Почему при остановке и запуске двигателя в условиях интенсивного движения расходуется больше топлива?

Я думаю, что для ответа на этот вопрос самым простым способом можно обратиться к первому закону движения Ньютона в физике.

Первый закон движения Ньютона: I. Всякое тело, находящееся в состоянии равномерного прямолинейного движения, продолжает двигаться по прямой линии, пока воздействие со стороны внешних сил не заставит его изменить это состояние. По сути, это концепция инерции Галилея, которую часто называют просто «законом инерции».

Если рассматривать это на примере автомобиля, то машина, движущаяся по ровной поверхности, будет продолжать движение с той же скоростью, если на неё не будет действовать какая-либо сила. (В этом примере мы не учитываем сопротивление воздуха и трение при движении по дороге).

В случае со стационарным транспортным средством вам нужно сжечь топливо, чтобы создать силу, которая воздействует на автомобиль и его компоненты (компоненты двигателя, карданный вал, колёса и т. д.), ускоряя их вращение и разгоняя транспортное средство.

При торможении на автомобиль воздействует сила трения, которая преобразует инерцию (кинетическую энергию) автомобиля в тепло.

В автомобиле, который то останавливается, то трогается с места, вы сжигаете больше топлива, потому что при остановке теряете кинетическую энергию в виде отработанного тепла, а затем тратите энергию топлива, чтобы снова увеличить инерцию автомобиля и его компонентов при ускорении.

Поэтому автомобиль, который то останавливается, то трогается с места, расходует больше топлива.

Я бы сказал, что при движении в пробках расходуется меньше топлива, чем при движении на высокой скорости по шоссе.

Рассмотрим следующий сценарий с учётом типичной скорости движения по шоссе и в пробках, а также реального расхода топлива на таких скоростях. Как видите, на шоссе автомобиль расходует топливо быстрее, чем в пробках.

Если говорить очень просто: ускорение требует затрат энергии. Торможение не даёт вам никакой энергии (по крайней мере, в среднестатистическом автомобиле).

Следовательно, если сценарий 1 предполагает ускорение и торможение, а сценарий 2 — движение с постоянной скоростью, то сценарий 1 потребует больше энергии (топлива) просто потому, что вы тратите топливо на ускорение. Не само по себе торможение плохо, но необходимость тормозить говорит о том, что вы могли бы вообще избежать ускорения и тем самым сэкономить топливо.

Дополнение: есть третий сценарий: как можно быстрее разгонитесь до нужной скорости на соответствующей передаче, затем отпустите сцепление и двигайтесь с двигателем на холостом ходу. При этом расходуется даже меньше топлива, чем при втором сценарии, потому что среднестатистический двигатель более эффективен на высоких оборотах (до определённого момента не нажимайте на педаль газа до упора, так как современные двигатели будут подавать дополнительное топливо, создавая эффект «форсажа»).

Чтобы сделать это правильно, нужно потренироваться, то есть разогнаться до достаточно высокой скорости, чтобы получить ощутимое время качения, не нарушая при этом скоростной режим и не создавая помех другим автомобилям. Кроме того, это не принесёт вам особой пользы, если в конце качения вам всё равно придётся тормозить. Поэтому я бы не советовал новичкам так делать, но опытные водители могут сэкономить на топливе несколько процентов. Поищите в Google «hypermiling».

Кроме того, старайтесь тормозить двигателем, а не тормозами (если это безопасно), и тогда двигатель будет расходовать 0 топлива (вместо минимального расхода на холостом ходу).

Одна из причин заключается в том, что двигатели, работающие на ископаемом топливе, наиболее эффективно работают на скорости 80–96 км/ч, поэтому на любой другой скорости крутящий момент будет меньше, чем количество сжигаемого топлива. Именно поэтому крейсерская скорость такая, какая она есть.

Другой момент, на котором я остановлюсь, заключается в том, что независимо от скорости движения при каждом торможении вы тратите энергию. Вот как это выглядит, если вы ускоряетесь, а затем убираете ногу с педали газа:

Вот как это выглядит, если резко нажать на тормоза:

И сравнение:

Таким образом, каждый раз, когда вы тормозите, вы проезжаете не так далеко, как могли бы, — вы тратите топливо на ускорение, которое могло бы позволить вам проехать дальше. Теперь вам снова нужно потратить энергию, чтобы преодолеть это расстояние.

Вот как это выглядит в пробке — обратите внимание на накопление нерационально расходуемой энергии:

Стихи о том, что будет, если в конце один раз нажать на тормоз:

Кстати, именно эту проблему решают гибридные автомобили: когда вы нажимаете на тормоз, они используют индукцию для подзарядки аккумулятора, и отходов становится меньше.

Ни один двигатель не может работать со 100-процентной эффективностью; всегда есть потери энергии.

При движении по шоссе вы, как правило, используете высшую передачу, и многие автомобили настроены на максимальную эффективность в этом режиме. В этом случае ваши потери энергии связаны с аэродинамическим сопротивлением, качением шин и трением в двигателе и трансмиссии. Обратите внимание, что первые два фактора пропорциональны квадрату скорости, потери в трансмиссии пропорциональны скорости, а трение в двигателе пропорционально фактическим оборотам.

