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Il collegamento ingegneristico tra regolatori di velocità e consumo di carburante
Come il carico del motore, la resistenza aerodinamica e l'efficienza della combustione variano in funzione della velocità
Il consumo di carburante del motore diesel dipende da tre fattori interconnessi, determinati dalla velocità del veicolo. Innanzitutto, all'aumentare della velocità del veicolo, si manifesta un fenomeno noto come resistenza aerodinamica, che è direttamente legato alla velocità stessa. Quando la velocità raddoppia, la resistenza aerodinamica aumenta di un fattore quattro. La resistenza dell'aria costituisce un significativo assorbimento del bilancio energetico a velocità superiori a 55 mph. In secondo luogo, l'efficienza ottimale del motore si registra intorno a 1200-1800 giri al minuto: in queste condizioni, la quantità di carburante, di aria e la pressione del turbocompressore consentono la migliore gestione della combustione e della pressione. A velocità inferiori a 40 mph, il motore opera in uno stato di combustione inefficiente, producendo fuliggine e idrocarburi. In terzo luogo, a velocità superiori a 70 mph il motore diventa inefficiente e l'energia spesa per vincere l'attrito del veicolo diventa significativa.
La quantità di lavoro svolto da un motore varia in base a quanto viene premuto l'acceleratore e a quanta carburante viene iniettata in ciascun cilindro. Questi fattori sono regolati da regolatori che mirano a controllare tali parametri al fine di ridurre al minimo sollecitazioni meccaniche eccessive e problemi termici. Ad esempio, se un autocarro ha un limite di velocità massima di 65 miglia orarie invece che di 75 mph, il motore subisce circa un terzo in meno di resistenza aerodinamica dall’aria e può funzionare a efficienza massima per un periodo più lungo.
Cosa rende così speciale il punto di massima efficienza nei consumi per i gruppi motopropulsori diesel?
L'attivazione del punto di massima efficienza del consumo di carburante del motore diesel, compreso tra 50 e 65 miglia orarie, garantisce il miglior risultato in termini di «consumo specifico di carburante al freno» (BSFC) per il motore. Ciò consente il miglior consumo di carburante grazie al raggiungimento del migliore bilanciamento termico all'interno del motore, del flusso d'aria ottimale intorno alla carrozzeria del veicolo e dell'efficienza del gruppo propulsore. A velocità inferiori a 50 mph, il motore diesel esce dalla sua fascia di potenza ottimale e il gruppo propulsore utilizza marce più basse, causando un aumento delle perdite per attrito. A velocità superiori a 65 mph, l'efficienza del consumo di carburante peggiora a causa dell'aumento della resistenza aerodinamica, che a 70 mph rappresenta circa i due terzi della potenza necessaria per mantenere tale velocità. Questo è il motivo per cui i veicoli alimentati a diesel ottengono il consumo di carburante ottimale operando in questa «zona intermedia», considerata il punto di massima efficienza economica.
I turbocompressori offrono un'assistenza continua ed efficiente compresa tra 15 e 25 psi
Gli iniettori common-rail ad alta pressione operano ai limiti dell'efficienza volumetrica
La resistenza al rotolamento rimane per lo più invariata
I cambi consentono un funzionamento continuo nella marcia più alta a 1200–1800 giri/min
Questa convergenza consente un miglioramento del 30% dell’efficienza dei consumi rispetto al funzionamento non limitato a 75 mph. I limitatori di velocità ne garantiscono l’applicazione in modo affidabile, in particolare per i veicoli pesanti, i cui coefficienti di resistenza aerodinamica superano 0,65 a causa della forma squadrata e della configurazione con rimorchio.
