Энергосберегающие методы вождения используются водителями, которые хотят сократить расход топлива и, таким образом, максимально повысить топливную эффективность . Многие водители имеют потенциал для значительного повышения топливной эффективности. [1] Простые вещи, такие как поддержание шин в надлежащем состоянии, хорошее техническое обслуживание автомобиля и избегание холостого хода, могут значительно повысить топливную эффективность. [2] Осторожное использование ускорения и замедления и особенно ограничение использования высоких скоростей помогают повысить эффективность. Использование нескольких таких методов называется « гипермилинг ». [3]
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.
Большая часть потерь энергии топлива в автомобилях происходит из-за термодинамических потерь двигателя. В частности, при движении со средней скоростью 60 километров в час (37 миль в час) примерно 33% энергии уходит в выхлопные газы, а 29% используется для охлаждения двигателя; трение двигателя занимает еще 11%. Оставшиеся 21% делятся между трением качения шин (11%), сопротивлением воздуха (5%) и торможением (5%). [6] Поскольку на холостом ходу или когда двигатель находится в режиме ожидания , пробег не увеличивается , эффективность увеличивается при выключении двигателя, когда автомобиль остановлен.
Хотя до 95% ограничений эффективности на городских скоростях заложены в конструкции транспортного средства [6] , энергоэффективному вождению способствуют самые разные методы.
Недокачанные шины изнашиваются быстрее и теряют энергию на сопротивление качению из-за деформации шин. Потеря для автомобиля составляет приблизительно 1,0 процента на каждые 2 фунта на квадратный дюйм (0,1 бар; 10 кПа) падения давления во всех четырех шинах. [7] Неправильная регулировка колес и высокая кинематическая вязкость моторного масла также снижают топливную экономичность.
Водители могут повысить топливную экономичность, минимизировав перевозимую массу, т. е. количество людей или количество груза, инструментов и оборудования, перевозимых в автомобиле. Удаление обычных ненужных аксессуаров, таких как багажники на крыше, щеткодержатели, ветровые дефлекторы (или « спойлеры », когда они предназначены для прижимной силы, а не для улучшения разделения потока), подножки и толкающие брусья, а также использование более узких и низкопрофильных шин повысит топливную экономичность за счет снижения веса, аэродинамического сопротивления и сопротивления качению . [8] В некоторых автомобилях также используется запасное колесо половинного размера для экономии веса/стоимости/пространства. На типичном автомобиле каждые дополнительные 55 фунтов (25 кг) увеличивают расход топлива на 1 процент. [7] Удаление багажников на крыше (и аксессуаров) может повысить топливную экономичность до 20 процентов. [7] Сокращение количества бортового топлива до более низкого значения (от 50% до 75%) также может способствовать снижению расхода топлива в условиях городского движения ( «VW Golf 8 online help»).).
Поддержание эффективной скорости является важным фактором топливной экономичности. [9] [10] Оптимальной эффективности можно ожидать при движении с постоянной скоростью и с коробкой передач на самой высокой передаче (см. Выбор передачи ниже). Оптимальная скорость зависит от типа транспортного средства, хотя обычно сообщается, что она составляет от 35 до 50 миль в час (от 56 до 80 км/ч). Например, у Chevrolet Impala 2004 года оптимум составлял 42 мили в час (68 км/ч), и он находился в пределах 15 процентов от этого значения в диапазоне от 29 до 57 миль в час (от 47 до 92 км/ч).
