Łukasz GRABOWSKI PTNSS-2015-3379

Michał GĘCA

Michał BIAŁY

The city bus model in AVL Cruise software

The article presents, developed in the AVL Cruise, a model of a city bus. CRUISE is AVL's vehicle and

powertrain system level simulation tool. The object of the study was the city bus Mercedes Conecto LF equipped

with a diesel engine OM926LE. Powertrain included, among others, with a four-hydrokinetic transmission. The

aim of this study was to develop a model of the bus powertrain system and perform simulation. While working

benefited from the sub-models available in the program by entering only the parameters corresponding to a

tested vehicle. Simulation studies were carried out using a bus model SORT 2 cycle base, representing different

traffic conditions reflecting the present operating conditions for a typical urban route. The article includes ob-

tained engine power, vehicle speed, fuel consumption and carbon dioxide emissions. The engine generating

mechanical power in the range of 0 to 70% of the nominal power emitted average of 15.3 kg/h CO2.

Key words: city bus, diesel engine, fuel consumption, simulation research

Model autobusu miejskiego w programie AVL Cruise

W artykule przedstawiono, opracowany w programie AVL Cruise, model autobusu miejskiego. AVL Cruise

jest oprogramowaniem do symulacji układu napędowego pojazdu. Obiektem badań był autobus miejski Merce-

des Conecto LF wyposażony w silnik o zapłonie samoczynnym OM926LE. Układ przeniesienia napędu zawiera

m.in. czterobiegową hydrokinetyczną skrzynię biegów. Celem niniejszej pracy było opracowanie modelu układu

napędowo autobusu oraz wykonanie obliczeń. Podczas przygotowania symulacji skorzystano z podmodeli do-

stępnych w programie wprowadzając parametry pojazdu. Badania symulacyjne przeprowadzono dla modelu

autobusu wykorzystując cykl bazowy SORT 2, reprezentujący różne warunki ruchu i odzwierciedlający warunki

eksploatacji występujące dla typowej trasy miejskiej. W artykule przestawiono moc silnika, prędkość pojazdu,

godzinowe zużycie paliwa oraz emisję dwutlenku węgla. Silnik generując moc mechaniczną w przedziale od 0 do

70% mocy nominalnej średnio emitował 15,3 kg/h dwutlenku węgla.

Słowa kluczowe: autobus miejski, silnik diesla, zużycie paliwa, badania symulacyjne

1. Wstęp

Transport drogowy w Europie ma istotny

udział w całkowitej emisji dwutlenku węgla [1].

Sektor transportu jest drugim co do wielkości źró-

dłem emisji zanieczyszczeń w UE i mimo podej-

mowanych działań wielkość emisji wciąż rośnie

[2]. W ciągłej eksploatacji znajduje się około

55 000 autobusów, a co roku 5 największych euro-

pejskich producentów produkuje 12 000 autobusów

miejskich. Wszystkie obecnie produkowane auto-

busy spełniają normę Euro VI, dzięki układom

napędowym z wysokosprawnym silnikiem o zapło-

nie samoczynnym z układem zasilania Common

Rail i układami oczyszczania spalin.

