Diagnostyka

Warunki techniczne, którym powinien odpowiadać samochód przystosowany do zasilania gazem, są w znacznym stopniu określone właściwościami fizykochemicznymi paliwa. Pojazdy zasilane gazem podlegają obowiązkowi corocznego okresowego badania technicznego na stacji kontroli pojazdów. Prawidłowa realizacja badania takiego pojazdu wymaga od diagnosty odpowiedniej wiedzy i umiejętności, umożliwiających nie tylko ocenę prawidłowości zabudowy aparatury zasilającej, ale również bezpiecznego i poprawnego jej działania.

1. Właściwości paliw gazowych i silników zasilanych gazem
Systemy zasilania gazem silników spalinowych są bardzo popularne. Niska cena tego paliwa zmniejsza koszt eksploatacji samochodu. Paliwa gazowe charakteryzują się też niższą emisją toksycznych składników spalin.
Ze względu na sposób magazynowania rozróżnia się dwa rodzaje paliw gazowych: gazy skroplone i gazy sprężone. Dla paliw płynnych uzyskuje się dużą koncentrację energii, dlatego korzystnym rozwiązaniem może być skroplenie. Jeżeli gaz występuje w postaci lotnej, to po sprężeniu otrzymuje się wystarczającą ilość energii w małej objętości.
Po uwzględnieniu właściwości paliw gazowych, łatwości ich otrzymywania i możliwości prawidłowego spalania w silniku tylko niektóre z nich stosuje się jako paliwa silnikowe. Za alternatywne dla benzyny i oleju napędowego uznaje się następujące paliwa gazowe:

• z gazów skroplonych – mieszaninę propanu i butanu (LPG) oraz skroplony metan (LNG) i skroplony wodór (ograniczony zakres stosowania);
• z gazów sprężonych – metan (CNG) i wodór. 

Spośród wymienionych paliw gazowych do zasilania silników spalinowych najczęściej wykorzystuje się mieszaninę propanu i butanu (LPG) oraz rzadziej metan (CNG i LNG).
Propan i butan są gazami, które łatwo skroplić. W temperaturze otoczenia i przy ciśnieniu atmosferycznym znajdują się w stanie gazowym. Niewielkie jego zwiększenie powoduje ich przejście w stan ciekły. LPG jest cięższy od powietrza i gromadzi się przy podłożu. Należy unikać jego wdychania z powodu właściwości znieczulających. W kontakcie ze skórą może powodować odmrożenia (ze względu na dużą szybkość parowania). W razie wycieku tworzy łatwo palną i nietrującą mgiełkę. Charakterystyczną cechą LPG jest duży współczynnik rozszerzalności cieplnej. Dlatego zbiornik można napełniać płynną mieszaniną tylko do 80% jego objętości całkowitej.

Gaz ziemny sprężony (CNG) charakteryzuje się małą gęstością energii w jednostce objętości (pomimo sprężenia do ciśnienia ok. 20 MPa), co wymusza stosowanie zbiorników o dużej objętości i masie. Do pozytywnych cech metanu należą: wysoka liczba oktanowa, szeroki zakres zapalności i wysoka temperatura samozapłonu, a także mała emisja związków toksycznych w spalinach silnika nim zasilanego. Gaz ziemny jest lżejszy od powietrza i nie zalega przy podłożu (możliwość parkowania pojazdu w garażach podziemnych).
Podczas skraplania gaz ziemny jest oziębiany do temperatury około -1620C, a jego objętość zmniejsza się prawie 630 razy. Dzięki temu gęstość energii gazu skroplonego LNG jest bardzo wysoka. Wadą tego paliwa jest utrudnione przechowywanie (specjalne i drogie zbiorniki kriogeniczne).

Do oceny właściwości fizykochemicznych paliw gazowych stosuje się następujące parametry:

• wartość opałowa mieszanki paliwowo-powietrznej – ilość energii chemicznej zawartej w jednostce objętości mieszaniny gazu i powietrza o składzie stechiometrycznym;
• współczynnik nadmiaru powietrza (λ) – określa ilość rzeczywistego powietrza w stosunku do ilości teoretycznie potrzebnej do całkowitego i zupełnego spalania;
• liczba oktanowa – odporność paliwa na detonację i spalanie stukowe;
• szybkość spalania laminarnego mieszaniny o określonym składzie (λ);
• temperatura zapłonu,
• granica zapalności i granica wybuchowości, które związane są z wymienionymi parametrami.

