Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Silniční doprava a životní prostředí, alternativní pohony motorových vozidel Disertační práce Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vypracoval: Ing. Luboš Papírník Brno 2010

ZADÁNÍ DISERTAČNÍ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Ing. Luboš Papírník Zemědělská specializace Technika a mechanizace zemědělství Název tématu: Silniční doprava a životní prostředí, alternativní pohony motorových vozidel Zásady pro vypracování: Dopady silniční dopravy na životní prostředí perspektivy. Zhodnocení alternativních pohonů vozidel. Vliv vybraného alternativního pohonu na parametry motoru a na životní prostředí. Datum zadání disertační práce: listopad 2007 Termín odevzdání disertační práce: květen 2010

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem disertační práci na téma Silniční doprava a životní prostředí, alternativní pohony motorových vozidel vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Disertační práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího disertační práce a děkana AF MZLU v Brně. dne: podpis:

PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří D. Jelečkovi z firmy Tedom s.r.o. a I. Soudkovi z firmy Voith Turbo s.r.o. za poskytnutí technických informací a za možnost využití přístrojového vybavení pro provádění praktických zkoušek potřebných pro tuto práci. Luboš Papírník Září 2009

ABSTRAKT PAPÍRNÍK, L.: Silniční doprava a životní prostředí, alternativní pohony motorových vozidel, 2009 Tato práce se zabývá problematikou konstrukce hybridních městských autobusů s cílem minimalizovat jejich spotřebu paliva. Jako základ pro tuto práci jsou využita provozní data devatenácti shodných městských autobusů, které jsou situovány v jednom městě. Tato provozní data jsou podrobně analyzována za účelem získání detailních informací o charakteru městského provozu. Provoz autobusu je za účelem analýzy rozdělen na tři základní režimy: stání, jízda a decelerace. Podle výsledků analýzy provozu jsou navržena opatření, která je možno využít v konstrukci a řízení hybridního pohonu pro snížení spotřeby paliva. Dále je analyzován jízdní cyklus za účelem posouzení vybraných parametrů celého vozidla na jeho energetickou spotřebu. Jednotlivé parametry jsou seřazeny podle velikosti jejich vlivu na spotřebu energie a jsou probrány možnosti, jak minimalizovat jejich vliv na spotřebu paliva. Klíčová slova: městský autobus, klasický pohon, hybridní pohon, spotřeba paliva, energie, jízdní cyklus, data, analýza

ABSTRACT PAPÍRNÍK, L.: Road Transport and Environment, Alternative Propulsion Systems for Vehicles, 2009 This work deals with the problematic of the hybrid buses construction for minimising of theirs fuel consumption. The operation data of the nineteen identical city buses are used for this work. All city buses are located in one city. These operation data are analysed in detail for the purpose of describing character of the city operation. The operation of city buses is divided into three main modes: stop, run and deceleration. The relevant actions are proposed according the results of the analysis of operation data. These actions can be used in the hybrid system construction and control for the purpose of decreasing of fuel consumption. Further the driving cycle is analysed for the examination of selected parameters of whole vehicle. The influence of these parameters is observed for the vehicle energy consumption. The individual parameters are arranged by their influence for the energy consumption. The possibility for minimising of the energy consumption is discussed for each parameter. Key words: city bus, conventional drive, hybrid drive, fuel consumption, energy, driving cycle, data, analysis

OBSAH Úvod 10 Motivace a cíl práce 15 Seznam použitých značek 16 1. Konstrukce nízkopodlažních autobusů 21 1.1 Skelet autobusu 25 1.2 Nápravy 28 1.3 Disky a pneumatiky 32 1.4 Motory 33 1.5 Převodovky 38 1.6 Kloubové hřídele 47 1.7 Kloub 49 2. Přehled hybridních pohonů 52 2.1 Seznámení s problematikou hybridních vozidel 52 2.2 Rozdělení hybridních pohonů 54 2.3 Konkrétní příklady hybridních městských autobusů 56 2.3.1 Volvo 56 2.3.2 MAN 60 2.3.3 Mercedes-Benz 65 2.3.4 Scania 68 2.3.5 Solaris 72 2.3.6 Irisbus Iveco 73 2.3.7 Škoda Electric 76 2.3.8 Orion VII 77 2.3.9 Mitsubishi Fuso Aero 78 2.4 Konstrukční prvky hybridních městských autobusů 79 2.4.1 Voith 79 2.4.2 ZF 81 2.4.3 Allison Transmission 83 2.4.4 Bosch Rexroth 86

3. Analýza provozu klasických autobusů 88 3.1 Popis experimentu 88 3.2 Zpracování dat 91 3.2.1 Zpracování statistických protokolů motoru 94 3.2.2 Zpracování statistických protokolů převodovky 99 3.3 Vyhodnocení výsledků měření 103 3.3.1 Analýza provozu vozidla 103 3.3.1.1 Volnoběh 105 3.3.1.2 Jízda 109 3.3.1.3 Decelerace 113 3.3.2 Vyhodnocení celkového provozu 121 3.3.3 Zpětná kontrola spotřebovaného paliva 123 4. Návrh hybridního pohonu 125 4.1 Předběžný výpočet úspory paliva 125 4.2 Možné úspory 127 4.2.1 Běh motoru 128 4.2.2 Volnoběh 128 4.2.3 Decelerace 131 4.3 Popis jednotlivých prvků 132 4.3.1 Elektrický motor/generátor 133 4.3.2 Výkonová elektronika 135 4.3.3 Ukládání energie 136 4.3.4 Primární zdroj energie 139 4.3.5 Ukládání paliva 141 4.3.6 Převodový systém 144 4.4 Konečný výpočet úspory paliva 144 4.5 Jízdní cyklus a parametry vozidla 146 4.5.1 Energie na kolech vozidla 147 4.5.1.1 Setrvačná síla 148 4.5.1.2 Síla odporu vzduchu 149 4.5.1.3 Síla odporu valení 149 4.5.1.4 Síla na překonání stoupání 150 4.5.2 Energie pomocných zařízení 150

4.5.3 Analýza jízdního cyklu 151 4.5.3.1 Jízdní cyklus EPA Urban 154 4.5.3.2 Vyhodnocení parametrů vozidla 158 4.5.3.3 Vyhodnocení vlivu vybraných parametrů 165 Výsledky práce a diskuse 169 Závěr 174 Seznam použité literatury 175 Seznam obrázků 175 Seznam tabulek 178 Seznam grafů 180 Informační zdroje 180 Seznam příloh na CD 181

ÚVOD Dopravní situace ve velkých městech je v poslední době velmi zásadní problém. Dopravní cesty jsou přetížené, což je dáno vysokým počtem automobilů a jejich nízkou obsazeností. V dnešní době je průměrná obsazenost jednoho vozidla v Praze 1,4. Se zvětšujícím se počtem vozidel klesá přepravní rychlost a vzrůstá množství emisí výfukových plynů a hlukových emisí. Dopravní cesty ve městech nejsou projektované na takový objem dopravy a v průběhu dne vznikají dlouhé kolony pomalu popojíždějících vozidel. Velká evropská města, jako je např. Berlín, Hamburk, Londýn již omezují vjezd do center a zpoplatňují vjezd starších vozidel, která nesplňují přísnější emisní limity. Tato omezení provozu je však nutno kompenzovat rozšířením městské hromadné dopravy. Je nutno vybudovat sběrná parkoviště na okraji měst a k těmto parkovištím zavést městskou hromadnou dopravu, která bude splňovat požadavky na levnou a rychlou přepravu osob po celém městě. Situaci dokumentuje obrázek 1. Na levé části obrázku jsou osobní automobily, které slouží pro přepravu osob před vozidly. Průměrná obsazenost jednoho vozidla je 1,4 osob, tedy stejná obsazenost jako ve skutečném provozu. Stejný počet osob lze však přepravit jedním autobusem, jak ukazuje pravá část obrázku. Obsaditelnost jednoho autobusu o délce 12 m a celkové hmotnosti 18 t se pohybuje od 85 osob do 100 osob. 10

Obrázek 1 Porovnání dopravní situace při přepravě stejného počtu osob osobními automobily nebo městským autobusem Další důvody pro rozšiřování městské hromadné dopravy jsou spotřebované palivo na přepravu určitého množství osob a plocha potřebná pro přepravní vozidla. Se spotřebovaným palivem přímo souvisí emise výfukových plynů a s potřebnou plochou pro přepravní vozidla přímo souvisí vytíženost dopravních cest a parkovacích míst. Porovnání těchto parametrů provedla společnost Volvo a výsledky jsou na obrázku 2. V této studii jsou porovnávány osobní automobily, standardní 12-ti metrové autobusy a dvoukloubové autobusy určené pro BRT (Bus Rapid Transit) systémy při přepravě 10 000 osob na 1 km. Všechna vozidla jsou plně obsazena. 11

Obrázek 2 Porovnání vybraných parametrů pro přepravu 10 000 osob na 1 km (Volvo) Společnost Volvo provedla svoji studii, která se zabývala náklady na vybudování nejběžnějších městských dopravních cest. Výsledky jsou ze září 2006 a jsou uvedeny na obrázku 3. Za 1 miliardu amerických dolarů lze postavit 426 km silnic pro vysokokapacitní autobusy, nebo 14 km visuté železnice, nebo 7 km podzemní dráhy. Obrázek 3 Porovnání nákladů na jednotlivé dopravní cesty (Volvo) V budoucnu lze tedy očekávat zvětšení podílu autobusové hromadné přepravy, hlavně v okrajových částech velkých měst, kde není vybudována síť podzemní nebo nadzemní dráhy. Autobusová přeprava má zásadní význam ve městech s členitou 12

topologií, kde není možné vybudovat železniční síť pro metro, tramvaje a regionální železnici. Provoz autobusů je rovněž možno pružně odklánět na alternativní trasy v případě nehod nebo oprav vozovek. Autobusová přeprava je schopna sledovat rozvoj měst a tím vytvářet nové linky do nově vznikajících městských čtvrtí. Zvláštní význam budou mít především hybridní autobusy, které snižují provozní náklady, emise výfukových plynů a hluk. Hybridní autobus však musí být konstruován tak, aby byla zachována nebo zvýšena přepravní kapacita, podstatně redukována spotřeba paliva a navýšení pořizovací ceny bylo co nejnižší. Pokud nebudou tyto požadavky splněny, budou se hybridní autobusy prosazovat jen obtížně. První použitelný hybridní autobus vznikl již v roce 1969 a byl postaven firmou Mercedes-Benz, viz. obr. 4. Hybridní autobusy se však začínají prosazovat a ž v dnešní době, kdy jsou kladeny požadavky na nízkou spotřebu paliva a nízké emise. Obrázek 4 Hybridní sériový diesel-elektrický autobus Mercedes-Benz OE 302 (1969) Význam městské hromadné dopravy je pro mobilitu ve městech zcela zřejmý, obec zajišťuje přemísťování cestujících nejen na území města, ale i v jeho bezprostřední blízkosti a tvoří samostatný dopravní a přepravní systém. Jde o jednu z nejdůležitějších služeb obyvatelstvu, která každodenně ovlivňuje život tisíců lidí. Městská doprava se vyznačuje určitými specifickými vlastnostmi: - přepravou velkého počtu cestujících na relativně malém, zájmovém území 13

- velkou hustotou přepravní sítě s krátkými vzdálenostmi zastávek a s nízkými časovými intervaly mezi jednotlivými spoji - značnou prostorovou, časovou a sezónní nerovnoměrností poptávky na poskytované služby - tarifní politikou - specifickou technickou základnou, přizpůsobenou provozu ve městě Na kvalitu poskytovaných služeb MHD, na její rozvoj a na použití jednotlivých dopravních prostředků působí mnoho faktorů, jako např. přírodní podmínky, historický vývoj města, jeho ekonomická struktura a společenské podmínky, stále rostoucí důležitost má faktor ekologický. Výrazný vliv na městskou hromadnou dopravu má individuální motorismus, který díky svému nárůstu komplikuje pohyb dopravních prostředků MHD. Zejména v hustém provozu v centrální oblasti, kdy používá dopravní cestu společně s vozidly MHD, negativně ovlivňuje pravidelnost dopravy, což ve svém důsledku znamená snížení kvality hromadné dopravy. Možným řešením jsou vedle oddělené dopravní cesty preference MHD, priorita těchto vozidel na světelně řízených křižovatkách, vyznačení pruhů pro provoz autobusů a úpravu dopravního značení ve prospěch MHD. Při přepravě mají cestující zájem o kvalitní, rychlou a včasnou přepravu za přiměřenou cenu, na kterou vhodně navazují doplňkové služby. Cestující požadují kvalitní přepravu srovnatelnou s individuální dopravou, za přijatelnou cenu při co možná nejrozsáhlejší přepravní nabídce a v příjemném prostředí. Rozhodování cestujících, zda použijí veřejnou hromadnou dopravu nebo některý z prostředků individuální dopravy, je ovlivňováno celou řadou faktorů. Hlavní faktory ovlivňující volbu cestujícího jsou: - četnost spojů - spolehlivost a bezpečnost - rychlost přepravy - cena jízdného - kvalita přepravy pohodlí, kultura cestování - snadná dostupnost systému - informovanost cestujících - přímost spojení, dobré možnosti přestupu - kvalita doplňkových služeb 14

