Почему транспортные средства используют топливо и как можно улучшить экономию топлива?

Транспортные средства используют топливо, потому что энергия топлива идет на следующие цели:

• Сопротивление воздуха. Поскольку транспортные средства не движутся в вакууме, воздух имеет силу сопротивления, а поскольку сила, умноженная на расстояние, равна энергии, это требует энергии.
• Сопротивление качению. Хотя шины устраняют трение, сопротивление качению, преобразующее кинетическую энергию в тепло при движении, невелико.
• Ускорение. Чтобы разогнать массу, требуется энергия. При торможении эта энергия теоретически может быть где-то сохранена, но на практике это происходит редко, а когда это делается (например, в гибридных автомобилях), эффективность низка.
• Сопротивление подъему. При движении в гору автомобилю приходится преодолевать гравитацию. Конечно, при обратном спуске энергия, запасенная в гравитационном поле, высвобождается, но затем она обычно теряется при торможении.
• Потери двигателя. Двигатели теряют энергию в системе охлаждения и в выхлопной системе.
• Дополнительные потери. В автомобиле есть электрические нагрузки, например фары. Кроме того, гидроусилитель руля, охлаждение двигателя с помощью водяного насоса и кондиционер потребляют энергию.

Единственный способ улучшить экономию топлива транспортного средства — это уменьшить количество отходов энергии, направляемой на одно из этих целей. Если кто-то утверждает, что у него есть решение для улучшения экономии топлива, но не может сказать, к какой категории оно относится, то это почти наверняка не настоящее решение.

Есть как минимум следующие технологии, которые улучшают топливную экономичность автомобиля:

• Снижение массы. Меньшая масса означает меньшее сопротивление подъему и меньшее сопротивление ускорению.
• Уменьшение лобовой площади за счет уменьшения высоты автомобиля. Это снижает сопротивление воздуха.
• Лучшая аэродинамика. Наличие определенной формы корпуса снижает сопротивление воздуха при неизменной лобовой площади. Вероятно, лучший практичный корпус — это корпус Kammback.
• Более высокое давление в шинах. Большее давление означает меньшее сопротивление качению.
• Радиальные шины, которые сегодня используются во всех транспортных средствах вместо старых диагональных шин.
• Уменьшение объема двигателя. Это часто используется в сочетании с технологиями, которые выжимают больше мощности из небольших двигателей, улучшая крутящий момент или красную черту оборотов, чтобы ускорение не страдало.
• Турбонаддув. Турбонаддув восстанавливает часть энергии выхлопных газов, чтобы сжать больше воздуха в двигатель.
• Промежуточное охлаждение. Это предотвращает проблемы с детонацией двигателя при турбонаддуве.
• Рециркуляция выхлопных газов. Это снижает потери на дросселирование и отвод тепла из-за более низких температур.
• Более высокие степени сжатия. Согласно базовой термодинамике, степень сжатия говорит о максимальной теоретической эффективности двигателя. К сожалению, высокая степень сжатия может вызвать стук.
• Воспламенение от сжатия, т.е. дизельные двигатели. Это позволяет использовать очень высокие степени сжатия и сжигание обедненной смеси, а также полностью устраняет потери на дросселирование.
• Аксессуары с электроприводом, такие как гидроусилитель руля, кондиционер и электрический водяной насос. Когда аксессуары питаются от электричества, им не нужно вращаться со скоростью, пропорциональной частоте вращения двигателя, и, следовательно, повышается эффективность.
• Электронный впрыск топлива. Благодаря точному контролю соотношения воздух/топливо улучшается экономия топлива. Электронный впрыск топлива также позволяет отключить подачу топлива при торможении двигателем.
• Постный ожог. При использовании стехиометрического соотношения воздух/топливо всегда остается незначительное количество несгоревшего топлива. Сжигание на обедненной смеси почти полностью устраняет это несгоревшее топливо.
• Эмуляция цикла Аткинсона. В обычном двигателе, работающем по циклу Отто, в конце такта расширения давление в цилиндре больше, чем давление воздуха, и поэтому при открытии выпускного клапана сразу теряется некоторое количество полезной энергии. Эмуляция цикла Аткинсона использует фазы газораспределения, которые возвращают некоторое количество воздушно-топливной смеси во впускной коллектор в начале такта сжатия. Тогда степень сжатия ниже степени расширения, и, следовательно, давление в цилиндре аналогично давлению воздуха при открытии выпускного клапана.
• Изменяемая фаза газораспределения. Это позволяет оптимизировать двигатель для всех оборотов, а не только для определенных.
• Прямой впрыск. Эта технология обеспечивает сверхбережливое сжигание.
• Система впрыска Common Rail в дизельных двигателях. Более высокое давление способствует лучшему распылению топлива.
• Деактивация цилиндра. Деактивация цилиндров означает, что меньше цилиндров всасывают воздух через впускной коллектор, что снижает насосные потери.
• Смещенный коленчатый вал. Силы наибольшие во время такта расширения, и если коленчатый вал не смещен, возникают боковые силы. Смещенный коленчатый вал устраняет эти боковые силы и, таким образом, уменьшает трение.
• Смазочные материалы с меньшей вязкостью. Вязкость смазочных материалов означает, что смазка не течет свободно, и поэтому для ее течения требуется энергия. Наличие двигателей, которые работают со смазочными материалами с более низкой вязкостью, означает, что эти потери потока смазочного материала уменьшаются.
• Увеличено количество передаточных чисел. Это означает, что двигатель чаще работает на оптимальных оборотах, и, таким образом, повышается эффективность использования топлива. Эта технология может быть доведена до крайности с помощью бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT).
• Система старт/стоп. Эта система останавливает двигатель при остановке, устраняя потери на холостом ходу.
• Рекуперативное торможение. В такой системе используется генератор, который накапливает энергию в батарее в качестве тормоза. Лучше всего это делать в гибридном автомобиле, но и негибридные автомобили могут иметь некоторое рекуперативное торможение, если напряжение системы зарядки остается низким во время движения и резко увеличивается при торможении двигателем.
• Блокировка гидротрансформатора. Преобразователи крутящего момента имеют некоторое скольжение, поэтому они теряют энергию в виде тепла. Благодаря механической блокировке гидротрансформатора на высоких скоростях потери энергии исключаются. Это повышает эффективность автомобилей с автоматической коробкой передач.
• Гибридная технология. Эта технология использует электричество в качестве еще одного источника энергии. В результате КПД двигателя может быть повышен за счет уменьшения размеров двигателя или использования цикла Аткинсона без снижения ускорения.
• Переменный подъем клапана. Это снижает насосные потери за счет использования подъема клапана вместо корпуса дроссельной заслонки для управления впуском воздуха в двигатель.
• Многоклапанная технология. Имея более двух клапанов на цилиндр, можно улучшить общую площадь всех клапанов. Это почти всегда реализуется с помощью двойного верхнего распределительного вала.

Большинство методов нелегко применить к существующим автомобилям, и, таким образом, лучший способ улучшить экономию топлива, помимо экономичного вождения, - это помнить об этом при покупке следующего автомобиля. Если решение, улучшающее экономию топлива, отсутствует в этом списке, вероятно, это решение на самом деле не улучшает экономию топлива (хотя может случиться так, что я забыл что-то важное из списка).