Fot. Autogas, Irene, Luhmann, Erdgasfarzeug, Elpigas

Warunkiem upowszechnienia każdego nowego rodzaju paliwa jest odpowiednio rozległa i gęsta sieć jego dystrybucji

Każdy silnik z zapłonem iskrowym jest pod względem zasady działania silnikiem gazowym. Dlatego zmiana rodzaju spalanego w nim paliwa wymaga tylko instalacji odpowiedniego układu zasilania.

Pierwsze w historii techniki silniki spalinowe (Izaaka de Rivaza i Jeana Lenoira) zasilane były tzw. gazem miejskim (świetlnym), otrzymywanym w wyniku suchej destylacji węgla kamiennego. Jego głównym składnikiem był tlenek węgla, więc wartość takiego paliwa, a w konsekwencji i moc silników w stosunku do ich masy – były stosunkowo niskie. Zbyt niskie, by myśleć o praktycznym wykorzystaniu gazowego napędu do jakichkolwiek pojazdów. Rozwój motoryzacji umożliwił dopiero silnik benzynowy, czyli spalający gaz tworzony przez odparowanie benzyny.

Rozwój konstrukcji silników benzynowych sprawił, że w pewnych szczególnych warunkach (np. podczas wojennego deficytu ropy naftowej) można je było już przystosowywać do zasilania gazem, który uzyskiwano w miejskich lub przemysłowych gazowniach i tłoczono pod wysokim ciśnieniem do przewożonych na pojazdach butli, bądź też wytwarzano z drewna lub węgla w instalowanych indywidualnie trakcyjnych generatorach, zwanych też czadnicami. Silnik na takim paliwie rozwijał najwyżej 80% mocy uzyskiwanej na benzynie, a ciężkie butle lub wytwornice czadu zmniejszały ładowność samochodów. Dlatego wraz z normalizacją światowego rynku paliwowego wracano niezwłocznie do benzyny.

	Obecnie deficyt naturalnych paliw płynnych ma już charakter trwały i rosnący. Wynikająca stąd potrzeba coraz powszechniejszego wykorzystania paliw alternatywnych nie wywołała jednak kolejnego powrotu do gazu miejskiego, gdyż ten i w swych stacjonarnych zastosowaniach wyszedł już całkowicie z użytku. W gospodarstwach domowych zastąpiły go: dostarczany w stanie ciekłym (w butlach) gaz LPG, czyli mieszanka propanu i butanu, oraz tłoczony rurociągami gaz ziemny CNG. Obie te substancje palne zwiększają ostatnio bardzo dynamicznie swe udziały w światowym rynku paliw samochodowych. Korzyści i problemy LPG (ang. Liquified Petroleum Gas) powstaje w trakcie rafinacji ropy naftowej. Może więc rozwiązywać trudności surowcowe w dość ograniczonym zakresie. Jego upowszechnienie w motoryzacji zmniejsza zapotrzebowanie na benzynę, co pozwala większą część przerabianej ropy naftowej przeznaczać do wytwarzania oleju napędowego (nie wynaleziono dotychczas dobrej metody spalania gazu przez silniki wysokoprężne). CNG (ang. Compressed Natural Gas) czerpany jest z odrębnych złóż, których zasobność powinna wystarczyć ludzkości na okres znacznie dłuższy niż pokłady ropy naftowej. Dlatego także w motoryzacji jest on paliwem bardziej perspektywicznym.
Rys.: Zbiornik gazu LPG zamiast koła zapasowego to rozwiązanie kontrowersyjne
Punkt tankowania LPG to inwestycja nieporównywalnie prostsza i tańsza niż klasyczna stacja beznynowa. W przypadku CNG może być jeszcze prościej...

