Silniki CNG (7): Volvo

Jak przystało na skandynawską firmę – Volvo (szwedzki potentat w dziedzinie pojazdów ciężarowych i autobusów) zawsze intensywnie pracował nad zmniejszeniem szkodliwości tego typu pojazdów dla środowiska i poszukiwaniem paliw alternatywnych. Mimo to, akurat w kwestii silników napędzanych gazem ziemnym firma nie może się pochwalić wieloletnimi tradycjami. Nie znaczy to jednak, że nie liczy się na rynku pojazdów CNG. Wręcz przeciwnie – w ostatnim dziesięcioleciu Volvo sporo zainwestowało w badania i produkcję silników zasilanych gazem ziemnym dla ciężarówek i autobusów, doganiając w tej dziedzinie światową czołówkę i to zarówno pod względem ilościowym, jak i technicznym. Do dziś, firma dostarczyła bowiem około 1000 autobusów z silnikami napędzanymi gazem ziemnym. Zwieńczeniem tego procesu była prezentacja zupełnie nowej jednostki z zasilaniem CNG podczas zakończonego niedawno Kongresu UITP w Rzymie.

Pierwsze autobusy Volvo CNG

Doświadczenia Volvo z autobusami napędzanymi sprężonym gazem ziemnym rozpoczęły się na początku lat 90. W 1992 r. firma dostarczyła pierwsze autobusy zasilane CNG, przeznaczone do obsługi komunikacji miejskiej w Göteborgu. W 1995 r. Volvo rozpoczyna seryjną produkcję silników, które od początku opracowano z myślą o spalaniu gazu ziemnego. Mowa o 6-cylindrowej jednostce GH10A, bazującej na popularnym silniku DH10, o pojemności skokowej 9,6 litra. Ten poziomy silnik posiadał tylko jedną wersję mocy – 245 KM – i był montowany m.in. w pierwszych autobusach niskopodłogowych Volvo – modelu B10L – jak również w podwoziach sprzedawanych firmom nadwoziowym.

Rozszerzenie oferty silników CNG

W 1999 r., kiedy pojawiły się pierwsze sygnały, że rynek autobusów gazowych będzie czymś więcej, niż tylko niewielką niszą, Volvo zdecydowało się opracować nieco unowocześnioną jednostkę GH10B. Silnik ten wyposażono w nowy osprzęt elektroniczny oraz bardziej trwały układ wtryskowy. Ponadto, dzięki wprowadzeniu dwóch zakresów mocy – 245 KM i 285 KM – silnik ten można było zastosować także w autobusach przegubowych. Niedługo później, bo w 2001 zadebiutował silnik gazowy trzeciej generacji – Volvo GH10C. Wprowadzone zmiany miały na celu głównie podwyższenie mocy oraz poprawę – i tak już bardzo wysokich – walorów ekologicznych jednostki. I tak np., w układzie wydechowym zastosowano specjalny czujnik tlenu, który mierzył obecność tego pierwiastka w spalinach. Silnik wyposażono w układ wtryskowy, zapewniający odporność na paliwo niskiej jakości, a moc 9,6-litrowej jednostki wzrosła do – odpowiednio – 250 lub 290 KM. Właśnie ten silnik zastosowano w szeroko prezentowanym w Polsce niskopodłogowym Volvo 7000 CNG, przeznaczonym dla francuskiego klienta. Autobus ten zaprezentowano m.in. podczas łódzkiej Wystawy Komunikacji Miejskiej w Łodzi w 2002 r. Obecnie, autobusy Volvo zasilane CNG można spotkać głównie w Skandynawii, w takich miastach jak: Göteborg, Lund,

Malmö (Szwecja), Bergen (Norwegia) czy Helsinki (Finlandia), ale także np. we Francji (Montebliard i Nantes). Autobusy Volvo zasilane biogazem obsługują komunikację miejską m.in. w Sztokholmie.

Nowy silnik gazowy potrzebny od zaraz

Jednak wadą tej jednostki był fakt, iż była ona produkowana tylko w wersji poziomej, podczas gdy w nowych autobusach niskopodłogowych Volvo 7000 standardowo stosowane silniki Diesla były montowane pionowo i zabudowywane wieżowo. Zastosowanie leżącego silnika wymagało więc wprowadzenia dodatkowych modyfikacji w tylnej części przestrzeni pasażerskiej pojazdu, gdzie zamiast zabudowy wieżowej, zastosowano układ amfiteatralny. To z kolei wymusiło zastosowanie jednego stopnia wejściowego w trzecich drzwiach – podobnie jak w modelu poprzedniej generacji B10L. Poza tym, bazowy silnik wysokoprężny silnik DH10, w oparciu o który powstała jednostka gazowa, powoli wychodził z produkcji i był stopniowo zastępowany nowszymi generacjami silników – D7 o pojemności 7,3 litra oraz D9 o pojemności 9,4 litra. Należało więc oczekiwać, że wkrótce jednostka GH10C będzie miała swojego następcę.

