Укрупненный проектировочный расчет параметров гибридной силовой установки для системы быстрого городского автобусного транзита (БГАТ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Укрупненный проектировочный расчет параметров гибридной силовой установки для системы быстрого городского автобусного транзита (БГАТ)

Шелмаков П.С.,

Шелмаков С.В.

Быстрый городской автобусный транзит (БГАТ) - это высококачественная, базирующаяся на автобусах транспортная система, которая удовлетворяет потребности горожан в быстрой, удобной и рентабельной мобильности, путем создания инфраструктуры выделенных полос движения, обеспечения быстрых и частых рейсов, а также использования передового уровня в маркетинге и обслуживании клиентов [1].

Фактически, БГАТ такая же удобная и эффективная система, как система рельсового транспорта, но требующая при этом намного меньше финансов. Стоимость систем БГАТ обычно от 4 до 20 раз меньше (БГАТ - $0,5…$14 млн/км), чем стоимость трамвайной или легкорельсовой транспортной системы (ЛРТ - $15…$45 млн/км) и от 10 до 100 раз меньше, чем метро (МРТ - $45…$350 млн/км). Сроки строительства систем БГАТ также существенно меньше (1…3 года после создания концепции), чем систем рельсового транспорта.

Пассажирооборот в системе БГАТ может составлять от 3000 до 45000 пассажиров в час в одном направлении (п/ч/н), в то время, как пассажирооборот однополосной автомобильной дороги составляет 1500…3000 п/ч/н, традиционных автобусных линий - 500…5000 п/ч/н, трамвая и ЛРТ - до 12000 п/ч/н, а метро - от 25 000 до 80 000 п/ч/н.

На сегодняшний день БГАТ все чаще применяется в городах, заинтересованных в рентабельных транспортных решениях. Высококачественные массовые системы БГАТ уже существуют как в развивающихся странах, в таких городах, как Богота (Колумбия), Куритиба (Бразилия), Кито (Эквадор), Джакарта (Индонезия), Мехико (Мексика), Тайбэй (Тайвань), Гуанджоу (Китай) и др., так и в развитых странах, в таких городах как Оттава (Канада), Лос-Анджелес (США), Брисбен (Австралия), Эйндховен (Нидерланды), Руан (Франция) и др.

Отличительными особенностями систем БГАТ являются:

• Физически выделенные автобусные полосы, которые предназначены для постоянного и исключительного использования общественными транспортными средствами.

• Закрытые, защищенные и контролируемые автобусные остановки с турникетами оплаты проезда перед входом и высотой пола, соразмерной высоте пола автобуса.

• Высокое качество оказания услуг, удобство, безопасность и скорость обслуживания, сравнимые с метро.

• Высокая степень интеграции с другими видами общественного городского транспорта, велосипедной и пешеходной инфраструктурой.

Особенностью данной системы является также использование специализированных автобусов, соответствующих конструкции инфраструктуры и условиям эксплуатации. Транспортные средства должны иметь большую пассажировместимость и пропускную способность дверных проёмов для снижения времени посадки и высадки пассажиров. Высокопольные автобусы имеют преимущество с этой точки зрения, у них на 20…30% ниже затраты на обслуживание и приобретение, а также такая компоновка позволяет установить комбинированную силовую установку между передней и задней осью автобуса. Кроме того, автобус оснащается откидным пандусом для организации посадки с уровня платформы, удобства и безопасности пассажиров, в том числе инвалидов, родителей с детскими колясками, велосипедистов.

Условия эксплуатации автобусов БГАТ характеризуются:

• высокими требованиями к надёжности и безопасности;

• явно выраженным циклическим режимом движения;

• интенсивными разгонами и замедлениями;

• частыми технологическими остановками для посадки и высадки пассажиров;

• высокими требованиями к экономичности и экологичности (выбросы загрязняющих веществ, шум).

Конфигурация силового агрегата у транспортных средств для БГАТ может быть довольно разнообразной [1, 2]:

1. ДВС - двигатель внутреннего сгорания (дизельный или газовый, поршневой или газотурбинный);

2. Электромотор, питаемый от контактной электросети (троллейбус);

3. Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи (электробус);

4. Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи и генератора с приводом от ДВС (последовательный гибрид);

5. ДВС и электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи и генератора с приводом от ДВС (параллельный гибрид);

6. Электромотор, питаемый от накопителя энергии (аккумуляторной батареи или суперконденсатора), подзаряжаемого на остановочных пунктах от контактной или беспроводной сети (т.н. OLEV On-Line Electric Vehicle - подзаряжаемый на маршруте электробус);

7. Электромотор, питаемый от батареи топливных ячеек (Fuel Cell Electric Vehicle электробус с топливными ячейками);

8. Электромотор, питаемый от аккумуляторной батареи с подзарядкой от фотогальванических элементов (электробус с фотогальванической подзарядкой).

В данной статье будет проведена укрупнённая оценка параметров силовой установки для системы БГАТ наиболее распространённых на практике вариантов. Для решения данной задачи, прежде всего, следует определиться с типом и характеристиками транспортного средства, а также с типичными условиями движения автобусов на маршрутах БГАТ.

В качестве объекта исследования был выбран 12-метровый, 19-тонный автобус, рассчитанный на перевозку 100 пассажиров.

