Issuu

Oplegger aerodynamica Efficiëntere vrachtauto’s

Platform for Aerodynamic Road Transport

Oplegger Aerodynamica Eﬃciëntere vrachtwagens

c 2012 PART. Copyright ⃝ Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotokopie of op welke wijze dan ook zonder voorafgaande toestemming van de auteur.

Inhoudsopgave 1

Inleiding 1.1 Impact van wegtransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Brandstofverbruik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1 4

Aerodynamisch gedrag van de stroming 2.1 Soorten weerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Formule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Loslating en turbulentie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Zijwind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Initieel aerodynamisch ontwerp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7 9 9 10

Aerodynamische aanpassingen voor de oplegger 3.1 Voorkant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Bovenkant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Onderkant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Achterkant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Combinatie van SideWings en een tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 14 16 18 22 26

Wetgeving en ontwerp: een vooruitblik 4.1 Wetgeving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Active ﬂow control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27 27 29 30

Conclusies

A Opbrengst brandstofbesparing

B SAE Type II test procedure

Voorwoord Stijgende brandstofprijzen, groei van het vrachtwagenpark en de toenemende uitstoot van schadelijke gassen zijn voldoende redenen om de aerodynamica van vrachtwagens en de mogelijkheden om de weerstand te verlagen nader te onderzoeken. Anders dan bij trucks en cabines is er voor wat betreft onderzoek naar de aerodynamische eigenschappen van opleggers nog altijd veel werk te verrichten. Er zijn nog veel onbenutte mogelijkheden ter verbetering en vermindering van de luchtweerstand. In 2005 startte aan de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft een studie naar de mogelijkheden voor aerodynamische verbeteringen aan opleggers. In de jaren daarna is door de TU Delft onderzoek en diverse testen met voertuigen uitgevoerd. PART (Platform for Aerodynamic Road Transport, www.PART20.eu), een samenwerkingsverband tussen de TU Delft, Ephicas, TNT, FOCWA Carrosseriebouw/CINTEC, Syntens en Pantea werd medio 2008 opgericht. PART heeft als doelstelling aerodynamische aanpassingen aan opleggers te stimuleren. Bij het onderzoek en de uitvoering van de testen werken onder andere ook Scania Nederland, Van Eck carrosseriebouw, Squarell Technology en GE TIP Trailer Services mee. Met het oog op de onderzoeksresultaten en testen van de TU Delft en ontwikkelingen elders, is door PART besloten om gezamenlijk een derde editie van oplegger aerodynamica samen te stellen. In deze uitgave vindt u een overzicht van de verschillende factoren die invloed hebben op het brandstofverbruik van een voertuig en een hoofdstuk over de oorsprong van de luchtweerstand die een rijdende vrachtwagen ondervindt. Aan de hand van enkele basisregels wordt kort uitgelegd hoe een aerodynamisch goed vormgegeven vrachtwagen moet zijn. De verschillende oplossingen en hulpmiddelen die op basis van de huidige kennis voorhanden zijn om de aerodynamica van opleggers te verbeteren -en daarmee brandstofbesparingen en emissiereductie te realiseren- zijn uiteengezet in hoofdstuk 3. In het vierde hoofdstuk wordt aandacht besteed aan wetgeving en futuristische aerodynamische ontwerpen. Industrieel onderzoek naar het verbeteren van (diesel)motoren maar ook van elektromotoren en motoren op waterstof is in volle gang. De laatste jaren heeft PART - in samenwerking met kennisinstellingen, industrie en de overheid - veel aandacht besteed aan de aerodynamica van opleggers en is er onderzocht welke mogelijkheden er zijn voor verbetering en innovatie. Tijdens deze zeven jaar van onderzoek zijn er meerdere bundels samengesteld, workshops gegeven, een website gelanceerd, een symposium met internationale gastsprekers georganiseerd en werd PART gestart. Delft, Mei 2012 ii

Inleiding

Toenemende milieuwetgeving en stijgende energieprijzen hebben de interesse voor aerodynamica van vrachtwagens en vooral opleggers doen opleven. De luchtbewegingen rondom vrachtwagens en opleggers, zijn in vele opzichten, complexer dan die van vliegtuigen en vereisen daarom toegewijde onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma’s. Het brandstofverbruik van vrachtwagens is een samenspel van verschillende aspecten. Het verbruik wordt bepaald door het gewicht van de vrachtwagen en zijn lading, het rijgedrag van de chauffeur, het karakter van de rit, de efficiëntie van de motor, de aandrijving en door de aerodynamische vormgeving van het voertuig. Betere aerodynamische eigenschappen beloven een significante verlaging van de benodigde energie tijdens het rijden op een snelweg. In dit hoofdstuk worden de uitgaven van een transportbedrijf besproken en wordt er gekeken naar de impact van wegtransport op de wereldwijde energieconsumptie en het milieu.

1.1

Impact van wegtransport

Operationele kosten Brandstofkosten vormen het grootste deel van de operationele kosten van een transportbedrijf. Bijna één derde van de totale kosten van een transportbedrijf bestaan uit brandstofkosten, wat duidelijk meer is dan personeelskosten (zie figuur 1.1). Dit grote aandeel brandstofkosten weerspiegelt de noodzaak van een kostenefficiënt transportsysteem. De prijs voor een vat olie, uitgebeeld in figuur 1.2, en dus de prijs van een een liter diesel is in de loop van de jaren sterk gestegen. De gemiddelde dieselprijs bedroeg in het eerste kwartaal van 1997 e 0,679 per liter, terwijl men tegenwoordig bijna het dubbele betaalt1 . Daarnaast is het wagenpark met betrekking tot het vrachtvervoer met stijgende lijn toegenomen (met uitzondering van een dip in de periode 2009-2011). Dat betekent dat de absolute cijfers in verband met het aantal verbruikte liters gestaag is gestegen. Reden te meer om de aerodynamica van vrachtwagens nader te bekijken. Een typische Europese langeafstandsvrachtwagen met een gemiddelde belading verbruikt ongeveer 30 liter brandstof per 100 km en rijdt een miljoen kilometers in de eerste vier tot zes jaar voordat het voertuig de tweedehands markt op gaat. Als er een gemiddelde brandstofbesparing van bijvoorbeeld 10% wordt bereikt, zal het transportbedrijf 3 liter brandstof besparen op elke gereden 100 km. Dit betekent een totale brandstofbesparing van 30.000 liter tijdens de eerste vier tot zes jaar van een vrachtwagen. Kijkt men naar het gehele 1 Dieselprijs maart 2012 bedraagt e 1,22 per liter, ref [61]

Europese vrachtwagenpark van meer dan een miljoen voertuigen en de huidige dieselprijs van ongeveer e1,20 per liter, dan zal er jaarlijks een gigantisch bedrag van e3.6 miljard bespaard kunnen worden.

Figuur 1.1: Operationele kosten van een Figuur 1.2: Ruwe olie prijs (basket), ref transportbedrijf, ref [19]. [70].

Energieverbruik De totale energieconsumptie binnen de EU-27 in 2006 was 1.160 Mtoe, EU Energy and Transport in Figures [33]. Het grootste deel hiervan, meer dan 40%, wordt verkregen uit olie. Terwijl duurzame energieconsumptie maar een klein aandeel heeft (zie ﬁguur 1.3). Figuur 1.4 laat het aandeel van goederentransport zien: van de totale Europese energieconsumptie wordt 6% gebruikt voor goederenvervoer over de weg. Dit staat gelijk aan 72,5 Mtoe, Panorama of Transport [34].

Figuur 1.3: Totale energieconsumptie per Figuur 1.4: Transport aandeel in EU enerbron, ref [33]. gieconsumptie, ref [34]. Het gemiddelde brandstofverbruik van vrachtwagens door de jaren heen is te zien in ﬁguur 1.5. Vanaf halverwege de jaren ’60 tot 1990 zijn er veel verbeteringen aan vrachtwagens doorgevoerd om het brandstofverbruik te verminderen. Voorbeelden hier van zijn: windgeleiders op het dak, ronde cabinehoeken en het verkleinen van het gat tussen de trekker en oplegger. In de laatste twee decennia zijn de voorkanten van vrachtwagens verder aerodynamisch geoptimaliseerd, wat er voor zorgt dat het brandstofverbruik tegenwoordig gemiddeld 30 l/100 km bedraagt (zie ﬁguur 1.5). 2

Figuur 1.5: Gemiddeld brandstofverbruik vrachtwagens, ref [19]. Milieu Wegtransport is van grote invloed op het milieu door de uitstoot van broeikasgassen en roetdeeltjes. EU Energy and Transport in Figures [33] laat een stijgende trend zien voor de transportsector betreffende uitstoot van CO2 , terwijl alle andere sectoren juist dalende waarden laten zien. De energie-industrie heeft het grootste aandeel in de totale uitstoot van CO2 . Tweede is de transportsector met een aandeel van 20% in 2006 zoals te zien is in figuur 1.6. Kijkend naar de verschillende soorten transport binnen de transportsector (zie figuur 1.7) zien we dat alleen spoorwegtransport en overig transport minder CO2 uitstoten vergeleken met het referentiejaar 1990. Wegtransport is verantwoordelijk voor meer dan 70% van de totale transport uitstoot. Dit komt overeen met 902 miljoen ton CO2 in 2006.

Figuur 1.6: CO2 uitstoot per sector, ref Figuur 1.7: CO2 uitstoot per transporttype, [33]. ref [33]. Door de hoge energiekosten van een transportbedrijf en de impact van hun wegtransport op de wereldwijde energieconsumptie en het milieu, is het lonend om te werken aan het verminderen van het brandstofverbruik van vrachtwagens. Deze vermindering kan op verschillende vlakken worden gerealiseerd. Aerodynamica is een belangrijk aandachtspunt en zal het onderwerp zijn van deze publicatie.

1.2

Brandstofverbruik

Het relatieve belang van aerodynamische vormgeving voor het verminderen van het brandstofverbruik van vrachtwagens wordt duidelijk aan de hand van een overzicht van alle factoren die een rol spelen in dit verbruik. In het onderstaande diagram (zie figuur 1.8) zijn de elementen aangegeven die energie vragen bij het rijden van een trekker-oplegger combinatie, uitgedrukt als verliezen, en is het relatieve aandeel van deze verschillende verliezen zichtbaar gemaakt. De waarden in deze grafiek zijn indicatief en mogen zeker niet als absoluut beschouwd worden. Zoals de figuur aantoont, wordt bijna 21% van de brandstof gebruikt om de mechanische wrijving in de assen, motor, remmen, etc. te overwinnen. 25% van de brandstof gaat verloren aan de rolweerstand, die wordt bepaald door het gewicht van het voertuig en de wrijvingscoëfficiënt van de banden. Aerodynamische weerstand is verantwoordelijk voor meer dan 50% van het brandstofverbruik als het voertuig met een constante snelheid op de snelweg rijdt.

Figuur 1.8: Energieverliezen van een vrachtwagen, ref [51]. De luchtweerstand, aangeduid met de letter D, is de kracht die de lucht op de wagen uitoefent en die door de motor moet worden overwonnen. Het vermogen dat nodig is om deze weerstand te overwinnen is gelijk aan Daer o · V . Aangezien de weerstand zelf toeneemt met het kwadraat van de rijsnelheid V, is het noodzakelijke vermogen dus evenredig met de derde macht van de snelheid; hierover later meer in hoofdstuk 2. De rolweerstand, aangeduid met Dr ol ontstaat door het contact van de banden met de weg. De banden plakken als het ware aan de weg en deze plakkracht moet weer door de motor overwonnen worden. De rolweerstand kan uitgedrukt worden in het product van de wrijvingscoëfficiënt µ van de banden (die afhankelijk is van de rijsnelheid V ) en de normaalkracht N, het feitelijke gewicht van de vrachtwagen: Dr ol = µ(V ) · N · V . Hoe de rolweerstand en de luchtweerstand zich ten opzichte van elkaar verhouden is afhankelijk van de snelheid van het voertuig en van de vrachtwagenconfiguratie (zie figuur 1.9a). Als een vrachtwagen accelereert kost dit extra brandstof. Deze factor hangt vooral af van het rijgedrag van de chauffeur, maar ook van de verkeerssituatie en het karakter ∫van de rit. Dit is als volgt eenvoudig aan te tonen. Energie E wordt omschreven als E = F · V dt, waarin de kracht F gelijk is aan het product van de massa van de vrachtwagen M en de versnelling a van de vrachtwagen, F = Ma. De versnelling a is gelijk aan de verandering van 4

de snelheid met de tijd en kan geschreven worden als a = dV dt . Dit betekent dat een grote verandering van snelheid per tijdseenheid een hoge acceleratie a oplevert wat uiteindelijk resulteert in een hoger energieverbruik. Met andere woorden: bij grote fluctuaties in de snelheid gaat veel energie verloren. Figuur 1.9b geeft een indicatie hoe het karakter van de rit invloed heeft op de verdeling van de desbetreffende bijdragen in brandstofverbruik. De figuur heeft betrekking op een trekker-opleggercombinatie. Tip: Het rijgedrag van de chauffeur heeft grote invloed op het brandstofverbruik. Daarom is het aan te raden de chauffeurs een "zuinig rijden" training te laten volgen.

