Witajcie ponownie

Ekologiczne autobusy

Do nie tak całkiem dawna nowe autobusy Mercedesa lub MANa na ulicach miast wzbudzały nieukrywany zachwyt. Powodowały również, iż wszystkie lokalne media wręcz „zabijały się” o lepsze zdjęcie, ciekawostki techniczne. Takim wydarzeniem na ulicach Krakowa w 1996 był jelcz 181MB. Linia 105, Prądnik Czerwony – Dworzec Główny. Pierwszy przegubowy autobus z fabryki w Jelczu Laskowicach z niską podłogą, niezawodnym silnikiem Mercedesa. To ,że był to silnik z agregatu prądotwórczego a autobus ledwo co przejeździł pierwszy dzień, kończąc z księgą usterek i rzeczy to poprawy, to już historia nieznana. Popularny odkurzacz – przydomek powstał z powodu zastosowania chłodnicy powietrza na tylnym zwisie z prawej strony. Przy każdym ruszeniu strumień powietrza wznosił wszystkie luźne elementy w górę.

Co to ma wspólnego z autobusami ekologicznymi?

Otóż ma bardzo wiele. To główny powód dla którego zamiast Jelcza nie był to MAN lub Mercedes 405. Cena zakupu oraz koszty utrzymania. W dzisiejszych realiach przy pomocy środków unijnych (do których i tak niezbędny jest wkład własny) co dla mniejszych miast nadal stanowi problem, sam zakup staje się dużo bardziej dostępny. Lecz właśnie tutaj pojawia się słynne Polskie powiedzenie. Nie sztuka kupić, lecz później to utrzymać!

Kilometry czy roboczogodziny?

Jesteśmy przyzwyczajeni do określania stanu pojazdu oraz np. konieczności wykonania obsługi technicznej na podstawie wskazań kilometrowych licznika. Niestety kilometry swoje, ale w transporcie miejskim większe znaczenie mają roboczogodziny pracy. Mało kto zwraca uwagę, iż autobus miejski większość swojego czasu pracy spędza na wolnych obrotach.

• średnia prędkość w mieście na poziomie 13/14 km/h,
• liczne zatrzymania – światła, przystanki,
• kongestia.

Ruch miejski determinuje długotrwałą pracę jednostki napędowej na wolnych obrotach. W tym czasie silnik oraz osprzęt ( między innymi czujniki NOX, układ oczyszczania z filtrami, ad blue podgrzewane płynem) często nie pracują w optymalnych warunkach, głównie temperaturowych.

• niedogrzany silnik – duża sprawność silnika=mała strata ciepła. Konsekwencją staje się konieczność stosowania pieca ogrzewania dodatkowego, który wyłącza się przy 75 stopniach. Przykładowe koszty to średnio 25-30 litrów ON na zmianę 10h w przypadku autobusu przegubowego gdy temperatura zewnętrzna to ok. -8 stopni.
• dużo odbiorników ciepła – odbierających ciepło z płynu chłodzącego do ogrzania wnętrza zgodnie z wymaganiami zarządów transportu i preferencjami kierowcy,
• zapewnienie odpowiedniej temperatury dla systemu oczyszczania spalin – w zbyt niskiej temperaturze dochodzi między innymi do: odkładania się sadzy w układzie wydechowym (oblepia rury, blokowany jest zawór EGR, ulegają zatkaniu kanały ssące głowicy) przez co niemożliwa jest recyrkulacja spalin i dopalanie szkodliwych cząstek zgodnie z normą Euro 6. Gdy dojdzie do znacznego zanieczyszczenia sadzą kanałów ssących, nie będzie możliwa regeneracja filtra cząstek stałych. Konieczne stanie się zdemontowanie całej „góry silnika” wraz z regeneracją głowicy. Koszt ok. 10-12 tys. zł. Jest to składowa bardzo trudnych warunków eksploatacji, możliwych awarii wtryskiwaczy paliwa oraz samej jakości stosowanego paliwa. Tak czy siak, już przy przebiegu ok. 500 000 czyli  ok. 20 000 rbh. można liczyć się z tego typu wydatkami. No chyba ,że zakładamy, iż odcinamy układ oczyszczania spalin i dalej eksploatujemy pojazd…

500 000 km. przebiegu = 1 500 000 km.

