Rozważania w zakresie oceny eksploatacyjnej

Cechy charakterystyczne płynnych paliw gazowych LPG
Głównymi zaletami paliw gazowych z punktu widzenia ich przydatności do zasilania silników pojazdów samochodowych są:
- wysoka liczba oktanowa zawarta w granicach 89-110 jednostek; w przypadku gdy LPG spełnia wymagania normy europejskiej EN:589;1993;
- łatwość mieszania się paliwa gazowego z powietrzem, wskutek czego mieszankę napływającą do cylindrów cechuje znaczna jednorodność, co zapewnia jednakowe obciążenia cieplne wszystkich cylindrów;
- paliwo gazowe spala się bardzo czysto (procesowi temu nie towarzyszy tworzenie się osadów w komorze spalania);
- istnieje możliwość stosowania większego stopnia sprężania w silniku w przypadku instalacji jednoprzewodowej (tylko gazowej) przez producenta samochodu;
- nie ma obawy rozcieńczania oleju smarującego;
- znaczne zmniejszenie zawartości składników toksycznych w spalinach.
Dlatego też z punktu widzenia napędu silnika samochodowego paliwo to można uważać za paliwo lepsze niż paliwa konwencjonalne, chociaż niepozbawione też cech „niedoskonałości”, jak:
- brak efektu chłodzenia zaworów ssących mieszanką gazowo-powietrzną (szybko odparowuje);
- wyższa temperatura spalania paliwa LPG w komorze silnika;
- w przypadku zachowania w silniku tego samego stopnia sprężania co dla benzyny występuje zmniejszenie mocy silnika rzędu 10-15 proc. i momentu obrotowego około 10 proc.;
- wyższe zużycie eksploatacyjne paliwa gazowego LPG [w dm3/100 km] o około 20-25 proc. w porównaniu do benzyny;
- prędkość maksymalna samochodu obniża się o 2 do 7 [km/h] w stosunku do zasilania benzyną;
- dodatkowa masa instalacji gazowej zwiększa masę użytkową pojazdu, a objętość butli wpływa często na ograniczenie efektywnej objętości przestrzeni ładunkowej samochodu.
Gaz propan-butan uważane za paliwo w miarę czyste, niepozbawione jednak zanieczyszczeń. Do podstawowych zanieczyszczeń należy zaliczyć:
- ciężkie frakcje (oleju);
- węglowodory o dłuższych łańcuchach (penteny i wyższe C5);
- woda.
Obecność ciężkich frakcji oleju smarującego w paliwie LPG pogarsza odparowanie fazy gazowej LPG, powoduje osadzanie się smolistych substancji w instalacji gazowej, a tym samym zakłócenia w pracy oraz ograniczenia trwałości. Pojawienie się węglowodorów o długich łańcuchach i innych zanieczyszczeń mogą pogarszać spalanie gazu LPG i obniżać wartość opałową.

Fot. 1. Zainicjowany proces korozyjny grzybków zaworów wdechowych głowicy silnika samochodu marki Polonez Caro GLI po przebiegu eksploatacyjnym 70 tys. km.

Największym utrapieniem użytkowników pojazdów samochodowych napędzanych gazem LPG jest obecność wody w paliwie, która może prowadzić do unieruchomienia silnika. W ostatnich latach, wraz z rozwojem technologii przetwórstwa ropy naftowej, wprowadzono do sprzedaży dodatki uszlachetniające do gazu LPG w celu poprawy jego właściwości użytkowych paliw gazowych LPG. Kolejne prace z zakresu oceny eksploatacyjnej paliw gazowych LPG, w tym ograniczenia emisji związków toksycznych w spalinach silników i wzrostu ich osiągów zbliżonych do parametrów roboczych silników zasilanych paliwami konwencjonalnymi. Konieczne stało się więc wprowadzenie do eksploatacji samochodów instalacji gazowych z układami wielowtryskowymi, gdzie w odróżnieniu od poprzednich systemów paliwo gazowe jest wtryskiwane do poszczególnych kanałów dolotowych. Tego typu instalacje zostały określone mianem IVj generacji. Najnowszym ich rozwiązaniem jest sekwencyjny wtrysk gazu w fazie lotnej (Sequential Gas Injection SGI) (rys. 3). Są to urządzenia najbardziej zaawansowane technologicznie, które zostały wysoko ocenione przez instalatorów i niektórych producentów samochodów. Pozwala on na znaczne zmniejszenie emisji toksycznych związków spalin w stosunku do istniejących rozwiązań gazowych i uzyskanie osiągów silnika porównywalnych z zasilaniem benzyną. Powyższe opinie wymagają jednak potwierdzenia ich zachowań w specjalistycznych laboratoriach, przeprowadzając badania silnikowe na hamowniach, stanowiskowe z wykorzystaniem hamowni podwoziowej i badań drogowych. Ostatnim słowem w dziedzinie zasilania silników paliwem gazowym LPG pojazdów samochodowych wyposażonych w system diagnostyki pokładowej OBD, EOBDII (On Board Diagnostic) jest najnowsza, V generacja instalacji gazowej, reprezentująca wtrysk gazu w fazie ciekłej (rys. 4).

