Przegląd europejskich konstrukcji autobusów zasilanych CNG (1): EvoBus

Autobusy zasilane gazem ziemnym w ofercie Mercedes-Benz

Kiedy podczas ubiegłorocznych targów Transexpo w Kielcach, Jelcz zaprezentował długo zapowiadany, niskopodłogowy autobus M125M/4 Vecto CNG napędzany sprężonym gazem ziemnym, wielu ekspertów wyrażało zaskoczenie. Uważali, że będąca w poważnych kłopotach finansowych firma nie powinna inwestować w rozwój konstrukcji, której szanse powodzenia na rynku są niewielkie. Zdumienie ogarnęło także jurorów konkursu na najlepszy produkt wystawiany na targach, który powędrował do Solarisa. Tymczasem, po raz kolejny okazało się, że w trudnych sytuacjach warto czasami podjąć ryzyko – dzięki temu modelowi Jelcz znalazł dla siebie niszę rynkową: już w 2004 r., MPK Rzeszów zamówiło 5 sztuk tego modelu, a inne przedsiębiorstwa komunikacyjne wręcz wyrywają sobie z rąk egzemplarze przekazywane do testów (eksploatowały je m.in. DLA Wrocław, MPK Kraków i ZKM Gdańsk). Władze polskich miast zaczynają coraz poważniej rozważać możliwość wprowadzenia do eksploatacji taboru napędzanego gazem ziemnym (m.in. Warszawa, Trójmiasto, Szczecin).

Wskaźnikiem dużego zainteresowania polskich klientów gazowymi autobusami była spora liczba tego typu konstrukcji wystawionych na tegorocznych targach w Kielcach. Pojawiły się tam trzy autobusy CNG: wspomniany rzeszowski Jelcz M125M/4 CNG Vecto, Solaris Urbino 15 CNG dla Koszyc oraz MAN NL 243 CNG z Frankfurtu nad Odrą. W związku z obserwowanym sporym zainteresowaniem pojazdami CNG, postanowiliśmy na łamach InfoBusa rozpocząć cykl artykułów przybliżających miejskie autobusy zasilane gazem ziemnym oferowane przez wszystkich europejskich producentów. Naszą prezentację zaczynamy od oferty firmy EvoBus i modeli marki Mercedes-Benz, jednego z pionierów wprowadzania sprężonego gazu ziemnego do konstrukcji autobusów miejskich. Obecnie w ofercie firmy są trzy modele, w których można zastosować napęd CNG. Są to: miejskie autobusy niskopodłogowe Citaro w wersji 12-metrowej solo i 18-metrowej przegubowej oraz minibus Sprinter.

Pierwsze doświadczenia

Doświadczenie Mercedesa w rozwoju konstrukcji zasilanych tym rodzajem paliwa sięga początku lat 70. Opracowano wówczas autobus OG.305 (bazujący na standardowym O.305), który napędzany był skroplonym gazem ziemnym. Latem 1994 r., do seryjnej produkcji wszedł zasilany sprężonym gazem ziemnym, niskopodłogowy autobus O.405N, wyposażony w czujnik tlenu i trójdrożny katalizator spalin. Obecnie dużą liczbę autobusów Mercedes-Benz zasilanych CNG można znaleźć na ulicach Niemiec (Hanower, Mannheim, Mühlhausen, Lahr, Zwickau czy Rüsselsheim), Hiszpanii, Francji, Szwajcarii, Finlandii i Szwecji. Jeżdżą one także poza Europą, m.in. w Australii, Tajlandii i Brazylii. W związku z ograniczeniami, jakie narzuca zasięg tego typu pojazdów, paliwo to generalnie stosuje się w autobusach miejskich. Istnieje jednak także prototyp autokaru napędzanego CNG, który od kilku lat jest eksploatowany przez Münchener Stadt-Rundfahrten oHG. Największy kontrakt na dostawę autobusów zasilanych gazem ziemnym zawarto z Hanowerem w 2000 r. W związku z mającą się tam odbyć wystawą „Expo 2000”, hanowerski przewoźnik Üstra Hanoversche Verkehrsbetriebe AG zamówił 56 tego typu autobusów, w tym 40 solo i 16 przegubowych. Autobusy zostały wyposażone w przekonstruowane nadwozia, opracowane według projektu stylisty Jamesa Irvina.

