Топливная эффективность (или экономия топлива ) является формой тепловой эффективности , то есть отношением 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, которое, в свою очередь, может варьироваться в зависимости от применения, и этот спектр дисперсии часто иллюстрируется как непрерывный энергетический профиль . Нетранспортные приложения, такие как промышленность , выигрывают от повышения топливной эффективности, особенно электростанции 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, определяемая как отношение пройденного расстояния к единице потребленного топлива . Она зависит от нескольких факторов, включая эффективность 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/л). В ряде стран, все еще использующих другие системы, экономия топлива выражается в милях на галлон (миль на галлон), например, в США и, как правило, также в Великобритании ( имперский галлон); иногда возникает путаница, поскольку имперский галлон на 20% больше американского галлона, поэтому значения миль на галлон напрямую не сопоставимы. Традиционно литры на мил использовались в Норвегии и Швеции , но обе страны привели их в соответствие со стандартом ЕС л/100 км. [1]
Расход топлива является более точным показателем производительности транспортного средства, поскольку он представляет собой линейную зависимость, в то время как экономия топлива приводит к искажениям в улучшении эффективности. [2] Удельная весовая эффективность (эффективность на единицу веса) может быть указана для грузовых транспортных средств , а удельная пассажирская эффективность (эффективность транспортного средства на одного пассажира) — для легковых транспортных средств.
Топливная эффективность зависит от многих параметров транспортного средства, включая параметры двигателя , аэродинамическое сопротивление , вес, использование кондиционера, топливо и сопротивление качению . За последние десятилетия были достигнуты успехи во всех областях проектирования транспортных средств. Топливную эффективность транспортных средств также можно улучшить за счет тщательного обслуживания и привычек вождения. [3]
Гибридные автомобили используют два или более источника энергии для движения. Во многих конструкциях небольшой двигатель внутреннего сгорания объединен с электродвигателями. Кинетическая энергия, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла во время торможения, повторно улавливается в виде электроэнергии для повышения топливной экономичности. Более крупные батареи в этих автомобилях питают электронику автомобиля , позволяя двигателю выключаться и избегать длительного холостого хода . [4]
Эффективность автопарка описывает среднюю эффективность популяции транспортных средств. Технологические достижения в эффективности могут быть компенсированы изменением покупательских привычек с тягой к более тяжелым транспортным средствам, которые менее экономичны. [5]
Энергоэффективность похожа на топливную эффективность, но ввод обычно осуществляется 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 входной энергии, требуемой для единицы продукции, такой как МДж/пассажиро-км (пассажирский транспорт), БТЕ/тонно-миля или кДж/т-км (грузовой транспорт), ГДж/т (для производства стали и других материалов), БТЕ/(кВт·ч) (для выработки электроэнергии) или литры/100 км (путешествия транспортного средства). Литры на 100 км также являются мерой «энергоемкости», где ввод измеряется количеством топлива, а вывод — пройденным расстоянием . Например: Экономия топлива в автомобилях .
Учитывая теплотворную способность топлива, было бы тривиально перевести единицы измерения топлива (например, литры бензина) в единицы измерения энергии (например, МДж) и наоборот. Но есть две проблемы со сравнениями, сделанными с использованием единиц измерения энергии:
Удельное энергосодержание топлива — это тепловая энергия, получаемая при сжигании определенного количества (например, галлона, литра, килограмма). Иногда его называют теплотой сгорания . Существует два различных значения удельной тепловой энергии для одной и той же партии топлива. Одно из них — это высокая (или валовая) теплота сгорания, а другое — низкая (или чистая) теплота сгорания. Высокое значение получается, когда после сгорания вода в выхлопных газах находится в жидкой форме. Для низкого значения вся вода в выхлопных газах находится в форме пара. Поскольку водяной пар отдает тепловую энергию при переходе из пара в жидкость, значение жидкой воды больше, поскольку оно включает скрытую теплоту испарения воды. Разница между высоким и низким значениями значительна, около 8 или 9%. Это объясняет большую часть видимого расхождения в теплоте сгорания бензина. В США (и таблице) традиционно использовались высокие значения теплоты сгорания, но во многих других странах обычно используются низкие значения теплоты сгорания.
