systemy i Środki transportu samochodowegompyc.pl/upload/16.pdf · szczególnym uwzgl ędnieniem...
TRANSCRIPT
– 151 –
I-16. ANALIZA KONSTRUKCYJNA I FUNKCJONALNA WSPÓŁCZESNYCH AUTOBUSÓW W MIEJSKIM TRANSPORCIE PUBLICZNYM
PYĆ Marcin, WOJEWODA Paweł
Artykuł przybliża i opisuje kluczowe układy dotyczące współczesnych środków
komunikacji miejskiej jakimi są autobusy miejskie. Przedstawia analizę danych
dotyczących: rodzajów i budowy autobusów miejskich, w zależności od trzech typowych
kryteriów: konstrukcji nadwozia, usytuowania podłoża w autobusie oraz rodzajów
napędów. Następnie została omówiona budowa modułowa autobusów miejskich ze
szczególnym uwzględnieniem nadwozia i podwozia oraz ich elementów składowych.
Szczególną uwagę poświęcono układom napędowym tradycyjnych oraz alternatywnym
(CNG/LNG), hybrydowym oraz elektrycznym, które znacząco redukują emisję spalin do
atmosfery. Przedstawiono także aktualny stan normatywów dotyczących obniżenia emisji
spalin dla autobusów miejskich w oparciu o normy międzynarodowe, w szczególności
o Europejskie Standardy Emisji Spalin. Analiza ta została wykonana dla napędów
z zapłonem samoczynnym, jak i z napędem na gaz ziemny CNG/LNG dla dyrektyw
Euro 5 i Euro 6 oraz uznaniowej EEV. Dokonano także przeglądu nowoczesnych skrzyń
biegów i systemów hamulcowych powiązanych z zawieszeniem i układem sterowania
autobusem miejskim, wraz z ich analizą działania, co ma istotny wpływ na
bezpieczeństwo pasażerów podczas jazdy i postoju na przystankach. Na zakończenie
zwrócono uwagę na główne kierunki rozwoju w zakresie zwiększenia możliwości
rekonfiguracyjnych poszczególnych modułów autobusów miejskich jak i ich całości,
przez co przyspieszy się ich serwisowanie oraz ekologicznych układów napędowych,
dzięki którym autobusy będą bardziej atrakcyjnym środkiem transportu dla mieszkańców
miast i aglomeracji miejskiej.
1. WSTĘP
Środki transportu miejskiego we współczesnych miastach i szczególnie
aglomeracjach są ciekawą alternatywą dla środków transportu prywatnego, które ze
względu na znaczną powszechność, powodują utrudnienia komunikacyjne i mają niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Jest to spowodowane znaczną emisją zanieczyszczeń oraz emitowanie uciążliwego hałasu ze względu na duże natężenie
ruchu, które spowodowane jest bardzo dużym zagęszczeniem środków transportu
szczególnie prywatnego na drogach miejskich i podmiejskich [1]. Warunkiem
powodzenia w konkurowaniu autobusów z prywatnymi środkami transportu jest ciągłe
doskonalenie autobusów pod względem konstrukcyjno- funkcjonalnym oraz
dostosowanie ich do coraz bardziej surowych wymagań ekologicznych.
SYSTEMY I ŚRODKI TRANSPORTU SAMOCHODOWEGOBADANIA, KONSTRUKCJA I TECHNOLOGIA ŚRODKÓW TRANSPORTU
– 152 –
Można to uzyskać przez zastosowanie budowy modułowej całego autobusu oraz
jego elementów składowych, przez co możemy skrócić czas montażu autobusów
i zmiany ich konfiguracji oraz przyśpieszyć wymianę elementów i modułów
składowych podczas serwisowania autobusów. Bezpieczeństwo pasażerów zależy od
dobrze działającego zawieszenia, układu hamulcowego oraz systemów sterujących
nimi, powiązanych z układem napędowym i układem sterowania autobusu. Układ
napędowy i układ sterowania autobusem miejskim są sercem każdego autobusu,
ponieważ mają one główny wpływ parametry jazdy, na generowanie hałasu i emisję zanieczyszczeń do atmosfery oraz na komfort podróżowania autobusów. Uwzględniając
powyższe zostaną na wstępie przedstawione ogólne informacje dotyczące zastosowania,
rodzajów i typów najczęściej używanych autobusów w publicznym transporcie
miejskim, uwzględniając ich konstrukcję nadwozia i podwozia, usytuowanie podłoża
oraz pod względem używanych napędów.
2. RODZAJE AUTOBUSÓW MIEJSKICH
Autobusy miejskie są pojazdami, których głównym zadaniem jest przewiezienie
pasażerów między przystankami. Ich głównym obszarem funkcjonowania są trasy
miejskie i podmiejskie. Z tego względu posiadają one inną konstrukcję nadwozia
i wnętrza, niż autobusy międzymiastowe. Uwzględniając powyższe kryterium podziału
autobusy miejskie dzielimy na:
− Tradycyjne (solowe/jednolite) - o długości do 15m, które mogą być wykonywane
z układami drzwi: 1-2-0, 2-2-0, 1-2-2 i 2-2-2 w wersjach dwu lub trzyosiowych.