Jednocześnie sprawność układu napędowego

zostaje obniżona poprzez stosowanie automatycznej

hydrokinetycznej skrzyni biegów [4], która pozwala

spełnić wymagania komfortu podróży pasażerów i

prowadzenia pojazdu. Przełączanie biegów jest

zarządzane i optymalizowane elektroniczną jed-

nostką sterującą. Jednakże nieekonomiczny styl

jazdy kierowcy może generować zwiększenie zuży-

cia paliwa o 5 - 10% w porównaniu z jazdą ekono-

miczną [3]. Po drugie ciągle wzrasta zużycie ener-

gii elektrycznej na pokładzie pociągając za sobą

zmniejszenie całkowitej sprawności autobusu

i zwiększone zużycie paliwa. Na pokładzie autobu-

su montuje się coraz większą liczbę odbiorników

elektrycznych do których należą, w kolejności

poboru energii elektrycznej: system mechanicznej

wentylacji z klimatyzacją i nagrzewaniem, tablice

informacyjne, oświetlenie wewnętrzne, podgrzewa-

ne kasowniki i biletomaty, oświetlenie zewnętrzne

autobusu. Odbiorniki elektryczne wyposażone są

w systemy oszczędzania energii, ale ze względu na

ich liczbę całkowita moc może wynosić nawet

1,9 kW [4] powodując dodatkowe 10% zużycie

paliwa. W publikacji [6] wykazano, że 10% paliwa

rocznie jest wykorzystywana na generowanie ener-

gii elektrycznej.

Całkowita roczna emisji CO2 jest iloczynem

energii zawartej w zużytym paliwie oraz wartości

jednostkowej emisji dwutlenku węgla dla oleju

napędowego. Uwzględniając wskaźniki emisji

(73,33 kg/GJ) oraz wartość opałową oleju napędo-

wego (43,33 MJ/kg) zawarte w Międzyrządowym

Zespole ds. Zmian Klimatu IPCC, na każdy litr

Article citation info:

GRABOWSKI Ł., GĘCA M., BIAŁY M. The city bus model in AVL Cruise software. Combustion Engines. 2015, 162(3), 475-479. ISSN 2300-9896.

475

zużytego oleju napędowego przypada emisja CO2 o

wartości 2,5 kg [7].

Zużywanie paliwa przez autobusy miejskie jest

zależne od wielu czynników, charakteryzujących

właściwości techniczne autobusu i cechy kierowcy,

a także warunków ruchu [8]. Parametr ten związany

z emisją gazów cieplarnianych jest regulowany

przez prawo w wielu krajach. Dlatego wiele firm

prowadzi badania optymalizacyjne pojazdów pod-

czas jazdy pod tym właśnie kątem. Jednak badania

te są ograniczone głównie do samochodów osobo-

wych. Z powodu znacznych kosztów i problemów

fizycznych, autobusy są trudne pod względem oce-

ny zużycia paliwa. Wyniki zużycia paliwa przez

autobusy dostarczane do miejskich przedsiębiorstw

przewozowych muszą zostać wykonane przez jed-

nostki certyfikowane wg testów SORT (ang. Stan-

dardised On-Road Test). Opracowana przez Mię-

dzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicz-

nego (UITP). procedura badawcza SORT ma za-

pewnić powtarzalność i porównywalność wyników

pomiaru zużycia paliwa w autobusach komunikacji

zbiorowej. W tym celu wykorzystuje się cykl ba-

zowy SORT 2, reprezentujący różne warunki ruchu,

charakteryzowany prędkością komunikacyjną vk =

18 km/h odzwierciedlający warunki eksploatacji

występujące dla typowej trasy miejskiej. Każdy z

cykli bazowych jest złożeniem trzech sekcji. W

każdej z sekcji wyodrębniono trzy fazy: przyspie-

szania, jazdy z prędkością stałą i hamowania. Każ-

da z sekcji jest oddzielona od następnej określonym

odstępem czasu. Czas postoju wynosi 33 %, nato-

miast całkowita przebyta droga 920 m [9]. Dla

typowego 12 m autobusu o masie 14,3 t, poruszają-

cego się ze średnią prędkością 18,5 km/h zużycie

paliwa przy pełnym obciążeniu wynosi 42 dm3 na

każde przejechane 100 km [8].

