時速60マイルの車がその速度を維持するために（つまり、転がり抵抗と抗力を克服するために）およそ20 hpを必要とするとします。

この車が240馬力を作り、約34 mpgを取得する場合（非現実的ではない）、エンジンの効率が0.05である場合、34 mpgを取得するにはどうすればよいですか？カーノ氏のおかげで、現代の自動車には25〜30％近くの効率限界があるとわかっています。

ここ から表。

ギアリングは答えの一部である必要があるように感じますが、ギアリングによってエンジンが20 hpを生成できる方法を理解するのに苦労しています。

多分私は、エンジンの負荷が参照しているものを正確に取得していませんか？

熱力学的効率と燃費

内燃エネルギーの25-30％の効率を引用すると、エンジンの熱力学的効率について話していることになります。これは、理論的なレベルでは、温度差に基づいています。燃料とは直接関係ありません。

ガロンあたり 34 マイルの燃費を引用すると、他の要因、たとえば燃料のエネルギー密度などに大きく依存する何かについて話していることになります。1ガロンのガソリンにはどれくらいの抽出可能なエネルギーがありますか？ガロンの反物質はどうですか？チョコレートミルクのガロンですか？

多くのエンジンは、熱力学的効率を大幅に変更することなく、さまざまなエネルギー密度のさまざまな燃料または混合燃料を受け入れることができます。たとえば、エタノールはガソリンとブレンドされますが、エネルギー密度はガソリンよりも約30％低くなります。1ガロンは他のガロンと等しくありません。

エンジンを特定の熱力学的効率で運転するということは、温度差があることを意味します。その温度差を維持するには、一定の速度でエネルギーを追加する必要があります。燃料のエネルギー密度が低い場合に同じ熱力学的効率を得ることは、燃料供給率（または）を増加させて、エネルギー供給率（）が同じになるようにすることを意味します。これは、エンジンが異なる燃料をどのように燃焼するかについてのさまざまなニュアンスを無視しますが、一般的に言えば、熱力学的効率と燃費との間には直接的な関係はありません。˙ M Q I $Q$$\dot{m}$$q_{in}$

エンジン搭載の意義

ギアリングは答えの一部である必要があるように感じますが、ギアリングによってエンジンが20 hpを生成できる方法を理解するのに苦労しています。

多分私は、エンジンの負荷が参照しているものを正確に取得していませんか？

車が加速していないときは、エンジンの負荷は、エンジンの動きに抗して作用している力から発生します。内部摩擦（ピストン、クランクシャフト、トランスミッションなど）、外部摩擦（路面のタイヤ）、抗力、重力（上り坂の場合）。「負荷」とは、車がある程度の速度と加速を得るのに必要なエンジンのパワーを意味します。

あなたが指摘するように、車両が高速道路を巡航しているとき、それは速度を維持するためにその利用可能な総出力のわずかな割合しか必要としません。私たちが本当に高速で話している、および/または例外的に車の驚異的な驚異を話しているのでない限り、高速道路でのクルージングは​​単に高負荷の状況ではありません。あなたの混乱は、高速道路でのクルージングの方が加速時よりも燃費が良くなるという事実から来ているようです。

認識すべき重要なことは、燃費が向上するということは、燃費には他にも多くの要因があるため、エンジンがより高い熱力学的効率で動作していることを意味しないということです。カルノーサイクルの熱力学的効率は、それらの要因の1つにすぎません。別の要因は、燃焼反応の効率です（技術的にはカルノーサイクルの一部ではありません）。もう1つは、車両を加速するために使用される電力（有用な作業）と、摩擦、抗力、および伝導（廃熱、）によって失われる電力です。$q_{out}$

燃費の計算

次の関係を検討してください。エンジンの負荷はどこから来るのですか？

理想的な状況では、車両に抵抗がなく、内部および外部の摩擦が最小限であり、水平面で走行しているため、速度を維持するために必要な動力は実質的にゼロです。これは、（加速していないときの）エンジンの負荷も実質的にゼロであることを意味します。この時点ではカルノー効率は関係ありませんが、非常に低くなります。ただし、分子にがあり、分母にほぼゼロのがあるため、燃費は非常に大きくなります。$v$$Q$

反対の状況を示すのはさらに簡単です。あなたは自分の車で家でそれを行うことができます。トランスミッションをニュートラルにしてアクセルを踏み込むだけです。（実際にはこれを行わないでください。）クランクシャフトから地獄を加速する瞬間の高負荷シナリオですが、なので、燃費はゼロです。$v = 0$

現実的なシナリオはより複雑ですが、簡単に言えば、エンジンのシリンダーで発生する燃焼反応は、非常に高い加速（つまり、最大負荷に近い）の期間中は効率がはるかに低くなります。より多くの燃料が燃焼せずにエンジンを通過するか、部分的にしか燃焼しません。つまり、同じガロンの燃料からあまり多くのエネルギーを抽出できませんでした。あなたはまだどこかに行っており、負荷がかかっているため、エンジンはより高い熱力学的効率で動作していますが、燃費の面では、燃焼効率が低下することでその利益は減少します。燃焼効率が非常に低い場合でも、そのコストが高負荷の利点を完全に上回る可能性があります。（これは、車両のメンテナンスが非常に不十分である場合に予想される可能性があります。実際には、車両の年齢、そのコントロールユニットの品質、加速しているギアに大きく依存しているため、正確な予測は困難です。一般的なシナリオの場合。）

