Pneumatyczno hydrauliczny układ odzyskiwania energii hamowania w pojazdach ciężarowych

Transkrypt

1 SIADKOWSKA Ksenia 1 SKIBA Krzysztof 2 Pneumatyczno hydrauliczny układ odzyskiwania energii hamowania w pojazdach ciężarowych WSTĘP Silniki spalinowe napędzają większość samochodów osobowych i ciężarowych w świecie. Pomimo swojej niewielkiej sprawności nadal stanowią podstawową jednostkę napędową dla większości nowych pojazdach ciężarowych. Energia zużywana na potrzeby transportu w UE w 96% pochodzi z ropy i produktów ropopochodnych [1].Producenci ciągle poszukują nowych rozwiązań technicznych mogących stać się alternatywą dla silników spalinowych. Nowe konstrukcje są coraz częściej wyposażone w hybrydy dodatkowe układ napędowe podnoszące moc i efektywność pracy spalinowej jednostki napędowej, oraz w systemy mające na celu zmniejszenie zużycia paliwa i ograniczenie emisji CO 2.Oszczędnościom przysłużyć mają się również aerodynamiczne kształty nadwozi pojazdów zmniejszające opory powietrz chociaż o kilka procent. Znaczne większe oszczędności można poczynić odzyskując już wygenerowaną energię. Pojazd w trakcie hamowania w wyniku tarcia klocków hamulcowych o tarczę traci bezpowrotnie cenną energię pozyskaną z paliwa. System KERS (z ang. kineticenergyrecovery system) zapobiega tym stratom. Dzięki temu systemowi możliwe jest odzyskiwanie i przechowywania energii kinetycznej hamowania, która może zostać ponownie wykorzystana w pojedzie. 1 SYSTEMY KERS STOSOWANE W POJAZDACH Napęd hybrydowy tworzy najczęściej połączenie silnika spalinowego z elektrycznym. Wiodącym producentem w tej dziedzinie jest firma Renault Trucks. Komputer pokładowy steruje pracą silników, gdy potrzebna jest mniejsza moc system uruchamia tylko silnik elektryczny, gdy zapotrzebowanie wzrasta układ przełącza się na napęd spalinowy. Oba źródła napędu mogą również pracować jednocześnie w chwili gdy wymagana jest maksymalna moc. Renault Midlum wyposażony jest w napęd elektryczny z PVI 103 kw / 400 V silnik elektryczny, akumulatory litowo-jonowe o łącznej pojemności 85 kwh, silnika wysokoprężnego DXi 5. Akumulatory można ładować w czterech godzin z zasilania trójfazowego na 380 wolt i 64 amper. Samochód hybrydowy wykorzystuje silnik elektryczny również jako generator i doładowania akumulatorów pokładowych w czasie hamowania. Przeprowadzone przez firmę badania wykazują 24% oszczędność zużycia paliwa oraz 20% redukcję emisji CO 2 do atmosfery[2]. Konkurencyjne firmy takie jak MAN, DAF, Mercedes, IVECO również rozwijają systemy KERS w swoich pojazdach ciężarowych z układam hybrydowym opartym na silniku elektrycznym i bateriach litowo-jonowych. Podstawowym problemem jest jednak czas ładowania akumulatorów. W trakcie hamowania generowana jest znacznie większa moc niż ta jaką mogą w tym czasie zmagazynować zespół baterii, dlatego też efektywność tego typu systemów nie przekracza 30%. Łączna waga systemu wynosi 270kg z czego 180kg ważą baterię litowo-jonowe. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, tel: , k.siadkowska@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, tel: , k.skiba@pollub.pl 9486

