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    2. 一升油最多可以跑多少公里?你可能都不相信這個數量級

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      | 人們為了讓加了油的車跑更多路程,到底可以多努力?

      - 停車熄火的玄學 -

      以前手動檔車盛行的時候,遇到堵車或是等紅綠燈,很常看到老司機一頓操作然后將車熄火在路中間——為了省油。

      確實,汽車在怠速(發動機空轉)時的汽油消耗量因車而異,但是最多可以達到每怠速10分鐘消耗0.1到0.4升汽油。同時,如果汽車怠速10秒以上,那么將汽車熄火再點燃能節省更多的燃油。[1][2]所以,如果停車時間夠長,而且你對熄火再點火這一套動作并不陌生的話,就值得將發動機熄火

      開手動檔的我 | giphy.com


      - 開車不左轉的神邏輯 -

      在城里開車,如果碰到“怎么轉彎”這種小問題,當然是怎么方便怎么來了。但是常年在路上跑的老司機們卻不這么認為。

      某全球快遞巨頭早在幾年前就規定,為了節省時間和燃油,自家的貨車全都不許左轉(???)。不左轉不是就更加繞圈圈還費油了嗎?但人家的數據表示:“不左轉”的政策讓貨車每年多送了超過30萬件貨物。

      密歇根州也有規定,等燈的時候都要左轉,也被稱為Michigan Left | 360.here.com

      這是因為世界上大多數國家都是左舵,貨車在紅綠燈左轉時會在車道上長時間等待,不但增加油耗,而且由于增加了和他車交匯的次數,車禍的幾率也大幅提升。通過判斷路況和不左轉的時機,二級省油成就立即get。


      | 用最少的油跑最遠的路,總共分幾步?

      不論是停車計時熄火還是永不左轉,放在現實生活中還是有些夸張。但是我們知道,效率=有用功率/驅動功率,要想讓開車的效率最大化,除了減少分母(用油)以外,其實大可以從分子上下功夫。

      殼牌每年都在舉辦一個能源創新比賽——殼牌汽車環保馬拉松(Shell Eco-marathon,下文用SEM代替),號召一眾大中學生團隊們挑戰極限,挑戰用一單位燃料究竟能夠跑多遠。也不賣關子了,直接報個數字——說出來你可能不信,在SEM的歐洲賽場上,1升油可以跑3000多公里雖然做到1升油跑如此遠的方式五花八門,但有幾項參賽竅門一定是萬變不離其宗的。

      殼牌汽車環保馬拉松開幕儀式 | 殼牌


      【1】車身設計 - 流線型減低風阻

      不難理解,在買車時,大家都會傾向于買那些看起來更順滑,流線型更好的車型。雖然這樣的車看起來拉風,但更多的是因為流線型更好的車風阻系數更小,汽車受空氣阻力影響也更小,自然更省油。所以在SEM的車型設計環節,減小汽車的風阻系數是首先考慮的因素。

      等重量胡蘿卜小車和馬鈴薯小車同時從斜坡上滑下

      我們給相等重量的胡蘿卜和土豆安上輪子,從相同高度和坡度的小坡上滑下,胡蘿卜微微先抵達終點。梭形的胡蘿卜和橢圓形的土豆相比,胡蘿卜的風阻系數更小,相信設計飛機的大佬也明白這個道理,所以飛機都沒有土豆形的。同樣,在SEM中,大多數的車身也都被設計成了梭形或水滴形,僅僅是這樣一個形狀的變化,就能讓風阻系數降低10%乃至更低

      不同外形汽車的風阻系數 | researchgate.com

      不僅是形狀,汽車行駛時還會受到來自地面的滾動阻力,這與車身重量密不可分。大部分車為了追求省油,會盡量減輕底盤、發動機、車身甚至司機的重量。就車身來說,學生們會巧妙地選擇造車材料來減輕重量,甚至有用紙糊車這樣的硬核操作;也會使用預浸布烘烤和3D打印,或是打造全碳纖維車身,總之將整車重量盡量控制在45kg以下。

      減輕重量的效果是立竿見影的,比如我們對比了雞蛋在新鮮狀態下與被掏空以后,處于同樣風力下的移動情況,“空殼車”明顯走的更輕松

      新鮮雞蛋車(上)和空雞蛋車(下)在同樣風力作用下的運動情況


      【2】車內構造-高燃燒效率

      所以對于SEM的賽車來說,設計師往往會盡量同步減輕一些內部構造的重量,比如發動機。但是發動機作為車的“心臟”,更重要的還是起到供能作用。

      燃油車的發動機的做功過程可以簡單地總結為——油氣在發動機氣缸里混合,氣缸被壓縮到一定體積后被點燃,產生動力。我們用了兩個大小不同的氣球分別代表低壓縮比(大氣球)和高壓縮比(小氣球)的氣缸,向其中加入等量泡沫小球來模擬燃料。等量的燃料條件下,氣球越大,燃料密度越低,空氣燃燒不充分,也就是燃燒效率低因此高壓縮比的發動機在SEM中廣受歡迎,大家都致力于把每一滴燃料都有效地用在多開1km的目標上。

