sensibilizarea

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.

[5] Specificații de testare MIDC [6] Specificații de testare WMTC

Un scuter mic, cu un motor de 125 cmc și specificațiile prezentate în [6], care efectuează testul WMTC (partea 1 redusă) necesită 0,068 kWh de energie pentru a fi livrat roții din spate pentru a executa testul. Acoperă o distanță de 3.937 km la o viteză medie de 23,6 km/h. Consumă 0,079 l de combustibil sau 50 km/l sau 2 l/100 km.

Energia din combustibilul consumat pentru finalizarea testului este de 0,75 kWh. Eficiența rezervorului la roată este consumul de energie/energie în sau 0,068/0,75 = 9%, de asemenea prezis utilizând o analiză a eficienței motorului și a transmisiei.

Această diferență nu este cauzată de nicio diferență în modul în care se efectuează testarea. Este doar o simplă reflectare a faptului că scuterele mici sunt extrem de ineficiente, în comparație cu o mașină modernă. Motocicletele sunt mai eficiente, cu o eficiență tipică a rezervorului la roată de 12%, dar sunt încă mult în spatele eficienței rezervorului la roată a mașinilor.

Analiza eficienței rezervorului la roată poate fi exprimată, de asemenea, examinând energia reală a roții care este extrasă dintr-un litru de combustibil de către o mașină, un scuter și o bicicletă, atunci când se execută aceste cicluri, [7].

[7] Energia reală a roții care este extrasă dintr-un litru de combustibil de către o mașină, un scuter și o bicicletă, atunci când se execută aceste cicluri

Kilometrajul suplimentar nu trebuie văzut în niciun fel ca indicând faptul că diferitele vehicule au o eficiență similară sau echivalentă, este doar o indicație a cât de mici sunt motocicletele și scuterele fizice, în comparație cu mașinile. Eficiența relativă a rezervorului la roată este singura măsură reală a performanței trenului de rulare al vehiculelor.

Dacă scuterele ar funcționa la aceeași eficiență de conversie a energiei ca mașina, ar călători peste 130 km pe un litru și o bicicletă ar călători 160 km. Cu toate acestea, fără injecție de combustibil, oprire-pornire și sincronizare variabilă a supapei, acest obiectiv prea optimist nu va fi posibil. O îmbunătățire a kilometrajului de 100% pentru scutere și 70% pentru biciclete este o țintă realizabilă, fără modificări ale motorului în sine. Deși reducerea dimensiunii motorului poate fi posibilă cu îmbunătățirea performanței, se consideră că dimensiunea actuală a motorului de la 100 cm la 125 cmc va rămâne cea mai potrivită pentru majoritatea cumpărătorilor cu două roți din India.

SOLUȚIA

Soluția nu constă în îmbunătățirea motoarelor în sine, ci pur și simplu în îmbunătățirea designului transmisiei. Câștigurile în eficiența de conversie a combustibilului cu patru roți moderne în ultimii 20 de ani au provenit în principal din îmbunătățirea transmisiei [5]. Cea mai mare parte a acestei îmbunătățiri a venit din creșterea numărului de unelte, ceea ce a permis o creștere a raportului. Unele au provenit din îmbunătățirea eficienței transmisiei, iar altele din tehnologii precum sincronizarea variabilă a supapelor, oprirea pornirii și injecția de combustibil.

În același timp în care eficiența automobilului s-a îmbunătățit, capacitatea de reacție și conducerea vehiculelor s-au îmbunătățit, de asemenea, fără a crește costurile modelului de bază. Îmbunătățirea eficienței combustibilului a făcut ca un vehicul tipic din America de Nord să se deplaseze de la 20 m/gl la 40 m/gl, atunci când se compară vehicule cu greutate și putere similare. Obiectivul mediu actual al flotei pentru Autoritatea pentru Protecția Mediului din SUA (EPA) este de 54 m/gl, pe care își propun să îl atingă până în 2025.