Rys. 1 Profile prędkości w cyklach metody SORT 2

Fig. 1. Velocity profiles in SORT 2 driving cycle [11]

Sposobem na zmniejszenie kosztów badań op-

tymalizacyjnych są badania symulacyjne. Ważna

jest informacja, jakie parametry wejściowe modelu

wpływają na wyniki uzyskiwane na wyjściu. Przy-

kładowo w pracy [12] przedstawiono wyniki anali-

zy zużycia paliwa wykonanej za pomocą AVL

CRUISE przeprowadzone dla autobusu hybrydo-

wego. Na podstawie tych wyników obliczono zuży-

cia paliwa. Liczba parametrów docelowych wynio-

sła 15. Dzięki analizie zostały one sklasyfikowane

jako parametry wysokiej i niskiej czułości. Badania

symulacyjne pozwoliły na wykonanie w krótkim

czasie i przy niskich kosztach takiej analizy.

Badania symulacyjne prowadzone są również

w celu określenia czułości parametrów wejścio-

wych na zużycie paliwa pojazdów z silnikami spa-

linowymi. W pracy [13] przeprowadzono modelo-

wanie dynamiczne 10 samochodów osobowych

z silnikami benzynowymi i diesla wykonane przy

użyciu programu AVL CRUISE dla 7 rodzajów

trybów jazdy zawierających tryb jazdy miejskiej,

na drogach ekspresowych i autostradach. Jako dane

wejściowe zostały wykorzystane różne dane pojaz-

du (osiągi, mapa zużycia paliwa, przełożenia skrzy-

ni biegów, itp.). Dokładności prognozowania wyni-

ków obliczeń zostały potwierdzone na podstawie

danych testowych z hamowni podwoziowej. W celu

zwiększenia dokładności przewidywania w szero-

kim zakresie eksploatacji pojazdu, wprowadzono

modyfikacje dotyczące sposobu zmiany biegów.

Następnie przeprowadzono badania parametryczne

w celu określenia korelacji pomiędzy specyfikacją

pojazdu (np. masa własna i powierzchnia czołowa)

oraz zużyciem paliwa i emisją CO2 oraz sprawdze-

nia jakie parametry wywierają znaczący wpływ

na zużycie paliwa.

W niniejszym artykule opisano model autobusu

miejskiego z silnikiem o zapłonie samoczynnym z

czterobiegową hydrokinetyczną skrzynia biegów.

Następnie przeprowadzono badania symulacyjne

modelu autobusu wykorzystując cykl bazowy

SORT 2, reprezentujący różne warunki ruchu od-

zwierciedlający warunki eksploatacji występujące

dla typowej trasy miejskiej.

2. System AVL CRUIZE

AVL CRUISE jest systemem służącym do mo-

delowania pojazdów na poziomie układów napę-

dowych. Wspiera on bieżące zadania podczas ana-

lizy systemów pojazdu oraz układu napędowego we

wszystkich fazach rozwoju, od planowania koncep-

cyjnego, poprzez uruchomienie i badania rzeczywi-

ste. Jego aplikacja pokrywa zapotrzebowanie

w zakresie dotyczącym konwencjonalnych silników

samochodowych, przez zaawansowane systemy

hybrydowe i pojazdy elektryczne. Oprogramowanie

to umożliwia optymalizację parametrów oraz dopa-

sowanie komponentów modelu. Ze względu na

koncepcję interfejsów strukturalnych

i zaawansowane zarządzania danymi, CRUISE jest

używany przez światowych producentów samocho-

dów jako narzędzie komunikacji w zakresie

transmisji danych i integracji systemów między

różnymi zespołami konstruktorów [14].

476

Model pojazdu w systemie AVL CRUISE

składa się z zespołów i podzespołów. Pozwala to

użytkownikowi modelować różne pojazdy, takie jak

motocykle, samochody osobowe, ciężarówki i au-

tobusy. Dodatkowo możliwe jest modelowanie

wszystkich konfiguracji układów napędowych,

takich jak układy hybrydowe, koncepcje dwusilni-

kowe czy też zaawansowane systemy przekładnio-

we.

