자동차 속도 및 에너지 소비

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이동을 위해 주어진 거리를 커버하는 자동차의 에너지 소비는 차량의 속도에 따라 달라집니다. 자동차가 빨리 달릴수록 추진에 더 많은 에너지가 필요합니다. 40km/h 이하의 속도에서는 특정 거리에 대한 에너지가 속도에 따라 거의 일정하며, 고속에서는 단위 거리당 자동차의 에너지 소비량이 속도의 제곱에 비례하여 증가합니다.^[1][2][3] 이는 에어 드래그가 고속에서 타이어 롤링 저항을 지배하기 때문에 발생합니다.^[1][4][5]

따라서 2배 빠른 속도로 주행할 경우 거리 단위당 연료 비용이 약 4배 더 듭니다. 필요한 동력은 속도의 세제곱에 따라 증가하므로 이론적으로 2배 빠른 주행은 단위 시간당 8배의 연료가 듭니다.

저속에서의 에너지 손실 메커니즘

일반 승용차는 다양한 메커니즘을 통해 연료 에너지를 발산합니다. Holmberg et al. (2012)^[2]은 60 km/h의 낮은 속도에 대해 문헌에서 백분율로 다음과 같은 분해를 발견했습니다.

1. 33%(범위, 30~37%): 배기 가스의 열 손실
2. 29%(25~33%): 엔진, 라디에이터 및 자동차 난방 시스템의 열 손실
3. 38%(33~40%): 공기 항력 및 마찰 손실, 다음으로 세분화:
   1. 5%(3~12%): 에어 드래그
   2. 33%: 롤링 저항을 포함한 차 내 마찰.

그래프 1 largly에 표시된 MacKay의 시뮬레이션은 열 손실을 고려하지 않고 약간 다른 매개 변수와 일치합니다.^[1]

가속, 공기 항력 및 다양한 속도에서의 롤링 저항에 의한 에너지 손실

자동차 엔진이 공급하는 추진용 에너지$$ $E{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\text{모터}}_{}}$ ${\$는 다음과 같은 용도로 사용됩니다.^[6]

1. 자동차 가속(약칭: ac),
2. 공기 저항(aer역학적 항력, dr) 극복 및
3. 굴림 저항(rr) 극복

하도록

${\displaystyle E_{\text{motor}}=E_{\text{ac}}+E_{\text{dr}}+E_{\text{rr}}$

여기서 바람, 상승 및 하강의 에너지 효과는 고려되지 않으며, 도시에서 주행할 때 제동 및 가속이 반복됩니다.

가속도

질량 $m{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{자동차}}_{}}$ ${\$와 속도 $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{자동차}}_{}}$ ${\$가 있는 이동 자동차의$$ 운동 에너지 ${\displaystyle {\text{Ekin}}_{}}$ ${\$은 이론적으로 다음과^[7][8][9] 같이 계산할$$ 수 있습니다.

${\displaystyle E_{\text{kin}}={\tfrac {1}{2}}m_{car}\cdot v_{car}^{2}}$

따라서 120km/h(33.3m/s)의 속도로 1,000kg의 질량을 가진 자동차의 경우

${\displaystyle E_{\text{kin}}=0{.}5\times 1000\times 33{.}3^{2}=5{.}56\times 10^{5}\,{\text{J}}=0{.}15\,{\text{kWh}}}$

(1킬로와트시(kWh)는 360만 줄(J)과 같습니다.)^[10]

자동차가 정지 상태에서 출발하여 가속할 때 필요한 운동 에너지가 모터에 의해 공급됩니다. 운전자가 브레이크를 밟을 때 손실됩니다(예를 들어 플라이휠에 사용 가능한 운동 에너지가 저장되지 않는 한). 이 에너지의 일부는 회복 제동을 통해 전기 자동차에서 회수될 수 있으며 축전지에 저장될 수 있습니다.^[11]

실제로 자동차의 실제 에너지 소비는 교통 상황과 개인 운전 스타일을 포함한 많은 추가 요소에 달려 있습니다. 비교를 할 수 있도록 표준화된 소비 테스트, 예를 들어 New European Driving Cycle(NEDC) 및 새로운 WLTP(Worldwide Harmonized Light Vehicle Test Procedures)와 같은 주행 사이클이 고안되었습니다.

뉴턴의 제1법칙에 의해 속도 $v$가 ${\displaystyle v}$인 자동차는 저항이나 마찰 없이 이 속도로 영원히 계속될 것입니다$$. 그러나 공기의 항력과 굴림 저항은 일정한 속도로 주행하기 위해 극복해야 하는 에너지 손실을 야기합니다.

