Examen des dispositifs de réduction de la traînée aérodynamique pour les camions lourds et les autocars

En 2011, le Programme écoTECHNOLOGIE pour véhicules de transports Canada a demandé au Conseil national de recherches (CNR) de réaliser un examen de la littérature afin d'évaluer les différentes technologies de réduction de la traînée aérodynamique pour les véhicules utilitaires lourds. L'examen de la littérature évalue le potentiel de réduction de la consommation de carburant et des GES des dispositifs d'amélioration de l'aérodynamisme pour les ensembles tracteurs-remorques et les autobus interurbains.

Le rapport sert à aider dans l'identification des lacunes potentielles de connaissances sur le rendement de ces dispositifs au Canada. Les recommandations du CNR dans le rapport sont pour délibération seulement, et ne reflètent pas nécessairement l'opinion ou le point de vue de Transports Canada en la matière.

La version complète, Examen des dispositifs de réduction de la traînée aérodynamique pour les camions lourds et les autocars (PDF, 2.86 Mb), est aussi disponible en PDF.

Rapport technique

 Sur cette photo, un ensemble tracteur-remorque avec les jupes latérales et le carénage sur la remorque 

Droit d'auteur 2013. Le présent document contient des informations confidentielles qui sont la propriété du CNRC– Transports de surface. Aucune partie de ce contenu ne peut être utilisée, copiée, divulguée ou transmise à un tiers de quelque manière que ce soit, en tout ou en partie, sans l'autorisation préalable du Centre de technologie des transports de surface du CNRC.

Résumé

La présente étude vise à mieux comprendre quels dispositifs, technologies ou pratiques sont applicables aux ensembles routiers composés d'un tracteur et d'une remorque et aux autocars interurbains afin de réduire la traînée aérodynamique sans nuire à l'utilité ou à la rentabilité des véhicules. En outre, il est intéressant de déterminer comment ces dispositifs peuvent influer sur les autres véhicules et les usagers de la route vulnérables qui sont à proximité des tracteurs semi-remorques ou des autocars.

L'information pertinente relative à la réduction de la traînée provient de diverses sources et elle est résumée dans le présent rapport. En règle générale, les auteurs ont tenté d'expliquer chaque technologie ou produit et de présenter ou de calculer la réduction potentielle attendue du coefficient de traînée pour un véhicule routier type. Le cas échéant, les obstacles à l'acceptation de ces technologies ou produits par la communauté canadienne du camionnage sont expliqués afin de faire la distinction entre les technologies qui pourraient être utilisées, et celles qui ne gagneront vraisemblablement jamais en popularité en raison de barrières opérationnelles.

Généralités

Pour les véhicules lourds comme les ensembles tracteur-remorque et les autocars, la traînée de pression est la composante dominante due aux grandes surfaces faisant face à la direction d'écoulement principale, ainsi qu'au sillage important causé par la forme plate de l'extrémité arrière de ces véhicules.

Bien que la traînée de frottement se produise le long des surfaces externes des véhicules lourds, particulièrement sur les côtés et le haut des autocars et des remorques, sa contribution à la traînée globale est faible (10 % ou moins) et cette composante est peu intéressante en termes de technologies de réduction de la traînée.

Pour les véhicules utilitaires lourds, comme les ensembles tracteur-remorque, le coefficient de traînée augmente grandement avec l'angle de lacet.

Dans les climats froids canadiens, la traînée aérodynamique en hiver peut être de près de 20 % supérieure à celle que l'on mesure dans les conditions normales, en raison de la densité de l'air ambiant. Pour les tracteurs semi-remorques et les autocars, cette traînée accrue se traduit par une augmentation d'environ 10 % de la consommation de carburant par rapport à la température de référence, ce qui démontre encore plus l'importance des stratégies de réduction de la traînée aérodynamique pour le climat canadien.

Ensembles routiers longs (ERL)

Selon les résultats d'une étude, le coefficient de traînée d'un ensemble routier long (ERL) tirant deux remorques dépasse d'à peine 0,05 celui d'un véhicule classique tirant une remorque avec un angle de lacet dû au vent de 0 degré. Cette valeur augmente à 0,13 pour un angle de lacet de 5 degrés. Par conséquent, en ajoutant une deuxième remorque pour former un ERL et en doublant la capacité de chargement, on obtient une augmentation très modeste du coefficient de traînée d'environ 10 % à un angle de lacet de 0 degré et de 22 % à un angle de lacet de 5 degrés, par rapport à un ensemble à remorque unique. En d'autres termes, le coefficient de traînée d'un ERL est à peine plus de la moitié de la somme de la traînée des deux véhicules qu'il remplace lorsque l'angle du vent est de 0 degré.

Avec l'augmentation de la longueur du véhicule, la contribution en pourcentage à la traînée globale due à la traînée de frottement augmente légèrement, car il y a beaucoup plus de surface plane alignée avec le vent, mais le devant aplati du véhicule demeure inchangé. Une étude a conclu que la contribution en pourcentage de la traînée de pression sur le véhicule de base était de 93,3 %, tandis qu'elle était de 91,7 % sur un ERL. Ces chiffres sont importants, car ils indiquent qu'avec l'augmentation de la longueur du véhicule, les stratégies visant à réduire la traînée de frottement deviennent plus efficaces pour réduire la consommation de carburant. Toutefois, il est manifestement encore plus bénéfique de réduire la traînée de pression, peu importe la configuration du véhicule. Les auteurs d'une étude concluaient que certaines combinaisons de véhicules peuvent présenter un accroissement de 40 % de la traînée de frottement, avec une augmentation correspondante de seulement 8 % de la traînée de pression. Toutefois, les 40 % en question s'appliquent à un très petit chiffre, tandis que les 8 % s'appliquent à un très grand chiffre, mais le fait demeure que l'augmentation de la longueur du véhicule accroît la pertinence des stratégies de réduction de la traînée de frottement et a beaucoup moins d'effet sur la traînée de pression.

La largeur de l'écart entre les remorques de tête et de queue joue un rôle important dans la traînée subie par l'ensemble routier, particulièrement à des angles de lacet élevés.

On estime qu'un ERL consommerait environ 23 200 de litres de moins de carburant par rapport à deux véhicules classiques, en supposant qu'il parcourt une distance annuelle de 100 000 km à une vitesse de croisière sur la route.

On peut réduire grandement la traînée de pression en utilisant des ERL, et ces réductions sont bien documentées et comprises dans le cas des véhicules européens pour des angles de lacet fixes. Toutefois, il y a très peu de données au sujet des ERL nord-américains soumis à des angles de lacet variables dus au vent et correspondant à une valeur annuelle de la traînée moyennée selon le vent. On pourrait utiliser les essais en soufflerie pour quantifier la réduction de la traînée d'un ERL de type nord-américain, en tenant compte de la traînée moyennée en fonction du vent.

Il est possible de diminuer davantage mais de manière incrémentale la traînée d'un ERL. Il y aurait lieu d'étudier davantage des ERL canadiens afin de mieux comprendre la relation entre la largeur de l'écart et la traînée, pour démontrer si les dispositifs actuellement conçus pour être installés dans l'écart entre le tracteur et la remorque d'un ensemble classique seraient également utilisables entre les deux remorques d'un ERL.Le cas échéant, quelle configuration conviendrait le mieux afin d'optimiser la réduction de la traînée entre les deux remorques d'un ERL? Cette étude pourrait porter sur deux largeurs d'écart afin de quantifier l'effet incrémentiel d'un dispositif d'appoint, par rapport aux réductions importantes qui seraient obtenues avec la suppression de l'une des remorques. Idéalement, on devrait réaliser une étude dans laquelle on ajouterait de manière séquentielle à l'ERL divers écrans d'écart, des jupes latérales, et des rétreints afin de déterminer si ces dispositifs ont les mêmes effets sur les ERL que sur les véhicules classiques.

Rétroviseurs vidéo

Les rétroviseurs conformes aux normes de sécurité des véhicules automobiles du Canada (NSVAC) sont responsables d'environ 2 % de la traînée globale d'un tracteur semi-remorque classique. Une étude a déterminé que si les deux rétroviseurs latéraux d'un tracteur sont retirés, le tracteur consommerait 938 litres de moins de carburant par année, d'après la consommation moyenne actuelle de carburant pour l'ensemble du parc. Certains fabricants conçoivent actuellement des prototypes de véhicule qui utilisent des caméras de recul et des écrans vidéo dans la cabine pour remplacer les rétroviseurs latéraux. Toutefois, ces systèmes ne peuvent pas être utilisés indépendamment sans rétroviseurs, en vertu de la réglementation actuelle des NSVAC.

Un examen superficiel des tracteurs en service en Ontario a confirmé que les chauffeurs sont habitués à utiliser des rétroviseurs qui sont près de trois fois plus grands que ce qui est exigé par la réglementation des NSVAC. Par conséquent, il est peu probable qu'en réduisant la quantité minimale de verre requise par les NSVAC, on réaliserait des économies dues à la réduction de la traînée, car la plupart des chauffeurs seraient réticents à réduire leur champ de vision provenant de ce qu'ils utilisent habituellement.

Les rétroviseurs latéraux sont considérés comme des dispositifs «à sécurité intégrée». Le remplacement des rétroviseurs extérieurs par des caméras de recul réduirait très certainement la moyenne des temps de bon fonctionnement (MTBF) des tracteurs, et ces rétroviseurs vidéo pourraient tomber en panne alors que le chauffeur doit évaluer rapidement la circulation dans la voie de gauche. Cependant, des travaux supplémentaires seraient requis pour comparer la MTBF des rétroviseurs classiques par rapport à celle d'un système de rétroviseur vidéo.

Certains chauffeurs peuvent prendre plus de temps pour s'adapter à l'idée de regarder à droite sur un écran vidéo, plutôt que de regarder à gauche et à droite dans les rétroviseurs, en particulier quand ils doivent changer de voie de toute urgence.

La réduction de la traînée possible grâce au retrait des rétroviseurs latéraux est bien comprise, quantifiée et documentée par des essais en laboratoire. Par conséquent, il y aurait probablement peu d'avantages à reproduire ces essais. Toutefois, il semble y avoir peu d'essais documentés au sujet du rendement et de la fiabilité des caméras de recul et de leur acceptation par les chauffeurs. Si Transports Canada souhaite étudier davantage cette question, le CNRC recommande d'élaborer une étude visant à déterminer les avantages et les inconvénients du remplacement des rétroviseurs extérieurs pour des motifs autres que les avantages aérodynamiques, qui sont bien connus. Il s'agirait notamment d'étudier la fiabilité et la facilité d'entretien des dispositifs d'appoint, ainsi que leur poids, la nécessité d'avoir un système redondant, la rapidité avec laquelle les chauffeurs peuvent voir les objets dans la voie de gauche, et l'acceptation de ces dispositifs par les chauffeurs, particulièrement quand ils utilisent des rétroviseurs depuis de nombreuses années. Si on détermine que les rétroviseurs latéraux peuvent être retirés sans effets secondaires négatifs sur le plan de la sécurité, il y aurait lieu alors d'entreprendre un projet pilote afin de mieux comprendre les économies de carburant potentielles, ainsi que les problèmes logistiques imprévus dans les conditions actuelles de conduite productive.

On pourrait également étudier les avantages des caméras infrarouges afin de déterminer si on peut les combiner à des rétroviseurs vidéo pour améliorer la vision des chauffeurs par mauvais temps, ou si elles constitueraient plus une distraction qu'un équipement utile.

Circulation en peloton

Plusieurs études et recherches ont démontré que la circulation en peloton peut réduire efficacement la traînée aérodynamique pour l'ensemble des véhicules faisant partie du peloton, même le véhicule de tête. Toutefois, la plus grande réduction de la traînée se produit pour les véhicules roulant entre le premier et le dernier véhicule. On estime qu'un véhicule faisant partie d'un peloton pourrait voir sa consommation de carburant réduite de 9 % à 25 %, tout dépendant de son espacement, de sa vitesse, de sa position et de sa masse.

Il est manifeste que la circulation en peloton requiert des modifications importantes à l'infrastructure routière et nécessiterait également un changement important de comportement au volant de la part des autres conducteurs qui sont entourés par un peloton de camions, mais n'en font pas partie.

Bien que la circulation en peloton semble être très prometteuse pour réduire la traînée aérodynamique, elle ne semble pas être une solution pratique pour le camionnage au Canada dans un proche avenir, en raison de la taille du réseau routier canadien et de l'état encore immature de la technologie. Il y a trop d'obstacles en matière d'infrastructure et de logistique qui doivent être surmontées pour que ce concept soit viable dans un proche avenir. Même si la technologie permettait de relier électroniquement deux ou plusieurs véhicules lourds, la logistique requise pour intégrer ces véhicules dans la circulation existante serait extrêmement difficile. La solution la plus pratique pour réduire l'aérodynamisme d'un ensemble multi-véhicules consisterait à faire davantage d'essais et à mieux comprendre le comportement des ERL récemment adoptés, jusqu'à ce que la circulation en peloton soit perfectionnée dans des pays moins grands en Europe.

Il semblerait que bon nombre des recherches sur cette question portaient sur des véhicules plus légers que les véhicules lourds types que l'on retrouve au Canada. Les résultats des travaux sur la circulation en peloton peuvent être plus intéressants dans le cas des véhicules légers, car un pourcentage plus élevé de la consommation de carburant peut être attribué aux effets aérodynamiques. L'étude des effets de la circulation en peloton, lorsque les véhicules sont chargés au poids légal maximal au Canada, fournirait des renseignements plus utiles au sujet du potentiel offert par ce mode de circulation sur les routes canadiennes.

Vu la complexité de la circulation en peloton et de la simplicité relative des ERL, il serait utile de quantifier la différence entre les véhicules en peloton et un ERL, en termes de réduction de la consommation de carburant. L'étude pourrait commencer par la comparaison d'un ERL par rapport à un peloton de deux véhicules, puis par rapport à des pelotons comportant un nombre croissant de véhicules.

Dispositifs d'appoint pour les tracteurs et les remorques

Les tracteurs et les remorques n'appartiennent pas toujours aux mêmes exploitants, et il peut donc y avoir une certaine réticence de la part des propriétaires de remorques à payer pour des dispositifs qui profiteront aux propriétaires des tracteurs.

Il y a eu peu d'essais aérodynamiques sur les pare-chocs avant robustes et les résultats sont ambigus: certains indiquent une réduction modeste de la consommation de carburant, alors que d'autres indiquent une augmentation modeste. Dans cette même veine, des améliorations aérodynamiques modestes sont possibles avec l'utilisation d'enjoliveurs et de bavettes garde-boue à fentes.

On peut également utiliser des revêtements superhydrophobes pour réduire la probabilité d'accumulation d'eau et de glace sur les remorques. Toutefois, cette technologie reste encore largement non testée sur les véhicules routiers.

Il a été démontré en laboratoire que l'injection d'air réduit la traînée. Cependant, cette approche est beaucoup moins pratique pour réduire la traînée, car il faut utiliser des dispositifs électriques (ce qui consomme du courant produit par le système de charge et constitue donc des pertes parasites pour le moteur) pour assurer l'écoulement d'air, et il faut aussi adapter la canalisation des systèmes passifs. Cette dernière exigence fait de l'injection d'air une solution beaucoup moins pratique pour réduire la traînée.

On a démontré que le traitement du dessous de la cabine diminue la traînée aérodynamique des tracteurs. Toutefois, les essais devraient être réalisés dans une soufflerie de type «route roulante» pour quantifier ces effets.

On a aussi démontré que l'écart tracteur-remorque commence à avoir un impact significatif sur la traînée du véhicule lorsqu'il est supérieur à 0,45 m, et que la traînée augmente d'environ 2 % pour chaque accroissement de 0,25 m de l'écart au-delà d'environ 0,75 m. Les recherches permettent de croire qu'en réglant complètement le problème de l'écart, des économies de l'ordre de 6 % dues à la réduction de la traînée seraient possibles pour un tracteur semi-remorque type. Cela représenterait une amélioration d'environ 3 % de la consommation de carburant à 98 km/h (60 mi/h). Au moins un fabricant met actuellement au point une sellette de tracteur qui se déplacerait longitudinalement pour réduire de manière efficace l'écart tracteur-remorque aux vitesses élevées.

Plusieurs fabricants offrent sur le marché des produits commerciaux conçus pour la zone d'écart tracteur-remorque, avec des économies de carburant alléguées de l'ordre de 2 %. Toutefois, les économies en pourcentage dépendent grandement de la procédure d'essai choisie, y compris la largeur initiale de l'écart tracteur-remorque et la vitesse d'essai.

De nombreuses études théoriques ont porté sur les effets potentiels des dispositifs d'écart tracteur-remorque sur l'économie de carburant. Il convient toutefois d'étudier d'abord l'avantage maximal théorique que l'on obtiendrait en fermant entièrement l'écart. Selon certaines études, la limite supérieure de l'amélioration aérodynamique prévue entraînerait une réduction de la traînée de l'ordre de 7 %. À une vitesse type de 55 mi/h, cela représenterait des économies de carburant d'environ 3,5 %.

Mercedes a récemment introduit une remorque prototype qui, allègue-t-on, réduit de 18 % la traînée d'un ensemble routier de style entièrement européen (comportant une cabine avancée).

Les jupes latérales servent à empêcher que l'écoulement de l'air n'entre dans la zone sous la remorque. Au cours des dernières années, ces jupes ont été largement adoptées et on les voit couramment sur de nombreuses remorques. Des réductions de la consommation de carburant de l'ordre de 3 à 7 % ont été rapportées.

On a aussi démontré que les boîtes de sous-châssis latérales réduisent la traînée de 10 à 15 %, et qu'on peut les utiliser pour y ranger du matériel qui devrait normalement être sanglé à l'extérieur du tracteur ou sous le côté de la remorque. On pourrait également utiliser les boîtes de sous-châssis latérales à la place des protecteurs latéraux classiques. Toutefois, elles augmentent le poids de la remorque et pourraient également avoir un impact sur l'angle de rampe lorsque les remorques traversent les voies ferrées ou d'autres obstacles.

Les essais en soufflerie et sur route ont démontré qu'un rétreint d'une longueur de 24 à 32 pouces est optimal pour réduire la traînée et respecter les limitations de longueur. Tout comme dans le cas des jupes latérales, il est important d'optimiser l'interaction entre les rétreints et les autres dispositifs.

Il existe actuellement peu d’éléments de preuve dans des sources scientifiques examinées par des pairs permettant d’affirmer que des générateurs de tourbillon ont un impact important sur l’économie de carburant des véhicules lourds.

Les remorques rétractables (c.-à-d. des remorques dont la hauteur est grandement réduite) sont testées à l'état de prototype au Canada, mais il reste encore à faire des essais afin de quantifier la réduction de traînée potentielle.

Les modèles de tracteur aérodynamique permettent une réduction de la traînée aérodynamique, par rapport au type classique, de l'ordre de 30 %. On obtient ce résultat essentiellement en arrondissant les surfaces avant, en posant des déflecteurs de toit et en recouvrant d'un carénage les réservoirs de carburant entre l'essieu directeur et les essieux moteurs.

Il est suggéré que tous les dispositifs d'appoint pour les tracteurs et les remorques décrits dans le présent rapport sont des candidats valables pour des études futures, sauf les dispositifs d'injection active de l'air et les technologies de contrôle actif de l'écoulement. De plus, une étude intégrée de tous les dispositifs s'impose afin de s'assurer que les gains aérodynamiques offerts par l'un de ces dispositifs ne réduisent pas le rendement aérodynamique d'un autre dispositif installé en aval du véhicule.

Le processus suggéré consisterait à réaliser des essais en soufflerie à l'échelle, avec l'ajout séquentiel de chaque dispositif jusqu'à ce que le véhicule soit équipé de tous les dispositifs susmentionnés. Après les étapes préliminaires, on pourrait mettre au point des prototypes à pleine échelle et les tester dans des situations de conduite réelle ou lors d'essais contrôlés en piste. On devrait également évaluer l'utilisation de différents types de remorques (remorque fermée, camion-citerne, plateforme avec et sans chargement représentatif), afin de déterminer les avantages pour l'ensemble de l'industrie du transport.

Afin de mieux servir le secteur du camionnage et d'atteindre les objectifs globaux d'amélioration de la consommation de carburant, il est suggéré que l'on travaille davantage sur des solutions de réduction de la traînée axées sur le tracteur. Cela dit, les dispositifs basés sur la remorque, comme les jupes latérales et les rétreints, offrent des avantages importants en raison de leur potentiel démontré de réduction de la traînée.

Dans l'une ou l'autre de ces études futures, l'approche utilisée devrait d'abord consister à comprendre les préoccupations opérationnelles et les obstacles à l'acceptation par l'industrie du camionnage, avant toute expérience aérodynamique ou simulation.

Dispositifs aérodynamiques pour les autocars

L'applicabilité des dispositifs d'appoint aérodynamiques sur les autocars interurbains a été moins étudiée que pour les tracteurs semi-remorques de classe 8. Le parc nord-américain d'autocars est beaucoup plus petit que le parc de tracteurs, et par conséquent, sa consommation de carburant et ses émissions de GES sont beaucoup plus faibles.

Un autocar type présente de nombreux avantages aérodynamiques par rapport à un tracteur semi-remorque de classe 8: il n'y a pas d'écart tracteur-remorque, la carrosserie se rapproche beaucoup plus du sol et incorpore de manière efficace les jupes latérales, et le devant plat élimine les discontinuités aérodynamiques multiples habituellement causées par les interfaces radiateur-capot, capot-pare-brise et pare-brise-carénage. Par conséquent, un autocar interurbain standard peut présenter une valeur CD aussi faible que 0,384.

Grâce à son faible ratio résistance au roulement/résistance aérodynamique (le paramètre de densité de la traînée), les pertes aérodynamiques d'un autocar interurbain l'emportent sur les pertes mécaniques à des vitesses beaucoup plus faibles que pour un tracteur semi-remorque. Pour une réduction donnée en pourcentage du coefficient de traînée, la réduction nette en pourcentage de la consommation de carburant est plus grande pour un autocar que pour un tracteur semi-remorque.

La contribution dominante à la traînée aérodynamique d'un autocar est la différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la carrosserie, la résistance de frottement offrant une contribution minimale.

Dans un autocar, environ 60 à 70 % de la traînée totale moyennée est attribuée aux charges de pression agissant sur la carrosserie avant du véhicule, et c'est donc cette zone que devraient privilégier les stratégies de réduction de la traînée. De loin, la méthode la plus efficace de réduction de la traînée due à la carrosserie avant consiste à minimiser la séparation de l'écoulement en arrondissant les coins avant (côtés et haut) et en donnant une forme conique à la carrosserie avant.

L'aérodynamique du sous-châssis prend de plus en plus d'importance, toujours afin de réduire la consommation de carburant des véhicules de surface. Les essais en soufflerie ont démontré qu'il est possible de réduire la traînée d'environ ∆CD≈-0,012, grâce à l'utilisation de panneaux de sous-châssis. En outre, on a constaté que le profilage aérodynamique des roues grâce à des enjoliveurs réduit davantage le CD d'environ 0,022. Bien que le sous-châssis des autocars soit déjà aérodynamiquement «épuré», on pourrait réaliser des recherches afin d'étudier la canalisation de l'écoulement sous le châssis vers l'extrémité arrière du véhicule. L'air doit être canalisé vers le moteur pour le refroidir, ce qui peut représenter un volume important. Un sous-châssis d'autocar présentant des obstructions minimales permettrait d'utiliser l'énergie cinétique de l'écoulement pour refroidir plus efficacement le moteur (effet de bélier partiel) et/ou diriger cet écoulement canalisé dans la région du sillage.

Enfin, il est possible également d'accroître l'avantage aérodynamique en reprofilant la ligne de toit. Comme les autocars n'ont pas les mêmes contraintes de capacité de chargement, on pense que l'on pourrait modifier la ligne de toit arrière avec un impact minimal sur le confort des passagers. Les problèmes opérationnels ne devraient pas être une préoccupation.

Vu le secret qui caractérise l'industrie de l'autocar, il revient clairement aux constructeurs canadiens d'autocars de réaliser le processus d'optimisation, en tenant compte de leurs objectifs de rendement aérodynamique et de leurs contraintes opérationnelles. À cet égard, le CNRC et Transports Canada pourraient contribuer à ce processus, à la demande du client, en offrant une expertise en aérodynamique et des conseils à l'industrie, mais cela ne fait pas partie du présent programme.

Dans le cadre du programme écoTECHNOLOGIE pour Véhicules II, il y aurait lieu de formuler un document de recommandations à l'intention des constructeurs et des exploitants canadiens d'autocars afin de guider leurs efforts de développement et de sélection, respectivement, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions des autocars. Un tel document pourrait être basé sur l'information contenue dans le présent rapport.

Accumulation et enlèvement de la neige et de la glace

Il y a très peu d'information au sujet des résultats des essais ou des modélisations cherchant à démontrer comment la glace et la neige s'accumulent sur des dispositifs aérodynamiques.

Les rétreints peuvent modifier grandement le champ d'écoulement directement derrière une semi-remorque, et on pense également que la neige pourrait s'accumuler sur le dessus du panneau de rétreint inférieur. Toutefois, il semble exister très peu de travaux qui quantifient la façon dont cette modification du champ d'écoulement influerait sur les véhicules qui suivent une remorque dotée d'un rétreint, ou sur la façon dont la neige et la glace s'accumulent et tombent des dispositifs aérodynamiques du camion.

Le CTTS-CNRC recommande que l'on réalise une étude similaire à celle faite par le CNRC-IRA dans laquelle de nombreux dispositifs aérodynamiques ont été ajoutés l'un après l'autre à un ensemble tracteur-remorque. Toutefois, pour l'étude proposée, on mettrait l'accent sur l'accumulation et l'enlèvement de la neige et de la glace, plutôt que sur la traînée aérodynamique. Dans l'idéal, un modèle de véhicule à l'échelle serait placé dans une soufflerie à haute vitesse et à des températures inférieures à zéro, et de la neige et de la glace seraient projetées contre le modèle de véhicule. On mesurerait l'accumulation et la chute de la neige, par rapport à un véhicule de référence qui serait placé à côté du véhicule d'essai. On pourrait aussi étudier les effets en aval sur un modèle de voiture à l'échelle suivant la remorque, afin de déterminer si la neige et la glace sont plus susceptibles de s'accumuler sur le véhicule de queue, et aussi pour déterminer si la vision avant des chauffeurs dans les véhicules de queue serait affectée d'une manière ou d'une autre.

En définitive, des essais sur piste ou sur route avec de vrais tracteurs semi-remorques pourraient être réalisés pour déterminer si les dispositifs comme les rétreints risquent d'accumuler des quantités de neige qui pourraient être éjectées sur la chaussée ou vers d'autres véhicules autour.

Essais sur des modèles à l'échelle

La traînée aérodynamique est une perte d'énergie dissipative et non récupérable, et c'est l'un des facteurs les plus importants à envisager pour réduire la consommation de carburant et les émissions des véhicules lourds. Une importante réduction de la traînée peut être obtenue avec les technologies actuelles et émergentes, mais l'acceptation par l'industrie est habituellement lente, car les exploitants désirent obtenir un retour rapide sur leurs investissements. Les stratégies d'évaluation courantes par les développeurs et les fabricants de dispositifs peuvent être faussées et peu représentatives des conditions réelles, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles l'exploitant peut hésiter à adopter les nouvelles technologies. L'industrie doit donc être orientée dans le choix des technologies appropriées qui lui fourniront un avantage net en termes de réduction de la consommation de carburant et des émissions au Canada. À cette fin, une bonne approche serait d'homologuer les technologies de la même manière que le programme SmartWay de l'EPA aux États-Unis.

D'après l'information contenue dans le présent rapport, le CNRC recommande une évaluation systématique des possibilités offertes par les technologies existantes et proposées de réduction de la traînée pour les ensembles tracteur-remorque. Ce plan doterait Transports Canada de recommandations portant sur une combinaison optimale des technologies de réduction de la traînée, en vue de réduire la consommation de carburant dans l'industrie du transport. Compte tenu des exigences opérationnelles, ces recommandations peuvent ensuite être présentées à l'industrie du transport. Ce plan, que nous résumons ci-dessous, sera similaire au programme d'essais réalisé par le CNRC en collaboration avec RNCan, l'Alliance canadienne du camionnage et le Département américain de l'énergie et qui permet d'estimer de manière fiable les économies de carburant. Ce nouveau plan, basé sur des essais en soufflerie sur des modèles à l'échelle, plutôt que sur des essais à pleine échelle, englobe les technologies additionnelles de réduction de la traînée et permettra de simuler beaucoup mieux les conditions d'exploitation des véhicules lourds au Canada. L'avantage des essais sur modèles à l'échelle, par rapport aux essais à pleine échelle, est la possibilité de mettre en place un environnement représentatif (mouvements relatifs véhicules/sol/vent et vents terrestres), ainsi que la possibilité de tester des véhicules pleine longueur équivalents et des ensembles routiers longs (ERL). Les essais des modèles à l'échelle procurent ainsi une plus grande précision par rapport aux anciens programmes d'essais en soufflerie. Un autre avantage important des essais en soufflerie est la précision avec laquelle on peut comparer des technologies et des configurations, grâce à un environnement d'essai systématiquement contrôlé.

La collaboration avec les exploitants, les équipementiers (Original equipment manufacturers, OEM) et les fabricants de dispositifs permettrait une évaluation approfondie de ces technologies. Le CNRC dispose déjà de partenaires dans l'industrie du transport qui sont ouverts à la collaboration, et qui pourraient fournir des spécifications sur les tracteurs semi-remorques et la géométrie des dispositifs, ce qui faciliterait la fabrication des modèles.

Voici un aperçu du plan proposé pour l'évaluation aérodynamique des technologies de réduction de la traînée:

  • Évaluer l'impact potentiel qu'aurait la réalisation d'essais à des valeurs moindres du nombre de Reynolds, par des mesures aérodynamiques en soufflerie et par des programmes d'essai sur piste réalisés avec divers collaborateurs et partenaires (et avec leur permission). On choisirait ensuite une échelle de modèle optimisée (entre ¼ et ½) pour les ensembles tracteur-remorque afin d'être muni des résultats les plus précis provenant d'une évaluation des technologies de réduction de la traînée.
  • Concevoir l'infrastructure pour tester des modèles à l'échelle de tracteurs et de remorques standards nord-américains (remorques fermées de 40 pi et 53 pi, plateformes, camions-citernes, ERL). Ces modèles permettraient d'évaluer un grand nombre de formes de carrosserie et de dispositifs/concepts de réduction de la traînée. Les modèles seraient conçus pour être utilisés avec le système de simulation de l'effet de sol dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. Ce système permettrait de réaliser des simulations correctes et importantes du mouvement relatif entre le véhicule, le vent terrestre et le sol.
  • Concevoir, élaborer et fabriquer un système de génération de turbulences pour obtenir des conditions représentatives rencontrées par les tracteurs semi-remorques dans des conditions routières réelles. On a démontré que la turbulence est un facteur important, habituellement négligé, quand on évalue le potentiel de réduction de la traînée offert par les nouvelles technologies. La section 11.3 décrit les exigences pour ce projet de développement.
  • Réaliser un programme d'essais dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC pour évaluer le rendement aérodynamique et, si possible, aéro-acoustique (voir la section 11.4) des dispositifs de réduction de la traînée et des ensembles de véhicules, en utilisant des véhicules lourds à l'échelle. Ce programme consisterait à évaluer le rendement des technologies de réduction de la traînée dans des conditions d'écoulement lisse et turbulent, avec et sans simulation du sol, afin d'établir une corrélation avec d'autres programmes d'essais en soufflerie qui ont déjà démontré certaines de ces technologies dans des conditions d'écoulement lisse, et avec une simulation minime, voire aucune, de l'effet du sol.
  • Diffuser les résultats et les recommandations touchant les combinaisons optimales de réduction de la traînée dans le contexte canadien, par le truchement de rapports et de présentations à l'industrie du camionnage lourd, dans des conférences et des réunions appropriées. Ces résultats seront plus représentatifs du potentiel de réduction de la consommation de carburant que même ceux obtenus avec les méthodes recommandées par les normes d'évaluation du rendement aérodynamique des véhicules lourds, maintenant requises par l'EPA.

Table des matières

Liste des figures

Liste des tableaux

Remerciements

Les auteurs voudraient remercier les membres de la bibliothèque du CNRC, l'ICIST-CNRC, qui ont effectué des recherches pour trouver les documents pertinents qui ont finalement formé l'ensemble de référence pour ce rapport.

1 Introduction

1.1 Objet

Le gouvernement du Canada étudie actuellement des moyens de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) dans tous les secteurs, y compris le transport, et il s'est engagé à élaborer des stratégies de réduction des GES qui sont alignées avec celles des États-Unis. La présente étude vise à mieux comprendre quels dispositifs, technologies ou pratiques sont applicables aux ensembles routiers composés d'un tracteur et d'une remorque et aux autocars afin de réduire la traînée aérodynamique, et donc les émissions de GES, sans nuire à l'utilité ou à la rentabilité des véhicules. En outre, il est intéressant de déterminer comment ces dispositifs peuvent influer sur les autres véhicules et les usagers de la route vulnérables qui sont à proximité des tracteurs semi-remorques ou des autocars.

Tous les travaux de recherche qui sont présentés dans le présent rapport n'ont pas été réalisés par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC). Le présent rapport est plutôt une compilation de travaux courants et pertinents réalisés dans le monde entier. Nous décrivons ici ces travaux afin de mieux comprendre les technologies qui seraient pertinentes pour l'industrie canadienne du camionnage, compte tenu de nos conditions climatiques, de notre réseau routier et du cadre réglementaire qui régit le transport.

1.2 Limitations

De nombreuses recherches font état d'une réduction de la traînée, exprimée en termes d'économies potentielles de carburant sur une année. Toutefois, il faut faire de nombreuses hypothèses au sujet de la vitesse du véhicule, de la distance qu'il a parcourue pendant l'année et de la consommation de base de carburant d'un moteur pour estimer la relation entre le coefficient de traînée (CD) et la consommation de carburant, quel que soit le véhicule. C'est pourquoi la majeure partie des données dans notre rapport sont présentées en termes de réduction de traînée, qui peut être mesurée directement comme valeur absolue sans que l'on doive incorporer des données ou des hypothèses au sujet du cycle de service. On peut ensuite calculer la réduction potentielle de consommation de carburant associée à la réduction de la valeur CD, pour des véhicules particuliers, si on comprend bien les paramètres opérationnels propres à ces véhicules.

2 Méthode

Les auteurs du présent rapport ont examiné la liste des projets actuels et précédents réalisés au CNRC et ils ont résumé les méthodes et les résultats de ces projets lorsqu'ils étaient pertinents. Les auteurs ont ensuite dressé une liste de critères de recherche qu'ils ont transmise aux documentalistes de l'ICIST du CNRC pour obtenir les données produites par les projets qui n'avaient pas été réalisés par le CNRC. Les documentalistes ont effectué ces recherches dans des revues techniques, des présentations et des articles scientifiques, et ils ont obtenu une copie électronique de tous les documents pertinents. Ces documents ont été ensuite envoyés au CTTS-CNRC où nous les avons examinés. L'information sur la réduction de la traînée provient de diverses sources et elle est résumée dans le présent rapport. En règle générale, les auteurs ont tenté d'expliquer chaque technologie ou produit et de présenter ou de calculer la réduction potentielle attendue du coefficient de traînée pour un véhicule routier type. Le cas échéant, les obstacles à l'acceptation de ces technologies ou produits par la communauté canadienne du camionnage sont expliqués afin de faire la distinction entre les technologies qui pourraient être utilisées, et celles qui ne gagneront vraisemblablement jamais en popularité en raison d'obstacles opérationnelles.

Les auteurs ont ensuite compilé les données et les faits découlant de ces recherches, et ils ont formulé des conclusions, présentées dans les pages qui suivent. Enfin, ils ont rédigé des recommandations au sujet des études futures qui, le cas échéant, pourraient être réalisées pour réfuter ou valider certaines des allégations relevées dans la recherche documentaire, ou pour déterminer des effets secondaires opérationnels négatifs, non publiés, dus à certains dispositifs ou à certaines technologies. Dans la mesure du possible, les recommandations ont été rédigées dans le but d'aider Transports Canada à évaluer quels produits et technologies offriraient le plus grand potentiel de réduction de la traînée, et quels essais seraient requis pour quantifier ces économies pour les véhicules, compte tenu du contexte canadien. Les produits et technologies peu intéressants en termes de réduction de la traînée, ou qui ont été jugés peu pratiques dans le contexte canadien, ont été exclus de la liste des produits et des technologies recommandés.