もう一つ述べておきたいのは、あなたは自分の力がどこに向かっているのかを考えなければならないということです。「エンジンの高負荷」とは、エンジンが生成できる能力の多くが要求されていることを意味します。それはどこに力が行くのかを教えてくれません。速度の2乗で増加する抗力と戦う場合、それは無駄な電力と無駄な燃料です。非常に効率的に提供できますが、それが車両の速度*に追加されない場合、それは燃費に貢献していません。エンジンの周りにシステム境界を描き、車の目的を無視した場合にのみ、効率的に見えます。

*技術的には高度も考慮する必要がありますが、燃費は通常、水平経路距離で計算されます。標高の変化による利得と損失は、全体的に相殺されると想定されるか、ある程度の粗い補正係数で考慮されます。

質問のプロットは、質問されている状況には適用されません。自動車のエンジンの出力容量は、RPMを変更することと、インテーク内の気流を絞ることの両方によって、運転中に動的に変更されます。

自動車エンジンのピーク効率は中程度であり、高負荷と低負荷の両方で非効率です。負荷が10％の場合、効率はピーク時の半分よりも優れています。

しかし、それでは、34mpgで10％の効率が得られているとしましょう。そこに矛盾はありません。なんとかして100％の効率を達成できれば、その負荷シナリオで340mpgが得られるということです。

ガソリンエンジンは、低負荷での効率が非常に低いです。34mpgの効率は、低負荷では見積もられていません。

最大走行距離が発生する理想的な速度があります...負荷が増加するとエンジン効率は向上しますが、空気抵抗損失は速度の2乗で増加します。

低負荷で効率的に貧しい人々のための2つの主な理由があります：

1. 低負荷では、行われた作業のかなりの割合がエンジンの摩擦を克服するために使用されます。
2. 低負荷では、実効圧縮比が非常に低くなり、その結果、効率が非常に低くなります。

エンジンによって生成される動力は、角速度とその角速度で利用可能なトルクの積です。ギアボックスの機能は、エンジン速度を道路速度に合わせるだけです。

都市の走行距離は、主に運動エネルギーを熱として放散する連続ブレーキ、および信号機や一時停止の標識でのアイドリングにより、高速道路の走行距離よりも低くなっています。

私はそれが古い糸であることを知っていますが、私はそれに刺すのを我慢できません。特に、他の回答に悪い情報や無関係な情報が非常に多い場合。

1. 熱効率と燃費は関連しています。ただし、他にも考慮すべき要素があります。

   燃料エネルギー密度は要因です。ガソリンエンジンの場合、それは約44.5 HP時間です（mpgはしばらくの間発生し、トルクは瞬間的であるため、変換に5252を掛けてRPMで割るだけで問題が発生する場合は、HPを使用します。どの測定エンジンについての議論にも関わらず、 「より良い」出力、それらは代数的に直接関連しています）、20 HPを使用して1ガロンの燃料を燃焼すると、20 / 44.5 = 44.9％のNET熱効率が得られます。60 MPHでこれを行うことができれば、60/1 = 60 MPG（MPH / GPH）になります。

2. 上記の例では、34 MPGで10％の効率を使用しています。計算を簡単にするために、60 MPHを想定します。10％x44.5 = 4.45ガロンあたりのHP時間。60 MPHで34 MPGを達成するには、60/34 = 1.765ガロン/時のガソリン（MPH / MPG = GPH）が必要です。1.765ガロンのガソリンから4.45 HPを抽出する場合、合計7.85 HPを使用します。現実の世界では、100％効率のガソリンエンジン搭載車から340 MPGを取得することはできません（100％効率のエンジンでは不可能と認められているとしても）。 8 HP！燃費がさらに向上する車両もありますが、路上走行に適した車はなく、エンジンは確実に10％をはるかに上回ります。結論として、数字は関連しており、乱数をペアにすることはできません。
3. 高速道路の速度が低い場合（ここでも、計算を簡単にするために60 MPHを使用するのが好きです）、ほとんどの最新のエンジンは約15％から18％TEで動作し（多少のばらつきがあります）、ほとんどの最新のセダンは約15から20 BHPを必要としますフライホイール。これは、ほとんどの中型のセダンが20〜32 MPG（TE x 44.5 xガロン= HP時間：15 /（。18x44.5）= 1.87ガロン。および20 /（。15x44.5）= 3.00ガロン）を取得することを意味します。 ; 60 / 1.87 = 32.0 MPG および60 / 3.00 = 20.0 MPG）。
4. メーカーがエンジンをダウンサイジングする理由は、小さいエンジンは同じ出力でより高い効率で動作する傾向があるためです。上記の計算よりも燃費が良い車は、通常 2.0リットル未満のエンジンを搭載しています。

