olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym
Kłopoty z wyeliminowaniem zjawiska dymienia silników z zapłonem samoczynnym spowodowały, że w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku pojawiło się wiele pomysłów mających na celu wyeliminowanie tego zjawiska.
Było ono szczególnie dotkliwe w autobusach miejskich, których silniki (pracujące w zmiennych i ciężkich warunkach) bardzo często wydzielały znaczne ilości sadzy. Sadza połączona z niespalonymi węglowodorami stanowiła poważne zagrożenie dla zdrowia mieszkańców wielkich miast. Były to czasy, w których na ulicach naszych aglomeracji królowały autobusy Ikarus wyposażone w silniki Raba-MAN, szczególnie podatne na zjawisko dymienia. Częsta wymiana końcówek wtryskiwaczy i regulacja aparatury paliwowej dawały pozytywny efekt w niedługim okresie eksploatacji.
Kłopoty te spowodowały, że różne instytucje prowadziły badania nad innymi sposobami zasilania silników autobusów miejskich. Wśród nich należy wymienić adaptacje silników do zasilania gazem ziemnym (CNG) lub płynnym, co wiązało się z nieodwracalnymi zmianami w silniku o zapłonie samoczynnym, który po takiej modyfikacji stawał się jednostką napędową jednopaliwową z zapłonem iskrowym. Przeróbka silników na zasilanie gazowe była najczęściej wykonywana w ramach naprawy głównej pojazdu (zmiana kratownicy nadwozia, aby pomieścić butle z gazem) i silnika (zmiana układu zasilania). Aby jednak dokonać zmiany układu zasilania, silnik wymagał przede wszystkim zmniejszenia stopnia sprężania, co wiązało się z planowaniem tłoków, zmianami w głowicy (mocowanie świec zapłonowych). Wszystkie te zmiany powodowały trwałe pozbawienie silnika możliwości zasilania olejem napędowym. Podjęte w tamtych latach prace pod kierunkiem profesora Józefa Przybylskiego, prowadzone w Zakładzie Pojazdów Samochodowych Instytutu Transportu Politechniki Śląskiej w Katowicach, doprowadziły do opracowania koncepcji jednoczesnego zasilania silnika olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym. Jest to opracowanie autorskie, którego poszczególne rozwiązania są chronione patentami. Prace rozpoczęte w 1984 roku zaowocowały zamontowaniem układu dwupaliwowego w autobusie Jelcz PR110 z silnikiem Raba-MAN, udostępnionym przez Jelczańskie Zakłady Samochodowe. Prace zrealizowano we współpracy z Wojewódzkim Przedsiębiorstwem Komunikacyjnym w Katowicach.
Układ był bardzo prosty. Jego działanie było oparte na mechnicznym skojarzeniu działania rzędowej pompy wtryskowej i gazowego układu zasilania. Specjalny siłownik zasilany powietrzem z układu pneumatycznego pojazdu stanowił zderzak ograniczający skok listwy zębatej, służącej do regulacji dawki paliwa dostarczanego do silnika. Zablokowanie listwy ograniczało dostarczanie do silnika oleju napędowego. Po osiągnięciu przez listwę sterującą tego położenia następowało również uruchomienie gazowego układu zasilania, który za pomocą mieszalnika w układzie dolotowym dostarczał gaz ziemny do silnika. Oczywiście całkowite wyeliminowanie podawania oleju napędowego było niemożliwe z uwagi na konstrukcję silnika ZS (wysoki stopień sprężania i brak układu zapłonowego), dostarczany do silnika gaz ziemny zapalał się dzięki pilotującej dawce oleju napędowego. W ten sposób ograniczano poprzez podawanie do kanału dolotowego gazu ziemnego zużycie oleju napędowego, a tym samym zjawisko dymienia silników. Również zasilanie silnika w dużym zakresie prędkości obrotowej z przeważającą ilością gazu ziemnego w stosunku do oleju napędowego powodowało zmniejszenie emisji oraz zmniejszenie kosztów użytkowania takiego pojazdu. Badanie eksploatacyjne rozwiązania jednoczesnego zasilania silnika olejem napędowym i gazem ziemnym na trasie około 1000 km (cykl mieszany około 20 proc. miasto i 80 proc. poza miastem) wykazały zużycie oleju napędowego na poziomie 9,5 dm3/100 km oraz gazu ziemnego 22,5 m3/100 km, podczas gdy w tych samych warunkach autobus zasilany olejem napędowym wykazał zużycie 30,5 dm3/100 km. W warunkach typowo miejskich proporcje obu paliw zmieniały się i wynosiły mniej więcej po 50 proc. Zużycie oleju napędowego w tych warunkach znacznie się podnosiło dlatego, że silnik w ten sposób