Modelowanie pojazdu o dowolnej topologii

układu napędowego odbywa się w warstwie kon-

cepcji podsystemów. Takie podejście pozwala na

ponowne wykorzystanie modeli lub jego podsyste-

mów, dokładnie dopasowane do potrzeb aplikacji

w różnych fazach rozwoju spójnego procesu rozwo-

ju pojazdu.

AVL CRUISE zawiera również standardowe

zadania analizy systemów pojazdu oraz zaawanso-

wane analizy przepływu mocy. Możliwa jest m.in.

wieloparametrowa analiza (DOE) dowolnych wiel-

kości skalarnych, charakterystyk wszystkich części

i podsystemów, szczegółowa analiza przepływu

energii i mocy oraz programów automatycznej

zmiany biegów. Pomaga to skutecznie rozwijać

konstrukcję pod kątem zużycia paliwa, emisji za-

nieczyszczeń, osiągów i właściwości jezdnych.

3. Model autobusu w programie AVL

CRUISE

Obiektem badań modelowych był autobus

miejski klasy MAXI Mercedes Conecto 12LF

o długości 12 metrów. W tabeli 1 przedstawiono

podstawowe dane techniczne autobusu i jego jed-

nostki napędowej, które zostały wprowadzone do

programu symulacyjnego. Jednostka napędowa to

doładowany silnik o zapłonie samoczynnym zasila-

ny układem Common Rail i spełniający normę

czystości spalin Euro V.

Tab. 1. Parametry Mercedes Conecto 12 LF

Tab 1. Mercedes Conecto 12 LF parameters [15]

Wymiary 11 950 x 2 550 x 3 076 mm

Rozstaw osi 5 845 mm

Masa własna 10 860 kg

Silnik OM 926 LA

Typ 4-suwowy, rzędowy, 6 cyl.

Pojemność skokowa 6370 cm3

Moc 205 kW

Moment 1 120 Nm@1 300 obr/min

Zużycie paliwa 39 dm3/100 km

Standard emisji Euro IV/EEV

Skrzynia biegów Voith 854.3 - 4 biegowa

Przełożenia 1-5,3; 2-1,43; 3-1,0; 4-0,7

Most napęd. ZF AV-132 Przełożenie: 7,38

Rys. 2. Charakterystyka zewnętrzna i jednostkowego

zużycia paliwa silnika OM 926 LA

Fig. 2. Power and fuel consumption characteristics

of OM 926 LA engine [15]

Rys. 3. Model autobusu w programie AVL Cruise

Fig. 3. The model of city bus in AVL Cruise software

Na rysunku 3 zawarto widok opracowanego

modelu autobusu miejskiego opracowany w pro-

gramie AVL Cruise. Model został podzielony na

trzy części. Pierwsza dotyczy pojazdu. Ujęto w nim

takie właściwości obiektu jak masa, wymiary, poło-

żenie środka ciężkości. Druga część dotyczy zespo-

łu napędowego. Podczas kalibracji modelu wpro-

wadzono dane dotyczące silnika takie jak: objętość

skokowa, charakterystyka zewnętrzna, jednostkowe

zużycie paliwa (rys. 2). Kolejnym etapem było

wprowadzenie danych dotyczących skrzyni biegów

oraz przekładni głównej. Model przeniesienia na-

pędu zawiera również parametry, dotyczące przełą-

czania biegów w zależności od prędkości pojazdu,

prędkości obrotowej silnika oraz obciążenia pojaz-

du. Trzecia część modelu obejmuje układ przenie-

sienia napędu. Zawarte zostały tu podmodele: prze-

kładni głównej, mechanizmu różnicowego, hamul-

ców oraz kół. Wprowadzono także charakterystykę

dźwigni przyspieszenia oraz hamulca. Dodatkowo

kalibrowano model skrzyni biegów w celu dokład-

niejszego odwzorowania przebiegu trasy metody

SORT 2 na podstawie wyników badań identyfika-

600 1000 1400 1800 2200 2600

n [obr/min]

240

200

160

120

80

40

P [

kW

]

150

200

250

300

P

ge [

g/k

wh]

ge

477

cyjnych uzyskanych podczas badań drogowych.

