胎-路滾動阻力對道路碳排放與能源消耗的影響綜述

冉茂平, 田裕豐, 周興林, 蔣睿鍥

(1.武漢科技大學汽車與交通工程學院, 武漢 430070; 2.武漢科技大學機械自動化學院, 武漢 430061)

碳排放是全球產業發展的重要制約因素,轉向低碳能源系統已成為全球共識。2020年9月,中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”雙碳戰略目標[1-2]。其中,交通運輸業是全球“碳排放”的主要來源之一,以中國當前交通行業碳排放的發展趨勢,預計2030年將達到年排放11.08億t。因此,如何有效降低交通碳排放量成為中國實現“雙碳”目標的挑戰。

滾動阻力直接影響車輛的燃油消耗與尾氣排放量[3],減少滾動阻力是減少交通碳排放量的可靠策略。一方面,減少輪胎滾動阻力將直接減少油耗,從而降低碳排放量。據統計,每輛車行駛油耗的20%用于克服輪胎滾動阻力,轎車輪胎滾動阻力減少10%會使油耗減少3%,另一方面,滾動阻力也會加快輪胎和路面的損耗,縮短輪胎和路面的使用周期,在生產和施工階段產生更多的碳排放量。因此,降低滾動阻力有助于減少道路交通的碳排放量,對實現碳達峰、碳中和目標具有重要意義。

自“十一五”中提出節能減排政策,各行各業為建設美麗中國做出巨大努力。中國交通運輸業中,從“瀝青碎石結構路面”到使用改性瀝青的“新型瀝青路面”,公路養護方式從傳統“銑創+攤鋪”到“集約化、專業化和節能環保”的綠色養護,從普通的“充氣式輪胎”到“正向子午化、扁平化和無內胎化”的抗滑低滾輪胎,無不彰顯著中國向“低碳環保型交通”發展的決心。王鵬等[4]聚焦于降低改性瀝青的損耗因子,減少瀝青材料的阻尼,對研發路面低滾動阻力的改性瀝青材料有參考價值。王國林等[5-6]專注于汽車輪胎與路面接觸相互作用方面的研究,揭示接地特性參數與滾動阻力之間的關聯,研發了防滑輪胎花紋溝槽、仿生胎冠子午線輪胎,為輪胎工業發展提供了極高的工程價值。Liu等[7]專注于公路交通中的低碳發展問題,深層次分析道路交通中各階段的碳排放來源,提出綠色環保的道路養護策略,推動了道路養護科學節能減排的發展。

為了系統地梳理和分析滾動阻力產生機理及其對道路碳排放的影響。現首先介紹滾動阻力的產生機理,從輪胎、路面和環境溫度方面總結影響滾動阻力的主要因素,隨后綜述基于滾動阻力的碳排放研究現狀,重點總結基于胎-路滾動阻力的碳排放測算模型,最后歸納降低胎-路滾動阻力的有效措施,明確提出該領域的研究進展及現存的研究難題。

1 胎-路滾動阻力

1.1 胎-路滾動阻力產生機理

傳統意義上認為路面與輪胎之間形成的阻礙輪胎滾動的力為滾動阻力,但其實在車輛行駛時路面與輪胎相互作用非常復雜,滾動阻力是多種相互作用力結合的結果,主要表現為因輪胎變形而造成的遲滯損失[8]:在車輛自重的情況下,輪胎與地面接觸區域產生形變,因輪胎橡膠的黏彈性材料特性而造成的遲滯損失。黏滯發生在胎-路實際接觸區域,一般來說,橡膠化合物越軟,輪胎上的垂直力越高,由于地形周圍的橡膠變形,接觸區域越大,黏滯效果就越大。在滑動過程中,粗糙地形的微凸體在橡膠表面上施加振蕩力,導致橡膠的循環變形,并通過橡膠的內部阻尼耗散能量[9]。等效的輪胎模型可以看作豎向和沿著圓周方向的多個彈簧元件,輪胎與地面接觸的部分使得彈簧壓縮,循環做功,如圖1所示。也有學者將輪胎滾動能量損耗稱為輪胎滾動阻力[10],并指出輪胎滾動能量損耗有以下3個主要方面:輪胎材料發生循環變形導致的能量損耗,輪胎與地面在接觸區的摩擦損耗,輪胎風阻。其中輪胎材料發生循環變形導致的能量損耗占滾動阻力85%～95%,輪胎與路面之間接觸相互作用產生的變形為彎曲、壓縮和剪切。

