12 июл. 2012 г.

Почему реальный расход топлива отличается от обещанного?


Откуда берутся значения расходов топлива, указанные в паспортных данных? Кто и как проводит измерения? А почему реальное потребление топлива порой сильно расходится с обещаниями производителя? Мы не только разобрались в этих вопросах, но и разработали собственную методику оценки топливной экономичности. На это ушел без малого год кропотливой работы — и теперь вы можете нас поздравить: методика работает, а называться она будет ARDC — Autoreview Driving Cycle, ездовой цикл Авторевю.

Цикличность циклов

Методик определения расхода топлива масса. В Европе, например, сейчас действует так называемый новый европейский ездовой цикл (NEDC), описанный в Правиле ECE R101, в Америке — стандарт FTP 75, в Японии — JC08...
Во времена Советского Союза нормы расхода определяли по СТП (стандарту предприятия) 37.052.027—81 «Методика определения эксплуатационного расхода топлива автомобилей и автопоездов при моделировании городских режимов движения». Именно ее, пусть и в адаптированной версии, мы попытались применить два года назад для замеров расходов топлива в условном «городском цикле». Дистанция длиной 18,4 км, на которой предусмотрена 21 остановка (две из них по 60 секунд), средняя скорость — 40 км/ч. Но чем больше опыта мы набирали, тем очевиднее проявлялось несоответствие нынешним реалиям цикла, разработанного более тридцати лет назад. Длительное движение с постоянной скоростью, полное отсутствие пробок… Например, дизельные BMW X1 xDrive20d и Mercedes GLK 220 CDI в таком «городском цикле» расходовали ­топлива меньше, чем на трассе Москва—Киров: 7,2—7,33 л/100 км против 7,73—7,74 л/100 км.
Надо сказать, что и нынешний европейский метод NEDC с точки зрения реа­листичности немногим лучше: он моделирует, скорее, стиль езды никуда не спешащего пенсионера. Например, разгон с места до 50 км/ч длится аж 26 секунд! Но именно расходы, полученные по методу NEDC, сейчас указываются в технических характеристиках всех продаваемых в Европе автомобилей. Большую часть NEDC составляет «городской цикл» ЕСЕ R15, который разрабатывался почти полвека назад, в том числе с учетом слабой энерговооруженности автомобилей тех лет. Применять ECE R15 стали в начале 70-х годов прошлого века, затем его дополнили «загородным цик­лом», ввели некоторые моменты, касающиеся подготовительных процедур (с целью сократить число лазеек для «оптимизации» результатов).
Любопытно, что нынче собственно замер израсходованного топлива практичес­ки повсеместно вытеснен определением «экологичности» выхлопа. То есть количество сожженного за цикл топлива определяют не с помощью расходомера, а газоанализатором (так называемый метод углеродного баланса): из литра сожженного бензина получается 2322 грамма углекислого газа, а из литра дизтоплива — 2664 грамма. Впрочем, европейское Правило ECE R84 допускает проведение как дорожных, так и стендовых испытаний, но за крайне редким исключением в современной автоиндустрии пользуются лабораторным методом, то есть испытаниями на беговых барабанах.

Замер в вазовской лаборатории токсичности. Гранта распята на стенде за буксировочные проушины, задние колеса зафиксированы в «тисках», передние стоят на беговых барабанах. Открытый капот и мощный вентилятор перед автомобилем нужны для охлаждения двигателя (Правило ECE R101 это не регламентирует)

По «барабану»!

Собирая материал для этой статьи, я съездил в Тольятти и понаблюдал за замерами экономичности двух Грант, серийной и экспериментальной, отвечающей нормам Евро-5.
На АвтоВАЗе все делают точно так же, как и в Европе. Но в дополнение к замерам по ECE R101 измеряют еще расход топлива при постоянных скоростях 90 и 120 км/ч.
Замеры проводятся либо в аэроклиматической камере, либо в лаборатории токсичности. Те беговые барабаны, что стоят в аэроклиматической камере, позволяют испытывать не только моноприводные, но и полноприводные автомобили. Кроме того, в аэроклиматической камере моделируется набегающий поток воздуха (можно назвать эту камеру маленькой аэродинамической трубой). А в лаборатории токсичности перед автомобилем установлен мощный вентилятор, который не в силах полностью имитировать воздушный поток, обтекающий автомобиль.
Больше всего в лаборатории токсичности удивило то, что во время испытаний автомобиль стоит с открытым капотом! Но Виктор Тимчук, начальник бюро омологационных испытаний, пояснил, что правилами это не регламентируется, а вплоть до 1999 года стандарт предписывал проводить испытания только с открытым капотом.
В аэроклиматической камере условия более реалистичные — и расход обычно получается на 0,3—0,5 л/100 км больше. Но эти результаты принимают в расчет только во время исследовательских работ по ходу разработки и модификации автомобилей, а в «паспорт» идут замеры в лаборатории токсичности.