Przykład takiego autobusu pokazano na rys. 1a).
− Piętrowe (jednolite lub członowe) - popularne w Wielkiej Brytanii i części krajów
azjatyckich, stosowane w celu umieszczenia większej liczby pasażerów w autobusach
o długości do 15m. Mogą być one wykonywane z układami drzwi: 2-0 lub 2-2 oraz
mogą występować w wersjach dwu lub trzyosiowych. Przykład takiego autobusu
pokazany jest na rys. 1b).
− Przegubowe (członowe) – popularne w Ameryce Płd. oraz w niektórych
aglomeracjach miejskich na liniach o dużym natężeniu ruchu, szczególnie w krajach
europejskich. Są to autobusy o długościach od 18 do 25 metrów, trzy lub 4 osiowe.
Mogą być wykonane w wersjach:
• Jednoprzegubowej (dwuczłonowej) - przeważnie trójosiowej (niekiedy
czteroosiowe) z silnikiem umieszczonym za tylną osią w drugim członie,
z układem drzwi: 4 (2-2)-2 lub 4 (2-2) - 4 (2-2). Przykład pokazano na rys. 1c).
• Dwuprzegubowej (3- członowej) - z trzema lub 4-ma osiami z układem drzwi 4
(2-2)-2-2 z silnikiem w pierwszym członie z napędzaną środkową osią. Przegub
łączący dwie części autobusu jest osłonięty miechem (harmonią- pot.) zgina się podczas zakręcania autobusu, umożliwiając jednocześnie swobodne
przechodzenie pomiędzy członami. Przykład pokazano na rys. 1d).
Ze względu na usytuowanie podłoża w autobusie rozróżniamy autobusy
miejskie [5]:
− wysokopodłogowe (tradycyjne) - gdzie jest dwa lub więcej stopni wejściowych dla
pasażerów oraz jest podłoga na poziomie od 76 cm wzwyż nad poziomem jezdni,
− niskopodłogowe (obowiązujący obecnie standard) - gdzie jest wejście bez stopni,
natomiast podłoga znajduje się na spodzie nadwozia, do 35cm nad poziomem jezdni,
– 153 –
− niskowejściowe (low entry) - gdzie są wejścia bez stopni (najczęściej w przedniej
i środkowej części) oraz wejścia z jednym lub dwoma stopniami (w tylnej części
autobusu).
a) b)
c) d)
Rys. 1. Przykłady autobusów miejskich: a) jednolity AMZ CS12LF [1], b) piętrowy ADL
dwuczłonowy Enviro400H [2], c) dwuczłonowy Solaris Urbino 18 [3],
d) trójczłonowy Van Hool AGG 300 [4]
Najczęściej używanymi autobusami miejskimi są autobusy klasy maxi (o długości
10-12 metrów) oraz klasy mega (wieloosiowe o długości pow. 15m), rzadziej stosowane
są autobusy klasy midi (poniżej 10 m).
Ze względu na rodzaj napędu występują następujące rodzaje autobusów miejskich:
− z napędem klasycznym z silnikiem o zapłonie samoczynnym zasilanym ON,
− z napędem z silnikiem na sprężony gaz ziemny CNG lub skroplony gaz ziemny-LNG,
− z napędem hybrydowym spalinowo- elektrycznym,
− z napędami: czysto elektrycznym, na ogniwa paliwowe i z silnikiem na biopaliwo.
Wg danych przedsiębiorstw komunikacyjnych w Polsce udział procentowy
autobusów miejskich we flocie operatorów komunikacji miejskiej na rok 2011
zasilanych ON wynosił ok. 97,48% (11459 szt.), CNG ok. 2,45% (288 szt.), LNG ok.
0,02% (2 szt.), wyposażonych w napęd hybrydowy HEV ok. 0,042% (5 szt.) i napęd
elektryczny EV ok. 0,008% (1 szt.) [1, 3]. Powyższy udział procentowy obrazuje
powolny wzrost udziału ekologicznie czystych pojazdów na naszych drogach, który jest
spowodowany wymaganiami ekologicznymi dotyczącymi obniżenia emisji spalin.
