Автобусный парк "Автобус для мегаполиса"


 

Владимир ШЛЯХОВОЙ

Фото автора

 

По всему автобусу красочно расписано, как работает гибридная схема

 

Стоило включить зажигание, перевести селектор «автомата» в положение «D» и снять автобус с ручника, как он, набирая скорость, двинулся на подъём. И только после этого послышался звук заработавшего мотора…

Так началась моя поездка на автобусе MAN Lion’s City Hybrid с гибридной системой привода, который сегодня считается самым экологически чистым автомобилем с дизельным двигателем.

 

Когда компания MAN Truck & Bus Ukraine предложила посетить г. Аугсбург и протестировать прототип первого в мире предсерийного гибридного автобуса, который поступит в продажу уже в будущем году, отказаться я просто не смог. Тем более что интерес к гибридной технике растёт сейчас у перевозчиков прямо пропорционально росту цен на горючее. Ведь альтернативное энергообеспечение (а именно это и предусматривает гибридная технология) позволяет существенно снизить расходы на топливо. И хотя предложенная модель формально «гибридом» не была, это, бесспорно, серьёзный шаг в сфере энергосберегающих технологий.

По большому счёту гибридным считается транспортное средство, приводимое в движение разными источниками энергии. Как правило, это двигатель внутреннего сгорания плюс электричество. При этом электроэнергию могут вырабатывать солнечные батареи или топливные элементы (пока – скорее теоретически), либо поставлять аккумуляторы. Такая схема уменьшает зависимость от какого-то одного источника энергии и позволяет аккумулировать энергию торможения, превращая её в электрическую или химическую.

Собственно, больше всего топлива у городского транспорта «крадут» именно тормоза: не успел разогнаться – как уже приходится сбавлять скорость. И самое обидное, что при этом энергия, выработанная двигателем, не просто превращается в совершенно бесполезное тепло, но и приводит к износу тормозных систем.

На первый взгляд и в моторном отсеке не найдёшь никаких отличий

 

Во избежание этого во всём мире давно ведутся работы по рекуперации энергии торможения, т. е. по её накоплению с последующим использованием при трогании и разгоне автомобиля. В таком случае накопленная при торможении кинетическая энергия впоследствии сможет разогнать автомобиль. Насколько? Это зависит от эффективности систем, используемых для рекуперации энергии.

Компания MAN работает в этом направлении более тридцати лет, и уже успела накопить немалый опыт. Здесь сначала в лабораториях, а потом на практике были опробованы практически все соответствующие разработки, в том числе гироскопические энергоаккумуляторы, гидравлические аккумуляторы и в конечном счёте системы, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Первый экспериментальный гибридный городской автобус с гироскопическим маховиком-накопителем был построен ещё в 1975 г. Четыре года спустя здесь изготовили гибрид с гидравлическим накопителем энергии, а в 1987-м на городские улицы вышел дизель-электрический автобус с мотор-генераторами, вмонтированными в колёса. С приходом нового тысячелетия, ознаменовавшегося мировым ростом цен на горючее, работа в этом направлении активизировалась. Так, в 2000-м был изготовлен дизель-электрический городской автобус с никель-металл-гидридными батареями. А год спустя – такой же дизель-электрический «гибрид», аккумулирующий энергию в так называемых суперконденсаторах. В 2004-м свет увидела ещё одна новинка – гибридный городской автобус с водородными топливными элементами и никель-металл-гидридными аккумуляторами.

И, наконец, в 2005 г. был изготовлен дизель-электрический городской автобус, аккумулирующий энергию в сверхмощных конденсаторах, работа которого была признана наиболее эффективной. Два года спустя, учитывая опыт его эксплуатации, MAN изготовил модернизированный автобус аналогичного типа – прототип серийных машин, начало производства которых намечено на этот год.

 

Такой отсек с суперконденсаторами установлен на крыше гибрида

 

Конструкция и принцип работы

Автобус MAN Lion’s City Hybrid построен на базе низкорамной городской машины MAN Lion’s City и выполнен по схеме «последовательного гибрида», когда дизельный двигатель не имеет прямой связи с колёсами, а свою энергию передаёт к ним по проводам в виде электричества. Соответственно, в автобусе нет коробки передач, сцепления, карданного вала и заднего моста. При этом сравнительно маломощный двигатель D08 стандарта EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) приводит в действие высокоэффективный трёхфазный генератор, который вырабатывает энергию для обоих электрических тяговых мотор-генераторов.