Испытатель, сидящий за рулем, запускает или останавливает беговые барабаны висящим у окна пультом, а все настройки стенда — у оператора за стеклом

Замерам экономичности на беговых барабанах все же предшествуют дорожные испытания — для определения сопротивления движению: измеряются выбеги (движение автомобиля накатом до полной остановки), в том числе и с максимальной скорости. А здесь, как вы догадываетесь, скрыто немало резервов для «честного улучшайзинга»! Главное — тщательно подготовить автомобиль. Поможет, например, «просаженная» подвеска (естественно, в рамках заводских допусков!), «обуть» машину лучше не просто в обкатанные шины, а в укатанные — с изношенным до допустимого предела протектором, причем, естественно, шины должны быть самой «маленькой» из одобренных заводом размерностей. Помогут «оптимизации» и самые «жидкие» масла в двигателе и трансмиссии, хорошо раскатанные подшипники... С миру по нитке — и, по словам вазовцев, сопротивление движению можно снизить на семь процентов! А в дальнейшем этот результат в виде так называемых параметров дорожной нагрузки будет использован и при «барабанных» измерениях расходов топлива других машин этой модели: предварительные дорожные испытания перед замерами топливной экономичности проводятся далеко не с каждым автомобилем! При этом, повторим, все в процедурных рамках: никакого мошенничества!
Вот только покупателям невдомек, что, сравнивая при выборе новой машины «паспортные» расходы топлива, они нередко получают представление не столько о реальной экономичности, сколько о том, как тот или иной производитель преуспел в «оптимизации» испытаний!
Здесь же, в аэроклиматической камере АвтоВАЗа, недавно провели цикл испытаний седана Hyundai Solaris — и расход бензина на сотню оказался более чем на литр выше декларируемого. Тольяттинские специалисты иронизируют: «Судя по всему, там научились лучше готовить машины к испытаниям...»
Чем еще отличаются стендовые испытания от реального движения по дорогам? Например, при испытаниях на стенде «отдыхает» усилитель рулевого управления, выключены фары и кондицио­нер... Все это — потребители энергии!
Эксперимент в аэроклиматической камере с серийной Грантой (Евро-4), отличающийся от NEDC тем, что двигатель ВАЗ-21116 (87 л.с.) был предварительно прогрет, показал 9,18 л/100 км. А замер, проведенный с экспериментальной Грантой Евро-5 (с новыми программным обеспечением и нейтрализатором) в лаборатории токсичности уже в полном соответствии с NEDC (в частности, с холодным стартом) привел к расходу 9,28 л/100 км в «городском» цикле. Но в инструкции по эксплуатации приобретенной редакцией Гранты Норма значится всего 8,5 л/100 км...

Не считая имитации пробок, в нашем цикле мы делаем по тридцать остановок на каждом из трех кругов. Двенадцать из них — полуминутные

Льют не по «паспорту»!

