Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo HDENIQ

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-08344-12 Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo HDENIQ Loppuraportti Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Kimmo Erkkilä (VTT), Petri Laine (VTT), Timo Naskali (Aalto), 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), Matti Ahtiainen (VTT), Timo Murtonen (VTT), Maija Lappi (VTT), Nils-Olof Nylund (VTT), Mikko Laamanen (Aalto), Johannes Kankare (Aalto), Julkinen

2 (141)

4 (142) Sisällysluettelo 1 Johdanto... 7 2 Ajoneuvotekniikka... 8 2.1 Aerodynamiikka... 8 2.2 Raskaan kaluston energiajakauma ajosuoritteissa... 13 2.3 Ajoneuvoyhdistelmän sivutuuliherkkyys (VTT)... 14 2.3.1 Kallistumisvakaus... 14 2.3.2 Suuntavakaus... 15 2.3.3 Johtopäätökset... 16 2.3.4 Lähdeviitteet... 18 2.4 Rengastutkimus... 18 2.5 Öljytesti... 23 2.5.1 Testin valmistelu ja tausta... 23 2.5.2 Testin suorittaminen... 24 2.5.3 Dynamometrimittausten tulokset... 26 2.5.4 Öljynäytteiden analyysitulokset... 34 2.6 Raskaiden ajoneuvojen todellinen suorituskyky (VTT)... 39 2.6.1 Kaupunkibussit... 39 2.6.2 Päästöjen ja energiatehokkuuden huomiointi bussikaluston pisteytyksessä... 40 2.6.3 Kaupunkibussien seurantamittaukset... 43 2.6.4 Yhteenveto linja-autojen OBD-mittauksista... 45 2.6.5 Palveluliikenneajoneuvojen vertailumittaukset... 46 2.6.6 Robottivaihteiston vaikutus kaupunkibussin energiankulutukseen... 49 2.6.7 Tuplanivelhybridibussin suorituskyky... 49 2.6.8 Kuorma-automittaukset... 51 2.6.9 Kaupunkibussien päästöt ja energiankulutus kylmässä... 54 2.6.10 Jälkiasennettavat pakokaasujen puhdistuslaitteet... 58 2.7 Raskaiden ajoneuvojen apulaitteiden tehonkulutus (VTT)... 59 2.7.1 Yleistä... 59 2.7.2 Datan valinta ja esiprosessointi... 60 2.7.3 Olosuhteiden vaikutus... 62 2.7.4 Lämpötilaprofiilit... 66 2.7.5 Sähköiset apulaitteet... 71 2.8 Menetelmäkehitys... 72 2.8.1 Rullausmittausten kehittäminen... 72

5 (142) 2.8.2 Uudet syklit... 74 2.9 Erikoispäästömittaukset... 77 2.9.1 Mitatut autot... 77 2.9.2 Erikoispäästömittausten yhteydessä mitatut säännellyt päästöt... 78 2.9.3 PAH- ja Ames -analyysit... 78 2.9.4 Hiukkaslukumäärät: ELPI... 79 2.9.5 Kaasumaiset sääntelemättömät päästöt: HC- ja aldehydierittely... 80 2.9.6 Sääntelemättömät kaasumaiset päästöt (FTIR-analyysi)... 81 2.9.7 Yhteenveto... 82 3 Ajo-opastin... 83 3.1 Yleistä... 83 3.2 Ohjelmisto... 84 3.3 Analyysitulokset... 90 4 Liukkaudentunnistus... 93 4.1 Järjestelmän kuvaus... 93 4.2 Rengasvertailu liukkaudentunnistusmenetelmää hyödyntäen... 94 4.3 Tavoite... 94 4.4 Vertailu... 95 4.5 Kalibroinnit... 95 4.6 Tulokset... 95 4.7 Johtopäätökset... 100 5 Aalto-yliopiston opinnäytetyöt HDENIQ-projektissa... 101 5.1 Linja-autokaluston optimointi ja kohdentaminen... 101 5.2 SCR ja EGR - Selvitys käytönaikaisista ongelmista... 103 5.3 HVAC heating, ventilation, air-conditioning... 105 5.4 Renkaiden epätasapainon, ilmanpaineen ja muotovirheiden vaikutus raskaan kaluston energiankulutukseen... 110 5.5 Auxliary power needs... 112 5.6 Tutkimuksen jatkuminen vuonna 2013... 115 6 Tampereen teknillisen yliopiston tutkimuksia HDENIQ-projektissa 2009-2012... 116 6.1 Hybribussitutkimus... 116 6.1.1 Johdanto... 116 6.1.2 Investointilaskuri... 117 6.1.3 Päätelmät... 120 6.1.4 Lähteet... 120

6 (142) 6.2 Tiekuljetusalan energiatehokkuuden ja hiilidioksidipäästöjen tulevaisuus (KULJETUS)... 121 6.3 Joukkoliikenteen energiatehokkuuden seuranta, raportointi ja kehittäminen (JOLEN)... 122 6.4 Kuljetusalan energiatehokkuuden raportointi ja tehostamistoimenpiteiden vaikutusten arviointi... 123 6.5 Muut julkaisut... 124 7 Turku AMK: Jarrujen kunnon valvonta... 126 8 Oulun Yliopiston tehtävät HDENIQ/RAMSES projektissa... 128 8.1 Raskaan ajoneuvon massan sekä liukkauden estimointijärjestelmä... 128 8.1.1 Tutkimuksen kohteet ja alatehtävät... 128 8.1.2 Liukkauden tunnistus... 128 8.1.3 Massan estimointimenetelmä... 129 8.1.4 Menetelmien yhdistäminen... 132 8.1.5 Yhteenveto Oulun Yliopistossa tehdyistä tutkimuksista... 133 9 Projektin ohjaus... 134 10 Yhteenveto... 135 11 Tulosten hyödyntäminen... 139 11.1 Osaamisen kerryttäminen... 139 11.2 Osallistujien hyödyntämisnäkymät... 140 12 Julkaisuluettelo... 141