圖1 等效輪胎模型圖Fig.1 Equivalent tire model diagram

1.2 胎-路滾動阻力影響因素

滾動阻力的影響因素分為與輪胎影響因素(胎面、充氣壓力、負荷等)、路面影響因素(路面紋理、粗糙度和結構等)和環境因素(溫度、氣候)。

1.2.1 輪胎因素

胎面與地面直接接觸,胎面的花紋形態、花紋深度和材質直接影響滾動阻力的大小。從幾何角度來看,胎面花紋影響輪胎與路面的接觸區域,接觸區域的大小影響滾動阻力。花紋形態分為橫向花紋、縱向花紋和混合花紋,胡德斌等[11]進行不同花紋形態和飽和度對滾動阻力影響的實驗,結果表明:與縱向花紋相比,橫向花紋對滾動阻力的影響較大;將花紋飽和度控制在70%左右,輪胎的滾動阻力最低;同等路況條件下,橫向花紋的輪胎的滾動阻力與花紋飽和度成負相關,而縱向花紋的輪胎的花紋飽和度對滾動阻力影響不大,橫縱混合花紋的輪胎滾動阻力隨花紋飽和度升高先減小后增大。Hoever等[12]比較了3種紋理的輪胎在不同粗糙度的傳統路面上的滾動阻力,結果表明輪胎與路面接觸的凹痕處滾動阻力主要受輪胎紋理和路面粗糙度影響,在粗糙路面行駛時,輪胎紋理對滾動阻力的影響非常大。王國林等[6]建立三維花紋模型研究花紋深度與滾動阻力的關系,分別將縱溝和橫溝的深度、寬度作為設計變量,在轉鼓實驗室中通過測力法比較不同花紋深度輪胎的滾動阻力,實驗結果表明:對滾動阻力的影響力,縱溝寬度>縱溝深度,橫溝寬度和深度對滾動阻力影響較小。在輪胎各部件損失的能量中,胎面損失的能量占比最大,因此胎面部分的胎面膠配方對滾動阻力的影響頗大,輪胎各部件產生的滾動阻力比例如表1所示。

表1 各部件產生的滾動阻力比例[13]Table 1 Rolling resistance ratio of various components[13]

彭國良[13]使用不同胎面膠配方的輪胎進行滾動阻力實驗,實驗結果表明白炭黑的用量對輪胎滾動阻力影響顯著,且利用硅烷偶聯劑 Si-69對含白炭黑的橡膠輪胎進行改性,也能進一步降低滾動阻力。

輪胎結構主要有子午線和斜交兩種形式,子午線結構是斜交結構的優化版,更加地耐磨、節省能源、安全[14]。子午線結構輪胎擁有由胎體和帶束層簾線交叉而成的三角形結構網,整個胎面非常緊實、穩定,在路面上行駛不易變形。在對兩種結構輪胎的滾動阻力研究中發現,與斜交結構相比,子午線結構的輪胎所受的滾動阻力要低20%左右。

充氣壓力影響輪胎與地面接觸區域的變形程度,進而影響胎-路滾動阻力。文獻[13, 15-19]都進行了輪胎氣壓對滾動阻力影響的實驗,在一定范圍內,滾動阻力隨充氣壓力的增大而減小,且與氣體種類無關。因此,結合實際條件給輪胎足夠的氣壓,能有效地降低滾動阻力;輪胎負荷對滾動阻力的影響與充氣壓力相似,增大輪胎負荷會使得輪胎下沉更多,接觸區域發生的變形更大,所受到的滾動阻力也更大。在研究輪胎負荷與滾動阻力的關系中,Hamid等[20]使用高度相關的二階多項式擬合滾動阻力與垂直負荷之間的關系,可以很簡便地進行滾動阻力的估算;在車輛低速行駛時,行駛速度對滾動阻力的影響很小,在汽車中高速行駛階段,隨著速度的增大,滾動阻力會在70～90 km/h時到達最低點,隨后升高。導致此現象的原因是速度提升到臨界點時,離心力和高速駐波等的影響使得滾動阻力增加。

1.2.2 路面因素

對道路表面形貌的描述稱為路面紋理。路面紋理構造分為微觀紋理、宏觀紋理、粗大紋理和路面不平度。文獻[21-24]發現路面紋理對車輛行駛時的滾動阻力影響較大,眾多研究結果顯示,在同等條件下,車輛行駛在不同紋理的路面受到的滾動阻力不同。Trupia 等[21]發現對滾動阻力影響最大的是宏觀紋理和粗大紋理,對于輕型車輛,路表紋理平均斷面構造深度(mean texture depth,MPD)對滾動阻力的影響是平整度指數(international roughness index,IRI)的3倍,MPD和IRI越大,滾動阻力越大。冉茂平[22]研究了滾動阻力系數(rolling resistance coefficient,RRC)與MPD、IRI之間的關系,結果發現,MPD對小汽車滾動阻力的影響較大,而IRI對重型卡車滾動阻力的影響更大,同時發現,MPD對滾動阻力的影響與速度無關,而IRI對滾動阻力的影響與行駛速度有關。波長范圍50～317 mm的路表紋理對滾動阻力影響較大,與宏觀紋理相比,粗大紋理對滾動阻力的影響更大[23]。 Kawakami 等[24]發現輪胎和路面之間的接觸壓力分布與低車速下的滾動阻力系數相關,將路面紋理分為有助于減少滾動阻力的正向紋理和增大滾動阻力的負向紋理,負紋理路面上具有高接觸壓力的區域比例較低,而正紋理路面上具有高接觸壓力的區域比例較高。

