Analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Wydział Maszyn Roboczych i Transportu

Krystian Łabędź

Analiza parametrów ekologicznych

pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Rozprawa doktorska

Promotor: dr hab. inż. Jacek Pielecha, prof. PP

Poznań 2014

Streszczenie ... 4

Wykaz ważniejszych symboli ... 6

1. Wprowadzenie ... 7

2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów ... 11

2.1. Aspekt ekologiczny ... 11

2.2. Charakterystyka gazu ziemnego jako paliwa do zasilania silników spalinowych ... 15

2.3. Spalanie gazu ziemnego w silnikach spalinowych... 20

3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym ... 23

3.1. Budowa systemów zasilania gazem ziemnym ... 23

3.2. Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym ... 29

3.3. Przegląd rozwiązań konstrukcyjnych pojazdów zasilanych gazem ziemnym ... 34

3.3.1. Historia zasilania pojazdów CNG ... 34

3.3.2. Współczesne rozwiązania systemów zasilania CNG ... 35

4. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres ... 46

5. Metodyka badań ... 49

5.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa ... 49

5.2. Obiekty badań ... 52

5.3. Charakterystyka tras badawczych ... 55

5.4. Aparatura badawcza ... 59

5.5. Harmonogram badań ... 66

6. Wyniki badań własnych i ich analiza ... 68

6.1. Wpływ fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję związków szkodliwych w temperaturze 0

C i 20

C ... 68

6.2. Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym i benzyną w warunkach miejskich ... 73

6.2.1. Charakterystyka zarejestrowanych danych ... 73

6.2.2. Wyniki natężenia emisji spalin odniesionych do pojazdu ... 77

6.2.3. Wyniki emisji zanieczyszczeń w odniesieniu do silnika ... 81

6.2.4. Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń ... 85

6.2.5. Ilościowe wskaźniki emisji zanieczyszczeń ... 87

6.2.6. Porównanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów o różnych klasach emisyjnych ... 88

6.3. Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym w warunkach dużych aglomeracji miejskich ... 93

6.3.1. Charakterystyka badań ... 93

6.3.2. Analiza rejestrowanych parametrów ... 95

6.3.3. Omówienie wyników końcowych ... 98

6.4. Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym

w warunkach pozamiejskich ... 103

6.4.1. Charakterystyka trasy badawczej... 103

6.4.2. Analiza zgodności etapów badań ... 104

6.4.3. Analiza stężenia i emisji zanieczyszczeń gazowych ... 109

6.4.4. Analiza stężenia i rozkładu średnicowego cząstek stałych ... 112

6.4.5. Podsumowanie wyników końcowych ... 115

6.5. Badania pojazdu zasilanego gazem ziemnym o przebiegu 500 000 km wyposażonego w nowy reaktor katalityczny ... 117

6.6. Badania pojazdu przystosowanego do zasilania gazem ziemnym poza wytwórnią ... 119

7. Wnioski i kierunki dalszych badań ... 125

7.1. Podsumowanie ... 125

7.2. Wnioski ... 126

7.3. Kierunki dalszych prac ... 129

Literatura ... 130

Summary ... 136

Głównym celem rozprawy jest analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasila- nych sprężonym gazem ziemnym w rzeczywistych warunkach ruchu takich pojazdów.

Szczególny nacisk położono na porównanie parametrów ekologicznych w stosunku do pojazdów zasilanych benzyną. Część wprowadzająca obejmuje opis zagadnień tworze- nia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym zasilanych gazem ziemnym.

Zawarto w nim również klasyfikację systemów zasilania gazem ziemnym oraz scharak- teryzowano rozwiązania konstrukcyjne pojazdów zasilanych gazem ziemnym.

Praca dotyczy oceny parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W ramach rozprawy doktor- skiej podjęto tematykę, dotyczącą zagadnień związanych z użytkowaniem pojazdów zasilanych paliwem alternatywnym – sprężonym gazem ziemnym.

W pracy zawarto szczegółową metodykę badań, opisano obiekty badań oraz warunki przeprowadzenia poszczególnych etapów testów emisyjnych i zastosowaną aparaturę.

Wykorzystano aparaturę pomiarową zarówno do pomiaru związków gazowych, jak i cząstek stałych – zarówno w odniesieniu do pomiaru masy, liczby cząstek oraz ich roz- kładu średnicowego. Wykonane badania podzielono na kilka płaszczyzn, z których jed- noznacznie wynikają korzyści ekologiczne pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym, a jednocześnie wskazano aspekty, które są gorsze w porównaniu z zasilaniem silnika benzyną. Ze względu na znaczny średni wiek pojazdów eksploatowanych w Pol- sce oraz ich znaczny przebieg przedstawiono również propozycje poprawy stanu ekolo- gicznego takich pojazdów, mające na celu zmniejszenie uciążliwości środowiskowej.

Przeanalizowano zmniejszenie emisji związków szkodliwych m.in. przez wymianę re- aktora katalitycznego. W rozprawie poddano również analizie zagadnienie instalacji systemów zasilania sprężonym gazem ziemnym poza wytwórnią. Dokonana w tym przypadku analiza parametrów ekologicznych pojazdu z niefabryczną instalacją gazową i instalacją zamontowaną w fabryce uwidoczniła zalety instalacji fabrycznej. Zwrócono uwagę również na zagadnienia emisji cząstek stałych, zarówno pod względem maso- wym, liczbowym i wymiarowym silników zasilanych sprężonym gazem ziemnym. Wy- kazano, że dla pojazdów o znacznym przebiegu głównym problemem jest zwiększenie emisji drogowej masy cząstek stałych niż ich liczby, przy jednoczesnym gwałtownym zwiększeniu emisji składników gazowych spalin.

