کاهش مصرف سوخت و انتشار اکسیدهای نیتروژن از طریق چیدمان کامیون‌ها با فاصله زیاد

برای فراهم کردن امکان جابجایی ایمن و کارآمد کامیون‌ها در جاده‌های عمومی با زمین‌های تپه‌ای، این مطالعه با استفاده از داده‌های کامیون‌های واقعی از آزمایش‌های جابجایی جاده‌ای، یک کنترل‌کننده نوآورانه توسعه می‌دهد. کنترل‌کننده طراحی‌شده، فاصله ایمن را حفظ می‌کند و همزمان در مصرف سوخت صرفه‌جویی کرده و انتشار اکسیدهای نیتروژن (NOx) از لوله اگزوز را به حداقل می‌رساند. یک گروه دو کامیونی که این کنترل‌کننده را پیاده‌سازی می‌کنند، با استفاده از مدل‌های معتبر مبتنی بر داده‌های تجربی شبیه‌سازی شده است. نتایج نشان می‌دهد که کنترل‌کننده توسعه‌یافته به طور مؤثر خطاهای فاصله‌گذاری را در یک بافر ایمنی از پیش تعیین‌شده محدود می‌کند. حتی در فواصل زمانی بیش از 2 ثانیه، کامیون پیرو تا 23.2٪ کاهش در انتشار NOx و 6.6٪ صرفه‌جویی در سوخت را در چرخه رانندگی بزرگراه 2 آلبرتا با شیب‌های مختلف جاده به دست می‌آورد. این مزایا ناشی از سرکوب نوسانات سریع گشتاور موتور و به حداقل رساندن کاهش سرعت‌ها و شتاب‌های غیرضروری است. این مطالعه امکان‌سنجی جابجایی کامیون‌ها با فاصله زیاد در شرایط واقعی را برجسته می‌کند و ایمنی را در عین بهینه‌سازی مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای تضمین می‌کند.

مقدمه

صنعت کامیون‌داری ستون حیاتی سیستم حمل و نقل بار آمریکای شمالی است، جایی که 60 درصد از تجارت ایالات متحده و کانادا و 72 درصد از تجارت ایالات متحده و مکزیک توسط کامیون‌ها حمل می‌شود (دفتر آمار حمل و نقل، 2024). موتورهای دیزلی بر بخش کامیون‌های سنگین تسلط دارند و 97 درصد از کامیون‌های کلاس 8 را به حرکت در می‌آورند و سالانه تقریباً 39 میلیارد گالن سوخت دیزل مصرف می‌کنند (انجمن فناوری موتور، 2023). بنابراین، کاهش مصرف سوخت (انتشار CO2) برای پایداری زیست‌محیطی و صرفه‌جویی در هزینه در این بخش ضروری است. استفاده از وسایل نقلیه ترکیبی بلند (LCV)، که در آن یک تراکتور چندین تریلر را می‌کشد، بهبود قابل توجهی در صرفه‌جویی در سوخت نشان می‌دهد. در مقایسه با دو وسیله نقلیه تک تریلر که به طور مستقل کار می‌کنند، صرفه‌جویی در سوخت LCVها به 28 درصد رسیده است (مک‌آلیف و همکاران، 2018). با این حال، LCVها با چندین محدودیت عملیاتی مواجه هستند. آنها به مسیرهای خاص محدود می‌شوند، محدودیت‌های سرعت و بار کمتری دارند و در شرایط نامساعد آب و هوایی مجاز به کار نیستند. علاوه بر این، در برخی مناطق، خودروهای سبک شهری باید فاصله نسبتاً زیادی از سایر وسایل نقلیه، از 150 تا 1000 متر، حفظ کنند (وود و رگر، 2017). به دلیل این شرایط عملیاتی سختگیرانه، خودروهای سبک شهری فقط در برخی حوزه‌های قضایی مجاز به استفاده هستند. به لطف توسعه روزافزون فناوری‌های خودروهای متصل و خودکار (CAV)، حمل و نقل گروهی کامیون‌ها – که در آن دو یا چند کامیون به صورت “الکترونیکی” به هم متصل شده و با هم سفر می‌کنند – به عنوان یک جایگزین امیدوارکننده برای صرفه‌جویی در سوخت ظهور کرده است. این شیوه حمل و نقل بار نه تنها حمل و نقل انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد، بلکه با استفاده از فناوری‌های ارتباط خودرو با خودرو، عملیات ایمن را نیز افزایش می‌دهد (یین و همکاران، 2023). در نتیجه، حمل و نقل گروهی کامیون‌ها مورد توجه تحقیقات قابل توجهی قرار گرفته است.

