Conducción energéticamente eficiente

Los neumáticos con baja presión se desgastan más rápido y pierden energía por la resistencia a la rodadura debido a la deformación del neumático. La pérdida para un automóvil es de aproximadamente el 1,0 por ciento por cada 2 psi (0,1 bar; 10 kPa) de disminución de la presión en los cuatro neumáticos. ^{[ 8 ]} Una alineación incorrecta de las ruedas y una alta viscosidad cinemática del aceite del motor también reducen la eficiencia del combustible.   

Los conductores pueden aumentar la eficiencia del combustible minimizando la masa transportada, es decir, el número de personas o la cantidad de carga, herramientas y equipo que se lleva en el vehículo. Quitar accesorios comunes innecesarios como portaequipajes de techo, protectores de cepillo, deflectores de viento (o " alerones ", cuando están diseñados para la carga aerodinámica y no para mejorar la separación del flujo ), estribos y barras de empuje, así como usar neumáticos más estrechos y de perfil más bajo mejorará la eficiencia del combustible al reducir el peso, la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura . ^{[ 9 ]} Algunos coches también usan una rueda de repuesto de tamaño reducido , para ahorrar peso, coste y espacio. En un vehículo típico, cada 55 libras (25 kg) adicionales aumentan el consumo de combustible en un 1 por ciento. ^{[ 8 ]} Quitar los portaequipajes de techo (y accesorios) puede aumentar la eficiencia del combustible hasta en un 20 por ciento. ^{[ 8 ]} Reducir el combustible a bordo a un valor más bajo (del 50% al 75%) también puede beneficiar la reducción del combustible en un entorno de tráfico urbano ( "Ayuda en línea del VW Golf 8") .).

Mantener una velocidad eficiente es un factor importante en la eficiencia del combustible. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Se puede esperar una eficiencia óptima al conducir a una velocidad constante y con la transmisión en la marcha más alta (ver Elección de marcha, más abajo). La velocidad óptima varía según el tipo de vehículo, aunque generalmente se informa que está entre 35 y 50 mph (56 y 80 km/h) . Por ejemplo, un Chevrolet Impala 2004 tenía un óptimo a 42 mph (68 km/h) , y estaba dentro del 15 por ciento de eso de 29 a 57 mph (47 a 92 km/h) .      

A velocidades más altas, la resistencia del viento influye cada vez más en la reducción del consumo de combustible en los automóviles . A 60 km/h, la velocidad media mundial, la pérdida de energía debida a la resistencia del aire en los automóviles de combustible fósil representa aproximadamente el 5 % de la pérdida total de energía. La fricción (33 %), los gases de escape (29 %) y la refrigeración del motor (33 %) representan el resto. ^{[ 13 ]} Por encima de 60 km/h, la resistencia del viento aumenta aproximadamente con el cuadrado de la velocidad, convirtiéndose en el factor dominante a alta velocidad. ^{[ 12 ] : 256}

Los híbridos suelen alcanzar su máxima eficiencia de combustible por debajo de esta velocidad umbral, que depende del modelo. El coche cambia automáticamente entre el modo de alimentación por batería y el motor de combustión al recargarse la batería. Los coches eléctricos , como el Tesla Model S , pueden recorrer hasta 1080 kilómetros (670 millas) a 39 km/h (24 mph) . ^{[ 14 ]}   

La capacidad de la carretera afecta la velocidad y, por lo tanto, también la eficiencia del combustible. Los estudios han demostrado que las velocidades ligeramente superiores a 72 km/h (45 mph ) permiten el mayor flujo de tráfico cuando las carreteras están congestionadas. ^{[ 15 ]} Los conductores individuales pueden mejorar su eficiencia de combustible y la de otros evitando las carreteras y los momentos en que el tráfico se ralentiza a menos de 72 km/h ( 45 mph ) . Las comunidades pueden mejorar la eficiencia del combustible adoptando límites de velocidad ^{[ 16 ]} o políticas para prevenir o desalentar a los conductores a incorporarse al tráfico que se acerca al punto en que las velocidades se ralentizan por debajo de 72 km/h (45 mph ) . El cobro por congestión se basa en este principio; aumenta el precio del acceso a la carretera en momentos de mayor uso, para evitar que los automóviles se incorporen al tráfico y reduzcan las velocidades por debajo de los niveles eficientes.      

