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Le lien technique entre régulateurs de vitesse et consommation de carburant
Comment la charge du moteur, la traînée aérodynamique et l'efficacité de la combustion varient en fonction de la vitesse
La consommation de carburant d’un moteur diesel dépend de trois facteurs interdépendants dictés par la vitesse du véhicule. Premièrement, à mesure que la vitesse du véhicule augmente, un phénomène appelé traînée aérodynamique devient significatif. Celui-ci résulte directement de la vitesse du véhicule : lorsque la vitesse double, la résistance aérodynamique augmente d’un facteur quatre. Au-delà de 55 mph, la résistance de l’air constitue une perte énergétique importante. Deuxièmement, l’efficacité optimale du moteur se situe aux alentours de 1200 à 1800 tours par minute. Les conditions de carburant, d’air et de pression du turbocompresseur permettent alors la meilleure combustion et la meilleure gestion de la pression. En dessous de 40 mph, le moteur atteint un état de combustion médiocre, produisant des suies et des hydrocarbures. Troisièmement, au-delà de 70 mph, le moteur devient inefficace et l’énergie dépensée pour vaincre les frottements du véhicule devient significative.
La quantité de travail fournie par un moteur varie en fonction de la profondeur à laquelle la pédale d'accélérateur est enfoncée et de la quantité de carburant injectée dans chaque cylindre. Ces facteurs sont régis par des régulateurs conçus pour maîtriser les paramètres afin de minimiser les contraintes mécaniques excessives et les problèmes thermiques. Par exemple, si un camion a une vitesse maximale limitée à 65 mph plutôt qu’à 75 mph, la résistance aérodynamique exercée par l’air sur le véhicule est réduite d’environ un tiers, ce qui permet au moteur de fonctionner plus longtemps à son rendement maximal.
Quelle est donc la particularité du point optimal d’efficacité énergétique des groupes motopropulseurs diesel ?
Faire fonctionner le moteur diesel à la vitesse optimale en matière de consommation de carburant, soit entre 50 et 65 miles par heure, permet d’obtenir le meilleur « consommation spécifique de carburant au frein » (BSFC) pour le moteur. Cela permet d’atteindre la meilleure consommation de carburant en créant l’équilibre thermique optimal à l’intérieur du moteur, un écoulement d’air optimal autour de la carrosserie du camion et une efficacité maximale de la transmission. À des vitesses inférieures à 50 mph, le moteur diesel sort de sa plage de puissance optimale et la transmission utilise des rapports inférieurs, ce qui entraîne des pertes par frottement accrues. À des vitesses supérieures à 65 mph, la consommation de carburant se dégrade en raison de la traînée aérodynamique accrue, qui représente, à 70 mph, environ les deux tiers de la puissance nécessaire pour maintenir cette vitesse. C’est pourquoi les véhicules diesel obtiennent une consommation de carburant optimale en fonctionnant dans cette « zone intermédiaire », considérée comme le point idéal de consommation économique.
Les turbocompresseurs offrent une suralimentation continue et efficace de 15 à 25 psi
Les injecteurs à rampe commune haute pression fonctionnent aux limites de l’efficacité volumétrique
La résistance au roulement reste globalement inchangée
Les boîtes de vitesses permettent un fonctionnement continu en rapport supérieur à 1 200–1 800 tr/min
Cette convergence permet une amélioration de 30 % de la consommation de carburant par rapport à un fonctionnement sans restriction à 75 mph. Les limiteurs de vitesse appliquent de façon fiable cette contrainte, notamment sur les véhicules lourds, dont le coefficient de traînée dépasse 0,65 en raison de leur forme anguleuse et de leur configuration avec remorque.
