Réduction de la trainée des véhicules lourds – Résultats d’essais en soufflerie

Sommaire

Au moyen de son programme écoTECHNOLOGIE pour véhicules, Transports Canada a demandé au Conseil national de recherches du Canada (CNRC) d'étudier les améliorations aérodynamiques possibles des véhicules lourds grâce aux technologies de réduction de la traînée actuelles et émergentes, et ce, afin de guider la mise en œuvre et la réglementation des technologies dans l'industrie du transport canadienne à l'avenir. Une série d'essais en soufflerie ont été effectués dans la soufflerie de 9 m du CNRC pour évaluer le rendement aérodynamique de différents concepts de réduction de la traînée, notamment les concepts visant les remorques, en utilisant un modèle à échelle 30 % des ensembles tracteur-remorque modernes. La Division des Transports d’Environnement Canada fait partie des intervenants du projet.

Il a été décidé d'utiliser une soufflerie pour le projet parce qu'elle peut fournir une mesure précise des différences aérodynamiques entre les configurations de véhicule. Les progrès dans les techniques d'essai mises au point pour le projet ont amélioré la précision des résultats, ce qui fait qu'elles reflètent mieux le rendement d'un ensemble tracteur remorque dans des conditions réelles. Ces progrès ont été incorporés dans un modèle modulaire qui peut représenter différentes configurations de tracteur (cabine couchette et cabine de jour avec plusieurs carénages de toit pour chaque cabine) et de configurations de semi-remorque (semi remorque fourgon de 40 pi, semi remorque fourgon de 53 pi, semi-remorque fourgon à demi hauteur de 53 pi, remorque à plateau de 53 pi avec différentes configurations de fret, ensemble routier de 28 pi en tandem). Le modèle comporte des roues libres et est relié à une simulation d'effet de sol approprié composé d'un système d'aspiration de la couche limite et d'un plan de sol mobile. Une traînée de refroidissement est simulée au moyen d'un compartiment moteur dans lequel le débit est proportionnel à celui d'un véritable véhicule. L'échelle de 30 % du modèle est suffisamment petite pour réduire au minimum les effets d'interférence des murs dans la soufflerie, même pour l'équivalent d'une semi-remorque de 53 pi, mais elle est suffisamment grande pour reproduire le rendement aérodynamique d'un véhicule à échelle réelle grâce à une mise à l'échelle utilisant un nombre de Reynolds. En plus du modèle, un nouveau système de turbulence a été incorporé à la soufflerie de 9 m du CNRC, et il fournit une représentation des turbulences dans le vent sur la route. Tous ces progrès créent les mouvements relatifs appropriés entre le véhicule, le sol et le vent.

Le programme d'essai global décrit ci-dessous comprend des sous-études distinctes qui traitent des techniques de réduction de la traînée pour diverses régions du véhicule ou pour différents types de véhicule. Pour chaque configuration de véhicule mise à l'essai, les coefficients de traînée aérodynamique de soufflerie ont été utilisés pour calculer un coefficient de traînée moyenné selon le vent qui représente une moyenne à long terme du rendement aérodynamique dans des conditions de vent courantes en Amérique du Nord, et ce coefficient a été utilisé pour estimer les économies de carburant et les réductions des gaz à effet de serre en fonction des distances de conduite habituelles au Canada. Le tableau de la page suivante résume les principaux résultats de l'étude et indique les économies de carburant et les réductions des gaz à effet de serre estimées pour chaque configuration mise à l'essai.

† estimation pour 125 000±35 000 km/tracteur/année @ 100 km/h

Le présent effort visait surtout la réduction de la traînée aérodynamique associée aux semi remorques fourgons, et plusieurs régions d'un ensemble tracteur-remorque ont été ciblées au moyen de différentes technologies de réduction de la traînée. Pour l'étude, le modèle de véhicule représentait un tracteur aérodynamique moderne avec une semi-remorque fourgon de 53 pi. Les techniques de réduction de la traînée mises à l'essai ne représentent pas des produits commerciaux en particuliers, même si certains d'entre elles ont été conçues pour réduire la traînée d'une manière semblable à celle utilisée par des technologies offertes sur le marché.

