Vindsmarta lastbilar ger lägre bränsleförbrukning

Bakgrund

För att minska koldioxidutsläppen från transportsektorn krävs åtgärder som radikalt minskar bränsleförbrukningen. Inom skogsindustrin arbetar man t.ex. med förarutbildningar och miljövänligare drivmedel.

Projektet En Trave Till (ETT) har visat att 90-tonsfordon jämfört med 60-tonsfordon kan minska drivmedelsförbrukningen med upp till 20 procent. Användning av ETT-fordon skulle dessutom möjliggöra en bortrationalisering av vart tredje rundvirkesfordon med bibehållen förmåga till transportarbete. 

Men även andra tekniska lösningar har stor potential. Luft- och rullmotstånd är de två viktigaste faktorerna för bränsleförbrukningen och lastbilstillverkarna lägger ner mycket arbete på att minska luftmotståndet med bättre design av hytt och chassi på basfordonet.

Delar av det arbetet är dock mer eller mindre bortkastat om inte efterfordonen också är aerodynamiskt utformade. Därför bör forskare, användare och tillverkare av lastbilsfordon gemensamt undersöka möjligheterna att förbättra hela fordonets aerodynamik, inklusive extrautrustning på lastbil/dragbil, släpvagn/link och trailer.

Tidigare studier har visat goda möjligheter att minska luftmotståndet genom att minska mellanrummet mellan bil och släp, genom att använda anpassade vindavvisare och ha koniskt avslut på trailern. Dessa och andra åtgärder har utvärderats i denna vindtunnelstudie.

Praktiska tester i vindtunnel

Förarbetet bestod i att bygga fordonsmodeller och detaljer på fordonen. Även vindtunneln fick byggas om, bl.a. fick ett plant golv installeras för att simulera vägen. Anpassning av våginstrumentet till fordonet var arbetskrävande och flera olika företag var involverade i arbetet.

Alla mätdata från vågen lagrades i en mätdator för senare utvärderingar. Vid körningarna testades först fordonsmodellerna så att inga stockar eller aerodynamiska detaljer blåste bort. Vindhastigheten var då cirka 10 meter per sekund. Då det konstaterats att testfordonet med sina detaljer höll för vindens krafter, ökades vindhastigheten till testhastigheten på cirka 50 meter per sekund.

Testerna genomfördes först med 0° vindriktning (rak motvind) och senare genom att vrida modellen så att motståndet kunde mätas vid olika graders sidovind: 2,5°, 5,0° och 10,0° sidovind.

Totalt genomfördes drygt 30 olika mätningar på tre olika fordonstyper:

•  Flisfordon (lastbil med släpvagn): 74 ton och nio axlar.
•  Rundvirkesfordon (lastbil med släpvagn): 60 ton med sju axlar.
•  Rundvirkesfordon (lastbil med släpvagn): 74 ton och nio axlar.

För att visualisera vindturbulensen runt fordonen användes en rökmaskin. Med hjälp av ett långt rör kunde röken riktas för att upptäcka de områden där kraftiga virvelströmmar uppstår. Detta resulterade i att flera aerodynamiskt förebyggande detaljer byggdes på plats med tillgängligt material. 

Figur 1. Modell fullt utrustad med alla aerodynamiska åtgärder. Konfiguration i 74-tonsutförande.

Resultat

Vid studierna i vindtunneln upptäcktes flera möjliga energibesparande åtgärder på både timmerlastbilar och flisfordon.

Genom jämförelse mellan fullskalig bil och skalmodellen har en korrigeringsfaktor beräknats. Utifrån mätningarna och kompletterande korrigeringar från fullskaliga mätningar har Scania uppskattat att en bränslebesparing på 4–6 procent för 74 tons rundvirkesfordon och 3–8 procent för flisfordonet är möjliga. 

Rundvirkesbilen

Bäst aerodynamik uppnåddes på 74-tonsbilen för rundvirkestransport när den var utrustat med en stor vindavvisare som täckte delar av första traven och då mellanrummet mellan travarna var täckta. Luftmotståndet minskade med cirka 26 procent jämfört med den omodifierade referensbilen på 74 ton, vilket motsvarar en teoretisk bränslebesparing på 6,5 procent.

