MAN - droga do zasilania wodorowego

MANMAN Lion's City CNG w wersji 12-metrowej

Firma MAN ma bardzo duże zasługi w upowszechnianiu napędów gazowych (CNG i LPG), szczególnie w transporcie publicznym, gdzie ich stosowanie jest najbardziej uzasadnione. Niemiecki koncern produkuje pojazdy zasilane paliwami gazowymi oraz dostarcza gazowe jednostki napędowe, które są cenione z uwagi na dużą niezawodność działania.

Dlaczego paliwa gazowe?

Idea zasilania pojazdów z wykorzystaniem gazu ziemnego pojawiała się w czasach występowania kłopotów z zaopatrzeniem w klasyczne paliwa silnikowe (okres II wojny światowej). Obecnie powrót do koncepcji zasilania gazowego wynika ze wzrastających wymagań ekologicznych, szczególnie w zakresie emisji cząstek stałych. Gazowe jednostki napędowe w naturalny sposób ich nie wydzielają, w odróżnieniu od silników o zapłonie samoczynnym, które aby osiągnąć odpowiednią emisję w tym zakresie muszą pracować z ekstremalnymi nastawami (bardzo duży kąt wyprzedzenia wtrysku) oraz dodatkowymi systemami służącymi do obróbki gazów spalinowych (np. filtry cząstek stałych, układy katalitycznej redukcji spalin - SCR). Z tego powodu jak również z uwagi na koszty eksploatacji (gaz ziemny jest paliwem znacznie tańszym) wiele aglomeracji miejskich decyduje się na całkowitą lub częściową wymianę taboru na pojazdy z zasilaniem gazowym. Ponadto w dużych miastach, gdzie sieć gazowa jest dobrze rozwinięta dużo łatwiej zbudować stację sprężania gazu ziemnego niezbędną do tankowania pojazdów zasilanych CNG.

MANPierwszy gazowy autobus MAN (1943 r.)

Konsekwentny rozwój gazowych układów napędowych stał się dla firmy MAN pomostem do opanowania technologii zasilania silników spalinowych wodorem. Badania pojazdów zasilanych wodorem (w berlińskiej komunikacji miejskiej) zostały zakończone w 2009 r., a ich wyniki potwierdziły gotowość MAN do wprowadzenia napędów wodorowych do produkcji seryjnej. Zarząd firmy doszedł jednak do wniosku, że na wprowadzenie tej technologii jest jeszcze zbyt wcześnie, zatem gotowe i przetestowane rozwiązania czekają na lepsze (dla wodoru) czasy.

Na początku metan

Pierwsze próby zasilania gazem ziemnym silników MAN podjęto w latach 40. ubiegłego wieku. Początkowo gazowe jednostki napędowe MAN były zasilane gazem miejskim, który powstawał w kontrolowanym procesie spalania węgla.

Powrót do zasilania gazowego silników spalinowych nastąpił w latach 70., kiedy w Monachium rozpoczęto przygotowania do Igrzysk Olimpijskich w 1972 r. Pozyskane przez miasto znaczne środki finansowe pozwoliły na zaangażowanie się w prace związane z alternatywnym zasilaniem pojazdów komunikacji miejskiej. W ich efekcie powstały autobusy MAN SL200, w których zastosowano inny sposób przechowywania gazu ziemnego (w postaci skroplonej - LNG Liquified Natural Gas). W układach napędowych tych pojazdów zastosowano silniki E2866, których konstrukcję oparto na jednostce napędowej o zapłonie samoczynnym D2866.

MANTurbodoładowany, sześciocylindrowy silnik E2876 jest zasilany mieszankami ubogimi przez system Motronic ME7-GAS1

Znaczny wzrost zapotrzebowania na gazowe jednostki napędowe nastąpił w latach 90. ubiegłego wieku. Wtedy MAN wprowadził do oferty pierwsze seryjne silniki zasilane CNG, spełniające normę Euro2. W 2001 r. zadebiutowały odmiany zgodne z wymaganiami Euro3 i EEV (Enhanced Environmentally friendly Vehicle - pojazd przyjazny środowisku).

MANGazowy silnik MAN E0836 dysponuje, w zależności od wersji, mocą 220 lub 280 KM przy emisji szkodliwych składników spalin zgodnej z nieobowiązującą normą EEV

Oferta gazowych silników trakcyjnych MAN

Oferowane obecnie przez MAN gazowe jednostki napędowe wykorzystują, sprawdzoną konstrukcję silnika o zapłonie samoczynnym D28 oraz D08. Oba silniki są sześciocylindrowe i zbudowane w układzie rzędowym. Pierwszy z nich charakteryzuje się pojemnością skokową 12 l, drugi ma 7 l pojemności. Mniejsze silniki gazowe oznaczone jako E0836 są regulowane na dwa poziomy mocy: 162 kW (220 KM) i 206 kW (280 KM). Większa jednostka napędowa oznaczona jako E2866 dysponuje mocą 180 kW (245 KM). Silniki E2876 (o zwiększonej do 12,8 l pojemności skokowej) mają moc 228 kW (310 KM). Dostępna jest również wersja G2876 (także o zwiększonej do 12,8 l pojemności skokowej) o mocy 200 kW (272 KM) dostosowana do zasilania gazem płynnym (LPG).