3. WYMAGANIA EKOLOGICZNE DOTYCZĄCE EMISJI SPALIN
Głównym elementem, który wpływa na konstrukcję autobusów oraz pozwala na ich
sprzedaż, są obecnie wymagania dotyczące obniżenia emisji spalin. Ze względu na
wymagania ekologiczne dąży się do jak największego obniżenia toksyczności spalin,
a w szczególności redukcji tlenków azotu- NOx, węglowodorów- HC, tlenków węgla-
– 154 –
CO oraz w szczególności cząstek stałych- PM. Wymagania te są zapisane obecnie
w normach międzynarodowych, w przypadku Europy w obowiązkowych Europejskich
Standardach Emisji Spalin dla nowo wyprodukowanych autobusów- Euro 5 oraz
nieobowiązkowej EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle), dla pojazdów
szczególnie przyjaznych środowisku - obowiązujących od 2009r. a wprowadzonych
Dyrektywą 2005/55/WE z 28 września 2008r. Od roku 2014 będzie obowiązywać nowa
norma Euro 6, określona w najnowszej Regulacji nr 459/2012 z 29 maja 2012 oraz
w normie dobrowolnej EEV (wcześniej przyjętej). Wartości graniczne składników
zanieczyszczeń dla norm Euro5, Euro 6 i EEV dla autobusów miejskich z zasilanych
ON oraz CNG i LNG, podano w tabeli 1.
Tabela 1. Wartości dopuszczalnego poziomu zanieczyszczeń dla pojazdów zasilanych ON oraz
CNG i LNG [6]
Rodzaj normy > EURO 5 EURO 6 EEV
Silniki>>
Zanieczyszczenia:
Silniki na
ON
[g/km]
Silniki na
CNG/LNG
[g/km]
Silniki na
ON
[g/km]
Silniki na
CNG/LNG
[g/km]
Silniki na ON
(test ESC i
badanie ELR)
[g/kWh]
Silniki na
CNG/LNG
(badanie ETC)
[g/kWh]
CO 0,5 1,0 0,5 1,0 1,5 3,0
HC/THC - 0,68 - 0,1 0,25 NMHC=0,4
NOx 0,18 0,06 0,08 0,06 2,0 2,0
THC+NOx 0,23 - 0,17 - - CH4=0,65
PM 0,005 0,005 0,0045 0,0045 PT=0,02 PT=0,02
UWAGA: Test ESC określa masę właściwą tlenku węgla, sumy węglowodorów, tlenków azotu i cząstek
stałych. Badanie ELR określa zadymienie spalin. Badanie ETC w szczególności dla silników gazowych
określa masy właściwe tlenku węgla, węglowodorów niemetanowych, metanu, tlenków azotu i cząstek
stałych. PT – masa cząstek stałych.
Żeby spełnić powyższe wymagania konieczne jest zastosowanie metody
oczyszczania spalin SCR (Selective Cathalytic Reduction). Zasada jej działania polega
na rozkładzie szkodliwych substancji zawartych w spalinach silnika wysokoprężnego
w układzie wydechowym, szczególnie tlenków azotu i przemianę ich na parę wodną i obojętny azot. Przemiana ta odbywa się przy udziale nietoksycznego wodnego
roztworu mocznika o nazwie towarowej AdBlue® (VDA), jako katalizatora gazów
spalinowych. Elektroniczny system zarządzania silnikiem dozuje roztwór mocznika-
AdBlue® znajdujący się w oddzielnym zbiorniku, a następnie pod wysokim ciśnieniem
zostaje wtryskiwany bezpośrednio do katalizatora, gdzie AdBlue® reaguje
z amoniakiem i ulega rozpadowi na azot i parę wodną. Dzięki zastosowaniu tej
technologii zostaje zmniejszone zużycie paliwa o 5% [7], a tym samym redukuje tlenki
azotu (NOx) i jeszcze bardziej ogranicza emisję cząstek stałych. Szacuje się, że na
100km będzie potrzebne 1,7l AdBlue® (w przypadku normy Euro 5) [8].
Zasadę działania metody SCR przedstawia rys. 2. Wspomniana metoda wymaga
zastosowania olejów niskopopiołowych tzw. Low SAPS o niskiej zawartości popiołów
siarczanowych (Sulphated Ash), fosforu (P) oraz siarki (S).
– 155 –
a)
b)
Rys. 2. Zasada funkcjonowania sytemu SCR z dodatkiem AdBlue: a) schemat blokowy
ogólny [9], b) zasada działania [8]
Wymagania ekologiczne ograniczania emisji spalin implikują stosowanie
skomplikowanych układów oczyszczania spalin a tym samym ingerują w konstrukcję podwozia jak również i nadwozia autobusu. Sprawia to, że obowiązkiem chwili jest
konstrukcja modułowa, która może wyeliminować w przyszłości kosztowne
modyfikacje.
4. KONSTRUKCJA MODUŁOWA AUTOBUSÓW MIEJSKICH
Autobusy miejskie mają budowę modułową i składają się z dwóch modułów
głównych, w których są moduły indywidualne - rekonfigurowalne w zależności od typu
autobusu [10,11]:
− Modułu nadwozia (szkielet+oblachowanie/poszycie) - na który składają się moduły:
szkieletu podłogi, ściany bocznej, przodu i tyłu autobusu, szkieletu dachu, belki
poprzecznej i modułu nadkola.
− Modułu podwozia - na który składają się moduły: napędowy, jezdny i układ
sterowania z szynami CAN-BUS.
