Content uploaded by Paweł Wojewoda
Author content
All content in this area was uploaded by Paweł Wojewoda on May 15, 2019
Content may be subject to copyright.
ZASADY KONSTRUOWANIA CYKLU JEZDNEGO
W AGLOMERACJI MIEJSKIEJ DLA AUTOBUSU
Kazimierz LEJDA
1
, Krzysztof LEW
2
, Paweł WOJEWODA
3
W artykule przedstawiono rodzaje i charakterystykę cykli jezdnych oraz opisano ogólne zasady
konstruowania miejskiego cyklu jezdnego dla autobusu miejskiego.
1. WSTĘP
W obszarze współczesnych aglomeracji miejskich oraz poza miastami warunki pracy
układów napędowych pojazdów zasadniczo różnią się od siebie. W mieście pojazdy bardzo często
ruszają i zatrzymują się. W ogólnym przypadku ruchu pojazdu występują krótsze lub dłuższe
odcinki jazdy ustalonej, oddzielone odpowiednio fazami rozruchu i hamowania, jak również
postojami. Fazy rozruchu i hamowania mają miejsce na krótkich odcinkach drogi. Występowanie
wymienionych faz przebiega z dużą częstotliwością a jej wartość zależy od pory dnia,
przelotowości tras komunikacyjnych itp. W takich warunkach, w klasycznym napędzie pojazdu,
silnik spalinowy pracuje w szerokim zakresie zmian mocy, prędkości obrotowej i sprawności. Fakt
nieodwracalnej zamiany energii kinetycznej pojazdu na ciepło podczas częstych hamowań
sprawia, że pogorszona zostaje tym samym ogólna sprawność energetyczna klasycznego napędu.
Ruch podmiejski i międzymiastowy charakteryzuje względnie stabilna praca układu
napędowego. Na autostradach pojazdy poruszają się przez długie okresy ze stałą prędkością.
W zróżnicowanych warunkach ruchu w obszarze miejskim wysokosprawna praca klasycznego
układu napędowego jest niemożliwa. Dlatego też już w latach siedemdziesiątych pojawiła się
koncepcja budowy pojazdów przeznaczonych wyłącznie do ruchu miejskiego lub pojazdów
wyposażonych w alternatywnie działający układ napędowy. Uzasadniono to faktem, że ilościowy
udział ruchu miejskiego w ogólnym bilansie ruchu jest przeważający. Ze względu na konieczność
oszczędności energii, zwiększenia sprawności jej wydatkowania, a także ze względów
ekologicznych, wzrasta znaczenie prac naukowych i konstrukcyjnych nad rozwojem układów
napędowych pojazdów miejskich. Pierwszym z etapów w tej dziedzinie jest analiza jakościowa
i ilościowa energii niezbędnej do zapewnienia ruchu określonego pojazdu we współczesnym
mieście. Powtarzalny cykl jezdny stanowi podstawę analizy energetycznej ruchu pojazdu
miejskiego [4].
2. RODZAJE CYKLI JEZDNYCH
Zapis ruchu pojazdu w postaci zmian jego prędkości jako funkcji czasu V = f(t), albo
w postaci zmian mocy Nk = f(t) lub momentu Mk = f(t) na kołach jezdnych w funkcji czasu,
określamy mianem cyklu jezdnego. Cykle V = f(t) nie są bezpośrednio związane z rodzajem
1
Prof. dr hab. inż., Kazimierz Lejda; Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukaszewicza, Zakład Pojazdów
Samochodowych i Silników Spalinowych
2
Mgr inż., Krzysztof LEW; Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukaszewicza, Zakład Pojazdów
Samochodowych i Silników Spalinowych
3
Mgr inż., Paweł Wojewoda; Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukaszewicza, Zakład Pojazdów
Samochodowych i Silników Spalinowych
pojazdu ale odnoszą się do warunków ruchu w danej aglomeracji miejskiej. Natomiast cykle
Nk = f(t) oraz Mk = f(t) zawierają już dane szczególne dla określonego pojazdu.
Definicje cykli w postaci V(t):
Cykl statyczny jazdy – jest to zlinearyzowany rozkład prędkości w czasie, uzyskany
metodami statystyki, który obrazuje średnie warunki jazdy w mieście w postaci przyspieszeń,
hamowań i postojów, uwzględniający w dużym zakresie właściwości komunikacyjne danej
aglomeracji.