(a) motorvoertuig, ref [35]

(b) typen wegen, ref [57]

Figuur 1.9: Bijdrage aan brandstofverbruik. De correlatie tussen brandstofverbruik en snelheid van het voertuig is hetzelfde zoals de lijn van de totale weerstand in ﬁguur 1.9a laat zien. Bij een constante snelheid van 50km/u wordt minder dan 40% van de energie van de motor gebruikt om de weerstand te overwinnen. Bij een snelheid van 80km/u is dat 60%. Figuur 1.9a houdt geen rekening met aerodynamische onzekerheden. Onder aerodynamische onzekerheden vallen kopwind, staartwind, zijwind, storing van ander verkeer en weersomstandigheden. Over het algemeen veroorzaken deze constant veranderende factoren extra weerstand. Het brandstofverbruik is mede afhankelijk van de vormgeving van het voertuig. Deze vormgeving bepaalt immers de luchtweerstand van het voertuig. In het algemeen geldt dat een lagere luchtweerstand een lager brandstofverbruik met zich meebrengt. De lucht raakt eerst de voorkant van de cabine en stroomt dan verder om het voertuig en de oplegger. Voor een goede vormgeving van het hele voertuig geldt: een eenmaal verstoorde luchtstroming is heel moeilijk te herstellen. Een foute vormgeving van de voorkant van een vrachtwagen kan dus de luchtstroom rond de hele vrachtwagen verstoren. Het aanbrengen van verbeteringen stroomafwaarts heeft alleen zin als alles wat vóór dit onderdeel zit goed is vormgegeven. In het volgende hoofdstuk worden aerodynamische basisprincipes uitgelegd samen met een initieel aerodynamisch ontwerp.

2 Aerodynamisch gedrag van de stroming Dit hoofdstuk bespreekt het algemene stroomgedrag rond stompe lichamen, zoals vrachtwagens aerodynamisch worden gekarakteriseerd. Ook worden de verschillende soorten weerstanden en de weerstandsformule besproken. Uiteindelijk zal er een initieel aerodynamisch vrachtwagenontwerp besproken worden.

2.1

Soorten weerstand

Een vrachtwagen ondervindt luchtweerstand waardoor deze wordt afgeremd. Deze weerstand is opgebouwd uit druk- en wrijvingsweerstand. De drukweerstand ontstaat doordat er op bepaalde plaatsen over- of onderdruk heerst ten opzichte van de atmosferische omgevingsdruk. De (a) Drukgebieden van een vrachtwagen aankomende stroming duwt tegen de voorkant van de trekker. Zo ontstaat er een gebied met overdruk, net zoals bij de wielen en de voorkant van de oplegger (’+’jes in figuur 2.1a). Doordat de vrachtwagen zich verder beweegt in de stroming ontstaat er een onderdruk achter de trekker (b) Weerstandscoëfficiënten zonder zijwind en de oplegger (’-’tjes in figuur 2.1a). Deze gebieden zuigen als het ware de vrachtwagen naar Figuur 2.1: Drukgebieden, ref [35]. achteren. Opvallend is dat de overdruk aan de voorkant evenveel bijdraagt in de weerstand als de onderdruk aan de achterkant; met en zonder zijwind is elke bijdrage circa 1/3 van het totaal (figuur 2.1b). Het resterende 1/3 deel van de totale weerstand wordt door de onderkant van de vrachtwagen gecreëerd. De wrijvingsweerstand vindt zijn oorsprong in het contact van de stroming met de carrosserie. Door de viscositeit van lucht wordt een laag lucht om het voertuig, grenslaag genoemd, meegesleept en ontstaan er schuifkrachten. De som van alle schuifkrachten over het hele oppervlak resulteert in de wrijvingsweerstand; de boven en zij-kanten leveren de grootste bijdragen. De wrijvingsweerstand stijgt naarmate de lengte van het voertuig toeneemt. Vereiste voor een lage wrijvingsweerstand is dat de oppervlakken glad zijn.

Tip: Een glad oppervlak zonder oneffenheden geeft de laagste wrijvingsweerstand. Hoe de drukweerstand en de wrijvingsweerstand zich ten opzichte van elkaar verhouden voor verschillende transportvoertuigen is te zien in figuur 2.2. Drukweerstand is verreweg de grootste component bij vrachtwagens. Bijna 90% van de totale luchtweerstand is drukweerstand. Deze grote drukweerstand wordt veroorzaakt door de stompe vorm van de vrachtwagens. Aerodynamische oplossingen die gebruikt kunnen worden om weerstand te verminderen (besproken in het volgende hoofdstuk) zijn daarom vooral gefocust op het verminderen van drukweerstand. Zoals te zien is in figuur 2.2, hebben gestroomlijnde lichamen, zoals subsonische vliegtuigen, een meer gebalanceerde verdeling tussen druk- en wrijvingsweerstand.

Figuur 2.2: Verhouding druk- en wrijvingsweerstand, ref [56].

2.2

Formule

De luchtweerstand D kan men beschrijven met de volgende formule 1 D = CD · ρV 2 · S 2 waarin CD de weerstandscoëﬃciënt voorstelt, ρ de luchtdichtheid, V de snelheid en S het frontaal oppervlak. De weerstand wordt dus bepaald door de aerodynamische vorm uitgedrukt in CD , de winddruk 12 ρV 2 en de grootte van het voertuig S. Luchtdichtheid ρ. De luchtdichtheid is afhankelijk van de temperatuur, de druk en de hoogte waar men zich bevindt. De luchtdichtheid kan eenvoudig worden berekend, of voor de zogenaamde Standaard Atmosfeer uit een tabel gehaald worden. De luchtdichtheid op zeeniveau bij 0 ◦ C bedraagt ρ = 1,293kg/m3 . Snelheid V . Uit bovenstaande formule blijkt dat de luchtweerstand D kwadratisch toeneemt met de rijsnelheid V . Voertuigen die met een hoge constante snelheid rijden, hebben grote aerodynamische krachten te verwerken. Deze relatie kan men ook zien in ﬁguur 1.9a. Het 7

vermogen dat nodig is om deze weerstand te overwinnen, neemt toe met de derde macht van de snelheid. Een verdubbeling van de snelheid betekent dus vier keer zoveel weerstand en acht keer zoveel vermogen. Het is dus interessant om vrachtwagens die rijden met hogere snelheden (boven de 50km/u) aan te passen omdat de winstmarge (mogelijke verlaging van de luchtweerstand) groter is. Tip: Aerodynamische aanpassingen zijn het meest geschikt voor vrachtwagens die over lange afstand met hogere snelheden rijden (boven de 50km/u). De eﬃciëntste wijze om brandstof te besparen is langzamer rijden. Frontaal oppervlak S. Een ander aspect dat de luchtweerstand sterk bepaald is het frontaal oppervlak van de vrachtwagen (zie ﬁguur 2.3). Hoe groter het frontaal oppervlak, des te groter de weerstand. Als het mogelijk is, is het zeker aan te raden om een kleinere cabine en lagere oplegger te gebruiken (als de lading dit toelaat), omdat dit rechtstreeks de luchtweerstand verlaagt. Tip: Stem de hoogte van de cabine en/of laadbak af op de te vervoeren goederen.

Figuur 2.3: Frontaal oppervlak S, ref [35].

Figuur 2.4: Weerstandscoëﬃciënt voor verschillende voertuigen, gereproduceerd van: ref [39].

Weerstandscoëfficiënt CD . De luchtweerstand van een voertuig wordt in belangrijke mate bepaald door de vorm. Om met één enkel getal de kwaliteit van de aerodynamische vorm van het voertuig uit te drukken, wordt gebruik gemaakt van een zogeheten weerstandscoëfficiënt CD . Figuur 2.4 geeft een overzicht van de weerstandscoëfficiënt van verschillende voertuigen. Een trekker-opleggercombinatie heeft een hoge weerstandscoëfficiënt terwijl een gestroomlijnde auto zoals een solar race wagen een lage weerstandcoëfficiënt heeft om de energieconsumptie optimaal te houden.

Tip: De druppelvorm geeft de laagste drukweerstand. Aangezien CD altijd betrokken is op het frontaal oppervlak S, is het product van CD S (het weerstandsoppervlak genoemd) maatgevend voor de weerstand en bijbehorend aandeel in het brandstofverbruik. Een voertuig met hoge CD en klein frontaal oppervlak S kan dus een lagere weerstand hebben dan een groot voertuig met een lage CD en omgekeerd. Om op een correcte manier de weerstand van twee voertuigen aerodynamisch te vergelijken -en daarmee het benodigd vermogen en het brandstofverbruik- moet men dus het weerstandsoppervlak CD S van beide voertuigen in beschouwing nemen.

2.3

Loslating en turbulentie

Twee aerodynamische termen worden hier nog verklaard, namelijk loslating en turbulentie. Loslating treedt op wanneer de luchtstroming veranderingen in het voertuigoppervlak niet kan volgen; de luchtstroom verwijdert zich van het oppervlak en veroorzaakt turbulentie. In ﬁguur 2.5a is loslating weergegeven wat turbulentie en weerstand veroorzaakt. In 2.5b is de loslating aan de voorkant minder omdat de stroming niet los komt van het oppervlak.

(b) Afgeronde cabinehoeken en dakwindgeleider

(a) Hoekige vormgeving

Figuur 2.5: Stroming rond vrachtwagen, ref [36].

Tip: Voorkom loslating, het is een bron van weerstand en dus energieverlies.

2.4

Zijwind

Een belangrijk aspect voor de stroming rond een vrachtwagen is zijwind. Het komt zelden voor dat de wind steeds op kop staat en daarom is het belangrijk om deze omstandigheid te bekijken. Bij een situatie waar er zijwind optreedt (zie figuur 2.6) zal aan de ene kant de stroming mooi aanliggen terwijl aan de andere kant van de cabine of oplegger een losgelaten stroming optreedt wat resulteert in een hogere weerstandscoëfficiënt (zie figuur 2.7) en dus een hogere totale weerstand. Daarnaast verstoort de ruimte tussen de wielen en de onderkant van de vrachtwagen de stroming bij zijwind.

Figuur 2.6: Stroming bij zijwind, ref [35].

2.5

Figuur 2.7: Weerstandscoëﬃciënt in relatie met zijwind, ref [35].

