Raskaan Kaluston VECTO-Simulointi Suomessa

Raskaan kaluston VECTO-simulointi Suomessa

Pekka Rahkola

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä Traficoms forskningsrapporter och utredningar Traficom Research Reports

13/2019 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Julkaisun päivämäärä 26.6.2019 Julkaisun nimi Raskaan kaluston VECTO-simulointi Suomessa

Tekijät Pekka Rahkola

Toimeksiantaja ja asettamispäivämäärä Liikenteen turvallisuusvirasto (Trafi), 14.2.2018 Julkaisusarjan nimi ja numero ISSN(verkkojulkaisu) 2669-8781 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä ISBN(verkkojulkaisu) 978-952-311-334-3 13/2019 Asiasanat Ajovastukset, hyötyajoneuvo, polttoaineenkulutus, VECTO-simulointi

Tiivistelmä Euroopan komission asetuksen (EU) 2400/2017 mukaisesti uusille raskaille hyötyajoneuvoille on ilmoitettava hiilidioksidipäästöt ja polttoaineenkulutus osana ajoneuvon tyyppihyväksyntää. Me- netelmä hiilidioksidipäästöjen ja polttoaineenkulutuksen määrittämiseksi yhdistää mittausta ja simulointia, jotta ajoneuvon teknisten ominaisuuksien ja päällirakenteen vaikutus voidaan huomioida. Simulointimenetelmän käyttö edellyttää ajoneuvon ominaisuuksia kuvaavien lähtötieto- jen määrittämisen suorituskyvyn ja energiatehokkuuden osalta. Lähtötiedoista moottorin polttoaineen-kulutuskartta perustuu aina mittaukseen. Voimansiirron osalta voidaan käyttää joko mitattuja häviöarvoja tai kiinteitä asetustekstissä kuvattuja arvoja. Vierintävastus määräytyy ren- gaskoon mukaisesti menetelmän kiinteistä arvoista ja ilmanvastukselle voidaan käyttää mitattua arvoa tai asetustekstissä kuvattua kiinteää arvoa. Valmiutta VECTO-työkalun käyttöön selvitettiin haastatteluilla. Ensimmäisenä hyväksynnän piiriin tuleville kaksi ja kolmeakselisille ajoneuvotyypeille on jo saatavissa VECTO-laskemia tarjousvaiheessa. Päällirakenne- ja perävaunuvalmistajien osalta tilannetta seurataan, mutta VECTO-laskentaa ei ole vielä tehty. Työssä keskityttiin 76 tonnin kokonaismassaisiin Suomessa käytössä oleviin ajoneuvoyhdistelmiin. Tarkastelussa olivat puutavara- ja sorakasetti- ja umpikorinen rahtiyhdistelmä. Työssä määritettiin vertailuarvot vetoautojen ja ajoneuvoyhdistelmien kokonaisajovastuksille, jotka si- sältävät vierintävastuksen, voimansiirron nopeudesta riippuvat häviöt ja ilmanvastuksen. Li- säksi määritettiin 76 tonnin kokonaismassaisten ajoneuvoyhdistelmien todellisia kulutuslukemia. VECTO-laskentamenetelmän osalta määritettiin voimansiirron, vierintävastuksen sekä ilmanvastuksen lähtötietojen vaikutusta simuloituun polttoaineenkulutukseen puutavarayhdistelmän tapauksessa. Puutavara-auton osalta VECTO-laskennan antamat tulokset ovat 20–40 % todellisia keskimääräisiä polttoaineenkulutuslukemia pienemmät, mutta lähellä todellisten ajojen alhaisimpia kulutuslukemia. VECTO-laskennassa käytettiin hyvissä ajo-olosuhteissa kuivalla asfaltti- tiellä mitattuja ajovastuksia, joten VECTO:n sisältämillä ajosykleillä määritetyt polttoaineenkulutukset ovat hyvä estimaatti todellisesta kulutuksesta hyvissä ajo-olosuhteissa ja hyväkuntoi- sella maantiellä. Yhteyshenkilö Raportin kieli Luottamuksellisuus Kokonaissivumäärä Keijo Kuikka suomi Julkinen 24

Jakaja Kustantaja Liikenne- ja viestintävirasto Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Utgivningsdatum

26.6.2019 Publikation Tunga fordons VECTO-simulering i Finland

Författare Pekka Rahkola

Tillsatt av och datum Trafiksäkerhetsverket (Trafi), 14.2.2018 Publikationsseriens namn och nummer ISSN (webbpublikation) 2669-8781 Traficoms forskningsrapporter och ISBN (webbpublikation) 978-952-311-334-3 utredningar 13/2019 Ämnesord Bränsleförbrukning, körmotstånd, tunga fordon, VECTO-simulering

Sammandrag Enligt EU-kommissionens förordning (EU) 2400/2017 bör koldioxidutsläpp samt bränsleförbruk- ning uppges som en del av typgodkännandet av nya tunga fordon. Då nivån av koldioxidutsläpp och bränsleförbrukning fastställs utnyttjas både mätningar och simuleringar för att kunna ta i beaktande fordonets tekniska egenskaper samt inverkan av olika typer av påbyggnad. För att genomföra simuleringar måste komponenternas prestationsförmåga och effektivitet definieras. Motorns bränsleförbrukning definieras alltid på basen av mätningar. För transmissionens del kan man använda endera uppmätta värden eller värden givna i förordningen. Rullmoståndet definieras på basen av däckstorleken och luftmotståndet kan endera mätas eller definieras enligt värden givna i förordningen. Beredskapen att ta i bruk VECTO-verktyget undersöktes genom intervjuer. VECTO-simulerings- resultat finns redan tillgängligt för två- och treaxlade lastbilar, vilka är de första fordonstypen som omfattas av förordningen. Tillverkare av släpvagnar och påbyggnader följer med situat- ionen, men inga VECTO-simuleringar har blivit genomförda. Den här studien fokuserade på i Finland allmänna fordonskombinationer med en maxvikt på 76 ton. Tre olika fordonstyper behandlades: timmerbil, gruskasset, och skåppåbyggnad. Rullmot- stånd, transmissionsförluster och luftmotstånd uppmättes både för dragbilen en-skilt samt i kombination med släp. Även bränsleförbrukning för fordonskombinationer med en vikt på 76 ton fastslogs. Inverkan på bränsleförbrukningen av parametrar som definierar rullmotstånd, transmissionsför- luster och luftmotstånd utreddes för en lastbil med virkessläp med hjälp av VECTO-simuleringar. Den simulerade bränsleförbrukningen var på samma nivå som de lägsta nivåerna upp- mätta i verkligheten, men 20–40% lägre än den genomsnittliga förbrukningen. Det körmot- stånd som användes i VECTO-simuleringarna var uppmätt på en torr asfalterad väg under goda körförhållanden, så simuleringarna med VECTO-körcykel ger en god uppfattning om den verk- liga förbrukningen under goda körförhållanden på en väg som är i gott skick. Kontaktperson Språk Sekretessgrad Sidoantal Keijo Kuikka finska Offentlig 24

Distribution Förlag Transport- och kommunikationsverket Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Date of publication 26.6.2019 Title of publication Heavy vehicle’s VECTO simulation in Finland

Author(s) Pekka Rahkola

Commissioned by, date Finnish Transport Safety Agency (Trafi), 14 February 2018 Publication series and number ISSN (online) 2669-8781 ISBN (online) 978-952-311-334-3 Traficom Research Reports 13/2019

Keywords Driving resistances, fuel consumption, heavy-duty vehicle, VECTO simulation

