W zeszłym roku na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej odbył się pokaz, na którym
zaprezentowano przyszłościowe pojazdy – najnowsze osiągnięcia techniczne koncernu Fiat w zakresie czystych napędów.

Fiat jest znany z tego typu opracowań od wielu lat. Jego oferta w zakresie napędów metanowych jest jedną z największych na rynku i obejmuje cztery modele. Są to: Punto, Multipla, Doblo i Ducato. Jest ona wynikiem współpracy z firmą Tartarini – producentem gazowych układów, dzięki której opracowano system zasilania gazem ziemnym. Obecnie opracowaniem aplikacji tego systemu do fabrycznego montażu dla producentów samochodów zajmuje się firma Metatron, która wydzieliła się ze struktury Tartarini. Firma ta pracuje także dla Forda, Iveco i wielu innych producentów. Podczas pokazu zaprezentowano cztery pojazdy koncernu, z czego dwa (Doblo i Punto) to pojazdy seryjne. Oprócz tego pokazano także hybrydową Multiplę, wykonaną na bazie seryjnego Blupowera i Seicento, które są pojazdami typowo badawczymi zasilanymi ogniwem paliwowym.

Fiat Punto jest jednym z dwóch osobowych modeli Fiata (obok Multipli) oferowanych w wersji metanowej.

Założeniem przy projektowaniu Fiata Multipli była możliwość wykorzystywania w nim paliw alternatywnych lub układów hybrydowych. Podwójna podłoga, która daje przestrzeń do umieszczenia butli z paliwem gazowym, akumulatorów w przypadku napędu hybrydowego lub innych zespołów wykorzystywanych przy niekonwencjonalnym zasilaniu silnika, nie ogranicza funkcjonalności nadwozia, nadając mu specyficzny wygląd. Prezentowany pojazd został zbudowany na bazie Multipli Blupower i wyposażony w hybrydowy układ napędowy. Składa się on z silnika spalinowego oraz silnika elektrycznego oraz układów sterujących ich pracą. Silnik z zapłonem iskrowym jest zasilany metanem przez układ wtryskowy Metafuel. Jednostka napędowa osiąga moc 68 kW (92 KM) przy 5750 obr./min. W klasycznym wydaniu przy zasilaniu benzyną jednostka ta ma moc 76 kW (103 KM). Maksymalny moment obrotowy wynosi odpowiednio 130 Nm przy 4000 obr./min. przy zasilaniu metanem i 145 Nm w wersji benzynowej. Wymiary główne silnika wynoszą S/D = 67,4/86,4, co przy 4 cylindrach daje pojemność 1581 cm3. Matanowy układ zasilania korzysta z butli umieszczonych w podwójnej podłodze, w których magazynuje się sprężony do 20 MPa gaz ziemny. Butle są wykonane ze specjalnej wysokowytrzymałej stali. Są one poddawane u producenta próbom hydraulicznym przy ciśnieniu 30 MPa.

Do napędu Fiata Punto wykorzystuje się najbardziej popularny na naszym rynku 8 – zaworowy silnik 1,2, który także jest zasilany przez układ Metafuel.