Initieel aerodynamisch ontwerp

Zoals eerder aangegeven, een aerodynamische oplegger is zinloos zonder een aerodynamische trekker. Daarom volgen er nu een paar basis aspecten die belangrijk zijn voor het ontwerp van een aerodynamische trekker. 1. Afgeronde cabinehoeken aan de voorkant zijn van belang om de lucht zonder loslating langs de zij- en bovenkant te geleiden, zie ﬁguur 2.8. Scherpe cabineranden zorgen voor een loslatende wervelende stroming die niet gunstig is voor de weerstand. Ronde hoeken laten een netter stromingspatroon zien waardoor er minder weerstand ontstaat. De minimale straal voor de afronding van de horizontale dakrand van de cabine, nodig om een weerstandsvermindering te realiseren, is Figuur 2.8: Stroming om afgeafhankelijk van de gemiddelde snelheid van de vracht- ronde (links) en niet afgeronde wagen. Hiervoor zijn enkele stelregels. Ten eerste, om (rechts) cabinehoeken, ref [53]. een weerstandsvermindering te realiseren bij alle, maar vooral lage, snelheden is een straal van 150 mm het meest geschikt, ref [36]. Ten tweede, een straal van 75 mm is geschikt om een weerstandsvermindering te realiseren bij snelheden van 80km/u en hoger, ref [36]. Dit is van toepassing op vrachtwagens die voornamelijk op snelwegen rijden. Tenslotte is het gewenst om de zonnekap te integreren in de (afgeronde) horizontale dakrand. Dit garandeert een minimale verstoring van de luchtstroom en voorziet de cabine tevens van de afronding nodig voor een goede aangesloten stroming om de dakrand. 2. De opening tussen de cabine en de oplegger moet zo klein mogelijk te zijn, zie ﬁguur 2.9. Bij een trekker-opleggercombinatie is er dikwijls een grote opening tussen de cabine en de oplegger om het draaien van de oplegger mogelijk te maken. Deze opening zorgt echter ook voor veel drukweerstand. Daarom wordt aanbevolen om deze opening zo klein mogelijk te houden of om ervoor te zorgen dat de lucht er langs wordt geleid. Figuur 2.10 geeft de verhouding weer tussen de grootte van het gat en de hoogte van de oplegger. Hieruit blijkt dat hoe groter het gat is hoe groter de weerstand is. 10

Figuur 2.9: Stroming langs de opening tus- Figuur 2.10: Relatie tussen grootte van de sen cabine en oplegger, ref [53]. opening en hoogte oplegger, ref [35]. Om de drukweerstand te verkleinen kan men zij-fenders installeren op de cabine (zie figuur 2.11). Deze zorgen ervoor dat de lucht goed langs de oplegger wordt geleid. Het grootste voordeel behalen de zij-fenders bij schuine aanstroming (zijwind). Ze voorkomen dat de stroming tussen de cabine en de oplegger terecht komt en verlagen daardoor de weerstandscoëfficiënt. Door het installeren van zij-fenders kan 0,7% brandstof bespaard worden voor een trekker-opleggercombinatie, ref [35]. Het is ook belangrijk dat de zij-fenders niet breder zijn afgesteld dan de breedte van de oplegger. Dit zorgt namelijk voor een groter frontaal oppervlak en dus meer weerstand. Als de trekker zonder oplegger rijdt, dienen de zij-fenders te worden ingeklapt. Hierdoor verkleint het frontaal oppervlak met als gevolg een lagere weerstand. De zij-fenders mogen bij het draaien van de oplegger niet hinderen. Om de opening toch zoveel mogelijk te verkleinen, kunnen rubberen stroken worden aangebracht aan de achterrand van de zij-fenders. Deze verlengen als het ware de zij-fender. Op deze manier wordt de opening maximaal verkleind. Bij een vrachtwagen met een vaste laadbak kan een ’kraag’ (figuur 2.12) toegepast worden om het gat te dichten en zo de luchtstroom naar achteren te leiden.

Figuur 2.11: Zij-fenders, ref [67].

Figuur 2.12: Kraag met dakwindgeleider, ref [16].

3. De hoogte van de cabine moet indien mogelijk overeenkomen met de hoogte van de oplegger zodat de stroming zonder veel verstoringen zijn weg kan vervolgen. In figuur 2.13 is de relatie tussen de weerstandscoëfficiënten en de hoogte van de cabine en oplegger weergegeven. Figuur 2.13 maakt een onderscheid tussen een afgeronde (blauw) en een niet afgeronde (groen) dakrand van de cabine. Men ziet dat de cabine met een scherpe dakrand een lagere weerstandscoëfficiënt heeft bij een toenemende verhouding van de hoogte van (oplegger/cabine) tot een bepaald niveau. De scherpe dakrand veroorzaakt een loslatende stroming, zie figuur 2.14, die bij een hogere oplegger minder weerstand genereert. Terwijl bij een afgeronde dakrand de weerstandscoëfficiënt alleen maar groter wordt als de verhouding van de hoogte van (oplegger/cabine) toeneemt omdat de aanliggende stroming tegen de oplegger duwt en er een groter gebied ontstaat met overdruk. In veel situaties is een gelijke hoogte van cabine en oplegger niet mogelijk door de gewenste laadcapaciteit van de oplegger. Daarom wordt er een dakwindgeleider gemonteerd zodat de stroming aansluit op de afmetingen van de oplegger. Deze dakwindgeleider moet dan natuurlijk wel op de juiste hoogte afgesteld worden. Een incorrect afgestelde dakwindgeleider kan meer weerstand veroorzaken dan wanneer men helemaal geen dakwindgeleider gebruikt. Daarom is het aan te raden om de achterrand van de dakwindgeleider boven de oplegger uit te laten steken.

Figuur 2.13: Relatie tussen weerstandsco- Figuur 2.14: Invloed van de hoogte tussen ëﬃciënten en hoogte (oplegger/cabine), ref de cabine en de oplegger, ref [36]. [35].

Tip: Zorg ervoor dat de achterrand van de dakwindgeleider boven de oplegger uitsteekt.

Extra lichten en luchthoorns. Bij een vrachtwagen worden dikwijls extra lichten en luchthoorns op de dakrand van de cabine gemonteerd (zie ﬁguur 2.15). Deze verstoren de aankomende luchtstroming in die mate dat ze een verhoging van het brandstofverbruik van 0,1% veroorzaken, ref [36]. Het is daarom nuttig om de extra lichten en luchthoorns in de carrosserie op te nemen zodat ze een minimale invloed uitoefenen op de stromingen rondom de vrachtwagen (zie ﬁguur 2.16). Tip: Zorg ervoor dat de vrachtwagen zo clean mogelijk is. Vermijdt daarom dat lichten, luchthoorns, antennes en andere objecten aan de luchtstroming blootgesteld worden.

Figuur 2.15: Extra lichten en luchthoorns, Figuur 2.16: Geïntegreerde daklichten, ref ref [36]. [60]. Tip: De basis voor een gestroomlijnde vrachtwagen is: - afgeronde cabinehoeken - gelijke hoogte van de cabine en laadbak - een zo klein mogelijke opening tussen trekker en oplegger

Als deze basisregels zijn toegepast, kan er nog een stap verder genomen worden: indien de stroming goed geconditioneerd aan de achterkant van de oplegger aankomt, kan daar nog een belangrijke weerstandsvermindering bereikt worden. Een aanzienlijk deel van de totale luchtweerstand wordt namelijk bepaald door de onderdruk en het zog achter de oplegger. Er zijn meerdere manieren om de luchtweerstand van opleggers te verminderen. Dit wordt uitvoerig besproken in het volgende hoofdstuk.

3 Aerodynamische aanpassingen voor de oplegger Als de drie basisregels zijn toegepast is er een initieel aerodynamisch ontwerp van de trekker. Verdere vermindering van de luchtweerstand is mogelijk door het toepassen van aerodynamische oplossingen aan de oplegger, welke besproken zullen worden in dit hoofdstuk. De testresultaten van deze aerodynamische oplossingen zijn gebaseerd op onderzoek binnen PART met behulp van de verschillende partners en op resultaten uit literatuur. Verschillende aerodynamische oplossingen voor de voorkant, bovenkant, onderkant en achterkant van de oplegger komen aan bod. De resultaten uitgedrukt in liter per 100 km zijn verkregen bij snelwegsnelheden.

3.1

Voorkant

Fairing Een relatief eenvoudige oplossing om de weerstandscoëfficiënt van de oplegger te verlagen is door afrondingen aan te brengen aan de rechthoekige bak. Als deze randen van de oplegger (en laadbak) afgerond zijn, kan de wind beter rond de oplegger stromen, zonder loslating aan de hoeken dat een groot zog veroorzaakt. De afrondingen die op de oplegger gemonteerd kunnen worden, heten fairings. Hiervan bestaan verschillende uitvoeringen. Eén er van is te zien in figuur 3.1. Het gebruik van fairings levert een brandstofbesparing van 2,1% op voor een trekker-opleggercombinatie, ref [35]. Een ander aerodynamisch hulpmiddel dat onder dezelfde noemer valt, is de aircone. De aircone is een bolling dat aan de voorkant van de oplegger gemonteerd kan worden. Deze zorgt ervoor dat de lucht zonder loslating over de oplegger stroomt, wat mooi is weergegeven in figuur 3.2. De hoogste efficiëntie haalt de aircone bij Figuur 3.1: Fairing aan de voorzijwinden. kant van een oplegger, ref [10].

Figuur 3.2: Zonder aircone: loslating (L), Met aircone: vaste stroming (R), ref [41]. De functie van de aircone is eigenlijk hetzelfde als die van de dakwindgeleider. De brandstofbesparingen die met de aircone bereikt worden liggen dan ook in dezelfde orde van grootte met een daling in verbruik van 4,4% voor een trekker-opleggercombinatie, ref [35]. Het is ook mogelijk een aircone te monteren op een open oplegger die gebruikt wordt voor het vervoer van bijvoorbeeld zeecontainers. De effectiviteit van een fairing is afhankelijk van de vorm van de cabine en de aerodynamische hulpmiddelen die op het dak en de zijkant van de cabine geplaatst zijn. Logischerwijs zal het effect van een fairing klein zijn als de cabine is uitgerust met een dakwindgeleider die de hele voorkant van de oplegger afdekt of als de dakwindgeleider dicht bij de voorkant van de oplegger geplaatst is. Tip: Indien de oplegger reeds goed afgeronde randen heeft, is de invloed van een fairing op de weerstand minder groot dan voor een oplegger met scherpe randen en een fairing. In dat geval functioneert de fairing alleen om de opening tussen de cabine en de oplegger te verkleinen. Oplegger rondingen Standaard zijn de randen van opleggers afgerond met een straal van 20 mm. Onderzoek door DAF heeft aangetoond dat een ideale laadbak of oplegger afrondingen heeft met een grotere straal. De voorste randen van de oplegger dienen te worden afgerond met een straal van minimaal 150 mm. De randen aan de zijkant van de oplegger dienen te worden afgerond met een straal van minimaal 60 mm, ref [65]. Dit is illustratief weergegeven in figuur 3.3.

Figuur 3.3: Ronde opleggerhoeken, ref [65]

3.2

Bovenkant

Open laadruimte De uiterlijke vorm van vrachtwagens met een open oplegger wordt gedeeltelijk bepaald door de lading. Door de lading op de goede locatie en met een correcte oriëntatie te plaatsen is het mogelijk om brandstof te besparen. In ﬁguur 3.4 kan men de goede positie van de lading waarnemen. Bij het plaatsen van de lading is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de maximaal wettelijk toegestane aslasten niet overschreden worden.

Figuur 3.4: Aerodynamisch correcte positie van lading bij een open oplegger, ref [35].

Tip: Als stelregel voor het positioneren van de lading geldt: - Zorg ervoor dat de lading de grenzen van de cabine zo min mogelijk overschrijdt wanneer er van voren naar gekeken wordt. Op deze manier wordt het frontaal oppervlak geminimaliseerd met als gevolg een lagere luchtweerstand. - Plaats de lading zo dicht mogelijk bij de achterkant van de cabine zonder de maximaal wettelijk toegestane aslasten te overschrijden. Zo wordt de opening tussen de cabine en lading geminimaliseerd met als gevolg een mindere invloed van zijwind op de weerstand. - Indien de hoogte van de lading varieert of ladingen met verschillende afmetingen worden vervoerd, plaats de hoogste lading het dichtst bij de achterkant van de cabine.

Aangepaste achterkant Bij het vervoer van sommige goederen wordt niet de gehele opleggerruimte gebruikt. Deze ruimte kan gebruikt worden om een meer aerodynamische vorm aan de oplegger te geven. Er zijn meerdere concepten in de windtunnel getest, [53], hiervan zijn enkele resultaten geplot in figuur 3.5. Concept C8 heeft een afgeronde achterkant en bovenste rand (zie figuur 3.6a), in de grafiek is een grote toename te zien van luchtweerstand door verkeerd gekozen rondingen die loslating aanwakkeren. Concept C9, figuur 3.6b, met taps aflopende vlakken, geeft een weerstandsvermindering van 15% bij een hoek van nul graden en neemt toe tot boven de 20% bij een toename van de hoek. 30

∆ CT [%]

C0 C8 C9

−10

−20

−30

−40 0

4 6 yaw angle ψ [deg]

(a) C8: ronde zijkanten en bovenkant

(b) C9: taps toelopende bovenkant en zijkant

Figuur 3.6: Aanpassingen achterkant.

