¿Por qué parar y arrancar un automóvil en tráfico pesado consume más combustible?

¿Por qué parar y arrancar un automóvil en un tráfico pesado consume más combustible que simplemente detenerse en una carretera a 55 mph?

Si piensa en lo que está haciendo el automóvil en ambos casos, verá por qué quema más combustible al acelerar.

Teoría general

F = mA (la fuerza es igual a la masa por la aceleración), y en este caso la fuerza es aplicada por el motor. Cuanta más fuerza, más combustible se quema.

Aceleración

En el tráfico de parada y avance, realiza paradas frecuentes y acelera de cero a una velocidad relativamente baja, como 30 MPH. Según la ecuación anterior, (F = mA) debe tener una fuerza en la dirección en que desea acelerar la masa de su automóvil. Pero esa es una fuerza neta. Tienes la fuerza del motor que te mueve hacia adelante, pero te resiste la inercia, la fricción y, en algún momento, incluso el aire resiste tu intento de acelerar. El motor debe superar todas estas fuerzas aplicando una más grande. Más fuerza es más gas quemado.

Inercia

Mientras se desplaza por la carretera, mantiene una aceleración de cero. Entonces la fuerza neta aplicada es cero. Por lo tanto, solo tiene que igualar, no exceder, como al acelerar, las fuerzas de fricción y la resistencia aerodinámica. Menos fuerza, significa menos gas quemado.

¡Espero que eso ayude!

Cada vez que frena, la energía se desperdicia. Los frenos convierten la energía mecánica de un automóvil en movimiento en calor por fricción (se calientan). Aquí es donde la energía finalmente se "pierde". Luego, cuando el tráfico avanza un poco, por supuesto, necesita acelerar, y aquí es donde realmente usa el combustible de su tanque para poner esta energía en hacer que su automóvil se mueva.

Cuando navegas a velocidad constante, las únicas grandes pérdidas de energía provienen de la resistencia del aire. Esta resistencia depende de la velocidad y la forma de su automóvil, por lo que con una velocidad moderada (como 55 mph) y un automóvil moderno y aerodinámico, en realidad pierde menos energía que al frenar repetidamente en un atasco de tráfico. Por supuesto, si su automóvil es menos aerodinámico (por ejemplo, lleva equipaje grande en el techo) o lo conduce muy rápido, eventualmente llegará a un punto en el que quemará más combustible por inercia que en un atasco.

(Me salteé las pérdidas de energía en las llantas de goma, porque siguen siendo prácticamente las mismas. Además, si puede manejar en 10 minutos pero pasar una hora completa en un atasco, eso es mucho ralentí, pero el ralentí no es tan importante como todo ese frenado).

Esto también explica por qué los vehículos con motores eléctricos son mucho más eficientes en este tipo de tráfico de arranque y parada; en lugar de frenar con regularidad (fricción), en su lugar hacen un "frenado regenerativo" y devuelven parte de la energía a la batería.

Su motor siempre está quemando gasolina cuando el automóvil está funcionando.

Cuando está parado, está quemando gasolina para mantener su motor en funcionamiento, sin mover realmente el automóvil, por lo que sus millas reales por galón (MPG) en ese momento son 0.

Cuando comienza a acelerar, está usando más gasolina que cuando el automóvil estaba en ralentí, pero luego tiene que presionar los frenos, esencialmente desperdiciando la gasolina adicional que acaba de usar para acelerar.

Una vez que esté al día y ya no acelere en la carretera, el motor solo usa 20-40 caballos de fuerza para mantener esa velocidad. Cuando navega a 60 mph, recorre millas por minuto, por lo que, dependiendo del automóvil, su consumo relativo de combustible es mucho mayor.

El siguiente gráfico muestra el consumo de combustible específico del freno (BSFC, específico del freno, lo que significa que el motor se montó en un determinado estilo de dinamómetro del motor, en lugar de en un automóvil). El consumo de combustible se mide en gramos por kilovatio-hora (1 KWH = 1.34 caballos de fuerza). El par máximo vs RPM (revoluciones del motor por minuto) se muestra en la parte superior del gráfico (línea negra con puntos negros). Como puede ver, se usa la menor cantidad de combustible por KWH cuando ESTE motor está funcionando a 2-3k RPM y genera un 80% del par máximo.

Nuevamente, cuando navega, solo necesita una fracción de su potencia total. Las rpm del motor para la mayoría de los automóviles en la marcha más alta a velocidades de autopista generalmente son de 2500-3500 RPM, por lo que incluso cuando su requisito de torque disminuye y cae fuera del rango óptimo de eficiencia de combustible, cuando el valor del denominador (potencia necesaria para navegar a 60) disminuye, al igual que el numerador (cantidad de combustible utilizado).

El aspecto más importante de la respuesta a esta pregunta se encuentra en la primera ley de movimiento de Newton:

Un objeto en reposo permanece en reposo y un objeto en movimiento permanece en movimiento con la misma velocidad y en la misma dirección, a menos que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.

