TUTKIMUSSELOSTUS PRO3/P5166/05 10.2.2005 RAKETRUCK 2004: Euro 3 kuorma-autokaluston polttoaineen kulutus ja pakokaasupäästöt Kirjoittajat: Nils-Olof Nylund, Kimmo Erkkilä & Christer Söderström Julkisuus: Julkinen
Suorittajaorganisaatio ja osoite VTT Prosessit, PL 1604 02044 VTT Hankkeen vastuuhenkilö Matti Kytö Hankkeen asiakirjanumero (VTT) PRO3/P5166/04 Hankkeen nimi, lyhytnimi ja suoritetunnus Tilaaja HDEnergia- projekti (AKE,LVM) Tilaajan yhdyshenkilö Tilaajan tilaus- tai viitenumero Selostuksen numero ja sivumäärä Päiväys 48 s. + liitt. 5 s. 10.2.2005 Tutkimusselostuksen nimi ja kirjoittajat RAKETRUCK 2004: Euro 3 kuorma-autokaluston polttoaineen kulutus ja pakokaasupäästöt Nils-Olof Nylund, Kimmo Erkkilä & Christer Söderström Tiivistelmä Vuosina 2002 ja 2003 toteutettu Kuorma-autojen päästökertoimet -tehtävä liitettiin vuonna 2004 osaksi Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen -projektia. Vuoden 2004 mittaussarjassa painotettiin sekä päästöjä että polttoaineen kulutusta. Tavoitteena oli saada selvä käsitys auton kokoluokan ja kuormituksen vaikutuksesta päästöihin ja polttoaineen kulutukseen, ja samalla selvittää mahdollinen hajonta eri automerkkien välillä. Mittaukset tehtiin uudella Euro 3 kalustolla neljässä painoluokassa (18, 26, 42 ja 60 tonnia) kuormitusta muuttaen. Jokaisessa luokassa ajettiin rinnan kolme tai neljä erimerkkistä autoa. Polttoaineen kulutus riippuu ensisijaisesti ajoneuvon massasta. Maantie- ja moottoritieajossa 42 t ja 60 t yhdistelmien polttoaineen kulutus mittaussykleillä on 22 53 l/100 km yhdistelmän painosta riippuen. Vastaavalla painolla puoliperävaunuyhdistelmä kulkee 3 4 l/100 km pienemmällä polttoainemäärällä kuin varsinainen perävaunuyhdistelmä. Ajosyklin mukaisessa jakeluajossa polttoaineen kulutus on 25 42 l/100 km. Jakelusyklillä ominaiskulutus on pienimmillään 0,04 ja maantiesykleillä 0,015 l/tkm. Merkkikohtaiset kulutuserot ovat jopa yllättävän suuria. Vaihteluhaarukka pienimmän ja suurimman kulutusluvun välillä mittauksissa käyneiden eri automerkkien välillä on 0 16 %. Päästöjen osalta tulokset eivät ole yhtä selväpiirteisiä kuin polttoaineen kulutuksen osalta. Autojen väliset erot päästöjen osalta ovat niin merkittävät, että kuorman ja jopa auton kokoluokan merkitys hämärtyy. Lisäksi pakokaasupäästöt eivät välttämättä korreloi suoraan polttoaineen kulutuksen kanssa. Päästötarkastelut tehtiin NO x :lle ja hiukkasille. Ajomatkaan suhteutettu NO x -päästö on 18 t autoille 5 10, 26 t autoille 7 12, 42 t autoille 5 12 ja 60 t autoille 6 14 g/km. Hiukkasten osalta erot ovat vielä rajummat, absoluuttiarvot ovat 0,03 0,27 g/km. Jakelu: Julkisuus Hankkeen vastuuhenkilö Tarkastus- ja hyväksymisallekirjoitukset Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen (VTT) nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän selostuksen osittainen julkaiseminen on sallittu vain Valtion teknilliseltä tutkimuskeskukselta saadun kirjallisen luvan perusteella
TIIVISTELMÄ Vuosina 2002 ja 2003 toteutettu Kuorma-autojen päästökertoimet -tehtävä liitettiin vuonna 2004 osaksi Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen - projektia. Vuoden 2004 mittaussarjassa painotettiin sekä päästöjä että polttoaineen kulutusta. Tavoitteena oli saada selvä käsitys auton kokoluokan ja kuormituksen vaikutuksesta päästöihin ja polttoaineen kulutukseen, ja samalla selvittää mahdollinen hajonta eri automerkkien välillä. Mittaukset tehtiin uudella Euro 3 kalustolla neljässä painoluokassa (18, 26, 42 ja 60 tonnia) kuormitusta muuttaen. Jokaisessa luokassa ajettiin rinnan kolme tai neljä erimerkkistä autoa. Mittaussykleinä käytettiin todellisista ajotilanteista rekisteröityjä syklejä, jotka huomioivat myös tien korkeusprofiilin. Autovaihtoehtoja oli 13, ja mittauskombinaatioita (auto/kuorma/sykli) oli yhteensä 63. Polttoaineen kulutus riippuu ensisijaisesti ajoneuvon massasta. Maantie- ja moottoritieajossa 42 t ja 60 t yhdistelmillä polttoaineen kulutus on 22 53 l/100 km yhdistelmän painosta riippuen. Vastaavalla painolla puoliperävaunuyhdistelmä kulkee 3 4 l/100 km pienemmällä polttoainemäärällä kuin varsinainen perävaunuyhdistelmä. Ominaiskulutuksen osalta (l/tkm) täyteen kuormattu 42 t yhdistelmä on hieman polttoainetaloudellisempi kuin 60 t