100英里/加仑汽油:我们真的可以吗?

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从十几岁起，我就经常听说有人发明了一种每加仑行驶100英里(MPG)的汽车，但强大的利益集团(通常是通用汽车、雪佛龙等)购买了这个想法的权利，并将其搁置起来。我们这些笨蛋被留下来花大把的钱买汽油，而解决方案已经在手，而且还保密。

且不说这样的设计会给它的持有者带来难以置信的繁荣(也就是说，没有真正的动机坐在上面)，让我们看看物理学说什么是可能的。

我们喜欢汽车，因为我们可以快速地从A点行驶到b点。所以让我们来评估一下以高速公路的速度行驶所需的能源。我们将使用67英里每小时这个有点笨拙(虽然合适)的速度，因为它很方便地对应为每秒30米。在这样的速度下，空气动力学阻力是主要的能量消耗，所以我们将从评估开始只有这就得到了一个燃料效率的下限，发现我们做得很好!

真讨厌!

只要你的车比一粒灰尘大，空气阻力就会随着速度的平方而增加。这是因为在汽车的参照系中，随着迎面而来的“风”，汽车破坏的“风”中的动能取决于空气速度的平方。如果汽车没有空气动力学属性(就像一块胶合板面朝气流)，它基本上会抢走迎面而来的空气柱所有它的动能。

如果行进的距离是D，汽车在行驶过程中扫出的空气体积等于汽车的截面积，一个，乘以移动距离，D．为了更明确地说明这一点，一辆正面面积为3平方米(2米宽，1.5米高)的汽车行驶25英里(40公里)，将撞击底部面积为3米的空气管2有四万米长。管子里的动能是1 / 2mv²,米是空气的质量。我们已经知道受冲击空气的体积是·维，所以它的质量就是体积乘以空气的密度，我们称之为ρ．在海平面上，ρ= 1.3公斤/米3.对于空气(作为参考，水在这些单位中的密度为1000)。

把这些放在一起，一辆不幸的非空气动力学汽车将会看到能量的流失E拖=½(ρ广告）v²，括号里的项是空气的质量。一辆真正的汽车比一块胶合板有更好的空气动力学性能，所以我们加入了一个叫做阻力系数的术语，cD，在旅途中与空气搏斗所消耗的能量就变成了E拖=½cDρ副词²。轿车的阻力系数从普锐斯的0.25到suv和皮卡的0.5-0.6不等。大量的轿车开过来cD=0.3，所以我们将在当前的分析中使用这个数字。

热机和汽油

当然，我们通过在发动机中燃烧汽油来获得对抗空气阻力的能量。汽车发动机是热机，其热力学效率受熵的限制不大于100×(Th−Tc) /Th百分比,Th而且Tc是热和“冷”温度(开尔文)之间的发动机工作。再加上实际的限制，大多数汽车发动机都在15-25%的范围内。如果我们能够实现一个理想的热机，在体积平均爆炸温度约1200°K(我的猜测)和环境温度300°K之间运行，我们的效率将达到75%。但是排气歧管——作为汽缸的“冷”温度——比环境温度要高得多，并且汽缸壁调节了有效的热温度，从而降低了理论上可实现的效率。涡轮泵可以利用热排气来恢复部分损失的能量流，从而获得更好的性能。

汽油每加仑能提供36.6千瓦时(132兆焦)。在20%的效率下使用，这意味着Edeliv=26兆焦耳(兆焦耳)的能量实际交付到传动系统每加仑燃烧。

计算里程

现在我们可以计算出每加仑汽油可以行驶多少英里。使一加仑汽油所提供的能量等于克服空气阻力所需要的能量:Edeliv=½cDρ副词²和求解D使用上面的值，我们发现D=50,000米，或50公里，或31英里。所以我们假设的只有空气阻力的汽车在高速公路上每加仑能跑31英里。似乎完全合理。我们稍后将调整这个和所有其他只计算空气阻力的滚动阻力。

推动限制

我们能做些什么来提高里程?最简单的选择就是慢下来。对速度的二次依赖是惊人的，这可能是最大、最容易获得收益的地方。但我们喜欢设计解决方案的方法，而不是改变行为。所以旋钮是:发动机效率;阻力系数;额叶区域。最好的、外观怪异的概念车的阻力系数在0.15左右。如果我们愿意和鳟鱼形状的车一起生活，我们可能会得到cD降至略低于0.1。柴油机在较高的温度下工作，能获得较好的热力学效率。精英中的精英(火车机车和大型轮船)得到50%。对于一个由钢铁制成的汽油发动机来说，30%是一个延伸。减少额叶面积通常不能满足运送多人的需要。如果我们愿意一列纵队坐着，我们可以做低额区域的鳟鱼形。我们甚至可能听不到“别碰我!”后座上。我要指出的是，鳟鱼车将是一个真正的痛苦平行停车，必然是相当长的长度在尾部，太窄，没有多大用处。

