Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 5: Influenza di traffico e guidatore su
consumi ed emissioni
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti
•
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Esempio di diagrammi di marcia con stessa velocità media
Confronto delle emissioni di CO2 calcolate per i tre diagrammi e per
la velocità media con un modello “macro”
Limiti dei modelli macro nel rappresentare gli effetti del traffico e dei
conducenti
Condizioni di massima emissività per i motori a benzina
Comportamenti responsabili di tali condizioni
La deviazione standard della posizione del pedale dell’acceleratore
come parametro per caratterizzare lo stile di guida
La dipendenza di emissioni e consumi da questo parametro
Le differenze uomo – donna
Le regole dell’ecodriving
Obiettivi
•
•
•
•
•
•
Comprendere l’influenza del traffico su consumi ed emissioni
Comprendere l’influenza del guidatore su consumi ed emissioni
Definire un parametro che consenta di individuare il
comportamento del guidatore
Valutare la dipendenza di consumi ed emissioni dallo stile di
guida
Presentare le regole dell’ecodriving
Valutare l’effetto che comportarsi secondo queste regole può
avere su consumi ed emissioni
Tre diagrammi di marcia
45
40
Speed (km/h)
35
Driving
Cycle A
30
25
Dryving
Cycle B
20
Dryving
Cycle C
15
10
5
0
0
10
20
30
40
Time (s)
Cicli A, B e C
Velocità media (km/h)
Durata (s)
22
50
50
Energia e potenza impiegate nei tre casi precedenti
Lunghezza spostamento (m)
Tempo impiegato (s)
Velocità massima (km/h)
Velocità media (km/h)
Consumo (km/l)
Potenza massima (kW)
CASO A CASO B CASO C
306
306
306
50
50
50
22
44
44
22
22
22
16
12
4
0.5
8
39
Ricorderete dalla precedente lezione che
• Modelli di emissione “macro” utilizzano grandezze
medie del flusso
– valore del flusso
– velocità media sull’arco
• e ottengono le emissioni moltiplicando il flusso per
un “fattore di emissione”
– il fattore di emissione dipende dalla velocità media
d’arco
– le leggi di dipendenza sono ottenute sperimentalmente
(COPERT)
I limiti dei modelli macro (1/2)
CO2 Emission factor (g/veh·km)
600
500
Meet
400
Driving
Cycle A
300
Dryving
Cycle B
200
Dryving
Cycle C
100
0
0
20
40
60
80
Average speed (km/h)
100
120
140
I limiti dei modelli macro (2/2)
• Sono precisi in media su una rete ma non per un
uso locale
• I valori calcolati non sono influenzati dal
comportamento dei guidatori
• La differenza tra i valori calcolati e misurati può
essere molto alta soprattutto alle basse velocità
medie che possono essere dovute a comportamenti
molto diversi
Nelle auto a benzina in pochi istanti producono il 90%
degli inquinanti
Condizioni in cui si emette maggiormente (veicoli a benzina euro 2
o successivi)
• Avviamento a freddo
– Quando il motore è appena acceso e:
• La miscela aria benzina è molto ricca
• Il catalizzatore non è ancora in temperatura
• Pieno carico
– Quando l’acceleratore è “a tavoletta” (100%) o comunque quando supera
l’80% e
• La centralina “spegne” la sonda lambda
• La miscela aria benzina viene “arricchita” per dare il massimo della potenza
disponibile
• Transitori
– Quando il loop a controreazione che regola il titolo della miscela aria benzina
non è sufficientemente veloce da seguire le variazioni del motore
Le emissioni di CO nell’avviamento a freddo
•
0.02
3.5
3.5
120
120
120
0.018
33
0.016
100
100
100
2.5
2.5
0.014
80
8080
0.012
22
0.01
60
6060
1.5
1.5
0.008
40
4040
0.006
11
20
2020
0.004
0.5
0.5
0.002
00 0
580
0 0
CO %
Vol
CO
% Vol
Vol
CO
•
140
140
140
Speed km/h
•
Procedura di omologazione su una
Honda Civic Hybrid, al banco a rulli sul
ciclo NEDC
Il CO (in% in volume), in giallo nel
grafico raggiunge i 3 all’inizio ed è
praticamente 0 dopo i 150 secondi
Esaminando solo il primo sottociclo
urbano si vede come le emissioni di CO
siano elevate quasi indipendentemente
dal profilo di velocità o dall’acceleratore
Esaminando quarto e ultimo sottociclo
urbano e sottociclo extraurbano su una
scala del CO oltre cento volte più piccola
si vedono le emissioni per compiere lo
stesso sottociclo a motore caldo
Speed
km/h acc. %
Speed km/h
& Pedale
•
20 680200
40
Velocità
Velocità
Velocità
600
78040080
880
60
100
Time
Time
s.s.s.