yhdistelmä. Pienimmillään ominaiskulutus on luokkaa 0,015 l/tkm. Jakeluajossa polttoaineen kulutus on 25 42 l/100 km, ja noin 40 % korkeampi ajoneuvon massaan suhteutettuna kuin maantieajossa. Jakelusyklillä ominaiskulutus on pienimmillään 0,04 l/tkm. Merkkikohtaiset kulutuserot ovat jopa yllättävän suuria. Vaihteluhaarukka pienimmän ja suurimman kulutusluvun välillä eri automerkkien välillä on 0 16 %. Päästöjen osalta tulokset eivät ole yhtä selväpiirteisiä kuin polttoaineen kulutuksen osalta. Autojen väliset erot päästöjen osalta ovat niin merkittävät, että kuorman ja jopa auton kokoluokan merkitys hämärtyy. Lisäksi pakokaasupäästöt eivät välttämättä korreloi suoraan polttoaineen kulutuksen kanssa. Päästötarkastelut tehtiin NO x :lle ja hiukkasille. Ajomatkaan suhteutettu NO x -päästö on 18 t autoille 5 10, 26 t autoille 7 12, 42 t autoille 5 12 ja 60 t autoille 6 14 g/km. Tyhjän jakeluauton NO x päästö on jakelusyklissä suurimmillaan 8 g/km, kun taas täyteen kuormatun 60 t yhdistelmän NO x päästö on alimmillaan 9 g/km. NO x :n osalta autokohtaiset erot ovat suurimmillaan 107 %. Hiukkasten osalta erot ovat vielä rajummat, ero on suurimmillaan peräti 245 %. Absoluuttiarvot ovat 0,03 0,27 g/km. Maantie- ja moottoritieajossa 5 autoa 7:stä antaa sellaiset päästöt, jotka voidaan tulkita täyttävän Euro 3 vaatimustason. Jakelusyklillä ajetuista 6 autosta vain yksi 18 t auto näyttäisi olevan päästöiltään Euro 3 tasoa. Kahden muun 18 t auton päästöt ovat varsin korkeat. Suuritehoiset 26 t autot kärsivät jakelusyklissä siitä, etteivät moottorit toimi optimialueella. 5
ALKUSANAT Alun perin Kuorma-autokaluston päästökertoimet -hanke (RAKETRUCK) sisältyi alatehtävänä VTT:n vuosien 2000-2004 RAKE hankekokonaisuuteen (Raskaan ajoneuvokaluston kehityshanke). Suunnitelmiin tuli kuitenkin muutos, ja osahanke liitettiin synergiaetujen saamiseksi vuodesta 2004 alkaen projektiin Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen. Itsenäisestä Kuorma-autokaluston päästökertoimet projektista laadittiin loppuraportti vuoden 2004 alussa. Samalla hankkeen sisältö muuttui hieman. Vuosina 2002 ja 2003 painopiste oli päästökertoimissa, uuden projektikokonaisuuden puitteissa myös polttoaineen kulutuksen tutkimus nostettiin tärkeään asemaan. Nyt käsillä oleva raportti on erillisraportti, jossa esitellään vuoden 2004 kuormaautomittausten tulokset. Vuoden 2004 mittaussarja kohdistettiin uuteen Euro 3 kalustoon. Raskaan kaluston energiankäytön tehostaminen -projektin sisällä kuormaautomittausten päärahoittajia ovat Ajoneuvohallintokeskus AKE ja Liikenne- ja viestintäministeriö. Mittauksilla kerätty tieto palvelee taustamateriaalina Kuorma- ja pakettiautoliikenteen energiansäästöohjelmaa. Tavoitteena oli saada selvä käsitys auton kokoluokan ja kuormituksen vaikutuksesta päästöihin ja polttoaineen kulutukseen, ja samalla selvittää mahdollinen hajonta eri automerkkien välillä. Autoja mittauksiin toimittivat Konekesko Oyj, Oy Sisu Auto Ab, Oy Scan-Auto Ab, Volvo Finland Ab ja Transpoint Oy Ab. Kiitämme ao. tahoja joustavasta suhtautumisesta ajoneuvotarpeisiimme. Transpoint Oy:tä ja erityisesti ajokouluttaja Pekka Karia haluamme kiittää avusta ajosyklien määrittämisessä. Projektilla ei vuonna 2004 ollut omaa johtoryhmää, vaan hankkeen etenemisestä on informoitu Raskaan kaluston energiankäytön tehostaminen -projektin ja Kuorma- ja pakettiautoliikenteen energiansäästöohjelman johtoryhmiä. VTT:llä projektin mittaustoiminnan ovat toteuttaneet Tom Eklund, Reijo Mikkola, Ari- Pekka Pellikka ja Erkki Virtanen. Projektin hallinnosta on vastannut Kimmo Erkkilä. 6
SISÄLTÖ 1 TAUSTA... 8 2 VUODEN 2004 KOEOHJELMA... 10 3 MITTAUSSYKLIEN KEHITYSTYÖ... 13 4 MITTAUSMENETELMÄT JA MITTALAITTEET... 18 4.1 YLEISTÄ... 18 4.2 MITTALAITTEET... 19 5 TULOKSET... 21 5.1 YLEISTÄ... 21 5.2 POLTTOAINEEN KULUTUS... 22 5.2.1 Ajoneuvon koon ja kuorman vaikutus polttoaineen kulutukseen... 22 5.2.2 Merkkikohtainen polttoaineen kulutus... 26 5.3 PAKOKAASUPÄÄSTÖT... 29 5.3.1 Yleistä... 29 5.3.2 Ajosuoritteeseen suhteutetut päästöt... 30 5.3.3 Polttoaineen kulutukseen suhteutetut päästöt... 35 5.3.4 Vetopyörillä tehtyyn työhön suhteutetut päästöt... 39 6 YHTEENVETO... 46 7