Wybrane właściwości fizykochemiczne metanu, LPG, wodoru i benzyny zostały zaprezentowane w tabeli 1.
Duży wpływ na moc silnika ma wartość opałowa mieszanki paliwowo-powietrznej o składzie stechiometrycznym (λ = 1). Mniejsza wartość takiej mieszanki powoduje spadek mocy silnika zasilanego gazem.
Zaletą paliw gazowych jest wysoka liczba oktanowa (powyżej 100). Pozwala to na zwiększenie stopnia sprężania i mocy silnika. Pełne wykorzystanie właściwości tego paliwa możliwe jest w silnikach zaprojektowanych tylko do zasilania gazem (wyższy stopień sprężania, zmieniona konstrukcja układu dolotowego). W praktyce rezygnuje się z wykorzystania pełnych zalet paliwa gazowego w silnikach spalinowych zaprojektowanych do zasilania benzyną. Takie rozwiązanie powoduje straty mocy silnika benzynowego zasilanego gazem i zwiększa zużycie gazu.
Paliwa gazowe (LPG i CNG) charakteryzują większa efektywność spalania, wolniejsze spalanie (wzrost temperatury spalin, możliwość cofania się płomienia) oraz wyższa energia zapłonu.
Pełne wykorzystanie zalet paliwa gazowego umożliwiają nowoczesne układy zasilania, w których wykorzystuje się wtrysk paliwa (analogicznie do wtrysku benzyny). Takie rozwiązanie pozwala na optymalizację zarówno położenia wału korbowego (otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza), jak i zapłonu mieszanki.
Podstawowymi zaletami pojazdu samochodowego zasilanego gazem są: niższy koszt paliwa, mniejsza emisja toksycznych składników spalin, wydłużenie czasu eksploatacji oleju silnikowego (brak rozcieńczania) i większa trwałość silnika (brak osadów, brak zmywania oleju ze ścianek cylindra). Do głównych wad tego rozwiązania należą natomiast: koszt zakupu i zabudowy instalacji zasilania, możliwy niewielki spadek mocy silnika i prędkości maksymalnej (nie dotyczy wtrysku ciekłego gazu) oraz niewielki wzrost zużycia gazu w porównaniu do benzyny.

2. Budowa i zasada działania instalacji zasilania gazem
Systemy zasilania paliwami gazowymi zależą od rodzaju układu zasilania silników spalinowych i dzielą się na:

• klasyczne (mieszalnikowe) bez regulacji przepływu gazu (I generacja) lub z regulacją przepływu gazu (II generacja), 
• nadciśnieniowe – zasilane fazą gazową w sposób ciągły przez dysze (III generacja) lub sekwencyjnie przez wtryskiwacze (IV generacja),
• wtryskowe – wtrysk fazy ciekłej gazu (V generacja).

Obecnie w naszym kraju najbardziej rozpowszechniony jest system zasilania nadciśnieniowego z wtryskiwaczami elektromagnetycznymi (IV generacja).