- možnost využití přepravní doby jinou potřebnou činností Spotřeba energie v dopravě se významně podílí na celkové spotřebě energie. Podíl spotřeby energie se v dopravním sektoru odhaduje na 20 25 % celkové spotřeby energie, avšak na spotřebě ropy se podílí více než 90 %. Sektor dopravy tedy patří z hlediska závislosti na ropě k nejcitlivějším a nejzranitelnějším. Prostředky pro snížení spotřeby energií v dopravě lze pro tuto práci rozdělit na: - opatření v oblasti vozidel automobilový průmysl se zapojil do snižování měrné spotřeby paliva u nových vozů, zavádí se hybridní automobily - opatření v oblasti pohonných hmot jde o nahrazování ropy jinými palivy, např. zemní plyn, ethanol, vodík, elektřina atd. MOTIVACE A CÍL PRÁCE Motivací pro tuto práci je poměrně omezený výzkum v oblasti hybridních autobusů. Výzkum v oblasti hybridních automobilů je rozsáhlejší z důvodu předpokládaného prodeje většího množství automobilů. Do vývoje hybridních pohonů pro autobusy se z důvodu malého počtu vyráběných kusů příliš neinvestuje. Přitom právě městský provoz je nejvýhodnější pro nasazení nových hybridních pohonů. Dále je nutno omezit právě lokální emise ve městech, což je ve prospěch autobusů s hybridním pohonem. A naposled je zde skutečnost, že autobusy jsou provozovány v jednom místě a mohou být poháněny různými druhy paliv, která nejsou k dispozici v běžné distribuční síti. Tato práce se zabývá analýzou provozu klasických městských autobusů a konstrukcí hybridních autobusů za účelem minimalizování spotřeby paliva. Aby bylo možné pochopit problematiku hybridních autobusů je nutné se nejdříve seznámit s konstrukcí a provozem klasických autobusů a hybridními pohony obecně. Z tohoto důvodu je tato práce rozdělena do několika kapitol. Cílem je tedy komplexní přiblížení problematiky konstrukce městských autobusů a na základě analýzy jejich provozu navrhnout opatření pro úsporu paliva při konstrukci hybridního pohonu. 15

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK a podélné zrychlení vozidla [m/s 2 ] c x součinitel odporu vzduchu [-] D k dynamický průměr kola [m] d r elementární posunutí [m] e rameno valivého odporu [m] E acc energie setrvačnosti [J] E air energie na překonání odporu vzduchu [J] E aux energie potřebná pro pomocná zařízení vozidla [J] E dec discharge energie vydaná při vybíjení v deceleraci [J] E dec eng energie při deceleraci spalovacím motorem [J] E dec charge energie uložená při deceleraci [J] E dec idle eng energie pro provoz motoru ve volnoběhu [J] E dec ret energie při deceleraci retardérem [J] E dec skut energie uložená při deceleraci [J] E dec teor celkové energie decelerace [J] E discharge energie vydaná při vybíjení [J] E F,IN energie vložená do palivových zásobníků [J] E F,OUT energie dostupná z palivových zásobníků [J] e FSTO energetická hustota [MJ/l] E gra energie na překonání stoupání [J] E charge energie uložená při nabíjení [J] E idle 0 energie ve volnoběhu 0 [J] E idle 1 energie ve volnoběhu 1 [J] E idle skut skutečná celková energie volnoběhu [J] E idle teor teoretická spotřeba energie ve volnoběhu [J] E k kinetická energie objektu [J] E mech celková mechanická energie [J] E operation hybrid energie pro provoz hybridního autobusu [J] E operation hybrid opt energie pro provoz hybridního autobusu optimalizovaná [J] E operation klasik energie pro provoz klasického autobusu [J] E operation energie pro provoz v jízdě a stop režimu [J] 16

E p potenciální energie objektu [J] E p start energie dodaná ve startovací dávce paliva [J] E passive start energie vydaná na překonání pasivních ztrát motoru [J] E primary energie dodaná palivem pro jízdu [J] E rol energie na překonání odporu valení [J] E run skut energie dodaná pro jízdu [J] E run teor teoretická energie potřebná pro jízdu [J] E stop energie pro pomocná zařízení při vypnutém motoru [J] E total celková energie [J] E total del celková energie při původních parametrech [J] E total del par celková energie při změně parametru [J] E wheels energie na kolech potřebná pro jízdu [J] E wheels drive energie na kolech potřebná pro jízdu [J] f koeficient valivého odporu [-] F r celková síla [N] F acc setrvačná síla při nerovnoměrném pohybu [N] F acc setrvačná síla [N] F air síla odporu vzduchu [N] F gra síla na překonání stoupání [N] F rol síla odporu valení [N] F rot redukovaná setrvačná síla rotačních částí [N] F W hnací síla na kolech [N] g tíhové zrychlení [m/s 2 ] h výška těžiště tělesa od zvolené roviny [m] H u výhřevnost paliva [MJ/kg] I procházející proud [A] i n převod nápravy [-] k v koeficient pro přepočet rychlosti [-] k tuhost vazby [N/m] k par koeficient pro porovnání parametrů [-] l c celková ujetá vzdálenost [m] l i ujetá vzdálenost v časovém intervalu [m] M celková hmotnost vozidla [kg] m hmotnost tělesa [kg] 17

M b av eng průměrný brzdný moment spalovacího motoru [Nm] M b av ret průměrný brzdný moment retardéru [Nm] M b eng brzdný moment spalovacího motoru [Nm] M c pohotovostní hmotnost vozidla [kg] M p užitečná hmotnost vozidla [kg] M p idle 0 hodinová spotřeba paliva ve volnoběhu 0 [kg/s] M p idle 1 hodinová spotřeba paliva ve volnoběhu 1 [kg/s] M p idle spotřeba paliva ve volnoběhu [kg] m p skutečná hmotnost spotřebovaného paliva [kg] M passive av průměrný pasivní odpor motoru [Nm] m pv hybrid opt spotřeba paliva hybridního autobusu [kg] m pv hybrid spotřebované palivo hybridního autobusu [kg] m pv idle vypočítaná spotřeba paliva ve volnoběhu [kg] m pv run vypočítaná spotřeba paliva při jízdě [kg] m pv total vypočítaná celková spotřeba paliva [kg] M r ekvivalentní hmotnost rotačních částí [kg] M t aux idle točivý moment pomocných zař. ve volnoběhu [kw] M t av průměrný točivý moment spalovacího motoru [Nm] n av eng průměrné otáčky spalovacího motoru [1/s] n av ret průměrné otáčky retardéru [1/s] n eng idle otáčky spalovacího motoru ve volnoběhu [1/s] n eng otáčky spalovacího motoru [1/s] P acc comp příkon klimatizačního kompresoru [kw] P air comp příkon vzduchového kompresoru [kw] P aux av průměrný výkon pomocných zařízení [kw] P aux idle příkon pomocných zařízení ve volnoběhu [kw] P av dec eng průměrný brzdný výkon spalovacího motoru [kw] P av dec ret průměrný brzdný výkon retardéru [kw] P av dec celkový průměrný brzdný výkon [kw] P av run průměrný výkon pro jízdu [J] P cool příkon ventilátorů chlazení [kw] p i procentuální podíl daného intervalu [%] P MI impedance baterie [Ω] P others příkon ostatních zařízení [kw] 18

P OUT maximální vybíjecí výkon baterie [kw] P ps příkon posilovače řízení [kw] P teor stechiometrický směšovací poměr [kg/kg] P W výkon na kolech [kw] Q m vzd hmotnostní průtok vzduchu [kg/s] r rozdíl mezi vypočtenou a skutečnou hodnotou [%] r d dynamický poloměr kola [m] R IC vnitřní odpor baterie při nabíjení [Ω] R ID vnitřní odpor baterie při vybíjení [Ω] S čelní plocha vozidla [m 2 ] s ujetá vzdálenost [m] s FSTO měrná energie systému ukládání paliva [J/kg] T celkový čas jízdního cyklu [s] t dec eng doba decelerace motorem [s] t dec ret doba brzdění retardérem [s] t idle limit limitní doba vypnutí motoru [s] t idle doba provozu ve volnoběhu [s] t idle0 doba provozu ve volnoběhu 0 [s] t idle1 doba provozu ve volnoběhu 1 [s] t run doba provozu při jízdě [s] t start doba startování [s] t total celková doba běhu motoru [s] v rychlost vozidla [m/s] v (1) průměrná hodnoty rychlosti během jízdního cyklu [m/s] v (2) průměrná hodnota druhých mocnin rychlostí [m 2 /s 2 ] během jízdního cyklu v (3) průměrná hodnota třetích mocnin rychlostí během [m 3 /s 3 ] jízdního cyklu v av orig původní průměrná rychlost [m/s] v av run průměrná rychlost jízdy [m/s] v av total celková průměrná rychlost [m/s] V OC napětí na prázdno [V] v s průměrná rychlost v daném intervalu [m/s] 19

V V vnější objem palivových nádrží vztažený k objemu [l/l] uloženého paliva x výchylka od základní polohy [m] α sklon vozovky [ ] η bat okamžitá účinnost baterie [-] η discharge účinnost vybíjení [-] η e eng efektivní účinnost spalovacího motoru [-] η el elektrická účinnost nabíjení [-] η FTOT celková energetická účinnost palivového systému [-] η charge účinnost nabíjení [-] η tr účinnost převodů [-] λ součinitel lambda [-] ρ hustota vzduchu [kg/m 3 ] ρ F hustota paliva [kg/l] ρ V hmotnost palivových nádrží vztažená k objemu [kg/l] uloženého paliva ω av eng průměrná úhlová rychlost spalovacího motoru [1/s] ω av ret průměrná úhlová rychlost retardéru [1/s] ω start av průměrná úhlová rychlost při startování [1/s] 20

1. KONSTRUKCE NÍZKOPODLAŽNÍCH AUTOBUSŮ Pro další porozumění problematiky hybridních městských autobusů je nutné se nejprve seznámit s možnostmi konstrukcí městských autobusů a jejich základními konstrukčními prvky. Mezi základní konstrukční prvky patří skelet autobusu, motor, převodovka, nápravy s brzdami a odpružením, zásobníky paliva a příp. i kloub. Moderní městský autobus je konstruován jako nízkopodlažní (Low Floor) v celé své délce. Nízkopodlažní konstrukce urychluje nástup a výstup, čímž se snižuje doba stání autobusu na zastávkách a celý dopravní systém se zrychluje. Zkrácení doby nástupu a výstupu nabízí několik možností pro zefektivnění dopravy. První možnost je zvýšení frekvence odjezdů ze zastávek při stejném počtu autobusů. Druhou možností je snížení počtu autobusů a tím i nákladů při stejné dopravní obslužnosti. Třetí možnost je kombinace prvních dvou řešení. Tuto situaci dokumentuje obrázek 1.1, kde jsou ukázány výsledky z modernizace dopravního systému v Santiagu de Chile. Zde došlo ke snížení počtu autobusů ze 7000 na 5000 a čas na zastávkách byl zkrácen na polovinu. Takto vzniklý systém má označení BRT (Bus Rapid Transit). BRT systém se vyznačuje průměrnou rychlostí od 19 do 48 km/h. 21

Obrázek 1.1 Výsledek modernizace autobusů (ZF) Nízkopodlažní řešení autobusu rovněž umožňuje snadnější nástup a výstup starších osob, osob s omezenou pohyblivostí a jednodušší nájezd kočárků a invalidních vozíků. Při nájezdu kočárků nebo invalidních vozíků lze využít i funkci naklápění (angl. Kneeling), která snižuje výšku vozidla na straně dveří a tím se snižuje i nástupní výška. Následující tabulka 1.1 ukazuje možná řešení městských autobusů. Nejběžnější jsou autobusy o délce 12 m a 18 m (kloubové). Méně obvyklé jsou autobusy o délce 15 m kvůli horší manévrovatelnosti. Jejich vnější poloměr otáčení je o 1,5 m větší než u kloubových 18-ti metrových autobusů. Jednokloubové autobusy o délce 20 m a dvoukloubové autobusy o délce 26,8 m jsou novinkami posledních let a jsou určeny pro BRT systémy ve velkých městech. Dvoukloubový autobus je v tažném provedení a jednokloubové autobusy jsou v tlačném provedení. 22

