Топливная эффективность (или экономия топлива ) — это форма термического КПД , означающая отношение усилий 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 применения, и этот спектр отклонений часто иллюстрируется как непрерывный энергетический профиль . Нетранспортные применения, такие как промышленность , выигрывают от повышения эффективности использования топлива, особенно электростанции, работающие на ископаемом топливе, или отрасли, занимающиеся 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 израсходованного топлива . Это зависит от нескольких факторов, включая эффективность двигателя , конструкцию трансмиссии и конструкцию шин . В большинстве стран, использующих метрическую систему , экономия топлива определяется 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 (миль на галлон), например в США и обычно также в Великобритании ( имперский галлон); иногда возникает путаница, поскольку британский галлон на 20% больше галлона США, поэтому значения миль на галлон напрямую не сопоставимы. Традиционно в Норвегии и Швеции использовались литры на мил , но обе страны соответствуют стандарту ЕС л/100 км. [1]
Расход топлива является более точным показателем производительности автомобиля, поскольку он представляет собой линейную зависимость, в то время как экономия топлива приводит к искажениям в повышении эффективности. [2] Эффективность по весу (эффективность на единицу веса) может быть указана для грузовых автомобилей , а эффективность по пассажирам (эффективность транспортного средства на одного пассажира) для пассажирских транспортных средств.
Эффективность использования топлива зависит от многих параметров транспортного средства, включая параметры его двигателя , аэродинамическое сопротивление , вес, использование переменного тока, топливо и сопротивление качению . За последние десятилетия во всех областях проектирования транспортных средств были достигнуты успехи. Топливную эффективность транспортных средств также можно повысить за счет тщательного технического обслуживания и правил вождения. [3]
Гибридные автомобили используют два или более источников энергии для движения. Во многих конструкциях небольшой двигатель внутреннего сгорания сочетается с электродвигателями. Кинетическая энергия, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла во время торможения, возвращается в виде электрической энергии для повышения эффективности использования топлива. Батареи большего размера в этих автомобилях питают электронику автомобиля , позволяя двигателю отключаться и избегать длительной работы на холостом ходу . [4]
Эффективность парка описывает среднюю эффективность парка транспортных средств. Технологические достижения в области эффективности могут быть компенсированы изменением покупательских привычек в результате склонности к более тяжелым транспортным средствам, которые менее экономичны. [5]
Энергоэффективность аналогична эффективности использования топлива, но затраты обычно выражаются в таких единицах энергии, как мегаджоули (МДж), киловатт-часы (кВт·ч), килокалории (ккал) или британские тепловые единицы (БТЕ). Обратной стороной понятия «энергоэффективность» является « энергоемкость », или количество входной энергии, необходимое для единицы продукции, такой как МДж/пассажир-км (пассажирского транспорта), БТЕ/тонна-миля или кДж/т-км ( грузового транспорта), ГДж/т (для производства стали и других материалов), БТЕ/(кВт·ч) (для производства электроэнергии) или литры/100 км (проезд транспортного средства). Литры на 100 км также являются мерой «энергоемкости», где расход измеряется количеством топлива, а выход измеряется пройденным расстоянием . Например: Экономия топлива в автомобилях .
Учитывая теплотворную способность топлива, было бы несложно преобразовать топливные единицы (например, литры бензина) в энергетические единицы (например, МДж) и наоборот. Но есть две проблемы со сравнениями, проводимыми с использованием энергетических единиц:
Удельное энергосодержание топлива — это тепловая энергия, получаемая при сжигании определенного количества топлива (например, галлона, литра, килограмма). Иногда ее называют теплотой сгорания . Для одной и той же партии топлива существуют два разных значения удельной тепловой энергии. Один из них — это высокая (или валовая) теплота сгорания, а другой — низкая (или чистая) теплота сгорания. Высокое значение получается, когда после сгорания вода в выхлопных газах находится в жидкой форме. При низком значении вся вода в выхлопных газах находится в форме пара (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 высокими и низкими значениями значительна, около 8 или 9%. Этим объясняется большая часть кажущегося несоответствия в теплоте сгорания бензина. В США (и в таблице) традиционно используются высокие теплотворные способности, но во многих других странах обычно используются низкие теплотворные способности.
[8]
Ни валовая теплота сгорания, ни чистая теплота сгорания не дают теоретического количества механической энергии (работы), которую можно получить в результате реакции. (Это определяется изменением свободной энергии Гиббса и составляет около 45,7 МДж/кг для бензина.) Фактическое количество механической работы, полученной с топливом (обратное значение удельного расхода топлива ), зависит от двигателя. Для бензинового двигателя возможен показатель 17,6 МДж/кг, для дизельного — 19,1 МДж/кг. Дополнительную информацию см. в разделе «Удельный расход топлива для тормозов» . [ нужны разъяснения ]
Энергоэффективность на транспорте – это полезное расстояние , пройденное пассажирами, товарами или любым типом груза; деленная на общую энергию , затрачиваемую на транспортные движители . Затрачиваемая энергия может быть представлена в нескольких различных типах в зависимости от типа двигательной установки, и обычно такая энергия представлена в виде жидкого топлива , электрической энергии или пищевой энергии . [9] [10] Энергоэффективность также иногда называют энергоемкостью . [11] Обратной стороной энергоэффективности на транспорте является потребление энергии на транспорте.
Энергоэффективность на транспорте часто описывается с точки зрения потребления топлива , причем потребление топлива является обратной величиной экономии топлива. [10] Тем не менее, потребление топлива связано со средствами движения, использующими жидкое топливо , в то время как энергоэффективность применима к любому виду движения. Чтобы избежать указанной путаницы и иметь возможность сравнивать энергоэффективность любого типа транспортных средств, эксперты склонны измерять энергию в Международной системе единиц , то есть в джоулях .
