Verbeteren hoogprecieze toerentalregelaars het brandstofverbruik?

De technische koppeling tussen toerentalregelaars en brandstofverbruik

Hoe motorbelasting, aerodynamische weerstand en verbrandingsefficiëntie schalen met de snelheid

Het brandstofverbruik van een dieselmotor hangt af van drie onderling samenhangende factoren die worden bepaald door de snelheid van het voertuig. Ten eerste wordt bij toenemende voertuigsnelheid een verschijnsel bekend als aerodynamische weerstand belangrijk. Dit is een gevolg van de voertuigsnelheid. Wanneer de snelheid verdubbelt, neemt de aerodynamische weerstand toe met een factor vier. Luchtweerstand vormt boven een snelheid van 55 mph een aanzienlijke belasting op het energiebudget. Ten tweede ligt het optimale motorendrendement rond de 1200–1800 omwentelingen per minuut. Brandstof-, lucht- en turboladerspanningsomstandigheden zorgen voor de beste verbranding en drukbeheersing. Onder de 40 mph bereikt de motor een toestand van slechte verbranding, waardoor roet en koolwaterstoffen worden geproduceerd. Ten derde wordt de motor boven de 70 mph inefficiënt en neemt de energie die nodig is om de wrijving van het voertuig te overwinnen, aanzienlijk toe.

De hoeveelheid werk die een motor verricht, varieert afhankelijk van hoe ver het gaspedaal is ingedrukt en hoeveel brandstof in elk cilinder wordt ingespoten. Deze factoren worden geregeld door toerentalbegrenzers die gericht zijn op het beheersen van de motor met als doel overmatige mechanische belasting en thermische problemen te minimaliseren. Bijvoorbeeld: als een vrachtwagen een maximale snelheid heeft van 65 mph in plaats van 75 mph, ondergaat de motor ongeveer een derde minder aerodynamische weerstand van de lucht en kan hij langer op piekefficiëntie draaien.

Wat is er zo bijzonder aan het brandstofefficiëntie-optimumpunt voor dieselaandrijvingen?

Het gebruik van het brandstofverbruiksoptimum van de dieselmotor bij snelheden van 50 tot 65 mijl per uur levert het beste resultaat op wat betreft het 'brake specific fuel consumption' (BSFC). Dit leidt tot het beste brandstofverbruik door een optimale thermische balans binnen de motor, een optimale luchtstroom rondom de vrachtwagenkabine en een maximale efficiëntie van de aandrijflijn. Bij snelheden onder de 50 mph valt de dieselmotor buiten zijn optimale vermogensbereik en gebruikt de aandrijflijn lagere versnellingen, wat leidt tot grotere wrijvingsverliezen. Bij snelheden boven de 65 mph neemt het brandstofverbruik af vanwege de toegenomen aerodynamische weerstand; bij 70 mph is deze weerstand verantwoordelijk voor ongeveer twee derde van het vermogen dat nodig is om die snelheid te handhaven. Daarom bereiken dieselvoertuigen het optimale brandstofverbruik door in dit 'middengebied' te rijden, dat fungeert als het brandstofverbruiksoptimum.

Turboladers bieden een continue en efficiënte boost van 15–25 psi

Injectoren met hoge-druk common-rail werken rond de grenzen van het volumetrisch rendement

De rolweerstand blijft grotendeels ongewijzigd

Transmissies maken continu bedrijf in de hoogste versnelling mogelijk bij 1200–1800 tpm

Deze convergentie leidt tot een verbetering van het brandstofverbruik met 30% ten opzichte van onbeperkt rijden bij 75 mph. Snelheidsbegrenzers handhaven dit betrouwbaar, met name bij zwaar transportvoertuigen, die door hun bakvormige constructie en aanhangwagenconfiguratie een luchtweerstandscoëfficiënt hebben van meer dan 0,65.