1 TAUSTA VTT:lle valmistui vuonna 2002 uusi raskaiden ajoneuvojen tutkimuslaboratorio. Laboratorio mahdollistaa kokonaisten raskaiden ajoneuvojen testauksen dynaamisia ajosyklejä käyttäen alustadynamometrissa. Dynamometrin säätöaluetta on voitu laajentaa siten, että nyt on mahdollista simuloida ajoneuvon kokonaismassaa aina 60 tonniin asti. Lisäksi laitteisto mahdollistaa tien korkeusprofiilin simuloinnin. Kuorma-autojen päästötutkimus oli sisällytetty yhtenä alatehtävänä vuonna 2000 kuvattuun hankekokonaisuuteen RAKE: Raskaan ajoneuvokaluston kehityshanke. Laboratorion valmistuttua kuorma-autojen päästötutkimusta tehtiin vuosina 2002 ja 2003 itsenäisessä, RAKE- kokonaisuuteen kuuluneessa RAKETRUCK -projektissa. Vuodelle 2004 kuorma-autoja koskeva mittaustoiminta liitettiin alatehtäväksi projektiin Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen. Tämä vuodet 2003-2005 kattava hanke tähtää pysyvään 5-10 %:n polttoaineen säästöön raskaissa ajoneuvoissa. Tämä projektikokonaisuus on esitelty Motiva Oy:n verkkosivuilla osoitteessa: www.motiva.fi/raskaskalusto Eri ajoneuvojen polttoaineen kulutusta koskeva tieto on löydettävissä alakohdasta Eri ajoneuvotyyppien ominaiskulutukset. Keinovalikoimassa polttoainesäästöjen aikaansaamiseksi ovat mm. ajoneuvojen tekniset parannukset, eri ajoneuvotyyppien kulutusominaisuuksien tunnistaminen, ajoneuvojen oikea valinta eri tehtäviin ja kuljettajan ajotapaan vaikuttaminen apulaitteiden avulla. Lisäksi projektissa kehitetään eritasoisia ajoneuvojen käytön ja polttoaineen kulutuksen seuranta- ja raportointijärjestelmiä. Projektin toiminta linkittyy mm. Kuorma- ja pakettiautoliikenteen energiansäästöohjelmaan. Kuorma-autojen mittaustoiminnan siirto Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen - projektin yhteyteen oli perusteltavissa synergiaeduilla. Samalla mittauskerralla on mahdollista mitata sekä polttoaineen kulutus että pakokaasupäästöt. RAKETRUCK-projekti painottui pakokaasupäästöihin, kun nyt uudessa asetelmassa ajoneuvojen polttoaineen kulutuksen määritys on vahvasti mukana mittausohjelmassa. Lisäksi on perusteltua tarkastella polttoaineen kulutusta ja pakokaasupäästöjä yhdessä. Tämä siitä syystä, että polttoaineen kulutuksen ja etenkin typenoksidipäästöjen (NO x ) välillä vallitsee ristiriippuvuus; tavanomaisella dieseltekniikalla (ei pakokaasujen jälkikäsittelyä) alhainen polttoaineen kulutus johtaa yleensä korkeaan NO x päästöön ja päinvastoin. Jos eri ajoneuvomerkit asetettaisiin julkisesti paremmuusjärjestykseen polttoaineen kulutuksen suhteen, olisi ehdottomasti varmistettava, että kaikki ajoneuvot täyttävät voimassa olevat pakokaasumääräykset. On olemassa esimerkkejä siitä, että moottoreiden päästöominaisuudet ovat muuttuneet kun moottoreita on säädetty kuluttamaan vähemmän polttoainetta. 8
RAKETRUCK- hankkeen ensimmäisenä vuonna (2002) alustadynamometrillä mitattiin päästöt kahdella polttoaineella kolmesta kuorma-autosta, joiden kokonaismassat olivat 10.5, 18 ja 26 tonnia. Autot edustivat Euro 2 päästösukupolvea, ja olivat suhteellisen uusia ja vähän ajettuja luokkansa edustajia (kts. Liite 1, Euro-päästörajat). Toisena vuonna (2003) keskityttiin 26 tonnin painoluokkaan, johon otettiin edustajat Euro 1 ja Euro 3 päästöluokista. Kyseisillä ajoneuvoilla simuloitiin myös 60 t ajoneuvoyhdistelmää vakionopeuspisteillä. Lisäksi mitattiin kolmen pienempitehoisen 26 t kuorma-auton (jäteautoja) pakokaasupäästöt kevennetyllä mittausmatriisilla sekä yksi 18 t jakeluauto vuonna 2002 korkean partikkelipäästön antaneen yksilön rinnalle. Käytössä oli kolme kuormitustyyppiä: transienttikoe kaupunki- ja maantieosuuksineen, vakioajonopeuksilla 65 ja 85 km/h suoritetut kokeet sekä Euro 2 päästötasoon asti tyyppihyväksynnässä käytetyn ECE-R49 moottoridynamomerikokeen simulointi alustadynamometrissä. 60 t yhdistelmän mittauksissa simuloitiin myös puolen prosentin (0,5 %) ylä- ja alamäen vaikutusta päästöihin. ECE-R49 -simulaatiot osoittivat, etteivät kaikkien mitattujen ajoneuvojen moottorit enää täyttäisi Euro-raja-arvoja. Vuoden 2004 osalta toiminta muuttui ratkaisevasti, koska mittauksissa siirryttiin käyttämään todellisista ajotilanteista muodostettuja dynaamisia ajosyklejä. Lisäksi mittaustapahtumaan otettiin mukaan tien korkeusprofiilin simulointi (kts. luku 3) 9
