JAZDNÉ ODPORY A SPOTREBA PALIVA

Abstrakt: Znižovaním spotreby paliva je možné znižovať spotrebu neobnoviteľných zdrojov energie i produkciu škodlivých emisií výfukových plynov vozidiel so spaľovacími motormi. Znižovať spotrebu paliva je možné i znižovaním jazdných odporov vozidiel. V prvej časti článku sú popísané jednotlivé jazdné odpory, mechanizmy ich vzniku a ich možné dopady na spotrebu paliva. Druhá časť článku obsahuje výsledky meraní vplyvu jazdných odporov na spotrebu paliva počas prevádzky vozidla na pozemných komunikáciách.

Kľúčové slová: emisie, jazdné odpory, spotreba paliva, skleníkové plyny

JEL: R41

DRIVING RESISTANCES AND FUEL CONSUMPTION

Abstract: By a reduction of fuel consumption, it is possible to reduce the consumption of non-renewable source of energy as well as the production of harmful emissions from the exhaust gases of vehicles with combustion engines. When reducing vehicles’ driving resistances, the fuel consumption can also be reduced. The first part of the article describes particular driving resistances, mechanisms of their creation and their potential impacts on fuel consumption. The second part of the article contains the measurement results of how does the driving resistances affect the fuel consumption during vehicle operation on the roads.   

Keywords: emissions, driving resistances, fuel consumption, greenhouse gases

1 Úvod

Svetová klíma sa neustále otepľuje a medzi hlavné príčiny je radené zvyšovanie podielu CO₂ v atmosfére [1]. Množstvo  tohto skleníkového plynu narastá v dôsledku činnosti ľudstva. Ak chceme zmierniť nárast priemernej teploty, je potrebné výrazne obmedziť produkciu skleníkových plynov. Za jedného z hlavných producentov CO₂ je považovaná doprava [2]. Doprava je však nevyhnutným základom pre udržanie rozvoja spoločnosti a jej obmedzenie by znamenalo obmedziť aj rozvoj ekonomiky, prípadne až jej pokles. Ľudstvo musí hľadať riešenia, ktoré spôsobia pokles produkcie skleníkových plynov, ale zároveň výrazne neobmedzia mobilitu obyvateľstva ani prepravu tovaru. Riešenie je zakódované v technickom pokroku, ale aj v lepšej organizácii dopravy. Účelom článku je poukázať na vplyvy pôsobiace na veľkosť spotreby paliva osobných vozidiel. Osobné vozidlá majú veľký podiel z celkovo evidovaných motorových vozidiel. Skladbu evidovaných vozidiel evidovaných na Slovensku poskytuje Tabuľka 1.

Tabuľka 1 Evidované vozidlá na Slovensku k 31.8.2018 [3]

Osobné vozidlá majú menšiu spotrebu paliva a menší ročný nábeh kilometrov v porovnaní s vozidlami nákladnými, ale v celkovej spotrebe paliva a tým i produkcií emisií sú porovnateľné. Každý spotrebovaný liter benzínu znamená, že sa do ovzdušia dostane 2,5 kg CO₂, pri nafte až 2,7 kg [4]. Ak chceme znížiť produkciu CO₂, je potrebné hľadať možnosti znižovania spotreby pohonných hmôt. Tento článok je venovaný možnostiam zníženiu spotreby paliva znížením jazdných odporov vozidla.

2 Teoretické výpočty vplyvu jazdných odporov na spotrebu paliva

Motor vozidla musí pri jazde prekonávať jazdné odpory. Čím vyššie hodnoty jazdné odpory dosahujú, tým väčší výkon musí motor vozidla poskytovať a s tým rastie aj spotreba paliva [5]. Pokiaľ je vozidlo v pohybe, tak naň vždy pôsobí odpor vzduchu a odpor valenia. K týmto odporom sa pričleňuje odpor stúpania a odpor zotrvačnosti pri zmene rýchlosti.

Odpor valenia

Veľkosť odporu valenia závisí od hmotnosti vozidla a samozrejme od použitých pneumatík a starostlivosti o pneumatiky [5]. Odpor valenia je možné stanoviť na základe nasledujúcej rovnice:

• O_f je odpor valenia [N],
• m je hmotnosť vozidla [kg],
• g je gravitačné zrýchlenie [9,81 m.s^-2],
• f je súčiniteľ odporu valenia [-],
• α je sklon pojazdovej roviny [^o] [6]

Podľa smernice EÚ každá pneumatika musí byť zaradená do určitej kategórie A – G [8]. Každej kategórii je pridelený určitý rozsah súčiniteľa odporu valenia. Hodnoty súčiniteľa odporu valenia sú uvedené v Tabuľke 2.

