Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo HDENIQ - Vuosiraportti 2011

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (65) Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo HDENIQ - Vuosiraportti 2011 Kirjoittajat: Pekka Rahkola (VTT), Veikko Karvonen (Aalto), Juha-Matti Isomaa (Aalto), Matti Juhala (Aalto), Kai Noponen (OY), Juha Partala (OY), Heikki Liimatainen (TTY), Rami Wahlsten (Turun AMK), Petri Laine (VTT), Micke Bergman (VTT), Paula Silvonen (VTT), Kimmo Erkkilä (VTT) Luottamuksellisuus: Julkinen

2 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R (65) Raportin nimi Vuosiraportti 2011 Asiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedot HDENIQ johtoryhmä Asiakkaan viite HDENIQ Projektin nimi Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo Raportin laatija(t) Pekka Rahkola (VTT), Veikko Karvonen (Aalto), Juha-Matti Isomaa (Aalto), Matti Juhala (Aalto), Kai Noponen (OY), Juha Partala (OY), Heikki Liimatainen (TTY), Rami Wahlsten (Turun AMK), Petri Laine (VTT), Micke Bergman (VTT), Paula Silvonen (VTT), Kimmo Erkkilä (VTT) Avainsanat Energiankulutus, ajoneuvot, päästöt, raskaat ajoneuvot, bussit, Projektin numero/lyhytnimi / HDENIQ Sivujen/liitesivujen lukumäärä 64/0 Raportin numero VTT-R kuorma-autot, linja-autot Tiivistelmä Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo, HDENIQ-projekti, jatkaa raskaiden maantieajoneuvojen energiankulutuksen, päästöjen ja turvallisuuden tutkimusta aikaisempien HDEnergia ja RASTU-projektien hengessä. HDENIQ kuuluu osaksi VTT:n koordinoimaa TransEco tutkimusohjelmaa, vastaten sen raskaan ajoneuvokaluston tutkimustarpeita. HDENIQ-projekti käynnistyi kesällä 2009 ja päättyy syksyllä Kaupunkibussien osalta jatkettiin RASTU-projektissa aloitettua seurantamittaussarjaa ja mitattiin muutamia uusia EEV-busseja ja hybridejä. Ajoneuvotekniikkaan liittyvissä alatehtävissä jatkettiin aerodynaamista kuorma-autokonseptia, selvitettiin sivutuulen vaikutusta, tutkittiin apulaitteissa energiakulutusta ja sähköisiä toteuttamisvaihtoehtoja sekä selvitettiin linja-autojen todellisia päästöjä Suomen olosuhteissa. IT-järjestelmien tutkimuksessa kehitettiin kuljettajan ajo-opastinjärjestelmää ja siihen liittyvää taustajärjestelmää ajo-opastimen vaikutusten arvioimiseksi ja reittiohjeistuksen muodostamiseksi. Automaattinen liukkaudentunnistus -tutkimukseen liittyen varusteltiin joukko raskaita ajoneuvoja anturoinneilla ja tiedonkeruujärjestelmillä. Nämä tiedonkeruujärjestelmät osallistuvat apulaitteiden energiankulutus- ja olosuhdetutkimukseen. Luottamuksellisuus Espoo Toimittanut julkinen Tarkastaja Hyväksyjä Tommi Mutanen, Autom Consulting Juhani Laurikko Principal Scientist, VTT Jukka Lehtomäki Technology Manager, VTT Jakelu HDEniq johtoryhmä, TransEco tutkimusohjelma - VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.

3 Sisällysluettelo 1 Johdanto Tutkimuksen sisältö Raskaan kaluston aerodynamiikka (VTT) Lähdeviitteet Ajoneuvoyhdistelmän sivutuuliherkkyys (VTT) Johdanto Tavoite Ajoneuvoyhdistelmän laskentamalli Aerodynaamiset voimat ja momentit Simulointitulokset Kallistumisvakaus Suuntavakaus Johtopäätökset Lähdeviitteet Bussimittaukset (VTT) Kaupunkibussien päästöt ja energiankulutus kylmässä (PEMS) (VTT) Raskaiden ajoneuvojen apulaitteiden tehonkulutus (VTT) Datan valinta ja prosessointi Tulokset Sähköiset apulaitteet (VTT) Ohjaustehostin Paineilmakompressori Moottorin jäähdytystuuletin Raskaan ajoneuvon massan ja tien pinnan liukkauden estimointijärjestelmä (OY) Lähtökohta ja tavoitteet Tutkimuksen kohteet ja alatehtävät Ajoneuvoista kerättyjen tietojen kattavuus ja laatu Liukkauden tunnistus ja massan estimointi Tutkimuksesta tiedottaminen Ajo-opastin (VTT) Ohjelmisto Viikonpäiväreferenssi Vuodenaikareferenssi Liukkaudentunnistus (VTT) Rengasmittaukset (VTT) Öljytesti (VTT)...47

4 14 Rullausmittausten kehittäminen (VTT) Linja-autokaluston optimointi ja kohdentaminen (AALTO) Kalustokoko ja kysyntä Kalustokustannukset SCR ja EGR - Selvitys käytönaikaisista ongelmista (AALTO) Dieselmoottorin päästöt Päästöjen hallintajärjestelmien ongelmat Haastattelukierroksen tulokset Raskaiden ajoneuvojen jarrujen tarkastus (Turun AMK) Tiekuljetusalan energiatehokkuuden ja hiilidioksidipäästöjen tulevaisuus (TTY VERNE) Yrityskysely Energiatehokkuus ja hiilidioksidipäästöt Tulevaisuus vuoteen Työpajat Julkaisut Projektin ohjaus ja aikataulumuutos...66

5 1 Johdanto Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo, HDENIQ-projekti, jatkaa raskaiden maantieajoneuvojen energiankulutuksen, päästöjen ja turvallisuuden tutkimusta aikaisempien HDEnergia ja RASTU-projektien hengessä. Projektin otsikkotasolla mainittu energiankulutus toimii tutkimuksessa alatehtäviä yhdistävänä tekijänä. Toinen otsikkotason teema on älykkyys, joka viittaa ITC-järjestelmien mahdollisuuksiin energiankulutuksen, turvallisuuden ja palvelutason lisääjänä. HDENIQ kuuluu VTT:n koordinoimaan TransEco tutkimusohjelmaan, vastaten sen raskaan ajoneuvokaluston tutkimustarpeita. Tutkimushanke palvelee henkilö- ja tavarakuljetusratkaisujen tuottajia sekä eri viranomaistahoja, ja luo pohjaa uusille liiketoimintamahdollisuuksille, jotka perustuvat teknisiin sovelluksiin ja palveluihin. Tähän liittyen hanke: - Antaa uutta tietoa ja välineitä vaikuttaa energiatehokkaiden palveluratkaisujen tuottamiseen sekä julkisella että yksityisellä sektorilla - Luo uusia välineitä ja mittareita, joilla voidaan luotettavasti vertailla erilaisten valintojen kokonaisvaikutuksia niiden koko elinkaaren ajalla - Selvittää todelliset säästöpotentiaalit ja siten mahdollistaa liikennöitsijöiden, liikenteen tilaajien, valmistajien ja yhteiskunnan päättäjien päätöksenteon Ilman tietoa todellisista vaikutuksista päätöksiä on vaikea tehdä. - Antaa luotettavaa tietoa uuden tekniikan pakokaasupäästöistä, mitä voidaan hyödyntää kalustovalinnoissa ja päästölaskelmien tekemisessä - Luo uusia innovatiivisia ITC-järjestelmiä hyödyntäviä toimintaa tehostavia, turvallisuutta parantavia ja palvelutasoa parantavia menetelmiä ja niiden ympärille palvelumalleja Hankkeen yleinen viitekehys tekemiselle, liitynnät muihin projekteihin ja viestintäasiat on kuvattu TransEco-ohjelman vuosiraporteissa, jotka ovat haettavissa ohjelman verkkosivuilta osoitteesta: VTT:n käynnistämä viisivuotinen ( ) TransEco-ohjelma muodostaa tutkimusplatformin, jonka puitteissa kokonaisvaltaisesti tarkastellaan ja kehitetään tieliikennesektorin energia- ja päästöratkaisuja, ja johon tukeudutaan Suomelle sopivia toimintamalleja kehitettäessä ja markkinoille tuotaessa. Suomesta löytyy osaamista mm. polttoainejalostuksen, liikenteen biopolttoaineiden, IT-teknologian ja ajoneuvotekniikan (mm. kevytrakennetekniikka, sähkö- ja hybridiautot, renkaat, pakokaasupuhdistimet, työkonemoottorit) alueilla. Kaikkia mahdollisia elementtejä pitäisi käyttää hyväksi liikenteen ympäristövaikutusten vähentämiseksi. Projektisuunnitelma on esitetty dokumentissa VTT-M Projekti oli alkujaan suunniteltu päättyvän vuoden 2011 loppuun, mutta koska toiminta päästiin aloittamaan vasta 2009 syksyllä, haettiin Tekesistä projektille jatkoaikaa vuoden 2012 syyskuun loppuun saakka. Käsillä oleva raportti esittelee vuoden 2011 tutkimustuloksia. Vuoden 2012 mittaukset raportoidaan loppuraportin yhteydessä vuoden 2012 lopussa.