7 (142) 1 Johdanto Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo, HDENIQ-projekti, jatkoi raskaiden maantieajoneuvojen energiankulutuksen, päästöjen ja turvallisuuden tutkimusta aikaisempien HDEnergia ja RASTU-projektien hengessä. Projektin otsikkotasolla mainittu energiankulutus ja sen vähentäminen toimi tutkimuksessa alatehtäviä yhdistävänä tekijänä. Toinen otsikkotason teema oli älykkyys, joka viittaa ICTjärjestelmien mahdollisuuksiin energiankulutuksen, turvallisuuden ja palvelutason lisääjänä. HDENIQ kuului osana VTT:n koordinoimaan TransEco-tutkimusohjelmaan, vastaten sen raskaan ajoneuvokaluston tutkimustarpeita. Tutkimushanke palveli henkilö- ja tavarakuljetusratkaisujen tuottajia sekä eri viranomaistahoja, ja loi pohjaa uusille liiketoimintamahdollisuuksille, jotka perustuvat teknisiin sovelluksiin ja palveluihin. Näihin liittyen hanke: Antoi uutta tietoa ja välineitä vaikuttaa energiatehokkaiden palveluratkaisujen tuottamiseen sekä julkisella että yksityisellä sektorilla Loi uusia välineitä ja mittareita joilla voidaan luotettavasti vertailla erilaisten valintojen kokonaisvaikutuksia niiden koko elinkaaren ajalla Selvitetty todelliset säästöpotentiaalit, ja siten mahdollistaa liikennöitsijöiden, liikenteen tilaajien, valmistajien ja yhteiskunnan päättäjien päätöksenteon Ilman tietoa todellisista vaikutuksista oikeita päätöksiä on vaikea tehdä. Antoi luotettavaa tietoa uuden tekniikan pakokaasupäästöistä, mitä voidaan hyödyntää kalustovalinnoissa ja päästölaskelmien tekemisessä Loi uusia innovatiivisia ICT-järjestelmiä hyödyntäviä ja toimintaa tehostavia, turvallisuutta parantavia sekä palvelutasoa parantavia menetelmiä ja niiden ympärille kehittyviä palvelumalleja Yleinen viitekehys tekemiselle, liitynnät muihin projekteihin ja viestintäasiat on kuvattu TransEco-ohjelman vuosiraporteissa, jotka ovat haettavissa ohjelman verkkosivuilta osoitteesta: http://www.transeco.fi/ VTT:n käynnistämä viisivuotinen (2009 2013) 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. Käsillä oleva HDENIQ-loppuraportti sisältää vuoden 2012 uudet mittaukset, mutta kokoaa myös yhteen soveltuvin osin aikaisempien vuosien tutkimustuloksia. Useista alatehtävistä, kuten aerodynamiikkatutkimuksesta, erilaisissa seurantatutkimuksista ja IT-järjestelmätutkimuksista, on vuosien 2009-2011 vuosiraporteissa esitetty katsauksia kehitystilanteesta ja alustavia tuloksia, mutta varsinaiset lopputulokset on saatu käsiteltäväksi vasta projektin loppupuolella vuonna 2012, ja niitä nyt esitellään tässä raportissa.

8 (142) 2 Ajoneuvotekniikka 2.1 Aerodynamiikka Nykypäivän tieliikenteessä käytettävät raskas tavarankuljetuskalusto ei tyypillisesti ole aerodynaamisesti optimoitua. Vaikka uusien vetoautojen suunnittelu huomioikin aerodynamiikan, ei ajoneuvoyhdistelmä kokonaisuutena toteuta matalan ilmanvastuksen periaatteita. Huolimatta siitä, että ilmanvastuksen merkitys ajoneuvoissa on tunnettu jo vuosia, ei kalusto ole oleellisesti muuttunut. Syynä ajoneuvojen nykytilanteeseen voidaan arvioida olevan esimerkiksi ajoneuvojen suurimmat sallitut mitat ja kuormatilan maksimoiminen, tai se että aerodynaamisia vaihtoehtoja ei ole saatavilla ja niiden kustannusten koetaan olevan liian suuria. On myös mahdollista, ettei aerodynamiikkaa ilmiönä ymmärretä tai että sen vaikutusta vähätellään ajoneuvoissa, joiden ajonopeus on alle 90 km/h. VTT:n aerodynamiikan demonstraatiotutkimuksella pyrittiin osoittamaan keinoja aerodynamiikan parantamiseksi nykypäivän tyypillisessä kalustossa sekä osoittamaan ilmanvastuksen merkittävä vaikutus ajoneuvon energian kulutukseen. Tehtävän tavoitteena oli rakentaa aerodynaamisesti paranneltu ajoneuvo tyypillisen nykyaikaisen raskaan yhdistelmän pohjalta. Tutkimusajoneuvo varusteltiin suunnitelman mukaisesti osasarjalla, joka suunniteltiin parantamaan ajoneuvon aerodynaamista suorituskykyä. Suunnitelma on esitetty kuvissa 1 ja 2. Kuva 1: Aerodynaamisesti paranneltu raskas ajoneuvo. CAD Suunnittelukuva.

9 (142) Kuva 2: VTT:n raskaan ajoneuvon aerodynamiikan konsepti. Osasarja sisälsi kuusi erillistä parannuskohdetta: Ajoneuvon johtoreunan ja kuormatilan saumattomasti yhdistävä kate, joka vähentää ilman pyörteilyä mutta sallii silti hytin jouston. Ajoneuvon voimalinjan ja takapyörät sulkeva kate, joka vähentää alustan epätasaisuuksien sekä renkaiden aiheuttamia häiriöitä virtauskenttään. Ajoneuvon pohjassa kulkeva virtauskanava alkaa vetoauton alta Vetoauton ja perävaunun kuormatilojen välinen kate, joka ohjaa ilman kuormatilojen välisen raon yli säilyttäen tasaisen virtauksen ajoneuvon ympärillä. Dolly-vaunun (apuperävaunun, jolla puoliperävaunu yhdistetään vetoautoon) kate, joka muotoilee vaunun sopimaan ajoneuvon virtaviivaiseen muotoon. Dolly- vaunun kate on myös osa ajoneuvon alla kulkevaa virtauskanavaa Perävaunun kate, joka sulkee vaunun epätasaisen pohjan ja renkaat. Koko yhdistelmän alla kulkeva virtauskanava jatkuu myös tässä osassa ja ohjaa virtausta koko yhdistelmän takimmaiselle jättöreunalle ja vähentää siten virtauskentän irtoamisen aiheuttamaa pyörteilyä Perävaunun jättöreunan kate, joka ohjaa virtausta yhdistelmän taakse vähentäen virtauskentän irtoamisesta johtuvaa pyörteilyä Katteiden rakenne muotoili ajoneuvon aerodynaamiseksi keskeisiltä alueilta. Ajoneuvon johtoreuna muotoiltiin koko ajoneuvon yläosan ja kuormatilan etureunan peittävällä katteella. Ajoneuvon sekä perävaunun pohjat katettiin renkaat ja voimalinjan peittävällä kaukalolla. Ajoneuvon alle tehtiin virtauskanava, jonka osana myös dolly-vaunun kate on. Kuormatilojen välinen kate ohjaa ilmaa kuormatilojen välissä. Ajoneuvon keulaa, vaikka se on tärkeä osa ilmanvastuksen kannalta, ei kokonaisuudessaan katettu demonstraatiossa toisaalta riittävän ilman kierron varmistamiseksi konetilassa ja toisaalta ajoneuvon mittojen säilyttämiseksi. Jättöreunan katetta lukuun ottamatta muutokset ovat mahdollisia jo nykyisen lainsäädännön puitteissa ja tarjoavat liikennöitsijöille hyödyllistä tietoa aerodynamiikan vaikutuksesta ajoneuvon suorituskykyyn sekä keinoista joita sen parantamiseksi voidaan käyttää.

10 (142) Katteita ei ole testattu talviolosuhteissa, mutta alaosan katteet irrottamalla voidaan mahdollinen lumen pakkautuminen estää. Ajoneuvon yläpuolisten katteiden toimintaan talviolosuhteet eivät vaikuta. Aerodynamiikka-demonstraatioajoneuvo valmistui talvella 2012. Demonstraatioajoneuvolla toteutettiin sarja ajovastusmittauksia eri kateyhdistelmillä. Eri ajovastuksia vertailtiin alustadynamometrilla mittauksissa ajosuoritteiden yli joiden perusteella ilmanvastuksen vaikutus ajoneuvon energian kulutukseen voitiin määritellä. Energian kulutuksen lisäksi toteutettiin virtauskentän visualisointi demonstraatioajoneuvon ympärillä savupanoksien tuottamalla savulla. Kuva 3: VTT raskaan kaluston aerodynamiikan demonstraatioajoneuvo. Virtauskentän visualisointi toteutettiin ajoneuvoon kiinnitettyjen savuheitteiden avulla. Ajoneuvoa ajettiin vakionopeudella testialueella ja savun kulkua ajoneuvon ympärillä tarkasteltiin visuaalisesti. Visuaalisen tarkastelun avulla voitiin tehdä arvioita aerodynaamisten katteiden toimivuudesta. Kuva 4: Virtauskentän visualisointi aerodynamiikkademonstraation ja perusrakenteisen yhdistelmän ympärillä.

