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    一升油最多可以跑多少公里?你可能都不相信这个数量级 ...

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    新手上路

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    发表于 2019-8-23 12:52:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
    人们为了让加了油的车跑更多路程
    到底可以多努力?
    停车熄火的玄学
    以前手动档车盛行的时候,遇到堵车或是等红绿灯,很常看到老司机一顿操作然后将车熄火在路中间——为了省油。
    确实,汽车在怠速(发动机空转)时的汽油消耗量因车而异,但是最多可以达到每怠速10分钟消耗0.1到0.4升汽油。同时,如果汽车怠速10秒以上,那么将汽车熄火再点燃能节省更多的燃油。[1][2]所以,如果停车时间够长,而且你对熄火再点火这一套动作并不陌生的话,就值得将发动机熄火
    u3eDdh3NJ7Dj0H73.jpg 开手动档的我 | giphy.com
    在城里开车,如果碰到“怎么转弯”这种小问题,当然是怎么方便怎么来了。但是常年在路上跑的老司机们却不这么认为。
    某全球快递巨头早在几年前就规定,为了节省时间和燃油,自家的货车全都不许左转(???)。不左转不是就更加绕圈圈还费油了吗?但人家的数据表示:“不左转”的政策让货车每年多送了超过30万件货物。
    mEzZY4xf44UXX3n4.jpg 密歇根州也有规定,等灯的时候都要左转,也被称为Michigan Left | 360.here.com
    这是因为世界上大多数国家都是左舵,货车在红绿灯左转时会在车道上长时间等待,不但增加油耗,而且由于增加了和他车交汇的次数,车祸的几率也大幅提升。通过判断路况和不左转的时机,二级省油成就立即get。
    用最少的油跑最远的路
    总共分几步?