Analizując wskazania diagnostyki silników w autobusach miejskich po przebiegu ok. 500 tys. km. stwierdzicie, iż realny przebieg jednostek napędowych to nawet ponad 1,5 mln. km. Czemu więc dziwicie się ,iż po takim przebiegu koniecznym staje się zaglądnięcie do takiego silnika?

• pojawiające się  nadmierne nieszczelności na pierścieniach tłokowych, zbyt luźne pierścienie,
• przedmuchy spalin na głowicy poprzez uszczelkę lub uszkodzenie samej głowicy, przedostawanie się kompresji do płynu chłodniczego, czy obecność płynu chłodniczego w separatorze oleju,
• widoczne po demontażu górny silnika, braki w honowaniu na tulejach cylindrów,
• wycieki oleju z uszczelnień silnika, poprzez wzrost ciśnienia w bloku w wyniku zatkanej odmy.

Tłok ( np: Cummins Diesiel aluminiowy, CNG – stalowy)

Nie mówmy więc, że silniki i osprzęt są słabej jakości. Tylko odpowiedzmy sobie sami na pytania, które wynikają bezpośrednio z naszych działań.

• jakiego oleju używamy – biorąc pod uwagę ,iż producenci często wydłużają interwały wymiany, zobaczmy w jakim jest stanie spuszczany olej po 30,50,60 tys. km. Czy używany przez nas olej zostawia dużo stałych frakcji, odkładających się w układzie. Stosowany przez nas olej może być na szerokiej liście dopuszczonych przez producenta, lecz to nie znaczy ,że jeśli kosztuje 12 zł/l jest taki sam jak ten za 20. Nie bez powodu Iveco w swoich silnikach E6 bez filtra DPF stosuje olej nisko-pyłowy. Różnice między olejami pojawiają się już na etapie bazy olejowej.
• jak wykonujemy założone obsługi techniczne, czy są zgodne z instrukcją producenta, czy polega tylko na „odfajkowaniu” punktów na liście. Pytanie czy robimy je na czas, czy każda kolejna jest okazją do kolejnego przekroczenia o 5 a może 10 tysięcy. Oczywiście niech każdy także sam sobie odpowie, jakiej jakości części używa. Oczywiście nikt nie każe by na opakowaniu filtra był znaczek MB, gdy producentem na 1 montaż jest ten sam producent i taką część możemy kupić 20-30% taniej bez utraty jakości.
• czy obsługa techniczna to tylko wymiana filtrów i oleju, czy też diagnostyka, przejrzenie pojazdu pod kątem np. wycieków, profilaktyka jak na przykład: czyszczenie elementów układu oczyszczania spalin: EGR, opcjonalnie grzałka powietrza doładowanego, katalizatora z odkładającego się roztworu mocznika.

Złota zasada którą wyznaje to

Zrób obsługę tak by autobus był na warsztacie tylko na OT. Lepiej zrobić auto na warsztacie niż na mieście, gdy na głowę pada deszcz, a obok jadą 70 km/h samochody.

Po co norma spalin?

W procesie spalania całkowitego, węglowodory w paliwie reagują z tlenem, czego efektem jest CO2 i woda. Azot i gazy obojętne nie uczestniczą w reakcji. Oznacza to, iż w gazach spalinowych znajdą się tlen, dwutlenek węgla, woda i gazy obojętne. W praktyce jednak nie występuje spalanie całkowite i azot oraz siarka ulegają reakcji, tworząc szkodliwe związki takie jak tlenek węgla CO, tlenki azotu NOx, niedopalone węglowodory HC, cząstki stałe i siarkowodór (H2S). Tlenki azotu są szczególnie szkodliwe dla ludzkiego zdrowia i mogą prowadzić do chorób płuc.
Ich emisje są ściśle limitowane normami emisji spalin, co wymusza odpowiednie skonstruowanie układów
oczyszczania spalin.

Norma spalin Euro 6, oraz ewolucja w Euro 6D

Jeśli chcesz dowiedzieć się, jakie zmiany w ograniczeniu emisji NOX, cząstek stałych czy tlenków węgla przyniosła norma Euro 6, to skorzystaj z wyszukiwarki. Znajdziesz tam multum informacji, gdyż wprowadzenie tej normy odbyło się przy głośnym akompaniamencie. Ja postaram się skupić na tym, w jaki sposób to osiągnięto i z czym to się realnie wiąże w samym pojeździe.

