2007 rok -Optifuel Lab - pierwsze oszczędnościowe laboratorium Renault Trucks

Od niemal samego początku głównym celem konstruktorów pojazdów użytkowych jest zwiększanie efektywności przewozów, tzn. by daną pracę przewozową, liczoną w tkm, wykonać jak najszybciej, najtaniej i najbezpieczniej.

Chociaż metody i drogi dojścia do tego celu zmieniały się na przestrzeni dekad, lecz postęp techniczny praktycznie przez cały czas cechowały: wprowadzanie coraz mocniejszych silników, w ostatnich dziesięcioleciach z jak najwyższym momentem obrotowym dostępnym szerokim i jednocześnie jak najniższym przedziale prędkości obrotowych, udoskonalanie elementów odpowiedzialnych za przeniesienie napędu (skrzynie biegów, mosty), stałe poprawianie wyglądu i wyposażenia kabin oraz coraz szersze stosowanie od lat 70. odpowiednio ukształtowanych spojlerów i osłon, montowanych za i nad kabiną oraz po jej bokach i między osiami. W efekcie współczesny pojazd użytkowy – ciężarówka, w przeliczeniu na wykonaną pracę przewozową, potrzebuje o 30-40% mniej paliwa, zdecydowanie mniej zanieczyszcza środowisko, emituje mniej hałasu oraz zapewnia wyższe bezpieczeństwo i komfort pracy niż odpowiednik z lat 70. i 80. Ceną za to jest jednak brak możliwości redukcji masy własnej. Bo choć z jednej strony wykorzystywane są nowe, lżejsze materiały, ale z drugiej koniecznym staje się montaż, podnoszących masę, rozlicznych komponentów dodatkowych. W rezultacie masa własna 2-osiowego ciągnika siodłowego do transportu dalekodystansowego wynosi przeciętnie, w zależności od kompletacji, od 6200 do 6800 kg i w najbliższej przyszłości raczej nie ulegnie znaczniejszej zmianie.

Rozpatrując wówczas aktualne kierunki rozwoju w branży należy przede wszystkim wskazać na dwa elementy: stały i racjonalny wzrost mocy oraz, wiążące się z ograniczeniem emisji substancji szkodliwych, zmniejszone zużycie paliwa. Stały i racjonalny wzrost mocy oznacza, że poza dość niszowymi zmaganiami w kategorii „600+” czy nawet „700-700+”, za właściwe dla 40-tonowego zestawu do przewozów na długich trasach uznaje się obecnie moce rzędu 420-520 KM, uzyskiwane z silników o pojemności 11-13 litrów. Tym relatywnie wysokim mocom z jednostek o średnich pojemnościach towarzyszą bardzo wysokie momenty obrotowe. Warianty 11-litrowe osiągają 2000-2200 Nm, 13-litrowe 2400-2600 Nm. Ponieważ także tak wysokie moce i momenty można uznać za wystarczające, jeden z głównych, obecnych kierunków zmian dotyczy zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w spalinach i ściśle z nią związanego obniżenia zużycia paliwa. Obie te redukcje daje się uzyskać dzięki:

instalacji coraz mniejszych i bardziej zaawansowanych pod względem technicznym (SCR, EGR) silników, przy określonej pojemności skokowej o coraz wyższych mocach i momentach obrotowych. Z silnikami tymi współpracują odpowiednio dobrane – o odpowiednich przełożeniach skrzynie biegów i mosty napędowe;
eliminowaniu słabych – najsłabszych stron procesu przewozowego, co w praktyce sprowadza się głównie do eliminacji błędów człowieka. Temu celowi służy m.in. coraz częstsza instalacja zautomatyzowanych skrzyń biegów czy rozbudowanych elektronicznych systemów kontroli;
stałej optymalizacji kształtu i lokalizacji wszystkich komponentów pojazdu odpowiedzialnych za opory powietrza i toczenia.