Délka 12 m Obsaditelnost 95 osob Celková hmotnost 18 t Výkon motoru 190-235 kw Točivý moment motoru 900-1400 Nm (na obrázku Tedom C12G Facelift) Délka 15 m Obsaditelnost 150 osob Celková hmotnost 25 t Výkon motoru 190-265 kw Točivý moment motoru 1050-1400 Nm (na obrázku Solaris Urbino 15) Délka 18 m Obsaditelnost 160 osob Celková hmotnost 28 t Výkon motoru 190-265 kw Točivý moment motoru 1200-1600 Nm (na obrázku MAN Lion s City G) Délka 20 m Obsaditelnost 190 osob Celková hmotnost 32 t Výkon motoru 260 kw Točivý moment motoru 1600 Nm (na obrázku Mercedes-Benz Capacity) Délka 26,8 m (nejdelší) Obsaditelnost 270 osob Výkon motoru 250 kw Točivý moment motoru 1700 Nm (na obrázku Volvo 7500) Tabulka 1.1 Možná řešení městských nízkopodlažních autobusů Pro konstrukci a následné uspořádání interiéru městského autobusu je nejdůležitější umístění motoru. Možné koncepce uspořádání pohonu ukazuje obrázek 1.2. 23

a) motor umístěn podélně v zadním levém rohu autobusu, motor zpravidla vertikální nebo méně často horizontální, připojení kloubového hřídele přímo, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, levostranné řízení umožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro kloubový autobus v tlačném provedení b) motor umístěn podélně uprostřed v zádi autobusu, motor zpravidla horizontální nebo méně často vertikální při malé výšce agregátu, připojení kloubového hřídele přímo, portálová náprava s centrálním připojením kloubového hřídele, levostranné řízení neumožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, v zadní části vozu nepatrné zvýšení, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro kloubový autobus v tlačném provedení c) motor umístěn podélně v zadním pravém rohu autobusu, motor zpravidla vertikální nebo méně často horizontální, připojení kloubového hřídele přímo, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, pravostranné řízení umožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro kloubový autobus v tlačném provedení d) motor umístěn podélně uprostřed autobusu, motor vertikální, připojení kloubového hřídele přímo, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, levostranné řízení umožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro libovolný kloubový autobus v tažném provedení, jediná možnost pro dvoukloubový autobus e) motor umístěn podélně uprostřed autobusu, motor vertikální, připojení kloubového hřídele přímo, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, pravostranné řízení umožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro libovolný kloubový autobus v tažném provedení, jediná možnost pro dvoukloubový autobus f) motor umístěn příčně v zadním levém rohu autobusu, motor vertikální, připojení kloubového hřídele přes úhlový vývod, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, pravostranné řízení umožňuje kompletně nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro kloubový autobus v tlačném provedení g) motor umístěn příčně v zadním pravém rohu autobusu, motor vertikální, připojení kloubového hřídele přes úhlový vývod, portálová náprava s vyoseným připojením kloubového hřídele, levostranné řízení umožňuje kompletně 24

nízkopodlažní konstrukci, lze použít pro jednotlivý autobus nebo pro kloubový autobus v tlačném provedení Obrázek 1.2 Různé koncepce uspořádání pohonů 1.1 Skelet autobusu Skelet autobusu tvoří základní nosnou část vozidla. Skelet může být může být samonosný, viz. obr. 1.3, nebo polosamonosný, viz. obr. 1.4. Samonosný skelet umožňuje přímou montáž všech hlavních ústrojí autobus jako jsou nápravy, řízení, motor s převodovkou atd. Pro konstrukci se využívají uzavřené jeklové profily a plechy. Ty mohou být z konstrukčních nelegovaných ocelí obvyklých jakostí, nebo z ocelí jakostních ušlechtilých. Takto svařená konstrukce se musí chránit antikorozním nátěrem. Další možností je použití nerezavějících ocelí. Tyto konstrukce nevyžadují antikorozní ochranu. Tato skutečnost kompenzuje vyšší cenu nerezavějících ocelí a snižuje technologickou náročnost výroby skeletu. Nerezavějící oceli jsou však křehčí, což může mít při nevhodné konstrukci za následek praskání více namáhaných částí. Někdy se používá i kombinace konstrukčních ocelí a nerezavějících ocelí. 25

Obrázek 1.3 Samonosný skelet nízkopodlažního autobusu (Volvo) Ke konstrukci autobusu lze použít i samostatný podvozek, na který se přišroubuje horní část skeletu. Podvozek je plně osazen a je schopen samostatného pohybu. Tyto podvozky dodávají firmy Scania, Volvo, MAN. Pro konstrukci podvozků se používají uzavřené i otevřené jeklové profily a plechy. Ty mohou být z konstrukčních nelegovaných ocelí obvyklých jakostí, nebo z ocelí jakostních ušlechtilých. Jednotlivé části jako je přední podlaha s přední nápravou, střední podlaha a zadní podlaha se zadní nápravou a motorem s převodovkou, jsou spojovány pomocí šroubů. Pro konstrukci autobusových rámů platí stejné zásady jako pro konstrukci rámů nákladních vozidel. Ke spojování jednotlivých celků se používá šroubování nebo nýtování, aby se zabránilo praskání konstrukce při provozních deformacích. Na podvozek se potom šroubuje horní díl skeletu, který zvyšuje ohybovou a torzní tuhost celé konstrukce. 26

Obrázek 1.4 Podvozek nízkopodlažního autobusu (Scania) Návrh konstrukce se v současné době neobejde bez výpočtů metodou konečných prvků, která odhalí slabá místa v konstrukci. Nutností jsou i praktické zkoušky hotových autobusů na překlopení. V současnosti se konstrukce skeletů zaměřuje i na pasivní bezpečnost při bočním a čelním střetu s jiným vozidlem. 27

Obrázek 1.5 Zkoušky konstrukcí autobusů Vybrané zkoušky autobusů ukazuje obrázek 1.5. a) výpočet skeletu na překlopení metodou konečných prvků (Solaris) b) simulace bočního střetu s jiným vozidlem (Volvo) c) test stability (Tedom) d) zkouška překlopení (Volvo) 1.2 Nápravy Z uvedených příkladů konstrukcí městských autobusů vyplývá, že pro každé provedení autobusu je potřeba specifický druh náprav. Mezi největší výrobce náprav patří firmy ZF, Voith a Meritor. V tuzemsku vyrábí nápravy firma L.A.F Liberec. Z výrobců autobusů si vyrábí vlastní nápravy firma MAN, Volvo a Mercedes-Benz. Ovšem i tito výrobci autobusů stále více využívají náprav ZF nebo Voith. Na obrázku 1.6 je přehled náprav firmy ZF pro nízkopodlažní autobusy. Konstrukce těchto náprav je uzpůsobena tomu, aby bylo možno vytvořit uvnitř autobusu 28

co nejširší uličku bez schodů nad nápravami. Tyto nápravy jsou tedy co nejvíce prohloubené a všechny důležité prvky jsou umístěny co nejblíže kolům. Tyto nápravy jsou tedy odlišné od náprav pro zájezdové autobusy a pro nákladní automobily. Obrázek 1.6 Přehled náprav ZF pro nízkopodlažní autobusy a) přední náprava RL 75EC s nezávislým zavěšením kol a kotoučovými brzdami, maximální zatížení 7500 kg, propružení +90/-100 mm, úhly vytočení kol 56 /46, hmotnost nápravy 529 kg, kola 22,5 x 7,5, pneumatiky 275/70R22,5 b) přední náprava RL 85A tuhá s kotoučovými brzdami, maximální zatížení 8500 kg, propružení ±85 mm, úhly vytočení kol 55 /40, hmotnost nápravy 625 kg, kola 22,5 x 8,25, pneumatiky 275/70R22,5 29

c) portálová hnací náprava AV 132 s kotoučovými nebo bubnovými brzdami maximální zatížení 13000 kg, maximální vstupní výkon 260 kw, maximální výstupní točivý moment 50000 Nm, převodové poměry 4,07/4,54/5,13/5,74/6,20/7,38/9,82, hmotnost nápravy 1002 kg, kola 22,5 x 8,25 v dvojmontáži, pneumatiky 275/70R22,5 d) portálová pasivní náprava AVN 132 s kotoučovými nebo bubnovými brzdami, používá se jako střední náprava u tlačných kloubových autobusů nebo jako poslední náprava u tažných kloubových autobusů, maximální zatížení 11500 kg, hmotnost nápravy 799 kg, kola 22,5 x 8,25 v dvojmontáži, pneumatiky 275/70R22,5 e) zadní řiditelná náprava RL 85A/Active s aktivním řízením, aktivní řízení může být ovládané hydraulicky nebo elektricky, používá se u více nápravových autobusů jako poslední nápravy, maximální zatížení 8500 kg, propružení ±100 mm, hmotnost nápravy 622 kg, kola 22,5 x 8,25, pneumatiky 275/70R22,5 nebo 295/80R22,5 f) zadní řiditelná náprava RL 85A/Passive s pasivním řízením, tato náprava má pouze blokovací válce a tlumič řízení, používá se u více nápravových autobusů jako poslední nápravy, maximální zatížení 8500 kg, propružení ±100 mm, hmotnost nápravy 622 kg, kola 22,5 x 8,25, pneumatiky 275/70R22,5 nebo 295/80R22,5 Obrázek 1.7 blíže ukazuje možnosti konstrukce portálové hnací nápravy. Náprava umožňuje několik možností připojení kloubového hřídele dle polohy motoru. Správné úhly kloubového hřídele jsou důležité z hlediska vibrací a hluku nápravy. Dále možno volit mezi bubnovými nebo kotoučovými brzdami. V současné době se používají převážně kotoučové brzdy. Ovládání brzd je vzduchové přes kombinovaný brzdový válec pro provozní i ruční brzdu. Náprava rovněž obsahuje podélná a šikmá ramena k jejímu vedení. Pro uložení tlumičů pérování a vzduchových vaků zajišťujících odpružení vozu jsou montována čtyři ramena. 30

Obrázek 1.7 Možnosti konstrukčních provedení portálové nápravy ZF AV 132 Portálová náprava se vyznačuje nízkou polohou mostu nápravy díky reduktorům v kolech, které způsobují vyosení, a malou skříní stálého převodu s diferenciálem. Celkový převod nápravy je tedy rozdělen mezi stálý převod a reduktor. Rozsah celkového převodu se mění pouze změnou stálého převodu. Převod reduktoru zůstává stejný, a to 2,68. Převod nápravy je volen s ohledem na charakter provozu vozidla. Rozsah převodových poměrů pro nápravy ZF je 4,07/4,54/5,13/5,74/6,20/7,38/9,82 a pro nápravy Voith je 4,59/5,19/5,84/6,29/7,40/10,24. Nejčastější je převod 6,20, který je určen pro středně těžký provoz, tzn. mírně kopcovitý terén. Tento převod je také vyhovující z hlediska rychlosti autobusu. Maximální rychlost městských autobusů je omezena na 80 km/h. Při této rychlosti je zařazen poslední převodový stupeň v převodovce a motor pracuje v oblasti otáček maximálního výkonu. Pro těžší provoz v kopcovitém terénu se používá náprava s převodem 7,38 a pro lehčí provoz v rovinatém terénu se volí náprava s převodem 5,74 nebo 5,13. Krajní hodnoty převodů 4,07 a 9,82 se používají pro speciální stroje. 31

1.3 Disky a pneumatiky Pro městské autobusy se používají klasické ocelové disky o rozměrech 22,5 x 7,5 nebo 22,5 x 8,25. U hnacích náprav jsou kola v dvojmontáži. Disky jsou děrované pro lepší odvod tepla z brzd. Do městského provozu jsou autobusy vybavovány speciálními pneumatikami. Tyto pneumatiky se vyznačují tzv. pásovým dezénem, který snižuje hluk při valení. Dále je u těchto pneumatik zesílená bočnice, protože bočnice v městském provozu je silně namáhána na otěr při kontaktu s obrubníkem při vyhýbání vozidel nebo při nájezdech a výjezdech ze zastávek. Toto zesílení je vyznačeno na pneumatice čtyřmi body (kruhové důlky), viz. obr. 1.8. Tento důlek má hloubku stejnou jako je tloušťka zesílení. Pokud se tedy bočnice během provozu odře tak, že důlek zmizí, znamená to, že bočnice má nyní standardní tloušťku. Obrázek 1.8 Zesílení bočnice pneumatiky Pneumatiky mají životnost 80000 km až 120000 km dle výrobce a charakteru provozu. Většinou se používají univerzální pneumatiky na celý rok. 32

1.4 Motory Pro pohon městských autobusů se nejčastěji používají naftové motory. V dnešní době však stoupá poptávka po autobusech na zemní plyn. Rozsah výkonů motorů je od 190 kw do 260 kw. Točivé momenty se pohybují v rozmezí 950 Nm až 1600 Nm. Nižší hodnoty odpovídají sólo vozidlům a vyšší hodnoty odpovídají kloubovým autobusům. Nejčastější je výkon okolo 210 kw a točivý moment okolo 1200 Nm. Stejně tak jako u náprav, tak i motory pro městské autobusy jsou odlišné od motorů pro nákladní vozy. Tyto odlišnosti jsou dány zejména odlišností zástaveb motorů. Ve stavbě autobusů se používají motory stojaté, ležaté i šikmé. Stojaté motory jsou určeny pro komínovou zástavbu, kdy všechno příslušenství motoru je uloženo nad motorem. Ležaté a šikmé motory jsou určeny pro zástavbu pod podlahu a příslušenství motoru je uloženo po stranách motoru. Další rozdíl je v použitých dílech. Používají se speciální ploché olejové vany, trubky pro chlazení převodovky, speciálně směrované výstupy trubek chladící kapaliny a plnícího vzduchu, vývody pro topení. Příklady autobusových motorů jsou na obrázcích 1.9, 1.10 a 1.11. Obrázek 1.9 Stojatý (vertikální) motor MAN D2066LUH 33

Obrázek 1.10 Ležatý (horizontální) motor MAN D2066LOH Obrázek 1.11 Šikmý motor Iveco CURSOR 8 Rovněž pomocné agregáty pro autobusové motory jsou odlišné: - vzduchový kompresor je zpravidla dvouválcový a má vyšší zdvihový objem: 500 750 cm 3 - alternátory jsou použity dva nebo tři v případě použití klimatizace celého vozu: 90 110 A každý, někdy se používají i jednotlivé alternátory 160 200 A - čerpadlo pro servořízení: 16 25 cm 3 /ot - čerpadlo pro pohon ventilátoru: 16 34 cm 3 /ot - klimatizační kompresor: 350 600 cm 3 34

