От троллейбуса ― к электроводоробусу
Обычный, или классический, троллейбус имеет две характерные черты — электрический тяговый привод (тяговый электрический двигатель и система управления им) и токоприемники. Именно этими двумя особенностями троллейбус отличается от автобуса. Общее у обоих — кузов и автомеханическое оборудование. Попытки оснащения троллейбуса сначала дополнительными аккумуляторами для автономного хода, а затем полноценными тяговыми аккумуляторными батареями (ТАБ) привели к появлению электрического автобуса (электробуса), у которого отсутствует один характерный троллейбусный признак – токоприемники. В остальном электробус соответствует троллейбусу, так как имеет автобусный кузов и электрический тяговый привод. В свою очередь, ограниченная дальность электробуса из-за несовершенных ТАБ и потребности организации на маршруте электрических зарядных станций (ЭЗС) привела к замене на нем источника питания на водородные топливные элементы (ВТЭ), которые могут обеспечить тяговый привод электроэнергией. Очевидно, что в качестве топлива для ВТЭ применяется водород. Так и появился электрический водородный автобус, или электроводоробус. Также в процессе эволюции увеличения автономного хода троллейбусов были созданы троллейбусы с дизель-генераторной установкой (ДГУ) и дуобусы (троллейбусы-автобусы). Об основных этапах эволюции троллейбуса в электроводоробус и поведем ниже речь.
АВТОНОМНЫЙ ХОД ДЛЯ ТРОЛЛЕЙБУСОВ ОТ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Практически сразу после создания и распространения троллейбуса как принципиально нового вида транспорта стал очевидным его главный недостаток — ограниченные ход и маневренность в связи с питанием от контактной сети. Кроме того, сама инфраструктура питания троллейбуса является довольно сложной, громоздкой и дорогой: на маршрутах должна быть смонтирована двухполюсная контактная сеть с различными спецчастями, а также тяговые подстанции, которые преобразовывают высокое переменное напряжение (6 кВ или 10 кВ) в 600 В постоянного тока и через разветвленную сеть кабелей (подземных или воздушных) питают контактную сеть. Отметим, что датой создания троллейбуса считается 1882 г., когда в Германии была построена управляемая повозка с электрическим приводом, питающимся от воздушных проводов.
Троллейбус как гибрид трамвая и автобуса от первого взял электрический тяговый привод, а от второго — кузов и автомеханическое оборудование. Электрический тяговый привод в автобусном кузове на практике доказал свое преимущество перед приводом от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — это экологичность, долговечность, надежность, более динамические и комфортабельные ходовые качества. По сути, троллейбус проигрывал автобусу только в одном — в привязанности к контактной сети. Уже тогда конструкторы троллейбусных машин понимали, что для большей эффективности троллейбус должен работать как от контактной сети, так и без нее.
Первым отечественным троллейбусом, который получил функцию автономного хода, стал двухэтажный троллейбус ЯТБ-3, который был построен на базе британской машины АЕС-ЕЕС- 664Т. Источником питания для работы вне контактной сети служил усиленный комплект аккумуляторных батарей, от которого запитывался тяговый привод троллейбуса. ЯТБ-3 оснащался четырьмя 12-вольтовыми аккумуляторными батареями типа 6СТ.Б.16/1 емкостью 144 ампер-часов (Ач) каждая. При питании троллейбуса от контактной сети секции аккумуляторной батареи соединялись параллельно, а при переводе переключателя «батарея — сеть» в положение «батарея» — последовательно, создавая при этом суммарное напряжение 48 В. При этом ЯТБ-3 с пассажирами мог передвигаться на расстояние до 2,5 км со скоростью до 2,5 км/ч. Использование такой функции очень расширяло возможности троллейбуса на маршруте путем исключения простоя при отсутствии питания в контактной сети, ее обрыва или при наличии на пути троллейбуса препятствий.
В наше время такая функция троллейбуса называется аварийным автономным ходом (ААХ). При его наличии машина имеет возможность кратковременно двигаться без питания от контактной сети. Еще в 1980-х гг. экспортные троллейбусы ЗиУ-682В и ЗиУ-683В по желанию заказчика могли оснащаться функцией ААХ. Например, троллейбусы ЗиУ-682В-УА, которые поставлялись в Аргентину, могли двигаться без питания от сети на расстояние до 4 км со скоростью 5 км/ч с полной нагрузкой. При этом тяговый привод троллейбуса питался от дополнительного комплекта аккумуляторных батарей, который размещался под задней площадкой и общее напряжение которого равнялось 72 В.