Abstract According to European Commission regulation (EU) 2400/2017 CO2 emissions and fuel consumption of new heavy-duty vehicles are to be defined and included in the vehicle’s type ap- proval. The method to define CO2 emissions and the fuel consumption combines component measurements and computer simulation to take into account the versatile of vehicle technical specifications and mission profiles. For that purpose the specification of vehicle components has to be defined from the performance and energy efficiency point of view. The fuel consumption map of the engine is always based on a measurement. Driveline losses can be measured or defined based on values given in the regulation. Rolling resistance is defined in the simulation tool based on the tire size and aerodynamic drag can be measured or defined based in values given in the regulation. The readiness of the VECTO usage was studied using interviews. There are already available VECTO simulation results for two and three axled trucks that are the first vehicle categories to be included in the regulation. Trailer and bodybuilders are looking after the situation but no VECTO simulations are available. This study focused on typical Finnish truck and trailer combinations with gross weight of 76 tons and with three different specific bodyworks: timber body with crane, tipper body, and box body. Total driving resistances forces including the rolling resistance, driveline losses and aerodynamic drag were measured for trucks and for the combination of truck and trailer. Also typical fuel consumption values from vehicle combinations of 76 tons gross weight were gathered. The sensitivity of the parameters defining the rolling resistance, driveline losses and aerodynamic drag on the fuel consumption was studied for a timber truck and trailer combination using the VECTO simulation. The simulated fuel consumption value was on the same level as the lowest values from real driving, but 20–40 % lower than the average consumption values for timber trucks. Driving resistance values used in the VECTO simulation were measured on an as- phalt road in good conditions and thus the simulation using VECTO driving cycles gives an esti- mate of the fuel consumption in good conditions. Contact person Language Confidence status Pages, total Keijo Kuikka Finnish Public 24

Distributed by Published by Finnish Transport and Communications Agency Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

ALKUSANAT Tässä projektissa määritettiin raskaiden hyötyajoneuvojen polttoaineenkulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin vaikuttavia tekijöitä, polttoaineenkulutuksen nykytasoa sekä selvitettiin polttoaineenkulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen määrittämiseen laaditun VECTO-laskentamenetelmän soveltuvuutta Suomessa käytössä olevien ajoneuvojen kannalta. Projektin tilaajana oli Liikenteen turvallisuusvirasto Trafi ja toteuttajana Tek- nologian tutkimuskeskus VTT Oy. Projektin ohjausryhmään kuuluivat Keijo Kuikka Lii- kenteen turvallisuusvirastosta sekä Petri Söderena ja Pekka Rahkola Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:stä.

Helsingissä, 13. marraskuuta 2018

Keijo Kuikka Erityisasiantuntija Liikenne- ja viestintävirasto Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

FÖRORD I det här projektet definierades faktorer som påverkar tunga fordons bränsleförbruk- ning och koldioxidutsläpp. Dessutom utvärderades nuvarande fordons bränsleförbruk- ning och tillämpligheten av VECTO-verktyget för definiering av bränsleförbrukning och koldioxidutsläpp av i Finland använda fordonskombinationer. Projektet beställdes av Trafiksäkerhetsverket Trafi och utfördes av Teknologiska forskningscentralen VTT Ab. Keijo Kuikka från Trafiksäkerhetsverket och Petri Söderena och Pekka Rahkola från Teknologiska forskningscentralen VTT Ab hörde till projektets styrgrupp.

Helsingfors, den 13 november 2018

Keijo Kuikka Specialsakkunnig Transport- och kommunikationsverket Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

FOREWORD This project focuses on things effecting on heavy-duty vehicles’ fuel consumption and CO2 emissions, gathers typical fuel consumption values and studies the feasibility of VECTO simulation tool for the definition of fuel consumption and CO2 emissions of truck and trailer combinations used in Finland. The project was commissioned by the Finnish Transport Safety Agency Trafi and it was carried out by VTT Technical Re- search Centre of Finland Ltd. Project was directed by Keijo Kuikka from Trafi and Petri Söderena and Pekka Rahkola from VTT Technical Research Centre of Finland Ltd.

Helsinki, 13th of November 2018

Keijo Kuikka Specialist Finnish Transport and Communications Agency Traficom

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Sisällysluettelo

1 Tutkimuksen tavoite ...... 1 2 VECTO:n käyttö tyyppihyväksynnässä ...... 2 2.1 Yleiskuvaus VECTO-laskennasta ...... 2 2.2 Sertifioidut arvot ...... 3 2.3 Kiinteät arvot ...... 5 3 Valmistajien haastattelut ...... 6 4 Simulointi ...... 7 4.1 VECTO-laskenta ...... 7 4.2 Herkkyysanalyysi ...... 11 4.2.1 Voimansiirto ...... 11 4.2.2 Vierintävastus ...... 12 4.2.3 Ilmanvastus ...... 12 5 Ajovastusmittaukset ...... 15 6 Mitattu polttoaineenkulutus ...... 20 7 Tutkimuksen tulokset ...... 22 8 Lähdeluettelo ...... 24

Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

1 Tutkimuksen tavoite

Työssä luodaan yleiskuvaus VECTO-laskentamenetelmän käytöstä raskaiden hyöty- ajoneuvojen hiilidioksidipäästöjen ja polttoaineenkulutuksen määrittämisestä osana ajoneuvojen tyyppihyväksyntäprosessia asetuksen (EU) 2400/2017 mukaisesti. Työssä käydään läpi keskeiset laskentamenetelmän käytössä tarvittavat ajoneuvon komponenttien lähtötiedot sekä kuvataan vaihtoehtoiset menetelmät niiden määrit- tämiseksi joko mittaamalla tai käyttämällä asetuksessa määritettyjä kiinteitä arvoja. Laskentamenetelmää tarkastellaan tyypillisten Suomessa käytössä olevien 76 tonnin kokonaispainoisten ajoneuvoyhdistelmien näkökulmasta. Lisäksi luodaan katsaus ajoneuvo- ja päällirakennevalmistajien valmiuteen laskentamenetelmän käyttöön. VECTO-laskentamenetelmällä määritetään esimerkkisimulointi puutavarayhdistel- mälle ja tämän laskennan pohjalta tarkastellaan laskennan herkkyyttä lähtötietojen vaihtelulle. Lähtötietoja verrataan toisaalta kiinteisiin arvoihin sekä neljän erilaisella päällirakenteella varustetun ajoneuvoyhdistelmän mitattuihin ajovastusarvoihin. VECTO-laskentamenetelmällä määritettyjä polttoaineenkulutusarvoja verrataan myös todellisesta ajosta kerättyihin polttoaineenkulutusarvoihin menetelmällä laskettujen tulosten luotettavuuden arvioimiseksi.

1 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

2 VECTO:n käyttö tyyppihyväksynnässä

Raskaiden ajoneuvojen tyyppihyväksynnän osana on säänneltyjen pakokaasupäästö- jen mittaus, jota ollaan laajentamassa polttoaineenkulutuksen ja hiilidioksidipäästö- jen määrittämisellä. Raskaiden hyötyajoneuvojen osuus Euroopan unionin liikenteen hiilidioksidipäästöistä on noin neljännes. Raskaiden ajoneuvojen hiilidioksidipäästöjen rajoittamiseksi tarvitaan vertailukelpoinen menetelmä uusien ajoneuvojen päästöjen mittaamiselle, mikä edesauttaa energiatehokkaiden ratkaisujen käyttöönottoa. Ras- kaiden ajoneuvojen erilaisten moottoreiden, voimansiirron, akselirakenteiden, koko- naismassojen, päällirakenteiden ja ajotehtävien vaikutusten huomioimiseksi hiilidiok- sidipäästöjen määrittämiseen on muodostettu simulointiohjelmisto Vehicle Energy Consumption Calculation Tool (VECTO). [1]

2.1 Yleiskuvaus VECTO-laskennasta

Yhdistämällä ajoneuvon komponenttien mitattuja ominaisuuksia laskentatyökaluun voidaan huomioida raskaiden ajoneuvojen monimuotoisuus sekä ajotehtävien vaikutus polttoaineenkulutukseen. VECTO-laskennassa ajoneuvot jaetaan vetotavan ja kokonaismassan perusteella ajoneuvoryhmiin, jotka ovat esitetty kuvassa 1. Jokaiselle ajoneuvoryhmälle on määritetty tyypillinen kuormatila tai päällirakenne sekä joillekin ajoneuvoryhmille perävaunu.

Ajoneuvoryhmän perusteella määräytyy ajoneuvolle laskettavat ajosyklit, jotka sisäl- tävät nopeusprofiilin sekä tien pituuskaltevuusprofiilin. Ajosyklit kuvaavat kaukolii- kennettä (Long Haul), alueellinen jakeluliikenne (Regional Delivery), jakeluliikennettä kaupungissa (Urban Delivery), jätteen keräystä (Municipal Utility) ja maanraken- nusta (Contruction). Ajosyklit määritetään erilaisilla ajoneuvon hyötykuormilla.