[8]
Ни общая теплота сгорания, ни чистая теплота сгорания не дают теоретического количества механической энергии (работы), которое может быть получено в результате реакции. (Оно определяется изменением свободной энергии Гиббса и составляет около 45,7 МДж/кг для бензина.) Фактическое количество механической работы, полученной из топлива (обратная величина удельного расхода топлива ), зависит от двигателя. Для бензинового двигателя возможна цифра 17,6 МДж/кг, а для дизельного — 19,1 МДж/кг. Для получения дополнительной информации см. Удельный расход топлива на торможение . [ необходимо разъяснение ]
Энергоэффективность в транспорте - это полезное пройденное расстояние , пассажиров, товаров или любого типа груза; деленное на общую энергию, вложенную в транспортные средства движения . Входная энергия может быть представлена несколькими различными типами в зависимости от типа движения, и обычно такая энергия представлена в жидком топливе , электрической энергии или пищевой энергии . [9] [10] Энергоэффективность также иногда называют энергоемкостью . [11] Обратной величиной энергоэффективности в транспорте является потребление энергии в транспорте.
Энергоэффективность в транспорте часто описывается в терминах расхода топлива , расход топлива является обратной величиной экономии топлива. [10] Тем не менее, расход топлива связан со средством движения, которое использует жидкое топливо , в то время как энергоэффективность применима к любому виду движения. Чтобы избежать этой путаницы и иметь возможность сравнивать энергоэффективность в любом типе транспортного средства, эксперты стремятся измерять энергию в Международной системе единиц , т. е. в джоулях .
Таким образом, в Международной системе единиц энергоэффективность на транспорте измеряется в метрах на джоуль, или м/Дж, в то время как потребление энергии на транспорте измеряется в джоулях на метр, или Дж/м. Чем эффективнее транспортное средство, тем больше метров оно преодолевает за один джоуль (больше эффективности) или тем меньше джоулей оно использует для проезда одного метра (меньше потребления). Энергоэффективность на транспорте во многом зависит от вида транспорта. Различные виды транспорта варьируются от нескольких сотен килоджоулей на километр (кДж/км) для велосипеда до десятков мегаджоулей на километр (МДж/км) для вертолета .
Энергоэффективность также часто связана с эксплуатационными расходами (долл. США/км) и выбросами в окружающую среду (например, CO2/км) в зависимости от типа используемого топлива и скорости его потребления .
Экономия топлива автомобиля связана с расстоянием , пройденным транспортным средством, и количеством потребляемого топлива . Потребление может быть выражено в терминах объема топлива для преодоления расстояния или расстояния, пройденного на единицу объема потребляемого топлива. Поскольку потребление топлива транспортными средствами является существенным фактором загрязнения воздуха, а импорт моторного топлива может составлять значительную часть внешней торговли страны , многие страны устанавливают требования к экономии топлива.
Для аппроксимации фактической производительности транспортного средства используются различные методы. Энергия в топливе требуется для преодоления различных потерь ( сопротивление ветра , сопротивление шин и другие), возникающих при движении транспортного средства, а также для обеспечения питания систем транспортного средства, таких как зажигание или кондиционирование воздуха. Различные стратегии могут использоваться для снижения потерь при каждом преобразовании между химической энергией топлива и кинетической энергией транспортного средства. Поведение водителя может влиять на экономию топлива; маневры, такие как резкое ускорение и резкое торможение, тратят энергию.
Электромобили не сжигают топливо напрямую и, следовательно, не обладают экономией топлива как таковой, но для их сравнения были созданы меры эквивалентности, такие как количество миль на галлон бензинового эквивалента .
