Analizy

Efektywność energetyczna pojazdów

Zagadnienie wysokiej efektywności energetycznej użytkowania pojazdów transportu masowego jest szczególnie ważkie w dobie wzrastających cen energii elektrycznej oraz utrzymujących się wysokich cen konwencjonalnych paliw ropopochodnych.

Jednym z kryteriów branych pod uwagę przez przewoźników przy wyborze taboru jest właśnie zużycie energii. Szczególnie podczas eksploatacji pojazdów przeznaczonych do przewozu pasażerów koszty związane z energią mają znaczący wpływ na rentowność przedsięwzięcia i cenę, jaką za usługę zapłaci pasażer.
W Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR” we współpracy z Instytutem Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej w ostatnich latach intensyfikowane są prace badawczo-rozwojowe prowadzące do powstania rozwiązań sprzyjających wysokosprawnemu wykorzystywaniu energii, w tym chemicznej paliwa dostarczanego do ciężkich pojazdów drogowych i pozadrogowych (typu NRMM – Non-Road Mobile Machinery). Jeśli idzie o te pierwsze to są to w szczególności autobusy miejskie o różnych źródłach zasilania, począwszy od klasycznych napędów spalinowych (olej napędowy, gaz ziemny), poprzez układy napędu hybrydowego a kończąc na pełnych napędach elektrycznych.
W przypadku pojazdów z grupy NRMM w początkowej fazie analiz skupiono się na zasadniczych pojazdach kolejowych operujących zarówno w ruchu towarowym, jak i pasażerskim, czyli na lokomotywach liniowych i autobusach szynowych przeznaczonych do ruchu regionalnego. W tym zakresie należy nadmienić m.in. wykonane przejazdy z zastosowaniem zasad tzw. eco-drivingu. Badania z wykorzystaniem mobilnej aparatury pomiarowej typu PEMS (Portable Emissions Measurement System) prowadzone były na odcinku o długości kilkudziesięciu kilometrów na trasie Krzyż Wielkopolski–Trzcianka. Ponadto analizy ekologiczne i ekonomiczne prowadzono na wydzielonej infrastrukturze kolejowej – tor testowy.
Jeśli mowa o infrastrukturze, należy nadmienić, że obiektami badawczymi były również drezyny pomiarowe przeznaczone do diagnozowania stanu technicznego rzeczonej infrastruktury kolejowej. Przejazdy, z ukierunkowaniem na zmniejszenie energochłonności ruchu tego rodzaju pojazdów silnikowych, realizowano m.in. w okolicach Warszawy.
W Instytucie dokonano również oceny możliwości zmniejszenia zużycia paliwa przez pojazd dwudrogowy w postaci ciągnika szynowo-drogowego. Jazdy testowe wykonywano zarówno na odcinku drogowym, jak również na torze kolejowym. Dokonywano przeważnie średniego obciążenia układu napędowego przedmiotowego pojazdu – kilka wagonów w składzie wraz z małą lokomotywą manewrową (401Da) jako dodatkową masą ciągnioną.
Dużą grupę obiektów poddawanych analizom energetycznym stanowiły także, intensywnie użytkowane aktualnie w trakcie prowadzonych licznych inwestycji w zakresie infrastruktury szynowej, różnego typu maszyny torowe. Przykładowo pomiary energochłonności ruchu wykonano dla profilarki ław torowiska. Dla przypomnienia – jest to maszyna samojezdna, przeznaczoną do obniżania ław torowiska po oczyszczeniu tłucznia w celu ułatwienia odpływu wód opadowych. Ocenę zużycia paliwa przez silnik profilarki przeprowadzono w warunkach jej rzeczywistej eksploatacji, w trakcie wykonywanych prac na kilkukilometrowym odcinku modernizowanej linii kolejowej z Poznania do Gniezna.
Nieodzownym pojazdem w trakcie prowadzenia prac torowych jest lokomotywa manewrowa. Na potrzeby analiz dokonano między innymi oceny warunków eksploatacji lokomotywy SM42 oraz zużycia paliwa przez jej silnik w trakcie wykonywania prac torowych wspomagających modernizację odcinka linii kolejowej wiodącej z Poznania do Piły. Danego dnia roboczego lokomotywa SM42 była wykorzystywana do obsługi składu pięciu wagonów samowyładowczych: dwóch wagonów typu szutrówka i trzech typu dumpcar (z przechylnym pudłem), celem dostarczenia nowego tłucznia na plac budowy.
Podsumowując całość ww. zagadnień należy stwierdzić, że przeprowadzone analizy miały na celu oszacowanie zużycia energii w trakcie rzeczywistej eksploatacji pojazdów szynowych i szynowo-drogowych. Dalsze prace naukowo-badawcze będą ukierunkowane na poprawę efektywności pracy tej grupy pojazdów z uwzględnieniem przede wszystkim działań organizacyjno-technicznych. Przede wszystkim w pracach torowych i manewrowych obserwuje się pewne marnotrawstwo energetyczne, spowodowane często długimi i bezproduktywnymi postojami maszyn z włączonymi silnikami (nieefektywna praca na biegu jałowym). W celu poprawy wykorzystania energii chemicznej dostarczanej w paliwie, po wykonaniu badań uzupełniających, przewiduje się sporządzenie swoistego bilansu energetycznego, który posłuży opracowaniu stosownych wytycznych eksploatacyjnych dla operatorów/użytkowników wspomnianych pojazdów.
Oprócz powyższego w Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR” (Zakład Elektrotechniki) opracowuje się i wdraża do praktyki rozwiązania programowe i sprzętowe podnoszące efektywność energetyczną powstających w ramach prac B+R prototypów:

