Войти
Топливная эффективность - это форма теплового КПД, означающая отношение усилия к результату процесса, который преобразует химическую потенциальную энергию, содержащуюся в носителе ( топливе ), в кинетическую энергию или работу. Общая топливная эффективность может варьироваться в зависимости от устройства, что, в свою очередь, может варьироваться в зависимости от приложения, и этот спектр отклонений часто иллюстрируется как непрерывный профиль энергии. Нетранспортные приложения, такие как промышленность, получают выгоду от повышения эффективности использования топлива, особенно электростанции, работающие на ископаемом топливе, или отрасли, связанные со сжиганием, такие как производство аммиака в процессе Габера.
В контексте транспорта экономия топлива - это энергоэффективность конкретного транспортного средства, выраженная как отношение пройденного расстояния на единицу потребляемого топлива. Это зависит от нескольких факторов, включая КПД двигателя, конструкцию трансмиссии и конструкцию шин. В большинстве стран, использующих метрическую систему, экономия топлива указывается как «расход топлива» в литрах на 100 километров (л / 100 км) или километрах на литр (км / л или км / ч). В ряде стран, все еще использующих другие системы, экономия топлива выражается в милях на галлон (mpg), например, в США и обычно также в Великобритании ( имперский галлон); иногда возникает путаница, поскольку британский галлон на 20% больше, чем галлон США, поэтому значения миль на галлон нельзя напрямую сравнивать. Традиционно литры на мил использовались в Норвегии и Швеции, но оба соответствуют стандарту ЕС - л / 100 км.
Расход топлива является более точным показателем характеристик транспортного средства, потому что это линейная зависимость, в то время как экономия топлива приводит к искажениям в повышении эффективности. H Весовая эффективность (эффективность на единицу веса) может быть указана для грузовых автомобилей, а специфическая для пассажиров эффективность (эффективность транспортного средства на пассажира) - для пассажирских транспортных средств.
Топливная эффективность зависит от многих параметров транспортного средства, включая параметры двигателя, аэродинамическое сопротивление, вес, использование переменного тока, топливо и сопротивление качению. За последние десятилетия во всех областях конструкции транспортных средств были достигнуты успехи. Топливную экономичность транспортных средств также можно повысить за счет тщательного обслуживания и вождения.
Гибридные автомобили используют два или более источника энергии для приведения в движение. Во многих конструкциях небольшой двигатель внутреннего сгорания сочетается с электродвигателями. Кинетическая энергия, которая в противном случае была бы потеряна на тепло во время торможения, повторно используется в качестве электроэнергии для повышения эффективности использования топлива. Двигатели автоматически отключаются, когда автомобили останавливаются, и снова запускаются при нажатии педали акселератора, предотвращая потерю энергии из-за холостого хода.
Эффективность автопарка описывает среднюю эффективность группы транспортных средств. Технологический прогресс в эффективности может быть компенсирован изменением покупательских привычек в пользу более тяжелых транспортных средств, которые при прочих равных являются менее эффективными.
Энергоэффективность аналогична топливной эффективности, но обычно вводится в единицах энергии, таких как мегаджоули (МДж), киловатт-часы (кВт ч), килокалории (ккал) или британские тепловые единицы (БТЕ). Обратной величиной «энергоэффективности» является «энергоемкость» или количество потребляемой энергии, требуемой для единицы продукции, такой как МДж / пассажиро-км (пассажирского транспорта), БТЕ / тонно-милю или кДж / т-км ( грузового транспорта), ГДж / т (для производства стали и других материалов), БТЕ / (кВт ч) (для выработки электроэнергии) или литров / 100 км (при движении автотранспорта). Литры на 100 км также являются показателем «энергоемкости», когда вход измеряется количеством топлива, а выход измеряется пройденным расстоянием. Например: Экономия топлива в автомобилях.