Kuva 1. Ajoneuvoryhmät VECTO-laskennassa, sekä niiden myyntiosuudet EU:ssa ja hiilidioksidipäästöosuudet. [2]

2 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Simulaatiovälineen syöttötietoina ovat seuraavien komponenttien ominaisuudet:

- moottori - vaihteisto - momentinmuunnin - vetävät akselit - ajoneuvon ja päällirakenteen ja mahdollisen perävaunun ilmanvastus - apulaitteet - renkaat

Moottorin polttoaineenkulutusarvojen on perustuttava aina sertifioituun mittaukseen. Voimansiirron häviöt ja ilmanvastus perustuvat sertifioituun mittaukseen tai vaihto- ehtoisesti asetuksessa määriteltyihin kiinteisiin arvoihin. Apulaitteiden kulutus perustuu kiinteisiin arvoihin.

VECTO-laskennan aluksi määritellään ajoneuvon vetotapa ja massa, jolloin ajoneuvo- ryhmä on määrätty. Tämän jälkeen määritetään lähtötietoina suorituskykyarvot sekä polttoaineenkulutus moottorille, välityssuhteet ja häviöt vaihteistolle sekä vetäville akseleille. Vaihteenvaihdolle määritellään ylöspäin ja alaspäin vaihtamiselle rajat vaihdekohtaisesti. Ajoneuvolle määritetään akselikohtainen massa sekä rengaskoko, joka määrittää akselikohtaisen vierintävastuksen. Ajoneuvoryhmän perusteella mää- räytyy geneerinen kuormatila sekä ajoneuvon ilmanvastus. Tämän lisäksi määrite- tään moottorin apulaitteiden energiankulutus sekä mahdollinen vaihteiston voimanulosoton käyttö.

Valmistajalla on velvollisuus määrittää moottorin ja koko ajoneuvon hiilidioksidipääs- töt ja polttoaineenkulutus käyttäen VECTO-simulointityökalua ryhmien 4, 5, 9, ja 10 ajoneuvoille 1.9.2019 alkaen, ryhmien 1, 2, 3 ajoneuvoille 1.1.2020 alkaen, ja ryhmien 11. 12. 16 ajoneuvoille 1.7.2020 alkaen. Valmistajalla on oltava VECTO-simu- lointivälineen käyttöön lupa, ja siihen on luotava käyttöön tarvittava prosessi, joka sisältää mm. tiedonhallintajärjestelmän syöttötietojen määrittämiseen, tallentamiseen ja käsittelyyn, simulointilaskemien määrittämiseen ja tulosten tallentamiseen. Lisäksi on huolehdittava henkilöstön asianmukaisesta koulutuksesta. [3]

2.2 Sertifioidut arvot

Seuraavassa on kuvaukset komponenttien sertifioidusta mittaamisesta. Kullekin komponenttityypille voidaan muodostaa komponenttiperheitä, joista vain kantakom- ponentti mitataan. Valmistaja voi hakea tyyppihyväksyntäviranomaiselta komponent- tiperheelle sertifiointia. Valmistaja on velvollinen ilmoittamaan hyväksyntäviranomai- selle komponenttien ominaisuuksien tai valmistusprosessin muutoksista, jotka teh- dään hyväksynnän jälkeen, ja joilla on huomattavaa vaikutusta häviöihin.

- Moottorin polttoaineenkulutusarvojen määrittäminen tapahtuu aina mittaamalla. Moottoriperheen kantamoottorille mitataan täyskuormituskäyrä, moottorin ajokäyrä (negatiivinen vääntömomentti), säänneltyjen pakokaasupäästö- jen määrittämiseksi tehtävät World Harmonized Transient Cycle (WHTC) ja World Harmonized Stationary Cycle (WHSC) testit sekä polttoaineenkulutuskartta. Perheen muille moottoreille mitataan täyskuormituskäyrä sekä WHTC- ja WHSC-testit. Polttoaineenkulutuskartta mitataan vakautetun ajon tavoite- pisteissä, joissa kussakin moottoria käytetään 95 s ja 55 s vakautusajan jäl- keen mitataan 30 s aikana polttoaineen massavirta. Mittaus etenee laskevilla kuormituksilla ja nopeuksilla (kuva 2).

3 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Kuva 2. Moottorin täyskuormituskäyrän sekä polttoaineenkulutuskartan mittauspis- teet ja mittauksen eteneminen. [3]

- Vaihteiston häviöiden määrittämiseen on kolme vaihtoehtoa: (1) mitataan kuormituksesta riippumattomat häviöt ja lasketaan kuormituksesta riippuvat häviöt, (2) mitataan kuormituksesta riippumattomat häviöt sekä häviö suurim- malla sallitulla kuormituksella ja interpoloidaan välipisteet tai (3) mitataan ko- konaismomenttihäviö kuormituksen ja nopeuden funktiona. Mittaukset suoritetaan nopeudeltaan ja kuormitukseltaan vakiopisteissä. Mittauksen aikana tal- lennetaan vaihteiston sisääntuloakselin ja ulostuloakselin nopeus ja vääntömo- mentti häviöiden määrittämiseksi.

- Momentinmuuntimelle määritetään momenttisuhde sekä vertailumomentti, jotka riippuvat nopeussuhteesta. Mittaaminen voidaan tehdä joko tasaisella nopeudella tai tasaisella kuormituksella. Tasaisella nopeudella sisäänmenoak- selin nopeus asetetaan vakioarvoon ja ulostuloakselin nopeutta muutetaan asteittain nollasta tasaisen nopeuden arvoon ja samalla mitataan akseleilla vai- kuttavat vääntömomentit. Näiden perusteella määritetään momenttisuhde sekä nopeussuhde. Vakiokuormituksella tapahtuvassa mittauksessa sisäänme- noakseli pyörii vakiona pysyvää asetusnopeutta ja akselille asetetaan vaki- osuuruinen vääntömomentti. Ulostuloakselin nopeutta nostetaan asteittain nollasta asetusnopeuteen ja samalla mitataan ulostuloakselin vääntömomentti muuntimen ominaisuuksien määrittämiseksi. Molemmissa mittaustavoissa muuntimen ominaisuudet määritetään nopeussuhteen alueella 0−0,95. Muilla nopeussuhteen arvoilla käytetään automaattisesti kiinteitä arvoja.

- Muut vääntömomenttia siirtävät komponentit, kuten hidastin, mitataan joko erillisenä yksikkönä tai yhdessä vaihteiston kanssa, jos sen on osa sitä. Mo- menttihäviöt määritetään nopeuden funktiona.

- Akseliston, kulmavaihteen tai muun voimansiirron lisäkomponentin, esimerkiksi jakovaihteiston, häviöiden määritys tapahtuu samaan tapaan kuin vaih- teistolla, jolloin määritys perustuu suoraan mittaukseen tai mittauksen ja laskennan yhdistelmään.

4 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

- Ilmanvastuksen osalta tarkastellaan muotokertoimen ja poikkipinta-alan tuloa. Ilmanvastus määritetään vakionopeustestillä kahdella ajonopeudella (hidas 10−15 km/h ja nopea 80−95 km/h). Mittaus voidaan suorittaa joko kehän muotoisella radalla tai suoralla tieosuudella, ja ajoalustan on oltava asfalttia tai betonia. Mitattavat suureet ovat ajoneuvon nopeus, ajoneuvon kokema ilmavirrannopeus, vetävän akselin tuottama vääntömomentti sekä mittausym- päristön olosuhteet. Testit ovat hyväksyttyjä, jos olosuhteet ovat sallitut sekä nopeus ja vääntömomenttipoikkeamat keskiarvosta testijakson aikana ovat alle raja-arvojen. Pienen nopeuden testin tuloksena saadaan vierintävastus- arvo ja suuren nopeuden testin perusteella ilmanvastusarvo.

Jos ajoneuvoon on asennettu aerodynamiikkaa parantavia järjestelmiä, niiden on oltava toiminnaltaan automaattisia ja asennettuna kaikkiin hyväksytyn perheen ajoneuvoihin. Ajoneuvoon kiinnitettäviä lisäosia, kuten lisävaloja, häi- käisysuojia, karjapuskureita, ei huomioida ilmanvastuksen määrityksessä, ja ne on poistettava mittauksen ajaksi.

2.3 Kiinteät arvot

Muille komponenteille kuin moottorille, on mahdollista käyttää asetuksessa (EU) 2400/2017 kuvattuja kiinteitä arvoja simulointityökalun lähtötietoina. Lisäksi apulaitteiden tehontarve määritetään kiinteinä arvoina.