Zasada działania

Silniki pracują wg obiegu Otto (zapłon iskrowy) i są wyposażone w trójdrożne katalizatory spalin, a sondy lambda w układzie wylotowym odpowiadają za utrzymanie odpowiedniego składu mieszanki gazowo-powietrznej.

MANElementy gazowego systemu zasilania Bosch Motronic ME7-GAS1: 1- blok przepustnicy, 2- zawory wtryskujące gaz, 3- sterownik elektroniczny, 4- czujnik fazy silnika, 5- czujnik prędkości obrotowej silnika, 6- czujnik temperatury powietrza doładowującego, 7- czujnik ciśnienia doładowania, 8- czujnik temperatury cieczy chłodzącej, 9- czujnik ciśnienia gazu, 10- czujnik temperatury gazu, 11- moduły zapłonowe, 12- cewki zapłonowe, 13- przepływomierz powietrza, 14- czujniki spalania stukowego, 15- zawór upustowy turbosprężarki, 16- szerokopasmowe sondy lambda, 17- czujnik temperatury spalin

W zależności od wersji silniki są zasilane mieszanką stechiometryczną lub stechiometryczną i ubogą (lean mix). Zmienny współczynnik nadmiaru powietrza waha się od 1,0 do 1,65; co przyczynia się do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin. Zmienny skład mieszanki gazowo-powietrznej jest realizowany przez układ Bosch Motronic ME7-GAS1, w którym gaz jest podawany do układu dolotowego centralnie poprzez elektronicznie sterowany mieszalnik. W jego aluminiowym korpusie zamontowano 12 wtryskiwaczy (zaworów) gazu. Umieszczono je w dwóch płaszczyznach (po 3 naprzeciw siebie). Razem z nimi w jednej obudowie znajdują się również czujniki ciśnienia i temperatury gazu. Poniżej znajduje się blok przepustnicy wyposażony w elektroniczny nastawnik.

MANZespół wtryskujący gaz stosowany w silnikach serii E28

Układ jest zwartym elementem montowanym w początkowej części układu dolotowego, co zapewnia możliwość bardzo dobrego wymieszania gazu z powietrzem (szczególnie istotne w silnikach zasilanych mieszanką ubogą). System korzysta również z sygnałów czujników zamontowanych w silniku (fazy silnika, prędkości obrotowej, temperatury powietrza doładowującego, ciśnienia doładowania, temperatury cieczy chłodzącej, spalania stukowego, przepływomierza powietrza, zaworu upustowego turbosprężarki, sondy lambda oraz czujnika temperatury spalin.

W normalnych warunkach silnik o zmiennym współczynniku nadmiaru powietrza (lean mix) pracuje na mieszance ubogiej o składzie (gaz/powietrze) 1:21-23. Systemy pomiarowe monitorują skład spalin i jeśli zawartość niespalonego metanu w spalinach osiągnie wartość graniczną ilość dostarczanego gazu ulega zwiększeniu i skład mieszanki gazowo-powietrznej wynosi 1:17,3 (lambda = 1, mieszanka stechiometryczna).

MANGłowica silnika gazowego E2876 (z lewej) w porównaniu z bazowym silnikiem o zapłonie samoczynnym. Uwagę zwraca nowy tłok, zapewniający zmniejszenie stopnia sprężania oraz świeca zapłonowa umieszczona w miejscu wtryskiwacza

Konstrukcja silnika

Gazowe jednostki napędowe konstrukcyjnie bazują na silnikach o zapłonie samoczynnym. W stosunku do dieslowskich jednostek napędowych silniki gazowe są znacznie odprężone. Stopnie sprężania poszczególnych jednostek napędowych wynoszą wynoszą 11 (E2866), 12 (E2876) i 10 (G2876). Zmniejszenie stopnia sprężania osiągnięto poprzez zastosowanie innych tłoków. Różnice wynikają z innych właściwości paliw gazowych, które spalają się w nieco wyższych temperaturach, a proces spalania jest bardziej przewlekły (wyższa temperatura dłużej oddziałuje na ścianki komory spalania). Z tego względu, jak również z uwagi na konieczność zamontowania świec w komorach spalania najwięcej zmian dokonano w głowicach. Wzmocniono gniazda zaworowe i same zawory, inaczej ukształtowano kanały układu chłodzenia, intensyfikując w ten sposób przepływ cieczy (szczególnie w okolicach gniazd zaworowych i świec zapłonowych). W układach zapłonowych tych silników wykorzystuje się świece z elektrodami platynowanymi lub irydowymi (wymiana co 60 tys. km).