Het effect van verschillende snelheidsbegrenzers op het reële brandstofverbruik

De positie van snelheidsbegrenzers kan zowel een harde als een zachte limiet zijn en kan daarom respectievelijk beperkend of ontspannend werken op de gaskleppositie en de manier waarop de ECU de brandstoftoevoer regelt

De brandstoftoevoer naar de motor wordt volledig afgesloten wanneer de harde begrenzers ingrijpen, wat leidt tot de plotselinge afsluiting van de gasklep die de bestuurder kan voelen en vooral duidelijk wordt wanneer het voertuig op de snelweg wordt gebruikt. Deze plotselinge onderbreking van de brandstoftoevoer beïnvloedt de motorstabiliteit, waardoor het voertuig onnodig meer brandstof verbruikt. De brandstofefficiëntie kan ten opzichte van een correct functionerend systeem negatief worden beïnvloed met 12% tot 8%. Hier is precies waar zachte begrenzers anders functioneren. Deze systemen maken gebruik van een mechanisme waarbij de ECU voorafgaand aan de brandstoftoevoer een voorspellende brandstofkaart toepast om een toename van de brandstoftoevoer te stoppen. Dit mechanisme behoudt de operationele integriteit en brandstofefficiëntie van het voertuig in vergelijking met agressieve begrenzingen tijdens inhalen en beschermt defensief de brandstofefficiëntie tijdens krachtige versnellingen om de totale motortoerentalen te verminderen.

Koppelvraag, wegprofiel en laaddatagegevens voor adaptieve afstelling van de snelheidsbegrenzer.

Als voorbeeld gebruiken moderne toerenregelaarsystemen IMU's en aslastgegevens om de snelheidsbeperkingen dynamisch aan te passen op basis van het koppelverzoek van het voertuig. Deze intelligente systemen weten bijvoorbeeld dat ze, bij het beklimmen van een helling van 5%, de duur van een bepaalde versnelling moeten verlengen om overdreven terugschakelen en overtoeren van de motor te minimaliseren. Vlootbeheerders hebben empirisch waarneembare ingrepen van dergelijke systemen gemeld in omgekeerde situaties: op basis van de lading die de vrachtwagens vervoeren, verlaagt het toerenregelaarsysteem de toegestane maximumsnelheid. Na analyse van telematica-gegevens van meerdere grote Noord-Amerikaanse vrachtwagenfleets bleek deze aanpak het totale brandstofverbruik te verminderen met 3,1 gallon per 1.000 mijl gereden. In tegenstelling thereto is de traditionele aanpak — waarbij voor een bepaald wegsegment een vaste snelheidsbeperking wordt ingesteld op basis van historische gegevens, ongeacht de helling van het wegsegment of de lading van de vrachtwagen — buitengewoon simplistisch. Deze nieuwe adaptieve systemen hebben de snelheidsregeling getransformeerd van een simplistische benadering naar een dynamische prestatieaanpassing op basis van werkelijke veldomstandigheden. Brandstofbesparing door gebruik van toerenregelaars.

Gekalibreerde snelheidsbegrenzers hebben bewezen dat brandstofbesparingen haalbaar zijn tijdens commerciële vlootoperaties. Door de snelheid te beperken tot een bereik met optimale dieselbrandstofefficiëntie (80–105 km/u) kan het brandstofverbruik met 10–15% worden verminderd ten opzichte van onbeperkt operationeel rijden. Deze besparingen zijn het gevolg van zowel een vermindering van de aerodynamische weerstand als een gestabiliseerde verbranding.

Brandstofbesparingen door het gebruik van snelheidsbegrenzers bij commerciële vloten kunnen worden toegeschreven aan het volgende:

- Weerstandsbesparingen: hoe hoger de rijdsnelheid, des te groter de brandstofbesparingen [binnen het bereik van 80–105 km/u].

- Handhaving van een stationaire toestand: het handhaven van een gecontroleerde rijdsnelheid voorkomt wijzigingen in de stand van het gaspedaal en behoudt de optimale timing waarmee de brandstofinjector de brandstof pompt, evenals de optimale reactie van de turbo.

- Vloot van 100 vrachtwagens met een gemiddelde jaarlijkse afstand van 160.934 km levert een brandstofbesparing op van 567.812 liter diesel per jaar. In combinatie met chauffeursopleiding en route-optimalisatie kunnen deze besparingen worden behaald zonder verlenging van de reistijd en met een vermindering van de CO₂-uitstoot.