Moduł szkieletu wykonany jest z profili o przekroju prostokątnym ze stali węglowej
nierdzewnej z grupy 1.4003 (np. Nirosta 4003), a jego węzły są wykonane za pomocą wycinania laserowego, co zwiększa sztywność i wytrzymałość szkieletu. Belki
– 156 –
poprzeczne wykonane są z żeliwa sferoidalnego, natomiast oblachowanie poszycia
nadwozia jest napinane jak struna na całym obwodzie autobusu i również jest wykonane
z blachy ocynkowanej. Dodatkowo wspomniane elementy są zabezpieczone przed
korozją za pomocą kataforezy elektrolitycznej oraz przy użyciu specjalnego koncentratu
penetrującego zagłębienia. Część zewnętrzna autobusu zalewana jest elastyczną masą antykorozyjną. Nadwozie zbudowane jest z profili aluminiowych wieloprzekrojowych
połączonych ze sobą za pomocą elementów złącznych w postaci śrub oraz w przypadku
naroży za pomocą specjalnych narożnych płyt węzłowych. Taka konstrukcja zmniejsza
naprężenia powstające w autobusie podczas jego eksploatacji i powoduje wzrost
sztywności autobusu i jego odporność na drgania. Po skręceniu śruby pokrywane są środkiem łączącym, które zapobiega poluzowaniu się połączenia w wyniku wibracji
(jednocześnie umożliwia łatwy i pełny dostęp do połączeń w przypadku ich
uszkodzenia). Pozostałe elementy wykonane są z tworzywa sztucznego wzmocnione
włóknem szklanym (nadkola, siedziska, obudowa podłogi, elementy przodu autobusu
itd.) lub aluminium (np. klapy chłodnicy, klapy tylne i inne) [11].
Rys. 3. Przykład budowy modułowej autobusów: a) moduł szkieletu [11], b) moduły
podwozia, napędowy, jezdny i sterujący [10], c) autobus w pół- widoku
i półprzekroju 3D [10]
Budowa modułowa skraca czas i koszty opracowywania nowych modeli autobusów
(np. wprowadzając modele o długości 9,5 m, gdzie wykorzystano 80% części z modeli
o długości 7,5 m), przez co zmniejsza koszty produkcji przez wydłużenie serii,
zapewnia rodzinne podobieństwo modułów oraz zmniejsza koszty serwisu i eksploatacji
u odbiorców [10].
W przypadku podwozia, koła jezdne umieszczane są na pneumatycznych lub
hydraulicznych elementach resorujących, które z kolei są zamontowane na osi przedniej
z niezależnym zawieszeniem IFS (rys. 4a), dzięki czemu kierowca ma zapewnioną łatwość kierowania autobusem, wpływa na jakość resorowania, pozwala uzyskać znacznie większą szerokość przejścia pomiędzy nadkolami przednimi przez co
poprawia się bezpieczeństwo i komfort podróżowania, w tym niepełnosprawnych oraz
wpływa na polepszenie zwrotności autobusu podczas skrętu. Uzupełnieniem
zawieszenia są portalowe tylne mosty napędowe dla osi tylnych (rys. 4b) dzięki
zastosowaniu 2 miechów z przodu i 4 z tyłu autobusu, możliwy jest tzw. „przyklęk”
autobusu.
– 157 –
a) b)
Rys. 4. Zawieszenie przednie i tylne: a) oś przednia z niezależnym zawieszeniem IFS,
b) portalowy most napędowy [12]
Rys. 5. Poglądy schemat układu ECAS: 1- czujniki położenia, 2- elektroniczna jednostka
sterująca (ECU), 3- zespół zaworów elektromagnetycznych, 4- pneumatyczny
miech zawieszenia, 5- urządzenie zdalnego sterowania, 6- rama pojazdu, 7-
czujnik ciśnienia powietrza w miechach zawieszenia, 8- zbiornik sprężonego
powietrza, 9-przyłącze sprężonego powietrza, 10- oś pojazdu (przednia lub tylna),
11-cięgna [13]
– 158 –
Najbardziej znanymi firmami produkującymi zawieszenia są Z.F. Friedrichshafen
A.G. (Niemcy), Voith Turbo Drive Systems (Holandia), Graziano Transmissioni
(Włochy), L.A.F. A.S. (Czechy) i inne.
Przydatnym rozwiązaniem jest także wprowadzany w autobusach od niedawna
układ sterowania zawieszenia pneumatycznego ECAS (Electronically Controlled Air
Suspension), firmy WABCO (rys. 5.) oraz układ sterujący ciśnieniem powietrza
w miechach pneumatycznych amortyzatorów- PDC (Pneumatic Damping Control)
firmy ZF AG, który w sposób dynamiczny reguluje charakterystykę amortyzatorów,
przez automatyczne regulowaniem ciśnienia powietrza w miechach amortyzatorów,
dostosowując ją do aktualnego obciążenia pojazdu. Układ ECAS widoczny na rys. 5 to
układ, którego zadaniem jest kontrolowanie, utrzymywanie i ewentualnie zmiana
prześwitu zawieszenia. Umożliwia również kontrolowanie przechyłu nadwozia
spowodowanego nierównomiernym rozłożeniem obciążenia np. podczas wsiadania
pasażerów do autobusu.