Uwzględniając opisane wyżej wnioski i cele Renault Trucks opracowało założenia i zbudowało tzw. Optifuel Lab, czyli samochód-laboratorium. W konstruowaniu podobnych, eksperymentalnych ciężarówek francuski koncern ma zresztą niezwykle duże doświadczenie. W latach 80., w ramach przedsięwzięcia nazwanego Virage, powstał niezwykle innowacyjny pod względem koncepcyjnym model AE/Magnum. We wrześniu 2004 roku na targach IAA w Hanowerze niemałe zaskoczenie wywołał Radiance – środek transportu tkwiący jeszcze w rzeczywistości, ale pod względem wyglądu i wybranych rozwiązań wybiegający w najbliższą przyszłość. Do tej kategorii aut należy też najnowszy projekt, czyli właśnie Optifuel Lab.

Realizacja projektu Optifuel Lab rozpoczęła się kilka lat temu. Jego głównym celem było dążenie do przygotowania środka transportu cechującego się przede wszystkim jak najniższym zużyciem paliwa. Ponieważ zużycie takie stanowi efekt współdziałania wiele elementów, do zagadnienia od samego początku specjaliści z Renault Trucks podeszli w sposób niezwykle kompleksowy. W związku z tym program badawczy, obejmujący 23 grupy robocze i wymagający współdziałania fachowców reprezentujących wiele dziedzin i specjalności naukowych, obejmował cztery zasadnicze tematy: aerodynamikę pojazdu, układ napędowy (rodzaje napędu), opory toczenia oraz systemy wspomagania w prowadzeniu auta.

Prototyp samochodu-laboratorium, jak cały projekt nazwanego Optifuel Lab, powstał w 2007 roku. Pod względem konstrukcyjnym bazuje on na 2-osiowym ciągniku siodłowym Premium Route Euro 5, w którym wprowadzono szereg udoskonaleń ukierunkowanych na spełnienie podstawowego celu badawczego. M.in. jedną z kluczowych decyzji było zastosowanie konwencjonalnego układu napędowego z silnikiem spalinowym. Chociaż bowiem Renault Trucks od dawna prowadzi prace koncepcyjne nad alternatywnymi rodzajami napędów, w tym systemami hybrydowymi i elektrycznymi, napędy te wciąż obarczone są wieloma niedoskonałościami. W związku z tym ich rzeczywista komercjalizacja na dużą skalę możliwa będzie dopiero za kilka lat. Do tego nie we wszystkich typach transportu użycie hybryd czy pojazdów w pełni elektrycznych może okazać się ekonomicznie opłacalne. Kwestia w szczególności dotyczy transportu dalekodystansowego, w którym w dalszym ciągu, przynajmniej w najbliższej przyszłości, dominować będzie, stale poprawiany, silnik spalinowy.

Kolejnym czynnikiem, przemawiającym za wykorzystaniem w charakterze bazy ciężarówki z jednostką diesla, były względy ekonomiczne i praktyczne. Pojazd nie miał być mianowicie prototypem zawierającym nowe, rewolucyjne technologie i podzespoły, ale w odpowiedni sposób zmodyfikowaną już istniejącą konstrukcją. Specjaliści Renault Trucks chcieli zatem udowodnić, że znaczna poprawa wybranych parametrów wcale nie wymaga sięgania po wybitnie przyszłościowe rozwiązania, a wiązać się może z umiejętnym połączeniem właściwie dobranych dotąd istniejących opracowań. Dzięki temu uzyskanie znaczącego postępu w stanowiącym przedmiot zainteresowania obszarze nie wiązało się z koniecznością poniesienia relatywnie dużych nakładów, z kolei sam pojazd, jeśli trafiłby nawet dziś do sprzedaży, pozwalałby na uzyskanie satysfakcjonującej relacji koszt/efekt.