- Vaihteistoille on määritetty laskentakaava kiinteille momenttihäviöarvoille. Laskenta perustuu vaihteiston suurimman nimellisvääntömomentin perusteella määritettyyn vakiona pysyvään häviömomenttiin tai kuormittamattoman hä- viömomentin, sisääntulomomentin ja häviöprosenttien perusteella lasketta- vaan häviömomenttiin. Häviöprosentit ovat suoralle vaihteelle 1 %, epäsuo- ralle 4 % ja kulmavälitykselle 4 %.

- Akselistoille on määritetty kiinteät arvot yksiportaiselle akselistolle ja napavä- litteiselle akselistolle sekä yhdelle vetävälle akselille ja vetävälle telille. Vastus- momentti lasketaan kytketyn vaihteen välityssuhteesta riippuvasta momen- tista sekä hyötysuhteen ja käyttävän momentin avulla laskettavan momentin summana.

- Jos simulointivälineeseen ei syötetä ilmanvastusarvoja, sovelletaan kiinteitä arvoja automaattisesti. Kiinteät arvot on määritetty ajoneuvoryhmille. Simu- loitaessa ajoneuvoyhdistelmää ilmanvastus arvoa kasvatetaan perävaunun vaikutuksen huomioimiseksi.

- Apulaitteiden tehonkulutus perustuu kiinteisiin arvoihin käytettävän teknologian valinnan jälkeen. Apulaitteisiin kuuluvat moottorin tuuletin, ohjaustehos- timen pumppu, sähköjärjestelmän lataus sekä paineilmakompressori. Näiden järjestelmien tehontarve määritetään ajosyklikohtaisena vakiokulutuksena eri teknologioilla toteutettuna.

5 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

3 Valmistajien haastattelut

Kokonaiskuvaa VECTO:n käytön valmiuksista selvitettiin yhteydenotoilla ajoneuvo- ja päällirakennevalmistajiin sekä maahantuojiin.

Ajoneuvovalmistajat:

- Sisu Auto Trucks, hyväksyntäinsinööri Aleksi Rantakokko: VECTO-työkalu on käytössä ja sen kehitystä seurataan. VECTO-simulointeja on suoritettu ja simulointituloksia on vertailtu muihin laskentamenetelmiin. Ajoneuvojen lähtötietoja on määritetty, mutta ajoneuvojen sertifiointeja ei ole tehty. Kiinnostus hybridivoimansiirrolla varustettujen ajoneuvojen simulointiin VECTO:lla.

- Volvo Finland Ab, tuotepäällikkö Mikko Aules: VECTO-menetelmä on tuttu ja käytössä. Komponenttien arvoja on määritetty kattavasti kiinteiden vastusarvojen sijaan. VECTO-simuloinnin tulos on saatavissa osana tarjouslaskelmaa 4x2 ja 6x2 vetotavan ajoneuvoille. Suomeen tuotavat neli- ja viisiakseliset ajoneuvot ovat ilman kokonaisen ajoneuvon EU- tyyppihyväksyntää, mutta VECTO-laskenta on saatavissa niillekin.

- Scania Suomi Oy, tuotepäällikkö Mika Jukkara: VECTO-menetelmä on tuttu ja komponenttien lähtötietojen sertifiointi on käynnissä. Tällä hetkellä moottorit, vaihteistot ja vetävät akselistot ja ohjaa- mot ovat sertifioituja. Kokonaisen ajoneuvon sertifiointia ei vielä ole tehty. Suomeen tuotavat raskaan vetoautot ovat ilman EU-tyyppihyväksyntää.

Päällirakenne- ja perävaunuvalmistajat:

- Oy Närko Ab, Kenneth Eriksson: VECTO-menetelmä on tiedossa, mutta sitä ei ole käytetty eikä sen lähtötietoja määritetty. Menetelmän ja sertifiointiprosessin kehitystä seurattu päälliraken- nevalmistajien verkoston kautta. Kiinnostusta mitata ja saada referenssiarvoja on.

- Jyki Oy, suunnittelupäällikkö Matti Kultala: VECTO-menetelmä on tiedossa, mutta sitä ei ole käytetty eikä sen lähtötietoja määritetty.

6 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

4 Simulointi

4.1 VECTO-laskenta

Seuraavassa esitetään VECTO-laskentaa Sisu Polar Timber -puutavara-auton ja varsinaisen perävaunun yhdistelmälle. Laskenta suoritetaan VECTO:n Engineering-ti- lassa, jossa lähtöparametreja voi asettaa vapaasti. VECTO-ohjelman versio on 3.2.1. Kyseessä ei ole ajoneuvoyhdistelmän sertifiointilaskenta, koska kyseinen ajoneu- voyhdistelmä se ei sisälly mihinkään sertifioinnille määritellyistä luokista.

Ajoneuvoyhdistelmä koostuu neliakselisesta vetoautosta, jossa on kaksi vetävää na- pavälityksellä varustettua akselia ja jonka vetotapa on 8x4, sekä viisiakselisesta pe- rävaunusta (kuva 3). Ajoneuvoyhdistelmän massa nosturin kanssa on 26660 kg ja suurin sallittu kokonaismassa 76000 kg. Moottorin suurin teho on 460 kW ja vääntö- momentti 3000 Nm. Moottorin lähtötietoina tarvittava polttoaineenkulutuskartta on määritetty sertifioinnin mukaisissa pisteissä (kuva 4). 18-vaihteisen vaihteiston hä- viöt sekä vetävän akseliston häviötiedot perustuvat asetuksessa (EU) 2400/2017 määritettyihin kiinteisiin arvoihin. Ajoneuvon lähtötietoina ovat mitatut vierintävas- tus- ja ilmanvastusarvot. Ajosyklistä riippuva apulaitteiden jatkuva kokonaisteho vaihtelee välillä 6,9−8,5 kW, joka perustuu asetuksessa (EU) 2400/2017 määritettyi- hin kiinteisiin arvoihin. Apulaitteisiin kuuluvat moottorin tuulettimen, ohjaustehosti- men, laturin, paineilmakompressorin, ilmastoinnin käyttö. Lisäksi on huomioitu voi- man ulosoton käyttö asetuksen mukaisesti. Apulaitteiden tehontarve sekä voimanulosoton tekemä työ eri ajosykleillä on esitetty taulukossa 1.

Kuva 3. VECTO-simuloinnissa tarkasteltu 76 tonnin kokonaismassainen puutava- rayhdistelmä.

Kuva 4. Moottorin lähtötietojen määrittäminen VECTO-laskentaan.

7 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Taulukko 1. Apulaitteiden tehontarve eri ajosykleillä puutavarayhdistelmälle laadi- tussa VECTO-laskennan esimerkissä sekä voimanulosoton tekemä työ.

Ajosykli Utility Utility Urban Delivery Delivery Delivery Regional Regional Municipal Municipal Long Haul Long Haul Construction Construction

Apulaite Teho (W) Tuuletin 818 871 676 766 1277 Ohjaustehostin 1224 1003 1054 867 1309 Sähköjärjestelmä 1714 1429 1429 1429 1429 Paineilmakompressori 4300 3600 3500 3500 4100 Ilmastointi 350 200 150 300 200 Voimanulosoton 50 50 50 50 50 kytkentälaite Yhteensä 8456 7153 6859 6912 8365

Tehty työ kWh Voimanulosotto 5.5 5.7 13.7 1.9 2.2

Simuloinnin lähtötietona on ajosykli, joka kuvaa ajoneuvon tavoitenopeuden etäisyy- den funktiona. Simuloinnissa ajoneuvoyhdistelmällä pyritään seuraamaan nopeusprofiilin määrittämää tavoitenopeutta. Laskenta määrittää hetkellisen moottorin tuot- taman vääntömomentin tarvittavan nopeuden saavuttamiseksi ajovastusvoimien vai- kuttaessa. Ajonopeuden ja moottorinpyörintänopeuden perusteella ohjataan vaih- teenvaihtoa. Moottorin tekemän työn ja toimintapisteen perusteella määritetään polttoaineenkulutus, voimansiirron häviöt sekä ajovastusten voittamiseen tehty työ.

Puutavarayhdistelmän polttoaineenkulutustulokset laskettiin VECTO:ssa kuvatuilla Long Haul, Regional Delivery, Urban Delivery, Municipal, Construction-ajosykleillä. Taulukossa 2 on esitetty kuormatulle ja taulukossa 3 kuormaamattomalle puutava- rayhdistelmällä laskettu polttoaineenkulutus, kuljettu matka ja keskinopeus tarkas- telluille ajosykleille. Kuvassa 5 on eri ajosykleille esitetty ajoneuvon tavoitenopeus, todellinen nopeus, ajoneuvon kulkema matka sekä ajosyklin mäennousu.