Tabuľka 2 Súčiniteľ odporu valenia [8]

Vplyv na veľkosť odporu valenia má voľba vhodnej pneumatiky a hmotnosť vozidla. Vozenie zbytočnej záťaže spôsobuje nárast spotreby paliva. Ak motor ľubovoľne vybraného vozidla spotrebuje 300 g paliva na 1 kWh a merná hmotnosť benzínu je 0,745 kg.dm^-3 a na vozidle sú namontované pneumatiky kategórie E a priemerná hodnota súčiniteľa odporu valenia  pre pneumatiku zaradenú v tejto kategórii f = 0,0098, tak na prepravenie každých 100 kg hmotnosti nákladu alebo „mŕtvej“ hmotnosti vozidla na vzdialenosť 100 km znamená zvýšenú spotrebu o 0,0031 litrov paliva.

Vplyv voľby pneumatík na spotrebu paliva potrebného na prekonanie odporu valenia poskytuje Tabuľka 3. Pri výpočtoch je uvažované s mernou spotrebou paliva 300 g.kWh^-1. Ročný výkon vozidla 8 000 km a životnosť pneumatiky 50 000 km. Hmotnosť vozidla 1350 kg a cena za 1 liter paliva 1,374 €. Pri výpočte je uvažované so spotrebou paliva potrebnou na prekonanie odporu valenia, s ostatnými jazdnými odpormi nie je uvažované.

Tabuľka 3 Spotrebované palivo na prekonanie odporu valenia pre pneumatiky 195/65R16

Ako z Tabuľky 3 vyplýva, pneumatiky sa predávajú za rôznu cenu a dosahujú rozdielne prevádzkové vlastnosti. Pri výbere pneumatík je možné usporiť za ich životnosť až 56 litrov benzínu, čo predstavuje 140 kg CO₂. Pri aplikácii na všetky osobné vozidlá evidované v SR je to 321348,3 ton CO₂.

Vhodný výber pneumatík má vplyv aj na bezpečnosť cestnej premávky. Pri brzdení z rýchlosti 80 km.h^-1 na mokrom povrchu môže byť rozdiel v brzdnej dráhe až 18 m. 

Odpor vzduchu

Odpor vzduchu je druhý odpor jazdy, ktorý sa vždy objavuje, pokiaľ je vozidlo v pohybe. Jeho veľkosť je možné stanoviť pomocou nasledujúcej rovnice:

• ρ je merná hmotnosť vzduchu. 1,29 kg/m3 pri 0 °C a tlaku 0,101325 MPa,
• cx je súčiniteľ tvaru telesa [-],
• S je veľkosť čelnej plochy vozidla [m²],
• v je rýchlosť jazdy vozidla [m/s] [7].

Odpor vzduchu sa mení s druhou mocninou rýchlosti, ktorá jeho veľkosť ovplyvňuje výrazným spôsobom. Ak ostatné jazdné odpory vozidla ostanú nezmenené, tak zvýšenie rýchlosti jazdy z 50 km.h^-1 na 90 km.h^-1 znamená nárast odporu vzduchu 3,24 krát a pri zvýšení rýchlosti na 130 km/h sa odpor vzduchu zvýši 6,76 krát. Významný vplyv má aj zmena teploty a tlaku vzduchu. Zvýšenie teploty z 0 ^oC na 35 ^oC, znamená pokles odporu vzduchu o 11.36 %. Dôležitá je zmena súčiniteľa odporu vzduchu v dôsledku zmeny tvaru. Vplyv zmien tvaru telesa na zmenu súčiniteľa odporu vzduchu poskytuje Obr. 1.

Obr. 1 Vplyv zmeny tvaru karosérie vozidla na veľkosť súčiniteľa odporu vzduchu [9]

Odpor stúpania

Odpor stúpania sa objavuje vždy, keď sa vozilo pohybuje do stúpania. Odpor stúpania je zložka rozkladu tiaže vozidla, ktorá je rovnobežná s pojazdovou rovinou. Práca, ktorú motor vozidla vynaloží na jej prekonanie sa akumuluje vo forme nadobudnutej potenciálnej energie. Potencionálna energia sa pri jazde dolu svahom opäť premieňa na energiu využitú na prekonanie odporu valenia a zotrvačnosti za predpokladu, že vozidlo jazdí po priamej ceste a nie je potrebné spomaľovať vozidlo odľahčovacími alebo prevádzkovými brzdami. Veľkosť odporu stúpania je možné stanoviť pomocou nasledujúcej rovnice:

• m je hmotnosť vozidla [kg],
• g je gravitačné zrýchlenie [9,81 m.s^-2],
• α je sklon pojazdovej roviny [^o] [7].