Pierwszy zakres prac, który można określić jako „w poszukiwaniu idealnego kształtu”, dotyczył kompleksowego podejścia do wyglądu zewnętrznego całego zestawu, tzn. zaproponowania rozwiązań aerodynamicznych obejmujących ciągnik i pochodzącą z firmy Lamberet 3-osiową naczepę chłodnię. Ten „idealny kształt” jest konieczny, gdyż jednym z podstawowych oporów, jaki musi pokonać poruszający się środek transportu, jest opór powietrza. W związku z tym, przyjmując za wzorcowy punkt odniesienia kształt kropli wody, czyli najbardziej aerodynamiczną formę występującą naturalnie w przyrodzie, zespół badawczy wprowadził wiele modyfikacji i usprawnień prowadzących do maksymalnego ograniczenia tego oporu. W aucie zmiany z zewnątrz w głównej mierze dotyczyły kabiny. Przedni zderzak uległ wydłużeniu o 30 cm. Dach ma nowy, bardziej obły kształt, dodatkowo pełni rolę spojera i został podwyższony, w rezultacie czego wysokość ciężarówki wynosi 4,16 m. Na miejsce zewnętrznych lusterek wstecznych pojawił się system badania tylnej półsfery, opracowany przez firmę Mekra, oparty o kamery i przeznaczony do obserwacji tego, co dzieje się z tyłu pojazdu. Zmieniono także kształt, wymiary i ułożenie poszczególnych spojlerów. Boczne, górne, montowane za kabiną zostały powiększone oraz ukształtowane i odchylone w taki sposób, by z jednej strony tworzyły całość z samochodem, z drugiej by w maksymalnie największym stopniu dało się uzyskać jednolitą bryłę całego zestawu. Boczne, dolne znajdują się zaś nie tylko między osiami ciągnika, ale i osłaniają całą dolną powierzchnię, łącznie z kołami naczepy. Dodatkowo spojlery te przechodzą w dyfuzory powietrza, zainspirowane rozwiązaniami pochodzącymi z Formuły 1 i służące do wyprowadzania na zewnątrz strumieni powietrza oraz zapewniające jak najmniejszy opór aerodynamiczny. Równie pożyteczną funkcję pełnią spojlery zamontowane z tyłu naczepy. Wystają one poza jej obrys, mają długość 70 cm i pozwalają na maksymalne ograniczenie strefy turbulencji, nieuchronnie powstającej za samochodem w trakcie jazdy i działającej hamująco na jego ruch. Jej zmniejszenie oznacza zatem zmniejszenie siły potrzebnej do napędu, co z kolei przekłada się na mniejsze zapotrzebowanie na energię. To ostatnie wiąże się już oczywiście nierozerwalnie z obniżeniem zużycia paliwa.

Ponieważ pojęcie kompleksowości, niczym pewne zaklęcie, towarzyszy pojazdowi Optifuel Lab niemal w każdym miejscu, zmiany nie ominęły także dachu naczepy. Dążąc do uzyskania formy maksymalnie zbliżonej do kropli wody i tym samym pozwalającej na redukcję oporów powietrza dla całego zestawu, specjaliści w dziedzinie aerodynamiki nieco więc ten dach podwyższyli. W rezultacie nie jest on płaski, lecz lekko uwypuklony, co czyni cały zestaw bardziej zbliżonym do optimum pod względem aerodynamicznym. Poza tym pod podwoziem naczepy pojawiła się specjalna osłona. Wszystkie te zmodyfikowane i przeprojektowane elementy powodują, że Optifuel Lab cechuje się rekordowo niskim współczynnikiem oporu powietrza (Cx).

Prócz oporów powietrza istotnymi czynnikami rzutującymi na zużycie paliwa są opory toczenia, właściwy dobór komponentów o odpowiednich parametrach w układzie napędowym oraz aktywne wspomaganie prowadzenia. W tych obszarach zestaw Optifuel Lab również wyznacza nowe standardy i wyróżnia się wieloma ciekawymi rozwiązaniami.

Opory toczenia udało się wydatnie zredukować dzięki założeniu opon Energy SaverGreen. Dostarczył je światowy potentat w dziedzinie ogumienia – koncern Michelin, a powstały one w ramach porozumienia o współpracy zawartego pomiędzy nim oraz Renault Trucks i dotyczącego opracowania opon o optymalnej konstrukcji.