Taulukko 2. Kuormatulle puutavarayhdistelmälle laskettu polttoaineenkulutus, matka ja keskinopeus eri ajosykleillä. Polttoaineenkulutus Matka Keskinopeus Ajosykli (l/100 km) (km) (km/h) Long Haul 47,3 100,2 74,3 Regional Delivery 50,2 100,0 55,3 Urban Delivery 66,5 27,8 29,1 Municipal Utility 137,9 11,2 7,7 Construction 74,7 21,2 28,7

8 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Taulukko 3. Kuormaamattomalle puutavarayhdistelmälle laskettu polttoaineenkulutus, matka ja keskinopeus eri ajosykleillä. Polttoaineenkulutus Matka Keskinopeus Ajosykli (l/100 km) (km) (km/h) Long Haul 37,0 100,2 79,6 Regional Delivery 37,1 100,0 60,6 Urban Delivery 41,7 27,8 31,0 Municipal Utility 110,0 11,2 7,8 Construction 43,9 21,2 31,7

Kuva 5. Tavoitenopeus, todellinen nopeus, matka ja nousuprosentti ajan funktiona VECTO-laskennasta Long Haul, Regional Delivery, Urban Delivery, Municipal, Const- ruction -ajosykleillä kuormatulle puutavarayhdistelmälle.

9 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Esimerkkinä VECTO-laskennan määrittämistä suureista on kuvassa 6 esitetty kuormatun ajoneuvoyhdistelmän tavoitenopeus, todellinen nopeus sekä ajoneuvon kulkema matka, tien nousuprosentti, käytetty vaihde sekä moottorin teho ajan funktiona Long Haul -ajosyklille. Simuloitu aika on 4851 s, matka 100,2 km ja keskinopeus 74,3 km/h. Simuloitu polttoaineenkulutus syklin aikana on 47,3 l/100 km. Ku- vassa 7 on moottorin tekemän työn jakautuminen Long haul -ajosyklissä.

Kuva 6. Esimerkkitulokset VECTO-laskennasta kuormatulle puutavara-ajoneuvoyh- distelmälle Long Haul -ajosyklillä.

Kuva 7. Moottorin tekemän työn jakauma kuormatulle ajoneuvoyhdistelmälle Long Haul -ajosyklissä.

10 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

4.2 Herkkyysanalyysi

VECTO-laskennan tuloksen herkkyyttä keskeisimpien lähtöparametrien suhteen tar- kasteltiin edellä esitetyn Sisu Polar Timber -puutavarayhdistelmälle tehdyn laskennan avulla. Tarkastelu tehdään voimansiirron, vierintävastuksen ja ilmanvastuksen osalta arvioimalla niiden lähtötietojen tyypillisiä vaihteluvälejä.

4.2.1 Voimansiirto Voimansiirron häviöt koostuvat vaihteiston ja vetävien akseleiden häviöistä, jotka ovat nopeuden ja kuorman funktiota. Raskaiden maantiekäyttöön suunniteltujen ajoneuvojen vaihteistot ovat tyypillisesti manuaalisia tai automatisoituja mekaanisia hammasvälitteisiä vaihteistoja, joissa häviöt muodostuvat hammaskosketuksesta, laakereista sekä tiivisteistä. Hammaskosketuksessa pinnat liukuvat toistensa suhteen ja tämä on kuormitukseen (normaalivoima) verrannollinen (sekä liukunopeuteen), kuten myös laakerikitka. Hammaskosketuksessa vierintäkitka on nopeuden funktio. Öljyn vatkaamisen (oil churning) aiheuttama häviö on nopeuden funktio. Raskaat ajoneuvoyhdistelmät suunnitellaan maantieliikenteeseen, joissa manuaalivaihteisto, joko automatisoituna tai käsivalintaisena, on vallitseva. Taajamaliikenteessä tyypilli- siä ovat momentinmuuntimella varustetut automaattivaihteistot, joissa momentin- muuntimen ominaisuudet ja häviöt on määritettävä erikseen. [4]

VECTO-laskentaa varten vaihteiston ja vetävän akseliston häviöt määritetään häviö- momenttina, joka määritetään hyötysuhteen, sisääntulomomentin sekä vakiohäviön avulla tai mittaamalla häviö pyörimisnopeuden ja vääntömomentin funktiona. Manu- aalivaihteiston rakenteesta riippuen vääntömomenttia välittäviä hammaskosketu- sportaita on kolme, kaksi, yksi tai suoralla vaiheella nolla, joista osa voi olla planeet- tavaihteita. Koska eri vaihteilla hammaskosketuksia on eri määrä rynnössä, on hä- viökartat määritettävä eri vaihteille.

Vaihteiston ja vetävän akseliston häviöiden vaihteluvälin vaikutusta polttoaineenkulutukseen arvioidaan kokonaishyötysuhteiden avulla. Jos yhden vinohampaisen ham- maspyöräparin hyötysuhde oletetaan olevan parhaimmillaan 99 % ja huonoimmillaan 98 %. saadaan vaihteiston kokonaishyötysuhteen vaihteluksi huonoimmassa kolmen hammaskosketusparin tilanteessa 94−97 %. Koska syklin aikana hammaskosketus- parien lukumäärä ja siten kokonaishyötysuhde vaihtelee käytetyn vaihteen mukaan, on kokonaishyötysuhteen vaihtelu kuitenkin tätä pienempi. Vaihteistohäviöiden osuus Long Haul -syklin polttoaineenkulutuksesta on 3 %, joka vastaa arvoa 1,4 l/100 km ja tällöin keskimääräinen vaihteiston kokonaishyötysuhde on 96 %. Tällöin vaihteistohäviöiden vaihtelun vaikutus polttoaineenkulutuksessa on luokkaa 0,1 l/100 km.

Esimerkkilaskennassa käytettiin Euroopan komission asetuksessa 2017/2400 määri- tettyjä kiinteitä vetävän akseliston häviöarvoja, jotka ovat kuormituksen funktio mutta pysyvät vakiona läpi nopeusalueen. Häviömomentti muodostuu vakio-osan sekä hyötysuhteen ja akseliston sisääntulomomentin avulla lasketun momentin summana. Vetävän napavälitteisen teliakseliston tapauksessa hyötysuhde on 0,95. Vetä- vän akseliston osuus häviöt Long Haul -syklissä ovat 65,1 kWh, polttoaineenkulutus 46,4 l/100 km ja keskimääräinen vetävän teliakseliston kokonaishyötysuhde 81 %. Jos akseliston hyötysuhdetta nostetaan arvoon 0,96 häviömomentin vakio-osan py- syessä samana, akseliston häviöt ovat 58,5 kWh, keskimääräinen akseliston koko- naishyötysuhde 82 %, polttoaineenkulutus 45,5 l/100 km ja muutos polttoaineenkulutuksessa −0,9 l/100 km.

11 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

4.2.2 Vierintävastus Renkaiden vierintävastus aiheutuu pääasiassa renkaan elastisesta muodonmuutok- sesta pyörimisen liikkeen aikana sekä luistosta renkaan ja tien pinnan välisessä kon- taktissa. Vierintävastuksen suuruus riippuu renkaan rakenteesta, rengaspaineesta sekä kuormituksesta, lämpötilasta, ajo-olosuhteista, tienpinnasta ja ajonopeudesta. [4] VTT:llä tehdyissä rengasmittauksissa on määritetty tyypillisiä kuorma-auton renkaiden vierintävastusarvoja alustadynamometrillä ja maantierullauksin. Hyväkuntoi- sella asfalttitiellä pienin vierintävastusarvo 0,005 mitattiin ohjaavan akselin pintakuviolla ja suurin arvo 0,009 vetopyörän pintakuviolla [5].

Määritettäessä vierintävastuksen vaikutusta polttoaineenkulutukseen käytetään ver- tailuarvoa 0,006, joka vastaa ajoneuvoyhdistelmän keskimääräistä vierintävastus- kerrointa hyväkuntoisella asfalttitiellä. Renkaiden vaikutukseksi oletetaan edellä esi- tetyt arvot 0,005 ja 0,009. Lisäksi polttoaineenkulutus määritetään vierintävastus- kertoimen arvolla 0,014, joka arvioidaan vastaavan tien pinnalta soratietä tai ajo- olosuhteina lumista tietä.