美國公路局將IRI>2.7 m/km的高速公路路面定義為較差狀態,在路面平整度差的道路上行駛會受到更大的滾動阻力、造成更多的能源消耗。Wang等[25]研究發現,對高速公路進行路面平整度管理,及時進行修復處理,使得行駛的車輛受到更小的滾動阻力,每年能實現效益可觀的碳減排和燃油節省。由此可見,路面平整度也是影響滾動阻力的關鍵。

路面結構包括面層、基層和墊層,面層的剛度和穩定性對車輛行駛影響很大。章毅等[26]研究發現低剛度路面結構和較差平整度條件會造成大量的額外溫室氣體排放和能源消耗,證明路面剛度影響車輛的燃油消耗。從更深層次的原因來看,車輛在低剛度的路面行駛時,因車輛自身重力以及牽引力會導致路面的隆起,從而導致較大的滾動阻力,如圖2所示。Mansura等[27]利用ABAQUS軟件建立了一個由宏觀尺度(整個輪胎)和微觀尺度(胎面接觸)模擬組成的三維多尺度模型,模擬不同的路面條件進行滾動阻力測算實驗,得出如下結論:剛度高的面層更加節省能源,車輛在光滑且緊密的路面結構上行駛的滾動阻力遠低于粗糙松散的路面結構,并且縱向溝槽混凝土結構也比瀝青混凝土結構更節省車輛能源。遲鳳霞等[28]通過數學方法對路表紋理的多尺度特征進行表達,形成了路表紋理的多尺度評價體系,根據評價的結果發現不同尺度的路表紋理對車輛行駛碳排放有著重大影響。Ejsmont等[29]指出現代道路材料為了降低噪音等負面影響,使用剛度比傳統路面低的新型路面材料,因此必須重點關注降低剛度所造成的能量損失,這種能量損失主要是由滾動阻力造成的。以上的研究表明路面的結構和剛度對滾動阻力的影響非常大。

圖2 輪胎在不同剛度路面行駛示意圖[26]Fig.2 Schematic diagram of tires driving on different stiffness roads[26]

1.2.3 環境因素

溫度對滾動阻力的影響頗大。正常行駛狀態下的輪胎溫度與靜止狀態下的溫差可達30 ℃。孫硯田[30]研究發現損耗因子隨溫度的變化而變化,損耗因子是評估滾動阻力的重要參數,也就意味著滾動阻力隨輪胎溫度的變化而變化。同理,車輛行駛和環境氣候變化也會使得路面溫度升高,降低路面的剛性(特別是瀝青路面)[31],進而使得車輛受到更大的滾動阻力。目前的研究多是在標準環境下(25 ℃)研究溫度對滾動阻力的影響,未來應該考慮各種環境氣候下(0～40 ℃)溫度對滾動阻力的影響。

綜上所述,胎-路滾動阻力的主要影響因素及影響情況可歸納如表2所示。

表2 胎-路滾動阻力影響因素Table 2 Tire-road rolling resistance factors

1.3 胎-路滾動阻力模型

滾動阻力受輪胎因素和路面因素的影響,但目前應用于碳排放量計算的胎-路滾動阻力的模型一般都只考慮路面因素的影響,路面因素中比較重要的是MPD和IRI,因此大部分的滾動阻力模型中包含MPD和IRI這兩個參數。不同的車型在重量上差異較大,也就意味著輪胎負荷相差較大,所以一般分為小汽車和重型卡車兩種的滾動阻力測算模型。

Hammarstr?m等[32]基于瑞典的輪胎滾動測量數據開發一個以IRI、MPD、溫度和速度為變量的重型卡車通用滾動阻力模型,即

(1)

式(1)中:Fr為滾動阻力;iri為路面粗糙度測量值,m/km;mpd為宏觀紋理測量值,mm;m為車輛質量,kg;v為車輛速度,m/s;Cr00、Cr0、Cr1和Cr2為重型卡車滾動阻力參數;Cr為重型卡車滾動阻力系數;CrTemp為重型卡車的溫度系數。

Ejsmont等[29]提出一個能量損失系數CEL,該系數沒有具體的物理意義,但是在實驗中表現出與滾動阻力系數CRR有非常契合的相關性,能將CRR表示出來。在實驗中使用儀器測量并記錄輪胎的振幅,由于更高的能量損失會導致振蕩更快地衰減(因此面積更小),因此將能量損失估算為兩個包絡線之間封閉面積的倒數,計算公式為

(2)

式(2)中:CEL為能量損失系數;A為兩個包絡線之間封閉面積;a為開始測量(輪胎釋放力矩)函數的橫坐標值;b為結束測量(振動衰減)函數的橫坐標值;ft為上包絡函數;gt為下包絡函數;t為實驗進行的時間。

