Розуміння ефективності використання двоколісного палива
МАЙКЛ ДЮРЕК - директор з технологій у Ultimate Transmissions Pty Ltd у Квінсленді (Австралія).
Скутер забезпечує вдвічі більше пробігу, ніж типовий автомобіль. Однак коефіцієнт корисної дії скутера на колесі менше, ніж удвічі менший, ніж у автомобіля. Ultimate Transmissions розглядає, чому скутер настільки неефективний, його вплив на індійську економіку та навколишнє середовище та як проблему можна вирішити без додаткових витрат, використовуючи інноваційну безступінчасту трансмісію (CVT).
[1] Ефективність баку до колеса автомобілів, скутерів та мотоциклів
Бак на колесі - Ефективність перетворення енергії
Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) перетворюють хімічну енергію палива в механічну енергію на колінчастому валу двигуна. Кривошип приводить в дію трансмісію, яка з'єднана з колесами. Співвідношення кількості хімічної енергії в паливі до кількості механічної енергії, що подається на колеса, є справжнім показником загальної ефективності приводного ланцюга. Кількість палива, необхідна для руху транспортного засобу за фіксовану поїздку, є похідною від цієї ефективності перетворення, ваги транспортного засобу, аеродинамічних характеристик, опору коченню та самої поїздки. Те, що одним транспортним засобом можна їхати на більшу відстань із такою ж кількістю палива, як інший транспортний засіб, не обов'язково означає, що він є більш ефективним.
І двигун, і трансмісія витрачають енергію, причому найбільші втрати припадають на сам двигун. Загальну ефективність перетворення часто називають ефективністю бака в колесо [1]. Ефективність перетворення варіюється в залежності від транспортного засобу, при цьому ефективність автомобілів, скутерів і мотоциклів становить, як правило, 24%, 9% і 12% відповідно [2].
[2] Загальна ефективність трансмісії автомобілів, скутерів та мотоциклів
Скутери та мотоцикли набагато менш ефективні, ніж автомобіль, оскільки ефективність як двигуна, так і трансмісії менших транспортних засобів значно нижча, ніж у автомобіля. Це не є чимось принциповим для розміру двигуна або трансмісії автомобіля. Натомість це відбувається через те, як сконструйовані передачі для велосипедів та скутерів.
Двигун автомобіля працює ефективніше, ніж двигуни для мотоциклів та скутерів, оскільки трансмісія дозволяє йому працювати на набагато нижчих обертах. ДВЗ працюють набагато ефективніше на низькій швидкості та великих крутних моментах [2,3,4]. Вони найбільш ефективні в "солодкій точці", де оберти двигуна низькі, потужність поміркована, а крутний момент високий. Вони найменш ефективні при роботі з низькою потужністю, високими оборотами та низьким крутним моментом. Пікова ефективність простого бензинового двигуна може досягати 27%. Однак ця ефективність присутня лише в невеликій частині її роботи, коли ефективність швидко падає до нижче 10%, коли двигун працює на високих оборотах і малій потужності. На жаль, для скутерів та мотоциклів цей неефективний стан саме там, де вони призначені для роботи, оскільки спрощує трансмісію та знижує вартість. Вплив передових технологій трансмісії, розподіл коефіцієнта передачі та кількість передач обговорюється далі в цій статті.
Гумові ремінні варіатори, що використовуються в скутерах, мають дуже низьку механічну ефективність при роботі з малою потужністю, і вони навіть менш ефективні при роботі з низькою потужністю та високими оборотами [1]. Деякі додаткові втрати пов'язані з відцентровою муфтою, яка, як правило, демонструє більше ковзання, ніж автомобільний еквівалент. Коробки передач для мотоциклів менш ефективні, ніж автомобільні коробки передач, оскільки якість передач нижча, втрати на відбивання в дуже малому кожусі вищі, а швидкість обертання зазвичай набагато вища.
Кінцевим результатом є те, що типовий коефіцієнт корисного використання скутера до колеса менше, ніж у половині від типового пізнього автомобіля. Типовий мотоцикл малої потужності працює не набагато краще, оскільки його трансмісія, хоча і досить ефективна, механічно змушує двигун працювати при високих обертах. Це дещо дивовижне порівняння підтверджується аналізом результатів випробувань трьох автомобілів, проведених Асоціацією автомобільних досліджень Індії (ARAI).
[3] Тест MIDC для автомобілів [4] Тест WMTC для мотоциклів
РЕЗУЛЬТАТИ ТЕСТУ ARAI
Всі автомобілі піддаються стандартизованим випробуванням, щоб встановити їх ефективність використання палива та потенціал забруднення. Ці тести не обов'язково мають на меті повністю відповідати реальному світу, але вони мають на меті гарантувати, що при порівнянні вони проводяться за принципом "яблука для яблук", що є повторюваним та юридично забезпеченим. Випробувальні цикли описують гіпотетичну "подорож", яку повинен здійснити транспортний засіб, що включає періоди прискорення, курсування та зупинки протягом фіксованого періоду та фіксованої відстані. Випробування проводяться на динамометрі, який точно відтворює опір, який транспортним засобам потрібно буде подолати, щоб повторити подорож на реальній світовій дорозі.
В Індії тестовими циклами, що використовуються ARAI для оцінки споживання палива для приватних автомобілів, є модифікований індійський привідний цикл або MIDC [3]. Для малих велосипедів та скутерів це Всесвітня гармонізована сертифікація викидів мотоциклів (WMTC) [4].
Обидва ці цикли були розроблені або похідні від західних приводних циклів, щоб вони краще відповідали умовам в Індії, але все ще можуть бути пов'язані з відповідними випробуваннями в Європі чи США. Як правило, обидва цикли передбачають менші максимальні швидкості, ніж використовуються в еквівалентних західних прикладах.
Коли автомобіль виконує тест MIDC, незалежно від його розміру, типу двигуна або стилю, він повинен пройти описану поїздку з високим рівнем точності, в той час як відстеження вихлопної труби та споживання палива контролюється. Механічна енергія, що подається на колеса і необхідна для проведення випробування, може бути розрахована з дуже високим рівнем точності, коли відомі характеристики загальної ваги транспортного засобу, коефіцієнта аеродинамічного опору (CD) та опору коченню (RRC). Великі автомобілі, малі машини, мотоцикли та вантажівки пов'язані трьома основними показниками загальної ваги, аеродинамічного опору та опору коченню при роботі на будь-якому з цих циклів. Важливо розуміти, що незалежно від того, який тестовий шлях (цикл) використовується, ефективність бака до колеса залишатиметься дуже схожою.
Коли транспортний засіб, описаний у [5], (компактний позашляховик з бензиновим двигуном) виконує тест MIDC, йому потрібно подати 1,12 кВт-год механічної енергії на його ведучі колеса. Цю енергію можна розрахувати дуже точно, коли характеристики транспортного засобу відомі та точні. Випробування охоплює відстань 10,647 км при середній швидкості 32,48 км/год. Він споживає 0,48 л пального, що є загальним пробігом 22,2 км/л або 4,5 л/100 км.
Етилований бензин містить близько 32,4 МДж (9,5 кВт-год) теплової або хімічної енергії на літр. 0,48 л (кількість, витрачена на тесті) містить 4,56 кВт-год енергії. Ефективність резервуара на колесі - це енергія, що витрачається/енергія, або 1,12/4,56 = 24,4%. Ефективність бака до колеса, вже передбачена в аналізі ефективності, дуже відповідає цій перевіреній оцінці.