Kuvassa 8 on esitetty vierintävastusvoiman vaikutusta kuormatun 76 tonnin koko- naismassaisen puutavarayhdistelmän polttoaineenkulutukseen Long Haul -syklillä. Hyväkuntoisella asfalttitiellä polttoaineenkulutus vertailuarvolla 0,006 on 47,3 l/100 km. Polttoaineenkulutusero vierintävastusarvojen 0,005 ja 0,009 välillä on 9,3 l/100 km. Soratietä tai lumista asfalttitietä kuvaavan vierintävastusarvon polttoaineenkulutus on 64,9 l/100 km.

Kuva 8. Kuormatun puutavarayhdistelmän polttoaineenkulutus eri vierintävastus- kertoimilla 76 tonnin kokonaismassalla Long Haul -ajosyklillä.

4.2.3 Ilmanvastus Aiemmassa tutkimusprojektissa VTT:llä on toteutettu umpikoriyhdistelmälle aerodynamiikan demonstraatio, jossa asteittain lisättiin aerodynamiikkaa parantavia osia ja määritettiin niiden vaikutus. Tulokset osoittivat, että suhteellisen pienillä muutoksilla aerodynaamista muotokerrointa voitiin pienentää 10 %. Kaikilla lainsäädännön salli- missa rajoissa mahdollisilla lisäosilla muotokerrointa saatiin laskettua 40 % (kuva 9). Tarkasteltaessa tyypillistä ilmanvastusvoimien vaihtelua käytetään aerodynamiikan demonstraatiossa havaittua pienten rakenteellisten seikkojen aiheuttamaa 10 % muutosta ilmanvastusvoimassa.

12 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

VECTO:n lähtötietona tarkastellaan poikkipinta-alan ja muotokertoimen tuloa. Käyt- tämällä sorakasetti, umpikori ja puutavarayhdistelmien mitattuja ilmanvastusarvoja lähtötilanteena voidaan määrittää polttoaineenkulutukseen. Tulokset 76 tonnin koko- naismassaisille ajoneuvoyhdistelmille eri päällirakenteille on esitetty kuvassa 10. Puutavarayhdistelmälle poikkipinta-alan ja muotokertoimen vertailuarvo on 14.2 m2, polttoaineenkulutus 47,3 l/100 km ja muutos polttoaineenkulutuksessa 1,3 l/100 km. Sorakasettiyhdistelmälle ilmanvastuksen vertailuarvo on 8,6 m2, polttoaineenkulutus 44,0 l/100 km ja muutos 1,1 l/100 km. Umpikoriyhdistelmälle vastaavasti vertailuarvo on 10,5 m2, polttoaineenkulutus 42,2 l/100 km ja muutos 0,8 l/100 km.

Kuva 9. VTT:n raskaan kaluston aerodynamiikan demonstraatioajoneuvo.

Kuva 10. Ilmanvastuksen muotokertoimen 10 % pienentämisen vaikutus polttoaineenkulutukseen 76-tonnisilla kuormatuilla ajoneuvoyhdistelmillä eri päällirakenteilla Long Haul -syklillä.

13 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Taulukossa 4 on esitetty Euroopan komission asetuksessa 2017/2400 määritetyt kiinteät ilmanvastusarvot, jotka ovat määritetty 25,25 m pitkille eurooppalaisen mo- duulijärjestelmän mukaisille kuorma-auton, dollyn ja puoliperävaunun ajoneuvoyhdistelmille. Arvot ovat lähimpänä kuorma-auton ja varsinaisen perävaunuyhdistelmän tapausta ja ne antavat vertailukohtaa myös 76 tonnisille ajoneuvoyhdistelmille.

Taulukko 4. Kiinteät arvot kuorma-auton ja varsinaisen perävaunun yhdistelmän ilmanvastukselle.

Ajoneuvo- 2 2 Vetotapa CdAdeclared (m ) Perävaunu (m ) ryhmä 9 6x2 8,5 2,1 11 6x4 8,5 2,1 16 8x4 9,0 2,1

14 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

5 Ajovastusmittaukset

Ajovastukset mitattiin rullauskokeella (coast-down), jossa ajoneuvo kiihdytetään no- peuteen 80 km/h ja tämän jälkeen annetaan rullata vaihde vapaalle kytkettynä py- sähdyksiin saakka. Mittauksen aikana tallennettiin GPS-vastaanottimen määrittämä ajoneuvon nopeus ja sijainti, ulkoilman lämpötila sekä tuulimittarin määrittämä ajoneuvon kokeman ilmavirtauksen nopeus sekä suunta. Tuulimittari asennettiin ohjaamon sivulle, lähelle ohjaamon etureunaa ja noin 5,5 metrin korkeuteen maanpin- nasta.

Mittauspaikka oli kantatien 41 Virttaan varalaskupaikka, pituudeltaan n. 3 km. Rul- laus suoritettiin ajoradan sivussa hyväkuntoisella asfaltilla. Tieosuuden pituuskalte- vuuden määrittämiseksi tienpinnan korkeustieto mitattiin satelliittipaikannuslaitteis- ton avulla.

Mittausolosuhteet olivat kaikilla mittauspäivillä kuivat ja aurinkoiset, mutta tuuliolo- suhteet vaihtelivat. Jokaista mittausta toistettiin 3−6 kertaan sekä ajettiin molempiin suuntiin tuuliolosuhteiden vaikutuksen kumoamiseksi.

Ajovastukset määritettiin sorakasettiyhdistelmälle, umpikoriyhdistelmälle sekä kah- delle puutavarayhdistelmälle. Kaikki ajoneuvoyhdistelmät olivat yhdeksän akselisia ja 76 tonnin kokonaispainoisia. Sorakasettiyhdistelmä mitattiin lavapeitot levitettyinä. Sorakasettiyhdistelmän ja umpikoriyhdistelmän tapauksessa kuormaus ei vaikuta ilmanvastuksen suuruuteen, joten ne mitattiin kuormaamattomana. Puutavarayhdis- telmän tapauksessa kuormaus vaikuttaa ilmanvastuksen suuruuteen, joten puutava- rayhdistelmät mitattiin kuormaamattomana sekä kuormattuna ja molemmissa tilan- teissa nosturin kanssa.

Sorakasettiyhdistelmä (kuva 11)

- Scania R 650 8x4 (akselistorakenne 2+2), vuosimalli 2018, Jorpe-automaatti- kasettilava, massa 16300 kg - Jyki 5-akselinen perävaunu Jorpe-automaattikasettivarusteilla, vuosimalli 2018, massa 11780 kg - Ajoneuvoyhdistelmän massa 28080 kg

Kuva 11. Sorakasettiyhdistelmä Scania R 650 8x4 ja viisiakselinen Jyki-kasettiperä- vaunu.

15 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Umpikoriyhdistelmä (kuva 12)

- Mercedes-Benz 3655 8x4*4 (akselistorakenne tridem), napavälitys, vuosimalli 2014, kippaava konttilaite, VAK-jalkalavakontti, massa 16240 kg - VAK 5-akselinen umpikoriperävaunu, vuosimalli 2017, massa 12280 kg - Ajoneuvoyhdistelmän massa 28520 kg

Kuva 12. Umpikoriyhdistelmä Mercedes-Benz 8x4*4 ja viisiakselinen VAK-perä- vaunu.

Puutavarayhdistelmä 1 (kuva 13)

- Volvo FH16 8x4*4 (akselistorakenne tridem), vuosimalli 2018, napavälitys, Alucar-puutavaravarustus, Loglift 150Z-puutavaranosturi ja ohjaamo (taitet- tuna kuljetusasentoon vetoauton taakse), massa 18260 kg - Jyki 5-akselinen puutavaraperävaunu, vuosimalli 2018, massa 7740 kg - Ajoneuvoyhdistelmän massa 26000 kg

Kuva 13. Puutavarayhdistelmä Volvo FH16 8x4*4, viisiakselinen Jyki-perävaunu ja hytillinen Loglift-puutavaranosturi.

