Sensibilizarea eficienței combustibilului cu două roți
MICHAEL DURACK este director tehnologic la Ultimate Transmissions Pty Ltd din Queensland (Australia).
Un scuter oferă peste dublul kilometrajului unei mașini tipice. Cu toate acestea, eficiența rezervorului la roată a scuterului este mai mică de jumătate din cea a mașinii. Ultimate Transmissions analizează motivul pentru care scuterul este atât de ineficient, impactul său asupra economiei și mediului indian și modul în care problema poate fi rezolvată fără a adăuga costuri, folosind o transmisie inovatoare continuă variabilă (CVT).
[1] Eficiența rezervorului la roată a mașinilor, scuterelor și motocicletelor
REZERVOR PENTRU ROȚĂ - EFICIENȚĂ DE CONVERSIE ENERGETICĂ
Motoarele de ardere internă (ICE) convertesc energia chimică din combustibil în energie mecanică la arborele cotit al motorului. Manivela acționează transmisia, care este conectată la roți. Relația dintre cantitatea de energie chimică din combustibil și cantitatea de energie mecanică livrată roților este o adevărată măsură a eficienței globale a lanțului de acționare. Cantitatea de combustibil necesară pentru deplasarea unui vehicul pe o călătorie fixă este un derivat al acestei eficiențe de conversie, greutatea vehiculului, caracteristicile aerodinamice, rezistența la rulare și călătoria în sine. Doar pentru că un vehicul poate fi condus pe o distanță mai mare cu aceeași cantitate de combustibil ca un alt vehicul nu înseamnă neapărat că este mai eficient.
Atât motorul, cât și transmisia pierd energie, cea mai mare pierdere fiind în interiorul motorului. Eficiența de conversie generală este adesea numită eficiența rezervorului la roată [1]. Eficiența conversiei variază de la vehicul la vehicul, eficiența mașinilor, scuterelor și motocicletelor fiind de obicei de 24%, 9% și respectiv 12% [2].
[2] Eficiența generală a trenului de rulare a mașinilor, scuterelor și motocicletelor
Scuterele și motocicletele sunt mult mai puțin eficiente decât mașina, deoarece eficiența atât a motorului, cât și a transmisiei vehiculelor mai mici este mult mai mică decât cea a mașinii. Acest lucru nu este ceva fundamental pentru dimensiunea motorului sau a transmisiei vehiculului. În schimb, apare datorită modului în care sunt proiectate transmisiile pentru bicicletă și scuter.
Motorul mașinii funcționează mai eficient decât motoarele pentru motociclete și scutere, deoarece transmisia îi permite să funcționeze la turații mult mai mici. ICE-urile rulează mult mai eficient la viteze mici și cupluri mari [2,3,4]. Sunt cele mai eficiente într-un „punct dulce”, unde turațiile motorului sunt scăzute, puterea moderată și cuplul ridicat. Acestea sunt cel mai puțin eficiente atunci când rulează la putere redusă, turație mare și cuplu redus. Eficiența maximă a unui motor simplu pe benzină poate ajunge până la 27%. Cu toate acestea, această eficiență este prezentă doar într-o mică secțiune a funcționării sale, iar eficiența scade rapid sub 10%, atunci când motorul funcționează cu viteză mare și putere redusă. Din păcate, pentru scutere și motociclete, această stare ineficientă este exact locul în care sunt proiectate să funcționeze, deoarece simplifică transmisia și scade costurile. Efectul tehnologiilor avansate de transmisie, răspândirea raportului și numărul de trepte de viteză este discutat mai târziu în acest articol.
CVT-urile din cauciuc utilizate în trotinete au o eficiență mecanică foarte slabă atunci când rulează la putere redusă, iar acestea sunt chiar mai puțin eficiente atunci când rulează la putere redusă și RPM mare [1]. Unele pierderi suplimentare sunt asociate cu ambreiajul centrifugal, care prezintă de obicei mai multă alunecare decât echivalentul auto. Transmisiile pentru motociclete sunt mai puțin eficiente decât cele pentru mașini, deoarece calitatea treptelor de viteză este mai mică, pierderile de rotație în carcasa foarte mică sunt mai mari, iar vitezele de rotație sunt de obicei mult mai mari.