Odpor zotrvačnosti

V prípade úmyslu zmeniť pohybový stav telesa je potrebné na teleso pôsobiť určitou silou, ktorej veľkosť sa určuje ako násobok jeho hmoty v kg a zrýchlenia telesa v m.s^-2. U automobilov sa však okrem priamočiareho zrýchlenia telesa uskutočňuje aj zmena uhlovej rýchlosti rotujúcich hmôt. Veľkosť odporu zotrvačnosti je možné určiť pomocou nasledujúcej rovnice:

• m je hmotnosť vozidla [kg],
• a je zrýchlenie telesa [m.s^-2] [7],

δ je súčiniteľ vplyvu rotujúcich hmôt, zohľadňujúci vplyv rotujúcich hmôt motora, spojky, prevodovky, rozvodovky, hriadeľov, brzdových kotúčov a kolies vozidla  [-]

Odpor zotrvačnosti sa mení s veľkosťou zrýchlenia a skokom so zmenou prevodového stupňa. Energia vynaložená na prekonanie odporu zotrvačnosti sa akumuluje vo forme kinetickej energie [10].

Vplyv používania klimatizácie na spotrebu paliva

Popísané jazdné odpory je možné teoreticky vypočítať, ale v reálnej premávke dochádza k zmene rýchlosti , stúpaniu a klesaniu a často aj k zmareniu kinetickej energie v brzdách vozidla, kde sa premení na energiu tepelnú. Skutočné vplyvy na spotrebu vozidla je možné určiť len meraním v reálnej premávke. Na meranie bolo použité vozidlo Suzuki SX4, 1,6 VVT. Spotreba paliva bola stanovená pomocou palubného počítača, ktorého presnosť bola overená praktickou skúškou. Vozidlo bolo používané v bežnej premávke a boli zapisované údaje o odjazdených kilometroch a údaje palubného počítača boli porovnávané na základe skutočne natankovaného množstva paliva. Údaje sú zhrnuté v Tabuľke 4.

Tabuľka 4 Overenie presnosti palubného počítača

Skutočná spotreba paliva v priebehu overovania presnosti palubného počítača sa pohybovala od + 0,21 do + 0,32 litra na 100 km. Priemerná odchýlka bola + 0,27 litra na 100 km. Táto hodnota bola používaná ako korekcia pri zisťovaní spotreby paliva.

Vplyv prevádzkových podmienok bol meraný počas jazdy po diaľničnom úseku, po regionálnej ceste. Na diaľnici bol použitý tempomat, ktorý vylúčil vplyv zmeny rýchlosti jazdy. Výsledky merania sú uvedené v Tabuľke 5. Vozidlo bolo vybavené manuálnou klimatizáciou, čo znamená, že kompresor klimatizácie dáva vždy pri zapnutej klimatizácií plný výkon a výsledná teplota v interiéry vozidla je dosahovaná primiešavaním teplého vzduchu.

Tabuľka 5 Vplyv typu cesty, otvorených okien, klimatizácie, teploty okolia a rýchlosti jazdy na spotrebu paliva

