Analiza sposobu eksploatacji autobusu miejskiego

Transkrypt

1 GRABOWSKI Łukasz 1 GĘCA Michał 2 BARAŃSKI Grzegorz 3 Analiza sposobu eksploatacji autobusu miejskiego WSTĘP W ciągu ostatnich dwóch dekad ograniczenia dotyczące emisji składników toksycznych spalin przez pojazdy zostały zmniejszone kilkukrotnie. Wprowadzane normy emisji spalin wymuszają również poprawę sprawności silników spalinowych ponieważ jednym z kluczowych składników kosztów eksploatacji pojazdu jest koszt paliwa. Według informacji zawartych w raporcie IEA [3] na transport drogowy przypada 19% światowego zużycia energii. Jednocześnie transport drogowy odpowiedzialny jest za 23% globalnej emisji CO 2. Zużycie energii związane z transportem, w szczególności drogowego, znacznie wzrosło w ostatnich kilku dekadach. Ropa naftowa jest w tym przypadku głównym paliwem węglowodory pokrywającym zapotrzebowanie na energię pierwotną. Zużycie ropy naftowej w Polsce, w latach wzrosło o 26% [4]. Zużycie paliwa przez autobus miejski zależy od konstrukcji pojazdu i silnika, ilości pasażerów, prędkość jazdy, liczby przystanków, jakości drogi i częstotliwości przystanków końcowych [2]. Jeśli chodzi o rodzaj konstrukcji układu napędowego w autobusie miejskim to w przeważającej części używane są silniki o zapłonie samoczynnym połączone z automatyczna skrzynią biegów. Automatyczne przełączanie biegów nie rozprasza kierowcy, tak jak w przypadku skrzyni manualnej i po drugie łagodzi zmiany prędkości obrotowych silnika podczas przełączania na wyższy bieg. Połączenie to nie jest stałe tak jak w przypadku skrzyni biegów manualnej, gdzie koła zębate są połączone mechanicznie. W skrzyni automatycznej to olej w jest medium przekazującym moment obrotowy. W związku z tym część energii zawartej paliwie jest zużywana na zwiększenie temperatury oleju w skrzyni biegów i odprowadzana do otoczenia. Co za tym idzie maksymalna sprawność przekazywania energii mechanicznej za pomocą skrzyni automatycznej wynosi 90 92% i jest mniejsza niż w przypadku skrzyni mechanicznej 94 96% [6]. Sprawność maleje przy nieodpowiednim stylu jazdy. Maksymalna sprawność przekładni automatycznej uzyskuje się przy małym przepływie mocy z silnika, ale fakt ten ogranicza szybkość działania zespołu [5]. Również przy hamowaniu silnikiem ze względu na poślizg w automatycznej skrzyni tylko część energii zostaje odzyskana. Dodatkowo zastosowanie retarderów zapewnia płynne i ciche wytracanie prędkości poajzdu, przez co zmniejsza znacząco zużycie hamulców. Wpływa to bezpośrednio na zużycie paliwa. Obecnie dużo uwagi poświęca się stylowi jazdy. Przy zdawaniu egzaminu na prawo jazdy również sprawdzane jest przygotowania przyszłego kierowcy do zdolności eksploatowania pojazdu w sposób ekonomiczny. Firmy transportowe zmuszane są dzisiaj do wykorzystania wszystkich możliwości redukcji zużycia paliwa w celu utrzymania swojej konkurencyjności w obliczu ciągle rosnących cen. Jedną z nich jest styl jazdy kierowcy, który potrafi spowodować zmniejszyć zużycie paliwa o 5-10% lub je zmniejszyć o 3 6% [1]. Komisja Europejska od lat prowadzi działania popularyzujące ekojazdę wśród europejskich kierowców. W 2001 roku Komisja zainicjowała program ECO- DRIVING-EUROPE. Celem projektu europejskiego ECODRIVEN była popularyzacja nauki ekojazdy. Kolejny program unijny ECOWILL, kładł nacisk na nauczanie ekojazdy instruktorów nauki jazdy i techniki jazdy. W nowych autobusach marki Solaris producent montuje moduł wspomagania techniki jazdy kierowcy. System dźwiękiem informuje kierowcę autobusu jeśli gwałtownie przyspiesza lub 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel.: , Fax.: , l.grabowski@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel.: , Fax.: , m.geca@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel.: , Fax.: , g.baranski@pollub.pl 1610