2 VUODEN 2004 KOEOHJELMA Vuoden 2004 koeohjelman suunnittelussa otettiin huomioon mm. Kuorma- ja pakettiautoliikenteen energiansäästöohjelman tarpeet. Tavoitteena oli saada selvä käsitys auton kokoluokan ja kuormituksen vaikutuksesta päästöihin ja polttoaineen kulutukseen, ja samalla selvittää mahdollinen hajonta eri automerkkien välillä. Teknisessä mielessä suurin muutos mittaustapahtumassa oli siirtyminen dynaamisiin, todellisista ajotilanteista muodostettuihin sykleihin. Syklejä on kolme: jakeluautosykli (ja) maantiesykli (ma) moottoritiesykli (mo) Syklit ja niiden muodostaminen on kuvattu tarkemmin kohdassa 3. Kaikki vuoden 2004 mittaukset tehtiin dynaamisilla, tien korkeusprofiilin huomioivilla sykleillä. Aikaisempina vuosina likimääräinen polttoaineen kulutus määritettiin pakokaasujen koostumuksen perusteella. Vuoden 2004 mittauksissa oli käytössä gravimetrinen polttoaineen kulutuksen mittaus. Mittauksia tehtiin neljän painoluokan autoilla: 18 t jakeluautot 26 t jakeluautot 42 t rekkaveturit 60 t yhdistelmät 26 t luokan autot ajettiin yhtä valmistetta lukuun ottamatta sekä sellaisinaan että simuloiden 60 t täysperävaunuyhdistelmiä. Käytännössä toimitaan siten, että varsinaisen yhdistelmän nuppi hoitaa myös jakeluajoa. Yksinomaiseen jakeluajoon tämän teholuokan (420 500 hv/309 368 kw) auto on kuitenkin liian tehokas. 18 ja 26 t autot ajettiin jakeluautosyklillä, 42 ja 60 t yhdistelmät sekä maantie- että moottoritiesyklillä. Eri painoluokissa kuorman simulointia muutettiin seuraavasti: 18 t: 0, 1/3, 2/3 ja 1/1 (neljä kuormatasoa) 26 t: 0, 1/2 ja 1/1 (kolme kuormatasoa) 42 t: 0, 1/2 ja 1/1 (kolme kuormatasoa) 60 t: 0, 1/2 ja 1/1 (kolme kuormatasoa) 10
Automerkkejä oli rinnan seuraavasti: 18 t: kolme merkkiä 26/60 t: neljä merkkiä 42 t: kolme merkkiä Taulukossa 1 on esitetty koeautojen iskutilavuus, moottoriteho ja mittauksissa käytetty simuloitu omapaino ja kantavuus. Kantavuus on ilmoitettu joko vetoautolle tai kuvitteelliselle ajoneuvoyhdistelmälle. Kaikille rinnakkaisille autoille käytettiin samoja painoarvoja. Taulukkoon on sisällytetty myös kahden esikokeissa käytetyn auton tiedot. Näiden 420 hv/309 kw tehoisten autojen tuloksia on esitetty ainoastaan eräissä koostekuvissa. Taulukko 1. Koeautojen tekniset tiedot. Luokka Valmiste/ koodi Iskutilavuus (l) Teho (kw) Omapaino (kg) Kantavuus (kg) 18 t A/18 9 191 10 000 8 000 18 t C/18 12 230 10 000 8 000 18 t E/18 11 235 10 000 8 000 26 t B/26 12 368 14 460 11 540 26 t C/26 12 353 14 460 11 540 26 t D/26 12 353 14 460 11 540 26 t A/26e 12 309 14 460 11 540 *) 26 t B/26e 12 309 14 460 11 540 *) 42 t A/42 12 309 15 990 26 010 42 t B/42 12 309 15 990 26 010 42 t C/42 11 316 15 990 26 010 60 t A/60 12 346 25 640 34 360 60 t B/60 12 368 25 640 34 360 60 t C/60 12 353 25 640 34 360 60 t D/60 12 353 25 640 34 360 60 t A/60e 12 309 25 640 34 360 **) 60 t B/60e 12 309 25 640 34 360 **) *) ajettiin kokonaispainolla 21 700 kg **) ajettiin kokonaispainolla 49 050 kg Nyt toteutettu mittaussarja oli ensimmäinen jossa laajasti sovellettiin VTT:llä kehitettyjä uusia todenmukaisia kuormitussyklejä. Mm. tästä syystä projektin ohjausryhmässä sovittiin, ettei vuoden 2004 mittaussarjan yleisessä raportoinnissa autojen merkkiä ja mallia ei ilmoiteta. Jatkossa on tavoitteena toimia siten, että mittauksissa mukana olevat ajoneuvot voidaan yksilöidä. Taulukossa 2 on esitetty koematriisin yhteenveto. Koekombinaatioita oli yhteensä 63, ja koska jokainen koe ajettiin vähintään kaksi kertaa, oli mittausten lukumäärä yli 130. 11
Taulukko 2. Vuoden 2004 mittausmatriisi. Luokka Valmiste/ koodi Syklit Kuormausvaihtoehdot Mittauskombinaatiot 18 t A/18 1 (ja) 4 4 18 t C/18 1 (ja) 4 4 18 t E/18 1 (ja) 4 4 26 t B/26 1 (ja) 3 3 26 t C/26 1 (ja) 3 3 26 t D/26i 1 (ja) 3 3 42 t A/42 2 (ma, mo) 3 6 42 t B/42 2 (ma, mo) 3 6 42 t C/42 2 (ma, mo) 3 6 60 t A/60 2 (ma, mo) 3 6 60 t B/60 2 (ma, mo) 3 6 60 t C/60 2 (ma, mo) 3 6 60 t D/60 2 (ma, mo) 3 6 Yhteensä 63 12
