Kierunki prac w zakresie poprawy właściwości użytkowych gazów płynnych

Rosnące ceny tradycyjnych paliw silnikowych zmuszają użytkowników samochodów do poszukiwania
alternatywnych źródeł zasilania swoich pojazdów. Najbardziej rozpowszechnionym paliwem alternatywnym jest mieszanina propan-butan.

Zainteresowanie tego rodzaju paliwem wynika przede wszystkim ze względów ekonomicznych (zmniejszenie wydatku na zakup paliwa o około 45%) oraz ekologicznych. Stosowanie gazu propan-butan do zasilania silników z zapłonem iskrowym w porównaniu z benzyną powoduje uzyskanie zdecydowanie niższej emisji toksycznych składników spalin do atmosfery. Masowe zainteresowanie paliwem gazowym LPG w Polsce występuje od kilku lat, ale w krajach takich jak Włochy czy Holandia jest powszechnie stosowane od kilkudziesięciu lat. W chwili obecnej we wszystkich krajach świata użytkowanych jest ponad 4,5 mln samochodów napędzanych gazem LPG. W Polsce eksploatowanych jest ponad 1,4 mln samochodów, gdzie dalszy rozwój „autogazu” zależeć będzie od regulacji fiskalnych Ministerstwa Finansów.
Strukturę zużycia gazu płynnego LPG w kraju w 2003/2004 roku przedstawiono na rys. 1;

są to dane szacunkowe, które ulegają ciągłym zmianom.

Właściwości fizykochemiczne gazu propan-butan
Zapotrzebowanie na gaz płynny LPG w Polsce jest w ok. 84% pokrywane z importu, zwłaszcza zza wschodniej granicy. Kilkanaście procent tego zapotrzebowania zaspakajają krajowe rafinerie, przede wszystkim PKN ORLEN i LOTOS.
W zależności od kraju jakość dostaw gazu LPG do Polski była określana różnymi specyfikacjami. Do niedawna obowiązywały dwie specyfikacje dla gazów skroplonych C3C4: PN-C-96008 i PN-C-96000.
Norma PN-C-96008 dotyczy gazów C3C4 stosowanych jako:
- podstawowy surowiec do dalszej przeróbki chemicznej;
- gaz opałowy dla przemysłu i gospodarstw domowych oraz turystyki;
- paliwo do celów oświetleniowych;
- dodatek do paliw płynnych (benzyn silnikowych) – podniesienie prężności.
Pozostała określa właściwości fizykochemiczne gazów płynnych LPG jako nośnika napędu pojazdów samochodowych. Według specyfikacji PN-C-96000 istotną rolę w ocenie tego nośnika odgrywa procentowy udział molowy propanu do butanu będący podstawowym składnikiem gazu. Norma ta dopuszczała szeroki zakres tolerancji tych udziałów w gazie dla określonej pory roku – rys. 2.

W przypadku silników spalinowych o zapłonie iskrowym (ZI) zmiana procentowego udziału molowego propanu do butanu w gazie LPG, zwłaszcza w okresie zimy, ma istotny wpływ na jego temperaturę wrzenia, rozruch silnika, jak równie na zapotrzebowanie powietrza w procesie spalania.
Obecnie podstawowym dokumentem określającym wymagane właściwości fizykochemiczne gazu LPG propanu-butanu jako źródła napędowego pojazdów samochodowych jest wprowadzona w 2003 roku norma PN-EN589. Wprowadzone wymagania to:
- minimalna wartość liczby oktanowej motorowej;
- zawartość metanolu (używanego do odwadniania);
- ograniczona zawartość drenów, siarki i siarkowodoru w paliwie;
- działania korodującego paliwa na miedź;
- ograniczenia pozostałości po odparowaniu;
- ograniczeniu występowania wody w paliwie;
- prężność par paliwa.
Określono cztery gatunki paliwa LPG oznaczone jako A, B, C i D różniące się temperaturą, w której utrzymywana jest minimalna prężność par paliwa na poziomie 150 kPa.
W tab. 1 i na rys. 3 przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych wybranych właściwości fizykochemicznych gazu LPG wg normy PN-EN 589.