Кроме того, силовая схема гибрида включает инвертор, преобразовывающий переменный ток в постоянный, и конвертор, снова преобразующий постоянный ток в переменный, который необходим для более эффективной работы колёсных электродвигателей. Естественно, все эти преобразования электричества серьёзно продуманы – в высоковольтную силовую линию постоянного тока, где напряжение достигает 700 В, включены ионисторы или суперконденсаторы, 12 модулей которых размещаются на крыше автобуса. Отказ от аккумуляторов в пользу конденсаторов был сделан по целому ряду причин. Да, действительно, аккумуляторы могут запасти гораздо больше энергии, чем конденсаторы. Но они дороже, тяжелее и ток заряда - разряда имеют весьма ограниченный. Но главное – у них небольшой срок службы, который составляет, как правило, около тысячи циклов заряда - разряда. А вот ионисторы – двухслойные электролитические конденсаторы повышенной ёмкости – выдерживают несколько сотен тысяч таких циклов, да и весят сравнительно немного.

Благодаря тому, что такие суперконденсаторы могут накапливать и отдавать большую энергию в очень короткий промежуток времени, они являются тем буфером, который накапливает энергию, вырабатываемую колёсными мотор-генераторами при торможении автобуса, а затем отдаёт её при начале движения. И хотя даже у самых современных конденсаторов ёмкость ограничена, запасаемой в них энергии всё-таки хватает, чтобы разогнать 18-тонный автобус после остановки без помощи двигателя внутреннего сгорания и, соответственно, без дополнительных выбросов вредных веществ.

Это табло – единственное, что отличает рабочее место гибрида от обычного автобуса

 

Конечно, КПД подобной схемы далёк от 100 %. И хотя его по вполне понятным причинам пока не называют, использование суперконденсаторов сегодня – наиболее энергосберегающее и жизнеспособное решение: потери энергии в таком случае намного меньше, чем при использовании обыкновенного механического гироскопа или любого другого накопителя энергии. Да и конструкция эта существенно проще. Но главное, что при помощи конденсаторов можно рекуперировать гораздо большую долю энергии торможения, чем это позволяет какая-либо другая система.

К этому можно добавить, что MAN Lion’s City Hybrid, оснащённый двигателем D08 стандарта EEV, в сочетании с серийной гибридной системой привода относится к самым экологичным дизельным автомобилям линейки MAN. И благодаря экономии топлива, достигающей 30 % по сравнению с аналогичной дизельной машиной такого же стандарта, ежегодное количество выбросов CO2 одним автобусом в среднем может быть уменьшено почти на 10 т. И хотя этот показатель ценится пока только на Западе, процент экономии топлива говорит сам за себя и приятен для восприятия любому перевозчику.

 

Краткая техническая характеристика гибридного оборудования автобуса MAN Lion’s City Hybrid

 

Количество модулей, шт.

12

Количество ионисторов в модуле, шт.

24

Максимальная мощность заряда/разряда, кВт

200

Максимальный ток, А

500

Диапазон рабочего напряжения, В

400 - 630

Запас энергии, кВт∙ч

0,4

Вес (с рамой), кг

500

Охлаждение

воздушное, принудительное

 Панель управления у гибрида точно такая же, как и на всех автобусах MAN,

включая вращающуюся ручку переключателя режимов движения

 

На маршруте

По большому счёту гибрид под названием MAN Lion’s City Hybrid, за рулём которого мне довелось поколесить по улицам Аугсбурга, и салоном, и в кабиной водителя, и внешне практически ничем не отличался от автобуса MAN Lion’s City, на базе которого он изготовлен. Если, конечно, не принимать во внимание его агитационной росписи и раскраски да небольшого дисплея, установленного на торпедо слева от водителя. На этот дисплей выведены три пседострелочных индикатора, один из которых (голубой) указывает степень заряда конденсаторов, другой (зелёный) показывает долю энергии, регенерируемой во время торможения, и третий (коричневый) – долю энергии торможения, которая не используется и пропадает зря (прежде всего при интенсивном торможении). Наблюдая за движением стрелок, несложно было заметить, что «стрелка» зелёного циферблата отклонялась только в момент торможения, а коричневая не двигалась вовсе. Зато голубой прибор исправно показывал процент заряда конденсаторов, который был тем выше, чем с большей скорости приходилось тормозить.