На более высоких скоростях сопротивление ветра играет все большую роль в снижении топливной экономичности автомобилей . При 60 км/ч, глобальной средней скорости, потери энергии из-за сопротивления воздуха в автомобилях на ископаемом топливе составляют приблизительно 5% от общей потери энергии. Трение (33%), выхлопные газы (29%) и охлаждение двигателя (33%) составляют остальную часть. [12] Выше 60 км/ч сопротивление ветра растет примерно пропорционально квадрату скорости, становясь доминирующим фактором на высокой скорости. [11] : 256
Гибриды обычно достигают своей лучшей топливной экономичности ниже этой пороговой скорости, зависящей от модели. Автомобиль автоматически переключается между режимом питания от батареи или мощностью двигателя с подзарядкой батареи. Электромобили , такие как Tesla Model S , могут проехать до 1080 километров (670 миль) со скоростью 39 км/ч (24 мили в час). [13]
Пропускная способность дороги влияет на скорость и, следовательно, на топливную экономичность. Исследования показали, что скорость чуть выше 45 миль в час (72 км/ч) обеспечивает наибольшую пропускную способность, когда дороги перегружены. [14] Отдельные водители могут повысить свою топливную экономичность и экономичность других, избегая дорог и времени, когда движение замедляется до менее 45 миль в час (72 км/ч). Сообщества могут повысить топливную экономичность, приняв ограничения скорости [15] или политику, чтобы предотвратить или отговорить водителей от въезда в транспортный поток, приближающийся к точке, где скорость замедляется ниже 45 миль в час (72 км/ч). Плата за перегрузку основана на этом принципе; она повышает стоимость доступа к дороге в периоды более интенсивного использования, чтобы не допустить въезда автомобилей в транспортный поток и снижения скорости ниже эффективного уровня.
Исследования показали, что установленные ограничения скорости могут быть изменены для повышения энергоэффективности от 2 до 18 процентов, в зависимости от соблюдения более низких ограничений скорости. [16]
Эффективность двигателя меняется в зависимости от скорости и крутящего момента. Для движения с постоянной скоростью нельзя выбрать какую-либо рабочую точку для двигателя — скорее, существует определенное количество мощности, необходимое для поддержания выбранной скорости. Механическая коробка передач позволяет водителю выбирать между несколькими точками в диапазоне мощности. Для турбодизеля слишком низкая передача переведет двигатель в область высоких оборотов и низкого крутящего момента, в которой эффективность быстро падает, и, таким образом, наилучшая эффективность достигается вблизи более высокой передачи. [17] В бензиновом двигателе эффективность обычно падает быстрее, чем в дизельном, из-за потерь на дросселирование. [18] Поскольку движение на эффективной скорости потребляет гораздо меньше максимальной мощности двигателя, оптимальная рабочая точка для движения на низкой мощности обычно находится на очень низкой частоте вращения двигателя, около (или даже немного ниже) 1500 об/мин для бензиновых двигателей и 1200 об/мин для дизельных двигателей. Это объясняет полезность очень высоких «повышающих» передач для движения по шоссе. Например, небольшому автомобилю может потребоваться всего 10–15 лошадиных сил (7,5–11,2 кВт) для движения со скоростью 60 миль в час (97 км/ч). Скорее всего, он будет рассчитан на 2500 об/мин или около того на этой скорости, однако для максимальной эффективности двигатель должен работать на скорости около 1500 об/мин (бензин) или 1200 об/мин (дизель), чтобы генерировать эту мощность максимально эффективно для этого двигателя (хотя фактические цифры будут различаться в зависимости от двигателя и транспортного средства). [ необходима цитата ]
Топливная экономичность варьируется в зависимости от автомобиля. Топливная экономичность при ускорении обычно повышается по мере увеличения оборотов до точки, близкой к пиковому крутящему моменту ( удельный расход топлива на тормозах [17] ). Однако ускорение до скорости, превышающей необходимую, без учета того, что происходит впереди, может потребовать торможения, а затем дополнительного ускорения. В одном исследовании 2001 года рекомендовалось ускоряться быстро, но плавно перед переключением передач в автомобилях с механической коробкой передач. [19]
Как правило, топливная эффективность максимальна, когда ускорение и торможение сведены к минимуму. Поэтому стратегия топливной эффективности заключается в том, чтобы предвидеть, что происходит впереди, и ехать так, чтобы минимизировать ускорение и торможение и максимизировать время движения накатом.
Необходимость торможения иногда вызвана непредсказуемыми событиями. На более высоких скоростях у транспортных средств меньше времени, чтобы замедлиться накатом. Кинетическая энергия выше, поэтому больше энергии теряется при торможении. На средних скоростях у водителя больше времени, чтобы выбрать, ускоряться ли, ехать накатом или замедляться, чтобы максимизировать общую топливную экономичность.
Приближаясь к красному сигналу, водители могут выбрать «засекать время светофора», отпуская педаль газа до сигнала. Позволяя своему автомобилю замедлиться заранее и двигаться накатом, они дадут время, чтобы загорелся зеленый свет до их прибытия, предотвращая потерю энергии из-за необходимости останавливаться.
