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 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 Il docente inizia la lezione e descrive gli argomenti che tratterà. Le lezioni iniziano sempre con questa formula: “In questa lezione parleremo di: argomento 1 Argomento 2 Argomento n Ove opportuno, in questa come nelle altre slide, può essere utilizzato il seguente effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse. Per inserire nuove diapositive, utilizzare sempre l’apposita funzione di PowerPoint: Menu Inserisci Nuova diapositiva. Scegliere, eventualmente, dal Riquadro attività, un layout diverso da quello proposto in automatico, ma SEMPRE tra quelli disponibili. Evitare il layout “Solo titolo”.

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 Il docente descrive gli obiettivi della lezione. Anche in questo caso può utilizzare l’ effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse.

Tre diagrammi di marcia Velocità media (km/h) Durata (s) Cicli A, B e C 22 50

Energia e potenza impiegate nei tre casi precedenti

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) 6

I limiti dei modelli macro (1/2) 7

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 8

Nelle auto a benzina in pochi istanti producono il 90% degli inquinanti

Avviamento a freddo Pieno carico Transitori 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 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

Perché il pieno carico è condizione di massime emissioni 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

In transitorio si emette di più 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

Variabilità della produzione di CO2 al variare dei guidatori per 3 veicoli diversi 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

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 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. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 5 10 15 20 25 Deviazione standard posizione pedale acceleratore CO [g/km] Men Women 16

Confronto di consumo tra tre veicoli 2 4 6 8 10 12 14 16 5 15 20 25 Deviazione standard posizione pedale acceleratore Consumption [l/100 km] Hybrid IMA 2000 16v Linear (Hybrid) 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

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 40 – 60% NOx del 8 – 10% Consumi e CO2 del 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 eco-driving, che possono far risparmiare carburante ed emissioni È opportuno che il docente al termine di ogni lezione proceda con un riepilogo degli argomenti trattati e si congedi utilizzando la formula “Grazie per l’attenzione”.