VTI rapport 1074 Utgivningsår 2021 vti.se/publikationer
Fordonsemissionsmodellen
PHEM
Förstudie om att inkludera vägytans betydelse
för rullmotstånd och bränsleförbrukning
Annelie Carlson Tiago Vieira Olle Eriksson
VTI rapport 1074
Fordonsemissionsmodellen PHEM
Förstudie om att inkludera vägytans betydelse för
rullmotstånd och bränsleförbrukning
Annelie Carlson
Tiago Vieira
Olle Eriksson
Författare: Annelie Carlson, Linköpings Universitet, http://orcid.org/0000-0002-8957-8727
Tiago Vieira, VTI, https://orcid.org/0000-0001-8057-6031
Olle Eriksson, VTI, https://orcid.org/0000-0002-5306-2753
Diarienummer: 2016/0589-9.1 Publikation: VTI rapport 1074 Utgiven av VTI, 2021
Publikationsuppgifter – Publication Information
Titel/Title
Fordonsemissionsmodellen PHEM. Förstudie om att inkludera vägytans betydelse för rullmotstånd och bränsleförbrukning/Vehicle emissions model PHEM. A preliminary study on the possibility to
include the effect of road surface characteristics for rolling resistance and fuel consumption
Författare/Authors
Annelie Carlson, Linköpings Universitet, http://orcid.org/0000-0002-8957-8727
Tiago Vieira, VTI, https://orcid.org/0000-0001-8057-6031
Olle Eriksson, VTI, https://orcid.org/0000-0002-5306-2753 Utgivare/Publisher
VTI, Statens väg- och transportforskningsinstitut/
Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI)
www.vti.se/
Serie och nr/Publication No.
VTI rapport 1074
Utgivningsår/Published
2021
VTI:s diarienr/Reg. No., VTI
2016/0589-9.1
ISSN
0347–6030
Projektnamn/Project
PHEM och rullmotstånd/PHEM and rolling resistance
Uppdragsgivare/Commissioned by
Trafikverket/Swedish Transport Administration
Språk/Language
Svenska/Swedish
Antal sidor inkl. bilagor/No. of pages incl. appendices
Sammanfattning
Fordonsemissionsmodellen PHEM: Förstudie om att inkludera vägytans betydelse för rullmotstånd och bränsleförbrukning
Annelie Carlson (Linköpings universitet), Tiago Vieira (VTI) och Olle Eriksson (VTI)
Rullmotståndet är en viktig komponent vid beräkning av bränsleförbrukning och emissioner. Denna rapport redovisar alternativ till metodutveckling för att med mikrosimuleringmodellen PHEM bättre kunna beakta vägytans påverkan på ett fordons rullmotstånd. Betydelsen av vägytans egenskaper har tidigare gjorts med modellen VETO där det går att ange specifika egenskaper hos vägen. Dessa möjligheter gör att VETO passar bra för analyser av hur vägens egenskaper påverkar bränsleförbruk-ningen. Samma möjligheter finns inte i PHEM.
De utvecklingsalternativ som berörs i rapporten är att: (1) ändra källkoden till PHEM så att
möjligheten att inkludera vägytans egenskaper blir samma som i VETO; (2) att i PHEM:s indatafiler lägga till en kolumn som ersätter rullmotståndet som beräknas av PHEM med ett rullmotstånd som beräknas på annat sätt och därmed kan koppla till vägytans egenskaper; (3) att ersätta
rullmotståndsdelen i PHEM med motsvarande block i VETO med viss förenkling och (4) att sätta in ett referensfall från VETO i PHEM och göra övriga justeringar i efterhand med hjälp av VETO. Alternativen (1) till och med (3) ändrar rullmotståndsdelen men behåller allt övrigt inom PHEM medan (4) omfattar fler simuleringar. Alternativ (3) och (4) kräver inte någon ändring av källkoden. Rapporten visar att alternativ (1), att ändra källkoden till PHEM, under vissa förutsättningar bedöms vara det mest framkomliga alternativet. Detta kräver tillgång till en speciell version av PHEM med en modifierad rullmotståndsmodul. Om den speciella versionen av PHEM inte är tillgänglig, och under vissa förutsättningar, kan alternativet (4) vara av intresse, dvs. att ha ett referensfall från VETO i PHEM och justera resultaten för bränsleförbrukning i efterhand. I den metoden korrigeras bränsleförbrukning och relaterade emissioner med hur dessa skulle påverkas enligt VETO om vägytans egenskaper ändras samtidigt som metoden behåller andra komponenter och egenskaper i PHEM.
Nyckelord
Abstract
Vehicle emissions model PHEM. A preliminary study on the possibility to include the effect of road surface characteristics for rolling resistance and fuel consumption
Annelie Carlson (Linköping University), Tiago Vieira (VTI) and Olle Eriksson (VTI)
Rolling resistance is an important component for the calculation of vehicle fuel consumption and emissions. This report presents a possible method development for the emissions model PHEM to consider the effect of road surface characteristics on rolling resistance. With this development it is possible to have a more comprehensive application of PHEM. The importance of the road surface influence of fuel consumption has previously been done with the VETO model in which it is possible to specify road surface properties. Therefore, VETO is considered appropriate to analyse how road surface characteristics affect fuel consumption. PHEM does not offer the same possibilities. The four alternative methods explored in this report are: (1) change PHEM’s source code to include the same possibilities to consider road surface characteristics as VETO, (2) to externally, with another model, calculate rolling resistance and include it as input variable in PHEM, (3) substitute the rolling resistance model in PHEM with an equivalent model from VETO, and (4) use a reference case from VETO to PHEM and make additional corrections to the results obtained from PHEM by using VETO. The alternatives (1) to (3) change the rolling resistance model yet retain all the other parts from PHEM while alternative (4) requires additional simulations. Alternatives (3) and (4) do not require
modifications to PHEM’s source code.
The alternative that is considered the most feasible is (1) to reprogram the source code of PHEM to include the same possibility to describe road surfaces characteristics as in VETO. This requires a special version of PHEM with a modified rolling resistance module. In the case that such adapted version of PHEM is not available, and under certain conditions, the alternative (4) can be used, which means to substitute the rolling resistance model in PHEM with an equivalent model from VETO.
Keywords
Förord
Arbetet har finansierats av Trafikverket och rapporten utgör en del av det internationella samarbetet MIRIAM (Models for rolling resistance In Road Infrastructure Asset Management systems). Projektledare för projektet har varit Tiago Vieira. Författarna tackar Åsa Lindgren som varit Trafikverkets kontaktperson.
Linköping, mars 2021
Tiago Vieira Projektledare
Kvalitetsgranskning
Intern peer review har genomförts 27 oktober 2020 av Johan Olstam. Annelie Carlson, Olle Eriksson och Tiago Vieira har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus. Ansvarig chef, Yvonne
Andersson-Sköld har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 11 februari 2021. De slutsatser och rekommendationer som uttrycks är författarnas egna och speglar inte nödvändigtvis myndigheten VTI:s uppfattning.
Quality review
An internal peer review was conducted on 27 October 2020 by Johan Olstam. Annelie Carlson, Olle Eriksson and Tiago Vieira has adjusted the final report. The head of unit Yvonne Andersson-Sköld has thereafter reviewed and approved the report for publication on 11 February 2021. The conclusions and recommendations in the report are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of VTI as a government agency.
Innehållsförteckning
Publikationsuppgifter – Publication Information ...3
Sammanfattning ...4 Abstract ...5 Förord ...6 Kvalitetsgranskning ...7 Quality review ...7 1. Inledning ...9 1.1. Bakgrund ...9
1.2. Syfte och avgränsningar ...10
1.3. Metod ...10
2. Projekt om vägytans effekter på rullmotstånd och bränsle-förbrukning ...11
3. Beskrivning av rullmotstånd i olika emissionsmodeller ...13
3.1. Rullmotstånd i VETO ...13
3.2. Rullmotstånd i PHEM ...13
3.3. Rullmotstånd i andra modeller ...14
4. Förslag till metod att hantera vägytans egenskaper ...16
4.1. Ändra PHEM:s rullmotståndsberäkning ...16
4.2. Lägga till kolumn i PHEM:s indatafil ...16
4.3. Ändra parametervärden i PHEM:s nuvarande rullmotstånds-funktion ...17
4.4. Merförbrukning ...19
5. Beräknad merförbrukning enligt förslag 4 ...21
5.1. Merförbrukning ...21
5.2. Jämförelse av bränsleförbrukning från PHEM och VETO vid slät yta ...24
5.3. Merförbrukning med fordon enligt PHEM och VETO ...25
6. Övriga egenskaper som rekommenderas utvecklas i PHEM ...27
7. Sammanfattning och slutsatser ...28
8. Diskussion om vidareutvecklingsmöjligheter ...29
Referenser ...30
1.
Inledning
1.1. Bakgrund
Trafikverkets Förslag till Nationell plan för Transportsystemet 2018–2029 beskriver behovet av energieffektivisering inom transportsystemet (Trafikverket, 2017). Det finns således behov att kunna beräkna trafikens bränsleförbrukning och emissioner. I det sammanhanget är vägytans egenskaper och dess effekt på rullmotståndet en faktor som bör tas i beaktande.
Vejstandard og transportomkostninger (VETO) är en mikrosimuleringsmodell och en tillhörande programvara med vilken det går att beräkna transportkostnader som funktion av vägstandard, bl.a. bränsleförbrukning och avgasemissioner för ett fordon (Carlsson 1986). I fortsättningen används
modell för själva metoden/metodbeskrivningen och program för implementationen i mjukvara.
