RENGASTYYPIN VAIKUTUS LINJA-AUTON ENERGIANKULUTUKSEEN: MITTAUKSET KESÄLLÄ 2004 Tommi Mutanen email : tommi.mutanen@hut.fi Tutkija puh : +358-9-451 5707 PL 4300, 02015 TKK fax : +358-9-451 3464
JOHDANTO Kesällä 2004 suoritetut rengasmittaukset ovat jatkoa vuoden 2003 lopulla HD Energia-hankkeen yhteydessä tehdyille mittauksille, joissa vertailtiin eri rengastyyppien vaikutusta linja-auton energiankulutukseen. Testit suoritettiin VTT Prosessien raskaan kaluston dynamometrillä Koiviston Auto-yhtymän ja Michelin Nordic AB:n tilaamana. Asetelma mittauksissa oli sama kuin aikaisemmalla kerralla, kaikilla renkailla ajettiin sama ajosykli useampaan kertaan, minkä jälkeen tehtiin nollavastusrullaukset. Renkaanvaihto suoritettiin ajojen välissä auton seistessä dynamometrin päällä. Tällä kertaa mittaukset tehtiin kahdessa osiossa. Ensimmäinen testiosio mitattiin matkalinja-autolla käyttäen Helsinki-Turku-moottoritiesykliä, toinen kaupunkilinja-autolla käyttäen Braunschweig-sykliä. Kaikki tällä kertaa mukana olleet renkaat on mitattu taka-akselilla, joten myös mitatut muutokset kulutuslukemissa on saatu aikaan vaihtamalla pelkästään linja-auton vetävän taka-akselin renkaat. Kaikki mitatut renkaat olivat kokoa 275/70 R 22,5. Syksyllä 2003 valmistuneiden mittaustulosten perusteella päätettiin jättää renkaiden hitausmomentin tarkastelu pois, sillä samankokoisilla renkailla sen vaikutus energiankulutukseen on hyvin pieni. Mittausosiossa 1 hitausmomentin vaikutusta eliminoi lisäksi se, että nopeus muuttuu syklin aikana hyvin vähän. MITTAUSTEN ESIVALMISTELUT Testien valmisteluihin kuului auton kiinnittäminen alustadynamometrin päälle. Etuakseli tuettiin lattiaan niin hyvin, että takarenkaiden kosketuskohta dynamometrin rulliin nähden pysyi samana. Auton polttoaineen imu- ja paluuputket liitettiin vaakajärjestelmään, jonka lukemien perusteella laskettiin auton kulutus jokaisen ajosyklin aikana. Polttoaineen lämpötila pidettiin vakiona lämmönvaihtimien avulla. Pyrittäessä mahdollisimman tasaiseen energiankulutukseen jäähdyttimen puhallin lukittiin jatkuvalle käytölle. Ilmastointilaitteen kompressorin hihna irroitettiin ja auto kytkettiin talon paineilmaverkkoon, jotta auton oman kompressorin käynnistymisen aiheuttamat muutokset energiankulutukseen saatiin rajattua pois. Ajovalot pidettiin testin aikana päällä, muut sähkölaitteet olivat poiskytkettynä. Ajovastusarvoina käytettiin samoja arvoja kuin aikaisemmin mitatulla samantyyppisellä autolla. OSA 1: MITTAUKSET MATKALINJA-AUTOLLA Mittausten ensimmäisessä osassa mitattiin seitsemää eri rengassarjaa Kabusmatkalinja-autolla [Kuva 1]. Auto oli kuormattu niin, että sen taka-akselimassa oli 7950 kg. Energiankulutus mitattiin ajamalla Helsinki-Turku-moottoritiesykli kullakin rengassarjalla neljä kertaa peräkkäin. PL 4300, 02015 TKK 2