Dziś zupełnym standardem jest norma spalin Euro 6. W autobusach miejskich w celu zapewniania klasy emisji, poczyniono wiele zmian konstrukcyjnych. Niezbędne jest między innymi zastosowanie: Ad Blue, katalizatora, filtra DPF, zaworu EGR. Oprócz części mechanicznych, istotny wpływ ma także oprogramowanie sterownika silnika. To właśnie dzięki niemu udało się przejść od normy Euro 6 do Euro 6d (obowiązuje od 1.01.2019).

Teraz postaram się wam scharakteryzować poszczególne elementy układu, wymieniając typowe awarie i koszty z tym związane.

Zespół oczyszczania, ze zdemontowanym filtrem DPF

Pierwszy filtr – filtr DOC.

Znany już z wcześniejszych silników Euro 5, pospolity katalizator oksydacyjny. Zadaniem jego jest neutralizacja związków tlenku węgla oraz węglowodorów. Tlenek węgla, czyli czad ma właściwości toksyczne, ponadto wraz z węglowodorami może tworzyć równie toksyczne aldehydy. To właśnie aldehydy są odpowiedzialne, za charakterystyczny nieprzyjemny zapach spalin powstałych w wyniku pracy silnika o zapłonie samoczynnym. DOC budową przypomina trój-funkcyjny reaktor katalityczny znany z samochodów osobowych . A więc mamy szczelną metalową obudowę, wewnątrz której znajduje się ceramiczny wkład z licznymi kanalikami pokrytymi związkami platyny. Opór stawiany przez DOC jest znacznie mniejszy niż w przypadku filtra DPF bowiem kanaliki są znacznie krótsze, mają większą średnicę i nie są zaślepione.

Oksydacja, czyli utlenianie jest możliwe z dwóch powodów. Po pierwsze, dzięki obecności platyny, która znacznie obniża wymaganą temperaturę całego procesu, początek utleniania zaczyna się już od 200^oC, aby przy około 550-600^oC osiągnąć niemal 90% skuteczności w przypadku CO i niektórych węglowodorów (HC). Po drugie, dzięki obecności dużych ilości tlenu w spalinach silnika.

Filtr DOC

Podczas stacjonarnej regeneracji filtra, na katalizatorze DOC występuje temperatura ok. 450-500 stopni.

Ewentualne uszkodzenia:

• przedostanie się płynu chłodzącego do układu np. poprzez nieszczelną głowicę lub uszczelkę – zaklejenie kanalików oraz pęknięcia struktury,
• zwiększenie ciśnienia w układzie spalin – wypchanie wkładu filtra,
• koszt wymiany DOC w przypadku np. silnika Cummins to ok. 7 tys. zł.

Kolejny filtr – DPF 

Cylindryczna obudowa wraz z wkładem zbudowanym na kształt plastra miodu. Od wewnątrz zabezpieczony po okręgu matą termiczną, która także dodatkowo tłumi wibracje pojazdu. W porównaniu do katalizatora DOC, posiada on zaślepione kanały które wymuszają przepływ spalin i lepszą filtracje (odkładanie się cząstek stałych). Ponieważ średnica cząsteczek zanieczyszczeń jest zazwyczaj większa niż 0,09 mikrometra, porowata struktura pokryta węglikiem krzemu, wyłapuje je niemal w 100%. Dodatkowo ściany kanalików filtra, ich struktura uzupełniona jest o cząsteczki o katalitycznych właściwościach – tlenku glinu, tlenku ceru i platyny. Mają one za zadanie związać i przereagować jak najwięcej związków tlenku azotu, węglowodorów oraz metali. Stopień konwersji jest niewielki, jednak należy nadmienić, że nie jest to główne zadanie filtrów. Najważniejsze jest akumulowanie i dopalanie sadzy(która przekształca się w popiół) pochodzącej ze spalin.