2 przekracza dopuszczalną prędkość. Kolejnym przykładem urządzenia będącego asystentem stylu jazdy, jest CarCube firmy Punch Telematix. Komputer pokładowy Asterix firmy PIXEL poprzez identyfikację kierowców w systemie na podstawie kodu PIN zapewnia szybką analizę techniki jazdy kierowców i jej wpływu na stan techniczny pojazdu i zużycie paliwa. Analiza ta jest przygotowana na podstawie danych o przyspieszaniu i hamowaniu, pracy silnika oraz przekroczeniach określonej prędkości jazdy. Dane eksploatacyjne pojazdu uzyskiwane z komputera pokładowego sygnalizowane są również kierowcy podczas jazdy, Celem niniejszej pracy jest określenie wpływu dynamiki jazdy autobusu miejskiego na zużycie paliwa. 1. OBIEKT BADAŃ Wpływ dynamiki jazdy na zużycie paliwa oparto o wyniki badań uzyskane podczas eksploatacji autobusu miejskiego na terenie Lublina. Pojazd ten należy do taboru Miejskiego Przedsiębiorstwa Komunikacyjnego w Lublinie. Był to pojazd Mercedes Conecto 12LF. Jest to niskopodłogowy autobus w wersji skróconej mogący pomieścić 94 osoby (26 miejsc siedzących i 68 stojących). W autobusie zamontowany jest silnik o oznaczeniu OM926 oraz automatyczna czterobiegowa skrzynia biegów Voith Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Fot. 1. Widok autobusu Mercedes 628 Conecto LF Tab. 1. Dane silnika OM 926 LA Nr Właściwość Wartość 1 Pojemność 6370 [cm 3 ] 2 Liczba cylindrów/rodzaj 6/rzędowy 3 Moc 205 [kw] 4 Moment obrotowy 1120 [Nm] dla obr/min 2. METODOLOGIA BADAŃ W celu zidentyfikowania rzeczywistych warunków pracy autobusu przeprowadzono badania drogowe polegające na rejestracji jego parametrów przez cały dzień pracy autobusu miejskiego. Autobus został wyposażony w zawansowany system rejestracji danych, w czasie rzeczywistym, oparty na Compact Rio ncrio 9024 firmy National Instruments (fotografia 1). Zastosowano kartę pomiarową umożliwiającą zapisywanie informacji przekazywanych przez sieć Profibus, zainstalowaną standardowo w autobusie. Zadaniem sieci jest efektywne przekazywanie dużej ilości krótkich informacji, przy zachowaniu deterministycznego czasu przesyłania danych. Protokół 1611

