Pierwszy Citaro z napędem hybrydowym

W bieżącym roku, Mercedes-Benz zaprezentuje pierwszy prototyp autobusu Citaro wyposażonego w napęd hybrydowy elektryczno-spalinowy. Konstruktorzy postawili sobie ambitne cele przy pracach nad tym pojazdem, który ma być ucieleśnieniem nowoczesnej, szeregowej technologii hybrydowej, pozwalającej na okresową pracę wyłącznie na akumulatorach, a więc bez produkcji jakichkolwiek spalin. Także przeniesienie napędu stanowi wyzwanie dla konstruktorów: system zostanie zamontowany w przegubowym autobusie Citaro G, gdzie będzie napędzać środkową i tylną oś poprzez 4 silniki umieszczone w piastach kół. Citaro G będzie jedynym pojazdem, w którym zostanie zastosowane takie rozwiązanie. W szeregowym układzie hybrydowym, silnik Diesla –zamiast dostarczać ciągłego napędu –zasila generator wytwarzający energię elektryczną w zależności od zapotrzebowania. Co charakterystyczne dla tego typu rozwiązania, silnik Diesla nie ma bezpośredniego, mechanicznego połączenia z osiami napędzanymi. Daje to znacznie większe możliwości zmiany aranżacji wnętrza. Energia elektryczna jest przechowywana w bezobsługowych akumulatorach litowo-jonowych, zamontowanych na dachu autobusu. Do ważniejszych zalet tego typu akumulatorów należy zaliczyć wysoką gęstość mocy i dużą pojemność. Akumulatory zapewniają moc 170 kW przy stosunkowo niewielkiej masie, wynoszącej 450 kg. Energia jest pozyskiwana nie tylko z generatora, ale także przez rekuperację w trakcie hamowania.

Energię do bezpośredniego napędzania kół dostarczają cztery silniki elektryczne umieszczone w piastach kół osi środkowej i tylnej. Są to silniki chłodzone cieczą, rozwijające po 80 kW mocy każdy. Łączna moc wszystkich czterech silników wynosi więc 320 kW, co dla standardowego autobusu przegubowego jest wartością całkowicie wystarczającą, nawet przy założeniu trudnych warunków eksploatacyjnych. Ponadto, napęd na dwie osie zapewnia lepsze prowadzenie, a fakt że istnieje możliwość indywidualnego sterowania każdym z czterech silników otwiera drogę do nowych rozwiązań w zakresie kontroli trakcji czy innych elektronicznych systemów zwiększających bezpieczeństwo. Przekazywanie energii pomiędzy generatorem, akumulatorami, a silnikami w piastach kół odbywa się poprzez obwód elektryczny o napięciu 650 V. Dzięki temu, że silnik spalinowy nie jest mechanicznie połączony z układem napędowym, a energia może być odzyskiwana z procesu hamowania, możliwe jest zastosowanie nowych rozwiązań w układach sterujących, przyczyniających się do redukcji emisji zanieczyszczeń. Np. energia zgromadzona w trakcie hamowania przy dojeżdżaniu do przystanku lub skrzyżowania z sygnalizacją świetlną może zostać wykorzystana do wytworzenia energii elektrycznej potrzebnej do ponownego ruszenia.

Podczas podjeżdżania na przystanek, postoju oraz przyspieszania przy odjeździe z przystanku, autobus z szeregowym hybrydowym układem napędowym może pracować w trybie zasilania wyłącznie energią elektryczną. Takie rozwiązanie nie tylko eliminuje całkowicie emisję zanieczyszczeń, ale także jest znacznie cichsze. Istotną zaletą nowoczesnej technologii szeregowego układu hybrydowego, zastosowanego w Citaro, jest możliwość zastosowania znacznie mniejszego silnika spalinowego. W miejsce potężnej, 12-litrowej, 6-cylindrowej jednostki OM 457 hLA, montowanej w Citaro o konwencjonalnym napędzie, w wersji hybrydowej wystarczający okazuje się 4-cylindrowy, kompaktowy silnik OM 924 LA, rozwijający moc 160 kW (218 KM) przy pojemności skokowej 4,8 litra. Dzięki temu można ograniczyć masę silnika spalinowego z ok. 1000 do ok. 450 kg. Ponieważ silnik Diesla w hybrydowym Citaro nie napędza pojazdu bezpośrednio, nie musi pracować w zakresie swoich maksymalnych osiągów. Dzięki temu, silnik jest bardziej oszczędny i emituje mniej zanieczyszczeń, mogąc pracować w wąskim zakresie obrotów zapewniających najbardziej efektywną pracę. Krzywa momentu obrotowego autobusu z napędem hybrydowym jest tym samym optymalnie dostosowana do eksploatacji charakteryzującej się częstymi zatrzymaniami i ruszeniami, co zapewnia niski poziom emisji spalin i zużycia paliwa.