صرفه‌جویی در مصرف سوخت کامیون‌های گروه‌بندی‌شده با عوامل مختلفی از جمله وزن کامیون‌ها، پیکربندی خودرو، تعداد کامیون‌های گروه‌بندی‌شده، فواصل جداسازی و هماهنگی بین کامیون‌ها مرتبط است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. لامرت و همکارانش تأثیر وزن کامیون بر مصرف سوخت در طول گروه‌بندی را بررسی کردند و نتایج آزمایش نشان داد که وزن ناخالص خودرو (GVW) 65000 پوند در مقایسه با GVW 80000 پوند با سرعت 105 کیلومتر در ساعت با فاصله 15 متر، 2.5٪ صرفه‌جویی سوخت اضافی دارد (لامرت و همکاران، 2014). روند مشابهی در پروژه سیستم حمل و نقل هوشمند انرژی گزارش شده است، که در آن کامیون‌های بارگیری‌شده در یک گروه، در مقایسه با کامیون‌های دارای تریلر خالی با سرعت 80 کیلومتر در ساعت با فاصله 10 متر، 5٪ کاهش در صرفه‌جویی سوخت را تجربه کردند (تسوگاوا و همکاران، 2016). دلیل این امر این است که کامیون سنگین‌تر برای غلبه بر مقاومت غلتشی اضافی و نیروهای گرانشی به گشتاور موتور بالاتری نیاز دارد. علاوه بر این، افزایش بار باعث می‌شود که شتاب‌گیری و کاهش سرعت، انرژی‌برتر شوند و اثربخشی رانندگی هماهنگ را کاهش دهند. این یافته‌ها نقش حیاتی بار خودرو را در تأثیرگذاری بر نیروهای مقاوم و پاسخ سیستم انتقال قدرت برجسته می‌کند و بر اهمیت ادغام هماهنگی آگاه از سیستم انتقال قدرت در طراحی سیستم‌های کنترل دسته برای به حداکثر رساندن راندمان سوخت در شرایط بار متغیر تأکید می‌کند. پیکربندی تریلرهای تراکتور نیز بر صرفه‌جویی در مصرف سوخت دسته تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، کامیون‌های مجهز به تجهیزات آیرودینامیکی دامن‌های جانبی و دم‌های قایقی در مقایسه با کامیون‌هایی که از تریلرهای استاندارد استفاده می‌کنند، 2٪ افزایش در صرفه‌جویی در مصرف سوخت داشته‌اند (مک‌آلیف و همکاران، 2020). اکثر آزمایش‌های دسته‌بندی کامیون تا به امروز، دسته‌های دو کامیونی را در نظر گرفته‌اند، اگرچه دسته‌هایی با سه یا بیشتر کامیون در چند پروژه نشان داده شده‌اند. مشخص شد که گروه با اندازه بیش از سه کامیون، صرفه‌جویی خالص سوخت بیشتری نسبت به گروه دو کامیونی به دست می‌آورد، اما تفاوت در صرفه‌جویی سوخت در فواصل جداسازی بیشتر کاهش می‌یابد (یانگ و همکاران، 2025).