3 komunikacyjny sieci Profibus definiuje norma DIN , która opisuje warstwę fizyczną, liniową i aplikacyjną siedmiowarstwowego modelu ISO/OSI. W celu prawidłowej obsługi procesu rejestracji danych, uzyskanych z sieci Porfibus, opracowano program w środowisku LabView. Podczas badań rejestrowano następujące parametry: prędkość obrotową silnika, położenie dźwigni przyspieszenia, godzinowe zużycie paliwa, przebieg pojazdu, czas pracy pojazdu, temperaturę silnika, temperaturę otoczenia, poziom paliwa w zbiorniku, zużycie paliwa wyrażone w km/l parametry odbiornika GPS. Badania drogowe z rejestracją w/w wielkości wykonano dla pojazdu poruszającego się na rzeczywistej trasie w cyklu miejskim. Do przeprowadzenia pomiarów wybrano trasę pojedynczej linii w Lublinie. Na rysunku 3 przedstawiono graficznie przebieg trasy. Trasa złożona jest z kilku odcinków o różnym natężeniu ruchu. W czasie 19 godzinnej eksploatacji autobus eksploatowało 2 kierowców. Pierwszy na swojej zmianie obsługiwał poranny szczyt i przejechał 11 razy trasę na łączną długość 161 km, drugi z nich obsługiwał szczyt popołudniowy i w tym samym czasie 11 razy przejechał trasę na łączną długość 163 km. Pomiary wykonane zostały dla przypadkowej liczby pasażerów zmieniającej się na każdym przystanku. Dane pomiarowe rejestrowano przez jeden dzień w godzinach 4:30-23:30, z częstotliwością zapisu wynoszącą 2 Hz. Analizie poddano wyniki uzyskane czasie wybranego dnia w lipcu 2014 roku. Dane zostały zapisane w formacie tdms, co przełożyło się na zmniejszenie ich rozmiaru oraz ułatwiło wykonanie analizy w programie NI Diadem. Fot. 1. Układy pomiarowe Compact Rio ncrio 9024 National Instruments 1612

4 Rys. 2. Plan trasy przejazdu autobusu Mercedes Conecto w Lublinie (wykonano za pomocą oprogramowania NI DIAdem). 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 3 przedstawiono zarejestrowany przebieg zmian obciążenia silnika badanego autobusu wyrażonego przez procent położenie dźwigni przyspieszenia (APP) na badanej trasie przejazdu. Maksymalne wartości APP nie przekraczają wartości 80% i utrzymują się średnio na poziomie 60% w przypadku kierowcy 1 obsługującego autobus rano i wczesnym popołudniem. Po zmianie kierowcy można zauważyć, że wartości APP osiągają wartości 100%, a średnio utrzymują się na poziomie 80%. Dynamiczna zmiana położenia dźwigni przyspieszenia zmniejsza również komfort podróży pasażerów. Rys. 3. Przebieg zmian obciążenia silnika autobusu Mercedes Conecto wyrażonego przez procent położenie dźwigni przyspieszenia (APP): kierowca A (górny), kierowca B (dolny). 1613

5 Gwałtowne zmiany APP wpływają na prędkość obrotową wału korbowego silnika badanego autobusu (n), której przebieg został przedstawiony na rysunku 4. Dla kierowcy A maksymalna prędkość obrotowa n oscyluje wokół 1450 obr/min i jego przebieg jest charakteryzuję mniejszą dynamika zmian. W przypadku kierowcy B maksymalna prędkość obrotowa n wynosi średnio 1550 obr/min. Z przebiegu prędkości n również można wywnioskować, kiedy na pętlach końcowych kierowca wyłączał silnik (n=0). W czasie swojej zmiany kierowca A wyłączał silnik 9 razy. W tym czasie silnik autobusu nie zużywał paliwa. Kierowca B na swojej zmianie wyłączył silnik tylko 4 razy. Rys. 4. Przebieg zmian prędkości obrotowej wału korbowego silnika autobusu Mercedes Conecto. Dynamiczne zmiany prędkości obrotowej wału korbowego silnika autobusu są nieodłącznie związane ze zmianami przełożeń automatycznej skrzyni biegów. Tym samym przebieg zmian prędkości autobusu jest wprost proporcjonalny do przebiegu prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Na rysunku 5 przedstawiono przebieg zmian prędkości jazdy autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. Kierowca A rzadziej niż kierowca B przekraczał prędkości jazdy powyżej 50 km/h. Analizując również powierzchnie białego pola pod linią przerywaną, można stwierdzić, że pole to dla kierowcy B jest zapełnione przebiegami prędkości. Autobus cały czas był eksploatowany z prędkościami jazdy jak najbliższymi wartości dopuszczalnej prędkości w terenie zabudowanym. Należy również zauważyć, że z dolnej części rysunku 5 na końcowym przystanku kierowca B ma więcej czasu na postój. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów drogowych rzeczywistych cykli jazdy autobusu miejskiego opracowano histogramy uzyskane z przebiegu zmian przyspieszenia badanego autobusu (rysunek 6). Jest to wynikiem zmian prędkości jazdy w czasie. Im zmiany prędkości trwają krócej tym większa jest wartość przyspieszenia. Maksymalne wartości przyspieszeń zarejestrowanych dla poszczególnych kierowców wynoszą: kierowca A 1,25 m/s 2, kierowca B - 1,5 m/s 2. W przypadku kierowcy B jest więcej przyspieszeń z dużą wartością niż w przypadku kierowcy B. Ujemnie to wpływa na komfort podróżowania dla pasażerów oraz trwałość układu napędowego. Automatyczna skrzynia biegów nie ma mechanicznego połączenia z wałem silnika tylko hydrokinetycznie i pozwala 1614