Figuur 3.5: Luchtweerstandvermindering. Glooiend dak

Circuittesten zijn uitgevoerd met een aerodynamisch gevormde oplegger uitgerust met extra aerodynamische oplossingen, ref [53]. De algemene vorm van de oplegger is te vergelijken met die van een druppel. Het dak loopt af richting de achterkant van de oplegger zoals te zien is in ﬁguur 3.7. De oplegger is ook uitgerust met skirts, aerodynamische spatlappen, een extra grote ronding bovenop de voorkant van de oplegger en banden met een lagere rolweerstand. Deze oplegger heeft hetzelfde frontale oppervlak als een gewone oplegger, maar minder volume en kleinere achterdeuren vanwege het aﬂopende dak. Deze onconventionele, maar aerodynamische vorm van de oplegger, geeft praktische nadelen. Hierdoor zullen er enkele beperkingen zijn bij het gebruik van de oplegger. De circuittesten zijn uitgevoerd op de RDW testfaciliteit in Lelystad, [71]. Tijdens deze testen is het brandstofverbruik van de trekker met druppelvormoplegger gemeten en vergeleken met een gewone oplegger (zonder aerodynamische oplossingen). Hieruit bleek een absolute brandstofbesparing van 2,6 l/100 km voor het rijden met de druppelvormoplegger Figuur 3.7: Oplegger met een druppelvorm, uitgerust met de eerder genoemde aerodyna- skirts, aerodynamische spatlappen, grotere mische oplossingen. Dit komt overeen met rondingen en banden met een lagere rolweerstand, bron: TNT ERN. 17

een besparing van 8,5%, rekening houdend met het feit dat de opleggers tijdens de testen ongeladen waren en de windsnelheden die dag relatief hoog waren. Bij meer gemiddelde windsnelheden zal de brandstofbesparing dichter bij de 2 l/100 km liggen. Tijdens operationele testen, uitgevoerd door TNT ERN, is dit bevestigd en werd een gemiddelde brandstofbesparing van 2,25 l/100 km behaald met dezelfde oplegger.

3.3

Onderkant

Met behulp van Computational Fluid Dynamics (CFD), zijn er numerieke simulaties van de stromingen rondom een trekker-opleggercombinatie uitgevoerd. Zo zijn de gebieden in kaart gebracht waar veel luchtweerstand wordt veroorzaakt, ref [53]. In ﬁguur 3.8 is de stroming aan de onderkant van een combinatie te zien. Grote losgelaten gebieden zijn zichtbaar en dragen bij aan de totale luchtweerstand van het voertuig.

Figuur 3.8: Stroming rond een trekker-opleggercombinatie, ref [53]. Tip: In het algemeen is het aan te raden om de onderkant van het voertuig zo vlak mogelijk te houden zodat er zo min mogelijk objecten zijn die uitsteken en winddruk ondervinden en daarmee de luchtweerstand verhogen. Achterste spatlap Dikwijls wordt er achter de achterste as van de oplegger een spatlap over de gehele breedte gemonteerd. Deze biedt extra ruimte voor reclame en reduceert het opspattende water naar achter toe. Maar deze brede spatlab veroorzaakt extra drukweerstand en vermeerdert het opspattende water zijdelings. Hierdoor verbruikt een trekker-opleggercombinatie 0,6% meer brandstof, ref [35]. Windtunneltesten uitgevoerd aan de TU Delft hebben aangetoond dat het blokkeren van de stroming achteraan de onderkant nadelig is voor de totale luchtweerstand, zie Figuur 3.9: Afgesloten achterﬁguur 3.9. Deze conﬁguratie genereert bij een stroming kant van de oplegger, ref[53]. zonder zijwind meer dan 20% extra weerstand, ref [53]. Deze resultaten tonen aan dat de stroming langs de onderzijde van de oplegger een cruciale invloed heeft op de totale weerstand van het voertuig.

Stootbalk Aan de achterkant van de oplegger of motorwagen is vanwege veiligheidsredenen een stootbalk vereist. Vaak wordt de opening tussen de onderkant van de oplegger en de stootbalk dichtgemaakt voor het plaatsen van de benodigde verlichting en het kenteken en/of om het uiterlijk te verbeteren, zie ﬁguur 3.10a. Vanuit aerodynamisch oogpunt is het beter om de ruimte tussen de onderkant van de oplegger en de stootbalk open te laten, zie ﬁguur 3.10b, zodat er minder weerstand wordt gecreëerd. De benodigde verlichting en het kenteken kunnen worden geïntegreerd in de stootbalk.

(a) gesloten

(b) open

Figuur 3.10: Ruimte tussen stootbalk en onderkant oplegger, [11]. SideWings Verschillende aerodynamische oplossingen voor de onderkant van de oplegger werden ontworpen en vervolgens getest in de windtunnel met een schaalmodel, ref [53]. Een serie van windtunnelexperimenten werd uitgevoerd in de lage snelheids windtunnel van de TU Delft. Tijdens de experimenten zijn meer dan 100 verschillende aerodynamische oplossingen ontworpen en getest. De best presterende oplossing wordt hieronder verder besproken. 18 16 14

∆ C [%]

8 6 4 reference trailer Ephicas SideWings standard side skirts

2 0 0

4 6 yaw angle ψ [°]

Figuur 3.11: SideWings met geïntegreerde ﬂow conductor (links boven), standaard side skirts (links onder) en windtunnel resultaten (rechts), ref [53].

Standaard side skirts leveren een luchtweerstandvermindering van 8,5% op, zoals te zien is in figuur 3.11. De SideWing configuratie, rechte skirts met een geoptimaliseerd profiel, leveren de grootste luchtweerstandvermindering op, namelijk: 14% tot 17%. De uitstekende aerodynamische eigenschappen van de SideWings zijn toe te schrijven aan het voorste deel: de flow conductor, zie figuur 3.11. Het vleugelvormige onderdeel vangt de luchtstroom achter de trekker op. Hierdoor wordt de gehele combinatie naar voren geduwd en wordt bovendien loslating voorkomen. Deze unieke gepatenteerde vleugelvorm verdubbelt bijna de prestaties van bestaande skirts.

Figuur 3.12: Circuittesten van de SideWing, bron: Ephicas. De Ephicas SideWing is uitgebreid getest op het circuit (zie ﬁguur 3.12), maar ook op de openbare weg tijdens de dagelijkse werkzaamheden van verschillende transportbedrijven. De SideWings leverden een gemiddelde brandstofbesparing op van 1,5 liter per 100 km bij snelwegsnelheden. Dit komt overeen met een verschil van 5% voor een absolute brandstofconsumptie van 30 l/100 km. De resultaten van deze testen zijn verkregen volgens het SAE testprotocol, ref [48], en staan beschreven in appendix B. Met hogere windsnelheden werd een brandstofbesparing van meer dan 2 liter per 100 km gemeten, ref [53].

(a) korte versie van de SideWing.

(b) verhoogde rand bij de wielen.

Figuur 3.13: Aanvullende SideWing ontwikkelingen, bron: Ephicas.

Na de succesvolle testen op het circuit en de openbare weg zijn de SideWings verder ontwikkeld en geoptimaliseerd voor het dagelijks gebruik. Om de kans op mogelijke schade aan de achterkant van de oplegger te verminderen is er een kortere versie van de SideWing (zie figuur 3.13a) ontworpen en getest. Deze kortere versie levert eenzelfde brandstofbesparing van 1,5 l/100km op, ref [53]. Een tweede aanpassing werd geïntroduceerd om mogelijke Figuur 3.14: Standaard skirts, bron: TNT schade bij het dokken van de vrachtwagen te ERN. voorkomen. De onderkant van de panelen boven de wielen werd enigszins ingekort naar boven toe, zie figuur 3.13b. Voor opleggers met meesturende assen werden afneembare wielbedekkingen ontwikkeld, afgebeeld in figuur 3.13c. Uiteindelijk werden standaard skirts, afgebeeld in figuur 3.14, getest door TNT ERN. Een gemiddelde brandstofbesparing van 0,5 l/100 km werd gemeten terwijl de Sidewings bij dezelfde test een besparing van 1,5 l/100 km opleverden. Dit verschil is in overeenkomst met de in de windtunnel verkregen resultaten. Tip: Zijpanelen verhogen de veiligheid voor fietsers en voetgangers omdat deze niet tussen de wielen terecht kunnen komen. Ook verminderen zijpanelen het opspattende water. Aerodynamische spatlappen Een andere technologie voor de onderkant van de oplegger, de aerodynamische spatlappen, [17], zijn ook getest op het circuit. Tijdens een eendaagse test, gebaseerd op het SAE Type II test protocol, ref [48], werd een brandstofbesparing van 0,3 liter per 100 km gemeten. Er werd met een constante snelwegsnelheid gereden en de spatlappen werden achter de achterste as van de oplegger gemonteerd, ref [53]. Behalve het besparen van brandstof, voorkomen spatlappen ook grotendeels op- Figuur 3.15: Aerodynamische spattend water. spatlappen, bron: GE TIP Trailer Services.

3.4

Achterkant

Naast de onderkant heeft ook de achterkant van de oplegger een groot aandeel in de totale luchtweerstand van de trekker-opleggercombinatie. Om de luchtweerstand te verlagen, en dus ook het brandstofverbruik, worden in deze paragraaf verschillende aerodynamische oplossingen voor de achterkant van een oplegger besproken. Boat tail Een voorbeeld van een aerodynamische oplossing aan de achterkant van een oplegger is de boat tail. Een boat tail is een taps aﬂopende ’verlenging’ van de oplegger. Om inzicht te krijgen in de eigenschappen en het gedrag van de luchtstromingen direct achter de oplegger, zijn er CFD-simulaties uitgevoerd (zie ﬁguur 3.16). Met behulp van deze simulaties is er een eerste indruk gekregen van de mogelijk luchtweerstandvermindering bij het toepassen van een boat tail. Aan de hand van deze simulaties werd een weerstandsvermindering van 12% gemeten voor een vrachtwagenmodel.

Figuur 3.16: Simulaties (links) en experimenten (rechts) met het boat tail concept, ref [53]. Tijdens windtunnelexperimenten zijn er meerdere configuraties van boat tails getest om de weerstandsvermindering te bepalen. De invloed en noodzakelijkheid van een bodempaneel is onderzocht, er is gekeken naar de hellingshoek van de panelen en de holte van de boat tail (open, halfopen, dicht). Uit de windtunnelexperimenten blijkt dat een open boat tail met bodemplaat het beste presteert. Met deze configuratie werd een luchtweerstandvermindering van 12% bereikt voor het trekker-oplegger model. Getrapte tail Een getrapte tail bestaat uit dunwandige platen, die aan de achterkant van de oplegger gehangen worden. Door de verspringing aan de achterkant ontstaan wervels die het zog verkleinen en de druk in het zog verhogen en daarmee de drukweerstand verlagen. Met behulp van numerieke simulaties en windtunnel experimenten zijn de gewone boat tail en de getrapte tail op een vereenvoudigd vrachtwagenmodel getest. Uit de resultaten bleek dat een langere tail een hogere luchtweerstandvermindering opleverde. Voor de getrapte tail is dit te zien in figuur 3.17. De best presterende getrapte tail levert een luchtweerstandvermindering op van 10%. De luchtweerstandvermindering van de kortere tails zijn verwaarloosbaar. Een gewone boat tail levert een vermindering op van bijna 40% op hetzelfde vereenvoudigde vrachtwagenmodel. 22

Figuur 3.17: Numerieke simulaties (l) en windtunnelresultaten (r) v/d getrapte tail, ref [53]. Starre tail Een eerste test op de openbare weg met een starre boat tail is in 2008 uitgevoerd, ref [53]. Voordat de tail op de oplegger werd gemonteerd was het brandstofverbruik al in kaart gebracht. Hierdoor kon het verschil in brandstofverbruik met en zonder starre tail geanalyseerd worden. Tijdens de testperiode werd de lengte van de tail gevarieerd. Een brandstofbesparing van 2 liter per 100 km werd behaald met een starre tail van 2 m. Bij het inkorten van de tail naar 1,5 m en 1 m werden besparing gemeten van respectievelijk 1,7 en 0,8 liter per 100 km.

