为何内燃机中不使用电加热形式

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由于内燃机（ICE）的全部工作都是将热量转化为机械能，所以为什么电加热方法不流行呢？我知道一定有原因。我不是在谈论电动汽车或其他任何东西，而是在用电加热和工作。

engine-theory

— 毁灭战士II
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活塞发动机将化学爆炸转化为旋转，热量很大程度上是不需要的副产物。与电动马达（阿拉斯拉/普锐斯等）相比，将电热转换为运动的效率低下

— John U

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该问题的前提是否正确，还是对该问题的编辑导致对OP的意图的误解？ICE的工作不是将热量转化为机械能。OP可能会问为什么整体上更多的发动机中不使用电加热（错误地将其称为ICE），并且不一定专门指内燃。这将导致问题的答案完全不同。

— Keeta-恢复莫妮卡

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看到这就是为什么我很困惑。在我的研究中，我经常听到内燃机是将热量转化为运动的热力发动机。现在你的说法不是。可能这些东西令人困惑。

— DeusIIXII

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@immibis ICE无疑是热机，但总体工作是将化学能（通过热能）转化为机械能。

— 克里斯H，

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Deus，我认为您真的对ICE的工作方式感到困惑。John U的评论是我所见过的唯一合理答案。从技术上讲，对于汽油发动机，电加热非常流行-火花塞圆弧周围产生的极高热量用于点燃爆炸性混合燃料和世界上每一个汽油发动机都使用电加热。但是，将活塞向下推动的炽热，膨胀，爆炸的气体是化学反应的副产品，而不是电子反应的副产品。仅使用大火花就无法轻松实现相同版本的无汽油版本

— Caius Jard

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因为它不是很有效。

内燃机的主要优点是其燃料（汽油，柴油）的能量密度非常好。您可以在相对较小的轻型坦克上走很长一段路。它们的缺点是效率不是很高。燃料中的大部分能量都因摩擦和热量而损失，实际上只有很小一部分（<35％）转变为机械运动。

电动汽车之所以出色，是因为它们的效率令人难以置信。他们使用的燃料（电池）在能量存储方面远不及汽油或柴油那么轻巧，但是电动机可以将90％以上的能量转化为机械运动。

使用电力加热空气并根据压力变化运行发动机将结合这两个系统的最坏方面。

— 雷多威
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这是关键。是的，您可以使用电力加热活塞中的空气以推动汽车前进。但是，与使用相同的电力直接为电动机提供动力相比，其效率将大大降低。内燃发动机的优势在于它们可以以汽油的形式存储动力，这不方便进行有用的工作（我们所能做的最好的就是这些发动机之一，效率为30-35％），但是在使用中非常方便能量密度如果您已经有电，这是一种方便的能源，那么不妨直接使用它。

— Cort Ammon

@CortAmmon即使您使用汽油驱动电动汽车，到目前为止，我们目前最合理的方法是使ICE以理想的RPM驱动（与传统的发动机/变速箱系统相比，它可以为您提供更高的效率），从而产生驱动电动引擎的电力。即使这样，也很难击败第二台发动机和电池所需的额外重量（和成本）。

— a安

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尽管其他答案可以很好地解决与能量损失有关的问题，但还有其他事情要考虑。

您打算如何在一个小千瓦的小圆筒中加热空气？这是必需的，因为典型的四缸汽车发动机会产生100千瓦的功率，而在最佳情况下，效率可能约为33％（假设此处为非阿特金森循环发动机）。因此，您需要300千瓦的电加热，其中一个圆筒的份额为75千瓦。

更糟糕的是，您需要在特定时间（压缩冲程和膨胀冲程之间）加热空气。为了获得最佳效率，加热应该在这两个冲程之间非常短暂的时间，但是现在让我们假设整个膨胀冲程都可以用来加热空气。四个冲程之一意味着瞬时功率需要是75千瓦或300千瓦乘以4（冲程数）。每缸！