Počas jazdy s vypnutou klimatizáciou a otvoreným oknom bolo otvorené okno vodiča na 50 %. Meranie bolo uskutočnené na rovnakom úseku a po dosiahnutí požadovanej rýchlosti. Ak bolo treba meniť rýchlosť jazdy v dôsledku dopravnej situácie, meranie bolo anulované. Pri jazde po diaľnici  tak motor vozidla musel prekonávať len odpor valenia a odpor vzduchu. Odpor vzduchu sa menil s druhou mocninou rýchlosti, zatiaľ čo zmena odporu valenia bola nižšia ako lineárna. Z výsledkov meraní na diaľnici je zjavný nárast spotreby paliva s rýchlosťou jazdy. Zatiaľ čo rýchlosť narastala o 10 km.h^-1, nárast spotreby paliva bol výraznejší, a to 0,5 l, resp. 1,2 l/100 km. Zmena spotreby paliva môže súvisieť aj so zmenou otáčok motora a jeho zaťaženia, kde motor vozidla mohol pracovať v oblasti s rozdielnou mernou spotrebou paliva. Pri vypočítaní energetickej náročnosti jazdy pri zatvorených oknách a po započítaní mechanických strát motor vozidla dosahoval mernú spotrebu paliva 348,5 g.kWh^-1 pri rýchlosti 105 km.h^-1, 320,4 g.kWh^-1 pri rýchlosti 115 km.h^-1 a 330,1 g.kWh^-1 pri rýchlosti 125 km.h^-1. Pri jazde po regionálnej ceste došlo k poklesu spotreby paliva. Tento pokles súvisí s tým, že maximálna rýchlosť jazdy je obmedzená na 90 km.h^-1. Vzhľadom na zníženie rýchlosti jazdy by bolo možné očakávať vyššie zníženie spotreby paliva, ale pri jazde po regionálnej ceste už dochádzalo k zmene rýchlosti jazdy. To znamená, že okrem odporu vzduchu a valenia sa tu objavuje aj odpor zotrvačnosti.

            Pri zapnutej klimatizácii došlo k nárastu spotreby paliva. Pri jazde po diaľnici o 0,5 l.100 km^-1 a pri jazde po regionálnej ceste klimatizácia zvýšila spotrebu paliva o 0,9 l.100 km^-1. Pri klimatizácii nie je vhodné prepočítavať spotrebu na ubehnutú vzdialenosť, ale na čas prevádzky. Spotreba paliva udávaná na čas prevádzky poskytuje predstavu o spotrebe paliva bez ohľadu na to, či sa vozidlo pohybuje v mestskej premávky priemernou rýchlosťou 5 km.h^-1, alebo po diaľnici priemernou rýchlosťou 130 km.h^-1. Ak sa nárast spotreya paliva vydelí časom potrebným na ubehnutie dráhy 100 km, tak pri jazde po diaľnici nárast spotreby z dôvodu zapnutej klimatizácie je 0,435 l.hod.^-1 a pri regionálnej doprave, ak je uvažované s priemernou rýchlosťou jazdy 70 km.h^-1 je táto spotreba paliva 0,54 l.hod^-1. Z tabuľky 5 možno vidieť, že nárast spotreby paliva pri jazde s otvoreným oknom je nižší ako pri použití klimatizácie, pričom tepelná pohoda posádky je porovnateľná. Nevýhodou je zvýšená hlučnosť vo vnútri vozidla. 

Na zmenu spotreby paliva má vplyv aj teplota vzduchu.  Informácia vyplynie porovnaním spotreby paliva z Tabuľky 5, kde merania boli vykonané pri 32 ^oC a Tabuľky 6, kde boli merania uskutočnené pri teplote 15 ^oC. V prípade porovnávania spotreby paliva pri nižšej teplote sa prejavilo aj zvýšenie spotreby paliva vo všetkých režimoch jazdy. Na meranie bolo použité rovnaké vozidlo s rovnakými pneumatikami. Nárast spotreby paliva pri jazde po diaľnici predstavuje 5%, ale nárast odporu vzduchu v dôsledku vyššej mernej hmotnosti vzduchu je až 5,8 %. Rozdiel je v dôsledku toho, že pri jazde po diaľnici sa objavoval aj odpor valenia, ktorý sa s teplotou výrazne nemení. Pneumatiky boli pred meraním zohriate na prevádzkovú teplotu.

Vplyv zaťaženia vozidla na spotrebu paliva

Na rovnakých trasách, aké sú uvedené i v predchádzajúcej časti príspevku, bol meraný i vplyv zaťaženia vozidla na spotrebu paliva. Tabuľka 6 poskytuje informáciu o zmene spotreby paliva v dôsledku zvýšeného zaťaženia.

Tabuľka 6 Vplyv zmeny zaťaženia vozidla na spotrebu paliva

Ako je možné pozorovať v tabuľke 6, počas každého merania bola nameraná zvýšená spotreba paliva vplyvom zvýšenia hmotnosti vozidla. Najväčší prírastok spotreby paliva pri jazde po regionálnej ceste a pri premávke v meste je spôsobený tým, že tu sa objavuje aj odpor zotrvačnosti, lebo vozidlo menilo svoju rýchlosť jazdy. V meste dochádza k častejším zmenám rýchlosti. 