Beräkningarna görs med avseende på däckens egenskaper, fordonet (vikt, motorstyrka mm), hastighet, vägens linjeföring (gradient, kurvatur, tvärfall, vägbredd), vägytans egenskaper (ojämnhet, textur) och meteorologi (temperatur, lufttryck, vind, förekomst av fukt och snö). VETO:s beräknade värden avseende bränsleförbrukning är validerade mot uppmätta värden med fordon som kört på vägsträckor med olika egenskaper hos vägytan och vägens utformning (Hammarström & Karlsson 1987,
Hammarström 1999) och i laboratoriemiljö på chassidynamometer och med hydraulisk broms (Hammarström 1999).
En fördel med VETO är att programmet beräknar en körcykel utifrån vägens egenskaper medan andra modeller vanligtvis behöver en fördefinierad körcykel som indata. Dessa möjligheter att kunna beskriva vägens och vägytans egenskaper som indata gör att VETO är väl lämpat till att genomföra studier och utvärderingar om väginfrastrukturens utformning och dess påverkan på
bränsleförbrukning. Programmet har också använts i nationella och internationella projekt för just detta, antingen för att genomföra direkta beräkningar (Hammarström m.fl. 2012) eller för att ta fram bränsleförbrukningsfaktorer som implementeras i andra beräkningsverktyg, till exempel Effekter vid väganalyser (EVA) (Trafikverket 2017) och Modelling Infrastructure Influence on RoAd Vehicle Energy Consumption (MIRAVEC) (Haider & Kriegisch 2013). En nackdel med VETO är att
grundläggande funktioner för bränsle- och emissionsberäkningar inte har uppdaterats på länge. Det gör att beräkningar av bränsleförbrukning fortfarande kan vara tillämpliga medan beräkningar av
emissioner inte är det.
I studien som presenteras i denna rapport undersöks ett alternativ till att använda VETO för analyser av hur vägens egenskaper påverkar emissioner. Utgångspunkten är att istället använda Passenger Car and Heavy Duty Emission Model (PHEM) (Hausberger m.fl. 2013) vilken, i likhet med VETO, är en mikrosimuleringsmodell. PHEM kan även hantera makrosimuleringar. För att få en mer konsistent beräkning av avgasemissioner inom det planerings- och utvärderingsarbete som Trafikverket gör på olika nivåer (lokalt, regionalt och nationellt), finns en önskan att i större utsträckning använda PHEM istället för VETO. PHEM har blivit validerad i ett flertal projekt, bland annat genom jämförelse med uppmätta emissioner med olika körcykler i laboratoriemiljö, med chassidynamometer samt med ombordmätning vid körning i trafik (Rexeis m.fl. 2007).
Fördelen med PHEM är att den baseras på en omfattande databas med mätdata från fordon i Europa vilken täcker personbilar, lätta lastbilar samt tunga fordon som bussar och lastbilar upp till 40 ton. PHEM:s programvara uppdateras dessutom kontinuerligt inom det europeiska samarbetet European Research for Mobile Emission Sources (ERMES). Den används till exempel till att ta fram
emissionsfaktorer till emissionsberäkningsverktyget HandBook Emission FActors for road transport (HBEFA) (Notter m.fl. 2019) som i sin tur bland annat används för att beräkna trafikens årliga bidrag till avgasemissioner och bränsleförbrukning i Sverige som sedan rapporteras in till den årliga
nationella statistiken. En nackdel med PHEM är dock att den beräknar bränsleförbrukningen vid bestämda värden på International Roughness Index (IRI), som är ett mått på vägytans ojämhet och Mean Profile Depth (MPD), som är ett mått på vägytans makrotextur, utan någon möjlighet att låta
indata till beräkningen ändra dessa ojämnhetsmått. Det innebär att det inte går att skilja ut och studera effekten av rullmotstånd på bränsleförbrukning och avgasemissioner.
En förstudie om utvärdering av PHEM (Carlson m.fl. 2013) påpekade att PHEM är ett intressant verktyg för trafikemissionsmodellering under svenska förhållanden. PHEM kan tillräckligt noggrant ta hänsyn till avgasemissioner och simulera transienta förlopp för enskilda fordon. Effekter av transienta förlopp är särskilt viktiga för avgasbildningen. Programmet kan även användas för att beräkna
bränsleförbrukning och emissioner för en fordonsflotta i ett vägnätverk. Dessutom påpekades behovet att undersöka hur betydelsen av vägyteegenskaper skulle kunna inkluderas i PHEM.
1.2. Syfte och avgränsningar
Syftet med detta projekt är att genomföra en inledande studie om möjligheter och hinder för att utvidga användningsområdet för PHEM med avseende på att inkludera vägytans egenskaper vid beräkning av i första hand bränsleförbrukning, men även avgasemissioner. Utgångspunkten är dels de beräkningsmöjligheter som omfattas av VETO idag, dels de resultat om rullmotstånd som tagits fram i tidigare delprojekt i MIRIAM. Det ingår inte i syftet att genomföra fullständiga implementeringar i PHEM av alla möjliga alternativ som diskuteras i rapporten. Beräkningarna som utfördes här syftar på att utforska de olika alternativen och stödja diskussionen och jämförelserna.
1.3. Metod
För att undersöka PHEM och vad som krävs för att utveckla verktyget användes mjukvarans dokumentation, relevant litteratur samt direktkontakt med dem som är ansvariga för underhåll och utveckling av programvaran vid Technische Universität Graz (TUG). För att förstå hur man kan dra nytta av fördelar med VETO:s rullmotståndberäkningar används VETO:s dokumentation och relaterade rapporter som beskriver den rullmotstånds- och bränsleförbrukningsmodell som används. Dessutom studeras några olika versioner av VETO:s källkod.
Modellerna undersöktes och jämfördes ur olika synvinklar för att se om det finns komponenter i PHEM som kan bytas mot komponenter i VETO för att därigenom skapa en sammansatt modell baserad på PHEM men med vägytans egenskaper inkluderade på samma eller liknande sätts om i VETO. Det omfattar även möjliga justeringar utanför själva modellerna. Ändringar som kan göras i teorin utvärderas också utifrån om de är praktiskt genomförbara.
För att jämföra hur PHEM och VETO beaktar vägytans egenskaper och dess inverkan på
bränsleförbrukning genomfördes beräkningar för två olika personbilar med PHEM respektive VETO. Dessa fordon är en personbil som är definierad i PHEM samt en genomsnittlig personbil som finns definierad i VETO.
2.
Projekt om vägytans effekter på rullmotstånd och
bränsle-förbrukning
Rullmotstånd är en del av ett fordons totala färdmotstånd, se Figur 1. Tidigare har fokus främst legat på att minska det motstånd som uppstår på grund av aerodynamik och framdrivning. Under det senaste årtiondet har dock intresset ökat för rullmotståndets betydelse och vilka möjligheter det finns att kunna minska energianvändningen genom att minska rullmotståndet. Interaktionen mellan däck och vägyta har varit av speciellt intresse och en del av de projekt som genomförts inom området presenteras i detta stycke.
Figur 1. Färdmotståndets delkomponenter (Baserat på Sandberg & Goubert, 2011)
Ett pågående projekt undersöker möjligheten att ta fram ett antal indikatorer som beskriver
väginfrastrukturens tillstånd och som är knutna till underhållsverksamheten (Lundberg m.fl. ännu ej publicerad). Med indikatorer går det att utvärdera hur en organisation bedriver sin verksamhet och lyckas uppnå sina mål. Målet med projektet är att de föreslagna indikatorerna ska bidra till en bättre möjlighet för Trafikverket att kunna uppnå ställda mål inom underhållsverksamheten för
väginfrastruktur, att de arbetar mot rätt mål och att rätt insatser utförs. De ska även kunna fungera som ett instrument för prioritering mellan olika åtgärder och insatser. Föreslagna indikatorer kan också användas för att se trender som kan kopplas till ekonomiska termer. En av de utvalda indikatorerna är rullmotstånd och den kopplar till miljökvalitetsmålet Begränsad klimatpåverkan. För att kunna utvärdera trafikens energieffektivitet utifrån vägytans egenskaper på en specifik vägsträcka och sätta den i relation till underhållsverksamhetens energianvändning, så finns det ett behov av att kunna beskriva vägytans effekt på bränsleförbrukningen.
I ett samarbete mellan danska Vejdirektoratet (DRD), Roskilde Universitetet, NCC Roads och Tekniska Universitet i Danmark, har projektet CO2 emission reduction by exploitation of rolling
resistance modelling of pavements (COOEE) undersökt beläggningar med lägre rullmotstånd med syftet att minska bränsleförbrukningen och därigenom uppnå en minskning av CO2 och en förväntad
minskning av NOX. Projektet påpekar att det är möjligt att minska rullmotstånd genom att optimera
beläggningens egenskaper. I jämförelse med referensbeläggningar lyckades de utvecklade blandningar de studerade minska rullmotstånd med 3 respektive 5 procent (Pettinari, 2017).
Ett annat relevant projekt i Danmark är projektet Roads Saving Energy (ROSE) vilket är ett samarbete mellan DRD, Roskilde Universitetet, NCC Roads, med flera. Syftet med projektet är att utveckla en hållbar beläggning som minskar energianvändning för lätta fordon med minst 6,5 procent. Inom projektets ram implementerades fyra teststräckor med lägre rullmotstånd i jämförelse med vanlig asfalt. Den föreslagen beläggningen minskade rullmotstånd upp till 7,6 % vid 80 km/h och upp till 6,5 % vid 110 km/h (Pettinari et al., 2019).