3 Théorie de l'aérodynamique des véhicules lourds

3.1 Aérodynamique des véhicules routiers

L'aérodynamique des véhicules routiers est une discipline compliquée et bon nombre des questions propres à ce domaine sont tout simplement à l'extérieur du cadre de ce projet. Toutefois, nous présentons dans ce chapitre quelques notions importantes pour l'industrie du transport, en particulier pour les poids lourds et les autocars, afin de familiariser le lecteur avec la terminologie et les concepts.

La discipline de l'aérodynamique traite du mouvement de l'air autour et au travers d'un corps, et des interactions associées à ce mouvement relatif entre l'air et le système du véhicule. Les propriétés aérodynamiques d'un véhicule routier comprennent les effets sur son rendement, sa tenue de route, sa sécurité et son confort[1]. Dans le contexte du présent rapport, le rendement est le facteur critique, en particulier l'effet de la traînée aérodynamique (c'est-à-dire les charges associées au mouvement du véhicule) et ses effets sur la consommation de carburant.

3.2 Comment un poids lourd consomme-t-il le carburant?

Le moteur du véhicule consomme du carburant pour permettre au véhicule d'avancer sur la route, et la puissance fournie par le moteur est répartie entre cinq charges principales, comme le montre le tableau 1. Tout dépendant du cycle de service du véhicule (p.ex., conduite urbaine à faible vitesse avec arrêts et démarrages fréquents, ou conduite sur route à vitesse de croisière constante), les contributions de ces cinq charges à la consommation de carburant changent entre elles leur proportion telles qu' indiquées dans le tableau 1. Par exemple, en milieu urbain, l'énergie dissipée par l'accélération et le freinage du véhicule représente la perte principale, tandis que sur la route, les pertes aérodynamiques sont prédominantes. Les véhicules hybrides légers, pourvus de systèmes de freinage à récupération d'énergie, représentent une bonne solution pour réduire la consommation de carburant en milieu urbain, approche qui est proposée pour les véhicules typiquement urbains comme les autobus de transport en commun [2]. Pour ce qui est des véhicules routiers, qui assurent le transport de la majeure partie des biens commerciaux, les pertes aérodynamiques, qui sont dissipatives et ne peuvent donc être récupérées, représentent la principale source de consommation d'énergie et de carburant. Il en va de même pour les autocars, qui circulent surtout entre les grands centres urbains, comme le montre le tableau 1, mais la proportion de pertes aérodynamiques est plus grande, en raison de la résistance au roulement moindre, car les autocars sont plus légers. La réduction des pertes aérodynamiques est un aspect important pour réduire la consommation de carburant.

Tableau 1– Répartition de l'énergie fournie par le moteur pour les tracteurs semi-remorques de classe 8 entièrement chargés (données adaptées de [2])
Source Milieu urbain Route
Groupe motopropulseur 10-15 % 5-10 %
Inertie, freinage, pente 35-50 % 0-5 %
Résistance au roulement 20-30 % 30-40 %
Pertes auxiliaires 15-20 % 2-10 %
Pertes aérodynamiques 10-25 % 35-55 %

La contribution en pourcentage de chacune de ces cinq catégories à la consommation de carburant varie d'un véhicule à l'autre, et aussi selon la vitesse, car les effets aérodynamiques ne sont pas linéaires, comme nous le décrivons à la section suivante. La consommation de carburant provenant des pertes internes est habituellement modélisée comme valeur constante, et les pertes dues à l'accélération, au freinage et à la pente peuvent être modélisées par l'intermédiaire d'un cycle de service.

3.3 Traînée aérodynamique

La traînée aérodynamique est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un fluide. La traînée aérodynamique varie selon le carré de la vitesse relative U¥ entre le véhicule et l'air environnant. Lorsqu'un véhicule se déplace dans l'air immobile, si on double la vitesse du véhicule, on quadruple environ la traînée aérodynamique. Lorsqu'il y a des vents terrestres qui ne sont pas alignés avec le mouvement du véhicule, les vents transversaux provoquent un angle de lacet non nul dû au vent par rapport à la direction de déplacement du véhicule. Pour les véhicules utilitaires lourds, comme les ensembles tracteur-remorque, l'augmentation du coefficient de traînée varie grandement avec l'angle de lacet. On calcule la traînée d'un véhicule à l'aide de l'équation suivante:

[1]

où:

  • FD est la traînée;
  • ρ est la densité de l'air;
  • U¥ est la vitesse de l'objet par rapport à l'air ambiant;
  • ψ¥ est l'angle de lacet efficace de l'air ambiant par rapport à l'axe de déplacement du véhicule;
  • C d¥) est le coefficient de traînée, qui varie avec l'angle de lacet;
  • A est la superficie frontale projetée du véhicule.

Pour tenir compte des vents de travers types, on peut définir un coefficient de traînée moyennée selon le vent, qui représente un coefficient de traînée moyen basé sur les vents prédominants pour une région donnée (la vitesse moyenne du vent en Amérique du Nord est de 11 km/h [7 mi/h]). Par souci de concision, nous ne présentons pas ici les détails mathématiques, mais on peut les trouver dans les références[1] et [3].

C'est la non-linéarité de la traînée par rapport à la vitesse du vent qui cause la différence des contributions aérodynamiques pour la consommation d'énergie entre le milieu urbain et le milieu routier, comme le montre le tableau 1. En règle générale, les pertes mécaniques dans le système varient linéairement avec la vitesse du véhicule. À 53 km/h, l'énergie requise pour vaincre la résistance mécanique est environ le double de ce qui est requis pour surmonter la traînée aérodynamique. À 80 km/h, l'énergie requise pour surmonter la traînée aérodynamique est à peu près égale aux pertes mécaniques et, aux vitesses plus élevées du véhicule, les pertes aérodynamiques dominent. Le tableau 2 indique les pertes qui contribuent à la consommation de carburant à diverses vitesses constantes (c.-à-d. sans accélération), en supposant une pente nulle, des pneus correctement gonflés, etc., et en supposant également que les pertes internes dues au groupe motopropulseur peuvent être modélisées par une fonction linéaire de la vitesse du véhicule.

Tableau 2 – Exemple de répartition de la consommation d'énergie à diverses vitesses (données adaptées de [2])
Vitesse du véhicule Pertes aérodynamiques Roulement et accessoires
32 km/h (20 mi/h) 28 % 72 %
53 km/h (33 mi/h) 33 % 66 %
64 km (40 mi/h) 36 % 64 %
80 km/h (50 mi/h) 50 % 50 %
96 km/h (60 mi/h) 62 % 38 %
105 km/h (65 mi/h) 67 % 33 %
113 km/h (70 mi/h) 70 % 30 %

Comme la traînée aérodynamique n'est que l'une des pertes contribuant à la consommation du carburant, il est important de comprendre ses effets sur la consommation globale de carburant. À 80 km/h, une réduction de 20 % de la traînée représente une réduction d'environ 10 % de la consommation de carburant. Ces économies de carburant augmenteront avec un accroissement de la vitesse, jusqu'à une valeur d'environ 15 % à 120 km/h. De tels exemples sont des simplifications exagérées, car les vraies valeurs dépendent des caractéristiques réelles des moteurs. Toutefois, ils démontrent comment les effets aérodynamiques influent sur la consommation de carburant à diverses vitesses du véhicule.

Dans l'équation 1 ci-dessus, le coefficient de traînée est représenté d'une manière simple sous forme de fonction de l'angle du vent seulement, c'est-à-dire la fonction . En réalité, le coefficient de traînée est fonction de plusieurs facteurs dépendant du véhicule et du milieu dans lequel il roule, comme suit:

Les principaux facteurs propres au véhicule qui influent sur le coefficient de traînée, notamment:

  • la conception du tracteur (de type classique ou aérodynamique, cabine de jour ou cabine couchette, etc.);
  • la configuration de la remorque (remorque fermée, plateforme, citerne, etc.);
  • la taille de l'écart entre le tracteur et la remorque;
  • les accessoires (rétroviseurs, déflecteurs, filtres à air externes, feux, jupes, etc.).

Les principaux facteurs propres au milieu qui influent sur le coefficient de traînée, notamment:

  • les propriétés de l'air ambiant (pression barométrique, température, humidité);
  • le vent terrestre (qui change avec l'altitude):
    • la vitesse,
    • la direction,
    • la turbulence (intensité, échelles de longueur, spectre).

Le présent rapport vise à documenter et à recommander des dispositifs et des techniques qui permettent de réduire la traînée moyennée en fonction du vent des véhicules lourds. La traînée moyennée en fonction du vent est le paramètre le plus important pour évaluer la traînée du véhicule, car certaines technologies de réduction de la traînée améliorent le rendement aérodynamique seulement pour un sous-ensemble d'angles du vent (habituellement centré autour d'un lacet nul) et, par conséquent, une mesure moyennée des conditions éoliennes représentatives est plus pertinente et plus précise.

La traînée qui agit sur un objet en déplacement possède deux composantes:

  • la traînée de pression, qui est la composante de la traînée qui agit dans la direction du mouvement, et qui est le résultat des forces de pression agissant sur le corps;
  • la traînée de frottement qui est la composante de la traînée qui agit parallèlement à une surface et qui est le résultat des effets du cisaillement et de la viscosité dans l'écoulement adjacent à la surface du corps.

Pour les véhicules lourds comme les ensembles tracteur-remorque et les autocars, la traînée de pression est la composante dominante due aux grandes surfaces perpendiculaires à la direction d'écoulement principale, ainsi qu'au sillage important causé par la forme plate de l'extrémité arrière de ces véhicules. Les forces de pression qui agissent sur les faces avant et arrière du véhicule, ainsi que dans la région de l'écart entre le tracteur et la remorque, sont dominantes. Les grands espaces vides sous le châssis des ensembles tracteur-remorque contribuent également à la traînée de pression. Les flux d'air de refroidissement qui circulent dans le compartiment moteur du véhicule sont également dominés par des effets de traînée de pression.

Bien que la traînée de frottement se produise le long des surfaces externes des véhicules lourds, particulièrement sur les côtés et le dessus des autocars et des remorques, sa contribution à la traînée globale est faible (10 % ou moins [4]) et cette composante est peu intéressante en termes de technologies de réduction de la traînée. À la différence des aéronefs dont le fuselage est aérodynamique et pour lesquels la traînée de frottement est la contribution dominante, l'aérodynamique des véhicules routiers vise surtout à réduire la traînée de pression et, par conséquent, l'importante masse de connaissances acquises sur la réduction de la traînée des aéronefs n'est pas applicable telle quelle aux véhicules routiers et aux industries du transport terrestre.

Tous les ensembles routiers sont différents, mais en termes généraux, pour un angle de lacet nul, la traînée exercée sur le tracteur représente environ 70 % de la traînée totale, et la remorque compte pour les 30 % restants de traînée. Toutefois, à des angles de lacet qui dépassent 5 degrés, la traînée du tracteur augmente très peu, alors que celle de la remorque augmente de manière appréciable, au point où elle peut dépasser celle du tracteur[1].

Outre les économies de carburant, la réduction de la traînée présente d'autres avantages, notamment une meilleure stabilité aérodynamique et la réduction des éclaboussures.

3.4 Effet du climat canadien sur la traînée

La densité de l'air est un autre facteur qui influe sur la traînée, comme le montre l'équation 1. Lorsque la température diminue, la densité de l'air augmente, ce qui accroît la traînée sur le véhicule. Cela peut provoquer des modifications importantes dans la traînée exercée sur les véhicules dans des climats comme ceux du Canada, où des différences de température de 60 °C peuvent se produire dans une même région, entre juillet et février. Le tableau 3 illustre l'augmentation approximative de la traînée à diverses températures, par rapport à la température de référence de +15 °C.

Tableau 3 – Augmentation en pourcentage de la traînée à diverses températures
Température ( °C) Augmentation de la traînée ( %)
+15 0
0 5,5
-15 11,6
-30 18,5

Dans les climats froids canadiens, la traînée aérodynamique en hiver peut être de près de 20 % supérieure à celle que l'on mesure dans les conditions normales, en raison de la densité de l'air ambiant. Dans le cas des tracteurs semi-remorques et des autocars, cette traînée accrue se traduit par une augmentation d'environ 10 % de la consommation de carburant par rapport à la température de référence, ce qui démontre encore plus l'importance des stratégies de réduction de la traînée aérodynamique pour le climat canadien.

3.5 Bref historique de l'aérodynamique des véhicules lourds

Les récentes évaluations des technologies de réduction de la traînée des ensembles tracteur-remorque ont porté sur les dispositifs de réduction de la traînée de deuxième génération. Les dispositifs de réduction de la traînée de première génération, mis au point dans les années 1970 et 1980, consistaient essentiellement en des dispositifs aérodynamiques pour le tracteur. Les carénages de toits et de pare-chocs, les déflecteurs et les jupes de remorque étaient les principales technologies qui ont mené aux actuels «tracteurs aérodynamiques», qui sont devenus le modèle dominant pour les constructeurs de tracteurs. Ces technologies permettent une réduction de la traînée aérodynamique de l'ordre de 30 % par rapport aux tracteurs de conception «classique» [5]. Ces techniques de première génération ont également été appliquées dans une certaine mesure aux autocars afin de minimiser la traînée de pression à l'extrémité avant de ces véhicules.

Pour les tracteurs semi-remorques, les technologies de réduction de la traînée de deuxième génération visent surtout à réduire la traînée associée à la remorque, ainsi que les interactions aérodynamiques entre le tracteur et la remorque. En 2005 et en 2006, dans le cadre d'une collaboration entre le CNRC et le département américain de l'Énergie (DOE), le CNRC a évalué plusieurs de ces dispositifs de deuxième génération disponibles sur le marché afin de démontrer leur efficacité pour réduire la consommation de carburant et pour évaluer la période d'attente pour un retour sur investissement de ces dispositifs [6], [7]. Les essais ont été réalisés sur un ensemble tracteur-remorque à pleine échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC, avec des remorques de 28 et de 40 pi. Ces essais ont porté sur trois zones importantes des technologies de réduction de la traînée de deuxième génération, à savoir:

  • l'écart tracteur-remorque;
  • le sous-châssis de la remorque et du bogie;
  • la base de la remorque.

Depuis la publication des résultats de ces études, certaines de ces technologies ont été introduites et utilisées dans l'industrie du transport en Amérique du Nord. Maintenant, on voit fréquemment des jupes latérales sur les remorques des ensembles routiers. La technologie des rétreints fait son entrée sur le marché et les compagnies de camionnage sont en train de les évaluer. Nous décrirons plus en détail ces diverses technologies dans les chapitres suivants du rapport. Nous décrirons aussi plusieurs autres technologies proposées, et nous présenterons une évaluation de leur impact potentiel sur l'industrie du transport.

Pour ce qui est des autocars, les progrès dans la réduction de la traînée aérodynamique sont moins importants, et ces technologies ont été mises au point essentiellement par des procédés exclusifs aux constructeurs d'autocars. Bon nombre des leçons apprises par la réduction de la traînée des tracteurs semi-remorques sont applicables à l'aérodynamique des autocars.

3.6 Programmes récents, résultats et recommandations

Il existe un large éventail de technologies actuellement disponibles ou en cours de développement qui permettraient de réduire grandement la traînée des tracteurs semi-remorques. Au cours des dernières années, plusieurs programmes au Canada, aux États-Unis et en Europe ont évalué les dispositifs de réduction de la traînée pour l'industrie du transport. Voici une description des programmes qui ont fourni la plupart des résultats utilisés pour la préparation du présent document.

  • Le département de l'Énergie des États-Unis (DOE) a financé les technologies de réduction de la traînée des véhicules lourds pendant près d'une décennie, par le truchement de divers programmes. Le «DOE Consortium for Heavy Vehicle Aerodynamic Drag Reduction» a publié bon nombre de ses résultats en 2006, et il était financé par le programme du département de l'Énergie «Energy Efficiency and Renewable Energy – FreedomCAR and Vehicle Technologies Program». Le CNRC a collaboré à ce programme. Un récent programme d'essai en soufflerie à pleine échelle a été réalisé au National Full-Scale Aerodynamics Complex (NFAC) du Centre de recherches Ames, dans le cadre du programme «Energy Efficiency and Renewable Energy – Vehicle Technologies» du DOE. Ces programmes consistent en partenariats entre le gouvernement, les fabricants et les exploitants américains [8], [9].
  • La contribution du CNRC au Consortium du DOE ci-dessus faisait partie d'un partenariat canadien regroupant le CNRC, Ressources naturelles Canada (RNCan) et l'Alliance canadienne du camionnage (ACC). Ce programme appelé «Programme de réduction des émissions et du carburant pour les camions» consistait en essais à soufflerie à petite échelle, en essais à soufflerie à pleine échelle, et en essais sur piste des dispositifs de réduction de la traînée de deuxième génération qui étaient disponibles à ce moment [6],[7].
  • Le programme Smartway de l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis certifie les véhicules à faibles émissions et à faible consommation de carburant utilisés dans l'industrie du transport. Ce programme fait la promotion des véhicules et des dispositifs dont le rendement en ce sens a été démontré [10].
  • En vertu des lois américaines Clean Air Act et Energy Independence Security Act of 2007, l'EPA et la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) ont reçu le mandat d'élaborer un programme national visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation de carburant pour les camions lourds et de poids moyen. Environnement Canada a été un observateur et un collaborateur proche de l'EPA dans ce programme, et l'IRA du CNRC a été chargé d'étudier les aspects aérodynamiques des camions lourds, dans le cadre de la collaboration [11], [12], [13].
  • Le programme Platform for Aerodynamic Road Transport (PART) est un partenariat hollandais regroupant le secteur universitaire, les constructeurs et les exploitants. Il vise à mettre au point des technologies pour réduire de 20 % d'ici 2020 la consommation de carburant et les émissions dans le secteur du transport routier [14].

Un rapport récent de la National Academy of Sciences (NAS) des États-Unis a documenté les technologies actuelles et émergentes de réduction de la consommation de carburant des véhicules utilitaires lourds et de poids moyen [2]. Ce rapport a constitué en partie la base des nouveaux règlements de l'EPA et de la NHTSA au sujet de la consommation de carburant et des émissions de ces véhicules, en vertu des lois américaines Clean Air Act et de la Energy Independence and Security Act of 2007 [15]. Les règles définitives régissant ce programme sont entrées en vigueur en novembre 2011 et elles constituent le cadre réglementaire à l'intérieur duquel les constructeurs de véhicules et de moteurs de grande puissance et de puissance moyenne doivent respecter la Clean Air Act à partir de l'année modèle 2014, et s'y conformer entièrement d'ici l'année modèle 2016. En ce qui concerne l'effet de l'aérodynamique sur la consommation de carburant, les constructeurs devront indiquer la traînée aérodynamique de leurs véhicules, établie d'après une méthode normalisée.

Le rapport de la NAS présente quatre conclusions principales sur les technologies aérodynamiques de réduction de la consommation de carburant pour les véhicules utilitaires lourds et moyens, que nous résumons ci-dessous:

  • les charges aérodynamiques sont dominantes aux vitesses de croisière sur route, et les technologies de réduction de la traînée présentent peu d'intérêt pour les activités à faible vitesse;
  • sur un tracteur semi-remorque, les quatre zones principales jugées critiques pour les améliorations aérodynamiques sont:
    • le profilage aérodynamique du tracteur,
    • la gestion de l'écoulement de l'air autour de l'écart tracteur-remorque,
    • la gestion de l'écoulement de l'air sous la remorque,
    • la gestion de l'écoulement de l'air à l'arrière de la remorque;
  • d'ici l'horizon 2015 à 2020, les technologies de réduction de la traînée pourraient améliorer la consommation de carburant des tracteurs semi-remorques de 15 % pour les véhicules roulant à 104 km/h (65 mi/h). Cependant, les avantages sont moins importants pour les autres classes de véhicules;
  • la tolérance aux dommages en cours d'utilisation et le coût des réparations constituent des obstacles importants à l'acceptation des technologies de réduction de la traînée.

La recommandation principale du rapport de la NAS au sujet de la réduction de la traînée aérodynamique est la suivante: on devrait évaluer ces technologies en utilisant la traînée moyennée en fonction du vent, afin de tenir compte du régime éolien terrestre type. Le rapport recommande également que soient homologués les résultats de mesure du coefficient de traînée selon une méthode d'évaluation normalisée. L'EPA et la NHTSA ont adopté cette dernière recommandation dans leurs nouvelles règles en normalisant une méthode commune d'évaluation aérodynamique (essais de décélération en roue libre, voir la section 11.2), que les constructeurs doivent utiliser pour indiquer les coefficients de traînée de leurs véhicules. Les règles permettent aux constructeurs d'utiliser d'autres méthodes d'évaluation, comme celles sur lesquelles ils ont basé leurs programmes de développement, pourvu qu'ils puissent démontrer leur corrélation avec les méthodes normalisées, aux fins de vérification. La principale recommandation du rapport – l'utilisation de la traînée moyennée en fonction du vent – n'a pas été entièrement mise en œuvre dans les nouvelles règles. Seuls les résultats du coefficient de traînée par lacet nul doivent être rapportés. Toutefois, les fabricants d'équipement d'origine (OEM) sont autorisés à déterminer le coefficient de traînée pour des angles de lacet différents (c.-à-d. un ajustement sur une plage d'angles de lacet) afin d'améliorer leur rendement en matière de GES. En outre, ces fabricants peuvent générer des crédits de GES additionnels pour les technologies novatrices qui réduisent la traînée dans des conditions de vent de travers et qui ne peuvent pas être mesurées à l'aide des procédures d'essai prescrites.

3.7 Critères d'évaluation des technologies de réduction de la traînée

Les résultats de la recherche bibliographique que nous avons examinés corroborent les résultats obtenus par le CNRC au cours de divers programmes de recherche portant sur l'aérodynamique des véhicules routiers et d'après les consultations avec des collaborateurs et des partenaires qui représentent les exploitants et les constructeurs de camions et d'autocars. En règle générale, l'application de toute technologie de réduction de la traînée doit être tempérée par le besoin de préserver le caractère pratique, légal et utilisable du véhicule. Pour qu'une technologie aérodynamique soit acceptée par l'industrie, elle doit répondre aux critères suivants:

  • réduire la consommation de carburant de manière mesurable;
  • être rentable et offrir un retour raisonnable sur investissement (la définition de «raisonnable» varie d'un exploitant à l'autre);
  • être relativement facile à installer et à entretenir;
  • avoir peu d'effet sur les activités sur route et autour des quais de chargement;
  • ne pas enfreindre la réglementation fédérale, provinciale ou locale existante.

Dans les sections 4 à 8, nous présentons divers dispositifs et technologies qui peuvent être utilisés pour réduire la traînée aérodynamique des véhicules de transport lourds et des autocars. Nous présentons les avantages et les inconvénients relatifs de chaque technologie, ainsi que leur pertinence pour l'industrie canadienne du camionnage. Dans la mesure du possible, la réduction du coefficient de traînée est présentée de façon quantitative, ainsi que tout facteur qui doit être pris en compte pour obtenir ces résultats énoncés ou testés. Les sections 10 et 11 traitent des méthodes d'évaluation du rendement aérodynamique des véhicules lourds.

4 Ensembles routiers longs (ERL)

4.1 Situation actuelle

Les ensembles routiers longs (ERL) sont des véhicules comportant un tracteur qui tire deux remorques pleine longueur, selon deux configurations: le train A avec barre d'attelage ou le train B avec sellette d'attelage. Ils diffèrent des trainsB canadiens habituels en ce que la longueur totale de l'ensemble routier peut atteindre 40 m, avec une longueur maximale de 11,5 m pour chaque remorque. Cette configuration diffère également des véhicules classiques, dans lesquels un tracteur tire une remorque de 14,65 m (53 pi), ou d'un train B composé d'un tracteur tirant une remorque de tête et une remorque d'appoint pour une longueur maximale totale de 25 m (82 pi). Une différence additionnelle est le nombre d'essieux. Un ERL compte habituellement un essieu directeur, un jeu d'essieux moteurs et trois essieux de remorque, pour un total de 11 essieux et cinq groupes d'essieux, tandis que les deux véhicules qu'il remplace ont ensemble deux essieux directeurs, deux jeux d'essieux moteurs et deux jeux d'essieux de remorque pour un total de 12 essieux (en supposant que les essieux de remorque sont en tridem) et six groupes d'essieux. De nombreuses restrictions et conditions opérationnelles régissent l'utilisation des ERL en Ontario, dont la plupart dépassent la portée du présent document, mais elles sont décrites sur le site Web du ministère des Transports de l'Ontario (MTO) [16].

La Figure 1 présente un exemple d'ERL avec train A, et la Figure 2, les deux véhicules qu'il remplace.

La figure 1 montre un ensemble routier long (ERL) avec un tracteur et deux remorques rattachées l'une derrière l'autre.

Figure 1 – Illustration d'un ensemble routier long (ERL)

La figure 2 montre les deux ensembles tracteur-remorque remplacés par l'ERL tel que montré à la figure 1 La figure 2 montre les deux ensembles tracteur-remorque remplacés par l'ERL tel que montré à la figure 1

 

Figure 2 – Illustration des deux véhicules remplacés par un ERL

Les ERL ont été mis au point à l'origine et autorisés à rouler sur les routes provinciales pour permettre aux exploitants de transporter plus de marchandise par tracteur, et donc par chauffeur. Cette approche réduit également la congestion de la circulation jusqu'à un certain point, car chaque ERL est plus court que les deux tracteurs semi-remorques bout à bout d'une longueur égale à celle du deuxième tracteur, et de la distance entre les deux véhicules, comme on le voit à la figure 2. Toutefois, l'un des autres avantages des ERL est la réduction des émissions de gaz à effet de serre et de la consommation de carburant, car un seul tracteur (même s'il est pourvu d'un moteur plus puissant) est requis pour tirer deux remorques, au lieu de deux tracteurs.

Dans le cas des ERL, on doit faire une distinction entre les deux types de traînée exercée sur une remorque lourde: la traînée de pression et la traînée de frottement (voir la section 3.3). Comme un ERL comprend deux remorques, on peut soutenir que la traînée de frottement sera approximativement la même pour un ERL et les deux véhicules qu'il remplace. On peut aussi faire valoir que la traînée due à l'écart entre la première et la deuxième remorque sera similaire à la traînée due à l'écart entre le tracteur et la remorque dans un ensemble classique. Toutefois, l'ERL a un seul devant plat et une seule extrémité arrière plate exposés à l'écoulement libre de l'air, tandis que les deux véhicules qu'il remplace ont deux devants plats et deux arrières plats. Par conséquent, la composante de la traînée due au corps plat (traînée de pression) est réduite d'environ la moitié de ce qu'elle est pour les deux véhicules. Comme la traînée de pression représente 90 % de la traînée totale, le fait de réduire la traînée de pression a aussitôt un effet important sur la traînée globale de l'ensemble routier.

Les ERL sont autorisés à rouler en Ontario et au Québec dans le cadre d'un programme pilote visant à évaluer leur efficacité et leur sécurité dans des conditions idéales et moins risquées que celles des véhicules classiques. Pour faire des comparaisons équitables entre les ERL et les véhicules classiques, il est important de tenir compte de quelques restrictions imposées aux ERL:

  • Les ERL sont limités à un poids nominal brut de 63 500 kg et, par conséquent, ils ne peuvent pas transporter le même chargement que les deux remorques qu'ils remplacent. Pour cette raison, les compagnies de camionnage ont tendance à utiliser les ERL pour transporter des marchandises qui remplissent les remorques à leur pleine capacité volumétrique avec une faible densité de chargement (c.-à-d. «du chargement qui prend de la place»), plutôt que chercher à maximiser la masse;
  • en Ontario, les ERL sont limités à une vitesse maximale de 90 km/h, tandis que la plupart des véhicules lourds classiques roulent à des vitesses comprises entre 95 et 103 km/h.

Par conséquent, comme les ERL sont plus légers et roulent plus lentement qu'un tracteur semi-remorque classique, la comparaison directe des frais d'exploitation actuels et de la consommation de carburant favoriserait artificiellement les ERL. De plus, il faudrait formuler certaines hypothèses pour faire des comparaisons directes, afin d'évaluer correctement le rendement aérodynamique des deux types de véhicules, car il est probable que les restrictions imposées aux ERL pourraient éventuellement être levées, ce qui réduirait quelque peu leur attrait pour la réduction de la consommation de carburant.

Le terrain et la pente sont deux autres facteurs dont on doit tenir compte. En Ontario, les ERL roulent presque toujours sur des routes à chaussées séparées qui sont essentiellement planes et de niveau. Comme les pentes sont relativement faibles, les moteurs des tracteurs peuvent être moins puissants que ceux des tracteurs des ERL qui roulent dans des régions montagneuses, comme en Colombie-Britannique. En pourcentage, les économies de carburant des ERL par rapport aux deux véhicules classiques remplacés seraient donc moindres lorsque les ERL circulent dans des régions montagneuses, car ces tracteurs doivent être équipés de moteurs puissants et en plus les vitesses sont moins élevées. Un ERL consommera quand même moins de carburant que deux véhicules, mais la réduction en pourcentage sera plus faible.

Ressources naturelles Canada fait état d'économies de carburant possibles [17] atteignant 39 % grâce à l'emploi des ERL par rapport à deux tracteurs semi-remorques classiques.

De nombreux sites Web du gouvernement présentent l'ampleur des économies de carburant potentielles grâce à l'utilisation des ERL par rapport aux tracteurs semi-remorques classiques. Toutefois, les sites Web ne décrivent pas en détail les économies en termes de résistance au roulement, d'aérodynamique, ni du besoin d'utiliser des moteurs plus puissants sur les ERL pour tirer la deuxième remorque.

4.2 Études théoriques

Dans une étude réalisée en Suède, Martiniet coll. [18] ont tenté de quantifier la traînée aérodynamique à divers endroits d'un ensemble routier européen, par rapport à un tracteur semi-remorque classique. Ils ont mis au point six véhicules modèles pour leur étude, le modèle no1 étant le véhicule de référence, et les autres étant des variantes des camions porteurs, des diabolos convertisseurs à simple timon, de remorques complètes et de semi-remorques. Bon nombre de ces modèles sont propres au marché européen et nous n'en traitons pas dans ce rapport, mais les modèles nos 1 et 6 sont très similaires aux véhicules nord-américains et sont donc pertinents pour l'étude des ERL, exception faite de l'essieu moteur simple sur le tracteur qui, en Amérique du Nord, serait plutôt remplacé par un essieu moteur tandem pour les véhicules de cette taille.

Les deux modèles de véhicules sont décrits dans le tableau 4 et illustrés à la Figure 3 et à la Figure 4.

Tableau 4 – Spécifications des véhicules dans l'étude de Martini et coll.
  Modèle1 Modèle6
Longueur hors tout 16,50 m 25,25 m
Nombre de remorques 1 2
Nombre d'essieux 5 7
Taille de l'écart no1 0,650 m 0,955 m
Taille de l'écart no2 s.o. 0,650 m

Comme la traînée aérodynamique est tributaire de l'angle de lacet, c'est-à-dire l'angle que fait le vent par rapport au véhicule, l'équipe a réalisé des simulations à des valeurs de lacet de 0 et de 5 degrés, et a obtenu des résultats moyennés selon les deux angles de lacet. Selon les résultats de l'étude, le modèle no6 présente un CD qui était seulement 0,05 plus élevé que le véhicule classique à 0 degré, et de 0,13 plus élevé à un angle de lacet de 5 degrés. La plupart des ensembles tracteur-remorque présentent un CD entre 0,5 et 0,6. Par conséquent, la valeur additionnelle de 0,05 du CD pour les ERL à un angle de lacet nul est de seulement 10 % de ce qu'aurait présenté le deuxième ensemble tracteur-remorque, tandis qu'à un angle de lacet de 5 degrés, cette augmentation serait de seulement 22 %. Comme prévu, l'équipe a constaté une relation entre la longueur du véhicule et la sensibilité aux angles de lacets. En d'autres mots, plus le véhicule est long, plus la traînée est tributaire des vents de travers.

Un autre résultat intéressant de l'étude est la contribution en pourcentage de la traînée de frottement et de pression. Comme nous l'avons indiqué à la section 3.3, de 90 % à 95 % de la traînée sur un tracteur semi-remorque est dû à la traînée de pression. Cependant, avec l'augmentation de la longueur du véhicule, la contribution en pourcentage à la traînée globale due à la traînée de frottement augmente légèrement, car il y a beaucoup plus de surface plane alignée avec le vent, mais le devant plat du véhicule demeure inchangé. L'étude a conclu que la contribution en pourcentage de la traînée de pression sur le véhicule de base était de 93,3 %, tandis qu'elle était de 91,7 % sur un ERL. Ces chiffres sont importants, car ils indiquent qu'avec l'augmentation de la longueur du véhicule, les stratégies visant à réduire la traînée de frottement deviennent plus efficaces pour réduire la consommation de carburant. Toutefois, il est manifestement encore plus bénéfique de réduire la traînée de pression, peu importe la configuration du véhicule. Les auteurs de l'étude concluaient que certaines combinaisons de véhicules peuvent présenter un accroissement de 40 % de la traînée de frottement, avec une augmentation correspondante de seulement 8 % de la traînée de pression. Toutefois, les 40 % en question s'appliquent à un très petit chiffre, tandis que les 8 % s'appliquent à un très grand chiffre, mais le fait demeure que l'augmentation de la longueur du véhicule accroît la pertinence des stratégies de réduction de la traînée de frottement.

Après avoir étudié la traînée globale, l'équipe a analysé la traînée en divers endroits des ensembles routiers, particulièrement autour des écarts entre les remorques. La largeur de l'écart entre les remorques de tête et de queue joue un rôle important dans la traînée subie par l'ensemble routier, particulièrement à des angles de lacet élevés.

La figure 3 montre le modèle №1, un ensemble tracteur-remorque de type européen. Le tracteur dispose d'une cabine avancé et d'un seul essieu moteur

Figure 3 – Modèle no1: tracteur semi-remorque classique

La figure 4 montre le modèle № 6, un ensemble routier long (ERL) européen composé de deux remorques attachées l'une à l'arrière de l'autre et tiré par un tracteur muni d'une cabine avancée et d'un seul essieu moteur.

 

Figure 4 – Modèle no6: ensemble routier long (ERL)

Toutefois, la plupart des exploitants ne s'intéressent pas directement à la traînée. Ce qui les intéresse, c'est l'effet que la réduction de la traînée aura sur leurs activités, c'est-à-dire sur la réduction de la consommation de carburant. Les études de cas suivantes décrivent les effets de la traînée sur les ERL en ce qui concerne la consommation de carburant, et donc les coûts du carburant.

Les calculs sont basés sur l'hypothèse suivante: deux tracteurs semi-remorques parcourent chacun 100 000 km par année à une vitesse constante de 100 km/h, et chacun tire une semi-remorque de 53 pieds. La consommation moyenne de carburant des deux véhicules, affichée sur le site Web de RNCan [17], est censée être de 40 L/100 km. Un troisième véhicule est utilisé aux fins de comparaison: un ERL consistant en un tracteur et deux remorques complètes, reliés en configuration de train B. Les calculs sont basés sur l'hypothèse qu'à une vitesse de 100 km/h, les effets aérodynamiques sont responsables de 50 % de la consommation de carburant d'un tracteur semi-remorque routier. En se basant sur l'étude de Martini [18], on suppose que le coefficient de traînée de l'ERL est seulement de 10 % supérieur au coefficient pour le tracteur et la remorque classiques à un angle de lacet nul et de 22 % supérieur à un angle de lacet de 5 degrés. De plus, en utilisant les données du ministère des Transports de la Colombie-Britannique, on suppose que l'ERL consommera 39 % moins de carburant que les deux tracteurs semi-remorques classiques combinés. On suppose également que le rendement du moteur et toutes les pertes parasites comme la climatisation et les accessoires électriques seraient relativement similaires entre l'ERL et les camions classiques.

Le tableau 5 illustre la répartition estimée de la consommation de carburant pour les deux types de véhicules à un angle de lacet dû au vent de 5 degrés, étant donné qu'un tracteur et une remorque, pour une année entière, seront soumis à un lacet non nul, moyenné selon le vent.