Из-за частых остановок движение в часы пик неэффективно и приводит к выбросам большего количества токсичных выхлопных газов. [20]
Обычные тормоза рассеивают кинетическую энергию в виде тепла, которое не подлежит восстановлению. Регенеративное торможение , используемое гибридными/электрическими транспортными средствами, восстанавливает около 50% энергии автомобиля при каждом торможении, что приводит к снижению затрат энергии на городскую езду примерно на 20%. [11]
Альтернативой ускорению или торможению является движение накатом, т. е. скольжение без тяги . Движение накатом рассеивает накопленную энергию ( кинетическую энергию и гравитационную потенциальную энергию ) против аэродинамического сопротивления и сопротивления качению , которые всегда должны преодолеваться транспортным средством во время движения. При движении накатом в гору накопленная энергия также расходуется на сопротивление уклону, но эта энергия не рассеивается, поскольку она сохраняется в виде гравитационной потенциальной энергии , которая может быть использована позже. Использование накопленной энергии (путем движения накатом) для этих целей более эффективно, чем рассеивание ее при фрикционном торможении.
При движении накатом с работающим двигателем и механической коробкой передач в нейтральном положении или выжатым сцеплением все равно будет наблюдаться некоторый расход топлива, поскольку двигателю необходимо поддерживать обороты холостого хода.
Движение накатом с выключенной передачей запрещено законом в большинстве штатов США, в основном на спусках. Примером может служить Пересмотренный свод законов штата Мэн, раздел 29-A, глава 19, §2064 [21] «Водитель, двигаясь по спуску, не может двигаться накатом с нейтральной передачей транспортного средства». Некоторые правила различаются для коммерческих транспортных средств, чтобы не выключать сцепление при спуске, и для легковых транспортных средств, чтобы установить трансмиссию в нейтральное положение. Эти правила указывают на то, как водители управляют транспортным средством. Неиспользование двигателя на длинных крутых спусках или чрезмерное использование тормоза может привести к отказу из-за перегрева тормозов.
Выключение двигателя вместо работы на холостом ходу действительно экономит топливо. Светофоры предсказуемы, и часто можно предвидеть, когда загорится зеленый свет. Поддержка — система Start-stop , которая автоматически выключает и включает двигатель во время остановки. На некоторых светофорах есть таймеры, которые помогают водителю использовать эту тактику.
Некоторые гибриды должны поддерживать двигатель работающим, когда транспортное средство находится в движении и трансмиссия включена, хотя у них все еще есть функция автоматической остановки , которая включается, когда транспортное средство останавливается, избегая потерь. Максимальное использование автоматической остановки на этих транспортных средствах имеет решающее значение, поскольку холостой ход вызывает резкое падение мгновенной эффективности пробега топлива до нуля миль на галлон, и это снижает среднюю (или накопленную) эффективность пробега топлива.
Водитель может повысить топливную экономичность, предвидя движение других транспортных средств или внезапные изменения ситуации, в которой находится водитель. Например, водитель, который быстро останавливается или поворачивает, не подавая сигнал, уменьшает возможности другого водителя максимально повысить свою производительность. Всегда предоставляя участникам дорожного движения как можно больше информации о своих намерениях, водитель может помочь другим участникам дорожного движения сократить расход топлива (а также повысить их безопасность). Аналогичным образом, предвидение особенностей дороги, таких как светофоры, может снизить необходимость чрезмерного торможения и ускорения. Водители также должны предвидеть поведение пешеходов или животных поблизости, чтобы они могли соответствующим образом отреагировать на развивающуюся ситуацию с их участием.
