Utslipp og driftsegenskaper for

en hybrid gassbuss i linjedrift i

Bergen

Lars Magne Nerheim, Petter Seip, Harald Moen, Roger Aamot, Ørjan Høyvik

Høgskolen i Bergen, HiB AIØ

DEN NORSKE GASSKONFERANSEN 2015 PARALLELLE SESJONER: “ENERGIGASS I LANDTRANSPORT” ONS 25.MARS

Bakgrunn og motivasjonen for prosjektet:

Standardiserte utslippsmålinger utføres i laboratorier på «rullende vei»:

- Euro VI for tunge kjøretøy ser slik ut:

- Men hva slipper en Euro VI-buss ut under drift i Bergens-trafikken?

Oppdragsgiver ønsket å danne seg et inntrykk av forskjeller og likheter mellom to

Euro VI gassbuss-konsepter, konvensjonell og hybrid, under så realistiske forhold

som mulig. Derfor ønsket de å få utført sammenlignende målinger under drift langs

en gitt busslinje i Bergen.

I det følgende omtales resultater og erfaringer med fokus på hybridbussen…

Testsyklus

Grense-

verdier

Oppdraget:

Institutt for maskin- og marinfag, IMM, ved Høgskolen i Bergen

(HiB AIØ) fikk derfor i oppdrag av Hordaland Fylkeskommune gjennom

SKYSS og HOG å gjennomføre følgende omfattende oppdrag:

Under mest mulig lik, ordinær drift av test-bussene etter Linje 2 i Bergen skulle

følgende avgassutslipp måles;

- CO2 , CH4 , NO, NO2 og CO

- Måle forskjeller i gassforbruk mellom busstypene

- Måle innflytelse på resultatene av bussenes belastningstilstand

- Støymålinger

Målingene skulle utføres best mulig etter gjeldende standarder for

avgassmålinger og være så representativ som mulig….

Om oppdraget (2):

Standardiserte syklusmålinger (Euro VI osv) utføres i laboratorier på «rullende

vei» og hvor total-utslippet fra testsyklusen samles opp for deretter å bli

analysert med de dertil foreskrevne apparatene, se fig.

De målte utslippene er gjennomsnittsverdier som gjenspeiler hva kjøretøyet «har

vert i gjennom» av belastning og hastighetsendringer i løpet av den «kjøreturen»

som syklusen representerer..

Oppsamling av avgassene ifm syklustesting

på «rullende vei» i et spesial-laboratorium

Måleoppsettet skjematisk

Om oppdraget (3):

Hovedutfordringene med «på veien-målinger»:

- Måleteknisk å få registrert de nødvendige parameterne på en kjørende buss,

samt sikre repeterbarheten av disse (pga ulike forstyrrelser)

- Komme frem til pålitelige «midlere utslippsverdier» for en gitt kjøretur i

trafikken på basis av in-stasjonære og ofte sprikende enkelt-målinger…

Dagens situasjon:

Interessen for «på veien» (= faktiske) utslippsmålinger» er sterkt økende

Omfattende (og kostbart) måleutstyr tilbys etter hvert for formålet, men var

ikke tilgjengelig

HiB sitt dilemma:

Kun konvensjonelle analysatorer for stasjonære målinger tilgjengelig og

begrenset med spesialkompetanse på området

Vi kunne derfor bare ta på oss en sammenlignende måling test-bussene i

mellom heller enn en generelt gyldig «absolutt-måling»

MEN: - vi hadde god tverrfaglighet i kollegiet på HiB AIØ og stor velvillighet fra

operatøren Tide Buss og bussleverandørene MAN og Truck Nord / van Hool

til å støtte gjennomføringen

På veien-målinger à là HiB :

Strategi for å bestemme utslippet...

På veien-målinger à là HiB (2):

Nødvendig måleutstyret i bussene..

Testbussene:

Begge bussene skal drives på anriket biogass, men ble under

testene kjørt på samme std naturgass fra Gasnor, Kollsnes

Gassmotorene:

Begge motorene opererer støkiometrisk med ƛ = 1, og er utstyrt

med tre-veis katalysatorer («TWC»)

Testruten: «Linje 2» i Bergen

(= «testsyklusen»)

1 passasjer tilsv. 68 kg iht standarden

Om forsøksgjennomføringen:

Alle testløpene ble kjørt tre ganger og gjennomsnittsverdier beregnet

Det ble lagt stor vekt på å følge rutetidene for linje 2 så nøyaktig som

mulig, til dels ved å følge en normal buss i rute

Testene ble utført i helgene for å minske innflytelsen fra tilfeldige

trafikksituasjoner

Forskriftsmessige kalibreringsgasser ble medført i bussene, og om-

givelsestilstanden (luftrykk, –temperatur og -fuktighet ble logget

kontinuerlig for kompensering av resultatene

Gassforbruket ble også målt ifm oppfyllingene, for kontroll

Det avanserte måleutstyret viste seg å være meget vibrasjonsømfintlig

og div. forsøk ble gjort for å dempe og sikre dette bedre under drift

Om resultatbearbeidingen:

Det ble nødvendig med en god del korrigering av måledata i ettertid for å

få ut plausible resultater:

- kompensere for tidsforsinkelser: noen analysatorer gir umiddelbar

respons, andre har en betydelig tidskonstant. Dette måtte tas

hensyn til gjennom tidskorrektur av de ulike forløpene

- stryke negative verdier: noen analysatorer kunne også i visse

situasjoner gi ut negative verdier (sans. pga vibrasjonsinnflytelser).

