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Comment la température ambiante affecte-t-elle l'efficacité du moteur et la consommation de carburant ?
Question
Je me souviens de mon cours de physique que le moteur Carnot à gaz idéal est plus efficace si la différence de température entre la source de chaleur et le thermostat ("récipient de chaleur") est plus grande (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html).
Et j'ai toujours pensé que cela POURRAIT s'appliquer aux moteurs réels, donc je dois admettre que je m'attendais à une consommation de carburant inférieure en hiver. Hélas, je n'ai pas encore expérimenté le pouvoir économique d'un gel hivernal.
Mais peut-être que mes mesures étaient erronées, et les moteurs à combustion sont en effet plus efficaces si l'excès de chaleur est rayonné plus facilement ?
< p>PS : Je sais qu'un moteur froid signifie aussi une huile plus visqueuse/épaisses. J'ai donc remarqué une perte significative d'efficacité (puissance, vraiment) juste après le démarrage de mon moteur. Mais je suis plus intéressé par une situation stationnaire, lorsque le moteur est chaud et prêt.Réponse acceptée
tl;dr : La température de l'air ambiant ne devrait généralement pas interférer avec l'efficacité du moteur ou la consommation de carburant, mais affectera la puissance globale.
Ne pas confondre l'efficacité< /strong> avec puissance de sortie. Ce sont deux choses distinctes. Lorsque votre charge d'admission est plus dense, vous pouvez y jeter plus de carburant et créer plus de puissance. (REMARQUE : l'idée pour le système de gestion du moteur est de maintenir un rapport air/carburant (également appelé stoechiométrique ou "stoïque" en abrégé). Il s'agit du mélange dit "parfait" d'air et de carburant où tout le carburant est brûlé sans qu'il ne reste d'oxygène supplémentaire par la suite. Malheureusement, le mélange stoïque n'est généralement pas obtenu. Cela est dû à deux problèmes qui se posent, tous deux liés à la quantité de chaleur qui est créée pendant le processus de combustion. Premièrement, la combustion plus chaude peut provoquer une détonation. Deuxièmement, au-dessus d'une combustion température d'environ 1700 degF, l'azote dans l'air qui est introduit dans le moteur (avec l'oxygène - l'air contient ~78% d'azote et ~20% d'oxygène) et brûle.Cela crée du NO2 ou du dioxyde d'azote.C'est un polluant atmosphérique majeur et était la principale cause des pluies acides dont on a parlé en Californie dans les années 70. Il est également très mauvais pour nous de respirer - toxique en fait.)
Le revers de la médaille est l'efficacité, qui, dans le contexte des moteurs, signifie obtenir plus de puissance utilisable à partir de la même quantité de carburant. De grands progrès ont été réalisés au cours des deux dernières décennies vers l'efficacité des moteurs. L'une des façons dont ils y sont parvenus est la turbocompression. En termes simples, la turbocompression est un moyen d'utiliser l'énergie thermique autrement rejetée dans le processus d'échappement. Le turbo est capable d'augmenter la charge d'air en utilisant la pression créée par les gaz d'échappement, ce qui permet à l'ordinateur de jeter plus de carburant à la charge d'admission, produisant ainsi plus de puissance. Cela pourrait conduire à une très grande discussion "autre", donc je vais en rester là. Inutile de dire que la puissance est produite plus efficacement par cette méthode que par l'aspiration normale et ainsi le moteur peut produire plus de puissance avec moins de carburant.
Une autre façon d'améliorer l'efficacité du moteur consiste à augmenter le taux de compression (CR) du moteur. Une règle générale pour le CR est que pour chaque point de CR ajouté, votre puissance de sortie augmentera d'environ 3%. Si vous augmentez la puissance de sortie sans ajouter plus de carburant, cela augmente l'efficacité.
Une charge d'air plus froide entrant dans le moteur sera plus dense et contiendra plus d'oxygène que son homologue plus chaude. Vous utilisez toujours plus de carburant pour créer plus de puissance, il n'y a donc pas d'avantage d'efficacité supplémentaire.
Bien que vous ayez suggéré de ne pas inclure un démarrage à froid, il y a une raison pour laquelle vous ne verrez pas une meilleure consommation de carburant pendant cette période. La raison en est que l'ordinateur jette en fait plus de carburant dans le mélange pour assurer une stabilité accrue du moteur (aide à le maintenir en douceur - comme un starter le ferait sur un moteur à carburateur) et pour aider le convertisseur catalytique à se réchauffer plus rapidement, ce qui l'aide à atteindre son efficacité maximale plus rapidement.