6 2 Tutkimuksen sisältö Tutkimushanke koostuu kuudesta varsinaisesta alatehtävästä. Alatehtävät ja niiden sisältö tiivistetysti on listattu seuraavassa. Ajoneuvotekniikka: Aerodynamiikan parantaminen; potentiaali ja käytännön mahdollisuudet; polttoaineenkulutus vs. toiminnallisuus, käytettävyys, turvallisuus ja lainsäädäntö Hybridi- ja sähkökäyttöisten raskaiden ajoneuvojen mahdollisuudet Apulaitteiden energiankulutuksen vähentäminen: toiminta- ja olosuhdeprofiilien selvittäminen ja käytön optimointi Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmien optimointi Raskaiden ajoneuvojen rengasvalinnat erityisesti polttoaineenkulutuksen ja turvallisuuden näkökulmista Rengasvalinta-työkalun kehittäminen liikennöitsijöiden tarpeisiin Renkaiden käytännön suorituskyvyn arviointi Suomen olosuhteissa (ITliityntä) Voiteluaineiden vaikutus raskaan ajoneuvon energiankulutukseen Älykäs raskas ajoneuvo Uudet innovatiiviset ajoneuvojen käyttöä helpottavat laitteet Ajo-opastimen vaikutusten tutkimus, ml. taustajärjestelmät Automaattinen liukkaudentunnistus ja kuormantunnistus, ympäristön ja olosuhteiden vaikutus menetelmien luotettavuuteen Tulevaisuuden älykäs raskas ajoneuvo esiselvitys, linja-autot ja kuorma-autot Raskaan kaluston elinkaaren aikaiset pakokaasupäästöt ja energiankulutus Uusien ajoneuvojen pakokaasupäästöt ja energiankulutus Päästöjen ja energiatehokkuuden pysyvyys elinkaaren aikana Todellisia ajosuoritteita vastaavat päästökertoimet päästömalleihin päästöominaisuuksien arvioimiseen. Sääntelemättömät pakokaasupäästöt Jälkiasennettavat pakokaasujen puhdistuslaitteet Raskaiden ajoneuvojen katsastustoiminnan kehittäminen luotettavammaksi ja kustannustehokkaammaksi Kilpailutus Kehitetään ympäristöominaisuuksia (energian kulutus, lähipäästöt, uusiutuvan energian käyttö) paremmin huomioon ottava kilpailutusjärjestelmiä bussi- ja kuorma-autoliikenteeseen Raportointimenetelmät ja toimenpiteiden vaikutusten arviointi Kuljetusketjujen energiatehokkuusarvioinnit Energiansäästötoimenpiteiden, ml. HDEnergia ja RASTU-projektien tulosten kokonaisvaikutusten arviointi

7 Menetelmäkehitys Aerodynamiikan huomiointi mittausmenetelmissä Ilmanvastuksen määritystarkkuus maantiemittauksissa Uudet ajoneuvotyypit Seuraavassa esitellään alatehtävien aikaansaannoksia ja suunnitelmia tarkemmin.

8 3 Raskaan kaluston aerodynamiikka (VTT) VTT kehittämä raskaan kaluston aerodynamiikan demonstraatio valmistui alkutalvesta Demonstraation tarkoitus on osoittaa aerodynaamisen kehitystyön energiansäästöpotentiaali ja toimia tutkimusalustana aerodynaamiselle kehitystyölle. Aerodynamiikkaparannukset on demonstraatioajoneuvossa toteutettu lähtökohdista, jotka ovat pääsääntöisesti sovelluskelpoisia nykylainsäädännön puitteissa, ja ainakin teoriassa mahdollisia lisätä jo olemassa oleviin rakenteisiin. Yhdistelmän rakenne pyrkii käsittelemään keskeisiä aerodynaamisia heikkouksia raskaassa yhdistelmässä ja määrittelemään suorituskyvyn parannuksille referenssitason. Aerodynaamisten katteiden rakenteeseen kuuluu Kuva 1:n mukaisesti peittävät levyt ajoneuvon kylkiin, peittävät pohjarakenteet sekä kuormatilojen välisiä aukkoja pienentävät katteet. Kuva 1: Aerodynamiikan demonstraatioajoneuvon konsepti. Kuva 2: Raskaan kaluston aerodynamiikan demonstraatioajoneuvo valmiina.

9 Demonstraatioyhdistelmä on läpikäynyt maantiemittaukset. Mittaustulosten perusteella ajoneuvon ilmanvastus pieneni 30 %. Kuva 3 esittää tulokset sekä ilmanvastukselle että rullausvastukselle. Tuloksista voidaan havaita ilmanvastuksen pienentyminen sekä rullausvastuksen ennallaan pysyminen. Ilmanvastuksen osuus täysperävaunuyhdistelmän kokonaisvastuksissa, moottoritienopeudessa on %. Polttoaineen kulutukseksi muutettuna parannus on luokkaa %. Absoluuttisesti ilmanvastuskertoimen arvo mittauksissa märitettiin tasolle Cd = Olemassa olevaan tietoon verrattuna tämä on tavanomaisen yhdistelmän tyypillisten ilmanvastuskertoimien matalimmasta päästä. Verrattaessa tuloksia tulee kuitenkin huomioida se, että vertailutieto kattaa erityyppisiä ajoneuvokokoonpanoja, jossa matalimmat ilmanvastuskertoimet saavutetaan jonkinlaisia aerodynaamisia katteita hyödyntäen. Vertailussa täytyy myös ottaa huomioon menetelmien väliset erot ja alttius ulkopuolisille häiriöille (e.g. coast down vs tuulitunnelikokeet). Kuva 3: Aerodynaamisen kehitystyön vaikutus ilmanvastuskertoimeen. Rullausvastuskerroin pysyy muuttumattomana. VTT aerodynamiikan demonstraatio keskittyy pääasiassa nykylainsäädännön puitteissa toteutettaviin muutoksiin. Kuitenkin tämän työn lisäksi toteutettiin tutkielma pidemmälle viedyn konseptin suorituskyvyn arvioimiseksi. Tämä työ toteutettiin Aalto-yliopiston auto- ja työkonetekniikan tutkimusryhmän opiskelijan tekemänä diplomityönä. Tutkielmassa hyödynnettiin Aaltoyliopiston aerodynamiikan laboratoriossa tehtyjä pienoismalli-tuulitunnelikokeita. Kehittynyt aerodynamiikkakonsepti on esitetty Kuva 4. Konseptilla saavutettu ilmanvastuskerroin oli noin 76 % pienempi kuin referenssimallin. Referenssimallina toimi tyypillinen nykyrakenne. Tuulitunnelikokeiden tuloksia tarkastellessa tulee ottaa huomioon, että tarkastelussa on pienoismalli, eikä kokonaisessa ajoneuvossa syntyviä häiriöitä saada siinä täysin toistettua. Siksi tuulitunnelikokeiden mukaan arvioitua Cdarvoa voidaan pitää varsin optimistisena.