Autobus Citaro wyposażony w napęd hybrydowy nie musi być wyposażony w konwencjonalną, automatyczną skrzynię biegów. Oznacza to większą wydajność układu napędowego oraz dalsze ograniczenie jego masy. Także dodatkowe układy pomocnicze pracują teraz bardziej wydajnie: sprężarka klimatyzatora, pompa wspomagania kierownicy, czy sprężarka powietrza dla układów pneumatycznych nie muszą już być napędzane za pośrednictwem pasków klinowych czy kół zębatych, ale są bezpośrednio zasilane osobnym silnikiem elektrycznym. To oznacza dalszy wzrost wydajności, bowiem energia jest dostarczana do tych systemów tylko wtedy, kiedy jest potrzebna. Znikają także wszelkie ograniczenia dotyczące lokalizacji tych urządzeń: np. wszystkie mogą zostać umieszczone na dachu autobusu.

Zaawansowana technologia napędowa zastosowana w hybrydowym Citaro stanowi także podstawę do opracowania nowej aranżacji wnętrza. Ponieważ zniknęły wszelkie elementy układ przeniesienia napędu czy mechanizmów różnicowych, a pomiędzy poszczególnymi komponentami układu napędowego nie ma sztywnych połączeń, przestrzeń pasażerska może zostać całkowicie przeorganizowana. Pomimo zastosowania jednostki pionowej, zabudowanej wieżą, możliwe jest obniżenie jej tak, aby służyła np. za półkę na bagaż dla pasażerów. Ograniczenie rozmiarów i masy komponentów układu napędowego w hybrydowym Citaro powoduje, że masa kompletnego pojazdu jest tylko o ok. 1 tonę wyższa w porównaniu do modelu o konwencjonalnym napędzie.

Po bliższym przyjrzeniu się technologii hybrydowej zastosowanej w Citaro, okazuje się ona logicznym krokiem w kierunku zasilanego ogniwami paliwowymi autobusu miejskiego przyszłości. I tak np. hybrydowe Citaro już dziś posiada odpowiedni silnik elektryczny oraz system przechowywania energii elektrycznej w akumulatorach. W zasadzie jedyną konieczną zmianą byłoby zastąpienie silnika Diesla systemem ogniw paliwowych. Wówczas można będzie wyeliminować generator oraz zbiorniki z olejem napędowym i AdBlue, a zbiorniki z wodorem zamontować tradycyjnie na dachu pojazdu, na wysokości przedniej osi. Z punktu widzenia konstrukcyjnego i produkcyjnego, nie są to duże zmiany, a umożliwią one stworzenie autobusu nie wytwarzającego praktycznie żadnych szkodliwych związków. Taki pojazd, znany jako ZEV (Zero-Emission Vehicle) nie emituje żadnych cząstek stałych, tlenków azotu, dwutlenku węgla, a praca jego zespołu napędowego jest wyjątkowo cicha.

Podczas gdy autobus napędzany ogniwami paliwowymi jest propozycją na bardziej odległą przyszłość, odliczanie do wprowadzenia na rynek hybrydowego Citaro już się rozpoczęło. Oficjalna prezentacja prototypu odbędzie się w drugiej połowie 2007 r., a uruchomienie produkcji seryjnej zaplanowano na 2009 r. Innym ambitnym zadaniem związanym z napędem hybrydowym jest uczynienie go bardziej ekonomicznym dla przewoźnika. Przy obecnej, niskiej skali produkcji, próg opłacalności nie został jeszcze przekroczony, pomimo niższego o ok. 30% zużycia paliwa. Ostateczny sukces autobusów z napędem hybrydowym będzie zależał nie tylko od postępu technicznego po stronie producentów, ale także od chęci uznania ekologicznych zalet tego rozwiązania i udzielenia wsparcia dla jego rozwoju.

