Введение
Форма тепловой эффективности, топливная эффективность (или экономия топлива), – это форма тепловой эффективности, подразумевающая отношение затраченных усилий к результату процесса, преобразующего химическую потенциальную энергию, содержащуюся в топливе, в кинетическую энергию или работу. Общая топливная эффективность может различаться в зависимости от устройства, а также от области применения, и этот диапазон изменений часто представляется в виде непрерывного энергетического профиля. Повышение топливной эффективности выгодно для областей, не связанных с транспортом, таких как промышленность, особенно для электростанций, работающих на ископаемом топливе, или отраслей, связанных со сгоранием, например, производство аммиака в процессе Габера. В контексте транспорта топливная экономичность – это энергоэффективность конкретного транспортного средства, выраженная как отношение пройденного расстояния к количеству потребленного топлива. Она зависит от множества факторов, включая эффективность двигателя, конструкцию трансмиссии и конструкцию шин. В большинстве стран, использующих метрическую систему, топливная экономичность указывается как "расход топлива" в литрах на 100 километров (л/100 км) или километрах на литр (км/л или кмpl). В ряде стран, продолжающих использовать другие системы, топливная экономичность выражается в милях на галлон (mpg), например, в США и, как правило, в Великобритании (имперский галлон); иногда возникает путаница, поскольку имперский галлон на 20% больше американского, поэтому значения mpg не всегда сопоставимы. Ранее в Норвегии и Швеции использовались литры на милю, но обе страны перешли на стандарт ЕС – л/100 км. Расход топлива является более точным показателем производительности транспортного средства, поскольку представляет собой линейную зависимость, в то время как топливная экономичность может искажать оценку улучшений эффективности. Для грузовых перевозок может указываться удельная эффективность по весу (эффективность на единицу веса), а для пассажирских транспортных средств – удельная эффективность по пассажирам (эффективность транспортного средства на одного пассажира).
Fuel efficiency (or fuel economy) is a form of thermal efficiency, meaning the ratio of effort to result of a process that converts chemical potential energy contained in a carrier (fuel) into kinetic energy or work. Overall fuel efficiency may vary per device, which in turn may vary per application, and this spectrum of variance is often illustrated as a continuous energy profile. Non transportation applications, such as industry, benefit from increased fuel efficiency, especially fossil fuel power plants or industries dealing with combustion, such as ammonia production during the Haber process. In the context of transport, fuel economy is the energy efficiency of a particular vehicle, given as a ratio of distance traveled per unit of fuel consumed. It is dependent on several factors including engine efficiency, transmission design, and tire design. In most countries, using the metric system, fuel economy is stated as "fuel consumption" in liters per 100 kilometers (L/100 km) or kilometers per liter (km/L or kmpl). In a number of countries still using other systems, fuel economy is expressed in miles per gallon (mpg), for example in the US and usually also in the UK (imperial gallon); there is sometimes confusion as the imperial gallon is 20% larger than the US gallon so that mpg values are not directly comparable. Traditionally, litres per mil were used in Norway and Sweden, but both have aligned to the EU standard of L/100 km. Fuel consumption is a more accurate measure of a vehicle's performance because it is a linear relationship while fuel economy leads to distortions in efficiency improvements. Weight specific efficiency (efficiency per unit weight) may be stated for freight, and passenger specific efficiency (vehicle efficiency per passenger) for passenger vehicles.
Конструкция транспортного средства
Эффективность использования топлива зависит от множества параметров транспортного средства, включая характеристики двигателя, аэродинамическое сопротивление, массу, использование кондиционера, качество топлива и сопротивление качению. За последние десятилетия достигнут прогресс во всех областях автомобилестроения. Эффективность использования топлива также можно повысить за счет регулярного технического обслуживания и стиля вождения. Гибридные транспортные средства используют два или более источника энергии для привода. Во многих конструкциях небольшой двигатель внутреннего сгорания комбинируется с электродвигателями. Кинетическая энергия, которая в противном случае рассеивалась бы в виде тепла при торможении, рекуперируется в электрическую энергию для повышения эффективности использования топлива. Увеличенные батареи в этих автомобилях питают бортовую электронику, позволяя двигателю отключаться и избегать длительной работы на холостом ходу.