90 Driving speed and simulated road gradient on motorway driving cycle Kabus light weight bus Driving speed Gradient 15 87.5 10 Driving speed (km/h) 85 5 Road gradient (%) 82.5 0 80 0 200 400 600 800 1000 1200 Time (s) -5 Kuvaaja 1: Helsinki-Turku-moottoritiesyklin nopeus pysyy suurimman osan ajasta yli 85 km/h:n rajan. Syklissä simuloidaan myös tienpinnan korkeusvaihtelut, jotka tekevät siitä kuormituksen kannalta varsin dynaamisen. Testattavista renkaista neljä oli Michelin XZE 2+-tyyppisiä. Samasta rengastyypistä mukana oli uusi, uudelleenkuvioitu, kulunut uudelleenkuvioitu sekä pinnoitettu rengas. Lisäksi mukana oli kaksi Michelin Energy-rengasta, XZA ja XDA. Mukaan otettiin myös Noktop 141-pinnalla pinnoitettu Michelin-rengas. Urasyvyydet on mitattu kulutuspinnasta useasta kohdasta käsin työntömitalla. Taulukko 1: Mittausten ensimmäisen osan renkaat ja mitatut urasyvyydet. Rengas 1. Michelin XZE 2+ uritettu, kulunut 4 2. Michelin XZE 2+ uritettu 9 3. Michelin XZA 2 Energy 15 4. Michelin XDA 2 Energy 18 5. Michelin XZE 2+ 15 6. Michelin XZE 2+ Remix 16 7. Michelin XDE 2/Noktop 141 20 urasyvyys [mm] Kuva 1: Mittausten ensimmäisessä osassa käytettiin testiautona uutta alumiinirakenteista Kabus-matkalinja-autoa. Renkaita testattiin yhteensä seitsemän sarjaa. Kuva 2: Ensimmäisessä osassa mitatuista renkaista kaksi ensimmäistä oli uudelleenkuvioitua. Urasyvyydeltään suurin oli Noktop 141 (7.), joka on suunniteltu uutena talvikäyttöön. Alumiinirakenteisen Kabusin maantiesyklin kulutuslukemat olivat täysikokoiselle linjaautolle pieniä. Kulutuksille lasketut prosentuaaliset erot muodostuivat tämän takia suuremmiksi kuin kaupunkikulutusten erot. Vähiten ja eniten kuluttaneen renkaan ero näissä mittauksissa oli reilut 2 l/100 km. Aikaisempien HD Energia-hankkeen yhteydessä saatujen mittaustulosten perusteella ei ollut yllätys, että testiauto kulutti vähemmän polttoainetta uudelleenuritetuilla renkailla, joissa kulutuspintaa oli selvästi uusia renkaita vähemmän. Uusista renkaista vähiten energiaa kulutti Michelin XZA 2 Energy, joka on kaikille akseleille sopiva rengas. Seuraavana on Michelin XDA 2 PL 4300, 02015 TKK 3
Energy, joka on vetoakselille suunniteltu rengas. Lähes samaan tulokseen päästiin XZE 2+:lla, jonka pinnoitettu versio sen sijaan vei lähes puoli litraa enemmän. Eniten energiaa kului Noktop 141-pinnalla, joka tosin oli urasyvyydeltään suurin, ja tarkoitettu ensisijaissti talvikäyttöön, toisin kuin muut mitatut renkaat, joiden käyttökohteena eivät ensisijaisesti ole talviolosuhteet. Taulukko 2: Mittausten ensimmäisen osan renkaiden tulokset. Rengas Kulutus [l/100 km] Michelin XZE 2+ uritettu, kulunut 15.72 0.044 Michelin XZE 2+ uritettu 16.10 0.050 Michelin XZA 2 Energy 16.49 0.058 Michelin XDA 2 Energy 16.71 0.061 Michelin XZE 2+ 16.73 0.061 Michelin XZE 2+ Remix 17.21 