Układ Boscha korzysta ze znanego od lat sposobu zasilania silników gazowych z wykorzystaniem mieszalnika. Stosowane jeszcze dotychczas w zasilaniu silników samochodów osobowych mieszalniki wykorzystują zwężkę Venturiego. Powietrze przepływające przez nią przyspiesza i tworząc podciśnienie wysysa z umieszczonych w palniku otworów odpowiednią ilość gazu. Dodatkową regulację w takim układzie wykonuje reduktor, który w zależności od obciążenia dostosowuje ilość doprowadzanego do mieszalnika gazu. Stosowanie coraz powszechniej w układach zasilania silników elektroniki doprowadziło również do zmian w gazowych układach zasilania. Sprzężenie zwrotne układu wtrysku benzyny z sondą lambda badającą jakość spalania w silniku na podstawie zawartości tlenu w spalinach było również wykorzystywane do sterowania układami gazowymi. Umieszczany na przewodzie pomiędzy reduktorem a mieszalnikiem silnik krokowy w zależności od sygnału z sondy lambda dawkował poprzez dławienie przepływu ilość gazu dostarczaną do silnika. W ten sposób silnik był zasilany mieszanką stechiometryczną. Niestety, taki sposób zasilania w dużych silnikach (np. autobusowych) powodował zwiększone zużycie paliwa gazowego, które było z naturalnych przyczyn jeszcze bardziej zwiększone ze względu na niższe parametry energetyczne gazu. Doprowadziło to powstania koncepcji zasilania silników gazowych mieszanką ubogą, lambda>1 (lean burn). Taki sposób zasilania z kolei wiąże się ze zwiększoną temperaturą spalania. Oprócz zwiększonych obciążeń cieplnych w silniku zasilanie takie zwiększa emisję szkodliwych składników spalin, zwłaszcza tlenków azotu, których powstawanie w takich warunkach jest ułatwione. Z drugiej strony, zasilanie mieszanką ubogą zmniejsza znacznie zużycie paliwa przez silnik. Zatem logicznym następstwem było powstanie systemu, który łączy zalety obu rodzajów zasilania. Tak powstała koncepcja leanmix. Było to oczywiście możliwe w skutek znacznej elektronizacji, dzięki której można płynnie zmieniać skład mieszanki w zależności od warunków pracy silnika. Taki sposób zasilania można również wykonać za pomocą opisanego wcześniej systemu Bosch. Następnym krokiem mającym na celu poprawienie efektywności wykorzystania paliwa gazowego było stworzenie koncepcji silnika z bezpośrednim wtryskiem gazu, działającym na zasadzie silnika Diesla. Układy tego typu dostarcza kanadyjska firma Westport, która kooperując na rynku europejskim zaaplikowała go do silnika MAN. Układ o nazwie HPDI (High Pressure Direct Injection) – wtrysk bezpośredni gazu o wysokim ciśnieniu – jest badany również na rynku amerykańskim we współpracy z firmą Cummins. Układ wykorzystuje wstępny (pilotowy) wtrysk oleju napędowego (5%), który ulegając samozapłonowi jak w klasycznym silniku ZS stanowi inicjację zapłonu wtryskiwanego później gazu ziemnego (95% dawki). Wtrysk jest realizowany przez jeden dwufunkcyjny wtryskiwacz. Silnik w ten sposób zasilany zachowuje podstawowe cechy silnika ZS (moc i moment obrotowy z korzystnym przebiegiem w funkcji prędkości obrotowej) oraz wysoką sprawność. Wyniki badań prowadzone na rynku amerykańskim potwierdzają słuszność tej koncepcji, następuje znaczne ograniczenie emisji (NOx o 40 - 50%, cząstek stałych o 80% oraz składników odpowiedzialnych za efekt cieplarniany o 20%). W ten sposób możliwe jest spełnienie najsurowszych wymagań kalifornijskich CARB (California Air Resources Board) i EPA 2006: NOx + nmHC 1,2 g/KMh; CO 0,1 g/KMh; PM 0,02 g/KMh.
<2005-08_Beijing-Qingdao_Green_Corridor_Project str 8.jpg>
Tankowanie skroplonego gazu ziemnego do samochodu ciężarowego zasilanego układem HPDI.

Schemat urządzeń stosowanych w gazowym układzie zasilania HPDI firmy Westport.

Firma Wesport oprócz kooperacji z MAN współpracuje również z innymi producentami samochodów. Na uwagę zasługuje projekt prowadzony z Isuzu, w którym opracowano silnik z bezpośrednim wtryskiem gazu ziemnego. Silnik o objętości skokowej 5,2 dm3 jest zasilany za pomocą układu CNG DI. Doprowadzany poprzez specjalne wtryskiwacze do komór spalania gaz jest zapalany od umieszczonych tam świec żarowych. Dzięki temu silnik dużo lepiej wykorzystuje energię zawartą w paliwie (większa sprawność). Westport współpracuje również ze światowym potentatem silnikowym, firmą Cummins. Joint venture obu firm o nazwie Cummins Wesport Innovations (CWI) oferuje szeroką gamę silników gazowych, również w odmianach LPG. Oferta obejmuje 3 rodziny silników, które w 2007 roku zostaną uzupełnione o jeszcze jedną. Zakres oferowanych mocy wynosi 145 – 239 kW.




