BAJERLEIN Maciej 1 RYMANIAK Łukasz 2 SIEDLECKI Maciej 3 Opracowanie testu jezdnego do oceny zużycia paliwa w cyklu podmiejskim dla autobusów wyposażonych w napędy hybrydowe WSTĘP Badania wskaźników ekologicznych oraz zużycia paliwa silników autobusów miejskich prowadzone są na hamowniach silnikowych. Jednostki napędowe pojazdów tego typu przechodzą różnego rodzaju procedury homologacyjne, w których zawarte są testy statyczne i dynamiczne związane z kolejnymi normami Euro [3]. Ponieważ pomiary realizowane są na stanowiskach hamownianych, w warunkach laboratoryjnych, często otrzymane wyniki nie są adekwatne do rzeczywistych wartości emisji zanieczyszczeń oraz zużycia paliwa uzyskiwanych w testach drogowych [1].Dodatkowo pomijany jest wpływ konstrukcji autobusu na pracę silnika spalinowego, są to m.in. masa, opory toczenia, opory aerodynamiczne, rodzaj układu napędowego itp. Producenci omawianej grupy pojazdów ciężkich nie są zobligowani do podawania ich zużycia paliwa w warunkach rzeczywistych. W celu określenia tych wartości, opracowywane są specjalne procedury testowe przez podmioty chcące uzyskać takie informacje, potrzebne np. w czynnościach przetargowych. Brak ujednolicenia w testach symulujących warunki rzeczywiste związany jest z różnorodnością warunków ruchu w poszczególnych miastach, krajach itp. Ma to przede wszystkim związek z lokalnym ruchem ulicznym, a także obowiązującymi normami, jeśli chodzi o dopuszczalną prędkość poruszania się, częstotliwością występowania przystanków itp. Z tego powodu powstało wiele cykli jezdnych mających odwzorować warunki pracy pojazdu w zależności od miejsca przeprowadzania badań. Testy prezentowane są w formie wykresów zależności prędkości od czasu. Cykle jezdne skupiają się na zużyciu paliwa i mogą także dotyczyć substancji szkodliwych do atmosfery (np. zużycie paliwa jest związane z emisją CO 2 ) [2]. 1 BADANIA AUTOBUSU MIEJSKIEGO W RZECZYWISTYCH WARUNKACH EKSPLOATACJI 1.1 Obiekt badań Układy hybrydowe w autobusach miejskich stają się coraz popularniejsze, ze względu na zmniejszenie ich negatywnego wpływu na środowisko wskutek ograniczenia zużycia paliwa. W przypadku tego typu pojazdów zabudowa układu hybrydowego wiąże się z mniejszymi trudnościami niż w samochodach osobowych, tzn. akumulatory mogą zostać przeniesione na duży dach pojazdu, podobnie jak ich układ chłodzenia, nie ograniczając przestrzeni pasażerskiej wewnątrz.. Sama ich masa stanowi też mniejszy część całkowitej masy autobusu. Ponadto ważnym zagadnieniem, sprzyjającym stosowaniu alternatywnych napędów w pojazdach komunikacji miejskiej, jest możliwość odzyskiwania energii podczas hamowania, która przekłada się na wzrost efektywności energetycznej w czasie przejazdu określonej trasy z dużą ilością przystanków. Badanym obiektem był autobus miejski wyposażony w napęd hybrydowy o konfiguracji szeregowej (rysunek 1). W pojeździe o długości 18 m jako pierwotne źródło napędu wykorzystano silnik ZS o pojemności 6,7 dm 3 (moc znamionowa: 209 kw przy 2300 obr/min, maksymalny moment obrotowy 1008 Nm przy 1200 obr/min). W szeregowym napędzie hybrydowym silnik nie ma 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o.; ul. Sarni Stok 93, 43-300 Bielsko-Biała, Tel.: (+48) 61 647 5959, Fax: (+48) 61 6652204, e-mail: maciej.bajerlein@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: +48 61665 5959, Fax: +48 61 665 2204, e-mail: lukasz.m.rymaniak@doctorate.put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: +48 61 665 2791, Fax: +48 61 665 2204, e-mail: maciej.s.siedlecki@doctorate.put.poznan.pl 1559