Time
120 980800
140
Acceleratore
Acceleratore
Acceleratore
1000180
1080
160
CO
Vol
CO
Vol
CO
%%%
Vol
000
1180
200
Perché il pieno carico è condizione di massime
emissioni
•
30
100
90
25
80
70
20
60
15
50
40
10
30
20
5
10
0
692
732
712
Load
772
752
[s]
AFR
CO %Vol
0
792
CO [%vol], AFR
•
Prova effettuata su una Honda Civic
2000 sul banco a rulli ENEA in quinta
marcia a velocità costante e carico
variabile a gradini
Ad ogni gradino 38, 60, 75 e 85% del
carico corrispondono potenze diverse ma
il rapporto aria combustibile (AFR) resta
sempre costantemente stechiometrico e
la percentuale in volume del CO resta
bassa
All’ultimo gradino, quello al 100% del
carico il rapporto aria combustibile
scende a 10 ed il CO sale fino all’8% in
volume
Load %
•
In transitorio si emette di più
•
•
0.4
140
120
Speed
NOx
CO
0.3
100
80
0.2
60
40
0.1
20
0
655
0
680
705
730
755
Time [s]
780
805
CO [%vol]
•
Prova effettuata su una Honda Civic
2000 con strumentazione Horiba OBS
in autostrada in quinta marcia
Fino a 715 secondi di acquisizione il
veicolo ha il cruise control a 60 km/h
dai 795 secondi in poi si ritorna al
cruise control
Le emissioni di CO (in percentuale in
volume) sono circa zero col cruise
mentre diventano misurabili nei
transitori
Le emissioni di NOx sono tra i 10 ed i
20 PPM col cruise e anche 140 in
transitorio
Speed [Km/h], NOx [ppm]
•
Variabilità della produzione di CO2 al variare dei
guidatori per 3 veicoli diversi
30
25
20
15
10
5
CO2 [g/Km]
Hybrid
IMA
2000 16v
0
31
029
0
29
027
0
25
0-
27
0
23
0-
25
0
23
021
0
21
019
0
19
017
0
0
17
•
35
0-
•
40
% Missioni
•
Stesso percorso urbano con diversi
guidatori per tre autovetture
Honda Civic
Due ibride (Hybrid e IMA) ed una
convenzionale (2000)
Ogni conducente compie tre giri
(missioni) nel grafico ogni colonna è la
percentuale di missioni con la data
macchina che ha emesso CO2 nel
range indicato in ascissa
A parità di macchina e di percorso eiste
una grande variabilità delle emissioni di
CO2 prodotte
15
•
Come misuriamo lo stile di guida
• Il pedale dell'acceleratore è il comando utilizzato
dal guidatore che influenza i consumi e le emissioni
• Le sue variazioni attorno al valore medio sono un
indice dello stile di guida e correlabili con le
emissioni che il veicolo produce
– Guidatore aggressivo: maggiori movimenti del pedale
– Guidatore calmo: pedale più costante
Confronto di emissioni di CO tra uomini e donne
1.8
1.6
1.4
CO [g/km]
• Stesso percorso urbano con 20
guidatori, 10 uomini e 10 donne che
hanno “girato” tre volte ciascuno con la
stessa Honda Civic Hybrid
• Ogni punto in figura è un giro; il punto
blu è il giro di un uomo e rosa di una
donna
• Fino a 14, 15% di deviazione standard
le emissioni di CO si mantengono
costanti e sotto gli 0,2 g/km. La zona è
quasi esclusivamente femminile.
• Dal 15% in poi le emissioni aumentano
velocemente fino ad arrivare oltre il
limite Euro 4 di 1 g/km. Sopra agli 0,5
g/km c’è un solo giro di una donna.
