Tại Châu Âu, chương trình VECTO đã được triển khai vào năm 2019 với những tác động đầu tiên đến các OEM xe tải vào năm 2025. Chương trình này nhằm mục đích theo dõi, sau đó giảm lượng khí thải CO2 của xe tải thông qua các hình phạt tài chính đối với OEM nếu không đạt được mục tiêu.
Hệ số cản lăn của lốp (RRC – rolling resistance coefficient) là một thông số quan trọng trong việc giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của xe tải để đạt hiệu quả về chi phí của đội xe và giảm lượng khí thải CO2 để đạt tác động nóng lên toàn cầu.
Vì lốp xe là đòn bẩy dễ kích hoạt để giảm điểm CO2, nên các OEM xe tải đang yêu cầu các nhà sản xuất lốp xe cung cấp lốp có RRC thấp hơn, nhưng lốp xe đầu tiên trang bị cho xe mới lại do đội xe chỉ định khi mua xe tải. Thực tế cho thấy các đội xe không lựa chọn lốp có RRC thấp vì họ biết rằng những loại lốp này thường có quãng đường đi được thấp hơn và họ không thể theo dõi chính xác lượng nhiên liệu tăng thêm thông qua các tác động của RRC.
Điều này dẫn đến sự đối kháng nổi tiếng của lốp có RRC thấp do các OEM xe tải yêu cầu chứ không phải đội xe, như được thể hiện qua tính năng giám sát bộ xe do cơ sở dữ liệu VECTO kích hoạt.
Các nhà sản xuất lốp xe đang tích cực làm việc để dung hòa hai kỳ vọng này về RRC thấp và quãng đường đi được cải thiện, nhưng về mặt lý thuyết đã chứng minh rằng LCA và TCO của xe tải được cải thiện tốt hơn với lốp RRC thấp so với lốp có quãng đường đi được cao. Sau đó, cần phải làm cho mức tăng nhiên liệu với lốp RRC thấp dễ thấy hơn đối với các đội xe để thuyết phục họ tốt hơn.
Michelin đã làm việc một thời gian để hiểu tác động của RRC đối với mức tiêu thụ nhiên liệu của xe tải và bài báo này chia sẻ phương pháp phân tích mức tiêu thụ nhiên liệu trên dữ liệu xe buýt CAN thực tế để trích xuất tác động của RRC và cho phép so sánh công bằng mức tiêu thụ nhiên liệu của hai xe tải có lốp khác nhau hoặc của hai chuyến đi với cùng một xe tải và lốp RRC khác nhau. Nghiên cứu này đã được thực hiện trên các tổ hợp xe đầu kéo sơ mi rơ moóc của Châu Âu và Hoa Kỳ và phải được đọc trong phần tiếp theo của bài báo được trình bày trong HVTT16 và VDI 2021.
Mục lục
Sơ đồ VECTO
Năm 2011, các cuộc thảo luận với các bên liên quan đã bắt đầu thiết lập một chương trình giảm lượng khí thải CO2 của xe tải ở Châu Âu. Phải mất một vài năm để xác định phương pháp tốt nhất để theo dõi và khai báo lượng khí thải CO2 của xe tải được bán trên thị trường. Vì một số thân xe, hộp số, động cơ, lốp xe, v.v. có thể được kết hợp theo cách khác nhau, cuối cùng được TU Graz xác định và mã hóa.
Mỗi thành phần được đo bằng một phương pháp chuẩn hóa, và kết quả thử nghiệm là dữ liệu đầu vào để chạy mô phỏng mức tiêu thụ nhiên liệu. Các loại xe (nhóm phụ) và chu kỳ lái xe/tải kèm theo được sử dụng trong phần mềm để khai báo lượng khí thải CO2 của từng định nghĩa xe được bán trên thị trường. Phần mềm này được gọi là VECTO (Công cụ tính toán mức tiêu thụ năng lượng của xe). 9 tham số được xem xét để tính toán: Hệ số khí động học, hộp số, bộ biến mô và các bộ phận truyền mô khác, các thiết bị truyền động bổ sung, động cơ, trục, phụ trợ và lốp xe.