Esta es la misma razón por la que el transbordador espacial usa algo como el 90% de su combustible en el despegue.

Como entró cdunn, se trata de la fuerza (F). Más combustible / s = más fuerza / s.

La clave para entenderlo es ese pequeño fragmento "a menos que actúe una fuerza desequilibrada " .

En el caso de su ejemplo de una carretera con altibajos, la gravedad entra en juego. En declive, g se convierte en una fuerza positiva. Para ilustrar claramente usaré extremos.

Digamos que su disminución es de 90 grados, o vertical. Eso significa que se agrega g (10m / s ^ 2) a la potencia de su motor. Esta es la razón por la cual los vehículos tienen métodos intencionales para romper el motor y arrastrarlo en varias partes, por lo que no solo debe volar cuesta abajo. Por el contrario, al viajar de regreso, esta gravedad ahora es una fuerza negativa en su motor. Por lo tanto, debe producir más fuerza del motor o producir más fuerza por inercia.

Ejemplo extremo

Say the following is true:

    motor output (Mo)= 250 HP or ~ 19,020 kg-m/s^2

    curb weight (cw)= ~1800 kg

    g = 10m/s^2 • cw = ~18,000 kg-m/s^2

    friction = 0

    surface resistance = 0

Using -- t=(v-v0)/a -- we get the following.

In this case nothing is in play except
gravity and motor output. Which
means that in a dead fall you have 
~37,020 m/s^2 for and in a vertical 
incline only ~1,020 m/s^2. 

So on the decline it only takes 
0.00075 seconds for the car to reach
100 km/h. 

Whereas on the incline, it takes 
0.0272 seconds to reach the same 
speed.

Si bien esto puede no parecer mucho, puede ver que es una gran diferencia.

Es cierto que intentar mantener una velocidad constante donde hay colinas no es lo más eficiente (corté la forma en que la mayoría de los sistemas de control de crucero manejan las colinas). Pero en pisos es. El truco con las colinas es igualar tus fuerzas. Llegar a una velocidad adecuada en una bajada le permitirá a su inercia llevar su cuesta más lejos sin una entrada masiva de su motor.

Pero aparte de las colinas, su pregunta inicial es "¿por qué parar y comenzar el tráfico quema más combustible?" La respuesta a eso es simplemente debido a la inercia. ¡Pero! También hay actores adicionales. Por ejemplo, sentarse parado. Su motor está quemando combustible y no está viajando. Por lo tanto, realmente no está obteniendo 0 MPG, sino más como -x MPG porque trae el MPG general de su viaje o cuenta regresiva a eventual 0 o incluso una relación negativa (por ejemplo, 15 Gal./1 Milla).

Las variables como la resistencia al viento, la resistencia, las ineficiencias y la gravedad ni siquiera entran en juego hasta que fluye el tráfico.

Cualquier motor no puede tener una eficiencia del 100%; Siempre hay pérdidas de energía.

Cuando navega por la carretera, generalmente usa la marcha más alta y muchos automóviles están sintonizados para tener la máxima eficiencia allí. En ese caso, sus pérdidas de energía se deben a la resistencia aerodinámica, el rodamiento de los neumáticos y la fricción del motor y la transmisión. Tenga en cuenta que las dos primeras formas son proporcionales a la veocidad al cuadrado, las pérdidas de transmisión son proporcionales a la velocidad y la fricción del motor es proporcional a las RPM reales.

Cuando está atascado en un atasco de tráfico, generalmente usa las dos primeras marchas, lo que conduce a una menor resistencia pero mayor fricción del motor y el motor funciona en un amplio rango de RPM. Cuando frena para detenerse, se desperdicia toda la energía cinética que obtuvo del combustible; cuando te quedas con el motor encendido desperdicias el combustible solo para mantenerlo encendido. Si acelera, quema más combustible para aumentar la energía cinética, si cambia demasiado temprano o demasiado tarde, quema combustible adicional solo porque el motor está fuera de su rango óptimo de RPM. Al comenzar desde el alto, debe deslizar el embrague por un tiempo; Otro desperdicio de energía.

A pesar de que no frena para detenerse en absoluto (desperdiciando su energía cinética), utiliza el frenado del motor, utiliza el arranque y la parada, cambia en los momentos correctos; no puede alcanzar la economía de combustible cuando navega de manera inteligente .

Otra forma de ver esto es visualizar la apertura del acelerador.

Cuando navega, el pedal se mantiene presionado en alguna posición más que inactivo, pero menos del máximo

Cuando despega y acelera, el pedal se presiona aún más, lo que abre la válvula de mariposa y permite que entre más combustible / aire en el motor.

Por lo tanto, se usa más combustible para acelerar que para navegar.

Sí, me doy cuenta de que la respuesta es fraude, autos modernos, computadoras, inyección, etc.

Por separado, el ralentí usa combustible para no progresar, por lo que algunos autos apagan el motor en un punto muerto. Como ciclista, suena tan extraño a la luz verde, escuchar tres o cuatro autos que encienden sus motores a la vez.

