Ekonomik sürüş bakış açısıyla sürüş karakteristiğinin ve yakıt tüketimine etkilerinin ağır vasıta araçta incelenmesi

Son yıllarda yakıt tüketimi otomotiv sektörünün başlıca merakı yakıt tüketimini daha iyi hale getirmek daha verimli araçlar ya da motorlar yapmak olmuştur. Özellikle, artan fosil yakıt fiyatları ve çevreye olan etkileri düşünüldüğünde, kaynakların da sınırlı olduğu göz önüne alındığında, otomobil üreticileri yakıt tüketimi verimliliğine daha fazla zaman ve para harcıyorlar. Bütün bunların kaçınılmaz sonucu olarak, kamyon ya da ağır ticari araç endüstrisi de ciddi şekilde etkilenmekte ve artan yakıt fiyatları baskını üzerlerinde hissetmektedir, özellikle ağır ticari araçların daha uzun kilometreler yaptıkları ve daha çok yakıt tükettikleri düşünüldüğünde. Bunun yanında otomotiv markaları sürekli daha sıkı ve sağlaması daha zorlu hale gelen emisyon regülasyonlarıyla, örneğin EU5 ve EU6 gibi, da uğraşmaktadır. Her yeni regülasyon ile motor çıktısı olan NOx ve PM (is limiti) limitleri daha da düşmektedir. Örneğin, EU6 regülasyonlarında iki farklı türde temel emisyon testi yapılmaktadır, bir tanesi sabit çalışma noktalarında koşularak yapılan bir test olup, diğeri son kullanıcı sürüş profillerini simule etmeye çalışan geçici türde koşulan bir testtir. EU6 ile birlikte NOx emisyon limitleri ciddi şekilde düşürülmüştür. Otomotiv üreticilerinin daha verimli araçlar ya da motorlar geliştirme çabalarına rağmen, sürücünün yakıt tüketimine etkisi hala oldukça önemlidir. Yakıt tüketimine sürücünün nasıl etki ettiğini kavramak açısından öncelikle aracın tüketimi matematiksel modeli oluşturulmuştur. Bu model aracın hareket denklemlerini yazmak için gerekli etkenleri içerecek şekilde oluşturulmuştur. Kuvvet denklemleri yazılıp çözüldüğünde aracın motorundan alınıp tekerlekler aracılığıyla yola iletilen kuvvet ile araç üzerine etki eden yuvarlanma, hava direnci, mekanik sürtünmeler ve varsa eğimden kaynaklı direnç kuvvetlerinin farkı aracın ivmelenmesini sağlayan net kuvveti elde etmemizi sağlayacaktır. Bu ivmenin büyüklüğünün artması, mevcut çalışma noktası için direnç kuvvetlerini azaltmak mümkün olmayacağından, motordan daha fazla kuvvet istenmesine neden olacak ve buna bağlı olarak daha fazla yakıt tüketilmesiyle sonuçlanacaktır. Agresif bir sürüş stilinin normal bir sürüşe göre yakıt tüketimi ve emisyonlar açısından çok ciddi farklar yarattığı yadsınamayacak bir gerçektir. Agresif kullanımda, normal bir binek araç düşünüldüğünde, aracın teknolojisine ve yol durumlarına da bağlı olmakla beraber, yakıt tüketimi %40'lara varan oranlarda artabilir. Karbon monoksit salınımı 8 kata kadar artabilirken, hidrokarbon salınımı 4 kata kadar, NOx emisyonu ise 1,5 katına kadar artabilmektedir. Bu artışların temel sebebi yüksek ivmelenme manevraları ve yüksek hızlardır. Aracın dinamik olarak değişken kullanılması daha fazla ivme ve hız değişimine neden olmakta ve yukarıda bahsi geçen çıktıları olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada sürücü davranışlarının yakıt tüketimine etkisini incelemek üzere yapılmıştır. Bunun için bir ağır yük kamyonu yasal limitlerinde yüklenmiştir. 3 farklı sürücü ile çalışma yapılmıştır. Sürücülerin hepsi yaklaşık olarak aynı seviyede tecrübeye sahiptir. Test rotası tamamen aynı tutularak sürücülerin birden fazla kez bu rotada gidip gelmeleri istenmiştir. Test aynı rotada koşulduğu için testten teste eğim, yükseklik ve trafik ışıkları etkisi ihmal edilmiştir. Testin yapılma saatleri, trafikten minimum etkilenecek saatler şeklinde seçilmesine özen gösterilmiştir. İlk iki sürücü aynı rotayı ikişer kez koşmuştur. Maalesef üçüncü sürücü ile ikinci kez sürüş gerçekleştirilememiştir. Testler farklı günlerde yapılmıştır. Test rotasının uzunluğu yaklaşık 94km olup, yaklaşık %22'lik kısmı şehir içi ya da diğer bir deyişle ortalama araç hızı 50km/h'nin altındadır ve birkaç tane trafik ışığına rastlanılmaktadır. Geriye kalan %78'lik kısmı otoyol şeklindedir yani ortalama araç hızı 50km/h'nin üzerindedir. Yolun yükseklik profili gidiş ve dönüş yönlerinden