11 (142) Vaikkakaan visualisointi ei anna kuvaa koko virtauskentästä, voidaan siinä tehdä havaintoja virtauksen käyttäytymistä aerodynaamisesti keskeisten alueiden ympärillä. Näitä ovat: Perusajoneuvossa ilman virtaus pysähtyy muodon pystysuoriin osioihin Perusajoneuvon ympärillä ilman virtaus kokonaisuudessaan huomattavan pyörteilevää Parannesarjassa kuormatilojen välinen osa vaatisi jatkokehitystä. Myös perävaunun johtoreunaa muotoileva kate on yläosastaan liian vähän pyöristetty, osittain katteen alla olevan kylmälaitteiston takia. Ajoneuvon johtoreunan yläosassa virtaus kulkee sulavasti katteen yli Aerodynaamisten parannusosien asentaminen pienentää ajoneuvoon kohdistuvaa ilmanvastusta ja tätä kautta kokonaisajovastuksia. Demonstraatioajoneuvon ajovastukset määriteltiin VTT:n ajovastusmenetelmällä. Mittaustulokset ilmanvastuksen osalta on esitetty kuvassa 5. Tuloksista havaitaan, että täysin kattamattoman perusajoneuvon ilmanvastus on huomattavan korkea. Tuloksista nähdään myös tyypillisen tuuliohjaimen merkittävä ilmanvastusta vähentävä vaikutus. Erityisen tärkeä havainto kuitenkin on, miten huono perusajoneuvon tavallinen päälirakenne on aerodynaamisesti. Alapuolisten katteiden vaikutus demonstraatioajoneuvon ilmanvastukseen oli noin 9 %. Tämä tuli ilmi sekä kattamattomassa ajoneuvossa että tuuliohjaimella varustetussa ajoneuvossa. Mittaustulosten mukaan aerodynaamisen parannesarjan kokonaisvaikutus pienentää ilmanvastusta noin 27 %, verrattuna tyypillisellä ilmanohjaimella varustettuun perusajoneuvoon. Kuva 5: Ilmanvastuskerroin eri aerokokoonpanoilla Ilmanvastuksen vaikutus ajoneuvon energian kulutukseen ei kuitenkaan riipu pelkästä ilmanvastuskertoimen muutoksesta, vaan se riippuu ilmanvastuksen osuudesta kokonaisvastuksissa laskettuna koko ajosuoritteelle. Kokonaisvastus muodostuu ilmanvastuksen lisäksi renkaiden rullausvastuksesta, inertian aiheuttamasta

12 (142) kiihdytysvastuksesta ja tien pituuskaltevuuden aiheuttamasta nousuvastuksesta. Ilmanvastuksen vähenemisen vaikutuksen määrittämiseksi energian kulutukseen, demonstraatioajoneuvolla tehtiin mittauksia VTT:n raskaan kaluston alustadynamometrilla käyttäen rullauskokeessa määritettyjä ajovastusarvoja ja erilaisia ajoprofiileja. Ajoprofiileiksi valittiin kaksi moottoritietyyppistä ajosykliä. Moottoritiesykli on hyvä vertailukohta, koska se on yleisin ajosuorite jota raskaalla yhdistelmällä toteutetaan. Ajoprofiilit olivat TR-moottoritiesykli sekä LOT2-moottoritiesykli. Syklit ovat samankaltaiset, mutta eroavat toisistaan nopeusvaihteluiden osalta. Kulutustulokset on esitetty kuvassa 6. Mittaustuloksesta nähdään ilmanvastuksen suuri merkitys tyypillisessä maantieajossa. Demonstraatioajoneuvon polttoaineen kulutus oli TR-moottoritiesyklissä 13 % pienempi kuin pelkällä ilmanohjaimella varustetun ajoneuvon ja peräti 23 % pienempi verrattuna ajoneuvoon, jossa ei ollut mitään aerodynaamisia lisälaitteita. LOT2-moottoritiesyklissä erot olivat vastaavasti 12 % ja 21 %. Ilmanvastuksien voittamiseksi tarvittavan työn osuus sykleissä oli vastaavasti 46 % ja 41 %. Tulokset osoittavat miten ajoprofiili vaikuttaa ilmanvastuksen merkitykseen, mutta myös sen, miten tärkeässä roolissa ilmanvastus on koko ajoneuvon energiatehokkuutta ajatellen. Kuva 6: Ilmanvastuksen vaikutus energian kulutukseen VTT:n aerodynamiikan demonstraatio keskittyi pääasiassa nykylainsäädännön puitteissa toteutettaviin muutoksiin. Kuitenkin tämän työn lisäksi toteutettiin tutkielma pidemmälle viedyn konseptin suorituskyvyn arvioimiseksi. Tämä työ toteutettiin diplomityönä. Tutkielmassa hyödynnettiin pienoismalli-tuulitunnelikokeita Aalto-yliopiston aerodynamiikan laboratoriossa. Yksi tutkituista aerodynamiikkakonsepteista on esitetty kuvassa 7. Konsepteilla saavutetut ilmanvastuskertoimet olivat jopa 64-76 % pienempiä, kuin referenssimallin. Referenssimallina toimi tyypillinen nykyaikainen rakenne

13 (142) tuuliohjaimella. Tuulitunnelikokeiden tuloksia tarkastellessa tulee ottaa huomioon, että tarkastelussa on pienoismalli, eikä kokonaisessa ajoneuvossa syntyviä häiriöitä saada siinä täysin toistettua, joten sen antamat tulokset poikkeavat hieman todellisuudesta. Siten tarkastelussa saatu Cd-arvo voidaan todeta optimistiseksi. Tarkemmat tulokset tuulitunnelikokeista on raportoitu diplomityössä: Keinot raskaan kaluston ilmanvastuksen puolittamiseen, K.Killström. Kuva 7: Kehittynyt aerodynamiikka konsepti lähde: Keinot raskaan kaluston ilmanvastuksen puolittamiseen, K.Killström, Aalto Yliopisto Lisätietoja: Petri Laine (Petri.Laine@vtt.fi) 2.2 Raskaan kaluston energiajakauma ajosuoritteissa Raskaan kaluston ajosuoritteella on merkittävä vaikutus siihen mitkä osa-alueet vaikuttavat energian kulutukseen. Erityyppisissä ajosuoritteissa eri tekijät nousevat määrääviksi. Tuntemalla nämä vaikutussuhteet voidaan ajoneuvojen energian kulutuksen tehostamisessa keskittyä oikeisiin toimenpiteisiin. Energiajakaumat puolen kuorman ajovastuksilla, eri ajoneuvotyypeille, eri ajosuoritteissa on esitetty taulukossa 1. Taulukossa esitetyt jakaumat koskevat vain ajoneuvon liikuttamiseen kuluvaa energiaa eivätkä kuvaa ajoneuvon kokonaisenergian kulutusta. Arvo Etotal tarkoittaa ajoneuvon massan kiihdyttämiseen ja ajovastuksiin kuluvaa energiaa ajosuoritteen yli. Edelleen arvo Ev tarkoittaa ajovastuksiin (rullausvastus, ilmanvastus) kuluvaa energiaa. Eroll arvo tarkoittaa pelkkiin rullausvastuksiin kuluvaa energiaa. Taulukosta 1 voidaan nähdä esimerkiksi, että ajovastuksista Braunschweig-kaupunkibussisyklissä rullausvastuksen osuus on huomattava (>60 %). Toisaalta ajovastusten osuus koko ajoneuvon liikuttamiseen kuluvasta energiasta on noin 30 %. Taulukosta käy myös ilmi miten energia jakautuu eri ajoneuvotyypeissä ja miten ajosuorite vaikuttaa energiajakaumaan.