에어 드래그

표면적 $A{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{자동차}}_{}}$ ${\$ 효율화 및 속도 $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ v$}$에$$따라 자동차는 공기를 많이 이동하므로 공기역학적 항력에 의한 에너지 손실이 발생합니다.^[12] 우리는 움직이는 공기를 자동차 뒤에 있는 공기의 튜브(트렁크)로 상상할 수 있는데, 그 튜브의 단면적의 부피는 자동차가 이동하는 거리와 같은 길이의 곱입니다. 이 길이는 자동차 속도와 경과 시간의 곱과 같습니다. 예를 들어, 공기 튜브의 유효 단면은 $효율화$로 인해 ${\displaystyle A_{}}$ 자동차의 전면 $\{\backslash$$displaystyle A_{car}}$보다 작습니다. 이는 공기 저항 약 1/3에 대해$$ 드래그 계수 ${\displaystyle {\mathrm{cdrag}}_{}}$ ${\$를 도입하여 고려할 수 있습니다.^[13]
자동차 앞유리의 표면적은

${\displaystyle A_{car}=2m\times 1.5m=3m^{2}}$^[14]

$그런{\displaystyle }$ 다음 t ${\displaystyle$ t$}$를 $속도{\displaystyle }$ v ${\displaystyle v}$로 주행한 후 차량 뒤쪽의 소용돌이치는 공기 튜브의$$ 유효 체적 ${\displaystyle {\mathrm{Veff}}_{}}$- ${\displaystyle {\mathrm{air}}_{}}$ ${\$는 다음과 같습니다$$^[14].

${\displaystyle V_{eff-air}=A_{car}\cdot 튜브 길이=A_{car}\cdot c_{drag}\cdot v_{car}\cdot t}$

$vcar$⋅ t {\$displaystyle v_{car}\$cdot $t$} = d ${\displaystyle$ d}에서 이동한 거리입니다.
$d$ ${\displaystyle$ d$}$미터의 이동에 따른 변위된 공기의 질량은 튜브의 부피와 공기의 특정 ${\displaystyle {\mathrm{질량}}_{}}$ρ의 ${\displaystyle$ \$rho$_{air}}배와 같으므로,

${\displaystyle m_{\mathrm{air}}}$ =$Vef$ -$r$ ⋅ ρ${\displaystyle {}_{}}$air = 3 × 1${\displaystyle {}_{}}$/${\displaystyle 3_{}}$⋅ ⋅ ρ air {\displaystyle m_{${\displaystyle a_{}}$ir} = V_{eff-air}\cdot \rho _{${\displaystyle a_{}}$ir} = 3\times 1/3\cdot d\rho _{air}}.

공기 저항으로 인한 에너지 손실은 자동차가 공기에 가하는 운동 에너지와 같습니다.
공기$$ρ 공기의 밀도에 $대해{\displaystyle \mathrm{}}$1.${\displaystyle {}^{}}$m - ${\displaystyle 3^{}}$${\$$displaystyle 1.3kgm^{-3}}$의 값을 사용하면 다음과 $같습니다.$

${\displaystyle E_{drag}={\tfrac {1}{2}}m_{air}\cdot v_{car}^{2}={\tfrac {1}{2}}\rho _{air}\cdot A_{car}\cdot d\cdot c_{drag}\cdot v_{car}^{2}\cong 0.65\cdot v_{car}^{2}\cdot d}$

롤링 저항

자동차 타이어의 구름 저항으로 인한 힘에 대한 수학 공식은 다음과 같습니다.^[15]

${\displaystyle F_{rr}=C_{rr}\cdot m\cdot g}$

와 함께

${\displaystyle {\mathrm{Cr}}_{}}$ ${\$ 약 0.01인 롤 계수입니다$$.^[16]

$m {\displaystyle$ m$}$ 자동차의$$ 질량과

$g {\displaystyle$ g$}$ 중력 가속도.

롤링 저항에 의해 발생하는 해당 에너지 손실은 다음과 같습니다(롤링 저항에 의해 수행되는 작업).^[17]

${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle$ E_$rr$} = ${\displaystyle \mathrm{F\_}}${rr}\c${\displaystyle d_{}}$o${\displaystyle {\mathrm{t\; d=\; con}}_{}\mathrm{stant}{}_{}\mathrm{cdot}}$ $d$},

$d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$에서는 거리를 커버하므로 단위 거리당 롤링 저항을 극복하는 데 소비되는 에너지는 상수입니다.

마찰을 극복하기 위한 총 에너지 소비량

에어 드래그와 타이어 롤링 저항을 모두 극복하는 데 필요한 에너지 소비를 합하면 다음과 같습니다.