Ví dụ, RRC của lốp được đo theo ISO 28580 đã được mô tả trong bài báo HVTT16:
- Tốc độ = 80 km/giờ
- Tải trọng = 85% chỉ số tải trọng
- Giai đoạn làm nóng 3 giờ.
- Nhiệt độ môi trường = 25°C
- Áp suất = áp suất danh nghĩa theo vạch lốp
- Trống thép nhẵn làm đối diện
Các thành phần khác có quy trình đo lường riêng để so sánh công bằng giữa các mô phỏng.
Quy định VECTO EC 2017/2400 của Ủy ban châu Âu thiết lập việc xác định lượng khí thải CO2 và mức tiêu thụ nhiên liệu của xe hạng nặng với khuôn khổ quy định sau:
Ngoài ra, Quy định 2019/1242 của Liên minh Châu Âu buộc các Nhà sản xuất xe tải phải giảm 15% lượng khí thải CO2 vào năm 2025 và 30% vào năm 2030 theo mức cơ sở năm 2019. Vì phân khúc 5-LH đại diện cho khối lượng đăng ký cao nhất và hệ số Trọng số quãng đường và tải trọng cao nhất, nên những nỗ lực chính được thực hiện trên phân nhóm này để đạt được các mục tiêu.
Phân khúc 5-LH cần giảm từ 56,5 xuống 39 gCO2/t.km lượng khí thải CO2 vào năm 2030, giảm 17,5 gCO2/t.km.
Nếu các nhà sản xuất xe tải không đạt được mục tiêu, một biểu phạt sẽ được đưa ra:
Gần đây, Ủy ban Châu Âu đã đề xuất các tiêu chuẩn phát thải CO2 mới mạnh hơn cho các loại xe này từ năm 2030 trở đi và muốn mở rộng phạm vi sang xe tải nhỏ hơn, xe buýt thành phố, xe buýt đường dài và xe kéo. Xe kéo và xe kéo nửa đầu nặng sẽ có các tiêu chuẩn hiệu quả năng lượng mới. Điều này sẽ bao gồm hầu hết tất cả các loại xe hạng nặng phát thải.
Đóng góp của lực cản lăn vào lượng khí thải CO2
Hệ số cản lăn (RRC) là một phương tiện để xác định sự tiêu tán năng lượng của lốp xe tạo ra lực cản. Hiện tượng này đã được mô tả trong một số bài báo tham khảo được liệt kê bên dưới, đặc biệt là trong bài báo cuối cùng được trình bày trong HVTT16. Một số lời nhắc nhở phải được thực hiện ở đây.
Lốp xe là một bộ phận của xe giải quyết một số kỳ vọng đối kháng về mặt kỹ thuật đối với hiệu suất chung của xe tải. Về cơ bản, lốp xe cần phải linh hoạt để chịu được độ võng, để tạo ra một miếng vá tiếp xúc dưới tải trọng được chở. Điều này là cần thiết để cho phép xe có thể lái được bằng cách tạo ra lực lốp trên đường. Do đó, độ võng của vật thể làm từ cao su này sẽ tiêu tán năng lượng, chiếm một phần đáng kể trong tổng mức tiêu thụ nhiên liệu của xe tải. Một số nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của lực cản lăn của lốp xe trong mức tiêu thụ nhiên liệu (FC) của xe tải; chúng ta có thể xem xét đối với cấu hình xe đầu kéo rơ moóc 40 tấn, lốp xe chiếm gần 30% nhiên liệu được sử dụng ở tốc độ 80 km/giờ:
Technology Convergence 2023, paper_HVTT17_v3
Setting the Wheels In Motion: Reimagining the future of heavy vehicles, roads and freight
Tiêu thụ nhiên liệu là kết quả của một số đóng góp, mỗi đóng góp có tác động khác nhau tùy thuộc vào cách sử dụng. Ví dụ, giữa 2 tài xế/xe tải, khả năng tăng tốc và tải có thể khác nhau, dẫn đến mức tiêu thụ nhiên liệu khác nhau. Do đó, rất khó để so sánh mức cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu do giảm lực cản lăn của lốp xe.