Каких-то особых отличий в поведении данного гибрида от его дизельного брата-близнеца не так уж и много. Но они, конечно же, есть и связаны, как и следовало ожидать, с разгоном и торможением. Так, обычный MAN Lion’s City при работающем двигателе и включённой передаче (а вернее, при переводе переключателя режимов автоматизированной коробки передач MAN TipMatic, которая работает здесь только в автоматическом режиме, в положение «D») стоит на месте. В то же время его гибридный «родственник» при переводе переключателя режимов в то же положение «D» и при отпущенной педали тормоза потихоньку начинает набирать ход. Даже на подъём. А его двигатель, который обычно выключается при остановках, при этом автоматически заводится.

Кстати, когда двигатель гибрида заглох при остановке на первом же перекрёстке, я, честно говоря, растерялся. Но оказалось, что причин для беспокойства нет. Обычно двигатель отключается примерно при 80 % остановок. Дело в том, что работой двигателя «заведует» система управления энергией, которая определяет, сколько энергии потребляется в данный момент силовой линией либо тем или иным агрегатом. Эта же система анализирует, какой запас энергии хранится в суперконденсаторах и хватит ли её для разгона автобуса. И если это с точки зрения электроники оправданно, она сама отключает двигатель. Причём водитель даже при большом желании повлиять на это никак не может. В принципе систему можно запрограммировать так, что двигатель будет отключаться при всех остановках, но в этом случае, по заверениям разработчиков, как это ни странно, расход топлива несколько увеличится.

В то же время при трогании с места сначала в работу включаются электромоторы, использующие энергию, накопленную в ионисторах, и буквально через несколько секунд запускается двигатель. Здесь нельзя не отметить, что хотя энергии, запасённой в суперконденсаторах, зачастую вполне достаточно для активного разгона автобуса, во время движения двигатель гибрида постоянно работает. Вызвано это, прежде всего, необходимостью внутреннего энергообеспечения автобуса, требуемого для нормальной работы гидроусилителя рулевого управления и компрессора. Ну и, конечно же, кондиционера и прочего электрооборудования.

Что касается торможения, то оно тоже несколько необычно и к тому же отличается достаточно высокой, может быть, даже несколько чрезмерной эффективностью. При этом совершенно не имеет значения применяемый способ торможения: хоть нажимай на кнопку моторного тормоза, хоть дёргай за рычажок интердера (которых здесь, естественно, нет), хоть нажимай на педаль тормоза – в любом случае включается система рекуперации энергии, электромоторы переходят в режим генерации и закачивают энергию в суперконденсаторы. Причём независимо от того, насколько плавно нажимается на педаль тормоза, замедление всегда одинаково. Разве что если придавить педаль тормоза посильнее, тогда на помощь генераторам придут обычные тормоза, которые при нормальных режимах работы здесь не требуются.

Впрочем, к такой работе тормозов (а вернее, рекуператора) несложно приноровиться, чтобы потом приводить их в действие в нужный момент. Что касается настроек режимов трогания и торможения, то, как объяснили конструкторы, работа всех систем автобуса полностью контролируется электроникой. При этом режим трогания был запрограммирован исключительно исходя из пожеланий водителей, работавших на данном автобусе. Так что нет никаких препятствий для того, чтобы его перенастроить. Кстати, рекуператор настроен на максимальную эффективность, которая должна обеспечить определённую мощность подкачки суперконденсаторов.

И напоследок ещё одно наблюдение. Гибрид был по полной программе разукрашен информацией о том, как он устроен и сколько топлива позволяет сэкономить. Но зевак, раскрывших рот вслед нашему автобусу, я что-то не замечал. Увы, к хорошему привыкаешь быстро…

 

Экономика

Нельзя не отметить, что если все гибридные технологии, применявшиеся до настоящего времени, были слишком трудоёмкими и дорогими, то последняя разработка MAN, позволяющая использовать многие серийные компоненты, оказалась наиболее привлекательной и перспективной.

