¿Por qué la eficiencia de los motores de combustión interna, especialmente los motores de gasolina, es pobre cuando funcionan a altas velocidades?

Answer 1

Esta respuesta, de ninguna manera, reemplaza a Walters. Sin embargo, otra razón importante por la que los motores disminuyen su eficiencia a medida que aumentan las RPM es porque los diseñamos de esa manera. Los motores son grandes bombas de aire optimizadas, y la eficiencia en todo el rango de RPM es algo que se ha abordado de muchas maneras diferentes.

A continuación hay una explicación de otra respuesta que escribí que puede ayudar:

Matemáticamente hablando, necesitamos torque y RPM para generar potencia.

Como puede ver, necesitamos rpm para obtener potencia. Pero eso es solo la mitad de la ecuación. Y es la mitad obvia. Las RPM son solo rotaciones por minuto. Si el puente de rpm a caballos de fuerza, el torque, fuera constante, eso significaría que podríamos hacer que los caballos de fuerza fueran al infinito … SI el torque fuera constante. Sin embargo, este no es el caso.

El hecho es que no podemos hacer que nuestra salida de par sea constante. Aunque lo intentamos.
Aquí hay una hoja de dinamómetro básica (gráfico que muestra la potencia y el par producido por un automóvil por RPM del motor).

Bastante lejos de ser constante ¿eh? Los motores no tienen esa entrega de par constante por varias razones, pero un factor importante es la optimización del flujo de aire. Nuestros motores son bombas de aire grandes y optimizadas. Cuanto más eficientemente pueda bombear el aire, más potencia obtendrá. El problema es que estamos atrapados con ciertas restricciones que nos obligan a elegir a qué RPM queremos que el motor funcione más eficientemente.

¿Has oído el sonido de un gran muscle car estadounidense al ralentí? El motor suena entrecortado y potente. Pero si realmente piensa, no parece que esté funcionando muy bien, ¿verdad?

Bueno, si crees que parece que se está ejecutando mal, es porque lo es. La razón de esto es porque el automóvil ha sido modificado para tener un tiempo de leva / elevación / etc. diferente que está optimizado para mayores RPM. Por lo tanto, apenas funciona a bajas RPM inactivas.

¿Alguna vez has escuchado “el VTEC acaba de patearte”? VTEC, también conocido como Variable Valve Timing, es en realidad Hondas para solucionar este problema de optimización. ¡En lugar de que el motor tenga una sola leva para todo el rango de rpm, tiene tres! De acuerdo, en realidad no tiene tres, tiene tres lóbulos de leva para cada válvula. Entiende el punto, por lo que el motor tiene un rango de trabajo más optimizado.

Toyota usa otro método en el que simplemente cambian el avance de la leva llamado VVTi. No puede controlar tantas variables de levas, pero es analógico en lugar de la conmutación digital del sistema Honda.

Se han utilizado otros métodos para aplanar la curva de potencia y optimizar el flujo en todo el rango de RPM. Nissan acaba de usar el equivalente de dos colectores de admisión con corredores de diferente longitud, y tenía un deflector que cambiaba entre ellos. Se han implementado otros avances con estos conceptos de compañías como Audi.

Este método nos da otro gráfico de dinamómetro que muestra el mismo tipo de resultados:

La lista para la optimización de la potencia de salida sigue y sigue. Podría discutirse con gran detalle en todos los niveles del motor, pero espero que esto complete la ecuación anterior lo suficiente como para comprender el vínculo entre RPM y caballos de fuerza.

Si está interesado en otros aspectos de la optimización de la curva de potencia, puede leer sobre cómo hemos intentado optimizar los turbos a lo largo de los años en mi respuesta aquí: la respuesta de Ross Heyman a ¿Cuáles son algunos diseños de motores que ya no se usan?

Answer 2

Eso no es cierto en absoluto. La eficiencia de un motor de combustión interna es máxima solo cuando está a aceleración máxima. Si no lo está sacando de la línea roja, no está ejecutando su motor con la máxima eficiencia.

Estás confundiendo economía de combustible con eficiencia. La eficiencia es la cantidad de trabajo que produce el motor a partir de una cantidad dada de combustible. La economía de combustible es la distancia que el motor mueve un automóvil usando una cantidad dada de combustible. No necesita todo el trabajo que puede producir un motor para mover su automóvil en la mayoría de las situaciones, por lo que la eficiencia se ve afectada pero la economía de combustible aumenta.

Pero obtiene mucho más trabajo de su motor a 150 MPH en lugar de 60 MPH, por lo que la eficiencia aumenta mientras la economía de combustible sufre.

