Silniki CNG (3): MAN Nutzfahrzeuge

W porównaniu z IVECO Motors, o której to firmie pisaliśmy poprzednio – rozpiętość oferty silników gazowych MAN Nutzfahrzeuge nie wydaje się zbyt szeroka. Nie oznacza to jednak, że niemiecki producent zaniedbuje ten segmentu rynku komponentów. Przeciwnie – przez ostatnie lata MAN był liderem w technologii silników z zasilaniem gazowym i jest jednym z głównych popularyzatorów tego typu napędu w Niemczech. Mimo rosnącej konkurencji na rynku – nieprędko się to zmieni. Świadczy o tym m.in. fakt, że MAN jako pierwszy wprowadził na rynek w 2001 r. autobusy gazowe, z silnikami spełniającymi normy EEV i dziś posiada praktycznie pełną paletę autobusów miejskich spełniających te wymogi. Łącznie na świecie jeździ dziś ponad 2 500 pojazdów wyposażonych w silniki MAN zasilane gazem ziemnym – głównie w autobusach MAN oraz zbudowanych na podwoziach MAN, ale w także w samochodach komunalnych. To świadczy o ogromnym doświadczeniu niemieckiego koncernu.

Powrót do historii

Pierwsze próby zastosowania paliw gazowych w pojazdach MAN podjął w latach 40. ubiegłego wieku, kiedy to ze względu na trwającą wojnę, olej napędowy był reglamentowany. Powstały wtedy ciężarówki i autobusy zasilane tzw. gazem miejskim, składającym się z wodoru, metanu i tlenku węgla. Paliwo to było jednak dość niebezpieczne i po II Wojnie Światowej zrezygnowano z dalszych badań nad nim. Pomysł zasilania autobusów gazem ziemnym pojawił się w latach 70., kiedy to zbudowano dla przygotowującego się do organizacji Igrzysk Olimpijskich Monachium autobusy SL200, zasilane ciekłym gazem ziemnym (LNG). Początki obecnej generacji silników gazowych MAN sięgają wczesnych lat 90., kiedy to Niemieckie Ministerstwo Środowiska wdrożyło projekt dofinansowania inwestycji w ekologiczny tabor z zasilaniem gazowym. MAN jako jeden z pierwszych odpowiedział na zapotrzebowanie na tego typu konstrukcje, które pojawiło się wraz z ogłoszeniem programu. Na przystosowanie do spalania gazu ziemnego wybrano sprawdzoną, 12-litrową jednostkę wysokoprężną D2866, która po odpowiednich zmianach otrzymała oznaczenie E2866, gdzie E oznacza ” E rdgas”, czyli właśnie gaz ziemny. Dzisiejsza oferta silników gazowych MAN obejmuje właśnie tę jednostkę, która przeszła już kilka modyfikacji, a także najnowszy silnik E2876 o pojemności 12,8 litra.

Silnik E2866 – najdłuższy stażem

Silniki gazowe MAN E2866 są oferowane w dwóch wersjach – wolnossącej, wyposażonej w trójdrożny katalizator, przystosowanej do spalania mieszanki stechiometrycznej (współczynnik ?=1) oraz turbodoładowanej z chłodnicą powietrza doładowującego, przystosowanej do spalania ubogiej mieszanki (współczynnik ?=1,7). Tę drugą wersję wyposaża się w katalizator utleniający. Co ciekawe, jednostki wolnossące oferowane są zarówno w wersji pionowej, jak i poziomej, natomiast jednostki doładowane posiadają wyłącznie odmianę poziomą. Jednak w autobusach niskopodłogowych stosowane są wyłącznie gazowe silniki leżące. Konieczność skonstruowania jednostki turbodoładowanej pojawiła się wraz z potrzebą budowy autobusów trzyosiowych i przegubowych z napędem gazowym. Jak się bowiem okazało, możliwości zwiększania mocy silnika wolnossącego są bardzo ograniczone.

Tabela 1: Silniki gazowe MAN serii 2866

Silnik E2866 to 6-cylindrowa, rzędowa jednostka o pojemności skokowej blisko 12 litrów, pracująca w tzw. cyklu Otto (zapłon iskrowy). Silnik ten dostępny jest w 3 wariantach mocy: 242, 245 i 310 KM, przy czym dwie pierwsze odmiany są wolnossące, a trzecia – najmocniejsza – wyposażona jest w turbodoładowanie. Wolnossąca odmiana silnika E2866 jest obecnie najpopularniejszym silnikiem z zasilaniem gazowym w ofercie MANa. Napędza on m.in. autobusy NL243 CNG jeżdżące we Frankfurcie nad Odrą, czy rzeszowskie Jelcze M125M/4 Vecto CNG. Warto zaznaczyć, iż niektóre wersje tego silnika E2866 (DOH03 i DOH04) spełniają najsurowsze znane dziś w Europie normy emisji spalin EEV.

Mimo, że rynek autobusów zasilanych gazem płynnym propan-butan (LPG) nie jest tak duży, jak pojazdów z napędem sprężonym gazem ziemnym, MAN posiada w swojej ofercie i taką jednostkę. Nosi ona oznaczenie G2866 (G jak Flüssig G as, czyli gaz płynny). Oferta ta jest jednak skromniejsza i ogranicza się do dwóch jednostek wolnossących o mocy – odpowiednio – 238 lub 245 KM. Autobusy MAN wyposażone w te jednostki można spotkać m.in. w Czechach (ČSAD Most).

