Bardzo istotnym czynnikiem pozwalającym na rozwój i promocję czystych oraz wydajnych energetycznie środków transportu są wytyczne Unii Europejskiej. Komisja Wspólnot Europejskich w dniu 19 grudnia 2007 r. przedstawiła zmieniony wniosek dotyczący Dyrektywy Parlamentu Europejskiego w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów w transporcie drogowym. Jako jeden z nadrzędnych celów przedstawiony w dokumencie Czyste powietrze dla Europy (Clean Air for Europa) z 2005 roku Komisja Europejska wskazała osiągnięcie 25-50-proc. spadku emisji składników toksycznych spalin (tlenków azotu, tlenku węgla, węglowodorów oraz cząstek stałych), regulowanych normami EURO na przestrzeni lat 2000-2020. Rzecz w tym, że znane wszystkim normy nie ograniczają emisji dwutlenku węgla, nie mówią o sprawności jednostki napędowej pojazdu, nie zajmują się sprawnością układu napędowego ani cechami konstrukcyjnymi pojazdu, które mają wpływ na zużycie paliwa, a to zaś ściśle związane jest ze sprawnością przetwarzania energii zawartej w paliwie na pracę pojazdu. Obecnie najważniejszym dla producenta pojazdów bodźcem do prac nad ograniczeniem zużycia paliwa jest rynek, który wymaga przede wszystkim pojazdu oszczędnego w eksploatacji.
W lutym 2007 roku Komisja Komunikacji Parlamentu Europejskiego określiła producentom samochodów osobowych cel dotyczący ograniczenia emisji dwutlenku węgla. Poziom emisji dwutlenku węgla z samochodu osobowego powinien być ograniczony do 120 g/km. Tak więc z jednej strony producenci mobilizowani są do konstruowania aut oszczędnych w eksploatacji, z drugiej strony prawodawca unijny chce pojazdu ekologicznego, zasilanego zróżnicowanymi paliwami. Pozornie są to zbieżne cele. Silnik o zapłonie samoczynnym byłby bardzo sprawny bez układu SCR, który oczyszcza spaliny, ale nie spełniałby norm dotyczących emisji składników toksycznych spalin. Klient więc musi zapłacić za rozwiązanie zapewniające czystsze powietrze. Pytanie jak dużo jest skłonny za to płacić. Odpowiedź wydaje się prosta – tyle ile musi, gdyż w swoich decyzjach kieruje się głównie doraźnymi korzyściami wynikającymi z oszczędności na kosztach paliwa czy też niższymi opłatami za eksploatację pojazdów spełniających standardy EURO.
Jak w tym kontekście przedstawia się zasilanie silników paliwami gazowymi?
Ostatnie lata nie przyniosły rewolucyjnych rozwiązań technicznych, jeśli chodzi o standardowe systemy wtrysku gazu. Na dzisiaj mamy do czynienia z ustabilizowanym rynkiem, na którym funkcjonują sprawdzone instalacje a spektrum samochodów które można skutecznie zaadaptować na paliwo gazowe jest przewidywalny. Warsztaty montujące samochodowe instalacje gazowe mają długoletnią tradycją i doświadczenie. Nie jest zaskoczeniem fakt, że uwaga producentów instalacji gazowych skupiła się na rozszerzeniu grupy aut przystosowanych do zasilania gazem.Pojawiające się nowe rozwiązania są odpowiedzią na rozwój systemów zasilania samochodów, z których na pierwszy plan wychodzi układ bezpośredniego wtrysku benzyny. Mamy na rynku już kilka firm oferujących instalacje do takich układów. Są opracowane skuteczne rozwiązania dotyczące trwałości wtryskiwaczy benzynowych i chociaż odbywa się to kosztem zmniejszenia udziału paliwa LPG, to daje pewność prawidłowego i długotrwałego funkcjonowania auta.
Analizując rozwiązania wtrysku gazu do silników z wtryskiem bezpośrednim, nie sposób uciec od analogii z układami centralnego wtrysku oleju napędowego bezpośrednio do komory spalania. Rozwiązania stosowane od wielu lat w układach common rail znalazły odniesienie również w silnikach ZI (zapłon iskrowy). Występuje też wiele ciekawych rozwiązań połączenia zasilania olejem napędowym z paliwem gazowym LPG oraz CNG i są to rozwiązania znacznie wykraczające poza ogólnie dostępne standardy. Zasilanie dwupaliwowe silnika o zapłonie samoczynnym daje możliwość wykorzystania alternatywnych paliw o niskiej liczbie cetanowej. Jednym z możliwych do wykorzystania paliw alternatywnych, które można zapalać w komorze spalania silnika o ZS dawką pilotującą oleju napędowego jest gaz ziemny (może to być również mieszanina propanu i butanu LPG). Najbardziej znane rozwiązanie dwupaliwowego układu zasilania opracowane zostało przez firmę Westport i dalej rozwijane jest przez firmę Cummins, która wdrożyła koncepcję dwupaliwowego zasilania silnika gazem ziemnym i olejem napędowym w silnikach stosowanych również do pojazdów trakcyjnych. Przykładem jest silnik DFNG 10 umożliwiający wtrysk dawki pilotującej oleju napędowego tuż przed wtryskiem gazu bezpośrednio do cylindra. Takie rozwiązanie układu zasilania zapewnia także smarowanie paliwem elementów końcówki wtryskiwacza. Ta sama koncepcja dwupaliwowego zasilania silnika z zapłonem samoczynnym jest także rozwijana przez koncern MAN.