14 (142) Taulukko 1: Energian jakautuminen eri ajosuoritteissa eri ajoneuvotyypeillä. Lisätietoja: Petri Laine (Petri.Laine@vtt.fi) 2.3 Ajoneuvoyhdistelmän sivutuuliherkkyys (VTT) 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 [1.1]. Sivutuulen vaikutuksesta raskaan ajoneuvon ajovakauteen on julkaistu ulkomaisia tutkimuksia myös viime vuosina [1.1], [1.2], [1.3]. 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 tarkasteltiin kotimaan teillä liikkuvan ajoneuvokaluston ja olosuhteiden näkökulmasta. Työn tavoitteena oli selvittää laskennalliseen malliin perustuen raskaan ajoneuvoyhdistelmän ajovakauden kannalta vaarallisen sivutuulen nopeus ja suunta. Ajovakauden tarkastelu jaettiin kallistumisvakauteen ja suuntavakauteen. Sivutuuli oletettiin nopeudeltaan ja suunnaltaan vakioksi. Käytetyt simulointimallit ja periaatteet on esitetty tarkemmin HDENIQ-projektin vuosiraportissa 2011. 2.3.1 Kallistumisvakaus Ajoneuvoyhdistelmän kaatumiseen mahdollisesti johtava vaarallinen tuulen nopeus määritettiin kasvattamalla ajoneuvoon vaikuttavaa askelmaista tuulta, kunnes jonkin renkaan tiehen kohdistuvan voimavektori saavutti arvon nolla. Tarkastelu tehtiin tasaisella ajoalustalla, jossa renkaan ja tien pinnan välinen kitkakerroin oli 0,80. Ajoneuvoyhdistelmällä oletettiin ajettavan vakionopeutta ja ohjausheräte pidettiin nollassa. Vaarallinen tuulen nopeus määritettiin ajonopeuksille 15, 22 ja 25 m/s ja tuulen suunnille 20-120. Kaatumiseen johtava vaarallinen tuulen nopeus tuulen suunnan funktiona on esitetty kuvassa 8. Ylemmässä kuvaajassa on esitetty tuulen nopeus vetoautolle ja alemmassa kuvaajassa puoliperävaunulle. Parametrina kuvaajissa on ajonopeus. Vaarallisin tuulen suunta ajoneuvoyhdistelmän kaatumisen kannalta oli 60-70.

15 (142) Tällöin vaarallinen tuulen nopeus oli matalin, vetoautolle 26 m/s ja puoliperävaunulle 25 m/s. Tuloksista havaitaan, että vaarallinen tuulen nopeus puoliperävaunulle oli 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 8. Ajoneuvon kaatumiseen johtava tuulen nopeus tuulen suuntakulman funktiona. Parametrina ajonopeus. 2.3.2 Suuntavakaus Sivutuulen aiheuttama kitkatarve ajoneuvoyhdistelmälle määritettiin suoralla tiellä, jossa renkaan ja tien pinnan välinen kitkakerroin oli 0,80 ja jonka sivukallistuma oli 4,0 %. Tarkastelutilanteessa ajoneuvoyhdistelmään alkoi vaikuttaa vastakkaisen kaistan puolelta tuuli, jonka nopeus ja suunta pysyivät vakioina. Tuulen vaikuttaessa ohjausherätettä säädettiin siten, että sivusuuntainen poikkeama vetoauton etuakselin kohdalla pysyi nollassa. Akselikohtaiset kitkatarpeet määritettiin ajoneuvoyhdistelmän saavutettua vakiotilan. Tarkastellut ajonopeudet ovat 15, 22 ja 25 m/s, tuulen nopeudet 5, 10, 15, 20 m/s ja tuulen suunnat 20-120. Akseli- tai telikohtaiset kitkatarpeet määritettiin tuulen suunnan funktiona. Suurimmat kitkatarpeet saavutettiin tuulen suunnan ollessa 60-70. Tämä tuulen suunta todettiin myös kaatumisen kannalta vaarallisimmaksi. Akseli- tai telikohtaiset kitkatarpeet tuulen suunnalla 70 on esitetty kuvassa 9. 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 [1.4]) ajoneuvon hallinnan edellyttämä kitkakerroin 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.

16 (142) (a) (b) Kuva 9. Ajoneuvoyhdistelmän akseli- tai telikohtainen kitkatarve sivutuulessa, (a) parametrina tuulen nopeus ja (b) parametrina ajonopeus. 2.3.3 Johtopäätökset Tulosten paikkansa pitävyyden kannalta keskeistä on ajoneuvoon vaikuttavien aerodynaamisten voimien todenmukaisuus. Työssä käytetyt aerodynaamiset kertoi-

17 (142) met perustuvat lähteeseen, jossa kertoimet on määritetty pienoismallikokeilla. Näitä tuloksia on varmennettu myös laskennallisilla malleilla [1.3]. 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 [1.4]. 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 [1.3]. Tutkimuksissa on määritetty paikkoja, joissa kaatumisia on tapahtunut useita. Tällaisiin paikkoihin on myös rakennettu tuuliaitoja sekä varoitusjärjestelmiä varoittamaan vaarallisen kovasta tuulesta [1.3]. Sivutuulen vaikutus ajoneuvon suuntavakauteen ja kitkatarpeen lisäykseen on merkittävä alhaisen 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 [1.4]. 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. 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 %.

18 (142) 2.3.4 Lähdeviitteet [1.1] 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, 2011. Vol. 99, pages 1000-1010. [1.2] 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, 2011. Vol. 99, pages 1011-1024. [1.3] Baker C., Cheli F., Orellano A., Paradot N., Proppe C., Rocchi D. Crosswind effects on road and rail vehicles. Vehicle System Dynamics, 2009. Vol. 47, pages 983-1022. [1.4] Tuulet ja myrskyt. Ilmatieteenlaitoksen www-sivut [viitattu 20.6.2012]. Saatavissa: http://ilmatieteenlaitos.fi/tuulet. [1.5] Juurikkala J. Autotekniikan käsikirja, Autotekniikan perusteet. Kustannusosakeyhtiö Tammi, 1981. 672 s. ISBN 951-30-4596-X. Lisätietoja: Pekka Rahkola (Pekka.Rahkola@vtt.fi) 2.4 Rengastutkimus HDENIQ hankkeen aikana toteutettiin rengastutkimus, jonka tavoitteena oli osoittaa vetorenkaiden välistä suorituskykyeroa sekä niiden välistä kulutuskestävyys eroa. Tätä kautta renkaan elinkaarikustannusta voitaisiin paremmin arvioida ja tehdä johtopäätöksiä eri rengastyyppien kustannustehokkuudesta. Tutkimustulosten pohjalta päätettiin laatia web-ohjelmisto joka perustuu tutkimustuloksiin. Vuoden 2012 aikana rengastutkimus saatettiin päätökseen. Erityyppisten renkaiden kulutuskestävyydestä saatiin tietoa sekä kaupunkibussien että raskaiden kuorma-ajoneuvojen osalta, talvikauden ylittävistä kenttätesteistä. Lisäksi renkaiden rullausvastusta mitattiin alustadynamometrilla, jonka avulla todennettiin myös renkaiden energian kulutusvaikutus todellisen ajosuoritteen yli. Kuorma-autojen osalta kenttätutkimus toteutettiin VR-Transpoint Oy:n kuormaautoilla (60t vetoautot) kahden eri talvikauden yli, jotta renkaiden kulumisominaisuus voitaisiin todentaa. Kuorma-auton renkaiden kuluminen kaudelta 2010 2011 on esitetty kuvassa 10 ja kaudelta 2011 2012 kuvassa 11. Tuloksista voidaan havaita, että eri rengasmalleille on erityyppinen kulumisnopeus ja sen hyvä toistuvuus kahden kenttätutkimuskauden yli.