Tableau 5 – Comparaison de la consommation de carburant entre l'ERL et un véhicule classique àun angle de lacet de 5 degrés
  Tracteurs semi-remorques classiques ERL
Tracteur no1 Tracteur no2 Tracteurs no1 + no2
Distance parcourue 100 000 km 100 000 km 200 000 km 100 000 km
Carburant consommé 40 000 L 40 000 L 80 000 L 56 800 L
Carburant consommé par les pertes aérodynamiques 20 000 L 20 000 L 40 000 L 24 400 L
Carburant consommé par les pertes par roulement 20 000 L 20 000 L 40 000 L 32 400 L

4.3 Allégations des fabricants

Les ensembles routiers longs (ERL) ne sont pas un produit comme tel. Par conséquent, il est difficile pour les constructeurs de présenter des données pertinentes sur leur rendement. Toutefois, des groupes d'utilisateurs comme l'Ontario Trucking Association (OTA) ont appuyé l'utilisation des ERL pour diverses raisons, notamment les économies de carburant potentielles dues à une réduction des effets aérodynamiques.

4.4 Préoccupations opérationnelles

Le déchargement de la remorque avant constitue la plus importante préoccupation opérationnelle des exploitants qui désirent utiliser des camions ERL. À la différence d'une remorque-citerne, qui peut être déchargée par diverses ouvertures sur le côté de la remorque, la semi-remorque fourgon d'un ERL doit être déchargée par les portes arrière. Toutefois, les portes arrière de la remorque de tête d'un ERL sont bloquées par la face avant de la deuxième remorque, ce qui oblige le chauffeur à décrocher la deuxième remorque pour décharger ou charger la remorque de tête. Les exploitants qui veulent profiter des avantages offerts par les ERL doivent donc tenir compte de cet aspect quand ils planifient leurs calendriers de livraison et de ramassage. Ces problèmes peuvent être atténués si on utilise des gares de triage spéciales près des dépôts, où le chauffeur peut laisser sa remorque d'appoint, ou encore si on emploie des remorques pourvues de rideaux latéraux pour le chargement et le déchargement. Bien que cette configuration ne soit pas courante, la combinaison d'une remorque-citerne en position de tête avec une semi-remorque fourgon en position de queue peut également réduire les retards de chargement et de déchargement.

Une autre préoccupation est la perception des conducteurs de voiture, qui doivent circuler autour des ERL qui sont beaucoup plus longs que les véhicules qu'ils remplacent, et 15 m plus longs que les trainsB qui sont acceptés par la plupart des chauffeurs comme la norme sur les routes canadiennes, et même dans les centre-ville dans le cas des camions-citernes qui livrent l'essence.

4.5 Conclusions

Selon les résultats d'une étude, le coefficient de traînée d'un ensemble routier long (ERL) tirant deux remorques dépasse d'à peine 0,05 celui d'un véhicule classique tirant une remorque avec un angle de lacet dû au vent de 0 degré. Cette valeur augmente à 0,13 pour un angle de lacet de 5 degrés. Par conséquent, en ajoutant une deuxième remorque pour former un ERL et en doublant la capacité de chargement, on obtient une augmentation très modeste du coefficient de traînée d'environ 10 % à un angle de lacet de 0 degré et de 22 % à un angle de lacet de 5 degrés, par rapport à un ensemble à remorque unique. En d'autres termes, le coefficient de traînée d'un ERL est à peine plus de la moitié de la somme de la traînée des deux véhicules qu'il remplace lorsque l'angle du vent est de 0 degré.

Avec l'augmentation de la longueur du véhicule, la contribution en pourcentage à la traînée globale due à la traînée de frottement augmente légèrement, car il y a beaucoup plus de surface plane alignée avec le vent, mais le devant plat du véhicule demeure inchangé. Une étude a conclu que la contribution en pourcentage de la traînée de pression sur le véhicule de base était de 93,3 %, tandis qu'elle était de 91,7 % sur un ERL. Ces chiffres sont importants, car ils indiquent qu'avec l'augmentation de la longueur du véhicule, les stratégies visant à réduire la traînée de frottement deviennent plus efficaces pour réduire la consommation de carburant. Toutefois, il est manifestement encore plus bénéfique de réduire la traînée de pression, peu importe la configuration du véhicule. Les auteurs d'une étude [18] concluaient que certaines combinaisons de véhicules peuvent présenter un accroissement de 40 % de la traînée de frottement, avec une augmentation correspondante de seulement 8 % de la traînée de pression. Toutefois, les 40 % en question s'appliquent à un très petit chiffre, tandis que les 8 % s'appliquent à un très grand chiffre, mais le fait demeure que l'augmentation de la longueur du véhicule accroît la pertinence des stratégies de réduction de la traînée de frottement et a beaucoup moins d'effet sur la traînée de pression.

La largeur de l'écart entre les remorques de tête et de queue joue un rôle important dans la traînée subie par l'ensemble routier, particulièrement à des angles de lacet élevés.

On estime qu'un ERL consommerait environ 23 200 de litres de moins de carburant par rapport à deux véhicules classiques, en supposant qu'il parcourt une distance annuelle de 100 000 km à une vitesse de croisière sur la route.

4.6 Aspects nécessitant un complément d'étude

On peut réduire grandement la traînée de pression en utilisant des ERL, et ces réductions sont bien documentées et comprises dans le cas des véhicules européens pour des angles de lacet fixes. Toutefois, il y a très peu de données au sujet des ERL nord-américains soumis à des angles de lacet variables dus au vent correspondant à une valeur annuelle de la traînée moyennée selon le vent. À la suite du projet pilote du MTO, les avantages et les inconvénients économiques et opérationnels des ERL sont bien compris.

Il est possible de diminuer davantage, mais de manière incrémentale la traînée d'un ERL. Il y aurait lieu d'étudier davantage des ERL canadiens afin de mieux comprendre la relation entre la largeur de l'écart et la traînée, pour démontrer si les dispositifs actuellement conçus pour être installés dans l'écart entre le tracteur et la remorque d'un ensemble classique seraient également utilisables entre les deux remorques d'un ERL. Le cas échéant, quelle configuration conviendrait le mieux afin d'optimiser la réduction de la traînée entre les deux remorques d'un ERL. Cette étude pourrait porter sur les deux largeurs des écarts afin de quantifier l'effet incrémentiel d'un dispositif d'appoint, par rapport aux réductions importantes qui seraient obtenues avec la suppression de l'un des tracteurs. Une étude comme celle de Cooper et Leuschen [6] pourrait être réalisée, dans le cadre de laquelle on ajouterait séquentiellement divers écrans d'écart, jupes latérales et rétreints sur l'ERL pour déterminer si les effets de ces dispositifs sur les ensembles routiers longs sont similaires à ce que l'on constate sur les véhicules classiques.

5 Rétroviseurs vidéo

5.1 Situation actuelle

La Norme de sécurité des véhicules automobiles du Canada (NSVAC) 111 stipule que tous les tracteurs routiers doivent être équipés de rétroviseurs latéraux, des deux côtés du véhicule, avec une surface réfléchissante d'au moins 325 cm2 (50 po2). Cet article énonce de nombreuses autres exigences physiques portant sur la réflectivité et la courbure des rétroviseurs, qui sortent toutes du mandat du présent document, car elles n'influent pas sur l'aérodynamique globale des rétroviseurs.

Toutefois, on constate une augmentation importante et mesurable de la traînée aérodynamique du véhicule causée par l'ajout des rétroviseurs latéraux obligatoires, selon la NSVAC 111. Comme les rétroviseurs se trouvent dans la zone d'écoulement d'air et dans la section plate de la carrosserie, ils constituent le principal facteur de pertes aérodynamiques.

Les progrès technologiques permettent de remplacer les rétroviseurs par des caméras, ce qui réduit grandement la traînée aérodynamique. Toutefois, au moment de la rédaction du présent rapport, il était illégal de retirer les rétroviseurs sur un tracteur routier au Canada. Par conséquent, les caméras pourraient, au mieux, être utilisées comme systèmes de vision complémentaires.

5.2 Études théoriques

Une étude réalisée en 2006 [7] par l'Institut de recherche aérospatiale du Conseil national de recherches du Canada (IRA-CNRC) avait porté sur la contribution de divers dispositifs aux pertes aérodynamiques, lesquels dispositifs peuvent être ajoutés à un ensemble tracteur semi-remorque. Pour cette étude, on avait utilisé un tracteur routier de classe 8 de marque Volvo et une semi-remorque de 28 pieds. Le coefficient de traînée de l'ensemble tracteur semi-remorque, dépourvu de dispositif, a été mesuré, puis les dispositifs ont été ajoutés un à la fois à l'ensemble routier, afin de déterminer dans quelle mesure chaque dispositif contribuait à augmenter ou à diminuer la traînée aérodynamique de l'ensemble routier. Le coefficient de traînée (CD) du véhicule de base a été mesuré et s'établissait à 0,659 à 100 km/h. L'ajout de deux rétroviseurs latéraux conformes à la NSVAC (similaires à ceux qui sont illustrés à la Figure 7, qui sont environ trois fois plus grands que la superficie minimale prescrite par la NSVAC 111) a augmenté le CD du véhicule de 0,0156, soit 2 % de plus que le véhicule de base. Cette augmentation de la traînée pourrait se traduire habituellement par une augmentation de la consommation de carburant d'environ 1 % à 100 km/h. Les auteurs de l'étude du CNRC-IRA ont formulé l'hypothèse que chaque tracteur parcourt une distance de 130 000 km par année. Ils ont déterminé que si les deux rétroviseurs latéraux d'un tracteur sont retirés, le tracteur consommerait 938 litres de moins de carburant par année, d'après la consommation moyenne actuelle de carburant pour l'ensemble du parc. Ainsi, les économies potentielles pour l'ensemble du parc canadien ont été estimées à environ 212 926 000 litres de carburant chaque année, soit 562 124 640 kg de CO2 si les rétroviseurs latéraux étaient retirés de tous les 227 000 tracteurs routiers utilisés au pays. On pourrait économiser encore plus de carburant si on retirait les rétroviseurs des camions porteurs. Toutefois, dans ce cas-ci, cela serait moins efficace que sur les tracteurs routiers, car les camions porteurs roulent habituellement beaucoup plus lentement que les tracteurs routiers. Des essais similaires ont été réalisés sur les rétroviseurs convexes montés sur l'aile. Les résultats indiquent qu'environ 588 litres de carburant sont brûlés, par tracteur, chaque année pour vaincre la traînée due aux rétroviseurs installés sur l'aile.

5.3 Allégations des fabricants

Les économies envisagées provenant du retrait des rétroviseurs doivent être nuancées par le fait que les caméras de recul qui pourraient les remplacer feront sans doute saillie dans le flux d'air et créeront donc une certaine traînée, quoique beaucoup moindre que les rétroviseurs pleines dimensions conformes à la norme NSVAC 111. La Figure 6 illustre un prototype de camion avec des caméras de vue latérales, ainsi que les supports en porte-à-faux requis pour soutenir les caméras.

La fiabilité constitue l'un des risques associés aux caméras de vue latérale. Hormis les problèmes occasionnels de vandalisme ou de dommages causés par des débris projetés dans l'air le long des routes, les rétroviseurs classiques ont une moyenne de temps de bon fonctionnement (MTBF) qui est de loin supérieure à la durée de vie pratique du tracteur sur lequel ils sont montés. À l'inverse, les caméras de recul et les moniteurs comportent une foule de composants électroniques, dont chacun a une MTBF qui est assurément inférieure à celle d'un rétroviseur (quoique la valeur exacte ne soit pas connue pour le moment). Il faudrait sans doute que les véhicules dotés de caméras soient également pourvus d'un système redondant, en cas de défectuosité de la caméra. Toutefois, cette redondance doit être légère et configurée de façon à ne pas aggraver la traînée aérodynamique du véhicule lorsque les dispositifs redondants ne sont pas utilisés. Sinon, les avantages aérodynamiques des caméras seront perdus.

De plus, on doit tenir compte du poids ajouté par les caméras de recul au tracteur, pour s'assurer que les économies aérodynamiques ne sont pas annulées par l'ajout d'un poids supplémentaire, supérieur à celui des rétroviseurs classiques, qui ajoute habituellement très peu de poids au tracteur. Si la différence de poids entre la caméra et son matériel connexe et les rétroviseurs classiques est assez grande pour que le tracteur brûle 1 % de plus de carburant chaque année, alors les économies aérodynamiques seraient perdues. Selon l'EPA [19], chaque fois que l'on diminue de 10 % le poids d'un camion, on réduit sa consommation de carburant de 5 à 10 %. Avec un poids brut de, disons, 41 000 kg, le poids ajouté du matériel de la caméra devrait, au plus, représenter une augmentation de 0,05 % à 0,1 % du poids brut du véhicule. Par conséquent, l'augmentation estimée de la consommation de carburant serait entre 0,025 % et 0,05 %, ce qui demeure de beaucoup inférieur à la diminution estimée de 1 % de la consommation de carburant associée au retrait des rétroviseurs latéraux. Pour confirmer ces estimations, il faudrait connaître plus précisément le volume et le poids du matériel vidéo et effectuer des essais sur dynamomètre et en soufflerie à pleine échelle.

Un domaine de recherche mérite d'être souligné: les caméras SWIR (infrarouge de courte longueur d'onde). Ces caméras utilisent la technologie infrarouge et permettent de voir au travers du brouillard et dans l'obscurité. Ils fournissent des images que l'œil humain est incapable de percevoir. En combinant les caméras arrière et les caméras SWIR, on réduirait non seulement la traînée aérodynamique, mais on accroîtrait la fonctionnalité du système de vision bien au-delà que ce que permettent normalement les rétroviseurs classiques. La Figure 5 [20] illustre comment les capitaines de navires utilisent les caméras SWIR pour voir au-delà du brouillard les autres navires ou la terre ferme. Les chauffeurs de poids lourds pourraient utiliser cette technologie pour voir d'autres véhicules ou des obstacles sur la route dans des conditions de brouillard ou de voile blanc. Ces dispositifs permettent aux marins de voir sur des kilomètres, habituellement vers l'avant et avec un large champ de vision. Des études seront nécessaires pour déterminer s'ils seraient utilisables sur les tracteurs routiers, car le champ de vision des chauffeurs est beaucoup plus rapproché et restreint à la voie routière.

la figure 5 compare 2 images: l'une avec et l'autre sans caméras SWIR (infrarouge de courte longueur d'onde). Ces caméras permettent aux capitaines de navires de voir au travers du brouillard et dans l'obscurité.

Figure 5 – Exemple d'image obtenue par une caméra SWIR dans le brouillard [20]

 

À l'aide de cercles, la figure 6 montre un camion muni de caméras latérales au lieu des rétroviseurs habituels.

Figure 6 – Exemple de camion novateur pourvu de caméras latérales remplaçant les rétroviseurs

Le CNRC-STTS a étudié les exigences américaines et australiennes en matière de rétroviseurs. Le Canada et les États-Unis ont harmonisé leurs exigences, de telle sorte que la NSVAC 111 est similaire à la norme américaine FMVSS 111 qui porte sur les rétroviseurs. L'exigence australienne, soit l'Australian Design Rule (ADR) 14/02 "Rear Vision Mirrors" [21], est plus difficile à interpréter, car elle est divisée selon des classes de camion qui sont différentes de ce que l'on retrouve en Amérique du Nord, mais elle semble exiger une superficie beaucoup plus petite de surface réfléchissante, soit 150 cm2 au lieu des 325 cm2 que l'on retrouve en Amérique du Nord. Par conséquent, on pourrait envisager de réduire la superficie vitrée sur les rétroviseurs conformes aux NSVAC, et ainsi réduire sa superficie et la traînée aérodynamique. Toutefois, les chercheurs du CTTS-CNRC ont mesuré les surfaces réfléchissantes de deux tracteurs canadiens utilisés pour d'autres essais à l'hiver 2011, et ils ont constaté que ces tracteurs étaient équipés de rétroviseurs qui étaient déjà de 2,5 à 3 fois plus grands que ce qu'exige la réglementation selon la NSVAC, si on tient compte des sections planes et convexes. En fait, les sections planes à elles seules des rétroviseurs étaient environ le double de la taille requise par les NSVAC. Les dimensions exactes des rétroviseurs sont présentées dans le tableau 6, exprimées en superficie réelle et en pourcentage de la superficie exigée par la NSVAC 111. La Figure 7 et la Figure 8 présentent des photographies des rétroviseurs nos 1 et 2. Par conséquent, si les constructeurs et les exploitants sont déjà habitués à des véhicules équipés de rétroviseurs trois fois plus gros que le minimum requis pour conduire de manière sécuritaire, il est peu probable que les constructeurs seraient intéressés à fournir des rétroviseurs plus petits si on réduisait la superficie minimale légale.

5.4 Préoccupations opérationnelles

Le CTTS-CNRC a interrogé deux chauffeurs de poids lourds expérimentés. Tous deux ont convenu qu'au lieu de modifier la taille des rétroviseurs, ils préféreraient utiliser un rétroviseur latéral hybride, comportant une section plane à l'intérieur et une section convexe à l'extérieur afin d'élargir le champ de vision. Ainsi, ils peuvent voir des véhicules plus petits et rapides, comme les motocyclettes, qui dépassent le camion par la voie de gauche, et probablement dans la partie gauche de la voie de gauche. Avec la plupart des rétroviseurs, le chauffeur doit regarder dans le rétroviseur plan, puis abaisser les yeux pour voir dans le rétroviseur convexe sous le rétroviseur plan, afin d'avoir un champ de vision plus large. Le rétroviseur hybride proposé leur permettrait d'évaluer rapidement s'il faut changer de voie, sans devoir abaisser les yeux ou la tête. En outre, un chauffeur estime que les nouveaux chauffeurs pourraient être formés aisément à l'utilisation des systèmes vidéo, tandis que les chauffeurs d'expérience pourraient avoir de la difficulté à commencer à utiliser un terminal vidéo situé à leur droite, alors qu'ils regardent depuis des années à leur gauche. Selon lui, cela pourrait être particulièrement difficile dans les situations d'urgence, lorsque le chauffeur réagit de façon instinctive plutôt que rationnelle.

Tableau 6 – Tailles des deux rétroviseurs latéraux
Section Rétroviseur no1 Rétroviseur no2
Section supérieure (plane) 701,1 cm2 (216 %) 597,6 cm2 (184 %)
Section inférieure (convexe) 251,6 cm2 (77 %) 235,6 cm2 (72 %)
Superficie totale 953,2 cm2 (293 %) 833,2 cm2 (256 %)

Les règlements canadiens et australiens sont paraphrasés ci-dessous:

Canada (et États-Unis):

(27) Les véhicules de tourisme à usages multiples, les camions et les autobus sauf les autobus scolaires, dont le PNBV est supérieur à 4536 kg (10 000 lb) doivent, de chaque côté du véhicule, être munis d'un rétroviseur extérieur dont au moins 325 cm2 (50 po2) de la surface réfléchissante sont situés de façon à assurer au conducteur une vue arrière le long de chaque côté du véhicule.

Australie [21] [Traduction]

EXIGENCES POUR LES VÉHICULES MD3, MD4, ME, NB et NC SEULEMENT

4.1. Sur chaque véhicule, un ou plusieurs rétroviseurs doivent être apposés, et avoir été conçus et ajustés de sorte que leurs dimensions leur permettent de donner au chauffeur, autant que possible, une vision claire de la route à l'arrière de lui et de tout véhicule qui le suit ou le double.

4.2. Au moins un de ces rétroviseurs doit être fixé de chaque côté du véhicule et faire saillie sur 150 mm au-delà du point de «largeur hors tout» du véhicule ou de «largeur hors tout» de la remorque qu'il peut tirer

4.2.1. si le véhicule est un camion de marchandises ou un omnibus;

4.2.2. si la remorque est de largeur supérieure à celle du véhicule remorqueur; ou

4.2.3. dans tous les cas où, en raison de la façon dont le véhicule est construit ou équipé, ou en raison du fait qu'il tire une remorque ou pour toute autre raison, le chauffeur ne peut pas avoir par son rétroviseur, autant que possible, une vue claire de la route derrière lui et de tout véhicule qui le suit ou le double.

4.3. Les rétroviseurs peuvent faire saillie sur 230 mm de chaque côté au-delà du point de «largeur hors tout» du véhicule, pourvu que le rétroviseur puisse être escamoté à 150 mm.

4.4. Tous ces rétroviseurs équipant des véhicules doivent avoir une superficie d'au moins 150 cm2.

4.5. Les rétroviseurs du côté du chauffeur doivent être plats, et les rétroviseurs du côté passager peuvent être plats ou convexes.

4.5.1. «Rétroviseurs convexes»: s'ils équipent le véhicule, ils doivent être conformes aux exigences des clauses 2.4.2.1 et 2.4.2.2.

La figure 7 montre un ensemble tracteur-remorque. Le tracteur est muni des rétroviseurs latéraux classiques

Figure 7 – Exemple de rétroviseur latéral type

 

La figure 8 illustre un rétroviseur classique situé sur le coté conducteur et composé de deux pièces. Les deux pièces sont d'une largeur de 18.1 cm mais la pièce supérieure est d'une hauteur de 33,0 cm et la pièce inférieure, de 13,0 cm.

Figure 8 – Vue que fournit au chauffeur un rétroviseur latéral type

5.5 Conclusions

Les rétroviseurs conformes aux normes de sécurité des véhicules automobiles du Canada (NSVAC) sont responsables d'environ 2 % de la traînée globale d'un tracteur semi-remorque classique. Une étude a déterminé que si les deux rétroviseurs latéraux d'un tracteur étaient retirés, le tracteur consommerait 938 litres de moins de carburant par année, d'après la consommation moyenne actuelle de carburant pour l'ensemble du parc. Certains fabricants conçoivent actuellement des prototypes de véhicule qui utilisent des caméras de recul et des écrans vidéo dans la cabine pour remplacer les rétroviseurs latéraux. Toutefois, ces systèmes ne peuvent pas être utilisés indépendamment sans rétroviseur, en vertu de la réglementation actuelle selon les NSVAC.

Un examen superficiel des tracteurs en service en Ontario a confirmé que les chauffeurs sont habitués à utiliser des rétroviseurs qui sont près de trois fois plus grands que ce qui est exigé par la réglementation selon les NSVAC. Par conséquent, il est peu probable qu'en réduisant la quantité minimale de verre requise par les NSVAC, on réaliserait des économies dues à la réduction de la traînée, car la plupart des chauffeurs seraient réticents à réduire leur champ de vision habituel.

Les rétroviseurs latéraux sont considérés comme des dispositifs «à sécurité intégrée». Le remplacement des rétroviseurs extérieurs par des caméras de recul réduirait très certainement la moyenne des temps de bon fonctionnement (MTBF) des tracteurs. Cependant, des travaux supplémentaires seraient requis pour comparer la MTBF des rétroviseurs classiques par rapport à celle d'un système de rétroviseur vidéo.

Certains chauffeurs peuvent prendre plus de temps pour s'adapter à l'idée de regarder à droite sur un écran vidéo, plutôt que de regarder à gauche et à droite dans les rétroviseurs, en particulier quand ils doivent changer de voie de toute urgence.

5.6 Aspects nécessitant un complément d'étude

La réduction de la traînée possible grâce au retrait des rétroviseurs latéraux est bien comprise, quantifiée et documentée par des essais en laboratoire. Par conséquent, il y aurait probablement peu d'avantages à reproduire ces essais. Toutefois, il semble y avoir peu d'essais documentés au sujet du rendement et de la fiabilité des caméras de recul et de leur acceptation par les chauffeurs. Le CTTS-CNRC recommande d'élaborer une étude visant à déterminer les avantages et les inconvénients du remplacement des rétroviseurs extérieurs pour des motifs autres que les avantages aérodynamiques, qui sont bien connus. Il s'agirait notamment d'étudier la fiabilité et la facilité d'entretien des dispositifs d'appoint, ainsi que leur poids, la nécessité d'avoir un système redondant, la rapidité avec laquelle les chauffeurs peuvent voir les objets dans la voie de gauche, et l'acceptation de ces dispositifs par les chauffeurs, particulièrement pour ceux qui utilisent des rétroviseurs depuis de nombreuses années. Si on détermine que les rétroviseurs latéraux peuvent être retirés sans effets secondaires négatifs sur le plan de la sécurité, il y aurait lieu alors d'entreprendre un projet pilote afin de mieux comprendre les économies de carburant potentielles dans des conditions réelles de conduite productive.

On pourrait également étudier les avantages des caméras infrarouges afin de déterminer si on peut les combiner à des rétroviseurs vidéo pour améliorer la vision des chauffeurs par mauvais temps.

6 Conduite en peloton

6.1 Définition

La conduite en peloton désigne le regroupement de deux ou plusieurs véhicules qui circulent ensemble sur une route. La conduite en peloton vise à accroître la sécurité, la fluidité de la circulation et l'efficacité, tout en améliorant le rendement de chaque véhicule faisant partie du peloton [22].

Ce couplage peut se faire de diverses manières: mécanique, électrique, magnétique ou électronique. Il permet aux véhicules de se déplacer comme unité synchronisée, réduisant ainsi la distance entre les véhicules afin de raccourcir le délai d'accélération des véhicules successifs dans une même direction. De plus, il permet également aux véhicules de freiner de manière collective, plutôt que séparément, ce qui réduit le risque de collisions arrière.

Bien que la conduite en peloton vise généralement à réduire la congestion de la circulation, l'un de ses principaux avantages secondaires est la réduction de la traînée aérodynamique de tous les véhicules faisant partie du peloton, même du véhicule de tête. Bien que la traînée aérodynamique soit un facteur qui touche tous les véhicules, la consommation de carburant des ensembles tracteur-remorque de classe 8 est grandement tributaire des effets aérodynamiques, en raison de la superficie importante des véhicules et des devants plats. Pour cette raison, le concept de conduite en peloton est intéressant dans le cas des véhicules de grandes dimensions à devant plat.

Des techniques avancées de conduite en peloton permettraient aux véhicules intelligents de rejoindre ou de quitter le peloton en tout temps. Toutefois, la conduite en peloton présente de nombreuses difficultés, notamment l'interaction entre les véhicules du peloton et les véhicules qui n'en font pas partie et qui circulent autour, ainsi que les stratégies pour optimiser l'espacement entre les véhicules.

Bien que la conduite en peloton comporte de nombreux aspects, nous présentons aux sections 6.2 à 6.6 ci-dessous les principales notions touchant la réduction de la traînée des véhicules lourds.

6.2 Situation actuelle

Le concept de conduite en peloton continue d'être étudié et testé dans de nombreux pays développés. Toutefois, on ne trouve aucun exemple de conduite en peloton utilisée de manière opérationnelle sur les routes publiques.

6.3 Études théoriques

Le concept de conduite en peloton remonte à une étude pilote réalisée en 1962 par Robert Fenton à l'Université de l'Ohio [23]. Bien que des ordinateurs aient été utilisés, et ils occupaient presque tout l'espace libre à l'intérieur du véhicule, ce qui rendait le projet peu pratique pour les usages courants. Ces recherches se sont poursuivies jusqu'à ce que le financement cesse au début des années 1980. Toutefois, le développement et l'évolution de l'informatique et des capteurs ont permis au concept de conduite en peloton de revenir sur le devant de la scène et d'être envisagé comme technique viable dans le futur.

Plusieurs projets importants sont en cours dans le monde, chacun tentant de définir comment on pourrait intégrer le concept de conduite en peloton et les systèmes de route intelligente. Nous décrivons quelques-uns de ces projets dans les paragraphes suivants.

6.3.1 KONVOI

KONVOI était une étude allemande visant à définir comment la conduite en peloton pourrait s'appliquer exclusivement aux poids lourds. Bien que les chercheurs aient surtout étudié les effets de la conduite en peloton sur la circulation, certains aspects théoriques de cette recherche ont porté sur les effets aérodynamiques. Dans un modèle KONVOI utilisant le système ANSYS, le camion de tête tirait le camion suivant à une distance de 32 pieds, et à une vitesse de 80 km/h (50 mi/h). La simulation a démontré que des économies de l'ordre de 11 % à 12 % étaient possibles, tout dépendant du poids des camions. Toutefois, la publication [101] n'indiquait pas clairement s'il y avait eu réduction de la traînée ou de la consommation de carburant. Le modèle a été validé par des essais sur piste, et les résultats indiquaient une économie potentielle supérieure à 9 %. Cependant, de nouveau, on n'indiquait pas clairement s'il s'agissait d'une réduction de la traînée ou de la consommation de carburant.

6.3.2 PATH

Le programme «Partners for Advanced Transit and Highways» (PATH) est une collaboration entre le département des transports de la Californie, de UC Berkeley et divers autres établissements privés et publics, qui a évolué au cours des 20 dernières années. Ce programme vise à diminuer la congestion de la circulation, à faciliter la circulation et à réduire la consommation d'énergie.

Le projet PATH a permis d'obtenir et de démontrer des résultats en aérodynamique, notamment:

  • les résultats simulés ont démontré une économie de carburant potentielle atteignant 25 %, alors que les essais sur le terrain ont démontré que les économies de carburant approchaient plutôt les 15 %;
  • tous les véhicules du peloton profitaient de la conduite en peloton, même le véhicule de tête;
  • les principaux avantages aérodynamiques sont obtenus pour les véhicules au milieu du peloton, puis par le dernier véhicule, et enfin par le véhicule de tête;
  • bien qu'il soit préférable de réduire autant que possible la largeur de l'écart, la différence en termes d'économie de carburant entre un écart de 2 m et un de 10 m est relativement faible;
  • un rendement optimal est obtenu dans un groupe de véhicules lorsque le véhicule aérodynamiquement «propre» est en position de tête et que le véhicule aérodynamiquement «sale» est en position de queue. Le terme «sale» désigne un véhicule qui présente de nombreuses saillies, irrégularités et arêtes;
  • des études seraient requises pour déterminer si la conduite en peloton provoque un écoulement d'air insuffisant pour les moteurs des véhicules qui ne sont pas en tête, ce qui pourrait causer la surchauffe du moteur ou nécessiter l'utilisation de ventilateurs de refroidissement connexes. Cela créerait une traînée parasite pour le moteur, ce qui accroîtrait légèrement la consommation de carburant.
6.3.3 SARTRE

Le programme «Safe Road Trains for the Environment» (SARTRE) est un projet d'un consortium européen visant à étudier la possibilité d'inclure dans un peloton multi-véhicule des voitures de tourisme, des poids lourds et des autocars roulant sur des routes ordinaires, non modifiées. Le projet est surtout intéressé par les questions d'environnement, de sécurité routière et de congestion de la circulation.

Le système consiste en un véhicule de tête conduit par un chauffeur professionnel qui mène le peloton, et une suite de véhicules autonomes conduits par des chauffeurs ordinaires. Les chauffeurs à la suite du véhicule de tête sont libres de faire des activités qui seraient normalement interdites, comme lire ou utiliser le téléphone cellulaire. Un des objectifs principaux du projet est de déterminer comment un tel peloton pourrait s'intégrer avec succès dans le flux de véhicules qui ne roulent pas en peloton, par exemple pour changer de voie et quitter la route ou l'autoroute.

Un des objectifs principaux du projet SARTRE [27] est de déterminer l'espacement optimal des véhicules, en vue de maximiser les gains aérodynamiques tout en préservant une distance sécuritaire. Même les systèmes de contrôle sophistiqués requièrent un certain temps de rétroaction pour permettre au véhicule de queue de freiner suffisamment rapidement pour éviter une collision, de sorte qu'une distance minimale entre les véhicules sera requise, peu importe les effets aérodynamiques.

6.3.4 Programme «PROMOTE CHAUFFEUR»

D'autres chercheurs ont travaillé en partenariat avec le projet «PROMOTE-CHAUFFEUR» pour mieux connaître divers autres facteurs. Une de ces études, réalisée par Bonnet et Fritz [26], a porté sur les effets aérodynamiques d'un poids lourd qui suit un autre poids lourd d'aussi près que 5 m. Cette étude différait principalement des nombreuses autres en ce qu'elle portait sur la consommation de carburant, plutôt que sur le coefficient de traînée.

Ces chercheurs ont mis au point une «barre d'attelage électronique» qui servait essentiellement à joindre ensemble les deux véhicules sans aucun lien mécanique. Le but de l'étude était de déterminer la relation entre la distance de séparation et la réduction potentielle de la traînée, en supposant constants tous les autres facteurs: pente, vitesse du vent, vitesse du véhicule et résistance au roulement. Le véhicule de tête était conduit par un chauffeur humain à des vitesses constantes de 60 km/h et de 80 km/h, tandis que le véhicule de queue était piloté par un contrôleur électronique. Des feux infrarouges fixés à l'arrière du véhicule de tête servaient à transmettre de l'information au contrôleur de véhicule remorqué, qui contrôlait le positionnement latéral et longitudinal du véhicule de queue, par des opérations d'accélération, de direction et de freinage au besoin. Toutefois, le chauffeur du véhicule de queue avait toujours l'option de contourner le système et de conduire le véhicule manuellement au besoin, pour des raisons opérationnelles ou en cas d'urgence.

Les véhicules étaient conduits à une distance de séparation allant de 6 à 16 m, et la consommation de carburant des deux véhicules était calculée selon une moyenne mobile déterminée toutes les 10 secondes. La quantité totale de carburant consommé pour chaque tronçon d'essai était mesurée. On faisait ensuite la moyenne des résultats obtenus par les deux méthodes pour obtenir une différence globale de consommation de carburant pour diverses distances de séparation pour chacun des véhicules, par rapport à une distance de séparation type des deux véhicules.

Voici quelques uns des résultats importants de ce rapport:

  • comme prévu, les différences de consommation de carburant étaient plus élevées à 80 km/h qu'à 60 km/h;
  • par rapport aux conditions de base, la consommation de carburant du véhicule de queue diminuait de façon linéaire pour une distance de séparation d'environ 16 m jusqu'à 10 m, puis se stabilisait à une distance comprise entre 10 m et 6m. La réduction en pourcentage la plus grande de la consommation de carburant était de 21 %, lorsque l'espacement des véhicules était de 8 m;
  • la conduite en peloton avec une distance de séparation de 16 m à 80 km/h donnait quand même une réduction de consommation de carburant supérieure à 15 %;
  • des tendances similaires ont été constatées à 60 km/h, mais la réduction était plutôt de l'ordre de 10 % à 16 %;
  • on a aussi constaté une réduction de la consommation de carburant du véhicule de tête, mais cette réduction était inférieure à celle du véhicule de queue;
  • à 80 km/h, le véhicule de tête présentait une plage de réduction de la consommation de carburant comprise entre 4 % à une distance de séparation de 14 m et 10 % à 10 m;
  • à 60 km/h, le véhicule de tête présentait une plage de réduction de la consommation de carburant comprise entre 4 % à une distance de séparation de 8 m et 7 % à 5 m.

L'équipe d'essai a conclu qu'une distance de séparation de 10 m est optimale si on tient compte des plages de vitesses et de la réduction de la consommation de carburant pour le véhicule de tête et le véhicule de queue. Les distances de séparation inférieures à 10 m ne donnaient pas plus d'avantages.

L'équipe d'essai a également étudié l'effet du poids du véhicule sur les économies de carburant potentielles. Les véhicules d'essai de tête et de queue pesaient 14,5 et 28 tonnes respectivement. Comme la résistance au roulement dépend grandement du poids du véhicule, il semble raisonnable de croire que l'avantage aérodynamique relatif du peloton diminue avec l'augmentation du poids des véhicules, car on doit utiliser davantage de carburant pour vaincre la résistance au roulement. En utilisant des méthodes d'extrapolation, l'équipe a calculé qu'un véhicule de queue légèrement chargé à 14,5 tonnes permettrait des économies de carburant de l'ordre de 28 % à une distance de séparation de 10 m, alors qu'un camion lourdement chargé à 40tonnes n'offrirait probablement que des économies de 17 % à 10 m.

6.4 Préoccupations opérationnelles

La conduite en peloton demeure un sujet largement théorique, et il n'y a pas d'applications pratiques actuelles connues. Par conséquent, il est difficile de déterminer quels aspects pourraient représenter des préoccupations opérationnelles. La principale préoccupation opérationnelle est assurément la façon dont les véhicules qui ne font pas partie du peloton interagiraient avec des longs pelotons de véhicules lourds. Même si les pelotons longs pourraient être configurés d'une manière sécuritaire et efficace, plusieurs difficultés subsistent, notamment la façon dont les autres véhicules circuleront autour des pelotons, surtout quand ils tenteront de quitter l'autoroute par la voie la plus à droite. De toutes les techniques décrites dans le présent rapport, la conduite en peloton demeure la plus hypothétique non seulement en raison des défis techniques importants, mais également de la nécessité de déterminer comment les autres véhicules interagiraient avec le peloton; tâche qui demandera un travail colossal.