Las investigaciones han demostrado que los límites de velocidad obligatorios pueden modificarse para mejorar la eficiencia energética entre un 2 y un 18 por ciento, dependiendo del cumplimiento de los límites de velocidad más bajos. ^{[ 17 ]}

La eficiencia del motor varía con la velocidad y el par motor. Para conducir a una velocidad constante, no se puede elegir cualquier punto de funcionamiento del motor; más bien, se necesita una cantidad específica de potencia para mantener la velocidad elegida. Una transmisión manual permite al conductor elegir entre varios puntos a lo largo de la banda de potencia. En un motor turbodiésel, una marcha demasiado baja hará que el motor entre en una región de altas rpm y bajo par motor en la que la eficiencia cae rápidamente, por lo que la mejor eficiencia se logra cerca de una marcha más alta. ^{[ 18 ]} En un motor de gasolina, la eficiencia suele caer más rápidamente que en un diésel debido a las pérdidas por estrangulamiento. ^{[ 19 ]} Dado que circular a una velocidad eficiente utiliza mucha menos potencia que la máxima del motor, el punto de funcionamiento óptimo para circular a baja potencia suele ser a muy baja velocidad del motor, alrededor de (o incluso ligeramente por debajo de) 1500 rpm para motores de gasolina y 1200 rpm para motores diésel. Esto explica la utilidad de las marchas de "sobremarcha" muy altas para la conducción en autopista. Por ejemplo, un coche pequeño podría necesitar solo entre 10 y 15 caballos de fuerza (7,5-11,2 kW) para circular a 97 km/h (60 mph ) . Probablemente, a esa velocidad, la transmisión esté configurada para girar a unas 2500 rpm, pero para lograr la máxima eficiencia, el motor debería funcionar a unas 1500 rpm (gasolina) o 1200 rpm (diésel) para generar esa potencia de la forma más eficiente posible (aunque las cifras reales variarán según el motor y el vehículo).     

La eficiencia del combustible varía según el vehículo. Generalmente, la eficiencia del combustible durante la aceleración mejora a medida que aumentan las RPM hasta un punto cercano al par máximo ( consumo específico de combustible ^{[ 18 ]} ). Sin embargo, acelerar a una velocidad mayor de la necesaria sin prestar atención a lo que hay delante puede requerir frenar y, posteriormente, acelerar de nuevo. Un estudio de 2001 recomendó acelerar con rapidez, pero suavemente, antes de cambiar de marcha en coches con transmisión manual. ^{[ 20 ]}

En general, la eficiencia del combustible se maximiza al minimizar la aceleración y el frenado. Por lo tanto, una estrategia eficiente consiste en anticiparse a lo que sucederá más adelante y conducir de manera que se minimicen la aceleración y el frenado, y se maximice el tiempo de inercia.

La necesidad de frenar a veces se debe a sucesos impredecibles. A velocidades elevadas, hay menos tiempo para que el vehículo reduzca la velocidad por inercia. La energía cinética es mayor, por lo que se pierde más energía al frenar. A velocidades medias, el conductor tiene más tiempo para elegir si acelerar, dejar que el vehículo avance por inercia o desacelerar para maximizar la eficiencia del combustible.

Al acercarse a un semáforo en rojo, los conductores pueden optar por "calcular el tiempo" soltando el acelerador antes de que la luz se encienda. Al permitir que su vehículo reduzca la velocidad con anticipación y avance por inercia, darán tiempo a que el semáforo cambie a verde antes de llegar, evitando así la pérdida de energía que supondría tener que detenerse por completo.

