Почему транспортные средства потребляют топливо и как можно повысить топливную экономичность?

Транспортные средства используют топливо, потому что энергия, содержащаяся в топливе, идёт на следующие цели:

• Сопротивление воздуха. Поскольку транспортные средства движутся не в вакууме, воздух оказывает сопротивление, а поскольку сила, умноженная на расстояние, равна энергии, то для этого требуется энергия.


• Сопротивление качению. Несмотря на то, что шины устраняют трение, при движении возникает небольшое сопротивление качению, которое преобразует кинетическую энергию в тепло.


• Ускорение. Для того чтобы разогнать массу до определённой скорости, требуется энергия. При торможении эта энергия теоретически может где-то накапливаться, но на практике это происходит редко, а если и происходит (например, в гибридных автомобилях), то эффективность низкая.


• Сопротивление при движении в гору. При движении в гору автомобиль должен преодолевать силу тяжести. Конечно, при движении вниз энергия, накопленная в гравитационном поле, высвобождается, но затем она, как правило, теряется при торможении.


• Потери в двигателе. Двигатели теряют энергию в системе охлаждения и выхлопной системе.


• Дополнительные потери. В автомобиле есть электрические потребители, например фары. Кроме того, энергию потребляют гидроусилитель руля, водяной насос системы охлаждения двигателя и кондиционер.

Единственный способ повысить топливную экономичность транспортного средства — сократить количество энергии, которая расходуется впустую. Если кто-то утверждает, что у него есть решение для повышения топливной экономичности, но не уточняет, к какой из этих категорий оно относится, то почти наверняка это не настоящее решение.

Существуют как минимум следующие технологии, повышающие топливную экономичность автомобиля:

• Уменьшение массы. Меньшая масса означает меньшее сопротивление при подъёме и меньшее сопротивление при ускорении.


• Уменьшение лобовой площади за счёт снижения автомобиля. Это снижает сопротивление воздуха.


• Улучшенная аэродинамика. Определённая форма кузова снижает сопротивление воздуха при постоянной площади лобового стекла. Вероятно, лучшим с практической точки зрения является кузов Kammback.


• Более высокое давление в шинах. Чем выше давление, тем ниже сопротивление качению.


• Радиальные шины, которые сегодня используются во всех транспортных средствах, пришли на смену диагональным шинам.


• Уменьшение мощности двигателя. Эта технология часто используется в сочетании с другими технологиями, которые позволяют выжать больше мощности из небольших двигателей за счёт увеличения крутящего момента или предельных оборотов, чтобы не ухудшалось ускорение


• Турбонаддув. Турбонаддув позволяет использовать часть энергии выхлопных газов для сжатия большего количества воздуха, поступающего в двигатель.


• Интеркулер. Это предотвращает детонацию двигателя при турбонаддуве.


• Рециркуляция выхлопных газов. Это снижает потери при дросселировании и отвод тепла за счёт более низких температур.


• Более высокая степень сжатия. Согласно основам термодинамики, степень сжатия определяет максимальную теоретическую эффективность двигателя. К сожалению, высокая степень сжатия может привести к детонации.


• Зажигание от сжатия, то есть в дизельных двигателях. Это позволяет использовать очень высокую степень сжатия и обедненную топливную смесь, а также полностью устраняет потери при дросселировании.


• Аксессуары с электрическим приводом, такие как гидроусилитель руля, кондиционер и электрический водяной насос. Когда аксессуары работают от электричества, им не нужно вращаться со скоростью, пропорциональной частоте вращения двигателя, что повышает эффективность.


• Электронный впрыск топлива. Благодаря точному контролю соотношения воздуха и топлива повышается экономия топлива. Электронный впрыск топлива также позволяет отключать подачу топлива при торможении двигателем.


• Обедненная смесь. При использовании стехиометрического соотношения воздуха и топлива всегда остается небольшое количество несгоревшего топлива. Обедненная смесь практически полностью устраняет этот недостаток.


• Эмулированный цикл Аткинсона. В обычном двигателе, работающем по циклу Отто, в конце такта расширения давление в цилиндре превышает давление воздуха, поэтому при открытии выпускного клапана часть полезной энергии сразу же теряется. В эмулированном цикле Аткинсона используется такой порядок работы клапанов, при котором часть топливно-воздушной смеси возвращается во впускной коллектор в начале такта сжатия. Тогда степень сжатия ниже степени расширения, и поэтому при открытии выпускного клапана давление в цилиндре сравнимо с давлением воздуха.


• Изменение фаз газораспределения. Это позволяет оптимизировать работу двигателя на всех оборотах, а не только на определенных.


• Прямое впрыскивание. Эта технология обеспечивает сверхэкономичный расход топлива.


• Система впрыска Common Rail в дизельных двигателях. Более высокое давление обеспечивает лучшее распыление топлива.


• Деактивация цилиндров. При деактивации цилиндров через впускной коллектор проходит меньше воздуха, что снижает потери при перекачивании.


• Коленчатый вал со смещением. Наибольшие усилия возникают во время такта расширения, и если коленчатый вал не смещён, то возникают боковые силы. Коленчатый вал со смещением устраняет эти боковые силы и тем самым снижает трение.


• Смазочные материалы с меньшей вязкостью. Вязкость смазочных материалов означает, что они не текут свободно и для их течения требуется энергия. Использование двигателей, работающих на смазочных материалах с меньшей вязкостью, позволяет снизить потери на текучесть смазочных материалов.


• Увеличенное количество передаточных чисел. Это означает, что двигатель чаще работает на оптимальных оборотах, что повышает топливную экономичность. Эту технологию можно довести до совершенства с помощью бесступенчатой трансмиссии (вариатора).


• Система «старт-стоп». Эта система останавливает двигатель при остановке автомобиля, предотвращая потери на холостом ходу.


• Регенеративное торможение. В такой системе в качестве тормоза используется генератор, который накапливает энергию в аккумуляторе. Лучше всего это реализовано в гибридных автомобилях, но и негибридные автомобили могут использовать регенеративное торможение, если напряжение в системе зарядки поддерживается на низком уровне при движении по прямой и резко повышается при торможении двигателем.


• Блокировка гидротрансформатора. Гидротрансформаторы имеют некоторую степень проскальзывания, поэтому они теряют энергию в виде тепла. Механическая блокировка гидротрансформатора на высоких скоростях устраняет потери энергии. Это повышает эффективность автомобилей с автоматической коробкой передач.


• Гибридная технология. Эта технология использует электричество в качестве дополнительного источника энергии. В результате эффективность двигателя можно повысить за счёт уменьшения его объёма или использования цикла Аткинсона без снижения ускорения.


• Регулируемый подъём клапанов. Это позволяет снизить потери при перекачивании за счёт использования подъёма клапанов вместо дроссельной заслонки для управления подачей воздуха в двигатель.


• Многоклапанная технология. Благодаря наличию более двух клапанов на цилиндр можно увеличить суммарную площадь всех клапанов. Это почти всегда достигается за счёт установки двух верхних распределительных валов.

Большинство методов не подходят для существующих автомобилей, поэтому лучший способ повысить топливную экономичность, помимо экономичного вождения, — учитывать этот фактор при покупке следующего автомобиля. Если решения для повышения топливной экономичности нет в этом списке, скорее всего, оно не поможет (хотя я мог забыть что-то важное).