Sympozjum BOSMAL - jak hybryda, to na CNG

fot. EmpaEmisja dwutlenku węgla w zależności od masy pojazdu i zastosowanego paliwa. CNG wypada znakomicie na tle benzyny i oleju napędowego

Jak się okazuje, postępujące „zaciskanie pasa” w kwestii emisji poszczególnych składników spalin, czyli zaostrzanie limitów zawartości tlenków azotu, cząstek stałych czy dwutlenku węgla w gazach wydechowych, to nie wszystko. Pracujący na co dzień w swych laboratoriach naukowcy identyfikują bowiem kolejne znajdujące się w spalinach substancje, których ilość powinna być kontrolowana. Zmieniają się także metody mierzenia dopuszczalnych granic zawartości poszczególnych czynników, aby wyniki stały się bardziej miarodajne i obrazowe. Pewnym problemem staje się również precyzyjny pomiar ilości spalin w pojazdach o wyjątkowo niskiej, bliskiej zeru emisji, ponieważ nawet gazy wzorcowe i powietrze zasysane do silnika odznaczają się minimalną zawartością cząstek, których stężenie ma zostać zmierzone.

Osobną kwestią pozostają rozbieżności w założeniach norm emisji stosowanych w różnych częściach świata oraz wyzwanie, jakie stanowi harmonizacja tych różnic. Wszelkie trendy wyznaczają tu Europa (dokładniej rzecz biorąc, kraje zrzeszone w UE), Stany Zjednoczone i Japonia, zaś reszta świata stara się nadążyć (w różnym tempie), przystosowując do swoich potrzeb wybrany spośród popularnych systemów. Motywem przewijającym się przez prezentacje wygłaszane w trakcie sympozjum były takie zmiany w przyszłości, które umożliwiałyby odejście od laboratoryjnych cyklów testowych na rzecz pomiarów w realnym świecie, co zniwelowałoby rozziew między wartościami zużycia paliwa podawanymi przez producenta a tymi osiąganymi przez ostatecznych użytkowników. Problem w tym, że także na drodze zachowania są różne w zależności od miejsca na mapie – w Japonii dominuje jazda miejska, do tego z reguły w korkach, w USA nie brakuje otwartych przestrzeni i dróg pozbawionych zakrętów przez długie kilometry (ale i surowych ograniczeń prędkości), w Europie mamy mieszankę jednego i drugiego plus sieć autostrad z wysokimi limitami szybkości. Czyżby zadanie miało okazać się niewykonalne? Na pewno nie, ale wymaga wiele pracy. Spotkania takie jak to w Bielsku z pewnością przybliżają moment uzyskania kompromisu w zakresie metodologii pomiarów spalania i emisji.

fot. EmpaSprężony gaz ziemny zostawia w pobitym polu benzynę i diesla, świetnie wypada także na tle hybryd

Co najistotniejsze z naszego, „gazeowego” punktu widzenia, nieco uwagi poświęcono również paliwom innym niż klasyczne, mianowicie naszym ulubionym LPG i CNG. David Mauke z ośrodka Empa – Szwajcarskich Federalnych Laboratoriów Materiałoznawstwa i Technologii – mówił o sprężonym gazie ziemnym i jego potencjale do obniżania emisji dwutlenku węgla przez pryzmat łączenia metanu z techniką hybrydową. Jak wynika z prelekcji, większe możliwości daje dziś tylko napęd wyłącznie elektryczny, a i to pod warunkiem uzyskiwania energii z czystych, odnawialnych źródeł. CNG pozostawia w pobitym polu nawet hybrydy benzynowo- lub dieslowsko-elektryczne, a jeżeli ma pochodzenie nie kopalne, lecz powstaje z biomasy, potrafi wykazać wręcz ujemny bilans emisji w ujęciu well-to-wheel! Metan powoduje mniejszą niż konwencjonalne paliwa emisję CO₂ (55 wobec 74 g/MJ uzyskanej energii) i NO_X, a przy tym pozwala na osiąganie wyższych stopni sprężania i zawiera więcej energii w jednostce masy. Praktycznie same zalety, wyzwaniem pozostaje jednak przechowywanie energii w hybrydzie na gaz ziemny, bowiem zarówno akumulatory, jak i zbiorniki są duże i ciężkie.

fot. EmpaZ technicznego punktu widzenia, hybrydę używającą po stronie spalinowej CNG łatwo zbudować, w praktyce problemem może okazać się masa i przestrzeń potrzebna na zbiorniki i akumulatory

Naukowcy Empa zbudowali pojazd testowy na bazie Volkswagena Polo, w którym sprawdzali i optymalizowali swoje pomysły jeszcze przed dojściem do etapu hybrydy CNG. Choć auto należy do poprzedniej generacji wolfsburskich maluchów, udało się relatywnie prostymi środkami (podniesienie stopnia sprężania, modyfikacje sterownika silnika) obniżyć zawartość CO₂ w spalinach o 30% oraz spełnić normy emisji Euro 4 i SULEV (amerykańską). To dobry punkt wyjścia do konstruowania hybrydy, w której nie tylko „dołożono” elektryczny zespół napędowy, ale również zoptymalizowano działanie silnika spalinowego. CNG jest wtryskiwane bezpośrednio do komór spalania, cykl termodynamiczny zoptymalizowano poprzez usunięcie przepustnicy z układu dolotowego, ponadto zaś zastosowano „inteligentne”, kontrolowane turbodoładowanie. Zadaniem komponentów elektrycznych jest natomiast odzyskiwanie energii kinetycznej podczas hamowania, dostarczanie dodatkowej mocy podczas ruszania i przyspieszania (odciąża się w ten sposób jednostkę tłokową, zmniejszając zużycie paliwa) oraz kompensowanie zjawiska turbodziury (niedoboru mocy i momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych, gdy sprężarka nie działa jeszcze wydajnie).

fot. EmpaPod względem emisji, zamiana benzyny na CNG opłaca się zawsze, niezależnie od warunków jazdy

Wszystko to ma oczywiście służyć zmniejszeniu negatywnego wpływu samochodu na środowisko, a więc czas powiedzieć, jakie efekty udało się uzyskać szwajcarskim naukowcom. Największe korzyści, jak to w przypadku hybryd z reguły bywa, odnotowano w jeździe miejskiej, gdzie hybrydyzacja i zastąpienie benzyny gazem ziemnym przyniosło spadek zużycia energii w porównaniu z klasycznym autem benzynowym o 36% (z 3,6 do 2,3 MJ/km) oraz redukcję emisji CO₂ aż o 52% (z 260 do 125 g/km). Najlepsze wyniki bezwzględne osiągnięto natomiast w warunkach jazdy pozamiejskiej, ale nie autostradowej. W trasie przebiegającej drogami krajowymi uzyskano spadek zapotrzebowania na energię o 16% (z 1,9 do 1,6 MJ/km), zaś emisję dwutlenku węgla udało się zbić do doskonałego poziomu 87 g/km (ze 138 g/km, czyli o 37%). Najmniej korzyści, co nie znaczy, że w ogóle mało, udało się osiągnąć podczas jazdy na autostradzie. Tak czy inaczej, idea łączenia napędu mieszanego z CNG wydaje się obiecująca. Prace naukowców ośrodka Empa wskazują zaś, że to tylko przystanek w drodze do wodorowej motoryzacji.