${\displaystyle E_{\text{total car over distance d}}=E_{\text{air resistance}}+E_{\text{rolling resistance}}}$

${\displaystyle E_{drag}\cong 0.65\cdot v_{car}^{2}\cdot d+상수\cdot d}$

그래프를 통해 단위 거리당 드래그 저항이 더 높은 차속에서 롤링 저항보다 우세함을 알 수 있습니다.

${\displaystyle E_{\text{tot}}\cong 0{.}7\cdot v^{2}\cdot d}$

거리에 따른 에너지 소비와 대기 오염은 속도 제곱에 비례합니다.

고속 주행 시 자동차의 에너지 소비는 속도 $v{\displaystyle }$ ${\displaystyle v}$ 제곱에$$ 비례하며, 물론 주행한$$ 거리 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ d$}$에 비례합니다. 따라서 고속도로와 같이 자동차의 공기 저항이 지배적이고 가속/제동 및 롤링 저항이 에너지 소비에 미치는 영향이 적을 경우 에너지 소비는 자동차 속도의 제곱에 비례합니다. 휘발유 소비량에 따라 공기 오염이 증가할 경우, (120/130) = 0.85% = 85% 및 100% - 85% = 15%이기 때문에 동일한 거리를 시속 120km로 주행할 경우 130km보다 15% 덜 오염됩니다.

자동차는 주로 열을 생산하고 연료 에너지의 25%만 이동에 사용하기 때문에(^[13]전기 자동차는 이동에 약 90% 사용), 가솔린은 자동차가 이동에 사용하는 에너지보다 훨씬 더 많은 에너지를 공급해야 합니다.

${\displaystyle E_{\text{supply by gasol}}= 4\times E_{tot}\cong 2{,}8\cdot v^{2}\cdot d}$

자동차 동력은 속도의 세제곱에 비례합니다.

자동차의 에너지 소비에 대한 정확한 세부 사항은 자동차의 구조 등에 따라 다르지만, 일반적으로 속도와의 이 2차 관계는 60km/h 이상의 속도에서는 옳지만, 첨부된 그림을 참조하십시오.^[1] 이는 자동차의$$ 파워(시간당 에너지이므로 에너지 시간 속도를 거리로 나눈 값) ${\displaystyle {\mathrm{Pca}}_{}}$ ${\$와 그들의 최고 속도 ${\displaystyle {\text{Vtop}}_{}}$ ${\$의 큐브 사이의 측정 관계에서도 확인할 수 있습니다.

$, car$$=E_{top,car}\cdot v_{\text{top}}/d\cong v_{\text{top}}^{3}}$, so

${\displaystyle P_{top,car}\cong v_{\text{top}}^{3}}$

에너지는 속도의 제곱에 비례하며 소비 전력을 얻기 위해서는 속도에 다시 곱해야 합니다. 그래서 자동차 파워는 자동차 속도의 세 번째 파워에 따라 확장됩니다. 2배 빠른 속도로 주행하면 초당 에너지 소비량이 8배(2³) 증가합니다.

저속에서는 마찰이 지배합니다.

지구 평균 속도인 60km/h에서 화석 연료 자동차의 공기 항력으로 인한 에너지 손실은 전체 에너지 손실의 약 5%에 달합니다. 나머지는 마찰(33%), 배기(29%), 엔진 냉각(33%)이 차지합니다.^[19] 전기차는 마찰로 인한 손실이 절반 정도로 추정됩니다.

참고 항목

• 수송시 에너지효율
• 에너지 효율적인 운전
• 자동차의 연비
• 운동에너지

참고문헌

추가 읽기

• 물리학의 기초:
• 마찰과 관련된 주제에 대해:
  • Holmberg, Kenneth; Andersson, Peter; Erdemir, Ali (March 2012). "Global energy consumption due to friction in passenger cars". Tribology International. 47: 221–234. Retrieved 21 November 2023.
  • Holmberg, Kenneth; Andersson, Peter; Siilasto, Roope; Erdemir, Ali (May 2013). "Global energy consumption due to friction in passenger cars, transportation and industry STLE Annual Meeting, Detroit, USA, 5-9.5.2013" (PDF). Retrieved 21 November 2023.
  • Holmberg, Kenneth; Erdemir, Ali (6 September 2017). "Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions". Friction. Springer Link. 5 (3): 263–284. doi:10.1007/s40544-017-0183-5. Retrieved 21 November 2023.

외부 링크

• MacKay, David (29 August 2015). "Sustainable Energy – without the hot air". withouthotair.com. Retrieved 22 October 2023. 이전 책 출판 2009. PDF 무료 다운로드.
• Physics Classroom (2023). "Kinetic Energy". The Physics Classroom. Retrieved 2023-10-22.