Wykorzystano informacje przy jakich prędkościach

pojazdu i prędkości obrotowej silnika następuje

zmiana przełożenia. Następnie wprowadzono prze-

bieg prędkości testu jezdnego SORT 2. Stanowi on

reprezentatywne, powtarzalne obciążenie pojazdu.

4. Wyniki badań

Kolejnym etapem pracy było wykonanie obli-

czeń na podstawie których uzyskano m.in. wartości

mocy oraz godzinowego zużycia paliwa. Na rysun-

ku 4 przestawiono prędkość oraz przyspieszenie

badanego pojazdu. Prędkość pojazdu jest zgodna

z przebiegiem wymaganym przez test SORT 2.

Maksymalne przyspieszenie pojazdu wynosi nieca-

łe 4,5 m/s2, natomiast opóźnienie w czasie hamo-

wania nie przekracza 2,6 m/s2. Na rysunku 5, za-

warto zmiany mocy pojazdu w czasie trwania

183,9 s testu. Maksymalne wartości jakie uzyskano

to 147,2 kW (w 62 s testu) i 134,3kW w 120 s.

Zmiany prędkości obrotowej wału korbowego są

tożsame z dynamiką zmian obciążenia silnika.

Emisja dwutlenku węgla oraz jednostkowe zużycie

paliwa zależne są od generowanej mocy przez jed-

nostkę napędową. Dla mocy maksymalnej w czasie

trwania testu emisja CO2 (rys. 6) wynosi 62,3 kg/h

zaś godzinowe zużycie paliwa 17 kg/h.

Rys. 4. Prędkość i przyspieszenie pojazdu

uzyskane w AVL Cruise

Fig. 4. Speed and acceleration characteristics

of vehicle obtained in AVL Cruise

Rys. 5. Moc i prędkość obrotowa wału korbowego silnika

uzyskana w AVL Crusie

Fig. 5. Power and rotational speed characteristics of

engine obtained in AVL Cruise

Rys. 6. Natężenie emisji dwutlenku węgla [kg/h] i godzi-

nowe zużycie paliwa silnika uzyskane w AVL Cruise

Fig. 6. CO2 emission and fuel consumption characteris-

tics of engine obtained in AVL Cruise

5. Wnioski

Przeprowadzone badania symulacyjne po-

twierdzają możliwość zastosowania oprogramowa-

nia AVL Cruise do symulacji testu SORT 2 dla

autobusu miejskiego. Pojazd prawidłowo odwzo-

rowywał profil prędkości opracowany przez Mię-

dzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicz-

nego (UITP). Silnik generując moc mechaniczną

w przedziale od 0 do 70 % mocy nominalnej śred-

nio emituje 15,3 kg/h dwutlenku węgla. Aktualnie

normy prawne dla testu SORT 2 przewidują zuży-

cie paliwa o wartości nie większej niż 53 dm3 na

każde przejechane 100 km oraz emisję CO2 nie

większą niż 1022 g/km. Analizowany autobus klasy

MAXI wykazał zużycie paliwa na poziomie

32,9 dm3/100 km. Wartość ta nie przekracza limitu

założonego przez SORT 2, jednak należy zazna-

czyć, że badany pojazd nie był w pełni obciążony

(charakteryzował się masą własną). Średnie natęże-

nie emisji CO2 kształtowało się na poziomie 15,34

kg/h. Można to z dużym prawdopodobieństwem

przeliczyć jako 634 g/km.

Praca naukowa finansowana ze środków Programu Badań Stosowanych II NCBiR

w latach 2013-2015 jako projekt nr PBS2/A6/16/2013.