您看过300千瓦的电加热元件吗？如果有的话，您可能会意识到无法将这种加热元件放入2升发动机的86毫米行程x 86毫米缸径气缸内。实际上，它需要安装在更小的空间中，因为如果压缩比为10，则在垂直方向上只有大约8.6mm可用。

即使是我在芬兰寒冷的冬天使用的1900W电室内加热器，也远大于86毫米x 8.6毫米。而且只有1.9千瓦，远远少于300千瓦。

请注意，无法在外部设置加热器，即在空气通过发动机之前先对其进行加热。在这种情况下，空气的压力也会在压缩冲程中上升，从而抵消了膨胀冲程的压力上升。您确实需要压缩冲程中的空气是冷的，膨胀冲程中的空气是热的。因此加热元件确实必须在发动机内部。

— 法学家
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尽管这也是一个问题，但是它比基本效率问题重要得多。如果您稍微调整一下数字，这实际上是可行的–考虑一下> 50 kW的连续流热水器非常适合汽车引擎部门。现在，加热水的确比加热空气更好地工作，但是将压缩空气加热到非常高的温度比将大气压空气加热到仅安全的家庭温度要高得多，因此与室内加热器相比没有意义。

— 大约

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“您打算如何在一个小千瓦的小圆筒中加热空气？” 我不知道，但我首先要在车后部放一个汽油发电机！:-D

— David Richerby

@DavidRicherby我宁愿先将汽油注入汽缸并用火花点火。但是实际上，如果我们仅谈论电力，那么您有一个正确的观点：电池无法匹配汽油的能量密度。

— juhist

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正如您所提到的，（均匀地）加热四个冲程中的一个非常慷慨；实际上，每个气缸的峰值加热速率可能在1-10兆瓦的范围内。

— 尼克T

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tl; dr
内燃机无法将所有热量转化为机械功。如果有热源，为什么不使用它加热呢？

所有热循环，例如卡诺循环（理想，最有效），奥托循环（理想化的汽油发动机），柴油循环（理想化的柴油发动机），克劳修斯-朗肯循环（理想蒸汽轮机），按照定义耗散了一部分热量。真正的发动机将更少的能量转化为机械功，将更多的能量转化为热量。

交流发电机消耗部分机械能为电池充电，为火花塞，ECU和其他系统供电。其余部分用于实际运动。

如果仅使用电子加热器，我们将排走发动机的所有热量，并利用部分机械功来加热汽车。这是双重浪费。如果我们使用空气加热，则会浪费部分引擎的能源。

例如，将斯柯达Fabia 1.2 HTP（要尽快出售的荣誉）与立体声，交流和座椅加热器的油耗和驾驶体验进行比较。当所有系统都打开时，功耗会大大增加，而加速度会大大恶化-所有这些都是因为更多的动力分配给了交流发电机，而不是车轮。当试图超车时，通常采用关闭交流电的策略。

独立的电气加热装置和座椅电子加热器用作选装件，以提高舒适性。无论环境温度如何，加热它们的时间都少于一分钟，而相对于环境温度而言，对发动机进行预热则要花费数分钟至数十分钟的时间。

旁注，如果您的发动机过热，建议完全打开加热装置-它会将部分热量从出现故障/散热器超负荷的部分转移到机舱。

— 克劳利
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实际上，从理论上讲，您可以使用效率> 100％的热泵来代替电阻加热。热泵的> 100％效率乘以内燃机的<100％效率可以意味着总效率任意接近100％。但是，实际上，热泵比电阻加热更加荒谬。正如我在回答中指出的那样，加热元件必须很大。热泵？更大。

— juhist

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@juhist热泵需要机械动力将热量从较冷的加热器输送到较冷的加热器。这就是为什么冰箱和空调配有压缩机的原因。为什么要使用热泵将能量从> 100°C的发动机传递到<30°C的机舱？珀耳帖细胞类似。压缩机由交流发电机取代，气体介质由电荷取代。

— 克劳利

@juhist您从不同的POW处理问题。您将讨论工作气体的电加热-用电代替汽油。:)