0.069 Michelin XDE 2/Noktop 141 17.87 0.075 Hidastuvuus rullauskokeessa [m/s 2 ] 18.50 Polttoaineen kulutus toistoittain l/100 km 18.00 17.50 17.00 16.50 16.00 XZE 2+ uritettu, kulunut XZE 2+ uritettu XZA 2 Energy XDA 2 Energy XZE 2+ XZE 2+ Remix XDE 2/Noktop 141 15.50 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Kuvaaja 2: Jokaisella renkaalla kulutus mitattiin neljä kertaa samalla syklililä. Tuloksista kaksi viimeistä otettiin huomioon laskettaessa lopputuloksia. PL 4300, 02015 TKK 4
Polttoaineenkulutus (referenssirengas Michelin XZE 2+) l/100 km 20.00 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 15.72 XZE 2+ uritettu, kulunut 16.10 16.49 16.71 XZE 2+ uritettu XZA 2 Energy XDA 2 Energy XZE 2+ XZE 2+ Remix XDE 2/Noktop 141 16.73 17.21 17.87 Kuvaaja 3: Polttoaineenkulutusta laskettaessa referenssirenkaana käytettiin Michelin XZE 2+:aa. Kulutuksen ero referenssirenkaaseen (Michelin XZE 2+) 8.0 6.0 6.4 % 4.0 2.0 0.0-2.0 XZE 2+ uritettu, kulunut 2.8-0.1 0.0 XZE 2+ uritettu XZA 2 Energy XDA 2 Energy XZE 2+ XZE 2+ Remix XDE 2/Noktop -1.4 141-4.0-6.0-8.0-6.4-3.9 Kuvaaja 4: Kulutuksen erot referenssirenkaaseen prosentteina kertovat erot selvemmin kuin kuvaajan 2 litralukemat. Nollavastusrullaus toteutettiin kiihdyttämällä taka-akseli reiluun 85 km/h:n nopeuteen, minkä jälkeen nopeuden annettiin hidastua vapaasti 10 km/h:iin. Rullaukseen kuluneen ajan perusteella laskettujen hidastuvuuksien avulla voidaan päätellä renkaiden vierinvastusten suhteet toisiinsa. Renkaiden keskinäinen järjestys säilyi samana kuin kulutuslukemissa, näissäkin tuloksissa uudelleenkuvioitu kulunut XZE 2+ pääsi parhaaseen tulokseen, ja raskaimmin rullasi Noktop 141-talvipinnalla varustettu rengas. PL 4300, 02015 TKK 5
Nollavastusrullaus [km/h] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 XZE 2+ uritettu, kulunut XZE 2+ uritettu XZA 2 Energy XDA 2 Energy XZE 2+ XZE 2+ Remix XDE 2/Noktop 141 0 100 200 300 400 500 600 [s] Kuvaaja 5: Nollavastusrullauksissa taka-akselin annettiin vapaasti rullata nopeusvälillä 85 km/h- 10 km/h. Rullauksessa mitatun hidastuvuuden ero referenssirenkaaseen (Michelin XZE 2+) 30.0 23.3 20.0 14.0 XZE 2+ uritettu, kulunut [%] 10.0 0.0-10.0-3.5 0.0 0.0 1 XZE 2+ uritettu XZA 2 Energy XDA 2 Energy XZE 2+ XZE 2+ Remix -20.0-17.6 XDE 2/Noktop 141-30.0-27.4 Kuvaaja 6: Erot rullauksessa saavutetuissa hidastuvuuksissa ovat selvästi havaittavissa. PL 4300, 02015 TKK 6