Fot. 2. Widok zainicjowanego procesu korozyjnego panewek korbowych silnika zasilanego gazem LPG a smarowanego olejem przeznaczonym do pracy na benzynie samochodu marki Polonez Caro GLI po przebiegu eksploatacyjnym 70 tys. km.

Rys. 3 Schemat sekwencyjnego wtrysku gazu w fazie lotnej.
1 reduktor, 2 elektrozawór gazowy, 3 moduł filtrujący, 4 wtryskiwacze, 5 sterownik,
6 kontroler wtrysku benzynowego, 7 przełącznik gaz/benzyna, 8 brzęczyk sygnalizacyjny

W dotychczasowych rozwiązaniach gaz płynny LPG zachował stan ciekły tylko do momentu dostarczenia go do reduktora-parownika, a następnie pozostawał w fazie lotnej. W systemie V generacji parownik nie jest potrzebny, a paliwo w postaci ciekłej tłoczone jest w kierunku silnika za pomocą pompy, będącej integralnym elementem zaworu wielofunkcyjnego, znajdującego się w zbiorniku. Paliwo podawane jest do kanałów dolotowych za pomocą wtryskiwaczy o specjalnej konstrukcji, które wykorzystują tylko część dostępnego paliwa, otwierając się i zamykając zgodnie z odbieranymi impulsami z jednostki sterującej, współpracującej z jednostką sterującą zasilaniem benzyną. W tym przypadku poszczególne elementy omawianej instalacji gazowej projektowane są indywidualnie do danego modelu pojazdu. Wynika to z konieczności zapewnienia prawidłowej współpracy z seryjnym układem sterującym, a także z konieczności zachowania dużej precyzji montażu wtryskiwaczy w kanałach dolotowych silnika.
Poprawną sprawność i ekonomiczność pracy silnika gazowego kształtuje wysoka jakość paliwa LPG i wartość energetyczna. Wartość opałowa mieszanki gazowej LPG zależy od składu węglowodorowego i ilości tlenu zawartego w paliwie. Gdy mieszanka jest uboga, wtedy wartość opałowa jest niższa, tym samym zmniejsza się moc silnika i pogarszają osiągi samochodu. Skład węglowodorowy paliw gazowych LPG w odniesieniu do pory roku na krajowym rynku jest mało stabilny. W tabl. 6 przedstawiono skład węglowodorowy gazu LPG z okresu zimowego, natomiast wartość opałową przedstawiono w formie diagramu na rys. 5.

Rys. 4 Schemat sekwencyjnego wtrysku gazu w fazie ciekłej.

Rys. 5 Graficzna ilustracja udziału składników węglowodorowych gazu propan-butan w kształtowaniu wartości opałowej.

5. Ocena energetyczna paliw gazowych LPG.
Udział proc. (m/m) propanu w LPG w okresie zimowym w Polsce powinien być znaczący i zamierzony z uwagi na rozruch silnika (duża odparowalność). W przypadku zasilania silników spalinowych o ZI zmiana %(m/m) udziału propanu do butanu dla określonej pory roku wpływa w istotny sposób na temperaturę wrzenia skroplonego gazu (odparowanie), na wielkość liczby oktanowej oraz wartość opałową, a także na zapotrzebowanie powietrza w procesie spalania. Należy podkreślić, że silnik spalinowy jest wprawdzie dość “tolerancyjny” i może pracować przy zasilaniu mieszanką o dość szerokim zakresie nadmiaru powietrza (= 1,4-1,6) w stosunku do paliw klasycznych, ale odbija się to na jego osiągach, zużyciu paliwa i emisji spalin. W tabl. 7-8 przedstawiono wyniki pomiarów zużycia paliwa w symulowanym teście miejskim ECE i przy stałych prędkościach jazdy: 70, 90 i 120 km/h oraz ocenę energetyczną paliw dla samochodów marki Polonez Caro GLI i GLE, napędzanych alternatywnie benzyną bezołowiową 95 i gazem LPG.
W silniku spalinowym istnieje ścisły związek pomiędzy jego konstrukcją, jakością paliwa i środka smarującego (oleju), gdyż takie traktowanie tego zagadnienia może zaowocować optymalnymi wynikami dotyczącymi pracy i trwałości silnika. Zwiększona zawartość siarki w paliwie gazowym LPG prowadzi do procesu korozyjnego grzybków zaworów wydechowych głowicy silnika - fot. 1.