3 MITTAUSSYKLIEN KEHITYSTYÖ Helpoin tapa mitata auton polttoaineen kulutus alustadynamometrissa olisi ajaa autoa vakionopeudella ja vakiokuormalla. Vakiokuormitusta mittauksissa käytettäessä ei päästä todenmukaisiin tuloksiin, ei polttoaineen kulutuksen eikä pakokaasupäästöjen osalta. Todellisissa ajotilanteissa kuormitus vaihtelee jatkuvasti, jopa tasaista nopeutta ajettaessa, koska auto tunnistaa mm. tien kaltevuudesta johtuvat kuormamuutokset. Niinpä mittauksissa otettiin käyttöön dynaamiset kuormitussyklit. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että autoa ajetaan alustadynamometrilla vaihtelevalla nopeudella tietyn aika/nopeuskäyrän mukaan. Tällöin moottorin kuormitus vaihtelee jatkuvasti johtuen mm. nopeudenmuutoksista ja siitä, että dynamometrin kuorman simulointiin on sisällytetty myös simuloitavan tien korkeusprofiili ylä- ja alamäkineen. Bussimittauksissa on RAKE- mittausten alusta asti käytetty dynaamisia kuormitussyklejä, mm. keskustaliikennettä kuvaavaa Braunschweig- sykliä, jossa nopeus vaihtelee voimakkaasti. Braunschweig- sykli kuitenkin soveltuu melko huonosti raskaalle kuorma-autokalustolle. Edellisissä koevaiheissa kuorma-autoille käytettiin muuttuvan nopeuden sykleinä modifioituja henkilöautojen pakokaasumittaussyklejä (ECE15/EUDC). Nämäkin syklit, jotka ovat profiililtaan hyvin kaavamaisia, kuvaavat varsin huonosti kuorma-autojen todellista käyttöä. Koska kuorma-autoille ei ole olemassa vakiintuneita kuormitussyklejä, Raskaan ajoneuvokaluston energiankulutuksen tehostaminen projektin puitteissa lähdettiin kehittämään sopivia testaussyklejä. Syklien kehitystyö tehtiin yhteistyössä Transpoint Oy:n kanssa Transpoint Oy:n kalustolla. Lähtökohdaksi valittiin kolme erilaista ajotyyppiä, jakeluajo, maantieajo vaihtelevalla nopeudella ja moottoritieajo vakionopeussäädintä käytettäessä. Transpoint Oy:n kokemuksen perusteella valittiin sopivat ja edustavat reitit/tieosuudet. Valituista reiteistä tehtiin nopeusprofiilin rekisteröinti ajamalla reitit läpi kuormatulla ajoneuvolla. Nopeustiedon lisäksi tiedonkeruujärjestelmän avulla rekisteröitiin myös tien korkeusprofiili. Tien topografialla on erittäin suuri merkitys varsinkin ajettaessa raskaasti kuormatuilla ajoneuvoyhdistelmillä. Pienetkin tien kaltevuuden muutokset aiheuttavat suurta vaihtelua tehon tarpeeseen. VTT:n alustadynamometrin ohjausjärjestelmä mahdollistaa gradientin sisällyttämisen sykliin, ja gradientin simulointi onkin olennainen elementti nyt kehitetyissä sykleissä. Jakelusyklin perustana oli pääkaupunkiseudulla ajettava, todellinen jakelureitti. Reitin pituus on 19,5 km, ja siihen sisältyy kaksi lastaus/purku -paikkaa sekä näiden lisäksi yhdeksän muun liikenteen aiheuttamaa lyhyttä pysähdystä. Keskinopeus on 37 km/h, joten sykliin sisältyy myös pyrähdyksiä maantienopeuksilla (Turunväylällä ja Kehä 2:lla). Ajoaika on noin 1900 sekuntia. Kuorman lastaus- ja purkutapahtumat ja niihin liittyvä seisonta-aika jätettiin huomioimatta. Määrittely tehtiin kolmiakselisella umpikuorma-autolla kuormattuna 22 tonnin kokonaispainoon. 13
Maantiesyklin pohjana on Valtatien 4:n n. 15 km pitkä tieosuus välillä Leivonmäki Tainio. Matka ajettiin molempiin suuntiin, eli muodostetun syklin pituus on 28,5 km. Reitti ajettiin kuormatulla varsinaisella perävaunuyhdistelmällä (3- akselinen vetoauto ja 4- akselinen varsinainen perävaunu). Yhdistelmän kokonaispaino oli 49 tonnia. Tämä sykli ajettiin ilman nopeussäädintä. Keskinopeus on 80 km/h. Moottoritiesyklin pohjana on vastaavasti 30 km:n pituinen osuus Lahden moottoritietä Järvenpään pohjoisesta liittymästä pohjoiseen. Tarkka matka on 29,5 km, ja keskinopeus 83 km/h. Tämä osuus ajettiin vakionopeussäätimen avulla. Syklin määrittelyyn käytettiin tässäkin tapauksessa 49 tonnin yhdistelmää. Sekä maantie- että moottorisyklissä ajoaika on noin 1300 sekuntia. Syklien kehitystyö ja alustavat mittaustulokset kahden auton osalta on esitetty Raskaan ajoneuvokaluston energiankulutuksen tehostaminen projektin vuoden 2003 vuosiraportissa. Taulukossa 3 on esitetty kehitettyjen syklien tärkeimmät tunnusluvut ja vertailumittaukset kahdella erimerkkisellä ajoneuvolla. Keskimääräiset kulutusluvut em. ajoneuvopainoilla olivat jakelusyklissä 35 l/100 km, maantiesyklissä 47 l/100 km ja moottoritiesyklissä 44 l/100 km. Kehitystyössä käytetyn kahden vastaavan mutta erimerkkisen auton kulutusero oli 1,9-5,5 % siten, että toinen auto kulutti järjestelmällisesti vähemmän polttoaineitta. Taulukko 3. Mittaussyklien tunnuslukuja ja kulutuslukemia kahdelle autolle. Transpoint vertailumittaukset, vko 3 / 2004 Moottoritiesykli Ajomatka Mittausaika Keskinopeus