I tak też się stało – podczas Kongresu UITP, który odbywał się w dniach 5-9 czerwca 2005 r. w Rzymie, Volvo zaprezentowało zupełnie nowy silnik przystosowany do spalania gazu ziemnego oznaczony jako G9A. Jak wskazuje oznaczenie, jednostka ta bazuje na silniku Diesla D9, jak narazie bardziej znanego z ciężarówek Volvo, niż z autobusów. Nowa jednostka – podobnie jak bazowy silnik wysokoprężny – posiada 6 cylindrów i ma pojemność skokową wynoszącą 9,4 litra. Tak jak poprzednicy, jest ona oferowana w dwóch zakresach mocy – 260 lub 300 KM. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych rozwiązań, udało się zarówno ograniczyć koszty eksploatacji silnika gazowego, jak i emisję szkodliwych związków w spalinach. Dzięki temu G9A już dziś spełnia normy Euro 5, których wejście w życie przewiduje się pod koniec obecnej dekady oraz EEV – najostrzejsze obecnie normy, przewidziane dla pojazdów o szczególnie niskiej szkodliwości dla środowiska. Co więcej, jednostka ta ma potencjał umożliwiający spełnienie nawet kolejnych stopni ograniczania emisji spalin, które są dopiero w fazie planowania.

Volvo G9A – nowoczesny i elastyczny

Silnik G9A jest przystosowany do spalania zarówno gazu ziemnego, jak i biogazu, bowiem głównym składnikiem obu tych paliw jest metan. Silnik posiada wałek rozrządu umieszczony w głowicy, a każdy cylinder posiada cztery zawory. Najważniejsze jest jednak to, że silnik G9A jest oferowany w wersji pionowej, co oznacza, że może on być montowany w autobusach miejskich w tradycyjnej wieży. Ogranicza to do minimum liczbę modyfikacji w stosunku do autobusu napędzanego olejem napędowym (co wpływa na obniżenie kosztów produkcji) oraz nie wymusza wprowadzenia dodatkowego stopnia wejściowego w trzecich drzwiach. Teraz przestrzeń pasażerska gazowego Volvo 7700 nie będzie się już niczym różnić od odmiany napędzanej silnikiem Diesla.

Silnik gazowy Volvo poprzedniej generacji – GH10 – podobnie, jak większość jednostek tego typu oferowanych na rynku pracował na ubogiej mieszance (lean-burn), co oznacza, że spalanie odbywało się przy stałej przewadze tlenu w mieszance paliwowej. Reguła lean-burn zapewnia wysoką sprawność silnika i niższą temperaturę spalania mieszanki oraz spalin. Jednak w niektórych sytuacjach moc wytwarzana przez tego typu silnik jest zbyt mała. Dlatego np. przy niskich obrotach, układ ssący przestawiał się na wytwarzanie mieszanki stechiometrycznej. Dodatkowo silnik GH10A wyposażany był w czujnik lambda, monitorujący zawartość tlenu w spalinach, dzięki czemu układ sterujący silnika mógł na bieżąco dozować optymalną ilość powietrza i paliwa, a praca silnika mogła być dostosowywana do zmian wartości opałowej gazu.

Tabela 1: Podstawowe dane techniczne nowych silników gazowych Volvo G9A

Nowa jednostka Volvo G9A to silnik typu Lambda 1, a więc wyposażony w układ umożliwiający dobieranie optymalnego składu mieszanki w danym momencie, dzięki czemu nie musi ona stale posiadać przewagi tlenu. „Tym samym, możemy znacznie ograniczyć emisję spalin, poprzez zastosowanie trójdrożnego katalizatora w układzie wydechowym. Przy tradycyjnym systemie zasilania nie byłoby to możliwe.” – powiedział podczas prezentacji Anders Nyberg z Volvo Powertrain, który przewodniczył pracom nad nową jednostką gazową. Poziom emisji spalin silnika Volvo G9A jest niższy, niż określony normami Euro 5 i EEV. Nowoczesny układ sterowania silnikiem EMS w sposób ciągły kontroluje zawartość tlenu oraz jakość paliwa, odpowiednio dostosowując pracę silnika. Dzięki temu, jednostka jest dość odporna na paliwo gazowe niskiej jakości.

Użycie technologii Lambda 1 umożliwiło znaczne obniżenie emisji spalin, jednak jego wadą jest wzrost temperatury w układzie wydechowym. Bez zastosowania odpowiednich rozwiązań, mogłoby to doprowadzić do ograniczenia żywotności eksploatacyjnej silnika. Inżynierzy Volvo poradzili sobie z tym problemem poprzez zastosowanie – jako pierwszy producent silników gazowych – układu recyrkulacji spalin (EGR). Część spalin zostaje tym samym powtórnie wprowadzona do układu dolotowego. Pozwala to zarówno obniżyć temperaturę spalin, jak i jeszcze bardziej ograniczyć emisję szkodliwych związków.

