Влияние веса на расход топлива в крейсерском режиме

«При прочих равных условиях» более тяжёлый автомобиль будет расходовать больше топлива в крейсерском режиме по сравнению с лёгким автомобилем. Между шиной и дорожным покрытием возникает большее трение, что фактически увеличивает сопротивление качению. Это можно увидеть визуально по прогибу боковин шины при каждом обороте. Чем тяжелее автомобиль, тем больше прогиб и сопротивление.

Вы также столкнётесь с постепенным увеличением трения в других компонентах, которые несут на себе вес, например в подшипниках колёс, но большая часть увеличения придётся на шины.

На практике фраза «при прочих равных условиях» практически ничего не значит.

Чем тяжелее транспортное средство, тем больше у него шины, а значит, больше площадь контакта с поверхностью, то есть выше трение с дорогой. Кроме того, у него более мощный двигатель, что обычно означает большее трение и, как правило, меньшую эффективность. Отчасти это связано с тем, что детали крупнее и обладают большей инерцией.

Более тяжёлое транспортное средство, как правило, имеет больший кузов, что приводит к большему сопротивлению воздуха. Вы упомянули «постоянное сопротивление ветра», но не уточнили, с какой стороны он дует. Имеет значение, дует ли он спереди или сзади, поскольку попутный ветер может помочь большегрузному транспортному средству больше, чем малолитражке, а встречный ветер уменьшит пробег большегрузного транспортного средства больше, чем малолитражки. Даже боковой ветер будет влиять на расход топлива у большого автомобиля иначе, чем у маленького.

Как отметил в комментарии Тим, включает ли этот «круиз» подъёмы? Это существенно влияет на пробег большинства автомобилей.

А «крейсерский режим» означает полное отключение газа? Даже на короткое время?

Анекдот

Прежде чем перейти к примерам из реальной жизни, я расскажу о двух поездках, которые совершил около двух лет назад. По сути, это была одна и та же поездка, за исключением случайного неправильного поворота.

Я переехал в Лас-Вегас из Айовы. Расстояние было почти ровно 2000 миль, я ехал через Оклахому, чтобы избежать снега и льда в горах в то время года, когда я переезжал. Грузовик для переезда был Ford F650 с 26-футовой платформой и прицепом для одной из моих машин. Я не заполнял платформу до отказа, но там было много тяжёлых вещей, инструментов и прочего.

Примерно каждые 2 часа мне приходилось останавливаться, чтобы заправить бак. Я не помню точно, какого он был объёма, но я пообещал отцу, что заправлю его, когда в баке останется меньше половины. Бывали случаи, когда после этих двух часов я заливал в грузовик бензин на 70–100 долларов. Кроме того, мне приходилось всё время держать ногу на педали газа, если только я не спускался с крутого холма. Кроме того, мне приходилось регулярно переключать передачи при движении в гору. На некоторых подъёмах мне приходилось переключать передачи вниз, чтобы использовать двигатель в качестве тормоза и не изнашивать настоящие тормоза.

Прошло три месяца, и я прилетел домой, чтобы забрать свою вторую машину. Цены на бензин почти не изменились, и я поехал на своей второй машине по тому же маршруту, за исключением того случайного 30-мильного крюка.

Я мог спокойно проезжать 3–4 часа без необходимости заправлять 14-галлонный бак. Конечно, я не соблюдал правило «половина бака», но заправка обходилась в 30–40 долларов за 3–4 часа, а не в +70 долларов за 2 часа.

Мне также не приходилось переключать передачу на пониженную для преодоления подъёмов. Переключение на пониженную передачу означает, что у вас более высокие обороты и вы расходуете больше топлива на том же расстоянии, поскольку жертвуете расходом топлива ради большей мощности на колёсах.

Эффективность

Что это значит для вас? Означает ли это, что за меньшее усилие выполняется больше работы или перевозится больше продукции при меньшем расходе топлива на фунт/килограмм? Или это значит что-то другое? Означает ли это, что для более крупного транспортного средства требуется меньше поездок, чем для меньшего? Судя по вашему вопросу, последнее маловероятно, но некоторые люди могут об этом задуматься.