Zmiany w następnym z układów – napędowym są już dość znaczne, gdyż poza modyfikacjami wprowadzonymi w samym silniku, niezależne optymalne rozwiązania, ukierunkowane na maksymalne obniżenie zużycia paliwa, pojawiły się w każdym podstawowym elemencie. Przy czym należy ponownie podkreślić, że wszelkie usprawnienia i w tym przypadku mają charakter niezwykle kompleksowy, ponieważ jednym z przyjętych założeń było nie tylko uzyskanie poprawy działania wybranych części, ale i uzyskanie pełnego efektu synergii wszystkich współpracujących ze sobą komponentów, tak aby system jako całość w obecnych warunkach funkcjonował w sposób uznany za optymalny. Przykładów takich przemyślanych poprawek, niezwykle pozytywnie rzutujących na całość – ostateczny wynik, można przytoczyć wiele. Zastosowana pompa wody ma dwie prędkości pracy, dzięki czemu natężenie przepływu cieczy chłodzącej w układzie chłodzenia silnika jest stopniowo sterowane i jego maksymalną wartość da się osiągnąć tylko wtedy, gdy okazuje się to niezbędne. Podobny system steruje pracą pompy oleju o zmiennej pojemności skokowej oraz sprężarką powietrza z niezależnym sprzęgłem. W efekcie ta ostatnia przez większość czasu jazdy po autostradzie pozostaje wyłączona, ponieważ w tych warunkach zapotrzebowanie na sprężone powietrze zalicza się do niskich i chwilowych. Nie pracuje więc bezużytecznie, lecz tylko wtedy, kiedy zachodzi taka konieczność, co automatycznie prowadzi do redukcji zużycia paliwa.

Co się natomiast tyczy pozostałych, mechanicznych podzespołów pojazdu, to zwiększono sprawność ich działania. M.in. podwyższono temperaturę oleju silnikowego, aby w jak największym stopniu ograniczać tarcie ruchomych części i tym samym zmniejszyć straty energii. Liczne modyfikacje objęły też wał napędowy i alternator, którego skuteczność działania uległa znacznemu zwiększeniu.

Mimo tak wielu czasami poważnych zmian, by pojazd Optifuel Lab funkcjonował w sposób w pełni prawidłowy i mógł wykazać całość swych zalet, konieczna okazała się pomoc najsłabszemu ogniwu w procesie transportowym – człowiekowi. To konkretny kierowca, poprzez styl jazdy, w zasadniczy i bezpośredni sposób wpływa bowiem na zużycie paliwa. Dlatego instalacja systemów wspomagania w prowadzeniu winna umożliwić redukcję zapotrzebowania na olej napędowy. Przy czym, zgodnie z filozofią projektu Optifuel Lab, Renault Trucks nie sięgało tu po jakieś specjalne rozwiązania i podzespoły, a zajęło się poprawą działania tych dotychczas stosowanych. M.in. w oparciu o zebrane do tej pory bogate doświadczenia wprowadzono kolejne modyfikacje w funkcjonowaniu, już obecnie niezwykle wysoko ocenianej przez użytkowników, zautomatyzowanej skrzyni Optidriver. W efekcie umożliwia ona zmianę biegów przy niższych niż uprzednio prędkościach obrotowych i jeszcze lepiej pozwala spożytkować dostępny moment obrotowy silnika. Poza tym w sprzyjających warunkach drogowych, przykładowo na początku zjazdu ze wzniesienia, rozłącza układ napędowy, jest zaopatrzona w udoskonaloną funkcję EcoRoll oraz współpracuje z systemem Cruise-control zaprogramowanym tak, by swym działaniem ograniczał zużycie paliwa. By jednocześnie zgodnie z zasadą kompleksowości poprawa wynikała ze zmian będących pochodną współdziałania ze sobą większej liczby podzespołów, modernizacja nie ominęła ogranicznika prędkości ASL (Adaptive Speed Limiter). W następstwie sprzężenia z układem GPS urządzenie to może teraz analizować położenie auta, ukształtowanie drogi (podjazdy, zjazdy ze stromych wzniesień), rozpoznawać wymagane przepisami ograniczenia prędkości i na tej podstawie automatycznie ustalać prędkość, z jaką powinien poruszać się pojazd. O tym, że system ten cechuje wysoki stopień zaawansowania, świadczy m.in. to, że powoduje on łagodną redukcję prędkości przy zbliżaniu się przykładowo do punktu poboru opłat na autostradzie.

