Большинство водителей ошибочно полагает, что крейсерская скорость 100 км/ч – это золотая середина между временем в пути и расходом топлива. Практика же показывает, что кошелёк заметно тяжелеет уже после отметки 85-90 км/ч. В этом материале разобрано, какие физические и инженерные факторы превращают небольшой прирост скорости в ощутимый перерасход и почему размеренное движение на 80 км/ч может сэкономить значительно больше, чем кажется на первый взгляд.
Откуда берётся аппетит у двигателя
Любой двигатель внутреннего сгорания превращает химическую энергию топлива в механическую работу, преодолевая ряд сопротивлений. Главные из них – сопротивление качению и аэродинамическое сопротивление. На скоростях до 50-60 км/ч львиная доля затрачиваемой мощности уходит на деформацию шин и трение в трансмиссии. Как только стрелка спидометра пересекает 70-80 км/ч, сцену захватывает воздух. Его сопротивление растёт квадратично относительно скорости, и уже на 100 км/ч на борьбу с ветром расходуется более половины мощности двигателя. Ситуация осложняется тем, что требуемая мощность вычисляется как произведение силы сопротивления на скорость, то есть зависимость становится кубической. Это означает: чтобы ехать на 25% быстрее, двигатель должен выработать почти вдвое больше лошадиных сил. А больше выработанной мощности – это больше сгоревшего бензина или дизтоплива. Таким образом, минимальный расход наблюдается тогда, когда сумма сопротивления качению и сопротивления воздуха уравновешиваются при оборотах двигателя, близких к зоне наивысшего коэффициента полезного действия. У большинства современных легковушек этот баланс приходится как раз на диапазон 60-85 км/ч.
Воздух, шины и другие невидимые тормоза
Аэродинамические свойства автомобиля определяются коэффициентом лобового сопротивления Cx и площадью фронтальной проекции. Для обычного среднеразмерного седана Cx около 0,28-0,32, а лобовая площадь – около 2,2 м². На 80 км/ч сила сопротивления воздуха для такого автомобиля составляет около 120 Н, а на 100 км/ч она взлетает до 185-190 Н. Разница в мощности, затрачиваемой на преодоление воздушного барьера, ещё разительнее: примерно 4,3 л.с. против 8,5-9,0 л.с. То есть двигатель почти вдвое больше выходит на мощность лишь на борьбу с ветром, хотя скорость выросла всего на четверть. Сопротивление качению ведёт себя значительно скромнее – в зависимости от типа шин и давления оно добавляет к общему торможению 0,008-0,015 от веса автомобиля. Но и тут есть нюанс: с повышением скорости шины сильнее нагреваются, гистерезисные потери в резине увеличиваются, и сопротивление качению тоже немного ползёт вверх. В итоге на 100 км/ч суммарная сила, которую должен преодолеть мотор, примерно на 40-45% больше, чем на 80 км/ч, а расход топлива, соответственно, неумолимо растёт.
На скорости 80 км/ч автомобиль тратит на преодоление сопротивления воздуха около 4-5 лошадиных сил; при 100 км/ч потребность возрастает до 9-10 сил, т.е. вдвое, хотя скорость увеличилась лишь на четверть.
Обороты мотора и передачи, которые берегут деньги
Топливо сгорает в цилиндрах не с одинаковой эффективностью на всех режимах. У каждого двигателя есть так называемая зона минимального удельного расхода топлива – диапазон оборотов и нагрузки, где доля энергии, превратившейся в полезную работу, максимальна. Обычно эта зона лежит в пределах 1800-2500 об/мин для бензиновых атмосферников и 1400-2000 об/мин для современных турбодизелей. На высшей передаче скорости 80 км/ч как раз соответствуют около 1900-2200 об/мин у большинства легковушек с механикой или гидромеханикой. Двигатель работает с частично открытой дроссельной заслонкой, но нагрузка уже достаточна, чтобы уменьшить насосные потери. Когда водитель разгоняется до 100 км/ч, обороты возрастают до 2400-2800 об/мин. Здесь увеличивается трение в двигателе, растут потери на привод вспомогательных агрегатов, а у бензиновых моторов часто начинает обогащаться смесь для предотвращения детонации при высоких нагрузках. Как следствие, двигатель выходит из зоны наивысшего КПД, и каждый километр стоит дороже. Поэтому даже при отсутствии сильного встречного ветра переход с 80 на 100 км/ч почти гарантированно повышает расход на 1-2 литра на сотню.