Debido al tráfico intermitente, conducir durante las horas pico consume más combustible y produce más gases tóxicos. ^{[ 21 ]}

Los frenos convencionales disipan la energía cinética en forma de calor, que es irrecuperable. El frenado regenerativo , utilizado por los vehículos híbridos/eléctricos, recupera aproximadamente el 50 % de la energía del automóvil en cada frenada, lo que conlleva una reducción de quizás el 20 % en los costos de energía de la conducción urbana. ^{[ 12 ]}

Una alternativa a la aceleración o el frenado es el deslizamiento , es decir, avanzar sin propulsión . El deslizamiento disipa la energía almacenada ( energía cinética y energía potencial gravitatoria ) frente a la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura , que el vehículo siempre debe superar durante el trayecto. Si se avanza cuesta arriba, la energía almacenada también se consume por la resistencia de la pendiente , pero esta energía no se disipa, ya que se almacena como energía potencial gravitatoria que puede utilizarse posteriormente. Utilizar la energía almacenada (mediante el deslizamiento) para estos fines es más eficiente que disiparla en el frenado por fricción.

Al circular por inercia con el motor en marcha y la transmisión manual en punto muerto, o con el embrague pisado, seguirá habiendo cierto consumo de combustible debido a que el motor necesita mantener la velocidad de ralentí.

En la mayoría de los estados de EE. UU., está prohibido circular con el vehículo sin marcha, sobre todo en bajadas. Un ejemplo es el Título 29-A, Capítulo 19, §2064 de los Estatutos Revisados ​​de Maine ^{[ 22 ]} : «Un conductor, al circular en una pendiente descendente, no puede circular con la transmisión en punto muerto». Algunas normativas difieren entre los vehículos comerciales, que no deben desembragar en bajadas, y los vehículos de pasajeros, que deben poner la transmisión en punto muerto. Estas normativas indican cómo deben conducir los conductores. No usar el motor en pendientes largas y pronunciadas, o usar el freno en exceso, podría provocar una avería por sobrecalentamiento de los frenos.

Apagar el motor en lugar de dejarlo al ralentí ahorra combustible. Los semáforos son predecibles y a menudo es posible anticipar cuándo se pondrán en verde. Algunos coches lo consiguen con un sistema de arranque y parada automáticos , que enciende y apaga el motor automáticamente al detenerse. Algunos semáforos tienen temporizadores que ayudan al conductor a utilizar esta táctica.

Algunos vehículos híbridos deben mantener el motor en marcha mientras el vehículo está en movimiento y la transmisión está engranada, aunque cuentan con un sistema de parada automática que se activa al detenerse, evitando así el desperdicio de combustible. Es fundamental aprovechar al máximo el sistema de parada automática en estos vehículos, ya que el ralentí provoca una drástica disminución de la eficiencia instantánea del consumo de combustible, llegando a cero millas por galón, lo que reduce la eficiencia promedio (o acumulada) del consumo.

Un conductor puede mejorar su eficiencia de combustible anticipándose a los movimientos de otros vehículos o a los cambios repentinos en la situación en la que se encuentra. Por ejemplo, un conductor que frena bruscamente o gira sin señalizar reduce las opciones de otro conductor para optimizar su rendimiento. Al proporcionar siempre a los demás usuarios de la vía la mayor cantidad de información posible sobre sus intenciones, un conductor puede ayudarles a reducir su consumo de combustible (además de aumentar su seguridad). De igual manera, anticiparse a elementos de la vía como los semáforos puede reducir la necesidad de frenar y acelerar bruscamente. Los conductores también deben anticiparse al comportamiento de los peatones o animales en las proximidades para poder reaccionar adecuadamente ante cualquier situación que los involucre.