Bakgrunden till projektet MIRAVEC, som finansierades av ERA-NET ROAD, var ett behov av att ta hänsyn till de egenskaper hos väginfrastrukturen som påverkar vägfordons bränsleförbrukning. Genom att inkludera dessa faktorer i pavement management system (PMS) så kan det bidra till att minska utsläpp av växthusgaser från vägtrafiken. Syftet med projektet var därför att, utifrån befintlig kunskap, anta ett övergripande synsätt på väginfrastruktur och förtydliga interaktionen mellan olika egenskaper, samt undersöka möjligheten att ta hänsyn till infrastrukturens utformning och dess påverkan på bränsleförbrukning i existerande PMS (Haider & Kriegisch 2014). Ett beräkningsverktyg utvecklades för att kunna inkludera dessa aspekter i PMS. Resultaten i MIRAVEC visar att det idag samlas information om väginfrastrukturen som kan användas för att modellera dess inverkan på
bränsleförbrukningen men att det inte görs i den utsträckning som det skulle kunna. Intervjuer och enkätundersökningar visar att det finns en ökad medvetenhet hos trafikverk avseende infrastrukturens betydelse för trafikens energianvändning men att det inte finns utrymme att på ett konkret sätt
implementera detta i beslutsunderlag. Slutsatsen är att modeller som tar hänsyn till vägens egenskaper kan ge värdefulla indata till beslutsprocesser för underhåll som sedan kan leda till lägre
klimatpåverkan, men att begränsade resurser i form av såväl tid som pengar hindrar detta. Ett internationellt projekt inom rullmotstånd, som också omfattar vägytans egenskaper och dess betydelse till rullmotståndet, är projektet Models for rolling resistance In Road Infrastructure Asset Management systems1 (MIRIAM). Projektet består av 12 olika partners från Europa och USA och
syftar till att minska CO2-emissioner från trafiken och väginfrastrukturen samt att uppnå en bättre
energieffektivitet (Haider & Conter 2010). Samarbetet omfattar mätmetoder, mätutrustningar, mätningar, modellutveckling, fallstudier och resultatimplementering. I projektet påpekas att det är möjligt att minska energibehov och CO2-utsläpp genom att ta hänsyn till rullmotståndet när man
bestämmer om underhållsåtgärder (Hammarström m.fl. 2011, Wang m.fl. 2012, Carlson 2017). Projektet indikerar också behovet att vidareutveckla mätutrustningar och mätmetoder, att vidare undersöka sambandet mellan olika vägytevariabler och rullmotstånd samt att se till ekonomiska aspekter (Karlsson m.fl. 2012, Carlson m.fl. 2016)
Rolling resistance, Skid resistance And Noise Emission measurement standards for road surfaces (ROSANNE) var ett internationellt samarbetsprojekt inom sju EU-länder. Syftet var att utveckla standardmetoder för mätningar. Projektets resultat kan användas tillsammans med andra rapporter för att börja utveckla standardmetoder för att mäta rullmotstånd inom Europeisk Kommitté för
Standardisering (CEN) (Haider m.fl. 2016) När det gäller sambandet mellan rullmotstånd och textur bevisade projektet att vägytans egenskaper såsom MPD och megatextur har en bra korrelation med rullmotstånd.
3.
Beskrivning av rullmotstånd i olika emissionsmodeller
3.1. Rullmotstånd i VETO
I VETO finns möjligheten att ange egenskaper hos vägytan och inkludera dem i beräkningarna (Karlsson & Hammarström 1987). De indata som kan anges är värden på vägens ojämnhet angivet som IRI samt dess textur angivet som MPD. Det finns även möjlighet att ange åldern på
vägbeläggningen genom att välja ny, gammal eller medel, varav den sista motsvarar en genomsnittlig ålder. Uppgiften om ålder används för att uppskatta mikrotexturens påverkan på däckslitage. Det finns även möjlighet att enkelt ändra parametervärden i rullmotståndsfunktionen. Dessa möjligheter gör att det är relativt enkelt att undersöka vilken effekt olika egenskaper hos vägytan har på
bränsleförbrukningen, vilket innebär att beräkningsverktyget är flexibelt i det avseendet. Dock är själva utformningen av rullmotståndsfunktionen mer fastlagd och eventuella ändringar måste skrivas in i källkoden.
I den ursprungliga VETO-modellens funktion för rullmotstånd ingick endast textur som variabel för vägytans egenskaper. Längsgående ojämnheter inkluderades genom att ett tillkommande motstånd på grund av dämparbete i däck, stötdämpare och fjädrar beräknades som kvoten mellan dämparbete och körd sträcka. VETO-programmet har sedan dess ändrats och rullmotståndskoefficienten 𝐶𝐶𝐶𝐶 beräknas nu (version VETO 2009, version 1.0.0) enligt Ekvation 1 för en viss hastighet, 𝑣𝑣.
𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝐶𝐶𝑟𝑟0+ 𝐶𝐶𝑟𝑟1∙ 𝑣𝑣 + 𝐶𝐶𝑟𝑟2∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝐶𝐶𝑟𝑟3∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 ∙ (𝑣𝑣 − 20) + 𝐶𝐶𝑟𝑟4∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 + 𝐶𝐶𝑟𝑟5∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 ∙ (𝑣𝑣 − 20) Ekvation 1. Rullmotståndskoefficient i VETO som funktion av IRI, MPD och hastighet.
𝐶𝐶𝑟𝑟0 och 𝐶𝐶𝑟𝑟1 representerar rullmotstånd på en slät yta med makrotextur noll medan resten av
rullmotståndsfunktionen, inklusive 𝐶𝐶𝑟𝑟2, 𝐶𝐶𝑟𝑟3, 𝐶𝐶𝑟𝑟4, och 𝐶𝐶𝑟𝑟5, anger tillägget som orsakas av IRI och
MPD. En normalisering av hastighet kring 20 m/s var önskad, därför användes (𝑣𝑣 − 20) som information om hastighet i de hastighetsberoende komponenterna.
En alternativ modell som lades till VETO år 2011 använder inte normalisering runt 20 m/s för hastigheten. Koefficienten 𝐶𝐶𝑟𝑟1används heller inte vilket ger att 𝐶𝐶𝐶𝐶 i den alternativa modellen
beräknas enligt Ekvation 2. Se mer information om rullmotståndsberäkningen i VETO i Bilaga 1. 𝐶𝐶𝑟𝑟0+ 𝐶𝐶𝑟𝑟2∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝐶𝐶𝑟𝑟3∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 ∙ 𝑣𝑣 + 𝐶𝐶𝑟𝑟4∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 + 𝐶𝐶𝑟𝑟5∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 ∙ 𝑣𝑣
Ekvation 2. Alternativ rullmotståndskoefficient i VETO som funktion av IRI, MPD och hastighet.
3.2. Rullmotstånd i PHEM
I PHEM är det möjligt att simulera olika fordons energianvändning och beräkna rullmotstånd enligt den modell som presenteras i Mitschke och Wallentowitz (2004). Rullmotståndseffekten 𝑀𝑀𝑟𝑟 (kW) i den
modellen beräknas enligt Ekvation 3.
𝑀𝑀𝑟𝑟 = � 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑓𝑓𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓+ 𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙� ∙ 𝑔𝑔 ∙ (𝐹𝐹𝑟𝑟0+ 𝐹𝐹𝑟𝑟1𝑣𝑣 + 𝐹𝐹𝑟𝑟4𝑣𝑣4) ∙ 𝑣𝑣 Ekvation 3. Rullmotståndseffekten i PHEM som funktion av massa och hastighet.
där 𝑚𝑚𝑓𝑓𝑓𝑓𝑟𝑟𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 och 𝑚𝑚𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 är vikt på fordon och last, 𝑣𝑣 är hastigheten, 𝐹𝐹𝑟𝑟0, 𝐹𝐹𝑟𝑟1 och 𝐹𝐹𝑟𝑟4 är koefficienter
som beräknas från så kallad utrullning2 och 𝑔𝑔 är tyngdkraftsacceleration. Man kan välja bland flera
befintliga fordonsmodeller i PHEM eller skapa sin egen modell med sina egna koefficienter. Simuleringen ger rullmotståndseffekten som ett av många redovisade resultat.
2Utrullning, även kallat coast-down, är en metod för att uppskatta ett fordons färdmotstånd genom att mäta hur
Då koefficienterna 𝐹𝐹𝑟𝑟0, 𝐹𝐹𝑟𝑟1 och 𝐹𝐹𝑟𝑟4 beräknades genom utrullningsförsök på olika vägytor ingår
vägytans inverkan implicit i modellen. Det finns tyvärr ingen information om vilket IRI eller MPD som dessa vägytor haft, varför det inte går att beräkna betydelsen av dessa. Dessutom finns
koefficienten 𝐹𝐹𝑟𝑟4 som multipliceras med 𝑣𝑣4 och därmed har en tydligt större inverkan vid högre
hastigheter. För att belysa det kan det nämnas att ett lätt fordon i Euroklass 6 G enligt PHEM:s befintliga fordonsdefinitioner har 𝐹𝐹𝑟𝑟4 = 1,6 × 10−9 (s4/m4)vilken, när den multipliceras med 𝑣𝑣4,
kommer att ha en betydande inverkan på rullmotståndskoefficienten när hastigheten når exempelvis 120 km/h (33,3 m/s). Mer exakt beräknas för detta fordon att av det totala rullmotståndet bidrar 𝑣𝑣4
med 1,6 % vid 70 km/h, 9,7 % vid 120 km/h, 37,9 % vid 200 km/h och 52,8 % vid 240 km/h. Det betyder att 𝐹𝐹𝑟𝑟4 inte kan försummas för höga hastigheter. I PHEM:s nuvarande version, det vill säga
12.0.8, har alla personbilar samma rullmotståndskoefficienter, se Tabell 1 i kapitel 4.3.