En fait, les moteurs à combustion peuvent être un peu plus efficaces s'ils peuvent utiliser la chaleur au lieu de la rayonner il. N'oubliez pas que la chaleur rayonnée est de l'énergie perdue. Si vous pouvez utiliser la chaleur pour produire plus de puissance ou créer la même puissance plus efficacement, vous êtes tout simplement mieux ensemble.
Ce dont je parle est un concept qu'un gars du nom de Henry "Smokey" Yunick avait maîtrisé au début des années 80. Il est parti d'une idée que Ralph Johnson a eue au début des années 50 alors que Ralph travaillait chez GM. L'idée d'un moteur à air chaud dans lequel l'air est chauffé à environ 400 degF et homogénéisé (très bien mélangé) à un point où il n'aurait pas de détonation. Vous pouvez lire l'article, mais la raison pour laquelle il n'est pas présent dans les véhicules aujourd'hui est double. Tout d'abord, ils ont essayé d'en faire un kit à boulonner, mais n'ont pas pu le faire car cela nécessitait des pièces améliorées pour les pistons et les segments, ce qui n'est en fait pas tellement un kit "à boulonner" et en fait un beaucoup plus cher que les prix cibles qu'ils visaient. Deuxièmement, Smokey est malheureusement décédé il y a quelque temps. Beaucoup trop de ses secrets sont morts avec lui alors qu'il gardait les détails dans sa tête. C'est vraiment triste, car il a fait un travail vraiment IMPRESSIONNANT et a eu des inventions et des idées révolutionnaires qui sont mortes avec lui.
Le moteur à air chaud va à l'encontre de la pensée commune sur le froid induction d'air et votre question. La sagesse commune déclare que plus l'air entrant dans le moteur est froid, meilleur est le rendement. Et c'est fondamentalement vrai avec (ce que nous considérons aujourd'hui) des moteurs normaux (le moteur à air chaud de Smokey étant une valeur aberrante).
Réponse populaire
La baisse du "côté froid" du cycle de Carnot conduit à une meilleure efficacité théorique, certes, mais avez-vous calculé combien ? Un apport plus froid de 10 à 20 K avec la même température de combustion de 1 000 K affecte le rendement final de 1 %. Et ce rendement est de 70 % dans tous les cas, donc on devine qu'il y a tellement plus de paramètres abaissant le rendement final à 25 %, que le Carnot a peu de pertinence dans une voiture.
Et dans tous les cas , le moteur doit être repensé pour utiliser ce "côté froid" inférieur si vous voulez la même température de combustion, car si vous abaissez simplement l'air d'admission dans un moteur normal, vous finissez par abaisser du même montant également le "côté chaud" côté "température", réduisant encore plus le gain d'efficacité.
En hiver, les voitures consomment plus de carburant car l'air est plus dense et vous devez le repousser, les pneus ont une friction plus importante et vous devez les pousser plus fort, l'huile dans la transmission devient plus épaisse et provoque plus de pertes, vous utilisez le chauffage et les autres fonctionnalités qui utilisent de l'énergie (qui vient du carburant bien sûr, vous avez moins pour déplacer la voiture), le carburant est différent en premier lieu pour améliorer la combustion dans températures froides (cela signifie qu'il est modifié pour mieux brûler, mais qu'il contient moins d'énergie, vous en avez donc besoin de plus), un et ainsi de suite.
Vous pouvez avoir une économie de carburant jusqu'à 50 % moins bonne en hiver, voire 100 % pire dans des situations spécifiques (cela signifie que la consommation de carburant double).
À titre d'exemple des causes de l'augmentation de la consommation de carburant : https://www.fueleconomy.gov/feg/coldweather.shtml
Edit
Au fait, mon erreur : l'efficacité maximale de 1-(T_low / T_high)) s'applique à Carnot, mais le moteur Otto a une efficacité maximale différente, voir https://physics.stackexchange.com/questions/168912/ carnot-vs-otto
Cela signifie également que le moteur est déjà bien plus proche de l'efficacité théorique qu'il ne l'est souvent.