Autobusové motory se mohou lišit i charakteristikou. To je vynuceno častými rozjezdy. Aby se zlepšila dynamika při rozjezdech jsou charakteristiky motoru posunuty k nižším otáčkám. Porovnání charakteristik motorů pro nákladní automobily a autobusy je na obrázku 1.12. Obrázek 1.12 Porovnání charakteristik motorů Deutz TCD2013 L064V Autobusové motory musí splňovat i emisní normy. Pro splnění emisních norem EURO5 se používá SCR nebo EGR technologie. Obě technologie slouží ke snižování oxidů dusíku NO x. SCR (Selective Catalytic Reduction) znamená selektivní katalytická redukci, kdy se před SCR katalyzátor vstřikuje aditivum pod názvem AdBlue. AdBlue je 32,5 % roztok močoviny ((NH 2 ) 2 CO) a destilované vody (H 2 O). Spotřeba AdBlue je asi 3 5 % spotřebovaného paliva pro motory EURO4 a 5 7 % spotřebovaného paliva pro motory EURO5. Technologie EGR (Exhaust Gas Recirculation) využívá recirkulaci výfukových plynů při částečném zatížení motoru. Pokud je to možné, tak se pro zástavbu do autobusu volí motory s technologií EGR. Technologie EGR je totiž jednodušší a méně prostorově náročná. Pro SCR technologii je potřeba místo pro nádrž na AdBlue a konstrukce výfukového traktu má své zákonitosti. Firmy MAN a Scania mají pro autobusy motory s EGR a pro nákladní vozy mají motory s technologií SCR. Ostatní výrobci motorů používají technologii SCR. 35

Správnost zástavby motoru je kontrolována techniky příslušných výrobců motorů. Při schvalování zástavby motoru se provádí praktické jízdní zkoušky za účelem ověření funkčnosti všech zařízení. Testuje se funkčnost zařízení na úpravu výfukových plynů, systém chlazení motoru, bezpečnostní funkce jako omezovač rychlosti a ASR. Pro danou zástavbu motoru je potom vytvořen soubor dataset, tzn. specifické nastavení řídící jednotky motoru pro danou aplikaci. Spotřeby paliva se u autobusů měří podle metodiky SORT (Standardised On Road Test cycles). Testy SORT jsou rozděleny do tří skupin, viz. obr. 1.13. Každá skupina je charakteristická průměrnou rychlostí. Pro SORT 1 je průměrná rychlost nejmenší, což odpovídá těžkému městskému provozu, a pro SORT 3 je největší, což odpovídá příměstskému provozu. Normy SORT platí pouze pro 12-ti metrové autobusy, ale pracuje se na jejich rozšíření i pro ostatní typy autobusů. Spotřeby pro SORT 1 bývají 48 l/100 km, pro SORT 2 39 l/100 km a pro SORT 3 37 l/100 km. Reálné spotřeby paliva městských autobusů se pohybují v rozmezí 32 až 44 litrů nafty na 100 km pro 12 metrový autobus a 39 až 56 litrů na 100 km pro kloubové autobusy. Pro srovnání tahače o celkové hmotnosti 40 t mají spotřebu 30 až 35 l/100 km, přičemž výkon a točivý moment motorů pro tyto tahače je dvojnásobný. Toto srovnání ukazuje na náročnost provozu ve městě. Obrázek 1.13 Přehled testů SORT 36

Obrázky 1.14 a 1.15 ukazují umístění zásobníků paliva pro motory. Umístění těchto zásobníků je u nízkopodlažních autobusů obtížné, protože pod podlahou není žádný volný prostor. Kapalná paliva se tankují do nádrží, které bývají umístěny v oblasti přední nápravy. Tyto nádrže jsou dělené a každá část je umístěna na levé a pravé straně, aby byla zachována ulička mezi předními koly. Objem nádrží bývá 250 až 350 litrů. Zásobníky na plynná paliva zaujímají podstatně větší objem než zásobníky na kapalná paliva, a proto je jedinou možností umístění na střechu vozu. Tlakové láhve mohou být na střeše umístěny podélně nebo příčně. Umísťují se blíže k přední nápravě kvůli lepšímu rozložení hmotnosti. Láhve na střeše vozu zvyšují jeho těžiště a tím i dynamické vlastnosti zejména v zatáčkách, kdy se vozidlo více naklání. Objem tlakových lahví je 950 až 1550 litrů a plnící tlak je 250 bar pro zemní plyn a 350 bar pro vodík. Obrázek 1.14 Umístění palivových nádrží 37

Obrázek 1.15 Umístění plynových tlakových lahví 1.5 Převodovky Pro usnadnění práce řidičů se používají výhradně automatické převodovky. Nejpoužívanější jsou převodovky firem Voith a ZF. Méně často se používají převodovky americké firmy Allison. Popis pracoviště řidiče s ovládacími prvky převodovky je na následujícím obrázku 1.16. 38

Ruční brzda Ovládání retardéru Páka zastávkové brzdy Volič převodovky Obrázek 1.16 Pracoviště řidiče Výhodou automatických převodovek je množství funkcí usnadňujících obsluhu autobusu. Jejich další výhodou je plynulé řazení a tím i komfortní jízda. Funkce automatické převodovky jsou následující: Neutrál Převodovka se nachází v neutrálu tehdy, když je na voliči převodovky stisknuté tlačítko N a běží spalovací motor. Všechny spojky a brzdy jsou rozpojené. ANS (Automatic Neutral at Standstill) Tato funkce nabízí možnost automatického zařazení neutrálu při zastavení v zastávce nebo před křižovatkou. V tomto případě je ale zablokovaný výstupní hřídel převodovky a vozidlo je brzděno pouze pomocí převodovky. Podmínky pro zařazení jsou následující: - poloha pedálu v nulové poloze (Idle switch) - aktivována páka zastávkové brzdy - jízdní rychlost nižší než 1 km/h - zařazen libovolný rychlostní stupeň pro jízdu vpřed 39

- otáčky motoru nižší než 1000/min - ABS neaktivní Rozjezd Převodovka umožní zařazení prvního rychlostního stupně pokud běží spalovací motor a řidič stojí na brzdovém pedálu. Potom při stisknutí libovolného tlačítka pro jízdu vpřed dojde k zařazení prvního rychlostního stupně. Točivý moment je přenášen přes hydrodynamický měnič. Při uvolnění brzdového pedálu dojde k rozjezdu vozidla a při sešlápnutí plynového pedálu vozidlo zrychluje. Další rychlostní stupně jsou řazeny automaticky podle rychlosti vozidla a polohy akceleračního pedálu. Uspořádání voliče může být následující: R-N-D-3-2-1 N neutrál D jízda vpřed s dostupnými všemi rychlostními stupni R jízda vzad 3 převodovka řadí pouze první tři rychlostní stupně 2 převodovka řadí pouze první dva rychlostní stupně 1 převodovka řadí pouze první rychlostní stupeň R-N-D-2-1 R-N-D Brzdění Převodovky mají v sobě zabudovaný retardér, který umožňuje brzdění autobusu bez asistence kolových brzd. Brzděn je výstupní hřídel převodovky. To prodlužuje životnost kolových brzd a zvyšuje bezpečnost provozu. Brzdy jsou vždy připravené pro nouzové brzdění s plným účinkem, protože nejsou ohřáté od provozního brzdění. Naopak retardér je určen pro dlouhodobé a trvalé brzdění, protože převodovka je napojena na okruh chlazení motoru a teplo vznikající při brzdění je z retardéru dobře odváděno. Ovládání retardéru je pomocí páky pod volantem. Brzdící moment může být nastaven ve třech nebo šesti stupních. Bezpečnostní funkce Převodovka neumožní zařazení rychlostního stupně, pokud není sešlápnutý brzdový pedál, např. při nechtěném zmáčknutí klávesy voliče pro jízdu nebo při nastartování motoru s voličem v jízdní poloze. Dále neumožní rozjezd autobusu pokud 40

jsou otevřeny některé dveře nebo víko motorového prostoru a víka pro plnící hrdla nádrží. Pokud zasáhne funkce ABS při brzdění retardérem, retardér se automaticky vypíná. Naopak při zásahu funkce ASR převodovka neřadí a udržuje zařazený aktuální rychlostní stupeň. Tabulka 1.2 ukazuje základní technické parametry zmíněných převodovek. Údaje platí pro maximální přípustné hodnoty. Hmotnost je uváděna včetně retardéru a náplní. Výrobce a typ Voith DIWA3.E Voith DIWA5 ZF Ecomat 2 (plus) ZF Ecomat 4 Vstupní Hmotnost moment 1 2 3 4 5 6 Z Retardér [kg] [Nm] 1600 5,40 1,36 1,00 0,70 - - 4,30 Ano 380 1700 5,40 1,36 1,00 0,70 - - 4,30 Ano 380 1600 3,43 2,01 1,42 1,00 0,83 0,59 4,84 Ano 369 1750 3,43 2,01 1,42 1,00 0,83 0,59 4,84 Ano 369 Allison 3000 Series 1260 3,49 1,86 1,41 1,00 0,75 0,55 5,03 Ano 280 Allison 4000 Series 2400 3,51 1,91 1,43 1,00 0,74 0,64 4,80 Ano 411 Tabulka 1.2 Porovnání automatických převodovek Na obrázcích 1.17 a 1.18 jsou ukázány převodovky firem ZF a Voith. Převodovka vždy obsahuje hydrodynamický měnič točivého momentu, retardér, planetové převody jednotlivých rychlostních stupňů, lamelové spojky a brzdy, čerpadlo oleje, snímače a elektromagnetické ventily. Převodovka Voith navíc nabízí tlumič torzních kmitů na vstupní hřídeli. 41

Obrázek 1.17 Schéma převodovky ZF Ecomat 4 Zvláštností převodovky Voith je, že využívá stejných lopatkových kol jako hydrodynamického měniče i jako retardéru. Zároveň je zde využito principu větvení výkonu při rozjezdu v prvním rychlostním stupni. Část výkonu je rozdělena mezi hydraulickou část a zbývající část je přenášena cestou mechanickou. Toto řešení umožňuje zvětšení rozsahu prvního převodového stupně. Ostatní stupně jsou čistě mechanické. Proto má převodovka Voith pouze čtyři rychlostní stupně vpřed při stejném rychlostním rozsahu jako konkurenční převodovky. Ostatní převodovky mají oddělený hydrodynamický měnič a retardér. Zároveň nevyužívají dělení výkonu, proto mají více rychlostních stupňů. 42

Obrázek 1.18 Schéma převodovky VOITH DIWA5 Převodovka se k motoru připevňuje pomocí příruby. Nejčastěji se používá velikost příruby SAE1, méně často SAE2. Převodovky jsou připevněny pouze k motoru, tzv. letmé připojení. Pouze v extrémních případech se podepírá i převodovka. Pro různé koncepce pohonu je někdy zapotřebí i úhlový vývod z převodovky. Nejčastější je přímý vývod, ale pokud je motor uložen napříč autobusu je zapotřebí změnit úhel výstupního hřídele. To umožňují různé úhlové vývody, viz. obr. 1.19. Úhlové vývody ovšem zhoršují celkovou mechanickou účinnost pohonu a mění charakter sil v uložení motoru. Úhlové vývody jsou také velmi silně mechanicky namáhané, protože musí přenést maximální točivý moment motoru vynásobený násobností hydrodynamického měniče. 43

Obrázek 1.19 Přehled úhlových vývodů ZF Každá převodovka je programovaná podle použitého motoru a podle vozidla, ve kterém je provozována. Záleží také na převodovém poměru hnací nápravy a velikosti kol. Toto je základní nastavení převodovky a nazývá se dataset. Toto nastavení se provádí za účasti technika při praktických jízdních zkouškách. Příklad pevného nastavení řadících bodů (SP Shift Program) je znázorněn na obrázku 1.20. Toto je základem řazení všech automatických převodovek. Obrázek 1.20 Pevné řadící body automatických převodovek (SP) 44

Rovněž je brán ohled na charakter provozu. Změnu řazení převodovky podle charakteru provozu umožňuje přepínání mezi řadícími programy. Toto si může nastavit výrobce autobusu sám dle charakteru provozu v daném městě. Řadící programy jsou zpravidla rozděleny do čtyř úrovní: - ekonomický provoz, rovina (SP1) - ekonomický provoz, kopcovitý terén (SP2) - výkonnostní provoz, rovina (SP3) - výkonnostní provoz, kopcovitý terén (SP4) V ekonomickém provozu převodovka řadí při nižších otáčkách motoru a při výkonnostním provozu řadí při vyšších otáčkách. Rozdíl v řadících otáčkách mezi každým řadícím programem bývá 50/min, tzn. pevné řadící body se posouvají dle nastaveného řadícího programu. Převodovka Voith dále rozeznává aktuální zatížení motoru, podle kterého aktuálně upravuje parametry řazení (BASP Acceleration Based Shift Program). Vstupními hodnotami pro tuto funkci jsou poloha plynového pedálu, úhlové zrychlení výstupního hřídele převodovky a spínač Kick-down. Oblasti řazení jednotlivých rychlostních stupňů jsou ukázány na obrázku 1.21. Se změnou řadícího programu se v tomto případě posouvají celé oblasti řazení: - ekonomický provoz, rovina (BASP1) - ekonomický provoz, kopcovitý terén (BASP2) - výkonnostní provoz, rovina (BASP3) - výkonnostní provoz, kopcovitý terén (BASP4) 45

Obrázek 1.21 Oblasti adaptivního řazení převodovky Voith (BASP) Další nadstavbou řazení jsou funkce SensoTop firmy Voith a TopoDyn firmy ZF. Tato nadstavbová funkce umožňuje automatickou změnu celých řadících programů a rozšíření celého pole řazení. Tuto situaci dokumentují obrázky 1.22 a 1.23. Pro automatickou změnu se využívají informace o poloze plynového pedálu, úhlovém zrychlení výstupního hřídele převodovky a spínači Kick-down. Obrázek 1.22 Funkce SensoTop (Voith) 46