А как более-менее быстро определить расходы топлива, которые можно было бы назвать «жизненными»? Для начала неплохо бы знать, как именно ездят наши водители, например, в Москве и области: среднюю скорость, значения ускорений и замедлений, число и продолжительность остановок, время, проведенное в пробках... И мы это узнали!
В течение нескольких месяцев мы собирали базу для статистического анализа. Автомобили, на которых ездили сотрудники Авторевю (а это люди с разным водительским темпераментом), оснащались приборами V-Box, постоянно общающимися со спутниками группировки GPS и записывающими «кардиограммы» движения. И вот что выяснилось. С момента старта и до 20 км/ч среднее (с учетом пауз на возможную смену передач) ускорение составило 1,51 м/с2 (0,154 g), а в диапазоне от 20 до 80 км/ч — 0,93 м/с2 (0,095 g). Если сопоставить эти результаты с еврометодикой NEDC, где для машин с «механикой» ускорение на первой передаче регламентировано на уровне 0,833 м/с2 (0,0849 g), а на второй и третьей передачах и того меньше, то мы разгоняемся гораздо веселее — набираем 50 км/ч в среднем за 12 секунд, а вовсе не за 26, как значится в нормах NEDC.
Выяснилось и то, что более 40% времени скорость движения «плавает» в узком диапазоне плюс-минус 5 км/ч. Значит, нет смысла превращать весь цикл в непрерывное чередование разгонов и замедлений. Расклад же по скоростям таков. На диапазон от 30 до 50 км/ч приходится 17% пробега, от 50 до 70 км/ч — 45%, от 70 до 90 км/ч — 23%, выше 90 км/ч — 6%. И еще 9% — ерзанье в пробках. Здесь, правда, нужно заметить, что многие авторевюшники стараются избегать езды в часы пик, но, с другой стороны, благодаря этому наши статистические выкладки можно считать более универсальными — слава богу, ужас московских или питерских пробок пока накрыл не все наши города.
Среднее расстояние, преодолеваемое за одну поездку, составило 21,35 км, количество остановок продолжительностью более трех секунд — девять, а их средняя продолжительность — 27,4 секунды.
Все это мы постарались учесть, определяя конфигурацию ездового цикла Авторевю.

При доливе из мензурки погрешность составляет около 100 мл. А наша микро-АЗС, оснащенная расходомером Ono Sokki, позволяет измерять объем залитого топлива с точностью до 0,1 мл. Тонкая трубка и малая скорость подачи топлива (1,5 л/мин) исключают вспенивание

Строим цикл

Кольцевой маршрут длиной 20,61 км был проложен по подъездным дорогам Дмитровского автополигона, причем один из участков пришелся на четырехпроцентный подъем. Движение прерывается тридцатью остановками, двенадцать из которых длятся по полминуты. Все точки остановок привязаны к установленным вдоль дорог знакам, а точки начала замедлений мы обозначили конусами-подсказками. Дистанцию замедления определили так: 60 метров — для остановки со скорости 40 км/ч, 90 мет­ров — для 60 км/ч, 125 метров — для 80 км/ч и 150 метров — для 100 км/ч. Кстати, именно указанные здесь значения скоростей были приняты в качестве ключевых «констант»: на движение со скоростью 40 км/ч мы отвели 18,3% дистанции, на 60 км/ч — 41,9%, на 80 км/ч — 22,3%, Интенсивность разгона такова: от 0 до 20 км/ч — 0,15g, а с 20 до 80 км/ч — 0,1g.
А при чем тут 100 км/ч? Это еще одно принципиальное отличие ARDC от индустриальных методик! Дважды за круг на километровом участке четырехпроцентного подъема автомобиль будет разгоняться до сотни с максимальной отдачей! В конце концов, люди покупают мощные динамичные автомобили не только для того, чтобы платить большие налоги... На это упражнение приходится 9,7% круга. А чтобы «быстрые» машины в дальнейшем не «выбивались из графика», на очередной остановке на вершине подъема они проведут немного больше времени — как бы дожидаясь на светофоре «тихоходов».
И, наконец, оставшиеся 7,8% — это пробки, то есть чередующиеся разгоны (0,15 g), замедления и остановки. Причем предусмотрены серии как «ритмичных» пробок, когда расстояние между остановками постоянно (40 метров), так и «неритмичных», где дистанция между метками изменяется от 25 до 55 метров.
Старт берем с прогретым мотором. Это, увы, вынужденная мера: мы не можем себе позволить тратить несколько часов на охлаждение прибывших на полигон машин. Нагрузка — один водитель и 50 кг груза в багажнике. Включаются ходовые огни, а при их отсутствии — ближний свет фар. Простой кондиционер держим выключенным. А вот в автомобиле, оснащенном климат-контролем, система переводится в полностью автоматический режим, а регулятор температуры — на 22°С.
Зачетных кругов будет три, один за одним, так что дистанция цикла с учетом «холостого» проезда от техцентра Авторевю к месту старта составила в общей сложности 62,87 км.