L’impatto di vari limitatori di velocità sull’efficienza dei consumi nel mondo reale
La regolazione dei limitatori di velocità può prevedere un limite rigido o un limite morbido e, di conseguenza, può risultare vincolante o meno riguardo alla posizione dell’acceleratore e alla gestione del flusso di carburante da parte dell’ECU
L'erogazione del carburante al motore viene completamente interrotta quando entrano in funzione i limitatori rigidi, il che provoca una sensazione di chiusura dell'acceleratore percepita dal conducente e diventa particolarmente evidente quando il veicolo è in marcia in autostrada. Questa improvvisa interruzione dell'erogazione del carburante compromette la stabilità del motore, causando un consumo di carburante inefficiente. L'efficienza nei consumi di carburante può risultare negativamente influenzata fino al 12%–8% rispetto a un sistema che funzioni secondo progettazione. È proprio qui che i limitatori morbidi operano in modo diverso. Questi sistemi utilizzano un meccanismo in cui l'ECU è mappata in anticipo per regolare l'erogazione del carburante, impedendone l'aumento. Tale meccanismo preserva l'integrità operativa del veicolo e la sua efficienza nei consumi di carburante, sia durante manovre di sorpasso (limitazione offensiva) sia durante accelerazioni aggressive finalizzate a ridurre complessivamente il regime del motore (limitazione difensiva).
Dati relativi alla richiesta di coppia, alla pendenza stradale e al carico utile per la taratura adattiva del regolatore di velocità.
Ad esempio, i moderni sistemi di regolazione della velocità utilizzano dati provenienti da unità di misura inerziali (IMU) e dai carichi sugli assi per regolare dinamicamente i limiti di velocità in base alla richiesta di coppia del veicolo. Questi sistemi intelligenti, ad esempio, sanno che, affrontando una salita con pendenza del 5%, devono prolungare la durata di un determinato rapporto marcia per ridurre al minimo i cambi di marcia verso il basso eccessivi e il sovrarivolamento del motore. Gli operatori di flotte hanno riferito empiricamente un intervento osservabile di tali sistemi nel senso opposto: in base al carico trasportato dai camion, il sistema di regolazione della velocità riduce la velocità massima consentita. Dopo aver analizzato i dati telematici provenienti da diverse importanti flotte nordamericane di autotrasporti, si è riscontrato che questo approccio consente una riduzione del consumo complessivo di carburante pari a 3,1 galloni ogni 1.000 miglia percorse. Al contrario, l’approccio tradizionale, che impone un limite di velocità per un dato tratto stradale sulla base di dati storici, indipendentemente dalla pendenza del tratto o dal carico trasportato dal camion, risulta eccessivamente semplificato. Questi nuovi sistemi adattivi hanno trasformato il controllo della velocità da un approccio semplificato a una gestione dinamica delle prestazioni, basata sulle effettive condizioni operative sul campo. Risparmi di carburante derivanti dall’uso del regolatore di velocità.
I regolatori di velocità tarati hanno dimostrato che è possibile ottenere risparmi di carburante durante le operazioni commerciali con flotte veicolari. Limitare la velocità a un intervallo corrispondente al massimo rendimento del motore diesel (50–65 mph) consente una riduzione del consumo di carburante del 10–15% rispetto alla guida operativamente non vincolata. Questi risparmi derivano sia dalla riduzione della resistenza aerodinamica sia da una combustione stabilizzata.
I risparmi di carburante ottenuti dall’uso dei regolatori di velocità per le flotte commerciali possono essere attribuiti ai seguenti fattori:
- Risparmi dovuti alla resistenza aerodinamica: maggiore è la velocità di guida, maggiori sono i risparmi di carburante [nell’intervallo compreso tra 50 e 65 mph].
- Mantenimento di uno stato stazionario: mantenere una velocità di guida controllata evita variazioni nella posizione dell’acceleratore e preserva il momento ottimale in cui l’inyettore eroga il carburante, nonché la risposta ottimale del turbocompressore.
- Flotte di 100 autocarri che percorrono in media 160.934 km all’anno possono ottenere un risparmio di carburante pari a 567.812 litri di gasolio annui. Quando utilizzato in combinazione con la formazione degli autisti e l’ottimizzazione dei percorsi, tale risparmio può essere conseguito senza aumentare i tempi di percorrenza e con una riduzione delle emissioni di CO₂.
