Villamos hajtású autóbuszok fejlesztése Magyarországon

Glofák Péter, Halmai Géza, Kiss Miklós

V. Autóbusz Szakértői Tanácskozás – 1974. október 20-23., Budapest

Változtatás és komment nélküli, képekkel kiegészített újraközlése az 1974-es Autóbusz Szakértői Tanácskozás egyik előadásának.

A közlekedés által okozott levegőszennyezés és zaj problémáival világszerte foglalkoznak és igen sokféle megoldásra vannak javaslatok, kutatások és kipróbálás alatti megoldások. Ezek egyike a villamos hajtású közúti jármű.

A villamos hajtású közúti járművek alkalmazási lehetőségei jelentősen függnek a jármű rendeltetésétől és üzemeltetési körülményeitől. Bár a környezeti ártalmak zömét a magánhasználatú személygépkocsik okozzák, a villamos hajtás jelenlegi lehetőségeit figyelembe véve azt ezeknél egyelőre nem lehet komolyan számításba venni.

A korlátozott hatósugárból és az üzem folyamatosságának biztosításához szükséges infrastrukturális jellegű berendezésekből adódó problémákat sokkal könnyebb olyan járműveknél megoldani, amelyek egy-egy jól szervezett nagyvállalat kezelésében, korlátozott területen, viszonylag nagyobb darabszámban üzemelnek. Kitüntetett helyzetben vannak ebből a szempontból nálunk a városi autóbuszok, mégpedig nemcsak azért, mert pl. a BKV ideális üzemeltetési feltételeket tudna biztosítani, hanem azért is, mert a magyar ipar az Ikarus révén az autóbuszgyártásban nemzetközileg is jelentős módon autóbuszgyártásra szakosodott.

A villamos hajtású autóbuszok egyik változatának tekinthető a trolibusz, amelynek előnyei és hátrányai ismertek, gyártásban és üzemeltetésben bizonyos hagyományaink vannak, hazai jövőjéről azonban tudomásunk szerint egyértelmű döntés még nem történt. Ezzel a kérdéssel most nem kívánunk foglalkozni.

A saját áramforrással rendelkező villamos hajtású autóbuszok igen sokféle változatát javasolták és részben kísérleti járműként meg is építették már. Ezek közül a véleményünk szerint három legfontosabbat említjük meg itt:

a hibrid táplálású, villamos hajtású autóbuszt /pl. Mercedes-Benz/;
a tisztán akkumulátorral táplált autóbuszt a járműbe épített ólomakkumulátorral /pl. az angol Silent Rider/;
végül az ugyancsak tisztán akkumulátorral táplált autóbuszt, az autóbusz után kapcsolt egytengelyes utánfutóba épített, cserélhető ólomakkumulátorral /MAN/.

Silent Rider. [1]

Vizsgáljuk először a látszólag egyszerűbb megoldást, az autóbuszba beépített akkumulátorral üzemelő autóbuszt. Minthogy ma erre a célra gyakorlatilag egyedül az ólomakkumulátor jöhet számításba, az ólomakkumulátor energiasűrűsége pedig 25-35 Wh/kg között mozog gyártmánytól és típustól függően, az akkumulátor nagy súlya döntően befolyásolja az egész jármű műszaki adatait. Az Ikarus IK 260 típusú városi autóbuszával egyenértékű autóbuszra számolva, ahol az összes gördülő tömeg maximálisan 16 tonna lehet, és ennek mintegy felét teszi ki a kb. 100 utas, azt tapasztaljuk, hogy a minimálisan szükséges 3-3,5 tonna tömegű akkumulátor kb. 40-47 utast szorít ki az autóbuszból, tehát a hasznos utaslétszám csupán 60-53 fő változatlan autóbusz méretek és összes gördülő tömeg esetén. Még rosszabb a helyzet, a hozzátesszük, hogy egy ilyen autóbusz egy töltéssel maximálisan mintegy 50 km-t tud megtenni menetrendszerű városi forgalomban. Az akkumulátor töltése legkevesebb 2,5 órát vesz igénybe, ennyi ideig az autóbusz minden 50 km megtétele után üzemen kívül van, vagy a kisütött akkumulátort ki kell venni és helyette újat betenni. Ez az autóbusznál szerkezeti okokból csak nehezen oldható meg. A Lucas cég új, gyártáselőkészítés állapotában lévő ólomakkumulátora a hírek szerint 40-44 Wh/kg energiasűrűségű, és ez valamit javítani fog a helyzeten, de alapvetően nem változtatja meg.