3.3. Rullmotstånd i andra modeller
Förutom VETO finns det få mekanistiska modeller som tar hänsyn till vägytans bidrag i beräkningar av ett fordons bränsleförbrukning. Oftast omfattar modellerna möjligheter att definiera egenskaper hos fordonet som luftmotståndskoefficient, vikt, motormapp3 med mera. Rullmotståndet som en effekt av
interaktionen mellan däck och vägyta beskrivs vanligtvis utifrån en slät vägyta som inte är representativ för vanlig väg. En sammanställning (Vashisth & Kumar 2018) över studier som
undersökt hur vägytans egenskaper påverkar bränsleförbrukningen visar att det är ytterst få som använt en mekanistisk modell. Majoriteten av studierna, drygt 85 procent, har istället gjort tester som är specifika för de beläggningar som analyserats och för den mätutrustning som använts, i fält eller i laboratorium.
En modell som inkluderar en beskrivning av vägytan, och som är etablerad och används av ett flertal länder, är Highway Development and Management tool (HDM-4). Den är utvecklad av Världsbanken och används för bedömning av tekniska, ekonomiska, sociala och miljömässiga konsekvenser av vägåtgärder (HDMGlobal u.å.). Modellen har en funktion som bland annat tar hänsyn till vägytans egenskaper och deras påverkan på rullmotståndet när bränsleförbrukningen beräknas (Zabaar & Chatti 2010). I funktionen ingår IRI, beläggningens textur (𝑇𝑇𝑓𝑓𝑙𝑙𝑑𝑑) samt dess deflektion (DEF). Dessutom finns
det möjlighet att ta hänsyn till att en del av körningen sker i olika väderförhållanden som snö och regn. Funktionen som anger koefficienten för vägytans bidrag till rullmotståndet, 𝐶𝐶𝐶𝐶2, beräknas som
𝐶𝐶𝐶𝐶2= 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟2�𝑎𝑎0+ 𝑎𝑎1∙ 𝑇𝑇𝑓𝑓𝑙𝑙𝑑𝑑+ 𝑎𝑎2∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝑎𝑎3∙ 𝑀𝑀𝐷𝐷𝐹𝐹� där 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑟𝑟2 är en kalibreringsfaktor som beror på
vilken typ av fordon som avses medan 𝑎𝑎0, 𝑎𝑎1 och 𝑎𝑎2 är koefficienter. En begränsning med HDM-4 är
att alla fordon delas upp till bara två segment, tyngre respektive lättare än 2 500 kg (Zayadi 2018), när den beräknar tillkommande bränsleförbrukning på grund av vägytans egenskaper.
Andra modeller har sedan använts i kombination med HDM-4 för att kunna beräkna utsläpp från trafiken i mer detalj. En av dessa är MOtor Vehicle Emission Simulator (MOVES) som utvecklats av Environmental Protection Agency (EPA) i USA. Modellen MOVES används för att beräkna
emissioner, som avgaser och slitagepartiklar från däck och bromsar, från mobila enheter på projektnivå, regional nivå och nationell nivå (EPA u.å.). Modellen har använts i kombination med HDM-4 och dess modul som behandlar interaktionen mellan däck och vägyta, för att exempelvis undersöka hur trafikens energianvändning påverkas av vägunderhåll som ger olika rullmotstånd (Wang m.fl. 2012) samt av IRI och trängsel på motorvägar (Gosh m.fl. 2015).
Simuleringsmodeller har även använts för att beräkna emissioner och energianvändning för olika egenskaper hos vägytan för att på så vis få ett stort dataunderlag. Det underlaget har använts för att ta fram funktioner som gör det enklare att undersöka vägytans påverkan på bränsleförbrukningen. Två exempel på detta är Hammarström m.fl. (2012) som använt VETO som bas för beräkningar och
3 En motormapp är en beskrivning av hur något resultat av motorns arbete, t.ex. bränsleförbrukning, påverkas av
Zayadi m.fl. (2018) som använt MOVES och HDM-4. I Hammarström m.fl. (2012) används 𝐾𝐾1∙ �1 + 𝑘𝑘5(𝐹𝐹𝑟𝑟+ 𝐹𝐹𝑙𝑙𝑎𝑎𝑟𝑟+ 𝑑𝑑1× 𝐴𝐴𝑀𝑀𝐶𝐶 × 𝑣𝑣2+ 𝑑𝑑2× 𝐶𝐶𝐹𝐹 + 𝑑𝑑3× 𝐶𝐶)�𝑒𝑒1∙ 𝑣𝑣𝑒𝑒2−1 för att beräkna
bränsleförbrukningen (l/10 km) och i Zayadi m.fl. (2018) beräknas bränsleförbrukningen (kJ/mile) som 𝑑𝑑𝑣𝑣+ (𝑘𝑘𝑙𝑙∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 ∙ 𝑑𝑑𝑙𝑙) + 𝑏𝑏 ∙ 𝑣𝑣 + (𝑘𝑘𝑐𝑐∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝑑𝑑𝑐𝑐) ∙ 𝑣𝑣2.
4.
Förslag till metod att hantera vägytans egenskaper
Man kan föreställa sig att bränsleförbrukningen i alla de diskuterade modellerna bygger på en ickelinjär funktion av alla ingående motstånd. Kärnan i beräkningen av bränsleförbrukning skulle till exempel kunna vara (𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑟𝑟 + 𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑔𝑔)𝑙𝑙 där 𝐹𝐹𝐹𝐹 är internt motstånd, 𝐹𝐹𝑟𝑟 är rullmotstånd, 𝐹𝐹𝐹𝐹 är
luftmotstånd, 𝐹𝐹𝑔𝑔 är kopplat till linjeföring (bland annat backar) och 𝑎𝑎 är en exponent som förväntas vara något mindre än 1. För att beräkna bränsleförbrukning ska ytterligare koefficienter och variabler inkluderas, men det ingår inte i syftet för denna rapport. Framställningen har förenklats till att bara omfatta de delar som ingår i uppdraget.
Fokus för rapporten är rullmotstånd, vad det beror av och hur det påverkar bränsleförbrukningen. I PHEM är 𝑣𝑣 den enda variabeln i rullmotståndsberäkningen. Därför kan 𝐹𝐹𝑟𝑟 från PHEM med 𝑣𝑣 som argument skrivas tydligare som 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑣𝑣). För övriga komponenter finns självklart också argument
(till exempel att luftmotståndet beror på tvärsnittsarean) men de ingår inte i frågan och skrivs därför inte ut. 𝐹𝐹𝐹𝐹, 𝐹𝐹𝐹𝐹 och 𝐹𝐹𝑔𝑔 kommer också från PHEM men det förtydligas inte närmare eftersom de inte omfattas av något förslag till förändring här. Skrivsättet att visa vilken modell de kommer från blir överflödigt för dessa komponenter och används därför inte.
Nedan beskrivs fyra alternativ för att göra PHEM:s hantering av vägytans egenskaper mer flexibel. Dessa har diskuterats med TUG som ansvarar för att utveckla och underhålla programmet. Alla alternativen handlar om att använda PHEM i kombination med någon annan modell — här nämns speciellt VETO. Det första alternativet är att ändra källkoden i PHEM och anpassa
rullmotståndsberäkning så att den kan hantera och ta hänsyn till olika indata avseende vägytans egenskaper. Det andra alternativet är att anpassa en indatafil i PHEM så att man genom den kan ange rullmotståndet som kan vara beräknat med hänsyn till vägytans egenskaper. Det tredje alternativet är ett sätt att använda samband mellan rullmotståndskoefficienter i PHEM och i VETO för att ta hänsyn till vägytans egenskaper. Det fjärde alternativet liknar det tredje men använder bränsleförbrukningen enligt VETO på ett mer omfattande sätt.
4.1. Ändra PHEM:s rullmotståndsberäkning
Det första alternativet som undersökts är att uppdatera PHEM:s beräkning av rullmotstånd. 𝐹𝐹𝑟𝑟 eller dess motsvarighet har hastigheten 𝑣𝑣 som enda variabel (Ekvation 4 i kapitel 4.3). Den skulle kunna göras om till att även inkludera IRI och/eller MPD. Det kan göras likadant som i VETO eller på annat sätt. Beräkningen av de relevanta motstånden skulle bli (𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃(𝑣𝑣, 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼, 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) + 𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑔𝑔)𝑙𝑙.
Det föreslagna angreppsättet behåller större delen av PHEM (andra krafter än rullmotstånd) samt den del som definierar ickelinjäriteten.
Detta alternativ innebär att i PHEM:s programvara ändra hur rullmotstånd beräknas. Det ska i så fall genomföras av TUG eftersom endast de har tillgång till PHEM:s källkod. Genom kontakt med utvecklaren uppskattas kostnaden att ändra modulen för rullmotståndsberäkningar i PHEM uppgå till ungefär € 2 500. En nackdel som påpekades av TUG är att en sådan version skulle bli speciellt utvecklad och anpassad till VTI och den skulle inte tillhöra standardkoden för PHEM. Det innebär i sig att den särskilda modulen skulle finnas med i den speciella versionen som VTI skulle ha, samt alla kommande uppdateringar, fast i standard-versionen av PHEM skulle den särskilda modulen ändå inte finnas med.