Warto dodać, że w 2003 r. EvoBus dostarczył 6 autobusów Citaro CNG dla przewoźnika Regionalbus Gesellschaft Unstrut-Hainich und Kyffhäuserkreis mbH z Mühlhausen w Turyngii z silnikami spełniającymi normy EEV. W połączeniu z przyjaznymi dla środowiska procesami produkcyjnymi, stosowanymi w zakładach w Mannheim, gdzie zostały wyprodukowane, umożliwiło to przyznanie im znaku „Błękitnego Anioła”, symbolu szczególnie niskiej szkodliwości dla środowiska, udzielanego przez RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. (instytucję przyznającą znaki jakości).

Dostosowanie silników pod CNG

Główną zaletą gazu ziemnego jest fakt, że przy jego spalaniu wytwarza się o ok. 50% mniej szkodliwych związków, niż w przypadku oleju napędowego. Poza tym, silniki gazowe są cichsze od swoich wysokoprężnych odpowiedników. W niektórych krajach – w tym w Polsce – na korzyść gazu ziemnego przemawia także jego dużo niższa cena w porównaniu z innymi paliwami kopalnymi. Ta zależy jednak od dostępności gazu ziemnego w danym kraju oraz od polityki podatkowej władz. Do wad CNG należy zaliczyć właśnie mocno zróżnicowaną dostępność tego typu paliwa, ograniczony zasięg, wyższy koszt zakupu autobusu z tego typu układem napędowym oraz konieczność budowy dość drogiej infrastruktury, zapewniającej wydajne i bezpieczne tankowanie pojazdów. Aby silnik mógł być zasilany gazem ziemnym, musi posiadać zapłon iskrowy. Tymczasem stosowane powszechnie w autobusach silniki Diesla pracowały w oparciu o zapłon samoczynny. Dlatego musiały zostać przekonstruowane. Seryjna produkcja autobusów Mercedes-Benz z tego typu jednostkami napędowymi rozpoczęła się w Mannheim w 1994 r. Jako podstawę do jego budowy wykorzystano popularny, 6-cylindrowy silnik rzędowy OM447h o pojemności 12 litrów. Po przystosowaniu go do spalania gazu ziemnego, układ wydechowy wyposażono dodatkowo w trójdrożny katalizator oraz sondę lambda. Efekt był znakomity – już wtedy emisja spalin była o prawie 50% niższa, niż zakładały to obowiązujące wówczas w Unii Europejskiej normy Euro 2.

Gazowe Citaro

Wprowadzone na rynek w 1998 r. autobusy Citaro, od 2000 r. dostępne są także w wersji napędzanej sprężonym gazem ziemnym. W autobusach tych montuje się silnik M447hLAG, który tak jak jego wysokoprężny pierwowzór, wyposażony jest w turbosprężarkę oraz schładzanie powietrza doładowującego (intercooler), a w układzie wydechowym w standardzie stosowany jest katalizator utleniający, czujnik tlenu oraz sonda lambda. W porównaniu z silnikiem stosowanym w poprzednim modelu – O.405N – wyróżnia się wyższą wydajnością spalania, dzięki czemu zmniejszyły się obciążenia termiczne silnika.