Dla naukowców i projektantów najważniejszym wyzwaniem nie jest jednak samo przygotowanie prototypu, lecz sprawdzenie, jak w realnych warunkach poszczególne poprawki i nowe opracowania przyczyniają się do osiągnięcia zamierzonego celu. W przypadku Optifuel Lab kwestia dotyczyła więc tego, jak wprowadzone w sposób niezwykle kompleksowy, komplementarny i przemyślany zmiany wpływają na uzyskanie znaczącego zmniejszenia zużycia paliwa przez cały zestaw. W tym celu najpierw zaplanowano zaawansowany i złożony program badawczy, obejmujący wszystkie etapy projektu, od przysłowiowej czystej kartki papieru po zatwierdzenie wyników w warunkach drogowych. Wymagało to oczywiście wykonania niezwykle żmudnej pracy, by rezultaty szeregu bardzo dokładnych testów symulacyjnych na stanowisku badawczym i potem w rzeczywistym otoczeniu – podczas normalnej eksploatacji były jak najbardziej miarodajne. W pierwszej fazie prób korzystano więc z symulacji komputerowej i wykonywano czysto wirtualne eksperymenty. Po potwierdzeniu skuteczności rozwiązań na komputerze, zaangażowani specjaliści mogli przejść do etapu drugiego, czyli zbudowania auta fizycznie zaopatrzonego we wszystkie proponowane i zatwierdzone usprawnienia. Następnie auto to zostało umieszczone na stanowisku badawczym, gdzie przeprowadzono jazdy próbne na rolkach. Dzięki temu, bez opuszczania zakładu, można było zapoznać się z pierwszymi, realnymi wynikami. Ponieważ jednak nic nie zastąpi jazd w rzeczywistym ruchu, gdyż tylko one pozwalają na dogłębne sprawdzenie funkcjonowania każdej części oddzielnie i układu jako całości, w ostatnim etapie zestaw Optifuel Lab musiał być zbadany na drodze. W tym celu Francuzi wyznaczyli specjalną trasę testową i wybrali pojazd porównawczy, umożliwiający prawidłową ocenę i weryfikację uzyskanych wyników. Trasą była pętla o długości 400 km, często wykorzystywana przez prasę fachową do dziennikarskich jazd kontrolnych i przebiegająca przez miasta Chamběry, Genewa, Bourg-en-Bresse i Villefranche-sur-Saône. Dzięki temu cechują ją wszystkie sytuacje drogowe napotykane przez przewoźników, w tym między kilometrami 80 i 300 kilka wzniesień o maksymalnej wysokości niewiele ponad 500 m. Dodatkowo, czysto ze względów praktycznych, trasę podzielono na dwie części – od punktu poboru opłat za autostradę w miejscowości Macon Nord do parkingu w Fontanelle i z powrotem.

Równie istotny w badaniu zużycia paliwa jak wybór trasy pozostawał właściwy dobór ciężarówki porównawczej. W tej roli wystąpił 2-osiowy ciągnik Premium Route DXi11 450 KM Euro 5 Incentive, czyli na tle konkurentów samochód uważany za wyjątkowo oszczędny.