Záver

Na prekonanie jazdných odporov musí motor vozidla vynaložiť určitú prácu. Pre vynaloženie určitého množstva práce je potrebné dodať motoru určité množstvo energie, obsiahnutej v palive. Znížením jazdných odporov je možné znížiť prísun paliva a taktiež znížiť množstvo vyprodukovaných emisií. Taktiež je možné znížením jazdných odporov znížiť i náklady na nákup pohonných hmôt. Uvedené tvrdenie bolo potvrdené teoretickými výpočtami, i vykonanými meraniami. Počas opakovaní meraní uvedených v tomto článku by sa namerané hodnoty mohli líšiť. Príčinou zmeny hodnôt by mohli byť boli rozdielne atmosférické podmienky,  zmena dopravnej situácie, rozdielne stláčanie pedála akcelerátora a mnoho ďalších faktorov. Dosiahnutie rovnakých nameraných hodnôt by bolo možné iba meraním v laboratórnych podmienkach. Presnosť merania spotreby paliva palubným počítačom a v cestnej premávke nedosahuje presnosť merania palivovým prietokomerom a v laboratórnych podmienkach [11]. Napriek tomu bolo pri každom meraní preukázané, že znížením jazdných odporov sa dosahuje i zníženie spotreby paliva. 

Literatúra

1. Santos, G. Road transport and CO₂ emissions: What are the challenges?. Transport Policy, 59, pp.71-74. DOI: 10.1016/j.tranpol.2017.06.007
2. SKRÚCANÝ, T. – KENDRA, M. – KALINA, T. – JURKOVIČ, M. – VOJTEK, M. – SYNÁK, F. Environmental Comparison of Different Transport Modes. In Naše more . 2018. Vol. 65, no. 4, s. 192-196.
3. www.minv.sk
4. RIEVAJ, V. – SYNÁK, F. Does electric car produce emissions?. In Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport . 2017. Vol. 94, s. 187-197.
5. VRÁBEL, J. – STOPKA, O. – RIEVAJ, V. – ŠARKAN, B. – PRUSKOVÁ, K. – MICHALK, P., Measuring the resistance of tires for passenger vehicle against the rolling and sliding on loading area of the flatbed truck when providing the transport services. In: Communications – Scientific Letters of the University of Zilina. 2016. Vol. 18,
6. MASHADI, B. – EBRAHIMI-NEJAD, S. – ABBASPOUR, M. A rolling resistance estimate using nonlinear finite element numerical analysis of a full three-dimensional tyre model. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering . 2018. Vol. 233, no. 1, s. 147-160. .
7. SYNÁK, F. – RIEVAJ, V., The Impact of Driving Resistances of a Vehicle on Global Pollution. In Globalization and its Socio-Econimics Consequences, 2017, 17 th International Scientific Conference,
8. NARIADENIE EURÓPSKEHO PARLAMENTU A RADY (ES) č. 1222/2009 z 25. novembra 2009 o označovaní pneumatík vzhľadom na palivovú úspornosť a iné základné parametre
9. WONG, J. Y. Theory of Ground Vehicles. Department: Engineering – Mechanical, Carleton University, Ottawa, Canada. ISBN 978-0-470-17038-0
10. SKRÚCANÝ, T. – SEMANOVÁ, Š. – KENDRA, M. – FIGLUS, T. – VRÁBEL, J. Measuring of mechanical resistance of a heavy good vehicle by coastdown test. In Advances in Science and Technology Research Journal . 2018. Vol. 12, no. 2, s. 214-221. .
11. ŠARKAN, B. – STOPKA, O. Quatification of road vehicle performance parameters under laboratory conditions. In Advances in Science and Technology Research Journal . 2018. Vol. 12, no. 3, s. 16-23.

Poďakovanie

Príspevok bol pripravený za podpory grantu:

VEGA č. 1/0436/18 – Externality v cestnej doprave, vznik, príčiny a ekonomické dopady dopravných opatrení.

---

Autori:

Vladimír Rievaj ¹, Ján Gaňa ², František Synák³,

Tituly a pôsobisko autorov:

¹doc.Ing. Vladimír Rievaj, PhD., Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: vladimir.rievaj@fpedas.uniza.sk

²Ing. Ján Gaňa, Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: gana@bte.sk

³Ing. František Synák, Žilinská univerzita v Žiline, FPEDAS, Katedra cestnej a mestskej dopravy, Univerzitná 1, Žilina, 010 26, Slovenská republika, E-mail: frantisek.synak@fpedas.uniza.sk