eksploatowany przez długi okres pracuje z prędkością obrotową biegu jałowego, a granicę zasilania za pomocą wyłącznie oleju napędowego wyznaczono na 800 obr./min. Poniżej tej wartości silnik był zasilany tylko olejem napędowym. Badania wykazały, że w przypadku regulacji jakościowej zmniejszenie minimalnego udziału oleju napędowego poniżej 30 proc. ogólnego zużycia paliwa jest niemożliwe. Dalsze zmniejszenie jego zawartości wymaga zastosowania regulacji ilościowej, czyli zastosowania przepustnicy w układzie dolotowym silnika. Ponadto silniki zasilane w ten sposób wykazały znacznie większą elastyczność. Praca jednostki napędowej była bardziej miękka (wolniejsze narastanie ciśnienia w komorze spalania), co z kolei przekładało się na znaczne wyciszenie pracy. Silnik (gazowy układ zasilania) został wyregulowany w sposób zapewniający zwiększenie mocy maksymalnej do 145 kW, podczas gdy seryjna jednostka zasilana olejem napędowym miała 141,3 kW mocy. W taki układ zasilania wyposażono dwa autobusy. Jednym z nich był wspomniany wcześniej Jelcz PR110, który służył jako pojazd badawczy Politechniki Śląskiej, z którego aparaturę zasilającą zdemontowano w 1990 roku, a autobus oddano do zakładów w Jelczu. Drugi egzemplarz to Ikarus, który był eksploatowany z powodzeniem przez komunikację miejską w Katowicach przez 3 lata, a później został sprzedany do przedsiębiorstwa komunikacji miejskiej w Przemyślu.
Prawie seryjny układ, który jest opracowany dla silnika Iveco 2,8 dm3, pracujący na takiej samej zasadzie jednoczesnego zasilania olejem napędowym i CNG, zaprezentowała na targach Forum Gazowe firma Lovato – znany od lat dostawca samochodowych systemów gazowych. Układ zachowuje podstawową zaletę prezentowanego wcześniej rozwiązania Politechniki Śląskiej, czyli silnik cały czas pozostaje jednostką napędową z zapłonem samoczynnym, pracującą według bardzo wydajnego obiegu diesla, zapewniającego znaczną sprawność takiej jednostki napędowej. Ponadto, silnik może w każdej chwili być zasilany wyłącznie olejem napędowym – sam układ Dual Fast, bo tak nazwano najnowsze opracowanie Lovato, to umożliwia. Poza tym układ z powodzeniem może zostać zdemontowany, a silnik cały czas pozostaje pełnosprawnym dieslem. Rozwiązanie to jest rozwinięciem koncepcji zastosowanej przez pracowników Politechniki Śląskiej, w którym przyjęto regulację ilościową (zastosowanie przepustnicy) w zakresie dostarczania mieszanki gazowo-powietrznej do komór spalania. Palna mieszanina gazowo-powietrzna powstaje w kanałach dolotowych, do których jest dostarczany gaz przez sekwencyjnie działające wtryskiwacze. Moment i czas wtrysku jest określany na podstawie odczytu z czujników umieszczonych na silniku (czujnik położenia wału korbowego, czujnik ciśnienia i temperatury powietrza do określenia ilości dostarczanego do silnika powietrza). Odczyty te służą również do sterowania specjalnym silnikiem krokowym ograniczającym dawkowanie pompy wtryskowej. Ilość podawanego do komór spalania oleju napędowego może wynosić od 10 do 100 proc. zapotrzebowania silnika na paliwo. Sterowanie proporcją gaz/olej napędowy odbywa się za pośrednictwem wymienionego wcześniej silnika krokowego w czasie rzeczywistym na podstawie odczytów z czujników na silniku. Oprócz wymiernych korzyści ekonomicznych związanych z ograniczeniem zużycia oleju napędowego, układ przyczynia się również do znacznej redukcji zawartości sadzy w spalinach. Obniżenie zawartości innych składników toksycznych (w szczególności Nox) jest również zasługą obniżenia temperatury spalin. Najważniejszą cechą układu Dual Fast jest brak obniżenia parametrów silnika przy jego zastosowaniu, tak jak ma to miejsce w przypadku adaptacji na zasilanie tylko gazowe. Tak jak w poprzednio opisywanym układzie opracowanym w Katowicach, układ przyczynia się do zwiększenia mocy i momentu obrotowego silnika, których przebieg jest nawet w pewnych zakresach dużo korzystniejszy. Krzywe momentu i mocy są bardziej płaskie. Układ Lovato jest badany od kilku lat, jego zalety w zakresie ekonomiki eksploatacji i redukcji emisji są bezsprzeczne. Jednak silnik jest dwupaliwowy, w którym tylko zasilanie za pomocą oleju napędowego może działać niezależnie.
