Pourquoi les chauffages électriques ne sont-ils pas utilisés dans les moteurs à combustion interne

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Étant donné que tout le travail d'un moteur à combustion interne (ICE) consiste à transformer la chaleur en énergie mécanique, pourquoi les méthodes de chauffage électrique ne sont-elles pas plus populaires? Je sais qu'il doit y avoir une raison. Je ne parle pas de voitures électriques ou de quoi que ce soit, mais de l'utilisation de l'électricité pour chauffer et travailler.

engine-theory DeusIIXII
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Un moteur à piston convertit une explosion chimique en rotation, la chaleur est en grande partie un sous-produit indésirable. Convertir l'électricité en chaleur en mouvement serait inefficace par rapport à un moteur électrique (à la Tesla / Prius, etc.)
John U
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La prémisse de cette question est-elle incorrecte ou les modifications apportées à la question ont-elles incompris l'intention du PO? Le rôle d'un ICE n'est pas de transformer la chaleur en énergie mécanique. Peut-être que l'OP demande pourquoi le chauffage électrique n'est pas utilisé dans plus de moteurs dans l'ensemble (se référant à tort à eux comme ICE) et ne signifie pas nécessairement spécifiquement la combustion interne. Cela entraînerait une réponse entièrement différente de la question.
Keeta - réintègre Monica le
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Voir c'est pourquoi je suis très confus. Sur ma main, lorsque je fais des recherches, j'entends constamment les moteurs à combustion interne sont des moteurs thermiques qui transforment la chaleur en mouvement. Maintenant, vous dites que ce n'est pas le cas. Puisse ce truc dérouter.
DeusIIXII
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Les ICE @immibis sont sans aucun doute des moteurs thermiques, mais le travail global consiste à transformer une énergie chimique en énergie mécanique (au moyen de la chaleur).
Chris H
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Deus, je pense que vous êtes vraiment confus sur le fonctionnement d'un ICE. Le commentaire de John U est la seule réponse raisonnable que j'ai vu à votre question. Techniquement, pour un moteur à essence, le chauffage électrique est TRÈS populaire - la chaleur extrême générée autour de l'arc de la bougie d'allumage est utilisée pour allumer le mélange de carburant explosif et chaque moteur à essence dans le monde utilise le chauffage électrique. Mais le gaz chaud, en expansion et explosif qui entraîne le piston vers le bas est un sous-produit d'une réaction chimique, pas électrique. Vous ne pouviez pas facilement obtenir une version sans essence de la même chose en utilisant seulement une étincelle massive
Caius Jard

Réponses:

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Parce que ce ne serait pas très efficace.

Le principal avantage des moteurs à combustion interne est que la densité énergétique de leurs carburants (essence, diesel) est très bonne. Vous pouvez faire un long chemin sur un char léger relativement petit. Leur inconvénient est qu'ils ne sont pas très efficaces. La majeure partie de l'énergie contenue dans le carburant est perdue sous l'effet de la friction et de la chaleur, et seule une très petite partie (<35%) se transforme en fait en mouvement mécanique.

Les véhicules électriques sont excellents car ils sont incroyablement efficaces. Le carburant qu'ils utilisent (batteries) n'est pas aussi compact et léger que l'essence ou le diesel pour la quantité d'énergie qu'ils stockent, mais un moteur électrique peut transformer 90% + de cette énergie en mouvement mécanique.

L'utilisation de l'électricité pour chauffer l'air et faire fonctionner un moteur en fonction du changement de pression combinerait les pires aspects de ces deux systèmes.

raydowe
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Telle est la clé. Oui, vous pouvez utiliser l'électricité pour chauffer l'air dans un piston pour faire avancer la voiture. Cependant, il serait nettement moins efficace que d'utiliser la même électricité pour alimenter directement un moteur électrique. L'avantage des moteurs à combustion interne est qu'ils peuvent stocker de l'énergie sous forme d'essence, ce qui n'est pas pratique pour générer un travail utile (le mieux que nous puissions faire est l'un de ces moteurs avec une efficacité de 30 à 35%), mais est très pratique pour termes de densité d'énergie. Si vous avez déjà de l'électricité, qui est une forme d'énergie pratique, vous pouvez tout aussi bien l'utiliser directement.
Cort Ammon
@CortAmmon Et même si vous avez utilisé de l'essence pour conduire une voiture électrique, l'approche la plus raisonnable que nous avons maintenant est de loin d'avoir un ICE entraîné à un régime idéal (ce qui peut vous donner une efficacité considérablement plus élevée qu'un moteur / système de transmission typique) qui produit l'électricité qui entraîne le moteur électrique. Même alors, il est difficile de battre le poids (et le coût) supplémentaire requis pour le deuxième moteur et les batteries.
Luaan
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Bien que d'autres réponses fournissent de bonnes réponses concernant les pertes d'énergie, il y a une chose supplémentaire à considérer.