bezpośredniego połączenia z kołami jezdnymi pojazdu, a wykorzystywany jest jedynie w połączeniu z prądnicą jako generator prądu. Wytworzona energia elektryczna jest magazynowana w zasobnikach energii, skąd kierowana jest do kół jezdnych, gdzie silniki elektryczne zamieniają ją na energie kinetyczną. W tego typu napędzie istotnym zagadnieniem jest stworzenie układu sterowania przepływem energii elektrycznej, który zapewni jej optymalne wykorzystanie w zależności od warunków eksploatacji. Rys. 1. Autobus Solaris Urbino 18 wykorzystywany do badań 1.2 Aparatura do pomiaru emisji w warunkach drogowych Do przeprowadzenia pomiarów wykorzystany został mobilny przyrząd SEMTECH DS przeznaczony do badań w rzeczywistych warunkach ruchu, klasyfikowany do grupy PEMS (Portable Emissions MeasurementSystems). Przyrząd ten przeznaczony jest do realizacji pomiarów badań zarówno dla silników ZI, jak i ZS dla norm Euro 3 i nowszych (rysunek2). a) b) c) Rys. 2. Mobilny przyrząd SEMTECH DS: a) widok urządzenia, b)schemat działania, c) widok sondy masowego natężenia przepływu [4] Zasada działania urządzenia została przedstawiona na rysunku 2b. Gazy wylotowe badanego pojazdu kierowane są do sondy masowego natężenia przepływu spalin (rysunek 2c), skąd pobierana jest próbka kierowana do urządzenia. Badana objętość gazów transportowana jest grzaną drogą do zestawu analizatorów. Zastosowanie podgrzewanego przewodu ma zapobiegać wykraplaniu się węglowodorów wskutek różnicy temperatur. Następnie gazy trafiają do filtra, gdzie odseparowywane są cząstki stałe. Tak przygotowana próbka kierowana jest do kolejnych analizatorów, badających 1560
poszczególne składniki spalin. Pierwszy analizator FID (Flame Ionization Detector) wykorzystywany jest do badania węglowodorów. W kolejnym etapie schładza się spaliny do temperatury ok. 4 o C i kieruje się badaną objętość do analizatora NDUV (Non-dyspersive Detector Ultra Violet) w celu pomiaru tlenków azotu. W dalszej kolejności określana jest zawartość tlenku i dwutlenku węgla w analizatorze NDIR (Non-Dyspersive Detector Infra Red). Ostatnim etapem jest badanie zawartości tlenu w spalinach metodą elektrochemiczną. Analizator umożliwia synchronizację z systemem pozycjonowania GPS, połączenie z siecią WLAN, a także komunikacje z OBD pojazdu [5]. Na podstawie otrzymanej emisji drogowej wyznaczane jest zużycie paliwa metodą bilansu węgla. 1.3 Trasa przejazdu Trasa badawcza została dobrana w taki sposób, aby w jak największym stopniu uzyskać warunki podmiejskiej eksploatacji (rysunek 3). Często pojazdy komunikacji miejskiej obsługujące tego typu linie w pewnym niewielkim zakresie poruszają się w centrum miasta, co pozwala podróżującym wygodnie przesiąść się do kolejnych środków lokomocji. Fakt ten został uwzględniony podczas przygotowywania trasy przejazdu. Zaczynała się ona w podpoznańskim Bolechowie, prowadziła w kierunku zachodnim do miejscowości Biedrusko, a następnie do centrum Poznania. Koniec trasy zaplanowano przy ulicy Aleje Niepodległości. Całkowita długość drogi pomiarowej wyniosła 26.1km przy średniej prędkości przejazdu 26,2 km/h. Rys. 3. Wybrana trasa podmiejska [6] 1.4 Wyniki badań i ich analiza W celu opracowania cyklu jezdnego wyznaczono średnie wartości podstawowych parametrów pracy pojazdu tj. prędkości, przyspieszeń i czasów trwania zatrzymań. W tym celu poddano analizie dane zarejestrowane przy wykorzystaniu odbiornika GPS. Z danych tych obliczono wartości przyspieszeń i opóźnień średnich dla trasy przejazdu. Uzyskany profil prędkości jazdy zarejestrowany w rzeczywistych warunkach eksploatacji przedstawiono na rysunku 4. Na podstawie przebiegu prędkości stwierdzono, że składa się on głównie z jednostajnych przyspieszeń do pewnej wartości prędkości i hamowań. Spowodowane było to przez lokalne warunki drogowe (sygnalizacja świetlna, ruch uliczny itp.). Maksymalne prędkości przekraczają poziom 60 km/h (maksymalna wartość to 63 km/h). Widoczny jest także wyraźny udział czasu postoju w zarejestrowanym przejeździe. Obliczone przyspieszenia pojazdu przedstawiono na rysunku 5.Zdecydowana większość uzyskanych wartości nie przekracza 1,5 m/s 2, co jest wielkością 1561