10 Kuva 4: Kehittynyt aerodynamiikkakonsepti Raskaan kaluston aerodynaaminen kehitystyö on haasteellista. Täysin aerodynaamisesti optimoitu kokonaisuus vaatisi ajoneuvon rakenteeseen merkittäviä muutoksia. Kehittynyt aerodynaaminen konsepti kuitenkin osoittaa, miten paljon säästöjä aerodynaamisella kehitystyöllä voidaan saavuttaa. Toisaalta ongelman lähestyminen olemassa olevan käytettävyyden säilyttämisen kannalta pakottaa rakenteellisiin kompromisseihin. Tämä myös osaltaan määrittelee ylärajan kehitystyön potentiaalille. Aerodynaamisen kehitystyön voidaan kuitenkin todeta olevan merkittävä osa kokonaisuutta raskaan kuljetuskaluston energiankäytön vähentämiseksi. Lisätietoja: Petri Laine 3.1 Lähdeviitteet Killström, Kimmo, Di-työn käsikirjoitus, Aalto-yliopisto, 2010

11 4 Ajoneuvoyhdistelmän sivutuuliherkkyys (VTT) 4.1 Johdanto 4.2 Tavoite Sivutuulen merkitystä raskaan ajoneuvon ajovakaudelle pidetään usein vähäisenä. Kuormatulla ajoneuvolla näin usein onkin. Kuormaamattomalla ajoneuvolla tilanne voi olla kuitenkin täysin toinen. Sivutuulen aiheuttamat onnettomuudet eivät edusta suurta osuutta raskaiden ajoneuvojen onnettomuuksista, niiden seuraukset ovat usein hyvin vakavia [1]. Sivutuulen vaikutuksesta raskaan ajoneuvon ajovakauteen on julkaistu ulkomaisia tutkimuksia myös viime vuosina [1], [2], [3]. Näissä tutkimuksissa onnettomuusriski on määritetty ajoneuvon kaatumiseksi sivutuulen seurauksena. Hyvissä kitkaolosuhteissa tämä pitää paikkansa. Suomessa talvikuukausina vallitsevissa olosuhteissa onnettomuusriskiin sisältyy myös ajoneuvon hallinnan menettäminen renkaan ja tien pinnan välisen pidon menettämisen seurauksena. Tässä työssä sivutuulen raskaalle ajoneuvoyhdistelmälle aiheuttamaa onnettomuusriskiä tarkastellaan kotimaan teillä liikkuvan ajoneuvokaluston ja olosuhteiden näkökulmasta. Sivutuuli on ajoneuvoon vaikuttava ulkoinen voima, jonka seuraukset riippuvat renkaan ja tien pinnan välissä käytettävissä olevasta kitkasta. Korkean kitkan olosuhteissa sivutuuli voi kaataa ajoneuvon. Matalan kitkan olosuhteissa sivutuuli voi puolestaan aiheuttaa ajoneuvon hallinnan menettämisen, jos aerodynaamisen voiman suuruus ylittää pyörien kehittämän voiman. Sivutuulen vaikutus korostuu pinta-alaltaan suuressa ja massaltaan kevyessä ajoneuvossa. Tällaisia ovat esimerkiksi linja-autot, mutta myös umpikorilla varustetut kuorma-autot ja perävaunut kuormaamattomina. Ajovakauden kannalta vaarallisia voimakkaita sivutuulia esiintyy todennäköisemmin paikoissa, joissa tie on muuta ympäristöä korkeammalla, esimerkiksi silloilla. Tällaisissa paikoissa maan pinnan läheisyys ei rajoita ilman virtauksen nopeutta. Kuljettajan kannalta erityisen vaarallisia tilanteita ovat yllättävät puuskat. Tällaiset tilanteet korostuvat esimerkiksi tultaessa metsän suojasta aukealle paikalle. Ajoneuvon aerodynamiikan määritys perustuu kokeellisiin mittauksiin tuulitunnelissa tai todellisessa ajotilanteessa sekä virtauslaskennan (Computational Fluid Dynamics) käyttöön. Näiden avulla voidaan määrittää ajoneuvoon vaikuttavat aerodynaamiset voimat sekä virtauksen käyttäytyminen ajoneuvon ympärillä. Ajoneuvon ajovakauden tarkastelussa on yhdistettävä aerodynamiikka, ajoneuvon dynamiikka sekä kuljettajan toiminta. Tämän kokonaisuuden tarkastelu on haastava tehtävä ja se vaatii usein erityisesti aerodynaamisten ilmiöiden yksinkertaistamista. Työn tavoitteena on selvittää laskennalliseen malliin perustuen raskaan ajoneuvoyhdistelmän ajovakauden kannalta vaarallisen sivutuulen nopeus ja suunta. Ajovakauden tarkastelu jaetaan kallistumisvakauteen ja suuntavakauteen. Sivutuuli oletetaan nopeudeltaan ja suunnaltaan vakioksi.

12 4.3 Ajoneuvoyhdistelmän laskentamalli Työssä tarkastellaan moduuliyhdistelmää, joka muodostuu kolmiakselisesta vetoautosta, kaksiakselisesta dollysta sekä kolmiakselisesta puoliperävaunusta. Ajoneuvoyhdistelmän pituus on 25,0 m ja korkeus 4,0 m. Tarkasteltu ajoneuvoyhdistelmä on hyvin yleinen Suomen teillä, ja toisaalta sen kokemat aerodynaamiset kuormat ovat suuria suuren sivupinta-alan vuoksi. Ajoneuvoyhdistelmää tarkastellaan kuormaamattomana ja vetoauton teliakseli ylös nostettuna. Kuva 5 esittää ajoneuvoyhdistelmää ja sen painojakaumaa. Ajoneuvoyhdistelmän laskentamalli perustuu monikappaledynamiikkaan. Laskentamalli kuvaa ajoneuvon ja ajoneuvoyhdistelmän ajodynamiikkaan liittyvät tärkeimmät ilmiöt. Malli huomioi pyörän tuennan ja jousituksen vaikutuksen renkaiden pystykuormituksiin erilaisilla ajotilanteissa sekä renkaan ja tienpinnan välisten voimien muodostumisen. 4.4 Aerodynaamiset voimat ja momentit Ajoneuvoon vaikuttavat aerodynaamiset voimat ja momentit syntyvät ajoneuvon liikkeen ja tuulen liikkeestä syntyvän ilman resultanttivirtauksen seurauksena. Ajoneuvon kokeman resultanttivirtauksen muodostumista on havainnollistettukuvassa 6. Kun tuulen nopeus suhteessa maahan on U ja suunta sekä ajoneuvon nopeus V, niin ajoneuvon kokeman resultanttivirtauksen nopeus on V r ja kohtauskulma. Aerodynaamiset voimat ja momentit vetoautolle ja perävaunulle määritetään referenssipisteissä, jotka on esitetty kuvassa 5. Aerodynaamiset voimat (i = x, y, z) määritellään kaavalla 1 2 Fi = ρacfi ( β ) V r ja 2 aerodynaamiset momentit (i = x, y, z) kaavalla 1 2 M i = ρacmih( β ) V r, 2 joissa on ilmantiheys, C Fi ja C Mi ovat aerodynaamiset vastuskertoimet voimille ja momenteille kohtauskulman funktiona ja V r on ajoneuvon kokeman virtauksen nopeus. Referenssipinta-aloina ovat x-suuntaiselle voimalle ajoneuvojen otsapinta-alat sekä y ja z-suunnan voimille ja x, y ja z-suunnan momenteille ajoneuvojen sivupinta-alat. Otsapinta-ala vetoautolle ja perävaunulle on 10,4 m 2. Sivupinta-ala vetoautolle on 29,4 m 2 ja puoliperä-vaunulle 40,8 m 2. Referenssipituus aerodynaamisille momenteille on kuormatilan korkeus, joka on 3,0 m. Aerodynaamisten voimien ja momenttien positiiviset suunnat on esitetty kuvassa 7.