A Mercedes-Benz hibrid táplálású, villamos hajtású autóbuszába az ólomakkumulátoron kívül gyorsjárású, az átlagteljesítményre méretezett dízelmotorral hajtott töltőgenerátor is be van építve, amely gyakorlatilag állandó teljesítménnyel tölti az akkumulátort. A dízelmotor az állandó fordulatszám és terhelés figyelembevételével fajlagos fogyasztás, levegőszennyezés és zaj szempontjából egyaránt optimálisan állítható be, és a csúcsteljesítmény alapján megválasztott autóbuszmotornál sokkal kisebbre választható. A megoldás előnye, hogy hatósugara nem korlátozott, az autóbusz egész nap folyamatosan üzemeltethető, sőt megfelelő méretezés esetén a leginkább veszélyeztetett városrészeken leállított dízelmotorral, tisztán akkumulátoros üzemben is keresztül haladhat.

Mercedes-Benz OE 302. [2] [3] [4]

A MAN utánfutós autóbuszánál az akkumulátor nem terheli az autóbuszt, így az a dízelmotoros alapkivitellel azonosan 99 utas szállítására alkalmas. Az akkumulátor mintegy 4 tonna többlettömegét egytengelyes utánfutó hordja. A kb. 50 km megtétele után kimerült akkumulátort az utánfutóból megfelelő célgéppel igen rövid idő alatt kiemelik és helyette töltött akkumulátort helyeznek be, az autóbusz 50 km-ként mindössze kb. 5 percig nem vehet részt a forgalomban. Az utánfutó nem cserélhető. Ezzel a megoldással a cserélhető utánfutóhoz képest javul az üzembiztonság és a jármű menetstabilitása, és csökkenek a költségek. A megoldás nagy előnye a teljes kipuffogógázmentesség, az autóbusz teljes hasznos utaslétszámának megtartása mindössze 3m-rel megnövelt járműhossz árán, és a gyakorlatilag folyamatos üzem lehetősége egész napon át. Megjegyzendő, hogy ez jelenleg az egyetlen olyan villamos hajtású autóbusz a világon, amelyből nem csupán kísérleti példányok készültek /2 db/, hanem amellyel két NSZK-beli város egy-egy autóbuszvonalán a teljes menetrendszerű forgalmat lebonyolítják: Mönchengladbachban 7 db autóbusszal, Düsseldorfban 13 db-bal.

MAN Elektro Bus. [5]

Magyarországon a VKI a KGM megbízása alapján 1971-ben indította el a villamos hajtású városi autóbusz kifejlesztésére irányuló kutatást több vállalattal és intézménnyel, így az autóiparból az Ikarusszal és az Autóipari Kutató Intézettel, továbbá a BKV-val, erősáramú vállalatokkal, az utóbbi időben pedig a Volán 20. sz. vállalattal és a KÖTUKI-val együttműködve. Akkor mi is a Mercedes-Benz útját választottuk, a hibrid táplálást. A program végrehajtása során először – elméleti számítások, tervezés és laboratóriumi kutatómunka mellett – létrehoztunk egy tisztán akkumulátoros kísérleti járművet a BKV egyik kiselejtezett trolibuszának átalakításával. Ez a jármű kifejezetten mérések, tapasztalatszerzés céljára készült el, és utasforgalomba állítását nem terveztük. Ezután további két autóbusz készült, mindkettő az Ikarus IK 260 típusának átalakításával, hibrid táplálással, azonos dízelgenerátorral és akkumulátorral. Eltérés a két jármű között a villamos hajtás megoldásában van. Az egyiknél a villamos hajtású járműveknél hagyományosnak számító egyenáramú vontatómotort alkalmaztuk az akkumulátor és a motor közé iktatott tirisztoros egyenáramú szaggatóval, a másiknál rövidrezárt forgórészű aszinkron vontatómotort tirisztoros váltóirányítóval.

