Development of a methodology for the determination of CO2 car emissions in the context of real driving emissions

Abstract

Many regions around the globe have implemented mandatory CO2 emission targets for both light and heavy-duty vehicles. These targets are monitored through certification approaches, primarily relying on laboratory measurements conducted using chassis dynamometers. However, there's a notable discrepancy between these laboratory-certified values and real-world on-road performance due to various factors affecting fuel and energy consumption during actual operation. To address this challenge, the Thesis aims to develop a methodology based on vehicle simulation to predict representative on-road fuel and energy consumption values using limited data. This approach includes incorporating provisions of regulations, such as the On-Board Fuel Consumption Meter (OBFCM), to enhance calculations for specific vehicles to improve and enhance the accuracy of simulations. The Thesis is structured into several chapters, beginning with the introduction that outlines the objectives and scope; to create a tool capable of simulating vehicle emissions using limited input data. Subsequent chapters delve into the background of fuel consumption parameters, vehicle measurements for model validation and verification, simulation model development, model adjustment for improved accuracy, and potential applications of the developed methodology. Key findings include the identification of factors contributing to the discrepancy between certification and on-road values, such as vehicle mass, aerodynamic resistance, rolling resistance, temperature, driving behaviour, and traffic conditions. The simulation model development involves grouping vehicles into clusters based on powertrain and engine capacity, simulating generic vehicles under various conditions, and validating the model against on-road measurements. Model adjustment strategies include transitioning from a vehicle-generic to a vehicle- specific approach to reduce discrepancies in fuel and electric energy consumption calculations. The simulation model demonstrates its versatility and effectiveness in raising user awareness and promoting energy-efficient vehicles through its integration into the MILE21 – LIFE project. In addition, it has demonstrated its capability to be deployed in other regions such as in the USA. The Thesis concludes with an evaluation of the simulation model's performance and suggestions for future research to further enhance its accuracy and applicability. Areas for improvement include investigating the cold start effect, evaluating the impact of auxiliary usage, refining vehicle-specific parameters using OBFCM data, capturing also pollutant emissions, and exploring vehicle-to-platform communication for monitoring and automatically updating the simulation model. In summary, the developed simulation model successfully addresses the challenges of predicting on-road fuel and energy consumption values and offers valuable insights for institutions and research organizations focused on mitigating emissions and raising user awareness.

Πολλές περιοχές σε όλο τον κόσμο έχουν εφαρμόσει υποχρεωτικούς στόχους εκπομπών CO2 τόσο για τα ελαφρά όσο και για τα βαρέα οχήματα. Οι στόχοι αυτοί παρακολουθούνται μέσω των διαδικασιών πιστοποίησης των οχημάτων, οι οποίες βασίζονται κυρίως σε εργαστηριακές μετρήσεις που πραγματοποιούνται με τη χρήση δυναμομετρικής πέδης. Ωστόσο, υπάρχει μία σημαντική απόκλιση μεταξύ των εργαστηριακά μετρημένων τιμών και των πραγματικών τιμών στον δρόμο, λόγω διαφόρων παραγόντων που επηρεάζουν την κατανάλωση καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, η Διδακτορική Διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας που βασίζεται στην προσομοίωση οχημάτων για την πρόβλεψη αντιπροσωπευτικών τιμών κατανάλωσης καυσίμου και ενέργειας σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, χρησιμοποιώντας περιορισμένα δεδομένα. Η προσέγγιση αυτή περιλαμβάνει την ενσωμάτωση διατάξεων της Ευρωπαϊκής Νομοθεσίας, όπως το On-Board Fuel Consumption Meter (OBFCM), για τη βελτίωση των υπολογισμών για συγκεκριμένα οχήματα. Η Διδακτορική Διατριβή διαρθρώνεται σε κεφάλαια, ξεκινώντας με την εισαγωγή που περιγράφει τους στόχους και το πεδίο εφαρμογής: τη δημιουργία ενός εργαλείου ικανού να προσομοιώνει τις εκπομπές οχημάτων χρησιμοποιώντας περιορισμένα δεδομένα εισόδου. Τα επόμενα κεφάλαια εμβαθύνουν στο υπόβαθρο των παραμέτρων κατανάλωσης καυσίμου, στις μετρήσεις οχημάτων για την επικύρωση και την επαλήθευση του μοντέλου, στην ανάπτυξη του μοντέλου προσομοίωσης, στην προσαρμογή του μοντέλου για βελτιωμένη ακρίβεια και στις πιθανές εφαρμογές της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε. Τα βασικά ευρήματα περιλαμβάνουν τον προσδιορισμό των παραγόντων που συμβάλλουν στην απόκλιση μεταξύ των τιμών πιστοποίησης και των τιμών στο δρόμο, όπως η μάζα του οχήματος, η αεροδυναμική αντίσταση, η αντίσταση κύλισης, η θερμοκρασία, η οδηγική συμπεριφορά και οι συνθήκες κυκλοφορίας. Η ανάπτυξη του μοντέλου προσομοίωσης περιλαμβάνει την ομαδοποίηση των οχημάτων σε κατηγορίες με βάση το σύστημα μετάδοσης κίνησης και τον κυβισμό του κινητήρα, την προσομοίωση γενικών οχημάτων υπό διάφορες συνθήκες και την επικύρωση του μοντέλου με μετρήσεις στο δρόμο. Οι στρατηγικές προσαρμογής του μοντέλου περιλαμβάνουν τη μετάβαση από μια προσέγγιση γενικού οχήματος σε μια προσέγγιση συγκεκριμένου οχήματος για τη μείωση των αποκλίσεων στους υπολογισμούς κατανάλωσης καυσίμου και ηλεκτρικής ενέργειας. Το μοντέλο προσομοίωσης αποδεικνύει την ευελιξία και την αποτελεσματικότητά του στην ευαισθητοποίηση των χρηστών και την προώθηση ενεργειακά αποδοτικών οχημάτων μέσω της ενσωμάτωσής του στο έργο MILE21 – LIFE. Επιπλέον, έχει αποδείξει την ικανότητα να εφαρμοστεί και σε οχήματα άλλως περιοχών όπως οι ΗΠΑ. Η Διδακτορική Διατριβή ολοκληρώνεται με την αξιολόγηση των επιδόσεων του μοντέλου προσομοίωσης και με προτάσεις για μελλοντική έρευνα για την περαιτέρω ενίσχυση της ακρίβειας και των δυνατοτήτων εφαρμογής του. Τα προτεινόμενα πεδία βελτίωσης περιλαμβάνουν τη διερεύνηση του φαινομένου της ψυχρής εκκίνησης, την αξιολόγηση της επίδρασης της χρήσης των περιφερειακών συστημάτων όπως ο κλιματισμός, την ανάπτυξη εξειδικευμένων παραμέτρων υπολογισμού για κάθε όχημα με τη χρήση δεδομένων OBFCM, τον υπολογισμό επίσης των εκπομπών ρύπων και τη διερεύνηση της επικοινωνίας οχήματος-πλατφόρμας για την παρακολούθηση και την αυτόματη ενημέρωση του μοντέλου προσομοίωσης. Συνοψίζοντας, το μοντέλο προσομοίωσης εκπληρώνει με επιτυχία τους στόχους της πρόβλεψης των τιμών κατανάλωσης καυσίμου και ενέργειας σε πραγματικές συνθήκες και αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για ινστιτούτα και ερευνητικούς οργανισμούς που επικεντρώνονται στις εκπομπές CO2 και την ευαισθητοποίηση των χρηστών.