13 Z Z X Y 4769 kg 6860 kg 3623 kg 6138 kg Kuva 5: Ajoneuvoyhdistelmän painojakauma sekä aerodynaamisten voimien ja momenttien referenssipisteet. Aerodynaamiset vastuskertoimet määritetään ajoneuvon kokeman ilman resultanttivirtauksen kohtauskulman funktiona. Tämä huomioi sen, että resultanttivirtauksen vaikutuspiste muuttuu kohtauskulman funktiona. Aerodynaamiset vastuskertoimet tarkastellulle ajoneuvoyhdistelmälle on esitetty kuvassa 8. Vastuskertoimet on määritetty kokeellisesti pienoismallilla tuulitunnelissa [2]. Mitattu ajoneuvoyhdistelmä oli vetoauton ja varsinaisen perävaunun yhdistelmä, mutta se poikkesi mitoitukseltaan tässä työssä tarkastellusta moduuliyhdistelmästä. Referenssipisteiden suhteelliset paikat ajoneuvoyhdistelmässä ovat samat. Tärkeimpinä oletuksina aerodynamiikan kuvauksessa ovat virtauksen laminaarisuus ja se, että ajoneuvon dimensiot oletetaan paljon suuremmiksi kuin tuulikentän pyörteisyys, joten turbulenssia ei huomioida. Lisäksi tuulikenttä oletetaan vakioksi, joten vetoauto ja perävaunu kokevat saman tuulen joka hetkellä. Tämän seurauksena aerodynamiikan kuvaus ei pidä paikkaansa transienttitilanteessa, esimerkiksi tuulen puuskan vaikuttaessa ajoneuvoon. Tämän tarkastelun tulokset määritetään kuitenkin vakiotilanteen arvoista, jolloin aerodynamiikan kuvaukseen liittyvät oletukset pitävät paikkansa. X Y U V V r Kuva 6: Ajoneuvon kokeman resultanttivirtauksen muodostuminen tuulen nopeudesta ja ajoneuvon nopeudesta.

14 F z M z F x M x M y F y Kuva 7: Aerodynaamisten voimien ja momenttien positiiviset suunnat. Kuva 8: Aerodynaamiset kertoimet voimille ja momenteille ilmavirtauksen kohtauskulman funktiona. 4.5 Simulointitulokset Kallistumisvakaus Ajoneuvoyhdistelmän kaatumiseen mahdollisesti johtava vaarallinen tuulen nopeus määritetään kasvattamalla ajoneuvoon vaikuttavaa askelmaista tuulta,

15 kunnes jonkin renkaan pystykuorma menee nollaan. Tarkastelu tehdään tasaisella ajoalustalla, jossa renkaan ja tien pinnan välinen kitkakerroin on 0,80. Ajoneuvoyhdistelmällä ajetaan vakionopeutta ja ohjausheräte pidetään nollassa. Vaarallinen tuulen nopeus määritetään ajonopeuksille 15, 22 ja 25 m/s ja tuulen suunnille Kaatumiseen johtava vaarallinen tuulen nopeus tuulen suunnan funktiona on esitetty kuvassa 9. Ylemmässä kuvaajassa on esitetty tuulen nopeus vetoautolle ja alemmassa kuvaajassa puoliperävaunulle. Parametrina kuvaajissa on ajonopeus. Vaarallisin tuulen suunta ajoneuvoyhdistelmän kaatumisen kannalta on Tällöin vaarallinen tuulen nopeus on matalin, vetoautolle 26 m/s ja puoliperävaunulle 25 m/s. Tuloksista havaitaan, että vaarallinen tuulen nopeus puoliperävaunulle on matalampi kuin vetoautolle. Tämä on johdonmukaista, koska perävaunun sivupinta-ala suhteessa massaan on suurempi. Ajonopeuden vaikutus vaaralliseen tuulen nopeuteen on selkeä. Esimerkiksi ajonopeuden lasku 22 m/s:sta 15 m/s:ssa nostaa vaarallisen tuulen nopeuden vetoauton tapauksessa arvosta 26 m/s arvoon 30 m/s ja perävaunun tapauksessa arvosta 25 m/s arvoon 28 m/s. Kuva 9. Ajoneuvon kaatumiseen johtava tuulen nopeus tuulen suuntakulman funktiona. Parametrina ajonopeus Suuntavakaus Sivutuulen aiheuttama kitkatarve ajoneuvoyhdistelmälle määritetään suoralla tiellä, jossa renkaan ja tien pinnan välinen kitkakerroin on 0,80 ja jonka sivukallistuma on 4,0 %. Ajoneuvoyhdistelmään alkaa vaikuttaa vastakkaisen kaistan suunnasta tuuli, jonka nopeus ja suunta pysyvät vakioina. Tuulen vaikuttaessa ohjausherätettä säädetään siten, että sivusuuntainen poikkeama vetoauton etuakselin kohdalla pysyy nollassa. Akselikohtaiset kitkatarpeet määritetään ajoneuvoyhdistelmän saavutettua vakiotilan. Tarkastellut ajonopeudet ovat 15, 22 ja 25 m/s, tuulen nopeudet 5, 10, 15, 20 m/s ja tuulen suunnat

16 Akseli- tai telikohtaiset kitkatarpeet määritetään tuulen suunnan funktiona. Suurimmat kitkatarpeet saavutetaan tuulen suunnan ollessa Tämä tuulen suunta todettiin myös kaatumisen kannalta vaarallisimmaksi. Akseli- tai telikohtaiset kitkatarpeet tuulen suunnalla 70 on esitetty kuvassa 10. Ylemmässä kuvaajassa parametrina on tuulen nopeus ajonopeuden ollessa 22 m/s ja alemmassa kuvaajassa parametrina on ajonopeus tuulen nopeuden ollessa 10 m/s. Kuvaajista havaitaan, että jo navakalla tuulella (tuulen nopeus 8 13 m/s [4]) ajoneuvon hallinnan edellyttämä kitkatarve on luokkaa 0,20. Ajoneuvoyhdistelmän ohjattavuuden kannalta on hyvä, että etuakselin kitkatarve on pienempi kuin muiden akselien. Vetoauton vetävän akselin kitkatarvetta kasvattaa vetovoiman osuus. Perävaunun kohdalla dollyn telin kitkatarve on suurempi kuin puoliperävaunun telin kitkatarve. (a) Parametrina tuulen nopeus Tuulen suunta 70 (b) Parametrina ajonopeus Tuulen suunta 70 Kuva 10: Ajoneuvoyhdistelmän akseli- tai telikohtainen kitkatarve sivutuulessa, (a) parametrina tuulen nopeus ja (b) parametrina ajonopeus.