Поэтому в Международной системе единиц энергоэффективность на транспорте измеряется в метрах на джоуль, или м/Дж, а потребление энергии на транспорте измеряется в джоулях на метр, или Дж/м. Чем более эффективен автомобиль, тем больше метров он преодолевает с помощью одного джоуля (более высокая эффективность) или тем меньше джоулей он использует для преодоления расстояния в один метр (меньший расход). 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 типом используемого топлива и уровнем его потребления, а также с эксплуатационными расходами ($/км) и выбросами в окружающую среду (например, CO 2 /км).
Экономия топлива автомобиля зависит от расстояния , пройденного транспортным средством, и количества потребляемого топлива . Потребление может быть выражено в единицах объема топлива, необходимого для преодоления расстояния, или в единицах пройденного расстояния на единицу объема израсходованного топлива. Поскольку потребление топлива транспортными средствами является существенным фактором загрязнения воздуха, а также поскольку импорт моторного топлива может составлять значительную часть внешней торговли страны , многие страны вводят требования по экономии топлива. Для аппроксимации фактических характеристик автомобиля используются различные методы. Энергия топлива необходима для преодоления различных потерь ( сопротивление ветра , сопротивление шин и другие), возникающих при движении автомобиля, а также для обеспечения питания систем автомобиля, таких как зажигание или кондиционирование воздуха. Для уменьшения потерь при каждом преобразовании между химической энергией топлива и кинетической энергией транспортного средства можно использовать различные стратегии. Поведение водителя может повлиять на экономию топлива; маневры, такие как резкое ускорение и резкое торможение, тратят энергию.
Электромобили не сжигают топливо напрямую и поэтому не обладают экономией топлива как таковой, но для попытки их сравнения были созданы меры эквивалентности, такие как количество миль на галлон бензинового эквивалента .
Энергоэффективные методы вождения используются водителями, которые хотят снизить расход топлива и тем самым максимизировать топливную экономичность. Многие водители имеют потенциал значительно улучшить свою топливную экономичность. [13] Простые вещи, такие как поддержание должного давления в шинах, хорошее обслуживание автомобиля и предотвращение работы на холостом ходу, могут значительно повысить топливную экономичность. [14] Осторожное использование ускорения и замедления и особенно ограничение использования высоких скоростей способствует повышению эффективности. Использование нескольких таких техник называется « гипермилингом ». [15]
Простые методы экономии топлива могут привести к снижению расхода топлива, не прибегая к радикальным методам экономии топлива, которые могут быть незаконными и опасными, например, движение задним ходом более крупных транспортных средств.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 приводиться в движение с помощью электричества, подаваемого через дополнительный ходовой рельс, контактную сеть или бортовые генераторы, используемые в дизель-электрических локомотивах, что обычно используется в железнодорожных сетях США и Великобритании. Загрязнения, образующиеся в результате централизованного производства электроэнергии, выбрасываются на удаленной электростанции, а не «на месте». Загрязнение можно уменьшить за счет увеличения количества электрификации железных дорог и использования низкоуглеродной энергии 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 их железнодорожными сетями очень низкое. Это было отражено в исследовании AEA Technology, посвященном поездам Eurostar и авиарейсам между Лондоном и Парижем, которое показало, что поезда в среднем выбрасывают в атмосферу в 10 раз меньше CO 2 на пассажира, чем самолеты, чему отчасти способствует французская атомная генерация. [16]
В будущем водородные автомобили могут стать коммерчески доступными. Toyota тестирует автомобили, работающие на водородных топливных элементах, в южной Калифорнии, где построен ряд водородных заправочных станций. Работает либо за счет химических реакций в топливном элементе , которые создают 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 совместимо как с природным газом, так и с бензином); эти автомобили обещают иметь практически нулевое загрязнение окружающей среды из выхлопной трубы (выхлопной трубы). Потенциально загрязнение атмосферы может быть минимальным, при условии, что водород производится электролизом с использованием электричества из экологически чистых источников, таких как солнечная, ветровая, гидроэлектроэнергия или ядерная энергия. Коммерческое производство водорода использует ископаемое топливо и производит больше углекислого газа, чем водорода.
Поскольку в производстве и уничтожении автомобилей, а также в производстве, передаче и хранении электроэнергии и водорода участвуют загрязняющие вещества, ярлык «нулевое загрязнение» применяется только к преобразованию автомобилем накопленной энергии в движение.
В 2004 году консорциум крупнейших автопроизводителей — BMW , General Motors , Honda , Toyota и Volkswagen / Audi — разработал «Стандарт высшего уровня для бензина с моющими средствами» для марок бензина в США и Канаде, которые соответствуют минимальным стандартам по содержанию моющих средств . [17] и не содержат металлических добавок. Бензин высшего класса содержит повышенное количество 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 производимой энергии. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) исследовало расход топлива в условиях микрогравитации .
Обычное распространение пламени в условиях нормальной гравитации зависит от конвекции , поскольку сажа имеет тенденцию подниматься к верхушке пламени, например, в свече, делая пламя желтым. В условиях микрогравитации или невесомости , например, в космическом пространстве , конвекция больше не возникает, 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 распределяется достаточно равномерно, 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 микрогравитации позволяет большему количеству сажи полностью окислиться после того, как оно образовалось, чем диффузионное пламя на Земле, из-за ряда механизмов, которые ведут себя по-разному в условиях микрогравитации по сравнению с нормальными условиями гравитации. Результаты эксперимента LSP-1, Национальная аэронавтика и Управление космического пространства, апрель 2005 г. Готовое пламя в условиях микрогравитации горит гораздо медленнее и эффективнее, чем даже свеча на Земле, и длится гораздо дольше. [19]