Эффективность флота
Эффективность парка описывает среднюю эффективность популяции транспортных средств. Технологический прогресс в области эффективности может быть нивелирован изменением покупательских привычек в пользу более тяжелых транспортных средств, которые менее топливно-эффективны. Теперь эти данные заменены значениями из Справочника по энергетике транспорта, но в нем отсутствуют значения МДж/кг и плотности. Примечание: я изменил эту таблицу, поскольку значения в единицах СИ не соответствовали значениям в британских или американских единицах. Поэтому я использовал другой источник, в котором не было данных МДж/кг, и у меня не было времени на поиск точных значений плотности для пересчета в МДж/кг. Было бы полезно, если бы кто-то заполнил пробелы, используя достоверные данные. > Тип топливаMJ/LMJ/kgBTU/imp galBTU/US galИсследовательское октановое число (RON) Бензин обычный34.8150,100125,000Мин. 91 Бензин премиумМин. 95 Автогаз (СУГ) (60% пропан и 40% бутан)25.5–28.7108–110Этанол23.531.1101,60084,600129 Метанол17.919.977,60064,600123 Газохол (10% этанол и 90% бензин)33.7145,200121,00093/94 E85 (85% этанол и 15% бензин)25.2108,87890,660100–105 Дизель38.6166,600138,700N/A (см. Цетановое число) Биодизель35.139.9151,600126,200N/A (см. Цетановое число) Растительное масло (при 9,00 ккал/г)34.337.7147,894123,143 Авиационный бензин33.546.8144,400120,20080 Реактивное топливо, нафта35.546.6153,100127,500N/A для турбинных двигателей Реактивное топливо, керосин37.6162,100135,000N/A для турбинных двигателей Сжиженный природный газ25.3109,00090,800Жидкий водород9.340,46733,696
but which does not give the MJ/kg or the densities.) Note: I modified this table because the values in SI units did not agree with the values in British or U. S. units. So I used another source, but it did not have MJ/kg, and I did not have the time to try to find accurate densities in order to convert to MJ/kg. If someone can fill in the blanks using good data, it would be useful. >
Fuel typeMJ/LMJ/kgBTU/imp galBTU/US galResearch octane number (RON) Regular gasoline/petrol34.8150,100125,000Min. 91 Premium gasoline/petrolMin. 95 Autogas (LPG) (60% propane and 40% butane)25.5–28.7108–110Ethanol23.531.1101,60084,600129 Methanol17.919.977,60064,600123 Gasohol (10% ethanol and 90% gasoline)33.7145,200121,00093/94 E85 (85% ethanol and 15% gasoline)25.2108,87890,660100–105 Diesel38.6166,600138,700N/A (see cetane) Biodiesel35.139.9151,600126,200N/A (see cetane) Vegetable oil (using 9.00 kcal/g)34.337.7147,894123,143 Aviation gasoline33.546.8144,400120,20080 145 Jet fuel, naphtha35.546.6153,100127,500N/A to turbine engines Jet fuel, kerosene37.6162,100135,000N/A to turbine engines Liquefied natural gas25.3109,00090,800 Liquid hydrogen9.340,46733,696
Ни валовая теплота сгорания, ни чистая теплота сгорания не дают теоретического количества механической энергии (работы), которое можно получить из реакции. (Это определяется изменением свободной энергии Гиббса и составляет около 45,7 МДж/кг для бензина.) Фактическое количество механической работы, полученной из топлива (обратное удельному расходу топлива), зависит от двигателя. При использовании бензинового двигателя возможно получение 17,6 МДж/кг, а при использовании дизельного двигателя – 19,1 МДж/кг. Подробную информацию см. в разделе «Удельный расход топлива на тормоз».