Использование кондиционирования воздуха требует генерации до 5 л. с. (3,7 кВт) дополнительной мощности для поддержания заданной скорости. [ требуется ссылка ] Системы кондиционирования воздуха включаются и выключаются или изменяют свою мощность в зависимости от потребностей пассажиров, поэтому они редко работают на полной мощности непрерывно. Выключение кондиционирования воздуха и опускание окон может предотвратить эту потерю энергии, хотя это увеличит сопротивление, так что экономия средств может быть меньше, чем обычно ожидается. [22] Использование системы обогрева пассажиров замедляет подъем рабочей температуры двигателя. Либо дроссель в автомобиле с карбюратором (1970-х годов или ранее), либо компьютер впрыска топлива в современных транспортных средствах будут добавлять больше топлива в топливно-воздушную смесь до тех пор, пока не будет достигнута нормальная рабочая температура, что снижает топливную экономичность. [23]
Использование высокооктанового бензинового топлива в автомобиле, который в нем не нуждается, обычно считается ненужными расходами, [24] хотя Toyota измерила небольшие различия в эффективности из-за октанового числа, даже когда детонация не является проблемой. [25] Все автомобили в Соединенных Штатах, выпущенные с 1996 года, оснащены бортовой диагностикой OBD-II , и большинство моделей будут иметь датчики детонации, которые автоматически корректируют время, если и когда обнаруживается пинг, поэтому низкооктановое топливо можно использовать в двигателе, рассчитанном на высокооктановое топливо, с некоторым снижением эффективности и производительности. Если двигатель рассчитан на высокооктановое топливо, то более высокооктановое топливо приведет к более высокой эффективности и производительности при определенных условиях нагрузки и смеси.
Электромобили на аккумуляторных батареях потребляют около 20 кВт·ч энергии на 100 км пути (эквивалентно 3 милям/кВт·ч), что примерно в 4 раза меньше, чем автомобиль на ископаемом топливе. [11] : 127
Стратегия вождения Pulse and Glide (PnG) состоит из ускорения до заданной скорости («пульс» или «горение»), за которым следует период движения накатом или скольжения до более низкой скорости, в этот момент последовательность горения-наката повторяется. [26] Эта стратегия вождения была обнаружена и испытана водителями для экономии топлива в течение длительного времени, и некоторые эксперименты также подтвердили ее способность экономить топливо. [27] В режиме PnG движение накатом наиболее эффективно, когда двигатель не работает, хотя некоторые выгоды могут быть получены при включенном двигателе (для поддержания мощности тормозов, рулевого управления и вспомогательных устройств) и транспортном средстве в нейтральном положении. [26] Большинство современных бензиновых транспортных средств полностью прекращают подачу топлива при движении накатом (обгоне) на передаче, хотя движущийся двигатель добавляет значительное фрикционное сопротивление, и скорость теряется быстрее, чем при отключенном от трансмиссии двигателе.
Стратегия импульса и скольжения доказала свою эффективность в управлении как в сценариях следования за автомобилем [26] , так и в сценариях свободного вождения [28] с экономией топлива до 20%. В стратегии PnG управление двигателем и трансмиссией определяет эффективность экономии топлива, и это достигается путем решения задачи оптимального управления (OCP). Из-за дискретного передаточного числа, сильных нелинейных характеристик топлива двигателя и различной динамики в режиме импульса/скольжения OCP представляет собой нелинейную смешанно-целочисленную задачу переключения. [29] [30]
Некоторые гибридные транспортные средства хорошо подходят для выполнения импульса и скольжения. [31] В последовательно-параллельном гибриде (см. гибридная трансмиссия транспортного средства ) двигатель внутреннего сгорания и система зарядки могут быть отключены для скольжения простым манипулированием акселератором. Однако, основываясь на моделировании, больший выигрыш в экономичности достигается в негибридных транспортных средствах. [27] [26]
Эту стратегию управления можно также использовать в колонне транспортных средств (колонна автоматизированных транспортных средств имеет потенциал значительного повышения топливной эффективности дорожного транспорта), и этот метод управления работает намного лучше, чем обычные линейно-квадратичные контроллеры. [32]
Импульс и коэффициент скольжения двигателя внутреннего сгорания в гибридных автомобилях зависят от передаточного числа на его карте расхода , емкости аккумулятора, уровня заряда батареи, нагрузки, ускорения, сопротивления воздуха и коэффициента скорости.