Учитывая теплотворную способность топлива, было бы тривиально преобразовать единицы топлива (например, литры бензина) в единицы энергии (например, МДж) и наоборот. Но есть две проблемы со сравнениями, сделанными с использованием единиц измерения энергии:
Удельная энергия топлива - это тепловая энергия, полученная при сжигании определенного количества топлива (например, галлон, литр, килограмм). Иногда его называют теплотой сгорания. Для одной и той же партии топлива существует два разных значения удельной тепловой энергии. Один - это высокая (или полная) теплота сгорания, а другой - низкая (или чистая) теплота сгорания. Высокое значение достигается, когда после сгорания вода в выхлопе находится в жидкой форме. При низком значении вся вода в выхлопе находится в виде пара (пара). Поскольку водяной пар отдает тепловую энергию, когда он превращается из пара в жидкость, значение жидкой воды больше, поскольку оно включает скрытую теплоту испарения воды. Разница между высокими и низкими значениями значительна, около 8 или 9%. Этим объясняется большая часть очевидного несоответствия теплотворной способности бензина. В США (и в таблице) традиционно использовались высокие значения теплоты сгорания, но во многих других странах обычно используются низкие значения теплоты сгорания.
| Тип топлива | МДж / л | МДж / кг | БТЕ / имп гал. | БТЕ / галлон США | Октановое число по исследовательскому методу (RON) |
|---|---|---|---|---|---|
| Обычный бензин / бензин | 34,8 | ~ 47 | 150 100 | 125 000 | Мин. 91 |
| Премиум бензин / бензин | ~ 46 | Мин. 95 | |||
| Автогаз ( LPG ) (60% пропана и 40% бутана ) | 25,5–28,7 | ~ 51 | 108–110 | ||
| Спирт этиловый | 23,5 | 31,1 | 101 600 | 84 600 | 129 |
| Метанол | 17,9 | 19,9 | 77 600 | 64 600 | 123 |
| Бензохол (10% этанола и 90% бензина) | 33,7 | ~ 45 | 145 200 | 121 000 | 93/94 |
| E85 (85% этанола и 15% бензина) | 25,2 | ~ 33 | 108 878 | 90 660 | 100–105 |
| Дизель | 38,6 | ~ 48 | 166 600 | 138 700 | N / A (см. Цетан) |
| Биодизель | 35,1 | 39,9 | 151 600 | 126 200 | N / A (см. Цетан) |
| Растительное масло (из расчета 9,00 ккал / г) | 34,3 | 37,7 | 147 894 | 123 143 | |
| Бензин авиационный | 33,5 | 46,8 | 144 400 | 120 200 | 80–145 |
| Реактивное топливо, нафта | 35,5 | 46,6 | 153 100 | 127 500 | Не применимо к газотурбинным двигателям |
| Реактивное топливо, керосин | 37,6 | ~ 47 | 162 100 | 135 000 | Не применимо к газотурбинным двигателям |
| Сжиженный природный газ | 25,3 | ~ 55 | 109 000 | 90 800 | |
| Жидкий водород | 09,3 | ~ 130 | 40 467 | 33 696 |
Ни общая теплота сгорания, ни чистая теплота сгорания не дают теоретического количества механической энергии (работы), которое может быть получено в результате реакции. (Это определяется изменением свободной энергии Гиббса и составляет около 45,7 МДж / кг для бензина.) Фактическое количество механической работы, получаемой от топлива (обратное удельному расходу топлива ), зависит от двигателя. Цифра 17,6 МДж / кг возможна для бензинового двигателя и 19,1 МДж / кг для дизельного двигателя. Для получения дополнительной информации см. Удельный расход топлива тормозной системы.
Топливная эффективность автотранспортных средств может быть выражена несколькими способами:
Формула для преобразования в мили на галлон США (точно 3,785411784 л) из л / 100 км: где - значение л / 100 км. Для миль на галлон Imperial (точно 4,54609 л) формула.
В некоторых частях Европы два стандартных цикла измерения для значения «литр / 100 км» - это «городской» трафик со скоростью до 50 км / ч с холодного пуска, а затем «загородный» транспорт с различной скоростью до 120 км. / ч, что соответствует городскому тесту. Также приводится объединенная цифра, показывающая общее количество израсходованного топлива, разделенное на общее расстояние, пройденное в обоих испытаниях.
Достаточно современные европейские супермини и многие автомобили среднего размера, включая универсалы, могут управлять движением по автомагистрали со скоростью 5 л / 100 км (47 миль на галлон США / 56 миль на галлон имп) или 6,5 л / 100 км в городском потоке (36 миль на галлон США / 43. миль на галлон имп), с выбросами углекислого газа около 140 г / км.