17 4.6 Johtopäätökset Tulosten paikkansa pitävyyden kannalta keskeistä on ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien todenmukaisuus. Työssä käytetyt aerodynaamiset kertoimet perustuvat lähteeseen, jossa kertoimet on määritetty pienoismallikokeilla. Näitä tuloksia on validoitu myös laskennallisilla malleilla [3]. Kokeissa käytetylle ajoneuvoyhdistelmälle tulokset ovat paikkansa pitäviä ja ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien ja momenttien määrittäminen vakiotilassa niihin perustuen on luotettavaa. Tämän työn tarkastelussa tätä aerodynaamisten voimien ja momenttien kuvausta on sovellettu mitoiltaan suurempaan ajoneuvoyhdistelmään. Tässä on oletettu aerodynaamisten voimien suuruuden sekä niiden resultanttipisteen sijainnin riippuvan lineaarisesti ajoneuvon dimensioista. Aerodynamiikan epälineaarisen luonteen vuoksi on oletettavaa, että tähän skaalaamiseen sisältyy virhettä. Työssä tarkastellulle moduuliyhdistelmälle ei ole kuitenkaan tarjolla yhtä laajasti mitattuja aerodynaamisia kertoimia, joten skaalaamalla saadut vastuskertoimet edustavat parasta tarjolla olevaa tietoa tarkasteltuun ajoneuvoyhdistelmään vaikuttavista aerodynaamisista voimista ja momenteista. Ajoneuvoyhdistelmän, vetoauton tai perävaunun, kaatuminen tuulen vaikutuksesta on mahdollista mutta ei todennäköistä. Käytännössä tällaiseen tarvittaisiin myrskytuuli avoimella ja muusta ympäristöstä korkeammalla paikalla [4]. Tulokset antavat kuitenkin käsityksen vaarallisesta tuulen nopeudesta, jolla pyöräkuorma menee nollaan ja joka on jo lähellä ajoneuvon kaatumista. Ajoneuvon kaatuminen edellyttää lisäksi riittävän kauan raja-arvon ylittävää tuulen nopeutta. Tätä vaarallista tuulen nopeutta voi kuitenkin nimittää kaatumiseen johtavaksi, koska tilanne on siinä vaiheessa jo todella vakava. Lähteissä sivutuulen aiheuttaman onnettomuusriskin on mainittu olevan merkittävä tuulen nopeuden ylittäessä 20 m/s [3]. Tutkimuksissa on määritetty paikkoja, joissa kaatumisia on tapahtunut useita. Tällaisiin paikkoihin on myös rakennettu tuuliaitoja sekä varoitusjärjestelmiä varoittamaan vaarallisen kovasta tuulesta [3]. Sivutuulen vaikutus ajoneuvon suuntavakauteen ja kitkatarpeen lisäykseen on merkittävä matalan kitkan olosuhteissa. Navakalla tuulella (tuulen nopeus 8 13 m/s) tuulen aiheuttama kitkatarve on 0,15 0,2, jota liukkaalla talvikelillä ei välttämättä saavuteta. Toisaalta tuulen aiheuttama kitkatarve yhdistettynä esimerkiksi yllättävään jarrutukseen voi viedä ajoneuvon pidon menetykseen. Tarkastellussa vetoautossa tuulikuorman vaikutuspiste on ajoneuvon painopisteen takapuolella. Tämä on ajoneuvon hallinnan kannalta toivottavampi tilanne, koska sivutuuli aiheuttaa pystyakselin suhteen vaikuttavan palauttavan momentin. Tällöin sivutuulen vaikuttaessa ajoneuvoyhdistelmän vetoauto pyrkii kääntymään vastatuulen [4]. Toinen suuntavakauden kannalta tärkeä seikka on ajoneuvon painonjakauma. Ajoneuvon ohjattavuuden kannalta on olennaista, että etuakselimassa on riittävän suuri, jotta eturenkaiden kehittämä sivuvoima riittää ajoneuvon hallintaan ja tiellä pysymiseen. Kuorma-autoilla tämä ei yleensä ole rajoittava tekijä, mutta ongelmalliseksi tilanne voi muodostua esimerkiksi takamoottorilla varustetuissa linja-autoissa.

18 Sivupinta-alaltaan suuren ja massaltaan kevyen ajoneuvon kuljettajan on tärkeää tiedostaa sivutuuleen aiheuttama onnettomuusriski ja varautua siihen. Kuljettaja voi pienentää sivutuulen aiheuttamaa onnettomuusriskiä laskemalla ajonopeudetta. Esimerkiksi ajonopeuden laskeminen 80 km/h:sta 55 km/h:iin nostaa kaatumiseen johtavaa vaarallista tuulen nopeutta yli 10 %: ja pienentää kitkatarvetta noin 20 %. 4.7 Lähdeviitteet [1] Cheli F., Corradi R., Sabbioni E., Tomasini G. Wind tunnel tests on heavy road vehicles: Cross wind induced loads Part 1. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 99, pages [2] Cheli F., Ripamonti F., Sabbioni E., Tomasini G. Wind tunnel tests on heavy road vehicles: Cross wind induced loads Part 2. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 99, pages [3] Baker C., Cheli F., Orellano A., Paradot N., Proppe C., Rocchi D. Crosswind effects on road and rail vehicles. Vehicle System Dynamics, Vol. 47, pages [4] Tuulet ja myrskyt. Ilmatieteenlaitoksen www-sivut [viitattu ]. Saatavissa: [5] Juurikkala J. Autotekniikan käsikirja, Autotekniikan perusteet. Kustannusosakeyhtiö Tammi, s. ISBN X. Lisätietoja:

19 5 Bussimittaukset (VTT) VTT ylläpitämään kaupunkibussitietokantaan liitettiin vuoden 2011 aikana useita uusia tuloksia. Olemassa olevien kalustotyyppien tulosten seuraamisen ja laajentamisen lisäksi tehtiin tietokantaan ajoneuvoluokkien lisäyksiä. Uudet ajoneuvoluokat kuvaavat teknologisia sekä rakenteellisia vaihtoehtoja. Uudet luokat ovat etanolitekniikka, dieselhybridit, kevytrakenteiset ajoneuvot ja kolmiakseliset ajoneuvot. Uusien ajoneuvoluokkien myötä voidaan kaupunkibussien keskimääräistä suorituskykyä arvioida laajemmin, huomioiden uusien rakenteiden sekä moottoriteknologioiden tarjoamat edut. Kuvassa 11 on esitetty kaupunkibussien keskimääräiset suoritusarvot pakokaasupäästöjen ja energiakulutuksen osalta. Kuvassa 12 esitetään saman joukon tuloksia lähipäästöjen osalta ja niiden suhteen säädettyihin euro-rajoihin Braunschweig-kaupunkibussisykissä. Osa keskiarvoista on avattu yksittäisiksi tuloksiksi, joista keskiarvojen sisäinen hajonta käy ilmi. Tulokset edustavat keskimääräistä liikennettä pääkaupunkiseudun bussiliikenteessä vuoteen 2011 asti. Braunschweig Lukumäärä n Ajomäärä Min Max CO g/km HC g/km CH4* g/km NOx g/km PM g/km CO2 g/km CO2 eqv** g/km FC kg/100k m 2 - akseliset Diesel Euro I Diesel Euro II Diesel Euro III Diesel Euro IV Diesel Euro V*** Diesel EEV Ethanol EEV Diesel Hyb, EEV CNG Euro II CNG Euro III CNG EEV akseliset, kevyt Diesel EEV akseliset Diesel Euro V Diesel EEV CNG EEV (ind.x) = yksilöin tunniste *Maakaasuautoille käytetty CH4 = THC * 0.95, dieseleille CH4 = 0 ** CO2 eqv = CO * CH4 *** Euro 5 tulokset arvioitu Euro 4 tulosten perusteella Kuva 11: Kaupunkibussien päästötietokanta FC MJ/km