Regulacja zawieszenia polega na tym, że sygnały z czujników przesyłane są za
pomocą przewodów elektrycznych do jednostki sterującej (ECU) i tam po
przetworzeniu sygnału, ECU dokonuje analizy porównawczej otrzymanego sygnału
z zapisanymi w swojej pamięci RAM sygnałami wzorcowymi. Jeśli ECU wykryje, że
otrzymany sygnał różni się od wzorcowego, wysyła do zaworów elektromagnetycznych
sygnał elektryczny nakazujący zmianę objętości sprężonego powietrza w przeponowych
miechach zawieszenia (następuje „dopompowanie” lub „upuszczenie” powietrza
w miechach). Sygnały są wysyłane z czujników co 0,02 sek. [13].
5. UKŁADY NAPĘDOWE
Obecnie podstawowym rodzajem napędu w autobusach miejskich w Polsce są nadal
silniki z zapłonem samoczynnym zasilane olejem napędowym. Jednak obecnie ze
względu na wysoki koszt oleju napędowego oraz coraz bardziej restrykcyjne normy
ochrony środowiska, coraz większą popularność zdobywają bardziej ekologiczne
napędy zasilane sprężonym gazem ziemnym- CNG (Comprerssed Natural Gas) lub
skroplonym gazem ziemnym- LNG (Liquefed Natural Gas). Wymagają one jednak
zastosowania na terenie bazy przewoźnika lub w jej pobliżu specjalnych stref ze
zbiornikami, w których znajduje się gaz ziemny i z których byłby on tankowany do
autobusów.
Kolejnym rodzajem ekologicznego napędu jest napęd hybrydowy (rys. 6), w którym
pracę silnika spalinowego wspomagają silniki elektryczne wykorzystujące energię magazynowaną w specjalnych akumulatorach niklowo- metalowo- wodorowych lub
niklowo- fosforowych lub kadmowo- niklowych lub kondensatorach o dużej
pojemności (ultrakondensatory).
Elektryczny układ napędowy może funkcjonować w konfiguracji spalinowo-
elektrycznej, hybrydowej z ogniwami paliwowymi oraz elektrycznej zasilanej bateriami
lub ultrakondensatorami (rys. 7). Z drugiej strony, elektryczny układ napędowy może
być całkowicie oddzielony od silnika spalinowego. Niezależny montaż silnika
spalinowego eliminuje występowanie reakcyjnego momentu obrotowego. Efektem tego
jest mniejsza ilość drgań i hałasu, co zapewnia znacznie wyższy poziom komfortu dla
pasażerów.
– 159 –
a)
b)
Rys. 6. Schemat napędu hybrydowego: a) schemat blokowy równoległego napędu
hybrydowego Eaton Hybrid Electric System [1, 14, 15], b) rozmieszczenie
w autobusie elementów układu hybrydowego spalinowo-elektrycznego [11]
Jako pierwotne źródło energii może być zastosowany silnik spalinowy o zapłonie
samoczynnym z generatorem, jak i ogniwa paliwowe. Wtórne źródło energii to
wysokiej jakości układ magazynowania energii elektrycznej (baterie lub ultra-
kondensatory), pozwalający przechwycić i zmagazynować energię uwalnianą podczas
hamowania rekuperacyjnego. Zgromadzona energia jest zawsze ponownie
wykorzystana do ruszania z miejsca. Silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym włącza
się przy wyższych prędkościach autobusu lub przy większym zapotrzebowaniu na moc.
W zależności od pojemności układu magazynowania energii, autobus może być napędzany wyłącznie elektrycznie (wówczas porusza się z zerową emisją spalin). Silnik
– 160 –
spalinowy w konfiguracji szeregowej może pracować niezależnie od prędkości jazdy
autobusu. Oznacza to pracę silnika spalinowego w najbardziej optymalnym zakresie,
w którym zużycie paliwa jest minimalne [1, 15].
Zaletą takiego napędu jest to, że jak wykazały badania, w porównaniu
z analogicznym autobusem wyposażonym w identyczny silnik o zapłonie
samoczynnym, pozwala zaoszczędzić 20- 43% paliwa, emituje 10- 39% mniej NOx oraz
51- 97% cząstek stałych [16].
Dużym ograniczeniem do stosowania napędu hybrydowego jest to, że wymaga on
stosowania dofinansowania dla przewoźników transportu miejskiego, ze strony miast,
ponieważ jego użytkowanie generuje znaczne koszty.
Rys. 7. Moduły hybrydowego układu napędowego ELFA Hybrid Drive firmy Siemens
AG [1, 15]
Ten fakt spowodował, że w Polsce jest jeszcze niewiele takich autobusów [16].
Autobusy z takim napędem pozwalają zaoszczędzić do 33% paliwa w porównaniu do
autobusów z konwencjonalnym napędem spalinowym w zależności od cyklu
jezdnego [1].