Некоторые современные троллейбусы и сейчас оснащаются такой функцией. Так, отечественный троллейбус Богдан-Т70117 имеет дополнительный комплект из четырех аккумуляторных батарей типа 6СТ- 190, которые установлены на крыше и заряжаются отдельным статическим преобразователем іРТ 830/58-69. При переходе в режим автономного хода питание тягового привода переключается специальным переключателем на батарею автономного хода, при этом автоматически снимаются с контактной сети токоприемники и прижимаются к крыше троллейбуса. В таком режиме загруженный троллейбус может проехать расстояние до 1 км со скоростью до 5 км/ч. Чешский сочлененный троллейбус Škoda 31Tr SOR имеет ААХ от штатных аккумуляторных батарей, однако дальность при этом составляет не более 100 м. Но этого вполне достаточно, чтобы переехать, к примеру, обесточенный перекресток.
При включении ААХ ограничивается функциональность других систем троллейбуса. Кроме того, дальность ААХ не позволяет полноценно работать троллейбусу на маршруте с частичным отсутствием контактной сети. Но главным преимуществом троллейбуса с такой функцией является то, что он не будет стоять при порыве контактной сети, ее обесточивании или при наличии препятствия для проезда под контактной сетью. Стоимость комплекта ААХ, в том числе дополнительных аккумуляторных батарей, преобразователя для их зарядки, а также коммутационных элементов (контакторов) по сегодняшним меркам составляет всего до 3% от общей стоимости троллейбуса. Поэтому троллейбусы с ААХ становятся все более популярными.
ТРОЛЛЕЙБУСЫ С УВЕЛИЧЕННЫМ АВТОНОМНЫМ ХОДОМ
Для кардинального увеличения автономного хода необходимо устанавливать принципиально иные аккумуляторные батареи — так называемые тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ). При их использовании дальность работы троллейбуса без питания от контактной сети может доходить до 50 км. В качестве ТАБ используются литиевые аккумуляторы, которые в два раза легче свинцовых и при этом имеют срок эксплуатации в 25 раз больше. Литиевые аккумуляторы имеют более высокую токоотдачу, что позволяет им выдавать бóльшую мощность. Температурный режим таких аккумуляторов также более приемлемый для транспорта — от -30 до +45 °С. Дальность автономного хода троллейбуса зависит от количества ТАБ и их характеристик. На сегодняшний день практически каждый производитель троллейбусов предлагает модификацию своего базового троллейбуса, которая может комплектоваться ТАБ для работы на маршрутах без контактной сети.
Так, в 2018 г. город Брно (Чехия) приобрел партию троллейбусов Škoda 26Tr Solaris с увеличенным автономным ходом (УАХ). Эти троллейбусы оснащены двумя литий-титанатными ТАБ типа TBS 4.1, которые соединены последовательно. ТАБ TBS 4.1 состоит из 28 элементов типа nLTO 24V/70 Ah, общее напряжение одной батареи — 336 В. Две батареи размещены в заднем свесе троллейбуса (одна над другой), имеют собственную систему охлаждения и весят около тонны. Общее напряжение 672 В, которое дают обе ТАБ, позволяет ехать троллейбусу с полной загрузкой на автономном ходу со скоростью до 40 км/ч и на дальность до 15 км. Зарядка ТАБ не требует специальной зарядной станции и осуществляется при работе троллейбуса от контактной сети. При этом данная модификация 26Tr имеет уменьшенную вместимость до 80 человек.
Модификация троллейбуса Днипро-Т203 — Т20320, которая производится Южным машиностроительным заводом (г. Днепр) с 2017 г., оснащена четырьмя ТАБ типа Winston Battery WB-LYP100AHA, которые размещены в разных частях троллейбуса (по одной ТАБ размещено по левому и по правому бортам возле управляемой оси, оставшиеся две — в задней части троллейбуса). Все они соединены последовательно и имеют общее напряжение 512 В. Каждая ТАБ имеет 40 аккумуляторов, которые в отдельности имеют напряжение 3,2 В и емкость 100 Ач, а также систему охлаждения в виде низковольтного вентилятора. Такой комплект ТАБ обеспечивает троллейбусу с пассажирами дальность езды без контактной сети до 20 км. Троллейбусы Днипро-Т20320 работают на постоянных маршрутах с участками без контактной сети в Бахмуте, Днепре, Запорожье, Краматорске, Кропивницком, Ровно, Славянске, Черновцах.