Mercedes-Benz i Grupa DaimlerChrysler mają znacznie większe i dłuższe doświadczenie w pracach nad napędem hybrydowym, niż jakikolwiek inny producent. Daimler-Benz AG już w 1969 r., podczas targów Frankfurt Motor Show, zaprezentował pierwszy autobus z napędem hybrydowym. Był to model Mercedes-Benz OE 302, bazujący na standardowym, 11-metrowym autobusie miejskim. Elektryczny silnik trakcyjny prądu stałego rozwijał maksymalną moc stałą 115 kW (156 KM) oraz maksymalną moc chwilową przy niskich prędkościach 150 kW (204 KM). Silnik trakcyjny zasilały umieszczone pod podłogą akumulatory (łącznie 189 ogniw) o łącznym napięciu rzędu 380 V oraz pojemności energetycznej 91 kWh. Zapewniało to możliwość eksploatacji przez ok. 2,5 godziny w rzeczywistych warunkach. Masa akumulatorów wynosiła 3,5 tony. Autobus posiadał także 4-cylindrowy, 3,8-litrowy silnik Diesla rozwijający moc maksymalną 48 kW (65 KM). Jednostka ta, pracująca bardzo oszczędnie przy stałej prędkości obrotowej, została zamontowana poprzecznie w tylnej części pojazdu. Silnik był uruchamiany w celu dostarczenia dodatkowej mocy przy eksploatacji na przedmieściach. Już ten prototyp wyposażono w hamulec elektryczny, umożliwiający rekuperację energii hamowania.

10 lat później powstał kolejny prototyp, liniowy autobus miejski OE 305, w którym akumulatory zostały umieszczone w dwóch przedziałach podpodłogowych, ciągnących się wzdłuż ścian bocznych autobusu, pomiędzy osiami. Dawały one łączne napięcie 360 V oraz pojemność –w zależności od wyposażenia –od 150 do 275 Ah. Ich masa wynosiła od 2,0 to 3,5 tony. Przy pracy wyłącznie na akumulatorach, zasięg autobusu wynosił między 50 a 75 km. Silnik trakcyjny miał taką samą moc maksymalną, jak jego poprzednik, czyli stałą 115 kW (156 KM) i chwilową 150 kW (204 KM). Zastosowano jednak większy, 6-cylindrowy silnik Diesla o mocy 74 kW (100 KM).

Oprócz autobusów hybrydowych, Mercedes-Benz prowadził także próby z duobusami, napędzanymi wyłącznie energią elektryczną. Napędzający je silnik trakcyjny mógł być zasilany albo z sieci napowietrznej, albo z akumulatorów. Inna wersja nie posiadała akumulatorów, a energię dla silnika trakcyjnego zapewniała albo sieć napowietrzna, albo silnik Diesla. Jazdy próbne całkowicie elektrycznego duobusa rozpoczęły się w 1975 r. w Esslingen w Niemczech. Do 1979 r., w Stuttgarcie, Esslingen i Wesel eksploatowanych było już 25 autobusów Mercedes-Benz O.305 wyposażonych w różnego rodzaju napędy hybrydowe.

W 1984 r., przegubowy, hybrydowy duobus O.305 GTD pochodzący z krótkiej serii produkcyjnej, trafił do regularnej eksploatacji w kilku miastach. W Essen kursował nawet po wydzielonym pasie ruchu, a częściowo po torowisku tramwajowym. Na układ napędowy składał się tym razem silnik trakcyjny, zasilany z sieci napowietrznej, w połączeniu ze standardowym silnikiem Diesla. Oba źródła zasilania pracowały naprzemiennie, napędzając ostatnią oś. Duobus O.305 GTD i jego następca, O.405 GTD, zdołały nawet zrobić międzynarodową karierę. Np. 200 sztuk tego typu pojazdów Mercedes-Benz dostarczył do stolicy Ekwadoru, Quito. W Europie, do eksploatacji trafiło ok. 50 sztuk tych autobusów, z których część nadal jest regularnie eksploatowana w Esslingen.

Połowa lat 90. przyniosła przełom w dziedzinie napędów hybrydowych w autobusach. Mercedes-Benz rozpoczął wówczas jazdy próbne modelu O.405 GNDE –autobusu z napędem dieslowsko-elektrycznym z silnikami elektrycznymi w piastach kół, nie posiadającego akumulatorów. Kolejnym milowym krokiem w rozwoju technologii hybrydowej był niskopodłogowy autobus lokalny O.405 NÜH. Był to pierwszy autobus z napędem hybrydowym wyposażony w silniki umieszczone w piastach kół, silnik Diesla i akumulatory. Dwa asynchroniczne silniki trakcyjne –każdy o mocy 75 kW (103 KM) –umieszczono w piastach kół tylnej osi. Ponieważ autobus posiadał niską podłogę w przedniej części, cztery akumulatory przechowujące energię elektryczną zamontowano w dachu, w celu zaoszczędzenia przestrzeni. Były to wysokowydajne akumulatory sodowo-niklowo-chlorowe, których masa wynosiła 800 kg, a które przy regularnej eksploatacji tylko na zasilaniu elektrycznym zapewniały zasięg rzędu 10 km. Po każdorazowym przejeździe przez miasto, który odbywał się na zasilaniu elektrycznym, uruchamiany był silnik Diesla, który ładował akumulatory.