Trzecim, ważnym składnikiem prób, by ich wyniki cechowały się dużą wiarygodnością, była stosowna metodologia, mająca do minimum ograniczyć wpływ czynników zewnętrznych, w tym kierowcy i warunków meteorologicznych. By zmniejszyć wpływ techniki – sposobu prowadzenia pojazdu na ostateczne rezultaty, zadecydowano o zmianie prowadzącego w połowie trasy. Ponadto każdy przejazd wykonywany był z możliwie jak najczęstszym wykorzystaniem regulatora prędkości oraz z pokonywaniem podjazdów i zjazdów ze stałą, zaprogramowaną w ten sposób prędkością, ograniczoną do 85 km/h. W rezultacie w ciągu dwóch tygodni trasę pokonywano sześć razy, co w znacznym stopniu pozwoliło uniezależnić się od warunków pogodowych, wpływających korzystnie bądź negatywnie na spalanie. Należy również podkreślić, że uzyskany wynik końcowy nie jest najlepszym rezultatem pomiarów wykonywanych podczas sześciu przejazdów, a jedynie średnią obliczoną po zrealizowaniu wszystkich testów drogowych – jazd próbnych, w czasie których zestaw pokonał łącznie blisko 5000 km. Dużą uwagę organizatorzy przywiązali także do metody sprawdzania zużycia paliwa. Kwestia dotyczyła tego, by od strony pomiaru nic eksperymentowi nie dało się zarzucić. Przyjęta metoda opierała się zatem na kontroli ilości zużytego paliwa z tankowanego do pełna zbiornika przed każdym przejazdem z Macon do Macon. Dane o skumulowanym zużyciu na wcześniej ustalonych, poszczególnych punktach trasy były pobierane z przepływomierza firmy AIC (Automotive Information and Control Systems), a przy każdym pomiarze spalania dokładnie opisywano warunki testu i wszelkie uwagi (wiatr, deszcz, nieprzewidziane postoje, itd.).

Zaczynając projekt Optifuel Lab specjaliści z Renault Trucks optymistycznie zakładali, że oszczędności w zużyciu paliwa wyniosą około 10%. W efekcie też na 10% szacowano ograniczenie emisji substancji szkodliwych. Tymczasem rezultat końcowy zaskoczył wszystkich. Po przejechaniu ponad 4500 km oraz po wykonaniu pomiarów w czasie jazdy na torze drogowym na odcinku 2500 km okazało się, iż w porównaniu z analogicznym, służącym za odnośnik ciągnikiem zużycie paliwa uległo zmniejszeniu aż o 4,5 litra na 100 km, czyli o 13%. Wartość ta, co godne podkreślenia uzyskana w rzeczywistym ruchu a nie na zamkniętym i specyficznym torze prób, odpowiada ograniczeniu emisji CO2 aż o 120 g/km. Oczywiście zestaw Optifuel Lab nie jest typowym zestawem, nie jest nawet prototypem, lecz pełni rolę laboratorium. Niemniej tylko status pojazdu badawczego pozwalał na testowanie elementów często wykraczających poza ramy rozwiązań aktualnie dopuszczonych przepisami prawa o ruchu drogowym. Zagadnienie dotyczy przykładowo zamontowanych z przodu ciągnika i tyłu naczepy specjalnych spojlerów czy podwyższonych dachu kabiny i naczepy. Wyłącznie jednak eksperymentowanie z pewnymi technologiami umożliwia uzyskanie potwierdzenia czy zaprzeczenia słuszności wyboru określonych dróg i kierunków prowadzonych badań, tym bardziej, że w najbliższym czasie koncern chce wprowadzić przynajmniej niektóre, przetestowane rozwiązania w samochodach normalnie oferowanych na rynku. Na drodze do szybkiej komercjalizacji wszystkich nowinek stoją bowiem przepisy prawa oraz zgodność z obowiązującymi założeniami i normami technicznymi. Tym bardziej Renault Trucks dowodzi, iż znaczące zmniejszenie zużycia paliwa może już dziś być osiągnięte w następstwie umiejętnego zestawienia ze sobą wielu udoskonalonych, dotąd istniejących technik i komponentów, choć równocześnie wymaga szybkich i elastycznych zmian w przepisach, czyli realnego zaangażowania ze strony administracji państwowej. Na koniec wypada jedynie wyrazić żal, że zestaw Optifuel Lab, podobnie jak wcześniej Virage czy Radiance, nie trafi do sprzedaży, gdyż z definicji powstał do celów badawczych. Szkoda jest tym większa, iż takie eksperymentalne konstrukcje mają swój urok i charyzmę, których często już brakuje egzemplarzom seryjnym.

Tekst: Jarosław Brach

Zdjęcia: Producent