Когда вы стоите в пробке, вы обычно едете на первых двух передачах, что снижает сопротивление, но увеличивает трение в двигателе, и двигатель работает в широком диапазоне оборотов. Когда вы тормозите, чтобы остановиться, вся кинетическая энергия, полученная из топлива, расходуется впустую; когда вы не глушите двигатель, вы тратите топливо только на то, чтобы двигатель работал. Если вы ускоряетесь, вы сжигаете больше топлива, чтобы увеличить кинетическую энергию; если вы переключаете передачи слишком рано или слишком поздно, вы сжигаете дополнительное топливо только потому, что двигатель работает не в оптимальном диапазоне оборотов. При трогании с места нужно на некоторое время выжать сцепление — ещё одна трата энергии.

Несмотря на то, что вы не тормозите, чтобы полностью остановиться (тратя кинетическую энергию впустую), вы используете торможение двигателем, систему старт-стоп, переключаете передачи в нужный момент; вы не можете добиться экономии топлива при движении в крейсерском режиме разумным способом.

Простой ответ: расход топлива при крейсерской скорости (55 миль в час) пропорционален трению (аэродинамическому, шинному, механическому). При динамичной езде (с частыми остановками и обычным фрикционным торможением) расход энергии значительно выше, чем при постоянном трении. Гибридное электрическое торможение экономит энергию, и его следует рассматривать как особый случай.

Износ двигателя / шин / тормозов также заметен у автомобилей, которые ездят по дорогам с частыми остановками.

Наиболее важный аспект ответа на этот вопрос кроется в первом законе движения Ньютона:

Тело, находящееся в состоянии покоя, остаётся в покое, а тело, находящееся в движении, продолжает двигаться с той же скоростью и в том же направлении, если на него не действует неуравновешенная сила.

По этой же причине космические челноки расходуют около 90 % топлива при взлёте.

Как отметил cdunn, всё дело в силе (F). Больше топлива/с = больше силы/с.

Ключ к пониманию этого — небольшой фрагмент «если на него не действует неуравновешенная сила.»

В вашем примере с шоссе, на котором есть подъёмы и спуски, большую роль играет гравитация. На спуске g становится положительной силой. Чтобы было понятнее, я приведу экстремальные примеры.

Допустим, ваш уклон составляет 90 градусов, то есть он вертикальный. Это значит, что g (10 м/с^2) добавляется к мощности вашего двигателя. Именно поэтому в автомобилях предусмотрены специальные методы отключения двигателя и снижения тяги в различных частях — чтобы вы не мчались вниз по склону на полной скорости.
И наоборот, при движении вверх гравитация действует на ваш двигатель как отрицательная сила. Поэтому вам нужно либо увеличить мощность двигателя, либо увеличить силу инерции.

Экстремальный пример

Say the following is true:



    motor output (Mo)= 250 HP or ~ 19,020 kg-m/s^2



    curb weight (cw)= ~1800 kg



    g = 10m/s^2 • cw = ~18,000 kg-m/s^2



    friction = 0



    surface resistance = 0



Using -- t=(v-v0)/a -- we get the following.



In this case nothing is in play except

gravity and motor output. Which

means that in a dead fall you have 

~37,020 m/s^2 for and in a vertical 

incline only ~1,020 m/s^2. 



So on the decline it only takes 

0.00075 seconds for the car to reach

100 km/h. 



Whereas on the incline, it takes 

0.0272 seconds to reach the same 

speed.

Может показаться, что это не так уж и много, но разница огромна.

Действительно, попытка поддерживать постоянную скорость на холмистой местности не самая эффективная (я изучил, как большинство систем круиз-контроля справляются с холмами). Но на равнинной местности это работает. Хитрость при движении по холмистой местности заключается в том, чтобы уравновесить силы. Если вы наберете достаточную скорость на спуске, инерция поможет вам подняться на холм без значительной нагрузки на двигатель.

Но если оставить в стороне холмы, то ваш первоначальный вопрос звучит так: «Почему при остановке и трогании с места в пробке расходуется больше топлива?» Ответ прост: из-за инерции. Но! Есть и другие факторы. Например, когда вы стоите в пробке. Ваш двигатель расходует топливо, а вы не едете. Так что на самом деле вы получаете не 0 миль на галлон, а скорее -x миль на галлон, потому что это снижает общее количество миль на галлон за поездку или даже приводит к отрицательному соотношению (например, 15 галлонов на 1 милю).

Такие факторы, как сопротивление воздуха, лобовое сопротивление, неэффективность и гравитация, на самом деле не имеют значения, пока нет движущегося транспорта.

Другой способ взглянуть на это — представить себе открытие дроссельной заслонки.

Когда вы едете по ровной дороге, педаль должна быть нажата сильнее, чем на холостом ходу, но не до упора

Когда вы трогаетесь с места и набираете скорость, педаль нажимается сильнее, что приводит к открытию дроссельной заслонки и поступлению в двигатель большего количества топливно-воздушной смеси.