Napędy hybrydowe produkowane są przez Allison Transmission (USA), Cummins
Inc. (USA), DAF Trucks NV (Belgia), Man Trucks and Bus Aktiengesellschaft
(Niemcy), Volvo Buses (Szwecja), Siemens AG (Niemcy) i Iveco SpA (Włochy).
Jeszcze bardziej czystym rozwiązaniem są autobusy z napędem elektrycznym
(rys. 8), które całkowicie redukują zanieczyszczenia. Układ napędowy składa się z asynchronicznego silnika elektrycznego trakcyjnego o mocy 120kW. Energia do
napędzania tego silnika zgromadzona jest w bateriach litowych o napięciu
znamionowym 600 V i energii 120kW·h. Magazyny energii- akumulatory są chłodzone
cieczą i dostarczają energii nie tylko do układu napędowego, ale również do
pozostałych układów (wspomagania kierowniczego, ogrzewania, klimatyzacji,
sterowania elektrycznego drzwiami. Ilość zgromadzonej energii pozwala przejechać
– 161 –
jedynie do 100km bez ładowania, z prędkością maksymalną 50km/h. Moc takiego
autobusu to 120kW. Baterie, których waga dochodzi nawet do 1400kg ładowane są z terminala ładowania baterii przez złącze plug-in a czas ładowania nie przekracza 4h
[14].
Kierowca autobusu elektrycznego ma wgląd przez pulpit LCD w podstawowe
parametry dotyczące pracy pojazdu ale również może monitorować podstawowe
parametry pracy układu elektrycznego, jak również poziom naładowania baterii.
Autobusy miejskie elektryczne są produkowane przez następujące firmy SOR
Libchavy (Czechy), Solaris Bus & Coach (Polska), Guantong Bus (Chiny), Zhongtong
Bus Holding Co. Ltd. (Chiny), Guangzhou Automobile Group (Chiny), Hanan Shaolin
Bus Co. Ltd. (Chiny), KM Global Co Ltd. (Korea Płd.), Design Line Corporation
(USA), Iveco (Włochy), AstonBus Inc. (USA) i innych.
Oprócz powyższych napędów podejmowane są próby zastosowania jako paliwa
biogazu (bioetanolu- stosowanego np. w Brazylii lub estrów olejów roślinnych) oraz
wodorowych ogniw paliwowych (np. w Niemczech).
a)
b)
Rys. 8. Przykład autobusu elektrycznego: a) schemat napędu autobusu elektrycznego, b)
rozmieszczenie elementów składowych w autobusie, [14]
– 162 –
6. SKRZYNIE BIEGÓW Z ZINTEGROWANYMI RETARDERAMI
W autobusach komunikacji miejskiej dostępne są skrzynie biegów 4 lub 6- biegowe
z retarderami (hamulcami długotrwałego działania) mechanicznymi lub magnetycznymi
z ręczną zmianą biegów, półautomatyczną zmianą biegów (sterowanie za pomocą przycisków) i z całkowicie automatyczną zmianą biegów. Zastosowanie retarderów
zapewnia płynne i ciche wytracanie prędkości, przez co zmniejsza znacząco zużycie
hamulców. Skrzynie biegów mają budowę modułową, dzięki czemu składają się z mniejszej liczby części i nie posiadają części wymagających specjalnego
dopasowywania. Powoduje to skrócenie czynności naprawczych i serwisowych.
a)
b)
Rys. 9. Przykład automatycznej skrzyni biegów: a) Schemat połączenia przekładni
automatycznej Voith DIWA.5 – D864.5 ze sterownikiem E 200
i oprogramowaniem DIWA Diagnosis, b) elementy skrzyni DIWA 5 –
D864.5 [17]
– 163 –
Posiadają również moduły elektroniczne, które zabezpieczają kierowcę przed
wyborem niewłaściwego biegu, chronią przed nadmiernymi wstrząsami
spowodowanymi skokami momentu obrotowego, a silnik przed nagłym wzrostem lub
spadkiem prędkości obrotowej silnika na danym biegu. Elektroniczny system
sterowania skrzynią biegów z funkcją adaptacji i zamkniętą pętlą sterowania,
samoczynnie optymalizuje warunki jazdy dla każdego przełożenia (sterownik
przekładni rozpoznaje topografię terenu i na jej podstawie dopasowuje odpowiednie
przełożenia do warunków otoczenia). Dodatkowo skrzynie biegów wyposażona może
być w system rejestracji danych eksploatacyjnych, gdzie podaje dane w postaci
raportów danych serwisowych i eksploatacyjnych, czasy postojów, dane zdarzeń i inne.
Przykład automatycznej skrzyni biegów zintegrowanej z retarderem DIWA® 5,
firmy Voith pokazano na rys. 9.