Este important să ne amintim că, deși aceste îmbunătățiri au fost făcute în ceea ce privește eficiența conversiei energetice, vehiculele private, în special în SUA, au crescut ca dimensiune și putere cu un factor de aproape doi. Acest lucru a însemnat că kilometrajul mediu al unei mașini nord-americane s-a îmbunătățit doar cu aproximativ 30% în termeni reali.

Transmisia tipică pentru scuter, care folosește cureaua de cauciuc CVT, are un raport de distribuție mai mic de 3, în timp ce transmisia motocicletei cu patru trepte este în jur de 4. Un automobil modern are o transmisie cu șase trepte și un raport de transmisie mai mare de 5. Majoritatea automatelor sunt acum echipate cu 7 trepte de viteză și un raport de distribuție de cel puțin 7, unele mergând până la 10 trepte de viteză și un raport de distribuție de 10.

Ultimate Transmissions a dezvoltat un CVT care are un raport de răspândire de 9,5, care poate înlocui pur și simplu centura de cauciuc fără a adăuga costuri sau care necesită modificări semnificative ale designului general. Transmisia folosește role duble în locul celor mai convenționale role. Eficiența acestui CVT este mult mai mare decât tipurile anterioare [6].

Proiectarea transmisiei se bazează pe o unitate de tracțiune CVT numită DFTV-CVT [8]. Aceasta folosește role din oțel dur strânse între discurile din oțel dur și prin rotirea rolelor, se furnizează rapoarte diferite în același mod în care sunt livrate în centura de cauciuc. Cu toate acestea, tracțiunea de tracțiune este mult mai eficientă decât centura de cauciuc, în special la o putere redusă, iar raportul său de răspândire este mai mult decât dublu. Prezintă o densitate de putere foarte mare [7].

[8] DFTV-CVT folosește role din oțel dur fixate între discurile din oțel dur

Această transmisie este mai ușoară decât cea cu cauciuc și similară cu o transmisie pentru motociclete cu patru trepte [9]. Îmbunătățește accelerația, capacitatea de urcare pe deal și viteza maximă. Are o greutate mai ușoară decât o curea CVT și îndepărtează aproape 10 kg de greutate netrasă de pe roata din spate. Un scuter poate fi proiectat profitând de reducerea greutății fără arcuri, folosind anvelope concepute pentru rezistență redusă la rulare și inerție mai mică, nu pentru o deplasare îmbunătățită. DFTV-CVT este mai durabil decât centura de cauciuc și performanța sa nu se deteriorează în timp, la fel ca și centura de cauciuc.

[9] DFTV-CVT este mult mai eficient decât cureaua de cauciuc CVT, în special la putere redusă, iar raportul său de răspândire este mai mult decât dublu. Prezintă o densitate de putere foarte mare, este mai ușoară decât transmisia cu curea de cauciuc și îmbunătățește accelerația, capacitatea de urcare pe deal și viteza maximă

PERFORMANȚĂ DFTV-CVT

Transmisia DFTV va crește eficiența rezervorului la roată de la 9% la peste 18%, crescând simultan eficiența de funcționare a motorului la 21% și eficiența mecanică a CVT la 87%. Acest lucru permite unui scuter să parcurgă peste 100 km cu un litru de combustibil, iar o bicicletă cu anvelope cu rezistență la rulare mai mică ating 110 km, păstrând în același timp funcționalitatea automată.

Economiile anuale care pot fi livrate proprietarului unui scuter sunt egale cu aproximativ 10% din costul de capital al scuterului. De obicei, acestea ar compensa aproximativ 30% din rambursările bancare sau ar permite scuterul să fie vândut cu 25-30% mai mult (aproximativ '15, 000) clienților care cred povestea sau sunt conștienți de mediu. Efectul reacției cumpărătorului indian asupra costului consumului de combustibil este discutat în [7].

MEDIU ȘI ECONOMIE

India produce în prezent peste 16 milioane de vehicule pe două roți pe an și numărul crește cu peste 5% în fiecare an. La nivel global, numărul de biciclete și scutere care utilizează motoare cu ardere internă este aproximativ dublu față de acest lucru.