19 (142) Driven axle tire wear _ 60 tonn Trucks 2010-2011 25.00 20.00 Thread depth [mm] 15.00 10.00 5.00 0.00 Noktop 41 Noktop 45 Noktop 45 Siped Noktop 21 0 50000 100000 150000 Milage [km] Kuva 10: Renkaiden kuluminen kilometrisuoritteen suhteen kausi 2010-2011 Driven axle tire wear _ 60 tonn Trucks 2011-2012 25 20 10.2011 Thread depth [mm] 15 10 5 0 Noktop 41 315/70 Noktop 45 315/80 Noktop HKPL D 315/70 Noktop 21 315/80 0 50000 100000 150000 Milage [km] Kuva 11: Renkaiden kuluminen kilometrisuoritteen suhteen kausi 2011-2012 Kauden 2011 2012 tutkimuksessa korkeimman kulutuskestävyyden omaava rengas antoi korkeimman rullausvastustuloksen. Tästä huolimatta sama Noktop 45 rengastus antoi pienimmän kulutustuloksen ajosuoritteen yli. Osaltaan tulokseen vaikuttaa renkaiden profiiliero, koska kaikki mittaukset suoritettiin samalla ajoneuvolla. Toiseksi alhaisimman polttoaineen kulutustuloksen ajosuoritteen yli antanut rengas puolestaan antoi matalimman rullausvastustuloksen. Tulokset vahvistavat vuoden 2011 raportoinnissa esitettyä näkökantaa ettei vetävän akselin renkaiden energian kulutusvaikutusta voida suoraan arvioida pelkän rullausvastuksen pohjalta. Polttoaineen kulutus moottoritiesyklin yli on esitetty kuvassa 12.

20 (142) Yksi Noktop 21 sarjoista korvattiin kenttätutkimuksen alussa toisella sarjalla erikoiskuljetusten takia. Osa tutkimuksen renkaista vaurioitui tutkimuksen aikana. Kuva 12: Renkaiden vaikutus polttoaineen kulutukseen moottoritiesyklissä. Vastaavanlainen tutkimus bussien renkailla toteutettiin Veolia Transport Finlandin kaupunkibusseilla. Renkaiden kuluminen on esitetty kuvassa 13. Tuloksissa nähdään kuorma-autotutkimuksen tapaan renkaiden ominainen kulumisnopeus. Kuvaajasta nähdään myös kevätkaudella voimistuva kuluminen. Driven axle tire wear _ city busses 25.00 11.2010 20.00 04.2011 Thread depth [mm] 15.00 10.00 5.00 Noktop 45 GT-radial 867 Noktop 21 Bridgestone M788 Mich. X-In City 06.2011 0.00 0 50000 100000 Milage [km] Kuva 13: Kaupunkibussien renkaiden kuluminen kilometrisuoritteen suhteen. Kuva 14 esittää renkaiden vaikutusta polttoaineen kulutukseen uutena.

21 (142) Kuva 14: Kaupunkibussien renkaiden kulutuserot uutena. Kuva 15 esittää renkaiden kulumisen vaikutuksen ajoneuvon energian kulutukseen. Mitatut tulokset ovat peräisin dynamometrimittauksista sekä uusilla että kuluneilla renkailla. Laskennallinen tarkastelu taas pohjautuu ko. renkaiden rullausvastusmittauksien tuloksiin. Tuloksista nähdään miten pelkän rullausvastuksen määrittäminen vetorenkaissa ei välttämättä anna todellista kuvaa sen suorituskyvystä. Lisäksi tulokset osoittavat että kuluneet vetorenkaat ovat huomattavasti energiataloudellisempia kuin uudet, vaikka rullausvastuksen ei havaita laskevan samassa suhteessa. Calculated consumption and measured consumption in Braunschweig cycle 45.00 Measured 2010 44.00 43.00 Measured 2011 Calculated 2010 Calculated 2011-5,94% Consumption [l/100 km] 42.00 41.00 40.00-2,42% -5,07% -2,73% -4,67% 39.00 38.00 37.00 Michelin XZA (test) GT radial 867 Bridgestone 788 Michelin X in City Noktop 45 Noktop 21 Kuva 15: Kaupunkibussien energian kulutus uusilla ja käytetyillä renkailla; rullausvastukseen perustuva tarkastelu verrattuna mitattuun.

22 (142) Rengastutkimuksen tuloksia hyödynnettiin rengaslaskurin kehityksessä. Rengaslaskurin kehitystyö on saatettu loppuun ja siitä on julkaistu esiversio koekäyttöön osoitteessa http://ajoneuvot.vtt.fi/ajoneuvot/rengaslaskuri.jsp. Lopullinen versio laskurista julkaistaan, kun sen toiminnallisuus saadaan lopullisesti varmistettua. (Huom. toimii vain MS Internet Explorer-selaimella Rengaslaskuri laskee eri rengaskombinaatioiden kokonaistaloudellisuutta perustuen osittain VTT tutkimustietoon ja toisaalta käyttäjän määrittelemiin arvoihin. Kuvassa 16 on esitetty rengaslaskurin käyttöliittymä. Kuva 16: Rengaslaskurin käyttöliittymä. Lisätietoja: Petri Laine (Petri.Laine@vtt.fi)

23 (142) 2.5 Öljytesti 2.5.1 Testin valmistelu ja tausta Öljytestissä oli tavoitteena tutkia käytössä vanhennetun öljyn ja tuoreen öljyn eroavaisuuksia ja niiden vaikutusta moottorin toimintaan. Sekä vanhennetut, että uudet öljyt oli tarkoitus käyttää samaa moottoria käyttävässä autossa, jota ajetaan VTT:n raskaalla alustadynamometrilla ja päästömittauslaitteistolla. Mittauksissa käytetty auto sekä öljynvaihtovälineistöä näkyy kuvassa 17. Öljyjen vanhennus käynnistettiin vuoden 2011 lopulla kolmessa Veolian operoimassa kaupunkibussissa, joissa käytettiin kolmea erilaista moottoriöljyä. Tutkittavat öljyt olivat: Nexbase 5W-30 (Neste Oil kehitystuote) Shell Rimula R6 LME 5W-30 Teboil Super XLD EEV 10W-40 (referenssi, linja-autojen vakioöljy) Vanhennustestissä käytettävät linja-autot olivat Iveco Irisbus Crossway LE linjaautoja, jotka olivat vuosimalliltaan 2010, ja niillä oli ajettu ennen testin aloittamista 125 145 tkm. Moottorinaan autot käyttivät Cursor 8 moottorin 243 kw tehoista versiota, joka täyttää EEV päästötason vaatimukset. Autoista neljä operoi testin aikana Espoon linjoja 143 ja 145, sekä kaksi linjoja 147 ja 150. Autoille kertyi ajoa 9-12 tkm kuukaudessa, ja niiden keskikulutus oli noin 37 l/100km. Eroavista reiteistä huolimatta, autojen päivittäinen ajosuorite oli hyvin samanlainen. Linjojen aikana autolla ajettiin väylä- ja kaupunkiajoa. Kuva 17. Testiauto alustadynamometrillä ja öljynvaihtovälineistöä. Jokainen öljy vanhennetaan yhdessä testiautossa 40 000 km ajomäärään. 40 000 km on kyseisen linja-autotyypin öljynvaihtoväli. Öljyistä otetaan säännöllisesti näytteitä laboratorioanalyysejä varten. Analyysien tuloksia seurataan, jotta moottorille vaaralliset kulumat voidaan havaita.