Dodatkową funkcją, która jest stosowana skrzyniach biegów w autobusach, dzięki
zastosowaniu magistrali CANbus to funkcja redukcji obciążenia silnika podczas postoju
(np. na przystanku), w skrócie RELS (Reduced Engine Load and Stop). Jest to funkcja,
dzięki której utrzymuje się wartość pierwotna ciśnienia w układzie, aby nie dopuścić do
niekontrolowanego toczenia się pojazdu, która pozwala zmniejszyć ilość spalanego
paliwa, gdy autobus zatrzymuje się na przystanku [18].
Najbardziej znanymi producentami skrzyń biegów są Voith Turbo Drive Systems
(Holandia), Allison Transmission (USA), ZF Friedrichshafen AG (Niemcy), Iveco
Stralis (Włochy), Scania (Szwecja) i inne.
7. UKŁAD HAMULCOWY
W autobusach miejskich używany jest pneumatyczny układ hamulcowy
z hamulcami tarczowymi na wszystkich kołach. Jest on sterowany za pomocą elektronicznego sterowania układem hamulcowym EBS (Electronically Controlled
Braking System) z automatyczną regulacją siły hamowania oraz systemem ESC
(Electronic Vehicle Stability Control), który zawiera również układ ABS (zapobiega on
blokowaniu kół w momencie utraty przyczepności podczas hamowania), ASR (układ
elektroniczny zapobiegający poślizgowi kół przy ruszaniu pojazdu) lub ESP (system
stabilizacji toru jazdy). Zapobiega on blokowaniu się kół podczas hamowania, skraca
drogę hamowania, poprawia stabilność hamowania oraz ciągle monitoruje układ
hamulcowy. Układ składa się z dwuobwodowej instalacji pneumatycznej oraz
z pojedynczego obwodu elektropneumatycznego. System ten jest uruchamiany, gdy
kierowca nie hamuje wystarczająco mocno. Działanie EBS-u polega na wzmocnieniu
siły hamowania, gdy zajdzie taka potrzeba. Jest wspólnym rozwiązaniem firm Daimler-
Benz i Wabco. Sterownik układu kontroluje zużycie okładzin ciernych hamulców,
steruje poślizgiem, monitoruje stan układu hamulcowego (min. temperaturę klocków
hamulcowych), sprawdza jego działanie oraz informuje o miejscach uszkodzenia.
Zasada działania układu polega na tym, że po naciśnięciu pedału hamulca przez
kierowcę sygnał hamowania jest przesyłany do elektronicznej jednostki sterującej EBS.
Następnie, na podstawie sygnałów z czujników prędkości obrotowych kół i czujników
zużycia klocków hamulcowych, jednostka sterująca oblicza siłę hamowania wymaganą na każdym kole. Ciśnienie powietrza w siłownikach hamulcowych regulują modulatory
EBS [19].
– 164 –
Opcjonalnie można zamontować hamowanie mieszane (brake bledning), czyli
wspomaganie hamulców kół przez hamulce dodatkowe oraz funkcję pomocy przy
ruszaniu pod górę, czyli zwolnienie hamulców po osiągnięciu pewnej wartości
momentu obrotowego, albo po zwolnieniu pedału sprzęgła w przypadku skrzyń manualnych, albo po upływie ok. 1 sek. od zwolnienia pedału hamulca. Ciekawym
rozwiązaniem jest również system HSA (Hill Start Aid), który zapobiega cofaniu się autobusu podczas ruszania pod górę. Hamulce nie są zwalniane, dopóki odpowiednio
duży moment obrotowy nie jest przenoszony na koła napędowe, tak aby autobus mógł
ruszyć jedynie do przodu [10].
a)
b)
Rys. 10. Przykład działania systemu EBS: a) schemat, b) rozmieszczenie elementów
systemu w autobusie, gdzie: 1- sterownik EBS, 2- pedał hamulca nożnego
(nadajnik sygnału hamulcowego), 3- proporcjonalny zawór przekaźnikowy
z podwójnym członem sterującym, 4- zawór elektromagnetyczny modulatora-
ABS, 5- modulator osi tylnej, 6- pneumatyczny zawór rezerwowy osi, 7-
czujniki ABS (zużycia okładzin hamulcowych i prędkości kół), 8- siłownik
hamulca, 9- zawór hamulca ręcznego, 10- zbiornik powietrza, 11- kompresor
[19]
– 165 –
8. PODSUMOWANIE
Lata badań i poszukiwań oszczędności energetycznych w ruchu pojazdów dowodzą, jak znaczne rezerwy tkwią w konstrukcji pojazdów. Odnosi się to głównie do masy,
kształtu nadwozia i opon, w mniejszej mierze do specjalnego oprzyrządowania
konwencjonalnego silnika spalinowego. W zakresie zużycia energii przez środki
transportu obowiązkiem chwili jest przygotowywanie energooszczędnych konstrukcji
przejściowych przy wykorzystaniu silnika cieplnego, a także takich konstrukcji,
w których energia pierwotna nie jest uzyskiwana z paliw płynnych. Prace nad
zastosowaniem ekologicznych napędów nabrały znaczenia przede wszystkim w USA,
Japonii jak również w Europie. Prace nad zapewnieniem właściwego napędu pojazdom
powinny być ukierunkowane na:
− udoskonalenie napędu spalinowego (eliminacja hałasu, oszczędność paliwa,
stosowanie paliw alternatywnych, modernizacja silnika),
− zastąpienie silnika spalinowego elektrycznym, przy czym szczególnie ważne jest
opracowanie właściwej technologii uzyskiwania dla niego energii i jej
magazynowania w pojeździe [20].