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
5
10
15
20
Deviazione standard posizione pedale acceleratore
Men
Women
25
Confronto di consumo tra tre veicoli
16
•
•
•
•
Stesso percorso urbano con diversi
guidatori per tre autovetture
Honda Civic
Due manuali (IMA e 2000) e una
automatica con CVT (Hybrid)
Due ibride (Hybrid e IMA) ed una
convenzionale (2000)
Il consumo aumenta per tutte con la
deviazione standard della posizione
del pedale dell’acceleratore ma per
la macchina automatica la linearità
è più marcata
I consumi passano da 6 km/l a 10 km/l
per hybrid, da 8 a 12 per IMA e da 11,5
a 14,5 per 2000
Consumption [l/100 km]
•
14
12
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
Deviazione standard posizione pedale acceleratore
Hybrid
IMA
2000 16v
Linear (Hybrid)
25
Le regole dell’ecodriving
•
•
•
•
Il look ahead
Il cut off
Marce alte
Movimenti delicati e non bruschi
Le regole dell’ecodriving: Il look ahead
• È importante guardare avanti per sapere in anticipo come ci si
dovrà comportare
• Se vedo un semaforo rosso a qualche centinaio di metri è
inutile che acceleri per poi frenare
• Accelerazioni e decelerazioni lente riducono consumi ed
inquinamento e non penalizzano la velocità media; per
realizzarle però c’è bisogno di più strada per cui ho bisogno di
guardare più lontano
• Accelerare e decelerare bruscamente aumentano il numero
delle soste ed i tempi di sosta ma non portano alcun beneficio
in termini di tempi di percorrenza
Le regole dell’ecodriving: Il cut off
• Nelle decelerazioni, soprattutto se ci si deve accodare, è
importante toccare il freno il meno possibile e lasciare che la
macchina deceleri con la marcia innestata
• Per ridurre l’effetto frenante del motore, addolcendo ed
allungando la decelerazione, si deve impostare una marcia
alta (normalmente la quinta)
• Questa operazione ha due benefici:
– fa si che il motore tagli il flusso di combustibile (cut off)
– diminuisce il numero delle soste ed i tempi di sosta e quindi
alche il consumo a fermo
Le regole dell’ecodriving: Marce alte
•
•
È bene cambiare marcia verso una più alta appena possibile e tornare in
dietro più tardi
In accelerazione marce alte abbassano il numero di giri con una serie di
effetti positivi:
– a regimi di rotazione più bassi il motore spreca meno energia per vincere le
sue resistenze interne;
– la potenza disponibile è più bassa quindi anche le accelerazioni massime
effettuabili sono più basse;
– la differenza tra la potenza disponibile con basse ed alte percentuali della
corsa dell’acceleratore è minima inducendo a schiacciare meno l’acceleratore
e tenere il piede più costante
•
In decelerazione marce alte diminuiscono la forza frenante consentendo
una migliore gestione della decelerazione
Le regole dell’ecodriving: Movimenti delicati e non
bruschi
• Accelerare o frenare repentinamente è inutile in termini di tempi di
percorrenza e dannoso in termini di consumi ed emissioni
– arrivando prima a mettersi in coda ad un semaforo si aumentano i
tempi di attesa, con conseguente aumento del consumo, ma non si
diminuiscono i tempi di percorrenza
– accelerare a pieno carico aumenta significativamente il consumo e,
come già dimostrato, di diversi ordini di grandezza le emissioni
– frenare bruscamente non consente di beneficiare della fase di cut-off
per risparmiare combustibile
• Movimenti delicati sui pedali di acceleratore e freno, ma anche
sullo sterzo, aumentano il comfort di marcia per i passeggeri
Vantaggi potenziali dell’ecodriving
•
Riduzione consumi ed emissioni:
– CO, HC e Particolato del
– NOx del
– Consumi e CO2 del
•
40 – 60%
8 – 10%
15 – 20%
Riduzione del livello di stress del conducente
– L’ecodriving induce a tenere distanze maggiori da chi precede subendone
meno le reazioni
– La consapevolezza che raggiungere velocità di punta elevate non diminuisce
i tempi di percorrenza aiuta a non stressarsi
•
Riduzione dell’esposizione al rischio incidentalità (ancora da dimostrare
sperimentalmente)
– Distanze di sicurezza più alte riducono il rischio di tamponare
– Manovre meno brusche riducono il rischio di essere tamponati
– Velocità più contenute riducono la gravità di un eventuale incidente
Conclusioni
•
Più il traffico è congestionato più:
–
–
–
–
•
la velocità del flusso è bassa;
il moto dei veicoli è stop and go;
i veicoli consumano e inquinano di più;
i conducenti fanno la differenza.
I veicoli emettono di più:
– a pieno carico;
– in transitorio;
– a freddo.
•
•
Il conducente che muove molto il pedale dell’acceleratore alternando
pieni carichi a rilasci consuma fino al 50% in più ed emette anche 10
volte tanto
Esistono semplici “regole” di comportamento, denominate ecodriving, che possono far risparmiare carburante ed emissioni