Keskiteho vetopyörältä Tehty työ vetopyörältä Kulutus Suhteellinen kulutus Ominaiskulutus vetopyörältä Mittausten keskiarvo km s km/h kw kwh g l/100km g/kwh g/kwh Brand A Brand B 1.mittaus 1.mittaus 29.51 29.50 1282 1281 82.9 82.9 121.1 121.2 43.14 43.14 10460 10814 43.2 44.6 242 251 2.mittaus 2.mittaus 29.56 29.56 1281 1281 83.1 83.1 121.7 121.5 43.30 43.23 10357 10713 42.6 44.1 239 248 241 249 Kulutusero 3.5 % Maantiesykli Ajomatka Mittausaika Keskinopeus Keskiteho vetopyörältä Tehty työ vetopyörältä Kulutus Suhteellinen kulutus Ominaiskulutus vetopyörältä Mittausten keskiarvo km s km/h kw kwh g l/100km g/kwh g/kwh Brand A Brand B 1.mittaus 1.mittaus 28.57 28.32 1283 1283 80.2 79.5 127.0 124.3 45.26 44.29 10950 10945 46.7 47.6 242 247 2.mittaus 2.mittaus 28.53 28.39 1283 1283 80.0 79.7 126.7 125.0 45.14 44.55 10850 10890 46.3 47.1 240 244 241.1 245.8 Kulutusero 1.9 % Jakelusykli Ajomatka Mittausaika Keskinopeus Keskiteho vetopyörältä Tehty työ vetopyörältä Kulutus Suhteellinen kulutus Ominaiskulutus vetopyörältä Mittausten keskiarvo km s km/h kw kwh g l/100km g/kwh g/kwh Brand A Brand B 1.mittaus 1.mittaus 19.38 19.49 1888 1887 37.0 37.2 36.6 36.3 19.17 19.03 5555 5750 34.9 36.4 290 302 2.mittaus 2.mittaus 19.48 19.48 1890 1890 37.1 37.1 37.2 36.2 19.53 18.98 5440 5650 33.5 35.8 279 298 284 300 Kulutusero 5.5 % Kuvissa 1-3 on esitetty testisyklien nopeus- ja korkeusprofiilit. Kokeen aikana kuljettajan edessä on nopeus/aikanäyttö, ja kuljettaja pyrkii ajamaan siten, että tavoitenopeus toteutuu kullakin ajanhetkellä. Kuvassa 4 on maantiesyklin osalta korkeuskäyrä ja moottorin CAN- väylästä luettu hetkellinen moottoriteho. Tehokuvaajasta nähdään, että moottoriteho vaihtelee todella 14
merkittävästi todellisissa ajotilanteissa. Myös moottoritiesyklissä, vaikka nopeus on lähes vakio ja tien kaltevuusmuutokset pieniä (keskimäärin + 1 %), moottoritehon vaihtelualue on 0-300 kw. Kaikissa sykleissä korkeus merenpinnasta on alku- ja loppupisteissä sama. Syklien kehitystyön yhteydessä tehtiin erilaisia verifiointi- ja toistettavuusmittauksia. Mittausmenetelmä mahdollistaa sen, että polttoaineen kulutus suhteutetaan kokeen aikana vetopyörillä tehtyyn todelliseen työhön. Näin voidaan eliminoida esim. pienistä nopeus- ja matkapoikkeamista muutoin johtuva epätarkkuus. Työmääräerot aiheutuvat lähinnä ajoneuvojen eroavista kyvyistä seurata ajosyklin nopeusprofiilia korkeita kuormia simuloitaessa. 100 Transpoint jakelusykli Ajonopeus km/h Korkeus 80 90 80 70 70 60 Ajonopeus km/h 60 50 40 50 40 Korkeus m 30 30 20 10 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Aika s 10 Kuva 1. Jakelusyklin nopeus- ja korkeusprofiilit. 15
100 Transpoint maantiesykli Ajonopeus km/h Korkeus 190 90 180 80 170 70 Ajonopeus km/h 60 50 40 30 20 10 160 150 140 130 120 Korkeus m 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Aika s 110 Kuva 2. Maantiesyklin nopeus- ja korkeusprofiilit. Transpoint moottoritiesykli Ajonopeus km/h Korkeus 90 85 130 80 75 120 Ajonopeus km/h 70 65 60 110 100 Korkeus m 55 50 90 45 40 0 200 400 600 800 1000 1200 Aika s 80 Kuva 3. Moottoritiesyklin nopeus- ja korkeusprofiilit. 16
300 200 100 Transpoint maantiesykli Moottoriteho, CAN-väylän ilmoittama Korkeus 200 190 180 Moottoriteho kw 0 0 200 400 600 800 1000 1200-100 -200-300 170 160 150 140 Korkeus m -400 130-500 120-600 Aika s 110 Kuva 4. Maantiesyklin hetkellinen moottoriteho ja korkeusprofiili. 17
4 MITTAUSMENETELMÄT JA MITTALAITTEET 4.1 YLEISTÄ Raskaiden ajoneuvojen alustadynamometrimittauksille ei ole olemassa direktiiviä tai standardia, ja tunnustetun mittausmenetelmän puuttuminen vaikeuttaa luonnollisestikin mittaustoimintaa. VTT lähti kehittämään mittauksiin omaa menetelmää. VTT laati mittauksesta tarkan ohjeistuksen, ja haki mittaukselle akkreditointia. Mittatekniikan keskus MIKES tarkasti mittauksen, ja myönsi mittaukselle akkreditoinnin kesäkuussa 2003 (MIKES T125: In-house method, VTT Code MK02E).: VTT:n oma mittausmenetelmä, joka sisältää pakokaasu- ja polttoaineenkulutusmittaukset, rakentuu kuvassa 5 lueteltujen menetelmien ja suositusten sekä VTT:n alustadynamometrilla tapahtuvaa mittaustoimintaa koskevien turvallisuusohjeiden varaan. Mittausten akkreditointi katsottiin erittäin tärkeäksi. Toistaiseksi mittaustulosten