Comment diable envisagez-vous de chauffer l'air dans un minuscule cylindre à plusieurs kilowatts? Cela est nécessaire, car un moteur de voiture à quatre cylindres typique produit 100 kilowatts de puissance, et l'efficacité est probablement d'environ 33% dans le meilleur des cas (en supposant un moteur à cycle non Atkinson ici). Vous avez donc besoin de 300 kilowatts de chauffage électrique, dont la part d'un cylindre est de 75 kilowatts.

Pire, vous devez chauffer l'air à un moment précis (entre la course de compression et la course d'expansion). Pour une meilleure efficacité, le chauffage devrait être une période très momentanée entre ces deux courses, mais supposons maintenant que la course d'expansion entière peut être utilisée pour chauffer l'air. L'un des quatre coups signifie que la puissance momentanée doit être de 4 (nombre de coups) fois 75 kilowatts ou 300 kilowatts. Par cylindre!

Avez-vous vu des éléments chauffants électriques de 300 kilowatts? Si c'est le cas, vous vous rendez probablement compte qu'il n'y a aucun moyen de placer un tel élément chauffant à l'intérieur d'un cylindre de 86 mm de course x 86 mm d'alésage dans un moteur de 2 litres. Il faudrait en fait qu'il tienne dans un espace beaucoup plus petit, car si le taux de compression est de 10, seulement 8,6 mm environ sont disponibles dans le sens vertical.

Même mon chauffage intérieur électrique de 1900 W que j'utilise pendant l'hiver finlandais froid est beaucoup plus grand que 86 mm x 8,6 mm. Et cela ne représente que 1,9 kilowatts, bien moins de 300 kilowatts.

Il est à noter que le chauffage externe, c'est-à-dire le chauffage de l'air avant son passage au moteur, n'est pas possible. Dans ce cas, la pression de l'air augmenterait également pendant la course de compression, contrant l'augmentation de pression de la course d'expansion. Vous avez vraiment besoin que l'air soit froid pendant la course de compression et chaud pendant la course d'expansion. L'élément chauffant doit donc vraiment être interne au moteur.

juhist
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Bien que ce soit également un problème, il est beaucoup moins important que la question fondamentale de l'efficacité. Si vous ajustez un peu les chiffres, cela devient réellement possible - considérez qu'il existe des chauffe-eau à débit continu> 50 kW qui conviendraient bien au service du moteur d'une voiture. Maintenant, le chauffage de l'eau fonctionne toujours mieux que le chauffage de l'air, mais le chauffage de l' air comprimé à des températures très élevées permet des densités de puissance beaucoup plus élevées que le chauffage de l'air à la pression atmosphérique à des températures chaudes et sûres pour la maison, donc la comparaison avec les radiateurs intérieurs n'a pas de sens.
leftaroundabout
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"Comment diable comptez-vous chauffer l'air dans un minuscule cylindre à plusieurs kilowatts?" Je ne sais pas, mais je commencerais par mettre un générateur à essence à l'arrière de la voiture! :-D
David Richerby
@DavidRicherby Je préfère commencer par injecter de l'essence dans le cylindre et l'allumer avec une étincelle. Mais en fait, si nous ne parlons que d'électricité, vous avez un argument valable: les batteries ne peuvent pas correspondre à la densité d'énergie de l'essence.
juhist
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Comme vous le mentionnez, chauffer (uniformément) un coup sur quatre est extrêmement généreux; en pratique, la vitesse de chauffe maximale par cylindre est probablement de l'ordre de 1 à 10 mégawatts.
Nick T
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tl; dr
Les moteurs à combustion interne ne peuvent pas transformer toute la chaleur en travail mécanique. Et s'il y a une source de chaleur, pourquoi ne pas l'utiliser pour chauffer?

Tous les cycles thermiques, par exemple le cycle Carnot (idéal, le plus efficace), le cycle Otto (moteur essence idéalisé), le cycle Diesel (moteur diesel idéalisé), le cycle Clausius-Rankine (turbine à vapeur idéale), dissipe par définition une partie de la chaleur. Les moteurs réels transforment encore moins d'énergie en travail mécanique et plus d'énergie en chaleur.