Интересно, что троллейбусы с УАХ имеют второе название — электробусы с динамической зарядкой, т. е. зарядка ТАБ происходит при движении с питанием от контактной сети. Но все же, по мнению автора, наличие токоприемников и возможность работы в режиме троллейбуса относит такие машины именно к троллейбусам. Троллейбусы с УАХ также набирают популярность. Ведь они позволяют эксплуатационным предприятиям открывать новые маршруты без продления контактной сети или продлевать троллейбусные маршруты далее границ контактной сети. Самым ярким примером может служить город Кременчуг, который закупил троллейбусы Богдан-Т70117 и АКСМ-321 с УАХ для организации целого ряда троллейбусно-автобусных маршрутов, в том числе на правый берег Днепра, где расположен Крюковский район города.
Важным преимуществом таких машин является то, что они не требуют для зарядки ТАБ специальных электрических зарядных станций, а заряжаются от контактной сети (как в движении, так и в состоянии покоя). Троллейбус с УАХ имеет до 20% большую стоимость, чем аналогичный троллейбус без этой функции. Новейшим отечественным типом такого троллейбуса является PTS-12, который собирается киевским предприятием «Политехносервис» на базе кузова МАЗ-203Т. Такие троллейбусы уже эксплуатируются в Виннице и Харькове. В Украине за последние пять лет троллейбусы с УАХ начали работать в более чем десяти городах страны, что, несомненно, свидетельствует об их успехе.
Последним достижением в УАХ для троллейбусов является применение водородных топливных элементов для питания ТАБ. При этом резко уменьшается масса и объем дополнительного оборудования за счет уменьшения ТАБ, но появляется водородная установка, которая включает в себя блок ВТЭ и емкость с водородом. Главным преимуществом такого УАХ является резкое увеличение дальности работы троллейбуса в автономном режиме — до 100 км и даже больше. Данный концепт наиболее выгодно было применить на сочлененном троллейбусе, что и было сделано.
В 2017 г. польская компания Solaris представила сочлененный троллейбус Solaris Trollino 18, который оснащался УАХ с водородной установкой. Эта установка позволяет автономно двигаться троллейбусу на расстояние до 150 км с одной заправкой водородом. Для безопасной эксплуатации применена концептуально новая система обеспечения безопасности, которая включает в себя датчики утечки водорода и датчики столкновения. Первые 10 таких троллейбусов приобрела Рига. Контракт был подписан в конце 2017 г., но эксплуатация началась лишь в марте 2020-го. Помимо собственно троллейбусов, необходимо было построить водородную заправочную станцию (ВЗС), а также подготовить юридическую базу и меры безопасности для эксплуатации водородного транспорта. Кроме троллейбусов, на ВЗС могут заправляться и другие транспортные средства, работающие на водороде.
ТРОЛЛЕЙБУСЫ С ДГУ И ДУОБУСЫ
В период нефтяного кризиса 1970-х гг. в западных странах получили развитие троллейбусы с ДГУ и дуобусы. Эти машины были призваны заменить автобусы на городских и пригородных маршрутах и при этом потреблять для своей работы минимальное количество нефтепродуктов. Однако изначально оба этих вида общественного транспорта не были экологически чистыми, что является одним из главных преимуществ электротранспорта. Производителями троллейбусов с ДГУ стали такие известные западноевропейские фирмы, как MAN, Volvo, Mercedes- Benz, Van Hool, Gräf & Stift и др.
Принцип работы ДГУ состоит в сле дующем. В качестве источника питания электрического тягового привода используется генератор, который выдает необходимое для автономного хода напряжение. Этот генератор вращает небольшой дизельный ДВС, который, в свою очередь, имеет несколько систем, в том числе: систему запуска и остановки, топливную систему и систему охлаждения. При этом автономный ход троллейбуса будет зависеть от времени работы ДВС, т. е. от количества дизельного топлива. ДГУ — довольно сложная и дорогая функция. ДГУ занимает много места и существенно тяжела, поэтому на сегодняшний день практически не используется.