esittelyssä, ei päästöjen eikä myöskään polttoaineen kulutuksen osalta, ole yksilöity autojen merkkejä ja tarkkoja malleja, Tiettyjä odotuksia merkkikohtaisten tulosten julkaisemiseen on olemassa. Aikanaan kun tähän mennään, mittaustuloksilla tulee olemaan suuri taloudellinen merkitys siinä kun tulokset mahdollisesti ohjaavat tulevia kalustovalintoja. Henkilö- ja pakettiautojen pakokaasumittaukset alustadynamometrissa 70/220/EEC 91/441/EEC 98/69/EC Raskaan kaluston moottorien pakokasumittaukset 1999/96/EC Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa VTT PRO Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa SAE J2711 Yleiset turvallisuusohjeet 18
Kuva 5. VTT:n raskaan kaluston alustadynamometrimittausten menetelmäohjeen rakenne. Dynamometrissä simuloitiin taulukon 4 mukaisia kokonaisajovastuksia. Simuloitavat kokonaisajovastukset perustuvat HDEnergia- projektissa kesällä 2003 maantiellä suoritettuihin rullauskokeisiin (Raskaan ajoneuvokaluston energiankäytön tehostaminen. Vuosiraportti 2003: www.motiva.fi/raskaskalusto). Maantierullauskokeissa määriteltiin ajovastukset mm. kaikille tämän raportin ajoneuvotyypeille (18t, 26t, 42t ja 60t). Ajoneuvomallien välisiä ajovastuseroja, (esim. autokohtaiset ilmanvastukset) ei huomioitu. Ajovastus ajonopeuden suhteen lasketaan taulukon 4 kertoimista kaavalla; F = F0 + F1 * v + F2 * v 2. Taulukko 4. Simuloinnissa käytettyjen dynamometriasetusten lähtötiedot, perustuen vuonna 2003 suoritettuihin rullauskokeisiin maantiellä. (F= kokonaisvastusvoima, FO= nopeudesta riippumaton vastusvoima, F1= nopeuteen verrannollinen vastusvoimakerroin, F2= nopeuden neliöön verrannollinen vastusvoimakerroin, v= nopeus. Kaavassa nopeuden laatu km/h, ja voimien N). Simuloitavat kokonaisajovastukset Massa F0 F1 F2 18t jakeluautot 0-kuorma 10000 550 8.151 0.1935 1/3-kuorma 12667 648 11.621 0.1697 2/3-kuorma 15333 770 13.007 0.1601 3/3-kuorma 18000 878 15.778 0.1411 26t jakeluautot 0-kuorma 14460 591 7.383 0.2426 1/2-kuorma 20230 878 6.963 0.2587 2/2-kuorma 26000 1163 6.543 0.2748 n.60% kuorma 21700 970 6.543 0.2748 42t puoliperävaunuyhdistelmät 0-kuorma 15990 848 7.320 0.2069 1/2-kuorma 30640 1756 1.056 0.2962 2/2-kuorma 42000 2460-3.802 0.3654 60t varsinaiset ajoneuvoyhdistelmät 0-kuorma 25640 1328 12.623 0.2504 1/2-kuorma 42820 2136 18.471 0.2625 2/2-kuorma 60000 2944 24.319 0.2745 n.70% kuorma 49050 2407 24.319 0.2745 4.2 MITTALAITTEET Alustadynamometri on englantilaisen Froude Consine -yhtiön valmistama. Alustadynamometrin tärkeimmät tiedot on esitetty taulukossa 5. Pakokaasumittauslaitteisto laimennustunneleineen on saksalaisen Pierburgin valmistama. Pakokaasumittauslaitteiston tärkeimmät tiedot ovat taulukossa 6. Pakokaasumittaukset sekä kaasumaisten että hiukkaspäästöjen osalta tehtiin laimennetusta pakokaasusta. Direktiivi 1999/96/EC määrittelee moottorin pakosarjan ja tunnelin laimennuspisteen väliseksi maksimietäisyydeksi 10 metriä. Tähän ei kaikissa automittauksissa päästy, mutta tällä ei ole merkitystä tässä esitettävien päästötulosten luotettavuuden kannalta. 19
Taulukko 5. Alustadynamometrin tekniset tiedot. Valmistaja: Froude Consine, UK Suurin teho: Ylikuormitusvara: Jarrutustehon nosto: Suurin vetovoima: Inertiasimulointi: Telojen halkaisija: Suurin telipaino: ± 300 kw (alue 54 110 km/h) 120 %/300 s Mahdollista lisäjarrun avulla ± 20 000 N (alue 0-54 km/h) 2 500 60 000 kg 2 500 mm 20 000 kg Nopea ja tarkka IGBT säätö, transienttimahdollisuus Driver s aid sisältäen erilaisia dynaamisia ajosyklejä Taulukko 6. Pakokaasumittauslaitteiston tiedot. Direktiivin 1999/96/EC (Euro III) mukainen pakokaasupäästöjen mittauslaitteisto, valmistaja Pierburg, Saksa Pakokaasujen keräyslaitteisto CVS-120-WT - Multiple (3) CFV-venturi system - Suurin virtaus 120 m3/min - Tunnelin mitat 8000 * 450 mm - Secondary tunnel VT-458 - Particle collector PS2000 C Analysaattorijärjestelmä AMA 4000 - HFID THC 0-1000 ppm - HFID CH 4 0-3000 ppm - HCLD NO x 0-10 000 ppm - NDIR CO 2 0-20 % - NDIR CO 0 2500 ppm - NDIR CO 2 tracer 0 20 % Polttoaineen kulutus mitattiin gravimetrisesti vaa alla. Käytössä oli 60 kg:n Sartorius CW1P-60-FE-I, jonka tarkkuus on ±5g. Polttoaineen lämpötila pidettiin vakiona polttoaineen tulo- ja menopuolille liitettyjen lämmönvaihtimien