Autobus wodorowy MAN Lion’s City oraz jego jednostka napędowa, zbiorniki wodoru umieszczone na dachu oraz sposób ich tankowania.

Najważniejszą zaletą zasilania gazowego w silnikach jest niska emisja szkodliwych składników spalin oraz niższa głośność. Wadą, szczególnie w odniesieniu do silników autobusowych, jest niski moment obrotów, występujący przy wyższych obrotach. Wymaga to uwzględnienia w przełożeniach występujących w układzie napędowym oraz w algorytmie ich zmian (w automatycznej skrzyni biegów). W samej konstrukcji silnika wykorzystuje się inne materiały, odporne na działanie wysokich temperatur (wyższa temperatura i bardziej przewlekły proces spalania). Z tego też powodu wymaga się wydajniejszego układu chłodzenia. Ponadto silniki gazowe można w prosty sposób przystosować do zasilania biogazem, powstającym w wyniku naturalnego rozkładu odpadów organicznych. Wszystkie prace związane zasilaniem silników gazem ziemnym zmierzają w kierunku wprowadzenia w przyszłości jako nośnika energii wodoru. Tutaj także Wesport ma swoje osiągnięcia, prowadząc badania nad zasilaniem silników wodorem i gazem ziemnym w proporcji 20 – 80 proc. Również MAN ma na tym polu znaczne osiągnięcia. Prowadzone w końcu lat dziewięćdziesiątych XX w. badania drogowe autobusu zasilanego wodorem zakończyły się przejechaniem 42 000 km. Kolejne badania obejmowały eksploatację autobusów wodorowych na lotnisku w Monachium. Zastosowane silniki miały moc maksymalną 140 kW i moment obrotowy 700 Nm. Również komunikacja w Berlinie od 2004 roku eksploatuje pojazdy wodorowe. W najbliższym czasie przewoźnik ten ma mieć największą na świecie flotę autobusów wodorowych. Oprócz przekazanych w czerwcu 2 autobusów MAN Lion’s City firma ma otrzymać docelowo aż 14 takich autobusów. Silniki wodorowe charakteryzują się oczywiście znakomitymi wynikami w zakresie emisji spalin, które przewyższają wymagania normy Euro5, która ma obowiązywać w 2008 roku. Na przykład, dla silnika H2866 emisja NOx jest dziesięciokrotnie mniejsza od wymagań Euro5, to samo dotyczy węglowodorów. Emisja cząstek stałych wynosi 0,005 g/kWh, podczas gdy Euro5 dopuszcza 0,02 g/kWh. Poziom emisji tlenku węgla jest niemierzalny. Konstruktorzy MAN pracują teraz nad turbodoładowaną wersją silnika wodorowego H2876 LUH01, który tradycyjnie wywodzi się z jednostki napędowej z zapłonem samoczynnym D2876. Dzięki doładowaniu można znacznie zwiększyć ilość powietrza dostarczanego do silnika. Dzięki temu również w przypadku zasilania wodorowego można zastosować technologię lean mix (zasilanie mieszanką o zmiennym współczynniku nadmiaru powietrza), która znacznie ogranicza zużycie paliwa. Silnik H2876 ma pojemność skokową 12816 cm3 (wymiary główne S/D = 166/128 mm). Przy stopniu sprężania 12 osiąga on maksymalną wartość mocy 200 kW przy 2200 obr./min oraz maksymalny moment obrotowy 1000 Nm przy 1000 obr./min. Silnik charakteryzuje się wysoką sprawnością rzędu 40 proc.. Wersja wolno ssąca przy tej samej pojemności skokowej i stopniu sprężania 8,5 osiąga moc 150 kW przy 2200 obr./min i maksymalny moment obrotowy 760 Nm w zakresie 1000-1200 obr./min.
<2005-08_Beijing-Qingdao_Green_Corridor_Project str 11.jpg>
Dwufunkcyjny wtryskiwacz układu HPDI i szczegóły jego budowy. Środkowa iglica odpowiada za otwieranie przepływu dla pilotowej dawki oleju napędowego. Jest ona umieszczona w iglicy otwierającej przepływ dla zasadniczej dawki paliwa – gazu ziemnego.

Zmiany emisji norm EPA [g/KMh] w zakresie tlenków azotu (z lewej) i cząstek stałych (z prawej).

Wyniki emisji innego silnika Cummins Westport typoszeregu LGas Plus o mocy 239 kW.
<2005-08_Beijing-Qingdao_Green_Corridor_Project str 13.jpg>
Rodzina gazowych silników ISL G firmy Cummins Westport zostanie wprowadzona do oferty w przyszłym roku. Jednostki te o pojemności skokowej 8,93 dm3 pokrywają zakres mocy od 186 – 239 kW przy spełnieniu norm U.S. EPA i CARB, które będą obowiązywać w 2010 roku.