Obrázek 1.23 Funkce Topodyn (ZF) 1.6 Kloubové hřídele Kloubové hřídele slouží pro přenos točivého momentu mezi převodovkou a hnací nápravou, viz. obr. 1.24. Kloubové hřídele jsou mechanicky silně namáhány, točivý moment dosahuje hodnot až ±8000 Nm a za provozu je proměnlivý. Rovněž otáčky kloubových hřídelů jsou vysoké až 3200/min. Z tohoto důvodu musejí být kloubové hřídele vyvážené. Pro umožnění pohybu nápravy při propružení jsou hřídele opatřeny drážkováním pro délkovou kompenzaci hřídele. 47

Obrázek 1.24 Příklad kloubového hřídele s délkovou kompenzací Kloubové hřídele mají různé možnosti připojení. Nejčastěji se používají unašeče KV 70, DIN a SAE. Tyto unašeče jsou zobrazeny na obrázku 1.25. Unašeče KV 70 mají na čelní ploše drážkování, které přenáší točivý moment takže spojovací šrouby nejsou tolik namáhané jako u unašečů SAE a ISO. Obrázek 1.25 Unašeče KV 70, SAE a DIN Pro omezení vibrací a hlučnosti pohonu je nutné správné uspořádání pohonu. Motor s převodovkou musejí být umístěny vůči nápravě tak, aby kloubový hřídel po montáži byl v uspořádání Z nebo V, a to v horizontální i vertikální rovině. Někdy se 48

připouští celkový úhlový rozdíl v rovinách připojení přírub max. 3. Uspořádání kloubového hřídele Z a V jsou ukázány na obrázku 1.26. Obrázek 1.26 Konfigurace kloubového hřídele Z a V 1.7 Kloub Pro zvýšení přepravní kapacity se konstruují kloubové autobusy. Kloubové autobusy mohou mít jeden nebo dva klouby. Častější jsou jednokloubové autobusy, které jsou v tlačném provedení, tzn. poslední náprava je hnací a vozidlo je tlačeno. Hnací síla se přenáší kloubem na přední část vozu, což zhoršuje jízdní stabilitu v příčném směru. Méně časté jsou dvoukloubové autobusy. Dvoukloubové autobusy jsou pouze v tažném provedení, protože není možné zajistit příčnou stabilitu v tlačné verzi přes dva klouby. Při tažném provedení jsou motor s převodovkou a hnací náprava umístěny v přední části vozidla a zbylé části jsou taženy. To zajišťuje stabilitu při jízdě v zatáčkách. Podle koncepce kloubového autobusu se volí i klouby. Jiné je provedení tlačného kloubu pro naftový autobus, jiné pro autobus na zemní plyn a jiné pro trolejbus. Tažný kloub je univerzální pro všechny koncepce, protože neobsahuje rozvody pro specifická média vedoucí k motoru. Příklady provedení jednotlivých kloubů jsou na obrázku 1.27. 49

Obrázek 1.27 Příklady kloubů pro konkrétní aplikace (Hübner) 50

Kompletní systém kloubu obsahuje: - vlastní kloub - platformu na překrytí kloubu - rozvod médií na střeše - rozvod médií po bocích - rozvod médií v kloubu - systém tlumení a blokování kloubu - řídící jednotku kloubu - ochranné pryžové měchy - stabilizaci centrálního rámu - vnitřní zakytování - vnitřní madla a přídržné tyče Moderní klouby jsou vybaveny hydraulickým systémem tlumení pro zvýšení příčné stability autobusu. Hydraulický systém tlumení zároveň slouží jako zámek při překročení mezních úhlů lámání autobusu a zabezpečuje tak bezpečné ovládání autobusu. Hydraulický systém je ovládán řídící jednotkou umístěnou většinou v podlaze kloubu. Řídící jednotka kloubu komunikuje přes sběrnici CAN převážně s řídícími jednotkami ABS/ASR, motoru a převodovky. Nebezpečné stavy jsou vysílány řidiči na panel přístrojové desky. 51

2. PŘEHLED HYBRIDNÍCH POHONŮ Hybridní pohon je pohon s více než jedním zdrojem energie a příslušnými zásobníky energie. Účelné řešení hybridního pohonu je v kombinaci dvou rozlišných systémů pohonu tak, aby se jednotlivé systémy doplňovali za účelem práce celého systému s maximální účinností při všech provozních stavech. 2.1 Seznámení s problematikou hybridních vozidel Hybridní vozidla obecně jsou vozidla, která jsou vybavena nejméně dvěma odlišnými zdroji energie. Nejběžnější je kombinace spalovacího motoru a elektrických baterií. Energetické zdroje pro hybridní vozidla však mohou být i plynové turbíny, palivové články, setrvačníky, ultrakapacitory a tlakové akumulátory. Definice hybridního vozidla dle Ford Motor Company: Hybridní vozidlo je běžně provozované a dotankovávané vozidlo, které je vybaveno pohonným systémem splňujícím nejméně tři první podmínky ze čtyř následně uvedených: 1) Odstavování spalovacího motoru když je požadován nulový nebo záporný výkon 2) Zmenšení velikosti spalovacího motoru za účelem zlepšení jeho tepelné účinnosti 3) Regenerační brzdění pro rekuperaci brzdné energie 4) Vypnutí spalovacího motoru při nízkých výkonech, kdy je účinnost spalovacího motoru nízká Definice pojmů pro správné začlenění hybridního vozidla: Konvenční vozidlo: vozidlo poháněné pouze jedním zdrojem energie (spalovací motor, elektromotor ) 52

Hybridní vozidlo: vozidlo poháněné více zdroji energie (spalovací motor + elektromotor, spalovací motor + hydrostatický pohon, spalovací motor + setrvačník, palivové články + elektromotor ) Alternativní pohon: alternativní pohon ke klasickému pohonu, jako je spalovací motor + převodovka pohonem je myšlena celá soustava od zdroje energie až po kola do této kategorie spadá i hybridní pohon Alternativní palivo: alternativní palivo ke klasickým palivům, jako je benzín a nafta palivem je myšlen primární zdroj energie pro vozidlo Jednopalivový motor: spalovací motor, který pracuje vždy s jedním druhem paliva (nafta, benzín, CNG ) Vícepalivový motor: spalovací motor, který může střídavě pracovat na více druhů paliv nebo na obě paliva současně (benzín + LPG, benzín + CNG, nafta + RME, nafta + CNG ) Hybridní vozidla jsou komplikovanější a tím i dražší než konvenční vozidla. Vývoj hybridních vozidel ale podporují požadavky na nižší dopady na životní prostředí a na snížení spotřeby paliva. Hybridní vozidlo hospodaří s energií během jízdy. Při akceleraci nebo zvýšené zátěži vypomáhá hlavnímu zdroji energie pomocný zdroj energie. V okamžiku, kdy vozidlo disponuje přebytkem kinetické nebo potenciální energie, dobíjí se pomocný zdroj energie pro další použití. Koncepce řízení hybridního vozidla je odvozena od řízení jízdy. Úkolem řídící elektroniky je rozdělování výkonu od výrobní strany na spotřebiče za všech jízdních režimů. To vše se zřetelem na požadavky řidiče na aktuální výkon. Dle těchto požadavků a s ohledem na bezpečnost přebírá řízení vozidla řídící elektronika. Automatická regulace a řízení celého hybridního pohonu zůstávají největšími technickými problémy. Systém řízení musí zohledňovat i další přídavné funkce jako je ABS, ASR, ESP atd. 53

2.2 Rozdělení hybridních pohonů Dle uspořádání prvků v pohonném systému rozlišujeme hybridní systémy: Sériový systém Sériový hybridní systém je ukázán na obrázku 2.1. Sériový systém lze chápat jako čistě elektrický pohon avšak s výrobou elektrické energie přímo ve vozidle. Předností této konfigurace je prostorová nezávislost jednotlivých agregátů. Spalovací motor s generátorem nemusí být umístěn v konstrukčním dosahu hnací nápravy. Obrázek 2.1 Sériový hybridní systém Sériový systém umožňuje udržet spalovací motor v oblasti s nejvyšší účinností, nebo jej úplně vypnout. Nevýhodou je velikost elektrických zařízení, protože musejí být konstruována na nejvyšší požadovaný výkon. To zvětšuje jejich velikost a roste jejich hmotnost. Toto uspořádání se používá pro nejtěžší aplikace, jako jsou nákladní vozy, autobusy a železniční vozidla. Toto uspořádání je velmi podobné diesel-elektrickému pohonu, který se používá u lokomotiv a důlních strojů. Diesel-elektrický pohon ovšem není hybridní pohon, protože neumožňuje rekuperaci brzdné energie. Pro aplikaci s plynovou turbínou lze použít vysokootáčkový generátor elektrické energie bez jakékoliv redukční převodovky. Sériový systém má nižší účinnost, protože celý výkon musí procházet přes oba elektrické stroje a výkonovou elektroniku, které se při nejvyšších výkonech zahřívají. Paralelní systém Paralelní systém je znázorněn na obrázku 2.2. Jestliže sériový systém je popisován jako čistě elektrický pohon s výrobou elektrické energie ve vozidle, tak paralelní systém lze nejlépe přirovnat ke konvenčnímu pohonu vybavenému přídavným elektrickým strojem. 54

Obrázek 2.2 Paralelní hybridní systém Výhodou tohoto uspořádání je, že žádný ze strojů nemusí být navrhován na maximální požadovaný výkon. Nevýhodou je, že spalovací motor je mechanicky připevněn ke hnací nápravě a jeho chod nemůže být udržován v oblasti s nejvyšší účinností. Tuto nevýhodu lze však odstranit použitím CVT (Continuously Variable Transmission) převodovky. Toto uspřádání se nejvíce hodí pro osobní automobily a menší vozidla. Účinnost tohoto systému je vyšší, protože všechna mechanická energie spalovacího motoru nemusí být převedena na elektrickou energii. Smíšený systém Smíšený hybridní systém je na obrázku 2.3. Smíšený hybridní systém je kombinací sériového a paralelního hybridního systému. Toto uspořádání umožňuje dosáhnout nejvyšší účinnosti a nejlepších jízdních vlastností. Konstrukčně je však nejsložitější. Obrázek 2.3 Smíšený hybridní systém Používá se většinou u osobních automobilů a umožňuje různá uspořádání pohonu. Rovněž systém řízení umožňuje více variant toků výkonů. Smíšenému systému však může konkurovat paralelní systém s CVT převodovkou, který je konstrukčně jednodušší a rovněž nabízí více variant řízení toku výkonu. 55

2.3 Konkrétní příklady hybridních městských autobusů V následujícím přehledu jsou uvedeny moderní hybridní autobusy, které byly vyrobeny pro reálné ověření funkčnosti pro případnou sériovou výrobu. 2.3.1 Volvo Prototyp hybridního autobusu Volvo 7700 je moderní dvounápravový nízkopodlažní městský autobus o délce 12 m a celkové hmotnosti 19 t. Hybridní pohon přináší úsporu paliva až 35 % a při stání na zastávkách neprodukuje žádné výfukové emise. Hybridní autobus Volvo je konstruován jako paralelní systém v kombinaci se vznětovým motorem a elektromotorem, přičemž každá zdroje energie může pracovat samostatně a nezávisle na tom druhém. Za normálních okolností je pro výjezd ze zastávek a do rychlosti 20 km/h využíván pouze elektromotor. Ve vyšších rychlostech se připojí spalovací motor, který pomáhá elektromotoru a zároveň dobíjí baterie. Tento hybridní systém je vhodný pro městský provoz. Elektromotor dokáže pracovat i jako generátor, tzn. při zpomalování se využívá kinetická energie autobusu pro dobíjení baterií. Tato kinetická energie by se jinak mařila v teplo v retardéru nebo brzdách. Hybridní technologie je tedy vhodná pro provoz charakterizovaný velkým počtem rozjezdů a zastávek, což je právě městský provoz. Použitím elektromotoru pro rozjezd a nízké rychlosti je dosaženo nulových emisí výfukových plynů. Elektromotor disponuje maximálním točivým momentem právě při rozjezdech, což vylepšuje hnací charakteristiku vozidla. Když vozidlo stojí v zastávkách nebo na křižovatkách, spalovací motor je vypnut automaticky. To přispívá i ke snížení hlučnosti. Hybridní autobus Volvo je ukázán na obrázku 2.4. Baterie jsou umístěny na střeše úplně vpředu. Ve střední části střechy je umístěna klimatizace a na konci střechy jsou chladiče pro chlazení spalovacího motoru. 56

Obrázek 2.4 Hybridní autobus Volvo 7700 Pohonný systém se skládá z naftového spalovacího motoru, spojky, převodovky a modulu I-SAM (Integrated Starter Alternator Motor), viz. obr. 2.5. Jednotka I-SAM je konstruována jako motorgenerátor na střídavý proud s permanentními magnety. Výkonová elektronika je použita pro převod střídavého proudu na stejnosměrný proud a naopak. Stejnosměrný proud je nezbytný pro dobíjení baterií a palubní síť vozidla. Řídícím systémem je PMU (Powertrine Management Unit). PMU zajišťuje rozdělování elektrické energie, řazení, provoz spalovacího motoru a dobíjení baterií dle jízdních situací. 57

Obrázek 2.5 Hlavní komponenty hybridního pohonu Volvo Kompaktní pohonná jednotka se skládá z vysokovýkonného elektromotoru a ekonomického naftového motoru, viz obr. 2.6. Naftový motor Volvo s označením D5E je řadový čtyřválec o zdvihovém objemu 5 litrů a výkonu 155 kw. Spalovací motor je instalován ve vertikální poloze v levém zadním rohu autobusu jako je tomu u standardních autobusů řady 7700. Jelikož je použit pouze 5-ti litrový motor je v motorovém prostoru dostatek místa i pro elektromotor. 58