    不论是停车计时熄火还是永不左转,放在现实生活中还是有些夸张。但是我们知道,效率=有用功率/驱动功率,要想让开车的效率最大化,除了减少分母(用油)以外,其实大可以从分子上下功夫。
    壳牌每年都在举办一个能源创新比赛——壳牌汽车环保马拉松(Shell Eco-marathon,下文用SEM代替),号召一众大中学生团队们挑战极限,挑战用一单位燃料究竟能够跑多远。也不卖关子了,直接报个数字——说出来你可能不信,在SEM的欧洲赛场上,1升油可以跑3000多公里虽然做到1升油跑如此远的方式五花八门,但有几项参赛窍门一定是万变不离其宗的。
    F05de74TPLzZhe43.jpg 车身设计 - 流线型减低风阻
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    不难理解,在买车时,大家都会倾向于买那些看起来更顺滑,流线型更好的车型。虽然这样的车看起来拉风,但更多的是因为流线型更好的车风阻系数更小,汽车受空气阻力影响也更小,自然更省油。所以在SEM的车型设计环节,减小汽车的风阻系数是首先考虑的因素。
    cbLzcq2hZbJ6AhCh.jpg 等重量胡萝卜小车和马铃薯小车同时从斜坡上滑下
    我们给相等重量的胡萝卜和土豆安上轮子,从相同高度和坡度的小坡上滑下,胡萝卜微微先抵达终点。梭形的胡萝卜和椭圆形的土豆相比,胡萝卜的风阻系数更小,相信设计飞机的大佬也明白这个道理,所以飞机都没有土豆形的。同样,在SEM中,大多数的车身也都被设计成了梭形或水滴形,仅仅是这样一个形状的变化,就能让风阻系数降低10%乃至更低
    n6z3C6w4V5ZGWC3W.jpg 不同外形汽车的风阻系数 | researchgate.com
    不仅是形状,汽车行驶时还会受到来自地面的滚动阻力,这与车身重量密不可分。大部分车为了追求省油,会尽量减轻底盘、发动机、车身甚至司机的重量。就车身来说,学生们会巧妙地选择造车材料来减轻重量,甚至有用纸糊车这样的硬核操作;也会使用预浸布烘烤和3D打印,或是打造全碳纤维车身,总之将整车重量尽量控制在45kg以下。
    减轻重量的效果是立竿见影的,比如我们对比了鸡蛋在新鲜状态下与被掏空以后,处于同样风力下的移动情况,“空壳车”明显走的更轻松
    J2EPevxUfiWSE6i2.jpg 新鲜鸡蛋车(上)和空鸡蛋车(下)在同样风力作用下的运动情况
    车内构造-高燃烧效率
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    所以对于SEM的赛车来说,设计师往往会尽量同步减轻一些内部构造的重量,比如发动机。但是发动机作为车的“心脏”,更重要的还是起到供能作用。
    燃油车的发动机的做功过程可以简单地总结为——油气在发动机气缸里混合,气缸被压缩到一定体积后被点燃,产生动力。我们用了两个大小不同的气球分别代表低压缩比(大气球)和高压缩比(小气球)的气缸,向其中加入等量泡沫小球来模拟燃料。等量的燃料条件下,气球越大,燃料密度越低,空气燃烧不充分,也就是燃烧效率低因此高压缩比的发动机在SEM中广受欢迎,大家都致力于把每一滴燃料都有效地用在多开1km的目标上。
    vOdv33EqoNO37oew.jpg 模拟低压缩比环境,燃烧效率低
    JMmr3xdqLehyvpMr.jpg 模拟高压缩比环境,燃烧效率高
    同时,车上变速器的换档元件也可以被去除,只剩下一个传动比仅为一的发动机,可以直接将动力传送给后轮;润滑油在这样的位置就非常关键,因为好的润滑油可以使其传动效率将得到大幅度提升。我们在实验室找了一堆老旧的轴承,用它们做了一只风车。
    D3Xsuq3rgqSQBSXr.jpg 都是实验室角落里扒来的旧轴承
    wP4RdR84rPuf30S3.jpg 光看油都觉得顺滑
    在给轴承添加润滑油的前后,风车的转动速度明显有区别(为了让风车转速更慢、对比效果明显,我们将风车放在了离风扇约2m处)
    yX87AwaZfP0Aa1eZ.jpg 轴承润滑前
    eY7cL1C6NqY766p3.jpg 轴承润滑后
    车内程序
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    车虽然又小又轻,但内部却更应该五脏俱全以满足极限的比赛要求,所以设计时也应该关注小车的软件、硬件和算法。对于电动车来说,通过设计控制模块以及使用简单的轮毂电机,电动车的续航也可以得到提升
    而且还有专门的智能交互系统,通过各种可扩展性程序,可以更好地辅助“躺平了”的车手驾驶,还能实时储存行驶数据,方便团队分析比赛结果。
    O6SCCwc54Sjq1HCB.jpg
    不仅要赢,而且要躺赢 | 壳牌
    驾驶策略
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    相比现实生活中的汽车,SEM参赛车辆的零部件都进行了专门的设计和调整,即使是大油门后的空档滑行也不会带来过高的油耗,或对零部件造成损伤,所以像空档滑行这种平时不能玩的骚操作在SEM中也将成为惯常。
    PYs7miISQ50yv7AZ.jpg 滑到最后的才是王者 | reddit.com
    因此,在SEM上我们将会看到一个比较有意思的地方:大多数小车在比赛刚开始会使劲加速,达到高速时就会熄火并滑行一段距离,等到速度慢慢降下来后,再次点火加速。滑行期间驾驶员就安安静静地调整心态,观察路况并见机调整驾驶策略即可。
    什么样的老司机
    会热衷于这场疯狂的能源游戏?
    要想获得好成绩,参赛团队必须每年都不断精进自己的设计。这要追溯到1939年一群壳牌的工程师的一个玩笑,他们打赌看谁能让汽车更省油,当时胜出的那位工程师勉强实现了21 km/L的成绩,虽然放到现在也就普通的家用车水平,但在当时却是难上加难。
    而正是这样一个简单的玩笑,却慢慢演变为一场更有组织性的赛事——鼓励年轻人持续进行能源科技创新,让大学生通过造车来“用最少的能源跑最远的路”,争当最优秀、会开车的“好司机”。到了1985年,世界上有了第一场SEM比赛。
    W09kSxA0SZMK5z00.jpg
    1985年获胜原型车合影,当年原型车所创下的最佳纪录为680 km/L | 壳牌
    在今年,刚刚结束了欧洲站的SEM,将于8月25日-28日抵达北京金港国际赛车场,来自17所高校的22支车队会在此一决高下。选手在报名比赛的时候会被分成原型车和城市概念车两组,每组下都能选择不同的能源类型:内燃机(汽油、乙醇、柴油)、电动。竞争有多激烈,让我们稍微回顾一下2018年的最佳战绩来感受一下:泰国的一支队伍打造出仅用1升乙醇就能跑2341.1公里的原型车,这相当于从北京直接冲到广州市中心还能顺便去趟大梅沙
    Ku64uW69X0MwmRmA.jpg
    从1985年第一届SEM在法国正式启动,到2019年SEM首次来到北京,每一次比赛,都会有许多燃油高效的创新技术让人眼前一亮,背后与青年学生们积极的参赛热情密不可分。或是车身设计、或是动力系统、或是中控系统,通过举办SEM,极限挑战下产生的设计方案也给这群未来的汽车工程师们以启发和灵感。
    到了2050年,全球能源需求将增长至现在的2倍,全世界的车辆总数会变成现在的3倍,而这样的压力,仅靠个人或单个组织是没有办法有效缓解的。所以从更加广泛的意义上来说,壳牌每年举办SEM这样的大型比赛,为未来的汽车领域创新者们提供一个提前与行业前端连接的平台,共同关注节能环保,探讨如何满足不断增长的能源需求。壳牌更希望以SEM为契机,鼓励年轻人从不同视角看待能源使用方式,并探索能源创新以应对未来的能源挑战
    mv92jQ8ji533i2y2.jpg
    世界主要能源消耗量 | University of Utah
    阅读原文,进入本次参加SEM比赛车队的网络人气奖投票界面,其中有曾经参加过比赛的年轻老司机,也有今年刚加入的新面孔,但他们都是高校里热爱能源创新、有着奇思妙想一群有趣青年。你更期待哪支队伍的表现呢?快来围观大神以及投票吧!
    参考文献

    [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.
    快戳原文 围观 “超能跑” 的宝藏少年们!
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