L'écart entre le tracteur et la remorque est un endroit où l'air peut circuler et est une source importante de traînée pour un ensemble tracteur-remorque. Beaucoup de tracteurs modernes sont équipés d'extensions latérales qui réduisent l'écart entre le tracteur et la remorque, ce qui permet de réduire la consommation en carburant, mais des contraintes opérationnelles peuvent empêcher la réalisation de ces économies. Pour mieux comprendre la relation entre la traînée du véhicule et la largeur de l'écart, des mesures ont été prises pour plusieurs largeurs d'écart et on a constaté que la traînée moyennée en fonction du vent diminuait de 2,6 % pour chaque pied de réduction de l'écart (8,5 % par mètre). Une réduction de l'écart de un pied, ce qui pourrait être faisable sur le plan opérationnel pour de nombreux véhicules sur la route, équivaudrait à une réduction de la consommation de carburant de 800 litres par tracteur par année, et à une réduction des émissions de CO₂ de 2100 kg par tracteur par année. Une sellette d'attelage active peut offrir ces avantages à une vitesse d'autoroute sans avoir d'effet négatif sur les manœuvres et les opérations à basse vitesse. Une autre technique de réduction de la traînée liée à l'écart tracteur-remorque consiste à introduire un dispositif qui empêche l'air de circuler dans l'espace libre de l'écart. Parmi les concepts mis à l'essai, un important carénage de remorque s'est montré le plus avantageux avec des réductions de la traînée de 2 % pour la variante de tracteur avec cabine couchette variant mise à l'essai, et 5 % pour la variante avec cabine de jour, ce qui permet d'économiser respectivement 600 et 1600 litres de carburant par tracteur par année. La réduction de l'écart et l'ajout d'un carénage de remorque peuvent permettre d'économiser plus de 2000 litres de carburant par tracteur par année et de réaliser des réductions d'émission de gaz à effet de serre de plus de 4000 kg de CO₂ par tracteur par année.

Comme son utilisation répandue sur les autoroutes nord-américaines l'indique, les jupes latérales offrent la plus grande réduction de la traînée parmi les concepts relatifs au sous châssis de la remorque mis à l'essai. En redirigeant le vent autour de la remorque, les jupes latérales empêchent l'air à grand mouvement d'être entraîné dans la région du sous châssis et d'entrer en contact avec le bogie de la remorque. Des réductions de la trainée de 10 % ont été mesurées pour différentes configurations de jupe latérale avec un bogie à deux essieux, et le prolongement de la jupe pour recouvrir les roues de la remorque a offert un autre avantage, de sorte qu'il est possible d'économiser plus de 3000 litres de carburant par tracteur par année. Une réduction encore plus importante de la traînée a été mesurée pour les jupes latérales utilisées sur une configuration de bogie à trois essieux; des économies de près de 4000 litres de carburant et des réductions des émissions de CO₂ 10 000 kg par tracteur par année sont possibles.

Plusieurs concepts de rétreint ont été mis à l'essai pour examiner l'effet d'un panneau inférieur, l'effet de la longueur et le potentiel relatif des rétreints gonflables. Les résultats des essais étaient semblables pour tous les concepts; ce sont les configurations à quatre panneaux qui ont présenté le plus grand avantage (6 à 7 % de réduction de traînée) et ont permis d'économiser 1900 litres de carburant et de réduire les émissions de CO₂ de 5000 kg de par tracteur par année. Les concepts de rétreint court (2 pi à l'échelle réelle) et long (4 pi à l'échelle réelle) ont montré le même degré de réduction de la traînée. La dépose du panneau inférieur et la réduction de la surface des panneaux latéraux n'a occasionné qu'une petite diminution du rendement (5 à 6 % de réduction de la traînée), ce qui permet d'appuyer l'hypothèse voulant que ce soit la manière par laquelle le panneau supérieur guide l'air vers le sol qui est le facteur dominant du rendement d'un rétreint. D'autres études ont montré que les rétreints sont aussi efficaces que les jupes latérales et permettent de réduire la traînée de 10 %. Le décalage vertical du panneau supérieur mis à l'essai dans le cadre de cette étude (3 po à l'échelle réelle), posé de manière à laisser de l'espace pour des feux au bord supérieur de la base de la remorque, peut expliquer pourquoi les concepts de rétreint mis à l'essai dans l'étude n'ont pas permis de réaliser le même ordre de réduction de traînée constaté pour d'autres concepts de rétreint semblables. Cela constitue un défi pour la mise au point de rétreints efficaces dans des situations réelles.

La présente étude visait à évaluer les manières de réduire la traînée liée aux semi-remorques fourgon sans modifier la capacité de fret. Afin de modifier la forme du toit tout en réduisant au minimum l'effet sur le volume alloué au fret, les 6 pouces supérieurs de la remorque ont été modifiés de trois façons : l'arrondissement du bord avant, l'arrondissement des bords latéraux et l'évasement du bord arrière. L'évasement arrière était la plus avantageuse des trois mesures, mais le toit profilé combiné permettait de réduire la traînée de 3,5 %, ce qui représente une économie de 1000 litres de carburant et une réduction des émissions de CO₂ de 2600 kg par tracteur par année.

Parmi les différentes technologies mises à l'essai, certaines ne présentaient pas de réduction de la traînée mesurable et certaines présentaient une augmentation de la traînée. Un joint partiel sur la partie avant de la remorque et une cabine couchette avec un écart de 36 pouces entre le tracteur et la remorque n'ont donné lieu à aucune réduction significative de la traînée moyennée en fonction du vent. La dépose de la béquille, le lissage du sous-châssis de la remorque et l'ajout d'un carénage diffuseur de sous-châssis ont tous entraîné une petite augmentation de la traînée moyennée en fonction du vent. Pour ces essais, il a été constaté qu'en réduisant la résistance à l'écoulement dans la région du sous-châssis, un plus grand débit est créé dans cette région, ce qui augmente la traînée du bogie de la remorque. Des générateurs de tourbillons posés sur le toit ont également entraîné une augmentation de la traînée moyennée en fonction du vent. Ces différents concepts au mauvais rendement ne représentent pas des produits commerciaux précis et les conceptions utilisées n'ont pas été optimisées. Ces résultats n'indiquent pas que ces concepts ne fonctionnent pas, mais plutôt que ces concepts ont un potentiel d'économie de carburant beaucoup plus bas que les technologies au bon rendement et qu'ils doivent être soigneusement optimisés.