avulla. Mittauksissa käytettiin kesätyyppisiä pitkittäiskuvioituja renkaita muodonmuutoksesta ja luistosta aiheutuvan virheen minimoimiseksi. Yhtä poikkeusta lukuun ottamatta (C/42) ajoneuvojen oma jäähdytyspuhallin eliminoitiin ja riittävä jäähdytys järjestettiin tehokkaalla ulkopuolisella puhaltimella. Jäähdytyspuhaltimen mukanaolo auton C/42:n mittauksissa ei kuitenkaan näy vaikuttaneen tuloksiin. Ulkopuolinen jäähdytys todennäköisesti riitti pitämään jäähdyttimen ulostuloveden lämpötilan auton oman puhaltimen aktivoitumiskynnyksen alapuolella. Toimiessaan auton oman puhaltimen vaikutuksen olisi kuulunut näkyä polttoaineenkulutusta nostavasti, etenkin korkeilla kuormituksilla. 20
5 TULOKSET 5.1 YLEISTÄ Ajoneuvoista mitattiin sekä polttoaineen kulutus että säännellyt (direktiivien moottorien hyväksyntätesteissä säätelemät päästöt; hiilimonoksidi CO, kokonaishiilivedyt THC, typen oksidit NO x, hiukkaset PM) pakokaasupäästöt. Yleisesti voidaan sanoa, että erot polttoaineen kulutuksessa eri ajoneuvojen välillä ovat varsin merkittäviä, suurimmillaan jopa yli 10 %. Auton valmistetta enemmän kulutukseen vaikuttavat kuitenkin auton kokoluokka ja kuorman paino. Päästöjen osalta tilanne on hieman toinen. Päästöt eivät välttämättä korreloi moottorin tekemään työhön ja polttoaineen kulutukseen, vaan päästöihin vaikuttavat merkittävästi myös moottoritekniikka ja auton valmistajan valitsema säätöstrategia. Päästöissä havaitut erot olivat oikeastaan hämmästyttävän suuret, varsikin kun otetaan huomioon, että kaikki koeautot olivat uusia tai uudehkoja Euro 3 luokan autoja. Pienimmän ja suurimman päästöarvon välinen ero saman painoluokan sisällä saattaa olla jopa 2,5- kertainen. Päästöjen osalta tarkastelu on rajattu typen oksideihin (NO x ) ja hiukkasiin (PM), koska nämä päästölajit ovat kriittisimmät raskaan dieselkaluston osalta. Perinteisessä dieselmoottorissa NO x päästön alentaminen moottori- ja säätöteknisin ratkaisuin yleensä lisää polttoaineen kulutusta. Niinpä oletusarvona on, että autonvalmistajat säätävät moottorit mahdollisimman lähelle NO x rajaa polttoaineen kulutuksen minimoimiseksi. Kaikissa mittauksissa käytettiin kohdassa 3. selostettuja mittaussyklejä. Tulokset esitetään kolmessa osassa. Ensiksi tarkastellaan polttoaineen kulutuksen riippuvuutta auton koosta ja kuormasta. Seuraavaksi esitetään merkkikohtaiset kulutuserot. Lopuksi esitetään merkkikohtaiset päästöarvot. Koska ominaispäästöissä on niin merkittäviä eroja, päästöille ei ole mahdollista muodostaa vastaavanlaisia ajoneuvon painoon tai kuormaan sidottuja käyrästöjä kuin polttoaineen kulutuksen osalta. Joihinkin kulutuskuviin on lisätty aiemmin mitattujen 420 hv (310 kw) tehoisten autojen (simuloitu 26 t jakeluautoa ja 60 t yhdistelmää) tuloksia. Nyt mitattujen autojen tehoalue oli 470 500 hv (346 368 kw). 21
5.2 POLTTOAINEEN KULUTUS 5.2.1 Ajoneuvon koon ja kuorman vaikutus polttoaineen kulutukseen Kuvissa 6-8 on esitetty ajoneuvon massan vaikutus polttoaineen kulutukseen. Näissä kuvissa on käytetty autoluokkien keskimääräisiä kulutusarvoja. Kuvista nähdään, että kulutuslukemat kasvavat lähes lineaarisesti autojen painon myötä. Jakelusyklissä (kuva 6) polttoaineen kulutus vaihtelee 25 42 l/100 km. On mielenkiintoista havaita, että 2 - ja 3 akselisten autojen käyrät asettuvat päällekkäin. 26 t ajoneuvopainolla jakelusykli antaa noin 40 % korkeamman kulutuksen kuin saman painoinen ajoneuvo maantie- ja moottoritiesykleissä. Maantiesyklissä (kuva 7) polttoaineen kulutus vaihtelee 22 53 l/100 km, ja moottoritiesyklissä (kuva 8) vastaavasti 22 50 l/100 km. Puoliperävaunuyhdistelmä kulkee varsinaista perävaunuyhdistelmää kevyemmin, ja kulutusero puoliperävaunun hyväksi on noin 3 4 l/100 km vastaavalla kokonaispainolla. Kuvista 7 ja 8 nähdään, ettei pienemmällä moottoriteholla varustettu auto (420 hv) välttämättä ole aina taloudellisempi kuin esim. 470-500 hv teholuokan autot. Tästä lisää automerkkien ja mallien välisessä vertailussa kappaleessa 5.2.2. 45 Polttoaineenkulutus ajokilometria kohden jakelusyklissä 40 35 Kulutus l/100km 30 25 20 15 18t jakeluautot 26t jakeluautot 26t jakeluautot (pienempitehoiset) 10 5 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 Ajoneuvon massa kg Kuva 6. Polttoaineen kulutus jakelusyklissä. 22