2 Rys. 1. System KERS stosowany przez Renault Trucks w ciężarówce Midlum.[7] Największe światowe koncerny produkujące pojazdy ciężarowe prowadzą testy innych, nowych rozwiązań układów do odzyskiwania energii hamowania.firma Volvo Car Group proponuje system KERS wykorzystujący koło zamachowe jako magazyn energii. Przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność tego rozwiązania. System zastosowany wraz z turbodoładowanym czterocylindrowym silnikiem pozwala zwiększyć jego moc o dodatkowe 80 KM i uzyskać osiągi odpowiadające silnikom sześciocylindrowym z turbo sprężarko ograniczając przez to zużycie paliwa o 25%. System składa się z specjalnej przekładni oraz koła zamachowego wykonanego z włókien węglowego o masie 6 kg i średnicy 200 mm. wirującego z prędkością obr./min w próżni, celem ograniczenia strat wywołanych przez opory powietrza. W trakcie hamowania, energia hamowania powoduje obracanie się koła zamachowego, a podczas startu samochodu, energia wirującej masy zostaje przekazana ponownie na tylną oś. Rys. 2. System KERS firmy Volvo [8] System ten jest znacznie mniejszy i lżejszy w stosunku do baterii litowo-jonowych stosowanych w hybrydach elektrycznych, wykazuję również dwukrotnie wyższą efektywność odzyskiwania energii podczas hamowania. Podstawową wadą tego systemu jest krótki czas przechowywania zgromadzonej energii. Układ dedykowana jest przede wszystkim do pojazdów poruszających się w cyklu miejskim. Rozwiązania alternatywnym do przechowywania energii w transport są hybrydy hydrauliczne. Firma Bosch we współpracy z PSA Peugeot Citroën skonstruowała pierwszy na świecie pojazd hybrydowy, w którym zapas energii magazynowany jest w hydropneumatycznym akumulatorze ciśnieniowym. Podczas hamowania pompa hydrauliczna sprzęgana jest z układem napędowym i 9487

3 tłoczy płyn do hydrauliczno-gazowego akumulatora ciśnienia. Energia kinetyczna zostaje zamieniona na energię hydrostatyczną w postaci sprężonego do 300 barów gazu wypełniającego część wysokociśnieniowego zbiornika. W tym czasie główny silnik nie pracuje. Zgromadzona energia wykorzystywana jest w trakcie startu pojazdu wspomagając silnik spalinowy. Oszczędność paliwa w pojeździe z hydrauliczno-mechanicznym napędem wynosi do 35%. W porównaniu z bateriami litowojonowymi wykorzystywanymi w samochodach elektro-hybrydowych akumulatory ciśnieniowe mają mniejszą pojemność eklektyczną lecz ich ładowanie i rozładowywanie trwa znacznie krócej, co pozwala bardziej efektywnie wykorzystywać odzyskaną energię. Testy prowadzone są na autach osobowych, docelowo system ma być zastosowany również w autach dostawczych i ciężarowych. Rys. 3. Podwozie z systemem KERS firmy PSA Peugeot Citroën [9] 2 KONCEPCJA UKŁADU ODZYSKIWANIA ENERGII W POJAZDACH CIĘŻĄROWYCH Samochody ciężarowe są znacznie cięższe od osobowych posiadają przez to większą energię kinetyczną podczas hamowania. Pojazdy te oprócz hamulca zasadniczego wyposaża się hamulec pomocniczy retarder, służący do długotrwałego hamowania np. podczas zjazdu z stromych zboczy. Retardery wykorzystują zjawiska hydrodynamiczne. Dwa symetryczne wirniki zaopatrzone w promieniowe łopatki tworzą razem torus, który wypełniony jest w różnym stopniu olejem. Jeden z wirników połączony jest poprzez wał retardera z wałem napędowym pojazdu, drugi zaś zwany statorem unieruchomiony na stałe w obudowie retardera. W momencie włączenia retardera do przestrzeni między dwoma wirnikami wtłaczany jest olej. Rotor przetłacza olej, który z kolei jest wyhamowywany w statorze. Dzięki temu rotor jest spowalniany, a pojazd hamuje. Wytworzone podczas tego procesu ciepło oddawane jest do otoczenia. Energia kinetyczna jaką posiada ciężarówka o masie 40t (40000kg), poruszającej się z prędkością 90km/h (25 m/s 2 ) można oszacować stosując wzór: (1) gdzie: m masa ciała (kg) V prędkość ciała(m/s2) Zatem energia kinetyczna wynosi: 9488