Звуки и литры

Серия прикидочных заездов, по ходу которых уточнялся и маршрут, и график движения, показала отличное соответствие нашего цикла средним расходам топлива при реальной эксплуатации тех же автомобилей. Но остро встали другие вопросы. Как добиться высокой воспроизводимости от заезда к заезду? Как свести к минимуму влияние «персонального фактора», то есть темперамента, степени усталости, настроения того или иного испытателя? А как выдерживать необходимое ускорение?
Существующие решения на основе GPS-систем позволяют записать «идеальный» круг, чтобы затем практически в каждой точке маршрута водитель мог свериться с «графиком движения». На монитор можно вывести скорость, ускорение... Скорее всего, мы бы даже заказали разработку специальной программы, которая бы выводила на экран удобные визуальные подсказки — подобно тому, как это происходит при стендовых испытаниях: там перед глазами у испытателя — «коридор» скорости, за пределы которого нельзя выходить.
Но как-то вечером, выходя из редакции и садясь в машину, наш главред Подорожанский ударился головой о стойку крыши. После этого вновь ворвался в редакцию, хватал за грудки каждого встречного-поперечного и твердил одно и то же: «Аудиофайл, аудиокнига!» Был бы голым, сошел бы за Архимеда, а так — лишь за помешанного.
А ведь в самом деле, в аудиокниге можно расставить звуковые метки, относящиеся к определенным точкам маршрута (благо он не меняется), и таким образом крепко связать пространство и время! Не отвлекаясь на монитор, испытатель сможет с нужными ускорениями набирать скорость («пороговые» этапы набора скорости отмечены в аудиокниге специальными звуковыми сигналами), в нужный момент останавливаться возле знаков и вновь начинать движение. Можно, наконец, снабдить испытателей речевыми подсказками и предостережениями...
Дмитрий Савари, композитор и, что особенно важно, давний читатель Авторевю, завелся с пол-оборота — и вот, увешанный микрофонами, я вмес­те с Савари наматываю по полигону круг за кругом. Наговариваю «инструкцию», в определенных местах маршрута мы делаем звуковые метки, снова выезжаем на трассу, что-то подчищаем, исправляем... Затем — кропотливая работа Дмитрия с аудиофайлами (в итоге даже появилась настраивающая на мирный лад музыкальная подложка!) — и после того как с переменным успехом было отбито несколько атак шефа (типа «авторский надзор»), все мы признали, что аудиокнига работает, причем работает классно.
И, наконец, еще один сакраментальный вопрос. А как определять собственно расход топлива, как уследить за литрами и миллилитрами? Не собирать же в «мешок» и потом взвешивать выхлопные газы! И уж точно не опираться на сведения о расходах, которые выдает бортовой компьютер. Проблема усугуб­лялась тем, что даже при наличии профессионального расходомера, мы не сможем каждый раз «врезаться» в сис­тему питания автомобиля — времени и хлопот это потребует в разы больше, чем собственно испытания. Значит, остается дедовский метод долива.
Мы было накупили мерных стаканов и мензурок, но наш приборист Андрей Мохов скептически посмотрел на эту стеклотару — и взялся за дело. Чтобы свес­ти к минимуму риск пенообразования, он предложил закачивать в бак топливо через тоненькую трубочку, причем с очень малой скоростью — полтора литра в минуту. Контроль за объемом залитого топлива ­Андрей переложил со стакана на высокоточный профессиональный расходомер Ono Sokki: теперь мы знаем количество долитого топлива с точностью до 0,1 мл. По сути, Мохов соорудил микро-АЗС. В нижней части специальной тележки — два топливных бака (один для бензина, другой для дизтоплива), а на верхней полке — расходомер и аппаратура, управляющая подачей топлива.
Еще пара слов о точности результатов и воспроизводимости. По ходу «обкатки» одного из черновых вариантов методики мы дважды измерили топливную экономичность седана Chevrolet Aveo с мотором 1.6 и механической коробкой передач. В первом случае — 10,02 л/100 км, во втором — 10,17 л/100 км. Skoda Fabia 1.6 с «автоматом» показала сначала 10,64 л/100 км, а затем — 10,51 л/100 км. То есть разброс уложился в 2%, что очень недурно для дорожных испытаний — и даже сопоставимо с «заездами» на беговых барабанах!