在路面與車輛滾動阻力的關系研究中,影響滾動阻力最重要的路面條件是MPD、IRI和剛度,在測算滾動阻力時,需要保證實驗環境因素(溫度、路面類型、路面結構、坡度等)和真實環境因素盡可能相同,避免實驗結果和實際有很大的出入。目前測算滾動阻力的模型眾多,在不同的條件下應用滾動阻力模型也會產生很大的結果差異,因此需要慎重使用各種測算滾動阻力的模型。模型法測算滾動阻力具有很大的局限性,未來應該朝著測量行駛中輪胎滾動阻力的方向研究,如Gao等[33]提出了一種數字圖像法測量高速行駛輪胎滾動阻力系數,該方法是利用高速立體視覺系統捕捉高速滾動輪胎的瞬態變形,通過分析滾動輪胎接觸面內滾動接觸半徑與滾動偏移之間的關系,從而測得滾動阻力系數。

2 基于胎-路滾動阻力的碳排放研究

在道路使用階段車輛的碳排放一直是節能減排研究的重點,而滾動阻力是道路使用階段胎-路相互作用中關鍵的一部分,因此研究滾動阻力與車輛碳排放的關系是目前迫切需要解決的問題。滾動阻力影響車輛燃油消耗量[34-35],車輛燃油消耗又直接關系到車輛碳排放,種種研究結論都表明胎-路滾動阻力與車輛碳排放之間有必然的聯系,基于這種情況,將胎-路滾動阻力作為影響車輛碳排放的重點來研究。

受滾動阻力的影響,車輛為了保持恒定的速度,就需要發動機進行額外做功,車輛需要消耗更多的燃油,這樣也就導致了溫室氣體排放的增加。很多學者想建立滾動阻力與車輛排放之間的關系,以此驗證降低滾動阻力對減少車輛排放的貢獻。最初學者從微觀道路路面條件入手,研究其對車輛行駛的碳排放的影響,章毅等[26]研究了路面條件對碳排放以及能耗的影響,基于滾動阻力的形成原理,得出在低剛度路面結構和不平路面的條件下,車輛的能源消耗和碳排放量不亞于建設期所產生的能源消耗和碳排放,以此表明良好的行駛條件(低滾動阻力)也是減少車輛行駛中能源消耗以及碳排放的關鍵。計算路面條件引起的CO2排放量的模型為

(3)

式(3)中:mCO2·rolres為因滾動阻力引起的當量CO2排放量增量,kg;VKT為對應車型i的車公里數,輛·km;EF為對應排放類型j和燃油類型k的溫室氣體排放因子,kg/L;FC為溫室氣體環境影響特征化因子;φ1為百公里耗油量,L/100 km;P為路面條件引起的油耗增幅,%;i為車輛類型,包括大客車、小客車、大貨車和小貨車;j為溫室氣體的排放類型,包括CO2、CH4和N2O;k為燃料類型,包括汽油和柴油。

Wang等[36]評估滾動阻力對能源消耗和溫室氣體(GHG)排放的影響,在兩組滾動阻力不同的路面上進行實驗,實驗結果表明,在交通量大的路段,由于滾動阻力降低,在使用階段產生的能源和溫室氣體節省量可能遠遠大于材料生產和施工產生的能源消耗和溫室氣體排放量,并且提出一個用于評估路面修復策略中的能源使用和溫室氣體排放的路面生命周期評價模型,在考慮生命周期范圍的情況下,養護或修復高交通量的粗糙路面路段來降低滾動阻力,對于降低燃油消耗和溫室氣體排放具有巨大的貢獻。Mammetti等[37]研究滾動阻力對重型車輛碳排放量和燃油消耗量的影響,通過使用不同滾動阻力系數輪胎進行實驗,分析其對燃油消耗量的影響,并使用仿真軟件預測碳排放量,結果表明:與普通輪胎相比,滾動阻力低的“綠色輪胎”降低重型車輛的燃油消耗量和碳排放量的效果顯著。雖然研究的是重型車輛,但是可以將實驗結論延伸到普通車輛上,使用低滾動阻力的“綠色”輪胎對減少車輛碳排放有積極的影響。

Sina等[18]研究發現輪胎中的能量損失是由輪胎縱向滑動和滾動阻力引起的,其用汽油燃料乘用車在城市公路上沿兩條長度相同、坡度相反的路線進行了實驗,分別計算了驅動輪和從動輪的功率損失,并研究道路條件和輪胎充氣壓力對功率損失的影響。根據實驗結果可以看出,由于輪胎壓力降低,導致滾動阻力增大,從動輪的輪胎功率損失也增加。此外,根據試驗期間獲得的CO2排放量數據可以看出,輪胎功率損失的減少會導致CO2排放量的減少,也就意味著降低滾動阻力對減少車輛CO2排放是有效的。