示されているグラフは、エンジンのみの熱効率に関するものであり、移動する車を完全なシステムとは見なしておらず、縦軸はパーセント効率ではなく比率としてラベル付けされているため、0.2グラフは20％に相当します

ドラッグ力は速度の2乗で増加する傾向があるため、自動車全体では、エンジン負荷は速度に依存しません。

ICエンジンが低負荷で効率が低い主な理由は、生成される電力に関係なく、多くのエネルギー損失がかなり一定であるためです。これらには、空気誘導、燃料、冷却剤、潤滑剤のポンプ、電気システムへの電力供給などに必要な電力が含まれます。したがって、より低い出力では、これらの損失はエンジンによって生成される全体的な出力のはるかに大きな割合を表します。たとえば、エンジンのすべての付属部品に1 kWの一定の要件があるとします。エンジンが1 kWの出力を生成している場合、これらの損失は生成されている総出力の半分ですが、エンジンが50 kWを生成している場合は、合計の2％にすぎません。

より大きな出力を持つより大きなエンジンでは、これらの（ほぼ）一定の損失は、より小さな容量のエンジンよりも大きくなる傾向があります。

また、エンジンの効率はmpgに直接関係しません。重い車の効率的なエンジンは、軽い車の比較的非効率的なエンジンよりも燃料消費量が多い可能性があります。言い換えると、mpgは特定の距離を移動するために必要なエネルギー量に関連しますが、効率はそのエネルギーのどれだけが浪費されるかを測定します。

図の「負荷」は、エンジンによって生成されたトルクです。テストの目的で、調整可能な負荷（例えば、発電機と抵抗器のバンク）に接続されます。生成されるパワーは、このトルクに角速度（RPM）を掛けたものです。すべてのエンジンは、可動部品（特にバルブとコネクティングロッド）の加速力により、RPMに実際的な制限があるため、出力は負荷とRPMの両方の関数です。

言い換えれば、25％の負荷はピーク電力の25％と同じではありません。

たとえを言えば、DC電気モーターの場合、効率は最大定格電力を下回るポイントで最高になります。

損失メカニズムは、高速回転による摩擦と、トルクに依存しないパラメーターとしての磁気コア損失（鉄合金を流れる電流）です。磁気損失がなければ、効率はトルク= 0で最大になります。自分のモーターの損失メカニズムを理解し、同じタイプの曲線が当てはまるかどうかを確認してください。

あなたの質問
を言い換えると：1.車は時速60マイルで34mpgを消費してどのくらいのエネルギーを消費しますか？
2.一定の速度を維持するために20hpを必要とする場合、その効率はどのくらいですか？

SI単位では：
カー26.8メートル/秒でやっ14.4キロ/ Lは14.9kW必要と

経験的データを：
ガソリン* HHV約47MJ /キログラム
*ガソリンの密度は約0.74キロ/ L
=>〜35MJ / L

計算：
PowerIn =（35MJ / L）*（26.8m / s）/（14km / L）
=（35kJ）*（26.8 / s）/（14）、NB：MJ = kkJ
= 67kJ / s
= 67kW
効率= 14.9 / 67
= 22.2％

NB1：引用されている240hpは最大出力電力です。

NB2：図の％負荷は、その特定の速度での最大電力を指します。これは、スロットルの位置、バルブタイミング、およびマニホールドの共振特性に依存する、エンジンの体積効率にほぼ比例します。

そのチャートは疑わしいです。それが取得されたWebページを見ると、そのページの作成者が、「負荷」、「電力」、「トルク」など、彼が使用している基本的な用語を理解していないことは明らかです。 「負荷」を「トルク」と解釈すれば正しくなります。トルクが増加し、スピンが減少するとエンジン効率が向上することがよく知られています（したがって、「オーバードライブ」があります）。

要約すると、エンジン効率は降順で次のように決定されます。

1. 熱力学： 熱力学第二法則（熱機関）。高温の貯水池からある量の熱QHを抽出し、それをすべて作業Wに使用することは不可能です。ある程度の熱QCを冷たい貯水池に排出する必要があります。これは完全な熱機関を排除します。
2. 燃料のエネルギー含有量：燃料 の特定のエネルギー含有量は、特定の量（ガロン、リットル、キログラムなど）が燃焼したときに得られる熱エネルギーです。それは時々燃焼熱と呼ばれます。その理論値は、一定の温度と圧力（等温、等圧）で熱力学システムから得られる「有用性」またはプロセス開始作業を測定する熱力学ポテンシャルであるギブスの自由エネルギーから決定されます（特定のエンジンの関数で） 。
3. 特定の内燃機関の効率：現代の内燃機関の効率は、主に空燃比、圧縮比、バルブ制御システム、エンジン温度管理によって決定され、主にセンサー（空気量、温度）で構成される閉ループ制御システムによって処理されます、ラムダセンサー）をマイクロコンピュータに接続します。、これらの一緒にギアボックスは、最適なエンジン性能を決定する特定に位置スロットル、かご負荷と傾き（抗力係数とタイヤサイズ も考慮する必要があります。）