      模擬低壓縮比環境,燃燒效率低

      模擬高壓縮比環境,燃燒效率高

      同時,車上變速器的換檔元件也可以被去除,只剩下一個傳動比僅為一的發動機,可以直接將動力傳送給后輪;潤滑油在這樣的位置就非常關鍵,因為好的潤滑油可以使其傳動效率將得到大幅度提升。我們在實驗室找了一堆老舊的軸承,用它們做了一只風車。

      都是實驗室角落里扒來的舊軸承

      光看油都覺得順滑

      在給軸承添加潤滑油的前后,風車的轉動速度明顯有區別(為了讓風車轉速更慢、對比效果明顯,我們將風車放在了離風扇約2m處)

      軸承潤滑前

      軸承潤滑后


      【3】車內程序

      車雖然又小又輕,但內部卻更應該五臟俱全以滿足極限的比賽要求,所以設計時也應該關注小車的軟件、硬件和算法。對于電動車來說,通過設計控制模塊以及使用簡單的輪轂電機,電動車的續航也可以得到提升

      而且還有專門的智能交互系統,通過各種可擴展性程序,可以更好地輔助“躺平了”的車手駕駛,還能實時儲存行駛數據,方便團隊分析比賽結果。

      不僅要贏,而且要躺贏 | 殼牌


      【4】駕駛策略

      相比現實生活中的汽車,SEM參賽車輛的零部件都進行了專門的設計和調整,即使是大油門后的空檔滑行也不會帶來過高的油耗,或對零部件造成損傷,所以像空檔滑行這種平時不能玩的騷操作在SEM中也將成為慣常。

      滑到最后的才是王者 | reddit.com

      因此,在SEM上我們將會看到一個比較有意思的地方:大多數小車在比賽剛開始會使勁加速,達到高速時就會熄火并滑行一段距離,等到速度慢慢降下來后,再次點火加速。滑行期間駕駛員就安安靜靜地調整心態,觀察路況并見機調整駕駛策略即可。


      | 什么樣的老司機,會熱衷于這場瘋狂的能源游戲?

      要想獲得好成績,參賽團隊必須每年都不斷精進自己的設計。這要追溯到1939年一群殼牌的工程師的一個玩笑,他們打賭看誰能讓汽車更省油,當時勝出的那位工程師勉強實現了21 km/L的成績,雖然放到現在也就普通的家用車水平,但在當時卻是難上加難。

      而正是這樣一個簡單的玩笑,卻慢慢演變為一場更有組織性的賽事——鼓勵年輕人持續進行能源科技創新,讓大學生通過造車來“用最少的能源跑最遠的路”,爭當最優秀、會開車的“好司機”。到了1985年,世界上有了第一場SEM比賽。

      1985年獲勝原型車合影,當年原型車所創下的最佳紀錄為680 km/L | 殼牌

      在今年,剛剛結束了歐洲站的SEM,將于8月25日-28日抵達北京金港國際賽車場,來自17所高校的22支車隊會在此一決高下。選手在報名比賽的時候會被分成原型車和城市概念車兩組,每組下都能選擇不同的能源類型:內燃機(汽油、乙醇、柴油)、電動。競爭有多激烈,讓我們稍微回顧一下2018年的最佳戰績來感受一下:泰國的一支隊伍打造出僅用1升乙醇就能跑2341.1公里的原型車,這相當于從北京直接沖到廣州市中心還能順便去趟大梅沙

      2018年乙醇組奪冠的泰國車隊 | 殼牌

      從1985年第一屆SEM在法國正式啟動,到2019年SEM首次來到北京,每一次比賽,都會有許多燃油高效的創新技術讓人眼前一亮,背后與青年學生們積極的參賽熱情密不可分。或是車身設計、或是動力系統、或是中控系統,通過舉辦SEM,極限挑戰下產生的設計方案也給這群未來的汽車工程師們以啟發和靈感。

      到了2050年,全球能源需求將增長至現在的2倍,全世界的車輛總數會變成現在的3倍,而這樣的壓力,僅靠個人或單個組織是沒有辦法有效緩解的。所以從更加廣泛的意義上來說,殼牌每年舉辦SEM這樣的大型比賽,為未來的汽車領域創新者們提供一個提前與行業前端連接的平臺,共同關注節能環保,探討如何滿足不斷增長的能源需求。殼牌更希望以SEM為契機,鼓勵年輕人從不同視角看待能源使用方式,并探索能源創新以應對未來的能源挑戰

      世界主要能源消耗量 | University of Utah

      點擊鏈接】,進入本次參加SEM比賽車隊的網絡人氣獎投票界面,其中有曾經參加過比賽的年輕老司機,也有今年剛加入的新面孔,但他們都是高校里熱愛能源創新、有著奇思妙想一群有趣青年。你更期待哪支隊伍的表現呢?快來圍觀大神以及投票吧!



      參考文獻

      [1] Stodolsky, F., Gaines, L., & Vyas, A. (2000). Analysis of technology options to reduce the fuel consumption of idling trucks (No. ANL/ESD-43). Argonne National Lab., IL (US).

      [2] Gaines, L., Vyas, A., & Anderson, J. L. (2006). Estimation of fuel use by idling commercial trucks. Transportation research record, 1983(1), 91-98.

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