举个很好的例子，使用一个²= 1.5米,cD=0.1，发动机效率为50%，我们得到了惊人的燃油经济性数字466 MPG。但你不会在一辆1.5平方米的鳟鱼车里得到一个机车性能的发动机。考虑到我们的行为和审美偏好，一套更实际的限制可能是一个²= 2.5米,cD=0.2，发动机效率30%。这使我们达到84英里/加仑。这是个不错的地方，但离神奇的每加仑100英里还差得远。即便如此，这也不是一朝一夕的事:请注意，我们目前还远未接近这一目标。

今天的普锐斯是如何达到低燃油经济性的?阻力系数较低，为0.25。面积很小，我估计只有2.5平方米，最大的诀窍是发动机可以针对高速公路进行优化，因为电池可以在较低的速度下辅助加速。传统汽车牺牲了在高速公路上的效率，来换取在试驾中非常重要的发动性能。如果我使用25%的发动机效率与上述值，我得到56英里/加仑。

滚动阻力是什么?

到目前为止，我们在分析中忽略了滚动阻力(主要来自轮胎)，主要是为了保持简单，同时抓住高速公路速度下燃油经济性的主要因素。在滚动摩擦系数为0.01时，一辆1吨重的汽车(1000公斤;10,000牛顿)需要100牛顿的力来推动——与速度无关。仅这一影响(例如，在真空中驾驶)就会导致在20%的发动机效率下，160 MPG的限制。在30米/秒(67英里/小时)的空气中，考虑到滚动阻力:我们的31英里/加仑的轿车变成了26英里/加仑;56英里/加仑的普锐斯变成了45英里/加仑;我们可笑的机车鳟鱼车从每加仑466英里变成了每加仑220英里;而我们的“现实”84英里/加仑的汽车现在是63英里/加仑。

但请记住，这些数字是不能被拿走的太字面上。我们对正面面积、引擎效率等进行了大量的整数估计。数字是合理的给我们一个理解近似极限的框架。所以我不想听到任何人说63 MPG是一个有意义的硬性限制。这是大概的。它是有用的。可以在分析中添加许多细节，但我们已经抓住了问题的本质。

这一切的意义

这篇文章的目的是说明高速公路上的燃油效率不神秘的．是空气的问题，笨蛋。我们没有多少旋钮可以转动，而且我们能转动的旋钮也有限。最让人失望的，也许是我们的引擎典型的20%的性能。Naïvely，这表明潜在收益为5倍。但只要我们在气瓶中制造火球，我们就会受到严酷的热力学现实的限制。一个未来的文章将处理潜在的电动汽车。我们将不得不放弃加仑作为衡量标准(当我们这样做时，我们也应该将衡量标准翻转为每距离能量，与我们熟悉的MPG相反)。

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关于“100英里/加仑汽油:我们真的可以吗?”

    • 谢谢你的鼓励(也谢谢你，Marcel)。我出来的时候又快又狠，但既然我在配合能源公告对于每周的系列节目，我可能会推迟一点，让他们赶上进度。但不要害怕:我有很多帖子想法，我渴望发表，所以一定要继续关注!

      • 展望一下你对电动汽车的想法和计算，因为许多人似乎认为，我们不应该因为简单地使用电动汽车(当然是中国制造)而担心汽油价格。在我看来，除了空气阻力之外，能量密度和功率当然会对电池容量和充电速率造成一些基本限制。

      • 如果你正在寻求建议/想法，看到像你这样数学严谨的人讨论(永久的，可持续的)人类殖民太空的能源需求将是很好的。我的意思是，启动、建设和管理必要的人员和基础设施的能源法案。我的想法是，如果我们正在进入一个能源平台或下降的范式，从现在开始，这种冒险的现实成本只会增加，使它在未来变得更不可行，而不是更可行。