Właściwości eksploatacyjne gazu płynnego LPG
Istotnymi właściwościami fizykochemicznymi gazu płynnego propan-butan rzutującego na pracę silnika są:
- skład chemiczny;
- prężność par paliwa;
- ciepło właściwe;
- gęstość;
- ciepło spalania i wartość opałowa;
- liczba oktanowa;
- stała stechiometryczna paliwa;
- prędkość spalania.
Poznanie wyżej wymienionych właściwości jest istotne dla lepszego zrozumienia takich zagadnień jak bezpieczeństwo użytkowania i prawidłowa eksploatacja samochodu wyposażonego w układ zasilania gazem LPG oraz jego wpływ na parametry eksploatacyjne.
Miarą jakości gazu LPG jest ilość energii wydzielającej się podczas spalania paliwa. Do jej oceny najczęściej stosuje się wartość opałową zdefiniowaną jako ciepło spalania pomniejszone o ciepło parowania pary wodnej znajdującej się w spalinach.W tab. 2 zamieszczono wartość opałową płynnego gazu LPG dla różnej procentowej zawartości propanu do butanu oraz dla porównania wartość opałową benzyny.
Na rysunku 4 przedstawiono wartość opałową gazu propan-butan pochodzącego z produkcji krajowej i z importu.
Istotnym wskaźnikiem stanowiącym miarę odporności paliwa gzowego LPG na spalanie stukowe w silniku o zapłonie iskrowym jest liczba oktanowa. Liczba oktanowa motorowa (LOM) paliwa LPG jest zależna od właściwości jego komponentów (składu węglowodorowego) oraz ich zawartości w paliwie.
W tablicy 3 zamieszczono liczbę oktanową badawczą (LOB) i motorową (LOM) węglowodorów występujących w paliwie LPG oraz dla porównania benzyny silnikowej 95.
Natomiast na rysunku 5 przedstawiono liczbę oktanową gazu LPG pochodzącą z produkcji krajowej i z importu.
Sprawność i ekonomiczność pracy silnika gazowego zależy od składu węglowodorowego mieszaniny propanu-butanu i związanego z nią wartością energetyczną – tab. 1 oraz zastosowanych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych systemów zasilania silników gazem LPG.
Mieszanina propanu i butanu z powodu większego udziału masowego wodoru ma ok. 10% większą niż benzyna wartość opałową odniesioną do 1 kg masy. W stanie skroplonym jego gęstość jest o ok. 30% mniejsza niż benzyny. Dlatego też wartość opałowa odniesiona do 1 dm3 jest aż o ok. 20% mniejsza niż benzyny. Oznacza to – zakładając, że sprawność energetyczna składnika przy zasilaniu porównywalnymi paliwami jest jednakowa - że zużycie skroplonego gazu LPG wyrażone w kg/100 km jest o ok. 10% mniejsze, zaś wyrażone w dm3/100 km jest o ok. 20% większe niż zużycie benzyny wyrażone w tych samych jednostkach. Dla zapewnienia jednakowego przebiegu pojazdu bez tankowania wymaga ok. 20% większej pojemności zbiornika paliwa w przypadku LPG niż benzyny.
Wartość mieszanki z powietrzem o składzie teoretycznym (stechiometrycznym) LPG jest o ok. 3% mniejsza niż benzyny. Wynika stąd proporcjonalne zmniejszenie mocy silnika (zakładając, że sprawność energetyczna silnika przy zasilaniu obydwoma paliwami jest jednakowa). W rzeczywistości uwzględniając ponadto zmniejszenie stopnia napełnienia cylindrów przy zasilaniu LPG uzyskuje się zmniejszenie mocy silnika o ponad 10%. Wartości podawane w literaturze wykazują znaczne rozbieżności od 10 do nawet 20%, co wynika z indywidualnych cech silników, warunków odparowania benzyny zassanej wraz z powietrzem do silnika oraz właściwości i regulacji układu zasilania.