16 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Puutavarayhdistelmä 2 (kuva 14)

- Sisu Polar Timber CK16M KA-KK 8x4 (akselistorakenne 2+2), vuosimalli 2017, napavälitys, puutavaravarustus, Terminator XXL Aero -pankot, Kesla 2012T - puutavaranosturi ja ohjaamo (kuljetusasennossa vetoauton kuormatilassa), massa 17980 kg - Briab 5-akselinen puutavaraperävaunu, vuosimalli 2006, massa 8680 kg - Ajoneuvoyhdistelmän massa 26660 kg

Kuva 14. Sisu Polar Timber 8x4, viisiakselinen Briab-perävaunu ja hytillinen Kesla- puutavaranosturi.

Ajoneuvolle oletettu liikeyhtälö on muotoa

𝑚𝑚 𝑚𝑔𝑐 𝑐 𝑣𝑐 𝑣 𝑚𝑔𝛼 (1) jossa 𝑚 on ajoneuvon massa, 𝑚 ajoneuvon pyörivät massat, 𝑣 ajonopeus, 𝑡 aika, 𝑔 maan vetovoiman kiihtyvyys 9,81 𝑚/𝑠, 𝛼 tien pituuskaltevuus sekä ajovastusvoimien kertoimet 𝑐, 𝑐 ja 𝑐. Kertoimista 𝑐 kuvaa vierintävastusta, 𝑐 ajovastusten nopeus- tekijää sekä 𝑐 ilmavastusta,

𝑐 𝜌𝐶 𝐴 (2) jossa 𝜌 on ilmantiheys, 𝐶 on muotokerroin ja 𝐴 on ajoneuvon otsapinta-ala. Tulok- sissa käsitellään tehollista otsapinta-alaa 𝐶𝐴, joka on muotokertoimen ja otsapinta- alan tulo.

Mittaustulosten käsittelyssä mitattuun aika-nopeus-pistejoukkoon sovitettiin lasken- tatulos, jossa muuttujina ovat vastusvoimien kertoimet. Optimointialgoritmin avulla haettiin kertoimet toisen asteen vastusvoimakuvaajalle siten, että mitatun ja lasketun nopeuden erotuksen neliöiden summa (RMS-virhe) on mahdollisimman pieni. Ku- vassa 15 on esitetty esimerkkinä mitattu ja sovitettu ajonenuvon nopeus sekä niistä lasketut ajoneuvon kulkemat matkat.

17 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Kuva 15. Esimerkki mitatun ja simuloidun rullauksen nopeudesta ja matkasta.

Ajovastusarvot vetoautoille on esitetty taulukossa 5 sekä ajoneuvoyhdistelmille taulukossa 6. Ajovastusvoimakuvaajat ajonopeuden funktiona kaikille mitatuille ajoneuvoyhdistelmille kuormaamattomana on esitetty kuvassa 16. Puutavara-autojen ajo- vastuskuvaajat kuormaamattomana sekä kuormattuna on esitetty kuvassa 17.

Taulukko 5. Vetoautojen ajovastusarvot. Vierintävastus Nopeustekijä Ilmanvastus Ajoneuvotyyppi (-) (Ns/m) (kg/m) Sorakasetti 0.0068 0.0014 5.6 Umpikori 0.0077 -0.0035 7.9 Puutavara-auto 1 tyhjänä 0.0087 -0.0056 10.7 Puutavara-auto 1 kuormalla 0.0062 -0.0020 9.6 Puutavara-auto 2 tyhjänä 0.0065 -0.0027 12.0 Puutavara-auto 2 kuormalla 0.0053 0.0027 10.5

Taulukko 6. Ajoneuvoyhdistelmien ajovastusarvot. Vierintävastus Nopeustekijä Ilmanvastus Ajoneuvotyyppi (-) (Ns/m) (kg/m) Sorakasetti 0.0068 0.0011 8.6 Umpikori 0.0070 -0.0034 10.5 Puutavara-auto 1 tyhjänä 0.0083 -0.0017 16.0 Puutavara-auto 1 kuormalla 0.0061 -0.0025 15.1 Puutavara-auto 2 tyhjänä 0.0066 -0.0013 15.3 Puutavara-auto 2 kuormalla 0.0056 0.0031 14.2

18 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Kuva 16. Vetoautojen ja ajoneuvoyhdistelmien kokonaisajovastukset kuormaamattomana eri päällirakenteilla.

Kuva 17. Puutavarayhdistelmien kokonaisajovastukset tyhjänä ja kuormattuna.

19 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

6 Mitattu polttoaineenkulutus

Metsäteho on määrittänyt 76 tonnin kokonaismassaisten puutavara-autojen ja ha- keautojen polttoaineenkulutuksia. Puutavara-autoille kulutuslukemia on määritetty erikseen sekä metsästä lähteville ja puutavaraa kerääville autoille sekä terminaalista lähteville siirtoajossa käytettäville autoille. Kulutuslukemia on kerätty pidemmältä ajanjaksolta osana HCT-tutkimusta [6]. Kuvassa 18 on esitetty polttoaineenkulutus ajomatkan sekä keskinopeuden funktiona metsäpään puutavara-autolle. Tulokset ovat yksittäisiä ajotapahtumia eri vuodenajoilta ja olosuhteista ja ne eivät sisällä kuormauksen vaikututusta.

Kuva 18. Metsästä lähtevän puutavarayhdistelmien polttoaineenkulutus kuormaamattomana ja kuormattuna ajomatkan ja keskinopeuden funktiona (Datan lähde: Metsäteho).

Kuvassa 19 on esitetty 76 tonnin kokonaismassaisten hakeyhdistelmien polttoaineenkulutushavaintoja, jotka on esitetty ajomatkan ja keskinopeuden funktiona. Ha- vainnot ovat yksittäisiä ajotapahtumia, jotka on kerätty talvikaudelta marras-helmi- kuulta. Metsätehon tutkimuksen mukaan talvikauden arvot ovat 10−15 % keskimää- räisiä arvoja suuremmat.

Kuva 19. Hakeyhdistelmien polttoaineenkulutus kuormaamattomana ja kuormattuna ajomatkan ja keskinopeuden funktiona (Datan lähde: Metsäteho).

20 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

Sorakasettiyhdistelmän polttoaineenkulutusarvojen määrityksessä 76 tonnin kokonaismassalla on kaksi esimerkkiyhdistelmää kuljetus V. Viitaselta. Kasettiyhdistel- mien keskikulutukset, ajomäärät ja keskinopeudet aikavälillä 1.1.2018−29.8.2018 ovat seuraavat:

- 57 l/100 km, ajomäärä, 69000 km, keskinopeus 50 km/h - 67 l/100 km, ajomäärä 64000 km, keskinopeus 37 km/h. Kulutuslukemat on saatu kuukausitason tuloksina. Kuvassa 20 on esitetty polttoaineenkulutus kuukauden funktiona. Ajoneuvojen ajosuoritteen luonne vaihtelee, joka näkyy myös vaihteluna keskikulutusarvoissa. Kuvassa 21 on esitetty kuukausitason polttoaineenkulutus keskinopeuden funktiona, joka osoittaa autojen ajosuoritteen erilaisuuden. Vertailun vuoksi kuvassa on myös taustalla kuormaamattomien ja kuormattujen puutavara-autojen kulutushavainnot. Kasettiyhdistelmälle kulutuslukema sisältää noin puolet kuormattua ajoa ja puolet kuormattuna ajoa, joten suuruus- luokka 76-tonnisten puutavarayhdistelmien kanssa on samaa suuruusluokkaa.

Kuva 20. Kahden kasettiyhdistelmän todelliset kulutuslukemat tarkastelujaksolta 1.1.2018−31.8.2018.

Kuva 21. Kasettiyhdistelmien kuukausitason keskikulutukset keskinopeuden funktiona. Taustalla harmaalla kuormaamattomien ja kuormattujen puutavara-autojen polttoaineenkulutushavainnot.

21 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

7 Tutkimuksen tulokset

Raskaiden ajoneuvoyhdistelmien polttoaineenkulutukseen vaikuttaa ajosuorite, sen vaatimat päällirakenteet ja varusteet, ajo-olosuhteet, ajoneuvon tekniset ominaisuudet sekä ajotapa. Euroopan komission asetus raskaiden hyötyajoneuvojen hiilidioksi- dipäästöjen ja polttoaineenkulutuksen määrittämisestä osana ajoneuvon tyyppihy- väksyntää ottaa huomioon ajoneuvon teknisten ominaisuuksien ja päällirakenteen vaikutuksen simuloinnin avulla. Laskentamenetelmässä ajoneuvon polttoaineenkulutus määritetään ajoneuvojen vetotavan ja kokonaismassan perusteella määräyty- vissä ajosykleissä. Laskentamenetelmä antaa realistisia tuloksia, jotka kuvaavat to- dellista kulutusta maantiellä [1].