تمرکز اصلی فعلی بر صرفه‌جویی در مصرف سوخت برای حرکت گروهی کامیون‌ها، بر فواصل جدایی (فاصله‌های زمانی) بین کامیون‌ها است. وقتی کامیون‌ها در یک فاصله مشخص با هم حرکت می‌کنند، کامیون‌های پیرو، نیروی پسای آیرودینامیکی کمتری را تجربه می‌کنند که به صرفه‌جویی در مصرف سوخت کمک می‌کند. با کاهش فواصل جدایی، صرفه‌جویی در مصرف سوخت کامیون‌های گروه معمولاً افزایش می‌یابد. در آزمایش‌های حرکت گروهی کامیون‌ها که توسط مک‌اولیف و همکارانش انجام شد، صرفه‌جویی در مصرف سوخت ۱۳٪ در فاصله جدایی ۴ متر (فاصله زمانی ۰.۱۴ ثانیه با سرعت ۱۰۵ کیلومتر در ساعت) مشاهده شد، در حالی که در فاصله جدایی بزرگتر ۸۷ متر (فاصله زمانی ۳ ثانیه با سرعت ۱۰۵ کیلومتر در ساعت) صرفه‌جویی سوخت ۴.۵٪ بود (مک‌اولیف و همکارانش، ۲۰۱۸). این روند با شواهد تجربی بیشتری پشتیبانی می‌شود. بنابراین، بسیاری از محققان بر به حداکثر رساندن صرفه‌جویی در مصرف سوخت با کاهش نیروی پسای آیرودینامیکی با فواصل زمانی کوچک تمرکز کرده‌اند. لازم به ذکر است که بیشتر آزمایش‌های قبلی دسته‌های کامیون در مسیرهای بسته/باندهای پروازی یا در جاده‌های عمومی تحت اسکورت انجام شده است. اگرچه فاصله زمانی کمتر بین کامیون‌ها می‌تواند منجر به صرفه‌جویی بیشتر در مصرف سوخت شود، اما چالش‌هایی را نیز برای ایمنی رانندگی گروهی، به ویژه در ترافیک عمومی و عملیات تجاری، ایجاد می‌کند. برخی از حوزه‌های قضایی در کانادا و ایالات متحده، وسایل نقلیه سنگین تجاری را ملزم به حفظ حداقل چهار ثانیه فاصله از وسیله نقلیه جلویی می‌کنند و این فاصله در شرایط نامساعد جوی حتی بیشتر نیز می‌شود (دولت آلبرتا، 2023، اداره وسایل نقلیه موتوری ویرجینیا، 2024). برای بررسی تأثیرات رانندگی گروهی کامیون‌ها بر مصرف سوخت در فواصل زمانی بیش از 3 ثانیه، ما با همکاری انجمن حمل و نقل موتوری آلبرتا، حمل و نقل کانادا، حمل و نقل آلبرتا، Pronto AI، Bison Transport و Tantus، اولین آزمایش سیستم رانندگی گروهی کامیون‌های تعاونی جاده‌ای (CTPS) کانادا را انجام دادیم. این آزمایش شامل دو کامیون SAE سطح 2 کلاس-8 بود که در شرایط تجاری در طول فصل زمستان کانادا کار می‌کردند. نتایج بر اهمیت طراحی کنترل‌کننده دسته در دستیابی به صرفه‌جویی در مصرف سوخت در فواصل زمانی طولانی‌تر که به دلیل مقررات ایمنی و قضایی اجتناب‌ناپذیر هستند، تأکید کردند (جیانگ و همکاران، 2024a).