Figuur 3.18: Weg testresultaten (rechts) van de starre tail (links), ref [53]. Opvouwbare en opblaasbare tail Meer praktische concepten van de tail zijn ontworpen en getest op het circuit (SAE Type II test protocol, ref [48]) en de openbare weg, ref [53]. Het eerste concept is een tail die handmatig naar buiten gevouwen kan worden om zo de toegang tot de opleggerdeuren te garanderen, zie figuur 3.19 en 3.20. Bij circuittesten kwam een brandstofbesparing van 1 liter per 100 km naar voren. Ook is deze opvouwbare tail vijf maanden lang door TNT Express getest tijdens operationele activiteiten. Hieruit bleek een brandstofbesparing van 1,6 liter per 100 km. De opvouwbare tail blijkt een effectieve oplossing te zijn die de activiteiten van de chauffeur niet hindert.

Figuur 3.19: Opvouwbare (links) en opblaasbare (rechts) tail, bron: Ephicas. Een tweede concept dat ontworpen is en vervolgens uitvoerig getest op het circuit, ref [53], is de opblaasbare tail, zie ﬁguur 3.19. De opblaasbare tail is gemaakt van ﬂexibel materiaal en wordt met behulp van pompen opgeblazen tot de gewenste vorm. Circuit testen met een prototype gaven een brandstofbesparing van 1 liter per 100 km.

Figuur 3.20: Het uitvouwen van de tail, bron: Ephicas. Vanes Een andere en eenvoudige manier om luchtweerstand te verminderen is door het gebruik van kleine vleugeltjes (vanes) op de achterkant van de oplegger. Met behulp van numerieke simulaties werden verschillende parameters van de vanes gesimuleerd om een eerste indruk te krijgen van de weerstandsvermindering. De vorm van het vleugelproﬁel werd gevarieerd net als de locatie van de vanes. Ook werden de hoeken van de vanes gevarieerd om een optimale hoek te bepalen.

Figuur 3.21: 3D numerieke simulatie (links) en windtunnel model (rechts), ref [53].

De windtunnelexperimenten gaven een duidelijk beeld van het effect van de verschillende vane configuraties op de totale luchtweerstand van het voertuig. Een potentiële luchtweerstandvermindering van 20% werd gemeten met een volledige omsluitende ring, d.w.z. vanes op elke kant van de oplegger, zie figuur 3.21. Tijdens een testweekend werden de vanes op een oplegger gemonteerd om zo de optimale configuratie en bijbehorende brandstofbesparing te bepalen. Deze testen zijn gebaseerd op het SAE Type II testprotocol, ref [48]. De configuratie met alleen de bovenste vane gaf een brandstofbesparing van 0,5 liter per 100 km. Ook de configuratie met alle vier de vanes werd getest. Deze resulteerde in een kleine verbetering in vergelijking met alleen de bovenste vane. Meer onderzoek is nodig om het rendement van de vanes te verbeteren.

Figuur 3.22: Vanes aan vier zijden (links) alleen bovenste vane (rechts), bron: GE TIP Trailer Services. System Drag Reduction System Drag Reduction (SDR) kan worden beschouwd als een windgeleider en wordt gemonteerd aan de achterkant van de oplegger op het dak, zie ﬁguur 3.23. De aerodynamische prestaties en bijbehorende brandstofbesparingen verkregen bij het toepassen van de SDR werden gemeten tijdens een eendaagse circuittest gebaseerd op het SAE Type II testprotocol, ref [48]. Een absolute brandstofbesparing van 0,28 liter per 100 km werd gemeten. Dit komt overeen met 1,2% voor een gemiddeld brandstofverbruik van 23,96 liter per 100 km bij de aanwezige windsnelheden.

Figuur 3.23: SDR devices, bron: GE TIP Trailer Services.

3.5

Combinatie van SideWings en een tail

In de vorige paragrafen zijn individuele aerodynamische oplossingen voor de onder- en achterkant van een oplegger met behulp van numerieke simulaties, windtunnelexperimenten en circuit- en openbare wegtesten besproken. Deze paragraaf bespreekt kort de potentiële luchtweerstandvermindering en de brandstofbesparing als de SideWings en tail worden gecombineerd. Windtunnelexperimenten Een standaard trekker-opleggercombinatie werd uitgerust met twee aerodynamische oplossingen: de SideWings en een tail, zie ﬁguur 3.24, ref [53]. Een luchtweerstandvermindering van 24% werd gemeten tijdens windtunnelexperimenten, ref [53]. Deze 24% is net minder dan de som van de luchtweerstandvermindering van beide aerodynamische oplossingen individueel. Voorgaande metingen met de SideWings resulteerden in een vermindering van 16% terwijl de tail een besparing van 12% opleverde. Blijkbaar overlappen de eﬀecten van beide oplossingen elkaar deels waardoor de totale vermindering lager uit valt.

Figuur 3.24: Oplegger uitgerust met Side- Figuur 3.25: Sidewings gecombineerd met wings en een tail, ref [53]. een opvouwbare tail, source: Ephicas. Full-scale testen Een full-scale circuittest met SideWings gecombineerd met een opvouwbare tail is uitgevoerd op het RDW testcircuit in Lelystad, [71]. Beide aerodynamische oplossingen werden op een oplegger gemonteerd, zie ﬁguur 3.25. De resultaten werden bepaald met behulp van het SAE Type II test protocol, [48]. Een absolute brandstofbesparing van 2,21 liter per 100 km werd gemeten in vergelijking met een standaard oplegger. Dit komt overeen met een besparing van 8%, daarbij moet niet vergeten worden dat beide voertuigen niet beladen waren. Tijdens de testdag werden matige windsnelheden van 5 - 8 m/s gemeten. De windrichting bleef gelijk. De test werd uitgevoerd met behulp van een GPS-signaal. Het signaal maakt het mogelijk om het voertuig te lokaliseren op het circuit. Hierdoor kan een brandstofverbruik gekoppeld worden aan de locatie van het voertuig op het circuit. Met de wind van voren werden de grootste brandstofbesparing gemeten: 3,13 l/100 km. Dit is hoger dan wanneer de wind van achteren komt, namelijk 2,18 l/100 km.

4 Wetgeving en ontwerp: een vooruitblik In het vorige hoofdstuk werden voornamelijk aerodynamische hulpmiddelen besproken die met uitzondering van de vanes en een glooiend dak voor de oplegger, allemaal bij de aanschaf of nadien gemonteerd kunnen worden. Alle fabrikanten van trekkers hebben conceptstudies uitgevoerd om een trekker of oplegger een optimale aerodynamische vorm te geven. Een aantal van deze ontwerpen wordt aan het einde van dit hoofdstuk besproken. Hiermee wordt een evolutie in de tijd weergegeven. Vaak zijn deze concepten vernieuwend op meer gebieden dan alleen aerodynamica. Daarom moet vermeld worden dat hier alleen de aerodynamische verbeteringen besproken worden voor zover deze openbaar zijn.

4.1

Wetgeving

De weerstandscoëfficiënt van een trekker-opleggercombinatie bedraagt ongeveer 0,6 à 0,65. Zoals figuur 4.1 aantoont, wordt verwacht dat in de toekomst deze weerstandscoëfficiënt niet veel verder zal kunnen dalen. Dit is in ieder geval zo als de Europese regelgeving niet verandert. Als men uitgaat van een goed ontworpen trekker kunnen dakwindgeleider, zijfenders en zijpanelen worden geïnstalleerd om de weerstand van de trekker verder te verlagen. Om een verdere daling van de weerstandscoëfficiënt te verkrijgen moet ook de oplegger in de aerodynamische analyse beschouwd worden. Een aantal mogelijke aanpassingen voor de oplegger zijn eerder in deze brochure uiteengezet. De beste oplossing is echter om de trekker en oplegger als één geheel te beschouwen en gelijktijdig te ontwerpen. Op deze manier kunnen beide het best op elkaar worden afgesteld.

Figuur 4.1: Trend weerstandscoëﬃciënt bij Volvo van 1970 tot nu, ref [23]

In Europa wordt de lengte van een vrachtwagen in de wetgeving 1 gedefinieerd als de afstand tussen het meest voorwaartse en het meest achterwaartse punt van de combinatie (zie figuur 4.2). In de Verenigde Staten is de maximale lengte gerelateerd aan de lengte van de oplegger. Hierdoor zijn de cabines van trekkers in Europa veel compacter ontworpen. Tevens is de vrijheid betreffende de vormgeving aan de voorkant van de trekker hierdoor veel beperkter dan in de Verenigde Staten waar de conventionele trekkers een betere aerodynamica hebben dankzij de motorkap.

Figuur 4.2: Verschillen in regelgeving betreffende de maximale lengte in de VS en EU. Uitzonderingen in de Europese wetgeving kunnen ook mogelijkheden bieden om een daling van het brandstofverbruik te verwezenlijken bij vrachtwagens. Zo mag in de Verenigde Staten, door een recente wetswijziging de achterkant van de oplegger met 1,5 m verlengd worden voor de toevoeging van brandstofbesparende hulpmiddelen. Uiteraard moeten deze hulpmiddelen aan bepaalde eisen voldoen in verband met veiligheid. De extra ruimte mag niet gebruikt worden om meer vracht te vervoeren. Op deze manier is het gebruik van een boat tail legaal en is het mogelijk om meerdere procenten brandstof te besparen. Een belangrijke randvoorwaarde voor het ontwerpen van innovatieve vrachtwagens met een lager brandstofverbruik, is dat de corresponderende voertuigwetgeving zich zal moeten ontwikkelen naar prestatiegerichte wetgeving. Het is vooral belangrijk dat de maximale voertuigafmetingen zo zijn gekozen dat het is toegestaan om aerodynamische oplossingen, zoals de opvouwbare tail, te monteren. Deze nieuwe aerodynamische oplossingen zullen dan worden ontworpen en vervaardigd volgens de opgelegde veiligheidseisen. De implementatie van meer efficiënte voertuigontwerpen, en dus aerodynamische vrachtwagens, kan versneld worden door de introductie van prestatiestandaardisatie van de verschillende voertuigconfiguraties. Dit proces kan bewerkstelligd worden door voertuigprestaties te labelen. De labels zullen dan gekoppeld worden aan bepaalde voordelen voor diegenen die rijden in een efficiënt voertuig, of beperkingen voor niet efficiënte voertuigen. Tip: Alleen door het toepassen van een hulpmiddel aan de achterkant van de oplegger en vervolgens het hele voertuig te beschouwen kunnen hoge brandstofbesparingen worden behaald.

1 Richtlijn: 96/53/EG en 97/27/EG.

4.2

Active ﬂow control

Het onderzoek dat gepresenteerd wordt in deze bundel richt zich op het verminderen van luchtweerstand door middel van passieve middelen. Active flow control technologie manipuleert op een actieve manier het gedrag van luchtstromingen om zo een lagere luchtweerstand te krijgen. Eén van de meest bekende voorbeelden om actief de stroming te manipuleren om loslating te voorkomen is het afzuigen van de grenslaag, Prandlt [46], en het aanblazen van de genslaag, Chang [26]. Base bleed is een alternatieve manier om lucht loodrecht van een naar achter gericht oppervlak te blazen om zo luchtweerstand te verminderen, Ortega [44] en Nijhof [43]. Meer recente ontwikkelingen op het gebied van active flow control voor wegvoertuigen zijn plasma actuators, Corke [29] en Spivey [50], en massaloze jets, Morrison [42] en Hjelm [64]. Grenslaag aanblazing wordt vaak tangentiaal toegepast in combinatie met het bekende Coandă effect. Ook al werd dit fenomeen voor het eerst beschreven door Young in 1800 [58], was het later de Roemeen Henri Coandă die het claimde en patenteerde. Het Coandă effect is het balancerende effect tussen de centrifugale kracht en de drukkracht in een door een oppervlak begrensde jet. Hierdoor zal de stroming aan de muur gehecht blijven. Door dit hechtende effect toe te passen, kunnen de bewegingen van stromingen beïnvloed worden. Dit wordt op brede schaal toegepast om de prestaties van vleugelprofielen te verbeteren, Cambel [25], Englar [30] en NASA [21] en om de luchtweerstand van axiaalsymmetrische lichamen te verminderen, Freund [37].