^{Rys.: Polska wyrosła na gazową potęgę w gazowej motoryzacji jeśli chodzi o LPG
(wykres opracowany w tym roku przez Europejski Związek Gazu Płynnego)}

Przekonanie, że samochody benzynowe tracą moc po ich przestawieniu na zasilanie gazem, wywodzi się z czasów wspomnianego już gazu miejskiego lub generatorowego, a także z doświadczeń ze starszymi generacjami zasilania gazem płynnym; w odniesieniu do nowoczesnych systemów LPG i CNG nie ma już istotnego uzasadnienia. Wartość energetyczna obu tych gazów jest wyższa niż w przypadku benzyny i oleju napędowego. Nieznacznie niższa (w porównaniu z paliwami tradycyjnymi) jest tylko wartość opałowa ich stechiometrycznych mieszanek z powietrzem, co daje się zauważyć jedynie przy pełnym otwarciu przepustnicy, czyli podczas rozwijania przez silnik jego mocy maksymalnej. W silnikach przystosowanych fabrycznie do spalania gazu niedostatek ten daje się łatwo zrekompensować przez podwyższenie stopnia sprężania, a w standardowych – przez odpowiednie przyspieszenie zapłonu, ponieważ liczba oktanowa obu paliw gazowych jest znacznie wyższa niż w najlepszych benzynach. Łatwiej też przy spalaniu gazów spełnić wymogi obowiązujących (teraz i w przyszłości) norm czystości spalin.

Wadą obu systemów gazowych jest natomiast mniejszy zasięg i trudniejsze tankowanie wyposażonych w nie pojazdów. W przypadku LPG problem ten łagodzi gęsta już stosunkowo sieć punktów sprzedaży. Swobodne tankowanie CNG możliwe jest na razie tylko w nielicznych krajach. W podróżach międzynarodowych kłopoty nastręcza brak standaryzacji przyłączy do napełniania zbiorników.

Pewne problemy techniczne wiążą się z tym, że spalający się gaz wytwarza wyższe temperatury niż benzyna, co może być szkodliwe dla grzybków i gniazd zaworowych standardowych silników. Przy podwójnych (benzynowo-gazowych) systemach zasilania kilkuminutowa praca silnika na benzynie podczas rozruchu zabezpiecza te elementy na czas całodobowej eksploatacji, ale pod warunkiem, że benzyna zawiera specjalny dodatek przeznaczony do starszych konstrukcji silników.

Gaz LPG jest w eksploatacji mniej bezpieczny niż paliwa płynne, gdyż jako cięższy od powietrza zalega w przypadku nieszczelności instalacji w warsztatowych kanałach lub przy podłodze garażu. CNG jest od powietrza lżejszy.

Samochodowe instalacje LPG

Rozwiązania konstrukcyjne gazowych układów zasilania można podzielić na pięć kolejno wprowadzanych generacji:

• I – instalacje mieszalnikowe (podciśnieniowa lub nadciśnieniowa) bez elektronicznej regulacji składu mieszanki paliwowo-powietrznej, a więc nie nadające się do współpracy z silnikami wyposażonymi w katalizatory w układach wydechowych;
• II – instalacje mieszalnikowe (podciśnieniowa lub nadciśnieniowa) z elektroniczną regulacją składu mieszanki paliwowo-powietrznej ;
• III – instalacje wielopunktowe z ciągłym dostarczaniem lotnego gazu;
• IV – instalacje wielopunktowe z sekwencyjnym dostarczaniem lotnego gazu (tzw. wtrysk gazu);
• V – instalacje sekwencyjnego wtrysku gazu w postaci płynnej.

Wspólnym dla wszystkich generacji elementem układu jest tylko zbiornik i sterowany elektrycznie zawór, który otwiera przepływ gazu do dalszych części instalacji. Kolejną z nich może być reduktor z parownikiem (podłączony do obiegu płynu chłodzącego silnik), występujący jednak tylko w pierwszych czterech generacjach, w dodatku w każdej z nich miał on nieco odmienne zadania. W systemach mieszalnikowych pierwszej i drugiej generacji ciśnienie panujące w zbiorniku redukowane było do wartości nieco niższych (przy silnikach z gaźnikami) lub nieco wyższych (przy jednopunktowym wtrysku benzyny) od przeciętnego ciśnienia atmosferycznego. Parownik podgrzewany płynem chłodzącym silnik zapewniał przejście gazu z postaci płynnej w lotną. Instalacja gazowa mogła więc działać z pełną wydajnością jedynie po uprzednim rozgrzaniu silnika na zasilaniu benzynowym, potem dopływ benzyny odcinany był dodatkowym elektrozaworem. W mieszalniku stanowiącym krótki odcinek układu dolotowego gaz był zasysany silnym podciśnieniem wytwarzanym przez gardziel gaźnika lub wydostawał się do kolektora ssącego pod własnym ciśnieniem. W obu wypadkach tworzył z powietrzem mieszankę zasysaną następnie do cylindrów. W instalacjach pierwszej generacji skład mieszanki zmieniał się proporcjonalnie do podciśnienia panującego w układzie dolotowym. W drugiej generacji był dodatkowo korygowany przez zawór elektromagnetyczny obsługiwany przez elektroniczny sterownik na podstawie sygnałów otrzymywanych z sondy lambda.