Respuesta simple: el consumo de combustible en el crucero (a 55 mph constantes) es proporcional a la fricción (rodamientos aerodinámicos \ neumáticos \ mecánicos). El consumo de energía de conducción transitoria alta (parar y continuar con frenado de fricción convencional) es significativamente mayor que la quema de energía debido a la fricción en estado estable. El frenado eléctrico híbrido conserva la energía y debe considerarse como un caso especial.

El desgaste del motor / neumáticos / frenos también se manifiesta en los automóviles que circulan por carreteras de alto y bajo.

En pocas palabras: la aceleración cuesta energía. El frenado no le gana energía (al menos en su automóvil promedio).

Por lo tanto, si el escenario 1 implica acelerar y frenar, y el escenario 2 implica un crucero constante a velocidad constante, entonces el escenario 1 costará más energía (combustible), simplemente porque gasta el combustible para la aceleración. No es el frenado lo que es inherentemente malo, pero tener que frenar es decirle que podría haber evitado la aceleración en primer lugar y así haber ahorrado el uso de combustible de aceleración.

Anexo: hay un escenario 3: acelere a su velocidad objetivo lo más rápido posible en las marchas apropiadas, luego desacople el embrague y gire con el motor en ralentí. Esto usa incluso menos combustible que en el escenario 2 porque el motor promedio será más eficiente a RPM más altas (hasta cierto punto, no presione el pedal del acelerador hasta el piso ya que los motores modernos bombearán combustible adicional para darle tipo de efecto "postquemador").

Esto necesita un poco de práctica para acertar, es decir, debe acelerar a una velocidad lo suficientemente alta como para obtener una cantidad significativa de tiempo de rodadura, sin romper los límites de velocidad y sin obstaculizar otros automóviles; tampoco es realmente beneficioso si todavía tiene que frenar al final del rollo. Por lo tanto, no recomendaría a los novatos que hagan eso, pero los conductores experimentados pueden obtener un pequeño porcentaje de ahorro de combustible. Google "hipermiling".

Además, en general, trate de frenar con el motor en lugar de los frenos (si la seguridad lo permite), obviamente, por lo tanto, el motor usará combustible 0 (en lugar del minúsculo combustible inactivo) cuando lo haga.

Una razón es que los motores de combustible fósil están ajustados para funcionar de manera más eficiente alrededor de 50-60 mph, por lo que cualquier otra velocidad no entregará tanto torque para el combustible que se quema, es por eso que la velocidad de crucero es donde está.

Otra, en la que me centraré, es que independientemente de la velocidad a la que viaje, cada vez que frena, desperdicia energía. Esto es lo que parece si acelera y luego quita el pie del acelerador:

Así es como se ve si pisa los frenos:

Y una comparación:

Por lo tanto, cada vez que frena, no ha ido tan lejos como podría haberlo hecho: ha gastado combustible en la aceleración que podría haberlo llevado más lejos. Ahora tiene que gastar energía nuevamente para cubrir esa distancia.

Esto es lo que se ve en el tráfico: observe la acumulación de energía desperdiciada:

Versa el desperdicio si solo frenas una vez al final:

Por cierto, este es un problema que los autos híbridos abordan: cuando pisa los frenos, usan inducción para recargar la batería, y hay menos desperdicio.

Creo que simplemente podemos referirnos a la primera ley de movimiento de Newton en Física para responder a esta pregunta de la manera más simple.

Primera ley del movimiento de Newton: I. Todo objeto en un estado de movimiento uniforme tiende a permanecer en ese estado de movimiento a menos que se le aplique una fuerza externa. Esto lo reconocemos esencialmente como el concepto de inercia de Galileo, y esto a menudo se denomina simplemente la "Ley de Inercia".

Cuando consideramos cómo se aplica esto a un automóvil, un automóvil que se desplaza por una superficie plana continuará a la misma velocidad a menos que una fuerza actúe sobre él. (Ignorando el arrastre y la fricción de rodar a lo largo de la carretera para este ejemplo).

Con un vehículo estacionario, debe quemar combustible para crear la fuerza que actúa sobre el automóvil y sus componentes (componentes del motor, eje de transmisión, ruedas de carretera y similares) para acelerar su rotación y acelerar el vehículo.

El uso de los frenos aplica una fuerte fuerza de fricción sobre el automóvil, convirtiendo la inercia (energía cinética) del automóvil en calor.

En un automóvil que se detiene y arranca, está quemando más combustible porque pierde energía cinética deteniéndose como calor residual, y luego tiene que gastar energía del combustible para aumentar la inercia del vehículo y sus componentes nuevamente cuando acelera.

Por lo tanto, un automóvil que se detiene y arranca usa más combustible.

Yo diría que conducir en la parada y el tráfico utiliza menos combustible que conducir a velocidades de autopista.

Considere el siguiente escenario usando velocidades típicas de carretera y de parada y avance, y MPG realista a esas velocidades. Puede ver que el automóvil quema combustible a un ritmo más rápido en la carretera que en el tráfico de parada y salida.