Цифры из реального мира

В среднем расход топлива у полуприцепов составляет всего 6,5 миль на галлон. Их эффективность варьируется от 3 миль на галлон при подъёме в гору до более чем 23 миль на галлон при спуске.

https://www.arrowtruck.com/blog/2016/06/21/как-сократить-расход-топлива-на-полуприцепе-с-помощью-этих-советов/

По этой ссылке представлены пикапы среднего размера с расходом топлива около 22 миль на галлон. Там также есть полноразмерные пикапы с расходом топлива 21–25 миль на галлон и дизельные грузовики с расходом топлива 21–27 миль на галлон.

https://www.edmunds.com/truck/articles/best-gas-mileage-trucks/

На этом сайте представлены различные модели автомобилей с расходом топлива от 26 до 142 миль на галлон. Как правило, у самых маленьких автомобилей расход топлива выше.

https://www.fueleconomy.gov/feg/best-worst.shtml

Все они протестированы «пустыми», за исключением полуприцепов. Кроме того, все они являются оценочными, поскольку фактический расход топлива в любой момент времени зависит от того, как используется транспортное средство.

А ещё есть поезда, которые выигрывают по всем параметрам, когда речь идёт о наземных перевозках и экономии топлива. Однако между поездом и обычным дорожным транспортным средством есть много различий.

Показатель эффективности поездов CSX в 2018 году составил:

208 712 027 000 тонно-миль / 423 998 863 галлона = 492 тонно-мили на галлон.

Другими словами, поезда CSX в среднем могут перевозить тонну груза на расстоянии почти 500 миль на галлоне топлива, исходя из данных о тонно-километрах за 2018 год и расходе топлива за 2018 год.

https://www.csx.com/index.cfm/about-us/the-csx-advantage/fuel-efficiency/

Заявление правительства о весе транспортных средств

Давайте начнем с простых цифр. Агентство по охране окружающей среды утверждает, что на каждые 100 фунтов, выгружаемых из автомобиля, экономия топлива увеличивается на 1-2 процента. Исходя из стоимости галлона бензина в 2,58 доллара, это позволяет сэкономить от 0,03 до 0,05 доллара за галлон. Конечно, 100 фунтов. в маленьком хэтчбеке это будет иметь большее значение, чем те же 100 фунтов. Вы едете на Tahoe, поэтому разумно предположить, какие преимущества даст вам облегчённая версия.

Чтобы получить более полное представление о том, что возможно, ознакомьтесь с отчётом Aluminium Association, Inc., основанным на исследовании компании Ricardo. На приведённой ниже диаграмме показано, что для небольшого автомобиля с 1,6-литровым двигателем снижение веса на 5 % привело к увеличению экономии топлива на 2,1 % по комбинированному рейтингу Агентства по охране окружающей среды США. Снижение веса на 10 % увеличивает пробег на 4,1 %, а значительное снижение веса на 20 % повышает экономию топлива на 8,4 %.

https://www.autoblog.com/2009/10/29/greenlings-how-does-weight-affect-a-vehicles-efficiency/

Таким образом, Агентство по охране окружающей среды утверждает, что снижение веса не только поможет сэкономить топливо, но и будет во многом зависеть от двигателя вашего автомобиля: чем меньше двигатель, тем сильнее будет разница при увеличении или уменьшении веса.

В статье даже говорится о том, что автопроизводители стремятся снизить вес автомобилей, чтобы повысить топливную экономичность. Об этом говорится в той же статье, что и выше.

За последние несколько десятилетий средний вес автомобилей, продаваемых в США, неуклонно рос после отмены нефтяного эмбарго в 1970-х годах. Однако сегодня автопроизводители прилагают много усилий для снижения веса: Lotus создал целое подразделение по производству облегчённых конструкций, BMW инвестирует миллионы в производство углеродного волокна, а Jaguar любит алюминий, потому что каждая унция, которую можно убрать из автомобиля, повышает его производительность и экономию топлива. Варианты снижения веса, которые рассматривают автопроизводители, включают в себя установку пластиковых топливных баков и использование углеродного волокна вместо стали. Как мы выяснили в предыдущем выпуске Greenlings, углеродное волокно — это замечательное лёгкое вещество, которое будет получать всё более широкое распространение по мере снижения цен (что неизбежно).