Każda z nich jest legalizowana, a terminy upływu badań są umieszczone na tabliczce na wewnętrznej stronie pokrywy wlewu paliwa. Jest to informacja dla stacji napełniania, która nie może napełniać butli po upłynięciu okresu ich legalizacji. Każda z umieszczonych w samochodzie butli jest wyposażona w zespolony zawór, który spełnia kilka funkcji:
n Elektrozawór odcinający dopływ metanu – otwiera się gdy na cewce pojawia się napięcie, czyli w momencie uruchamiania silnika. Główną jego funkcją jest sterowanie wypływem metanu z butli w czasie gdy silnik pracuje i odcinanie, gdy silnik jest unieruchomiony. W przypadku gdy silnik przestaje pracować bez woli kierowcy, a zapłon jest włączony, np. wypadek drogowy, zawory także się zamykają, bo brak jest impulsu z pracującej cewki zapłonowej silnika. Ponadto przewód masowy jest podłączony do zaworu przez wyłącznik bezwładnościowy, który przy zadziałaniu określonego opóźnienia przerywa obwód elektryczny, a tym samym zamyka wypływ gazu z butli.
- Zawór ręczny blokujący wypływ metanu. Jest on wykorzystywany przy pracach serwisowych i pozwala na zamknięcie wypływu gazu z butli bądź jego dopływu od złącza tankowania.
- Zawór zwrotny nie pozwalający na cofnięcie się gazu do złącza tankowania. Aby zwiększyć bezpieczeństwo drugi taki zawór jest montowany w złączu tankowania.
- Bezpiecznik termiczny otwierający awaryjny wypływ gazu z butli w przypadku wzrostu temperatury powyżej 110oC – aby zapobiec eksplozji, np. w czasie pożaru samochodu.
- Ogranicznik wypływu, który ogranicza wypływ z butli w przypadku uszkodzenia przewodu zasilającego pod samochodem. Jest on umieszczony w zespole zaworów w części wkręconej w butlę, zatem znajduje się w miejscu umożliwiającym jego działanie nawet w przypadku uszkodzenia zewnętrznej części zaworu zespolonego.

W komorze silnikowej widoczne jest ogniwo paliwowe oraz układ, który dostarcza do niego powietrze. Do pomiaru jego ilości wykorzystano znany z silników JTD przepływomierz.

Za pośrednictwem zespołu zaworów przez przewód wysokociśnieniowy (zasilający) gaz trafia do komory silnikowej, w której jest umieszczony regulator ciśnienia. Składa się on z dwustopniowego reduktora, elektrozaworu odcinającego i czujnika ciśnienia metanu. Reduktor obniża ciśnienie gazu z panującego w butlach (20 MPa) do ciśnienia niezbędnego do zasilania wtryskiwaczy metanu (0,9 MPa). Pierwszy stopień redukcji obniża ciśnienie do 1,3 MPa, drugi do 0,9 MPa kierując go przez elastyczny przewód niskiego ciśnienia do listwy wtryskiwaczy. Zamontowany w regulatorze czujnik ciśnienia służy do monitorowania ciśnienia w butlach – ciśnienia zasilania regulatora. Sygnał z niego jest również wykorzystywany do sterowania wskaźnikiem poziomu paliwa gazowego na tablicy przyrządów. W ten sposób po osiągnięciu wartości 1,1 MPa elektroniczne urządzenie sterujące przełącza silnik na zasilanie benzyną. Dzieje się tak z uwagi na automatyczne obniżenie niskiego ciśnienia gazu (za regulatorem) poniżej 0,9 MPa co mogłoby doprowadzić do nieprawidłowości w zasilaniu silnika. Ponieważ przy rozprężaniu metanu następuje znaczny spadek jego temperatury zespół regulatora ciśnienia jest ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika.
Elektrowtryskiwacze metanu są bardzo podobne w budowie do benzynowych, różnią się średnicą dyszy wylotu oraz wyższym ciśnieniem zasilania – 0,9 MPa. Ich sterowanie jest sekwencyjne, fazowe, co oznacza, że cztery wtryskiwacze są sterowane zgodnie z kolejnością faz dolotu cylindrów silnika. Sterowanie dawką odbywa się za pomocą zmiany czasu otwarcia wtryskiwaczy, za co odpowiedzialna jest centrala elektroniczna. Kolektor rozdziału metanu jest zamontowany w górnej części kolektora dolotowego, a gaz dopływa do niego przewodem elastycznym. Elektrowtryskiwacze są zamontowane (za pomocą specjalnych zabezpieczeń) w kolektorze rozdziału metanu, który dociska je do odpowiednich gniazd w kolektorze dolotowym. Pomimo, że nowe silniki 1,6 zasilane tylko benzyną mają już kolektory dolotowe wykonane z tworzyw sztucznych, to silniki zasilane metanem mają tradycyjne aluminiowe kolektory z dodatkowymi gniazdami do osadzenia wtryskiwaczy metanu.