Jednostka napędowa M447 hLAG posiada dwa zakresy mocy: 185 kW (252 KM) i 240 kW (326 KM) – w obu przypadkach przy 2 000 obr./min. Maksymalny moment obrotowy wynosi, odpowiednio, 1 050 Nm i 1 250 Nm w zakresie od 1 000 do 1 400 obr./min. Obie wersje charakteryzują się relatywnie niskim poziomem zużycia paliwa, spełniając jednocześnie normy czystości spalin Euro 4, które wejdą w życie w Unii Europejskiej na przełomie lat 2005 / 2006. Co więcej, w 2002 r. silnik ten, poddany niewielkim tylko modyfikacjom, przeszedł także pomyślnie proces certyfikacyjny na zgodność z normami EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle – pojazd o szczególnie niskiej szkodliwości dla środowiska), co stało się możliwe dzięki zastosowaniu koncepcji spalania zubożonej mieszanki (lean-burn), zapewniając wyższą wydajność pracy silnika. Oznacza to, że silnik ten bez problemu będzie mógł spełnić także kolejne normy emisji spalin Euro 5, które wejdą w życie dopiero na przełomie lat 2008 / 2009. Emisja niektórych szkodliwych substancji okazała się wyraźnie niższa niż wymagania normy Euro 5. Obecnie jednostka z modyfikacjami dostosowującymi pojazd do norm EEV, dostępna jest jako opcja.

Porównanie danych technicznych silnika OM447 hLA i jego odmiany gazowej OM447 hLAG

Silniki napędzane gazem ziemnym wykazują bardzo niski poziom emisji szkodliwych substancji w spalinach. Dotyczy to przede wszystkim dwóch grup zanieczyszczeń: tlenków azotu oraz cząstek stałych. Ponieważ paliwo ma postać lotną, podczas jego spalania nie powstają żadne substancje w stanie stałym – takie jak sadza, czy inne cząstki stałe – które są zmorą konstruktorów silników Diesla. Gazy spalinowe pozbawione są szczególnie niebezpiecznego dla środowiska dwutlenku siarki, również emisja tlenków azotu jest zdecydowanie niższa niż w przypadku silników wysokoprężnych. Ponadto, zastosowanie zapłonu iskrowego powoduje, że mniejsze jest ciśnienie w cylindrze, co przyczynia się do redukcji hałasu wytwarzanego przez silnik. Przystosowany do spalania gazu ziemnego silnik M447 hLAG wyposażony jest w mieszalnik gazu zintegrowany z zespołem przepustnicy, umiejscowiony przed kolektorem ssącym. Nad właściwymi proporcjami powietrza i gazu ziemnego w mieszance paliwowej czuwa elektronika. Jest to konieczne w celu optymalizacji pracy silnika oraz uzyskania jak najniższych wartości emisji spalin.

Garb na dachu…

Jedną z wad gazu ziemnego jako paliwa jest fakt, że zajmuje on sporą objętość, dlatego konieczne jest jego sprężanie. Jednak nawet sprężony do ciśnienia 200 barów gaz ziemny i tak zajmuje 4 razy więcej przestrzeni niż olej napędowy o porównywalnej wartości energetycznej. Dlatego zbiorniki z gazem ziemnym w niskopodłogowych autobusach umieszcza się na dachu. W przypadku Citaro są to podłużne butle o pojemności 190 litrów każda. W autobusach solo montuje się pięć takich zbiorników (5 x 190 l = 950 l), a w autobusach przegubowych – maksymalnie 8 sztuk (8 x 190 l = 1 520 l). W przeciwieństwie do butli stalowych, używanych w poprzednich modelach, w Citaro zastosowano zbiorniki kompozytowe, wykonane z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami węglowymi, co sprawia, że są one znacznie lżejsze. Dzięki temu można było zwiększyć pojemność zbiorników o ok. 50% przy niezmienionej masie własnej. Pozwala to autobusom wyposażonym w tego typu zbiorniki osiągnąć zasięg odpowiadający dziennej eksploatacji pojazdu w warunkach komunikacji miejskiej.

Lokalizacja zbiorników z gazem na dachu ma kilka zalet. Po pierwsze, nie ograniczają one w ten sposób miejsca w przestrzeni pasażerskiej. Po drugie, jest to najbezpieczniejsze miejsce do montażu butli gazowych. Zbiorniki są tak zaprojektowane, aby mogły wytrzymać ciśnienie przekraczające 500 barów, co oznacza, iż posiadają one rezerwę wynoszącą 2,5 raza standardowego ciśnienia eksploatacyjnego. Gdyby jednak nawet pod wpływem czynników zewnętrznych zbiorniki rozszczelniły się, gaz będzie się ulatniał ku górze, bowiem jest lżejszy od powietrza. Dodatkowo, każdy zbiornik jest wyposażony w system bezpieczeństwa, na który składa się ręczny zawór odcinający, ogranicznik przepływu oraz wyłącznik, połączony z bezpiecznikiem wyposażonym w czujnik ciśnienia.