(a) geen activering: loslating

(b) jet geactiveerd: hechtende stroming

Figuur 4.3: stroomvlak loslating (links) luchtstroom afbuiging (rechts), Van Leeuwen [52]. Door het bereiken van volledige buiging van een luchtstroom over een Coandă-oppervlak zal de stroming sneller naar binnen gebogen kunnen worden. Hierdoor zal het zog dichter bij de basis van het model komen waardoor de gemiddelde basisdruk stijgt en de luchtweerstand wordt verminderd. In figuur 4.3 is het verschil te zien tussen loslating en luchtstroombuiging. Te zien is hoe de luchtstroom gehecht blijft aan het Coandă-oppervlak waardoor het naar binnen buigt en vervolgens de basisdruk verhoogt. Praktische toepassingen voor active flow control bij wegvoertuigen worden onderzocht. Englar [31, 32] toont met behulp van windtunneltesten een weerstandsvermindering aan van maximaal 50% bij relatief lage aanblaassnelheden voor vrachtwagenmodellen. Tijdens full-scale testen konden deze resultaten niet vertaald worden naar corresponderende brandstofbesparingen. Uit onderzoek door McCallen et al [40] en Ross [75] bleek een brandstofbesparing van 4 - 6% met continu aanblazen op een full-scale voertuig. Gelijksoortig onderzoek is uitgevoerd door Gustavsson [38] en hieruit bleek een afname van de weerstandscoëfficiënt van 10 tot 15% bij een geblaasde tail configuratie tijdens windtunnelexperimenten. 29

Samen met Van Leeuwen [52], zijn er numerieke simulaties uitgevoerd om het effect van de verschillende parameters te analyseren (zie figuur 4.4). Optimalisatie van de betrokken parameters van dit continu blazende systeem, toegepast op een sterk gesimplificeerd model, resulteerden in een maximale netto luchtweerstandvermindering van 20%. Eén van de suggesties die Van Leeuwen [52] deed is om gepulseerd aanblazen toe te passen omdat het een veel effectievere manier is om weerstand te verminderen gebaseerd op het Coandă principe. Dit is ook bevestigd door Seifert [49], welke een combinatie heeft ontwikkeld van continue grenslaag zuiging samen met gepulseerd blazen. Dit heeft hetzelfde effect als continu blazen maar is effectiever in termen van Figuur 4.4: Typische lay-out voor conenergie consumptie. Seifert [49] heeft succesvolle tinu aanblazen aan de achterkant van een windtunnelexperimenten uitgevoerd met zijn pul- stomp lichaam, ref [52]. serende blazing variant. Een significante afname van de luchtweerstand bij een schaalmodel werd gemeten. Active flow control technologie is nog in een vroege fase van ontwikkeling. Hoewel meer fundamenteel en experimenteel onderzoek nodig is om de verschillende stromingsmechanismen volledig te begrijpen, heeft het de potentie om luchtweerstand van stompe wegvoertuigen in de toekomst te verminderen.

4.3

Prototypes

Deze paragraaf geeft een kort historisch overzicht van enkele vrachtwagenontwerpen van grote fabrikanten. Labatt. De Labatt streamliner is ontworpen en geproduceerd in de jaren ′ 40 van de vorige eeuw, zie ﬁguur 4.5. Ook al was men in die tijd beperkt in capaciteiten qua vormgeving, de oplegger is mooi gestroomlijnd. In deze ﬁguur valt ook op dat de cabine van de trekker hoger is dan de oplegger met als gevolg een groter dan noodzakelijk frontaal oppervlak. Hierdoor wordt meer weerstand gecreFiguur 4.5: Labatt streamliner, ref [41]. ëerd dan met een lagere cabine het geval zou zijn. De voorruit van de cabine staat bijna verticaal. Logischerwijs zal hierop een grote drukkracht werken. De hoeken van de cabine zijn scherp waardoor de stroming op de hoek zal loslaten. Hierdoor is de mooie vorm van de oplegger deels nutteloos. Zoals eerder werd

uitgelegd, is een aanliggende stroming om de trekker belangrijk. In dit geval komt een losgelaten stroming aan bij de oplegger waardoor de functie van zijn stroomlijn teniet wordt gedaan. De vorm van de oplegger is ook niet praktisch. De lage hoogte en sterke kromming van het dak zorgen voor een beperkte laadruimte. Als laatste kan ook nog worden opgemerkt dat er een grote opening zit tussen de trekker en de oplegger. Dit is nadelig voor de weerstand bij zijwind. Colani. Deze opmerkelijk futuristische vrachtwagen werd door Luigi Colani, een designer, ontworpen in de jaren ′ 80 van de vorige eeuw. Luigi Colani laat zich voor zijn ontwerpen vooral inspireren door de natuur. Dit verklaard de organische vormen van zijn ontwerpen die voornamelijk esthetisch gericht zijn en niet op gesimplificeerde functionaliteit. Dit verduidelijkt waarom deze vrachtwagens niet rondrijden op de openbare weg. Desondanks wordt door figuur 4.6 Figuur 4.6: Colani vrachtwagen, ref [59]. goed te bestuderen duidelijk dat het frontaal oppervlak van deze vrachtwagen minimaal is. Er is ook op te merken dat de cabine van de trekker perfect aansluit op de oplegger. De opening tussen de cabine en de oplegger is minimaal waardoor het effect van zijwind op de weerstand afneemt. De functie van de opvallende voorruit van deze vrachtwagen wordt duidelijk wanneer er van de zijkant naar gekeken wordt. De voorruit kan worden beschouwd als een dakwindgeleider en zorgt dat de stroming vlot overgaat van de trekker naar de oplegger zonder loslating. Verder valt de lage rijhoogte van de vrachtwagen op. Om de weerstand aan de onderkant van de oplegger te verminderen werd deze gestroomlijnd. De wielen werden afgesloten waardoor de turbulentie en opspattend water verminderen.

Mercedes. De Mercedes EXT92 (zie ﬁguur 4.7) is een concept dat dateert uit 1992 en nooit in productie werd gebracht. Toch heeft deze vrachtwagen enkele zeer geavanceerde aerodynamische eigenschappen. De cabine van de trekker heeft afgeronde hoeken die zorgen voor een aanliggende stroming. De hoogte van de trekker komt overeen met die van de oplegger. Dit zorgt ervoor dat de stroming zonder veel problemen overgaat van de trekker Figuur 4.7: Mercedes EXT92, ref [69]. naar de oplegger. De vrachtwagen is ook over de volledige lengte voorzien van zijpanelen die alle wielen afdekken en zo de turbulentie verminderen. De invloed van zijwind op de weerstand wordt hierdoor beperkt en gelijktijdig zorgen ze ook voor minder opspattend water. 31

De spiegels zijn vervangen door camera’s die in de carrosserie zijn ingebouwd en dus geen extra verstoring met zich meebrengen. Het meest innovatieve onderdeel is de koppeling tussen de trekker en de oplegger. Tijdens een rit op een rechte baan wordt de oplegger dichter naar de trekker toe getrokken. De afstand tussen trekker en oplegger bedraagt dan slechts 10 cm met als resultaat een lagere invloed van zijwind op de weerstand. Een meer recente ontwikkeling van MerFiguur 4.8: Mercedes aero oplegger en cedes kan aanschouwd worden in figuur 4.8. Een Actros trekker, ref [68]. nieuwe Actros is ontwikkeld en uitgebreid getest in de windtunnel en op de weg. Samen met deze trekker werd een aerodynamische trailer gepresenteerd. Scania. Deze vrachtwagen werd door Scania in 1999 voorgesteld als concept voor 2010. Deze 28 m lange vrachtwagen heeft 50% meer laadcapaciteit en verbruikt 20% tot 25% minder brandstof, ref [78]. Ondanks het feit dat deze vrachtwagen in Nederland niet toegelaten is op de weg heeft dit concept zeer geavanceerde aerodynamica. De voor-, zij- en achterkant werden aerodynamisch geoptimaliseerd om een weerstandscoëffiFiguur 4.9: Concept van Scania, ref [77]. ciënt van 0,25 te bereiken voor de vrachtwagen. De combinatie vrachtwagen-aanhangwagen heeft een weerstandscoëfficiënt van 0,35, ref [78]. Dit komt overeen met de weerstandscoëfficiënt van een personenauto. Het eerste wat opvalt is de kleine motorkap voor de cabine. Deze zorgt voor een vlotte aangesloten stroming op de voorzijde van de vrachtwagen. Zoals in figuur 4.9 opgemerkt kan worden, komt de hoogte van de cabine overeen met de hoogte van de laadbak. Doordat de cabine goed aangesloten is op de laadbak, is het gebruik van zij-fenders en een dakwindgeleider overbodig. De zijpanelen lopen over de hele lengte van de vrachtwagen waardoor alle wielen bedekt zijn. Deze afdekking resulteert in een lagere turbulentie en minder opspattend water. De spatborden van de voorwielen zijn zo gemonteerd dat ze meedraaien met het wiel. Daardoor zijn deze steeds afgedekt.

Renault. In 2004 stelde Renault de Radiance voor. Deze vrachtwagen heeft zoals te zien is in figuur 4.10 een gestroomlijnde vorm. Onder andere de afgeronde hoeken, de lage boegspoiler, zijpanelen en de gladde carrosserie zorgen voor een aangesloten stroming om de trekker heen. De invloed van de opening tussen de trekker en de oplegger wordt geminimaliseerd door een chassis afdekplaat en een goede aansluiting van de trekker op de oplegger. De spiegels zijn vervangen door camera’s die geplaatst zijn op strategische plaatsen in gestroomlijnde steunen. Dit Figuur 4.10: Renault Radiance, ref alles zorgt ervoor dat deze vrachtwagen een lagere [63]. weerstand heeft en minder brandstof verbruikt. Iveco. De doelstelling voor het ”Transport Concept” van Iveco is meer goederen vervoeren met lagere bedrijfskosten en minder belasting voor het milieu. Om dit te realiseren werden vier innovaties doorgevoerd. Allereerst werd de oplegger met 13 cm verlengd om extra laadruimte te creëren zonder het combinatiegewicht van 40 ton te wijzigen. De trekker en oplegger werden optimaal op elkaar afgestemd voor minimale luchtweerstand. De aandrijflijn werd geperfectioneerd en de combinatie werd ook uitgerust met banden die een lagere rolweerstand en gewicht hebben. De aerodynamische aanpassingen aan de trekker zijn een boegspoiler, een opblaasbare kraag, een dakwindgeleider en zijpanelen. Deze aanpassingen zijn weergegeven in figuur 4.11a. Om de aerodynamica van de oplegger te verbeteren is deze uitgerust met een korte opblaasbare tail, zijpanelen met luchtinlaten die de luchtstroom onder de oplegger leiden en een aerodynamische onderkant (zie figuur 4.11b).

(a) Trekker

(b) Oplegger

Figuur 4.11: Aerodynamische aanpassingen, [62].