El uso del aire acondicionado requiere la generación de hasta 5 hp (3,7 kW) de potencia adicional para mantener una velocidad determinada. Los sistemas de aire acondicionado se encienden y apagan, o varían su potencia, según lo requieran los ocupantes, por lo que rara vez funcionan a máxima potencia de forma continua. Apagar el aire acondicionado y bajar las ventanillas puede evitar esta pérdida de energía, aunque aumentará la resistencia aerodinámica, por lo que el ahorro de costes puede ser menor de lo que se suele anticipar. ^{[ 23 ]} El uso del sistema de calefacción para pasajeros ralentiza el aumento de la temperatura de funcionamiento del motor. Tanto el estrangulador en un coche con carburador (de la década de 1970 o anterior) como el ordenador de inyección de combustible en los vehículos modernos añadirán más combustible a la mezcla aire-combustible hasta que se alcance la temperatura normal de funcionamiento, lo que disminuye la eficiencia del combustible. ^{[ 24 ]}  

El uso de gasolina de alto octanaje en un vehículo que no la necesita generalmente se considera un gasto innecesario, ^{[ 25 ]} aunque Toyota ha medido pequeñas diferencias en la eficiencia debido al número de octano incluso cuando el golpeteo no es un problema. ^{[ 26 ]} Todos los vehículos en los Estados Unidos fabricados desde 1996 están equipados con diagnósticos a bordo OBD-II y la mayoría de los modelos tendrán sensores de golpeteo que ajustarán automáticamente la sincronización si y cuando se detecta golpeteo, por lo que se puede usar combustible de bajo octanaje en un motor diseñado para alto octanaje, con cierta reducción en la eficiencia y el rendimiento. Si el motor está diseñado para alto octanaje, entonces el combustible de mayor octanaje resultará en mayor eficiencia y rendimiento bajo ciertas condiciones de carga y mezcla.

Los vehículos eléctricos de batería consumen alrededor de 20 kWh de energía para recorrer 100 km (equivalente a 3 millas/kWh), aproximadamente 4 veces menos que un automóvil de combustible fósil. ^{[ 12 ] : 127}

La estrategia de conducción de pulso y planeo (PnG) consiste en acelerar hasta una velocidad determinada ("pulso" o "quema"), seguido de un período de planeo o descenso a una velocidad menor, en el que se repite la secuencia quema-planeo. ^{[ 27 ]} Esta estrategia de conducción ha sido comprobada y experimentada por los conductores para ahorrar combustible durante mucho tiempo, y algunos experimentos también validaron su capacidad de ahorro de combustible. ^{[ 28 ]} En la operación PnG, el planeo es más eficiente cuando el motor no está en marcha, aunque se pueden obtener algunas ganancias con el motor encendido (para mantener la potencia a los frenos, la dirección y los auxiliares) y el vehículo en punto muerto. ^{[ 27 ]} La mayoría de los vehículos de gasolina modernos cortan completamente el suministro de combustible cuando el motor planea (sobremarcha) está en marcha, aunque el motor en movimiento añade una considerable resistencia por fricción y la velocidad se pierde más rápidamente que con el motor desembragado del tren motriz.

La estrategia de pulso y deslizamiento ha demostrado ser un diseño de control eficiente tanto en escenarios de seguimiento de vehículos ^{[ 27 ] como de conducción libre [ 29 ]} , con un ahorro de combustible de hasta un 20 %. En la estrategia PnG, el control del motor y la transmisión determina el rendimiento de ahorro de combustible, y se obtiene resolviendo un problema de control óptimo (OCP). Debido a una relación de transmisión discreta, fuertes características no lineales del consumo de combustible del motor y diferentes dinámicas en el modo de pulso/deslizamiento, el OCP es un problema de enteros mixtos no lineal conmutado ^{[ 30 ] [ 31 ] .}

Algunos vehículos híbridos son idóneos para realizar la función de aceleración y planeo. ^{[ 32 ]} En un híbrido serie-paralelo (véase el sistema de propulsión del vehículo híbrido ), el motor de combustión interna y el sistema de carga pueden apagarse para el planeo simplemente manipulando el acelerador. Sin embargo, según las simulaciones, se obtienen mayores beneficios en términos de economía en vehículos no híbridos. ^{[ 28 ] [ 27 ]}

Esta estrategia de control también se puede utilizar en la formación de convoyes de vehículos (la formación de convoyes de vehículos automatizados tiene el potencial de mejorar significativamente la eficiencia del combustible en el transporte por carretera), y este método de control funciona mucho mejor que los controladores lineales cuadráticos convencionales. ^{[ 33 ]}

La eficiencia de un motor de combustión en un vehículo híbrido se puede determinar utilizando su mapa de consumo , la capacidad de la batería, el nivel de la batería, la carga y la relación de transmisión, y también depende de la aceleración, la resistencia del viento y la velocidad.