در آزمایش CTPS، میانگین صرفه‌جویی سوخت برای کامیون پیرو در جاده‌های مسطح در فواصل زمانی ۳، ۴ و ۵ ثانیه، ۱.۶٪ اندازه‌گیری شد. با این حال، این صرفه‌جویی سوخت در بخش‌هایی از جاده که شیب تغییر می‌کرد، به طور قابل توجهی کاهش یافت و در برخی از زمین‌های تپه‌ای، کامیون پیرو حتی افزایش مصرف سوخت را تجربه کرد (جیانگ و همکاران، ۲۰۲۴ب). همین روند در سایر آزمایش‌های دسته کامیون که در فواصل زمانی کوچکتر انجام شده است نیز گزارش شده است. این مشکل در درجه اول ناشی از عدم هماهنگی بین کامیون‌های پیرو و پیشرو در جاده‌هایی با شیب‌های متغیر است که منجر به رفتارهای کاهش سرعت و شتاب غیر بهینه می‌شود. شیب‌های مختلف جاده بر تقاضای برق و شدت ترمز تأثیر می‌گذارند، به طوری که بخش‌های سربالایی بار موتور را افزایش می‌دهند و بخش‌های سراشیبی به طور بالقوه منجر به اتکای بیشتر به ترمز می‌شوند. در نتیجه، کامیون پیرو نوسانات سرعت قابل توجهی را تجربه می‌کند و در نتیجه مصرف سوخت افزایش می‌یابد. دروگ و همکاران یک استراتژی کنترل کروز پیش‌بینی‌کننده افق بلندمدت برای ایجاد یک پروفایل سرعت بهینه سوخت برای کامیون پیشرو با استفاده از داده‌های شیب جاده آینده‌نگر پیشنهاد دادند و سپس کامیون پیرو سعی کرد همان پروفایل‌های سرعت کامیون پیشرو را حفظ کند تا فاصله مطلوب بین دسته‌ها حفظ شود (Droege و همکاران، 2022). نتایج شبیه‌سازی آنها نشان داد که به طور متوسط 13.9٪ صرفه‌جویی در سوخت برای کامیون‌های دسته در زمین تپه‌ای انتخاب شده بزرگراه بین ایالتی 69 با خطای فاصله بیش از 11 متر وجود دارد. برای دسته کامیون با فاصله زیاد، ردیابی پروفایل‌های سرعت یکسان کامیون پیشرو برای کامیون پیرو بهینه نیست، که باعث افزایش مصرف سوخت برای کامیون پیرو و در نتیجه کاهش صرفه‌جویی در سوخت می‌شود. در این مطالعه، ما یک چارچوب کنترل سلسله مراتبی برای بهبود راندمان تبدیل سوخت دسته‌های کامیون در محیط رانندگی واقعی با شیب‌های جاده‌ای متغیر توسعه می‌دهیم. کامیون پیرو از طریق ارتباط خودرو به خودرو (V2V) از اطلاعات رانندگی موجود از کامیون پیشرو استفاده می‌کند تا هماهنگی بین آنها را تسهیل کند و از شتاب‌گیری‌ها و کاهش سرعت‌های ناخواسته جلوگیری کند.

صنعت حمل و نقل علاوه بر ایجاد نیاز قابل توجه به سوخت دیزل، خسارات قابل توجهی به محیط زیست وارد می‌کند و انتشار گازهای گلخانه‌ای از کامیون‌های دیزلی به آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی کمک می‌کند. آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان، بخشی از سازمان بهداشت جهانی، گازهای خروجی موتور دیزل را به عنوان سرطان‌زا برای انسان طبقه‌بندی می‌کند (لیو و همکاران، 2024). در میان این انتشارات، اکسیدهای نیتروژن (NOx) به دلیل اثرات مضر آنها بر سلامت عمومی و کیفیت هوا، به ویژه نگران‌کننده هستند. برای رعایت مقررات سختگیرانه‌تر، انواع تکنیک‌های کاهش NOx به صورت تجاری در وسایل نقلیه دیزلی مدرن اجرا شده‌اند، از اصلاحات احتراق درون سیلندر موتور گرفته تا روش‌های پیشرفته تصفیه پس از اگزوز. یکی از این تکنیک‌های رایج، چرخش مجدد گاز اگزوز (EGR) است که با چرخش مجدد بخشی از گاز خروجی خنک شده به داخل سیلندرهای موتور کار می‌کند.