Wang等[25]在加州進行了路面平整度對道路溫室氣體排放的影響實驗,提出通過對高速公路路面平整度管理可以減少溫室氣體排放,對高速公路路面的養護和修復可以使路面更加平整,進而減少路面與車輛之間的滾動阻力,降低車輛的燃油消耗。碳排放測算結果表明,在考慮道路使用者總成本的情況下,該路面管理策略對減少溫室氣體排放有很大的成效。同樣的,Louhghalam等[38]提出一種基于大數據和路面與車輛交互的道路基礎設施碳排放管理策略,將弗吉尼亞州5 157 km區域路網中的路面結構、材料、國際平整度、交通量、路面厚度、路面類型、車速等數據集成到計算機里,通過路面粗糙度誘導模型進行碳排放測算,對排放量高的路段進行路面養護修復,該方法能將因路面與車輛交互所產生的碳排放控制在國家的可持續發展的目標之內,建立了粗糙度引起的過量燃油消耗模型,即

(4)

式(4)中:δIFCR為車輛的瞬時油耗;βc和γc為中小型轎車和重型卡車的系數,如表3所示;IRI為車輛行駛路面的國際粗糙度指數;IRI0為維護后的參考粗糙度指數,此處選擇為1 m/km。

表3 中型汽車和重型卡車系數[38]Table 3 Medium-duty car and heavy-duty truck factors[38]

Wang等[39]采用生命周期評價(life cycle assessment,LCA)方法,對瀝青路面養護在施工和使用階段的環境影響進行量化。對于不同的車輛類型、速度和路面特性(包括滾動阻力),Wang等[39]使用高速公路開發和管理工具(highway development management-4,HDM-4)和機動車排放模型(motor vehicle emission simulator,MOVES)研究了路面特性對使用階段車輛燃油消耗的影響。模型中使用滾動阻力輪胎系數、氣候因素系數、輪胎類型、路面特性系數、MPD、IRI等參數估算滾動阻力,然后再根據滾動阻力的變化確定燃油消耗量。

Al-Saadi等[40]使用類似的道路養護的策略來減少道路上的碳排放,使用長期路面性能數據庫的數據量化路面養護處理對道路表面粗糙度的影響,通過輪胎滾動阻力系數的MOVES建立了車輛排放率函數與速度和路面狀況的關系,車輛比功率(vehicle specific power,VSP)函數用于計算燃油消耗量和產生的排放量,MOVES中的默認VSP模型忽略了路面平整度的影響。經過大量的模擬案例,建立了CO2排放的回歸模型,表4為各種車型的CO2排放模型,在考慮總預算、卡車流量、現有路面狀況和不可接受的粗糙度閾值的情況下,進行道路養護分析,分析結果可供公路機構在機構成本和環境影響之后,做出最終的養護決策。

表4 CO2排放的回歸模型[40]Table 4 Regression model of CO2 emissions[40]

Jiang等[41]采用LCA評估道路使用階段的碳排放,在對澳大利亞西部的一個道路網的案例研究中著重考慮了MPD和IRI對碳排放的影響,建立了車輛燃油消耗量與車速、MPD和IRI之間的關系,最后使用燃油消耗量乘以相應的排放因子來計算碳排放量,如式(5)所示。案例分析結果表明,使用階段的全球變暖潛力(global warming potential,GWP)遠高于養護階段,因此建議在制定減排戰略時,優先針對使用階段。

Fcj=0.103(1.208+0.000 479IRIjvc+

(5)

Ftj=0.246(1.451+0.000 172IRIjvt+

0.111MPDj)1.027vt0.960

(6)

式中:Fcj為小汽車第j年的燃油消耗量;Ftj為卡車第j年的燃油消耗量;νc為小汽車車速;νt為卡車車速;IRIj為第j年的路面粗糙度;MPDj為第j年的路面紋理構造深度。

Barbieri等[42]為了評估使用階段因滾動阻力所造成的額外碳排放,使用Yu等[43]的燃油消耗系數FCF來分別計算載客汽車和載貨汽車的碳排放,如式(7)所示,最后借助“HERMES CO2”工具評估瀝青路面壽命的碳排放。結果表明使用階段是整個生命周期碳排放的主要貢獻階段,其中滾動阻力和反照率效應又是使用階段碳排放的主要原因。

(7)

式(7)中:FCF1為載客汽車的燃油消耗系數;FCF2為載貨汽車的燃油消耗系數;IRI為國際粗糙度指數。

路面結構設計對道路生命周期能耗的影響非常大,Chong等[44]開發了一個方法框架,以整合路面生命周期評價和機械基礎路面設計指南(mechanistic-empirical pavement design guide,ME-PDG),并使用該框架估算與路面相關的生命周期燃油消耗量和溫室氣體排放量,以瀝青混凝土層厚度和IRI為自變量,建立了全生命周期溫室氣體排放的回歸模型,該模型能夠很好地捕捉不同交通水平下的生命周期能耗和溫室氣體排放趨勢,以此驗證路面結構設計對道路溫室氣體排放的影響。結果表明,合理的路面結構設計能夠降低車輛行駛所受到的滾動阻力,進而減少整個生命周期的燃油消耗量和溫室氣體排放量。

本文研究總結了一些基于滾動阻力的碳排放測算模型的適用車輛類型、測算過程和適用范圍,如表5所示。

表5 基于滾動阻力的碳排放測算模型Table 5 Carbon emission calculation model based on rolling resistance