L’impact de divers limiteurs de vitesse sur l’efficacité énergétique en conditions réelles
Le réglage des limiteurs de vitesse peut correspondre soit à une limite stricte, soit à une limite souple, ce qui influe respectivement sur la position de la commande d’accélérateur et sur la manière dont l’UCG gère le débit de carburant
L'alimentation en carburant du moteur est totalement coupée lorsque les limiteurs durs entrent en action, ce qui provoque la sensation de fermeture brutale de la commande des gaz ressentie par le conducteur et devient particulièrement évidente lorsque le véhicule circule sur l'autoroute. Cette coupure soudaine du carburant perturbe la stabilité du moteur, entraînant une consommation de carburant inefficace. L'efficacité énergétique peut ainsi être affectée négativement de 12 % à 8 % par rapport à un système fonctionnant conformément à sa conception. C’est précisément ici que les limiteurs souples agissent différemment. Ces systèmes utilisent un mécanisme dans lequel l’unité de commande électronique (ECU) est prédictivement calibrée pour limiter l’augmentation de l’injection de carburant. Ce mécanisme préserve l’intégrité opérationnelle du véhicule et son efficacité énergétique, comparativement aux limites rigides appliquées lors des dépassements, tout en préservant défensivement l’efficacité énergétique pendant des accélérations vigoureuses afin de réduire globalement le régime moteur.
Données relatives à la demande de couple, à la pente de la route et à la charge utile pour le réglage adaptatif du régulateur de vitesse.
Par exemple, les systèmes modernes de régulateur de vitesse utilisent des unités de mesure inertielles (IMU) et des données relatives à la charge sur l’essieu pour ajuster dynamiquement les limites de vitesse en fonction de la demande de couple du véhicule. Ces systèmes intelligents savent, par exemple, que lorsqu’un véhicule gravit une pente de 5 %, ils doivent prolonger la durée d’engagement d’un rapport particulier afin de limiter les changements de vitesse vers les rapports inférieurs excessifs et les régimes moteur trop élevés. Des exploitants de flottes ont observé empiriquement l’activation de ces systèmes dans le sens inverse : en fonction de la charge transportée par les camions, le système de régulation réduit la vitesse maximale autorisée. Après analyse des données télématiques provenant de plusieurs grandes flottes de camions nord-américaines, cette approche s’est avérée permettre une réduction de la consommation globale de carburant de 3,1 gallons pour chaque 1 000 miles parcourus. En revanche, l’approche traditionnelle consistant à imposer une limite de vitesse pour un tronçon routier donné sur la base de données historiques, sans tenir compte de la pente de ce tronçon ni de la charge transportée par le camion, est excessivement simpliste. Ces nouveaux systèmes adaptatifs ont transformé la régulation de vitesse, passant d’une approche simpliste à une réponse dynamique aux besoins de performance fondée sur les conditions réelles du terrain. Économies de carburant découlant de l’utilisation d’un régulateur de vitesse.
Les régulateurs de vitesse calibrés ont démontré que des économies de carburant sont réalisables lors des opérations de flottes commerciales. Le contrôle de la vitesse dans une plage optimale d’efficacité énergétique du diesel (80 à 105 km/h) permet de réduire la consommation de carburant de 10 à 15 % par rapport à une conduite non contrainte sur le plan opérationnel. Ces économies résultent à la fois de la réduction de la traînée aérodynamique et de la stabilisation de la combustion.
Les économies de carburant découlant de l’utilisation de régulateurs de vitesse pour les flottes commerciales peuvent être attribuées aux facteurs suivants :
- Économies liées à la traînée : plus la vitesse de conduite est élevée, plus les économies de carburant sont importantes [dans la plage de 80 à 105 km/h].
- Maintien d’un état stable : le maintien d’une vitesse de conduite contrôlée évite les variations de la position de la commande d’accélérateur et préserve le moment optimal d’injection du carburant par l’injecteur, ainsi que la réponse optimale du turbo.
- Des flottes de 100 camions parcourant en moyenne 160 000 km par an permettent d’économiser 567 800 litres de diesel annuellement. Lorsqu’elles sont combinées à une formation des conducteurs et à l’optimisation des itinéraires, ces économies peuvent être réalisées sans augmentation du temps de conduite et avec une réduction des émissions de CO₂.