Opracowana koncepcja dwupaliwowego zasilania silnika gazem ziemnym i olejem napędowym
Na podstawie analizy literatury i własnych doświadczeń zaprojektowany i wykonany został na Wydziale Mechanicznym Politechniki Radomskiej układ zasilania gazem ziemnym i olejem napędowym do silnika ADCR. Dwupaliwowy układ zasilania wykorzystuje dwa niezależne układy paliwowe. Jest również możliwość zasilania gazem LPG. Współpraca tych układów realizowana jest przy wykorzystaniu dwóch modułów sterujących zapewniających dostarczenie obu paliw w wyznaczonych proporcjach do aktualnego zapotrzebowania silnika. W przypadku systemu sterowania wtryskiem gazu CNG zastosowano sterownik Zenit 4 cyl. radomskiej firmy Auto-Gaz Centrum w kompletacji z wtryskiwaczami Keihin. Oprogramowanie sterownika opracowane zostało w dziale technicznym Auto-Gaz Centrum. Takie rozwiązanie wiązało się z adaptacją systemu dwupaliwowego do samochodu eksploatowanego później w warunkach miejskich. Wymogiem prawidłowej pracy silnika była realizacja biegu jałowego oraz zakresu maksymalnych obciążeń jedynie na zasilaniu olejem napędowym. Zastosowany sterownik systemu gazowego stwarzał duże możliwości modyfikacji mieszanki paliwowej.
Podstawowym problemem jaki należy rozwiązać w układzie dwupaliwowego zasilania silnika o zapłonie samoczynnym jest opracowanie metody uzyskania mocy z silnika w różnych stanach jego pracy z wykorzystaniem dwóch paliw. Dotyczy to szczególnie ustalenia wzajemnej proporcji paliw podawanych do cylindra w stanach różnych obciążeń silnika. Istnieje wiele możliwości konfiguracji proporcji podawanych paliw. W pierwszym przypadku można założyć stałą dawkę pilotującą oleju napędowego i wzrost mocy silnika poprzez zwiększanie dawki gazu. Dawka pilotująca może być ustalona na poziomie ok. 5-15% wartości energetycznej obydwu paliw, a wzrost mocy silnika uzyskiwany jest poprzez zwiększenie udziału gazu w mieszance palnej (rozwiązanie raczej zalecane do jednostek napędowych pracujących przy stałych obciążeniach, np. agregaty prądowe). W tym przypadku ze względu na granice palności gazu należy ograniczać ilość powietrza jaka dostaje się do cylindra silnika poprzez zastosowanie przepustnicy powietrza w układzie dolotowym silnika. Może to również mieć wpływ na pracę turbosprężarki, którą można wyposażyć w dodatkowy lub zmodyfikowany układ upustu spalin lub upust powierza za sprężarką.
Kolejny sposób sterowania i dobierania proporcji (udziałów) obu paliw w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń wymaga ustalenia wzajemnych proporcji dla różnych punktów pracy oraz zaprogramowania tych procedur sterujących układami zasilania. Jest to metoda, która obecnie poddawana jest szczegółowej analizie ze względu na możliwość wykorzystania procedur sterowania wtryskiem oleju napędowego do sterowania dawkowaniem paliwa gazowego. W przypadku systemów paliwowych common rail zastosowanie układu dwupaliwowego nie stwarza większych trudności, gdyż dawkowanie gazu może być precyzyjnie realizowane w oparciu o wartość obciążenia silnika. Ma to zastosowanie w wielu rozwiązaniach praktycznych.
Systemy dwupaliwowe są naturalną kontynuacją działań długofalowych, których celem jest osiągnięcie kompromisu pomiędzy oszczędnością a ekologią. Obserwując rozwój tych systemów można zakładać, że wkrótce zasilanie silnika jednocześnie dwoma paliwami stanie się standardowym rozwiązaniem.
inż. Piotr Grabowski
specjalista ds. technicznych Auto-Gaz Centrum
dr inż. Ryszard Wołoszyn
wykładowca na Wydziale Mechanicznym Politechniki Radomskiej im. K. Pułaskiego oraz Politechniki Warszawskiej. Autor wielu rozwiązań technicznych oraz publikacji w zakresie alternatywnych źródeł zasilania silników samochodowych.
Komentarze (0)