4 Przyjmując sprawność silnika diesla na poziomie 35% i nie uwzględniając oporów aerodynamicznych do uzyskania energii kinetycznej o wartości 12,5 MJ w postaci poruszającej się ciężarówki o masie 40t z prędkości 90km/h zużyto 35,71 MJ energii pozyskanej z oleju napędowego. Zgodnie z normą PN-EN 590: olej napędowy posiada wartość energetyczną równą 36MJ[5], zatem każdorazowe zatrzymanie pojazdu z użyciem klasycznych hamulców powoduje bezpowrotna utratę 1l paliwa napędowego. Przekładowo agregat chłodniczy stosowany do naczep chłodniczych utrzymujący stała temperaturę na poziomie 0 stop. C, zużywa z ciągu godziny 10 kw energii eklektycznej co odpowiada 36MJ. Stosując system KERS w pojazdach chłodniczych i odzyskujący części tej energii można znacząco ograniczyć zużycie paliwa silnika spalinowego napędzającego ten agregat. Rozwiązaniem jest system będący hybrydą obecnych rozwiązań układów odzyskujących energię hamownia, oraz układu pneumatycznego i hydraulicznego. System składała się z układu pozyskującego energię z hamowania, układu magazynującego i układu dystrybuującego innym układom pojazdu. Urządzenie pozyskujące energię składa się z pompy hydraulicznej połączonej z głównym wałem napędowym poprzez koło zamachowe. W momencie zwalniania lub hamowania pojazdu energia kinetyczna przekazywana jest na wirującą koło, a następnie do pompy hydraulicznej. Takie rozwiązanie umożliwia pozyskanie większej energii w trakcie hamowania i uniezależnia czas przekazywania energii do pompy od czasu trwania hamowania. Układ połączony jest również z retarderderem. Pozwoliła to na odzyskanie większej energii kinetycznej i umożliwia przekazanie jej w całości do zmagazynowania w zbiornikach powietrznych w postaci gazu o ciśnieniu 200bar. Zbiorniki mogą być umieszczone zarówno w nadwoziu pojazdu jak również w podwoziu naczepy połączonych ze sobą układem pneumatycznym. Zgromadzona energia potencjalna w ciśnieniu gazu może zostać wykorzystana do napędu sprężarki klimatyzatora, zasilenia układu pneumatycznego pojazdu, lub zostać ponownie wykorzystana jako napęd przedniej osi w trakcie startu. Firma MAN posiada w swojej ofercie modele ciężarówek wyposażonych w system HydroDrive zwiększający trakcję pojazdu. Możliwe jest zatem stosowanie przedstawionego rozwiązania w pojazdach będących już w sprzedaży. (2) Rys. 4. System HydroDrivefirmy MAN [10] PODSUMOWANIE Poruszający się pojazd wykonujący częste postoje na swojej tracie przejazdu generują nieodwracalne straty energetyczne. Pozyskanie energii kinetycznej w czasie hamowania oraz magazynowanie energii w postaci spędzonego gazu do celu ponownego napędu pojazdu po postoju 9489

5 przyczynia się do zminimalizowania zużycia paliwa. Ekonomiczny aspekt stosowania systemu KERS ze względu na występowanie znacznych przemian energetycznych podczas startu i hamowania jest jeszcze bardziej widoczny w pojazdach ciężarowych. Zastosowanie przedstawionego w artykule autorskiego pomysłu systemu odzyskiwania energii jeszcze bardziej przyczyni się do bardziej efektywnego wykorzystania systemu hamowania rekuperacyjnego. Możliwość wykonania systemu z dostępnych na ryku podzespołów daję nadzieję na szybkie wykonanie badań i wdrożenie systemu do seryjnej produkcji. Streszczenie W artykule ukazano najnowsze rozwiązania techniczne stosowane w motoryzacji do odzyskiwania energii kinetycznej podczas hamowania. Przedstawiono również autorską koncepcje zastosowania systemu hamowania rekuperacyjnego w pojazdach ciężarowych. Zaprezentowano rozwiązanie zwiększające skuteczność odzyskiwania energii kinetycznej w trakcie hamownia i możliwość szybkiego magazynowania w pneumatycznohydraulicznym układzie KERS. Pneumatic - hydraulic regenerative braking in trucks. Abstract The article shown the latest technology used in the automotive industry for the recovery of kinetic energy during braking. It also presents the author's concepts of the use of recuperative braking system in trucks. Presented solution to increase the efficiency of energy recovery during braking and the ability to quickly store a pneumatic-hydraulic KERS system. BIBLIOGRAFIA 1. Asan Bennett Diesel Engine Delmar Cengage Learning 2. Caroline Bingham DK Big Book of Trucks DK Publishing Dawid Szenajch Napęd i sterowanie pneumatyczne Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Lastauto Omnibus Katalog samochodów ciężarowych i autobusów na 2013 r Motorbuchverlag Norma PN-EN 590: /AC Paliwa do pojazdów samochodowych, Oleje napędowe, Wymagania i metody badań 6. Paweł Król Automatyka w transporcie PAN Polska/Aktualnosci/Pierwsze-pozytywne-wyniki-testow-dystrybucyjnego-Premium-Hybrys-Tech percent /photo_01.htm