Troska o środowisko oraz jak najmniejsze zużycie paliwa to główne cele
przyświecające przy konstrukcji miejskich autobusów. Osiągnięcie znacznej redukcji
emisji spalin sprawia, że miejskie autobusy są przyjazne środowisku naturalnemu
i mieszkańcom miast i aglomeracji miejskich. Natomiast budowa modułowa skraca czas
i koszty opracowywania nowych modeli autobusów wykorzystując ok. 80% części
z modeli wcześniejszych, przez co zmniejsza koszty produkcji przez wydłużenie serii
produkcyjnej, jak również zapewnia podobieństwo modułów oraz zmniejsza koszty
serwisu i eksploatacji u odbiorców. Zastosowanie konstrukcji modułowej autobusów
pozwala tym samym na zmniejszenie kosztów modyfikacji floty autobusów miejskich.
Tym samym stwarza w przyszłości możliwość wymiany konwencjonalnych napędów
na ekologicznie czyste i energooszczędne układy hybrydowe, ogniwa paliwowe czy też układy tribrydowe.
LITERATURA
[1] Wojewoda P.: Metodyka doboru silnika spalinowego do wybranej konfiguracji
napędu hybrydowego autobusu miejskiego. Rozprawa doktorska. Politechnika
Rzeszowska, Rzeszów 2012.
[2] http://www.alexander-dennis.com – Alexander- Dennis Limited (Wlk. Brytania),
22.08.2012.
[3] http://www.solarisbus.pl – Solaris Bus & Coach S.A. (Polska), 22.08.2012.
[4] http://www.vanhool.be – Van Hool NV (Belgia), 22.08.2012.
[5] Orzełowski S.: Budowa podwozi i nadwozi samochodowych. WSiP, Warszawa
2009.
[6] http://europa.eu/legislation_summaries/environment/air_pollution/l28186_en.htm
[7] http://web.iveco.com/poland/produkty/pages/stralis_uklad_napedowy.aspx -
IVECO (Wlk. Brytania), 22.08.2012.
[8] http://www.bluesolution.pl/technologie - Blue Solutions Sp. z o.o., 22.08.2012.
[9] http://www.daf.com/SiteCollectionDocuments/Products/
EEV%20info%20sheet.pdf – DAF, 22.08.2012.
[10] Materiały informacyjne firmy Volvo Bus.
– 166 –
[11] Materiały informacyjne firmy Man Bus.
[12] Materiały informacyjne firmy ZF AG (Zahnradfabrik Friedrichshafen AG).
[13] Materiały informacyjne firmy WABCO.
[14] Materiały informacyjne firmy Solaris Bus & Coach.
[15] Materiały informacyjne firmy Siemens AG.
[16] Stachura A.: Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego. Rozprawa doktorska.
Politechnika Śląska, Gliwice 2011.
[17] Materiały informacyjne firmy Voith Turbo.
[18] Materiały informacyjne firmy Allison Transmission.
[19] Materiały informacyjne firmy Daimler- Benz i Wabco.
[20] Lejda K., Wojewoda P.: Analiza konstrukcyjna i funkcjonalna hybrydowych
układów napędowych stosowanych w autobusach miejskich. Międzynarodowa
Konferencja Naukowa w Kijowie BICHИK, №23, s. 161-170, Kijów 2011.
THE CONSTRUCTIONAL AND FUNCTIONAL ANALYSIS OF MODERN BUSES IN URBAN PUBLIC TRANSPORT
Summary
This article introduces and describes the key systems on modern means of city
transportation such as city buses. It presents an analysis of data concerning: types and
construction of city buses, dependent on three typical criteria: body structure, the
location of the chassis on the bus and the types of drives. Then it was discussed modular
construction of city buses with particularly take into consideration on the body and
chassis and its components. It focus one's give attention on the traditional and
alternative of power transmission systems (CNG/LNG), hybrid and electric, which
significantly reduces combustion gases to the atmosphere. An article also shows the
current states according to the standards reduction of exhaust gas emissions for the city
buses based on international standards, in particular the European Emission Standards.
The analysis was done for the drive-ignition, and drive as CNG/LNG for directives
Euro 5, Euro 6 and discretionary of EEV. A review was made of modern solutions of
gearboxes, braking systems with the suspension and control system by city bus, together
with a working analysis of which has a significant influence on the safety of passengers.
In conclusion highlights the main developments in range the increase reconfiguration
ability of the individual modules city buses which will faster their servicing and clean
propulsion systems, so that buses will be more attractive means of transportation for the
inhabitants of cities and urban agglomeration.