Rezultatul final este că eficiența unui rezervor tipic de scuter la roată este mai mică de jumătate decât cea a unui model tipic de mașină târzie. O motocicletă tipică de capacitate mică nu funcționează mult mai bine, deoarece transmisia sa, deși este destul de eficientă, forțează mecanic motorul să funcționeze la turații mari. Această comparație oarecum surprinzătoare este confirmată de analiza rezultatelor testelor pentru cele trei vehicule efectuate de Asociația de Cercetare a Automobilelor din India (ARAI).
[3] Test MIDC pentru mașini [4] Test WMTC pentru motociclete
REZULTATELE TESTULUI ARAI
Toate mașinile sunt supuse testelor standardizate pentru a stabili eficiența consumului de combustibil și potențialul lor de poluare. Aceste teste nu sunt neapărat menite să se potrivească perfect cu lumea reală, dar sunt menite să asigure că atunci când se fac comparații, acestea se fac pe baza „mere pentru mere”, care este repetabilă și aplicabilă din punct de vedere legal. Ciclurile de testare descriu o „călătorie” ipotetică care trebuie efectuată de un vehicul care implică perioade de accelerație, croazieră și oprire pe o perioadă fixă și o distanță fixă. Testele sunt efectuate pe un dinamometru care reproduce cu precizie rezistența pe care vehiculele vor trebui să o depășească, pentru a replica călătoria pe un drum din lumea reală.
În India, ciclurile de testare utilizate de ARAI pentru a evalua consumul de combustibil pentru vehiculele private sunt Ciclul Indian Drive Modified sau MIDC [3]. Pentru bicicletele și scuterele mici, este certificarea mondială armonizată pentru emisii de motociclete (WMTC) [4].
Ambele cicluri au fost dezvoltate sau derivate din ciclurile de acționare occidentale, astfel încât să corespundă mai bine condițiilor din India, dar pot fi în continuare legate de testarea corespunzătoare din Europa sau SUA. În general, ambele cicluri implică viteze maxime mai mici decât cele utilizate în exemplele occidentale echivalente.
Atunci când un automobil execută testul MIDC, indiferent de dimensiunea, tipul sau stilul motorului, acesta trebuie să urmeze călătoria descrisă cu un nivel ridicat de precizie, în timp ce emisiile țevilor de evacuare și consumul de combustibil sunt monitorizate. Energia mecanică livrată roților și necesară pentru executarea testului poate fi calculată cu un nivel foarte ridicat de precizie, atunci când sunt cunoscute caracteristicile greutății brute, coeficientul de tracțiune aerodinamic (CD) și rezistența la rulare (RRC). Mașinile mari, mașinile mici, motocicletele și camioanele sunt toate legate de cele trei elemente fundamentale ale greutății brute, rezistenței aerodinamice la rezistență la rulare și la rulare, atunci când funcționează în oricare dintre aceste cicluri. Este important să înțelegem că, indiferent de călătoria (ciclul) de testare utilizată, eficiența rezervorului la roată va rămâne foarte similară.
Când vehiculul descris în [5], (un SUV compact pe benzină) efectuează testul MIDC, este nevoie de 1,12 kWh de energie mecanică pentru a fi furnizată roților sale motrice. Această energie poate fi calculată foarte precis, atunci când caracteristicile vehiculului sunt cunoscute și exacte. Testul acoperă o distanță de 10.647 km la o viteză medie de 32.48 km/h. Consumă 0,48 l de combustibil, ceea ce reprezintă un kilometraj total de 22,2 km/l sau 4,5 l/100km.
Benzina fără plumb conține aproximativ 32,4 MJ (9,5 kWh) de energie termică sau chimică pe litru. 0,48 l (cantitatea consumată în test) conține 4,56 kWh de energie. Eficiența rezervorului la roată este consumul de energie/consumul de energie sau 1,12/4,56 = 24,4%. Eficiența rezervorului la roată deja prezisă în analiza eficienței se potrivește foarte bine cu această evaluare testată.