Obrázek 2.6 Spalovací motor se spojkou a motorgenerátorem Volvo Pomocné agregáty nemusejí být poháněny řemeny od spalovacího motoru, což umožňuje nezávislou instalaci kdekoliv ve vozidle. V hybridním autobuse jsou čerpadlo servořízení, vzduchový kompresor, kompresor klimatizace a chladící ventilátory poháněny samostatnými elektromotory spínanými a regulovanými dle potřeby. Toto opatření přináší další úsporu paliva. Technická specifikace a momentová charakteristika jsou na obrázku 2.7. Obrázek 2.7 Technická specifikace a momentová charakteristika pohonu Volvo 59

2.3.2 MAN Společnost MAN testuje v současné době dva typy hybridních autobusů. První typ je hybridní autobus je vybaven sériovým hybridním systémem v kombinaci s naftovým motorem a ultrakapacitory. Druhý typ je vybaven čistě elektrickým sériovým hybridním systémem s palivovými články a NiMH bateriemi pro rekuperaci brzdné energie. Hybridní autobus se spalovacím motorem je ukázán na obrázku 2.8. Jedná se o 12-ti metrový nízkopodlažní autobus o celkové hmotnosti 18 t. Z obrázku je rovněž patrné rozmístění jednotlivých komponent ve vozidle. Obrázek 2.8 Hybridní autobus MAN Lion s City se spalovacím motorem Jako primární zdroj energie je použit naftový spalovací motor MAN D0836LOH s CRTec technologií. Výkon motoru je 191 kw a splňuje emisní normy EEV. Naftový motor přímo pohání synchronní elektrický generátor Siemens o výkonu 150 kw. Elektrická energie z elektrického generátoru je dle potřeby rozdělována výkonovou elektronikou do asynchronních elektromotorů, ultrakapacitorů a do ostatních systémů vozidla. Pro pohon slouží dva třífázové asynchronní elektromotory Siemens TS model 1 PV5135, každý o výkonu 75 kw. Elektromotory jsou připojeny na slučovací 60

převodovku, jejíž výstupní hřídel je spojen pomocí kloubového hřídele se standardní nízkopodlažní portálovou nápravou. Elektromotory jsou napájeny přes pulzní měnič s technologií IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistors) model Alfa Duo. Při využívání brzdné energie pracují elektromotory v generátorickém režimu a přes výkonovou elektroniku se elektrická energie ukládá do modulu ultrakapacitorů. Modul ultrakapacitorů se skládá ze 12 jednotek, viz obr. 2.9. Každá jednotka má 24 článků. Maximální nabíjecí a vybíjecí výkon je 200 kw/0,4 kwh. Maximální proudové zatížení je 500 A. Ultrakapacitory pracují při napětí 400 630 V. Celková hmotnost modulu je přibližně 500 kg včetně rámu a chlazení. Ultrakapacitory jsou zvoleny z důvodu nižší hmotnosti oproti bateriím. Ultrakapcitory lze rovněž dynamičtěji nabíjet a vybíjet bez zkrácení jejich životnosti. Obrázek 2.9 Pohled na modul ultrakapacitorů Blokové schéma uspořádání pohonu ukazuje obrázek 2.10. Automatický systém řízení umožňuje tyto funkce: automatický start-stop systém motoru, jízdu v čistě elektrickém režimu při nízkých rychlostech, využívání brzdné energie, rozdělování elektrické energie pro ostatní spotřebiče ve vozidle. Hlavní vstupní informace pro řízení systému jsou signály od akceleračního pedálu a brzdového pedálu. Podle akceleračního pedálu se řídí pracovní bod spalovacího motoru, elektromotorů a ultrakapacitorů a podle brzdového pedálu je řízena rekuperace brzdné energie. Jelikož městský autobus stráví až 45 % celkového času na zastávkách a křižovatkách, je řízení vybaveno i systémem 61

start-stop, které přináší další úsporu paliva. Celková úspora paliva tohoto autobusu oproti klasickému autobusu je 25 %. Interiér hybridního autobusu je shodný s klasickým autobusem. Spalovací motor je umístěn v levém zadním rohu autobusu ve vertikální poloze. Obrázek 2.10 Blokové schéma pohonu autobusu MAN se spalovacím motorem Na obrázku 2.11 je hybridní autobus MAN s palivovými články. S předchozím typem autobusu je shodný pouze pohon nápravy, kde se rovněž využívají dva třífázové asynchronní elektromotory Siemens TS model 1 PV5135, každý o výkonu 75 kw, připojené přes slučovací převodovku a kloubový hřídel k portálové hnací nápravě. Odlišnosti jsou v primárním zdroji energie a v ukládání elektrické energie. 62

Obrázek 2.11 Hybridní autobus MAN s palivovými články Jako primární zdroj energie slouží palivové články Ballard Xcellsis HY-80 fuel cell system. Počet článků je 440. Maximální účinnost těchto článků je 48 %. Články pracují s napětím 250 450 V a jejich výkon je 68 kw. Celková hmotnost systému s palivovými články je 220 kg. Stlačený vodík pro palivové články je odebírán z tlakových lahví Dynetek. Tlakové lahve jsou umístěny napříč na střeše vozidla a jsou vyrobeny ze slitiny hliníku. Počet lahví je 8 a celkový objem lahví je 1640 l. Maximální plnící tlak 350 bar. Pro uskladnění elektrické energie jsou použity baterie NiMH pracující s napětím 400 700 V. Jejich elektrický výkon je 140 kw/13,2 kwh. Baterie jsou umístěny rovněž na střeše, hned za tlakovými lahvemi na vodík. Pohled do zadní části autobusu je na obr. 2.12. Obsaditelnost tohoto autobusu je však nižší 60 osob, což je dáno vyšší hmotností použitých komponent, jako jsou tlakové lahve na vodík a baterie. 63

Obrázek 2.12 Umístění palivových článků, řídící elektroniky a distribuce elektrické energie Rovněž systém řízení je odlišný od systému se spalovacím motorem. Blokové schéma uspořádání jednotlivých komponent ve vozidle je znázorněno na obrázku 2.13. Palivový článek je nepřetržitě zásobován čerstvým vzduchem a vodíkem a jeho účinnost je udržována na maximální hodnotě. Nedochází tedy k vypínání palivového článku na zastávkách a křižovatkách. Z tohoto důvodu musí být palivový článek nepřetržitě chlazen. Elektrická energie z palivového článku je dle potřeby rozdělována do baterií nebo do hnacích elektromotorů. Celý systém je napojen na CAN sběrnici vozidla a je ovládán dle požadavku řidiče na výkon systému a rychlost vozidla. 64

Obrázek 2.13 Blokové schéma komponent hybridního autobusu MAN s palivovými články 2.3.3 Mercedes-Benz Mercedes-Benz testuje také dva typy hybridních autobusů, tzn. hybridní systém se spalovacím motorem a hybridní systém s palivovými články. V obou případech se jedná o sériové uspořádání. Mercedes-Benz se však zaměřil na kloubové 18-ti metrové autobusy o celkové hmotnosti 28 t. Alternativně lze vybírat i z 12-ti metrových autobusů, protože pro konstrukci hybridních systémů byla použita modulární koncepce. Kloubový hybridní autobus je pro názornost zobrazen na obrázku 2.14. Jedná se opět o nízkopodlažní autobus, přičemž veškeré prvky hybridního systému jsou umístěny na střeše vozu. 65

Obrázek 2.14 Hybridní kloubový autobus Mercedes-Benz Citaro G Schéma rozvodů a umístění jednotlivých prvků systému uvádí obrázek 2.15. Pro pohon autobusu je použit naftový čtyřválcový motor Mercedes-Benz OM 924 LA o zdvihovém objemu 4,8 l. Motor disponuje výkonem 160 kw při 3200/min a točivým momentem 810 Nm při 1600/min. Pro redukci škodlivin ve výfukových plynech je motor doplněn o technologii SCR (Selective Catalytic Reduction). Pro tuto technologii je nutné vstřikování AdBlue před SCR katalyzátor. Umístění nádrže AdBlue je patrné z obrázku 2.15. Obrázek 2.15 Rozmístění jednotlivých prvků hybridního autobusu Mercedes-Benz 66

Pro elektrický pohon jsou použity portálové nápravy ZF AVE 130. Tyto nápravy jsou stejné konstrukce jako standardní portálové nápravy pro klasické autobusy, jsou však vybaveny elektromotory v nábojích kol. U tohoto autobusu je hnaná druhá i třetí náprava, což výrazně vylepšuje trakční schopnosti autobusu a jeho stabilitu. Přední náprava má nezávislé zavěšení kol. Výkon každého elektromotoru je 80 kw, tzn. celkový hnací výkon je 320 kw. K akumulaci elektrické energie jsou instalovány Li-Ion baterie o elektrickém výkonu 170 kw/20 kwh. Baterie pracují s napětím 650 V. Obrázek 2.16 ukazuje rozdíly mezi hybridním autobusem se spalovacím motorem a hybridním autobusem s palivovými články. Spalovací motor je nahrazen palivovými články Ballard a na střechu autobusu jsou umístěny tlakové lahve na stlačený vodík. Vodík je uložen v sedmi lahvích umístěných napříč. Plnící tlak je 350 bar. Baterie a elektromotory zůstávají stejné. Obrázek 2.16 Porovnání hybridního systému se spalovacím motorem a palivovým článkem Mercedes-Benz testuje i 12-ti metrový autobus o celkové hmotnosti 18 t s palivovými články. V tomto případě je pro pohon použit centrální elektromotor a převodovka spojená kloubovým hřídelem s portálovou hnací nápravou. Toto uspořádání 67

dokumentuje obrázek 2.17. Použití převodovky umožňuje udržet palivový článek v pracovní oblasti s vysokou účinností. Obrázek 2.17 Hybridní autobus s palivovými články, elektromotorem a převodovkou Na střeše autobusu je opět sedm tlakových lahví na vodík o celkovém objemu 1845 l. Plnící tlak je 350 bar. Výkon centrálního elektromotoru je 200 kw. Elektromotor pracuje při napětí 600 V. Na výběr je čtyřstupňová převodovka Voith DIWA5 a pěti nebo šestistupňová převodovka ZF Ecomat 4. Převodovky obou výrobců mají všechny stupně řazené pod zatížením. Obsaditelnost tohoto autobusu je 70 osob. 2.3.4 Scania Scania testuje také dva typy hybridních autobusů. Jedná se o autobusy Scania Hybrid Concept a Scania OmniLink. Oba typy autobusů jsou však vybaveny stejným pohonným systémem. 68

Hybridní autobus Scania Hybrid Concept je autobus moderní koncepce s nekonvenční konstrukcí. Jedná se o modulovou koncepci která se skládá ze tří základních částí, viz. obr. 2.18. První část tvoří přední náprava a pracoviště řidiče. Druhou část tvoří nízkopodlažní prostor pro cestující a třetí část tvoří hnací soustava se zadní nápravou. Posunutím náprav dopředu a dozadu je dosaženo čistého vnitřního prostoru pro cestující a větší variability uspořádání interiéru. Sedadlo řidiče je situováno uprostřed vozidla, což umožňuje řidiči lepší odhad vzdálenosti na obě strany. Prototyp autobusu Scania je nízkopodlažní autobus s délkou 10,4 m a celkovou hmotností 18 t. Při délce 10,4 m je obsaditelnost vozu 81 osob, což je srovnatelné s 12-ti metrovými autobusy. Vyšší obsaditelnost je umožněna zvětšením rozvoru náprav. Aby se zachovala průjezdnost autobusu v městských ulicích i při větším rozvoru, jsou obě nápravy řiditelné a mají nezávislé zavěšení kol. Poháněná je pouze zadní náprava. Komponenty hybridního systému jsou umístěny v poslední části autobusu a na střeše. Obrázek 2.18 Členění hybridního autobusu Scania Hybrid Concept Hybridní systém autobusu Scania je sériového uspořádání v kombinaci se spalovacím motorem, jak ukazuje obrázek 2.19. Koncepce autobusu je volena tak, aby bylo možno použít jakýkoliv spalovací motor Scania nebo palivové články. Scania uvažuje použití motorů na naftu, etanol, RME a CNG. 69

Obrázek 2.19 Uspořádání hybridního systému Scania Technické údaje tohoto autobusu jsou vedeny v následujícím přehledu: Spalovací motor: Výkon: Točivý moment: Scania 9-litrů diesel, ethanol nebo plynový motor 198 kw (270 hp) při 1800/min (concept bus) 1250 Nm při 1100-1450/min (concept bus) Generátor: Trvalý točivý moment: Trvalý výkon: Maximální otáčky: Voith ELVO Drive, TFM Generator, vodou chlazený 1250 Nm 220 kw mechanický od motoru 2400/min Trakční motor: Voith ELVO Drive, TFM Motor, vodou chlazený Maximální točivý moment: 2750 Nm, trvalý točivý moment: 1800 Nm Trvalý výkon: 150 kw mechanický Maximální otáčky: 2400/min Ukládání elektrické energie: Supercapacitors: 4x125-Volt Maxwell BOOSTCAP modules, vzduchem chlazené Kontrolní systém: Standard Scania CAN architektura s přidanými funkcemi pro řízení hybridního systému Maximální rychlost: 78 km/h, závisí na převodu nápravy Dosažená úspora paliva: 25 % 70