基于滾動阻力對碳排放測算大多是從車輛燃油消耗量入手的,以燃油消耗量來估算碳排放量,這種方法比較簡便高效,其原理是滾動阻力對車輛的影響需要以燃油消耗來補償,定量的燃油產生的二氧化碳排放量一般來說是相同的,所以通過燃油的額外消耗量來測算碳排放量是比較可靠的。目前對使用階段碳排放的研究,主要是通過建立MPD、IRI和剛度等影響碳排放的因素與碳排放量之間的關系,從而達到估算碳排放的目的。目前的研究還沒有具體的直接測算碳排放的方法,大多數都需要借助額外燃油消耗量來測算滾動阻力所造成的碳排放,事實上因滾動阻力造成的碳排放并不止額外燃油消耗這一個方面。從長遠來看,滾動阻力還對輪胎和路面有損耗,輪胎的生產報廢過程也會產生碳排放,對碳排放測算需要將整個輪胎生命周期所產生的碳排放納入進去,才能得到更為準確的測算碳排放結果,未來的研究應該考慮胎-路滾動阻力影響整個生命周期的碳排放量。

3 胎-路滾動阻力降低措施

降低胎-路滾動阻力是減少交通運輸業碳排放的可靠策略。使用階段是整個生命周期中碳排放占比最大的階段,大量的研究成果證明降低滾動阻力能夠減少使用階段的車輛碳排放,也就意味著降低滾動阻力對減少車輛碳排放意義重大。在全球范圍內,大約每年有20×108L汽油和柴油用來克服車輛行駛的摩擦力[45],降低滾動阻力會使得車輛行駛所受到的摩擦力減小,導致燃油消耗減少從而達到減少碳排放的目的。如何有效地降低滾動阻力成為學者們研究的重點,目前研究的降低滾動阻力措施主要集中在輪胎和路面這兩方面。

3.1 輪胎

研究證明胎面膠配方對滾動阻力影響很大,汪燕等[46]發現超低滾動阻力胎面膠配方在電動汽車輪胎中的應用效果非常好,與普通的胎面膠配方相比,新開發的半鋼子午線輪胎超低滾動阻力胎面膠的彈性、耐磨性、抗濕滑性能明顯更好,超低滾動阻力胎面膠配方中巰基硅烷偶聯劑和改性環保型溶聚丁苯橡膠明顯改善了白炭黑在膠料的分散,降低了滾動阻力。在輪胎行業,天然橡膠因其優異的應變誘導結晶和與金屬的黏合性能而成為不可或缺的工業原料,但是天然橡膠的產量不能滿足制造行業的需求,因此研發了天然橡膠的替代品杜仲膠。Dong等[47]發現杜仲膠與天然橡膠混合后使用炭黑增強,所得到的復合材料橡膠具有良好的路用性能,添加少量的杜仲膠就能使得復合材料的滾動阻力降低25%,并且具有更強的耐磨性能和壓縮熱性能,同時還保持了良好的拉伸性能,非常適合作為綠色低碳輪胎的材料。

丁長勝[48]提出用稀土鎳系順丁橡膠(polybutadiene rubber,BR)取代其他順丁橡膠制成輪胎,其滾動阻力降低22%～24%,節省油耗5%～7%,可減少碳排放、降低剎車打滑和爆胎概率,滿足對高性能綠色輪胎在高速、安全、節能、環保方面的更高要求。輪胎組成部分主要是以橡膠復合材料為主,20世紀90年代學者們發現添加二氧化硅的橡膠復合材料具有良好的抗濕滑性能和較低的滾動阻力,Si-69是最常用的綠色輪胎硅烷偶聯劑,Zhai等[49]通過脂肪醇聚氧乙烯醚-9與Si-69的酯交換成功地合成了一系列硅烷偶聯劑,其中與普通的Si-69相比,添加硅烷偶聯劑M2-Si69制備的二氧化硅/橡膠化合物具有更低的生熱率、更佳的抗濕滑性能和極低的滾動阻力,節省能耗20%～30%。在輪胎中,能量損失主要由輪胎內部摩擦導致輪胎滾動阻力。環氧樹脂可以駐留在填料顆粒之間,減少填料之間的摩擦,從而減少動態條件下的能量損失,降低輪胎的滾動阻力。Bhadra等[50]發現將軟化點為110 ℃的單組分環氧樹脂用于輪胎復合料中,可以改善橡膠-填料之間的相互作用,與未添加環氧樹脂的輪胎相比,具有更好的操控性,受到的滾動阻力也更低。