Statystycznie określone reprezentatywne cykle jazdy stanowią podstawę do analizy
energetycznej ruchu określonego pojazdu, gdyż ich powtarzanie n-krotnie odwzorowuje
energetyczne procesy losowe jazdy między n-rzeczywistymi przystankami; odwzorowanie
jest tym wierniejsze, im liczba n analizowanych procesów międzyprzystankowych jest
większa.
Cykl rzeczywisty – jest to rozkład prędkości w czasie, uzyskany dla określonego
pojazdu poruszającego się cyklicznie po trasie z góry wyznaczonej; zapis funkcji może być
dokonany metodą bezpośrednią, tzn. poprzez rejestrację prędkości chwilowych pojazdu, lub
też pośrednio na podstawie średnich prędkości jazdy pojazdu na określonych odcinkach
cyklu.
Cykl prosty jazdy – jest to rozkład prędkości w czasie dla ruchu przyspieszonego,
ustalonego i opóźnionego, przy czym przyspieszenie i opóźnienie jest stałe i równe co do
wartości bezwzględnej (rys. 1).
Rys. 1. Prosty cykl jazdy a) V = f(t), b) N = f(t)
Nk – moc pędna,
Na – moc oporów bezwładności,
Np – moc oporów powietrza,
Nt – moc oporów toczenia,
N – moc średnia cyklu,
ta – czas, po którym moc pędna przewyższy
moc średnią cyklu,
tb – czas rozpoczęcia ruchu jednostajnie
opóźnionego,
tc – czas trwania cyklu,
E1 – energia, którą silnik cieplny wytwarza
w nadmiarze i może być ona
akumulowana,
E2 – energia niezbędna dla uzyskania
V = const z żądanym przyspieszeniem
wydatkowana z akumulatora,
E3 – energia w wyniku hamowania
odzyskowego przesyłana od kół jezdnych
do akumulatora, z mocą zależną od
energii kinetycznej pojazdu i opóźnień
ruchu (rekuperacja energii).
Cykl zastępczy (reprezentatywny) – jest to cykl prosty, uzyskany poprzez redukcję
rzeczywistego cyklu jazdy (rys. 2).
Rys. 2. Zilustrowana metoda redukcji cyklu rzeczywistego do cyklu reprezentatywnego
Ze względu na profil prędkości cykle jezdne możemy podzielić na:
1) pojedyncze (jednosegmentowe):
trapezowe,
trójkątne,
2) złożone (wielosegmentowe):
trapezowe,
mieszane.
Do pojedynczych trapezowych profili prędkości można zaliczyć cykle jezdne CUNA,
MAN’a, Voith’a, Regara, natomiast do pojedynczych trójkątnych cykl Hartiga oraz cykl
Schrecka.
Złożone trapezowe profile prędkości występują w cyklach jezdnych ECE, Katowickim,
Warszawskim, Wrocławskim, natomiast złożone mieszane w cyklach Japońskim I,
Japońskim II, Kalifornijskim oraz Darmstadt [4].
3. OGÓLNE ZASADY KONSTRUOWANIA CYKLU JEZDNEGO
Ruch miejski charakteryzuje się znaczną różnorodnością oraz przypadkowością. Dla
przeprowadzenia oceny układów napędowych samochodów niezbędne jest opracowanie
reprezentatywnych warunków badań w postaci cyklu jezdnego.
Cykle takie stanowią źródło informacji o dynamice ruchu i są przydatne do
projektowania napędów (np. napędu hybrydowego) i mogą być pomocne w obliczeniach
mających na celu określenie podstawowych parametrów podzespołów oraz doborze układu
sterowania.
Niezbędne dane (parametry) potrzebne do opracowania cyklu jezdnego w aglomeracji
miejskiej dla autobusu są następujące:
1) długość trasy – odległość między przystankami krańcowymi,
2) czas podróży – czas między przystankami krańcowymi,
3) czas jazdy,
4) czas postoju – czas na przystankach krańcowych,
5) liczba przystanków – bez przystanków krańcowych,
6) odległości między przystankami,
7) czas postoju na przystankach,
8) czas postoju na przystankach wywołanych warunkami ruchu,
9) czas postoju na skrzyżowaniach,
10) czas postojów wymuszonych,
11) liczba postojów,
12) przebieg rozpędzania,
13) przebieg hamowania,
14) średnia prędkość jazdy,
15) maksymalna prędkość jazdy.