Cechy paliwa gazowego propan-butan
Gaz propan-butan spełniający wymagania normy PN-EN 589 można uznać za paliwo silnikowe.
Głównymi zaletami paliwa gazowego LPG z punktu widzenia jego przydatności do zasilania silników pojazdów samochodowych są:
- wysoka liczba oktanowa badawcza w granicach 89÷108 jednostek (zależnie od składu węglowodorowego);
- możliwość stosowania większego stopnia sprężania w silniku w przypadku instalacji jednopaliwowej (tylko gazowej) zainstalowanej przez producenta samochodu;
- łatwość mieszania się paliwa gazowego z powietrzem, wskutek czego mieszankę napływającą do cylindrów cechuje duża jednorodność, co pozwala na uniknięcie wahań ciśnień w procesie spalania oraz zapewnienie w miarę równomiernych obciążeń cieplnych cylindrów silnika;
- paliwo gazowe spala się w miarę czysto – procesowi temu towarzyszy znikoma ilości osadów w komorze spalania;
- nie ma obawy rozcieńczenia oleju silnikowego;
- zmniejszony poziom emisji toksycznych składników spalin.
Paliwo to mimo wielu zalet nie jest pozbawione również cech niedoskonałości jak: brak efektu chłodzenia zaworów ssących mieszanką gazowo-powietrzną, wyższe średnie temperatury spalania w silniku, wyższe zużycie eksploatacyjne gazu LPG w dm3/100 km w pojeździe samochodowym w porównaniu z benzyną, mniejsza moc oraz moment obrotowy silnika. W praktyce eksploatacyjnej część tych niedoskonałości próbuje się zrekompensować rozwojem systemów zasilania gazem zwłaszcza IV generacji – sekwencyjny wtrysk gazu LPG w fazie lotnej lub ciekłej.
Należy podkreślić, że gaz płynny LPG w porównaniu z innymi dostępnymi surowcami energetycznymi jest paliwem w miarę czystym, lecz nie pozbawiony zanieczyszczeń. Podstawowymi zanieczyszczeniami są:
- ciężkie frakcje (oleju mineralnego);
- węglowodory o dłuższych łańcuchach (pętany, penteny i wyższe C5);
- woda.
Eksploatacja samochodów napędzanych gazem LPG niesie za sobą możliwość wytrącania się osadów w instalacji gazowej, zwłaszcza w obszarze reduktora.
Źródła tych osadów należy upatrywać w niskiej jakości paliwa gazowego LPG, zwłaszcza obecności zanieczyszczeń, takich jak: ciężkie frakcje oleju mineralnego. W celu poprawy właściwości użytkowych gazu, w tym ograniczenia osadów w reduktorze wprowadzono do sprzedaży dodatki uszlachetniające. W skład takiego pakietu dodatków uszlachetniających wchodzą: emulgator, środek powierzchniowo czynny i inne.
Zadaniem emulgatora jest zmiękczenie, a następnie stopniowa likwidacja tych osadów w okresie eksploatacji. Ponadto pakiet ten utrzymuje w zawiesinie nierozpuszczalne związki, przez co ciężkie frakcje przechodzą przez parownik, a następnie są spalane w silniku i wydalane z gazami spalinowymi. Według opinii producentów pakiet ten nie zawiera związków metali oraz niebezpiecznych rozpuszczalników, które same w sobie stanowiłyby zagrożenie dla środowiska naturalnego.
Wielkim niebezpieczeństwem użytkowników pojazdów samochodowych napędzanych gazem LPG jest pojawiająca się obecność wody w paliwie, zwłaszcza w okresie zimy. Dotychczas jedynym potencjalnym działaniem w tym zakresie jest wzmożona kontrola gazu LPG oraz eliminowanie wody przez dodanie odpowiedniej ilości metanu. Działania te w wielu przypadkach są niewystarczające z uwagi na skoncentrowaną masę wody i ciężką frakcję zanieczyszczeń na dnie zbiornika. Sytuacja ta prowadzi na ogół do unieruchomienia silnika.