Средний североамериканский автомобиль среднего размера проезжает 21 милю на галлон (США) (11 л / 100 км) по городу, 27 миль на галлон (США) (9 л / 100 км) по шоссе; полноразмерный внедорожник, как правило, проходит 13 миль на галлон (США) (18 л / 100 км) город и 16 миль на галлон (США) (15 л / 100 км) шоссе. Пикапы значительно различаются; в то время как легкий пикап с 4-цилиндровым двигателем может достигать 28 миль на галлон (8 л / 100 км), полноразмерный пикап V8 с удлиненной кабиной проезжает только 13 миль на галлон (США) (18 л / 100 км) по городу и 15 миль на галлон (США). (15 л / 100 км) трасса.
Средняя экономия топлива для всех транспортных средств на дорогах в Европе выше, чем в Соединенных Штатах, поскольку более высокая стоимость топлива меняет поведение потребителей. В Великобритании галлон газа без налогов стоил бы 1,97 доллара США, но с учетом налогов в 2005 году он стоил 6,06 доллара США. Средняя стоимость в Соединенных Штатах составляла 2,61 доллара США.
Автомобили европейского производства, как правило, более экономичны, чем автомобили в США. В то время как в Европе есть много более эффективных дизельных автомобилей, европейские бензиновые автомобили в среднем также более эффективны, чем автомобили с бензиновым двигателем в США. Большинство европейских транспортных средств, упомянутых в исследовании CSI, работают на дизельных двигателях, которые, как правило, имеют более высокую топливную экономичность, чем газовые двигатели. Продажа этих автомобилей в Соединенных Штатах затруднена из-за стандартов выбросов, отмечает Уолтер Макманус, эксперт по экономии топлива из Института транспортных исследований Мичиганского университета. «По большей части европейские дизели не соответствуют нормам выбросов США», - сказал Макманус в 2007 году. Еще одна причина, по которой многие европейские модели не продаются в Соединенных Штатах, заключается в том, что профсоюзы возражают против того, чтобы большая тройка импортировала любые новые иностранные постройки. модели независимо от экономии топлива при увольнении рабочих дома.
Пример возможностей европейских автомобилей экономия топлива является Мотоколяска Smart Fortwo CDI, который может достигать до 3,4 л / 100 км (69,2 миль на галлон США) с использованием турбонаддувом с тремя цилиндрами 41 л.с. (30 кВт) дизельный двигатель. Fortwo производится Daimler AG и продается только одной компанией в США. Кроме того, мировой рекорд по экономии топлива для серийных автомобилей принадлежит Volkswagen Group, со специальными серийными моделями (обозначенными «3L») Volkswagen Lupo и Audi A2, потребляющими всего 3 л / 100 км (94 миль на галлон - имп ; 78 миль на галлон ‑US).
Дизельные двигатели обычно обладают большей топливной экономичностью, чем бензиновые (бензиновые) двигатели. Дизельные двигатели легковых автомобилей имеют КПД до 41%, но чаще 30%, а бензиновые двигатели до 37,3%, но чаще 20%. Это одна из причин, по которой дизели имеют лучшую топливную экономичность, чем аналогичные бензиновые автомобили. Обычный запас на 25% больше миль на галлон для эффективного турбодизеля.
Например, текущая модель Skoda Octavia, использующая двигатели Volkswagen, имеет комбинированный европейский топливный КПД 41,3 миль на галлон ‑ US (5,70 л / 100 км) для бензинового двигателя 105 л.с. (78 кВт) и 52,3 миль на галлон ‑US (4,50 л / 100 км). 100 км) для дизельного двигателя мощностью 105 л.с. (78 кВт) и более тяжелого. Более высокая степень сжатия помогает повысить энергоэффективность, но дизельное топливо также содержит примерно на 10% больше энергии на единицу объема, чем бензин, что способствует снижению расхода топлива при заданной выходной мощности.