Почему для внедрения гибридных технологий были выбраны именно городские автобусы? Да потому, что они работают в идеальных условиях для утилизации энергии торможения. Городские автобусы эксплуатируются на небольших скоростях и разгоняются бесчисленное количество раз с тем, чтобы вскоре после этого затормозить вплоть до остановки. А ведь именно на многочисленные разгоны и уходит дополнительное топливо.

По подсчётам специалистов, среднестатистический городской автобус работает в следующем режиме.

 

Время работы, часов в день

16

Средняя скорость, км/ч

16

Среднее количество остановок на 1 км пути

2 - 3

Количество дней работы в год

300

Среднее количество остановок в год

190000

Время, приходящееся на остановки, %

20 - 45

 

И хотя данные цифры получены исходя из реалий Германии, есть все основания полагать, что и в СНГ они не будут принципиально отличаться.

Конечно, говорить о каком-то (даже среднестатистическом) расходе топлива данным автобусом не приходится, поскольку он зависит от очень многих факторов. Но можно с уверенностью сказать, что такой автобус будет расходовать меньше горючего в сравнении с аналогом, оснащённым обычным дизельным двигателем. Да и для разных маршрутов и расход топлива, и его экономия могут существенно различаться.

Например, при работе на центральных городских маршрутах Нюрнберга, где приходится делать много остановок, а средняя скорость движения составляет 15 км/ч, эта экономия достигает 25 – 30 %. А ближе к окраинам, где водителю приходится реже тормозить и делать меньше остановок, средняя скорость возрастает вдвое и, соответственно, примерно вдвое падает и процент экономии.

Эти наблюдения в очередной раз подтверждают, что экономия топлива – величина относительная. А гибрид намного эффективнее при работе в центре крупных городов, где он может сэкономить от четверти до трети горючего.

Конечно, подобная статистика собиралась не один день – соответствующие дорожные испытания проводились на протяжении года, а теперь вся полученная информация обработана и обобщена. Всего изготовили три гибридных автобуса конденсаторного типа, при этом тот, на котором мне довелось поездить, был самым «свежим», изготовленным в минувшем году. Причём за это время MAN Lion’s City Hybrid прошёл 25 тыс. км, в том числе и по дорогам Нюрнберга, где во время дорожных испытаний на нём работали водители общественного транспорта.

Впрочем, говоря об экономии топлива, нельзя забывать, что речь идёт только о той его части, которая расходуется непосредственно на движение, без учёта потребностей кондиционера и других энергопотребляющих устройств, которые могут оказаться весьма существенными. Например, на работу таких устройств может расходоваться от 13 до 30 % топлива, и это не считая кондиционера.

В сравнении с аналогичной машиной, оборудованной обычным дизельным двигателем, за год 12-метровый городской автобус, работающий с ионисторами, может сэкономить порядка 10 тыс. л дизтоплива. При этом расчётный ресурс суперконденсаторов составляет 12 лет, а стоимость подобного гибрида – «плюс 70 тыс. евро». То есть именно такую сумму придётся доплатить, чтобы превратить любой автобус MAN в энергосберегающий гибрид.

Причём окупаемость подобного автобуса несложно рассчитать. При нынешней стоимости дизтоплива в Германии около полутора евро за литр срок окупаемости данного оборудования составит пять лет, а при наших ценах на солярку – семь. Конечно, при условии, что цена на горючее перестанет расти.

И хотя для наших перевозчиков гибриды пока представляют, скорее, теоретический интерес, в Германии на них уже имеются реальные клиенты, для которых уже в 2009 г. намечено изготовить небольшую партию подобных машин.

 

 

Достоинства и недостатки гибридов, изготовленных по конденсаторной технологии

Плюсы:

– существенная экономия топлива;

– быстрая окупаемость;

– отсутствие необходимости обслуживания;

– уменьшение выбросов СО2;

– эффективная рекуперация тормозной энергии.

Минусы:

– высокая стоимость;

– минимальная эффективность при использовании на пригородных и междугородных маршрутах.