Xu hướng áp dụng lốp xe có lực cản lăn thấp
Chương trình Vecto thiết lập giai đoạn giám sát 2019-2020 trong đó các nhà sản xuất xe tải phải báo cáo kết quả mô phỏng Vecto cho mỗi xe tải được bán. Giai đoạn báo cáo này là cần thiết để đưa ra cơ sở cho các mục tiêu giảm thiểu cho mỗi OEM tùy thuộc vào danh mục loại xe của họ. Giai đoạn báo cáo thứ hai bao gồm 2020-2021 hiện đã có sẵn và thật thú vị khi thấy phân phối RRC lốp xe đã thay đổi như thế nào trong một năm.
RRC lốp xe trong cơ sở dữ liệu được tóm tắt như bên phải:
Với động cơ, lực cản khí động học, hộp số và trục, lốp xe là một trong năm thành phần được phần mềm VECTO sử dụng để mô tả xe tải và khai báo lượng khí thải CO2 của xe với Ủy ban Châu Âu. Lực cản không khí và lực cản lăn của lốp xe là hai thành phần tiêu tán lớn nhất trong số năng lượng có thể sử dụng được do động cơ tạo ra.
Các nhà sản xuất lốp xe và nhà sản xuất xe tải đã hợp tác để giới thiệu các công nghệ lực cản lăn thấp mới trên thị trường. Như thể hiện trong hình bên dưới, những cải thiện đáng kể về lực cản lăn có thể nhìn thấy kể từ năm thứ hai của các tuyên bố CO2 của OEM. Với sự giúp đỡ của các nhà sản xuất lốp xe, lực lượng bán hàng và kỹ sư thực địa, các OEM xe tải đã bắt đầu thay đổi thói quen đặt hàng lốp xe của đội xe, nhưng cần phải thay đổi mạnh mẽ hơn nữa để đạt được các mục tiêu giảm CO2 do chương trình Vecto xác định.
Tập trung vào phân khúc lớn nhất của thị trường (5-LH: >16 tấn 4×2 đầu kéo có cabin ngủ và động cơ >265kW) cho thấy sự gia tăng mạnh mẽ của nhãn hiệu A (hạng hiệu quả tốt nhất) trong phân phối lốp giữa năm đầu tiên và năm thứ hai của tuyên bố. Sự cải thiện này là thành quả của quá trình phát triển thế hệ lốp mới của các nhà sản xuất lốp xe. Điều này cũng có thể thực hiện được nhờ vào việc quảng bá những chiếc lốp có lực cản lăn thấp này đến các đội xe. Mặc dù có quãng đường đi được thấp hơn (so với lốp nhãn hiệu C hoặc D) và nhờ khả năng tiết kiệm nhiên liệu mà chúng cho phép, những chiếc lốp có lực cản lăn thấp đang mang lại chi phí sở hữu xe tải tốt hơn.
Tiêu thụ nhiên liệu thực tế và giảm hệ số cản lăn
Mức tiêu thụ nhiên liệu của xe tải phụ thuộc rất nhiều vào các thông số sử dụng: tải không ổn định và biên độ phân tán có thể cao, mức sử dụng bàn đạp ga không giống nhau giữa các tài xế, cấu hình độ cao và cấu hình tốc độ phụ thuộc vào khu vực xe tải hoạt động. Sau đó, khi so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu trong thực tế của một đội xe do thay đổi RRC, có một rủi ro lớn là chủ yếu so sánh sự khác biệt về cách sử dụng chứ không phải hiệu ứng thuần túy của RRC. Khi một đội xe cố gắng so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu với một bộ lốp sau đó với bộ thứ hai có RRC tốt hơn, thậm chí có thể thấy mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn do thay đổi cách sử dụng.
Điều này dẫn đến việc các đội xe không áp dụng lốp có RRC thấp, như được mô tả trong nghiên cứu này:
Để hiểu rõ hơn về tác động của việc sử dụng này đối với sự phân tán mức tiêu thụ nhiên liệu, chúng tôi đã theo dõi một số xe tải bằng hộp telematic và đầu đọc CAN cảm ứng. Các tín hiệu thời gian được cắt trong các chuyến đi dựa trên tín hiệu bật / tắt chìa khóa . Chúng tôi đã phân tích mức tiêu thụ nhiên liệu trên mỗi chuyến đi được thể hiện bằng L/100km:
Độ lệch chuẩn của mức tiêu thụ nhiên liệu đối với những chiếc xe tải này là từ 2,5 đến 6L/100 km!