Instalacje trzeciej generacji przeznaczone były do współpracy z silnikami wyposażonymi fabrycznie w wielopunktowe układy wtrysku benzyny i katalityczne układy wydechowe z sondami lambda. Ich zaleta w stosunku do generacji wcześniejszych polegała na tym, że gaz doprowadzany w sposób ciągły w pobliże wszystkich zaworów ssących nie miał tendencji do zalegania w całym układzie dolotowym i niekontrolowanych wybuchów niszczących przewody, przepustnice i filtry powietrza.

W czwartej generacji wypływ lotnego gazu do poszczególnych cylindrów następował tylko w określonych momentach dzięki działaniu elektrozaworów funkcjonujących analogicznie do wtryskiwaczy benzyny. Przy stałym ciśnieniu (wyższym niż w poprzednich generacjach, bo wynoszącym ok. 2 barów) utrzymywanym w instalacji gazowej przez reduktor czas otwarcia każdego z tych elektrozaworów wyznaczał wielkość pobieranej dawki gazowego paliwa. Procesem tym zarządzał sterownik elektroniczny, korzystający z sygnałów tych samych czujników co procesor zarządzający wtryskiem benzyny. Wzajemne dublowanie się tych jednostek sterujących było jednak niezbędne z powodu odmiennych zasad optymalizacji procesów spalania gazu i benzyny. Zmiana zasilania z benzynowego na gazowe i odwrotnie odbywała się za pomocą przełącznika na stanowisku kierowcy bądź samoczynnie – w przypadku zakończenia rozruchowej pracy silnika lub po wyczerpaniu się zapasu gazu w zbiorniku. W nowszych konstrukcjach układów tej generacji rezygnowano już z dodatkowego sterownika gazowego, wykorzystując po pewnej elektronicznej modyfikacji impulsy sterujące wtryskiwaczami benzyny. Dzięki temu parametry pracy silnika były bardzo podobne w całym zakresie obciążeń i prędkości obrotowych przy obu systemach zasilania.

Rys.: Sekwencyjny wtrysk LPG w stanie płynnym (V generacja)	Rys.: Zawór do napełniania zbiornika gazem (system włoski, stosowany w większości krajów Europy)

Piąta generacja instalacji gazowych ma w stosunku do poprzednich całkiem inną zasadę działania. Gaz dostarczany jest w pobliże zaworów ssących silnika w stanie ciekłym. Tam dopiero następuje jego odparowanie, co umożliwia rozruch silnika bez wstępnego zasilania benzynowego. Spadek temperatury towarzyszący rozprężaniu się działa jak intercooler, poprawiając stopień napełnienia cylindrów, a w konsekwencji – wzrost mocy silnika. Wtryskiwacze gazu są sterowane dokładnie tymi samymi impulsami centralnego sterownika co wtryskiwacze benzyny. Wszystkie funkcje zarządzania silnikiem i jego diagnozowania nie wymagają bowiem zmian. W instalacji zamiast reduktora z parownikiem zastosowana jest pompa i regulator ciśnienia. Pompa podwyższa ciśnienie w stosunku do panującego w zbiorniku, a regulator utrzymuje je na stałym, zadanym przez konstruktora poziomie.

Zasilanie CNG

Ponieważ gaz ten tankowany jest do pojazdów pod ciśnieniem 200-250 barów, jego zbiorniki muszą być bardziej wytrzymałe niż w przypadku LPG. Mają przeważnie formę butli wykonanych ze stali lub kompozytów. Pierwsze z nich są cięższe, a drugie z kolei – droższe. Wbrew rozpowszechnionym obawom są to zbiorniki całkowicie bezpieczne. Warunkiem ich homologacji jest pozytywny wynik testów, polegających m.in. na poddawaniu ciśnieniu dwukrotnie przekraczającemu nominalne, zrzucaniu napełnionego zbiornika z dużej wysokości (symulacja kolizji drogowej), ostrzeliwaniu ze średniokalibrowej broni palnej, detonowaniu w ich pobliżu granatów, długotrwałym przetrzymywaniu w ogniu itp.