این فرآیند واکنش‌پذیری مخلوط هوا و سوخت درون سیلندر را کاهش می‌دهد و همچنین دمای محفظه احتراق را پایین می‌آورد و در نتیجه تولید NOx را کاهش می‌دهد. با این حال، استفاده از EGR می‌تواند منجر به کاهش طول عمر موتور و توان خروجی و همچنین افزایش انتشار ذرات معلق شود (Kalwar و همکاران، 2024). اگرچه اکثر کامیون‌های دیزلی مدرن از EGR استفاده می‌کنند، اما انتشار NOx خروجی از موتور همچنان قابل توجه است. برای رفع این مشکل، کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) معمولاً در سیستم پس از تصفیه اگزوز ادغام می‌شود و به راندمان deNOx بیش از 96٪ دست می‌یابد. SCR از آمونیاک (NH3) که معمولاً از محلول اوره پایه آب معروف به مایع اگزوز دیزل (DEF) تهیه می‌شود، برای تبدیل NOx به نیتروژن و آب استفاده می‌کند (Farhan و همکاران، 2024).

گروه‌بندی کامیون‌ها، روشی تکمیلی برای کاهش بیشتر انتشار NOx فراتر از قابلیت‌های فناوری‌های deNOx موجود ارائه می‌دهد. پرامانیک و همکارانش با استفاده از رویکردی چندعاملی، یک کنترل‌کننده گروه را برای کاهش انتشار NOx خروجی موتور توسعه دادند و به کاهش ۱۳ درصدی برای یک گروه سه کامیونی دست یافتند (پرامانیک و انوار، ۲۰۲۳). علاوه بر این، ما و وانگ اولین کنترل‌کننده سیستم پس‌پردازش اختصاصی را به‌طور خاص برای گروه‌بندی خودروهای دیزلی توسعه دادند. با استفاده از داده‌های پیش‌بینی‌کننده گاز خروجی در ورودی SCR، کنترل‌کننده آنها نسبت پوشش آمونیاک را بهینه کرد، راندمان حذف NOx لوله اگزوز را بهبود بخشید و در مقایسه با یک روش مبتنی بر نقشه از پیش کالیبره شده، انتشار NOx را ۱۳ درصد کاهش داد (ما و وانگ، ۲۰۱۹). اتصال گروه به کامیون‌ها اجازه می‌دهد تا اطلاعات رانندگی را در زمان واقعی به اشتراک بگذارند و استراتژی‌های کنترل پیش‌بینی‌کننده را تسهیل کنند که با اجتناب از عملیات موتور با NOx بالا، به‌ویژه در هنگام گذرای موتور، انتشار NOx را برای کامیون‌های پیرو کاهش می‌دهند.

این مطالعه با هدف دستیابی به کاهش بیشتر انتشار NOx خروجی از اگزوز با استفاده از اطلاعات اتصال خودرو برای افزایش هماهنگی گروه انجام شده است. این مطالعه بر بهینه‌سازی پاسخ‌های گشتاور موتور با به حداقل رساندن نوسانات گشتاور منجر به انتشار بالای NOx تمرکز دارد.

مهمترین دستاوردهای این کار به شرح زیر است:

• اعتبارسنجی تجربی گروه‌بندی کامیون‌های مشارکتی با فاصله زیاد: این مطالعه نتایج آزمایش اولین آزمایش گروه‌بندی کامیون‌های مشارکتی با فاصله زیاد را که تحت عملیات تجاری انجام شده است، ارائه می‌دهد.
• طراحی یک کنترل‌کننده سلسله مراتبی دو سطحی نوآورانه:

(i) اثر نوسان گشتاور موتور بر NOx خروجی از اگزوز را در نظر می‌گیرد.

(ii) با در نظر گرفتن تغییرات درجه جاده و حفظ فاصله ایمن زیاد مورد نیاز بین کامیون‌ها برای برآورده کردن الزامات ایمنی، سرعت کامیون و گشتاور موتور را بهینه می‌کند.

• نمایش کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و صرفه‌جویی در مصرف سوخت: دستیابی به کاهش تا ۲۳.۲٪ در انتشار گازهای NOx خروجی از اگزوز و بهبود تا ۶.۶٪ در بهره‌وری سوخت برای حرکت کامیون‌ها در فواصل مجاز تحت شیب‌های مختلف جاده. (منبع)