– Zaprojektowane i wykonane prototypowe moduły sterowania światłami głównymi pojazdów szynowych zabezpieczają w stanach nieustalonych przed nadmiernym rzutem prądu w żarówkach halogenowych, co przyczynia się do chwilowego ograniczenia mocy w trakcie rozgrzewania a także do wydłużenia żywotności żarówek, co również ogranicza energię na ich produkcję.
– W układach sterowania tablicami pneumatycznymi wprowadzono system oszczędnego sterowania zaworami elektropneumatycznymi. Wykorzystano w tym celu fakt, że do podtrzymania stanu załączenia zaworu elektropneumatycznego wystarczy napięcie niższe od znamionowego. Po zasileniu zaworu napięciem znamionowym i potwierdzeniu jego zasilenia przez obwody sterownika mikroprocesorowego następuje obniżenie napięcia zasilania. Powoduje to kilkukrotne obniżenie mocy traconej w zaworze. Jest to szczególnie istotne w sytuacjach, w których jest wymagane ciągłe zasilanie cewek zaworów pracujących często całą dobę.
– Stosowane w lokomotywach sterowanie wentylatorów silników trakcyjnych uzależnione od temperatury silników głównych ogranicza zużywaną energię do niezbędnego minimum wynikającego z warunków trakcyjnych.
– Do regulacji jasności podświetlania elementów wyposażenia pulpitowego stosowana jest bezstratna metoda sterowania PWM.
– Poprzez zastosowanie falowników o sprawności ok. 97% w układzie zasilania sprężarki oraz silnika wentylatora chłodnicy a także odpowiednie sterowanie, uzyskano dopasowanie wydajności do zapotrzebowania na powietrze.
– W układach sterowania silnikiem spalinowym stosowane są kryteria efektywnego wykorzystania mocy tego silnika.
– Wszystkie wejścia cyfrowe opracowanych i stosowanych sterowników mikroprocesorowych posiadają obwody polaryzacji prądem stałym przeznaczone do współpracy z elementami stykowymi. Moc tracona w tych obwodach to średnio kilkadziesiąt W przy napięciu pokładowym 24 V. W pojazdach z napięciem 110 V jest ona jeszcze wyższa. W celu ograniczenia mocy zastosowano rozwiązanie, w którym prąd polaryzacji utrzymywany jest tylko w czasie komutacji i pełni wówczas funkcję czyszczącą styki mechaniczne, a po krótkim czasie od załączenia jest wyłączany.

dr Maciej Andrzejewski

Avatar
MD