OSA 2: MITTAUKSET KAUPUNKILINJA-AUTOLLA Mittausten toisessa osassa mitattiin kahtatoista eri rengassarjaa Kabuskaupunkilinja-autolla [Kuva 3]. Auto oli kuormattu niin, että sen taka-akselimassa oli 9840 kg. Energiankulutus mitattiin ajamalla Braunschweig-kaupunkisykli kullakin rengassarjalla neljä kertaa peräkkäin. Braunschweig-sykli 70 60 50 [km/h] 40 30 20 10 0-10 0 500 1000 1500 2000 [s] Kuvaaja 7: Braunschweig-sykli kuvaa kaupunkiajoa tasaisessa maastossa. Tyhjäkäynnin osuus ajosta on 22 %. Mittausten toisessa osassa renkaiden määrä oli suurempi, ja mukana oli useamman valmistajan uusia renkaita. Myös pinnoitettuja ja kuluneita renkaita oli mukana useampia. Taulukko 3: Toisessa osiossa testatut renkaat ja mitatut urasyvyydet Rengas Urasyvyys [mm] 1. Michelin XZU + uritettu, kulunut 4 2. Michelin XZU + uritettu 9 3. Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut 6 4. Bridgestone R192 19 5. Michelin XDU Remix 16 6. Michelin XDU Remix (toisto) 16 7. Michelin XZE 2+ Bandag BRR 16 8. Michelin XZU + 18 9. Continental HDU 20 10. Dunlop SP 531 20 11. Michelin XDE 2 Noktop 141 20 12. Michelin XZE 2+ Bandag BT-S 16 13. Michelin XZE 2+ Bandag BDU 20 PL 4300, 02015 TKK 7
Kuva 3: Mittausten toisessa osassa testiautona käytettiin automaattivaihteista Kabuskaupunkilinja-autoa. Kuva 4: Kaupunkilinja-autolla mitattujen renkaiden joukossa oli uusia ajamattomia, pinnoitettuja ajamattomia, uudelleen kuvioituja sekä kuluneita renkaita. Automaattivaihteisen kaupunkilinja-auton kulutuslukemat olivat selvästi suurempia kuin alumiinirakenteisella matkalinja-autolla. Kulutuslukemat ovat samaa luokkaa kuin syksyn 2003 mittauksissa, joissa Volvo B10B:n kulutus vaihteli Braunschweigsyklillä välillä 47,8-50,9 l/100 km. Vähiten ja eniten kuluttaneen renkaan ero näissä mittauksissa oli noin 3,6 l/100 km. Myös kaupunkilinja-auto kulutti vähemmän polttoainetta uudelleenuritetuilla renkailla. Uusista renkaista vähiten energiaa kulutti Bridgestone R192, joka on kaikille akseleille sopiva rengas. Seuraavana on Michelin XDU Remix, joka on vetoakselille suunniteltu Michelinin pinnoittama rengas. Kyseisellä renkaalla suoritettiin toistomittaus, jonka tulos oli 0,23 l/100 km suurempi. Lähes samaan tulokseen päästiin XZE 2+ Bandag BRR:llä. Seuraavaksi paras oli Michelinin XZU+, joka sopii sekä vetoakselille että ohjaavalle akselille. Hieman jälkeen jäi Continental HDU, joka on pintakuvioltaan selkeästi karkeampi kuin edelle sijoittuneet renkaat. Samaa voi sanoa myös seuraavaksi sijoittuneesta Dunlop SP 531:stä Kolme viimeistä rengasta olivat kaikki pinnoitettuja, muihin verrattuna karkealla kulutuspinnalla varustettuja. Näistä Noktop 141:ssä oli Michelin XDE 2:n runko, Bandag BT-S:ssä ja BDU:ssa runkona oli Michelin XZE 2+. PL 4300, 02015 TKK 8
Taulukko 4: Mittausten toisen osan renkaiden tulokset. Rengas Kulutus [l/100 km] Michelin XZU + uritettu, kulunut 48.47 0.074 Michelin XZU + uritettu 48.92 0.083 Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut 48.94 0.078 Bridgestone R192 49.72 0.093 Michelin XDU Remix 49.79 0.094 Michelin XDU Remix (toisto) 50.02 0.096 Michelin XZE 2+ Bandag BRR 50.08 0.099 Michelin XZU + 50.23 0.098 Continental HDU 50.62 0.101 Dunlop SP 531 51.14 0.102 Michelin