Miejski midibus Mercedes-Benz Cito, zaprezentowany w 1998 r., a produkowany w latach 1999-2003, także wyposażony był w napęd hybrydowy. Układ napędowy stanowił tutaj silnik Diesla zasilający generator prądu, który z kolei napędzał elektryczny silnik trakcyjny. Cały zespół napędowy został zamknięty w specjalnej komorze, umieszczonej w tylnej części autobusu. Autobusy Cito nie posiadały akumulatorów przechowujących energię elektryczną.

Autobusy Orion, produkowane przez północnoamerykańską firmę Orion Buses należącą do DaimlerChrysler, wykroczyły już poza etap jazd próbnych. Od 2003 r., Orion Buses wygrał kilka przetargów na dostawy takich autobusów w Kanadzie i USA, m.in. do Nowego Jorku i San Francisco. Łącznie, firma zebrała zamówienia na ok. 1500 miejskich autobusów niskopodłogowych Orion VII HybriDrive, z czego ok. 1000 już jest w eksploatacji. Zawarte kontrakty obejmują także opcje, których realizacja może zwiększyć tę liczbę o kolejne 525 sztuk. Dzięki temu, firma Orion może zostać uznana światowym liderem w produkcji autobusów z napędem hybrydowym. Firma ma także duże doświadczenie w pracach konstrukcyjnych nad tego typu pojazdami: pierwsze autobusy Orion z napędem hybrydowym weszły do eksploatacji na początku lat 90.

Autobus Orion VII HybriDrive został opracowany przez firmę Orion we współpracy z amerykańskim partnerem –firmą BAE Systems. Jest to również tzw. szeregowy system hybrydowy. Silnik Diesla pracuje w sposób ciągły, zasilając generator prądu, który z kolei napędza elektryczny silnik trakcyjny. Oś napędowa to tradycyjny, sztywny most z mechanizmem różnicowym. Silnik Diesla, zamontowany poprzecznie w tylnej części autobusu, przy pojemności skokowej 5,9 litra rozwija moc 191 kW (260 KM) i jest wyposażony w filtr cząstek stałych. Elektryczny silnik trakcyjny osiąga maksymalną moc stałą 184 kW (250 KM), która okresowo może zostać zwiększona do 235 kW (320 KM). Nie ma potrzeby stosowania skrzyni biegów.

Alternatywnie, autobus może korzystać z energii zgromadzonej w akumulatorach ołowiowych, umieszczonych pod dwiema obudowami na dachu pojazdu. Każdy z tych zestawów zawiera 23 moduły i waży nieco ponad 1,5 tony. Nie przewidziano możliwości doładowywania akumulatorów z zewnętrznego źródła –energia jest pozyskiwana albo przez rekuperację podczas hamowania, albo z nadmiaru mocy wytwarzanej przez silnik Diesla. Testy wykazały, że Orion wyposażony w napęd hybrydowy spala o ok. 25% paliwa mniej, niż porównywalny autobus zasilany tradycyjnym silnikiem Diesla.

Równie aktywna w dziedzinie autobusów z napędem hybrydowym jest należąca do koncernu DaimlerChrysler, japońska firma Fuso. Obecnie produkowany model Aero-Star jest wyposażony w napęd przypominający pod względem technicznym rozwiązanie z autobusów Orion. Zoptymalizowany pod kątem eksploatacji jako część systemu hybrydowego silnik Diesla, osiągający moc 177 kW (241 KM), został zamontowany poprzecznie w tylnej części pojazdu. Silnik napędza generator prądu, który wytwarzaną energię elektryczną przekazuje do dwóch elektrycznych silników trakcyjnych, dających łączną moc 134 kW (182 KM). Moment obrotowy pochodzący z obu silników trakcyjnych trafia do przekładni sumującej, skąd następnie jest przekazywany na tylny most portalowy. Dodatkowo, na dachu pojazdu zamontowano wyjątkowo lekkie akumulatory litowo-jonowe, których łączna masa wynosi tylko 323 kg. Niewielka liczba tych pierwszych w Japonii, seryjnych autobusów miejskich z napędem hybrydowym, trafiła już do regularnej eksploatacji. Pierwsze próby z tymi pojazdami przeprowadzono podczas Mistrzostw Świata w Piłce Nożnej w 2002 r.