    • 你是对的:滚动阻力是一个贡献，尽管在高速公路上，与空气阻力相比，它是次要的。通过两种方法快速估计，滚动摩擦力在50到100牛顿之间，而空气摩擦力约为500牛顿。快速计算一下，有10%到20%的效果。所以，是的，这是一个重要的部分。这进一步证实了一个结论，即汽油每加仑100英里是一个我们不太可能实现的目标。我不想因为一个小影响的“同等时间”处理而使博客陷入困境，但也许我可以用一段话来修改，以说明影响的量级……

  4. 很棒的网站和博客，但是……

    我同意，从能量上来说，每加仑100英里的神奇数字距离每加仑80英里还有很长的路要走。

    然而，你说得听起来太难了。许多欧洲制造商提供的普通汽车(福特、大众、奥迪等)的官方mpg读数为70-75mpg。这些车不是混合动力车或高档车，以正常价格出售。

    考虑到大多数美国汽车可怕的每加仑英里数，这几乎和每加仑100英里一样大的进步。这并不比装一船普通汽车并把它们带到美国更复杂。

    • 非常好的观点:谢谢你的贡献。而在欧洲更合理的升/100公里计量单位中，70英里/加仑和100英里/加仑之间的差别并没有看起来那么大。我当然不希望这篇文章阻碍人们为提高燃油效率所做的一切努力。希望它能产生一些相反的效果，让美国人知道我们仍然可以做得更好(尽管不能无限制地改善)。或者，考虑到热机糟糕的性能，这可能是对汽油的又一次打击。

  5. “鳟鱼车在平行停车时真的很痛苦，因为它一定很长——尾部的大部分长度都太窄了，没有多大用处。”

    如果无用的窄尾部分不超过总长度的一半，也许它可以向上(或向侧面)折叠，这样就可以与车辆的其他部分平行放置，而不是排成一列。或者，也许它可以由可伸缩的部分组成;它甚至可能不需要以市区的速度部署。

  6. 体重呢?到目前为止，谈到MPG时，重量是最重要的考虑因素。阻力当然很重要，但只要你的目标是让肥胖的美国人在6000pd的车辆中以75英里/小时或更快的速度短距离移动，阻力就不会真正发挥多大作用。100英里/加仑是完全可行的，但由此产生的汽车将不会像北美人几十年来被无情的石油-汽车卡特尔广告所设定的那样被视为“正常”。

    根据你关于经济和能源增长的文章的主题，即使今天每个美国人都有一辆100英里/加仑的汽车，全球峰值会改变多少年?如果有的话。不管燃气灶的每加仑汽油有多高。在某种程度上，社会上每个人都应该在独栋住宅的车库里安装煤气炉的想法将不得不被抛弃。这就是为什么我认为美国人在宣称60英里/加仑的汽油会对石油产量甚至污染产生表面效应以外的任何东西时都是在自欺欺人。损害已经造成了。

    http://www.go60mpg.org/

    • 重量当然是加速汽车的一个重要因素。因此，在走走停停的交通中，它确实可以占据主导地位。一旦你在高速公路上加速进行长途旅行，这就是一个阻力的故事，重量几乎没有影响。重量做冲击滚动阻力(与总重量成比例)，但这在高速公路上是一个次要的术语。我可能应该在某个时候继续分析这个缓慢、高流量的案例……

      • 现在你有进展了!我认为DC关于每加仑100英里是可能的是正确的，理论上，你们都是正确的，这将是一种任何自恋的发达国家或发展中国家的公民都不会“想要”的交通工具。(当然，大多数美国人可能也坐不上!)此外，正如你们都暗示的那样，这种里程只适用于“开放”和相对“水平”的高速公路(或下坡)。无论如何，无论燃油消耗变得多么“更好”，Jevon悖论仍然是一个美中不足的问题，不会取得“有意义的”结果。

        我的车和其他很多车一样，都有一个车载电脑，它会显示我的“平均”油耗，根据油箱里的油量给出一个大致的“里程”，还会报告我的瞬时里程。在后一种模式中，“里程”的几个“未知”或“误解”方面变得显而易见。首先，一个人的每一次“完整停留”都会对平均里程产生巨大影响，就像只有一个“F”会影响一个优秀的GPA一样。克服汽车静止时的惯性(还记得牛顿吗?)取决于1)车辆重量，2)道路倾角和3)驾驶员脚的“重量”(尽管程度较小……如果你注意的话)。此外，敏锐的观察者会注意到，以较慢的巡航速度行驶，在里程上几乎没有任何区别。我看到了同样的瞬时里程天气，我巡航在35英里每小时或60英里每小时。(是的，在超过大多数“法定限制”的速度时，“阻力”将成为一个更重要的因素。)因此，任何通勤超过几英里和/或“不得不”在通勤途中停靠不止几站的人，都永远不会看到他们的车辆达到EPA“认证”的最低里程。请不要相信我!在你的汽车电脑上设置合适的模式，找一个带秒表的“副驾驶”来监控和记录那些“即时”里程数字及其持续时间，并获得一些意识。Sapere奥德省!