20 NOx and PM emissions over the Braunschweig city bus -cycle 15 Diesel Euro 2 average Euro 1 Diesel Euro 3 average Diesel Euro 4 Diesel Euro 5 average 12 Euro 2 Diesel EEV CNG Euro3 average CNG EEV Light weight EEV 9 Diesel Hybrid EEV NOx g/km 6 Euro 4 Euro 3 ESC ETC Ethanol EEV Diesel 3-axl Euro V avg. Diesel 3-axl EEV avg. CNG 3-axl EEV avg. Euro 3 calibration Euro limits (by factor 1.8) 3 EEV Euro Euro 6 (proposal) PM g/km Kuva 12: Kaupunkibussien lähipäästöt Uusista ajoneuvoluokista voidaan nostaa esiin hybridibussit (EEV), joiden suorituskyky päästöjen osalta vastaa perinteisiä dieselajoneuvoja. Samankaltainen suorituskyky nähdään myös etanolitekniikan osalta (EEV). Molempien uusien tekniikoiden voidaan katsoa olevan varteen otettavia vaihtoehtoja perinteiselle dieseltekniikalle. Huomattavaa on myös kevytrakennetekniikka, joka tarjoaa matalien päästöjen lisäksi hybriditeknologiaan verrattavan energiankulutuksen. Kuvassa 13 on esitetty hybridien polttoaineenkulutustuloksia verrattuna EEVdieselautojen keskiarvoon. Kuva 13: Hybridibussien polttoaineenkulutustuloksia Branschweig-ajosyklissä Lisätietoja: veikko.karvonen@vtt.fi

21 6 Kaupunkibussien päästöt ja energiankulutus kylmässä (PEMS) (VTT) Alkuvuodesta 2011 toteutettiin tutkimus kaupunkibussien päästöistä kylmäkäynnistyksen yhteydessä (vrt. TransEco-vuosiraportti 2010). Mittaus toteutettiin auton mukana kulkevalla PEMS-laitteistolla (Portable Emissions Measurement System). Tutkimuksen tavoite oli määritellä uusimalla päästönhallintatekniikalla varustetun bussikaluston päästöjen tasoa ja kehitystä heti kylmäkäynnistyksen jälkeisessä ajosuoritteessa. Testijoukko koostui kolmesta EEV Euro-tason kaupunkibussista joista jokainen hyödynsi toisistaan poikkeavia päästönhallintatekniikoita. Testatut tekniikat olivat: SCR (Selective catalytic reduction) SCRT (Selective catalytic reduction + Continuously regenerating trap) EGR (Exhaust gas recirculation) Kaikille ajoneuvoille suoritettiin kaksiosainen mittasarja. Ennen jokaista mittauspäivää ajoneuvon annettiin jäähtyä ympäröivissä olosuhteissa. Mittaussuunnitelman perusajatus oli mitata ensin kylmäkäynnistyspäästöt ( cold start ), jonka jälkeen ajettiin mitattavaa ajosykliä niin pitkään että auto saavutti käyttölämpötilansa, jolloin kolmesta viimeisimmästä syklistä saatiin tulos hot start. Kuvassa 13 on kuvattu ajoneuvojen suorituskyky typenoksidien muodostumisen suhteen, joihin ko. tekniikat pyrkivät ensisijaisesti vaikuttamaan. Lämpimällä moottorilla mitattu vertailutulos, joka on merkitty kuviin Reference_AMA, on mitattu täysimittaisella tutkimuslaitteistolla VTT:n raskaan kaluston laboratoriossa. Scania EEV (EGR) aftertreatment performance in cold climate NOx [g/ km] Reference_AMA Cold start Hot Start Braunschweig test number

22 Iveco EEV (SCRT) aftertreatment performance in cold climate NOx [g/ km] Reference_AMA Cold Start Hot Start Braunschweig test number NOx [g/ km] Volvo EEV (SCR) aftertreatment performance in cold climate Reference_AMA Cold start Hot Start Braunschweig test number Kuva 13: Kaupunkibussien päästöt kylmä- ja kuumakäynnistyksen jälkeisissä ajosuoritteissa. Tarkemman kuvan muodostamiseksi päästöjen käyttäytymisestä sovellettiin lyhyempää SORT sykliä, joka kuvastaa tyypillistä kaupunkibussiajosuoritetta. Tarkastelemalla koko syklin tuloksen sijasta jatkuvaa päästövuota voidaan tarkastella päästötason kehittymistä moottorin lämmetessä tarkemmin. Kuva 14 esittää typenoksidien muodostumisen ajan funktiona. Kuvassa on esitetty myös pakokaasujen lämpötila, joka on vaikuttavin suure päästönhallintalaitteiden toiminnan kannalta. Kaikissa ajoneuvoissa pakokaasun lämpötilat nousevat nopeasti normaalille tasolle, mutta päästöjen vakiintuminen ei vaikuta olevan analoginen tämän tapahtuman kanssa. Pakokaasujen lämpötilat vakioituivat jäähdytysnestettä nopeammin, ja saavuttivat kaikissa ajoneuvoissa normaalin tason, vaikka ulkoilman lämpötila olikin reilusti pakkasen puolella.

23 Scania EEV (EGR) aftertreatment performance in cold climate NOx [g/ km] NOx Exhaust temp SORT test time [min] Exhaust Temp [C] Iveco EEV (SCRT) aftertreatment performance in cold climate NOx [g/ km] NOx Exhaust temp SORT test time [min] Exhaust Temp [C] Volvo EEV (SCR) aftertreatment performance in cold climate NOx [g/ km] NOx Exhaust temp SORT test time [min] Exhaust Tenp [C] Kuva 14: NOx päästöjen stabiloituminen kylmäkäynnistyksessä

24 Testiolosuhteiden voidaan katsoa vastanneen tyypillistä kylmää ilmanalaa. Vaikka tavoitekylmyys ei täysin toteutunut päivän aikana, olivat yölämpötilat alhaisia. Tutkimus toteutettiin antamalla kunkin testiajoneuvon seisoa kylmässä yön yli. Yölämpötilat testien aikana olivat C. Toisin sanoen ajoneuvot kokivat huomattavat kylmäkäynnistysolosuhteet. Päivälämpötilat mittausten aikana olivat -1 asteen luokkaa. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että jälkikäsittelytekniikoiden välillä on merkittäviä suorituskykyeroja kylmäkäynnistyksen yhteydessä. Lisäksi nähdään, ettei EGR-tekniikka välttämättä ole sen suorituskykyisempi kuin SCR-teknikka kylmässä ilmanalassa, vastoin odotusarvoa. Toisaalta voidaan todeta, että suhteessa normaaliin päivän ajosuoritteeseen on päästöjen vakiintumiseen kuluva aika verrattain lyhyt. Toisin sanoen tämän tutkimuksen puitteissa voidaan todeta, ettei kylmäkäynnistysten vaikutus ole merkittävä päästöjen kokonaismäärän kannalta ja kaikkien päästönhallintatekniikoiden voidaan sanoa toimivan kylmällä ilmalla yhtä tehokkaasti. Lisätietoja: Petri.Laine@vtt.fi