gwarantującą odpowiedni komfort dla podróżnych, niepowodującą zbyt dużych przeciążeń dla pasażerów autobusu. Gwałtowne przyspieszenia związane były z lokalnym natężeniem ruchu, np. konieczne było szybkie włączenie się do ruchu po wyjeździe z zatoki przystankowej. Hamowanie pojazdu charakteryzowane jako jego opóźnienie przedstawiono na rysunku 6. Wartości osiąganych opóźnień przez autobus w czasie przejazdu w rzeczywistych warunkach ruchu są większe co do wartości bezwzględnej niż w przypadku przyspieszeń i w większości przypadków nie przekraczają wartości 2,5 m/s 2, co nie ma znaczącego wpływu na komfort podróży. Minimalne wartość wynoszące nawet około 4 m/s 2 są niekorzystne w przypadku przewozu pasażerów, ponieważ mogą zagrażać ich bezpieczeństwu. Tak duże wartości opóźnienia wynikały z niekorzystnych warunków drogowych. Rys. 4. Zależność prędkości od czasu dla trasy podmiejskiej Rys. 5. Zależność przyspieszeń od czasu dla trasy podmiejskiej Rys. 6. Zależność opóźnienia od czasu dla trasy podmiejskiej 1562
Jak wynika z charakterystyki udziału czasu pracy pojazdu, uzyskane prędkości mieściły się w zakresie 0 18 m/s (rysunek 7). Najczęściej występujący zakres przyspieszeń mieści się w przedziale 1 do 1 m/s 2 i stanowi89%w całym przejeździe testowym. Czas postoju pojazdu dla całego cyklu pomiarowego wyniósł 19,3%.Prędkość pojazdu w przedziale10 do 12 m/s stanowi drugi najczęściej powtarzający się przedział i wynosi14,9 % całkowitego udziału. Duże wartości prezentują także zakresy 8 10 (13.3%), 12 14 (10%) i 14 16 m/s (9,2%). Pozostałe przedziały uzyskują wartości poniżej 6%. Rys. 7. Procentowy rozkład przyspieszeń dla trasy podmiejskiej, gdzie V prędkość, a przyspieszenie, u i udział procentowy Na podstawie danych zarejestrowanych podczas przejazdu autobusu hybrydowego w rzeczywistych warunkach ruchu, przeprowadzono analizę statystyczną trzech wcześniej opisanych wielkości. Obliczono średnią arytmetyczną, odchylenie standardowe i wariancję. Umożliwiło to obliczenie niepewności standardowej i wyznaczenie przedziału ufności (rozkład T Studenta, poziom istotności 0,05), co pozwoliło wyznaczyć przedziały (wartość minimalna x d, maksymalna x g ), w których muszą zawierać się podstawowe parametry ruchu dla opracowywanego cyklu jezdnego. Wyniki analizy statystycznej zestawiono w tabeli 1. Tab.1. Wyniki analizy statystycznej dla przejazdu podmiejskiego Prędkość [m/s] Przyspieszenie [m/ s 2 ] Opóźnienie wartość bezwzględna [m/ s 2 ] Średnia arytmetyczna 7,35 0,40 0,66 Odchylenie standardowe 5,39 0,34 0,71 Wariancja 29,02 0,12 0,50 Niepewność standardowa 0,09 0,01 0,01 x g dla p. ufności 0,05 7,53 0,41 0,68 x d dla p. ufności 0,05 7,18 0,39 0,64 2 TEST JEZDNY DO OCENY ZUŻYCIA PALIWA W CYKLU PODMIEJSKIM DLA AUTOBUSÓW WYPOSAŻONYCH W NAPĘDY HYBRYDOWE W celu przeprowadzenia rzetelnych badań ekologiczności i energochłonności autobusów w rzeczywistych warunkach ruchu, konieczne jest opracowanie odpowiedniej trasy przejazdu. Ponieważ prowadzenie badań w warunkach miejskich jest trudnym i skomplikowanym procesem, opracowywane są rzeczywiste cykle jezdne, które mogą być realizowane na specjalnie przygotowanych do tego celu placach/drogach. Trasy takie powinny być jak najbardziej 1563