4.2. Lägga till kolumn i PHEM:s indatafil
Det andra alternativet som föreslås består av att lägga till en kolumn i PHEM:s indatafil för att hantera rullmotståndet externt. I så fall skulle PHEM kunna justera beräkningar av bränsleförbrukningen med hänsyn till vägytans egenskaper. Låt 𝐹𝐹𝑟𝑟 vara en del av inmatningen och låt därigenom användaren sätta sin egen 𝐹𝐹𝑟𝑟 som om det vore en variabel. Det kunde skrivas (𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑃𝑃𝐸𝐸𝐸𝐸𝑃𝑃𝐸𝐸𝐸𝐸+ 𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑔𝑔)𝑙𝑙. Även
här behålls stora delar av PHEM. Detta alternativ kräver dock tillgång till ursprungliga källkoden och utvecklingen skulle då genomföras av TUG.
4.3. Ändra parametervärden i PHEM:s nuvarande
rullmotstånds-funktion
I detta alternativ ersätts PHEM:s rullmotståndsdel med VETO:s så att motståndet uttrycks
(𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼, 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) + 𝐹𝐹𝐹𝐹 + 𝐹𝐹𝑔𝑔)𝑙𝑙. Fortfarande behålls stora delar av PHEM. Det är en variant
av att ändra PHEM:s indata men man ändrar i koefficienterna inom 𝐹𝐹𝑟𝑟-funktionen istället för att se det som en helt separat inmatning av rullmotståndet. Eftersom man inte ändrar källkoden utan bara ändrar koefficienter som är inmatade i PHEM så att rullmotståndsfunktionen uppträder som den gör i VETO så är skrivsättet inte självklart. I fortsättningen väljs skrivsättet 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃/𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼, 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀).
För att förklara strategin måste rullmotståndsmodellerna i PHEM och i VETO analyseras.
Rullmotståndsdelen i VETO är till strukturen snarlik PHEM om hastigheten i simuleringen inte är för hög. I PHEM består rullmotståndsmodellen av en beräkning av rullmotståndseffekt som beräknas enligt Ekvation 3 vilket ger Ekvation 4 för rullmotståndskoefficienten:
𝐶𝐶𝑟𝑟 = 𝐹𝐹𝑟𝑟0+ 𝐹𝐹𝑟𝑟1∙ 𝑣𝑣 + 𝐹𝐹𝑟𝑟4∙ 𝑣𝑣4
Ekvation 4. Rullmotståndskoefficienten i PHEM som funktion av hastighet.
I VETO räknas rullmotståndskoefficienten enligt Ekvation 1. Det framgår att de två modellerna är beroende av hastigheten på olika sätt. För att hitta ett samband mellan VETO:s och PHEM:s rullmotståndsmodeller kan man analysera sambandet mellan de olika koefficienterna. Till att börja med jämförs de koefficienterna som är oberoende av hastigheten. PHEM:s koefficient 𝐹𝐹𝑟𝑟0 är inte
anknuten till hastighet, då gäller Ekvation 5 och Ekvation 6.
𝐹𝐹𝑟𝑟0= 𝐶𝐶𝑟𝑟0+ 𝐶𝐶𝑟𝑟2∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 − 20 ∙ 𝐶𝐶𝑟𝑟3∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝐶𝐶𝑟𝑟4∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 − 20 ∙ 𝐶𝐶𝑟𝑟5∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀
Ekvation 5. Hastighetsoberoende komponenter i rullmotståndskoefficienten. Jämförelse mellan PHEM och VETO.
det vill säga:
𝐹𝐹𝑟𝑟0= 𝐶𝐶𝑟𝑟0+ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 ∙ (𝐶𝐶𝑟𝑟2− 20 ∙ 𝐶𝐶𝑟𝑟3) + 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 ∙ (𝐶𝐶𝑟𝑟4− 20 ∙ 𝐶𝐶𝑟𝑟5) Ekvation 6. Omgruppering av Ekvation 5.
Därefter analyseras koefficienterna som är anknutna till hastigheten upphöjd till 1. Eftersom koefficienten 𝐹𝐹𝑟𝑟1 i PHEM är anknuten till hastigheten upphöjd till 1 gäller Ekvation 7.
𝐹𝐹𝑟𝑟1∙ 𝑣𝑣 = (𝐶𝐶𝑟𝑟1+ 𝐶𝐶𝑟𝑟3∙ 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐼𝐼 + 𝐶𝐶𝑟𝑟5∙ 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀) ∙ 𝑣𝑣
Ekvation 7. Hastighetsberoende komponenter i rullmotståndskoefficienten. Jämförelse mellan PHEM och VETO.
Ekvation 6 beskriver sambandet mellan VETO:s och PHEM:s rullmotståndsmodeller för de
delkomponenterna som är oberoende av hastigheten medan Ekvation 7 visar de delkomponenter som är beroende av hastigheten upphöjd till 1. Det som kvarstår är PHEM:s koefficient 𝐹𝐹𝑟𝑟4 som är
anknuten till hastigheten upphöjd till 4, vilken inte har en motsvarande koefficient i VETO. Den koefficienten har en betydlig påverkan på rullmotståndskoefficient vid höga hastigheter, vilket beskrivits tidigare. För att belysa detta kan man jämföra VETO:s modell och en förenklad version av PHEM:s modell kallad PHEM linjär (koefficienterna 𝐹𝐹𝑟𝑟2= 𝐹𝐹𝑟𝑟3 = 𝐹𝐹𝑟𝑟4= 0) med PHEM:s riktiga
modell, se Tabell 1. 𝐹𝐹𝑟𝑟2 och 𝐹𝐹𝑟𝑟3 är tänkta koefficienter för 𝑣𝑣2 och 𝑣𝑣3. Tabell 1 utgår från VETO:s
koefficienter i första kolumnen och visar de motsvarande koefficienterna för PHEM linjär samt PHEM enligt Ekvation 6 och Ekvation 7.
Tabell 1. Koefficienter som beaktas för jämförelsen av VETO, PHEM (linjär) och PHEM.
VETO PHEM linjär PHEM
𝑪𝑪𝒓𝒓𝟎𝟎 9,26E-03 𝐹𝐹𝑟𝑟0 8,62E-03 𝐹𝐹𝑟𝑟0 8,62E-03 𝑪𝑪𝒓𝒓𝟏𝟏 6,95E-05 𝐹𝐹𝑟𝑟1 2,94E-04 𝐹𝐹𝑟𝑟1 2,94E-04
𝑪𝑪𝒓𝒓𝟐𝟐 3,80E-04 𝐹𝐹𝑟𝑟2 - 𝐹𝐹𝑟𝑟2 0 𝑪𝑪𝒓𝒓𝟑𝟑 3,47E-05 𝐹𝐹𝑟𝑟3 - 𝐹𝐹𝑟𝑟3 0 𝑪𝑪𝒓𝒓𝟒𝟒 2,21E-03 𝐹𝐹𝑟𝑟4 - 𝐹𝐹𝑟𝑟4 1,6E-09 𝑪𝑪𝒓𝒓𝟓𝟓 1,11E-04 IRI 2 MPD 1,4
Figur 2. Jämförelse av rullmotståndskoefficienterna (Cr) mellan VETO, PHEM linjär och PHEM med koefficienterna i Tabell 1.
Det framgår från Figur 2 att den här strategin bara gäller för hastigheter upp till och med ca 100 km/h. För högre hastigheter än så håller sambandet mellan VETO och PHEM:s beräkningar inte längre. Det är också praktiskt besvärligt. Att ändra parametrarna så att det matematiskt uppträder som att man ändrat variablerna kan se teoretiskt enkelt ut men praktiskt sker inmatningen på helt olika sätt och är olika omständliga att genomföra.
0,00E+00 1,00E-02 2,00E-02 3,00E-02 4,00E-02 5,00E-02 6,00E-02 7,00E-02 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Cr Hastighet (km/h)
4.4. Merförbrukning
Ersätt PHEM:s rullmotståndsdel med rullmotstånd för något standardfall beräknat i VETO. Här diskuteras bara att standardfallet är en helt slät yta. Låt sen PHEM beräkna bränsleförbrukningen i standardfallet och justera den i efterhand i proportion till hur VETO beräknar förändringen i bränsleförbrukning vid andra ytegenskaper än standardfallet. Justering blir därmed en korrigering utanför den huvudsakliga PHEM-beräkningen (merförbrukning). Förutsatt att hastigheten inte är för hög och beräkningarna med PHEM och VETO är jämförbara kan man använda merförbrukningen för att ta hänsyn till hur vägytans egenskaper uttryckta som IRI och MPD påverkar bränsleförbrukningen. Beräkningen omfattar följande steg:
1. Simulera rullmotståndet vid slät yta i PHEM genom att ersätta 𝐹𝐹𝑟𝑟 i PHEM med motsvarande från VETO. Det utförs genom att ändra parametrarna i PHEM så att det uppträder som en ändring av variablerna vid en given hastighet, 𝑣𝑣. Detaljerna beskrevs i kapitel 4.3, Ekvation 6 och Ekvation 7. Beräkna även bränsleförbrukningen och kalla den 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃/𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡).
2. Simulera bränsleförbrukningen vid en slät vägyta (IRI och MPD är noll) i VETO för samma fordon som i punkt 1 ovan för att få 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡)..
3. Simulera på samma sätt bränsleförbrukningen vid vägytans egenskaper (IRI och MPD skilda från noll) för att få 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡).
4. Beräkna bränsleförbrukningen enligt PHEM/VETO med korrigering för att ytan inte är helt slät enligt Ekvation 8.
5. Beroende på vilken redovisning som önskas kan man även behöva redovisa den absoluta merförbrukningen enligt Ekvation 9 eller den relativa merförbrukningen enligt Ekvation 10.