25 7 Raskaiden ajoneuvojen apulaitteiden tehonkulutus (VTT) Projektin puitteissa on kerätty mittava määrä raskaiden ajoneuvojen apulaitteisiin liittyvää mittausdataa operatiivisessa liikenteessä olevista kuorma- ja linjaautoista. Datan keruu on aloitettu järjestelmällisesti alkuvuodesta Alla oleva Taulukko 1 listaa ajoneuvot ja datan keruun statuksen. Taulukko 1: Apulaitetiedonkeruun piirissä olevat ajoneuvot TJY-443 XYP (Kabus kaupunki) 361 (Kabus) Dataa kerätty tammikuusta 2011 lähtien. Datan keräys keskeytetty Data poistettu tuolloin ACEVn tietokannasta. ZHZ-303 MB_60t Dataa kerätty toukokuusta 2011 lähtien. EJZ-215 NR_Volvo Dataa kerätty tammikuusta 2011 lähtien. JFS-539 Scania_18t Dataa kerätty toukokuusta 2011 lähtien. Veolia SMZ-646 (Scania) Dataa kerätty tammikuusta 2011 lähtien. Autoihin on asennettu AC-Sähköautojen päätelaite, joka on kerännyt mittausdataa sekä autojen omista datalähteistä että VTT:n asentamista antureista. Ajoneuvoista on analysoitu seuraavien apulaitteiden tehonkulutusta: 1. Moottorin tuuletin 2. Paineilmakompressori 3. Laturi 4. Ilmastointi 5. Ohjaustehostin Apulaitteiden tehonkulutusta on verrattu ajoneuvon muihin tehoa kuluttaviin parametreihin, etenkin ajovastuksiin ja kiihdytysten aiheuttamaan energian kulutukseen. 7.1 Datan valinta ja prosessointi Tärkein tekijä ajoneuvojen tehonkulutuksen mittauksissa on luonnollisesti polttoaineen kulutus ja sen mittaaminen. Jo tässä vaiheessa jouduimme karsimaan ajoneuvoluettelosta Veolia/Scanian (SMZ-646) ja Volvon (EJZ-215) puuttuvien polttoaineen kulutustietojen vuoksi. Kaikista kattavimmat mittaukset löytyivät Kabusin kaupunkilinja-autosta (TJY-443) ja Scanian jakeluautosta (JFS-539), joten päätettiin keskittyä näihin ajoneuvoihin. Kaikki mittaustiedot on kerätty ajoneuvojen CAN-väylästä ja mittausdatatiedostojen muoto noudattaa näin CAN-väylän standardia. Haluttujen mittaustietojen ekstrahointiin ja keskiarvostamiseen käytettiin itse kehitettyä Javaohjelmistoa. Jatkoanalyysiin ja visualisointiin käytettiin RapidMiner nimistä tiedonlouhintaohjelmistoa (

26 Joidenkin mittaustulosten luotettavuudessa oli toivomisen varaa ja joissakin tapauksissa oli syytä epäillä anturien kuntoa (esimerkiksi tuulettimen pyörimisnopeusanturin toiminta kesäkuumilla Kabusin kaupunkilinja-autossa). Ongelmatilanteissa virheellinen data pyrittiin korvaamaan esimerkiksi ekstrapoloimalla ongelmallisen muuttujan arvoja käyttämällä toisia, kyseisen muuttujan kanssa korreloivia muuttujia. 7.2 Tulokset Kuvissa 15 ja 16 esitetään Kabusin kaupunkilinja-autolle mitatut tehonkulutuskäyrät kullekin mitatulle apulaitteelle. Lisäksi samassa kuvaajassa (sinertävät) käyrät ajovastusten ja kiihdytysten aiheuttamille tehonkulutuksille. Ylin käyrä on polttoaineen kulutuksen ja moottorin ominaiskulutuskäyttäytymisen avulla laskettu moottorin tuottama kokonaisteho, johon kaikkien muiden kuvaajien tulisi ideaalitapauksessa summautua. Kuva 15. Kabus/tehonkulutuskuvaaja

27 Kuva 16. Kabus/tehonkulutuskuvaaja Tuloksista voidaan nähdä, että kaikkien mitattujen apulaitteiden yhteenlaskettu energian kulutus jää noin prosenttiin käytetystä kokonaisenergiasta. Ajovastusten ja kiihdytysten aiheuttama energiahävikki on selvästi apulaitekulutusta suurempaa. Ideaalitapauksessa moottorin tuottaman kokonaistehon (ylin käyrä yo. kuvaajissa) pitäisi vastata kulutettua tehoa, eli ylimmän käyrän pitäisi olla muiden käyrien summa. Näin ei käytännössä kuitenkaan ole, vaan kuvaajissa tuotettu kokonaisenergia jää alle kulutetun energian (varsinkin kesäkuumalla ajettaessa ero on selvästi nähtävissä). Tähän ongelmaan ei ole tämän projektin puitteissa ehditty kiinnittää huomiota, jotta sille olisi löydetty selitys. Potentiaalisia virhelähteitä voivat olla esimerkiksi moottorin ominaiskulutustaulukko ja sen hyödyntämisessä käytetty interpolointimenetelmä ja toisaalta ajoneuvon ajovastuksia ja kiihdytysenergiaa laskettaessa käytetty oletus siitä, että ajoneuvoa ajetaan puolikuormalla (ei välttämättä vastaa todellisuutta). Lisätietoja:

28 8 Sähköiset apulaitteet (VTT) Sähkön kulutuksen vaikutus ajoneuvoihin on viime aikoina korostunut. Syynä on apulaitteiden suurentunut tehontarve ja toisaalta hybridi- ja sähköautojen rajallinen mukana kuljetettava energiamäärä. Mekaanisissa järjestelmissä energian regenerointi ja talteenotto on erittäin vaikeaa, joten apulaitteiden sähköistäminen parantaa auton kokonaisenergiataloutta. Muutettaessa apulaitteita sähköisiksi voi myös koko laitteisto yksinkertaistua keventäen osia ja ainakin pitkällä tähtäimellä alentaen hintaa. Kokonaishyötysuhde voi parantua tai jopa huonontua. Sähköisillä käytöillä on hyvät hyötysuhteet mutta sähköä pitää myös tuottaa jollakin. Hyötysuhteen paranemisen esimerkki on linja-autojen ovet, jotka nyt käyvät paineilmalla. Paineilma tuotetaan polttomoottorin käyttämällä kompressorilla. Kokonaishyötysuhteen tässä prosessissa arvioidaan olevan matala. Jos ovet toimivat suoraan sähköllä, niin hyötysuhde paranee. Moottorin tuuletin taas ottaa usein voimansa suoraan kampiakselilta. Tällöin hyötysuhde on optimaalinen. Ongelma on säädettävyys ja ohjaus. 8.1 Ohjaustehostin Nykyisessä raskaassa kalustossa on yleensä hydraulinen ohjauksen tehostus. Moottori pyörittää hydraulipumppua, jonka tuottamalla nestepaineella hoidetaan tehostus. Vaihtoehtona on sähköhydraulinen tehostus, jolloin pumppua käyttää sähkömoottori. Tällaisia vaihtoehtoja on jo markkinoilla ja laitteisto on helposti asennettavissa myös nykykalustoon. Henkilöautoissa käytettäviä suoraan sähköllä käyviä tehostimia ei raskaaseen kalustoon vielä ole saatavilla. Sähköisen tehostuksen edut olisivat merkittäviä. Hybridilinja-auto on erittäin vaikea toteuttaa ilman sähköistä ohjaustehostinta, sillä auto ei pääse liikkeelle pysäkiltä ilman dieselmoottoria, ellei ohjaustehostinta voida käyttää millään muulla käyttövoimalla kuin dieselillä. 8.2 Paineilmakompressori Sähkökäyttöisiä kompressoreita on markkinoilla useita. Etu näiden käytössä ei tule paineilman tuoton hyötysuhteesta, sillä suoraan dieselmoottoriin kytkettynä hyötysuhde on parhaimmillaan. Sen sijaan sähköisellä käytöllä kompressorin ohjaus saadaan optimoitua niin että paineilmaa tuotetaan vain kuin käytössä on ilmaista energiaa kuten moottorijarrutuksissa. Paineilmaa pitäisi kuitenkin käyttää mahdollisimman vähän, sillä sen hyötysuhde on huono. Siirtyminen suoraan sähköön toisi useissa kohteissa etuja. Paineilmaa voi myös tuottaa osin ilman lisäenergiaa esimerkiksi käyttämällä pakoputkiston lämpö hyödyksi. 8.3 Moottorin jäähdytystuuletin Nykykalustossa on käytössä suoraan kampiakselilta voimansa ottavia malleja joko vapautuskytkimellä tai ilman. Käytöt voivat olla myös hydraulisia tai hihnavedolla toteutettuja. Myös sähköisiä malleja on olemassa. Sähkön etu on joustava sijoitus sekä ohjauksen hyvä säädettävyys.