Układ przepływu powietrza. Ślepe kanały i filtrowanie zanieczyszczeń

Filtr DPF

Schemat oczyszczania szkodliwych cząstek w DOC + DPF

Eksploatacja filtra DPF

Tyle słowem wstępu. W przypadku filtra DOC/FAP, tak samo jak w samochodach osobowych jest on właściwie bez obsługowy. Nie można tego powiedzieć o filtrze DPF. Ulokowane na wejściu i wyjściu czujniki ciśnienia stale monitorują przepływ spalin. Wartość ciśnienia różnicowego określa stopień zabrudzenia filtra mierzony w mbar. Wartość różnicy decyduje także o tym jakie dopalanie filtra zostanie wdrożone. Aktywne czy pasywne. W każdym z tych przypadków potrzebna jest dodatkowa dawka paliwa. Dozowana jest ona w silnikach o większej pojemności skokowej (np. 10,7 MB, L9 Cummins) za pomocą osobnego wtryskiwacza. Zaletą tego rozwiązania jest nie obciążanie dodatkowo wtryskiwaczy paliwa, które muszą znosić podwyższone do nawet 2200 barów ciśnienie wtrysku.

Serwis filtra DPF

Mercedes przewiduje wymianę filtra DPF po przebiegu 120 000 km. Jest to wartość optymalna i przy założeniu stosowania fabrycznej regeneracji (w sieci Evobus) jest to gwarancja sukcesu. Numery filtrów są wprowadzane do systemu, a ich obieg jest ściśle ewidencjonowany. W ten sposób otrzymujemy tylko filtry sprawdzone przez producenta pojazdów. Niektórzy producenci jak Cummins, stosują zasady przeliczania wartości kilometrowej na roboczo godziny. Przy średniej prędkości ok 13-14 km/h i rocznych przebiegach ok. 70-80 tys.  maksymalny okres użytkowania wynosi 1,5 roku i wspomniane 120 tys. km.

Szkoły regeneracji filtra

Są różne szkoły regeneracji filtrów cząstek stałych. Niezależnie czy regenerujecie je:

• palnikiem acetylenowym i wydmuchacie powietrzem – spowoduje to przepalenie struktury, spękanie kanalików oraz tylko powierzchowne usunięcie zabrudzeń,
• poddacie płukaniu chemicznemu – usunięcie zanieczyszczeń stałych i osadzonych na powierzchniach,
• skorzystacie z fabrycznej regeneracji lub wyspecjalizowanego zakładu który posiada piec do wypalenia – w ten sposób otrzymujemy informacje o wadze usuniętych zanieczyszczeń i możemy zbadać wartości ciśnienia przepływu spalin powietrza.

Pamiętajcie, iż koszt nowego filtra to ok. 5 tys zł, w autobusach przegubowych pomnóżmy to x2 sztuki. Doliczmy do tego koszty:

• paliwa na aktywną regenerację, podwyższone obroty przez ok. 1 h,
• zjazdy awaryjne pojazdu gdy zredukuje moc i uniemożliwi jazdę, straty kursów, kilometry zjazdowe,
• czujników które uszkodzą się w wyniku zwarcia,
• późniejsze koszty regeneracji silnika gdy dojdzie do zatkania sadzą.

Wtedy przekalkulujmy co nam się bardziej opłaca. Mówienie, iż pojazdy na M, S lub A są wadliwe i co chwilę świecą się błędy, czy to nie aby po części nasza zasługa i poziomu utrzymania?

SCR, ad-blue/DEF, dexotronic

To już ostatni ważny elementu układu oczyszczania spalin. Dowiadujemy się najczęściej o jej praktycznym istnieniu wtedy gdy:

• mamy złą jakość ad blue (nazwa na Europę) DEF (nawa w Ameryce Północnej),
• uszkodzona jest pompa ad blue – np. w związku z przereagowaniem silnie aktywnego ad-blue w połączeniu z aluminiowym korpusem – koszt regeneracji ok. 2000 zł lub jej mechanicznym uszkodzeniu – system bosh (wymiana na nową za ok. 3 tys. zł)
• uszkodzeniu uległ wtrysk do układu wydechowego – zamiast rozpylania mgły, mamy stały strumień który ulega krystalizacji wewnątrz katalizatora.

SCR – zasada działania

W katalizatorze SCR następuje redukcja tlenków azotu do czystego azotu (N2). W tym celu wykorzystywany jest amoniak (NH3), który powstaje w wyniku wtrysku wodnego roztworu mocznika AdBlue (32,5% mocznik,
64,5% woda).

To już prawie tyle jeśli chodzi o układ oczyszczania spalin

Jeszcze tylko parę czujników:

• czujnik tlenków azotu (NOx) za i przed SCR ,
• temperatury spalin przed i za DOC
• ciśnienia spalin przed i za DPF
• temperatury spalin za DPF
• temperatury spalin za SCR

Czy czujniki to tylko same wartości?