Este foarte probabil ca până la 200 de milioane de noi roți cu două roți să fie produse și să circule pe drumurile Indiei până în anul 2025. Folosind tendințele actuale ca indicator, împărțirea dintre motocicletele cu transmisie manuală și scuterele automate va fi de aproximativ 50: 50. O îmbunătățire a eficienței acestei flote va avea un efect profund și benefic asupra mediului global, economiei indiene și consumatorilor indieni individuali.
Această flotă de biciclete și scutere va consuma 36 de milioane de tone de benzină dacă se menține eficiența curentă a rezervorului la roată. Vor emite 83 de milioane de tone de CO2 în fiecare an. O îmbunătățire a eficienței consumului de combustibil de 30 km/l din această flotă va reduce consumul anual de combustibil cu 13,5 milioane de tone și va reduce emisiile de CO2 cu 31 de milioane de tone.

India este în prezent responsabilă pentru crearea a 6% din producția mondială de CO2, emițând aproape 2.000 de milioane de tone anual. O îmbunătățire a eficienței globale a flotei sale cu două roți până în 2025 ar duce la o reducere a emisiilor de CO2 de aproape 1,55% din amprenta sa actuală de CO2. India importă în prezent 4 milioane de barili de țiței pe zi sau 240 de milioane de tone pe an. Îmbunătățirea eficienței ar reduce necesitatea de a importa țiței cu peste 6% din importurile actuale.

Consumatorii indieni sunt foarte experimentați în identificarea raportului calitate-preț și în domeniul auto, demonstrând dorința de a plăti pentru beneficiile viitoare ale economisirii combustibilului [8]. Acest lucru va oferi OEM-urilor oportunitatea de a genera profituri mai mari din vehiculele eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil și de a recupera costurile de investiții asociate finanțării schimbării de la un produs ineficient la unul eficient.

Referințe

[1] Chen D.W., Lee D.W., Sung C.K. Un studiu experimental privind eficiența transmisiei unei curele de cauciuc CVT. Teoria mecanismului și proiectării Vol 33. Nu 4. Pp. 351-363, 199. Departamentul de Inginerie Mecanică a Energiei Național Tsing Hua University Hsinchu Taiwan 300 Republica China.

[2] Goering C., Stone M., Smith D., Turnquist P., Engine Performance Measures, Chapter 2 in Off-Road Vehicle Principles 19-36 St Joseph Mich. ASAE American Society of Agricultural Engineers,

[3] Myer J., Modelarea motorului unui motor cu ardere internă cu fază dublă independentă a camelor. Teza Universității de Stat din Ohio 2007.

[4] Moawad, A. și Rousseau, A., „Impactul tehnologiilor de transmisie asupra eficienței combustibilului pentru a sprijini regulamentele CAFE 2017-2025”, Document tehnic SAE 2014-01-1082, 2014, doi: 10.4271/2014-01-1082.

[5] Greiner, J., Grumbach, M., Dick, A. și Sasse, C., „Progres în tehnologiile de transmisie și transmisie NVH și economie de combustibil”, Document tehnic SAE 2015-01-1087, 2015, doi: 10.4271/2015-01-1087.

[6] De Novellis L., Carbone G. și Mangialardi L. Performanța eficienței tracțiunii variatorului full-toroidal cu role duble; o comparație cu unitățile cu jumătate și cu toroidă completă. ASME, Jurnal de proiectare mecanică, 2012, vol.134; 071005-1 - 071005-14.

[7] Walker P., Durack J. și Durack M. Testarea în laborator a unei noi forme de TVC toroidală. Conferința FISITA iunie 2014.

[8] Chugh R., Cropper M., NarainU., Costul economiei de combustibil pe piața indiană a vehiculelor de pasageri Departamentul de Economie, Universitatea din Maryland, College Park, 3105 Tydings Hall, MD 20742, SUA Resurse pentru viitor, SUA Banca Mondiala.

(ATR nu a verificat în mod independent rezultatele testelor, așa cum se susține în acest articol)

Abonați-vă pentru a avea acces la toate articolele.

Dacă sunteți deja membru, vă rugăm să vă autentificați pentru a citi.