6 złagodzić te gwałtowne zmiany. Pociąga to za sobą proces poślizgu i emisji ciepła w automatycznej skrzyni biegów. Część paliwa jest tracona na tym procesie. Na rysunku 7 przedstawiono przebieg zużycia paliwa G autobusu Mercedes Conecto na badanej trasie przejazdu. Na swoich zmianach kierowcy w tym samym czasie pokonali identyczny dystans wynoszący około 160 km. Kierowca A eksploatując autobus zużył 69.7 dm 3 oleju napędowego (43 dm 3 /100 km), a kierowca B o prawie 15 % więcej (80.1 dm 3 oleju napędowego - 49 dm 3 /100 km). Średnio maksymalna wartość zużycia paliwa podczas eksploatacji autobusu przez kierowcę A wynosi około 35 l/h i nie przekracza wartości 50 l/h. Z kolei podczas eksploatacji autobusu przez kierowcę B średnio maksymalna wartość zużycia paliwa wynosi około 50 l/h i często chwilowo osiąga wartości 60 l/h. Zużycie to wynikało z przekroczenia wartości prędkości obrotowej wału korbowego silnika poza zakres ekonomicznych prędkości obrotowych (rysunek 4). Dla badanego silnika przedział, w którym zużycie paliwa osiąga wartości minimalne wynosi obr/min (rysunek 8). Również w czasie postojów przy eksploatacji autobusu na obydwu zmianach zarejestrowano zużycie paliwa na biegu jałowym na poziomie 3 l/h. Kierowca B poprzez dynamiczną jazdę miał dłuższe postoje i dodatkowo nie wyłączał silnika co dodatkowo pociągnęło zwiększone zużycie paliwa Rys. 5. Przebieg zmian prędkości jazdy autobusu Mercedes Conecto. 1615

7 Rys. 6. Histogram przyspieszeń autobusu Mercedes Conecto dm 3 ON 80.1 dm 3 ON Rys. 7. Przebieg zużycia paliwa autobusu Mercedes Conecto. 1616