Obrázek 2.20 Pohled na uspořádání zadní části autobusu Na obrázku 2.20 je pohled na uspořádání pohonu v zadní části autobusu. Spalovací motor je umístěn nad zadní nápravou vpravo. Ke spalovacímu motoru je připevněn generátor. V levé části je výkonová elektronika hybridního systému. Centrální elektromotor je umístěn za zadní nápravou uprostřed vozu. Autobus Scania OmniLink je konstruován jako třínápravový o délce 13,7 m, viz. obr. 2.21. Tento autobus je osazen spalovacím motorem Scania o zdvihovém objemu 9 litrů spalujícím ethanol a pohonným systémem Voith ELVO Drive. 71

Obrázek 2.21 Hybridní autobus Scania OmniLink Uspořádání pohonu ukazuje obrázek 2.22. Spalovací motor s generátorem jsou umístěny ve stejném místě jako u konvenčního autobusu. Trakční motor je umístěn mezi druhou a třetí nápravou. Hnaná je druhá náprava. Poslední náprava je vybavena hydraulickým řízením a není hnaná. Zásobníky elektrické energie jsou umístěny na střeše vozu. Obrázek 2.22 Pohonný systém autobusu Scania OmniLink 2.3.5 Solaris Firma Solaris nabízí nízkopodlažní kloubový hybridní autobus o délce 18 m a celkové hmotnosti 28 t. Maximální obsaditelnost tohoto autobusu je 161 osob. 72

Kompletní hybridní systém dodala firma Allison. Jedná se o paralelní systém se spalovacím motorem. Všechny důležité komponenty hybridního systému jsou opět umístěné na střeše, viz. obr 2.23. Obrázek 2.23 Hybridní kloubový autobus Solaris Primárním zdrojem energie je naftový motor Cummins ISLe4 o zdvihovém objemu 8,9 l o výkonu 250 kw v kloubové verzi autobusu, nebo naftový motor Cummins ISBe4 o zdvihovém objemu 6,7 l a výkonu 183 kw pro sólo autobus. Druhou část pohonu tvoří systém EP50 firmy Allison Transmission. Tento systém se skládá ze čtyř základních modulů: pohon E v, baterie, řídící jednotka a měnič. Baterie a měnič jsou umístěny na střeše vozu. 2.3.6 Irisbus Iveco Irisbus Iveco představil projekt nového autobusu, který do sektoru veřejné dopravy přináší další originální řešení, viz. obr. 2.24 Hynovis Concept. 73

Obrázek 2.24 Hynovis Concept Irisbus Iveco Koncepce tohoto prototypu je rozvíjena na dvanáctimetrovém voze s naftovým pohonem, což je prvek velké většiny současných flotil autobusů. Důraz při vývoji byl kladen na snížení znečišťujících emisí a zvýšení přepravní kapacity tak, aby se emise dělily na větší počet cestujících. Tento přístup je unikátní, protože charakteristickým rysem většiny projektů hybridních autobusů v dnešní době předkládaných je významný růst hmotnosti vozidel, čímž se snižuje jejich kapacita přepravy osob. U projektu Hynovis Concept bylo naopak dosaženo díky speciální architektuře podstatného hmotnostního zisku. Zadní hnací náprava je říditelná a je umístěna pod zadní lavicí. Vylučuje se tak zadní podběh a uvolňuje dlouhou plošinu bez jakýchkoli schůdků, čímž dovoluje optimální vybavení a zvýšení kapacity cestujících o 8 % ve srovnání se standardním autobusem. Vozidlo má přední dvojitou řízenou nápravu vybavenou nízkoprofilovými pneumatikami, což umožňuje rozšíření centrální uličky na 1 200 mm zároveň s podběhy kol ve srovnání s 900 mm pro standardní autobus. Tato konfigurace značně usnadňuje pohyb cestujících ve vstupu do vozu a významně zvyšuje volný proud provozu při snižování doby čekání na zastávkách. To vede ke zvýšení jízdní rychlosti jako zvlášť atraktivního faktoru v sektoru veřejné dopravy, protože je známo, že frekvence 74

používání autobusů ve srovnání s frekvencí používání osobních motorových vozidel významně stoupá, když se zvyšuje jejich jízdní rychlost. Toto řešení dovoluje zachovat standardní vnější poloměry otáčení přes zvětšený rozvor. Pohodlí je značně zvýšeno díky snížení neodpružených hmot a nezávislému tlumení pravých a levých kol, což snižuje vibrace a otřesy uvnitř vozu. Společnost Michelin vyvinula pneumatiky se zlepšeným valivým koeficientem zejména pro Hynovis Concept s cílem reagovat na originální architektonickou koncepci vozu, zlepšit ekologický provoz pneumatik a umožnit jednotunové zvýšení užitečného zatížení ve srovnání s konvenčním autobusem. Hynovis Concept vykazuje snížení hmotnosti o 1 tunu navzdory skutečnosti, že tento model je vybaven hybridním systémem. Na snížení hmotnosti se významně podílí snížení hmotnosti skeletu a instalace naftového motoru Iveco Tector 6 EEV o zdvihovém objemu 6 litrů s výkonem 164 kw. Výsledkem použití motoru s menším objemem válců je i snížení vnějšího hluku o 6 db. Snížení hmotnosti o jednu tunu ve srovnání s konvenčním autobusem je jedním z hlavních prvků Hynovis Concept vzhledem k tomu, že hmotnost je jedním z hlavních příčin nadměrné spotřeby autobusů. Hmotnostní zisk také umožnil zvýšit přepravní kapacitu o 9 cestujících podle standardních podmínek homologace, což odpovídá 8 % kapacity běžného dvanáctimetrového autobusu. Hynovis Concept je vybaven dvěma hydraulickými systémy: 1) Start-stop systém kombinuje dvě funkce: - zastavení motoru, když je autobus v klidu, a jeho rychlé nastartování během 0,3 sekundy, než se opět rozjede - přívod energie pro pomocné systémy v době, kdy motor stojí, s využitím inovačního zařízení pro ukládání energie přes smíšený systém kombinující akumulátory a super-kondenzátory 2) Systém rekuperace brzdné energie: Tento systém spoléhá na hydraulický motor čerpadla. Připojení k hydro-pneumatickému akumulátoru umožňuje rekuperaci brzdné energie a její zpětný vstup během zrychlování. Důvodem pro volbu hydraulické technologie je skutečnost, že v současné 75

době má, ve srovnání s konkurenčními hybridními technologiemi, velmi konkurenceschopnou režijní cenu, přičemž stále vykazuje velmi podobnou účinnost. Hydraulický hybridní systém dodala firma Poclain Hydraulics. Výrobcem uváděné 30 % snížení emisí CO 2 u modelu Hynovis Concept zahrnuje: - 23 % hydraulická hybridizace (z čehož 8 % připadá na start-stop systém a 15 % na motor čerpadla) - 5 % jednotunové snížení hmotnosti - 2 % pneumatiky ze zlepšeným koeficientem odporu Díky systému start-stop došlo ke snížení emisí oxidů dusíku NO x o 50 %. 2.3.7 Škoda Electric Autobus s označením TriHyBus (Triple Hybrid Hydrogen Bus) je výsledkem česko-německé spolupráci při vývoji hybridního autobusu. Jde o první autobus na světě s tzv. trihybridním pohonem a zároveň o první autobus s vodíkovým palivovým článkem, vyvinutý v zemích střední a východní Evropy. Nejvýznamnějšími partnery tohoto projektu jsou plzeňská Škoda Electric a mnichovská společnost Proton Motor. Škoda Electric dodala autobus s elektro výzbrojí, power managementem a řízením pohonu. Firma Proton Motor dodala vodíkový palivový článek. Jedná se tedy o hybridní autobus se sériovým uspořádáním hybridního pohonu, kde primární zdroj energie je palivový článek. Jako zásobníky energie slouží baterie a ultrakapacitory. Palivový článek je umístěn v zadní části vozu, viz. obr. 2.25. Vodíkové nádrže jsou umístěny na střeše autobusu. Dojezd autobusu na jedno natankování je 250 km. Doba plnění nádrží vodíkem je 10 min. 76

Obrázek 2.25 Pohled do zadní části autobusu TriHyBus TriHyBus má klasické rozměry běžného městského autobusu, je 12 metrů dlouhý a maximální hmotnost je 18 tun. Výkon elektrického trakčního motoru je 120 kw. Hlavním zdrojem energie je membránový palivový článek od firmy Proton Motor o výkonu 48 kw. Maximální rychlost TriHyBusu je elektronicky omezena na 65 km/h. Do zásobníků na střeše vozidla se plní 20 kg plynného vodíku pod tlakem 350 barů a dojezd na jedno naplnění je až 300 kilometrů. 2.3.8 Orion VII Autobus Orion VII, viz. obr. 2.26, je představitelem amerického hybridního autobusu. Hybridní systém tohoto autobusu je v sériovém provedení. Pro pohon je použit naftový motor Detroit Diesel o zdvihovém objemu 5,9 l. Výkon tohoto motoru je 194 kw při 2300/min točivý moment je 805 Nm při 1300/min. 77

Zvláštností tohoto autobusu je použití klasických olověných akumulátorů pro uskladnění elektrické energie. Výhodou olověných akumulátorů je jejich nízká cena. Nevýhodou je však vysoká hmotnost, která zhoršuje stabilitu autobusu, zejména jsou-li olověné akumulátory umístěné na střeše. Energetický obsah akumulátorů je 32 kwh. Obrázek 2.26 Hybridní autobus Orion VII Zadní náprava je poháněná elektromotorem o výkonu 186 kw, který má v generátorickém režimu výkon 120 kw. 2.3.9 Mitsubishi Fuso Aero Japonská společnost Mitsubishi Fuso nabízí hybridní autobus se sériovým uspořádáním pohonu. Tento autobus je ukázán na obrázku 2.27. V autobusu je použit naftový motor Mitsubishi 4M50T o zdvihovém objemu 4,9 l. Výkon motoru je 132 kw při 2700/min a točivý moment je 530 Nm při 1600/min. Pro akumulaci elektrické energie jsou použity Li-Ion baterie o energetickém obsahu 14 kwh. Zadní náprava je poháněna dvěma elektromotory. Jeden o výkonu 79 kw a druhý o výkonu 40 kw. Elektromotory jsou spojeny slučovací převodovkou a jsou spínány dle aktuální potřeby výkonu. 78

Obrázek 2.27 Japonský hybridní autobus Mitsubishi Fuso Aero 2.4 Konstrukční prvky hybridních městských autobusů Pro konstrukci hybridních městských autobusů lze použít známé prvky z klasických autobusů doplněných o přídavné systémy hybridního pohonu. Výrobci komponent pro městské autobusy sledují vývoj v této oblasti a spolupracují s výrobci autobusů na vývoji hybridních systémů. Tyto systémy jsou již testovány v reálném provozu. Následující přehled ukazuje výsledky vývoje těchto systémů. 2.4.1 Voith Firma Voith nabízí kompletní sériový i paralelní hybridní systém. Sériový systém má název ELVO Drive a je nové konstrukce. Paralelní systém s názvem DIWAhybrid využívá převodovku DIWA5 zmíněnou v kapitole o konstrukci autobusů. Na obrázku 2.28 je znázorněn sériový systém Voith ELVO Drive. Jedná se o plně elektrický systém složený z generátoru, který je spojen se spalovacím motorem, a z elektromotoru, který je připojen kloubovým hřídelem ke hnací nápravě. Celý systém je doplněn o převodník, zásobníky energie a řídící jednotku. Plně elektrický systém 79

nabízí široké pracovní pole s vysokou účinností. Vhodný je pro těžký provoz s nízkou průměrnou rychlostí. Parametry systému ELVO Drive: Maximální vstupní výkon spalovacího motoru 220 kw Maximální vstupní točivý moment spalovacího motoru 1350 Nm Mechanický výstup z elektromotoru 175 kw Hmotnost systému bez zásobníků energie 800 kg Obrázek 2.28 Voith ElvoDrive Obrázek 2.29 ukazuje paralelní systém DIWAhybrid. Základem je automatická převodovka Voith DIWA5 doplněná o motorgenerátor. Převodovka je řízena standardní řídící jednotkou a diagnostikována známým programem Aladin. Zásobníky energie a výkonová řídící elektronika jsou stejné jako u systému ELVO Drive. Paralelní systém je vhodný do provozu z vyšší průměrnou rychlostí. Parametry systému DIWAhybrid: Maximální vstupní výkon spalovacího motoru 290 kw Maximální vstupní točivý moment spalovacího motoru 1700 Nm Mechanický výstup z elektromotoru 150 kw Hmotnost systému bez zásobníků energie 820 kg 80

Obrázek 2.29 Voith DIWAhybrid 2.4.2 ZF Firma ZF nabízí komponenty pro konstrukci sériového i paralelního hybridního pohonu. Nenabízí však celý systém se zásobníky energie. Pro sériový systém byla vyvinuta portálová nízkopodlažní náprava s elektromotory v nábojích kol, viz. obr. 2.30. Tato náprava má označení AVE 132 a konstrukčně vychází ze známé portálové nápravy AV 132. Použití elektromotorů v nábojích kol zvyšuje mechanickou účinnost pohonu, protože výkon nemusí být přenášen přes stálý převod nápravy. Rovněž odpadá komplikované připojení přes kloubový hřídel, tzn. jednotlivé agregáty mohou být volně rozmístěny ve vozidle. 81