XDE 2 Noktop 141 51.20 0.114 Michelin XZE 2+ Bandag BT-S 51.39 0.120 Michelin XZE 2+ Bandag BDU 52.08 0.131 Hidastuvuus rullauskokeessa [m/s 2 ] Polttoaineen kulutus toistoittain [l/100 km] 52.5 52 51.5 51 50.5 50 49.5 49 48.5 48 47.5 1 2 3 4 Michelin XZU + uritettu, kulunut Michelin XZU + uritettu Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut Bridgestone R192 Michelin XDU Remix Michelin XDU Remix (toisto) Michelin XZE 2+ Bandag BRR Michelin XZU + Continental HDU Dunlop SP 531 Michelin XDE 2 Noktop 141 Michelin XZE 2+ Bandag BT-S Michelin XZE 2+ Bandag BDU Kuvaaja 8: Myös kaupunkilinja-autolla tehdyissä mittauksissa jokaisella renkaalla kulutus mitattiin neljä kertaa samalla syklililä. Tuloksista kaksi viimeistä otettiin huomioon laskettaessa lopputuloksia. PL 4300, 02015 TKK 9
Polttoaineen kulutus 60.00 l/100 km 50.00 48.47 48.92 48.94 49.72 49.79 50.02 50.08 50.23 50.62 51.14 51.20 51.39 52.08 40.00 Michelin XZU + uritettu, kulunut Michelin XZU + uritettu Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut Bridgestone R192 Michelin XDU Remix Michelin XDU Remix (toisto) Michelin XZE 2+ Bandag BRR Michelin XZU + Continental HDU Dunlop SP 531 Michelin XDE 2 Noktop 141 Michelin XZE 2+ Bandag BT-S Michelin XZE 2+ Bandag BDU Kuvaaja 9: Polttoaineenkulutus kaupunkisyklillä automaattivaihteisella autolla on selvästi suurempi kuin maantiekulutus kevyellä manuaalivaihteisella autolla [Kuvaaja 3]. Kulutuksen ero referenssirenkaaseen (Michelin XZU +) 5.00 % 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00-1.00-2.00-3.00-4.00-3.49-2.59-2.55 Michelin XZU + uritettu, kulunut Michelin XZU + uritettu Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut -1.01-0.86-0.41 Bridgestone R192 Michelin XDU Remix Michelin XDU Remix (toisto) -0.29 0.00 Michelin XZE Michelin XZU 2+ Bandag + BRR 0.78 Continental HDU 1.83 1.93 Dunlop SP 531 2.32 Michelin XDE Michelin XZE 2 Noktop 141 2+ Bandag BT-S 3.69 Michelin XZE 2+ Bandag BDU Kuvaaja 10: Kaupunkilinja-auton kulutuslukemia toisiinsa verrattaessa referenssirenkaana käytettiin Michelin XZU+:aa. PL 4300, 02015 TKK 10
Nollavastusrullaus toteutettiin samalla tavalla kuin mittausten ensimmäisessä osassa, eli kiihdyttämällä taka-akseli reiluun 85 km/h:n nopeuteen, minkä jälkeen nopeuden annettiin hidastua vapaasti arvoon 10 km/h. Rullaukseen kuluneen ajan perusteella laskettujen hidastuvuuksien avulla voidaan päätellä renkaiden vierinvastusten suhteet toisiinsa. Renkaiden keskinäinen järjestys säilyi lähes samana kuin kulutuslukemissa. Kuluneella Bandag BDU-pinnalla varustettu Michelin XZE 2+ ja Michelin XZU + sijoittuivat rullauksissa yhden sijan paremmin kuin kulutuksissa. Tähän voi olla syynä se, että renkaiden keskinäisten erot ovat kyseisten renkaiden välilä niin pieniä, että ne alkavat lähestyä suuruudeltaan mittaustarkkuuden