет намного лучше.

Я говорю о концепции, которую в начале 80-х годов разработал парень по имени Генри «Смоки» Юник. Он опирался на идею, которую Ральф Джонсон выдвинул в начале 50-х годов, когда работал в General Motors. Идея двигателя с горячим воздухом, в котором воздух нагревается примерно до 400 градусов по Фаренгейту и гомогенизируется (тщательно перемешивается) до такой степени, что в нём не происходит детонации. Вы можете прочитать статью, но причина, по которой такие двигатели не используются в современных автомобилях, двоякая. Во-первых, они пытались сделать его разборным, но не смогли, потому что для этого потребовались бы модернизированные детали для поршней и колец, а это уже не совсем «разборный» комплект, и он намного дороже, чем они рассчитывали. Во-вторых, Смоки, к сожалению, умер некоторое время назад. Слишком много его секретов умерло вместе с ним, потому что он хранил подробности в своей голове. Это действительно печально, потому что он проделал поистине УДИВИТЕЛЬНУЮ работу и создал революционные изобретения и идеи, которые умерли вместе с ним.

Двигатель на горячем воздухе противоречит общепринятому представлению о впуске холодного воздуха и вашему вопросу. Согласно общепринятому мнению, чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем выше его мощность. И это в целом верно для (тех, что мы считаем нормальными) двигателей (двигатель на горячем воздухе Смоки — исключение).

Более низкая «холодная сторона» цикла Карно, конечно, приводит к повышению теоретической эффективности, но подсчитали ли вы, насколько? Снижение температуры на впуске на 10–20 К при той же температуре сгорания 1000 К влияет на конечную эффективность на 1 %. И эта эффективность в любом случае составляет 70 %, так что вы можете догадаться, что существует гораздо больше параметров, снижающих конечную эффективность до 25 %, поэтому цикл Карно малоприменим в автомобиле.

В любом случае двигатель должен быть переоборудован для использования более низкой «холодной стороны», если вы хотите сохранить ту же температуру сгорания, потому что если вы просто снизите подачу воздуха в обычный двигатель, то в итоге снизите на ту же величину и температуру «горячей стороны», что ещё больше снизит эффективность.

Зимой автомобили потребляют больше топлива, потому что воздух плотнее и его нужно вытеснять, шины имеют большее трение, и их нужно сильнее нагружать, масло в трансмиссии становится гуще и вызывает больше потерь, вы используете обогрев и другие функции, которые потребляют энергию (которая, конечно же, поступает из топлива, и у вас остаётся меньше энергии для движения автомобиля), топливо изначально отличается, чтобы улучшить сгорание при низких температурах (это значит, что оно модифицировано для лучшего сгорания, но содержит меньше энергии, поэтому вам нужно больше топлива), и так далее.

Зимой расход топлива может увеличиться на 50 %, а в некоторых ситуациях — даже на 100 % (то есть расход топлива удвоится).

Примеры причин повышенного расхода топлива: https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml

Редактировать

Кстати, моя ошибка: максимальная эффективность 1-(T_low / T_high)) применима к циклу Карно, но у двигателя Отто другой максимальный КПД, см. https://physics.stackexchange.com/questions/168912/carnot-vs-otto

Это также означает, что двигатель уже гораздо ближе к теоретической эффективности, чем принято считать.