Энергосберегающие методы вождения используются водителями, которые хотят сократить расход топлива и, таким образом, максимально повысить эффективность использования топлива. Многие водители имеют потенциал для значительного повышения эффективности использования топлива. [13] Простые вещи, такие как поддержание шин в надлежащем состоянии, хорошее техническое обслуживание автомобиля и избегание холостого хода, могут значительно повысить эффективность использования топлива. [14] Осторожное использование ускорения и замедления и особенно ограничение использования высоких скоростей помогают повысить эффективность. Использование нескольких таких методов называется « гипермилинг ». [15]
Простые методы повышения топливной эффективности могут привести к снижению расхода топлива без необходимости прибегать к радикальным методам экономии топлива, которые могут быть незаконными и опасными, например, движение вплотную к более крупным транспортным средствам.Наиболее эффективными машинами для преобразования энергии во вращательное движение являются электродвигатели, используемые в электромобилях . Однако электричество не является основным источником энергии, поэтому необходимо также учитывать эффективность производства электроэнергии. Железнодорожные поезда могут питаться электричеством, подаваемым через дополнительный ходовой рельс, контактную сеть или бортовые генераторы, используемые в дизель-электрических локомотивах, как это принято в железнодорожных сетях США и Великобритании. Загрязнение, производимое централизованной генерацией электроэнергии, выбрасывается на удаленной электростанции, а не «на месте». Загрязнение можно уменьшить, используя большую электрификацию железных дорог и низкоуглеродную энергию 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 было отражено в исследовании, проведенном AEA Technology, в котором сравнивались поездки поездов Eurostar и авиалиний между Лондоном и Парижем. По данным исследования, поезда в среднем выбрасывают в атмосферу в 10 раз меньше CO2 на одного пассажира, чем самолеты, чему частично способствовала французская атомная энергетика. [16]
В будущем водородные автомобили могут стать коммерчески доступными. Toyota проводит тестовые продажи автомобилей, работающих на водородных топливных элементах, в южной Калифорнии, где был создан ряд водородных заправочных станций. Работающие либо за счет химических реакций в топливных элементах , которые создают электричество для привода очень эффективных электродвигателей, либо за счет прямого сжигания водорода в двигателе внутреннего сгорания (почти идентично транспортному средству на природном газе и аналогично совместимы как с природным газом, так и с бензином); эти автомобили обещают иметь почти нулевое загрязнение от выхлопной трубы (выхлопной трубы). Потенциально загрязнение атмосферы может быть минимальным, если водород производится электролизом с использованием электричества из экологически чистых источников, таких как солнечная, ветровая или гидроэлектроэнергия или ядерная энергия. Коммерческое производство водорода использует ископаемое топливо и производит больше углекислого газа, чем водорода.
Поскольку в процессе производства и утилизации автомобиля, а также в процессе производства, передачи и хранения электроэнергии и водорода присутствуют загрязняющие вещества, маркировка «нулевое загрязнение» применима только к преобразованию автомобилем накопленной энергии в движение.
В 2004 году консорциум крупнейших автопроизводителей — BMW , General Motors , Honda , Toyota и Volkswagen / Audi — разработал «Стандарт для бензина высшего уровня моющих присадок» для марок бензина в США и Канаде, которые соответствуют их минимальным стандартам по содержанию моющих присадок [17] и не содержат металлических добавок. Бензин высшего уровня содержит более высокие уровни моющих присадок, чтобы предотвратить образование отложений (обычно на топливных форсунках и впускных клапанах ), которые, как известно, снижают экономию топлива и производительность двигателя. [18]
То, как сгорает топливо, влияет на количество вырабатываемой энергии. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) исследовало потребление топлива в условиях микрогравитации .
Обычное распределение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к вершине пламени, например, в свече, делая пламя желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , например, в условиях открытого космоса , конвекция больше не происходит, и пламя становится сферическим , с тенденцией становиться более синим и более эффективным. Существует несколько возможных объяснений этой разницы, из которых наиболее вероятным является гипотеза о том, что температура распределена достаточно равномерно, чтобы сажа не образовывалась и происходило полное сгорание., Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, апрель 2005 г. Эксперименты НАСА в условиях микрогравитации показывают, что диффузионное пламя в условиях микрогравитации позволяет полностью окислить больше сажи после ее образования, чем диффузионное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые ведут себя по-разному в условиях микрогравитации по сравнению с условиями нормальной 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 служит гораздо дольше. [19]