Duez[51]通過設計新的胎面花紋、開發先進的納米結構卡車輪胎化合物,并結合節油管理的綜合工具箱,減少卡車運輸的碳排放。所開發的低卡車滾動阻力輪胎,滾動阻力至少減少20%,這相當于油耗和二氧化碳排放減少5%,卡車輪胎損耗和潮濕安全性能水平也將進一步提高。王國林等[5]將輪胎分為胎冠和非胎冠區域,并研究能量損耗分布對滾動阻力的影響,研究結果發現在胎冠區域中,2#帶束層對滾動阻力影響更大,在降低滾動阻力設計中應著重考慮,在非胎冠區域內,降低三角膠的高度能有效地降低滾動阻力。對比設計的不同寬高度的帶束層、冠帶層、三角膠和耐磨膠實驗方案,結果顯示,最優方案中滾動阻力降低了9.5%,因此合理的輪胎結構設計能有效降低滾動阻力。

3.2 路面

郝冠奇[52]采用羥基氧化聚乙烯化合物為添加劑,對不同質地的瀝青進行改性,開發低滾阻的復合改性瀝青,對比普通的改性瀝青,損耗因子降低25%左右。通過一系列的針入度、黏度、軟化點、高溫、低溫、水穩定性、疲勞性能實驗得出結論,添加低滾阻改性劑的瀝青擁有良好的抗高溫變形能力和高溫黏性,顯著提高了瀝青混合料的抗疲勞性能,最重要的是降低了損耗因子,使得車輛行駛過程中受到的滾動阻力更小。

陳飛等[53]提出低碳理念的重載瀝青路面輪胎初壓工藝,對比傳統的鋼輪壓路機,低碳施工時使用輪胎壓路機,得益于橡膠輪胎的緩沖和柔性碾壓性能,能夠有效地提高瀝青混合料的和易性,壓實的路面更加平整和密實,極大地提高了路面平整度,重載瀝青路面技術加輪胎初壓工藝將瀝青等軟材料碾壓成高剛度的路面,因此是降低滾動阻力的有效措施。

在路面材料中摻入一些特定的材料能夠明顯改善路面的性能,如路面的剛性、耐久性等。Ali等[54]在研究中評估了摻入不同體積玻璃纖維(glass fiber,GF)和混凝土廢骨料(concrete waste aggregates,CWA)的混凝土混合料的力學性能。試驗結果表明,含少量GF(大約0.25%)的CWA混凝土比普通混凝土具有更好的綜合性能,通過對每平方米的成本和碳排放量分析,發現在相同條件下,添加0.25%GF的混凝土路面比普通混凝土路面的成本和碳排放水平低20%。Mohd Tahir等[55]發現地質聚合物應用在硬質混凝土路面中,除了強度和耐化學性與普通硅酸鹽水泥(ordinary portland cement,OPC)相當外,快速凝固時間和高耐久性都是優于OPC,滿足低滾動阻力剛性路面應用的要求。

溫度會影響車輛行駛中的滾動阻力。溫度升高會降低路面的剛性,增大滾動阻力,造成額外的碳排放。孫斌祥等[56]分析了瀝青熱反射涂層工作機理,研究了各種情況下涂層的降溫效果,得出涂層結構改變可以充分發揮填料的作用,提高其降溫性能。朱洪洲等[57]基于路面結構對路面溫度應力的影響規律,提出對瀝青路面溫度應力進行多因素耦合分析等措施,為后續的低碳排放路面設計提供數據基礎。

道路使用過程中會出現不同程度的老化、破損、裂縫等病害,這些病害會嚴重影響行駛質量、環境質量和安全性,在進行了長時間的大規模道路建設之后,越來越多的重點放在了路面養護處理上,以提高行駛質量和道路安全,路面養護處理能夠提高路面的平整度,減少車輛行駛時因路面不平整或坑洼造成額外的碳排放。在道路使用階段中測算碳排放,考慮得最多的就是滾動阻力和路面結構設計的影響,因此文獻[39,41,58]建立了大量的滾動阻力對碳排放影響的模型,并且深入研究了路面結構(材料類型、結構、瀝青厚度等)對生命周期能耗的影響;養護修復階段包含材料生產、運輸、設備運行以及施工所造成的交通延誤等,這些過程都會產生額外的碳排放,在研究中也盡量考慮到了這些過程對碳排放的影響,就是為了更準確地評估養護修復階段的碳排放。大量的研究表明道路維護活動中會產生大量的能源消耗和溫室氣體排放[59],但是由于路面平整度的提高,進行道路養護處理對整個道路生命周期內的碳排放帶來了更大的環境效益,具體來看,道路養護所產生的碳排放不超過整個周期碳排放的1%,但所產生的減排效益卻非常顯著。以往的研究主要集中在路面維護和修復策略的優化問題上,更加側重于結構,與路面修復不同,路面養護主要是改善路面特性,而不是提高結構承載力,而且路面養護可在夜間施工,從而將項目施工對交通停滯的影響降至最低。因此,路面養護有可能減少路面使用階段的溫室氣體排放,同時將材料和施工階段的影響降至最低。