Mätningarna med olika tomkörningskonfigurationer gav intressanta siffror. Vid testkörning utan last och med fällda bankar/stöttor uppmättes en minskning av luftmotståndet med 23 procent jämfört med en konventionell 60-tons bil utan last. 

Tabell 1. Exempel på åtgärder för att minska bränsleförbrukning vid tomkörning.

Det är intressant att en tom bil har högre luftmotstånd än en lastad bil, vilket i och för sig stämmer bra överens med teorin att korta föremål som färdas i luft ger upphov till högre luftmotstånd än långa föremål. Det ger därför en betydande förbättring när stakarna antar en vingprofil som ger en längre kropp och med avsmalning.

Det ger stor effekt att kunna fälla stöttorna vid returkörning, eftersom de bidrar till stor turbulens och motstånd. Att köra tomt jämfört med en lastad bil ger ett ökat vindmotstånd med tre procent, där ett tomt fordon med stakar har högst luftmotstånd.

Tabell 2. Procentuell beskrivning av resultatet med 74 tons lastad rundvirkesbil. Negativa siffror innebär en sänkning av luftmotståndet och bränsleförbrukningen jämfört med referensen.

En ökad lasthöjd medför ett kraftigt ökat luftmotstånd. Skillnaden mellan lasthöjden hos en 60 tons och en 74 tons lastbil gav ett ökat luftmotstånd på 36 procent. Rätt anpassade vindavvisare som täcker virket ger ett bra resultat. I denna studie gav det en reduktion av luftmotståndet med 13 procent, vilket är en bränslebesparing på cirka tre procent.

Flisbilen

Tabell 3. Procentuell beskrivning av resultatet med överlastad flis bil som referens. Negativa siffror innebär en sänkning av luftmotståndet och bränsleförbrukningen.

Tabell 4. Procentuell beskrivning av resultatet med täckta flislådor. Negativa siffror innebär en sänkning av luftmotståndet och bränsleförbrukningen.

Öppna flislådor gav en stor ökning vid sidovindens påverkan jämfört med täckta lådor. På flisfordonet ökade vindmotståndet med hela 44 procent vid måttlig sidovind,  när de två fliscontainrarna var tomma och utan taktäckning.

Med en konisk avlutning på fordonet - så kallad ”Boat Tail” - och täckning av mellanrummet mellan fliscontainrarna uppmättes en sänkning av luftmotståndet med 36 procent. Enbart Boat Tail gav en minskning av luftmotståndet med 8 procent i försöken med en lastad flisbilsmodell.

Ekonomisk potential

För att åkarna ska vilja installera aerodynamiska detaljer, så bör investeringarna förstås vara lönsamma. Vid en enkel jämförande kalkyl på ett rundvirkesfordon har ett transportavstånd på 12 mil antagits. Det är cirka 3 mil längre än nuvarande medeltransportavstånd för svenska rundvirkesfordon. Fordon som kör långa sträckor med hög hastighet har större möjligheter att ekonomiskt försvara aerodynamiska byggnationer. 

Kostnaden för den aerodynamiska extra utrustningen har bedömts vara 100 000 kronor och väga cirka 100 kilo. Lastvikten har därför minskats med 100 kilo.

Bränslebesparingen har bedömts vara 8 procent. Denna bedömning kan anses vara hög, men vid testerna i vindtunneln redovisades potentialen på ca 4–6 procent med en större vindavvisare från hytten till första traven. Utrustas fordonet med vikbara stöttor (cirka 10 procent besparing vid körning utan last)så blir den totala besparingspotentialen högre än 8 procent. Dieselkostnaden är angiven till 11 kronor per liter.

Med dessa förutsättningar sänktes bränslekostnaden för åkaren med nära 80 000 kronor per år.

Diskussion

Resultatens relevans

Resultaten från lastbilsmodellen i vindtunneln är kontrollerade och validerade mot fullskalig vindtunneltester gjorda av Scania. Trots god överensstämmelse med verkligheten finns det alltid osäkerheter med skalmodeller som gör att resultaten bör tolkas med viss försiktighet.