Czujnik tlenków azotu (NOx) działa na zasadzie tak zwanego przewodnika jonów tlenu, według której działa również szerokopasmowa sonda lambda(szerokopasmowość jest determinowana przez silnik diesla). Czujnik składa się z dwóch komór przedzielonych ceramiczną powierzchnią z dodatkiem platyny(ta sama która obecna jest w filtrze DPF) – utlenia ona śladowe ilości węglowodorów, tlenku węgla oraz wodoru zawartych w spalinach, które wnikają do wnętrza czujnika. Dzięki temu do drugiej komory docierają jedynie tlenki azotu NOx. Są one za pomocą kolejnej elektrody rozkładane na NO oraz 02. Wolne jony tleny są finalnie eliminowane prawie do zera.

Czujnik oblicza zawartość tlenków azotu w spalinach, na zasadzie niezbędnego napięcia (napięcie Nernsta) generowanego na powierzchni ceramicznej, do eliminacji tlenu(jonów tlenu) ze związków azotu, które przenikają do wnętrza sondy.

Właśnie dlatego sondy NOx posiadają wewnętrzną grzałkę, która prowadzi do jak najszybszego rozgrzania czujnika do temperatury ok. 800 stopni. W ten sposób możliwe jest osiągnięcie wysokiej sprawności w badaniu zawartości tlenów azotu w spalinach. Przekłada się to na czas w którym po uruchomieniu zimnego sinika spaliny osiągną zakładana normę Euro 6.

W Euro 5 to się nie działo

Nie można w żaden sposób porównywać tych pojazdów. Norma Euro 6 sprawiła, iż pojazdy miejskie mają granicznie trudne warunki eksploatacji. Silniki oraz ich osprzęt eksploatowany w dużych miastach jest skrajnie wysilony. Nie można porównać układu wydechowego przy normie Euro 5, który natrafiał jedynie na katalizator SCR wraz z ad-blue. Zakłócenie obiegu spalin, opór generowany przez 3 fazy filtrowania (DOC, DPF, SCR) przy jednoczesnym działaniu recyrkulacji spalin oraz ciągłej walce o dogrzanie tego „towarzystwa”.

• Regeneracja filtra która kosztuje 1500 zł za sztukę – w zależności od przebiegu,
• czujnik NOx kosztujący 1700 zł – te newralgiczne w całości do wymiany w ciągu max. 3-4 lat,
• EGR za 3000 zł – jeśli z cewką na zaworze – w całości do 3 roku,
• wtryskiwacze paliwa – w kwocie jw,
• ………. i wiele wiele innych.
• by na końcu wymienić mniejsze, większe lub całościowe remonty silników w wyniku zużycia, niewłaściwej eksploatacji, awarii  itp.

Norma Euro 6 – TAK! Do miasta – NIE!

Trzeba realnie to powiedzieć. Norma Euro 6 wygląda pięknie tylko na papierze. W realnym świecie pojazdów użytkowych jakimi są autobusy, doprowadziły do wywindowania budżetu na serwisowanie pojazdów względem normy Euro 5 o 50-60% w górę! Także inne koszty składowe poszybowały w górę, jak zużycie paliwa pojazdów o co najmniej 8-10% w górę.

Jaki kierunek?

Dlatego jedynym słusznym kierunkiem w rozwoju środków transportu do miast są:

1. Autobusy gazowe – zapewniające najlepszą wartość TCO w długoletniej eksploatacji. Także dopiero przy porównaniu realnych kosztów i wpływu na środowisko pojazdów z normą Euro 6! Nie na papierze, nie w idealnych warunkach pomiarowych. Jako element stosunkowo łatwego, szybkiego i nisko kosztowego sposobu wymiany floty. 
2. Autobusy elektryczne – (pomijając obecnie newralgiczny problem baterii który wraz z popularyzacją pojazdów i rozwojem techniki ulegnie rozwiązaniu) – docelowo wodorowe (zapewniające dostępność w realizacji zadań równą pojazdom z dieslem). Jako element planu długoletniej wymiany floty w kontekście kosztów niezbędnych do wprowadzenia i realizacji przewozów takimi pojazdami.

Coś optymistycznego na koniec

Piękny film pokazujący naprawę silnika z pojazdu, który przyjechał do serwisu na własnych kołach…