Что говорят стенды и реальные заезды
Лабораторные испытания на беговых барабанах позволяют исключить ветер, рельеф и неравномерность движения. Данные, полученные для трёх распространённых классов автомобилей, приведены ниже.
Средний расход топлива (л/100 км) для разных скоростей и типов авто
| Скорость, км/ч | Малолитражный хэтчбек (1.2 л бензин) | Среднеразмерный седан (2.0 л бензин) | Компактный кроссовер (1.5 л турбодизель) |
|---|---|---|---|
| 80 | 4,3 | 5,6 | 5,0 |
| 90 | 4,7 | 6,1 | 5,4 |
| 100 | 5,4 | 6,9 | 6,1 |
Как видно из таблицы, при переходе с 80 на 100 км/ч расход увеличивается в среднем на 20-25% для бензиновых версий и на 18-22% для дизеля. Реальные дорожные заезды вносят коррективы: на равнинных магистралях при отсутствии сильного ветра разница может быть чуть меньше, но всё равно остаётся ощутимой. Многочисленные тесты изданий вроде Auto Motor und Sport и независимые измерения подтверждают, что самый низкий расход почти всегда фиксируется между 70 и 85 км/ч, а дальше кривая уверенно идёт вверх.
Не только педаль газа портит экономию
В диапазоне 80-100 км/ч на расход влияют факторы, которые на меньших скоростях почти незаметны. Вот основные из них:
- встречный ветер силой 10-15 км/ч фактически превращает 100 км/ч по спидометру в 110-115 км/ч аэродинамической нагрузки, что ощутимо поднимает расход;
- открытые окна или люк увеличивают турбулентность и действуют как дополнительный воздушный тормоз, эквивалентный росту Cx на 1-4%;
- багажник на крыше, даже пустой аэродинамический бокс, способен увеличить расход на 10-15% уже на 90 км/ч;
- давление в шинах ниже рекомендованного на 0,3-0,5 бар увеличивает сопротивление качению и добавляет 2-3% к расходу;
- включённый компрессор кондиционера на высоких оборотах отбирает у мотора 2-3 л.с., что на 80 км/ч заметнее, чем на 100 км/ч, так как составляет больший процент от общей потребляемой мощности;
- частые сбросы и наборы скорости даже в узком коридоре заставляют систему впрыска реагировать на изменяющуюся нагрузку и кратковременно подавать обогащённую смесь;
- рельеф с чередованием пологих подъёмов и спусков приводит к тому, что на 100 км/ч двигатель чаще выходит на режимы открытой дроссельной заслонки, а на 80 км/ч запас тяги позволяет проходить подъёмы без принудительного обогащения смеси;
- загрузка салона пассажирами и багажом повышает общую массу, а вместе с ней – и сопротивление качению, причём на высоких скоростях этот вклад хоть и менее заметен в процентах, но суммарный расход одинаково растёт.
Даже если изолировать каждый из этих факторов по отдельности, их совместное влияние превращает казалось бы незначительное ускорение в ощутимый удар по топливному бюджету. А если маршрут пролегает через холмистую местность или сопровождается боковым ветром, переплата за скорость увеличивается мультипликативно.
Когда за рулём стоит задача доехать из точки А в точку Б с наименьшими затратами, выбор скорости становится таким же инструментом, как и выбор передачи. Анализ всех составляющих – сопротивления воздуха, трения в шинах, передаточных чисел и реальных карт удельного расхода двигателей – однозначно показывает, что в коридоре 80-100 км/ч топливная эффективность максимальна ближе к нижней границе. При 80 км/ч двигатель находится в зоне наивысшего КПД, аэродинамическое сопротивление ещё не играет доминантную роль, а трансмиссия обеспечивает умеренные обороты без необходимости обогащать смесь. Повышение скорости до 100 км/ч приводит к стремительному росту мощностных затрат, выходу мотора за оптимальный диапазон оборотов и, как следствие, к вполне предсказуемому увеличению счетов на заправках. Поэтому стабильное движение на 80 км/ч – это не медленная езда, а трезвый хозяйственный расчёт, который при многокилометровых путешествиях оборачивается десятками сэкономленных литров.