Nomenclature/Skróty i oznaczenia

SORT Standardised On-Road Test /

znormalizowany test drogowy

CO2 carbon dioxide/dwutlenek węgla

-3

-1

1

3

5

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

V [

km/h

]

V a

a [m

/s2 ]

t [s]

0

250

500

750

1000

1250

1500

-20

20

60

100

140

180

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

P [

KW

]

n [

ob

r/m

in]

P

n

t [s]

0

5

10

15

20

0

20

40

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180C

O2

[kg/

h]

Fue

l co

nsu

mp

tio

n

[kg/

h]

t [s]

CO2

FC

478

STC Standard Test Condition/standardowe

warunki testowania

Bibliography/Literatura

[1] European Communities, White Paper: Europe-

an Transport Policy for 2010: time to decide.

Brussel 2001.

[2] Krzak J.: Ograniczanie emisyjności pojazdów

w transporcie drogowym. Pojazdy hybrydowe i

elektryczne w Polsce –perspektywy i bariery

rozwoju. Studia Biura Analiz Sejmowych. Nr

1(29) 2012, s. 161–184.

[3] Andrzejewski M.: Wpływ stylu jazdy kierowcy

na zużycie paliwa i emisję substancji szkodli-

wych w spalinach. Rozprawa doktorska, Po-

znań 2013.

[4] Macor A., Rossetti A.: Fuel consumption re-

duction in urban buses by using power split-

transmissions, Energy Conversion and Man-

agement, 71, 2013, 159–171.

[5] Merkisz J., Bajerlein M., Daszkiewicz P., The

Influence of the Application of Photovoltaic

Cells in City Buses to Reduce Fuel Consump-

tion – (CO2) and Exhaust Emissions (HC, PM,

and NOx), International Conference on Power

and Energy Systems, Lecture Notes in Infor-

mation Technology, 13, 2012, 106–113,.

[6] Gęca M., Wendeker M., Grabowski Ł.: A City

Bus Electrification Supported by the Photovol-

taic Power Modules. SAE Technical Paper

2014-01-2898, 2014.

[7] Revised 1996 IPCC Guidelines for National

Greenhouse Gas Inventories.

[8] Chłopek Z.: Estimation of fuel consumption by

city Busse. Journal of KONES Powertrain and

Transport, 1 (13), 2006, 237–243.

[9] UITP Internatinal Association of Public

Transport. Project SORT Standardised On-

Road Tests Cycles. D/2009/0105/31. New Edi-

tion UITP, Brussels 2009.

[10] UITP Project ‘SORT’ Standarised On-Road

Test Cycles. D/2014/0105/1. New edition

UITP, 2014.

[11] www.bosmal.com.pl

[12] Choi J., Jeong J., Lee D., Shin C., Park Y., Lim

W., Won Cha S.: Analysis of Fuel Economy

Sensitivity for Parallel Hybrid Bus according

to Variation of Simulation Input Parameter.

Transactions of KSAE, 6 (21), 2013, 92–99.

[13] Oh Y., Park J., Lee J., Do Eom M., Park S.:

Modeling effects of vehicle specifications on

fuel economy based on engine fuel consump-

tion map and vehicle dynamics. Transportation

Research Part D: Transport and Environment,

32, 2014, 287–302.

[14] www.avl.com

[15] www.mercedes-benz.de

Mr Łukasz Grabowski, PhD, Eng. - doctor in the Faculty of

Mechanical Engineering at the Lublin University of Tech-

nology. Dr inż. Łukasz Grabowski – pracownik naukowy na Wy-

dziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej

Mr Michał Gęca, PhD, Eng. - doctor

in the Faculty of Mechanical Engi-

neering at the Lublin University of Technology.

Dr inż. Michał Gęca – pracownik

naukowy na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej

Mr Michał Biały, MEng. – post-graduate in the Faculty of

Mechanical Engineering at the Lublin University of Tech-nology.

mgr inż. Michał Biały – doktorant na Wydziale Mechanicz-

nym Politechniki Lubelskiej

479