我们会准确调查您的车辆如何使用和损失的能量

2020-07-28 11:03:57

您为燃料(或电动汽车,如果是电)付出了高昂的代价,但所有能源都流向何方?

开车是关于能量平衡的一切。没有能量,车辆只是静态显示,而不是其设计的运输方式(或有趣的驾驶机器)。它需要从便携式信息终端中的电池中获取能量,才能发出打开门的信号。车辆辅助电池提供更多能量来点亮车厢灯和仪表盘;另一股动力使发动机发动。这是在汽车仅移动一米之前的全部操作。我们研究了车辆中的能量消耗组件,并研究了能量的哪一部分实际到达车轮。

能源背景

能源的国际单位制(SI)是焦耳,以英国物理学家和数学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule)的名字命名,他于1818年出生。他发现了机械功和热量之间的关系,从而产生了能量守恒定律。该法则指出,一个孤立的系统的总能量保持恒定,尽管可以转化能量,但不能创建或破坏它。一焦耳等于在超过一米(Nm)的物体上施加一牛顿的力。在电学上,一个焦耳等于使一个库仑(电荷)移动一伏(CV)的电势差所需的功。在谈论工作时,瓦特是每秒描述一焦耳的单位。

调查中

对于本练习,我们将考虑以120 km / h的水平道路行驶的Volkswagen Golf 7 GTI。我们将首先考虑作用在车辆上的外力,然后再考虑发动机的辅助负载,然后再考虑动力总成效率。

电动GTI?

如果我们将Golf转换为具有90%的电动机(和电力电子)效率的EV,则电池仅需要36.4 kW(32.75 kW / 90%= 36.39 kW)的电力时速为120 km / h 因此,在100公里内需要30,32 kWh。用电成本为R1,50 / kWh,则成本为R45,49,而汽油为R121,67。

1. 拖曳力[16 kW]

在水平道路上以速度行驶时,与车辆运动相反的主要力之一是空气阻力(F drag)。用牛顿测量的阻力公式为:

F 阻力 =½ρV2AC d

哪里

ρ=空气密度[kg / m3]

V =车速[m / s]

A =正面面积[m2]

Cd =阻力系数

如果我们以120 km / h的车速计算Golf GTI的阻力(前部面积为2.59 m2,Cd = 0.27,ρ= 1,2 kg / m3),则为466N。完成的工作包括将该阻力乘以米/秒(33,33 m / s)的车速。这仅相当于16 kW,以克服120 km / h的空气阻力,而在250 km的最高速度下,该数字增加到141 kW。

2. 滚动阻力[7 kW]

橡胶在轮胎与路面的接触面处的挠曲和恢复产生了运动阻力,需要动力总成克服。尽管轮胎制造商一直在努力降低新轮胎的滚动阻力系数,但是在低滚动阻力和轮胎性能之间存在冲突(因为高性能轮胎倾向于使用较软的化合物)。滚动阻力的平均值约为0,015,其基本公式为:

F 滚动 = Crr毫克

哪里

C rr =滚动阻力系数[m / s2]

m =车辆质量[kg]

g =重力常数[9,81 m / s2]

因此,(简化的)滚动阻力与速度无关,并且等于221N。功耗是通过将阻力乘以以每秒米为单位的车速(四舍五入到7 kW)来计算的。

3. 电能[1 kW]

在具有不具有电能回收能力的内燃机的车辆中,很容易忘记所需的电能也间接地来自所消耗的燃料。确定车辆的平均电气负载很困难,因为它取决于行驶条件(白天/晚上/雨天)和用户资料(例如信息娱乐系统和加热的座椅状态)。汽油车行驶所需的最小功率约为200 W(ECU,燃油泵,点火装置等)。下表描述了一般的电气负载,在此示例中,我们将平均使用1000 W(1 kW)。

电气负载 消费

ICE(点火,燃油泵,ECU等)的运行 200瓦

发动机启动时摇动 2 400瓦

外部灯 300瓦

雨刮器 130瓦

电动窗 150瓦

后窗加热 120瓦

喇叭 40瓦

暖气和通风(鼓风机) 80瓦

打火机 100瓦

座椅运动(电动) 150瓦

座椅加热器 200瓦

天窗电机 150瓦

信息娱乐系统 50瓦

4. 空调[3千瓦]

主要的辅助用电设备是空调系统。为了产生冷空气,使用压缩机,该压缩机通常由发动机的辅助皮带驱动。在加热车厢的情况下,通常浪费的发动机热量(在冷却液中)用于加热进入的空气通过加热器矩阵(或散热器)时的热量。在这种情况下,几乎不消耗额外的功率。

另一个重大的寄生损失曾经是液压转向泵。然而,由于近来大多数车辆采用电动助力转向,所以仅在转动方向盘时才消耗能量。

发动机和传动系统效率

燃料中的潜在化学能(汽油约为34 MJ / L,柴油约为37 MJ / L)在内燃机中转换为(曲轴)轴动力。尽管大约提取了99%的燃料化学能,但大约只有三分之一产生了有用的功,而三分之一却流失到冷却系统中,最后三分之一则从排气管中逸出。由于GTI中的直喷式涡轮汽油发动机采用了先进技术,因此在巡航时,我们可以假设将汽油中的能量转换为曲轴功率的效率为38%。

曲轴上的扭矩(和功率)仍然需要进入从动轮。这意味着它在到达车轮之前必须穿过传动轴,差速器轴和驱动轴(每个轴都有效率损失)。然后,还必须考虑其他损失,例如制动衬块阻力和轴承摩擦。对于像GTI这样的前轮驱动车辆,曲轴和从动轮之间的总动力损失估计为20%(这使总动力总成效率降低至30%)。因此,需要向上调节克服空气阻力和滚动阻力的动力,以反映发动机曲轴上所需的数字(曲轴上已经存在电气和空调负荷)。现在,空气阻力为20 kW,曲轴的滚动阻力为8.75 kW。

理论油耗

为了使高尔夫在120 km / h的水平道路上保持平衡行驶,发动机需要产生与所有反作用力和辅助损耗相等的动力。如果我们将所有上述要求的功率数字(现在已根据曲轴调整的空气阻力和滚动阻力)相加,则得出32,75 kW。由于总发动机效率仅为38%左右,因此所需的总燃料能量约为86 kW(32,75 / 38%)或86 kJ / s。

以120 km / h的速度行驶100公里需要50分钟,相当于3000秒。因此,燃料所需的总能量约为259 MJ(86 kJ x 3000秒)。由于汽油的含量约为34 MJ / L,因此每100公里所需的总燃料为259/34,等于7.6升。在120 km / h的平坦道路上行驶时,GTI大约需要7.60 L / 100 km。下表显示了您每100公里需要支付的费用。

120 km / h时每100 km的能源成本明细

预计油耗 7,60升

汽油成本

(@ R16,00 / L) R 121,67

浪费的能源(排气和冷却) R 75,44

气动阻力 R 28,24

滚动阻力 R 12,35

电气负载 R 1,41

空调 R 4,23

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