Układ napędowy Doblo wykorzystuje taki sam silnik jak Multipla.

Centrala sterująca układu posiada funkcję autoadaptacyjną, która pozwala na rozpoznanie zmian, jakie zachodzą w silniku, które powodowane są wzajemnym dopasowywaniem elementów i ich zużywaniem się. Zostają one zapamiętane w centrali elektronicznej jako zmiany podstawowego programu sterującego i mają na celu przystosowanie funkcjonowania układu do stopniowych zmian zachodzących w silniku i elementach w porównaniu do charakterystyk nowego silnika. Funkcja autoadaptacji pozwala również na skompensowanie nieuniknionych różnic spowodowanych tolerancjami produkcyjnymi ewentualnie wymienianych części. Centrala na podstawie analizy składu spalin (sonda lambda) zmienia podstawowy program sterujący w stosunku do parametrów nowego silnika.

Tablica przyrządów Multipli jest uzupełniona o widoczny nad nią wyświetlacz ciekłokrystaliczny, pokazujący kierowcy stan pracy hybrydowego układu napędowego.

Drugim źródłem napędu prezentowanej hybrydowej Multipli był silnik elektryczny umieszczony pomiędzy silnikiem spalinowym a skrzynią biegów. Mechaniczna skrzynia biegów jest w tym samochodzie wyposażona w hydrauliczne serwomechanizmy sterujące pracą sprzęgła i wybierające odpowiednie przełożenie, także sterowanie nią jest realizowane w trybie automatycznym. Akumulatory elektryczne umieszczono w części przestrzeni podwójnej połogi, obok butli ze sprężonym gazem ziemnym.

Systemy sterujące hybrydowego układu napędowego pozbawiają wnętrze samochodu środkowego fotela w przednim rzędzie.

W miejscu środkowego przedniego fotela umieszczono elektroniczne układy sterowania i kontroli hybrydowego układu napędowego. Samochód ten jest rozwinięciem prac prowadzonych nad układami hybrydowymi od kilku lat. W 2001 r. w Lipsku prezentowano Multiplę Hybrid Power o podobnej koncepcji układu napędowego, jednak z silnikiem zasilanym benzyną. Konstruktorzy doszli do wniosku, że jeszcze większe ograniczenie emisji można uzyskać przez zastosowanie silnika gazowego i powstał ten właśnie egzemplarz. Kilka szczegółów świadczy o tym, że jest to ten sam samochód, który był prezentowany we wcześniejszych materiałach. Działanie układu napędowego jest tak opracowane, aby silnik spalinowy pracował tylko w zakresie najmniejszej emisji. Dlatego przy ruszaniu pracuje tylko silnik elektryczny, w czasie jazdy z ustaloną stałą prędkością silnik spalinowy, a w przypadku nagłego zapotrzebowania na moc (np. wyprzedzanie) pracują oba silniki, wzajemnie się wspomagając. Oczywiście w czasie hamowania i jazdy z wykorzystaniem silnika spalinowego silnik elektryczny pracuje jako prądnica ładując akumulatory.
Taki sam układ zasilania (Metafuel) zastosowano w samochodzie Fiat Doblo Cargo, z tym, że była to wersja Bipower, tzn. mająca również benzynowy układ zasilania.

Niestety jego przestrzeń bagażowa jest bardzo uszczuplona przez zamontowane butle z gazem.