Laskentamenetelmä edellyttää ajoneuvon teknisiä ominaisuuksia kuvaavien lähtötie- tojen määrittämisen suorituskyvyn ja energiatehokkuuden osalta. Moottorin polttoaineenkulutuskartta perustuu aina mittaukseen. Vaihteiston ja vetävien akselistojen osalta voidaan käyttää joko mitattuja häviöarvoja tai kiinteitä asetustekstissä kuvattuja arvoja. Myös ajoneuvon ilmanvastuksen osalta voidaan käyttää joko mitattua otsapinta-alan ja muotokertoimen tuloa tai ajoneuvon vetotavan ja kokonaismassan perusteella määräytyvää kiinteää arvoa.

Tässä työssä on keskitytty 76 tonnin kokonaismassaisiin Suomessa käytössä oleviin ajoneuvoyhdistelmiin. Tarkastelussa ovat näille raskaille yhdistelmille tyypilliset ajo- tehtävät, joissa päällirakenteena on puutavara- ja sorakasetti- ja umpikorinen rah- tiyhdistelmä. Työssä määritettiin vertailuarvot vetoautojen ja ajoneuvoyhdistelmien kokonaisajovastuksille, jotka sisältävät vierintävastuksen, voimansiirron nopeudesta riippuvat häviöt ja ilmanvastuksen. Ajovastukset määritettiin rullauskokeella, jossa ajoneuvon annetaan rullata vapaasti pysähdyksiin saakka ja saadun hidastuvuuden perusteella lasketaan ajoneuvoon vaikuttava kokonaisvastusvoima nopeuden funktiona. Mittaus suoritettiin tieosuudella, jonka pituuskaltevuus on tunnettu. Lisäksi rullauksen aikana ajoneuvon kokema ilmavirrannopeus ja -suunta on mitattu tuulen vaikutuksen huomioimiseksi. Mittauksen suurin epävarmuus sisältyy tuulen vaikutuksen huomioimiseen tuulen tullessa ajoneuvon sivulta. Ajoneuvoon kohdistuva pitkit- täinen ilmanvastusvoima riippuu ajoneuvon kokeman ilmavirtauksen ja ajoneuvon kulkusuunnan välisestä kohtauskulmasta, mikä vaikuttaa mittaustulokseen vaihtele- vissa tuuliolosuhteissa.

Haastattelujen perusteella ajoneuvovalmistajien keskuudessa on valmius VECTO-työ- kalun käyttöön. Ensimmäisenä hyväksynnän piiriin tuleville kaksi ja kolmeakselisille ajoneuvotyypeille on saatavissa VECTO-laskemia tarjousvaiheessa. Päällirakenne- ja perävaunuvalmistajien osalta tilannetta seurataan, mutta polttoaineenkulutuslaske- mia tai vastusarvojen määrityksiä ei ole tehty.

Käytettäessä standardoituja ajosyklejä VECTO:n tuloksena on saatavissa vertailukelpoinen polttoaineenkulutusarvo eri teknisten ominaisuuksien ja ajoneuvojen kesken. Esimerkkinä käytetylle puutavarayhdistelmällä määritettiin polttoaineenkulutusluke- mat eri VECTO:n sisältämillä ajosykleillä. Simuloidut tulokset on esitetty keskinopeuden funktiona kuormatulle puutavarayhdistelmälle kuvassa 22 ja kuormaamattomalle yhdistelmälle kuvassa 23.

Kuvissa 21 ja 22 on esitetty mitattuja polttoaineenkulutushavaintoja yksittäisistä ajoista kuormatuille ja kuormaamattomille ajoneuvoyhdistelmille sekä niiden keskiar-

22 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019 vokäyrät. Havaintojen hajonta aiheutuu ajoreitin tieverkosta, olosuhteista, ajoneuvoyhdistelmien ominaisuuksista sekä ajotavasta. Tarkastellun puutavara-auton osalta VECTO-laskennan antamat tulokset ovat lähellä todellisten ajojen alhaisimpia kulutuslukemia, mutta noin 20–40 % todellisia keskimääräisiä polttoaineenkulutuslukemia pienemmät. Simuloinnissa kuormaamattoman ajoneuvoyhdistelmän massa oli 26660 kg ja kuormatun 76000 kg. Polttoaineenkulutushavaintojen osalta tarkkaa ajoneuvoyhdistelmien kokonaismassaa ei ole tiedossa. Kuormatussa tapauksessa voidaan olettaa, että yhdistelmien massat ovat lähellä suurinta sallittua kokonaismassaa 76000 kg, joka oli myös simuloinnissa käytetty massa. Kuormaamattomien ajoneuvoyhdistelmien massoissa suhteelliset erot voivat olla rakenteellisesta sei- koista ja olosuhteista, esimerkiksi lumikuormasta, johtuen suuremmat, mikä lisää kulutuslukemien hajontaa, mutta simuloidun puutavarayhdistelmän massan voidaan olettaa edustavan tyypillistä arvoa.

VECTO-laskennassa käytettiin hyvissä ajo-olosuhteissa kuivalla asfalttitiellä mitattuja puutavara-auton ajovastuksia, joten VECTO-laskennalla määritetyt polttoaineenkulutukset käyttäen VECTO:n sisältämiä ajosyklejä ovat myös hyvä estimaatti todellisesta kulutuksesta hyvissä ajo-olosuhteissa ja hyväkuntoisella maantiellä. Poikkeama VECTO:lla lasketuiden ja todellisten keskimääräisten polttoaineenkulutuslukemien välillä selittyy pääosin vaihtelevilla ajo-olosuhteilla ja ajolla alemmalla tieverkolla sekä ajoneuvon ominaisuuksista. Tarkemmilla ajovastusarvoilla ja ajoneuvon käyttöä määrittävillä lähtötiedoilla on laskettavissa polttoaineenkulutus erilaisissa ajotehtä- vissä, jolloin huomioidaan ajo-olosuhteet ja tieverkko sekä niiden vaikutus ajovas- tuksiin, ajoneuvon kuorma sekä apulaitteiden sekä mahdollisten lisälaitteiden, kuten ulosoton käyttö kuormainta varten.

Kuva 22. VECTO-laskennalla määritetyt polttoaineenkulutukset kuormatulle esimerk- kipuutavarayhdistelmälle keskinopeuden funktiona eri ajosykleille. Taustalla harmaalla kuormattujen puutavara-autojen polttoaineenkulutushavainnot.

Kuva 23. VECTO-laskennalla määritetyt polttoaineenkulutukset kuormaamattomalle esimerkkipuutavarayhdistelmälle keskinopeuden funktiona eri ajosykleille. Taustalla harmaalla kuormaamattomien puutavara-autojen polttoaineenkulutushavainnot.

23 Traficomin tutkimuksia ja selvityksiä 13/2019

8 Lähdeluettelo

1. Fontaras G., Grigoratos T., Savvidis D., Anagnostopoulos K., Luz R., Rexeis M., Hausberger S. (2016) An experimental evaluation of the methodology proposed

for the monitoring and certification of CO2 emissions from heavy-duty vehicles in Europe. ScienceDirect, Energy, Volume 103, 2016, pp. 340-355.

2. Delgado O., Rodríguez F., Muncrief R. (2017) Fuel Efficiency Technology in Euro- pean Heavy-Duty Vehicles: Baseline and Potential for the 2020–2030 Time Frame. White Paper, International Council on Clean Transportation. Saatavissa: https://www.theicct.org/sites/default/files/publications/EU-HDV-Tech-Poten- tial_ICCT-white-paper_14072017_vF.pdf

3. KOMISSION ASETUS (EU) 2017/2400. Saatavissa: http://eur-lex.europa.eu/legal- content/FI/TXT/PDF/?uri=CELEX:32017R2400&from=FI

4. Wong, J. Y. (1993): Theory of Ground Vehicles. John Wiley & Sons, New York. ISBN 0-471-52496-4.

5. Erkkilä K. et. al. (2012): Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo – HDENIQ, Loppuraportti. VTT Tutkimusraportti VTT-R-08344-12. VTT Research Centre of Finland, Espoo.

6. Venäläinen P. (2018): Puutavara- ja hakeajoneuvojen pidentämisen vaikutukset. Metsäteho Oy, Vantaa. ISSN 1796-2374.