¿Por qué no se utilizan formas eléctricas de calefacción en motores de combustión interna?

Dado que todo el trabajo de un motor de combustión interna (ICE) es convertir el calor en energía mecánica, ¿por qué los métodos de calefacción eléctrica no son más populares? Sé que debe haber una razón. No estoy hablando de autos eléctricos ni nada, sino de usar electricidad para calentar y trabajar.

Porque no sería muy eficiente.

La principal ventaja de los motores de combustión interna es que la densidad de energía de sus combustibles (gasolina, diesel) es muy buena. Puede recorrer un largo camino en un tanque relativamente pequeño y ligero. El inconveniente de ellos es que no son muy eficientes. La mayor parte de la energía en el combustible se pierde por fricción y calor, y solo una porción muy pequeña (<35%) en realidad se convierte en movimiento mecánico.

Los vehículos eléctricos son geniales porque son increíblemente eficientes. El combustible que usan (baterías) no es tan compacto y liviano como la gasolina o el diesel por la cantidad de energía que almacenan, pero un motor eléctrico puede convertir el 90% + de esa energía en movimiento mecánico.

Usar electricidad para calentar aire y hacer funcionar un motor basado en el cambio de presión combinaría los peores aspectos de ambos sistemas.

Aunque otras respuestas brindan buenas respuestas relacionadas con las pérdidas de energía, hay algo más que considerar.

¿Cómo planeas calentar el aire en un pequeño cilindro a muchos kilovatios? Esto es necesario, porque un motor de automóvil de cuatro cilindros típico produce 100 kilovatios de potencia, y la eficiencia es probablemente de alrededor del 33% en el mejor de los casos (suponiendo que aquí no haya un motor de ciclo de Atkinson). Por lo tanto, necesita 300 kilovatios de calefacción eléctrica, de los cuales la parte de un cilindro es de 75 kilovatios.

Peor aún, debe calentar el aire en un momento específico (entre la carrera de compresión y la carrera de expansión). Para una mejor eficiencia, el calentamiento debe ser un período muy momentáneo entre estos dos golpes, pero supongamos ahora que se puede usar todo el golpe de expansión para calentar el aire. Uno de los cuatro golpes significa que la potencia momentánea debe ser 4 (número de golpes) multiplicado por 75 kilovatios o 300 kilovatios. Por cilindro!

¿Has visto elementos calefactores eléctricos de 300 kilovatios? Si es así, probablemente se dé cuenta de que no hay forma de colocar un elemento de calentamiento dentro de un cilindro de 86 mm de carrera x 86 mm en un motor de 2 litros. En realidad, tendría que caber en un espacio mucho más pequeño, porque si la relación de compresión es 10, solo hay unos 8,6 mm disponibles en dirección vertical.

Incluso mi calentador eléctrico interior de 1900 W que utilizo durante el frío invierno finlandés es mucho más grande que 86 mm x 8,6 mm. Y eso es solo 1.9 kilovatios, mucho menos de 300 kilovatios.

Tenga en cuenta que no es posible tener el calentador externamente, es decir, calentar el aire antes de que pase al motor. En este caso, la presión del aire también aumentaría en la carrera de compresión, contrarrestando el aumento de presión de la carrera de expansión. Realmente necesita que el aire esté frío durante la carrera de compresión y caliente durante la carrera de expansión. Por lo tanto, el elemento calefactor realmente tiene que ser interno al motor.

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Los motores de combustión interna no pueden convertir todo el calor en trabajo mecánico. Y si hay una fuente de calor, ¿por qué no usarla para calentar?

Todos los ciclos térmicos, por ejemplo, el ciclo de Carnot (ideal, el más efectivo), el ciclo de Otto (motor de gasolina idealizado), el ciclo de diesel (motor de diesel idealizado), el ciclo de Clausius-Rankine (turbina de vapor ideal), disipa una parte del calor por definición. Los motores reales convierten aún menos energía en trabajo mecánico y más energía al calor.

El alternador consume parte de la energía mecánica para cargar la batería, alimentar las bujías, la ECU y otros sistemas. El resto se usa para el movimiento real.