Zbiorniki gazu (3 szt.) mieszczące 18 kg tego paliwa są umieszczone pod samochodem nie ograniczając przestrzeni bagażowej. Ładowność tego pojazdu wynosi 670 kg (“normalne” Doblo Cargo 805 kg). Przy średnim zużyciu paliwa 6,3 kg/100 km pojazd ma zasięg 300 km na gazie przy emisji CO2 171 g/km (dla benzyny wynosi ona 218 g/km). Dodatkowy mniejszy niż standardowy zbiornik benzyny o pojemności 30 dm3 zwiększa zasięg pojazdu i umożliwia spokojne dojechanie do najbliższej stacji sprężania gazu. Taki sam układ, oczywiście z inną mapą silnika i wtryskiwaczami o innej wydajności, zastosowano również w prezentowanym Punto. Najbardziej popularny na naszym rynku silnik 1,2 z 8 – zaworową głowicą wyposażono w gazowy układ zasilania, który dawkuje średnio 4,3 kg/100 km, przy emisji CO2 – 119 g/km. Przy zasilaniu benzyną średnie zużycie paliwa wynosi 6,3 dm3/100 km, przy emisji CO2 – 150 g/100 km. Butle z gazem umieszczono w bagażniku znacznie ograniczając jego głębokość. Zużycie paliwa gazowego przy pojemności butli 11 kg zapewnia zasięg 260 km. Zachowano standardowy zbiornik benzyny (47 dm3) zwiększający zasięg pojazdu.

Układ napędowy tego pojazdu obejmuje silnik elektryczny z przekładnią, która za pośrednictwem mechanizmu różnicowego kieruje moment obrotowy do kół tylnych. Silnik jest chłodzony cieczą, której temperatura jest zmniejszana w widocznym obok niego wymienniku ciepła. “Układ wydechowy” usuwa parę wodną będącą produktem ubocznym pracy ogniwa paliwowego oraz nadmiar wodoru (ułożony wzdłuż cienki przewód).

W ofercie Fiata znajduje się także Fiat Ducato w wersji Bipower z dwulitrowym silnikiem, podobnie dwupaliwowo zasilanym, z dużym 80 litrowym zbiornikiem benzyny i 3 butlami mieszczącymi 26 kg metanu. Dzięki temu zasięg pojazdu wynosi 270 km na gazie i 600 km na benzynie.

Opracowanie tej wersji Seicento napędzanej ogniwem paliwowym kosztowało koncern Fiata ponad 500 tys. euro.

Układy zasilania benzyną w najnowszych silnikach Fiata są typu “returnless”, tzn. że występuje tylko jeden przewód łączący zbiornik paliwa z silnikiem. W układzie tym wyeliminowano przewód powrotny paliwa, filtr paliwa i regulator ciśnienia, które umieszczono w zespole pompy. Z tego powodu filtr paliwa jest niewymienny. Układ ten sprawia kłopoty przy adaptacji silnika na zasilanie gazem na rynku wtórnym przy wykorzystaniu dostępnych instalacji gazowych.

Hybrydowy pojazd na bazie Multipli jest roboczo określany jako Ecoidriver (Gasdriver) jest samochodem studialnym, którego wyniki emisji pozwalają sądzić, że rozwiązania tego typu będą niedługo powszechnie stosowane.

Przy włączeniu zasilania gazem odłączane są wtryskiwacze benzyny, a pompa cały czas uzupełnia ciśnienie w układzie paliwowym do określonego poziomu. W ten sposób w listwie wtryskowej odkładają się zanieczyszczenia zawarte w paliwie. Po wyłączeniu silnika, który pracował na gazie występują kłopoty z jego uruchomieniem na benzynie. Także z punktu widzenia adaptacji silnika na zasilanie gazem układ paliwowy “returnless” nie jest najlepszym rozwiązaniem, choć z uwagi na bezpieczeństwo użytkowania – zmniejszenie ryzyka zapalenia się samochodu w przypadku zderzenia i zmniejszenie emisji par paliwa do atmosfery – układ ten jest rozwiązaniem optymalnym. Istnieje oczywiście metoda uniknięcia kłopotów z uruchamianiem silnika na benzynie, która polega na przełączeniu zasilania na benzynowe przed wyłączeniem silnika, aby przed wyłączeniem pracował przez chwilę na benzynie. W większości przypadków metoda ta jest skuteczna.