neredeyse aynıdır. Bu nedenle gidiş ve dönüşte alınan data aynı varsayılmış ve bir sefer olarak nitelendirilmiştir. Sürücülerin normal sürüş stillerini gözlemleyebilmek ve onları şartlamamak adına, yapılan çalışmayla ilgili bilgilendirilmemiştir. Geliştirilen bir kod ile sürücünün her hareketi algılanmış ve kategorize edilmiştir. Bu çalışmayı gerçekleştirmek için gerekli girdiler araç hızı, ivme değeri, tüketilen yakıt miktarı, gaz pedal pozisyonu, fren pedal konumu, debriyaj pedal konumudur. Bütün data toplama işlemi motorun kontrol ünitesi üzerinden ETAS ürünleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bunlar haricinde, çalışmaya girdi olacak diğer değerler ise, örneğin gaz pedalı pozisyonu standart sapması, ortalama araç hızı, test süresi, ortalama yakıt tüketimi gibi değerler, Matlab üzerinde geliştirilen data işleme programları aracılığıyla elde edilmişlerdir. Bütün karşılaştırma ya da kıyaslama işlemleri yapılırken üzerinde çalışılan girdinin istenin sonuçla ya da çıktıyla ilişkili olup olmadığını anlamak için Pearson korelasyon katsayı kullanılmıştır. Pearson korelasyon katsayısı iki değişkenin kovaryansının standart saplarının çarpımlarına bölünmesiyle elde edilmektedir. İşleme sokulan iki değişken arasında lineer bir bağıntı olup olmadığını göstermektedir. Pearson korelasyon katsayısı -1 ile 1 arasında bir değer çıkmaktadır. Sonucun -1 çıkması işleme sokulan iki değişkenin aralarında negatif yönlü tam bir lineer bağıntının olduğunu gösterir. Sonusun +1 çıkması, işleme sokulan iki değişken arasında pozitif yönde tam bir lineer bağıntının olduğunu gösterirken, sonucun 0 çıkması iki değişken arasında lineer bir bağıntının olmadığını göstermektedir. Bu çalışmada incelenen bütün alt kriterler, örneğin ivmelenme süresi, yavaşlama esnasındaki kinetik enerji değişimi ya da kaybı, frenleme sayısı ya da frenleme süresi gibi, esas karşılaştırma kriteri olan yakıt tüketimi ve yakıt tüketimi ile birlikte test süresini de hesaba katan bir katsayı arasındaki korelasyona bakılarak incelenmiştir. Eğer korelasyon katsayısı -1 ya da 1'e yakın ise, bu ilgili alt kriter ile esas değerlendirme ya da karşılaştırma kriteri arasında lineer bir bağıntı olduğunu göstermektedir ve bu alt kriterler sürücü puanını oluşturmakta kullanılacaktır. Eğer korelasyon katsayıları -1 ya da 1'e yeterince yakın değilse, ilgili alt kriter ile karşılaştırma kriteri arasında lineer bir bağıntı bulunamadı demektir ve bu alt kriterler sürücü puan hesabına katılmayacaklardır. Bu çalışmanın temelde amacı yakıt tüketimi ile herhangi bir sürücü davranışının arasındaki ilişkiyi anlamaya çalışmaktır. Ancak bu ağır vasıta araçlar için tek başına yeterli olmayacaktır çünkü amacı ticari olarak yük ya da ürün taşımak olan ağır vasıta araçlarının taşıdıkları yükleri ya da ürünleri zamanında teslim edebilmesi de yakıt tüketimi kadar önemli bir unsurdur. Başka bir deyişle yavaş gidiyor olmak ağır vasıta bir araç için yakıt tüketimini azaltabilir ancak teslimatın gecikmesi sonucun başarısız olması demek olacaktır. Bu nedenle, yakıt tüketimine ek olarak teslimat zamanını da hesaba katan bir değişken tanımlanması gerekmektedir. Bunun neticesinde Maisonneuve'nin 2013'te yaptığı çalışmada kullandığı gibi, ekonomi katsayısı adında bir terim yaratılmıştır ve bu terim ortalama araç hızının ortalama yakıt tüketimine bölünmesiyle elde edilmektedir. İvmelenme fiziksel olarak hızın birim zamandaki değişimi olarak tanımlanmaktadır. Değerlendirme kriteri olarak ivmelenme ise araç hızının sürücü tarafından bilinçli olarak değiştirilmesi durumunu tanımlamak için kullanılacaktır. Başka bir deyişle ivmelenme sürücünün gaz pedalına basmasıyla başlar ve pedalı bırakmasıyla biter. Sürücünün ivmelenme hareketi özelinde ekonomik sürüş puanlaması hakkında yorum yapabilmek için, ivmelenme hareketinin karakteristiğini belirleyen alt kriterlere ihtiyaç bulunmaktadır. Aşağıda listelenen alt kriterler bütün bir sürüş datası boyunca değerlendirilecek ve ekonomik sürüş özellikleriyle bağıntılı olup olmadıkları belirlenecektir. - İvmelenme