Инерция

О, об этом можно сказать многое. Что-то из этого правда, а что-то — заблуждение.

Во-первых, грузовик, проехавший на красный свет, потому что он не смог вовремя затормозить, частично движется по инерции, но здесь задействовано множество других факторов, даже если не учитывать ошибку водителя.

Полуприцепы могли бы останавливаться за то же время, что и легковые автомобили, но для этого им понадобились бы значительно более крупные тормозные колодки. Кроме того, им потребовались бы значительно более широкие шины, чтобы более крупные тормоза были эффективными, поскольку даже при нынешней тормозной системе у полуприцепов блокируются колёса, но они всё равно не могут остановиться. Здесь задействовано множество физических законов, в том числе тот факт, что катящаяся шина имеет большее сопротивление дороги, чем скользящая шина, но это не то, что вы ищете в ответе. Это также довольно сложно.

Но эта инерция, эта мысль о том, что грузовик проедет на красный свет, лежит в основе вашей идеи, независимо от того, осознаёте вы это или нет. Возможно, нет, поскольку я всего лишь предполагаю, но это кажется «нормальным» выводом.

Если немного углубиться в физику, то для начала можно рассмотреть уравнения силы:

F = ma; Сила равна произведению массы на ускорение

Или, другими словами, это означает то же самое:

F = (1/2)mv²; Сила равна половине произведения массы на квадрат скорости

Сила (F) — это величина, необходимая для перемещения объекта. Достаточно взглянуть на эти две формулы, чтобы заметить, что масса является в них важным фактором. Если вес чего-то увеличивается вдвое, то для его перемещения потребуется вдвое большая сила. Следует отметить, что здесь предполагается плоскость без трения.

В случае с грузовиками мы имеем дело со значительным трением. Трение качения колёс, внутреннее трение в двигателе и трансмиссии, сопротивление воздуха и многое другое, что выходит за рамки темы. Как я уже упоминал ранее, у более крупного грузовика гораздо больше проблем с трением, чем у грузовика меньшего размера, но что, если мы просто возьмём тот же грузовик, но с другим весом? Что ж, трение качения всё равно изменится, потому что шины деформируются, а подвеска изменит свою высоту, что приведёт к изменению сопротивления воздуха/трения, в том числе эффекта земли под автомобилем.

Существует множество причин/факторов, по которым крайне сложно определить, как вес влияет на расход топлива. Без реальных тестов вы не получите никаких ответов. Кроме того, разные автомобили, водители и погода в разные дни дают разные результаты.

Заключение

Вероятно, в колледжах есть специальные курсы по топливной эффективности, поскольку уравнения инерции, трения и других переменных очень сложны и взаимодействуют друг с другом. Я изучал физику в колледже много лет назад и точно не знаю, насколько хорошо все это сочетается друг с другом, чтобы дать вам хоть сколько-нибудь точный ответ.

Но, как утверждает Агентство по охране окружающей среды (упомянутое ранее), меньший вес означает более экономичное расходование топлива, однако на топливную экономичность влияет гораздо больше факторов, чем просто вес. И можно многое сказать о расходах топлива по оценкам Агентства по охране окружающей среды, но я просто использовал эти цифры для сравнения, а не как абсолютное эмпирическое доказательство.

По всем причинам, которые я назвал ранее, вы вряд ли получите хороший ответ на свой вопрос. Скорее всего, вы получите ответ на сайте Physics, но он, скорее всего, будет иметь ограниченную ценность, поскольку, скорее всего, будет касаться лишь нескольких конкретных случаев.

Как вы и сказали, если не учитывать сопротивление воздуха, то на транспортное средство действуют только две силы: гравитация и трение.

На ровной поверхности можно в некоторой степени пренебречь силой тяжести, поскольку она действует перпендикулярно направлению движения. Конечно, сила тяжести будет влиять на транспортное средство, вызывая трение между шинами и дорогой. Таким образом, если не учитывать силу тяжести, останется только сила трения. Скорее всего, на более тяжёлое транспортное средство будет действовать большая сила трения — между шинами и дорогой, а также между другими движущимися частями. Поэтому при постоянной скорости более лёгкое транспортное средство будет более эффективным.