Skutecznym sposobem dla przeciwdziałania takiego stanu jest wprowadzenie odpowiedniej porcji środka powierzchniowo-czynnego, który wywołuje najpierw wiązanie się wody i innych zanieczyszczeń, tworząc cząsteczki koloidalne ułatwiające odparowanie gazu, a tym samym i rozruch silnika.
Według opinii producentów pakietów dodatków uszlachetniających do gazu LPG istnieje również możliwość uzyskania również poprawy procesu spalania paliwa, smarowania zaworów ssących silnika oraz obniżenia emisji toksycznych składników spalin. Należy podkreślić, że wydatki związane z zakupem tego specyfiku są niewielkie i nie przekraczają ułamka procenta wartości ceny gazu LPG.
Istotnym zagadnieniem dotyczącym zasilania silników gazem LPG jest mechanizm formułowania się osadów wewnątrz wtryskiwaczy. Według osady te tworzą się w wyniku utleniania paliwa, co prowadzi do reakcji polimeryzacji, która z kolei rzutuje na wysokie stężenie siarki. Składniki siarkowe mogą wówczas odgrywać znaczącą rolę w mechanizmie formowania chemicznych osadów.
Aby przybliżyć ten problem pracownicy naukowi uniwersytetu Windsor przeprowadzili badania eksploatacyjne czterech paliw gazowych LPG z wykorzystaniem samochodów Doge Ram, wyposażonych w silniki o pojemności 5.2 dm3 V 8.
Badane paliwo gazowe odpowiednio sklasyfikowano:
- paliwo wysokiej częstotliwości – nisko siarkowy gaz LPG („Fuel V”);
- powszechni dostępne paliwo LPG („Ful H”);
- powszechne dostępne paliwo LPG z dodatkiem antyosadowym C („Fuel C”);
- powszechnie dostępne paliwo LPG z dodatkiem antyosadowym V („Fuel V”).
Badania eksploatacyjne przeprowadzono na ściśle określonej trasie obejmującej jazdę miejską i autostradową, ze średnią prędkością ok. 55 km/h.
Po zakończeniu przebiegów eksploatacyjnych, zdemontowano wtryskiwacze i sporządzono dokumentacje fotograficzną zanieczyszczeń iglic wtryskiwaczy oraz przeprowadzono ocenę jakościową i wagową. Najmniejszą ilość osadów stwierdzono na iglicy wtryskiwaczy silnika zasilanego powszechnie dostępnym paliwem LPG z dodatkiem antyosadowym C („Fuel C”).
Specyficzne właściwości paliw gazowych LPG w stosunku do benzyny i olejów napędowych powodują szereg różnic w procesie spalania oraz smarowania elementów silnika gazowego, a zatem odmienny wpływ na jego trwałość (zużycie).
Poprawę parametrów roboczych silników gazowych i ich trwałość należy upatrywać przede wszystkim w zmianach jakościowych paliwa LPG, aby spełniało normę PN-EN 589 i w rozwoju systemów zasilania gazem LPG (sekwencyjny wtrysk gazu w fazie lotnej i ciekłej).
Pojawiające się informacje medialne producentów i dystrybutorów pakietu dodatków uszlachetniających do gazu LPG, w zakresie poprawy właściwości użytkowych i trwałości silnika, wymagają potwierdzenia tej oceny w badaniach laboratoryjnych, testach silnikowych oraz eksploatacyjnych w warunkach krajowych.

Rys. 1. Struktura zużycia gazu płynnego LPG w kraju w 2003/2004 roku.

Rys. 2. Procentowy udział molowy propanu do butanu w LPG dla dwóch badanych próbek (1 i 2) okresu zimowego na polskim rynku.

Rys. 3. Graficzna ilustracja udziału składników węglowodorowych gazu propan-butan w kształtowaniu wartości opałowej paliwa.

Rys. 4. Wartość opałowa próbek gazu płynnego propan-butan produkcji krajowej i z importu w latach 1996-1997.


Tablica 1: Skład węglowodorowy gazu propan-butan i wyniki oznaczeń wartości opałowej, liczby oktanowej, gęstości i prężności par.

Tablica 2. Wartość opałowa płynnego gazu LPG dla różnej procentowej zawartości propanu do butanu.

Tablica 3: Liczba oktanowa związków wchodzących w skład gazu LPG.

Janusz Jakóbiec
Aleksander Mazanek
Instytut Technologii Nafty - Kraków