𝐹𝐹𝐾𝐾𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃/𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) = 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃/𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) ∙𝐹𝐹𝐾𝐾𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) 𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡)
Ekvation 8. Bränsleförbrukning på ickeslät yta beräknad med PHEM för slät yta och justerad med VETO för ickeslät yta.
𝑀𝑀𝐹𝐹𝐾𝐾𝑙𝑙𝑎𝑎𝑙𝑙= 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃/𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) ∙ �𝐹𝐹𝐾𝐾𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) 𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) − 1� Ekvation 9. Absolut merförbrukning vid ickeslät yta baserad på Ekvation 8.
𝑀𝑀𝐹𝐹𝐾𝐾𝑟𝑟𝑒𝑒𝑙𝑙 =𝐹𝐹𝐾𝐾𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) 𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) − 1 Ekvation 10. Relativ merförbrukning vid ickeslät yta baserad på Ekvation 8.
En tydlig skillnad mot de metoder som nämnts i kapitel 4.1–4.3 är att VETO:s motsvarighet till 𝑎𝑎 här har betydelse i bråket 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝐹𝐹𝐾𝐾𝑘𝑘𝑖𝑖𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) 𝐹𝐹𝐾𝐾⁄ 𝑉𝑉𝑃𝑃𝐸𝐸𝑉𝑉(𝑣𝑣, 𝑠𝑠𝐹𝐹ä𝑡𝑡) och tar över PHEM:s 𝑎𝑎 på ett sätt som
den inte gjort i de tidigare nämnda metoderna. Den förslagna metoden för merförbrukningsberäkningar beskrivs i Figur 3.
5.
Beräknad merförbrukning enligt förslag 4
Merförbrukning är den enda praktiskt genomförbara metod som inte kräver en unik och speciellt anpassad version av PHEM. Det är önskvärt att undersöka hur beräknade resultat vid användning av merförbrukning påverkas av olika egenskaper hos vägytan.
5.1. Merförbrukning
Det första steget är att använda VETO:s rullmotståndskoefficienter för att beräkna bränsleförbrukning enligt PHEM för en slät yta, det vill säga en yta där variabelvärden för koefficienterna 𝐶𝐶𝑟𝑟2 till och med
𝐶𝐶𝑟𝑟5 är noll. Underlaget finns i Tabell 2 för en standardpersonbil enligt VETO, betecknad som PB
VETO i denna rapport. Fordonets parametrar utvecklades tidigare under projektet MIRIAM.
Rullmotståndskoefficienterna för PB VETO vid slät yta, omräknade för att sättas in som koefficienter i PHEM, visas i Tabell 3. Samma situation utvärderas med en fordonsmodell från PHEM, nämligen en personbil som tillhör till Euroklass 5G. Detta fordon betecknas PB PHEM i denna rapport. Tabell 2 och Tabell 3 visar även standardkoefficienter för en lastbil och en lastbil med släp, dock enbart som exempel.
Tabell 2. Värden på VETO:s rullmotståndskoefficienter för en standardpersonbil, PB VETO samt en standardlastbil och en standardlastbil med släp.
Koefficienter PB VETO Lastbil Lastbil med släp
𝐶𝐶𝑟𝑟0 9,12E-03 4,14E-03 3,06E-03 𝐶𝐶𝑟𝑟1 1,00E-25 1,00E-25 1,00E-25 𝐶𝐶𝑟𝑟2 4,19E-04 3,17E-04 3,17E-04 𝐶𝐶𝑟𝑟3 2,10E-05 1,58E-05 1,58E-05 𝐶𝐶𝑟𝑟4 1,72E-03 1,02E-03 1,02E-03 𝐶𝐶𝑟𝑟5 1,00E-25 1,00E-25 1,00E-25
Tabell 3. Värden på PHEM:s rullmotståndskoefficienter som motsvarar VETO:s för en slät yta (fordonets ursprungliga parameter från Tabell 2). 𝐹𝐹𝑟𝑟4 enligt PHEM har inte någon motsvarighet i VETO, eller kan underförstått anses vara 0 i VETO4.
PHEM - slät yta
Koefficienter PB VETO Lastbil Lastbil med släp
𝐹𝐹𝑟𝑟0 9,12E-03 4,14E-03 3,06E-03 𝐹𝐹𝑟𝑟1 1,00E-25 1,00E-25 1,00E-25 𝐹𝐹𝑟𝑟2 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 𝐹𝐹𝑟𝑟3 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 𝐹𝐹𝑟𝑟4 1,60E-09 1,60E-09 1,60E-09
Med rullmotståndskoefficienterna 𝐶𝐶𝑟𝑟0 till och med𝐶𝐶𝑟𝑟5 beräknas bränsleförbrukning för en slät yta och
i olika scenarier, det vill säga ett urval av värden på IRI och MPD, med hjälp av VETO, se Figur 4. Eftersom rullmotstånd påverkas av hastighet är det också nödvändigt att välja några olika hastigheter för att få en mer omfattande beskrivning. För varje scenario (A till I) simulerades 3 olika hastigheter:
4 Det finns inte någon samspelsterm mellan hastigheten upphöjt till 4 och någon av ytojämnhetsvariablerna i
någon av modellerna. Det är inte självklart hur man ska göra med 𝐹𝐹𝑟𝑟4. Här har standardvärdet från PHEM
70, 90 och 110 km/h. För att undersöka hur bränsleförbrukningen påverkades av ojämnhet och textur jämförs hur mycket den ökade relativt i jämförelse med en slät vägyta.
Absolut merförbrukning relativt en slät yta beräknat med VETO och för respektive fordon med parametervärden enligt standardpersonbilar från VETO respektive PHEM redovisas i Tabell 4. Relativ merförbrukning redovisas i Figur 5 för en standardpersonbil enligt VETO och i Figur 6 för en
personbil med parametersättning enligt Euroklass 5G i PHEM.
Figur 4. Simuleringsscenarier med olika IRI och MPD. Varje scenario simuleras i tre olika hastigheter: 70, 90 och 110 km/h.
Tabell 4. Absolut merförbrukning av bränsle i dm3/10 km relativt en slät vägyta, beräknat med VETO
och med parametervärden enligt standardpersonbilar i PHEM (PB PHEM) respektive VETO (PB VETO).
Absolut merförbrukning, dm3/10 km
70 km/h 90 km/h 110 km/h
IRI MPD PB PHEM PB VETO PB PHEM PB VETO PB PHEM PB VETO
A 1,0 0,8 0,017 0,020 0,017 0,020 0,018 0,020 B 1,0 1,1 0,022 0,025 0,022 0,026 0,023 0,025 C 1,0 1,4 0,026 0,031 0,027 0,031 0,027 0,030 D 1,7 0,8 0,019 0,023 0,021 0,024 0,022 0,024 E 1,7 1,1 0,024 0,029 0,026 0,030 0,027 0,029 F 1,7 1,4 0,029 0,034 0,030 0,035 0,032 0,034 G 2,5 0,8 0,022 0,027 0,025 0,029 0,027 0,029 H 2,5 1,1 0,027 0,032 0,030 0,034 0,031 0,034 I 2,5 1,4 0,032 0,038 0,034 0,040 0,036 0,039
Figur 5. Relativ merförbrukning i jämförelse med en slät yta beräknat med VETO för
simuleringsscenario (A till I) för en standardpersonbil. Fordonets parametrar inklusive motormapp är enligt VETO personbil, bensin (PB VETO).
Figur 6. Relativ merförbrukning i jämförelse med en slät yta beräknat med VETO för
simuleringsscenario (A till I) för en standardpersonbil). Fordonets parametrar inklusive motormapp är enligt PHEM personbil Euroklass 5 G (PB PHEM).
Sett till informationen i Figur 5 och Figur 6 framgår att valet av parametervärden för standardpersonbil, om de tas från VETO eller PHEM, inte har så stor effekt på den relativa
0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% A B C D E F G H I % mer fö rb ru kn in g r el at iv t s lä t y ta 70 km/h 90 km/h 110 km/h
IRI=1,0 IRI=1,7 IRI=2,5
0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% A B C D E F G H I % mer fö rb ru kn in g r el at iv t s lä t y ta 70 km/h 90 km/h 110 km/h
bränsleförbrukningen när VETO används för beräkningarna. Skillnaden mellan de två alternativen är mellan 0,3 och 1,3 procentenheter där högre hastigheter ger lägre skillnad.
Att använda parametervärden från VETO, dvs PB VETO fordonsmodell, ger alltid en högre absolut merförbrukning i de undersökta fallen. I absoluta värden är merförbrukningen mellan 0,020 och 0,040 dm3/10 km, se Tabell 4. För parametervärden enligt PHEM är merförbrukningen mellan 0,017 och
0,036 dm3/10 km. Den absoluta skillnaden i förbrukningen mellan en yta med textur och ojämnheter
och slät vägyta är ungefär lika vid låga som höga hastigheter medan den relativa skillnaden är lägre för höga hastigheter.
5.2. Jämförelse av bränsleförbrukning från PHEM och VETO vid slät
yta
Genom att jämföra bränsleförbrukning mellan beräkningar i VETO respektive PHEM för samma fordonsmodell kan man visa hur mycket resultaten skiljer mellan de två beräkningsmodellerna, se Figur 7 och Figur 8. Som kan ses i figurerna skiljer sig den beräknade bränsleförbrukningen relativt mycket i vissa fall mellan PHEM och VETO. Vad denna skillnad beror på ligger dock utanför detta projekts omfattning att undersöka. En delförklaring är att PHEM och VETO använder olika
motormappar.