Au-delà de la limitation basique : l’assistance intelligente à la vitesse, forme avancée du limiteur de vitesse
D’une régulation réactive de la vitesse à une régulation prédictive éco-cruise pilotée par le GNSS, les cartes haute définition et la communication V2X
L'assistance intelligente à la vitesse est une alternative prédictive aux régulateurs de vitesse traditionnels et à leurs modes de fonctionnement réactifs. Les régulateurs traditionnels n'interviennent qu’APRÈS le dépassement des limitations de vitesse, et ce, de manière perturbatrice et inefficace, provoquant des réductions brutales de la puissance et des fluctuations de vitesse. Le système d'assistance intelligente à la vitesse permet une conduite écologique prédictive grâce à l’intégration du GNSS, de cartes routières détaillées et des communications véhicule-infrastructure. Cette conduite écologique prédictive permet à ces systèmes d’adopter une approche proactive, leur permettant ainsi d’anticiper les obstacles sur la route en fonction du relief (pentes, virages), du trafic routier et des limitations de vitesse jusqu’à 3 km. Cela permet un contrôle optimal de la puissance transmise aux roues et évite les problèmes plutôt que d’y réagir.
Les algorithmes d'accélération, le régulateur de vitesse adaptatif et les systèmes intégrés de gestion du trafic permettent d'aplanir les profils de vitesse des véhicules et d'optimiser l'ensemble du cycle de conduite du point de vue de la consommation d'énergie. Le résultat combiné de ces technologies est une réduction de 15 à 20 % de la variance de vitesse, qui est traditionnellement considérée comme un gaspillage de carburant dû à ces systèmes réactifs, ainsi qu'une augmentation des technologies de conservation du carburant fondées sur une approche intelligente, plutôt que sur une approche mécanique basée uniquement sur l'utilisation d'un limiteur de vitesse.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Quels sont les facteurs qui influencent la consommation de carburant des moteurs diesel ?
Ces variables dépendent d'une combinaison de la vitesse du véhicule, de la traînée aérodynamique et du régime moteur (tr/min). La relation entre ces variables est la suivante : à haute vitesse, la traînée aérodynamique augmente de façon exponentielle, tandis qu'à faible vitesse, le régime moteur peut conduire à une meilleure efficacité.
Pourquoi la plage de vitesse comprise entre 50 et 65 mph est-elle considérée comme le point optimal d’efficacité énergétique pour les moteurs diesel ?
C’est dans cette plage de vitesses que s’établit un équilibre parfait entre le moteur et les composants mécaniques de la transmission, permettant ainsi une consommation de carburant optimale.
Quelles sont les limites rigides et les limites souples en ce qui concerne les limiteurs de vitesse ?
Les limites rigides entraînent une coupure brutale de l’alimentation en carburant, provoquant un comportement irrégulier du moteur et des pertes d’efficacité énergétique, tandis que les limites souples permettent d’optimiser l’apport de carburant et d’assurer un fonctionnement soutenu à un niveau d’efficacité élevé, avec des pertes minimales de carburant, car elles anticipent et modulent de façon prédictive les variations de l’alimentation en carburant.
De quelle manière les limiteurs de vitesse adaptatifs sont-ils capables d’améliorer l’efficacité énergétique ?
Le système adaptatif modifie ses limites de vitesse en fonction des conditions routières changeantes et du poids de la charge transportée, ce qui permet d’obtenir des performances optimales et personnalisées du système, ainsi qu’une réduction du gaspillage de carburant, puisqu’il s’ajuste aux besoins réels en puissance du véhicule.
Quelle est l'assistance intelligente à la vitesse (ISA) et en quoi diffère-t-elle des limiteurs de vitesse traditionnels ?
L'ISA combine le contrôle de la vitesse avec l'évitement d'événements entraînant une consommation excessive de carburant, ainsi qu'une amélioration globale de l'efficacité énergétique, allant au-delà d'une simple limitation de la vitesse grâce à l'utilisation de technologies avancées telles que des cartes étrangères, le positionnement par satellite et les communications véhicule-à-véhicule.