Trong điều kiện phân tích nhiều hơn trên máy kéo 4×2 của Châu Âu với: đường và tải được xác định, và chỉ có mùa, người lái xe và hiệu ứng giao thông, chúng tôi đã đo được độ lệch chuẩn là 0,7L/100km sau 40 lần lặp lại trong một thử nghiệm phân tích và 1L/100km trong một thử nghiệm khác. Đây vẫn là độ phân tán rất cao khiến hiệu ứng Lực cản lăn của lốp đối với Mức tiêu thụ nhiên liệu quá khó để đo lường.
Đối với tổ hợp đầu kéo-semi rơ móc có tải trọng 40 tấn, mức tiêu thụ nhiên liệu tăng thêm với -1kg/tấn trên 12 lốp dự kiến là 2L/100km.
Theo lý thuyết thống kê, cần phải thực hiện 47 chuyến đi, mỗi chuyến đi 500km (23.500km) cho mỗi cấu hình lốp để có thể sắp xếp 2 cấu hình theo mức tiêu thụ nhiên liệu với α1% và β5%.
Rủi ro α là rủi ro mà trong một bài kiểm tra thống kê, một giả thuyết vô hiệu sẽ bị bác bỏ khi nó đúng trong khi rủi ro β biểu thị xác suất một giả thuyết sai trong một bài kiểm tra thống kê được chấp nhận là đúng.
Trong một bài kiểm tra dài như vậy, độ mòn lốp sẽ phát triển dẫn đến sự phát triển trong RRC, điều này làm phức tạp thêm quá trình so sánh phân tích. Hơn nữa, khách hàng chưa sẵn sàng chấp nhận một bài kiểm tra so sánh dài như vậy. Do đó, chúng ta phải tìm một cách tiếp cận mới để chứng minh mức tăng mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách giảm RRC. Ý tưởng là chuẩn hóa độ lệch sử dụng bằng cách sử dụng dữ liệu sử dụng xe tải có sẵn trên xe buýt CAN, sau đó trích xuất phần mức tiêu thụ nhiên liệu chỉ do lực cản lăn của lốp.
Phân chia mức tiêu thụ nhiên liệu thực tế
Chiến lược là điều chỉnh một số hệ số mô hình xe tải để căn chỉnh mô hình lực trên lực kéo thực tế có sẵn trên xe buýt CAN.
Phương trình động là:
Dữ liệu sử dụng cần thiết để phân chia các yếu tố khác nhau góp phần vào mức tiêu thụ nhiên liệu thông qua mô hình này hầu như đều có sẵn trên CAN BUS được chuẩn hóa trong lĩnh vực xe tải với tiêu chuẩn J1939:
- Tốc độ xe được đưa ra là tín hiệu tốc độ bánh xe.
- Đối với tải trọng của đoàn xe, chúng tôi sử dụng tín hiệu Trọng lượng xe kết hợp để xác định
phỏng đoán đầu tiên cho quá trình tối ưu hóa. - Cũng cần có tín hiệu GPS để xác định độ dốc cục bộ sau khi khớp bản đồ, được thực hiện bằng
cơ sở dữ liệu Here. - Tỷ số truyền thực tế cũng có sẵn trên CAN và chúng tôi sử dụng tốc độ bánh xe để xác định
tỷ lệ trục truyền động. RPM động cơ cũng được sử dụng để tính toán tốc độ trục hộp số. - Gia tốc được tính toán tốt hơn bằng cách lọc và phân biệt tốc độ bánh xe.
- Mô-men xoắn động cơ được tính bằng mô-men xoắn phần trăm động cơ thực tế và mô-men xoắn phần trăm ma sát.
Chúng tôi đã sử dụng tín hiệu bus CAN J1939 được cung cấp trên bo mạch để tránh lắp cảm biến mới tốn kém. Sau đó, cần phải lọc, nội suy và đồng bộ hóa các tín hiệu. Việc tính toán tín hiệu gia tốc chính xác là một chủ đề phức tạp và chúng tôi đã xác định một bộ lọc không gian cụ thể để loại bỏ nhiễu trong tín hiệu tốc độ ABS mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của tín hiệu khi xảy ra các đỉnh gia tốc. Vì GPS không chính xác đối với độ cao cục bộ, chúng tôi đã chuyển sang phương pháp khớp bản đồ với độ cao cục bộ từ Mô hình độ cao kỹ thuật số trên đường khớp bản đồ.