不同的路面養護處理方法對降低滾動阻力和減少碳排放效果也不同。維恩[60]從熱混合瀝青、碎封/霧封、微表面處理和填充4個方面對路面的經濟效益、能耗以及碳排放進行全生命周期評估。評估結果表明,路面養護處理經濟效益最高的是碎封/霧封,其次是微表面處理,全深度處理是最不經濟的方法,碎封/霧封和微表面處理可降低3～4倍能耗、3～6倍碳排放量,因此選用合適的路面養護處理方法也是降低碳排放的關鍵。Liu等[7]對中國實際公路項目中的4種典型養護方案(低碳鋼方案、低碳水泥方案、低碳電力方案和低碳WTP柴油方案)進行了養護期間設備燃油燃燒的常規評估和材料生產、燃油生產、交通延誤和養護設備的全生命周期評估。實驗結果表明在與橋梁和隧道相關的公路養護方案中,低碳鋼和低水泥方案有效地降低了滾動阻力,減少了二氧化碳排放;Choi[61]首次將長期路面性能與二氧化碳排放聯系起來,考慮環境成本的因素,選擇成本最低的養護和修復方案,為道路最具碳效率的養護修復戰略提供決策框架。一般來說,對路面經常性的養護處理比間隔長時間的養護處理的減排效益更大,但是Huang等[62]研究發現結果卻恰恰相反,更長時間間隔的路面養護處理比短時間間隔的路面養護處理所帶來的減排效益更大,且更厚、材料更密實的路面的整體碳排放更低,最佳的養護處理策略提減少了11%的溫室氣體排放。也就是說對道路的養護修復能夠降低滾動阻力,減少碳排放,但是養護修復的頻率并不是越高越有效果,適度的選擇路面養護修復的頻率才能獲得最大的減排收益。

關于輪胎和路面降低滾動阻力的研究還有進一步的空間,例如,質量更輕卻更堅固的輪胎、擁有足夠剛度且使用周期更長的路面,綜合性能優越(防滑、排水、抗凍等)的生態友好性路面[63]是未來路面建設的發展趨勢。未來對降低滾動阻力的研究還可以從駕駛行為入手,良好的駕駛行為對降低滾動阻力也是有一定的幫助,例如,在不同的路況下以合適的速度行駛,駕駛汽車之前檢查輪胎是否有足夠的氣壓,在前面的研究中行駛速度和充氣壓力也是影響滾動阻力的重要因素。

4 結論

滾動阻力是影響車輛能源消耗的關鍵,降低滾動阻力有助于提升推動交通運輸業的節能減排。因此,基于滾動阻力的碳排放測算將是未來研究的重點,其難點在于滾動阻力的測算以及建立滾動阻力與車輛碳排放的關聯模型。根據基于滾動阻力的碳排放研究現狀,得出以下結論。

(1)路面養護有助于減少道路碳排放。對高速公路路面的養護處理可以使路面更加平整,進而減少路面與車輛之間的滾動阻力,降低車輛的燃油消耗,從長遠來看,合理的養護修復所產生的碳排放要遠低于因路面狀況改善而減少的碳排放。

(2)現有的滾動阻力模型適用場景有限。目前各種滾動阻力模型眾多,不同模型所適用的條件不一樣,必須慎重地使用現有的計算滾動阻力模型,在應用之前,須根據道路路面條件等因素做案例驗證。

(3)路面構造對滾動阻力的影響非常大。車輛在光滑且緊密的路面結構中行駛的滾動阻力遠低于粗糙松散的路面結構,并且縱向溝槽混凝土結構也比瀝青混凝土結構更節省車輛能源。

(4)輪胎花紋深度、胎面膠配方、輪胎結構和輪胎材料對滾動阻力的影響重大,從這些因素入手可以有效地制定降低滾動阻力的措施,進而達到節能減排的目的。

(5)使用生命周期評價的碳排放測算比僅僅在使用階段建立的燃油消耗模型所測算的碳排放更加準確,滾動阻力并不只是影響使用階段的碳排放。

隨著交通運輸的節能減排事業進一步發展,還存在一些需要解決的問題,以下5個問題值得未來重點研究。

(1)不同條件下,使用同一滾動阻力模型所得的結果可能相差很大,所以建立模型時應標注清楚適用條件,且進一步優化滾動阻力模型和碳排放測算模型,使模型更加便于計算。

(2)滾動阻力是動態的,目前的研究對動態的滾動阻力測算還非常困難,未來如果能研究出測算動態滾動阻力的方法,將對道路碳排放的測算研究的發展有很大的促進作用。

(3)目前氣候變化影響道路交通碳排放的研究較為困難,氣候變化帶來的升溫、降雨等對胎-路影響很大,進而影響行駛車輛的能耗以及排放,如何在實驗中模擬真實的路面條件是一大難點,因此,重點關注氣候所帶來的影響對未來的研究很有幫助。

(4)在設計低滾動阻力的路面中,還要考慮其他的因素,如排水、防滑、抗凍和保存等性能,研發設計綜合性能優越的低碳路面是未來的趨勢。

(5)綠色低碳輪胎目前研發的比較少,經濟、環保、耐久性是綠色低碳輪胎的重要方向,如何在降低滾動阻力的情況下,提升輪胎的抓地力,保證行駛安全性也是未來的研究方向。