8 Rys. 8. Wykres mocy i jednostkowego zużycia paliwa silnika OM 926 LA WNIOSKI Analizując sposób eksploatacji autobusu miejskiego przez dwóch losowo wybranych kierowców w czasie pojedynczego dnia można stwierdzić, że styl jazdy znacząco wpływa na zużycie paliwa. W tym określonym przypadku zużycie paliwa zwiększyło się o 15%. Miały na to wpływ: duże przyspieszenia podczas ruszania, jazda z duża prędkością, przekraczanie ekonomicznego przedziału prędkości obrotowej oraz nie wyłączanie silnika w trakcie dłuższych postojów i zwiększanie udziału przez to biegu jałowego w czasie całej eksploatacji. Eliminacja ostatniego czynnika jest z pewnością możliwa i przyczyni się na do zmniejszenia zużycie paliwa. Na pozostałe czynniki może mieć wpływ rozkład jazdy na poszczególnych przystankach i utrudnienia w ruchu ulicznym. Będzie to zmuszało kierowcę do dynamicznej jazdy by zachować punktualność przejazdów. W tym konkretnym analizowanym przypadku, kierowca z drugiej zmiany wyraźnie eksploatował autobus w sposób nieekonomiczny. Kolejnym aspektem, który w tej pracy nie został analizowany jest zużycie mechaniczne poszczególnych części zespołu napędowego takich jak silnik, skrzynia biegów, układ przeniesienia napędu i układ hamulcowy, wnikające ze sposobu eksploatacji. Nie jest to jednak możliwe na podstawie badań wykonanych w czasie jednego dnia. Wprowadzenie systemu motywowania kierowców za ekonomiczną jazdę oraz systemów elektronicznych wspomagających pracę kierowcy w postaci informowania o nieekonomicznej jeździe pozwoli zmniejszyć zużycie paliwa i podzespołów układu napędowego w firmie transportowej. Streszczenie W artykule przeanalizowano sposób eksploatacji autobusu miejskiego na przykładzie 12 metrowego Mercedesa Conecto LF spełniającego normę Euro 5. Pojazd wyposażony został w hydrokinetyczna skrzynie biegów z elektronicznym sterowaniem i retarderem. W celu zidentyfikowania rzeczywistych warunków pracy autobusu przeprowadzono badania drogowe polegające na rejestracji wybranych parametrów przez cały dzień pracy. W czasie 19 godzinnej eksploatacji autobus eksploatowało 2 kierowców. Każdy z nich przejechał dystans około 160 km. Przeanalizowano przebiegi obciążeń silnika wyrażonego przez chwilowe zużycie paliwa, przebiegi prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy, a także histogramy przyspieszeń. Analiza była prowadzona dla każdego kierowcy z osobna. Kierowca B w czasie eksploatacji autobusu na tej samej trasie zużył o 15 % więcej paliwa niż kierowca A. Miały na to wpływ gwałtowne zmiany obciążenia, eksploatacja autobusu powyżej zakresu ekonomicznego i nie wyłączanie silnika podczas postojów. Słowa kluczowe: autobus, badania drogowe, zużycie paliwa 1617

9 Analysis of the city bus operation Abstract The paper studies the operation of a city bus. The study case is a 12-meter Mercedes Conecto LF that satisfies the Euro 5 standard. The vehicle is equipped with an electronic hydrokinetic gearbox with a retarder. The real working conditions of the bus were determined by the road tests to record selected parameters over the entire working day. Two bus drivers, A and B, operated the bus for 19 hours, and each of them made a distance of about 160 km. The examined aspects include time courses of engine load given as instantaneous fuel consumption, time courses of engine velocity, vehicle s velocity and acceleration histograms. Each driver was examined separately. Driver B used on the same route by 15% more fuel than driver A, which results from rapid changes in load, operating the bus beyond its regular economic-use range and keeping the engine switched on during stops. Keywords: bus, road tests, fuel consumption Praca naukowa finansowana ze środków Programu Badań Stosowanych II NCBiR w latach jako projekt Opracowanie technologii autobusowych struktur fotowoltaicznych zmniejszających zużycie paliwa i emisję toksycznych składników spalin, nr PBS2/A6/16/2013. BIBLIOGRAFIA 1. Andrzejewski M.: Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych w spalinach, rozprawa doktorska, Poznań Ang, B.W., Fwa, T.F.: Study on the fuel-consumption characteristics of public buses. Energy 14, IEA, Transport, Energy and CO2. Paris Janusz P.: Ropa naftowa kierunki dostaw i struktura zużycia w Polsce w latach , NAFTA-GAZ, Styczeń Macor A., Rossetti A.: Fuel consumption reduction in urban buses by using power split transmissions, Energy Conversion and Management, Volume 71, s , Rossetti A., Macor A.: Multi-objective optimization of hydro-mechanical power split transmissions, Mechanism and Machine Theory, Volume 62, s , Szlachetka M., Barański G., Grabowski Ł., Majczak A.: Badania sprawności autobusowego silnika spalinowego w warunkach ruchu miejskiego, LOGISTYKA , nr 3, s