Tabela 1. Wybrane właściwości fizykochemiczne metanu, LPG, wodoru i benzyny

2.1. Klasyczny system zasilania gazem
Budowę klasycznego (mieszalnikowego) systemu zasilania silnika gazem LPG przedstawiono na rys. 1. Wlew paliwa umożliwia napełnienie zbiornika gazem płynnym. Połączenie wlewu paliwa z osprzętem zbiornika przewodem giętkim lub miedzianą rurką pozwala na napełnienie zbiornika do 80% jego objętości. Ze zbiornika przez osprzęt gaz przepływa do elektrozaworu odcinającego i po jego otwarciu do reduktora-parownika. Po odparowaniu dostarczany jest do mieszalnika, gdzie następuje jego wymieszanie z powietrzem zasysanym przez silnik. W instalacji I generacji ilość gazu zasilającego silnik zależy od podciśnienia panującego w układzie dolotowym. System jest przeznaczony do stosowania w silnikach z gaźnikowymi lub wtryskowymi (bez sondy lambda i katalizatora) układami zasilania.
W silnikach z wtryskiem paliwa wyposażonych w sondę λ i katalizator stosuje się instalacje II generacji z elektronicznym sterowaniem przepływu gazu. Między reduktorem a mieszalnikiem umieszcza się elektroniczny regulator przepływu gazu. Do prawidłowego działania systemu regulacji wykorzystuje się sygnały prędkości obrotowej silnika, zawartości tlenu w spalinach i obciążenia silnika (położenia przepustnicy). Odpowiedni algorytm przetwarza te informacje i umożliwia właściwe ustawienie regulatora przepływu gazu.
Osprzęt zespolony zbiornika (wielozawór) powinien obowiązkowo zawierać (rys. 2): wskaźnik poziomu paliwa, zawór ograniczający napełnienie zbiornika, zawór ograniczający nadmierny wypływ ze zbiornika, urządzenie zabezpieczające przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, zawór zwrotny, elektromagnetyczny zawór odcinający wypływ gazu ze zbiornika. Zbiornik dostarczany jest z ramką i zestawem montażowym, które muszą spełniać ściśle określone wymagania dotyczące obciążeń wzdłużnych i poprzecznych.

2.2. Systemy zasilania nadciśnieniowego
Nadciśnieniowy system zasilania silnika gazem ma budowę podobną do układu wtryskowego benzyny. Instalacje zasilające nie zawierają mieszalnika. Systemy zasilania gazem III generacji umożliwiają ciągłe dostarczanie lotnego gazu w pobliżu zaworów dolotowych silnika (za pomocą dysz i zaworów jednokierunkowych). Taki rodzaj instalacji stosuje się w silnikach z wielopunktowym, sterowanym elektronicznie wtryskiem benzyny (z sondą lambda i katalizatorem).
Nowoczesnym i często obecnie występującym rozwiązaniem konstrukcyjnym jest instalacja nadciśnieniowa IV generacji (rys. 3) z sekwencyjnym wtryskiem gazu w postaci lotnej (odparowanej). Stosowana jest ona do silników z wielopunktowym wtryskiem benzyny wyposażonych w sondę λ, katalizator i system diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD. Gaz dostarczany jest oddzielnie dla każdego cylindra przez elektrycznie sterowane wtryskiwacze gazu (umieszczone blisko wtryskiwaczy benzyny). Do sterowania wtryskiwaczami gazu wykorzystuje się oryginalne sygnały sterujące wtryskiwaczami benzyny. Komputer na podstawie sygnałów sterujących wtryskiwaczami benzyny ustala czas otwarcia wtryskiwaczy gazu oddzielnie dla każdego cylindra. Programy sterujące dobierane są do określonego typu silnika. Parametry pracy silnika zasilanego gazem są porównywalne do parametrów uzyskiwanych przy zasilaniu benzyną.
System każdorazowo uruchamia silnik na benzynie (w celu poprawnej pracy elementów hydraulicznych). Po osiągnięciu wymaganej temperatury pracy silnika następuje samoczynne przełączenie na zasilanie gazem. W odróżnieniu od systemu klasycznego odparowany gaz jest wtryskiwany blisko zaworów dolotowych (precyzyjniejsze dawkowanie, nie występuje cofanie się płomienia). Zastosowanie algorytmów sterowania gazem o logice zbliżonej do układów benzynowych powoduje obniżenie zużycia gazu, emisji toksycznych składników spalin i wzrost osiągów silników. Układ zasilania nie wymaga specjalnych regulacji. Charakterystykę urządzenia sterującego programuje się za pośrednictwem komputera podczas samoadaptacji.