24 (142) Ennen alustadynamometrimittauksia autoilla ehdittiin ajaa kaksi erää 40 000 km vanhennettua öljyä. Näistä kahdesta erästä sekoitettiin varsinainen testiöljy. Autoihin oli lisätty vanhennuksen aikana uutta öljyä käytössä hävinneen tilalle, mutta näiden lisäysten kirjanpidossa havaittiin puutteellisuuksia, sillä joihinkin autoihin ei ollut merkitty lainkaan öljyn lisäyksiä, vaikka toisiin autoihin oli lisätty yli 10 litraa tuoretta öljyä. Vanhennetun öljyn laimenemissuhde jäi siis epäselväksi, mutta talteen saatujen tulosten perusteella voidaan arvioida, että alkuperäisen öljyn lisäksi autoihin lisättiin öljyä 10 30% nimellismäärästä. Moottorin öljytilavuudesta kadonnut määrä ei johtunut pelkästään öljyn poistumisesta moottorista palamalla tai vuotamalla, vaan osa poistui moottorista otettujen öljynäytteiden vuoksi. Vanhennustestissä oli mukana myös toinen kolmen auton ryhmä, joilla oli tarkoitus ajaa normaalia vaihtoväliä pidempi, 60.000 km:n ajomäärä. Näiden autojen öljyistä ei kuitenkaan saatu talteen niin suurta määrää, että sillä olisi voitu toteuttaa alustadynamometrimittauksia. Tästä ryhmästä saatiin kuitenkin talteen näytteet laboratorioanalyysejä varten. Öljyjen dynamometrimittaukset VTT:llä suoritettiin vuoden 2012 kesällä. Mittaukset suoritettiin samanlaista moottoria, mutta Voith-vaihteistoa käyttävällä autolla, kun vanhennuksessa käytetyt autot käyttivät ZF-vaihteistoa. Erilaista vaihteistoa käyttävä auto valittiin erään toisen testilaboratorion suosituksesta. Testeissä käytetty auto lainattiin testiä varten Veolia Transportilta. Noutohetkellä auton pakopäästöjen jälkikäsittelylaitteiston vikavalo paloi, mutta auto saatiin Ivecon huollossa korjattua ennen mittausten alkua. Vikavalon palaminen aiheuttaa EEV-päästötason autoissa siirtymisen alennettuun moottoritehoon. Vian syynä oli urearuiskutukseen liittyvä paineilmasekoitinventtiili, joka oli tukkeutunut kiteytyneestä ureasta. Huoltotoimenpiteiden jälkeen jälkikäsittelyjärjestelmä ei enää oireillut. Kyseinen auto oli käytössä testiautoja hitaammassa linja-ajossa, jossa autolla ei ajettu juurikaan maantienopeuksilla. Tämän tyyppinen ajo altistaa kyseisen autotyypin urean ruiskutusjärjestelmän kiteytymisongelmille, kun moottori ei pääse käymään ajon aikana kovalla kuormalla pitkäkestoisia aikoja. 2.5.2 Testin suorittaminen Mittauksia varten auto kiinnitettiin tavanomaiseen tapaan VTT:n raskaalle alustadynamometrille, ja sen polttoainelinjat liitettiin ulkoiseen polttoainesäiliöön, josta polttoaineenkulutus saadaan mitattua. Auto myös liitettiin ulkoisen laturiin, jotta akkujen lataus ei aiheuta polttoaineenkulutusta. Urea-linjat päätettiin jättää kytkemättä vastaavaan järjestelmään, sillä niiden irrottaminen kyseisestä automallista tiedettiin hankalaksi toteuttaa autoa vaurioittamatta. Urean kulutuksen seuraamista ei myöskään katsottu tämän tyypin testissä oleelliseksi, sillä odotetut erot kulutuksessa eivät olisi mittatarkkuuden vuoksi helposti erotettavissa. Auton öljypohjaan lisättiin mittausjärjestelmään liitetty lämpötilanmittauspiste, jotta öljyn lämpötilaa pystyttiin seuraamaan ja tallentamaan. Testissä käytettiin seuraavaa etenemisjärjestystä: 1. auton alkuperäiset öljyt valutettiin pois ja öljynsuodatin irrotettiin

25 (142) 2. tulpan lähiseudulta öljypohjasta imettiin imuvaihtajalla mahdollisia saostumia pois 3. auto varustettiin öljypohjan pohjatulpalla, jossa oli venttiili 4. öljyjen annettiin valua (vähintään) edellisen päivän iltapäivästä seuraavaan aamuun 5. suodatin asennettiin paikoilleen, ja sisään laitettavalla öljyllä huuhdeltiin vielä pohjaventtiilin luota viimeisetkin rippeet vanhaa öljyä pois 6. venttiili suljettiin, ja täysi öljymäärä lisättiin 7. testin alussa autoa lämmitettiin ajamalla alustadynamometrilla vakionopeutta, kunnes tarkasteltava vertailulämpötila (noin 85 C) öljypohjassa saavutettiin 8. lämmitetyllä autolla ajettiin 3 peräkkäistä Braunschweig-sykliä 9. (Lounas)tauon jälkeen kohdat 7 ja 8 toistettiin. 10. vaihdetaan testiöljyä: suodatin poistetaan, venttiili avataan ja toistetaan kohdat 4-9. Testin edetessä vanhennettu öljy ajettiin aina ennen samaa öljyä uutena Autossa olleet öljyt olivat juuri vaihtovälin kohdalla., ja olivat samaa öljyä, kuin yksi testiöljyistä. Autojen vakioöljyllä oli tarkoitus ajaa viimeinen testi, ja jättää uusi öljy autoon. Testissä käytetty öljy päätettiin kuitenkin ottaa talteen, ja auto palautettiin uudella öljyllä varustettuna. Sykliajot ajettiin tavallista VTT:n raskaan alustadynamometrin mittauskäytäntöä noudattaen, jossa yksi mittaussarja koostuu yhdestä lämmityssyklistä ja kahdesta mittaussyklistä. Lämmityssykleistä ei yleensä oteta päästömittauksia, sillä niissä auton annetaan tasaantua ajosyklin aiheuttamiin lämpötiloihin ajoneuvon eri osissa. Lämmityssyklistä otetaan kuitenkin talteen polttoaineenkulutus, sekä dynamometrin tiedonkeruujärjestelmältä saatavat tiedot. Testi eteni suunnitellusti muuten hyvin, mutta ensimmäisen öljyn mittauksissa tuli ongelma, koska auto vakionopeudensäädintä ei saatu toimimaan. Myöhemmissä ajoissa tämä kuitenkin saatiin toimimaan. Auton mittauksia edeltävä lämmitysajo onnistui, joten tämä ei vaikuttanut sykliajojen tuloksiin. Alkulämmityksenä toimineet vakionopeusajot olisivat olleet mittausten kannalta myös tärkeä vaihe. Nyt ensimmäisen öljyn vakionopeusajo ei ole vertailukelpoinen muiden kanssa. Toinen ongelma paljastui vasta autoa alustadynamometrilta irrottaessa. Auton toinen takajarru oli varsin lämmin toiseen verrattuna, ja tämä viittasi joko laahaamiseen tai jarrujen epätasapainoon. Jarrut lämpenevät normaalistikin sykliajoissa, mutta täysin toimivalla autolla lämpötilojen pitäisi olla varsin tasaiset jarrujen välillä. Tulosten perusteella laahaaminen on joko ollut erittäin lievää tai jatkunut koko testin ajan tasaisena. Eri ajojen työmäärissä oli pieniä eroja, mutta muutoksen suunta vaihteli, eikä siirtynyt jatkuvasti samaan suuntaan. Ilmeisesti jarruongelma ei siis sotkenut testin tuloksia. Sykleissä toteutuneet ajomatkat ja työmäärät on esitetty kuvassa18.