6.5 Conclusions

Plusieurs études et recherches ont démontré que la circulation en peloton peut réduire efficacement la traînée aérodynamique pour l'ensemble des véhicules faisant partie du peloton, même le véhicule de tête. Toutefois, la plus grande réduction de la traînée se produit pour les véhicules roulant entre le premier et le dernier véhicule. On estime qu'un véhicule faisant partie d'un peloton pourrait voir sa consommation de carburant réduite de 9 % à 25 %, tout dépendant de son espacement, de sa vitesse, de sa position et de sa masse.

Il est manifeste que la circulation en peloton requiert des modifications importantes à l'infrastructure routière et nécessiterait également un changement important de comportement au volant de la part des autres conducteurs qui entourent le peloton de camions, mais n'en font pas partie.

6.6 Aspects nécessitant un complément d'étude

Bien que la circulation en peloton semble être très prometteuse pour réduire la traînée aérodynamique, elle ne semble pas être une solution pratique pour le camionnage au Canada dans un proche avenir, en raison de la taille du réseau routier canadien et de l'état encore immature de la technologie. Il y a trop d'obstacles en matière d'infrastructure et de logistique qui doivent être surmontées pour que ce concept soit viable dans un proche avenir. Même si la technologie permettait de relier électroniquement deux ou plusieurs véhicules lourds, la logistique requise pour intégrer ces véhicules dans la circulation existante s'avérerait extrêmement difficile. La solution la plus pratique pour réduire l'aérodynamisme d'un ensemble multi-véhicules consisterait à faire davantage d'essais et à mieux comprendre le comportement des ERL récemment adoptés, jusqu'à ce que la circulation en peloton soit perfectionnée dans des pays moins grands en Europe.

Il semblerait que bon nombre des recherches sur cette question portaient sur des véhicules plus légers que les véhicules lourds types que l'on retrouve au Canada. Les résultats des travaux sur la circulation en peloton peuvent être plus intéressants dans le cas des véhicules légers, car un pourcentage plus élevé de la consommation de carburant peut être attribué aux effets aérodynamiques. L'étude des effets de la circulation en peloton, lorsque les véhicules sont chargés au poids légal maximal au Canada, fournirait des renseignements plus utiles au sujet du potentiel offert par ce mode de circulation sur les routes canadiennes.

Vu la complexité de la circulation en peloton et de la simplicité relative des ERL, il serait utile de quantifier la différence entre les véhicules en peloton et un ERL, en termes de réduction de la consommation de carburant. L'étude pourrait commencer par la comparaison d'un ERL par rapport à un peloton de deux véhicules, puis par rapport à des pelotons comportant un nombre croissant de véhicules.

7 Dispositifs réducteurs de traînée sur les tracteurs semi-remorques

7.1 Définition

De nos jours, de nombreux dispositifs de réduction de la traînée pour les tracteurs semi-remorques de classe 8 sont en utilisation ou en cours de développement. Bon nombre de ces dispositifs ont fait l'objet d'études poussées, et leurs avantages et leur rendement sont bien documentés dans les presses scientifiques sur le sujet. Ces dispositifs comprennent les déflecteurs de toit, les extensions latérales de cabine, les rétreints de remorque et les jupes latérales de remorque. Dans cette section, nous décrivons certains dispositifs moins étudiés et commercialement moins répandus, visant également à améliorer l'efficacité aérodynamique des ensembles tracteur-remorque.

Dans un rapport de la National Academy of Sciences des États-Unis, on documentait les technologies actuelles et émergentes de réduction de la consommation de carburant pour les véhicules utilitaires lourds et moyens [2], et on indiquait quatre facteurs principaux jugés critiques pour les améliorations aérodynamiques des tracteurs semi-remorques dans des conditions routières:

  • le profilage aérodynamique du tracteur;
  • la gestion de l'écoulement de l'air autour de l'écart tracteur-remorque;
  • la gestion de l'écoulement de l'air sous la remorque;
  • la gestion de l'écoulement de l'air à l'arrière de la remorque.

Vu l'état actuel de certaines technologies courantes et émergentes, on prévoit que le recours à des techniques aérodynamiques pour ces zones pourrait donner lieu à une réduction de la consommation de carburant, dans des conditions routières, de l'ordre de 15 % sur l'horizon 2015 à 2020 [2].

Les technologies de réduction de la traînée décrites dans la présente section peuvent être réparties en deux grandes catégories: les dispositifs fixés sur le tracteur, et ceux fixés sur la remorque. Comme le soulignent Leuschen et Cooper [29] et d'autres auteurs, on compte de trois à quatre fois plus de remorques en service que de tracteurs. Comme la grande majorité des dispositifs d'appoint réducteurs de traînée sont destinés aux remorques, l'industrie a montré une certaine réticence à adopter ces dispositifs, car il y a une nette distinction entre les propriétaires/exploitants de tracteur et les propriétaires de remorque. En effet, les constructeurs de remorques ne sont habituellement pas les exploitants, et comme le coût des dispositifs réducteurs d'écart augmente le coût global d'acquisition des remorques, les constructeurs de remorques ont peu d'intérêt à adopter ces dispositifs. La période de récupération des dispositifs fixés sur le tracteur sera beaucoup plus courte que pour les dispositifs fixés sur la remorque, ce qui aura un effet sur le degré d'adoption de ces technologies par l'industrie du transport. Par conséquent, les technologies et les dispositifs destinés aux tracteurs seront probablement adoptés plus rapidement.

Lorsqu'on évalue les économies de carburant potentielles des dispositifs pour les tracteurs semi-remorques, il faut bien comprendre le contexte dans lequel les mesures ou les évaluations sont réalisées. Les résultats, particulièrement ceux qui sont basés sur des essais sur route, peuvent être faussés, tout dépendant de l'état du véhicule et des conditions ambiantes dans lesquelles il est testé. Par exemple, une réduction alléguée de la traînée, basée sur des essais d'économie de carburant, peut être biaisée si le dispositif est testé sur un véhicule peu chargé et dans des conditions de faible vent. En outre, bien que les allégations des fabricants et des chercheurs puissent être valides à des vitesses de 60 à 65 mi/h, un chercheur [30] indique que la vitesse moyenne d'un tracteur routier est d'environ 48 mi/h, et par conséquent la réduction réelle de la consommation de carburant serait inférieure aux valeurs publiées pour une vitesse de 60 mi/h. Il est donc difficile d'évaluer les diverses technologies en se basant sur des études ou des allégations séparées. Il y aurait lieu d'instaurer une méthode plus systématique et uniforme pour tester ces dispositifs, afin de fournir des recommandations utiles aux décideurs, aux constructeurs et aux exploitants.

La plupart des recherches précédentes ont été réalisées sur un nombre restreint d'ensembles tracteur-remorque, ou sur des ensembles répondant à des conditions très spécifiques. Comme bon nombre de tracteurs tirent des charges composées de différents types de remorque, qui ont elles-mêmes des propriétés aérodynamiques très variables, il y a lieu d'étudier les effets des dispositifs réducteurs de traînée les plus courants dans le commerce sur divers ensembles tracteur-remorque. En particulier, on a peu étudié les effets négatifs qui pourraient être dus aux carénages de toit et aux extensions latérales quand ils sont utilisés avec certains types de remorques [31]. Dans les études les plus récentes sur les dispositifs de réduction de la traînée ou d'économie de carburant de deuxième génération, on utilise des tracteurs de nouvelle génération, plus aérodynamiques. Les camionneurs de métier préfèrent souvent les tracteurs plus anciens, au profil plus carré, pourvus de nombreux appendices et feux, et sans déflecteur d'air. Il serait intéressant aussi d'évaluer sur ces tracteurs de type classique les effets de certaines nouvelles technologies qui n'altèrent pas grandement l'apparence du véhicule.

Comme nous l'avons mentionné ci-dessus, quatre facteurs sont jugés critiques pour l'application des technologies de réduction de la traînée. Dans les paragraphes qui suivent, nous décrivons les technologies et les dispositifs réducteurs de traînée pour chacun de ces facteurs. Une liste générale des concepts a d'abord été dressée, basée sur plusieurs références ([2], [5], [6], [7], [8], [14], [23], [32], [33], [34], [35],), qui indiquent les technologies et les dispositifs qui pourraient être évalués pour déterminer leur potentiel de réduction de la traînée sur les ensembles tracteur-remorque. D'autres références sont présentées dans diverses sections ci-dessous.

7.2 Profilage aérodynamique du tracteur

7.2.1 Situation actuelle

Le profilage aérodynamique du tracteur a été un facteur important dans la conception des tracteurs par les constructeurs au cours des trois dernières décennies. La crise du pétrole des années 1970 a incité les constructeurs à mettre au point et à offrir sur le marché des tracteurs aérodynamiques au cours des années 1980 et 1990. Même si les camionneurs de la génération précédente préfèrent les tracteurs de type classique, avec des capots carrés, des pare-chocs plats et de gros appendices externes comme les filtres à air et les tuyaux d'échappement, tous les fabricants offrent des modèles de tracteurs aérodynamiques qui ont été mis au point dans une optique d'économie de carburant. Les modèles de tracteur aérodynamique permettent une réduction de la traînée aérodynamique, par rapport au type classique, de l'ordre de 30 % [5]. On obtient ce résultat essentiellement en arrondissant les surfaces avant, en posant des déflecteurs de toit et en recouvrant d'un carénage les réservoirs de carburant entre l'essieu directeur et les essieux moteurs. La Figure 9 illustre un modèle de tracteur classique et un modèle de tracteur aérodynamique moderne.

La figure 9 illustre deux styles de tracteur: l'un classique (Peterbuilt 389) et l'autre aérodynamique (International ProStar). Les deux véhicules circulent sur une autoroute

Figure 9 – Styles de tracteurs: classique (à gauche – Peterbuilt 389), aérodynamique (à droite – International ProStar)

Les efforts actuels visant à réduire de façon incrémentielle la traînée des tracteurs portent sur la zone des pare-chocs, le sous-châssis et l'écart entre le tracteur et la remorque.

Leuschen et Cooper [29] présentent un résumé des dispositifs d'appoint actuels les plus populaires, que nous reprenons en partie ci-dessous. Les valeurs présentées ci-dessous ont été obtenues pour une distance présumée de 130 000 km (81 000 mi), parcourus à une vitesse de croisière de 107 km/h (65 mi/h), moyennée selon le vent. Les calculs détaillés sont bien présentés dans Leuschen et Cooper. On doit noter que l'ajout de certains dispositifs courants, comme les rétroviseurs, les déflecteurs de capot et les rétroviseurs d'aile installés par les fabricants OEM ont un impact négatif sur la consommation de carburant.

Tableau 7 – Économies potentielles de carburant avec des dispositifs d'appoint sur le tracteur [29]
  Économies de carburant potentielles/an (L)
Rétroviseurs latéraux – OEM -938
Déflecteur de capot – OEM -903
Rétroviseurs d'aile – OEL -588
Blocage des orifices d'entrée du moteur 6
Pare-soleil/ rebord de pare-brise 54
Enjoliveurs de roues – tracteur et remorque 120
Pare-chocs de type «Deer» 120
Bavettes garde-boue moulées 292
Déflecteur de toit prototype 825
Réduction de 10 po de l'écart 982
Jupes de cabine – OEM 1 596
Extensions latérales – OEM 2 499
Déflecteur de toit – OEM 4 318

De nombreux autres dispositifs ou techniques permettant de réduire la traînée aérodynamique des tracteurs ont été proposés, et nous les décrivons ci-dessous.

7.2.2 Technologies
7.2.2.1 Rétroviseurs

En règle générale, les constructeurs de camions optimisent l'aérodynamique de leurs rétroviseurs standards. Toutefois, comme nous le mentionnons à la section 5, ces rétroviseurs standards sont beaucoup plus grands que ce que la loi requiert. Les systèmes vidéo proposés en remplacement des rétroviseurs latéraux et décrits à la section 5, ou une combinaison des deux, nécessiteraient l'optimisation aérodynamique de leur forme, de leur taille et de leur emplacement.

La forme du pare-chocs d'un tracteur influe grandement sur l'écoulement de l'air sous le tracteur. En abaissant le pare-chocs du tracteur, grâce à des jupes avant ou à des déflecteurs, on peut rediriger l'écoulement vers les côtés du véhicule, plutôt qu'en dessous, ce qui permet de diminuer la traînée en réduisant la quantité de mouvement du fluide (l'air) dirigé vers le sous-châssis.

Dans l'étude de Leuschen et Cooper [29] décrite ci-dessus, le pare-chocs de type «Deer» procurait une légère diminution de la traînée, mais sa valeur était de l'ordre de l'incertitude expérimentale. Ces résultats indiquent que de tels pare-chocs ne réduiraient pas nécessairement la consommation de carburant, mais comme ils sont proches de la zone de stagnation sur la face avant du véhicule, cela peut les rendre aérodynamiquement neutres.

De nombreuses compagnies de transport optent pour des pare-chocs robustes, en raison des primes d'assurance très élevées et aussi parce que les matériaux légers utilisés pour les composants d'extrémité avant sont très fragiles. Une compagnie de camionnage ne sera pas intéressée à réclamer des paiements d'assurance pour des collisions mineures si ses camions sont pourvus de pare-chocs robustes, mais c'est au détriment de la consommation de carburant. L'impact de cette approche sur la consommation de carburant a également été évalué par FPInnovations dans le cadre de sa campagne Energotest™ [37]. Les résultats démontraient une augmentation de 2 % de la consommation de carburant pour le véhicule équipé d'un pare-chocs robuste, que l'on pouvait en partie expliquer par l'augmentation de poids. Il serait possible d'optimiser aérodynamiquement ces pare-chocs afin de limiter la consommation de carburant due seulement à l'augmentation du poids.

La figure 10 montre un ensemble tracteur-remorque circulant sur une autoroute durant l'été. Le tracteur est muni d'un pare-choc robuste monté sur la partie avant.

Figure 10 – Pare-choc robuste monté sur un tracteur

Le pare-chocs est situé près du sol, et le mouvement relatif du sol par rapport au véhicule crée un écoulement aérodynamique complexe dont les caractéristiques ne sont pas intuitives. Toute évaluation aérodynamique des formes et des technologies relatives au pare-chocs requiert la prise en compte de ce mouvement relatif. Les travaux réalisés au CNRC dans une soufflerie, sur un système à route roulante pour simuler correctement les mouvements relatifs véhicule/air/sol, ont démontré que pour certaines modifications sur des véhicules bas le comportement aérodynamique est grandement différent selon que le plan de sol est fixe ou mobile. Certaines configurations qui présentaient une diminution de la traînée sur un plancher fixe donnaient lieu à une augmentation de la traînée sur un plancher mobile, ce qui indique la grande dépendance de l'aérodynamique des véhicules bas à l'égard de ces mouvements relatifs. Dans une simulation en soufflerie, le plancher mobile est la représentation la plus réaliste des conditions sur route.

7.2.2.3 Accessoires

Divers accessoires comme les enjoliveurs et les bavettes pare-boue peuvent offrir des avantages aérodynamiques et réduire la consommation de carburant des véhicules.

Leuschen et Cooper [29] ont constaté une légère diminution de la traînée sur un tracteur semi-remorque équipé d'enjoliveurs lisses, dans des essais en soufflerie avec des roues stationnaires. La diminution de la traînée était cependant en deçà de l'incertitude expérimentale des essais. Toutefois, avec des roues en rotation, il serait avantageux de recouvrir les roues. Si l'utilisation d'enjoliveurs peut offrir un avantage net, il sera nécessaire d'évaluer leur effet sur le refroidissement des freins afin de s'assurer qu'ils n'empêchent pas l'écoulement de l'air autour des freins.

Les bavettes pare-boue empêchent le soulèvement de terre, de roches et de boue dans l'air, en bloquant le mouvement de l'air directement en aval des roues. Elles restreignent l'écoulement d'air et introduisent donc une traînée pour l'ensemble du véhicule. On a proposé certains concepts de bavettes garde-boue fendues [14] qui bloquent le mouvement des particules solides, tout en permettant une certaine circulation d'air. En utilisant les techniques de la dynamique des fluides numérique (DFN), Hyams et coll. [38] ont démontré une réduction de 9 % de la traînée grâce à l'utilisation de lattes verticales fendues derrière le train roulant de la remorque, au lieu d'utiliser des bavettes pleines.

7.2.2.4 Déturbulateur– Bandes et surfaces

Sinha [33] décrit un dispositif passif, appelé déturbulateur et consistant en bandes de matériaux qui prétend amortir l'énergie des structures tourbillonnantes de grandes dimensions, et ainsi améliorer les conditions d'écoulement de l'air au-dessus d'un tracteur semi-remorque, ce qui a pour effet de réduire la traînée (voir la Figure 11). Les essais d'économie de carburant ont démontré une réduction de 4 % de la consommation de carburant. Cette technologie ne semble pas avoir été adoptée, et une évaluation indépendante de cette approche s'impose pour démontrer et valider complètement cette technique.

La figure 11 montre les effets de l'écoulement d'air sur 2 ensembles tracteur-remorque, l'un sans déturbulateur et l'autre avec déturbulateurs.

Figure 11 – Effet d'un déturbulateur sur un tracteur semi-remorque [95]

7.2.2.5 Revêtements superhydrophobes

Dans de nombreuses études d'aéronefs utilisant un «modèle de transport générique» [39], [40], [41], on s'est penché sur l'effet de l'accumulation de la glace sur la traînée aérodynamique. Tout dépendant de l'endroit où la glace s'accumule, on peut observer un accroissement de la traînée des tracteurs semi-remorques dans des conditions glacées. En outre, l'accumulation de glace sur un tracteur semi-remorque peut entraîner une augmentation du poids, d'où une consommation accrue de carburant. Enfin, on constate un risque accru pour les autres usagers de la route lorsque de gros morceaux de glace se détachent d'un camion qui roule à une vitesse de croisière.

Pour empêcher l'accumulation de glace et de neige sur les tracteurs semi-remorques et la carrosserie des remorques, on a proposé d'adopter des revêtements superhydrophobes. Les surfaces superhydrophobes, comme les feuilles du lotus, sont hautement hydrophobes et elles sont donc très difficiles à mouiller. L'angle de contact des gouttelettes d'eau dépasse 150 degrés, et l'angle de roulement est inférieur à 10 degrés. Cet effet est appelé «effet lotus», et comme le démontre la Figure 12, l'eau ne demeure pas sur les surfaces traitées, et, par surcroît la glace ne devrait pas s'accumuler.

Des progrès importants ont été réalisés dans la mise au point de ces revêtements superhydrophobes, et il y aurait lieu d'étudier leur applicabilité pour réduire l'accumulation de glace et de neige. En outre, l'interaction avec les gouttes d'eau sur une surface traitée devrait être étudiée pour déterminer s'il y a des avantages en termes de réduction des éclaboussures sur la route. Il est possibleque les surfaces hydrophobes puissent causer l'évacuation de l'eau et réduire les effets des éclaboussures sur les autres usagers de la route, mais cela demeure à étudier.

Figure 12 – Goutte d'eau sur une feuille de lotus

On remarque l'angle inclus important à l'interface de la gouttelette et de la feuille. Si cet angle est grand, les forces de contact entre la gouttelette et la feuille sont faibles, ce qui se traduit par une faible adhésion de la gouttelette à la feuille.

7.2.2.6 Réduction de la traînée par injection d'air

L'une des plus importantes sources de traînée sur un tracteur semi-remorque est due à la grande différence de pression entre l'avant de la cabine et l'arrière de la remorque, et entre l'arrière de la cabine et le devant de la remorque et que nous avons précédemment décrite en termes de «traînée due à l'écart». Une pression importante exercée sur la surface faisant face à l'écoulement, couplée à une pression négative sur la surface s'éloignant de l'écoulement, produit une importante traînée aérodynamique.

Une technique proposée pour réduire cette source de traînée consiste à injecter de l'air. Il s'agit essentiellement d'introduire de l'air à haute pression dans ces zones de pression basse/négative. Ainsi, on réduit la différence de pression entre les deux surfaces, et donc la traînée aussi. Deux méthodes pour obtenir cette égalisation des pressions ont été étudiées [42], [43]. Ces méthodes comprennent l'injection d'air (méthode active) et la canalisation d'air (méthode passive).

Dans la technique d'injection d'air active, une source mécanique (un compresseur) produit des volumes d'air qui sont introduits dans les zones de basse pression. Ces techniques sont censément aérodynamiquement efficaces dans des conditions de recherche (essais en soufflerie et analyse sur ordinateur), mais dans la pratique, elles sont très difficiles à mettre en œuvre. Ces systèmes ajoutent du poids, sont une source de perte électrique pour les moteurs (en d'autres mots, ils consomment du courant) et peuvent être fort complexes. En outre, les techniques d'injection d'air active souffriraient probablement de problèmes de fiabilité en raison de l'accumulation de grésil, de neige et de saleté.

L'injection d'air passive consiste à manipuler et canaliser intelligemment les écoulements d'air haute pression vers les zones de basse pression. Bien que l'on élimine ainsi la traînée de charge due à la consommation de courant électrique, cette technique impose néanmoins des pénalités de poids et d'espace, et les structures de canalisation doivent être soigneusement configurées pour fonctionner de façon optimale. Ce réglage précis dépend souvent de la vitesse, et est tributaire du maintien d'une géométrie exacte. Dans la pratique, il peut s'avérer difficile de maintenir la géométrie de l'ensemble camion-route dans des conditions routières normales où la présence de neige, de grésil, de débris pourrait également obstruer les structures d'injection d'air.

Plusieurs équipes de chercheurs universitaires étudient la technique de succion et/ou de soufflement actif afin d'accroître la pression de culot des remorques. La société ATDynamics a testé sur route deux de ces configurations (l'une mise au point par l'Université de Tel-Aviv, l'autre par le Georgia Tech Research Institute) et a trouvé que lorsque l'on tenait compte des dépenses d'énergie par les ventilateurs/soufflantes, on constatait une perte nette du rendement du système [44]. Les systèmes de succion et d'alimentation en air sont perfectibles, mais la même étude démontrait que les panneaux passifs et les rétreints permettaient de réduire au moins autant la traînée que les dispositifs actifs, et ce, sans aucune dépense d'énergie.

D'un point de vue opérationnel, les systèmes actifs seront beaucoup plus difficiles à entretenir, particulièrement ceux qui ont besoin d'échange d'air par le truchement de fentes et de trous minces, comme ceux étudiés par ATDynamics.

Vu les problèmes prévus de fiabilité associés aux systèmes d'injection, qu'ils soient actifs ou passifs, dans des conditions météorologiques normales, il n'est pas recommandé de pousser plus loin l'étude de cette technique.

7.2.2.7 Expulsion de l'air de refroidissement

Le moteur est refroidi grâce à l'air qui circule dans le compartiment moteur, et qui est insufflé par des ventilateurs à basse vitesse sur route ou par l'effet de pression dynamique à vitesse élevée. Lorsque l'air de refroidissement circule dans le compartiment moteur après avoir traversé le radiateur, le condenseur et d'autres composants auxiliaires, il peut être réintroduit dans le flux d'air principal.

La façon dont l'air de refroidissement sort du compartiment moteur peut avoir un effet sur les caractéristiques de traînée, particulièrement sous le châssis. On ne pense pas pouvoir utiliser le flux d'air de refroidissement pour les techniques d'injection d'air passive, décrites à la section précédente, en raison de la perte importante de pression et d'énergie qui survient lorsque l'air circule dans le compartiment moteur. Pour ce qui est d'expulser cet air sous le véhicule, le mouvement relatif du véhicule, de la route et du flux d'air principal sera important, et on pourrait concevoir des scénarios pouvant soit réduire la traînée, soit créer une pénalité de traînée.

7.2.2.8 Dispositifs pour le sous-plancher de la cabine

De nombreux dispositifs aérodynamiques existants ont été proposés pour l'industrie du camionnage. Certains, comme les jupes latérales, ont été adoptés il y a longtemps pour les tracteurs et commencent à l'être pour les remorques, mais bon nombre en sont encore à la phase de recherche. Un domaine où il serait possible de réaliser des gains est l'ajout de dispositifs aérodynamiques au sous-châssis du tracteur. Comme le rapporte une recherche [45], on a constaté une amélioration mesurable du rendement aérodynamique lorsque des plaques de lissage sont ajoutées sous le châssis du tracteur. Ces avantages ont été quantifiés et vont de 0,015 à 0,018 en termes de réduction du coefficient de traînée. Selon les méthodes présentées dans Leuschen et Cooper [29], ces réductions seraient équivalentes à des économies annuelles possibles de carburant atteignant 1080 litres par tracteur. C'est une partie du véhicule où le mouvement relatif entre le véhicule, le sol et le flux d'air principal est critique. Des expériences réalisées au CNRC, et dont les résultats n'ont pas encore été publiés, donnent des résultats divergents pour des techniques appliquées au sous-châssis, tout dépendant du mouvement (ou de l'absence de mouvement) du plancher dans la soufflerie.

L'utilisation de ces dispositifs pourrait présenter des problèmes opérationnels en termes d'entretien et d'accroissement du poids. Toutefois, on pourrait réaliser certains gains, car les composants cruciaux sous la cabine seraient mieux protégés et seraient moins sensibles à l'accumulation de saleté, de neige et de glace.

7.3 Gestion de l'écoulement de l'air autour de l'écart tracteur-remorque

7.3.1 Situation actuelle

La zone se trouvant juste derrière un tracteur de classe 8 et devant la remorque qui y est attachée est appelée «écart tracteur-remorque» (voir la Figure 13). L'écoulement de l'air dans cette zone affecte directement la pression sur la face arrière de la cabine et sur la face avant de la remorque, qui sont toutes deux de grandes surfaces perpendiculaires au mouvement du véhicule, et qui donc contribuent fortement à sa traînée globale. Lorsque les vents dominants soufflent sur le tracteur semi-remorque même à des angles obliques modérés, l'écoulement transversal passant par l'écart modifie la pression exercée sur les faces planes de la cabine et de la remorque, ce qui se traduit par une augmentation de la traînée globale du véhicule [46]. C'est là une zone importante où il convient d'évaluer la traînée moyennée selon le vent pour déterminer les avantages des dispositifs réducteurs de traînée.

La figure 13 illustre un ensemble tracteur-remorque et indique par un cercle l'écart entre le tracteur et la remorque.

Figure 13 – Écart typique entre le tracteur et la remorque

Afin de minimiser l'effet de l'écoulement de l'air dans l'écart, on pourrait l'obturer complètement, ce qui réduirait à zéro la contribution des vents latéraux à la traînée. Toutefois, en raison des exigences opérationnelles, un écart minimal est requis pour permettre l'articulation du tracteur par rapport à la remorque pour les manœuvres aux quais de chargement et dans les gares de véhicules. Les écarts typiques entre le tracteur et la remorque sont de l'ordre de 1,0 m (40 po).

On a démontré que l'écart commence à avoir un impact significatif sur la traînée du véhicule lorsqu'il est supérieur à 0,45 m, et que la traînée augmente d'environ 2 % pour chaque accroissement de 0,25 m de l'écart au-delà d'environ 0,75 m. Les recherches réalisées par Landman et coll. [47] permettent de croire qu'en réglant complètement le problème de l'écart, des économies de l'ordre de 6 % seraient possibles pour un tracteur semi-remorque type. Cela représenterait une amélioration d'environ 3 % de la consommation de carburant à 98 km/h (60 mi/h), comme l'illustre la Figure 14.

La figure 14 montre une courbe qui fait la corrélation entre la consommation de carburant et la largeur de l'écart entre le tracteur et la remorque.

Figure 14 – Consommation de carburant par rapport à l'écart [99]

Il y a deux grands types de dispositifs réducteurs de traînée aérodynamique dans l'écart tracteur-remorque: les extensions latérales de tracteur et les dispositifs insérés dans l'écart.

7.3.2 Technologies
7.3.2.1 Dispositif monté sur le tracteur

Les extensions latérales (illustrées à la Figure 15) servent à prolonger le bord arrière de la cabine afin d'empêcher l'air de pénétrer dans l'écart. La plupart des fabricants OEM offrent des extensions latérales en option standard pour les tracteurs.

La figure 15 montre 2 tracteurs munis d'extensions latérales de cabines

Figure 15 – Extensions latérales de cabine

En outre, on utilise souvent la zone de l'écart pour y ranger l'équipement auxiliaire du tracteur. Il serait possible de mettre au point une solution de rangement qui non seulement assurerait le rangement sécuritaire et efficace de l'équipement auxiliaire, mais servirait également de dispositif remplisseur d'écart, monté sur la cabine.

Certains chercheurs [43], [45] ont indiqué que des améliorations aérodynamiques importantes sont possibles dans l'aménagement des surfaces juste derrière la cabine du tracteur. En recouvrant cette zone par un carénage horizontal et en l'intégrant au carénage des roues, on a constaté que des avantages aérodynamiques importants sont possibles.

Un séparateur d'écart (grande plaque verticale) est un autre dispositif souvent proposé pour les remorques (voir la section suivante). Cooper [16] a démontré qu'il s'agit d'une technique viable dans des conditions de vent de travers. Un séparateur d'écart monté sur le tracteur donnerait les mêmes résultats, tout en réduisant son coût de mise en place.

Enfin, une autre méthode pour réduire la traînée associée à l'écart consiste à réduire la distance entre l'arrière du tracteur et l'avant de la remorque. Cette méthode est toutefois limitée, car le camionneur doit préserver un rayon de virage suffisant pour permettre le chargement et le déchargement dans les zones de déchargement à accès limité, ou pour négocier des virages serrés. La société Navistar/International Trucks travaille actuellement sur une sellette d'attelage active qui permet de réduire l'écart tracteur-remorque aux vitesses routières, et ainsi la traînée aérodynamique [48], ce qui élimine les problèmes d'articulation causés par des écarts trop faibles à basse vitesse. Ce concept se traduirait probablement par un léger accroissement de la consommation d'énergie, ce qui sera bien compensé par les avantages d'un écart plus petit dans des conditions routières. En outre, pour les tracteurs sans carénage de toit, ou ceux dont le carénage n'est pas optimisé en fonction de la remorque tirée, la réduction de l'écart pourrait ne pas offrir d'avantage appréciable.

7.3.2.2 Dispositif monté sur la remorque

Bon nombre des dispositifs proposés pour réduire les pertes aérodynamiques dans l'écart sont montés sur la remorque. Par conséquent, le taux d'acceptation des remplisseurs d'écart actuels n'a pas été très élevé, exception faite des extensions latérales montées sur le tracteur, dont nous avons traité à la section précédente. Les principaux dispositifs utilisés sur la remorque sont les remplisseurs d'écart, les carénages de remorque et les écrans d'écart (Figure 15). De plus, les séparateurs d'écart sont offerts en deux types: les plaques centrales plates et les dispositifs remplisseurs d'écart.

La figure 16 montre 2 dispositifs situés dans l'écart entre le tracteur et la remorque: un séparateur d'écart et un carénage de remorque.

Figure 16 – Dispositifs d'écart: séparateur d'écart (gauche), carénage de remorque

Plusieurs fabricants offrent sur le marché des produits commerciaux conçus pour la zone d'écart, avec des économies de carburant alléguées de l'ordre de 2 %. Toutefois, les économies en pourcentage dépendent grandement de la procédure d'essai choisie, y compris la largeur initiale de l'écart et la vitesse d'essai.

Certains des dispositifs remplisseurs d'écart ressemblent à des unités de réfrigération. Il serait possible d'optimiser la forme de ces unités de réfrigération pour tirer profit de la réduction de l'écart.

7.3.3 Études générales

De nombreuses études théoriques ont porté sur les effets potentiels des dispositifs d'écart tracteur semi-remorque sur l'économie de carburant. Il convient toutefois d'étudier d'abord l'avantage maximal théorique que l'on obtiendrait en fermant entièrement l'écart. Une telle étude [47] suggérait que la limite supérieure de l'amélioration aérodynamique prévue était une réduction de la traînée de l'ordre de 7 %. À une vitesse type de 55 mi/h, cela représenterait des économies de carburant d'environ 3,5 %.

D'autres études, y compris [29], [37] et [49], ont fait état d'économies de carburant entre 1 et 3 % pour les dispositifs types de fermeture de l'écart. Ces résultats sont importants, car ils correspondent aux chiffres avancés par les fabricants. Dans ce cas, il existe une occasion de raffiner et d'optimiser davantage les dispositifs d'écart classiques pour réaliser les économies de carburant maximales possibles. En outre, on a peu étudié les effets associés au remorquage de diverses remorques derrière une cabine à profilage aérodynamique. Il est possible que certaines combinaisons de tracteur et de remorque puissent présenter un rendement aérodynamique plus faible par l'ajout de certains dispositifs d'écart.

7.4 Gestion de l'écoulement de l'air sous la remorque

7.4.1 Situation actuelle

Tout comme l'écart entre le tracteur et la remorque, la zone ouverte sous la remorque contribue grandement à la traînée dans des conditions de vent de travers. La méthode générale pour minimiser la traînée produite dans cette région est d'empêcher l'air d'y pénétrer. Mercedes a récemment introduit une remorque prototype qui, allègue-t-on, réduit de 18 % la traînée d'un ensemble routier de style entièrement européen (comportant une cabine avancée) [50]. La remorque comporte des panneaux de garniture, des jupes latérales, des carénages de roue et un rétreint pour réduire la traînée totale du véhicule. Il s'agit d'un concept intégral, et non de l'ajout cumulatif de dispositifs d'appoint. Une combinaison correctement évaluée de dispositifs d'appoint pourrait offrir le même niveau de réduction de la traînée.

7.4.2 Technologies
7.4.2.1 Jupes latérales

Comme l'illustre la Figure 17, les jupes latérales servent à empêcher le flux d'air de pénétrer sous la remorque. Au cours des dernières années, ces jupes ont été largement adoptées et on les voit couramment sur de nombreuses remorques. Des réductions de la consommation de carburant de l'ordre de 3 à 7 % ont été rapportées [2]. De plus, la conception mécanique de ces dispositifs est simple, de sorte que leur entretien et leur fiabilité ne posent pas de problème.

La figure 17 montre un ensemble tracteur-remorque. À l'aide d'un cercle, cette figure illustre une jupe latérale typique sous le châssis de la remorque

Figure 17 – Exemple d'une jupe latérale type

Quelques variantes de jupes latérales ont été proposées. Les jupes de coin et les jupes oscillantes [14] sont des versions modifiées des jupes latérales, qui, allègue-t-on, sont optimisées pour améliorer davantage l'aérodynamique sous le châssis.

7.4.2.2 Emboîtement du sous-châssis de la remorque

Un peu à la façon des jupes latérales, une autre approche pour minimiser la traînée aérodynamique sous la remorque consisterait à installer un compartiment léger sous celle-ci, comme on le voit sur les camions de déménagement commerciaux (Figure 18). Des essais en soufflerie sur des modèles à l'échelle, ainsi équipés, ont indiqué une réduction de la traînée de l'ordre de 10 à 15 % [51].

La figure 18 illustre un ensemble tracteur-remorque utilisé par les entreprises de déménagement. La remorque est équipée d'un emboîtement sous le châssis

Figure 18 – Camion de déménagement commercial, avec emboîtement du sous-châssis

Si cette approche présente certains problèmes opérationnels, en plus du poids supplémentaire occasionné et du changement de l'angle de rampe de la remorque, elle offre des avantages également. Il serait possible de concevoir ces compartiments de façon à pouvoir y ranger les courroies de fixation, les chaînes, les pneus de secours et les autres accessoires. De plus, ces compartiments pourraient assurer une protection aux usagers de la route vulnérables en les empêchant de glisser sous la remorque. Il faudra bien sûr concevoir correctement ces compartiments pour assurer une garde au sol appropriée.

7.4.2.3 Carénages de roue et de train roulant

Leuschen et Cooper [29] ont constaté une réduction mesurable de la traînée associée à l'utilisation de carénages autour des roues de la remorque, ou de tout le train roulant. Toutefois, les jupes latérales de base offrent une réduction de la traînée plus importante et elles sont habituellement de conception et de construction plus simples. Par conséquent, on ne prévoit pas que ce type de carénage présentera un grand intérêt pour l'industrie du transport.