Boven basisbeperking: intelligente snelheidsassistie als geavanceerde vorm van snelheidsbegrenzer

Van reactieve snelheidsregeling naar voorspellende eco-cruise, aangedreven door GNSS, HD-kaarten en V2X

Intelligente snelheidshulp is een voorspellend alternatief voor de ouderwetse snelheidsbegrenzers en hun reactieve werkwijzen. Ouderwetse begrenzers grijpen pas in NADAT de snelheidslimieten zijn overschreden, en doen dat op een storende en inefficiënte manier, wat leidt tot plotselinge verminderingen van het vermogen en snelheidsschommelingen. Het systeem voor intelligente snelheidshulp kan dankzij de integratie van GNSS, gedetailleerde wegkaarten en voertuig-naar-infrastructuurcommunicatie voorspellend eco-cruisen uitvoeren. Voorspellend eco-cruisen stelt deze systemen in staat om proactief op te treden, zodat zij obstakels op de weg kunnen anticiperen op basis van het reliëf (hellingen, bochten), het wegverkeer en de snelheidslimieten tot 3 km vooruit. Dit maakt een optimale regeling van het vermogen naar de wielen mogelijk en voorkomt problemen in plaats van erop te reageren.

Versnellingalgoritmes, adaptieve cruisecontrol en geïntegreerde verkeersregelsystemen leiden tot een vlakker verloop van de voertuigsnelheidsprofielen en optimaliseren de gehele ritcyclus vanuit een energieverbruiksperspectief. Het resultaat van de combinatie van deze technologieën is een vermindering van de snelheidsvariantie met 15–20%, die traditioneel wordt beschouwd als brandstofverspilling door deze reactieve systemen, en een toename van brandstofbesparende technologieën die een intelligente aanpak hanteren in plaats van de mechanische bouwsteenbenadering van het uitsluitend gebruik van een snelheidsbegrenzer.

Frequently Asked Questions (FAQ)

Wat zijn de factoren die het brandstofverbruik bij dieselmotoren beïnvloeden?

Deze variabelen zijn afhankelijk van een combinatie van voertuigsnelheid, luchtweerstand en motortoerental. Het verband tussen deze variabelen is dat bij hoge snelheden de luchtweerstand exponentieel toeneemt, terwijl bij lage snelheden het motortoerental kan leiden tot een hogere efficiëntie.

Wat is de reden dat het snelheidsbereik van 50–65 mph wordt beschouwd als het 'sweet spot' voor brandstofefficiëntie bij dieselmotoren?

In dit snelheidsbereik bestaat er een perfect evenwicht tussen de motor en de mechanische onderdelen van de aandrijflijn voor optimale brandstofefficiëntie.

Wat zijn harde en zachte limieten in verband met snelheidsbegrenzers?

Harde limieten leiden tot plotselinge onderbrekingen van de brandstoftoevoer, wat onregelmatig motorgedrag en verliezen op het gebied van brandstofefficiëntie veroorzaakt, terwijl zachte limieten in staat zijn de brandstoftoevoer te optimaliseren en een duurzame werking op een efficiënt niveau te waarborgen met minimale brandstofverliezen, aangezien zij brandstofaanpassingen voorspelbaar in kaart brengen.

Op welke manieren kunnen adaptieve snelheidsbegrenzers de brandstofefficiëntie verbeteren?

Het adaptieve type systeem wijzigt zijn snelheidslimieten op basis van veranderende wegcondities en het gewicht van de lading, waardoor een optimale en op maat gemaakte systeemprestatie mogelijk is en minder brandstofverspilling optreedt, aangezien het systeem zich aanpast aan de vereiste vermogensbehoeften van het voertuig.

Wat is Intelligent Speed Assistance (ISA) en hoe verschilt dit van traditionele snelheidsbegrenzers?

ISA combineert de controle van de snelheid met het voorkomen van brandstofverspillende gebeurtenissen en een algemene verbetering van de energie-efficiëntie, bovenop het uitsluitend beperken van de snelheid, door gebruik te maken van geavanceerde technologieën zoals externe kaarten, satellietpositionering en voertuig-naar-voertuigcommunicatie.