Следовательно, для ускорения требуется больше топлива, чем для движения по инерции.

Да, я понимаю, что это отговорка: современные автомобили, компьютеры, инжекторы и т. д. — отмахнуться и просто

Кроме того, при работе на холостом ходу топливо расходуется впустую, поэтому некоторые автомобили глушат двигатель на светофоре. Для велосипедиста так странно слышать, как на зелёный свет одновременно заводятся три или четыре автомобиля.

Каждый раз, когда вы тормозите, энергия расходуется впустую. Тормоза преобразуют механическую энергию движущегося автомобиля в тепловую за счёт трения (они нагреваются). Именно здесь энергия в конечном счёте «теряется». Затем, когда транспортный поток немного продвигается вперёд, вам, конечно же, нужно ускориться — и именно здесь вы используете бензин из бака, чтобы направить эту энергию на движение автомобиля.

Когда вы движетесь накатом с постоянной скоростью, единственные значительные потери энергии происходят из-за сопротивления воздуха. Это сопротивление зависит от скорости и формы вашего автомобиля, поэтому при умеренной скорости (например, 55 миль в час) и на современном аэродинамичном автомобиле вы на самом деле теряете меньше энергии, чем при многократном торможении в пробке. Конечно, если ваш автомобиль менее аэродинамичен (например, на крыше у него большой багажник) или вы едете на нём очень быстро, то в какой-то момент вы будете расходовать больше топлива при движении накатом, чем в пробке.

(Я не учитывал потери энергии в резиновых шинах, потому что они практически не меняются. Кроме того, если вы можете проехать 10 минут накатом, но при этом целый час стоите в пробке, то это много времени на холостом ходу, но холостой ход не так важен, как торможение.)

Это также объясняет, почему автомобили с электродвигателями гораздо эффективнее справляются с частыми остановками: вместо обычного (фрикционного) торможения они используют «регенеративное торможение» и возвращают часть энергии в аккумулятор.

Если вы задумаетесь о том, что происходит с автомобилем в обоих случаях, то поймёте, почему при ускорении расходуется больше топлива.

Общая теория

F = mA (сила равна произведению массы на ускорение), и в данном случае сила создаётся двигателем. Чем больше сила, тем больше топлива сжигается.

Ускорение

При движении с частыми остановками вы разгоняетесь с нуля до относительно низкой скорости, например до 48 км/ч. Согласно приведённому выше уравнению (F=mA), вы должны прикладывать силу в том направлении, в котором хотите разогнать массу вашего автомобиля. Но это результирующая сила. Двигатель толкает вас вперёд, но вы сталкиваетесь с сопротивлением инерции, трения, а в какой-то момент даже воздух сопротивляется вашим попыткам ускориться. Двигатель должен преодолевать все эти силы, прилагая ещё большую силу. Чем больше сила, тем больше топлива сжигается.

Движение по шоссе накатом

Двигаясь накатом по шоссе, вы сохраняете нулевое ускорение. Таким образом, суммарная приложенная сила равна нулю. Следовательно, вам нужно лишь уравновесить, а не превысить, как при ускорении, силы трения и аэродинамического сопротивления. Меньшая сила означает меньший расход топлива.

Я надеюсь, что это поможет!

Ваш двигатель постоянно расходует топливо, когда машина едет.

Когда вы стоите на месте, вы расходуете топливо, чтобы двигатель продолжал работать, но при этом машина не движется, поэтому фактический расход топлива на галлон (MPG) в этот момент равен 0.

Когда вы начинаете ускоряться, вы нажимаете на педаль газа сильнее, чем когда машина стояла на холостом ходу, но затем вам приходится нажимать на тормоз, по сути, впустую расходуя дополнительный газ, который вы только что использовали для набора скорости.

Как только вы набираете скорость и перестаёте ускоряться на шоссе, двигатель использует только 20–40 лошадиных сил для поддержания этой скорости. Когда вы едете со скоростью 60 миль в час, вы преодолеваете милю в минуту, поэтому, в зависимости от автомобиля, относительный расход топлива будет намного выше.

На приведённом ниже графике показан удельный тормозной расход топлива (BSFC — brake specific, что означает, что двигатель был установлен на динамометрическом стенде определённого типа, а не в автомобиле). Расход топлива измеряется в граммах на киловатт-час (1 кВт·ч = 1,34 лошадиной силы). Максимальный крутящий момент в зависимости от частоты вращения (оборотов двигателя в минуту) показан в верхней части графика (чёрная линия с чёрными точками). Как видите, наименьшее количество топлива на киловатт-час расходуется, когда этот двигатель работает на 2000–3000 оборотах в минуту и выдаёт 80 % максимального крутящего момента.

Опять же, при движении по шоссе вам нужна лишь малая часть общей мощности. Число оборотов двигателя большинства автомобилей на высшей передаче при движении по шоссе обычно составляет 2500–3500 об/мин, поэтому даже при снижении потребности в крутящем моменте и выходе за пределы оптимального диапазона топливной экономичности знаменатель (мощность, необходимая для движения по шоссе со скоростью 60 км/ч) уменьшается, как и числитель (количество используемого топлива).