2.3. Systemy wtrysku gazu ciekłego
Instalacje wtrysku gazu ciekłego (V generacji) nie zawierają parownika. Istotną cechą tej konstrukcji jest umieszczenie wszystkich urządzeń wewnątrz zbiornika (z wyjątkiem wtryskiwaczy i regulatora ciśnienia), co ułatwia ich zabudowę w komorze silnika. W odróżnieniu od instalacji IV generacji paliwo gazowe jest podawane do silnika w fazie płynnej. Instalacje te przeznaczone są do silników z wielopunktowym wtryskiem benzyny wyposażonych w sondę λ, katalizator oraz system diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD. Znanymi producentami systemów wtrysku gazu ciekłego są holenderskie firmy Prins i Vialle.
Schemat instalacji gazowej V generacji LPi firmy Vialle do silników z pośrednim wtryskiem benzyny przedstawiono na rys. 4. Po włączeniu pompy gazu i otwarciu elektrozaworu zbiornika ciekły gaz przepływa przewodem zasilającym do regulatora ciśnienia. Następnie dostarczany jest przewodem elastycznym do wtryskiwaczy umieszczonych w kolektorze w pobliżu zaworów dolotowych. Ciekły gaz wtryśnięty do kolektora dolotowego odparowuje w strudze przepływającego powietrza, powodując schłodzenie ładunku i zwiększenie napełnienia cylindrów. Nadmiar gazu wraca do zbiornika przewodem powrotnym. Do sterowania wtryskiem gazu wykorzystuje się sygnały sterujące wtryskiwaczami benzyny. Głównymi elementami wchodzącymi w skład instalacji wtrysku gazu płynnego są:

• pompa gazu z wielozaworem umieszczona w zbiorniku – tłoczy ciekły gaz do dalszej części instalacji, zwiększając jego ciśnienie powyżej ciśnienia występującego w zbiorniku. Jest wyposażona w zabezpieczający zawór przelewowy. W kołnierzu pompy umieszcza się wielozawór, będący zespołem zaworów zespolonych, stanowiących wraz z zaworem tankowania osprzęt zbiornika;
• regulator ciśnienia – utrzymuje ciśnienie w instalacji powyżej ciśnienia panującego w zbiorniku. W regulatorze umieszczono elektrozawór, który otwiera i zamyka przepływ gazu do dalszej części instalacji;
• sterownik gazu – przetwarza sygnały służące do uruchamiania wtryskiwaczy benzynowych (generowane przez sterownik zasilania benzyną) stosownie do właściwości paliwa gazowego i steruje otwieraniem wtryskiwaczy gazowych. Oprócz tego steruje pracą innych elementów instalacji (pompa gazu, elektrozawory) oraz przełącza silnik na zasilanie benzynowe po wyczerpaniu zapasu gazu w zbiorniku.

Producenci oferują również instalacje wtrysku gazu ciekłego (V generacji) do silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny (rys. 5). Paliwo gazowe wtryskiwane jest bezpośrednio do komory spalania. Wtryskiwacz benzynowy jest wykorzystany także do dawkowania gazu, co umożliwia jego chłodzenie i oczyszczanie bez konieczności zużywania benzyny. Oznacza to, że system bezpośredniego wtrysku gazu płynnego pozwala na zasilanie silnika wyłącznie gazem.
Systemy wtrysku gazu w postaci ciekłej gwarantują precyzyjne przygotowanie mieszanki i kontrolę jej składu, co skutkuje poprawą skuteczności działania katalizatora. Zapewniają całkowitą zgodność z wymaganiami standardu OBD oraz pełną niezależność sterowania dawką paliwa, fazą wtrysku i kątem wyprzedzenia zapłonu. Możliwa jest wymiana danych między urządzeniami sterującymi za pomocą protokołów CAN. Moc silnika jest identyczna dla obu rodzajów paliwa. Uzyskuje się dozowanie gazu równie precyzyjne jak w najnowszych układach wtrysku benzyny oraz możliwość stosowania zasilania gazowego w silnikach turbodoładowanych.

Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (Dz.U. z 2016 r., poz. 2022, z późn. zm.).
2. Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 26 czerwca 2012 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach (Dz.U. z 2015 r., poz. 776, z późn. zm.).
3. Flekiewicz M: Instalacje zasilania gazem. „Poradnik Serwisowy” 1/2004.