Zbiorniki te umieszcza się w przedziałach bagażowych samochodów osobowych i autobusów lub na dachach innych pojazdów użytkowych. W ciężarówkach korzystne jest ich usytuowanie pod skrzynią lub komorą ładunkową.

Instalacja doprowadzająca gaz ze zbiornika do silnika składa się z przewodów ciśnieniowych (polimerowych albo stalowych) i dwóch reduktorów. Pierwszy z nich obniża ciśnienie do ok. 3 barów. Przy silniku następuje kolejna redukcja do ok. 0,4 bara.

Do bezpośredniej współpracy z silnikami ZI służą systemy wielopunktowego dozowania, podobne do stosowanych w instalacjach LPG. Korzysta się też przeważnie z równoległego zasilania benzynowego. Wielkość zapasu gazu określa się przez pomiar manometrem ciśnienia w zbiorniku.

Poważniejsze zmiany wiążą się z przystosowywaniem do zasilania gazem ziemnym silników wysokoprężnych. Polegają one na znacznym obniżeniu stopnia sprężania i zamontowaniu przepustnicy powietrza oraz elektrycznej instalacji zapłonowej z elektronicznym sterowaniem zapłonu i wtrysku. Silnik po wprowadzeniu tych modyfikacji może pracować, rzecz jasna, wyłącznie na paliwie gazowym.

Przeróbki te są jednak kontrowersyjne z całkiem innego powodu. Otóż przy spalaniu gazu rozmaite elementy silnika mogą podlegać nadmiernym obciążeniom termicznym i przez to ich trwałość maleje. Bardziej celowe wydaje się więc stosowanie w autobusach i ciężarówkach silników konstruowanych specjalnie do zasilania gazowego, czyli po prostu dużych silników ZI.

^{Rys.: Rozmieszczenie układu zasilania CNG w samochodzie osobowym: 1. sterownik do zasilania gazowego, 2. zespół wtryskiwaczy, 3. regulator ciśnienia, 4. przełącznik benzyna-gaz i wskaźnik ciśnienia w zbiorniku, 5. zawór do napełniania zbiornika, 6. zawór bezpieczeństwa (odcinający), 7. butle gazowe w bagażniku, 8. zbiornik benzyny}

^{Rys.: Zbiorniki (butle) CNG umieszczone pod podłogą (Opel Zafira)}

Sama eksploatacja pojazdów zasilanych gazem ziemnym nie różni się w praktyce od użytkowania analogicznych środków transportu z silnikami wysokoprężnymi lub benzynowymi.

Do zalet zasilania CNG należą:

• czystość spalin, mierzona według wszelkich stosowanych kryteriów;
• lepsze warunki pracy, a więc i dłuższe okresy eksploatacji olejów silnikowych;
• cichsza (nawet o 10 dB) praca silnika;
• niska cena w przeliczeniu na równoważne ilości wszystkich innych paliw.

Do głównych wad zaliczyć trzeba:

• niewielki zasięg (ok. 300 km);
• małą liczbę i gęstość rozmieszczenia stacji paliwowych (w Polsce zaledwie 20 na obszarze całego kraju).

W przypadku motoryzacji indywidualnej problem ten mogą rozwiązać dostępne już w USA domowe sprężarki, napełniające zbiorniki samochodu osobowego w ciągu kilku godzin (np. w ciągu nocy). W Niemczech liczba ogólnodostępnych stacji z gazem ziemnym zbliża się już do tysiąca, a korzysta z nich kilkadziesiąt tysięcy pojazdów.

Na ogół jednak plany rozwoju trakcji CNG dotyczą w pierwszej kolejności komunikacji miejskiej. Autobusy na sprężony gaz ziemny jeżdżą m.in. w Paryżu, Nicei, Brukseli, Madrycie, Bazylei, Rawennie, Florencji, Moskwie, Berlinie, Augsburgu, Norymberdze i innych miastach. W Polsce zapowiadane jest ich wprowadzenie m.in. w Przemyślu (100% taboru), Krakowie, Rzeszowie i Tarnowie.

Tweet

Redakcja Miesięcznika Branżowego Autonaprawa