reprezentatywne dla danej grupy pojazdów, ze szczególnym uwzględnieniem lokalnych warunków eksploatacji, np.: średnie prędkości, obciążenie linii, czas postoju itd. Na podstawie zarejestrowanych danych z przejazdu rzeczywistego i wyników obliczeń przedstawionych w tabeli 1, opracowany został cykl jezdny dla autobusów miejskich wyposażonych w hybrydowe układy napędowe, reprezentujący podmiejskie warunki eksploatacji (rysunek 9). Dodatkowo podczas przygotowywania testu, analizie poddano struktury innych cykli jezdnych np.: SORT (Standarised On-Road Test), z uwzględnieniem sposobu ich budowy. Dla proponowanego testu jezdnego uśrednione z całego cyklu wartości wynoszą odpowiednio: prędkość 7,43 m/s, przyspieszenie 0,41 m/s 2, opóźnienie 0,68 m/s 2. Wartości te mieszczą się we wcześniej wymienionych przedziałach ufności. Czas trwania cyklu to 295 s, a całkowity jego dystans wynosi 2,223 km. Szczegółowy opis testu jezdnego, z uwzględnieniem chwilowych przyspieszeń, prędkości oraz postojów, przedstawiono w tabeli2. Tab. 2. Zależności parametrów ruchu od przedziału czasowego dla testu jezdnego do oceny zużycia paliwa w cyklu podmiejskim dla autobusów wyposażonych w napędy hybrydowe Czas [s] Parametry ruchu 0 4 Prędkość 0 km/h 5 30 Przyspieszenie do 45 km/h (średnie a=0,48 m/s 2 ) 31 33 Utrzymanie prędkości 45 km/h 34 40 Hamowanie do prędkości 30 km/h (średnie a=-0,59 m/s 2 ) 41 46 Utrzymanie prędkości 30 km/h 47 67 Przyspieszenie do 53 km/h (średnie a=0,31 m/s 2 ) 68 75 Utrzymanie prędkości 53 km/h 76 95 Hamowanie do prędkości 0 km/h ( średnie a=-0,74 m/s 2 ) 95 102 Prędkość 0 km/h 103 116 Przyspieszenie do 18,4 km/h (średnie a=0,36 m/s 2 ) 117 120 Hamowanie do prędkości 12,6 km/h ( średnie a=-0,40 m/s 2 ) 121 122 Utrzymanie prędkości 12,6 km/h 123 152 Przyspieszenie do 61 km/h (średnie a=0,45 m/s 2 ) 153 162 Utrzymanie prędkości 61 km/h 163 184 Hamowanie do prędkości 0 km/h ( średnie a=-0,77 m/s 2 ) 185 194 Prędkość 0 km/h 195 214 Przyspieszenie do 19,4 km/h (średnie a=0,27 m/s 2 ) 215 222 Hamowanie do prędkości 0 km/h ( średnie a=-0,77 m/s 2 ) 223 252 Przyspieszenie do 54 km/h (średnie a=0,52 m/s 2 ) 253 259 Utrzymanie prędkości 54 km/h 260 266 Hamowanie do prędkości 40 km/h ( średnie a=-0,67 m/s 2 ) 267 273 Utrzymanie prędkości 40 km/h 274 291 Hamowanie do prędkości 0 km/h ( średnie a=-0,65 m/s 2 ) 292 295 Prędkość 0 km/h 1564
Rys. 9.Opracowany test jezdny do oceny zużycia paliwa w cyklu podmiejskim dla autobusów wyposażonych w napędy hybrydowe WNIOSKI Przejazd autobusem hybrydowym na specjalnie dobranej trasie, w warunkach podmiejskich z aparaturą PEMS, umożliwił pomiar wskaźników pracy oraz wskaźników ekologicznych pojazdu w rzeczywistych warunkach ruchu. Z danych tych wyznaczono wartości charakteryzujące ruch pojazdu i poddano je opracowaniu statystycznemu. Na podstawie otrzymanych wyników zbudowano test jezdny reprezentujący warunki drogowe. Po wykonaniu badań weryfikacyjnych i wprowadzeniu ewentualnych korekt, możliwe jest wykorzystanie opracowanego cyklu pomiarowego do realizacji pomiarów zużycia paliwa autobusów hybrydowych. Cykl trwa 295 s, a do jego przejechania potrzebny jest odcinek prostej drogi o długości około2,3 km, przy uwzględnieniu fragmentu potrzebnego do wykonywania manewrów. Do pomiaru prędkości wykorzystać można optyczny czujnik prędkości. W celu oceny zużycia paliwa należy użyć odpowiedniego przepływomierza z oprzyrządowaniem zabudowanego w układzie paliwowym pojazdu lub wykorzystać aparaturę z grupy PEMS i na podstawie otrzymanych wskaźników ekologicznych obliczyć żądane wartości (przy wykorzystaniu metody bilansu węgla). Silnik spalinowy pojazdu, przed rozpoczęciem pomiarów, powinien być rozgrzany, a pojazd obciążony stałą masą odpowiadającą średniej masie pasażerów podróżujących na danej trasie podmiejskiej. Wymagane jest, aby droga