Złącze tankowania metanu w Punto umieszczono pod pokrywą wlewu benzyny. Na jej wewnętrznej części widoczna jest naklejka informująca o terminie legalizacji zamontowanych w samochodzie butli.

Prezentowano również samochód typowo badawczy zbudowany na bazie Fiata Seicento wyposażony w elektryczny układ napędowy zasilany ogniwem paliwowym. Silnik elektryczny znajduje się pod podłogą bagażnika, którego całą przestrzeń wykorzystano na kriogeniczny zbiornik wodoru. Wodór zasila ogniwo paliwowe, w którym następuje jego reakcja z tlenem, w wyniku czego powstaje napięcie do zasilania elektrycznego silnika napędzającego tylne koła. Samochód przyspiesza od 0 do 50 km/h w 8 s zapewniając prędkość maksymalną 130 km/h przy zasięgu około 220 km.

Dostępny seryjnie Fiat Doblo Bipower (dwupaliwowy) ma butle ze sprężonym gazem ziemnym umieszczone pod podłogą, zatem nie wpływają one na ograniczenie przestrzeni bagażowej.

Fiat po raz kolejny pokazał swoje możliwości w zakresie napędów alternatywnych, szkoda tylko, że w naszych warunkach samochody z napędem metanowym mają ograniczone zastosowanie. Biorąc jednak pod uwagę deklaracje Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa w zakresie rozbudowy infrastruktury do tankowania pojazdów gazem ziemnym może się okazać, że pojazdy te będą eksploatowane również na naszym rynku. Do tej sytuacji powoli przygotowuje się również Fiat oferując w Polsce dwa modele: Doblo i Ducato w wersji Natural Power.

W układzie napędowym hybrydowej Multipli wykorzystuje się silnik 1,6 dm3 zasilany gazem ziemnym przez układ wtryskowy Metafuel oraz silnik elektryczny umieszczony pomiędzy nim a skrzynią biegów. Taką samą jednostkę napędową montuje się w dostępnych seryjnie modelach Bluepower i Bipower.

Całą objętość bagażnika Seicento zasilanego z wykorzystaniem ogniwa paliwowego wypełnia kriogeniczny zbiornik wodoru.

SistMETANOing
Schemat gazowego układu zasilania Metafuel (stosowanego we wszystkich gazowych Fiatach): 1-(CNG Injectors) wtryskiwacze gazu ziemnego, 2-(CNG rail) listwa wtryskowa CNG, 3-(Low pressure) przewód niskiego ciśnienia, 4-(Gasoline injectors emulator) emulator wtryskiwaczy benzyny, 5-(switch, display) przełacznik gaz benzyna, 6-(CNG electronic cointrol unit) elektroniczne urządzenie sterujące układem gazowym, 7-(OEM electronic control unit) elektroniczne urządzenie sterujące wtryskiem benzyny, 8-(spark coils) cewki zapłonowe, 9-(spark plugs) świece zapłonowe, 10-(manifold air pressure sensor) czujnik ciśnienia w kolektorze dolotowym, 11-(throttle position sensor) czujnik położenia przepustnicy, 12-(lambda sensor) czujnik tlenu w spalinach, 13-(speed engine sensor) czujnik prędkości obrotowej, 14-(engine phase sensor) czujnik położenia wału korbowego, 15-(CNG cylinder) zbiornik sprężonego gazu ziemnego, 16-(high pressure pipe) przewód wysokiego ciśnienia,
17-(reffiling valve) zawór odcinający sterowany ręcznie, 18-(CNG pressure regulator) regulator ciśnienia, 19-(gasoline injectors) wtryskiwacze benzyny.
(OEM wiring harness) przewody elektryczne instalacji benzynowej
(CNG wiring harness) przewody elektryczne instalacji gazowej