Une partie de l'énergie mécanique est consommée par l'alternateur pour charger la batterie, alimenter les bougies d'allumage, l'ECU et tout autre système. Le reste est utilisé pour le mouvement réel.

Si nous utilisons uniquement des radiateurs électriques, nous évacuerons toute la chaleur du moteur et utiliserons une partie des travaux mécaniques pour chauffer la voiture. C'est un double gaspillage. Si nous utilisons le chauffage à air, nous avions une forte utilisation pour une partie de l'énergie gaspillée du moteur.

À titre d'exemple, comparez la consommation de carburant et l'expérience de conduite de la Skoda Fabia 1.2 HTP (honem to prodej [vendez-la dès que possible]) avec la stéréo, la climatisation et les sièges chauffants. Lorsque tous les systèmes sont allumés, la consommation est considérablement plus élevée et l'accélération est nettement pire - tout cela parce que plus de puissance est dirigée vers l'alternateur plutôt que vers les roues. Désactiver le courant alternatif est une tactique couramment utilisée lors d'une tentative de dépassement avec de telles voitures.

Le chauffage électrique indépendant et les sièges chauffants électriques sont utilisés en option pour un confort accru. Il faut moins d'une minute pour les chauffer quelle que soit la température ambiante, en revanche le réchauffement du moteur prend de quelques minutes à des dizaines de minutes par rapport à la température ambiante.

Remarque: si votre moteur surchauffe, il est recommandé d'activer le chauffage à fond - il redirigera une partie de la chaleur du radiateur défaillant / surchargé vers la cabine.

Crowley
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En fait, au lieu du chauffage par résistance électrique, vous pourriez en théorie utiliser une pompe à chaleur qui a> 100% d'efficacité. Le rendement> 100% d'une pompe à chaleur multiplié par le rendement <100% du moteur à combustion interne peut signifier que le rendement global est arbitrairement proche de 100%. Cependant, en pratique, la pompe à chaleur est encore plus ridicule que le chauffage par résistance. Comme je l'ai souligné dans ma réponse, les éléments chauffants doivent être très gros. Pompe à chaleur? Encore plus gros.
juhist
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Les pompes à chaleur @juhist ont besoin d'une puissance mécanique pour pomper la chaleur d'un radiateur plus froid vers un radiateur plus chaud. C'est pourquoi le réfrigérateur et la climatisation ont des compresseurs. Pourquoi utiliser la pompe à chaleur pour transférer l'énergie d'un moteur> 100 ° C à une cabine <30 ° C? La cellule Peltier fonctionne de façon similaire; le compresseur est remplacé par l'alternateur et le milieu gazeux par une charge électrique.
Crowley
@juhist Vous abordez la question de différents prisonniers de guerre. Vous discutez du chauffage électrique du gaz de travail - en remplaçant l'essence par l'électricité. :)
Crowley
Ah, oui, en effet. Je n'ai pas lu votre réponse assez attentivement.
juhist
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Les pompes à chaleur @juhist n'ont pas une efficacité> 100%. Vous pensez au coefficient de performance (COP), qui peut être un facteur de 3 ou 4. Mettez 100 watts dedans et vous pouvez déplacer la chaleur à un taux de 300 ou 400 watts. Cela ressemble à une unité! Mais non. La réalité est que, premièrement, le simple fait de déplacer la chaleur ne produit pas d'énergie nouvelle. Deuxièmement, la température de sortie de la pompe à chaleur ne sera pas très différente de la température ambiante. Cela réduit considérablement la quantité d'énergie que vous pourriez récupérer de la sortie (voir "Efficacité Carnot").
Jamie Hanrahan
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Le but d'un ICE est de convertir l'énergie chimique en mouvement. Pour ce faire, il allume du carburant non pas pour générer de la chaleur en soi, mais pour provoquer une expansion rapide des particules dans le cylindre, ce qui crée à son tour une pression et applique donc une force sur le piston. La chaleur est l'un des nombreux facteurs qui entrent en jeu dans cette expansion. Cependant, un certain nombre d'autres facteurs entrent en jeu dans les réactions chimiques impliquées dans la combustion. Ceux-ci ne pouvaient pas être simulés en chauffant simplement l'air rapidement avec de la chaleur électrique. Il s'avère que la conversion de l'énergie chimique en chaleur est également beaucoup plus facile à faire efficacement que la conversion de l'électricité en chaleur.