MANWodorowy silnik H2876 o mocy 150 kW (204 KM)

Zasilanie wodorowe

Pierwsze próby z zasilaniem wodorowym autobusów MAN podjęto w latach 1996-98, kiedy pomiędzy Erlangen i Monachium eksploatowano taki właśnie autobus. Pojazd wykonał przebieg 42000 km, a zebrane doświadczenia stanowiły dla konstruktorów źródło wiedzy pozwalające wprowadzać wiele udoskonaleń w wodorowych układach zasilania. W 1999 r. podjęto próbną eksploatację autobusów wodorowych (MAN NL i Neoplan Centroliner w wersjach 18 metrowych) na lotnisku w Monachium w ramach programu H2argemuc.

MANWodorowy MAN Lion's City na stacji tankowania

Wodór w tych pojazdach był magazynowany w aluminiowych butlach o łącznej pojemności 2580 l, które przy ciśnieniu 25 MPa były w stanie pomieścić 1670 kWh energii. Autobusy były napędzane silnikami H2866 o pojemności skokowej 12 l i dysponowały mocą maksymalną 140 kW oraz maksymalnym momentem obrotowym o wartości 700 Nm. Autobusy używano do 2005 r. W tym czasie przebyły dystans 450000 km. W kolejnym etapie testom poddano trzy pojazdy, dwa z nich były wyposażone w silniki zasilane wodorem a w jednym wodór służył do zasilania ogniwa paliwowego wytwarzającego energię elektryczną, zasilającą elektryczne silniki trakcyjne.
Ostatnim etapem badań autobusów wodorowych była ich eksploatacja (od połowy 2006 r. do końca 2009 r.) w berlińskim przedsiębiorstwie komunikacji miejskiej BVG. Przedsięwzięcie było realizowane w ramach projektu HyFLEET:CUTE. Na regularnych liniach jeździło 14 autobusów MAN Lion’s City zasilanych wodorem.

MANWodorowe MANy Lion's City

W 4 pierwszych pojazdach zastosowano wolnossące silniki wodorowe H2876 UH1 o mocy 150 kW (204 KM) przy 2200 obr./min i maksymalnej wartości momentu obrotowego 760 Nm uzyskiwanej w zakresie 1000-1200 obr./min. Silnik ten przewyższał już w tamtym okresie wymagania obecnie obowiązującej normy Euro5. Emisja NO_x silnika H2876 UH1 wynosi 0,2 g/kWh, niespalonych węglowodorów HC = 0,04 g/kWh, cząstek stałych PM = 0,005 g/kWh a poziom CO₂ jest niemierzalny. Wymagania Euro5 wynoszą odpowiednio: NO_x = 2,0 g/kWh, HC = 0,46 g/kWh, PM = 0,02 g/kWh oraz CO₂ = 0,02 g/kWh. Jak widać różnice w wartościach są bardzo wysokie. Dziesięć kolejnych autobusów wyposażono już w turbodoładowane (z chłodzeniem powietrza doładowującego) jednostki napędowe MAN H2876 LUH01o mocy 200 kW (272 KM) przy 2200 obr./min i maksymalnym momencie obrotowym 1000 Nm dostępnym już przy 1000 obr./min. Oprócz doładowania w silniku zwiększono (do 12) stopień sprężania (wolnossące silniki wodorowe mają stopień sprężania 8,5). Oba silniki są sześciocylindrowymi, rzędowymi jednostkami napędowymi o pojemności skokowej 12,8 l, w których układzie zasilania zastosowano system zasilania Bosch Motronic ME7-GAS1. Wtrysk wodoru w silniku wolnossącym następuje do poszczególnych kanałów dolotowych kolektora, natomiast w silniku doładowanym zastosowano wtrysk bezpośredni wodoru (wprost do komory spalania).

MANWodorowe MANy Lion's City

Podsumowanie

Technologia zasilania wodorem silników spalinowych jest więc wdrożona i sprawdzona w warunkach szczególnie trudnej, miejskiej eksploatacji. Autobusy zasilane wodorem (w których wodór jest spalany w silniku) stanowią rozwiązanie znacznie tańsze w stosunku do innych napędów wodorowych (np. ogniwa paliwowe), choćby z uwagi na wymagania odnośnie czystości paliwa. Ponadto w silnikach wodorowych można wykorzystywać wszystkie dodatkowe urządzenia podnoszące parametry i wydajność (również ekologiczną) spalinowych jednostek napędowych. Układ napędowy z silnikiem spalinowym zasilanym wodorem przy niewielkich nakładach można także zastosować w eksploatowanych pojazdach miejskich.

Pomimo niewątpliwych zalet władze MAN zdecydowały o nie wprowadzaniu do seryjnej produkcji pojazdów wodorowych (zarówno wyposażonych w silniki spalinowe oraz z ogniwami paliwowymi) z uwagi na brak infrastruktury do tankowania tego paliwa oraz efektywnych technologii produkcji wodoru. Rozwijane są inne rodzaje układów napędowych, przede wszystkim hybrydowych. Firma cały czas pozostaje jednak znaczącym dostawcą silników zasilanych CNG, które znajdują zastosowanie w autobusach miejskich wielu producentów.