Answer 3

La razón básica es que las pérdidas por bombeo y las pérdidas térmicas aumentan a medida que aumenta la velocidad del motor. La segunda razón es que, a velocidades más altas, el consumo de combustible específico del freno es mayor debido al aumento de las tasas de inyección a alta velocidad. También hay menos efectos de producción de torque que ocurren a alta velocidad para motores de gasolina, así como menos potencia producida a altas velocidades.

Me gustaría haber proporcionado una respuesta más completa a esto basada en la investigación que realicé a mediados de los años 2000. Sin embargo, no tengo tiempo para encontrar esos materiales en este momento. Tenía una excelente tabla que realmente trajo a casa los puntos anteriores. Encontré el siguiente cuadro que se extrajo de un mapa de eficiencia del motor y se usó en una sesión informativa que di sobre vehículos híbridos hace unos años. Es una de las razones por las que una lata híbrida completa es mucho más eficiente que un vehículo convencional. Tengo los datos subyacentes y publiqué esos datos en algún lugar hace unos 8 años. Desde entonces, he olvidado dónde, ya que he publicado más de 100 documentos y, francamente, no guardo documentos antiguos. Incluso en la mejor curva de eficiencia, a una velocidad superior a aproximadamente 2300 rpm, donde la eficiencia es de aproximadamente 42%, las eficiencias son menores.
Para entender esta respuesta, aquí hay algunos antecedentes. La eficiencia de un motor se define como la relación entre la potencia producida por el motor y la potencia térmica del combustible utilizado. Por lo tanto, la economía de combustible se usa a menudo como un sustituto de la eficiencia, ya que expresa la idea de que se usa menos combustible por la misma cantidad de energía producida. Por lo tanto, los investigadores que buscan la mejor eficiencia utilizan un mapa llamado “consumo de combustible específico del freno” para determinar el punto de la mejor eficiencia, aunque la eficiencia no se calcula realmente. Tal curva encontrada en Internet se ve así para un motor de gasolina:
El área de color concéntrico es el consumo de combustible en unidades de galones por kilovatio hora. Tenga en cuenta dónde se produce la menor cantidad de combustible consumido (el área roja). Aquí también es donde se ubicará el punto más eficiente para el motor. Aquí hay un mapa de eficiencia, también de Internet, donde se han calculado las eficiencias. No sé qué motor es este, pero estas son las formas típicas encontradas:
Aquí el motor alcanza una eficiencia del 35% entre velocidades de 1700 rpm a 2300 rpm con el par producido entre 160 Newton metros y 200 Newton metros. Observe cómo la eficiencia empeora con pares más bajos y velocidades más altas.

Answer 4

La respuesta es bastante simple.

A altas velocidades del motor, el motor se calienta mucho. Tanto es así que si no se controla puede resultar ya sea en Preignition o Knock o en ambos.

Por lo tanto, una forma genial de controlar esto es suministrar una mezcla de aire-combustible más rica.

Dado que tanto la gasolina como el diésel tienen una capacidad de calor específica suficientemente alta ( 2.22 kJ / kg K y 2.05 kJ / kg K respectivamente ) en comparación con el aire ( 1.005 kJ / kg K ), toma más calor del cilindro sin un aumento apreciable en temperatura.

Esto provoca una reducción en la temperatura del cilindro. Esta es la razón de que los motores de gasolina y diésel sean ineficientes a altas velocidades.

Answer 5

Cuanto más rápido conduzca, más rápido será el proceso de combustión. Lo que esto significa es que para acomodar la velocidad más rápida, la combustión interna y el consumo de combustible deben ocurrir a una mayor velocidad. Cuanto más rápida sea la velocidad del motor, más rápido se quemará el combustible.

A medida que aumenta la demanda en la cámara de combustión (movimiento de válvulas, pistones, etc.), más rápido se quema la chispa y el combustible.

Answer 6

Esencialmente, la razón por la cual un ICE no es eficiente en RPMS alto es porque hay una relación ideal de aire a combustible que el motor debe cumplir. Por lo tanto, a velocidades de revoluciones más altas, el motor aspira más aire y debe satisfacer la mayor demanda de combustible.

También está el factor de la curva de par. Básicamente, una representación gráfica de dónde está funcionando el motor en su salida máxima. En general, el pico de esa curva es más alto en el rango de RPM, y en este punto y más allá, la economía de combustible es peor. Si desea obtener la mejor eficiencia de combustible, manténgase fuera del rango de torque máximo.

Editar: Matt Wasserman hace un muy buen punto. En cuanto a la eficiencia del combustible, mi respuesta es válida. Pero cuando se considera la salida máxima, el pico de la curva de torque es donde el motor obtiene la mayor potencia de dicha mezcla de aire y combustible.

Answer 7

A2A.
Aunque creo que Matt lo ha respondido de la manera más clara, usaré una pregunta y usted sabrá la respuesta usted mismo.
¿Por qué puedes caminar por períodos más largos de tiempo pero no correr al mismo tiempo?