7.5 Gestion de l'écoulement de l'air à l'arrière de la remorque

7.5.1 Situation actuelle

La queue de la remorque est l'une des plus principales sources de traînée sur les tracteurs semi-remorque. La basse pression sur la face de la remorque due au sillage aérodynamique, combinée à la haute pression sur la face avant du véhicule, cause une différence de pression nette qui génère une force dans la direction du vent. Cette différence de pression entre l'avant et l'arrière est la source principale de traînée sur la plupart des véhicules lourds. En augmentant la pression de culot, on réduit cette différence, et ainsi la traînée nette exercée sur le véhicule. Par conséquent, de nombreux dispositifs et techniques de réduction de la traînée sur la remorque visent à accroître cette pression arrière.

7.5.2 Technologies
7.5.2.1 Rétreints/panneaux d'extension

En terminant en cône l'extrémité arrière d'un véhicule lourd, on accroît sa pression de culot, en permettant à l'écoulement environnant d'accroître la pression avant qu'il quitte le bord carré à l'arrière de la remorque et forme un sillage. Cette pression de culot accrue donne lieu à une différence de pression globale moindre entre l'avant et l'arrière de l'ensemble tracteur-remorque. Les rétreints, aussi appelés panneaux d'extension, sont une autre technique qui s'est avérée efficace pour réduire la traînée des ensembles tracteur-remorque, et il en existe diverses configurations (voir les deux exemples de la Figure 19).

La figure 19 illustre deux concepts de retreint: le retreint allongé et le retreint court

Figure 19 – Concepts de rétreint

Des essais en soufflerie et sur route [23], [32] ont démontré qu'un rétreint d'une longueur de 24 à 32 pouces est optimal pour réduire la traînée et répondre aux exigences types de longueur limite des remorques. Tout comme dans le cas des jupes latérales, il est important d'optimiser l'interaction entre les rétreints et les autres dispositifs. Un projet de collaboration entre le CNRC et Transports Canada a trouvé quelques configurations optimales (aux plans aérodynamique et opérationnel) en utilisant un modèle à l'échelle 1/10 en soufflerie. Il y aurait lieu de procéder à des démonstrations dans des situations routières représentatives avant de formuler des recommandations.

7.5.2.2 Générateurs de tourbillon

Comme leur nom l’indique, les générateurs de tourbillon sont des dispositifs qui, lorsqu’ils sont placés sur une surface, génèrent un tourbillon ou un réseau de tourbillons fixes dans l’écoulement, le long de la surface, pouvant influencer de décollement de l’écoulement plus loin, sous le vent. Plusieurs concepts visant à appliquer dans la pratique un tel dispositif sur les côtés et le haut des remorques ont été proposés comme moyen de réduire la traînée aérodynamique de véhicules lourds.  Une étude en soufflerie à petite échelle d’un concept de tourbillon d’extension de bord d’attaque a démontré un faible avantage [49].

Dans leur étude de 2006, Leuschen et Cooper [29] ont tenté en vain de trouver un fournisseur ou un concepteur disponible pour procéder systématiquement aux essais en soufflerie de leurs générateurs de tourbillon sur un camion pleine échelle. Ils ont donc mis au point leur propre prototype de générateur de tourbillon à des fins d’essais, lequel était basé sur le concept de tourbillon d’extension de bord d'attaque étudié en [29].  Ils ont constaté qu'il offre une augmentation mesurable de la traînée du véhicule ainsi qu’une augmentation connexe de la consommation en carburant de plus de 1 % pour l’utilisation typique d’un grand routier.

Depuis la publication initiale de ce rapport, en 2012, un programme d’essais sur piste financé par le secteur privé a démontré le potentiel limité du concept du générateur de tourbillon appliqué au toit et aux bords latéraux arrière d’une remorque de 53 pi [36]. Les résultats des essais ont fait état d’une économie en carburant de moins de 1 %.

7.5.2.3 Remorques abaissables/rétractables

L'aire frontale d'un tracteur semi-remorque dépend du volume de la remorque et de son chargement. Afin de réduire la traînée d'un ensemble tracteur-remorque lorsque la remorque est vide, Brad Bennett, un concepteur de la Colombie-Britannique, a proposé un modèle de remorque rétractable, illustré à la Figure 20 [52]. Pour être efficace, cette technique requiert également l'utilisation d'un carénage de tracteur rétractable.

Figure 20 illustre 2 images d'un concept de remorque rétractable. La première image illustre la remorque avec sa hauteur en position allongée et la deuxième, avec sa hauteur en position rétractée

Figure 20 – Concept de remorque rétractable

7.5.2.4 Technique de la société System Drag Reduction (SDR)

Une société espagnole, System Drag Reduction, S.L., a mis au point une technique qui accroît

la pression de culot de la remorque en redirigeant l'écoulement vers le bord arrière supérieur de la remorque [35]. Selon SDR, ce système permet de réduire la consommation de carburant de 4 % à 6 %, et de plus le dispositif réduit la turbulence dans le sillage.

7.6 Préoccupations opérationnelles

L'obstacle le plus important à l'adoption des divers dispositifs susmentionnés ne sera pas de nature technique, mais plutôt opérationnelle, et dépendra de leur acceptation par l'industrie. Toutefois, on estime qu'en parvenant à un équilibre approprié entre les préoccupations opérationnelles et les avantages aérodynamiques, il sera possible de réaliser des améliorations importantes sans perturber gravement les activités de camionnage, ni trop accroître les coûts d'acquisition des tracteurs et des remorques.

Dans l'une ou l'autre de ces études futures, l'approche utilisée devrait d'abord consister à comprendre les préoccupations opérationnelles et les obstacles à l'acceptation par l'industrie du camionnage, avant toute expérience aérodynamique ou simulation.

7.7 Conclusions

Les tracteurs et les remorques n'appartiennent pas toujours aux mêmes exploitants, et il peut donc y avoir une certaine réticence de la part des propriétaires de remorques à payer pour des dispositifs qui profiteront aux propriétaires des tracteurs.

Les résultats des essais aérodynamiques sur les pare-chocs avant robustes sont épars. Toutefois, d'autres facteurs poussent les camionneurs à utiliser ces dispositifs. Le mouvement relatif véhicule/route/vent est important pour l'évaluation des pare-chocs et des techniques visant expressément le bas de la carrosserie.

Des améliorations aérodynamiques modestes sont possibles avec l'utilisation d'enjoliveurs et de bavettes garde-boue à fentes.

On peut également utiliser des revêtements superhydrophobes pour réduire la probabilité d'accumulation d'eau et de glace sur les remorques. Toutefois, cette technologie reste encore largement non testée sur les véhicules routiers.

Il a été démontré en laboratoire que l'injection d'air réduit la traînée. Cependant, cette approche est beaucoup moins pratique que la réduction de la traînée, car il faut utiliser des dispositifs électriques (ce qui consomme du courant produit par le système de charge et constitue donc des pertes parasites pour le moteur) pour assurer l'écoulement d'air, et il faut aussi adapter la canalisation des systèmes passifs.

Selon certaines études, les dispositifs pour le sous-châssis des cabines diminuent la traînée aérodynamique des tracteurs. Toutefois, on devrait réaliser des essais en utilisant une soufflerie à route roulante afin de quantifier le mouvement relatif véhicule/route/vent, un facteur important, et ainsi déterminer les gains de rendement réels.

On a aussi démontré que l'écart commence à avoir un impact significatif sur la traînée du véhicule lorsqu'il est supérieur à 0,45 m, et que la traînée augmente d'environ 2 % pour chaque accroissement de 0,25 m de l'écart au-delà d'environ 0,75 m. Les recherches permettent de croire qu'en réglant complètement le problème de l'écart, des économies de l'ordre de 6 % dues à la réduction de la traînée seraient possibles pour un tracteur semi-remorque type. Cela représenterait une amélioration d'environ 3 % de la consommation de carburant à 98 km/h (60 mi/h). Au moins un fabricant met actuellement au point une sellette de tracteur qui se déplacerait longitudinalement pour réduire de manière efficace l'écart tracteur semi-remorque aux vitesses élevées.

Plusieurs fabricants offrent sur le marché des produits commerciaux conçus pour la zone d'écart, avec des économies de carburant alléguées de l'ordre de 2 %. Toutefois, les économies en pourcentage dépendent grandement de la procédure d'essai choisie, y compris la largeur initiale de l'écart et la vitesse d'essai.

De nombreuses études théoriques ont porté sur les effets potentiels des dispositifs d'écart tracteur semi-remorque sur l'économie de carburant. Il convient toutefois d'étudier d'abord l'avantage maximal théorique que l'on obtiendrait en fermant entièrement l'écart. Selon certaines études, la limite supérieure de l'amélioration aérodynamique prévue entraînerait une réduction de la traînée de l'ordre de 7 %. À une vitesse type de 55 mi/h, cela représenterait des économies de carburant d'environ 3,5 %.

Mercedes a récemment introduit une remorque prototype qui, allègue-t-on, réduit de 18 % la traînée d'un ensemble tracteur-remorque de style entièrement européen (comportant une cabine avancée).

Les jupes latérales servent à empêcher que l'écoulement de l'air n'entre dans la zone sous la remorque. Au cours des dernières années, ces jupes ont été largement adoptées et on les voit couramment sur de nombreuses remorques. Des réductions de la consommation de carburant de l'ordre de 3 à 7 % ont été rapportées.

On a aussi démontré que les boîtes de sous-châssis latérales réduisent la traînée de 10 à 15 %, et qu'on peut les utiliser pour y ranger du matériel qui devrait normalement être sanglé à l'extérieur du tracteur ou sous le côté de la remorque. On pourrait également utiliser les boîtes de sous-châssis latérales à la place des protecteurs latéraux classiques. Toutefois, elles augmentent le poids de la remorque et pourraient également avoir un impact sur l'angle de rampe lorsque les remorques traversent les voies ferrées ou d'autres obstacles.

Les essais en soufflerie et sur route ont démontré qu'un rétreint d'une longueur de 24 à 32 pouces est optimal pour réduire la traînée et respecter les limitations de longueur. Tout comme dans le cas des jupes latérales, il est important d'optimiser l'interaction entre les rétreints et les autres dispositifs.

Malgré les allégations de leurs fabricants, les générateurs de tourbillon sont inefficaces pour réduire la traînée. Dans l'industrie aéronautique, ils contribuent à maintenir la portance et non à réduire la traînée.

Les remorques rétractables (c.-à-d. des remorques dont la hauteur est grandement réduite) sont testées à l'état de prototype au Canada, mais il reste encore à faire des essais afin de quantifier la réduction de traînée potentielle.

Les modèles de tracteur aérodynamique permettent une réduction de la traînée aérodynamique, par rapport au type classique, de l'ordre de 30 %. On obtient ce résultat essentiellement en arrondissant les surfaces avant, en posant des déflecteurs de toit et en recouvrant d'un carénage les réservoirs de carburant entre l'essieu directeur et les essieux moteurs.

7.8 Aspects nécessitant un complément d'étude

Tous les dispositifs décrits dans cette section sont des candidats valables pour des études ultérieures, exception faite des dispositifs actifs d’injection d’air et des techniques de contrôle actif de l’écoulement. De plus, une étude intégrée de tous les dispositifs s’impose afin de s’assurer que les gains aérodynamiques offerts par l’un de ces dispositifs ne réduisent pas le rendement aérodynamique d’un autre dispositif installé en aval du véhicule.

Le processus suggéré consisterait à réaliser des essais en soufflerie à l'échelle, avec l'ajout séquentiel de chaque dispositif jusqu'à ce que le véhicule soit équipé de tous les dispositifs susmentionnés. Après cette étape préliminaire, on pourrait mettre au point ou acheter des prototypes à pleine échelle et les tester dans des situations routières réelles et contrôlées. On devrait également évaluer l'utilisation de différents types de remorques (remorque fermée, camion-citerne, plateforme avec et sans chargement représentatif), afin de déterminer les avantages pour l'ensemble de l'industrie du transport. Le critère d'évaluation le plus efficace consiste à mesurer le coefficient de traînée moyenné selon le vent, qui permet de tenir compte de la variation du lacet dû au vent terrestre.

Afin de mieux servir le secteur du camionnage et d'atteindre les objectifs globaux d'amélioration de la consommation de carburant, il est suggéré que l'on travaille davantage sur des solutions de réduction de la traînée basées sur le tracteur. Cela dit, les dispositifs basés sur la remorque, comme les jupes latérales et les rétreints, offrent des avantages importants en raison de leur potentiel démontré de réduction de la traînée.

Dans l'une ou l'autre de ces études futures, l'approche utilisée devrait d'abord consister à comprendre les préoccupations opérationnelles et les obstacles à l'acceptation par l'industrie du camionnage, avant toute simulation ou expérience aérodynamique.

8 Réduction de la traînée aérodynamique des autocars

8.1 Définition

Le Canada est un acteur important dans l'industrie de la conception et de la fabrication des autocars interurbains: les deux constructeurs canadiens se sont partagés environ 75 % du marché nord-américain en 2009 et employaient un total de quelque 2 000 travailleurs [53]. La production canadienne d'autocars se chiffrait à environ 1 800 unités, et les deux constructeurs ont exporté environ 90 % de leur production aux États-Unis. En 2009, on comptait quelque 35 000 autocars interurbains en utilisation en Amérique du Nord.

La majeure partie de la documentation technique sur les techniques et les dispositifs d'appoint pour réduire la traînée aérodynamique des autocars interurbains est moins abondante que pour les tracteurs semi-remorques de classe 8. Plusieurs facteurs expliquent cette différence. Le parc nord-américain d'autocars est beaucoup plus petit que le parc de tracteurs, et par conséquent, sa consommation de carburant et ses émissions de GES sont beaucoup plus faibles annuellement. À la différence des constructeurs de tracteurs, les constructeurs d'autocars ont le contrôle de la conception aérodynamique de tout le véhicule et, peu importe les contraintes opérationnelles et réglementaires, ils ont beaucoup plus de latitude en matière de conception pour minimiser la traînée aérodynamique en optimisant le profil de l'autocar, entre autres choses, ce qui a un impact direct sur le rendement du véhicule. Il y a aussi beaucoup moins de constructeurs d'autocars et dans cette industrie compétitive où le secret entoure la conception, il y a peu d'information publique.

On croit à tort que les autocars, en raison de leur forme caractéristique, ne souffrent pas des importantes pertes aérodynamiques qui touchent les tracteurs semi-remorques. Cette perception est fausse, et on doit la contrer par des arguments physiques. D'après l'analyse des contributions respectives des pertes aérodynamiques et mécaniques à la consommation d'énergie d'un véhicule routier, il est possible de déterminer pour le véhicule une vitesse de «transition» au-delà de laquelle les pertes aérodynamiques dominent. La Figure 21 présente une adaptation de l'analyse de Cooper [55] qui a déterminé les vitesses de transition pour diverses catégories de véhicules. Un autocar chargé (24 tonnes) a une vitesse de transition d'environ 70 km/h, tandis que pour un autocar vide de 17 tonnes, cette vitesse baisse à environ 60 km/h. En comparaison, pour un tracteur semi-remorque d'un poids brut de 36 tonnes, la vitesse de transition est d'environ 90 km/h. Grâce à son faible ratio résistance au roulement/résistance aérodynamique (le paramètre de densité de la traînée), les pertes aérodynamiques d'un autocar sont supérieures aux pertes mécaniques à des vitesses beaucoup plus faibles que pour un tracteur semi-remorque. Aux vitesses routières, une fraction importante de l'énergie consommée est dissipée sous forme de pertes aérodynamiques. Le corollaire est que pour une réduction donnée en pourcentage du coefficient de traînée, la réduction nette en pourcentage de la consommation de carburant est plus grande pour un autocar que pour un tracteur semi-remorque. Pour un autocar nord-américain type circulant à une vitesse normale sur la route, la traînée aérodynamique représente environ 60 % de l'énergie consommée pour maintenir la vitesse du véhicule.

Figure 21 – Vitesse de transition à laquelle les résistances mécanique et aérodynamique sont égales, pour divers types de véhicules. Données adaptées de Cooper [55]

Un autocar type est caractérisé par une forme profilée et fermée et l'absence de discontinuités marquées. Cette configuration permet d'assurer un niveau élevé d'efficacité aérodynamique, à la condition que le concepteur tienne vraiment compte des facteurs physiques qui régissent le comportement aérodynamique du véhicule dans des conditions d'exploitation réelles. On peut répartir les pertes aérodynamiques en quatre grandes sources, chacune nécessitant un traitement spécial:

  1. aérodynamique externe (forme de la carrosserie, texture);
  2. accessoires aérodynamiques (rétroviseurs, antennes, etc.);
  3. aérodynamique du sous-châssis;
  4. aérodynamique du circuit de refroidissement du moteur.

A – La contribution dominante à la traînée aérodynamique d'un autocar est la différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la carrosserie, la résistance de frottement offrant une contribution minimale. Selon Cooper [56], environ 60 à 70 % de la traînée totale moyennée selon le vent pour un autocar est attribué aux charges de pression agissant sur la carrosserie avant du véhicule, et c'est donc la région que l'on devrait privilégier pour les stratégies de réduction de la traînée. De loin, la méthode la plus efficace de réduction de la traînée due à la carrosserie avant consiste à minimiser le décollement de l'écoulement en arrondissant les coins avant (côtés et haut) et en donnant une forme conique à la carrosserie avant. Ces résultats ont également été confirmés par les expériences de McDonald et Palmer [57], qui ont équipé des modèles d'autocars existants de carénages de carrosserie avant, et ont obtenu des réductions de la traînée atteignant 27 %. Camara et Girardi [58] ont fait état d'une réduction de la traînée de 40 % en utilisant un devant arrondi optimal, par rapport à un devant carré. Cette réduction était attribuée à une pression statique moindre sur les coins, qui dénote un attachement de l'écoulement d'air. Selon de récentes expériences par Newnham et coll. [104], le champ d'écoulement autour de ces coins est fortement influencé par la turbulence libre. Par conséquent, une simulation appropriée visant à minimiser la traînée aérodynamique des autocars doit reproduire à la fois le nombre de Reynolds et les caractéristiques de turbulence de l'autocar dans des conditions réelles d'utilisation. Autre facteur important: la présence d'obstacles à proximité d'un coin, comme les garnitures ou les joints en caoutchouc, qui peuvent provoquer le décollement prématuré de l'écoulement. Mais outre l'importance cruciale de l'écoulement autour de la carrosserie avant, on peut aussi réaliser des gains d'efficacité dans la région arrière, où il est souhaitable de dynamiser le sillage et de réduire l'étendue spatiale de la bulle de décollement. Des travaux expérimentaux et numériques ont été réalisés sur des formes de carrosserie non profilée génériques, sur lesquelles on a étudié des variantes paramétriques d'une extrémité arrière en forme conique [59]. En combinant l'arrondi des coins et la forme conique sur une extrémité arrière novatrice composant un «piège à tourbillon», Fletcher et Stewart [60] ont indiqué avoir obtenu en soufflerie une réduction du coefficient de traînée aérodynamique de 0,43 à 0,29, par rapport à la configuration commerciale de base de l'autocar. Plus récemment, les expériences de dynamique des fluides numérique de Raveendran et coll. [61] ont donné une réduction du CD de 0,53 à 0,29, attribuable à une nouvelle conception radicale, comportant des caractéristiques comme une superficie frontale réduite, l'inclinaison du pare-brise, l'arrondi des coins, la conicité du toit arrière et l'élimination des rétroviseurs. Dans une autre étude en soufflerie réalisée par Balakrishnan et coll. [62] sur des modèles d'autocars commerciaux à l'échelle, on a étudié les effets combinés de l'arrondi du bord avant et de la conicité de la ligne de toit, dans la partie arrière. Ces modifications ont démontré que le coefficient de traînée aérodynamique de l'autocar original, de type relativement carré, pourrait être réduit d'une valeur aussi élevée que 0,93 à 0,42. Les expériences de dynamique des fluides numérique de Kim etcoll. [63] sur un modèle d'autocar modifié ont indiqué que l'ajout d'un déflecteur incliné vers le bas, à l'arrière du toit, réduisait le coefficient de traînée aérodynamique d'environ 0,083, une réduction de plus de 13 %. Vu le grand potentiel de réduction du coefficient CD que permettrait une conception aérodynamique rationnelle de la forme de la carrosserie, le profilage aérodynamique devrait être prioritaire dans le processus d'optimisation des autocars visant à réduire la consommation de carburant, et ce, tôt dans la phase de conception.

Comme l'ont mentionné Fletcher et Stewart [60], la réduction de la traînée aérodynamique grâce à l'optimisation des formes de carrosserie, en plus de diminuer la consommation de carburant, offre également des avantages secondaires associés à un «écoulement plus propre», notamment:

  • une meilleure maniabilité dans des conditions de vent de travers;
  • un rattrapage et un dépassement plus sûrs;
  • une accumulation moindre de saleté (salissures, visibilité);
  • la réduction du bruit aérodynamique (écoulement collé);
  • une fatigue moindre du chauffeur.

B – Il est paradoxal que les appendices d'un autocar comme les rétroviseurs, lorsqu'ils sont fixés à une carrosserie aérodynamiquement optimisée, puissent causer une détérioration non négligeable du rendement aérodynamique du véhicule. Prenons le cas d'une paire de rétroviseurs, chacun ayant une aire de surface de 0,08 m2, avec un coefficient de traînée égal à 1. Quand on les installe sur un modèle d'autocar type (aire frontale de 8 m2), le coefficient de traînée incrémentiel dû aux rétroviseurs peut être estimé à ∆CD≈ 2 x 0,08/8 = 0,020. Cela correspond à plus de 3 % de la traînée aérodynamique totale d'un autocar dont le coefficient de traînée est de CD=0,60, et cela, sans tenir compte du fait que la présence de ces rétroviseurs à proximité des coins latéraux avant perturbe le champ d'écoulement local et peut induire un décollement perturbateur de l'écoulement, couplé avec un autre accroissement de la traînée. Comme la tendance actuelle en matière de conception se dirige vers des configurations d'autocars à forme profilée et dont des coefficients de traînée approchent 0,30, la pénalité de traînée due aux rétroviseurs et aux autres appendices qui contribuent à la traînée deviendra moins tolérable. Dans ce contexte, l'adoption d'une réglementation autorisant l'utilisation de caméras de recul standards pour remplacer les rétroviseurs serait un pas dans la bonne direction afin de minimiser les perturbations aérodynamiques, ce dont nous avons traité à la section 5 dans le cas des tracteurs semi-remorques. À cela pourrait s'ajouter l'installation obligatoire de rétroviseurs escamotables mécaniques standards qui pourraient être déployés en cas de défectuosité des caméras.

C - L'aérodynamique du sous-châssis prend de plus en plus d'importance, toujours afin de réduire la consommation de carburant des véhicules de surface. Un programme expérimental récent réalisé par BMW [64], comportant des essais sur route et en soufflerie, a quantifié la réduction de la traînée aérodynamique associée à l'installation de panneaux de sous-châssis, couvrant environ 60 % du sous-châssis. La corrélation entre les essais en soufflerie et sur piste était basée sur la mesure de 124 points de pression statique, répartis sur les panneaux. Les essais en soufflerie ont démontré une réduction de la traînée atteignant environ ∆CD≈-0,012, grâce aux panneaux de sous-châssis. En outre, on a constaté qu'en profilant les roues par l'ajout d'enjoliveurs, on pouvait réduire le CD d'une valeur de 0,022. L'étude a indiqué l'importance d'une simulation appropriée au sol et de la rotation des roues pour obtenir en soufflerie des mesures réalistes de l'écoulement sous le châssis. Une étude paramétrique par dynamique des fluides numérique réalisée récemment par Ortega et Salari [65] a porté sur les effets d'un carénage installé sous le châssis d'une remorque attachée à un tracteur lourd. Chaque carénage conique testé était placé juste en aval des roues du tracteur et se prolongeait aussi loin que le train roulant de la remorque. L'objectif principal était d'atténuer ou d'éliminer la zone de recirculation de l'écoulement observé provenant de l'aval des roues motrices du tracteur et induisant une pression négative sur les éléments tournés vers l'aval. La meilleure configuration testée (c'est-à-dire le carénage le plus long) a permis de réduire le coefficient de traînée de 0,042, soit une réduction d'environ 6,5 %, un rendement qui a été jugé supérieur à celui des jupes latérales. On peut résumer les objectifs des modifications du sous-châssis en termes de trois sous-objectifs fondamentaux:

  • protéger de l'écoulement à haute vitesse les surfaces tournées vers l'avant;
  • atténuer le sillage derrière les éléments du sous-châssis, afin de réduire la pression de succion contre les surfaces tournées vers l'arrière;
  • maximiser la vitesse de l'air sortant à l'arrière du sous-châssis du véhicule, afin d'obtenir plus d'élan provenant du sillage du véhicule, ce qui réduit ainsi l'ampleur de la pression de culot négative.

Le sous-châssis d'un autocar est déjà relativement «propre» par rapport aux autres types de véhicules. Toutefois, l'utilisation de carénages permettrait de réduire en certains endroits l'exposition des éléments du sous-châssis à l'écoulement à haute vitesse, ou d'atténuer la traînée induite par le sillage. En particulier, le recouvrement des éléments de suspension faisant saillie dans la région d'écoulement à haute vitesse à l'avant, couplé à un carénage atténuant le sillage, permettrait de réduire la traînée. Dans le cas des tracteurs semi-remorques, les jupes latérales jumelées à des carénages de sous-châssis peuvent donner lieu à une réduction appréciable de la traînée aérodynamique [66]. Les autocars incorporent déjà efficacement une configuration de type jupe latérale, qui pourrait cependant être optimisée davantage. En canalisant l'écoulement sous le châssis vers l'extrémité arrière du véhicule, et en réduisant au minimum les obstructions, on pourrait utiliser l'énergie cinétique de l'écoulement pour accroître l'efficacité du refroidissement du moteur (effet de pression dynamique partiel), et/ou diriger cet écoulement canalisé dans la région du sillage.

D– Pour refroidir le moteur, il faut canaliser l'air ambiant depuis un orifice d'entrée vers un échangeur de chaleur, puis l'expulser dans l'atmosphère par le truchement d'un orifice de sortie. Ce processus provoque une perte d'énergie qui contribue à un accroissement effectif de la traînée aérodynamique du véhicule. Dans le cas du refroidissement par effet de pression dynamique, dans lequel l'écoulement de refroidissement se fait de manière passive par utilisation des différences de pression favorables entre l'entrée et la sortie (c.-à-d. sans l'utilisation d'un ventilateur de refroidissement), la traînée de refroidissement a été définie comme suit par Williams [67]: «c'est l'augmentation de la traînée du véhicule due à une condition de référence avec un avant fermée. Elle comporte deux parties– la traînée interne (perte de quantité de mouvement interne) de l'écoulement de l'air de refroidissement et l'interférence externe avec la répartition de la pression du véhicule, tant à l'entrée qu'à la sortie». L'analyse permet de mieux comprendre la physique du refroidissement en examinant l'équilibre de la quantité de mouvement dans un circuit de refroidissement simple. Selon Ivanić et Gilliéron [68], dans le cas d'une configuration d'automobile classique, la traînée de refroidissement peut représenter jusqu'à 10 % de la traînée aérodynamique de l'automobile. Leur analyse, jumelée à des expériences en soufflerie sur un modèle comportant un circuit de refroidissement passif simplifié, permet d'identifier les paramètres fondamentaux qui définissent l'efficacité énergétique d'un circuit de refroidissement: le rapport de la section transversale entrée/sortie, ainsi que les angles des écoulements à l'entrée et à la sortie du circuit de refroidissement. Leur analyse indique que l'efficacité du refroidissement augmente dans les conditions suivantes:

  1. l'entrée de refroidissement est située dans la région de stagnation, sur la carrosserie avant du véhicule;
  2. la sortie de refroidissement est située dans une région de basse pression, comme à l'extrémité arrière du véhicule (sillage);
  3. un angle de sortie d'environ 50 degrés par rapport à l'horizontale semble le plus favorable;
  4. un rapport de section transversale entrée/sortie égal à un est le plus favorable.

Ces conditions ne sont pas nécessairement faciles à mettre en œuvre sur un véhicule long, comme un autocar. Comme le moteur est situé à l'arrière, cela facilite l'éjection de l'air de refroidissement dans la région du sillage. Toutefois, la zone de stagnation du véhicule se trouve à quelque 12 m à l'avant du moteur. Un dispositif permettant de canaliser sur cette distance l'air obtenu par l'effet de pression dynamique, par le truchement d'une canalisation spécialisée, souffrirait probablement de pertes importantes de pression statique qui résulteraient en un écoulement de refroidissement insuffisant. C'est pourquoi il faut employer un ventilateur de refroidissement. En définitive, la configuration du circuit de refroidissement, notamment l'emplacement et l'orientation des orifices d'entrée et de sortie, ainsi que la configuration interne, qui déterminera la puissance requise par le ventilateur pour assurer un refroidissement approprié. Comme nous le mentionnons ci-dessus, la canalisation efficace de l'écoulement du sous-châssis vers l'arrière, où l'orifice d'entrée de refroidissement pourrait se trouver, pourrait accroître l'efficacité du refroidissement. De plus, le courant du ventilateur étant fourni par le moteur, l'optimisation du circuit de refroidissement afin de réduire les pertes pourrait se traduire par une réduction mesurable de la consommation de carburant. Pour les travaux de développement et d'optimisation, comme l'énonce Cooper [55], la soufflerie demeure l'outil le plus efficace. Toutefois, selon Wickern et coll. [69], pour ce qui est de l'optimisation du circuit de refroidissement, il est essentiel de procéder à une simulation appropriée au sol et il est nécessaire d'utiliser un plan de sol mobile et des roues en rotation pour assurer le réalisme de la simulation en soufflerie. On a constaté que l'essai des véhicules sans simulation appropriée au sol aboutit à une sous-estimation importante de la traînée de refroidissement.

Nous avons jugé utile de ventiler les contributions à la traînée aérodynamique selon quatre sources (A à D ci-dessus), afin de mieux les traiter indépendamment. Toutefois, on doit reconnaître que ces quatre facteurs aérodynamiques s'influent mutuellement. L'objectif premier, en définitive, est de réduire globalement la traînée aérodynamique, ce qui ne peut être réalisé que par une approche globale, «holistique», tenant compte des aspects pratiques et opérationnels. À cette fin, trois méthodes d'essais s'offrent à nous: les essais en soufflerie, la dynamique des fluides numérique et les essais sur route. Bien que la soufflerie demeure un outil de choix, la dynamique des fluides numérique fournit une foule d'informations qu'on ne peut obtenir autrement, et permet de mieux comprendre la physique des écoulements et d'orienter la conception des expériences en soufflerie. L'outil de vérification ultime est bien sûr les essais sur route, qui offre des conditions d'utilisation réelles pour valider l'efficacité du véhicule. Nous décrivons ces différentes méthodes d'essai à la section 10.

Enfin, il y a eu très peu de recherche sur l'inclinaison de la ligne de toit arrière des autocars. Comme les autocars ne sont pas assujettis aux mêmes contraintes de volume intérieur cubique que les remorques routières, il est donc possible d'étudier les gains que permettrait l'inclinaison de la partie arrière du toit d'un autocar.

8.2 Situation actuelle

Compte tenu de la conception des autocars nord-américains modernes, il n'est pas irréaliste de s'attendre à ce que leur coefficient de traînée soit supérieur à 0,50, pour un angle de lacet nul. Aux fins de comparaison, l'autocar de conception récente illustré à la figure 25, produit par un constructeur allemand et actuellement utilisé sur les routes européennes, présente un coefficient de traînée de 0,35 [70], [71]. Vu les faibles coefficients de traînée qui ont été rapportés dans la littérature pour des configurations optimisées, avec une valeur CD aussi faible que 0,28, il est manifeste qu'il existe un fort potentiel d'amélioration pour la conception des autocars nord-américains, pour les quatre sources susmentionnées. Par exemple, la réduction du coefficient de traînée aérodynamique de 0,60 à 0,30 se traduirait par une diminution de la consommation de carburant d'environ 30 %. Nous proposons une orientation pour les travaux futurs à la dernière section de ce chapitre.

Figure 22 – Autocar de conception allemande, avec une valeur CD≈0,35.

8.3 Préoccupations opérationnelles

L'optimisation aérodynamique serait facile à mettre en place si ce n'était des contraintes opérationnelles et pratiques: tous les véhicules seraient en forme de gouttelette! Les autocars, conçus expressément pour transporter un certain nombre de passagers, sont assujettis à des contraintes dont doit tenir compte l'aérodynamicien. Il s'agit des contraintes suivantes:

  1. maximisation du nombre de passagers;
  2. espace intérieur et confort des passagers;
  3. chauffage, refroidissement et ventilation de l'intérieur de l'autocar;
  4. visibilité du chauffeur– avant, arrière et sur les côtés;
  5. besoin de rétroviseurs (idéalement des caméras);
  6. appendices requis (antennes, etc.);
  7. portes d'accès et de sortie d'urgence, fenêtres (discontinuités potentielles des surfaces);
  8. dimensions extérieures et dégagement (réglementation);
  9. besoin d'espace de chargement (pour les bagages, etc.);
  10. minimisation de la salissure;
  11. accumulation de neige et de glace dans les logements de roue et sous le châssis;
  12. essuie-glaces (perturbation de l'écoulement de l'air).

Enfin, il est possible également d'accroître l'avantage aérodynamique en reprofilant la ligne de toit. Comme les autocars n'ont pas les mêmes contraintes de capacité de chargement, on pense que l'on pourrait modifier la ligne de toit arrière avec un impact minimal sur le confort des passagers. Les problèmes opérationnels ne devraient pas être une préoccupation.

8.4 Conclusions

L'applicabilité des dispositifs d'appoint aérodynamiques sur les autocars interurbains a été moins étudiée que pour les tracteurs semi-remorques de classe 8. Le parc nord-américain d'autocars est beaucoup plus petit que le parc de tracteurs, et par conséquent, sa consommation de carburant et ses émissions de GES sont beaucoup plus faibles.

Un autocar type présente de nombreux avantages aérodynamiques par rapport à un tracteur semi-remorque de classe 8 : il n'y a pas d'écart tracteur semi-remorque, la carrosserie se rapproche beaucoup plus du sol et incorpore de manière efficace les jupes latérales, et le devant plat élimine les discontinuités aérodynamiques multiples habituellement causées par les interfaces radiateur-capot, capot-pare-brise et pare-brise-carénage. Par conséquent, un autocar interurbain standard peut présenter une valeur CD aussi faible que 0,384.

Grâce à son faible ratio résistance au roulement/résistance aérodynamique (le paramètre de densité de la traînée), les pertes aérodynamiques d'un autocar sont supérieures aux pertes mécaniques à des vitesses beaucoup plus faibles que pour un tracteur semi-remorque. Pour une réduction donnée en pourcentage du coefficient de traînée, la réduction nette en pourcentage de la consommation de carburant est plus grande pour un autocar que pour un tracteur semi-remorque.

La contribution dominante à la traînée aérodynamique d'un autocar est la différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la carrosserie, la résistance de frottement offrant une contribution minimale.

Dans un autocar, environ 60 à 70 % de la traînée totale moyennée est attribuée aux charges de pression agissant sur la carrosserie avant du véhicule, et c'est donc cette zone que devraient privilégier les stratégies de réduction de la traînée. De loin, la méthode la plus efficace de réduction de la traînée due à la carrosserie avant consiste à minimiser le décollement de l'écoulement en arrondissant les coins avant (côtés et haut) et en donnant une forme conique à la carrosserie avant.

L'aérodynamique du sous-châssis prend de plus en plus d'importance, toujours afin de réduire la consommation de carburant des véhicules de surface. Les essais en soufflerie ont démontré qu'il est possible de réduire la traînée d'environ ∆CD ≈ -0,012, grâce à l'utilisation de panneaux de sous-châssis. En outre, on a constaté que le profilage aérodynamique des roues grâce à des enjoliveurs réduit davantage le CD d'environ 0,022. Bien que le sous-châssis des autocars soit déjà aérodynamiquement «épuré», on pourrait réaliser des recherches afin d'étudier la canalisation de l'écoulement sous le châssis vers l'extrémité arrière du véhicule. L'air doit être canalisé vers le moteur pour le refroidir, ce qui peut représenter un facteur important. Un sous-châssis d'autocar présentant des obstructions minimales permettrait d'utiliser l'énergie cinétique de l'écoulement pour refroidir plus efficacement le moteur (effet de pression dynamique partiel) et/ou diriger cet écoulement canalisé dans la région du sillage.