Si solo usamos calentadores eléctricos, volcaremos todo el calor del motor y utilizaremos parte del trabajo mecánico para calentar el automóvil. Es doble desperdicio. Si usamos la calefacción de aire, usamos foud para parte de la energía desperdiciada del motor.

Como ejemplo, compare el consumo de combustible y la experiencia de manejo del Skoda Fabia 1.2 HTP (honem to prodej [venderlo lo antes posible]) con estéreo, aire acondicionado y calentadores de asiento. Cuando todos los sistemas están encendidos, el consumo es significativamente mayor y la aceleración es significativamente peor, todo porque más potencia se dirige al alternador en lugar de a las ruedas. Apagar el aire acondicionado es una táctica comúnmente utilizada cuando se intenta adelantar con tales autos.

La calefacción eléctrica independiente y los calentadores eléctricos de los asientos se utilizan como extra opcional para una mayor comodidad. Tarda menos de un minuto en calentarlos, independientemente de la temperatura ambiente, por otro lado, el calentamiento del motor tarda de minutos a decenas de minutos con respecto a la temperatura ambiente.

Nota al margen, si su motor se está sobrecalentando, se recomienda encender la calefacción por completo; redirigirá parte del calor de un radiador defectuoso / sobrecargado a la cabina.

El propósito de un ICE es convertir la energía química en movimiento. Lo hace al encender el combustible, no para generar calor per se sino para causar una rápida expansión de partículas en el cilindro, lo que a su vez crea presión y, por lo tanto, aplica fuerza sobre el pistón. El calor es uno de los muchos factores que entran en juego en esa expansión. Sin embargo, una serie de otros factores entran en juego en las reacciones químicas involucradas en la combustión. Estos no podrían simularse simplemente calentando el aire rápidamente con calor eléctrico. La conversión de energía química en calor también es mucho más fácil de hacer eficientemente que convertir la electricidad en calor.

Pero sí utilizamos sistemas eléctricos para generar calor en los motores de combustión interna. Se llaman calentadores de bloque.

Como la mayoría de los comentarios y publicaciones señalan, no es el calor lo que se convierte en energía mecánica, es la fuerza del combustible encendido (la combustión) a través de los pistones. El calor es principalmente energía desperdiciada, que es absorbida y transferida por el refrigerante.

Sin embargo, a temperaturas extremas, el petróleo se vuelve más viscoso y requiere más energía para moverse. Esto puede provocar daños en el motor cuando se trata de funcionar en frío, o la imposibilidad de ejecutar el sistema. Los calentadores de bloque fueron diseñados para mantener ciertas partes del motor más cerca de su temperatura de funcionamiento ideal para facilitar el arranque.

Entonces, aunque no necesitamos electricidad para crear calor adicional en un motor que ya está funcionando, lo usamos para mantener las cosas calientes cuando está apagado.

No sé a qué te refieres con calentar y hacer trabajo, pero el Lancia Delta pre-86 presentaba calefacción de cabina eléctrica, ¿a eso te refieres?

Si quiere calentar el aire inducido en el motor, esta es una mala idea porque el aire frío tiene la mayor densidad y, por lo tanto, la mayor cantidad de oxígeno disponible para la combustión.

Primera pregunta: ¿de dónde obtiene la electricidad? La electricidad que usamos proviene de otras fuentes hidroeléctricas, geotérmicas, etc. Combinada con pérdidas de conversión significa que el uso de otros combustibles que están directamente disponibles, carbón, etc. para proporcionar calor ha sido efectivo. Ahora, con el calentamiento global, nos estamos alejando hacia las energías renovables ...

El calor es una forma de energía, pero en comparación con la electricidad es más vago. Es difícil sacar trabajo de eso. Entonces, si tuviera una fuente de electricidad, sería mucho mejor usarla en un motor eléctrico, con un 99% de eficiencia, que usarla para calentar algo y luego extraer el trabajo del calor con tal vez un 30% de eficiencia en un día realmente bueno .

¡Y ni siquiera mencioné la constante de Boltzmann!