29 Apulaitteiden tehonkulutuksen selvittämiseksi projektissa on instrumentoitu erilaisia ajoneuvoja ja kerätty dataa niiden apulaitteiden käytöstä. Ajoneuvot ovat vielä liikenteessä ja datan analysointi on vielä kesken. Lisätietoja:

30 9 Raskaan ajoneuvon massan ja tien pinnan liukkauden estimointijärjestelmä (OY) 9.1 Lähtökohta ja tavoitteet Nykyaikainen ajoneuvo sisältää useita antureita, jotka mittaavat sen toimintatilasta useita asioita, kuten renkaiden pyörimisnopeuksia, moottorin toimintaa ja ajoneuvon sijaintia. Nämä tiedot pysyvät usein ajoneuvon sisäisinä tietoina eikä niitä välitetä eteenpäin. Tiedoille olisi kuitenkin käyttöä useisiin tarkoituksiin myös ajoneuvon ulkopuolisissa tietojärjestelmissä. HDENIQ-kokonaisuuteen kuuluvassa RAMSES-projekteissa jatketaan RASTU-projektissa aloitettua tutkimusta kehittäen edellä kuvattujen kaltaisten tietojen pohjalta tapahtuvaa raskaan ajoneuvon ja sen kuorman massan estimointia sekä tien pinnan liukkauden tunnistamista. Lopullisena tavoitteena on yhdistää molemmat menetelmät samaan malliin. Kyseessä ovat haastavat ongelmat, jotka todellisissa ajotilanteissa vaativat ajoneuvoon asennettavalta päätelaitteelta ja siihen yhteydessä olevalta taustajärjestelmältä älykkäitä ominaisuuksia erilaisiin tilanteisiin ja autojen ominaisuuksiin sopeutumiseksi. 9.2 Tutkimuksen kohteet ja alatehtävät Tehtävät jakautuvat kolmeen pääosaan. Alkuvaiheessa on laadittu raskaaseen ajoneuvokalustoon keskittyvät esiselvitykset ja sekä suunniteltu että toteutettu mittaus- ja tiedonkeruujärjestelmä projektin tarpeisiin aiemmin raportoidulla tavalla. Tämän jälkeen on vuoden 2011 aikana varmennettu ja kehitetty kyseisen tiedonkeruujärjestelmän toimintaa, mistä kerrotaan tarkemmin alaluvussa Lisäksi on myös siirretty olemassa olevia liukkauden tunnistuksen ja massan estimoinnin menetelmiä tähän uuteen ympäristöön, mistä kerrotaan alaluvussa Tämä siirto tarkoitti ohjelmointikielen ja koodin ajoympäristön vaihtuessa sitä, että ohjelmisto kirjoitettiin soveltuvin osin uusiksi, jotta se toimii tässä uudessa ympäristössä. On myös alettu kehittämään menetelmää, jossa yhdistyvät sekä massan estimointi että liukkauden tunnistus. Jatkossa työ painottuu tähän Ajoneuvoista kerättyjen tietojen kattavuus ja laatu Ajoneuvotietokoneiden hankinta tapahtui ensimmäisen projektivuoden aikana, minkä jälkeen niitä asennettiin ajoneuvoihin kesän/syksyn 2010 aikana. Tiedonkeruujärjestelmän ensiversio saatiin toimintaan vuoden 2010 lopulla, ja hankittuilta ajoneuvotietokoneilta alkoi kertyä dataa marraskuusta 2010 alkaen. Tietoa on varsinaisesti saatu kattavammin vuoden 2011 aikana, ja tietojen keräämisen lomassa on jatkuvasti kehitetty etäpalvelimen toimintoja. Kevään 2011 aikana keskityttiin kerättävien tietojen kattavuuden ja laadun varmistukseen ja tiiviissä yhteistyössä laitetoimittajan kanssa on korjattu järjestelmässä ilmenneitä alkuvaiheen puutteita. Tietoja on kerätty yhteensä kuudesta ajoneuvosta, joihin viitataan jatkossa numeroilla 1-6.

31 Ajoneuvot: Merkki Tyyppi/omistaja Massa 1. Scania Veolia 18 t 2. Scania Jakelu 18 t 3. Kabus Kaupunki 18 t 4. Volvo Nokian Renkaat 26 t 5. MB HDV 60 t 6. Kabus Pikavuoro 18 t Ajoneuvojen 1 ja 2 kohdalla on päädytty käyttämään tietyiltä osin valmistajakohtaisia CAN-viestejä standardiviestien puuttuessa. Lisäksi erityisenä ongelmana ajoneuvoon 5 jouduttiin yhteistyössä VTT:n kanssa vaihtamaan toinen sitä varten konfiguroitu yksisuuntainen CAN-väylän yhdyskäytävä, jotta kaikki oleelliset tiedot pystyttiin lopulta lukemaan ajoneuvon päätelaitteella. Taulukko 2 sisältää ajoneuvoista tällä hetkellä saatavia tietoja, kun edellä mainitut ongelmat on ratkaistu. Tiedot on koostettu tarkastelemalla ajoneuvojen CAN-väylältä saatavaa tietoa ja sen laatua poislukien myös ne tapaukset, joissa tietoa kulkee, mutta sen sisältö ei ole mielekästä. Kuten havaitaan, on ajoneuvojen välillä selviä eroja siinä, mitä tietoa ne tarjoavat. Kehitettävien menetelmien kannalta välttämättömimmät tiedot kuitenkin saadaan kaikista ajoneuvoista. Tähän mennessä tietoja on kertynyt järjestelmään pakatussa muodossa noin 122 gigatavua, mikä tarkoittaa noin yhtä teratavua pakkaamattomana datana. Seuraavan sivun Taulukko 2 esittää tarkemmin värikoodauksen avulla, millainen ajallinen kattavuus tiedoilla on vuoden 2011 osalta kunkin auton kohdalla.

32 Taulukko 2. Ajoneuvoista saatavia tietoja.!" " #$ %! #$ #$! &' ' ' ' " ( )! * ' + '," " " ' - " " " " '!" " '.'" /''" '"! '.'" '"! '

33 Year 2011 Month 1 Year 2011 Month 2 Year 2011 Month 3 Day Day Day Year 2011 Month 4 Year 2011 Month 5 Year 2011 Month 6 Day Day Day Year 2011 Month 7 Year 2011 Month 8 Year 2011 Month 9 Day Day Day Year 2011 Month 10 Year 2011 Month 11 Year 2011 Month 12 Day Day Day Kuva 17. Vuoden 2011 aikana kerättyjen tietojen ajallinen kattavuus kalenterinäkymässä esitettynä. Kunkin ajoneuvon tuottamat tietomäärät ovat päiväkohtaisesti omissa sarakkeissaan. Vihreä väri kuvaa vähintään yhden megatavun, keltainen tämän alittavaa ja punainen täysin puutteellista tietomäärää.