26 (142) 11.30 11.25 11.20 11.15 11.10 11.05 11.00 10.95 10.90 10.85 10.80 10.75 Matka [km] Pos työ [kwh] 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 Sykliajot ajojärjestyksessä Kuva 18. Ajettujen sykilimittausten totetutunut matka ja työmäärä. 2.5.3 Dynamometrimittausten tulokset Tuntemattomasta syystä auto ei näyttänyt tuottavan erityisen tasaisia tuloksia. 6. toistoissa (kullakin öljyllä) esiintyi suoritetussa työmäärässä varsin isoa vaihtelua. Vaihtelussa ei vaikuttanut olevan selvää kaavaa, vaan toisinaan lämmittelysyklissä esiintyi mittaussarjan suurin työmäärä, toisinaan pienin. Ongelmaa lähestyttiin poimimalla kustakin kuuden mittauksen sarjasta eniten samalla tavalla toistuneet yksittäiset syklimittaukset. Näiden löytämiseksi laadittiin laatuluvut, jotka kertovat toteutuneen ajonopeuden poikkeamisesta syklin tavoitteesta. Toteutunut ja tavoite ajonopeus kohdistettiin toisiinsa 0.1 s tarkkuudella. Laatulukuja eroteltiin neljä. Kaksi niistä kertoo, poikkeaman tavoitteen yläpuolella, ja kaksi, poikkeamisen tavoitteen alapuolella. Laatuluvut lasketaan summaamalla kustakin yksittäisestä mittapisteestä lasketut arvot yhteen. Yksikkönä laatuluvuissa käytettiin aikaa kertaa nopeuden poikkeama eli yksikkönä s km/h. Matemaattisesti tämä olisi voitu muuttaa helposti matkaksi, mutta yksikkö pidettiin erikoisena, jottei se sekaannu todellisiin matkan toteutumiin, sillä laatuluvut jätettiin laskematta, kun auton tuottama teho rullille oli negatiivinen. Lisäksi positiivisen ja negatiivisen poikkeaman laatuluvut eroteltiin moottorin tehon mukaan kahteen osaan, eli 0<P<50 ja P<50. Laatulukujen erottelu on esitetty taulukossa 2. Taulukko 2. Laaditut laatuluvut. Laatuluku Teho [kw] Tavoite Toteutuma Dif, pos 1 0<P<50 < Dif, neg 1 0<P<50 > Dif, pos 2 P>50 < Dif, neg 2 P>50 >

27 (142) Laadittujen laatulukujen avulla oli tarkoitus poimia kustakin mittaussarjasta yksi syklimittaus, jonka tuloksia tarkastellaan. Osoittautui kuitenkin, että syklit olivat toteutuneet varsin hyvin, ja vain yhdessä erottui huomattava poikkeama. Uudella Shellin öljyllä ajettu 3. ajo oli mittasarjan ainoa laatulukujen mukaan huomattavasti epäonnistunut. Jostain syystä autolla ajettiin muutamassa kohdassa liian suurella nopeudella. Laatuluvut ovat esitetty kuvissa 19, 20 ja 21. Selityksenä työmäärän suuriin eroihin ja laatulukujen tasaisuuteen täytyi olla ajoneuvon jarrujen epätoivottu käyttäytyminen. Käyttökelpoisten tulosten saamiseksi, tulostenkäsittelyyn tarvittiin monimutkaisempi menetelmä. 800 700 Nexbase 600 500 400 300 200 Dif, neg 2 Dif, pos 2 Dif, neg 1 Dif, pos 1 100 0 Kuva 19. Nexbase-öljyn laatuluvut ajetuista sykleistä. 700 600 Shell 500 400 300 200 100 Dif, neg 2 Dif, pos 2 Dif, neg 1 Dif, pos 1 0 Kuva 20. Shell-öljyn laatuluvut ajetuista sykleistä.

28 (142) 700 600 Teboil 500 400 300 200 Dif, neg 2 Dif, pos 2 Dif, neg 1 Dif, pos 1 100 0 Kuva 21. Teboil-öljyn laatuluvut ajetuista sykleistä. Ratkaisuksi tuli jokaisen ajetun syklin pilkkominen osiin, ja huonosti toteutuneiden osien poistaminen. Braunschweig-sykli on kestoltaan noin 1730 sekuntia, ja siinä on useita kohtia, joissa moottorijarrutuksen vuoksi polttoaineenkulutusta ei tapahdu. Sykli pilkottiin näistä kohdista 11 osaan, joiden pituus oli keskimäärin 157 sekuntia, vaihdellen 70 ja 250 sekunnin välillä. Näitä 11 tarkastelupistettä käsitellään prosentuaalisena poikkeamana kaikkien 36 arvon keskiarvosta kyseisellä välillä. Tällöin vältetään laskennassa ongelma eriävistä keskiarvoista 11 tarkastelupisteen välillä. Lyhyemmillä tarkasteluväleillä on suhteellisesti enemmän painoarvoa tällä menetelmällä, mutta tätä ei koettu tulosten kannalta ongelmallisena. Tarkasteluvälit ovat esitetty kuvassa 22. Ajonopeus [km/h] 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Aika [s] 0-180 180-250 250-470 470-630 630-760 760-870 870-1030 1030-1200 1200-1450 1450-1620 1620-1731.5 Kuva 22. Laskentaa varten osiin pilkottu Braunschweig-sykli.