        除此之外，目前为止我会说"干得好，墨菲医生"我很期待能读到更多。(到目前为止，我已经读了你这里所有的东西。)然而，还有两件事。我想知道你认为或希望有谁作为听众?你的“粗略”计算对“外行”来说很棒，但我怀疑许多“他们”会理解你的对数图并混淆你的意思。(见鬼，大多数人也不会掌握指数曲线，所以这可能无关紧要。)最后，我觉得你对未来的“乐观”令人钦佩，但毫无根据。如果你想让你的玫瑰色眼镜“破裂”(如果不是碎了)，请给我写信。我也很高兴听到/讨论更多关于你对相对论的检验。 That could be a “hoot!”

        • 好的评论。拥有一辆车的瞬时和平均里程是一个巨大的福音，你肯定能学到很多东西。有几次我有机会试验(在NM的平坦笔直的道路上)，我发现最佳时速约为45英里/小时。发动机效率作为RPM(因此速度/齿轮传动)的函数，可以避免出现直线阻力加滚动阻力的问题。

          至于目标受众，我想与感兴趣的人分享简单评估的力量。对于那些没有能力跟踪每一个细节的人，至少我希望他们可以略读到我得出结论的地方，他们至少可以欣赏到得出结论的方法的味道。

          关于乐观，这是一个棘手的话题。我看到了许多失败模式和一些成功轨迹。我决心尽我所能，让自己的未来一路顺风顺水，即使总的来说不太可能。如果我没有一丝乐观，我就不会认为值得花力气开一个博客来指出这些挑战。

          • 关于汽车的瞬时和平均里程显示:有人知道它们是如何测量的吗?

            我认为流量传感器会(太)昂贵，而且很棘手，因为普通的泵设计泵的大部分体积都是圆形的。

            仅仅测量扭矩并根据一些校准的表格和插值计算里程可能是最便宜的(在汽车行业，每一美元都很重要)，但从中能学到什么是值得怀疑的。

            我总是带着怀疑的眼光看这个展览。

          • 丹尼尔，(高于还是低于这个点?)

            25年前，当我在上“流体动力”(包括液压和气动)课程时，我记得使用了几个大小不同的流量传感器，这些传感器相对容易融入任何实验。我不“知道”它们花了多少钱，但从它们的设计和构造来看，我无法想象它们太贵了，即使在当时。毕竟，燃油管路(或任何输送“流体”的管道)是一个已知且不变的直径，因此真正需要的只是测量流经管路的流体速度，以及8080处理器甚至不会注意到的计算。另一个简单的计算，使用该结果和给定“瞬间”的速度，瞧，“瞬时mpg”。我不会对任何“过于精确”的值下任何赌注，但这些指标可能给出了相当合理的近似。在几天/几周/几个月的时间内获得“平均经济”实际上更容易。

          • 哦!我的手指忘记打字了。最后一句话的第三个应该是……另一个简单的计算，使用该结果和车辆在给定“瞬间”的速度，瞧，“瞬时mpg”。

          • 关于你的车的MPG计算…

            在给定的燃油压力下(通常为43psi)，喷油器的额定功率为CC，汽车计算机喷出的瞬时和运行MPG数字是基于喷油器的校准。每次喷油器点火都有一个特定的“脉冲宽度”，喷油器的尺寸除以脉冲宽度，就得到了在发动机特定转速下喷油器喷射的燃油量。把每分钟成千上万的这些数据加起来，再做一点数学运算，你就得到了不同的MPG数据。

            在大多数汽车燃油系统中，“流量传感器”在这项任务中是无用的，因为大多数这些系统在任何给定时间通过系统输送的燃料都远远超过所需的燃料，并在一个循环中将不需要的燃料返回油箱。

  8. 我在两辆不同标准的斯柯达明锐柴油车中达到了每加仑80英里的速度——对你们的美国读者来说，这是一辆大众捷达/宝来。其中一辆是老式的pdi发动机轿车，以每小时40英里的速度独自沿着乡间小路跑10英里。另一辆是旅行车/旅行车/房车，在高速公路上以每小时57英里的速度行驶，在一辆卡车后面以合理的停车距离巡航。两次试验都是在高温环境下进行的。