I Tabell 5 visas den relativa skillnaden mellan bränsleförbrukning från PHEM och VETO på en slät yta. Den beräknas som differensen i bränsleförbrukning mellan PHEM och VETO dividerad med bränsleförbrukningen från VETO.
Figur 7. Bränsleförbrukning för en slät yta enligt VETO och PHEM för en standardpersonbil (fordonets parametrar från PB VETO).
0,46 0,54 0,66 0,49 0,58 0,68 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 70 90 110 Br äns le fö rbr uk ni ng (dm 3/10k m ) Hastighet (km/h)
PB VETO
Figur 8. Bränsleförbrukning för en slät yta enligt VETO och PHEM för en standardpersonbil (fordonets parametrar från, PB PHEM). PHEM omodifierad modell avser att modellen använder standardkoefficienter från PHEM, vilket betyder att den motsvarar en icke slät yta.
Tabell 5. Relativ skillnad i bränsleförbrukning mellan VETO och PHEM för en slät yta. PB VETO innebär fordonsparametrarna för en standardpersonbil från VETO. PHEM EU 5G innebär fördonsparametrarna för PHEM personbil, Euroklass 5G.
Hastighet (km/h) PB VETO PB PHEM EU 5G
70 5,7% 0,2%
90 6,0% 14,2%
110 2,8% 10,9%
5.3. Merförbrukning med fordon enligt PHEM och VETO
Resultaten som ses i Figur 7, Figur 8 och Tabell 5 visar att det finns en skillnad i bränsleförbrukning när man simulerar en slät yta i VETO i jämförelse med PHEM. Simuleringsscenarierna från Figur 4 utvärderas genom att jämföra merförbrukningen enligt Tabell 4 med bränsleförbrukningen på slät yta som visades i Figur 7 och Figur 8 och med bränsleförbrukning på icke-slät yta enligt Ekvation 8. Den senare visas i Tabell 6 för fordonets parametrar enligt VETO (personbil) och Tabell 7 för fordonets parametrar enligt PHEM (personbil Euroklass 5G). Lägg märke till att motormappen som används i VETO är standardmotormappen för personbil i VETO och motormappen i PHEM är
standardmotormappen för Euroklass 5G i PHEM. Det betyder att det kommer att finnas en viss skillnad i resultaten eftersom olika motormappar används här. Att anpassa en motormapp från VETO till PHEM ingår inte i syftet för den rapporten.
Resultaten i Tabell 6 och Tabell 7 påverkas av två viktiga faktorer: (1) Skillnaden i simulering av en slät yta, som i sin tur påverkas av motormappen m.m. och (2) Merförbrukningen, som i sin tur
påverkas av vägyte-egenskaper. För fordonets parametrar enligt VETO personbil och hastigheterna 70, 90 och 110 km/h är skillnaden mellan VETO och PHEM 4,9 %, 5,5 % respektive 2,6 %. För fordonets parametrar enligt PHEM Euroklass 5G och hastigheterna 70, 90 och 110 km/h är skillnaden mellan VETO och PHEM 1,0 %, 14,6 % respektive 11,2 %.
0,49 0,49 0,60 0,49 0,57 0,68 0,49 0,51 0,63 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 70 90 110 Br än sle fö rb ru kn in g ( dm 3/ 10k m ) Hastighet (km/h)
PB PHEM
Tabell 6. Totala bränsleförbrukningen simulerad med PHEM respektive VETO med merförbruknings delkomponenten (fordonets parametrar från VETO – personbil, PB VETO). Alla simuleringar i tabellen som använder PHEM använder motormappen för Euroklass 5G i PHEM (PB PHEM) och alla simuleringar med VETO använder standardmotormappen för personbilar i VETO (PB VETO).
Total bränsleförbrukning (dm3/10 km)
70 km/h 90 km/h 110 km/h
IRI MPD PHEM VETO PHEM VETO PHEM VETO
Bas 0 0,0 0,463 0,487 0,541 0,572 0,661 0,678 A 1,0 0,8 0,482 0,507 0,559 0,592 0,680 0,698 B 1,0 1,1 0,487 0,512 0,565 0,598 0,685 0,703 C 1,0 1,4 0,493 0,518 0,570 0,603 0,690 0,708 D 1,7 0,8 0,485 0,510 0,563 0,596 0,684 0,702 E 1,7 1,1 0,491 0,516 0,569 0,602 0,689 0,707 F 1,7 1,4 0,495 0,521 0,574 0,607 0,694 0,712 G 2,5 0,8 0,489 0,514 0,568 0,601 0,689 0,707 H 2,5 1,1 0,494 0,519 0,573 0,606 0,694 0,712 I 2,5 1,4 0,499 0,525 0,578 0,612 0,699 0,717
Tabell 7. Totala bränsleförbrukningen simulerad med PHEM respektive VETO med merförbruknings delkomponenten (fordonets parametrar från PHEM – personbil Euroklass 5 G, PB PHEM). Alla simuleringar i tabellen som använder PHEM använder motormappen för Euroklass 5G i PHEM (PB PHEM) och alla simuleringar med VETO använder standardmotormappen för personbilar i VETO (PB VETO).
Total bränsleförbrukning (dm3/10 km)
70 km/h 90 km/h 110 km/h
IRI MPD PHEM VETO PHEM VETO PHEM VETO Bas 0 0,0 0,486 0,491 0,491 0,575 0,604 0,680 A 1,0 0,8 0,503 0,508 0,505 0,592 0,620 0,698 B 1,0 1,1 0,508 0,513 0,510 0,597 0,625 0,703 C 1,0 1,4 0,513 0,518 0,514 0,602 0,628 0,707 D 1,7 0,8 0,506 0,511 0,509 0,596 0,624 0,702 E 1,7 1,1 0,511 0,516 0,513 0,601 0,628 0,707 F 1,7 1,4 0,516 0,521 0,517 0,605 0,632 0,711 G 2,5 0,8 0,509 0,514 0,512 0,600 0,628 0,707 H 2,5 1,1 0,514 0,519 0,517 0,605 0,632 0,711 I 2,5 1,4 0,519 0,524 0,520 0,609 0,636 0,716 Olika värden på IRI och MPD ger den totala bränsleförbrukning som visas i Tabell 6 och Tabell 7. Resultaten för scenarierna A — I i jämförelse med basfallet visas i Tabell 4 och belyser hur relevant merförbrukningen är samt hur den påverkar bränsleförbrukningen upp till 0,04 dm3/10 km. De visar
också att det finns en viss skillnad när man simulerar en slät yta med VETO och med PHEM. Den maximala skillnaden mellan VETO och PHEM blev ca. 14,6 %. Detta kan delvis förklaras av att VETO och PHEM använder olika motormappar. Skillnaden kan minskas om man anpassar motormapparna så att både VETO och PHEM skulle ha exakt samma motormodell.
6.
Övriga egenskaper som rekommenderas utvecklas i PHEM
Rullmotstånd påverkas inte bara av vägyteegenskaper utan även av bland annat förekomst av vatten eller snö på ytan samt temperatur och lufttryck. VETO tar hänsyn till vatten eller snö på vägytan men korrigerar inte för hur rullmotstånd påverkas av temperatur eller lufttrycket. PHEM, däremot, tar inte alls hänsyn till hur någon av förutnämnda faktorer påverkar rullmotståndet och bränsleförbrukningen. Inverkan av vatten och snö på vägytan redovisades i Carlson och Vieira (2018). Anledningen till att det är viktigt att inkludera vatten och snö i modellen är att rullmotstånd ökar när däcket är tvunget att drivas genom vatten eller snö. Dessutom kyls däcket på grund av kontakten med vatten eller snö, vilket också påverkar rullmotståndet.Även om VETO tar hänsyn till vatten och snö på vägytan, vilket i sin tur påverkas av däckets temperatur, är det inte möjligt att simulera olika däcktemperatur i vare sig VETO eller PHEM. En fördel med att kunna göra det är att detta möjliggör utvärdering av hur lägre temperaturer påverkar i simuleringar. För rullmotståndsmätningar är 25°C vanlig referenstemperatur som även används vid mätningar för däckmärkningarna enligt United Nations Economic Commissions for Europe (UNECE) föreskrift nr 117 (UNECE, 2011). Föreskriften innehåller även en linjär temperaturkorrektion. I Sverige är det inte ovanligt att däcket används vid temperaturer lägre än 25°C, vilket antyder att det kan vara viktigt att ha kontroll på temperaturens inverkan när rullmotståndet simuleras.
7.
Sammanfattning och slutsatser
I rapporten diskuteras fyra olika möjligheter för att använda PHEM vid beräkning av bränsleförbrukning med hänsyn till olika egenskaper hos vägytan och dess påverkan på
bränsleförbrukning: (1) att ändra PHEM:s källkod för rullmotståndsberäkning så att den får möjlighet att direkt beskriva vägytans egenskaper, (2) att ändra PHEM:s indatafiler så att man kan lägga till rullmotstånd externt och att PHEM enbart skulle ta emot detta som input-data, (3) att ersätta koefficienter i rullmotståndsdelen i PHEM så att den blir likvärdig med motsvarande block i VETO efter viss förenkling, och (4) att använda ett referensfall från VETO i PHEM och göra övriga justeringar i efterhand med hjälp av VETO.