Enfin, il est possible également d'accroître l'avantage aérodynamique en reprofilant la ligne de toit. Comme les autocars n'ont pas les mêmes contraintes de capacité de chargement, on pense que l'on pourrait modifier la ligne de toit arrière avec un impact minimal sur le confort des passagers. Les problèmes opérationnels ne devraient pas être une préoccupation.

8.5 Aspects nécessitant un complément d'étude

Vu le secret qui caractérise l'industrie de l'autocar, il revient clairement aux constructeurs canadiens d'autocars de réaliser le processus d'optimisation, en tenant compte de leurs objectifs de rendement aérodynamique et de leurs contraintes opérationnelles. À cet égard, le CNRC et Transports Canada pourraient contribuer à ce processus, à la demande du client, en offrant une expertise en aérodynamique et des conseils à l'industrie, mais cela ne fait pas partie du présent programme.

Dans le cadre du programme écoTECHNOLOGIE pour Véhicules II, il y aurait lieu de formuler un document de recommandations à l'intention des constructeurs et des exploitants canadiens d'autocars afin de guider leurs efforts de développement et de sélection, respectivement, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions des autocars. Un tel document pourrait être basé sur l'information contenue dans le présent rapport.

9 Élimination de la glace et de la neige

9.1 Définition

L'idée d'éliminer la glace et la neige sur les tracteurs et les remorques routiers n'est pas chose nouvelle. Toutefois, l'ajout de l'un ou l'autre des dispositifs aérodynamiques décrits dans le présent document se traduit par une surface additionnelle sur laquelle la neige et la glace peuvent s'accumuler. La neige et la glace non seulement ajoutent du poids aux véhicules, qui peuvent déjà être à leur limite de poids légal ou tout près, mais elles peuvent également se détacher et être éjectées du véhicule pour tomber sur les autres véhicules autour du tracteur ou de la remorque. Pour ces raisons, il est important de comprendre si les dispositifs aérodynamiques conçus pour être utilisés, disons, dans le sud de la Californie, contribueraient à l'accumulation de neige et de glace et à leur éjection éventuelle lorsqu'ils sont utilisés au Canada. Il sera également important de comprendre si la neige et la glace peuvent s'accumuler sur un dispositif aérodynamique au point où celui-ci accroît la traînée aérodynamique, par rapport à un véhicule qui en est dépourvu. Un autre effet à étudier est celui des éclaboussures et des pulvérisations et la façon dont les dispositifs aérodynamiques affecteraient l'écoulement de l'eau et de la gadoue lorsqu'elles quittent le tracteur et la remorque.

9.2 Situation actuelle

Présentement, les exploitants canadiens utilisent des jupes latérales, des rétreints et d'autres dispositifs d'appoint, sans trop se préoccuper de l'élimination de la glace et de la neige, sinon l'enlever pendant l'inspection d'avant-voyage ou lorsque le camion s'arrête pour faire le plein. De plus, on enlève la neige davantage pour alléger le camion que pour préserver le rendement aérodynamique des dispositifs.

9.3 Allégations des fabricants

De nombreux fabricants de dispositifs aérodynamiques allèguent que l'ajout de leurs dispositifs modifie le champ d'écoulement en aval de la remorque. Toutefois, ils ne précisent pas comment la neige et la glace sont éliminées de leurs dispositifs. Un fabricant de rétreints allègue que son produitassure:

  • une meilleure stabilité du véhicule grâce à un écoulement plus profilé;
  • une meilleure visibilité pour les autres chauffeurs grâce à la réduction des éclaboussures par les roues arrière;
  • la réduction du talonnage et des collisions arrière mortelles, grâce à l'extension rétractable de 4pi.

9.4 Études théoriques

Le CTTS-CNRC a réalisé une étude [32] pour déterminer les effets des rétreints sur les autres véhicules sur la route, particulièrement les véhicules qui roulent directement derrière une remorque pourvue d'un rétreint.

Le terme rétreint désigne un ensemble de panneaux d'extension ou de carénages qui sont fixés à l'arrière de la remorque afin de réduire la traînée globale du véhicule, en diminuant la turbulence et la chute de pression à l'arrière de la remorque. Bien qu'il soit possible de concevoir des carénages arrière pour presque tout type de remorque, les rétreints sont habituellement utilisés sur les remorques fermées qui présentent une traînée élevée en raison de leur grande aire de surface (à l'avant et sur les côtés). Les semi-remorques fermées se prêtent très bien à l'ajout de panneaux d'extension sur les bords arrière, mais ceux-ci ne doivent pas empêcher l'ouverture des portes arrière. Les rétreints actuellement offerts sur le commerce sont entièrement ouverts pendant le trajet sur la route, puis repliés contre les portes de la remorque lorsque le chauffeur recule son véhicule contre un quai de chargement ou ouvre les portes arrière.

Un rétreint à panneaux droits et non gonflables est composé de panneaux latéraux, d'un panneau inférieur et d'un panneau supérieur. Les deux panneaux latéraux sont fixés aux bords verticaux arrière gauche et droit de la remorque, et doivent être inclinés vers l'intérieur afin d'offrir un bon rendement aérodynamique. Les panneaux supérieur et inférieur sont facultatifs, et permettent de réduire davantage la traînée, en sus de ce que permet l'utilisation de deux panneaux latéraux seulement.

Le rétreint a pour effet de profiler l'arrière de la remorque. L'air suit les panneaux du rétreint autour des coins arrière, au lieu de se décoller sur le bord arrière de la remorque. La traînée de succion à l'arrière de la remorque est donc réduite, car l'air est infléchi vers l'intérieur.

Une partie de l'étude a consisté à utiliser la dynamique des fluides numérique pour illustrer le champ d'écoulement derrière une semi-remorque de 53 pi, avec et sans rétreint. Les auteurs ont conclu que même un rétreint de deux pieds de longueur modifiait grandement le champ d'écoulement aval, par rapport à une remorque sans rétreint. La Figure 23 illustre l'effet du rétreint sur le champ d'écoulement aval. Toutefois, on n'a pas eu recours à la dynamique des fluides numérique pour modéliser comment la neige ou la glace serait éliminée d'une remorque pourvue d'un rétreint. D'autres études seront requises pour déterminer si les différences dans les champs d'écoulement, montrées à la Figure 23, perturberaient la capacité des chauffeurs de voir clairement quand ils suivent d'autres poids lourds pendant une tempête de neige.

La figure 23 montre trois images portant sur l'effet du champ d'écoulement derrière un ensemble tracteur-remorque. La première image montre un tracteur avec une remorque sans rétreint; la deuxième, avec une remorque muni d'un retreint de 2 pi; et la troisième, avec une remorque muni d'un retreint de 4 pi.

Figure 23 – Champ d'écoulement derrière trois remorques: sans rétreint, avec rétreint de 2 pi et avec rétreint de 4 pi

Le CTTS-CNRC a réalisé une recherche bibliographique poussée pour trouver d'autres études internationales, et il a trouvé seulement de l'information portant sur l'élimination de la glace et de la neige sur les appareils et les dispositifs aéronautiques, comme les avions, les hélicoptères et les rotors.

9.5 Préoccupations opérationnelles

Les préoccupations opérationnelles ont été présentées dans toute la section ci-dessus.

9.6 Conclusions

Il y a très peu d'information au sujet des résultats des essais ou des modélisations cherchant à démontrer comment la glace et la neige s'accumulent sur des dispositifs aérodynamiques.

Les rétreints peuvent modifier grandement le champ d'écoulement directement derrière une semi-remorque, et on pense également que la neige pourrait s'accumuler sur le dessus du panneau de rétreint inférieur. Toutefois, il semble exister très peu de travaux qui quantifient la façon dont cette modification du champ d'écoulement influerait sur les véhicules qui suivent une remorque dotée d'un rétreint, ou sur la façon dont la neige et la glace s'accumulent et tombent des dispositifs aérodynamiques du camion.

9.7 Aspects nécessitant un complément d'étude

Le CNRC recommande que l'on réalise une étude similaire à celle de l'IRA-CNRC [6], dans laquelle des dispositifs aérodynamiques avaient été ajoutés l'un après l'autre à un ensemble tracteur-remorque. Toutefois, pour l'étude proposée, on mettrait l'accent sur l'accumulation et la chute de la neige et de la glace, plutôt que sur la traînée aérodynamique. Dans l'idéal, un modèle de véhicule à l'échelle serait placé dans une soufflerie à haute vitesse et à des températures inférieures à zéro, et de la neige et de la glace seraient projetées contre le modèle de véhicule. Toutefois, avant d'élaborer un concept, il faudra étudier le problème de la mise à l'échelle physique appropriée. Si cette technique s'avérait appropriée, on mesurerait l'accumulation et la chute de la neige, par rapport à un véhicule de référence qui serait placé à côté du véhicule d'essai. On pourrait aussi étudier les effets en aval sur un modèle de voiture à l'échelle suivant la remorque, afin de déterminer si la neige et la glace sont plus susceptibles de s'accumuler sur le véhicule de queue, et aussi pour déterminer si la vision avant des chauffeurs dans les véhicules de queue serait affectée d'une manière ou d'une autre.

En définitive, des essais sur piste ou sur route avec de vrais tracteurs semi-remorques pourraient être réalisés pour déterminer si les dispositifs comme les rétreints risquent d'accumuler des quantités de neige qui pourraient être éjectées sur la chaussée ou vers d'autres véhicules autour.

10 Essais sur des modèles à l'échelle

10.1 Introduction

Il existe diverses méthodes pour tester les dispositifs réducteurs de traînée pour les tracteurs semi-remorques : les essais sur route et sur piste, les essais en soufflerie et la simulation par dynamique des fluides numérique. Les essais à pleine échelle d'un véhicule de production et de ses accessoires représentent le scénario idéal. La SAE a défini des procédures d'essais pour la consommation de carburant basées sur des essais routiers (SAEJ1321 [72]), et d'autres pour la résistance au roulement et la traînée aérodynamique basées sur les essais de décélération en roue libre (SAEJ1263 [73], J2263 [74]). Cependant, en raison de la variabilité des conditions atmosphériques, il est difficile d'établir une méthode uniforme pour mesurer quantitativement la performance de différentes configurations et de permettre entre ces configurations une comparabilité fiable. Les essais en soufflerie sont ainsi devenus l'outil idéal pour ces comparaisons. L'IRA-CNRC a été actif dans le domaine de la simulation des véhicules de surface en soufflerie pendant plus de trois décennies, et a contribué à l'élaboration des pratiques recommandées par la SAE pour les essais des véhicules lourds en soufflerie (SAE J1252, [3]). L'IRA-CNRC possède les capacités pour tester des modèles à l'échelle, ainsi que des camions à pleine échelle dans deux de ses principales installations: la soufflerie de 2 m x 3 m et la soufflerie de 9 m x 9 m. Bon nombre des dispositifs standards de réduction de la traînée que l'on trouve maintenant dans l'industrie du transport ont d'abord été étudiés dans le cadre de recherches réalisées dans les souffleries de l'IRA-CNRC, depuis les années 1970 [5].

En règle générale, le rendement aérodynamique d'un ensemble tracteur-remorque dépend de nombreux facteurs ambiants. Les facteurs les plus pertinents pour évaluer le rendement aérodynamique et l'efficacité de ces véhicules sont les suivants:

  • la géométrie du véhicule;
  • la vitesse du véhicule;
  • les propriétés de l'air (pression barométrique, température, densité, humidité);
  • la vitesse du vent, qui peut varier avec l'altitude;
  • la direction du vent, qui peut varier avec l'altitude;
  • l'intensité de la turbulence, les échelles de longueur et le spectre du vent, qui tous aussi peuvent varier avec l'altitude.

Dans la section 11, nous décrivons les méthodes types utilisées pour évaluer le rendement aérodynamique. Dans le présent chapitre, nous traitons des essais en soufflerie sur modèle à l'échelle pour évaluer les technologies de réduction de la traînée des tracteurs semi-remorque.

10.2 Essais en soufflerie

10.2.1 Facteur d'échelle des modèles

Dans les essais avec modèle à l'échelle, on applique sur un modèle de véhicule des charges éoliennes qui sont plus faibles que ce que rencontrait un vrai camion sur la route, mais la traînée aérodynamique peut être mise à l'échelle pour être représentative des conditions pleines dimensions associées au coefficient de traînée, définies comme suit :

[2]

D est la résistance due à la traînée, A est l'aire de référence du modèle (habituellement l'aire frontale), et Q est la pression dynamique du vent frontal (). Cette mise à l'échelle aérodynamique permet d'appliquer directement les résultats obtenus avec modèle à des conditions à pleine échelle [6].

Une soufflerie offre des conditions uniformes qui permettent d'analyser et de quantifier en détail les paramètres des dispositifs réducteurs de traînée. Malgré le maintien des conditions uniformes, la simulation en soufflerie présente quelques inconvénients, particulièrement ceux associés à l'échelle et à la taille des modèles par rapport à la section transversale de la soufflerie. On doit tenir compte de plusieurs facteurs quand on élabore un programme d'essais en soufflerie, et l'IRA-CNRC a beaucoup d'expérience en matière d'essais des véhicules terrestres en soufflerie. Il faut notamment tenir compte des points importants suivants:

  1. Blocage et interférence des murs: Le confinement de l'écoulement autour du corps testé, combiné à l'interaction de l'écoulement avec les limites de la soufflerie (murs fermés ou jets ouverts), a pour effet de modifier le champ d'écoulement qui serait normalement rencontré sur une route véritable. Diverses techniques sont disponibles pour corriger les données de soufflerie et tenir compte de ces effets. Toutefois, autant que possible, on réalise la mise à l'échelle des modèles en utilisant un rapport de surface de blocage de 5 % ou moins, pour minimiser l'incertitude des résultats. Mais les facteurs de correction de blocage pour des ratios de surface atteignant 10 % sont bien documentés et donnent de bons résultats.
  2. Nombre de Reynolds: Bien que l'utilisation de petits modèles soit préférable pour minimiser le blocage et réduire les effets d'interférence avec les limites de la soufflerie, et aussi pour permettre le travail dans des petites souffleries, cela peut entraîner une mise à l'échelle inexacte de l'écoulement. Les charges aérodynamiques sur un véhicule de surface peuvent être fortement dépendantes des effets de la viscosité (frottement sur la surface du modèle et turbulence dans les couches de cisaillement, le sillage et les zones de décollement de l'écoulement au-dessus le véhicule). Pour simuler correctement les conditions routières et tenir compte de ces effets, il faut obtenir la bonne valeur d'un paramètre aérodynamique appelé nombre de Reynolds, que l'on définit comme suit:

[3]

ρ est la densité de l'air, L une échelle de longueur représentative du corps, V la vitesse du vent et μ la viscosité de l'air. Les propriétés de l'air pour des conditions routières (ρ et μ) peuvent être facilement reproduites en soufflerie, tout comme la vitesse du vent. Toutefois, il arrive souvent que l'échelle de longueur ne puisse être reproduite. Pour obtenir un nombre de Reynolds équivalent, les paramètres combinés de l'équation 3 doivent concordés pour donner une représentation véritable du rendement aérodynamique du véhicule. Les souffleries types fonctionnent dans des conditions atmosphériques, et on ne peut donc pas varier suffisamment les propriétés de l'air pour compenser la disparité de l'échelle de longueur. Il reste donc la vitesse du vent à modifier. Par exemple, un modèle à mi-échelle (Lmodèle = 0,5Lpleine_échelle) nécessite que l'on double la vitesse du vent équivalente sur route pour obtenir le nombre de Reynolds voulu (Vsoufflerie = 2Vpleine_échelle). Dans certains cas, cela est réalisable, mais dans de nombreuses souffleries, on ne peut pas atteindre les vitesses requises lorsqu'on utilise des modèles à très petite échelle (parexemple, échelle au 1/10). Dans ces cas, même si la soufflerie peut atteindre des vitesses élevées, les effets de compressibilité de l'air, caractérisés par le nombre de Mach (rapport de la vitesse du vent sur la vitesse du son), causeront un problème. Pratiquement, le nombre de Mach devrait demeurer en deçà d'une valeur d'environ 0,25 pour minimiser ces complications (300 km/h dans des conditions atmosphériques standard).

Compte tenu des arguments a) et b) ci-dessus pour simuler le rendement aérodynamique d'un véhicule routier dans des conditions représentatives, soit une vitesse routière type de 100 km/h, on ne doit pas utiliser une échelle plus petite que 1/3. De plus, pour limiter le blocage d'un modèle de tracteur semi-remorque à au plus 5 %, il faut utiliser une soufflerie ayant une aire de section transversale d'environ 70 m2 (section transversale de 8 m x 8 m) et une vitesse du vent de 300 km/h, une combinaison difficile à trouver. Cependant, la soufflerie de 9 m x 9 m de l'IRA-CNRC permet d'utiliser cette échelle idéale et d'approcher la vitesse désirée.

Dans certaines conditions, on peut être plus souple quant au nombre de Reynolds correspondant, et il demeure possible de réaliser une simulation fiable aux fins d'analyse comparative. La sensibilité du nombre de Reynolds est due principalement à l'écoulement autour des coins arrondis du véhicule [77], et il faut donc bien comprendre les conséquences de ces modifications avant d'assouplir cette condition. Les tracteurs de modèle ancien qui ont des surfaces planes et des coins carrés sont généralement moins sensibles aux effets du nombre de Reynolds que les nouveaux camions aérodynamiques.

  1. Mouvement relatif entre le véhicule et le sol: Un autre aspect important pour simuler le bon rendement aérodynamique d'un véhicule routier dans une soufflerie est le mouvement relatif du véhicule par rapport au vent et à la route, et l'effet des roues en rotation [78]. Sur la route, un véhicule se déplace par rapport à son environnement (le sol et l'air), tandis que dans une soufflerie, le sol est stationnaire par rapport au modèle. Le rendement aérodynamique de la partie inférieure du véhicule (pare-chocs, sous-châssis, roues, train de roulement de la remorque, etc.) peut être fortement influencé par ce mouvement relatif entre le véhicule et le sol, ainsi que par la rotation connexe des roues. Différentes souffleries utilisent diverses techniques pour atténuer ce problème du mouvement relatif, s'il est pris en compte. Dans certaines souffleries, on aspire la couche limite immédiatement en amont du modèle pour créer une couche limite mince qui a une influence négligeable sur l'écoulement entourant le modèle (c'est le cas dans les souffleries de 2 m x 3 m et 9 m x 9 m de l'IRA-CNRC). Dans d'autres souffleries, on utilise un système de «route roulante», consistant en une ou plusieurs courroies qui déplacent le plan de sol à la même vitesse que le vent, par rapport au véhicule, et qui font tourner les roues par un système de rouleaux ou de moteurs (p.ex., soufflerie de 9 m x 9 m de l'IRA-CNRC, soufflerie de Pininfarina, soufflerie de Volvo). La soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC utilise une combinaison des deux techniques.
  2. Vents terrestres: En règle générale, les vents atmosphériques sont turbulents. Ils varient avec l'altitude, et ils sont assez intenses pour que les véhicules routiers soient souvent soumis à des vents de travers, même aux vitesses de croisière. Un vent de travers génère un angle efficace entre le mouvement absolu du camion et le vecteur au vent (angle de lacet). Dans de telles conditions de vents de travers, les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule terrestre, particulièrement un ensemble tracteur-remorque, sont différentes d'une situation de vents ambiants statiques ou alignés avec le mouvement du véhicule [78]. La méthode générale pour tenir compte de l'effet net des conditions variables de vent est de définir un coefficient de traînée moyenné selon le vent. Cette approche consiste à combiner la vitesse du véhicule au sol avec une vitesse moyenne du vent terrestre qui est équiprobable à un vent soufflant de toute direction. Une répartition des angles de lacet efficaces peut être combinée avec la valeur polaire de la traînée du véhicule (variation du coefficient de traînée par rapport à l'angle de lacet), pour définir un coefficient de traînée efficace qui sera rencontré par le véhicule sur la route. Pour obtenir le coefficient de traînée moyenné selon le vent, dans une simulation en soufflerie, on fait plusieurs mesures de la traînée à diverses valeurs d'angle de lacet (en faisant pivoter le véhicule par rapport à la direction du vent). Pour les vitesses sur route, on doit utiliser des angles de lacet jusqu'à 10 degrés pour obtenir un coefficient de traînée moyenné selon le vent. Aux vitesses inférieures, qui représentent des conditions de conduite urbaine et de banlieue, des angles de lacet jusqu'à 15 degrés sont habituellement requis [3]. Toute asymétrie dans la configuration du camion nécessite ensuite des mesures qui représentent les vents de travers provenant des deux directions (plage d'angles de lacet positifs et négatifs) pour obtenir une valeur correcte du coefficient de traînée moyenné selon le vent. Pour des vents de travers modérés, les angles de lacet peuvent dépasser 10 degrés, et dans ces conditions, la traînée du tracteur semi-remorque peut dépasser 50 % de sa charge de traînée par lacet nul. Par conséquent, le coefficient de traînée moyenné selon le vent est l'indicateur le plus critique du rendement aérodynamique pour les véhicules lourds longs, comme les camions ou les autocars, car il représente une moyenne des conditions de vent type dans lesquelles ces véhicules roulent.
  3. Turbulence du vent: Bien que la méthode de la traînée moyennée selon le vent permette de tenir compte de la variation des vents atmosphériques moyens, la turbulence associée à ces vents et aux sillages des autres véhicules sur la route n'est habituellement pas simulée dans les programmes d'essais en soufflerie. On sait depuis longtemps que la turbulence peut non seulement perturber l'ampleur de la traînée subie par un ensemble tracteur-remorque, mais également les caractéristiques des mécanismes de traînée et la façon dont ils varient avec la direction du vent [79], [80]. Cela vaut également pour les effets des dispositifs réducteurs de traînée. En effet, un dispositif réducteur de traînée peut présenter une sensibilité négligeable à la turbulence lorsque les vents sont alignés avec le mouvement du camion, mais il peut offrir un degré différent de réduction de la traînée dans des conditions de vents de travers, tout dépendant du milieu turbulent. Ces caractéristiques du milieu turbulent sont importantes pour évaluer correctement le rendement des dispositifs réducteurs de traînée dans des conditions routières. À la section 11.3.2, nous décrivons des techniques permettant de les simuler en soufflerie.
  4. Torsion du profil éolien: En règle générale, la vitesse du vent augmente avec la distance du sol. Cela produit donc une variation avec la hauteur de la vitesse du vent qui souffle sur un véhicule routier, ainsi qu'une variation dans la direction du vent avec la hauteur, lorsque des vents de travers sont présents. L'effet de telles conditions éoliennes sur le rendement aérodynamique d'un tracteur semi-remorque est inconnu, mais on pense qu'il est important. De nouveau, à la section 11.3.3, nous décrivons des techniques pour simuler ce cisaillement et cette torsion du profil du vent en soufflerie.

10.3 Situation actuelle

Au cours des dernières années, on a fait la démonstration de nombreux dispositifs réducteurs de traînée pour les ensembles tracteur-remorque dans des essais en soufflerie à pleine échelle, en appariant des nombres de Reynolds représentatifs des situations routières, et l'IRA-CNRC a réalisé une partie de ces travaux [6], [7]. Ces études visaient surtout à étudier le rendement relatif des dispositifs par rapport à une configuration routière standard pour ces camions.

L'étude de Leuschen et Cooper [6], [7] a été réalisée dans des conditions quasi réelles (voir la Figure 24). Toutefois, certaines améliorations pourraient être apportées à la simulation pour les travaux futurs. Les longueurs de remorque utilisées dans l'étude (28 pi et 40 pi) étaient plus courtes que la longueur standard de 53 pi des remorques utilisées pour le transport longue distance. De plus, les essais ont été réalisés dans des conditions d'écoulement lisse, et par conséquent, les effets de la turbulence atmosphérique et de la turbulence due au sillage des véhicules n'ont pas été pris en compte. De toute façon, tout essai en soufflerie à pleine échelle des tracteurs semi-remorques est confronté à des limites. Il est difficile de réaliser en soufflerie des conditions de turbulence appropriées pour l'évaluation à pleine échelle des véhicules routiers (voir la section 11.3.2), en partie en raison de la taille de l'équipement nécessaire pour générer la turbulence. Néanmoins, les résultats de Leuschen et Cooper ont démontré le caractère prometteur de ces dispositifs pour réduire la traînée des ensembles tracteur-remorque. Il ressort de cette étude que des modifications incrémentielles du coefficient de traînée sont probablement réalistes pour des conditions de faible turbulence, mais ne représentent pas nécessairement les niveaux absolus.

Plus récemment, le Département de l'Énergie (DOE) des États-Unis a réalisé une étude sur un ensemble tracteur-remorque à pleine échelle avec une remorque de 53 pi, au National Full-Scale Aerodynamics Complex (NFAC) de l'Ames Research Center; pour évaluer plusieurs dispositifs réducteurs de traînée [8] (voir la Figure 25). Les résultats n'ont pas encore été publiés, mais selon les communiqués de presse, la technologie testée permettrait de réduire de 12 % la consommation de carburant. Certains résultats de l'étude corroborent les résultats des essais réalisés par le CTTS-CNRC, indiquant qu'un rétreint de 24 à 32 po à l'arrière de la remorque est optimal pour réduire la traînée et tenir compte des contraintes opérationnelles [23], [32].

Figure 24 – Essai d'un tracteur semi-remorque à pleine échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC

 

Figure 25 – Essai d'un tracteur semi-remorque à pleine échelle dans la soufflerie de 24 m x 36m du NFAC

10.4 Évaluation sur modèle à l'échelle des technologies réductrices de la traînée

Le plus grand inconvénient des essais en soufflerie des véhicules lourds à pleine échelle est la taille des véhicules et le temps requis pour les préparer en vue des essais. Pour les deux études à pleine échelle décrites ci-dessus ([6], [7], [8]), les tracteurs et les remorques ont dû être soulevés par des grues pour être placés dans les souffleries. Attacher et lever en toute sécurité ces véhicules sont des opérations difficiles et laborieuses, et les coûts de mise en place sont donc élevés. De plus, les changements à apporter aux modèles prennent du temps lorsque l'on teste des pièces ou des parties à pleine échelle. Les essais avec modèles à l'échelle éliminent une partie de ces problèmes. En testant des modèles à l'échelle aux nombres de Reynolds nominaux, ou tout près, et en simulant l'effet de sol, les essais avec modèle à l'échelle offrent la meilleure combinaison pour évaluer systématiquement les effets des technologies réductrices de la traînée dans des conditions routières simulées. Un modèle à l'échelle peut être conçu de façon qu'il soit facile de l'installer et d'y apporter des modifications.

10.4.1 Essais de modèles de tracteur semi-remorque à l'échelle

La soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC permet de tester des modèles de semi-remorque à l'échelle de ¼ à ½, à des nombres de Reynolds représentatifs, avec simulation de l'effet de sol et, avec quelques efforts de plus, dans des conditions de turbulence représentatives. Récemment, une étude de corrélation a été réalisée sur un modèle de tracteur semi-remorque à demi-échelle et son équivalent à pleine échelle, dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. Après correction pour tenir compte du blocage et des effets d'interférence des murs, les résultats de l'étude ont démontré une bonne corrélation entre les deux modèles, ce qui a souligné l'importance d'une bonne simulation au sol pour certaines modifications de la configuration du modèle. Les résultats indiquent l'importance de la simulation de l'effet de sol pour évaluer les effets des dispositifs réducteurs de traînée placés à proximité du sol. L'étude était le fruit d'une collaboration entre l'IRA-CNRC et un constructeur de camions, et les résultats n'ont pas encore été publiés. Ils le seront au cours de la prochaine année. Cette étude donne confiance que les essais avec modèle à l'échelle à des nombres de Reynolds représentatifs seront efficaces et permettront d'orienter adéquatement la conception et l'évaluation des technologies réductrices de la traînée. L'inclusion de conditions représentatives de la turbulence et du profil éolien (voir la section 11.3) constituerait une approche fiable et systématique pour évaluer le rendement aérodynamique des tracteurs semi-remorques.

Les modifications de la surface avant sont les plus sensibles aux effets du nombre de Reynolds. Par conséquent les conditions avec nombre de Reynolds à pleine échelle constituent la situation idéale pour étudier de telles modifications. L'essai d'un modèle à demi-échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m permet d'obtenir des conditions correspondant à un nombre de Reynolds à pleine échelle avec le système de simulation de l'effet de sol. À cette échelle, les roues du modèle chevauchent les bords de la courroie représentant le plan de sol, d'une largeur de 1 m. Bien que cette situation soit meilleure qu'un plan de sol fixe, elle n'est pas idéale pour examiner les effets sur le sous-châssis et les roues en rotation. De plus, à demi-échelle, la remorque est plus longue que la longueur de la courroie représentant le plan de sol au CNRC, qui a une longueur de 5,3 m seulement. À l'échelle de ¼, un modèle pleine longueur (avec l'équivalent d'une remorque de 53 pi) reposera à l'intérieur des limites de la courroie du plan de sol (courroie équivalente à une échelle de 21,2 m, ou 70 pi), et permettra donc une simulation entièrement représentative du sous-châssis. Avec un tel modèle, la courroie mobile ferait tourner les roues et permettrait une simulation améliorée de l'interaction roues-route (ce dont nous avons traité à la section 11.3.1). Le nombre de Reynolds pour cette situation serait la moitié des conditions à pleine échelle, mais les écoulements sous le châssis seront probablement moins sensibles aux effets du nombre de Reynolds, en raison des caractéristiques de type sillage turbulent pour la majeure partie de cet écoulement. Comme il est mentionné ci-dessus, c'est surtout la surface avant pour laquelle on doit utiliser des nombres de Reynolds à pleine échelle pour un modèle à demi-échelle. Bien qu'un grand nombre de dispositifs réducteurs de traînée de deuxième génération influent sur les écoulements autour de l'écart et de la remorque, il est possible qu'une simulation avec un nombre de Reynolds insuffisant de la carrosserie avant puisse avoir un effet sur les flux en aval.

Les arguments ci-dessus nous permettent de conclure qu'il n'y a pas d'échelle de modèle optimale pour tester les tracteurs semi-remorques dans la soufflerie de 9 m x 9 m avec simulation de l'effet de sol. Les modèles à l'échelle de ¼ sont les plus appropriés pour tester les dispositifs réducteurs de traînée sur un modèle de remorque pleine longueur, tout en simulant correctement les écoulements sous le châssis et l'effet de sol. Les modèles à demi-échelle permettent une simulation à un nombre de Reynolds adéquat, facteur important pour les écoulements sur la carrosserie avant du tracteur, mais non pour la simulation complète de l'effet de sol sous le châssis. Avant de choisir une échelle de modèle appropriée pour de telles études, il est important de comprendre les conséquences de ce compromis. À la section 10.6, nous formulons des recommandations pour une étude basée sur un tel compromis.

L'IRA-CNRC peut également offrir des techniques d'essais additionnelles pour évaluer les effets des dispositifs réducteurs de traînée sur des ensembles tracteur-remorque. À la section 11, nous décrivons des technologies additionnelles que l'IRA-CNRC peut offrir pour des essais avec modèles à l'échelle, notamment la capacité de mesure aéroacoustique et l'évaluation de la pénétration de la neige. Ces deux technologies (aéroacoustique et pénétration de la neige) sont également utilisables pour les essais à pleine échelle, et de nouvelles technologies permettant d'améliorer la mesure et les méthodes des essais routiers sont envisagées.

Les sections 9 et 10 présentent des technologies de réduction de la traînée pour les tracteurs semi-remorques et les autocars qui peuvent être évaluées par des essais en soufflerie sur des modèles à l'échelle, avec simulation de l'effet de sol et de la turbulence.

10.4.2 Essais de modèles d'autocar

L'installation idéale pour le perfectionnement aérodynamique des autocars interurbains est la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. Sa section d'essais est pourvue d'un système de simulation de l'effet de sol (SSES), consistant en une courroie mobile de 5,65 m de longueur et de 1,1 m de largeur, précédée de deux grandes plaques de succion poreuses qui assurent une couche limite mince au bord d'attaque de la courroie mobile. Pour que la courroie recouvre entièrement l'empreinte du modèle d'autocar, l'échelle idéale du modèle serait d'environ ⅓. La Figure 26 représente une illustration schématique d'un autocar nord-américain de dimensions caractéristiques, à une échelle de ⅓. Comme on le voit, cette échelle de modèle permet de reproduire des conditions d'écoulement favorables, car la courroie mobile s'étend bien au-delà des limites de l'autocar, sur les quatre côtés. Avec une vitesse de vent pouvant atteindre 200 km/h, la simulation en soufflerie atteindrait les ⅔ du nombre de Reynolds à pleine échelle correspondant à une vitesse sur route. Pour cette raison, et compte tenu de la discussion précédente sur la sensibilité à la turbulence libre et au nombre de Reynolds, il faudrait pour ces expériences reproduire avec soin les conditions d'écoulement libre que rencontrent habituellement ces véhicules sur route. Le LA-CNRC a l'expérience et l'expertise requises pour générer les conditions de turbulence d'écoulement libre observées dans la couche de surface atmosphérique, comme il est décrit à la section 11.3.2. En outre, une expérience préalable sur le contrôle de la transition de la couche limite pour les carrosseries de forme plate permettrait de s'assurer que les régimes d'écoulement critique sont intégralement reproduits à l'échelle du modèle. Les mesures aérodynamiques sur le terrain, comme celles réalisées par Tanguay [105] à bord d'un véritable autocar, fournissent des données expérimentales précieuses qui permettent de valider la simulation en soufflerie pour une configuration de base. Le modèle à l'échelle⅓ est suffisamment gros pour permettre la reproduction exacte des détails géométriques qui ont une importance aérodynamique pour un autocar. Les expériences en soufflerie seraient encore plus efficaces si on utilisait l'infrastructure d'essai aérodynamique (ATI), décrite à la section Bus.4, et couplée aux modules fournis par le client (corps central, section de queue et section de tête), ce qui permettrait de tester des éléments ayant des géométries différentes. La taille du modèle permettrait également de fabriquer un système modulaire de refroidissement du moteur, par stéréolithographie, pour tester diverses stratégies de refroidissement visant à minimiser la traînée de refroidissement. Compte tenu de l'importance de la rotation des roues, les moteurs à bord du véhicule feraient tourner toutes les roues, afin que leur vitesse tangentielle corresponde à la vitesse de la courroie mobile. Le modèle serait maintenu en place par des longerons profilés chevauchant la courroie et fixés à la balance externe. Il subsisterait un petit intervalle entre les roues et la courroie mobile non métrique. Une configuration expérimentale de ce type permettrait une optimisation complète couvrant les quatre aspects aérodynamiques mentionnés à la section 8, nommément: l'aérodynamique externe, les appendices, le sous-châssis et l'aérodynamique de refroidissement.

Figure 26 – Schéma d'un modèle d'autocar à l'échelle ⅓ sur la courroie mobile de la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC

10.4.3 Technologies non aérodynamiques pour l'évaluation en soufflerie

La mise au point de technologies permettant de réduire la consommation de carburant et les émissions des véhicules lourds ne s'arrête pas aux technologies de réduction de la traînée [2], et les essais en soufflerie peuvent contribuer à l'évaluation des effets aérodynamiques, positifs ou négatifs, de ces technologies.

Les pneus à faible résistance au roulement sont disponibles pour les véhicules routiers, et dans le cas des ensembles tracteur-remorque, on peut notamment utiliser des pneus uniques à semelle large, au lieu des pneus doubles standards. Selon certaines indications, ces pneus uniques à semelle large offrent une amélioration aérodynamique, mais leur effet combiné à celui des autres technologies de réduction de la traînée n'a pas encore été systématiquement évalué.

Avec l'amélioration des moteurs, des groupes motopropulseurs et des dispositifs auxiliaires, les modifications apportées à la taille et à l'emplacement des composants dans le compartiment moteur peuvent également influer sur l'écoulement de l'air de refroidissement et la façon dont il sort du compartiment. Par ailleurs, la neige, la glace, les éclaboussures et les embruns peuvent perturber l'aérodynamique, en modifiant la forme des orifices de passage et en les bloquant. Une évaluation en soufflerie de modèles à l'échelle de compartiments moteurs permettrait d'en optimiser la configuration, et ainsi d'améliorer le rendement aérodynamique global du véhicule. D'ailleurs, les premiers essais de tracteurs semi-remorques dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC visaient à étudier la traînée d'un circuit de refroidissement actif. L'optimisation du circuit de refroidissement est un autre avantage qui peut être étudié par des essais en soufflerie sur des modèles à pleine échelle et à d'autres échelles. Une telle technique est en voie d'être introduite sur les automobiles, et on en devrait étudier l'utilisation possible sur les camions. Les effets du nombre de Reynolds sont importants quand on envisage le rendement de l'aérodynamique des systèmes de refroidissement.