Najmłodsze dziecko MAN`a – silnik E2876

Drugą jednostką, oferowaną przez MAN jest wprowadzony niedawno większy silnik E2876, o pojemności 12,8 litra. Obecnie dostępny jest tylko w jednym zakresie mocy, wynoszącym 310 KM. Jest to bardzo nowoczesna, turbodoładowana jednostka, wyposażona w układ który pozwala silnikowi na pracę – w zależności od warunków – albo na mieszance stechiometrycznej, albo ubogiej. Dzięki temu, udało się połączyć zalety obu rozwiązań, czyli bardzo niską emisję spalin i niski poziom zużycia paliwa. W normalnym trybie, silnik pracuje na mieszance powietrzno-gazowej w stosunku 21-23:1. Jednak kiedy elektronika sterująca wysyła sygnał o zbliżaniu się do granicznej zawartości metanu, ilość gazu w mieszance zostaje automatycznie zwiększona do wartości stechiometrycznej (stosunek powietrza do gazu 17,3:1). Elektronika może być tak skonfigurowana, aby spełnić wymogi normy Euro 5 (limit emisji metanu w spalinach – 1,6 g/kWh) lub EEV (0,65 g/kWh), przy czym w tym pierwszym wypadku jednostka osiąga niższy poziom zużycia gazu. Jednostkę E2876 możemy spotkać m.in. w testowanych obecnie w polskich miastach autobusach MAN NL313-15 CNG oraz Solaris Urbino 15 CNG. Silnik E2876, który wyposażany jest w trójdrożny katalizator, ma docelowo całkowicie zastąpić doładowaną wersję jednostki E2866.

Tabela 2: Silniki gazowe MAN serii 2876

Podobnie jak mniejszy silnik E2866, tak i jednostka E2876 posiada również odmianę przystosowaną do spalania gazu płynnego LPG. Ma ona nieco mniejszą moc (272 KM) i moment obrotowy (1025 Nm).

Silniki MAN w technologii HPDI

Na tym jednak nie koniec. MAN, jako firma posiadająca duże doświadczenie w opracowywaniu silników zasilanych paliwami gazowymi, znakomicie zdaje sobie sprawę z problemów, na jakie napotykają inżynierzy przy ich tworzeniu. Należy do nich np. niski stopień sprężania, co powoduje ograniczenie momentu obrotowego i niewielki margines dla poprawy osiągów silnika w stosunku do jego wersji wysokoprężnej. Dlatego, MAN zdecydował się podjąć współpracę z kanadyjską firmą Westport Innovations, która opracowuje także silniki gazowe wspólnie z Cumminsem. Jej owocem jest 12-litrowy silnik MAN, działający w oparciu o rozwiązanie znane jako „Westport Cycle”, albo układ HPDI (high-pressure direct injection – wysokociśnieniowy wtrysk bezpośredni). Jest to unikalna technologia opracowana przez Westport, która umożliwia spalanie gazu ziemnego bez potrzeby stosowania zapłonu iskrowego. Uzyskuje się to poprzez wtrysk niewielkiej ilości oleju napędowego (ok. 5% zasysanego paliwa) jako „pilotowej” dawki, mającej uruchomić proces spalania. Gaz jest więc wtryskiwany nie do kolektora ssącego, ale bezpośrednio do komory spalania poprzez opatentowany przez Westport, dwufunkcyjny wtryskiwacz. Rozwiązanie to pozwala silnikom gazowym zachować niektóre, bardzo ważne zalety silnika typu Diesel, jak wysoki moment obrotowy czy większe możliwości regulacji mocy. Jednocześnie, silnik nadal jest bardzo czysty ekologicznie (choć z pewnością nie w takim stopniu, jak jednostki pracujące wyłącznie na gazie ziemnym) oraz cichszy od silnika wysokoprężnego. Prototypy tych silników są obecnie intensywnie testowane i jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, produkcyjna wersja nowego silnika powinna pojawić się jeszcze w tym roku.

Podsumowanie

Jak więc widać – MAN stara się aktywnie podtrzymać swoją pozycję lidera w dziedzinie gazowych układów napędowych i cały czas jest w pierwszym szeregu technologicznej awangardy. Strategia niemieckiego producenta nie polega jednak na rozszerzaniu oferty o kolejne odmiany pojemnościowe silników gazowych – choć i w tym kierunku zrobiono pewien krok – ale głównie na ciągłej pracy nad nowymi rozwiązaniami, które spowodują, że zwiększy się elastyczność konstrukcyjna silników gazowych i tym samym staną się one rzeczywistą alternatywą dla wysokoprężnych – przynajmniej w niektórych zastosowaniach. Wszystko wskazuje więc na to, że MAN – mimo rosnącej konkurencji na rynku napędów gazowych – nadal pozostanie technologicznym liderem w tej branży.

Źródła:

Dane producenta (MAN Nutzfahrzeuge, MAN Star Trucks & Busses)

Z. Rusak „Doświadczenia związane z eksploatacją autobusów miejskich MAN zasilanych gazem ziemnym”. Autobusy-TEST …

AWKnowledge – Research and Analysis for the Automotive Industry ( http://www.awknowledge.com )