La mayor parte del tiempo, los motores de los automóviles operan a solo una fracción de su eficiencia máxima, ^{[ 34 ]} lo que resulta en una menor eficiencia de combustible (o un mayor consumo específico de combustible (SFC), que es lo mismo). ^{[ 35 ]} Los gráficos que muestran el SFC para cada combinación posible de par (o presión media efectiva de frenado) y RPM se denominan mapas de consumo específico de combustible de frenado . Utilizando dicho mapa, se puede encontrar la eficiencia del motor en varias combinaciones de rpm , par , etc. ^{[ 27 ]}

Durante la fase de aceleración (pulso) del sistema de aceleración y planeo, la eficiencia es casi máxima debido al alto par motor , y gran parte de esta energía se almacena como energía cinética del vehículo en movimiento. Esta energía cinética, obtenida de forma eficiente, se utiliza en la fase de planeo para superar la resistencia a la rodadura y la resistencia aerodinámica. En otras palabras, alternar entre periodos de aceleración eficiente y planeo proporciona una eficiencia general que suele ser superior a la de la conducción a velocidad constante. Los cálculos informáticos han predicho que, en casos excepcionales, como a bajas velocidades donde el par motor necesario para la conducción a velocidad constante es bajo, es posible duplicar o incluso triplicar el ahorro de combustible. ^{[ 28 ]} Simulaciones más realistas que tienen en cuenta el tráfico sugieren que es más probable que se produzcan mejoras del 20 %. ^{[ 27 ]} Esto significa que, en la práctica, es improbable que se duplique o triplique la eficiencia del combustible. Esto se debe probablemente a los semáforos, las señales de stop y la consideración del tráfico; todos estos factores interfieren con la técnica de aceleración y planeo. Sin embargo, aún es factible lograr mejoras en el ahorro de combustible de aproximadamente un 20 %. ^{[ 28 ] [ 27 ] [ 36 ]}

El rebufo o la estela es una técnica mediante la cual un vehículo más pequeño circula o se desliza muy cerca del vehículo que lo precede para protegerse del viento. Además de ser ilegal en muchas jurisdicciones, suele ser peligroso. ^{[ 37 ]} Pruebas reales realizadas con un automóvil que circulaba a tres metros detrás de un camión semirremolque mostraron una reducción del 90 por ciento de la resistencia aerodinámica (fuerza del viento) y, como resultado, un aumento del 39 por ciento en la eficiencia. ^{[ 38 ]}

A veces existe una disyuntiva entre ahorrar combustible y evitar accidentes. ^{[ 10 ]}

En Estados Unidos, la velocidad óptima para maximizar la eficiencia del combustible suele estar por debajo del límite de velocidad, normalmente entre 35 y 50 mph (56 y 80 km/h) ; sin embargo, el flujo de tráfico suele ser más rápido. La diferencia de velocidad entre los vehículos aumenta el riesgo de colisión. ^{[ 10 ]}  

El rebufo aumenta el riesgo de colisión cuando la separación con el vehículo precedente es inferior a tres segundos. ^{[ 39 ]}

Conducir a vela es otra técnica para aumentar la eficiencia del combustible. Cambiar de marcha o reiniciar el motor incrementa el tiempo necesario para una maniobra evasiva que implique aceleración. Por lo tanto, algunos consideran que la pérdida de control asociada a conducir a vela supone un riesgo inaceptable. De hecho, es ilegal en algunas jurisdicciones.

Se han aplicado modelos de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (AA) a la relación entre el consumo de combustible y el comportamiento al volante. Los principales factores que representan e influyen en el comportamiento al volante incluyen la velocidad, la aceleración, la marcha, los parámetros de la carretera, el clima, etc. ^{[ 40 ]}