29 (142), = 1 3 1 7 + 1 7 + 1 7 + 1 7 + 1 7 + 1 7 + 1 7 + 1 3 1 5 + 1 5 + 1 5 + 1 5 + 1 5 + 1 3 1 3 + 1 3 + 1 3 Kaava 1. 7 pisteen painotetun keskiarvon laskenta Sykli olisi voitu pilkkoa myös muutamasta muusta välistä, mutta löydetyt 10 katkaisuväliä vaikuttivat käyttökelpoisimmilta. Tallennettava polttoaineen kulutus huojuu niin paljon, että ennen pilkkomista, käsiteltävistä arvoista laskettiin painotettu 7 pisteen keskiarvo. Samalla menetelmällä käsiteltiin myös lasketut työmäärät, sillä myös niiden arvoissa on huojuntaa, joskin polttoaineen kulutusta pienempää. Kaavan yhtälö on esitetty kaavassa 1. Jokainen leikattu mittausväli keskiarvoistettiin kyseiselle tarkasteluvälille, ja tämän jälkeen kustakin pilkotusta syklistä poistettiin ne arvot, jotka poikkesivat koko syklin (jäljelle jääneiden arvojen) keskiarvosta yli 2 %. Tämä käsittely tehtiin polttoaineen kulutukselle ja työmäärälle, mutta laatulukujen avulla pääteltiin ajomatkan toteutuneen riittävän hyvin, jotta sitä olisi kannattanut tarkastella yhtä syvällisesti. Laskennassa käytettiin ajomatkana kolmen toteutuneen ajomatkan keskiarvoa. Ajomatka tarvittiin laskentaa varten, jotta polttoaineenkulutus saatiin laskettua. kg/100 km ja l/100 km yksiköihin. Sen lisäksi, että tuloksista poistettiin keskiarvosta yli 2 % poikenneet, poistettiin myös sellaiset arvot, joissa vastaavan pisteen työmäärä tai polttoaineen kulutus oli poistettu. Tarkasteltavista 396:sta laskentapisteestä jäi jäljelle 303. Vaikka huonosti toteutuneiden pisteiden poiminta tehtiinkin prosentuaalisina poikkeamina, saadaan kuitenkin varsinaiset tulokset laskettua oikeilla lukuarvoilla. Jäljelle jääneistä mittapisteistä laskettiin kullekin öljylle keskiarvo ensin kullakin 11 tarkasteluvälille, ja tämän jälkeen keskiarvo näistä 11 laskentapisteestä. Yhdenkään öljyn mistään 11 tarkasteluvälistä eivät kadonneet kaikki pisteet, joten keskiarvoistus onnistui tällä menetelmällä. Kuvissa 23 ja 24 on esitetty mitatut polttoaineenkulutukset eri yksiköissä. Öljyistä Nexbase ja Teboil olivat tuloksiltaan hyvin samaa tasoa, mutta Shell tuotti pienemmän kulutuksen. Kuvassa 25 on laskettu prosentuaalinen poikkeama kaikkien keskiarvoon nähden ja kuvassa 26 prosentuaalinen poikkeama referenssiöljyyn nähden.

30 (142) 43.80 43.70 43.60 FC [l/100 km] 43.50 43.40 43.30 Nexbase Shell Teboil 43.20 43.10 vanha uusi keskiarvo Kuva 23. Polttoaineenkulutus l/100 km yksikössä. 36.60 36.50 36.40 FC [kg/100 km] 36.30 36.20 36.10 Nexbase Shell Teboil 36.00 35.90 vanha uusi keskiarvo Kuva 24. Polttoaineenkulutus kg/100 km yksikössä.

31 (142) 0.80% 0.60% 0.40% FC/s [%] 0.20% 0.00% -0.20% -0.40% vanha uusi keskiarvo Nexbase Shell Teboil -0.60% -0.80% -1.00% Kuva 25. Polttoaineenkulutus kaikkien keskiarvoon nähden. 0.40% 0.20% 0.00% FC/s [%] -0.20% -0.40% -0.60% vanha uusi keskiarvo Nexbase Shell Teboil -0.80% -1.00% -1.20% Kuva 26. Polttoaineenkulutus referenssiöljyn (Teboil) keskiarvoon nähden. Nähdään, että Shell kulutti polttoainetta keskiarvoon nähden 0.7 % ja referenssiöljyyn (Teboil) verrattuna 1.0 % vähemmän. Nexbase ja Teboil olivat noin 0.07 % päässä toisistaan. Referenssiarvon keskiarvoon verratessa näkyy myös, että Nexbasen ja Teboilin polttoaineenkulutus on muuttunut eri suuntaan vanhan ja uuden öljyn mittauksissa. Teboilin tavoin, myös Shellin kulutus oli uudella öljyllä pienempi. Uuden ja vanhan öljy välillä oli muutoksena Shellillä pienenemistä vähän yli 0.2 %, Nexbasella kasvua vajaa 0.5 % ja Teboililla pienenemistä noin 0.2 %. Polttoaineenominaiskulutus huomioi myös muutokset työmäärissä. Polttoaineen ominaiskulutus on esitetty kuvassa 27, ja prosentuaalisina osuuksina kuvissa 28 ja 29.

32 (142) 357 356 SFC [g/kwh] 355 354 353 Nexbase Shell Teboil 352 351 vanha uusi keskiarvo Kuva 27. Polttoaineen ominaiskulutus. 1.00% 0.80% 0.60% SFC [%] 0.40% 0.20% 0.00% -0.20% -0.40% vanha uusi keskiarvo Nexbase Shell Teboil -0.60% -0.80% Kuva 28. Polttoaineenominaiskulutus kaikkien keskiarvoon nähden. Muutokset eivät ole kovin suuria, mutta Nexbasen ja Teboilin välisen pienet erot tasoittuivat entisestään. Eroa näiden välillä (referenssiöljyyn verrattuna) ei ollut kuin 0.04 %, ja eroa Shelliin 0.8 %:iin. Nexbasen osalta uuden ja vanhan öljyn välillä oli kulutuksen kasvua vajaa 0.9 % ja Teboililla 0.2 %. Shellin kulutus pienetyi 0.3 %. Työmäärän huomioiminen muutti tilannetta kuitenkin niin, että polttoaineen ominaiskulutuksen muutos vanhan ja uuden öljyn välillä oli samaan suuntaan Nexbasella ja Teboililla, ja vain Shellillä uusi öljy tuotti vanhaa öljyä pienemmän arvon. Sykli pilkkomalla saatiin käsiteltyä tuloksia niin, että saatiin auton teknisistä vaikeuksista huolimatta laskettua öljyille tärkeimmät suoritusarvot. Näiden tulosten mukaan Shell näyttää tuottaneen vähän pienemmän polttoaineen kulutuksen, ja muut pääsivät lähes identtiseen tulokseen (kuva 29).

33 (142) 0.60% 0.40% 0.20% SFC [%] 0.00% -0.20% -0.40% -0.60% vanha uusi keskiarvo Nexbase Shell Teboil -0.80% -1.00% -1.20% Kuva 29. Polttoaineen ominaiskulutuksen poikkeamat referenssiöljyn (Teboil) keskiarvoon nähden. Kuvassa 30 on esitetty vertailun vuoksi polttoaineen ominaiskulutuksen tulokset suoraan kaikkien syklien tuloksista laskemalla. Kaikkien öljyjen tuloksissa on useita joukosta merkittävästi poikkeavia arvoja. Shellin osalta tulokset ovat niukasti muita paremmat, mutta niissä on myös muihin nähden vähemmän hajontaa. 364 SFC [g/kwh] 362 360 358 356 354 352 350 Nexbase Shell Teboil Kuva 30. Polttoaineen ominaiskulutus kaikista sykliajoista Teboilin öljy oli viskositeettiluokitukseltaan erilainen, joten sen suoritusarvojen olisi voinut olla muita vähän huonompi. Tosin erot viskositeetissa osoittautuivat varsin pieniksi laboratorioanalyyseissä. Näyttää siltä, että vanhennetun öljyn suorituskyky ei merkittävästi huonone öljynvaihtoväliin tultaessa. Shellin öljyn suorituskyky jopa parantui öljyn vanhetessa. Syntyneet erot ovat ainakin niin pieniä, ettei niitä voida havaita kokonaista autoa mittaamalla. Vaihtoväliä vanhemmaksi vanhennetut öljyt jäivät tässä testissä mit-