Tabela 2: Porównanie danych technicznych nowego silnika gazowego Volvo G9A i jednostki poprzedniej generacji Volvo GH10C

Silniki G9A – przemyślane w każdym szczególe

Najsilniejsza wersja nowego silnika G9A dysponuje mocą 300 KM oraz momentem obrotowym 1400 Nm, a więc o odpowiednio 10 KM i 200 Nm więcej, niż jego poprzednik – GH10C. Na pierwszy rzut oka to niewielka różnica, trzeba jednak zaznaczyć, że moment obrotowy jest teraz dostępny w znacznie szerszym zakresie obrotów. Dzięki temu autobus z takim silnikiem łatwiej się prowadzi i jest cichszy, ponieważ pracuje na niższych obrotach.

Tabela 3: Porównanie danych technicznych silnika gazowego G9A i bazowej jednostki wysokoprężnej D9A

Przy pracach nad nowym silnikiem, inżynierzy Volvo dużo uwagi poświęcili także kosztom obsługi. Dzięki zastosowaniu nowocześniejszych rozwiązań oraz zwiększeniu wydajności pracy jednostki, udało się wydłużyć – w stosunku do poprzednika – okresy międzyprzeglądowe. Tym samym, przewoźnicy rzadziej będą musieli udawać się do stacji serwisowych. Ponadto jednostka G9A jest w dużym stopniu zunifikowana z popularnym silnikiem Diesla typu D9A, znanym zwłaszcza z samochodów ciężarowych Volvo, którego wyprodukowano już w liczbie ok. 20 000 sztuk. Fakt, iż jednostki te dzielą ze sobą wiele podzespołów daje z jednej strony gwarancję, że jest to silnik sprawdzony, a z drugiej – powoduje, że jego obsługa jest łatwiejsza i szybsza, a co za tym idzie – tańsza. Jednocześnie, w silniku zastosowano pewne modyfikacje, głównie w obrębie głowicy cylindrów, tłoków, zaworów i kolektora ssącego, dostosowujące go do wyższej temperatury spalania gazu ziemnego w porównaniu z olejem napędowym. Zastosowano także specjalne świece zapłonowe, wyposażone w platynowe elektrody, co powinno przyczynić się do przedłużenia ich żywotności eksploatacyjnej.

Biogaz zamiast CNG?

Co ciekawe, silniki gazowe Volvo z powodzeniem mogą spalać także inne paliwo alternatywne, jakim jest biogaz. Podobnie jak gaz ziemny, składa się on głównie z metanu, którego zawartość w pierwotnej formie biogazu jest jednak znacznie mniejsza (50-60% wobec 90-98% w gazie ziemnym). Dlatego przed zastosowaniem w pojazdach silnikowych, biogaz musi dodatkowo zostać poddany obróbce, podczas której usuwane są z niego liczne substancje niepalne (głównie dwutlenek węgla). Po takim procesie, zawartość metanu wzrasta do ok. 95-98%. Zaletą biogazu jest z kolei fakt, iż nie jest on paliwem kopalnym, ale powstaje w wyniku naturalnego rozkładu materii organicznej. Dzięki temu, jest to paliwo odnawialne, a produkty jego spalania nie wpływają na ilość gazów cieplarnianych w atmosferze.

Podsumowanie

Jak widać, mimo iż koncern Volvo zawsze przywiązywał dużą wagę do kwestii ochrony środowiska, do technicznego wyścigu w dziedzinie silników napędzanych gazem ziemnym włączył się dopiero na początku lat 90., kiedy to naukowcy zaczęli wskazywać na to paliwo, jako jedną z najlepszych alternatyw dla oleju napędowego. Wówczas zaczęły się pierwsze próby wprowadzania programów wspierających inwestycje w zgazyfikowany tabor. Niemniej, Volvo szybko dogoniło czołówkę na tym rynku. Co więcej, prezentując podczas kongresu UITP w Rzymie nowy silnik, który w zależności od warunków potrafi pracować albo na mieszance stechiometrycznej, albo ubogiej, Volvo pokazało, że zamierza umocnić swoją pozycję w dziedzinie napędów gazowych, a silniki zasilane tym paliwem są obecnie w centrum zainteresowania inżynierów z działu badawczo-rozwojowego koncernu. Swoją drogą – warto zastanowić się nad szerszym stosowaniem biogazu. Jest to paliwo przynajmniej w pewnym stopniu odnawialne, dość łatwe do pozyskania i bardzo ekologiczne. Jeżeli w przyszłości możliwe byłoby tanie, łatwe i płynne przejście ze stosowania CNG w autobusach przystosowanych do spalania gazu ziemnego na napęd biogazem, to być może właśnie ono okaże się paliwem przyszłości?

Zdjęcia oraz rysunki pochodzą od producenta (Volvo Buses) , ze strony "The Helsinki City Region Bus Pages" ( http://mystinenportaali.com/bussi/eng/index.shtml ), prowadzonej przez Niko Setälä oraz Lauri Pitkänena oraz z fotogalerii autobusowej, prowadzonej przez Lauri Räty ( http://mystinenportaali.com/lauri/joukkol/kuvat/ ).