Az autóbusz főbb műszaki paraméterei:

A villamos motor névleges teljesítménye: kb. 100 kW
A dízel-generátor névleges teljesítménye: 90 kW
Az akkumulátor névleges feszültsége és tömege: 325 V; 2,7 tonna
A jármű maximális sebessége, gyorsulása és hegymászó képessége: 52 km/h, 1 m/s^2 /kb. 20 km/h sebességig/, 11%
A szállítható utasok száma: kb. 55 fő

Az autóbuszok energiavisszatápláló villamos fékezésre is alkalmasak a maximális sebességtől csaknem álló helyzetig.

Az autóbuszok kooperációs nehézségek miatt csak késve, folyóév IV. negyedében készülnek el, így üzemi tapasztalataink még nincsenek. Minden esetre már most, az eddigi kísérletek és számításaink alapján ennek a megoldásnak a következő fontosabb hátrányai vannak:

a./ Az ólomakkumulátor még a hibrid táplálás ellenére is túl nehéz, mégsem képes a gyorsításkor fellépő rövid idejű terheléscsúcsokat kielégítő élettartammal szolgáltatni;

b./ A fékenergiát az ólomakkumulátor csak részben tudja fölvenni a cellafeszültség emelkedése miatt meginduló vízbontás következtében;

c./ az energiatárolás hatásfoka rossz, a haszonfékezés ellenére a jármű gázolajfogyasztása nagyobb, mint a hagyományos dízel autóbuszé;

d./ A szerkezet bonyolult és drága, ennek ellenére a levegőszennyezést nem szünteti meg, csupán csökkenti;

e./ A szállítható utasok száma az azonos méretű dízelmotoros autóbuszokhoz képest sokkal kisebb;

f./ Az aszinkron motoros hajtás műszakilag nagyon kedvező ugyan, de a tirisztoros váltóirányító egyelőre túlságosan drága.

A 2 db hibrid táplálású autóbuszt az előírt futási, majd forgalmi próbák és hatósági vizsgálatok után a BKV-nál rendes forgalomba akarjuk állítani és tapasztalatszerzés céljából tartósan üzemeltetni. A villamos hajtású autóbusz fejlesztése során a továbbiakban azonban nem ezt az utat akarjuk követni, hanem a MAN által választott megoldást, azaz tiszta akkumulátoros táplálást egytengelyes utánfutóba épített, gyorsan cserélhető ólomakkumulátorral. Ennek a választásnak az indokai:

a) A tiszta akkumulátoros üzem miatt teljes kipuffogógázmentesség;

b) Az autóbusz eredeti utasszáma megmarad;

c) Az autóbusz minimális üzemszünetekkel egész nap üzemeltethető;

d) A kifejlesztendő hajtás – minimális változtatásával – a csuklós trolibuszhoz is alkalmazható;

e) bármilyen, a közeli években kísérleti célra vagy piaci termékként hozzáférhető új áramforrás /pl. fém-levegő akkumulátor, kén-nátrium akkumulátor, tüzelőanyagelem/ az autóbusz átalakítása nélkül, pusztán az utánfutóban elhelyezett ólomakkumulátor helyére történő beszereléssel könnyen kipróbálható.

f) Az akkumulátoroknak az autóbuszból történő kitelepítése lehetővé teszi alacsonyabb, pl. 650 mm-es padlószintű autóbusz építését.

A gyakorlati megvalósításra a VKI elképzelése az, hogy az akkumulátor cserélő, töltő és karbantartó állomást saját, Cservenka Miklós úti telephelyén hozza létre, és a következő ötéves terv folyamán elkészülő mintegy 5-7 db autóbuszt a BKV-val együttműködve a Cservenka M. úton közlekedő 77-es vonalon üzemelteti.