— Crowley

啊，是的，的确如此。我没有足够仔细地阅读您的答案。

— juhist

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@juhist热泵效率不超过100％。您正在考虑性能系数（COP），它可能是3或4的因数。放100瓦特，您可以300或400瓦特的速度移动热量。看起来太过分了！但不是。现实是，仅仅移动热量不会产生任何新能量。第二，热泵的输出温度与环境温度不会有很大差异。这大大减少了您可以从输出中回收的能量（请参阅“卡诺效率”）。

— 杰米·汉拉汉

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ICE的目的是将化学能转化为运动。它通过点燃燃料而不是本身产生热量，而是引起气缸内颗粒的快速膨胀，进而产生压力，从而在活塞上施加力来实现。热量是该膨胀中起作用的众多因素之一。然而，许多其他因素在涉及燃烧的化学反应中起作用。这些不能通过简单地用电热快速加热空气来模拟。事实证明，将化学能转化为热也更容易有效地将电转化为热。

— 迈克尔·莱
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化学能用于释放热量。如果我正确理解气体定律，粒子就会通过改变温度而膨胀。

— DeusIIXII

@DeusIIXII我明白你的意思了。在进一步的研究中，所涉及的气体膨胀似乎比我想象的要复杂，并且有几个因素起作用，最大的因素是（我认为）温度升高导致压力升高。

— Michael Lay

我和你在一起。当时我也认为它更复杂。我知道这将是一个广阔的话题，但伙计。大声笑。

— DeusIIXII

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@Michael-请相应地编辑您的答案。有了它，您的答案是不正确的。

— Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

@DeusIIXII术语也很快变得棘手。在很多情况下，当你谈论的热量，你真的说说垃圾热-不能被用来做工作的一部分。但这在处理热力发动机时并不是真正合适的，热力发动机的唯一目的是从热差中提取尽可能多的功:)但是请注意，正是这种“挤压”给您带来了相当低的效率，而不是汽油燃烧。为什么要使用电热机（效率约30％）而不是电动机（效率约90％）？电动机又轻又便宜：)

— 卢安

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但是我们确实使用电气系统在内燃机中产生热量。他们被称为块加热器。

正如大多数评论和帖子所指出的，不是热量转化为机械能，而是经过活塞点燃的燃料（燃烧）产生的力。热量大部分是浪费的能量，被冷却剂吸收并转移出去。

但是，在极端温度下，油变得更加粘稠，需要更多的能量才能移动。尝试冷运行时，这可能会导致发动机损坏，或者根本无法运行系统。缸体加热器的设计可使发动机的某些部分保持接近其理想的运行温度，以使其易于启动。

因此，虽然我们不需要电就可以在已经运行的引擎中产生额外的热量，但我们确实会用它来在引擎熄火时保持物体温暖。

— 匿名Co夫
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我不确定您对块式加热器的引用如何回答OP的问题？

— Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2

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大块加热器不是用来给车轮供电的，而是一个内务处理系统。

— whatsisname

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我不知道您所说的加热和工作是什么意思，但是您所指的是86年前的Lancia Delta配备电加热舱？

如果要加热导入发动机的空气，这是个坏主意，因为冷空气的密度最高，因此可燃烧的氧气最多。

— 史蒂夫·马修斯
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关于第二段：这就是为什么涡轮增压发动机在涡轮和进气之间使用中间冷却器的原因。

— 克劳利

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第一个问题-您从哪里获得电力？我们使用的电力来自其他来源的水力，地热等，再加上转换损失，意味着使用直接可用的煤等其他燃料提供热量是有效的。现在，随着全球变暖，我们正朝着可再生能源方向发展。

— 太阳迈克
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不。即使存在转换损失，电能也比ICE更有效。阻碍电动汽车普及的问题是电池容量/续航能力不足。

— 霍布斯

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热是能量的一种形式，但与电相比却是懒惰的。很难摆脱它。因此，如果您有电，最好将其以99％的效率在电动机中使用，而不是使用它加热某些东西，然后在一个很好的一天以30％的效率从热源中提取功。

而且我什至没有提到玻尔兹曼常数！

— 删节器
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