sayısı - İvmelenme süresi - Toplam ortalama ivme değeri - Ortalama gaz pedalı pozisyonu - Gaz pedal pozisyonunun standart sapması Tüm bu alt kriterlerin değerlendirmesiyle ilgili datalar ilgili bölümde detaylı bir şekilde gösterilmektedir. Bir diğer ana kriter ise İngilizce "anticipation" kelimesiyle ifade edilen -bu tez içerisinde Türkçe karşılığı olarak "öngörme" ifadesi kullanılacaktır- ana kriterdir. Öngörme önündeki trafiği izleyip araç hızlanma ve yavaşlama durumunu trafik akışına uygun şekilde düzenlemektir. Burada amaç önde aracı durdurmayı gerektirecek bir durum olduğunda, olay mahallinden önce gaz pedalını bırakıp aracın kendi direnç kuvvetleri etkisiyle yavaşlamasını sağlayarak durmak ve hatta mümkün oluyorsa durmadan yalnızca yavaşlayarak hareketi devam ettirmektir. Literatüre göre, ekonomik sürüş karakteristiği olarak öngörme ise aracın gaz pedalı bırakıldıktan sonra fren pedalına basılıncaya kadar geçen süre ve bu sürede gerçekleşen enerji değişimini ifade etmektedir. Ancak bu tanımlama doğru olmakla birlikte, bir miktar daha geliştirilmelidir. Örnek vermek gerekirse, bir sürücü kırmızı ışığa yaklaşırken gaz pedalını bırakıp freni de kullanmadan ışıklara yaklaşıp, ışığın yeşile dönmesiyle hiç durmadan devam edebilir. Bu hareket de bir öngörme hareketidir ve bu nedenle tanım genişletilmiştir. Netice olarak bu çalışmada öngörme gaz pedalının bırakılmasıyla başlar, fren pedalına basıldığında ya da yeniden gaz pedalına basıldığında sona erer. Öngörme, bahsedildiği üzere temel hareketlerden biridir ve ekonomik sürüş karakteristiği sergileme noktasında büyük öneme sahiptir. İyi bir öngörme davranışı iyi yakıt tüketimi sonuçları sağlayacaktır. Bu çalışmada kullanılan kodlama araçları öngörmeyi tespit etmek için sürücünün gaz pedalını bıraktığı an ile fren pedalına basılması veya gaz pedalına basılması veya debriyaj pedalına basılması durumları arasındaki olayları öngörme olarak değerlendirmektedir. Netice olarak öngörme hareketinin de karakteristiğini tanımlamaya yardımcı olarak alt kriterler vardır ve bunlar aşağıda listelenmiştir. - Toplam öngörme sayısı - Öngörme süresi - Ortalama öngörme başlangıç hızları - Ortalama öngörme bitiş hızları - Öngörme boyunca kinetik enerji değişimi Yukarıda listelenen kriterlerin her biri ekonomik sürüş ile bağıntılı olup olmadığı incelenmiş ve ilgili bölümde detaylı sonuçlar paylaşılmıştır. En son olarak frenleme manevrası üzerinde çalışma yapılmıştır. Frenleme, esasen tek başına yakıt tüketimini etkileyen bir hareket değildir çünkü frenleme esnasında yakıt tüketimi olmamaktadır. Ancak bir rota çevriminde frenlemenin nasıl yapıldığı çevrimin ortalama yakıt tüketimi değerlerini etkileyecektir. Bunun yanında sürücünün sürüş karakteristiği hakkında da bilgi verecektir. Bu nedenlerle bu çalışmanın kapsamına alınmıştır. Frenleme hareketinin de alt kriterleri aşağıdaki gibi belirlenmiş ve üzerlerinde çalışılmıştır. - Frenleme sayısı - Ortalama frenleme süresi - Ortalama frenleme başlangıç hızları - Ortalama frenleme bitiş hızları - Frenleme esnasında gerçekleşen kinetik enerji değişimi Genel olarak bir sürücünün normal bir sürüş esnasında yapabileceği hareketler, bunlar ivmelenme, yavaşlama ya da frenleme ve öngörme, bu çalışma kapmasında incelenmiştir. Çalışmanın asıl amacı sürüş karakteristiğini sayısal değerlerle ifade ederek bir diğeri ile karşılaştırılabilir hale getirmektir. Kullanılan araçtan ve şartlardan bağımsız olarak yakıt tüketiminin iyileştirilmesi problemi her geçen gün önemini daha da artırmaktadır. Özellikle ticari bir araç söz konusu ise yakıt tüketimini iyileştirmenin yanında zamanında teslimatlar yapmak da büyük önem arz edecektir. Araç üreticileri motor teknolojilerini geliştirmeye devam etse de araç aerodinamiklerini iyileştirseler de sürücü yakıt tüketimi konusunda hala önemli bir parametre olmaya devam edecektir. Agresif sürüş stilleri yalnızca yakıt tüketimini kötüleştirmekle kalmayıp, aracın bakım ihtiyacı frekansını da artıracak ve sarf malzemelerin, fren balataları gibi, daha çabuk aşınmasına neden olacaktır.