ARDC: Гранта и другие

Немудрено, что, уже понаблюдав за лабораторными испытаниями Гранты, «зачетные» испытания по циклу ARDC мы начали именно с нее — благо здесь же, на полигоне, Лада Гранта проходит ускоренные ресурсные испытания Авторевю. При температуре воздуха 22°С, влажности 54%, атмосферном давлении 748 мм рт. ст. и слабом ветре (от 2 до 6 м/с) мы получили 8,43 л/100 км, что очень близко к ­«паспортному» расходу — 8,5 л/100 км.
Получается, что на практике циклы ARDC и NEDC близки? Не спешите с выводами.
В тот же день, практически при тех же погодных условиях экзамен на экономичность сдали машины, которые участвовали в сравнительном тесте (его итоги будут опубликованы в одном из ближайших выпусков Авторевю). Новейший седан Honda Civic с атмосферником объемом 1,8 л и ­гидромеханическим «автоматом» (заезды мы проводили в режиме Eco) показал 10,17 л/100 км против 9,2 л/100 км, обещанных в инструкции. Это уже почти 10-процентная разница. На очереди — Hyundai Elantra (тоже 1.8, тоже «автомат» и тоже «экономичный» режим): 11,05 л/100 км против «паспортных» 9,4 л/100 км, разница уже более 15%. Седан Volkswagen Jetta был с двухнаддувным мотором 1.4 TSI мощностью 150 л.с. и преселективной коробкой DSG с сухими сцеплениями. При декларируемом расходе (по NEDC) в 7,5 л/100 км расход по методу ARDC составил 9,94 л/100 км, уже на четверть больше... Почему так сильно «выпал» последний результат? Вы еще не забыли, что по еврометодике на разгон с места до 50 км/ч отводится 26 секунд? При этом смена передач для машин с «автоматами» никак не регламентирована, а это значит, что можно «программно» задавить мотор по оборотам. И чем шире силовой диапазон трансмиссии, то есть отношение низшей передачи к высшей, чем больше самих передач, тем проще удерживать мотор на низких, «экономичных» оборотах. Не забудем и про турбонаддув: ведь на низких оборотах турбина, считай, «спит». Теперь понятно, откуда растут ноги у моды на малообъемные турбомоторы и многоступенчатые коробки?
Впрочем, на ниве топливной экономичности нас наверняка ждет еще немало сюрпризов. Как, например, на испытаниях по циклу ARDC проявят себя гибриды? Ведь им, гибридам, особенно подзаряжаемым, явно благоволит методика NEDC: «городской цикл» протяженностью 4052 м можно запросто преодолеть только на электричестве, не потратив ни капли топлива...
Пока же мы будем накапливать «статистику» — и, конечно, делиться с читателями Авторевю результатами, размышлениями и рекомендациями.

Так выглядит реальная «телеметрия» нашего цикла на примере одного круга, пройденного на Шеви Ниве. Два максимально интенсивных разгона до 100 км/ч, четыре участка со скоростью 80 км/ч, остальные — 40 и 60 км/ч. Колебания скорости объясняются в том числе наличием крутых поворотов и особенностями дорожного рельефа. «Частокол» — это пробки. На них приходится почти 8% дистанции, но времени пробки отнимают гораздо больше, около 20%

Расход топлива в городских циклах, л/100 км
На основе наших первых «зачетных» заездов пока сложно предсказывать соотношение данных расхода топлива по циклам NEDC и ARDC. Например, аппетит Chevrolet Aveo по ARDC оказался почти на 2,5 л/100 км выше, чем предписано инструкцией! А вот наша Шеви Нива «по паспорту» расходует 14,1 л/100 км, а по методу ARDC — на 2 л/100 км меньше. Если «по паспорту» Volkswagen Jetta с двухнаддувным мотором 1.4 TSI и «роботом» DSG гораздо экономичнее автомобилей Honda Civic и Hyundai Elantra с атмосферниками, то по циклу Авторевю разница в расходе топлива между этими тремя седанами едва превысила 1 л/100 км