Tablica 6. Skład węglowodorowy gazu propan-butan i wyniki oznaczeń wartości opałowej, liczby oktanowej, gęstości i prężności par - okres zimowy.

Tablica 7. Wyniki pomiaru zużycia paliwa w symulowanym teście jazdy miejskiej, oraz przy stałych prędkościach jazdy 70, 90 i 120 km/h, oraz ocena energetyczna dla samochodu marki Polonez Caro GLI (wersja wtryskowa), napędzanego alternatywnie benzyną węglowodorową 95 i gazem LPG.

Tablica 8. Wyniki pomiaru zużycia paliwa w symulowanym teście jazdy miejskiej, oraz przy stałych prędkościach jazdy 70, 90 i 120 km/h, oraz ocena energetyczna dla samochodu marki Polonez Caro GLE (wersja gaźnikowa), napędzanego alternatywnie benzyną węglowodorową 95 i gazem LPG.

Współcześnie olej silnikowy jest traktowany jako element konstrukcyjny silnika i jest tak formułowany, aby funkcje, które ma spełniać w silniku, były zabezpieczone w wymaganym zakresie, zapewniając bezawaryjną pracę. Wprowadzenie paliw gazowych do zasilania silników spalinowych o ZI, w tym skroplonej mieszaniny propanu i butanu, z wielu względów korzystne, wywołuje jednak zmianę warunków smarowania silnika. Konsekwencję wprowadzenia nowego paliwa stała się konieczność zastosowania takiego oleju silnikowego, który zagwarantuje optymalne smarowanie, uwzględniając specyfikę spalania gazu propan-butan. Olej silnikowy przeznaczony do smarowania silników zasilanych gazem wymaga nowej formuły, co jest szczególnie trudne w przypadku stosowania dwupaliwowego systemu zasilania paliwem: benzyna-gaz. Kontakt gazów spalinowych z olejem silnikowym w jednostkach napędowych zasilanych gazem LPG powoduje niepożądane zmiany we właściwościach fizykochemicznych oleju (tworzą się kwaśne substancje przyspieszające korozję elementów silnika, a szczególnie łożysk ślizgowych czopów głównych lub korbowych wału korbowego - fot. 2.
Zasilanie paliwem gazowym jest obecnie najpopularniejszym na świecie rodzajem zasilania alternatywnego, które jest często wybierane przez producentów pojazdów. Polski rynek “autogazu” jest najdynamiczniej rozwijającym się rynkiem w Europie. Pod względem wielkości sprzedaży zajmujemy obecnie pierwsze miejsce, według danych Polskiej Organizacji Gazu Płynnego.

Ciągle wzrasta liczba samochodów napędzanych gazem LPG, gdzie wg danych szacunkowych Polskiej Organizacji Gazu Płynnego na koniec trzeciego kwartału 2005 roku wynosiła ok. 2 mln. Wykorzystanie paliw gazowych propan-butan do napędu pojazdów samochodowych daje możliwość znacznego zmniejszenia kosztów eksploatacji i obniżenia emisji toksycznych składników spalin wydalanych przez silnik. Klasyczne układy gazowe zasilające silniki pojazdów samochodowych odparowaną mieszaniną propanu i butanu posiadały szereg mankamentów, których w owym czasie nie można było uniknąć. Rozwój gazowych układów zasilania silników samochodowych, wywołany m.in. wzrostem wymagań w zakresie ograniczenia emisji związków toksycznych w spalinach, doprowadził do powstania i rozpowszechniania się układów z ilościowo-jakościową regulacją mieszanki. Kolejne prace zmierzają do wzrostu osiągów silników gazowych zbliżonych do parametrów roboczych silników zasilanych paliwami konwencjonalnymi. Duży udział w tym zakresie należy upatrywać również w podwyższonej jakości paliwa gazowego LPG spełniającego wymagania normy EN:589 i oleju smarującego, w oparciu o funkcjonującą maksymę - w silniku spalinowym istnieje ścisły związek pomiędzy jego konstrukcją, jakością paliwa i oleju smarującego. Aby podzielić opinie producentów systemów układów gazowych najnowszej generacji (Sequential Gas Injection SGI) (wtrysk gazu w fazie ciekłej oraz instalatorów tych urządzeń w pojazdach samochodowych należy przeprowadzić kompleksowe badania: silnikowe (na hamowniach) i eksploatacyjne. Wyniki tych badań stanowić mogą ostateczną ocenę dotyczącą zachowania się silnika i jego parametrów roboczych, dynamiki samochodu i zużycia eksploatacyjnego gazu LPG w ruchu miejskim, autostradowym i mieszanym.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal
Instytut Technologii Nafty