Большую часть времени автомобильные двигатели работают только на части своей максимальной эффективности, [33] что приводит к снижению топливной эффективности (или, что то же самое, к повышению удельного расхода топлива (SFC)). [34] Диаграммы, которые показывают SFC для каждой возможной комбинации крутящего момента (или среднего эффективного давления тормоза) и оборотов в минуту, называются картами удельного расхода топлива тормоза . Используя такую карту, можно найти эффективность двигателя при различных комбинациях оборотов в минуту , крутящего момента и т. д. [26]
Во время фазы импульса (ускорения) импульса и скольжения эффективность близка к максимальной из-за высокого крутящего момента , и большая часть этой энергии сохраняется в виде кинетической энергии движущегося транспортного средства. Эта эффективно полученная кинетическая энергия затем используется в фазе скольжения для преодоления сопротивления качению и аэродинамического сопротивления. Другими словами, переход между периодами эффективного ускорения и скольжения дает общую эффективность, которая обычно выше, чем при движении с постоянной скоростью. Компьютерные расчеты предсказали, что в редких случаях (на низких скоростях, когда крутящий момент, необходимый для движения с постоянной скоростью, низок) возможно удвоить (или даже утроить) экономию топлива. [27] Более реалистичные моделирования, которые учитывают другой трафик, показывают, что улучшения на 20 процентов более вероятны. [26] Другими словами, в реальном мире вряд ли можно увидеть удвоение или утроение топливной эффективности. Такая неудача связана с сигналами, знаками остановки и соображениями относительно другого трафика; все эти факторы мешают технике импульса и скольжения. Но улучшения в экономии топлива на 20 процентов или около того все еще возможны. [27] [26] [35]
Drafting или slipstreaming — это метод, при котором небольшое транспортное средство движется (или движется по инерции) близко к транспортному средству, идущему впереди него, так что оно защищено от ветра. Помимо того, что это незаконно во многих юрисдикциях, это часто опасно. [36] Реальные испытания автомобиля в десяти футах позади полуприцепа показали снижение силы ветра (аэродинамического сопротивления) более чем на 90 процентов, а эффективность, как сообщается, составляет 39 процентов. [37]
Иногда приходится выбирать между экономией топлива и предотвращением аварий. [9]
В США скорость, при которой топливная эффективность максимальна, часто лежит ниже ограничения скорости, обычно от 35 до 50 миль в час (от 56 до 80 км/ч); однако транспортный поток часто быстрее этого. Разница в скорости между автомобилями повышает риск столкновения. [9]
Движение вбок увеличивает риск столкновения, если расстояние до движущегося впереди транспортного средства составляет менее трех секунд. [38]
Движение накатом — еще один метод повышения топливной экономичности. Переключение передач и/или перезапуск двигателя увеличивают время, необходимое для маневра избегания, включающего ускорение. Поэтому некоторые считают, что снижение контроля, связанное с движением накатом, является неприемлемым риском.
Однако также вероятно, что водитель, умеющий максимизировать эффективность посредством предвидения других участников дорожного движения и сигналов светофора, будет лучше осведомлен об окружающей обстановке и, следовательно, будет безопаснее. Эффективные водители сводят к минимуму использование тормозов и, как правило, оставляют большие промежутки перед собой. Если произойдет непредвиденное событие, такие водители, как правило, будут иметь большее тормозное усилие, чем водитель, который резко тормозит по привычке.
Основная проблема безопасности и гипермилинга — это отсутствие температуры в тормозной системе. Это особенно актуально для старых автомобилей зимой. Эффективность дисковых тормозных систем повышается при более высоких температурах. Экстренное торможение с замерзающими тормозами на скоростях шоссе приводит к ряду проблем: от увеличенного тормозного пути до увода в сторону.
Модели искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) были применены к взаимосвязи между расходом топлива и поведением вождения. Основные факторы, представляющие и влияющие на поведение вождения, включают скорость, ускорение, передачу, параметры дороги, погоду и т. д. [39]
Энтузиасты, известные как гипермайлеры [3] , разрабатывают и практикуют методы вождения для повышения топливной эффективности и снижения потребления. Гипермайлеры побили рекорды топливной эффективности, например, достигнув 109 миль на галлон в Prius . В негибридных транспортных средствах эти методы также полезны, с топливной эффективностью до 59 миль на галлон США (4,0 л/100 км) в Honda Accord или 30 миль на галлон США (7,8 л/100 км) в Acura MDX . [40]
Термин был придуман
Уэйном Гердесом
. "Гердес не просто любитель гипермилинга. Он любитель гипермилинга. Он человек, который придумал термин "гипермилинг""