Michael Lay
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L'énergie chimique est utilisée pour libérer la chaleur. Et les particules se dilatent en changeant la température, c'est si je comprends bien la loi des gaz.
DeusIIXII
@DeusIIXII Je vois votre point. Sur des recherches légèrement plus poussées, il semble que l'expansion gazeuse impliquée soit plus complexe que je ne le pensais, et plusieurs facteurs entrent en jeu, le plus important étant (je pense) l'augmentation de la température entraînant une augmentation de la pression.
Michael Lay
Je suis avec toi. C'est plus complexe que ce que je pensais aussi. Je savais que ce serait un vaste sujet mais l'homme. Lol.
DeusIIXII
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@Michael - Veuillez modifier votre réponse en conséquence. Comme vous l'avez, votre réponse n'est pas correcte.
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
@DeusIIXII La terminologie devient rapidement délicate aussi. Dans de nombreux contextes, quand vous parlez de la chaleur, vous parlez vraiment de déchets chaleur - la partie qui ne peut pas être utilisé pour faire le travail. Mais ce n'est pas vraiment approprié lorsqu'il s'agit de moteurs thermiques, dont le seul but est d'extraire autant de travail que possible d'un différentiel de chaleur :) Mais notez que c'est exactement cette "compression" qui vous donne le rendement plutôt faible, pas la combustion d'essence . Pourquoi utiliseriez-vous un moteur thermique électrique (~ 30% d'efficacité) au lieu d'un moteur électrique (~ 90% d'efficacité)? Et les moteurs électriques sont légers et bon marché :)
Luaan
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Mais nous utilisons des systèmes électriques pour créer de la chaleur dans les moteurs à combustion interne. Ils sont appelés chauffe-blocs.

Comme le soulignent la plupart des commentaires et des publications, ce n'est pas la chaleur qui est convertie en énergie mécanique, c'est la force du carburant enflammé (la combustion) via les pistons. La chaleur est principalement de l'énergie gaspillée, qui est absorbée et transférée par le liquide de refroidissement.

Cependant, à des températures extrêmes, l'huile devient plus visqueuse, nécessitant plus d'énergie pour se déplacer. Cela peut entraîner des dommages au moteur lors d'une tentative de fonctionnement à froid ou l'incapacité de faire fonctionner le système. Les chauffe-blocs ont été conçus pour maintenir certaines parties du moteur plus près de leur température de fonctionnement idéale afin de faciliter le démarrage.

Donc, même si nous n'avons pas besoin d'électricité pour créer de la chaleur supplémentaire dans un moteur déjà en marche, nous l'utilisons pour garder les choses au chaud lorsqu'il est éteint.

Lâche anonyme
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Je ne sais pas comment votre référence à un chauffe-bloc répond à la question du PO?
Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2
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Les chauffe-blocs ne sont pas utilisés pour alimenter les roues, ils sont un système d'entretien ménager.
whatsisname
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Je ne sais pas ce que vous entendez par échauffement et travail, mais le chauffage électrique de la cabine avant Lancia Delta avant 86 est-ce à cela que vous faites référence?

Si vous voulez chauffer l'air introduit dans le moteur, c'est une mauvaise idée car l'air froid a la densité la plus élevée et donc le plus d'oxygène disponible pour la combustion.

Steve Matthews
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Concernant le deuxième paragraphe: C'est pourquoi les moteurs turbocompressés utilisent un refroidisseur intermédiaire entre le turbo et l'admission.
Crowley
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Première question - d'où tirez-vous l'électricité? L'électricité que nous utilisons provient d'autres sources hydroélectriques, géothermiques, etc. Combinée à des pertes de conversion, l'utilisation d'autres combustibles qui sont du charbon directement disponible, etc., pour fournir de la chaleur a été efficace. Maintenant, avec le réchauffement climatique, nous nous éloignons vers les énergies renouvelables ...

Solar Mike
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Um non. Même avec les pertes de conversion, l'énergie électrique est plus efficace qu'une ICE. Le problème qui a entravé l'adoption des voitures électriques a été le manque de capacité / autonomie de la batterie.
Hobbes
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La chaleur est une forme d'énergie, mais par rapport à l'électricité, elle est plus paresseuse. Il est difficile d'en retirer du travail. Donc, si vous aviez une source d'électricité, vous feriez bien mieux de l'utiliser dans un moteur électrique, avec une efficacité de 99%, que de l'utiliser pour chauffer quelque chose, puis extraire le travail de la chaleur avec peut-être 30% d'efficacité par une très bonne journée .

Et je n'ai même pas mentionné la constante de Boltzmann!

phuncteur
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