В 2002 году в Соединенных Штатах было 85 174 776 грузовиков, и в среднем 13,5 миль на галлон США (17,4 л / 100 км; 16,2 миль на галлон ‑ имп.). Большие грузовики, весом более 33 000 фунтов (15 000 кг), в среднем составляли 5,7 миль на галлон США (41 л / 100 км; 6,8 миль на галлон ‑ имп).
| Полная масса, фунты | Число | Процент | Среднее количество миль на грузовик | экономия топлива | Процент использования топлива |
|---|---|---|---|---|---|
| 6000 фунтов и меньше | 51 941 389 | 61,00% | 11 882 | 17,6 | 42,70% |
| 6 001 - 10 000 фунтов | 28 041 234 | 32,90% | 12 684 | 14,3 | 30,50% |
| Итого для легких грузовиков | 79 982 623 | 93,90% | 12 163 | 16,2 | 73,20% |
| 10 001 - 14 000 фунтов | 691 342 | 0,80% | 14 094 | 10,5 | 1,10% |
| 14 001 - 16 000 фунтов | 290 980 | 0,30% | 15,441 | 8,5 | 0,50% |
| 16001 - 19 500 фунтов | 166 472 | 0,20% | 11 645 | 7.9 | 0,30% |
| 19 501 - 26 000 фунтов | 1 709 574 | 2,00% | 12 671 | 7 | 3,20% |
| Средний грузовик, промежуточный итог | 2 858 368 | 3,40% | 13 237 | 8 | 5,20% |
| 26 001 - 33 000 фунтов | 179 790 | 0,20% | 30 708 | 6.4 | 0,90% |
| 33 001 фунт и больше | 2 153 996 | 2,50% | 45 739 | 5,7 | 20,70% |
| Итого по тяжелым грузовикам | 2 333 786 | 2,70% | 44 581 | 5,8 | 21,60% |
| Общее | 85 174 776 | 100,00% | 13 088 | 13,5 | 100,00% |
Средняя экономия автомобилей в Соединенных Штатах в 2002 году составляла 22,0 мили на галлон США (10,7 л / 100 км; 26,4 миль на галлон ‑ имп.). К 2010 году это увеличилось до 23,0 миль на галлон США (10,2 л / 100 км; 27,6 миль на галлон ‑ имп.). Средняя экономия топлива в Соединенных Штатах постепенно снижалась до 1973 года, когда она достигла минимума в 13,4 миль на галлон США (17,6 л / 100 км; 16,1 миль на галлон ‑ имп.) И с тех пор постепенно увеличивалась в результате более высокой стоимости топлива. Исследование показывает, что повышение цен на газ на 10% в конечном итоге приведет к увеличению экономии топлива на 2,04%. Одним из методов повышения топливной экономичности, разработанным автопроизводителями, является облегчение, при котором вместо более легких материалов используются улучшенные характеристики двигателя и управляемость.
То, как сгорает топливо, влияет на производство энергии. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) исследовал расход топлива в условиях микрогравитации.
Обычное распространение пламени в условиях нормальной силы тяжести зависит от конвекции, потому что сажа имеет тенденцию подниматься к вершине пламени, например, в свече, делая пламя желтым. В условиях микрогравитации или невесомости, например, в космической среде, конвекция больше не возникает, и пламя становится сферическим, с тенденцией становиться более синим и более эффективным. Есть несколько возможных объяснений этой разницы, наиболее вероятным из которых является гипотеза о том, что температура достаточно равномерно распределена, чтобы не образовывалась сажа и не происходило полное сгорание., Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, апрель 2005 г. Эксперименты НАСА в Микрогравитация показывает, что диффузионное пламя в условиях невесомости позволяет большему количеству сажи полностью окиситься после того, как оно образовалось, чем диффузионное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые в микрогравитации ведут себя иначе, чем в обычных условиях гравитации. Результаты эксперимента LSP-1, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, апрель 2005 г. Предварительно смешанное пламя в условиях микрогравитации горит гораздо медленнее и эффективнее, чем даже свеча на Земле, и длится намного дольше.
Топливная эффективность напрямую влияет на выбросы, вызывающие загрязнение, влияя на количество используемого топлива. Однако это также зависит от источника топлива, используемого для привода соответствующего транспортного средства. Например, автомобили могут работать на ряде других видов топлива, помимо бензина, таких как природный газ, сжиженный нефтяной газ или биотопливо или электричество, что создает различные количества загрязнения атмосферы.