Volvo. De ”Vision 2020 concept truck” illustreert de toekomstvisie van Volvo. Zoals te zien is in figuur 4.12, heeft deze vrachtwagen een gestroomlijnde vorm. Het schuine dak van de cabine en het minimale hoogteverschil tussen dit dak en de laadbak zorgen voor een vlotte overgang van de stroming over de cabine naar de laadbak. De afgeronde cabinehoeken, een minimale opening tussen de cabine en laadbak, de lage boegspoiler, een gladde carrosserie en de zijpanelen zorgen voor een aangesloten stroming om de trekker. Figuur 4.12: Vision 2020 concept truck Verder zijn de spiegels vervangen door camera’s. van Volvo, ref [73]. De invloed van al deze aanpassingen ter optimalisatie van de aerodynamica zorgen voor een lagere luchtweerstand en dus brandstofverbruik. MAN. Voor de vormgeving van de MAN Dolphin concept vrachtwagen hebben de ontwerpers zich laten inspireren door de gestroomlijnde vorm van een dolfijn. Verscheidene aerodynamische hulpmiddelen zijn geïntegreerd in het ontwerp van de trekker om de weerstand te verlagen. Deze hulpmiddelen zijn onder andere een boegspoiler, afgeronde hoeken van de cabine, een geïntegreerde dakwindgeleider en zijfenders. Deze zij-fenders vullen de ruimte tussen de cabine en de oplegger maximaal op zoals kan worden opgemerkt in figuur 4.13. Verder zijn de spiegels ver- Figuur 4.13: MAN Dolphin concept, vangen door camera’s die in gestroomlijnde steunen ref [45]. zijn geplaatst zodat deze de stroming minimaal verstoren. Zoals eerder vermeld heeft een huidige trekker-opleggercombinatie een weerstandscoëfficiënt van ongeveer 0,6. Door de integratie van de verschillende aerodynamische hulpmiddelen in de vormgeving van de trekker heeft de MAN Dolphin concept vrachtwagen een weerstandscoëfficiënt van ongeveer 0,29, ref [20]. DAF. Het DAF XFC (Extreme Future Concept) laat zien hoe een vrachtwagen er in de toekomst uit zal zien als functie voor 100% wordt omgezet in vorm. Zoals uit figuur 4.14 kan worden afgeleid heeft deze vrachtwagen een spits toelopende vorm en afgeronde hoeken. Uit dezelfde figuur is het duidelijk dat de trekker dezelfde hoogte als de oplegger heeft. Een dakwindgeleider is dus overbodig. De trekker is verder uitgerust met zijpanelen, een boegspoiler en een afdekpaneel voor het chassis achter de cabine. 34

Figuur 4.14: DAF XFC, ref [72].

Integrated design: BlueLiner. Het resultaat van een conceptstudie aan de TU Delft samen met Coosemans et al. [28], van een geïntegreerde en multidisciplinaire aanpak is te zien in ﬁguur 4.15. Dit innovatieve aerodynamische ontwerp heet de BlueLiner. De BlueLiner is een combinatie van een radicaal ander frontaal oppervlak en bestaande aerodynamische oplossingen. Hierdoor wordt een luchtweerstandvermindering van 25% verwacht. Door het toepassen van lichtgewichtmaterialen en constructietechnieken zal het ledig gewicht van het voertuig afnemen met naar schatting 3,7 ton. Een dieselhybridesysteem zal gebruikt worden voor de aandrijving van het voertuig. Zonnecellen op de oplegger zullen de batterijen voorzien van extra energie. Voor het verstrekken van de controle-, veiligheid- en informatiesystemen is de aanwezige elektronica een cruciaal aspect voor de activiteiten van het voertuig. Bovendien voorziet een combinatie van camera’s, radarsystemen en andere sensoren de chauﬀeur en het veiligheidssysteem van informatie. Het analyseren van de BlueLiner conceptstudie, met al zijn geïntegreerde innovatieve technologieën, zou een potentieel brandstofverbruik van 10l/100km kunnen opleveren, Coosemans et al. [28].

Figuur 4.15: Blueliner concept, Coosemans et al. [28].

Conclusies

Uit de eerste twee hoofdstukken van dit rapport is gebleken dat aerodynamische krachten een groot aandeel hebben in het brandstofverbruik van vrachtwagens. Aerodynamische verbeteringen aan vrachtwagens zullen een steeds groter positief eﬀect hebben op de brandstofkosten en uitstoot van schadelijke gassen. Een voorwaarde voor de aanpassingen aan de oplegger zodat deze hun gewenst eﬀect krijgen, is dat de cabine aerodynamisch gevormd is. Aangezien de weerstand afhankelijk is van de snelheid in het kwadraat, en het vermogen evenredig is met de snelheid tot de derde macht, wordt de grootste brandstofbesparing behaald bij situaties waar gedurende een lange tijd met een hoge snelheid wordt gereden. De aerodynamische aanpassingen hebben weinig nut bij stadsverkeer. De totale weerstand van een vrachtwagen bestaat voornamelijk uit drukweerstand en een klein deel uit wrijvingsweerstand. De verschillende aerodynamische hulpmiddelen voor een cabine en oplegger zijn daarom toegespitst op het verlagen van de drukweerstand. Om een voertuig met een lage aerodynamische weerstand te krijgen moet men beginnen met het toepassen van de drie vuistregels. Ten eerste moet loslating worden voorkomen door de cabinehoeken af te ronden. Ten tweede moet de hoogte van de cabine en de oplegger gelijk zijn. Dit kan eventueel worden bewerkstelligd met behulp van een dakwindgeleider. Als laatste is het belangrijk dat het gat tussen de trekker en oplegger zo klein mogelijk is, door bijvoorbeeld het toepassen van zij-fenders. Met deze drie vuistregels is er een solide basis verkregen om zo het brandstofverbruik verder terug te dringen door het toepassen van aerodynamische verbeteringen aan opleggers. In plaats van zij-fenders voor de trekker, kan de voorkant van de oplegger worden uitgerust met fairings of een aircone om zo de luchtstroom rond het voertuig te leiden bij zijwind. Een alternatief hiervoor is het vergroten van de radii van de randen van de oplegger om zo loslating te voorkomen. Een meer radicale aerodynamische aanpassing, die het gebruik van de oplegger enigszins bemoeilijkt, is het omvormen van het dak van de oplegger. Een full-scale circuittest met deze druppelvormige oplegger uitgerust met standaard zijpanelen, banden met een lagere rolweerstand, aerodynamische spatlappen en een vergrote radius van de bovenste rand aan de voorkant van de oplegger werd uitgevoerd. Hieruit kwam een brandstofbesparing van 2,6 l/100 km bij hoge windsnelheden naar voren. Numerieke simulaties gaven aan dat de onderkant van de oplegger een groot aandeel heeft in de totale luchtweerstand van de vrachtwagen. Het toepassen van een grote achterste spatlap is desastreus voor de aerodynamische weerstand en kost veel extra brandstof. 36

Een geïntegreerde achterste stootbalk zonder spatlap is daarom bevorderlijk voor de brandstofbesparing. Voor de onderkant van de oplegger werden SideWings ontworpen in de windtunnel. Deze aerodynamisch gevormde zijpanelen leveren een gemiddelde weerstandsvermindering op van 16%, wat veel meer is dan standaard zijpanelen. Full-scale circuit testen leverden een gemiddelde brandstofbesparing op van 1,5 l/100 km bij snelweg snelheden. Ook de aerodynamische spatlappen zijn op het circuit getest. Door deze spatlappen alleen achter de achterste wielen van de oplegger te monteren werd een brandstofbesparing van 0,3 l/100 km gemeten. Voor de achterkant van de oplegger zijn verscheidene weerstandsverminderende technieken ontwikkeld en getest. De standaard tail deed het beter dan de getrapte tail, de eerste bereikte een weerstandsvermindering van 40% op een zeer vereenvoudigd vrachtwagenmodel. Een open tail op een trekker-opleggercombinatiemodel resulteerde in een gemiddelde weerstandsvermindering van 12%. Full-scale testen op de openbare weg met een starre tail van 1,5 m gaven een brandstofbesparing van 1,7 l/100 km. Meer praktische testen van de starre, opvouwbare en opblaasbare tails gaven een brandstofbesparing van 1 l/100 km op het circuit. Operationele testen met de opvouwbare tail werden succesvol uitgevoerd resulterend in een besparing van 1,6 l/100km. Numerieke simulaties en windtunnelexperimenten gaven weerstandsvermindering tot wel 20% voor een vereenvoudigd vrachtwagenmodel waarbij de vanes aan de achterkant gemonteerd zijn. Full-scale circuittesten met deze vleugelvormige vanes resulteerden in een brandstofbesparing van 0,5 l/100 km. Meer onderzoek is nodig om deze techniek te verbeteren. Full-scale testen met System Drag Reduction, dat achteraan de oplegger op het dak wordt geplaatst, leverden een brandstofbesparing van 0,28 l/100 km op. Een combinatie van de SideWings aan de onderkant en de tail aan de achterkant van de oplegger lieten een weerstandsvermindering van 24% zien in de windtunnel met een trekkeropleggercombinatiemodel. Dit resultaat is bevestigd met de full-scale circuit testen. Een gemiddelde brandstofbesparing van 2,2 l/100 km werd gemeten. Met gunstige wind werd een besparing van 3 l/100 km gemeten. De vrijheid betreﬀende de vormgeving van een trekker en oplegger wordt beperkt door de wetgeving in Europa. Aerodynamische hulpmiddelen die de combinatie verlengen, zoals de boat tail, of verbreden zoals bijvoorbeeld de vanes zijn niet toegestaan. De invoering van uitzonderingen in de regelgeving met betrekking tot aerodynamische hulpmiddelen bieden nieuwe mogelijkheden om het brandstofverbruik en de uitstoot van schadelijke gassen verder te verminderen. Verdere versnelling van deze innovaties zal plaatsvinden zodra prestatiestandaardisatie en voertuiglabeling worden geïntroduceerd. Grote energiehoeveelheden kunnen bespaard worden door het gehele voertuigconcept voor langeafstandstransport te heroverwegen. Door de jaren heen zijn er verscheidene prototypes gepresenteerd waarbij de grenzen werden opgezocht van wat mogelijk is op het gebied van aerodynamisch ontwerp, lichtgewicht constructies, hybride aandrijving en IT-systemen.

Opbrengst brandstofbesparing

Met behulp van de tabel in deze bijlage is het mogelijk in één oogopslag de opbrengst van de brandstofbesparing in euro’s gerealiseerd door de toevoeging van aerodynamische hulpmiddelen te berekenen. Voor het gemak is aangenomen dat 1l diesel e1,20 kost. Figuur A.1 geeft weer hoeveel geld (in euro) bespaard kan worden op brandstof per jaar, afhankelijk van de gereden kilometers en de orde van grootte van de brandstofbesparing. Indien de brandstofbesparing niet bekend is maar enkel de weerstandsvermindering, is het mogelijk met onderstaande formule de brandstofbesparing alsnog te berekenen, ref [47]. ∆CTHDV 10

[ % ] ≈ ∆Wf [l/100km]

De verbranding van 1l diesel geeft 2,64kg CO2 . Door de besparing in ﬁguur A.1 met deze waarde te vermenigvuldigen kan men eenvoudig de daling in de jaarlijkse uitstoot van CO2 per vrachtwagen berekenen. Daling CO2 productie in kg = 2,64 x (Brandstofbesparing in euro)

39 Figuur A.1: Brandstofbesparing in euro, (e1,2 /l diesel).

SAE Type II test procedure

Brandstofbesparingen verkregen tijdens de uitgevoerde testen werden bepaald met behulp van een berekeningsmethode zoals beschreven door het SAE J1321 type II testprotocol [48]. Bij dit testprotocol wordt het brandstofverbruik van twee identieke trekkeropleggercombinaties vergeleken voordat er een aerodynamische oplossing op één van de opleggers wordt gemonteerd. Vervolgens wordt het brandstofverbruik van beide voertuigen, dit keer met aerodynamische aanpassingen aan de oplegger, weer gemeten en vergeleken. Hieruit blijkt de brandstofbesparing verkregen door het toepassen van de aerodynamische oplossingen. Beide voertuigen rijden tegelijk op het circuit met dezelfde constante snelheid. Brandstofbesparingen worden uitgedrukt in liter per 100 km. Het verschil in brandstofverbruik van beide voertuigen in ’kale’ uitvoering wordt bepaald tijdens een zogenaamd ’baseline’ segment en worden gebruikt als een basis voor verdere berekeningen. Om de nauwkeurigheid van de herhaling van de test te bepalen en de verkregen brandstofbesparingen te berekenen, worden de verhoudingen van het brandstofverbruik van beide voertuigen gebruikt. Als basis wordt de verhouding TCVV van het brandstofverbruik van het testvoertuig TV (uitgerust met aerodynamische aanpassingen) en het controlevoertuig CV (zonder aerodynamische aan( ) passingen) bepaald. Tijdens het ’baseline’ segment wordt de verhouding TCVV baseline van beide ’kale’ voertuigen bij elke test berekend. De nauwkeurigheid van dit baseline segment is het terugkerende wederzijdse verschil( van) de verhoudingen van de verschillende tests. Op dezelfde manier wordt de verhouding TCVV test bepaald voor elke test met aerodynamische aanpassingen. Om een betrouwbaar baseline segment of test segment uit te voeren mag het wederzijdse verschil van minimaal drie testen de 2% niet overschrijden. De verkregen brandstofbesparing wordt vervolgens zo berekend: (TV ) (TV ) CV baseline − CV test (TV ) pct. brandstof bespaard = CV

baseline

Elk baseline segment en test segment bestaat uit een opwarmperiode van minstens 30 minuten, gevolgd door 3 testen van 10 rondes of 20 minuten. Als de verhoudingen van het brandstofverbruik van de verschillende voertuigcombinaties tijdens het baseline segment als basis voor deze berekeningen worden gebruikt, wordt het verschil in prestaties van de voertuigen geëlimineerd. En omdat bij elke test beide voertuigen tegelijk rijden, ondervinden beide voertuigen dezelfde weersomstandigheden.