Gazowy Sprinter

Poza dużymi autobusami Citaro, od 1997 r. Mercedes-Benz oferuje także swój najmniejszy model, Sprinter, w wersji napędzanej gazem ziemnym (istnieje także wersja napędzana gazem propan-butan). Autobusy Sprinter są dostępne w kilku odmianach funkcjonalnych (Classic, Eco, Shuttle i niskopodłogowej NF) oraz pojemnościowych (od masy całkowitej 2,8 t – model 313 – do 6,3 t – model 616). Silniki gazowe montowane są tylko w niskopodłogowych modelach dla komunikacji miejskiej (414 NF i 616 NF). W tym przypadku, dostosowanie pojazdu do zasilania paliwem tego typu było nieco łatwiejsze, bowiem zamiast przekonstruowania jednostki dieslowskiej, modyfikacjom poddano dostępny w dostawczych wersjach Sprintera silnik benzynowy (o zapłonie iskrowym), co znacznie ograniczyło ich zakres. Jest to 4-cylindrowy silnik M111E-23, wykonany w technologii NGT (Technologia Gazu Ziemnego). Rozwija on moc 95 kW (129 KM) przy 5 400 obr./min., a maksymalny moment obrotowy wynosi 185 Nm w zakresie 3 300 – 4 500 obr./min. Są to wartości zupełnie wystarczające jak na autobus tej wielkości. Silnik umiejscowiono z przodu pojazdu, nad przednią osią, natomiast zbiorniki z gazem zlokalizowane są w tylnej części, pod tzw. tylną ławką, czyli ostatnim rzędem foteli. Nowoczesny układ sekwencyjnego wtrysku gazu zapewnia niski poziom zużycia paliwa oraz emisji spalin – pojazd spełnia nawet bardzo restrykcyjne wymogi normy Euro 3 dla samochodów grupy 1 (98/69/WE), czyli samochodów osobowych. Zasięg gazowego Sprintera wynosi 200 km. Dzięki napędowi na przednią oś, minibusy Sprinter NF charakteryzują się niskim przebiegiem podłogi w środkowej części przestrzeni pasażerskiej.

Podsumowanie

Wraz z pojawieniem się autobusów napędzanych gazem ziemnym, opracowana została technologia dostosowana do seryjnej produkcji tego typu napędów. Gaz ziemny pozostaje najbardziej ekologicznym dostępnym obecnie paliwem kopalnym, dzięki czemu pojazdy napędzane CNG wyznaczają nowe standardy w dziedzinie ochrony środowiska. Szacuje się, że na całym świecie jeździ prawie 1 milion samochodów osobowych i użytkowych napędzanych gazem ziemnym, jednak większość z nich posiada również możliwość spalania benzyny.

Niewykluczone, że w przyszłości autobusy gazowe będą wypierać konstrukcje z silnikami Diesla. Ocenia się bowiem, że dostosowanie jednostek wysokoprężnych do norm ostrzejszych niż Euro 5, będzie się wiązało z koniecznością wprowadzenia w nich daleko idących modyfikacji. Trzeba będzie je wyposażyć m.in. w bardzo drogie i skomplikowane układy wtórnego oczyszczania spalin, co prawdopodobnie będzie oznaczało znaczny wzrost ich masy. Jednak to, czy autobusy napędzane gazem ziemnym staną się realną alternatywą dla pojazdów z silnikami Diesla, zależy od kilku czynników. Przede wszystkim od tego, jak będą się kształtowały ceny obu rodzajów paliw, a także od polityki energetycznej poszczególnych państw i tempa rozwoju technologii ogniw paliwowych. Te ostatnie bowiem, w trudnej na razie do określenia przyszłości, prawdopodobnie całkowicie zastąpią silniki spalinowe.