w trakcie realizacji pomiarów pokonywana była co najmniej czterokrotnie w przeciwnych kierunkach (po dwa w każdą stronę), a otrzymane wyniki powinny być uśrednione. Takie postępowanie ma na celu wyeliminowanie wpływu nachylenia drogi oraz warunków otoczenia (m.in. kierunek wiatru dla którego maksymalna wartość nie może przekraczać 5 m/s) na wyniki badań. Wartości przyspieszeń i opóźnień są niewielkie, w związku z czym nowoczesne hybrydowe autobusy nie powinny mieć trudności z uzyskiwaniem zadanych parametrów ruchu. Dopuszczalne odchyłki prędkości podczas pomiaru przyjęto na poziomie ±2%. The research was funded by the National Centre for Research and Development the LIDER Programme (contract No. LIDER/02/72/L-3/11/NCBR/2012). Prace sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju program LIDER (umowa nr LIDER/02/72/L-3/11/NCBR/2012). Streszczenie W artykule przedstawiono metodykę oraz wyniki badań wykonanych w rzeczywistych warunkach eksploatacji, na podstawie których opracowano test jezdny. Prace dotyczyły autobusu miejskiego z napędem hybrydowym w konfiguracji szeregowej, obsługującego trasę podmiejską w okolicach aglomeracji poznańskiej. Dane dotyczące warunków pracy pojazdu w warunkach drogowych poddano analizie statystycznej. Zebrane informacje pozwoliły opracować wytyczne dla testu jezdnego przeznaczonego do oceny zużycia paliwa w cyklu 1565
podmiejskim dla autobusów wyposażonych w napędy hybrydowe. Średnie wartości przyspieszeń i prędkości założonego cyklu mieszczą się w założonych poziomach ufności opracowanych dla przejazdu rzeczywistego. W pracy zaprezentowano dokładny przebieg testu, z uwzględnieniem zależności parametrów ruchu od przedziału czasowego. Ponadto w pracy przedstawiono wytyczne dotyczące realizacji testu oraz analizy otrzymanych wyników badań. Development of road test to evaluate the fuel consumption for suburban buses equipped with hybrid powertrain Abstract The article presents the methodology and results of tests performed under real operating conditions, which used to develop new drive test. The work focused on the city bus with hybrid powertrain in a series configuration, supports suburban route in the vicinity of the agglomeration. Data on the working conditions of the vehicle in traffic were analyzed statistically. The information gathered helped develop guidelines for the driving test designed to assess the fuel cycle for suburban buses equipped with hybrid drives. Average values of acceleration and velocity were assumed cycle in the confidence levels developed for the real operating conditions. The paper presents the structure of the test, including the movement parameters depending on the time interval. In addition, the paper presents guidelines for the implementation of the test and the analysis of the obtained results. BIBLIOGRAFIA 1. Merkisz J., Badania emisji pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu, Silniki Spalinowe nr 3/2011 (146), p. 3-15, (2011). 2. Merkisz J., Molik P., Nowak M., Ziółkowski A., Cykle jezdne pojazdów komunikacji miejskiej na przykładzie aglomeracji poznańskiej, Logistyka 2012, nr 3. 3. Merkisz J., Pielecha J., Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych w świetle nowych przepisów Unii Europejskiej, WKiŁ, 2012. 4. Materiały firmy Semtech Inc. 5. Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., LIijewski P., The analysis of the PEMS measurements of the exhaust emissions from city buses using different research procedures, The 8th IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference VPPC 2012, Org. KIEE, Paper No. F20120618-0339 Seul 9-12.10.2012, s. 903-907. 6. Wykonano na podstawie: http://www.gpsvisualizer.com/ 1566