Les techniques les plus performantes pour chaque région de la semi-remorque fourgon ont été utilisées conjointement pour examiner les effets de la combinaison des diverses technologies, et des combinaisons semblables ont été utilisées conjointement avec les variantes de cabine de jour et de cabine couchette. Des réductions de la traînée importantes allant jusqu'à 29 % ont été constatées pour certaines combinaisons. Des économies de carburant de plus de 8000 litres par tracteur par année devraient être possibles pour certaines combinaisons (plus de 10 000 $ par année au prix actuel du diésel). Des réductions plus importantes ont été constatées pour le tracteur avec cabine de jour que pour le tracteur avec cabine couchette. Ces réductions ont été attribuées au fait que la cabine couchette dirige le vent sur la région de l'écart d'une façon plus calme en raison de sa longueur, ce qui fait en sorte que les dispositifs dans la région de l'écart sont moins avantageux. Il a notamment été constaté que les jupes latérales et les rétreints ont une interaction mutuellement avantageuse qui permet d'obtenir une réduction de la traînée plus importante que la somme de leur réduction de la traînée individuelle. Une réduction de la traînée additionnelle de 3 % a été constatée dans la présente étude lorsque les jupes latérales étendues et les rétreints étaient utilisés conjointement. Il a été déterminé que cette interaction pourrait être à l'origine des écarts de rendement signalées dans les études portant sur les jupes latérales et les rétreints lorsque ces deux dispositifs sont mis à l'essai conjointement par rapport à individuellement.

En plus de se pencher sur la semi-remorque fourgon de 53 pi de hauteur normale, le présent projet a porté sur d'autres types de remorques, y compris une remorque à plateau de 53 pi avec différentes configurations de fret, un ensemble routier de 28 pi, et une semi-remorque fourgon de 53 pi à demi-hauteur. Cette orientation a été choisie pour déterminer les mesures d'économie de carburant pouvant être utilisées pour une plus grande proportion de combinaisons de tracteur-remorque sur la route. Différentes configurations de toit de tracteur ont également été mises à l'essai pour certaines configurations de remorque afin de déterminer le bon jumelage de tracteur et de remorque.

Les jupes latérales étaient avantageuses pour les configurations de remorque à plateau mises à l'essai, mais l'importance des réductions de la traînée était variable (5 à 8 %). Il a été montré qu'un toit de tracteur de mi-hauteur est avantageux pour toutes les configurations de remorque à plateau, même celles pour un ensemble de boîtes imposantes dont la hauteur maximale est équivalente à celle d'une semi-remorque fourgon de hauteur normale.

Dans le cas de l'ensemble routier de 28 pi, qui a été utilisé pour représenter un ensemble routier long ( ERL ), la réduction de l'écart remorque-remorque de 5 pi à 3 pi était le plus avantageux, mais l'ajout d'un carénage de remorque ou d'un joint complet de plaque dans l'écart remorque-remorque ont permis de réaliser des réductions mesurables de la traînée. Des réductions de la traînée de la même importance n'ont pas été réalisées lorsque des jupes latérales, des rétreints à la base de la remorque arrière et un carénage de l'avant de la remorque avant ont été utilisés. Une réduction de la traînée de 25 % a été mesurée pour le traitement aérodynamique complet de la configuration  ERL .

Le jumelage aérodynamique du tracteur et de la remorque a été examiné en mettant à l'essai différentes configurations de tracteur-toit avec diverses remorques. La constatation la plus intéressante était que l'augmentation de la traînée découlant de l'ajout d'un carénage de toit de pleine hauteur à une configuration de tracteur bas et remorque basse est aussi importante que l'augmentation de la traînée découlant de la dépose du carénage d'une configuration de tracteur haut et remorque haute. Les mauvais jumelages de configuration peuvent entraîner une augmentation du carburant utilisé jusqu'à plus de 5000 libres et une augmentation des émissions de CO₂ de 14 000 kg par tracteur par année.

La présente étude vise à présenter des résultats qui peuvent aider les organismes de réglementation et l'industrie du transport au Canada à trouver des mesures efficaces pour réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre découlant du transport de marchandises sur les routes canadiennes grâce à des dispositifs aérodynamiques. Des descriptions de l'effet des technologies sur l'écoulement de l'air autour des véhicules lourds pourraient également être utiles pour les concepteurs de technologie, notamment les constructeurs de remorque qui ont l'occasion de concevoir des remorques de haute efficacité pour les véhicules lourds de la prochaine génération.

Le rapport complet peut être consulté à l'adresse: http://nparc.cisti-icist.nrc-cnrc.gc.ca/npsi/ctrl?action=shwart&index=an&req=21275397〈=en