Килограмм углерода, независимо от того, содержится ли он в бензине, дизельном топливе, керосине или любом другом углеводородном топливе в транспортном средстве, приводит к примерно 3,6 кг выбросов CO 2. Из-за содержания углерода в бензине при его сгорании выделяется 2,3 кг / л (19,4 фунта / галлон США) CO 2 ; поскольку дизельное топливо более энергоемкое на единицу объема, дизельное топливо выделяет 2,6 кг / л (22,2 фунта / галлон США). Эта цифра представляет собой только выбросы CO 2 конечного топливного продукта и не включает дополнительные выбросы CO 2, возникающие во время этапов бурения, откачки, транспортировки и очистки, необходимых для производства топлива. Дополнительные меры по снижению общих выбросов включают повышение эффективности кондиционеров, освещения и шин.
Многие водители могут значительно улучшить свою топливную экономичность. Эти пять основных методов экономичного вождения могут быть эффективными. Простые вещи, такие как поддержание надлежащего накачивания шин, поддержание в хорошем состоянии транспортного средства и предотвращение холостого хода, могут значительно повысить топливную экономичность.
Растет сообщество энтузиастов, известных как гипермилеры, которые разрабатывают и практикуют методы вождения для повышения топливной эффективности и снижения расхода топлива. Hypermilers побили рекорды топливной экономичности, например, достигнув 109 миль на галлон в Prius. В не-гибридных транспортных средств, эти методы также полезны, с эффективностью топлива до 59 миль на галлон -US (4,0 л / 100 км) в Honda Accord или 30 миль на галлон -US (7,8 л / 100 км) в качестве Acura MDX.
Наиболее эффективными машинами для преобразования энергии во вращательное движение являются электродвигатели, используемые в электромобилях. Однако электричество не является первичным источником энергии, поэтому необходимо также учитывать эффективность производства электроэнергии. Железнодорожные поезда могут приводиться в движение электричеством, подаваемым через дополнительный ходовой рельс, воздушную контактную сеть или бортовые генераторы, используемые в дизель-электрических локомотивах, что является обычным явлением в железнодорожных сетях США и Великобритании. Загрязнение от централизованного производства электроэнергии происходит на удаленной электростанции, а не «на месте». Загрязнение можно уменьшить за счет большей электрификации железных дорог и использования энергии с низким содержанием углерода для производства электроэнергии. Некоторые железные дороги, такие как французская SNCF и швейцарские федеральные железные дороги, получают большую часть, если не 100% своей энергии, от гидроэлектростанций или атомных электростанций, поэтому загрязнение атмосферы от их железнодорожных сетей очень низкое. Это нашло отражение в исследовании AEA Technology между поездом Eurostar и авиаперевозками между Лондоном и Парижем, которое показало, что поезда в среднем выбрасывают в 10 раз меньше CO 2 на пассажира, чем самолеты, чему частично способствовала французская атомная энергия.
В будущем водородные автомобили могут быть коммерчески доступны. Toyota занимается тестированием автомобилей с водородными топливными элементами в южной Калифорнии, где была создана серия водородных заправочных станций. Работает либо за счет химических реакций в топливном элементе, которые вырабатывают электричество для привода очень эффективных электродвигателей, либо за счет прямого сжигания водорода в двигателе внутреннего сгорания (почти идентично транспортному средству, работающему на природном газе, и одинаково совместим как с природным газом, так и с бензином); Эти автомобили обещают практически нулевое загрязнение выхлопной трубы. Потенциально загрязнение атмосферы может быть минимальным при условии, что водород получают путем электролиза с использованием электричества из экологически чистых источников, таких как солнце, ветер, гидроэлектроэнергия или ядерная энергия. Коммерческое производство водорода использует ископаемое топливо и производит больше углекислого газа, чем водорода.
Поскольку в производстве и уничтожении автомобиля, а также в производстве, передаче и хранении электроэнергии и водорода присутствуют загрязнители, ярлык «нулевое загрязнение» применяется только к преобразованию накопленной энергии автомобиля в движение.
В 2004 году консорциум крупных автомобилестроительных компаний - BMW, General Motors, Honda, Toyota и Volkswagen / Audi - разработал «Топ-стандарт на бензин для моющих средств» для марок бензина в США и Канаде, которые соответствуют минимальным стандартам содержания моющих средств. и не содержат металлических добавок. Бензин высшего уровня содержит более высокие уровни моющих присадок, чтобы предотвратить образование отложений (обычно на топливной форсунке и впускном клапане ), которые, как известно, снижают экономию топлива и производительность двигателя.