Som ett första steg jämfördes PHEM:s rullmotståndsmodell med den befintliga modellen i VETO. Den nuvarande rullmotståndsmodellen i PHEM använder tre koefficienter för att räkna rullmotstånds-effekten. De tre koefficienterna har bestämts utifrån utrullningsförsök och vägytans inverkan ingår därmed implicit. Det finns tyvärr ingen information om ojämnhet (IRI) eller textur (MPD) hos de vägsträckor där försöken genomfördes. Därför går det ej heller att beräkna ojämnhetens effekt på rullmotståndet i PHEM. Anledningen till att VETO används är att man med den modellen kan variera och ta hänsyn till vägytans egenskaper och deras påverkan på rullmotstånd. Vägytans egenskaper i VETO inkluderas genom att definiera parametervärden för MPD och IRI.
Både VETO:s och PHEM:s rullmotståndsberäkningar påverkas av hastighet, fast på olika sätt. Medan rullmotståndskoefficienten i VETO är linjärt beroende av hastigheten, är rullmotståndskoefficienten i PHEM beroende av hastighet upphöjd upp till 4. Det betyder att hastighetens inverkan i PHEM och i VETO sker på olika sätt. Denna differens i rullmotståndsfunktionen blir betydande vid höga
hastigheter. Därför behöver man avgränsa hastigheten som används vid beräkningar. I rapporten har alla simuleringar dessutom skett under konstant hastighet för att inte påverkas av dynamiska
korrektioner, till exempel modeller för när växling sker och för olika dynamiska korrektioner som görs i PHEM. I rapporten föreslås att de två modellerna jämförs för hastigheter upp till ca. 100 km/h. Jämförelser bör endast göras under en tillräckligt lång sträcka så att bränsleförbrukningen stabiliseras. En jämförelse visar att det finns en skillnad i beräknad bränsleförbrukning mellan modellerna, vilken kvarstod även då samma parametervärden användes som indata och då hastigheten var lägre än 100 km/h. Förklaringen är troligen att VETO och PHEM har olika motormappar, vilken kan ha en påverkan på bränsleförbrukningen. En möjlighet för att försöka uppnå ett större likhet i beräknad bränsleförbrukning skulle därför vara att göra en anpassning av motormodellen.
Med utgångspunkt från de undersökningar som genomförts, rekommenderas som första alternativ att ändra källkoden i PHEM så att användaren får möjlighet att specificera en vägyta med en viss IRI och en viss MPD. Detta alternativ innebär också att man kan köra PHEM i batch-funktion och simulera flera fordon under olika förutsättningar på ett mer effektivt sätt. Att ändra källkoden i PHEM innebär inte bara merkostnader för att få en speciell version av PHEM som är anpassat för att räkna
rullmotstånd på olika ytor, utan även att man inte har möjlighet att göra sådana beräkningar om man inte har tillgång till i just den anpassade versionen. Om en sådan anpassad version inte är tillgänglig rekommenderas metoden (4) för att vidareutveckla beräkningarna med PHEM. Det vill säga att komplettera resultat av beräkningar i PHEM med en faktor för merförbrukning beräknad med VETO. Genom att använda den metoden får man en uppdaterad bränsleförbrukning som påverkas av både IRI och MPD utan krav på stora förändringar i beräkningsmetoden eller förändringar i källkoden. Det bör understrykas att vissa förutsättningar ska gälla för att få pålitliga resultat, till exempel att hastigheter ska vara högst 100 km/h samt att använda samma fordonsmodell och motormapp används i både VETO och PHEM.
8.
Diskussion om vidareutvecklingsmöjligheter
Det vore önskvärt att använda PHEM:s egen rullmotståndsberäkning vid slät yta men det går inte eftersom det inte finns något praktiskt sätt att mata in att IRI och MPD är noll. En möjlighet skulle vara att mäta rullmotstånd samt bränsleförbrukning på en stålyta som har IRI samt MPD nära noll. Ett annat alternativ är att använda de värden på IRI och MPD som ligger till grund för PHEM:s
parametervärden i dess rullmotståndsfunktion istället för slät yta som standardfall. Dessa värden går tyvärr inte att få fram eftersom PHEM:s standardfall bygger på många olika mätningar där vägytans egenskaper inte registrerats och därför inte är tillgängliga. Utan dessa möjligheter blir man tvungen att bestämma sitt eget standardfall och göra beräkningarna enligt beskrivningen. Ett eget standardfall skulle kunna definieras utifrån vad man ser som typiska värden vid vägytemätning.
Det vore intressant att se om metoderna i kapitel 4.3 och 4.4 ger ungefär samma betydelse av vägytans effekt på bränsleförbrukningen. Båda går att genomföra och resultaten kan sen jämföras. Det skulle kunna svara på om VETO och PHEM har snarlika egenskaper för övrigt (beräkning av andra komponenter i motståndet, omvandling från motstånd till bränsleförbrukning, hantering av ickelinjäritet). Det är tyvärr arbetskrävande, speciellt gäller det metoden i kapitel 4.3.
Sambandet mellan hastighet och vägyta ser olika ut i de undersökta modellerna, men skillnaden är liten i låga hastigheter och blir påtaglig först vid hastigheter som är höga för svenska förhållanden. Man bör åtminstone vara försiktig och inte tillämpa samma beräkningar på vägnät med ännu högre hastigheter.
Det rekommenderas att undersöka inverkan av luftmotstånd i samband med rullmotstånd, särskilt för höga hastigheter. Luftmotståndet ökar med fjärdepotensen av hastigheten och blir den dominerande effekten för bränsleförbrukning vid höga hastigheter. Den absoluta skillnaden i bränsleförbrukningen mellan en yta med textur och ojämnheter och en slät vägyta är däremot ungefär lika vid låga som höga hastigheter medan den relativa skillnaden är lägre för höga hastigheter. En kombinerade undersökning av rull- och luftmotstånd skulle ge bättre insikter om bränsleförbrukning för höga hastigheter
Merförbrukningsmetoden kan användas på andra sätt än de som beskrevs i denna rapport. Den beskrevs i kapitel 4.4 som att man beräknar bränsleförbrukningen i ett referensfall med PHEM och korrigerar vid andra vägyteegenskaper med VETO. Det finns inte egentligen något som hindrar att man korrigerar med någon annan modell än VETO. Korrigeringen enligt punkt 2 till och med 5 i punktlistan sida 19 kan genomföras med andra modeller helt utan ändring. Punkt 1 kan vara svårare och beror på hur den andra modellens rullmotståndsfunktion ser ut. Det är möjligt att blanda modeller genom att först göra punkt 1 med VETO och sen punkt 2 till och med 5 baserat på någon annan modell.
Referenser
Carlson, A. (2017). Rullmotstånd: Vägytans egenskaper och dess inverkan. VTI Rapport 927, Linköping: VTI.
Carlson, A., Janhäll, S., Hammarström, U. (2013). Utvärdering PHEM-modellen: En förstudie. VTI notat 31-2013, Linköping: VTI.
Carlson, A., Karlsson, R. & Eriksson, O. (2016). Energy use due to traffic and pavement maintenance
– The cost effectiveness of reducing rolling resistance. VTI notat 9A-2016, Linköping, VTI.
Carlson A, Vieira T. Effekten på rullmotstånd av nederbörd på vägytan: en kunskapsöversikt. Linköping: Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI); 2018. Rapport 971, Linköping: VTI. Carlsson, G. (1986). Vejstandard og transportomkostninger (VETO) – Sammanfattande slutrapport. VTI rapport 307, Linköping: VTI.
EPA (u.å.). MOVES and Other Mobile Source Emissions Models. Hämtad 2019-02-26 från
www.epa.gov/moves .
Ghosh, L.E., Lu, L., Ozer, H., Ouyang, Y. & Al-Qadi, I.L. (2015). ”Effects of pavement surface roughness and congestion on expected freeway traffic energy consumption”. Transportation Research
Record Journal of the Transportation Research Board, 10-19 (2503).
Haider, M., Birkner, C., Adesiyun, A., Greene, M., Conter, M., Schmidt, B., Sandberg, U. &
Scharnigg, K. (2016). ROSANNE Final summary report. ROSANNE project. Hämtad 2019-05-02 från
http://www.rosanne-project.eu/ajax/DownloadHandlerFM.php/downloadFile?id=12410 .
Haider, M. & Conter, M. (2010). What are rolling resistance and other influencing parameters on
energy consumption in road transport. Miriam deliverable D 5.2.1, Hämtad 2019-05-02 från
http://miriam-co2.net/Publications/MIRIAM_D5.2.1_v2.3_20110602.pdf .
Haider, M. & Kriegisch, M. (2013). Final Report: MIRAVEC – Modelling infrastructure Influence in
RoAd Vehicle Energy Concumption. Project Nr. 832615, Deliverable D5.3, ERA-NET ROAD.
Hammarström, U. & Karlsson, B. (1987). VETO – ett datorprogram för beräkning av
transportkostnader som funktion av vägstandard. VTI meddelande 501, Linköping: VTI.
Hammarström, U. (1999). Mätning och simulering av bilavgaser – Körning med och utan husvagn i
laboratorium och på väg. VTI meddelande 856, Linköping: VTI.
Hammarström, U., Eriksson, J., Karlsson, R. & Yahya, M-R (2012). Rolling resistance model, fuel
consumption model and the traffic energy saving potential from changed road surface conditions. VTI
rapport R748a, Linköping: VTI.
Hausberger, S., Rexeis, M., Zallinger, M. & Luz, R. ,2009, Emission factors from the model PHEM
for the HBEFA version 3, Graz University of Technology Report Nr. I-20/2009 Haus-Em 33/08/679.
Hausberger, S., Rexeis, M. & Luz, R. ,2013, PHEM Passenger car and Heavy-duty Emissions Model
User guide for Version 11, Graz University of Technology. Institute for Internal Combustion Engines
and Thermodynamic
