Потребляет ли более мощный двигатель меньше топлива при той же нагрузке, чем менее мощный?

Чтобы производить фиксированное количество энергии со 100-процентным КПД, нужно сжигать фиксированное количество топлива в минуту.

Вы можете сжечь его либо в большом количестве в цилиндрах небольшого двигателя, либо в меньшем количестве в цилиндрах большого двигателя, работающего на более низких оборотах.

Количество механической энергии, расходуемой на трение в двигателе и трансмиссии, увеличивается с ростом числа оборотов. Например, если сила трения между поршнями и блоком цилиндров примерно постоянна, то при удвоении числа оборотов поршни за то же время проходят в два раза больший путь, и та же сила совершает в два раза большую работу.

Таким образом, по крайней мере в пределах некоторой практической области, двигатель большего объёма в том же автомобиле будет более экономичным.

Обратите внимание, что количество тепловой энергии, выходящей из выхлопной трубы и системы охлаждения двигателя, больше зависит от скорости сгорания топлива, чем от частоты вращения двигателя, поэтому на самом деле всё сложнее, чем описано выше.

Вся эта логика рушится, если объём двигателя настолько велик, что «эффективные» обороты будут непрактично низкими. Кроме того, большие двигатели весят больше, чем маленькие, и им требуется больше мощности, чтобы обеспечить ту же скорость разгона более тяжёлому транспортному средству. Конечно, для легковых автомобилей увеличение веса имеет большее значение, чем для больших грузовиков.

Несколько лет назад Top Gear вывела на трассу Toyota Prius и разогнала её до предела. Сразу за Prius ехала BMW M3, которая двигалась по следам Toyota, точно выдерживая её темп.

Toyota — это 1,5-литровый гибрид, а M3 — 3,2-литровый бензиновый двигатель с шестью цилиндрами. Расход топлива у Prius составил 17,2 мили на галлон, а у M3 — 19,4 мили на галлон. Это объясняется тем, что Prius эксплуатировался на пределе возможностей. Значительную часть времени педаль газа была вжата в пол. Чтобы M3 не отставала от Toyota, её пришлось существенно притормозить.

Теперь рассмотрим ваш пример: грузовик, который ездит вверх и вниз по горному склону. Когда грузовик с полностью загруженным прицепом поднимается по крутому склону, он сильно нажимает на педаль газа. При подъёме в гору двигатель автомобиля испытывает нагрузку, и на это влияют два фактора: вес автомобиля и мощность двигателя. Маломощный двигатель при интенсивной работе расходует топливо и нагревается быстрее, чем более мощный двигатель, который соответствует скорости маломощного грузовика.

Автомобиль с двигателем меньшей мощности может расходовать меньше топлива, чем более мощный аналог, но только при условии, что ему требуется больше времени для преодоления того же расстояния.

Такие параметры, как крутящий момент (ход поршня, длина шатуна), количество цилиндров, конструкция головки блока цилиндров, эффективность и конструкция выхлопной системы и т. д., и т. п. — всё это влияет на топливную экономичность автомобиля.

Если бы все автомобили были одинаково эффективными, производители не публиковали бы данные о расходе топлива и не конкурировали бы в области эффективности и выбросов.

Если вдаваться в подробности, то всё довольно сложно, но если говорить упрощённо, то ваш коллега прав.

вождение в горах

Я считаю, что это ключевой момент: езда в горах по определению означает, что вы едете на высоте, а с увеличением высоты плотность воздуха снижается. Это значит, что для заданного объёма воздуха, который всасывает двигатель, доступно меньше кислорода для сгорания. Учитывая необходимость поддерживать постоянное (или близкое к нему) соотношение воздуха и топлива, это означает, что двигатель будет впрыскивать меньше топлива (нет смысла впрыскивать больше, чем вы можете сжечь!) за цикл, поэтому вы получите меньше мощности. Это значит, что вам придётся увеличить число оборотов двигателя, чтобы выполнить тот же объём работы, а это значит, что вы будете расходовать больше топлива (каждое увеличение числа оборотов влечёт за собой «потери» мощности из-за преодоления трения в двигателе, ускорения массы поршней и так далее), чтобы получить от двигателя такое же ускорение.

Более мощный двигатель, как правило, вырабатывает пропорционально больше энергии, чем двигатель меньшей мощности (при прочих равных условиях), поэтому, даже если ему придётся сократить подачу топлива таким же образом, он всё равно будет вырабатывать больше энергии на один оборот, чем двигатель меньшей мощности, и, следовательно, ему не придётся увеличивать подачу топлива так сильно, чтобы получить ту же мощность, что и у двигателя меньшей мощности. И если грузовик весит столько же, сколько грузовик с меньшим двигателем, и вы пытаетесь разогнаться до той же скорости, то вам потребуется столько же мощности, но потенциально двигатель большего объёма может вырабатывать эту мощность более эффективно и, следовательно, потреблять меньше топлива.

Это правда.

Рассмотрим изображение гибридной приборной панели RAV4:

Слева вы видите, что при нагрузке, близкой к 50 % от максимальной, вы находитесь в режиме ECO, а при нагрузке от 50 до 100 % от максимальной — в режиме PWR (верхняя граница режима PWR сопровождается громкими звуками, исходящими от двигателя с высокими оборотами).

Или рассмотрим базовую диаграмму работы двигателя Toyota Prius (контуры обозначают расход в г/кВт·ч):

Как видите, максимальная эффективность достигается при 2100 об/мин и 100 Нм, в то время как максимальная мощность составляет 5500 об/мин и 130 Нм. Максимальная эффективность достигается при 2100 * 100 / (5500 * 130) = 0,29 максимальной нагрузки. Или примерно 30 %.

Теперь давайте разберемся, почему в гибридной модели RAV4 режим ECO работает при нагрузке до 50 % от максимальной, а не до 30 % от максимальной? Это объясняется наличием в гибридных автомобилях функции электрического наддува (она обеспечивает запас в 20 %).

Если у вас не гибридный автомобиль, то в идеале вы должны использовать 30 % максимальной мощности двигателя. Это означает, что нужно почти полностью, но не полностью, открыть дроссельную заслонку и поддерживать обороты в диапазоне 2000–2500. Двигатель меньшего объёма нужно использовать почти на полную мощность и при более высоких оборотах, то есть на более низких передачах. Это приводит к перерасходу топлива.

Хороший пример: Toyota Yaris перешла с двигателя объёмом 1,33 литра на двигатель объёмом 1,5 литра, и уровень выбросов и расход топлива снизились. Двигатель большего объёма действительно оказался более экономичным!

Ещё один хороший пример: объём двигателя Toyota Prius раньше составлял 1,5 литра, а сейчас — 1,8 литра. После перехода на двигатель большего объёма расход топлива снизился.

Конечно, это относится только к двигателям разумного объёма. Если вы хотите установить 5-литровый двигатель V8 на легковой автомобиль, не стоит ожидать низкого расхода топлива.