Posiadając wykres rozpędzania autobusu z maksymalnymi przyspieszeniami na
poszczególnych biegach, jako funkcji czasu oraz przyjmując założenie, że ruch opóźniony
autobusu odbywa się z opóźnieniami, których średnie wartości w takich samych zakresach
prędkości są równoważne odpowiednim średnim przyspieszeniom, można wyznaczyć
rzeczywisty cykl jezdny.
Linearyzacja rzeczywistej krzywej rozpędzania autobusu umożliwia wyznaczenie
przyspieszeń pojazdu dla poszczególnych jej odcinków. Posiadając prędkość średnią autobusu
między kolejnymi postojami oraz wykresem rozpędzania, można wyznaczyć w postaci
krzywej łamanej rozkład prędkości w funkcji czasu V (t).
Rys. 3. Metoda opracowania cyklu rzeczywistego postaci graficznej [4]
a – wykres rozpędzania autobusu Jelcz PR 110, b – ilustracja wyznaczenia rozkładu prędkości
Wartość maksymalnych prędkości jazdy, odpowiadających przyspieszeniom dla danych
odcinków zlinearyzowanego wykresu rozpędzania autobusu, powinna być każdorazowo
dobierana przy założeniu równości pól Aiś = Ai ( gdzie: Aiś – powierzchnia pod linią prędkości
średniej autobusu na i-tym odcinku cyklu, Ai – powierzchnia pod krzywą łamaną V(t) na i-tym
odcinku cyklu). Na rys. 3 zilustrowano graficznie metodę takiego przekształcenia. Rys. 3a
przedstawia wykres rozpędzania autobusu Jelcz PR 110 przy obciążeniu nominalnym. Dla
przyspieszenia
V
dla biegu pierwszego oraz dla prędkości średniej Viś na odcinku cyklu,
w którym autobus jechał na biegu pierwszym, uzyskano prędkość Vi max dla tego biegu.
Postępując podobnie dla prędkości średnich na każdym z kolejnych odcinków cyklu, na
których autobus poruszał się przy zmianie biegów, można uzyskać rzeczywisty cykl jazdy
V(t) [2,3,4].
4. PODSUMOWANIE
Naturalne warunki ruchu miejskiego skłaniają do akumulacji energii w dwu postaciach:
rekuperacji oraz nadmiaru chwilowej mocy silnika cieplnego. Obie te postacie akumulacji
energii w pojazdach mogą występować jednocześnie lub niezależnie od siebie. Zależy to od
struktury układu napędowego [1].
Dzięki wyznaczonym rzeczywistym cyklom jezdnym w aglomeracjach miejskich,
możliwe jest określenie energochłonności ruchu pojazdu (autobusu miejskiego). Znajomość
parametrów energetycznych wynikających z analizy cyklu jezdnego umożliwia
prognozowanie pracy silnika cieplnego do zakresu minimalnego zużycia paliwa,
a w przypadku pojazdu z napędem hybrydowym, wykorzystywania zgromadzonej
w akumulatorze energii do przyśpieszania pojazdu.
LITERATURA
[1] Lejda K., Wojewoda P.: Parametry energetyczne hybrydowego układu napędowego
i sposób ich wyznaczenia. Mat. Międzynarodowej Konferencji Naukowej w Kijowie,
BICHИK, №16, Kijów 2008.
[2] Pawelski Z.: Napęd hybrydowy dla autobusu miejskiego. WPŁ, Łódź 1996.
[3] Siłka W.: Energochłonność ruchu pojazdu. WNT, Warszawa 1997.
[4] Szumanowski A.: Akumulacja energii w pojazdach. WKiŁ, Warszawa 1984.
THE PRINCIPLE OF DRIVING CYCLE CONSTRUCTING
IN THE CITY AGGLOMERATION FOR THE BUS
In this paper are presented theoretical knowledge relating to driving cycles and
characterized the general principles of driving cycle constructing for the city bus.