rajaa. Nollavastusrullaus [km/h] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 [s] Michelin XZU + uritettu, kulunut Michelin XZU + uritettu Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut Bridgestone R192 Michelin XDU Remix Michelin XDU Remix (toisto) Michelin XZE 2+ Bandag BRR Michelin XZU + Continental HDU Dunlop SP 531 Michelin XDE 2 Noktop 141 Michelin XZE 2+ Bandag BT-S Michelin XZE 2+ Bandag BDU Kuvaaja 11: Myös nollavastusrullauksessa rullausajat jäivät selvästi lyhemmäksi kuin matkalinja-autolla. PL 4300, 02015 TKK 11
40.0 30.0 Rullausmatkan ero referenssirenkaaseen (Michelin XZU +) Michelin XZU + uritettu, kulunut Michelin XZU + uritettu Michelin XZE 2+ Bandag BDU kulunut Bridgestone R192 20.0 Michelin XDU Remix 10.0 Michelin XDU Remix (toisto) Michelin XZE 2+ Bandag BRR [%] 0.0-10.0 1 Michelin XZU + Continental HDU Dunlop SP 531 Michelin XDE 2 Noktop 141-20.0 Michelin XZE 2+ Bandag BT-S -30.0 Michelin XZE 2+ Bandag BDU Kuvaaja 12: Erot rullauksessa saavutetuissa hidastuvuuksissa ovat selvästi havaittavissa. YHTEENVETO Nyt tehtyjen mittausten perusteella voi todeta, että renkaiden uudelleenkuviointi on energiatalouden kannalta kannattavaa, sillä näin renkaan elinikää voidaan jatkaa silloin, kun se on taloudellisimmillaan. Liikenneturvallisuuden kannalta kuluneet tai pelkin pitkittäisin urin kuvioidut renkaat eivät tarjoa samanlaista pitoa kuin uudet renkaat. Raskaassa kalustossa uudelleenkuvioitujen renkaiden käyttö kannattaisikin ajoittaa kesään, jolloin ajo-olosuhteet ovat parhaimmillaan. Myös pinnoitettujen renkaiden käyttöä voidaan perustella taloudellisin syin. Pinnoitetun renkaan hankintahinta on noin 50% uuden renkaan hinnasta, ja jos asiakkaalla on omat pinnoituskelpoiset rengasrungot, kustannukset jäävät vielä noin 100 pienemmäksi jokaista rengasta kohden. Yksi valintaperuste pinnoitetulle renkaalle voi olla sen kotimaista työllisyyttä luova vaikutus. Myös renkaan tuotannon aiheuttamat ympäristöhaitat ovat pienemmät, pinnoitetun renkaan valmistukseen kuluu öljyä vain noin 25% verrattuna uuden renkaan valmistukseen. Uuden ja pinnoitetun takarenkaan välisestä erosta energiankulutuksen suhteen saadaan viitteitä vertaamalla mittausosiossa 1 mitattuja Michelin XZE 2+:aa ja pinnoitettua Michelin XZE 2+ Remixiä. Näiden väliseksi eroksi energiankulutuksessa mitattiin 0,48 l/100 km. Osiossa 2 päästiin pinnoitetulla Michelin XDU Remixrenkaalla noin 0,2 l/100 km pienempään kulutuslukemaan kuin samaan kaupunkirenkaiden sarjaan kuuluvalla Michelin XZU+:lla. Näin ollen ei voida suoraviivaisesti todeta pinnoitetun renkaan kasvattavan energiankulutusta. Suurempi merkitys energiankulutukseen näyttäisi mitattujen tulosten perusteella olevan valitun pintakuvion mallilla ja syvyydellä kuin sillä, onko rengas uusi vai pinnoitettu. PL 4300, 02015 TKK 12