10.5 Aspects nécessitant un complément d'étude

La traînée aérodynamique est une perte d'énergie dissipative et non récupérable, et c'est l'un des facteurs les plus importants à envisager pour réduire la consommation de carburant et les émissions des véhicules lourds. Une importante réduction de la traînée peut être obtenue avec les technologies actuelles et émergentes, mais l'acceptation par l'industrie est habituellement lente, car les exploitants désirent obtenir un retour rapide sur leurs investissements. Les stratégies d'évaluation courantes par les développeurs et les fabricants de dispositifs peuvent être faussées et peu représentatives des conditions réelles, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles l'exploitant peut hésiter à adopter les nouvelles technologies. L'industrie doit donc être orientée dans le choix des technologies appropriées qui lui fourniront un avantage net en termes de réduction de la consommation de carburant et des émissions au Canada. À cette fin, une bonne approche serait d'homologuer les technologies, un peu à la façon du programme SmartWay de l'EPA aux États-Unis [30].

D'après l'information contenue dans le présent rapport, le CNRC recommande une évaluation systématique des possibilités offertes par les technologies existantes et proposées de réduction de la traînée pour les ensembles tracteur-remorque. Ce plan doterait Transports Canada de recommandations portant sur une combinaison optimale des technologies de réduction de la traînée, en vue de réduire la consommation de carburant dans l'industrie du transport. Compte tenu des exigences opérationnelles, ces recommandations peuvent ensuite être présentées à l'industrie du transport. Ce plan, que nous résumons ci-dessous, sera similaire au programme d'essais réalisé par le CNRC en collaboration avec RNCan, l'Alliance canadienne du camionnage et le Département américain de l'énergie ([23], [24]), et qui permet d'estimer de manière fiable les économies de carburant. Ce nouveau plan, basé sur des essais en soufflerie sur des modèles à l'échelle, plutôt que sur des essais à pleine échelle, englobe les technologies additionnelles de réduction de la traînée et permettra de simuler beaucoup mieux les conditions d'exploitation des véhicules lourds au Canada. L'avantage des essais avec modèles à l'échelle, par rapport aux essais à pleine échelle, est la possibilité de mettre en place un environnement représentatif (mouvements relatifs véhicule/sol/vent et vents terrestres), ainsi que la possibilité de tester des véhicules pleine longueur équivalents et des ensembles routiers longs (ERL). On obtiendrait ainsi une plus grande précision par rapport aux anciens programmes d'essais en soufflerie. Un autre avantage important des essais en soufflerie est la précision avec laquelle on peut comparer des technologies et des configurations, grâce à un environnement d'essai systématiquement contrôlé.

La collaboration avec les exploitants, les équipementiers et les fabricants de dispositifs permettrait une évaluation approfondie de ces technologies. Le CNRC dispose déjà de partenaires dans l'industrie du transport qui sont ouverts à la collaboration, et qui pourraient fournir des spécifications sur les tracteurs semi-remorques et la géométrie des dispositifs, ce qui faciliterait la fabrication des modèles.

Voici un aperçu du plan proposé pour l'évaluation aérodynamique des technologies de réduction de la traînée:

  • Évaluer l'impact potentiel qu'aurait la réalisation d'essais à des valeurs moindres du nombre de Reynolds, par des mesures aérodynamiques en soufflerie et par des programmes d'essai sur piste réalisés avec divers collaborateurs et partenaires (et avec leur permission. On choisirait ensuite une échelle de modèle optimisée (entre ¼ et ½) pour les ensembles tracteur semi-remorque qui donnera les résultats les plus précis provenant d'une évaluation des technologies de réduction de la traînée.
  • Concevoir l'infrastructure pour tester des modèles à l'échelle de tracteurs et de remorques standards nord-américains (remorques fermées de 40 pi et 53 pi, plateformes, camions-citernes, ERL). Ces modèles permettraient d'évaluer un grand nombre de formes de carrosserie et de dispositifs/concepts de réduction de la traînée. Les modèles seraient conçus pour être utilisés avec le système de simulation de l'effet de sol dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. Ce système permettrait de réaliser des simulations correctes et importantes du mouvement relatif entre le véhicule, le vent terrestre et le sol.
  • Concevoir, élaborer et fabriquer un système de génération de turbulences pour obtenir des conditions représentatives rencontrées par les tracteurs semi-remorques dans des conditions routières réelles. On a démontré que la turbulence est un facteur important, habituellement négligé, quand on évalue le potentiel de réduction de la traînée offert par les nouvelles technologies. La section 11.3 décrit les exigences pour ce projet de développement.
  • Réaliser un programme d'essais dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC pour évaluer le rendement aérodynamique et, si possible, aéroacoustique (voir la section 11.4) des dispositifs réducteurs de traînée et les ensembles de véhicules, en utilisant des véhicules lourds à l'échelle. Ce programme consisterait à évaluer le rendement des technologies de réduction de la traînée dans des conditions d'écoulement lisse et turbulent, avec et sans simulation du sol, afin d'établir une corrélation avec d'autres programmes d'essais en soufflerie qui ont déjà démontré certaines de ces technologies dans des conditions d'écoulement lisse, et avec une simulation minime, voire aucune, de l'effet du sol.
  • Diffuser les résultats et les recommandations touchant les combinaisons optimales de réduction de la traînée dans le contexte canadien, par le truchement de rapports et de présentations aux fabricants et aux utilisateurs de camions lourds, dans des conférences et des réunions appropriées. Ces résultats seront plus représentatifs du potentiel de réduction que même ceux obtenus avec les méthodes recommandées par les normes d'évaluation du rendement aérodynamique des véhicules lourds, maintenant requises par l'EPA.

11 Techniques d'essais

11.1 Techniques standards actuelles

L'industrie automobile utilise une combinaison de mesures sur route, d'expériences en soufflerie et de techniques informatiques pour perfectionner et évaluer le rendement aérodynamique des véhicules. Les fournisseurs de dispositifs d'appoint visant à réduire la traînée n'ont habituellement pas le même niveau de ressources pour évaluer leurs dispositifs, et ils peuvent donc avoir plus de difficulté à les améliorer et à en vérifier l'efficacité. Nous décrivons ci-dessous les techniques standards actuelles pour évaluer le rendement aérodynamique des tracteurs semi-remorques et de leurs dispositifs réducteurs de traînée. Dans les sections subséquentes, nous décrivons les améliorations à ces techniques que le CNRC a envisagées pour évaluer le rendement et le comportement aérodynamiques des véhicules terrestres.

11.1.1 Essais sur route

Tous les constructeurs de véhicules utilisent les essais sur route, et c'est souvent l'étape de vérification finale du rendement des tracteurs semi-remorques complets. Les procédures de la SAE décrivent l'approche recommandée pour réaliser ces mesures (SAE J1321 [72]). Ces procédures permettent de mesurer les économies de carburant dans des conditions à vitesse constante, et on peut seulement déduire les effets des dispositifs réducteurs de traînée sur le rendement global du système pour les conditions rencontrées pendant les essais.

Avantages:

  • On peut déduire le rendement réel en utilisation et l'efficacité du système global.

Inconvénients:

  • Ces essais tiennent compte seulement des conditions ambiantes rencontrées pendant l'essai.
  • Il est difficile d'évaluer systématiquement le rendement de plusieurs différentes configurations tracteur-remorque, en raison des changements dans les conditions ambiantes et du temps requis pour les essais.
  • Il est difficile de mesurer les effets des faibles changements, et il est donc difficile de recourir à ces essais pour développer des dispositifs réducteurs de traînée.
  • Il est difficile de déterminer les effets de la traînée moyennée selon le vent.
  • L'erreur expérimentale peut être aussi grande que les économies jugées possibles avec les dispositifs réducteurs de traînée (p.ex., des économies de 2 % pour une erreur expérimentale de 3 %).
11.1.2 Essais de décélération en roue libre

Les essais de décélération en roue libre donnent des mesures plus précises que les essais sur route pour ce qui est du rendement aérodynamique de différentes configurations de tractrices semi-remorques. La SAE a également produit des procédures pour ce type d'essai (SAE J1263 [73] et J2263 [74]). Dans ce type de procédures, il s'agit de laisser décélérer un véhicule d'une vitesse élevée à une faible vitesse, la transmission étant désembrayée. On obtient ainsi une mesure de la charge routière, qui est composée essentiellement de la résistance aérodynamique et de la résistance au roulement. La mesure de la décélération en roue libre, évaluée par la mesure du changement de la vitesse du véhicule avec le temps, permet de caractériser la charge routière. On peut déduire de ces mesures la traînée et la résistance au roulement, en tenant compte de la dynamique du corps en mouvement et du comportement connu de ces deux charges en fonction de la vitesse. À partir des mesures de la signature vitesse/temps obtenue au cours de cet essai, on peut calculer par des techniques de régression le coefficient de traînée et la résistance au roulement. Pour réaliser ces essais, il faut mesurer avec précision la vitesse du véhicule, ainsi que la vitesse et la direction du vent. Toutefois, certaines procédures limitent les conditions du vent dans lesquelles l'essai peut être réalisé afin d'éliminer ces influences sur les résultats. Les pneus des tracteurs semi-remorques doivent être les mêmes pour toutes les configurations testées, gonflé à la même pression, et on doit utiliser le même tronçon de route. Cette procédure est longue et elle requiert un nombre minimal de passages d'essai (8 ou 10 selon la procédure utilisée) dans les deux sens pour chaque configuration, afin d'obtenir des résultats statistiquement significatifs.

La nouvelle réglementation de l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis exigera bientôt que les constructeurs de camions indiquent le rendement aérodynamique de leurs véhicules, qui fera l'objet de vérifications périodiques par un essai de décélération en roue libre [84]. Cette méthode d'essai a été choisie après consultation avec les constructeurs de camions, chacun ayant sa méthode d'évaluation préférée (habituellement les essais en soufflerie ou la dynamique des fluides numérique), mais aucun d'entre eux n'utilisait l'essai de décélération en roue libre comme méthode principale. Par conséquent, les constructeurs OEM ont convenu que cette méthode les mettait tous sur le même pied d'égalité. Les constructeurs OEM devront corréler adéquatement leurs techniques préférées d'évaluation aérodynamique avec les procédures de décélération en roue libre de l'EPA, afin de s'assurer que leurs rapports sont conformes à la réglementation. La procédure d'essai de décélération en roue libre de l'EPA limite les conditions de vent dans lesquelles les essais seront réalisés afin qu'elles aient un effet quasi négligeable sur les résultats. Les vents de travers moyens, pendant ce type d'essai, ne peuvent pas dépasser 5 mi/h (8 km/h).

Les essais de décélération en roue libre incluront, de façon générale, les effets du vent. Une grande difficulté consiste à mesurer avec précision la vitesse et la direction du vent en écoulement libre, ce qui peut donner lieu à des erreurs importantes dans le calcul du coefficient de traînée aérodynamique. Tanguay [81] a documenté les difficultés associées à l'utilisation des techniques standards de mesure du vent, en se basant sur une analyse des mesures d'essais sur piste à vitesse constante réalisées avec deux configurations de tracteurs semi-remorque. Deux approches sont utilisées pour ces mesures. On peut employer des anémomètres installés sur le côté de la route pour mesurer le vent sans causer d'interférence avec le véhicule. Toutefois, si les conditions de vent ne sont pas constantes ou spatialement uniformes, ces mesures sont valides seulement lorsque le véhicule roule à proximité des anémomètres. La deuxième approche pour mesurer la vitesse et la direction du vent consiste à monter un anémomètre sur le véhicule (voir la Figure 27). Cette technique souffre de l'interférence locale exercée par le véhicule sur le vent (un biais de 10 % sur la vitesse et la direction est possible), de plus elle est intrusive à l'égard de l'écoulement rencontré par le véhicule. Pour faire ce type de mesure, on doit utiliser une flèche très longue, encore plus que ce qui est illustré à la figure 24, pour que le dispositif de mesure soit suffisamment éloigné du corps pour donner une mesure non intrusive et précise du vent non perturbé. Cependant, une longue flèche introduirait également un accroissement de traînée.

Avantages:

  • On peut déduire le rendement réel en utilisation.
  • Cette technique peut tenir compte des conditions réelles de la route et du vent.
  • En mesurant précisément la vitesse du véhicule et la vitesse et la direction du vent, on peut calculer une bonne représentation du rendement aérodynamique du véhicule, et mieux prévoir ainsi la réduction de la traînée qui est réalisable sur route.

Inconvénients:

  • Il est difficile de tester systématiquement différentes configurations, en raison du grand nombre de passages d'essai requis pour obtenir un résultat moyen fiable.
  • Les conditions de vent ne peuvent pas être contrôlées, et la procédure peut seulement fournir des mesures pour les conditions de vent spécifiques rencontrées pendant l'essai.
  • Il est difficile de mesurer la vitesse et la direction réelles du vent rencontrées par le véhicule.
  • Les procédures prévues par la réglementation limitent les conditions du vent pour les essais, et par conséquent les résultats ne représentent pas les conditions d'utilisation réelles (traînée moyennée selon le vent).

Figure 27 – Anémomètre monté devant un tracteur routier pour mesurer le vent

11.1.3 Essais en soufflerie

Au chapitre 10, nous avons décrit en détail les essais en soufflerie, et nous en présentons ici seulement un bref aperçu. On a souvent recours aux essais en soufflerie à petite échelle (de l'ordre de 1/10) dans les phases initiales de conception des tractrices semi-remorques. La nouvelle réglementation de l'EPA requiert des essais à une échelle d'au moins 1/8. Ces essais sont un moyen fiable d'optimiser quelques-unes des caractéristiques aérodynamiques d'un tracteur ou d'une remorque, et on peut habituellement le faire à faible coût. Ces essais sont également réalisés en général dans des conditions de plancher fixe et de faible turbulence. Parfois, quand le processus de conception est avancé, on a recours aux modèles à plus grande échelle, voire à pleine échelle, pour optimiser et évaluer le comportement aérodynamique du véhicule. Aux plus grandes échelles, on peut mieux apparier le nombre de Reynolds entre les essais et les pleines dimensions du véhicule. Le principal avantage des essais en soufflerie est le contrôle des conditions ambiantes, ce qui offre des conditions reproductibles qui facilitent une comparaison précise des différentes configurations.

Avantages:

  • Conditions de vent contrôlées.
  • Possibilité d'évaluer de manière systématique la conception d'un véhicule ou des modifications à ses composants, et de mesurer précisément les différences relatives entre les différentes configurations.
  • C'est une méthode plus rentable que les essais sur route ou de décélération en roue libre pour évaluer de nombreuses configurations.
  • Les mesures de la traînée moyennée selon le vent ne coûtent pas cher.

Inconvénients:

  • La plupart des souffleries ne sont pas capables d'atteindre des nombres de Reynolds à pleine échelle pour de faibles valeurs du nombre de Mach, tout en minimisant les effets d'interférence avec les murs et de blocage.
  • La turbulence et la variation verticale de la vitesse et de la direction des vents atmosphériques ne sont actuellement pas simulées dans les souffleries.
  • Tout dépendant de la soufflerie, certains aspects du mouvement relatif véhicule/route/vent ne sont pas entièrement simulés.
11.1.4 Dynamique des fluides numérique

La dynamique des fluides numérique (DFN) est une autre méthode souvent utilisée pour étudier le rendement aérodynamique des véhicules terrestres. Comme son nom l'indique, cette méthode simule numériquement le champ d'écoulement autour d'un véhicule, ce qui permet d'étudier son rendement aérodynamique. De grands progrès ont été réalisés en DFN ces deux dernières décennies, mais elle est loin encore de pouvoir concurrencer l'efficacité et la précision des essais en soufflerie.

La plus grande source d'incertitude dans la modélisation de la turbulence par DFN est due aux couches de cisaillement qui se développent autour du véhicule. L'approche standard en simulation DFN pour la conception et le développement aérodynamiques consiste à effectuer des simulations en écoulement stabilisé, qui utilisent des modèles mathématiques pour représenter les effets de la turbulence sur le champ d'écoulement moyen autour du véhicule [82]. Les modèles standards les plus efficaces sont basés sur des conditions d'écoulement simples (couche limite au-dessus d'une surface plate, sillage dans un milieu idéal, etc.). Ces modèles fonctionnent bien pour les objets profilés, mais présentent d'importantes incertitudes quand ils sont appliqués à des problèmes comme celui de l'écart entre un tracteur et une remorque, ou encore pour les interactions du sillage des roues en rotation avec les écoulements sous le châssis.

Les effets du nombre de Reynolds posent également des difficultés aux praticiens de la DFN, car les modèles de turbulence sont habituellement basés sur des écoulements à nombre de Reynolds élevé, dans lesquels la turbulence tend à se comporter de manière insensible au nombre de Reynolds. Ces conditions font abstraction des caractéristiques des couches de cisaillement laminaires et transitionnelles qui peuvent être prévalentes sur la face avant de nombreux véhicules routiers. Sur les véhicules lourds, les écoulements autour des faces avant du tracteur sont habituellement des écoulements à faible nombre de Reynolds, avec des caractéristiques de turbulence très différentes, ou encore il peut tout simplement y avoir absence de turbulence sur une grande partie de la face avant des autocars.

Il existe des techniques pour simuler les mouvements instables à grande échelle de l'écoulement autour d'un véhicule (simulation des gros tourbillons [LES] et simulation des tourbillons détachés [DES]), mais ces techniques accroissent grandement le temps de solution des modèles, et sont donc moins efficaces aux fins de conception et de développement. Même avec les technologies avancées, les résultats de la DFN doivent être validés par l'expérience pour s'assurer qu'ils sont exacts et représentatifs. Les dispositifs réducteurs de traînée sont habituellement utilisés dans des zones d'écoulement où les effets du cisaillement, de l'instabilité et de la turbulence sont importants, et l'incertitude dans les résultats de la simulation DFN pour de tels écoulements fait qu'elle est inutilisable comme seule méthode pour étudier les dispositifs réducteurs de traînée. En construction navale, où l'on rencontre des problèmes aérodynamiques similaires à ceux des constructeurs de camions, on a normalisé des charges exactes dans le temps aux fins de conception. Des ressources informatiques sont requises pour de telles simulations.

Avantages:

  • Bonne technique pour les évaluations en début du cycle de conception.
  • Les résultats donnent le champ d'écoulement complet entourant le véhicule.
  • Cette technique permet d'étudier les effets bruts des changements de géométrie sur le champ d'écoulement.
  • On peut facilement modifier ou remplacer la taille et la géométrie des véhicules.

Inconvénients:

  • La génération de maillage peut être très longue si on veut obtenir de bons détails sur la géométrie du véhicule.
  • La modélisation simplifiée de la turbulence est une source d'incertitude dans les résultats.
  • Le temps de calcul est proportionnel à la précision voulue des résultats.
  • Il est difficile d'évaluer rapidement des modifications de conception.
  • C'est une méthode coûteuse par point de données, en raison du grand nombre de conditions de vent requises pour les évaluations de la traînée moyennée selon le vent.

11.2 Améliorations de la méthode d'essais de décélération en roue libre

Comme nous l'avons mentionné à la section 11.1.2, le principal inconvénient de l'essai de décélération en roue libre est la difficulté de mesurer la vitesse et la direction du vent [81]. Avec la technologie actuelle, on peut améliorer ces mesures soit en mesurant avec une plus grande résolution le vent sur le côté de la route, soit en optimisant le point de fixation des capteurs pour les mesures faites par rapport au véhicule. Pour la première méthode, on peut utiliser un grand nombre d'anémomètres précis installés le long de la route. L'espacement peut être optimisé pour permettre une interpolation précise des conditions du vent entre les points de mesure. Pour la deuxième méthode, il y a deux façons d'y parvenir. Si l'anémomètre fixé sur le véhicule est placé à un endroit exempt de l'influence du véhicule (donc loin du modèle), on peut l'utiliser pour faire une mesure directe. Toutefois, cela nécessiterait l'utilisation d'une flèche beaucoup trop longue montée sur l'avant de la carrosserie du véhicule. Une telle structure donnerait lieu inévitablement à une augmentation incrémentielle de la traînée. Par contre, si on utilise un dispositif proche du véhicule, il faut l'étalonner, probablement dans une soufflerie, pour déterminer l'influence du véhicule sur les conditions de vent ambiantes [74].

Le CNRC a mis au point une nouvelle technique exclusive de mesure montée sur le véhicule. Bien que nous ne puissions décrire cette technologie ici, il s'agit d'un système de mesure à réponse rapide et non intrusive de la direction et de la vitesse du vent, qui peut mesurer les conditions du vent bien en avant du véhicule, dans une région qui n'est pas affectée par sa présence. Cette technologie permet également de mesurer les caractéristiques turbulentes du vent pour mieux caractériser le rendement du véhicule. En outre, un tel système permet de mieux caractériser le rendement pour les techniques d'essais sur route à vitesse constante, que nous décrivons à la section 13.1.1.

11.3 Améliorations des souffleries

Comme il est mentionné au chapitre 10 au sujet des essais en soufflerie de modèle à l'échelle, la simulation des conditions routières dans une soufflerie présente quelques inconvénients et défis. Afin d'améliorer la simulation de l'aérodynamique des véhicules terrestres, l'IRA-CNRC a cité plusieurs technologies qui peuvent être raffinées ou développées afin d'améliorer les conditions d'essais de ces véhicules dans une soufflerie. Voici quatre technologies que l'IRA-CNRC utilise dans ses souffleries, ou qui peuvent être améliorées pour y être utilisées.

11.3.1 Simulation du sol

La soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC est pourvue d'un système de simulation de l'effet de sol (SSES), qui permet de simuler le mouvement relatif entre le véhicule, le vent et le sol, pour certaines conditions de vent idéalisées. Le système comporte les composants suivants:

  • une table tournante sur laquelle le véhicule est monté, et qui permet de modifier la direction relative du vent sur le véhicule;
  • un système de succion à couche limite, installé sur le plancher en amont du modèle et de la table tournante, afin d'amincir la couche limite du plancher et ainsi mieux représenter les propriétés de l'écoulement du vent près du sol;
  • un plan de sol mobile, consistant en une courroie tournant sous le modèle de véhicule et qui déplace la surface du sol à la même vitesse que le vent;
  • un système de commande du plan de sol et de la vitesse des roues, si des roues en rotation sont simulées, d'après la vitesse du vent la plus appropriée pour le véhicule modélisé (en d'autres mots, la vitesse du vent est corrigée en fonction du blocage et tient compte du confinement de l'écoulement par les murs de la soufflerie).

Le SSES a été initialement conçu pour tester des voitures à pleine échelle, et pour lesquelles la courroie d'une largeur de 1 m est située entre les roues. Les roues sont tournées par quatre mécanismes à rouleau individuels. Le système a été modifié pour être utilisé avec des modèles de tracteurs semi-remorques à demi-échelle, pour lesquels les roues ne chevauchent pas complètement la courroie, et on a utilisé des moteurs à l'intérieur du modèle pour faire tourner les roues. La Figure 28 présente un modèle à demi-échelle (la cabine de conception exclusive est masquée), et on voit bien les limites de la courroie de 1 m de largeur par rapport à la largeur du modèle, ainsi que l'extension du modèle au-delà de l'extrémité aval de la table tournante et du SSES.

Pour les essais de tracteurs semi-remorques à plus petite échelle (1/3 ou plus petit) avec le SSES, il y a lieu d'améliorer la simulation de l'écoulement relatif au-dessus et au-dessous véhicule en montant tout le modèle sur la courroie. Il serait possible également que les roues soient entraînées directement par la courroie. Cela permettrait de mieux reproduire les effets d'interaction aérodynamique entre les roues et la route, mais ces effets sont encore inconnus. Une telle technique nécessiterait l'évaluation des charges transférées des roues à la courroie, soit par leur caractérisation dans des conditions sans vent alors que les roues et la courroie tournent, soit en montant les cellules de charge multicomposants sur les roues pour mesurer directement les charges transférées à la courroie. L'IRA-CNRC a fait une expérience avec de petites cellules de charge ou des balances pouvant servir à de telles fins. Pour ce qui est d'installer les modèles directement sur la courroie du SSES, il faudra utiliser un système de montage pour soutenir le modèle et s'assurer que les charges sont transférées correctement à la balance sous le plancher. Il faudra d'abord évaluer les avantages d'une telle approche par rapport au concept roue-moteur.

Figure 28 – Modèle de tracteur semi-remorque à demi-échelle sur le SSES dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC (la cabine de conception exclusive est masquée)

À l'heure actuelle, la vitesse de la courroie de plancher et des roues du modèle dans le SSES est contrôlée pour correspondre à la vitesse du vent rencontrée par le modèle de véhicule. Dans des conditions de vent de travers, que l'on simule en faisant tourner la table tournante et en changeant la direction relative du vent sur le modèle, la vitesse du sol peut être ajustée pour représenter la composante de la vitesse du vent qui est alignée avec le mouvement pertinent du véhicule, du moins pour des vitesses de vent types. Le système de commande de la soufflerie de 9 m x 9 m est en mesure d'effectuer les calculs nécessaires pour ajuster en conséquence la vitesse de la courroie et du vent. Cet aspect pourrait faire l'objet d'une amélioration future pour les simulations réalisées avec le SSES.

Afin d'améliorer le SSES de la manière décrite ci-dessus, il faudra réaliser les tâches suivantes:

  1. déterminer les avantages d'un système dont les roues sont entraînées par la courroie, par rapport à un système d'entraînement par moteur. Si cela est bénéfique, il faudra concevoir un système pouvant recevoir des modèles d'échelle inférieure à ½ et évaluer s'il pourrait produire une interférence aérodynamique avec l'écoulement au-dessus et en dessous des modèles de tracteurs semi-remorques à l'échelle. À cette fin, il faudra peut-être concevoir un système de balance de roue pour mesurer les charges transférées entre les roues et la courroie;
  2. mettre à jour le système de commande du SSES pour tenir compte de la modification de la vitesse du vent par rapport au sol, lorsque le modèle est pivoté.
11.3.2 Turbulence

L'influence de la turbulence atmosphérique sur le comportement aérodynamique des tracteurs semi-remorques et des dispositifs réducteurs de traînée de la nouvelle génération n'est pas bien comprise. Cooper [83] a étudié dans les années 1980 l'influence de la turbulence sur certaines configurations de camion de base, et il a démontré que l'effet de la turbulence, par rapport à un écoulement lisse, peut changer selon l'angle du vent et le type de changement de géométrie évalué.

Le défi le plus important pour simuler la turbulence atmosphérique dans une soufflerie est de reproduire le spectre approprié des fluctuations du vent [84], [85]. Certaines études ont mesuré ou estimé le spectre de turbulence rencontré par les automobiles dans une zone d'environ 1 m à partir du sol [86]. Dans le cas des tracteurs semi-remorques, il sera important d'examiner les caractéristiques du vent à une hauteur plus grande, peut-être jusqu'à 4 m. Les échelles de longueur associées à la turbulence atmosphérique sont habituellement beaucoup plus grandes que celles que l'on peut simuler en soufflerie à l'aide des techniques standards (grilles, écrans, treillis), et la taille de la plus grande échelle de longueur définit l'intensité des rafales rencontrées par le véhicule. Les échelles de longueur plus petites qui peuvent facilement être générées dans une soufflerie, et consistant en tourbillons turbulents de taille beaucoup plus petite que celle du camion, contiennent seulement une faible partie de l'énergie de turbulence rencontrée par le véhicule sur la route.

La technologie de génération active de turbulence devra probablement simuler des spectres de vent appropriés pour les essais de tracteurs semi-remorque. Au CNRC, Cooper a démontré une telle technique en utilisant une grille oscillante avec des plaques sur charnières, qui étaient mues par du bruit blanc ou des oscillations sinusoïdales de diverses fréquences [87]. Cette technique s'est avérée efficace pour accroître les échelles de longueur efficaces de la turbulence. Cooper [84] mentionne que la soufflerie Pininfarina, servant aux essais d'automobiles, utilise une technique similaire, à savoir des aubes coniques sur charnières qui produisent également un changement de la vitesse moyenne du vent avec la hauteur.

Les échelles de la turbulence pour ce concept sont représentatives de celles que l'on rencontre dans le sillage d'un autre véhicule. Toutefois, un problème additionnel pour simuler la turbulence du vent est la difficulté de reproduire les longues échelles de longueur dans une soufflerie, en raison de l'espace limité et de la corrélation spatiale probablement irréaliste, et du fait que le spectre cible des trois composantes du vent est probablement impossible à reproduire.

L'IRA-CNRC a une solide expertise en génie éolien des structures, comme les bâtiments et les ponts, pour lesquelles on simule depuis plusieurs décennies les spectres de turbulence appropriés afin de caractériser adéquatement les charges éoliennes et les phénomènes aéro-élastiques associés à ces structures. Au cours des dernières années, l'IRA-CNRC a appliqué ces connaissances à d'autres domaines. Par exemple, des mesures prises dans un ovale de patinage de vitesse ont permis de reproduire en soufflerie la turbulence rencontrée par les patineurs de vitesse [88]. L'IRA-CNRC a également généré de la turbulence dans la soufflerie de 9 m x 9 m au moyen de spires ou de grilles de turbulence qui s'étendent du plancher à plus de la moitié de la hauteur de la soufflerie [89] (voir la Figure 29). Il est probable que l'expertise en aérodynamique de l'IRA-CNRC permettrait de mettre au point un système générateur de turbulence pour la simulation des véhicules terrestres pour ses deux souffleries, soit celle de 2 m x 3 m et celle de 9 m x 9 m.

La figure 29 illustre une grille de turbulence à hauteur partielle fait d'une structure de bois placée à l'avant de la turbine de la soufflerie de 9ºmºx9ºmº du CNRC.

Figure 29 – Grille de turbulence à hauteur partielle dans la soufflerie du CNRC de 9 m x 9 m

Les tâches suivantes devront être réalisées pour développer la simulation de la turbulence pour les essais de véhicules terrestres:

  1. Mesure des conditions de turbulence du vent rencontrées par les tracteurs semi-remorques : De manière similaire à la technique utilisée par Wordley et Saunders [86]pour mesurer la turbulence rencontrée par les automobiles en Australie, on pourrait utiliser un réseau de sondes de pression multicomposants à réaction rapide pour mesurer le spectre du vent et sa répartition verticale et/ou horizontale, caractéristique de ce que rencontrent les tracteurs semi-remorques dans les conditions canadiennes. Le CNRC possède cet équipement. Les résultats consisteraient en un spectre de vent représentatif.
  2. Évaluation de la sensibilité du rendement d'un tracteur semi-remorque à la turbulence: On ignore dans quelle mesure le comportement aérodynamique d'un tracteur semi-remorque est sensible aux variations du spectre de vent «cible» mentionné ci-dessus. En faisant des mesures sur un modèle standard dans divers environnements turbulents, qui tous peuvent être reproduits dans les souffleries du CNRC, on pourra établir un niveau de tolérance auquel la simulation de la turbulence pourra être conçue.
  3. Développement de techniques de simulation pour la soufflerie de 2 m x 3 m du CNRC: La technologie pour générer le spectre de vent «cible», mesuré dans l'étude susmentionnée et qui nécessitera probablement des méthodes actives, pourrait être plus aisément développée dans l'une des petites souffleries du CNRC (celle de 1,0 m x 0,8 m ou celle de 2 m x 3 m). La démonstration finale sur un modèle d'automobile, pour démontrer les différences avec et sans turbulence, pourrait être réalisée dans la soufflerie de 2 m x 3 m, qui est pourvue d'une balance précise pour mesurer les charges éoliennes.
  4. Extension des techniques de simulation à la soufflerie de 9 m x 9 m: Avec la démonstration appropriée de la technologie et du concept testés dans la soufflerie de 2 m x 3 m, le système pourrait être mis à l'échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m pour permettre la simulation de la turbulence pour des modèles à l'échelle avec une simulation appropriée du sol, et pour des véhicules pleines dimensions.
11.3.3 Profil d'écoulement cisaillé et torsadé

En raison de la variation de la vitesse du vent atmosphérique avec la hauteur (ou l'altitude), à quoi s'ajoute la vitesse du vent associée au mouvement du véhicule, celui-ci peut rencontrer sur route un vent dont la vitesse, la direction et la turbulence varient avec la hauteur. Pour certaines conditions de vent atmosphérique, un tracteur semi-remorque peut être soumis à une torsion allant du sol au toit, et pouvant dépasser 5 degrés, et connaître un changement de la vitesse du vent supérieur à 5 %, même à des vitesses routières habituelles [90]. L'effet de telles conditions du vent sur le rendement aérodynamique du tracteur semi-remorque est inconnu, mais on prévoit qu'il est important.

Les profils éoliens cisaillés et torsadés ont été simulés dans d'autres souffleries afin de simuler les vents rencontrés par les voiliers [91], [92]. Dans ces souffleries, un réseau d'aubes verticales torsadées était placé en amont de la section d'essai, ou à l'intérieur de celle-ci, afin de varier l'angle du vent horizontal à l'approche des modèles de voiliers. Il ne serait pas difficile d'adapter ces concepts pour les essais des tracteurs semi-remorques en soufflerie.

Dans le cadre de la méthode de simulation de la turbulence décrite à la section 11.3.2, on pourrait inclure les capacités de torsion de l'écoulement. On pourrait démontrer l'effet de la torsion du profil éolien sur un modèle de tracteur semi-remorque en réalisant des études de développement dans la soufflerie de 2 m x 3 m (en parallèle avec la tâche 3 décrite à la section 11.3.2), et les résultats détermineraient l'importance qu'il conviendrait d'accorder à de tels essais à plus grande échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m (en parallèle avec la tâche 4 de la section 11.3.2).

11.3.4 Corrections du blocage et de l'interférence

Comme nous l'avons décrit dans le dernier chapitre, il est important de corriger les effets de blocage et d'interférence avec les murs de la soufflerie pour pouvoir comparer les mesures en soufflerie avec les données expérimentales sur route. Dans le cadre d'une étude non encore publiée, le CNRC a comparé diverses corrections de blocage pour des modèles à pleine échelle et à demi-échelle pour le même ensemble tracteur-remorque. Dans cette recherche le CNRC a découvert que les méthodes de corrections, lorsqu'elles sont combinées à des techniques standards d'interférence avec les murs, réduisent les ensembles de données à une courbe presque identique du coefficient de traînée en fonction de l'angle de lacet [93]. Malgré les bons résultats pour les charges des véhicules, la méthode souffre de quelques lacunes pour ce qui est de corriger les coefficients de pression de surface, basés sur une comparaison des mesures en soufflerie à pleine échelle et sur piste pour le même ensemble tracteur-remorque [81]. Bien que cet écart ne soit probablement pas, croit-on, dû entièrement à la technique de correction du blocage, en raison des différences dans les conditions de vent entre la soufflerie et les essais de décélération en roue libre, les résultats semblent indiquer qu'il est possible de raffiner les techniques de correction du blocage pour ce qui est des pressions de surface. Les méthodes examinées dans l'étude non encore publiée sont basées sur un nombre limité de mesures et la géométrie du modèle, et emploient des coefficients empiriquement déterminés et basés sur une corrélation avec d'autres types de carrosseries. Il serait possible d'optimiser la méthode de correction du blocage pour une configuration de camion lourd type.

Une autre technique souvent utilisée pour l'essai des aéronefs en présence de blocages importants consiste à employer une méthode basée sur une solution de l'écoulement potentiel en trois dimensions qui fournit, au moyen d'un seul calcul, l'effet net du blocage sur la vitesse du vent et l'interférence des murs sur l'angularité de l'écoulement. La méthode d'interférence à deux variables de Mokry [94] utilise des mesures de la pression sur les murs de la soufflerie, et détermine une configuration d'écoulement potentiel efficace qui donne la même signature de pression sur les murs. Le résultat est un champ d'écoulement potentiel qui reproduit au mieux l'accélération du vent et les changements d'angularité de l'écoulement rencontré par le modèle dans la soufflerie. Cette solution de champ offre une correction spécifique pour chaque mesure de pression de surface basée sur chaque emplacement de sonde de pression dans la soufflerie. On a démontré que cette technique corrige adéquatement les mesures pour un corps profilé, mais elle n'a pas encore été validée pour un corps plat.