Для представления типичных условий движения, на основании рекомендаций [1], был разработан ездовой цикл, состоящий из трёх этапов: 1) движение от одного остановочного пункта до следующего без остановок; 2) движение в режиме полуэкспресса с остановками "через один" остановочный пункт; 3) движение от одного остановочного пункта до следующего с остановкой на перекрёстке. Относительная весомость этапов была принята одинаковой. Максимальная скорость движения на полосах БГАТ принята 70 км/ч. Расстояние между остановочными пунктами - 500 м. Время стоянки на остановочных пунктах - 25 с. Время стоянки на перекрёстке - 25 с. Расстояние от перекрёстка до остановочного пункта - 100 м. Общая протяжённость ездового цикла - 2100 м.

На рис. 1 показана зависимость скорости автобуса с ДВС мощностью 290 кВт и 6ступенчатой КПП от времени движения по ездовому циклу БГАТ. Данная зависимость получена при помощи компьютерного моделирования с использованием программного комплекса "Автомобиль", разработанного в МАДИ [3]. Она положена в основу анализа энергетических балансов автобусов с разными вариантами энергоустановок.

На рис. 2 показан энергетический баланс автобуса БГАТ в разработанном ездовом цикле. Суммарные затраты энергии на тягу составили 5,42 кВт*ч, что соответствует 2,58 кВт*ч/км.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе "электродвигатель мощностью 290 кВт", ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 258 кВт*ч для обеспечения запаса хода 100 км. автобусный транзит силовой

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 3 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления. Мощность рекуператора принята равной мощности тягового двигателя, а КПД данного оборудования принят равным 70%.

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт*ч энергии (примерно треть от полной энергии замедления), и итоговые затраты энергии в ездовом цикле составляют 4,16 кВт*ч, что соответствует 1,98 кВт*ч/км. Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 4,32 кВт*ч или 2,06 кВт*ч/км.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе "электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70%)", ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 206 кВт*ч для обеспечения запаса хода 100 км.

На рис. 4 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления и дополнительным энергоисточником для постоянной подзарядки бортового накопителя энергии. В качестве дополнительного энергоисточника была подобрана пара "двигатель + генератор". Двигатель вырабатывает постоянную мощность 74 кВт, а генератор имеет КПД=92%. Подбор мощности двигателя производился исходя из требования обеспечения "нулевого" баланса энергопотребления в ездовом цикле. При этом следует иметь в виду, что указанная мощность не является номинальной мощностью двигателя, которая может быть на 30% больше. Это связано с фиксацией работы двигателя при приводе генератора на режиме максимальной эффективности, а не на режиме номинальной мощности. Таким образом, номинальная мощность двигателя будет составлять порядка 100 кВт.

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт*ч энергии, дополнительный энергоисточник вырабатывает за цикл 4,19 кВт*ч энергии, таким образом, итоговый баланс энергии в ездовом цикле "обнуляется". Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 1,41 кВт*ч.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе "электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70%) + ДВС мощностью 100 кВт + генератор мощностью 74 кВт и КПД=92%", ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 1,41 кВт*ч. При этом запас хода автобуса ограничивается только запасом топлива для работы дополнительного энергоисточника (ДВС).

На рис. 5 представлен энергетический баланс автобуса БГАТ с оборудованием для рекуперации энергии замедления и оборудованием для быстрой периодической подзарядки бортового накопителя энергии от внешней электросети во время пребывания автобуса на остановочных пунктах. Мощность зарядного устройства подобрана на уровне 223 кВт, а его КПД составляет 90%. Подбор мощности зарядного устройства производился исходя из требования обеспечения "нулевого" баланса энергопотребления в ездовом цикле.

Как видно из рисунка, за счёт рекуперации энергии замедления удаётся вернуть 1,26 кВт*ч энергии, зарядное устройство пополняет запасы энергии за цикл на 4,18 кВт*ч, таким образом, итоговый баланс энергии в ездовом цикле "обнуляется". Однако максимум графика итоговых энергозатрат достигает значения 2,27 кВт*ч.

Это означает, что при использовании энергоустановки автобуса в составе "электродвигатель/генератор мощностью 290 кВт + оборудование для рекуперации энергии замедления (КПД=70%) + зарядное устройство мощностью 223 кВт и КПД=90%", ёмкость бортового накопителя энергии должна составлять 2,27 кВт*ч. При этом запас хода автобуса не ограничивается (т.е. он ограничивается только протяженностью маршрутной сети, на которой имеются станции подзарядки).

Таким образом, в результате проведённых расчётов получены ориентировочные (в рамках принятых допущений) значения параметров гибридной силовой установки для системы быстрого городского автобусного транзита (БГАТ). Полученные ориентиры лягут в основу выбора конкретных образцов оборудования, а также в основу оценок эффективности рассмотренных вариантов.

Литература

1. Скоростные автобусные перевозки. Руководство по планированию. / Нью-Йорк: Институт политики транспорта и развития (США). Издание третье, июнь 2007 г.

2. С. Флоренцев, Л. Макаров, В. Менухов, И. Варакин. Экономичный экологичный гибридный городской автобус. [Электронный ресурс]: [офиц. сайт]. - Режим доступа: http://www.russianelectronics.ru/skachivanie/44113/0/ (Дата обращения: 20.01.2016).

3. Трофименко Ю.В., Шелмаков С.В. Оценка токсичности и топливной экономичности автотранспортных средств в ездовых циклах. - Транспорт: наука, техника, управление. - 1994. - №3. - с. 56 - 63.

Размещено на Allbest.ru