Obrázek 2.30 Portálová náprava ZF AVE 132 Základní parametry nápravy ZF AVE 132: Nosnost 13000 kg Maximální výstupní výkon 2 x 120 kw Maximální výstupní moment 2 x 10500 Nm Maximální otáčky kol 485/min Hmotnost nápravy 1100 kg Typ elektromotorů 2 x asynchronní, třífázový Pracovní napětí 350 až 420 V Pracovní proud 135 A Maximální proud 350 A Chladivo voda:glykol (50:50) Pro paralelní systém je použita nová řada automatických převodovek ZF EcoLife doplněných o integrovaný motorgenerátor, viz. obr. 2.31. Maximální vstupní točivý moment do převodovky je 2000 Nm. Výkon elektromotoru je 90 kw pro 12-ti metrové autobusy a 120 kw pro kloubové autobusy. Převodovka je 6-ti stupňová. 82

Obrázek 2.31 Převodovka EcoLife s motorgenerátorem 2.4.3 Allison Transmission Americká firma Allison Transmission nabízí kompletní paralelní hybridní systém. Tento systém se skládá ze čtyř základních modulů: pohon E v, baterie, řídící jednotka a měnič. Prvním modulem je pohon E v, viz. obr. 2.32. Pohon E v slouží ke slučování točivého momentu spalovacího motoru a točivého momentu elektromotoru. Tento modul vypadá jako klasická automatická převodovka, ale uvnitř se skládá ze dvou motorgenerátorů, dvou spojek a tří planetových převodů. Připojení ke spalovacímu motoru je shodné jako připojení klasické automatické převodovky. 83

Základní technické údaje E v pohonu: Hmotnost s náplněmi: 428 kg Délka: 817 mm (od příruby motoru po přírubu výstupního hřídele) Šířka: 573 mm (maximální šířka skříně) Výška: 312 mm (od osy klikového hřídele po spodní okraj olejové vany) Trvalý výkon: 246 kw Maximální točivý moment: 1420 Nm Maximální vstupní otáčky: 2300/min Obrázek 2.32 E v pohon Druhým modulem jsou NiMH baterie, viz. obr. 2.33. Jejich hmotnost je 440 kg a předpokládaná životnost 6 let dle způsobu jízdy autobusu. Vnější rozměry jsou 2183 mm L x 1116 mm W x 283 mm H. 84

Obrázek 2.33 NiMH baterie Třetím modulem je řídící jednotka. Tvoří ji dva řídící moduly firmy Allison série 1000/2000, viz. obr. 2.34. Úkolem první jednotky je kontrola a řízení práce hybridního pohonu, a druhá jednotka odpovídá za spolupráci s jinými soustavami vozidla. Hmotnost jednotky je 3 kg. Obrázek 2.34 Řídící jednotky hybridního systému Čtvrtým modulem je dvojitý modul měniče DPIM (Dual Power Inverter Module), viz. obr. 2.35. DPIM pracuje se stejnosměrným napětím 430-900 V, které 85

přeměňuje na třífázové střídavé napětí. Vnější rozměry modulu jsou 1151 mm L x 632 mm W x 165 mm H a hmotnost 75 kg. Obrázek 2.35 DPIM modul Hybridní systémy Allison používají převážně američtí výrobci autobusů jako NABI, New Flyer, ElDorado National a Gillig. Dosahovaná úspora paliva je v rozmezí 20-54 %, v průměru tedy 37 %, oproti konvenčním autobusům. Porovnáváno v Manhattanském městském cyklu. Manhattanský cyklus byl zaveden pouze pro porovnání městských autobusů ve městě New York. Tento cyklus je charakterizován nízkou průměrnou rychlostí a vysokým počtem zastávek. Doba trvání testu je 1089 s, maximální rychlost je 40,88 km/h, průměrná rychlost je 11,0 km/h a počet zastavení je 21. 2.4.4 Bosch Rexroth Bosch Rexroth je představitelem hydrostatického paralelního hybridního systému HRB (Hydrostatic Regenerative Braking). Jednotlivé prvky hydrostatického systému jsou na obrázku 2.36. Celý systém se skládá z převodovky s variabilním axiálním čerpadlem/motorem A4VSO, vysokotlakého plyno-kapalinového zásobníku, rozdělovacího ventilu, senzorů a z řídící jednotky celého systému. 86

Obrázek 2.36 Hydrostatický hybridní systém Bosch Rexroth Parametry systému Bosch Rexroth HRB: Maximální vstupní výkon spalovacího motoru 235 kw Maximální celková hmotnost vozidla 26 t Mechanický výstup z HRB systému 250 kw/2500 Nm Hmotnost systému včetně zásobníků energie 500 kg Plyno-kapalinové zásobníky 32 litrů/330 bar Maximální akumulační kapacita 550 kj 87

3. ANALÝZA PROVOZU KLASICKÝCH AUTOBUSŮ Pro návrh hybridního pohonu je nutné znát charakter provozu daného vozidla, v tomto případě městského autobusu. Charakter provozu vozidla je rozhodující pro návrh a řízení hybridního pohonu, pokud je pro daný provoz vhodný. Nasazení hybridního pohonu má smysl pouze pro některé typy provozu. Hybridní pohon totiž využívá specifických provozních stavů vozidla jako je režim stání vozidla a režim decelerace vozidla. Hybridní pohon je tedy nutné spojovat s chováním celého vozidla. 3.1 Popis experimentu Data potřebná k analýze charakteru provozu městských autobusů byla získána ze skupiny 19-ti shodných autobusů situovaných ve městě Košice (SK). Jedná se o nízkopodlažní autobusy Tedom, viz. obr. 3.1. Tyto autobusy jezdily ve standardním městském provozu, kdy se na autobusu prostřídávali řidiči a autobusy jezdily na všech autobusových linkách města Košice. Tím byl vyloučen vliv řidiče a vliv topologie linky. Všechna statistická data byla získána z řídících jednotek motorů a převodovek za dobu od uvedení do provozu až do doby stažení dat z řídících jednotek. To je postačující pro analýzu provozu zaměřenou na pohonný systém vozidla. 88

Obrázek 3.1 Autobus Tedom C 12 G v barvách dopravního podniku města Košice Technické údaje autobusu Tedom C 12 G pro město Košice: Rok výroby 2007 Délka 12 030 mm Šířka 2 550 mm Výška 3 354 mm Rozvor náprav 6 020 mm Pohotovostní hmotnost 11 800 kg Celková hmotnost 17 800 kg Obsaditelnost 29 k sezení + 4 sklopné / 54 ke stání Motor Tedom TG 210 AV TA 04, 210 kw při 2000/min, 1200 Nm při 1200-1500/min Převodovka Automatická Voith DIWA.5, provedení 864.5, 4 + Z Zadní náprava Portálová ZF AV 132/80, i=6,20, kotoučové brzdy, ABS Přední náprava Tuhá ZF RL 85A, kotoučové brzdy, ABS Kola a pneumatiky 22,5 x 8,25, 275/70R22,5 Zásobníky plynu 4 x 320 l, na střeše Plnící tlak plynu 200 bar 89

Autobusy pro město Košice jsou výrobních čísel: 7004, 7006, 7007, 7008, 7011, 7012, 7013, 7014, 7015, 7016, 7017, 7018, 7019, 7020, 7021, 7022, 7023, 7024, 7025 Uvedení autobusů do provozu: listopad 2007 až únor 2008 Topologie linek města Košice se vyznačuje středně kopcovitým terénem. Centrum města se nachází v nadmořské výšce 208 m. Počet obyvatel je přes 234 000. Systém městské hromadné dopravy tvoří tramvaje, trolejbusy a autobusy. Autobusové linky jsou vedeny jak přes střed města, tak i do okrajový částí a průmyslových zón. Tím je zaručena komplexita provozu, tzn. těžký provoz v centru města s nízkou průměrnou rychlostí a lehký provoz v okrajových částech s vyšší průměrnou rychlostí. Síť linek městské hromadné dopravy v Košicích je uvedena v příloze. Bližší informace o Dopravním podniku města Košice lze získat na adrese: http://www.dpmk.sk/ a o městě Košice na adrese: http://www.kosice.sk/. Ke stažení dat z řídících jednotek jsou potřeba datové převodníky, přenosný počítač a příslušný software. Pro motor je to program Monitor, který umožňuje diagnostiku motoru a změnu základního nastavení motoru (omezovač rychlosti, kalibrace lambda sondy atd.). Pro převodovku se používá program Aladin rovněž pro diagnostiku a změnu základního nastavení převodovky (řadící programy, funkce kickdown atd.). Převodníky se zapojí do příslušných diagnostických zásuvek umístěných na pracovišti řidiče. Stahování dat probíhalo postupně při servisních prohlídkách jednotlivých autobusů. Ukázkové protokoly z řídících jednotek jsou přiloženy v příloze. 90

3.2 Zpracování provozních dat Cílem tohoto experimentu je základní popis chování klasického vozidla v reálném provozu v souvislosti s pohonným systémem. Provoz vozidla je pro tyto účely rozdělen na tři základní režimy: stání, jízda, decelerace a analogicky pro motor: volnoběh, běh motoru, decelerace. Zjednodušené znázornění režimů je uvedeno na obrázcích 3.2 až 3.4. Není brána v úvahu znaménková konvence a proměnnost v čase a rychlosti. Pochopení chování klasického vozidla v reálném provozu je důležité pro návrh hybridního vozidla a odhad úspory paliva, což je hlavním důvodem pro zavádění hybridních pohonů. Stání: v = 0 km/h, a = 0 m/s 2 Tento režim znamená pro vozidlo klid. Primární zdroj energie, spalovací motor, běží na volnoběh. Energie je dodávána pouze pro pomocná zařízení. Obrázek 3.2 Režim stání Jízda: v > 0 km/h, a = 0 m/s 2 nebo a > 0 m/s 2 V tomto režimu se spotřebovává energie dodávané primárním zdrojem energie, t.j. spalovacím motorem. Tato energie je potřebná na překonání všech odporů vozidla a jízdu vozidla. 91

Obrázek 3.3 Režim jízdy Decelerace: v > 0 km/h, a < 0 m/s 2 Při tomto režimu se snižuje kinetická energie vozidla. Po překonání pasivních odporů je primární zdroj energie bez dodávky paliva a je unášen energií vozidla. Při intenzivnějším brzdění se připojí i retardér, což může být sekundární zdroj energie. V klasickém vozidle se energie sekundárního zdroje energie nevyužívá a maří se v teplo. Při nouzovém brzdění se zapojí i brzdy zpomalení vozidla. Obrázek 3.4 Režim decelerace Z uvedeného popisu vyplývá, že klasické vozidlo využívá pro pohon pouze primární zdroj energie. Hybridní vozidlo má v systému pohonu primární a sekundární zdroj energie. Účelem primárního zdroje energie je uvedení vozidla do jízdy a pohon pomocných zařízení. Účelem sekundárního zdroje energie je rekuperace brzdné energie pro následné využití této energie ve vozidle a ulehčení práce primárního zdroje energie. Nejprve je tedy nutné vozidlo uvést do pohybu primárním zdrojem energie a podle 92

charakteru provozu využívat i sekundární zdroj energie. Během provozu musí být možno řídit tok energií primárního a sekundárního zdroje za účelem co nejúčinnějšího hospodaření s energií. Příklady primárních a sekundárních zdrojů energie ve vozidle: Primární zdroj energie: Spalovací motor + zásobníky paliva Palivový článek + zásobníky paliva Elektromotor + zásobníky energie Sekundární zdroj energie: Elektrický generátor + zásobníky energie Hydraulické čerpadlo + zásobníky energie Setrvačník Pro vyhodnocení výsledků jsou použita souhrnná data z provozu všech devatenácti autobusů, protože zahrnují všechny provozní stavy při celkovém kilometrovém proběhu 662 251 km. Pracuje se tedy z daty fiktivního autobusu, který je reprezentant všech autobusů v Košicích. V našem případě je to možné udělat, protože autobusy jsou situovány v jednom městě, střídají všechny linky a řidiče. Provoz každého jednotlivého autobusu tak není nijak ovlivněn a zkreslen. Postup určení jednotlivých energií znázorňuje následující blokové schéma, viz. obr. 3.5. Princip spočívá ve stanovení energií pro jednotlivé provozní režimy jako jsou volnoběh, jízda a decelerace. Všechna potřebná provozní data pro tuto analýzu je možné získat ze statistik řídících jednotek motorů a převodovek. Tyto údaje budou blíže probrány v následujících odstavcích. 93

Obrázek 3.5 - Blokové schéma určení energetické bilance 3.2.1 Zpracování statistických protokolů motoru Z každé řídící jednotky motoru byl stažen statistický protokol o provozu motoru. Statistická data jsou ukládána do řídící jednotky každou sekundu nebo při každé aktivaci určité funkce. Aby objem statistických dat nenarůstal, tak jsou sledované statistické hodnoty rozděleny do určitých intervalů a při ukládání se zvýší pouze četnost výskytu v příslušném intervalu. Ukládání dat tedy funguje na principu čítače. Protokol motoru je rozdělen na dvě hlavní části: ** Statistics trip section ** jsou data ukládaná od posledního vymazání statistik řídící jednotky. Využívá se pro servisní účely mezi prohlídkami nebo při změně provozovatele autobusu. Tato data nebudou využita pro analýzu provozu. ** Statistics total section ** jsou data ukládaná po celou dobu provozu řídící jednotky a tím i vozidla. Tato data nelze smazat. Z těchto dat vychází i tato analýza. V horní části jsou vždy základní údaje o verzi řídící jednotky a použitém softwaru motoru (ECU, SN, SW ver, Cfg ver) 94