Besparingen uitgedrukt in liter per 100 km. Zoals eerder is beschreven, wordt door het verschil in brandstofverbruik Wf tussen beide voertuigen uitgedrukt in liter per 100 km, de absolute brandstofbesparing berekend. Het brandstofverbruik van het controlevoertuig CV en het testvoertuig TV worden gegeven door WfCV en WfT V . Als basis wordt het verschil tussen het brandstofverbruik van het controlevoertuig en het testvoertuig tijdens het baseline segment gebruikt: ∆Wfbaseline = WfCVbaseline − WfT Vbaseline . Bij de volgende stap wordt het verschil in brandstofverbruik tussen het controlevoertuig en testvoertuig voor elk test segment op dezelfde manier bepaald: ∆Wftest = WfCVtest − WfT Vtest . De absolute brandstofbesparing uitgedrukt in liter per 100 km en de corresponderende percentages worden dan als volgt bepaald: abs. brandstofbesparing = ∆Wftest − ∆Wfbaseline pct. brandstofbesparing =

∆Wftest WfCVtest

Referentielijst Fabrikanten van aerodynamische onderdelen [1] AB Airflow, http://www.abairflow.co.uk [2] Advanced Transit Dynamics, Inc., http://www.atdynamics.com [3] Aerovolution, http://www.aerovolution.com [4] AirFlow Deflector, http://airflowdeflector.com [5] Airman Inc., http://www.airmansystems.com [6] Airtabs, http://www.airtab.com/en/35 [7] Anderson Flaps Inc., http://www.ecoflaps.com [8] DON-BUR, http://www.donbur.co.uk [9] Ephicas SideWing, http://www.ephicas.eu [10] Freight Wing Inc., http://www.freightwing.com [11] Krone, http://www.nutzfahrzeuge.krone.de [12] Laydon Composites Ltd., http://vps.linxsmart.com/ laydonco/index.php [13] NoseCone, http://www.nosecone.com [14] SDR, http://www.sdr-sys.com [15] SOLUS Solutions and Technologies, http://www.solusinc.com [16] Veap Shield United Spoilers en Windgeleiders B.V., http://www.veap.nl [17] Spraydown Aeroguard System, http://www.spraydown.com

Referenties [18] R.C.A.G. Assen. Base drag reduction of articulated trucks by means of boat tailing. TU Delft, L&R, thesis 2007. [19] Automobile Manufacturers Association - ACEA. Commercial Vehicles and CO2 : The business of fuel economy. 2008. [20] Automotive Engineer, November 2008. [21] W. Baker and E. Paterson. Simulation of steady circulation control for the general aviation circulation control (gacc) wing. NASA-ONR Circulation Control Workshop, March 2004. [22] L.M.M. Boermans, R.A.J. van den Heijkant, G.M.R. Van Raemdonck and M.J.L. van Tooren. Aërodynamica van vrachtauto’s. Delft, november 2006. [23] F. Browand, R. McCallen and J. Ross. The aerodynamiscs of heavy vehicles II: trucks, buses, and trains. Berlijn, 2009. [24] L. Buijs. Numerical and experimental analysis on aerodynamic solutions for drag reduction on truck-trailer combinations. Master’s thesis, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering, 2010. [25] B. Campbell and R. Englar. Development of pneumatic channel wing powered-lift advanced stol aircraft. AIAA Paper, 2002-2929, 2002. [26] P. Chang. Control of flow Separation. Hemisphere Publ Corp., Washington, D.C., 1976. [27] M. Coandă. Pefectionnements aux propulseurs. Brévet d’Invention, 796843, 1936. [28] J. Coosemans, J. Nouwens, J. Telussa, M. Sitter, N. Souali, R. Koole, R. Geuns, R. ten Hooven, T. Crepain, and W. Janssen. The high effcient truck of the future: Blueliner. Design Synthesis Exercise 2011, Delft University of Technology - Faculty of Aerospace Engineering, 2011. [29] T. Corke, M. Posta, and D. Orlova. SDBD plasma enhanced aerodynamics: concepts, optimization and applications. Progress in Aerospace Science, 43:193-217, 2007. [30] R. Englar. Circulation control pneumatic aerodynamics: Blown force and moment augmentation and modification; past, present and future. AIAA Paper, 2000-2541, 2000. [31] R. Englar. Development of pneumatic aerodynamic device to improve the performance, Economics, and safety of heavy vehicles. SAE paper 2000-0102208, 2000. [32] R. Englar. Advanced aerodynamic devices to improve the performance, economics, handling and safety of heavy vehicles. SAE Paper, 2001-01-2072, 2001. [33] European Commission - Directorate-General for Energy and Transport, EU Energy and Transport in Figures, 2010. [34] European Commission - Eurostat, Panorama of transport. 2007 43

[35] Harwell, en Didcot, Truck aerodynamic styling. Oxfordshire, 2001. [36] Freight Best Practice Aerodynamics for Efficient Road Freight Operations. UK, 2007. [37] J. Freund and M. Mungal. Drag and wake modification of axisymmetric bluff bodies using coanda blowing. Journal of Aircraft, 31:572-578, 1994. [38] T. Gustavsson. Alternative approaches to rear end drag reduction. In Technical Report. KTH, Department of Aeronautical and Vehicle Engineering, 2006. [39] Hucho, W.F., Aerodynamics of road vehicles. SAE, 1998. [40] R. McCallen. DOE’s effort to reduce truck aerodynamic drag-jonit experiments and computations leas to smart design. In 34th AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, June 2004. [41] McCallen, R., The aerodynamiscs of heavy vehicles: trucks, buses, and trains. Berlijn, 2004. [42] J. Morrison and A. Qubain. Control of n aixsymmetric trubulent wake by a pulsed jet. In 12th EUROMECH European Turbulence Conference, Marburg, September 2009. [43] B. Nijhof. The effect of base bleed on road vehicle drag. Master’s thesis, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering, 1998. [44] J. Ortega, K. Salari, and B. Storms. Investigation of tractor base bleeding for heavy vehicle aerodynamic drag reduction. In Aerodynamic of Heavy Duty Vehicles II: Trucks, Busses and Trains, pages 161-178. Springer, 2008. [45] Prof. Karl Viktor Schaller, Transport efficiency - the vehicle. MAN IAA Advance Press conference, presentation, 2008. [46] L. Prandtl. Uber Flüssigkeitsbewegungen bei sehr kleiner Reibung. Verhandlg. III. Intern. Math. Kongr. Heidelberg., 1904. [47] Rose, M.J., Commercial vehicle fuel economy - The correlation between aerodynamic drag and fuel consumption of a typical truck. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 9 (1-2),Elsevier, Amsterdam,1981. [48] SAE J1321. Type II fuel consumption test. 1986. [49] A. Seifert, O. Stalnov, D. Sperber, G. Arwatz, V. Palei, S. David, I. Dayan, and I. Fono. Large trucks drag reduction using active flow control. In Aerodynamic of Heavy Duty Vehicles II: Trucks, Busses and Trains, pages 114-133. Springer, 2008. [50] R. Spivey, R. Hewitt, H. Othman, and T. Corke. Flow separation control on trailing edge radii using single dielectric barrier discharge plasma actuators: An application to vehicle drag control. In Aerodynamic of Heavy Duty Vehicles II: Trucks, Busses and Trains, pages 134-149. Springer, 2008.

[51] University of Technology Graz, Institute for Internal Combustion Engines and Thermodynamics Reduction and Testing of Greenhouse Gas Emissions from Heavy Duty Vehicles. 2012 [52] P. van Leeuwen. Computational analysis of base drag reduction using active ﬂow control. Master’s thesis, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Engineering, 2009. [53] Van Raemdonck, G.M.R., Design of Low Drag Bluﬀ Road Vehicles. Doctoral Design, Faculty of Aerospace Engineering, TU Delft, 2012 [54] Van Raemdonck, G.M.R., and van Tooren, M.J.L., Aerodynamic of Heavy Duty Vehicles II: Trucks, Buses and Trains. Springer, 2008 [55] Van Raemdonck, G.M.R., en van Tooren, M.J.L., Design of an Aerodynamic Aid for the Underbody of a Trailer within a Tractor-Trailer Combination. BBAA VI International Colloquium, Milaan, 2008. [56] Wood, R.M., Impact of Advanced Aerodynamic Technology on Transportation Energy Consumption. SAE paper 2004-01-1306, 2004. [57] Wood, R.M., en Bauer, S.X.S., Simple and low-cost aerodynamic drag reduction devices. Sae paper 2003-01-3377, 2003. [58] T. Young. Outlines of experiments and inquiries respecting sound and light. In Philosophical Transactions of the Royal Society of London, pages 106-150. The Royal Society,1800.

Websites [59] L. Colani-space truck. http://www.ultrafeel.tv/space-truck-colani/ [60] DAF, www.daf.eu [61] Diesel price March 2012, http://www.shell.nl [62] E. Durelli. Iveco Transport Concept, presentatie, http://www.iea.org/textbase/work/2007/vehicle/Durelli.pdf [63] Pictures Renault Radiance, http://j46pays.renault-trucks.com/ [64] L. Hjelm. Active ﬂow control tests on a full-scale truck and trailer combination. Workshop on Active Flow Control, www.a-les.org, 2009. [65] Lightweight Structures B.V., http://www.lightweight-structures.com/ [66] Luigi Colani and the 18-wheeler of the future, http://auto.howstuﬀworks.com/reinvent-18-wheeler1.htm [67] Mercedes Actros Truck, http://commons.wikimedia.org/ [68] Mercedes Aero trailer with Actros truck, http://www.mercedes-benz.nl [69] Mercedes EXT92, http://www.worldcarfans.com/2041231.002/page2/mercedesbenz-concept-vehicles [70] OPEC basket price, http://www.opec.org [71] RDW, Test Centrum Lelystad, http://www.rdw.nl/TCL/en/TCL/testfacilities/concavetrack/Pages/default.aspx [72] Road Transport: Big Lorry Blog, http://www.roadtransport.com/blogs/big-lorry-blog/2007/10/enter-the-xfc-futuristic -tractorbiglorryblog-goes-fast-forward-with-daf.html [73] Road Transport: Big Lorry Blog, http://www.roadtransport.com/blogs/big-lorryblog/2009/01/volvos-vision-2020-takes-biglo.html [74] Road Transport: 15% better mpg with Transport Concept, http://www.roadtransport.com/Articles/2008/01/31/129674/15-better-mpg-withtransport-concept.html [75] J. Ross. Heavy vehicle drag reduction experimental evaluation and design. Workshop on Vehilces and fuels, www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs [76] Scania, http://www.scania.com [77] Scania concept truck for 2010, foto’s, http://toolkitstatic.scania.com/millennium/archive/2001.html [78] Scania concept truck for 2010, press release, http : //w w w .scani a.com/new s/pr ess_r eleases/1999/q3/pr ess_9986.asp

Colofon PART - Platform for Aerodynamic Road Transport

www.PART20.eu

Auteurs Gandert Van Raemdonck, gandert.vanraemdonck@part20.eu Rutger Meinderts

Het gepresenteerde onderzoek is mede mogelijk gemaakt door de bijdragen van onderstaande organisaties.

Mei 2012