Их циклы

Нынешний ездовой цикл NEDC — универсальный: его предписано применять как для вычисления расхода топ­лива обычных автомобилей и определения расхода энергии и запаса хода у гибридов и электромобилей (Правило ECE R101), так и для определения токсичности выхлопа по Правилу ECE R83. В основе методики — городской цикл ECE R15 и загородный EUDC. В 1999 году по Директиве ЕС 90/C81/01 в программу испытаний была введена процедура холодного старта, тогда же цикл стал называться «новым».
Перед замером автомобиль отстаивается при 20—30 градусах тепла не менее шести часов. Затем 11 секунд двигатель работает на холостом ходу. В это время уже идет контрольный отбор выхлопных газов и подсчет расхода топ­лива. Затем — плавный-плавный разгон до 15 км/ч, движение на постоянной скорости и такое же неторопливое торможение. Пауза. Разгон до 32 км/ч, «прокат» и опять торможение. Пауза. Разгон до 50 км/ч, «прокат» и снова торможение, но со «спотыканием» на 32 км/ч. И так четыре раза. Суммарная дистанция городского цикла составляет 4052 м, которые надо преодолеть за 13 минут, так что средняя скорость составляет всего 18,7 км/ч.
Затем следует «загородный цикл». Это такой же медленный разгон, как и в «городском цикле», но уже до 70 км/ч, снижение скорости до 50 км/ч, вновь неторопливый разгон до 70 км/ч, затем — до 100 км/ч, а потом и до 120 км/ч. Расход в «загородном цикле» оказывается существенно меньше, чем в городском, отчасти и потому, что двигатель к началу «загородных» испытаний уже прогрет. Средняя скорость на «загородной» дистанции 6955 метров — 62,6 км/ч. Кстати, для автомобилей, максимальная скорость которых менее 120 км/ч, в Европе предусмотрен свой «загородный цикл»: там скорость не превышает 90 км/ч.
Расход в так называемом смешанном цикле — это результат деления количества всего сожженного топлива по ходу испытаний и в «городском», и в «загородном» циклах на общий пробег 11007 метров. Средняя скорость — 33,6 км/ч, а общая продолжительность цикла — 1180 секунд, почти 20 минут.
Американский цикл FTP-75 выглядит более реалистичным. Во-первых, он предусматривает включение кондиционера (если он есть, цикл SC 03). А во-вторых, ускорения при разгонах существенно выше. Но движение с постоянной скоростью отсутствует вовсе, что, как мы выяснили, плохо сочетается с реалиями. За первые 505 секунд, так называемую фазу холодного старта, автомобиль успевает поездить в «городе» со скоростями до 56 км/ч, после небольшой «стоянки» выбраться на «интерстейт», разогнавшись там до 90 км/ч, а затем вновь возвращается в «городскую черту», но уже с более высокой разрешенной скоростью — до 60 км/ч. Затем следует «переходная фаза» продолжительностью 864 секунды (там скорость не превышает 56 км/ч), а после десятиминутной передышки на охлаждение (двигатель выключается) повторяется «фаза холодного старта», но с «теплым» мотором. Общее время цикла — 1874 секунды, дистанция — 17770 метров, средняя скорость — 34,1 км/ч (лишь немногим выше, чем в Европе), но расход получается больше «европейского» на 15—30%.
В Японии вплоть до осени прошлого года расход топлива измеряли по циклу 10-15 mode, который напоминал еврометодику для города. Плавные разгоны до 20 и 40 км/ч, поддержание постоянной скорости и плавные торможения. Только дважды за 11-минутный цикл автомобиль разгонялся до 70 км/ч.
Но сейчас в Японии применяют новый стандарт — JC08, который больше похож на американский FTP-75: автомобиль непрерывно разгоняется и тормозит, а максимальная скорость увеличена до 80 км/ч. Тем не менее японская методика моделирует самое нетороп­ливое вождение: средняя скорость на дистанции 8171 метр составляет всего 24,4 км/ч. Замеры делаются дважды, на холодном автомобиле и с прогретым двигателем. А итоговый расход топлива определяется как сумма 25% расхода в «холодном» цикле и 75% расхода в «горячем».

NEDC (Европа)


FTP-75 (США)