Oltre il semplice limitatore: l’assistenza intelligente alla velocità come forma avanzata di limitatore di velocità
Dal controllo reattivo della velocità alla guida eco-adattiva predittiva basata su GNSS, mappe ad alta definizione e tecnologia V2X
L'assistenza intelligente alla velocità è un'alternativa predittiva ai tradizionali limitatori di velocità e alle loro modalità di funzionamento reattive. I limitatori tradizionali intervengono solo DOPO che i limiti di velocità sono stati superati, e lo fanno in modo invasivo e inefficiente, causando improvvise riduzioni della potenza e fluttuazioni della velocità. Il sistema di assistenza intelligente alla velocità è in grado di effettuare una guida ecologica predittiva grazie all'integrazione di GNSS, mappe stradali dettagliate e comunicazioni veicolo-infrastruttura. La guida ecologica predittiva consente a questi sistemi di adottare un approccio proattivo, permettendo loro di anticipare gli ostacoli lungo la strada in funzione del terreno (salite, curve), del traffico stradale e dei limiti di velocità fino a 3 km. Ciò consente un controllo ottimale della potenza trasmessa alle ruote e previene i problemi anziché limitarsi a reagire ad essi.
Gli algoritmi di accelerazione, il controllo adattivo della velocità di crociera e i sistemi integrati di controllo del traffico determinano l'appiattimento dei profili di velocità del veicolo e l'ottimizzazione dell'intero ciclo di guida dal punto di vista del consumo energetico. Il risultato della combinazione di queste tecnologie è una riduzione della varianza di velocità del 15-20%, che tradizionalmente viene considerata uno spreco di carburante causato da questi sistemi reattivi, e un aumento delle tecnologie per la conservazione del carburante che adottano un approccio intelligente, anziché l'approccio basato su componenti meccanici rappresentato semplicemente da un limitatore di velocità.
Domande frequenti (FAQ)
Quali sono i fattori che influenzano il consumo di carburante nei motori diesel?
Queste variabili dipendono da una combinazione di velocità del veicolo, resistenza aerodinamica e regime del motore (giri al minuto). La relazione tra queste variabili è tale per cui, a velocità elevate, la resistenza aerodinamica aumenta in modo esponenziale, mentre a basse velocità il regime del motore può garantire una maggiore efficienza.
Qual è il motivo per cui l'intervallo di velocità compreso tra 50 e 65 mph è considerato il punto ottimale per l'efficienza del carburante nei motori diesel?
È proprio in questo intervallo di velocità che si raggiunge un perfetto equilibrio tra motore e componenti meccanici del sistema di trasmissione, garantendo così il massimo rendimento del carburante.
Quali sono i limiti rigidi e quelli morbidi in relazione ai regolatori di velocità?
I limiti rigidi provocano tagli improvvisi dell’erogazione di carburante, causando un comportamento irregolare del motore e una riduzione dell’efficienza del carburante; al contrario, i limiti morbidi sono in grado di ottimizzare l’immissione di carburante e di assicurare un funzionamento continuo a un livello efficiente, con perdite minime di carburante, poiché prevedono in anticipo le variazioni di erogazione.
In che modo i regolatori di velocità adattivi possono migliorare l’efficienza del carburante?
Il sistema adattivo modifica i propri limiti di velocità in base alle condizioni stradali variabili e al peso del carico trasportato, consentendo così prestazioni del sistema ottimali e personalizzate, nonché una riduzione degli sprechi di carburante, poiché si adatta alle effettive esigenze di potenza del veicolo.
Cos'è l'Assistenza Intelligente alla Velocità (ISA) e in che modo si differenzia dai tradizionali limitatori di velocità?
L'ISA combina il controllo della velocità con l'evitamento di eventi che comportano spreco di carburante e con un miglioramento complessivo dell'efficienza energetica, andando oltre la semplice limitazione della velocità grazie all'utilizzo di tecnologie avanzate quali mappe esterne, posizionamento satellitare e comunicazioni veicolo-veicolo.