Faktorer som skulle ökat resultatens kvalitet är rullande markplan och hjul. Annars skapas turbulens mot vägytan, vilket normalt inte är fallet. Det hade även varit önskvärt att kunna testa högre vindhastigheter, vilket är en viktig faktor för att kompensera för skalfaktorn. 

Inget av de företag som deltagit i projektet hade några tidigare erfarenheter av att köra hela skogsfordon i en vindtunnel, även om Scania och Linköpings Universitet har stor kompetens inom aerodynamik och vindtunneltester i övrigt. Därför ser de resultaten som intressanta, relevanta och fullt möjliga att praktiskt testa på fullskaliga skogsfordon.

Detaljer med rötter i praktiken

Tillverkarna MT Eksjö, Parator, ExTe och Vemservice fick möjlighet att testa de prototyper av aerodynamiska detaljer som diskuterats fram med intresserade åkare för att sänka bränsleförbrukningen. Den begränsade tid som var tillgänglig för test i vindtunneln gjorde att några av de önskade försöken inte kunde genomföras och att andra kunde haft större omfattning. Ändå gjordes flera mycket intressanta observationer under studierna.

Många intressanta observationer gjordes på skåpbilskonfigurationerna, bland annat ett resultat med kraftigt ökande bromseffektför öppna flislådor vid mellan 2,5º – 5,0º vindvinkel. Per-Åke Torlund, expert på vindtunnelförsök, förklarar det med att en virvel runt lovartskanten på den tomma flislådan länkar ner vindens strömning i lådan så att den träffar lådans bakgavel.

Boat Tail gav mest nytta för öppna lådor och minst nytta vid rundat tak, men gav för alla konfigurationer en teoretisk bränslesänkning på 2,0 – 3,4 procent.

Fortsatta studier bör inriktas på mellanrummet mellan bil och släp, som har stor betydelse för luftmotståndet. För varje 0,25 meter över 0,45 meters avstånd mellan bil och släp ökar luftmotståndet med två procent, enligt kanadensiska studier. Det finns i dag teknik för att flytta dragpunkten framåt och då minska mellanrummet mellan trailer och hytt vid höga hastigheter - det kan ge en bränslebesparing på cirka två procent.

I vindtunneln gjordes några mätningar där mellanrummet mellan bil och släp täckts med skivor, vilket gav en teoretisk bränslebesparing på sex procent på flisbilen. Det skulle därför vara intressant att bygga bort eller minska tomrummet mellan lådorna respektive travarna.

Enkla konstruktioner

Konstruktionen av Boat Tail och vindavvisare gjordes efter bästa förmåga med tillgängligt material där utformningen höftades fram- Ändå gav de detaljerna märkbara effekter på de aerodynamiska egenskaperna. Med mer optimerade vindavvisare och boat tails samt med t.ex. ”sidokjolar” skulle ännu bättre resultat uppnås. Därför behövs aerodynamiken på skogsbilstransporter studeras vidare. 

Spännande observationer

Andra intressanta aerodynamiska effekter är bland annat att:

• backspeglarna på tunga fordon ökar luftmotståndet med cirka 2 procent, vilket är väl dokumenterat i flera undersökningar. 
• så kallad platooning, där flera lastbilar kör tätt efter varandra, kan ge en bränslebesparing från 9 till 25 procent på grund av minskat luftmotstånd.
• frontarean på tunga fordon utgör det dominerande källan till luftmotstånd, och den påverkas inte av efterfordonets konstruktion.

Nästa steg

Studier på fullskaliga fordon planeras. Då kommer luftmotståndets beroende av yttre faktorer att beaktas, t.ex. vindens påverkan. Det som var unikt i den här studien var möjligheten att studera sidovindar, som gav en markant ökning av luftmotståndet.

En annan faktor att ta hänsyn till är lufttemperaturen, som vintertid kan öka luftmotståndet med 20 procent på grund av luftens högre densitet.

De här faktorerna måste man i framtiden ta hänsyn till vid jämförelse mellan olika konfigurationer i praktisk drift.