Disse ble strøket.

- overvåke THC-analysatoren: ved sterkere vibrasjoner kunne denne

falle ut og måtte re-startes manuelt så fort som mulig

- innflytelsen fra varm og kald katalysator: dette hadde meget stor

innflytelse på spesielt NOx-utslippene, og ble dessverre ikke godt nok

tatt hensyn til under målingene (Hybrid-bussen verst her, da den

hadde størst relativ katalysatorvolum) Derfor ble et gitt avsnitt i

traseen hvor dette slo spesielt sterkt ut, trukket fra på alle resultatene

(ca 10% av distansen).

13

Resultater:

Sammenligning av CO2 & THC – utslipp

CO2 fra ~20% til ~15% redusert for hybridbussen avhengig av belastningen

Større forskjell ved lav belastning viser at batteriene bidrar mest der (last-sensitiv)

THC meget lave verdier for begge konseptene ~10-15 mg/km, hvor hybriden gir

mellom 30% (lav~) og 45 % (høy last scenario) reduksjon vs. konv. buss

Basert på gass-sammensetningen kan man anta at CH4 utgjør ~95% av THC

CO2 THC

14

Hybrid. NOx ~50 mg/km (= 75% red.) & CO ~400 mg/km (= 20 – 30% red.) i forhold til

referansebussen, dvs NOx er lavere enn kravet for Euro 6 personbiler !

MERK: TWC / lyddemper-enheten er lik, dvs rel. størst for Hybridbussen

Fordelaktige effekter av hybridiseringen:

bidraget fra batteriene understøtter gassmotoren ved akselerasjoner

som gir jevnere motordrift uten belastningsspissser, bedre effekt av katalysatoren

NOx CO

Resultater:

Sammenligning av NOx & CO – utslipp

Driftsegenskaper ved Hybridbussen:

NOx – utslipp ved akselerasjon

15

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

7500 8000 8500 9000

Sp

eed

in

km

/h

NO

x in

pp

m,d

ry

Distance in m

NOx Speed

0

5

10

15

20

25

30

0

50

100

150

7500 8000 8500 9000

NO

x in

pp

m,d

ry

Distance in m

NOx Speed

Detalje-situasjon fra sentrum med “stop and go” trafikk:

Konstant og meget lavt NOx-utslipp for hybridbussen…

Lignende trafikk-situasjon gir varierende og vesentlig høyere NOx for den

konvensjonelle bussen

Hybrid Konvensjonell

Driftsegenskaper ved Hybridbussen(2):

CO2 – utslipp ved akselerasjon

16

Detalje-situasjon fra sentrum med “stop and go” trafikk:

Rel. konstant lavt midlere CO2-utslipp for hybridbussen…

Lignende trafikk-situasjon gir igjen mer varierende drift og derav høyere

CO2 –utslipp for den konvensjonelle bussen

Hybrid Konvensjonell

Sammendrag og konklusjon:

Gjennom omfattende målinger under drift er CO2 , THC, NOx og CO fra en

CNG-buss med hybrid drivlinje blitt sammenlignet mot en konvensjonell CNG-buss

under drift på Linje 2 i Bergen under så like forhold som praktisk mulig og med tre

ulike belastningstilstander.

Hybridbussen gir betydelig lavere utslipp av alle de foreskrevne avgass-

komponentene. Dette tilskrives en mindre forbrenningsmotor som gir mellom

15 – 20% lavere gassforbruk og CO2 -utslipp (alt etter belastning) samt den jevnere

driften av motoren.

Tilskuddet fra batteriet har gjort seg mest merkbart ved lite last i bussen og som viser

at konseptet er last-sensitivt. Gjennomsnittlig syklus-hastighet har også vært litt

lavere for Hybridbussen.

Når det gjelder de spesifikke CO2 utslippene, så må Hybridbussen ha minst 18

passasjerer for å komme under en grenseverdi på 100 g/pass-km, mot den konv.

bussen som må ha minst 23 passasjerer.

Sammendrag og konklusjon(2):

For NOx utslippene, så ligger Hybridbussen selv med full belastning langs

Linje 2 på 50 mg/km, som er under dagens gjeldende syklus-verdier for Euro 6

bensin personbiler (60 mg/km), mens den konv. bussen er målt å ligge ca 4x

høyere enn dette (ca 200 mg/km).

Begge bussene oppviste ingen målbare utslipp av NO2 og ca 95% av de lave

THC-utslippene på 10 – 15 mg/km anslåes å være metan CH4 .

Dette tilskrives at begge motorene kjører etter «ƛ = 1 + TWC konseptet», som er

spesielt effektivt mht å redusere disse.

I kompliserte trafikksituasjoner ble det i enkelttilfeller observert at også

Hybridbussens gassmotor gikk ujevnt. Videre merket man seg at den aldri slo seg

av, men gikk kontinuerlig uansett trafikksituasjon. - Her er det åpenbart rom for

videre optimalisering.

Det må bemerkes at det er store forskjeller i størrelse og vekt på de to buss-

konseptene (og sans. også pris !), selv om nyttelasten stort sett er den samme.

Resultatene for Hybridbussen må også sees opp mot dette.