Передовые технологии
Наиболее эффективными машинами для преобразования энергии во вращательное движение являются электродвигатели, как, например, в электромобилях. Однако электричество не является первичным источником энергии, поэтому необходимо учитывать и эффективность его производства. Железнодорожные поезда могут питаться от электричества, подаваемого через дополнительный рельс, воздушную контактную сеть или бортовые генераторы, используемые в дизель-электрических локомотивах, что распространено в железнодорожных сетях США и Великобритании. Загрязнение, образующееся при централизованной выработке электроэнергии, выбрасывается на удаленной электростанции, а не непосредственно на месте эксплуатации. Уменьшить загрязнение можно за счет расширения электрификации железных дорог и использования низкоуглеродных источников энергии для производства электроэнергии. Некоторые железные дороги, такие как французская SNCF и Швейцарские федеральные железные дороги, получают большую часть, а иногда и 100% своей энергии от гидроэлектростанций или атомных электростанций, благодаря чему выбросы в атмосферу от их железнодорожных сетей очень низкие. Это подтвердилось в исследовании, проведенном AEA Technology, сравнивавшем поезд Eurostar и авиаперелеты между Лондоном и Парижем: в среднем поезда выбрасывают в 10 раз меньше CO2 на пассажира, чем самолеты, что частично обусловлено использованием французской атомной энергии.
Водородные топливные элементы
В будущем водородные автомобили могут поступить в коммерческую продажу. Компания Toyota проводит маркетинговые испытания автомобилей, работающих на водородных топливных элементах, в южной Калифорнии, где создана сеть водородных заправочных станций. Эти автомобили приводятся в движение либо химическими реакциями в топливном элементе, вырабатывающими электричество для высокоэффективных электродвигателей, либо прямым сжиганием водорода в двигателе внутреннего сгорания (практически идентично автомобилям на природном газе и аналогично совместимым как с природным газом, так и с бензином). Эти транспортные средства обещают практически нулевые выбросы из выхлопной трубы. Потенциально загрязнение атмосферы может быть сведено к минимуму, если водород производится электролизом с использованием электроэнергии из экологически чистых источников, таких как солнечная, ветровая, гидро- или атомная энергия. Коммерческое производство водорода использует ископаемое топливо и производит больше углекислого газа, чем водорода. Поскольку загрязнения возникают при производстве и утилизации автомобилей, а также при производстве, передаче и хранении электроэнергии и водорода, обозначение "нулевое загрязнение" относится только к процессу преобразования накопленной энергии в движение самим автомобилем. В 2004 году консорциум ведущих автопроизводителей – BMW, General Motors, Honda, Toyota и Volkswagen/Audi – разработал стандарт "Top Tier Detergent Gasoline Standard" для бензиновых марок в США и Канаде, соответствующих их минимальным требованиям к содержанию моющих присадок и не содержащих металлических добавок. Бензин стандарта Top Tier содержит более высокие концентрации моющих присадок для предотвращения образования отложений (обычно на форсунках и впускных клапанах), которые снижают экономичность и производительность двигателя.
В условиях микрогравитации
Как сгорает топливо, влияет на количество производимой энергии. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) исследовало расход топлива в условиях микрогравитации. При нормальных условиях гравитации распределение пламени зависит от конвекции, поскольку сажа стремится подниматься вверх, например, в пламени свечи, придавая ему желтый цвет. В условиях микрогравитации или невесомости, таких как космическое пространство, конвекция не происходит, и пламя становится сферическим, приобретая более синий оттенок и повышая эффективность. Существует несколько возможных объяснений этой разницы, наиболее вероятным из которых является гипотеза о том, что температура распределяется достаточно равномерно, чтобы не образовывалась сажа и происходило полное сгорание. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, апрель 2005 года. Эксперименты НАСА в условиях микрогравитации показали, что диффузионные пламена в микрогравитации позволяют окислить больше сажи, чем диффузионные пламена на Земле, благодаря ряду механизмов, которые ведут себя иначе в условиях микрогравитации по сравнению с нормальной гравитацией. Результаты эксперимента LSP 1, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, апрель 2005 года. Предварительно смешанные пламена в условиях микрогравитации горят гораздо медленнее и эффективнее, чем даже пламя свечи на Земле, и длятся значительно дольше.