    轻驱动的PHEV混合柴油。每加仑肯定能跑100英里…但最重要的设备是仪表盘上的燃油效率读数。这一点，以及我们英国人支付的10美元一加仑，改变了他们的行为……

    • 伟大的info-thanks !是的，有一些不错的技巧。减速是一个巨大的胜利，就像在卡车后面牵线一样(实际上也提高了卡车的经济!)你提到了热量，这很重要，因为空气密度的比例就像压力除以温度(开尔文)，所以温暖的密度更小，阻力更小。高海拔也有帮助，因为压力更低。我开过的最好的里程是在科罗拉多和怀俄明的高平原上。在这些地方，空气密度可能比海平面值(在我的分析中使用)低15%左右。

    • 在类似的驾驶条件下，我开着我的斯柯达法比亚(一辆较小的车)每加仑跑了93英里。当然这些是英国每加仑汽油。

      在一位专家的手中，同一辆车在2000公里的往返行程中回到了126英里/加仑(英国)。这是一辆真正的100英里/加仑(美国)汽车，今天在欧洲出售。座位和合理的行李空间。只要学会慢慢地、非常平稳地开车……

      • 我想知道为什么会这么热，以为是空气进入了引擎……在隆冬的黑暗中，帕克斯和三名爱尔兰塞特人在飞机上的类似旅程只产生了每加仑60英里的速度。

        嗨，拉尔夫，没想到在这里碰到你，93mpg，我不值得!但我的不是绿线，更狡猾，接近虚拟现实，我还带着可选的备用轮胎!

  9. 瞬时里程和平均里程由喷油器开启次数计算。汽车的ECU在一定的毫秒内点燃喷油器，并知道在这段时间内有多少燃料通过。

    任何配备电子燃油喷射系统的汽车(几乎是过去20-25年生产的所有汽车，甚至更早的汽车)都有显示里程的所有信息。

  11. 不错的文章。你能在飞机旅行中限制能源成本吗?我一直听说航空旅行会很好，因为效率会翻倍或三倍，我想飞机的效率肯定已经超过50%了。

  12. 我觉得最有趣的是，你描述的那辆超低阻车确实描述了一条鱼。考虑到鱼受到的阻力越小，它移动形状所消耗的能量就越少。

  13. 在20世纪70年代早期，在堪萨斯州，一种设备被销售，吹捧使用标准化油器发动机可以在40英里/加仑到50英里/加仑之间增加里程(是当时陆地鲨鱼普通里程的4到5倍)。据推测，它利用尾气热气化液体燃料，并通过一些碳水化合物的调整，实现了惊人的里程。

    这个消息上了报纸，销量开始上升，然后我们听说司法部长正在调查这个设备和它的发明者。不到一个月，它就被宣布不安全，并被撤出市场。

    遗憾的是，我零星的在线研究从未在这款设备上产生过结果。

    我的问题:
    这样的东西真的有用吗，还是说它是巫毒胡扯?
    在这一点上，这个装置(假设它确实工作)真的比现代燃油喷射发动机有什么优势吗?

    感谢你的博客看起来非常有趣，也感谢你的阅读。

    毫升

    • 很可能是骗局，今天你可以在网上找到各种各样的神奇设备。他们的突出之处在于，他们几乎是独一无二的，没有一个你可以购买并安装在你的燃气燃烧垃圾桶里的实际产品，但他们通常提供“会员资格”或一些模糊的计划，从傻瓜那里榨取钱，而实际上没有提供任何有价值的东西。

      提高每加仑英里数并不是火箭科学。重量和质量就是一切。极轻，低重心，低速!是什么能让你到达目的地。目前的汽车永远不会“高效”，因为它们被明确设计为“不”。笨重，过度建造，充满了复杂的垃圾，既没有帮助也没有必要，比如GPS, mp3播放器声控的废话，电源，嗯…一切，摄像系统，你能想到的。单纯地添加一些神奇的添加剂或添加更多的设备到今天已经过度建造的内燃机上并不会增加里程，只会减少它。在任何情况下，增加系统的重量、质量和复杂性都会降低效率，而不是提高效率。你可能会在其他指标上看到一些改进，但最终，让燃气燃烧器更“高效”的唯一方法是让它更轻、更慢、更简单。

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