По-видимому, первыми троллейбусами в Украине, которые оснащались ДГУ, стали подержанные троллейбусы из Нидерландов под названием Den Oudsten B88/Volvo B10V-58E. Четыре таких троллейбуса приобрел город Черновцы в 2013 г. В 2017 г. туда же поступили четыре троллейбуса Škoda 21TrАСІ с аналогичной функцией из чешского Пльзеня. Эти троллейбусы оснащались ДГУ типа Škoda APU45, которая размещена в заднем свесе. Генератором служит трехфазный асинхронный двигатель мощностью 45 кВт. Для получения необходимого напряжения 600 В постоянного тока подключена выпрямительная диодная установка и блок конденсаторов. Появление троллейбусов с ДГУ позволило Черновцам продлить некоторые троллейбусные маршруты без постройки новых троллейбусных линий.
Позже троллейбусы с ДГУ появились в Мариуполе, Запорожье и Ровно. Так, Мариуполь закупил партию немецких подержанных троллейбусов MAN SL 172 HO в количестве 13 единиц. Данные троллейбусы оснащены ДГУ, которая состоит из дизельного ДВС Volkswagen 126 мощностью 31 кВт и генератора, который выдает 210 В и мощность 27,3 кВт. В Ровно поступил в единственном экземпляре сочлененный троллейбус АКСМ- 43303А, оснащённый ДГУ типа APU 100 Dipme мощностью 100 кВт. Для ее питания предусмотрен топливный бак емкостью 120 литров. В 2019 г. Запорожье приобрело ранее работавшие в Нидерландах троллейбусы Van Hool AG 300T, которые оснащались ДГУ типа Škoda APU45.
Еще одним городом, где появились троллейбусы с ДГУ, стал Кривой Рог. Интересно, что были закуплены не готовые троллейбусы с ДГУ, а произошла установка ДГУ на некоторые троллейбусы типа ЮМЗ Т2 и ЮМЗ Е186. При такой модернизации троллейбус получал новый асинхронный тяговый привод, для питания которого в автономном режиме использовалась ДГУ производства Великобритании. Приводом для ДГУ служит 4-цилиндровый дизельный двигатель Perkins 1104C, который вращает генератор MJB 225VA4. Генератор выдает напряжение 400 В АС с частотой 50 Гц, и развивает мощность до 100 кВт. Запас топлива позволяет троллейбусу двигаться в автономном режиме с полной загрузкой более 60 км. Данные троллейбусы также используются на троллейбусно-автобусных маршрутах.
Еще более интересными машинами являются троллейбусы-автобусы, или дуобусы. Их конструкция действительно двойственная — позволяет работать транспортному средству в режиме как троллейбуса, так и автобуса. Причем эти два режима между собой никак не связаны. При этом дуобус имеет все характерные черты и троллейбуса (токоприемники, электрический тяговый привод), и автобуса (двигатель внутреннего сгорания, топливную систему и систему охлаждения, коробку переключения передач, сцепление и т. п.). Абсолютное большинство известных миру моделей дуобусов представляло собой сочлененные машины, на которых одна ось приводилась в движение тяговым электрическим двигателем, а другая — двигателем внутреннего сгорания.
На сегодняшний день такая конструкция абсолютно невыгодна с экономической точки зрения. Да, такое транспортное средство может быть очень гибким при работе на маршрутах. Но возить еще один тяговый привод, который не задействован и «съедает» полезную нагрузку, а следовательно, вместимость, просто невыгодно. С другой стороны, себестоимость дуобуса благодаря такой многокомпонентной конструкции, значительно выше, равно как и затраты на его ремонт и обслуживание. В нашей стране известен лишь один тип дуобуса, который работает в режиме троллейбуса, — это модель Mercedes-Benz O405GTZ. Два таких дуобуса было закуплено в Швейцарии для обслуживания новой троллейбусной линии в Краматорске. Однако сложность конструкции и отсутствие опыта эксплуатации таких машин сделали свое дело — на момент написания статьи данные троллейбусы не эксплуатировались.
Подводя черту под всеми вышеописанными разновидностями троллейбусов, нужно отметить, что все эти машины могут работать в качестве классического троллейбуса, т. е. без автономного движения, если убрать ААХ, УАХ, ДГУ и ДВС. Это очень важно, так как при отсутствии такой возможности (даже при наличии токо-приемников для подзарядки) это будет уже другой вид транспортного средства — электробус.
Продолжение статьи читайте в декабрьском номере журнала "Наука и техника" за 2021 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