Sau đó, có thể tính toán phần bên phải của phương trình bên dưới và điều chỉnh các hệ số chưa biết (nền xanh) để phù hợp với lực kéo thực tế:
hi có được sự phù hợp phù hợp, lực trên mỗi đóng góp được xác định và mức tiêu thụ nhiên liệu tức thời được chia đều giữa các yếu tố đóng góp này tại mỗi bước thời gian của chuyến đi được phân tích. Tổng của mỗi tín hiệu thời gian đóng góp mức tiêu thụ nhiên liệu đưa ra mức tiêu thụ nhiên liệu tổng thể
- Lực cản lăn
- Khí động học
- Quán tính
- Trọng lực
Chiến lược điều chỉnh vẫn cần được cải thiện vì có thể đạt được một số mức tối ưu, nhưng không phải tất cả đều thực tế:
Đối với mỗi bước thời gian, chúng ta có thể phân tích lực giữa mỗi tác nhân và sau đó phân tích mức tiêu thụ nhiên liệu tức thời theo tỷ lệ này để tính tổng từng tác nhân tiêu thụ nhiên liệu sau đó:
Khi so sánh mức tiêu thụ nhiên liệu giữa hai xe tải có hiệu ứng RRC và các chuyến đi khác nhau, hoặc một xe tải có hiệu ứng RRC tại các thời điểm khác nhau, chúng ta có thể hiệu chỉnh độ lệch của khí động học, quán tính và trọng lực giữa 2 chuyến đi. Sau đó, ngay cả khi lốp RRC thấp hơn mang lại mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn do thay đổi cách sử dụng, chúng ta có thể giải thích sự khác biệt với dữ liệu sử dụng CAN sau khi xử lý:
Công trình này vẫn đang được tiến hành hợp tác với IFPEN, viện nghiên cứu về xăng và năng lượng mới của Pháp.
Cho đến nay, kết quả rất hứa hẹn với mô hình hóa năng lượng tổng thể dưới 2% so với các phép đo CAN Bus:
Phần kết luận
Nghiên cứu này trình bày chi tiết về kỳ vọng đối kháng từ các đội xe và OEM xe tải đối với lốp RRC trong bối cảnh Ủy ban Châu Âu thúc đẩy giảm mạnh CO2. Để giúp các OEM đạt được mục tiêu Vecto, các nhà sản xuất lốp phải làm việc tại hiện trường để chứng minh với các đội xe rằng lốp RRC thấp hiệu quả hơn về TCO và là lựa chọn tốt hơn cho họ. Vì cuộc trình diễn thử nghiệm thực địa tiếp xúc với nhiều tiếng ồn với các biến thể sử dụng xe tải, nên cần có chiến lược phân tích mức tiêu thụ nhiên liệu và có thể đo lường được mức tăng nhiên liệu giảm RRC.
Việc khách quan hóa mức tăng mức tiêu thụ nhiên liệu thông qua việc giảm RRC là chìa khóa để có được TCO lốp chính xác, cũng dựa trên các hiệu suất lốp khác như quãng đường đi được, khả năng tạo rãnh và khả năng tái tạo gai lốp.
Với việc triển khai xe tải điện chạy bằng pin mới, lợi ích sẽ còn lớn hơn nữa. Thật vậy, các OEM sẽ lựa chọn lốp có lực cản lăn thấp để cải thiện phạm vi hoạt động của xe (cải thiện phạm vi hoạt động 6% với -1kg/t trên tất cả 12 lốp của đoàn xe). Tuy nhiên, quá trình thu hồi năng lượng động học do xe tải điện chạy bằng pin thực hiện thông qua trục truyền động sẽ làm tăng độ mòn của lốp truyền động. Sau đó, chúng ta có thể chấp nhận rằng kỳ vọng về chất chống mài mòn/RRC từ các OEM và đội xe sẽ vẫn còn và cần được các nhà sản xuất lốp xe điều chỉnh.