Az utánfutós autóbusz kifejlesztésén kívül, ill. részben azzal párhuzamosan a VKI-nak hosszabb távú fejlesztési céljai is vannak. Ezek az alábbiak:

Új könnyű egyenáramú vontatómotor kifejlesztése. A jelenlegi helyzetben a villamos hajtású autóbusz – és a trolibusz – fejlesztés legégetőbb problémája a korszerű vontatómotor biztosítása, különösen, ha a csuklós trolibuszhoz, ill utánfutós autóbuszhoz szükséges megnövelt teljesítményt – 140-150 kW – és az alacsonyabb padlómagasság követelményét is figyelembe vesszük. A VKI – a GVM-ben megkezdett fejlesztési munkát tovább folytatva – olyan újszerű hűtési rendszerű, kis súlyú és méretű vontatómotort kíván kifejleszteni, amely ezeket a kérdéseket megoldja, és amellyel a távolsági autóbuszok dízel-villamos hajtása is gazdaságossá válhat.
Az utánfutós ólomakkumulátoros megoldás nem változtat alapvetően azon a helyzeten, hogy az ólomakkumulátor a gyorsítási teljesítménycsúcsokat csak korlátozott mértékben, energiatároló képességének, hatásfokának és élettartamának rovására képes fedezni, a fékezési energiát pedig csak részben tudja hasznosítani. Ezért pl. a kb. 60 km/h csúcssebességű autóbusz csak az utasok szempontjából megengedett 1 m/s^2 gyorsulást csak kb. 20 km/h sebességig tudja elérni, e fölött a gyorsulás erőteljesen csökken, a csúcssebesség közelében már csak kb. 0,3 m/s^2. Ezen a nehézségen segítene egy lendítőkerekes energiatároló, amely képes lenne leadni a gyorsításhoz szükséges energiát, ill. fölvenni a fékezési energiát – mindezt villamos úton, a lendítőkerék belsejében elhelyezett villamos gép révén – csúcsban mintegy 320-350 kW teljesítménnyel. A teljesítménycsúcsoknak az akkumulátortól való távoltartásával ez a megoldás megnövelné az akkumulátor élettartamát, hasznosítható energiasűrűségét és az egész jármű hatásfokát, ezzel együtt pedig a maximális 1 m/s^2 gyorsulást kb. 50 km/h-ig biztosítaná, ami az autóbusznak a városi forgalomban csaknem a személygépkocsikkal egyenértékű menetdinamikai tulajdonságokat biztosítana. Ez a megoldás azonban nem csupán a villamos hajtású autóbusz, hanem az egyéb városi tömegközlekedési járművek, pl. trolibusz és közúti villamos dinamikai tulajdonságainak javítására is alkalmas lenne. Csak a kérdést közelebbről ismerők tudják, hogy ezeknél a gyorsítóképesség növelésének legnagyobb akadálya a fölsővezeték nagy ellenállása miatt az indító áramcsúcs hatására föllépő igen nagy feszültségesés. Ezen vezetékhálózat keresztmetszetének növelésével igen nagy költségek árán is csak igen kis mértékben lehet javítani.

A távlati célok között szerepel természetesen az áramforrásnak az utánfutó helyett az autóbuszba való beépítése is. Ez azonban az akkumulátorfejlesztés, az új típusú, nagy energiasűrűségű akkumulátorok tömeggyártásának függvénye, időpontjáról és módjáról csak azután lehet reális terveket készíteni, ha az új akkumulátorokat az utánfutóban már gyakorlatilag kipróbáltuk.

Mit vár a VKI a járműipartól és a közlekedéstől a fenti nagyon kivonatosan vázolt program megvalósításához? Bizonyos anyagi eszközöket és jól működő kooperációt, mind a fejlesztés és a járművek előállítása, mind a gyakorlati üzemeltetés során. Enélkül a VKI a legnagyobb erőfeszítéssel sem lesz képes feladatait jól és megfelelően időben megoldani, erre sem műszaki felkészültsége, sem eszközei nem alkalmasak. A mi feladatunk a villamos problémák megoldása és azokban igyekezni fogunk a maximumot nyújtani.

Mit kaphat a járműipar és a közlekedés ettől a programtól? Jelentős előrehaladást a környezetvédelemben legalább a városi tömegközlekedési járműveknél; a gyártmányválaszték növekedését; a városi forgalom követelményeihez menetdinamikailag jobban alkalmazkodó tömegközlekedési járműveket, mégpedig nem csak akkumulátoros autóbuszt, hanem trolibuszt és közúti villamost is.

* * *