Quelques mesures préliminaires utilisant la méthode de Mokry ont déjà été réalisées dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. La plus grande source d'incertitude avec cette méthode était une dérive dans les mesures de pression, résultant des signatures de pression de faible ampleur pour certaines des mesures. L'incertitude dans les mesures de pression se traduisait par une grande incertitude dans les paramètres de correction. On peut concevoir la possibilité de combiner les deux méthodes décrites ci-dessus (Maskell III et Mokry) de telle sorte que la méthode Maskell III, reproductible et uniforme, puisse fournir des données de référence à l'égard desquelles la méthode de Mokry pourrait être étalonnée. On pourrait ajuster cette combinaison pour prendre en compte l'incertitude de la dérive de pression dans la méthode de Mokry, ce qui donnerait une méthode combinée pour corriger précisément le rendement aérodynamique et les mesures de pression. Les mesures sur piste, comme celles étudiées par Tanguay [81], pourraient être une source additionnelle de données de validation pour le développement de ces techniques.

11.4 Mesures aéro-acoustiques

L'étude du rendement aérodynamique des tracteurs semi-remorques dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC offre un avantage additionnel: la capacité d'évaluer le rendement aéro-acoustique du véhicule ou de ses composants. Dans le cadre d'un programme visant à développer les capacités de mesure aéro-acoustique pour les trains d'atterrissage des aéronefs dans les petites souffleries du CNRC, on a démontré que le système de mesure acoustique peut également être utilisé pour les modèles de véhicule, notamment un tracteur semi-remorque à pleine échelle dans la soufflerie de 9 m x 9 m. Ces mesures permettent d'évaluer le changement dans les niveaux de bruit et les fréquences associées dues aux divers composants d'un camion, y compris les nouveaux dispositifs réducteurs de traînée.

Les évaluations acoustiques types sur des automobiles consistent à mesurer le bruit à l'intérieur de la cabine, afin de connaître le bruit entendu par le conducteur et les passagers. Le système aéro-acoustique du CNRC utilise la technologie des réseaux de microphones en phase (64 microphones) pour mesurer la fréquence, la magnitude et la répartition spatiale des sources de bruit dans la soufflerie. La Figure 30 illustre le réseau de microphones monté sur le mur de la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC, et un échantillon préliminaire de mesures autour du montant avant et du rétroviseur d'un tracteur de classe 8. Cet exemple de mesures montre clairement les sources de bruit intense dues au montant avant, au pare-soleil, et au haut et au bas du rétroviseur. On peut aussi mettre en place avec ce système des technologies d'annulation des bruits de fond, pour éliminer le bruit associé aux murs et à la structure de la soufflerie.

Figure 30 – Réseau aéro-acoustique du CNRC monté sur un mur latéral de la soufflerie de 9 m x 9 m (gauche) et sous-ensemble de mesures acoustiques préliminaires pour un tracteur (droite).

11.5 Pénétration de la neige

Les tempêtes de neige sont un phénomène météorologique bien connu des hivers canadiens. Selon les caractéristiques de la neige (quantité, taille des flocons, agglomération, adhésion, etc.), la pénétration de la neige dans les filtres à air réduit le rendement et l'efficacité du moteur. L'IRA-CNRC a mis au point et démontré un prototype de simulateur de tempête de neige appelé S3 (Snow Storm Simulator) pour la soufflerie de 9 m x 9 m. Le système utilise des flocons de neige synthétiques et a été mis au point pour tester les automobiles, mais on peut l'adapter et le mettre en service pour tester les tracteurs semi-remorque. Le système S3, illustré à la Figure 31, permet d'obtenir une mesure quantitative de la neige qui pénètre par les orifices d'admission d'air, et on peut ainsi modifier la conception de ces orifices pour réduire au minimum la dégradation du rendement et de l'efficacité.

La figure 31 montre le simulateur de tempête de neige pulvérisant des flocons de neige synthétiques sur l'avant d'un véhicule sport utilitaire dans la soufflerie de 9ºmº x 9ºmº, lors d'une simulation de tempête de neige.

Figure 31 – Simulation de tempête de neige dans la soufflerie de 9 m x 9 m

Avant de pouvoir utiliser le systèmeprototype S3 dans la soufflerie de 9 m x 9 m de l'IRA-CNRC, il faudra réaliser plusieurs tâches, à savoir:

  1. caractériser l'aérodynamique des flocons de neige synthétiques, ce qui a été entrepris, afin de sélectionner les flocons de neige les plus appropriés pour le système S3. La sensibilité de la pénétration de la neige aux caractéristiques des flocons de neige synthétiques est probablement faible, ce qui en ferait un processus rapide;
  2. finaliser la conception des dispositifs de capture des flocons afin d'empêcher les flocons de neige synthétiques de circuler dans le circuit de la soufflerie;
  3. modifier la conception du système de distribution de la neige pour envelopper entièrement les modèles à l'échelle de tractrices semi-remorques.

12 Conclusions globales

Généralités

Pour les véhicules lourds comme les ensembles tracteur-remorque et les autocars, la traînée de pression est la composante dominante due aux grandes surfaces perpendiculaires à la direction d'écoulement principale, ainsi qu'au sillage important causé par la forme plate de l'extrémité arrière de ces véhicules.

Dans les climats froids canadiens, la traînée aérodynamique en hiver peut être de près de 20 % supérieure à celle que l'on mesure dans les conditions normales, en raison de la densité de l'air ambiant. Pour les tracteurs semi-remorques et les autocars interurbains, cette traînée accrue se traduit par une augmentation d'environ 10 % de la consommation de carburant par rapport à la température de référence, ce qui démontre encore plus l'importance des stratégies de réduction de la traînée aérodynamique pour le climat canadien.

Ensembles routiers longs (ERL)

Selon les résultats d'une étude, le coefficient de traînée d'un ensemble routier long (ERL) tirant deux remorques dépasse d'à peine 0,05 celui d'un véhicule classique tirant une remorque avec un angle de lacet dû au vent de 0 degré. Cette valeur augmente à 0,13 pour un angle de lacet de 5 degrés. Par conséquent, en ajoutant une deuxième remorque pour former un ERL et en doublant la capacité de chargement, on obtient une augmentation très modeste du coefficient de traînée d'environ 10 % à un angle de lacet de 0 degré et de 22 % à un angle de lacet de 5 degrés, par rapport à un ensemble à remorque unique. En d'autres termes, le coefficient de traînée d'un ERL est à peine plus de la moitié de la somme de la traînée des deux véhicules qu'il remplace lorsque l'angle du vent est de 0 degré.

Avec l'augmentation de la longueur du véhicule, la contribution en pourcentage à la traînée globale due à la traînée de frottement augmente légèrement, car il y a beaucoup plus de surface plane alignée avec le vent, mais le devant aplati du véhicule demeure inchangé. Une étude a conclu que la contribution en pourcentage de la traînée de pression sur le véhicule de base était de 93,3 %, tandis qu'elle était de 91,7 % sur un ERL. Ces chiffres sont importants, car ils indiquent qu'avec l'augmentation de la longueur du véhicule, les stratégies visant à réduire la traînée de frottement deviennent plus efficaces pour réduire la consommation de carburant. Toutefois, il est manifestement encore plus bénéfique de réduire la traînée de pression, peu importe la configuration du véhicule. Les auteurs d'une étude concluaient que certaines combinaisons de véhicules peuvent présenter un accroissement de 40 % de la traînée de frottement, avec une augmentation correspondante de seulement 8 % de la traînée de pression. Toutefois, les 40 % en question s'appliquent à un très petit chiffre, tandis que les 8 % s'appliquent à un très grand chiffre, mais le fait demeure que l'augmentation de la longueur du véhicule accroît la pertinence des stratégies de réduction de la traînée de frottement et a beaucoup moins d'effet sur la traînée de pression.

La largeur de l'écart entre les remorques de tête et de queue joue un rôle important dans la traînée subie par l'ensemble routier, particulièrement à des angles de lacet élevés.

On estime qu'un ERL consommerait environ 23 200 de litres de moins de carburant par rapport à deux véhicules classiques, en supposant qu'il parcourt une distance annuelle de 100 000 km à une vitesse de croisière sur la route.

Rétroviseurs vidéo

Les rétroviseurs conformes aux normes de sécurité des véhicules automobiles du Canada (NSVAC) sont responsables d'environ 2 % de la traînée globale d'un tracteur semi-remorque classique. Une étude a déterminé que si les deux rétroviseurs latéraux d'un tracteur sont retirés, le tracteur consommerait 938 litres de moins de carburant par année, d'après la consommation moyenne actuelle de carburant pour l'ensemble du parc. Certains fabricants conçoivent actuellement des prototypes de véhicule qui utilisent des caméras de recul et des écrans vidéo dans la cabine pour remplacer les rétroviseurs latéraux. Toutefois, ces systèmes ne peuvent pas être utilisés indépendamment sans rétroviseurs, en vertu de la réglementation actuelle selon les NSVAC.

Un examen superficiel des tracteurs en service en Ontario a confirmé que les chauffeurs sont habitués à utiliser des rétroviseurs qui sont près de trois fois plus grands que ce qui est exigé par la réglementation selon les NSVAC. Par conséquent, il est peu probable qu'en réduisant la quantité minimale de verre requise par les NSVAC, on réaliserait des économies dues à la réduction de la traînée, car la plupart des chauffeurs seraient réticents à réduire leur champ de vision habituel.

Les rétroviseurs latéraux sont considérés comme des dispositifs « à sécurité intégrée ». Le remplacement des rétroviseurs extérieurs par des caméras de recul réduirait très certainement la moyenne des temps de bon fonctionnement (MTBF) des tracteurs, et ces rétroviseurs vidéo pourraient tomber en panne alors que le chauffeur doit évaluer rapidement la circulation dans la voie de gauche. Cependant, des travaux supplémentaires seraient requis pour comparer la MTBF des rétroviseurs classiques par rapport à celle d'un système de rétroviseur vidéo.

Certains chauffeurs peuvent prendre plus de temps pour s'adapter à l'idée de regarder à droite sur un écran vidéo, plutôt que de regarder à gauche et à droite dans les rétroviseurs, en particulier quand ils doivent changer de voie de toute urgence.

Conduite en peloton

Plusieurs études et recherches ont démontré que la circulation en peloton peut réduire efficacement la traînée aérodynamique pour l'ensemble des véhicules faisant partie du peloton, même le véhicule de tête. Toutefois, la plus grande réduction de la traînée se produit pour les véhicules roulant entre le premier et le dernier véhicule. On estime qu'un véhicule faisant partie d'un peloton pourrait voir sa consommation de carburant réduite de 9 % à 25 %, tout dépendant de son espacement, de sa vitesse, de sa position et de sa masse.

Il est manifeste que la circulation en peloton requiert des modifications importantes à l'infrastructure routière et nécessiterait également un changement important de comportement au volant de la part des autres conducteurs qui entourent un peloton de camions, mais n'en font pas partie

Dispositifs d'appoint pour les tracteurs et les remorques

Les tracteurs et les remorques n'appartiennent pas toujours aux mêmes exploitants, et il peut donc y avoir une certaine réticence de la part des propriétaires de remorques à payer pour des dispositifs qui profiteront aux propriétaires des tracteurs.

Il y a eu peu d'essais aérodynamiques sur les pare-chocs avant robustes et les résultats sont ambigus : certains indiquent une réduction modeste de la consommation de carburant, alors que d'autres indiquent une augmentation modeste. Dans cette même veine, des améliorations aérodynamiques modestes sont possibles avec l'utilisation d'enjoliveurs et de bavettes garde-boue à fentes.

On peut également utiliser des revêtements superhydrophobes pour réduire la probabilité d'accumulation d'eau et de glace sur les remorques. Toutefois, cette technologie reste encore largement non testée sur les véhicules routiers.

Il a été démontré en laboratoire que l'injection d'air réduit la traînée. Cependant, cette approche est beaucoup moins pratique que la réduction de la traînée, car il faut utiliser des dispositifs électriques (ce qui consomme du courant produit par le système de charge et constitue donc des pertes parasites pour le moteur) pour assurer l'écoulement d'air, et il faut aussi ajuster la canalisation des systèmes passifs.

On a démontré que le traitement du dessous de la cabine diminue la traînée aérodynamique des tracteurs. Toutefois, les essais devraient être réalisés dans une soufflerie de type « route roulante » pour quantifier ces effets.

On a aussi démontré que l'écart commence à avoir un impact significatif sur la traînée du véhicule lorsqu'il est supérieur à 0,45 m, et que la traînée augmente d'environ 2 % pour chaque accroissement de 0,25 m de l'écart au-delà d'environ 0,75 m. Les recherches permettent de croire qu'en réglant complètement le problème de l'écart, des économies de l'ordre de 6 % dues à la réduction de la traînée seraient possibles pour un tracteur semi-remorque type. Cela représenterait une amélioration d'environ 3 % de la consommation de carburant à 98 km/h (60 mi/h). Au moins un fabricant met actuellement au point une sellette de tracteur qui se déplacerait longitudinalement pour réduire de manière efficace l'écart tracteur-remorque aux vitesses élevées.

Plusieurs fabricants offrent actuellement sur le marché des produits commerciaux conçus pour la zone d'écart, avec des économies de carburant alléguées de l'ordre de 2 %. Toutefois, les économies en pourcentage dépendent grandement de la procédure d'essai choisie, y compris la largeur initiale de l'écart et la vitesse d'essai.

De nombreuses études théoriques ont porté sur les effets potentiels des dispositifs d'écart tracteur-remorque sur l'économie de carburant. Il convient toutefois d'étudier d'abord l'avantage maximal théorique que l'on obtiendrait en fermant entièrement l'écart. Selon certaines études, la limite supérieure de l'amélioration aérodynamique prévue entraînerait une réduction de la traînée de l'ordre de 7 %. À une vitesse type de 55 mi/h, cela représenterait des économies de carburant d'environ 3,5 %.

Mercedes a récemment introduit une remorque prototype qui, allègue-t-on, réduit de 18 % la traînée d'un ensemble tracteur-remorque de style entièrement européen (comportant une cabine avancée).

Les jupes latérales servent à empêcher que l'écoulement de l'air n'entre dans la zone sous la remorque. Au cours des dernières années, ces jupes ont été largement adoptées et on les voit couramment sur de nombreuses remorques. Des réductions de la consommation de carburant de l'ordre de 3 à 7 % ont été rapportées.

On a aussi démontré que les compartiments de sous-châssis latéraux réduisent la traînée de 10 à 15 %, et qu'on peut les utiliser pour y ranger du matériel qui devrait normalement être sanglé à l'extérieur du tracteur ou sous le côté de la remorque. On pourrait également utiliser les compartiments de sous-châssis latéraux à la place des protecteurs latéraux classiques. Toutefois, elles augmentent le poids de la remorque et pourraient également avoir un impact sur l'angle de rampe lorsque les remorques traversent les voies ferrées ou d'autres obstacles.

Les essais en soufflerie et sur route ont démontré qu'un rétreint d'une longueur de 24 à 32 pouces est optimal pour réduire la traînée et respecter les limitations de longueur. Tout comme dans le cas des jupes latérales, il est important d'optimiser l'interaction entre les rétreints et les autres dispositifs.

Il existe actuellement peu d’éléments de preuve dans des sources scientifiques examinées par des pairs permettant d’affirmer que des générateurs de tourbillon ont un impact important sur l’économie de carburant des véhicules lourds.

Les remorques rétractables (c.-à-d. des remorques dont la hauteur est grandement réduite) sont testées à l'état de prototype au Canada, mais il reste encore à faire des essais afin de quantifier la réduction de traînée potentielle.

Les modèles de tracteur aérodynamique permettent une réduction de la traînée aérodynamique, par rapport au type classique, de l'ordre de 30 %. On obtient ce résultat essentiellement en arrondissant les surfaces avant, en posant des déflecteurs de toit et en recouvrant d'un carénage les réservoirs de carburant entre l'essieu directeur et les essieux moteurs.

Dispositifs aérodynamiques pour les autocars

L'applicabilité des dispositifs d'appoint aérodynamiques sur les autocars interurbains a été moins étudiée que pour les tracteurs semi-remorques de classe 8. Le parc nord-américain d'autocars est beaucoup plus petit que le parc de tracteurs, et par conséquent, sa consommation de carburant et ses émissions de GES sont beaucoup plus faibles annuelllement.

Un autocar type présente de nombreux avantages aérodynamiques par rapport à un tracteur semi-remorque de classe 8 : il n'y a pas d'écart tracteur-remorque, la carrosserie se rapproche beaucoup plus du sol et incorpore de manière efficace les jupes latérales, et le devant plat élimine les discontinuités aérodynamiques multiples habituellement causées par les interfaces radiateur-capot, capot-pare-brise et pare-brise-carénage. Par conséquent, un autocar interurbain standard peut présenter une valeur CD aussi faible que 0,384.

Grâce à son faible ratio résistance au roulement/résistance aérodynamique (le paramètre de densité de la traînée), les pertes aérodynamiques d'un autocar l'emportent sur les pertes mécaniques à des vitesses beaucoup plus faibles que pour un tracteur semi-remorque. Pour une réduction donnée en pourcentage du coefficient de traînée, la réduction nette en pourcentage de la consommation de carburant est plus grande pour un autocar que pour un tracteur semi-remorque.

La contribution dominante à la traînée aérodynamique d'un autocar est la différence de pression entre les surfaces avant et arrière de la carrosserie, la résistance de frottement offrant une contribution minimale.

Dans un autocar, environ 60 à 70 % de la traînée totale moyennée est attribuée aux charges de pression agissant sur la carrosserie avant du véhicule, et c'est donc cette zone que devraient privilégier les stratégies de réduction de la traînée. De loin, la méthode la plus efficace de réduction de la traînée due à la carrosserie avant consiste à minimiser la séparation de l'écoulement en arrondissant les coins avant (côtés et haut) et en donnant une forme conique à la carrosserie avant.

L'aérodynamique du sous-châssis prend de plus en plus d'importance, toujours afin de réduire la consommation de carburant des véhicules de surface. Les essais en soufflerie ont démontré qu'il est possible de réduire la traînée d'environ ∆CD ≈ -0,012, grâce à l'utilisation de panneaux de sous-châssis. En outre, on a constaté que le profilage aérodynamique des roues grâce à des enjoliveurs réduit davantage le CD d'environ 0,022. Bien que le sous-châssis des autocars soit déjà aérodynamiquement « épuré », on pourrait réaliser des recherches afin d'étudier la canalisation de l'écoulement sous le châssis vers l'extrémité arrière du véhicule. L'air doit être canalisé vers le moteur pour le refroidir, ce qui peut représenter un facteur important. Un sous-châssis d'autocar présentant des obstructions minimales permettrait d'utiliser l'énergie cinétique de l'écoulement pour refroidir plus efficacement le moteur (effet de pression dynamique partiel) et/ou diriger cet écoulement canalisé dans la région du sillage.

Enfin, il est possible également d'accroître l'avantage aérodynamique en reprofilant la ligne de toit. Comme les autocars n'ont pas les mêmes contraintes de capacité de chargement, on pense que l'on pourrait modifier la ligne de toit arrière avec un impact minimal sur le confort des passagers. Les problèmes opérationnels ne devraient pas être une préoccupation.

Accumulation et élimination de la neige et de la glace

Il y a très peu d'information au sujet des résultats des essais ou des modélisations cherchant à démontrer comment la glace et la neige s'accumulent sur des dispositifs aérodynamiques.

Les rétreints peuvent modifier grandement le champ d'écoulement directement derrière une semi-remorque, et on pense également que la neige pourrait s'accumuler sur le dessus du panneau de rétreint inférieur. Toutefois, il semble exister très peu de travaux qui quantifient la façon dont cette modification du champ d'écoulement influerait sur les véhicules qui suivent une remorque dotée d'un rétreint, ou sur la façon dont la neige et la glace s'accumulent et tombent des dispositifs aérodynamiques du camion.

13 Recommandations

Ensembles routiers longs (ERL)

On peut réduire grandement la traînée de pression en utilisant des ERL, et ces réductions sont bien documentées et comprises dans le cas des véhicules européens pour des angles de lacet fixes. Toutefois, il y a très peu de données au sujet des ERL nord-américains soumis à des angles de lacet variables dus au vent et correspondant à une valeur annuelle de la traînée moyennée selon le vent. On pourrait utiliser les essais en soufflerie pour quantifier la réduction de la traînée d'un ERL de type nord-américain, en tenant compte de la traînée moyennée en fonction du vent.

Il est possible de diminuer davantage mais de manière incrémentale la traînée d'un ERL. Il y aurait lieu d'étudier davantage des ERL canadiens afin de mieux comprendre la relation entre la largeur de l'écart et la traînée, pour démontrer si les dispositifs actuellement conçus pour être installés dans l'écart entre le tracteur et la remorque d'un ensemble classique seraient également utilisables entre les deux remorques d'un ERL. Le cas échéant, quelle configuration conviendrait le mieux afin d'optimiser la réduction de la traînée entre les deux remorques d'un ERL. Cette étude pourrait porter sur les deux largeurs d'écart afin de quantifier l'effet incrémentiel d'un dispositif d'appoint, par rapport aux réductions importantes qui seraient obtenues lorsqu'on utilise un ERL au lieu d'un ensemble tracteur-remorque. Idéalement, on devrait réaliser une étude dans laquelle on ajouterait de manière séquentielle à l'ERL divers écrans d'écart, des jupes latérales, et des rétreints afin de déterminer si ces dispositifs ont les mêmes effets sur les ERL que sur les véhicules classiques.

Rétroviseurs vidéo

La réduction de la traînée possible grâce au retrait des rétroviseurs latéraux est bien comprise, quantifiée et bien documentée par des essais en laboratoire. Par conséquent, il y aurait probablement peu d'avantages à reproduire ces essais. Toutefois, il semble y avoir peu d'essais documentés au sujet du rendement et de la fiabilité des caméras de recul et de leur acceptation par les chauffeurs. Si Transports Canada souhaite étudier davantage cette question, le CNRC recommande d'élaborer une étude visant à déterminer les avantages et les inconvénients du remplacement des rétroviseurs extérieurs pour des motifs autres que les avantages aérodynamiques, qui sont bien connus. Il s'agirait notamment d'étudier la fiabilité et la facilité d'entretien des dispositifs d'appoint, ainsi que leur poids, la nécessité d'avoir un système redondant, la rapidité avec laquelle les chauffeurs peuvent voir les objets dans la voie de gauche, et l'acceptation de ces dispositifs par les chauffeurs, particulièrement quand ils utilisent des rétroviseurs depuis de nombreuses années. Si on détermine que les rétroviseurs latéraux peuvent être retirés sans effets secondaires négatifs sur le plan de la sécurité, il y aurait lieu alors d'entreprendre un projet pilote afin de mieux comprendre les économies de carburant potentielles, ainsi que les problèmes logistiques imprévus dans les conditions réelles de conduite productive.

On pourrait également étudier les avantages des caméras infrarouges afin de déterminer si on peut les combiner à des rétroviseurs vidéo pour améliorer la vision des chauffeurs par mauvais temps, ou si elles constitueraient plus une distraction qu'une aide.

Conduite en peloton

Bien que la circulation en peloton semble être très prometteuse pour réduire la traînée aérodynamique, elle ne semble pas être une solution pratique pour le camionnage au Canada dans un proche avenir, en raison de la taille du réseau routier canadien et de l'état encore immature de la technologie. Il y a trop d'obstacle en matière d'infrastructure et de logistique qui doivent être surmontées pour que ce concept soit viable dans un proche avenir. Même si la technologie permettait de relier électroniquement deux ou plusieurs véhicules lourds, la logistique requise pour intégrer ces véhicules dans la circulation existante s'avérerait extrêmement difficile. La solution la plus pratique pour réduire l'aérodynamisme d'un ensemble multi-véhicules consisterait à faire davantage d'essais et à mieux comprendre le comportement des ERL récemment adoptés, jusqu'à ce que la circulation en peloton soit perfectionnée dans des pays moins grands en Europe.

Il semblerait que bon nombre des recherches sur cette question portaient sur des véhicules plus légers que les véhicules lourds types que l'on retrouve au Canada. Les résultats des travaux sur la circulation en peloton peuvent être plus intéressants dans le cas des véhicules légers, car un pourcentage plus élevé de la consommation de carburant peut être attribué aux effets aérodynamiques. L'étude des effets de la circulation en peloton, lorsque les véhicules sont chargés au poids légal maximal au Canada, fournirait des renseignements plus utiles au sujet du potentiel offert par ce mode de circulation sur les routes canadiennes.

Vu la complexité de la circulation en peloton et de la simplicité relative des ERL, il serait utile de quantifier la différence entre les véhicules en peloton et un ERL, en termes de réduction de la consommation de carburant.

L'étude pourrait commencer par la comparaison d'un ERL par rapport à un peloton de deux véhicules, puis par rapport à des pelotons comportant un nombre croissant de véhicules.

Dispositifs d'appoint pour les tracteurs et les remorques

Il est suggéré que tous les dispositifs d'appoint pour les tracteurs et les remorques décrits dans le présent rapport sont des candidats valables pour des études futures, sauf les dispositifs d'injection active de l'air et les technologies de contrôle actif de l'écoulement. De plus, une étude intégrée de tous les dispositifs s'impose afin de s'assurer que les gains aérodynamiques offerts par l'un de ces dispositifs ne réduisent pas le rendement aérodynamique d'un autre dispositif installé en aval du véhicule.

Le processus suggéré consisterait à réaliser des essais en soufflerie à l'échelle, avec l'ajout séquentiel de chaque dispositif jusqu'à ce que le véhicule soit équipé de tous les dispositifs susmentionnés. Après les étapes préliminaires, on pourrait mettre au point des prototypes à pleine échelle et les tester dans des situations de conduite réelle ou sur piste contrôlée. On devrait également évaluer l'utilisation de différents types de remorques (remorque fermée, camion-citerne, plateforme avec et sans chargement représentatif), afin de déterminer les avantages pour l'ensemble de l'industrie du transport.

Afin de mieux servir le secteur du camionnage et d'atteindre les objectifs globaux d'amélioration de la consommation de carburant, il est suggéré que l'on travaille davantage sur des solutions de réduction de la traînée basées sur le tracteur. Cela dit, les dispositifs basés sur la remorque, comme les jupes latérales et les rétreints, offrent des avantages importants en raison de leur potentiel démontré de réduction de la traînée.

Dans l'une ou l'autre de ces études futures, l'approche utilisée devrait d'abord consister à comprendre les préoccupations opérationnelles et les obstacles à l'acceptation par l'industrie du camionnage, avant toute expérience aérodynamique ou simulation.

Dispositifs aérodynamiques pour les autocars

Vu le secret qui caractérise l'industrie de l'autocar, il revient clairement aux constructeurs canadiens d'autocars de réaliser le processus d'optimisation, en tenant compte de leurs objectifs de rendement aérodynamique et de leurs contraintes opérationnelles. À cet égard, le CNRC et Transports Canada pourraient contribuer à ce processus, à la demande du client, en offrant une expertise en aérodynamique et des conseils à l'industrie, mais cela ne fait pas partie du présent programme.

Dans le cadre du programme écoTECHNOLOGIE pour Véhicules II, il y aurait lieu de formuler un document de recommandations à l'intention des constructeurs et des exploitants canadiens d'autocars afin de guider leurs efforts de développement et de sélection, respectivement, afin de réduire la consommation de carburant et les émissions des autocars. Un tel document pourrait être basé sur l'information contenue dans le présent rapport.

Accumulation et chute de la neige et de la glace

Le CTTS-CNRC recommande que l'on réalise une étude similaire à celle faite par le CNRC-IRA dans laquelle de nombreux dispositifs aérodynamiques ont été ajoutés l'un après l'autre à un ensemble tracteur-remorque. Toutefois, pour l'étude proposée, on mettrait l'accent sur l'accumulation et la chute de la neige et de la glace, plutôt que sur la traînée aérodynamique. Dans l'idéal, un modèle de véhicule à l'échelle serait placé dans une soufflerie à haute vitesse et à des températures inférieures à zéro, et de la neige et de la glace seraient projetées contre le modèle de véhicule. On mesurerait l'accumulation et la chute de la neige, par rapport à un véhicule de référence qui serait placé à côté du véhicule d'essai. On pourrait aussi étudier les effets en aval sur un modèle de voiture à l'échelle suivant la remorque, afin de déterminer si la neige et la glace sont plus susceptibles de s'accumuler sur le véhicule de queue, et aussi pour déterminer si la vision avant des chauffeurs dans les véhicules de queue serait affectée d'une manière ou d'une autre.

En définitive, des essais sur piste ou sur route avec de vrais tracteurs semi-remorques pourraient être réalisés pour déterminer si les dispositifs comme les rétreints risquent d'accumuler des quantités de neige qui pourraient être éjectées sur la chaussée ou vers d'autres véhicules autour.

Essais sur des modèles à l'échelle

La traînée aérodynamique est une perte d'énergie dissipative et non récupérable, et c'est l'un des facteurs les plus importants à envisager pour réduire la consommation de carburant et les émissions des véhicules lourds. Une importante réduction de la traînée peut être obtenue avec les technologies actuelles et émergentes, mais l'acceptation par l'industrie est habituellement lente, car les exploitants désirent obtenir un retour rapide sur leurs investissements. Les stratégies d'évaluation courantes par les développeurs et les fabricants de dispositifs peuvent être faussées et peu représentatives des conditions réelles, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles l'exploitant peut hésiter à adopter les nouvelles technologies. L'industrie doit donc être orientée dans le choix des technologies appropriées qui lui fourniront un avantage net en termes de réduction de la consommation de carburant et des émissions au Canada. À cette fin, une bonne approche serait d'homologuer les technologies, un peu à la façon du programme SmartWay de l'EPA aux États-Unis [30].

D'après l'information contenue dans le présent rapport, le CNRC recommande une évaluation systématique des possibilités offertes par les technologies existantes et proposées de réduction de la traînée pour les ensembles tracteur-remorque. Ce plan doterait Transports Canada de recommandations portant sur une combinaison optimale des technologies de réduction de la traînée, en vue de réduire la consommation de carburant dans l'industrie du transport. Compte tenu des exigences opérationnelles, ces recommandations sur l'utilisation des meilleures technologies peuvent ensuite être présentées à l'industrie du transport. Ce plan, que nous résumons ci-dessous, sera similaire au programme d'essais réalisé par le CNRC en collaboration avec RNCan, l'Alliance canadienne du camionnage et le Département américain de l'énergie [23], [24], et qui permet d'estimer de manière fiable les économies de carburant. Ce nouveau plan, basé sur des essais en soufflerie sur des modèles à l'échelle, plutôt que sur des essais à pleine échelle, englobe les technologies additionnelles de réduction de la traînée et permettra de simuler beaucoup mieux les conditions d'exploitation des véhicules lourds au Canada. L'avantage des essais sur modèles à l'échelle, par rapport aux essais à pleine échelle, est la possibilité de mettre en place un environnement représentatif (mouvements relatifs véhicules / sol / vent et vents terrestres), ainsi que la possibilité de tester des véhicules pleine longueur équivalents et des ensembles routiers longs (ERL). On obtiendrait ainsi une plus grande précision par rapport aux anciens programmes d'essais en soufflerie. Un autre avantage important des essais en soufflerie est la précision avec laquelle on peut comparer des technologies et des configurations, grâce à un environnement d'essai systématiquement contrôlé.

La collaboration avec les exploitants, les équipementiers et les fabricants de dispositifs permettrait une évaluation approfondie de ces technologies. Le CNRC dispose déjà de partenaires dans l'industrie du transport qui sont ouverts à la collaboration, et qui pourraient fournir des spécifications sur les tracteurs semi-remorques et la géométrie des dispositifs, ce qui faciliterait la fabrication des modèles.

Voici un aperçu du plan proposé pour l'évaluation aérodynamique des technologies de réduction de la traînée:

  • Évaluer l'impact potentiel qu'aurait la réalisation d'essais à des valeurs moindres du nombre de Reynolds, par des mesures aérodynamiques en soufflerie et par des programmes d'essai sur piste réalisés avec divers collaborateurs et partenaires (et avec leur permission). On choisirait ensuite une échelle de modèle optimisée (entre ¼ et ½) pour les ensembles tracteur-remorque qui donnera les résultats les plus précis provenant d'une évaluation des technologies de réduction de la traînée.
  • Concevoir l'infrastructure pour tester des modèles à l'échelle de tracteurs et de remorques standards nord-américains (remorques fermées de 40 pi et 53 pi, plateformes, camions-citernes, ERL). Ces modèles permettraient d'évaluer un grand nombre de formes de carrosserie et de dispositifs/concepts de réduction de la traînée. Les modèles seraient conçus pour être utilisés avec le système de simulation de l'effet de sol dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC. Ce système permettrait de réaliser des simulations correctes et importantes du mouvement relatif entre le véhicule, le vent terrestre et le sol.
  • Concevoir, élaborer et fabriquer un système de génération de turbulences pour obtenir des conditions représentatives rencontrées par les tracteurs semi-remorques dans des conditions routières réelles. On a démontré que la turbulence est un facteur important, habituellement négligé, quand on évalue le potentiel de réduction de la traînée offert par les nouvelles technologies. La section 11.3 décrit les exigences pour ce projet de développement.
  • Réaliser un programme d'essais dans la soufflerie de 9 m x 9 m du CNRC pour évaluer le rendement aérodynamique et, si possible, aéro-acoustique (voir la section 11.4) des dispositifs de réduction de la traînée et des ensembles de véhicules, en utilisant des véhicules lourds à l'échelle. Ce programme consisterait à évaluer le rendement des technologies de réduction de la traînée dans des conditions d'écoulement lisse et turbulent, avec et sans simulation du sol, afin d'établir une corrélation avec d'autres programmes d'essais en soufflerie qui ont déjà démontré certaines de ces technologies dans des conditions d'écoulement lisse, et avec une simulation minime, voire aucune, de l'effet du sol.
  • Diffuser les résultats et les recommandations touchant les combinaisons optimales de réduction de la traînée dans le contexte canadien, par le truchement de rapports et de présentations aux fabricants et aux utilisateurs de camions lourds, dans des conférences et des réunions appropriées. Ces résultats seront plus représentatifs du potentiel de réduction de la consommation de carburant que même ceux obtenus avec les méthodes recommandées par les normes d'évaluation du rendement aérodynamique des véhicules lourds, maintenant requises par l'EPA.

Liste des sigles et des abréviations

ADR Australian Design Rule

°C degré Celsius

CD coefficient de traînée

ICIST Institut canadien de l'information scientifique et technique mi/h milles à heure

NSVAC Normes de sécurité des véhicules automobiles du Canada CO2 dioxyde de carbone

CTTS Centre de technologie des transports de surface

ACC Alliance canadienne du camionnage

DES simulation de tourbillons détachés

DOE Department of Energy (États-Unis)

EPA Environmental Protection Agency (États-Unis) NHTSA National Highway Traffic Safety Administration (États-Unis)

GESS Système de simulation des effets de sol

PBV poids brut du véhicule

PNBV poids nominal brut du véhicule

IRA Institut de recherche aérospatiale

km/h kilomètre à l'heure

ERL ensemble routier long MTO Ministère des transports de l'Ontario

LES simulation de gros tourbillons

mi/gal milles par gallon

MTBF moyenne des temps de bon fonctionnement SARTRE Safe Road Trains for the Environment

MTO Ministère des transports de l'Ontario

NAS National Academy of Sciences (États-Unis)

NFAC National Full-Scale Aerodynamics Complex (États-Unis)

NOx oxydes d'azote

CNRC Conseil national de recherches du Canada

RNCan Ressources naturelles Canada

OEM fabricant d'équipement origine

PART Platform for Aerodynamic Road Transport (Europe)

SAE Society of Automotive Engineers (États-Unis)

SWIR infrarouge de courte longueur d'onde

TVC contrôleur de véhicule remorqué DFN dynamique des fluides numérique OEM fabricant d'équipement origine

URV usagers de la route vulnérables

Liste des symboles

FD traînée

ρ densité de l'air

U¥ vitesse d'un objet par rapport à l'air ambiant

ψ¥ angle de lacet efficace de l'air ambiant par rapport au mouvement du véhicule

C d¥) coefficient de traînée, qui varie selon l'angle de lacet

A aire frontale projetée du véhicule

Q pressure dynamique du vent en sens inverse

L échelle de longueur représentative du corps

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