Stąd, aby notować wspomniane oszczędności, trzeba utrzymywać w dobrym stanie oba układy zasilania z dwoma niezależnymi zbiornikami paliwa, których charakter przechowywania jest zdecydowanie inny. Gaz ziemny, jak wiadomo, wymaga sprężenia do ciśnienia 20 MPa, a co za tym idzie stosowania ciężkich stalowych lub drogich kompozytowych zbiorników. To z pewnością podniesie koszty eksploatacyjne związane z obsługą czy serwisem takiego silnika. Z pewnością takie rozwiązanie może mieć zastosowanie w silnikach starszej generacji, których emisja nie może być ograniczona w inny sposób. I takie rozwiązania są stosowane w Ameryce Północnej (Kanada). Jednoczesne zasilanie olejem napędowym i gazem ziemnym jest tam wykorzystywane w przypadku ciężkich samochodów wyposażonych w silniki starszej generacji z klasycznymi dieslowskimi aparaturami paliwowymi. Natomiast układ nie będzie chyba konkurencją dla najnowocześniejszych silników ZS, których parametry osiągnęły taki poziom, że dalsza komplikacja układu zasilania jest bezcelowa, a oszczędności z tym związane w porównaniu z nakładami niewielkie. Generalnie należy stwierdzić, że lepszym rozwiązaniem, pomimo nieodwracalnych zmian, w konstrukcji silnika jest jego adaptacja na zasilanie gazowe i takie rozwiązanie jest także oferowane seryjnie w silniku Iveco 2,8 dm3 (który także konstrukcyjnie bazuje na jednostce ZS). Silnik ma jeden układ paliwowy, układ zasilania jest mniej skomplikowany, a przy zaprojektowaniu silnika od początku do zasilania CNG można w pełni wykorzystać parametry tego paliwa, dostosowując parametry jednostki napędowej i układu sterowania. Układ jednopaliwowy ma oczywiście pełne uzasadnienie w przypadku dobrze rozwiniętej sieci stacji sprężania gazu ziemnego, co w naszym kraju jeszcze nie ma miejsca. Stąd oferowany przez Iveco Polska Daily CNG doczekał się już adaptacji na zasilanie LPG, tzn. podobnie jak w silnikach benzynowych zamontowano alternatywny układ zasilania LPG. Rozwiązanie z punktu widzenia funkcjonalnego jest jak najbardziej pożądane z uwagi na słabo rozwiniętą infrastrukturę do tankowania CNG. Jednak pomysłodawcy nie wzięli pod uwagę zupełnie innych własności CNG, do którego została dostosowana elektronika sterująca (zupełnie innej mapa zapłonu). Dlatego elektronika sterująca w tych silnikach przy zasilaniu LPG, chcąc skorygować sterowanie silnika do zasilania paliwem o zupełnie innych właściwościach, bardzo szybko wychodzi poza granice autoadaptacji, co kończy się przejściem układu zasilania w tryb awaryjny i kłopotami związanymi z koniecznością wizyty w serwisie. Zatem po raz kolejny potwierdza się, że szczególnie układy CNG skojarzone z alternatywnymi lub jednoczesnymi układami zasilania paliwami ropopochodnymi w dłuższym czasie mogą powodować pewne kłopoty techniczne związane z ich funkcjonowaniem, chociaż zalety układu jednoczesnego zasilania olejem napędowym i gazem ziemnym w pewnych warunkach eksploatacji (jazda pozamiejska), w silnikach starszej generacji są niezaprzeczalne.
Komentarze (0)