W zakresie realizacji pracy przeprowadzono badania drogowe w rzeczywistych wa- runkach ruchu, mające na celu określenie zależności między parametrami emisyjnymi pojazdów. Badania wykonano w kilku etapach, z których najważniejsze to: badania parametrów ekologicznych pojazdów podczas rozruchu i nagrzewania się silnika w róż- nych temperaturach otoczenia dla różnych rodzajów rozruchu: zimnego i gorącego, ba- dania emisji zanieczyszczeń pojazdów w zmiennych warunkach ruchu drogowego na kilku wybranych trasach, zarówno podczas testów zimowych, jak i letnich; porównanie emisyjne pojazdów o różnych klasach emisyjnych i różnych przebiegach całkowitych, próba oceny parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziem- nym z różnymi reaktorami katalitycznymi, badania porównawcze pojazdów z fabryczną instalacją sprężonego gazu ziemnego oraz montowaną poza wytwórnią.

W zakończeniu zawarto podsumowanie i wnioski, wynikające z przeprowadzonych

analiz i badań. Odniesiono je głównie do aspektów ekologicznych związanych z zasto-

sowaniem gazu ziemnego jako paliwa do pojazdów osobowych, jednak część z nich ma

charakter uniwersalny i może znaleźć zastosowanie także dla innych pojazdów.

Wykaz ważniejszych symboli

ACEA – Association des Constructeurs Européens d’Automobile – Stowarzysze- nie Europejskich Konstruktorów Samochodów,

b – emisja drogowa zanieczyszczeń,

CAN – Controller Area Network – sieć przesyłu danych,

CARB – California Air Resource Board – Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powie- trza,

CCR – California Code of Regulations – normy stanu Kalifornia, CNG – Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny,

CO – tlenek węgla, CO

– dwutlenek węgla,

DPF – Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych, e – emisja jednostkowa zanieczyszczeń,

E – natężenie emisji zanieczyszczeń,

ECE – Economic Commission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza, ECM – Engine Control Module – moduł pomiarowo-sterujący silnika,

ECU – Electronic Control Unit – elektroniczny sterownik (silnika); główny mi- krokontroler sterujący pracą silnika i układów redukcji spalin; miejsce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych,

EEC – European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza, EOBD – European On-Board Diagnostic – europejski system diagnostyki pokła-

dowej,

EPA – Environment Protection Agency – Amerykańska Agencja Ochrony Śro- dowiska, czyli Urząd Ochrony Środowiska w USA,

EU – European Union – Unia Europejska,

EUDC – Extra Urban Driving Cycle – pozamiejski europejski test jezdny Euro – normy emisji spalin w Europie,

GDI – Gasoline Direct Injection – bezpośredni wtrysk benzyny do komory spa- lania (wysokociśnieniowy),

HC – węglowodory,

ISO – International Organisation for Standardization – Międzynarodowa Or- ganizacja Normalizacyjna,

k – wskaźnik emisji zanieczyszczeń pojazdu, L – długość odcinka pomiarowego,

LDV – Light Duty Vehicle – lekki użytkowy pojazd samochodowy o liczbie miejsc do 12 (według klasyfikacji amerykańskiej),

LPG – Liquefied Petroleum Gas – skroplone paliwo gazowe, M

– moment obrotowy silnika,

MPI – Multi Point Injection – wielopunktowy wtrysk paliwa do kanałów dolo- towych (niskociśnieniowy, dotyczy silników ZI),

n – prędkość obrotowa,

NDIR – Non-dispersive Infrared – niedyspersyjny na podczerwień, NDUV – Non-dispersive Ultraviolet – niedyspersyjny na ultrafiolet, N

– moc użyteczna silnika,

NEDC – New European Driving Cycle – nowy europejski cykl jezdny – zmodyfi- kowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin, NO – tlenek azotu,

NO

– tlenki azotu,

OBD – On-Board Diagnostic – diagnostyka pokładowa (pokładowy system dia- gnostyczny),

PC – Passenger Car – samochód osobowy,

PCM – Powertrain Control Module – centralny sterownik układu napędowego, PM – Particle Mass – masa cząstek stałych,

PN – Particle Number – liczba cząstek stałych , ppm – parts per million – liczba części na milion,

SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Samo- chodowych,

SUV – Sports Utility Vehicle – samochód o przeznaczeniu sportowym,

t – czas,

TD – Time Density – gęstość czasowa,

THC – Total Hydrocarbons – całkowita emisja węglowodorów, u – współczynnik udziału,

UDC – Urban Driving Cycle – europejski miejski cykl jezdny, UE – Unia Europejska,

V – prędkość pojazdu, ZI – zapłon iskrowy, ZS – zapłon samoczynny,



– współczynnik nadmiaru powietrza

1. Wprowadzenie

W ostatnich dekadach jakość powietrza atmosferycznego w Unii Europejskiej (EU –

w sektorze transportu drogowego. W okresie kilkudziesięciu lat w krajach Unii Euro- pejskiej zaprojektowano i wprowadzono różnego rodzaju instrumenty prawne w celu poprawy jakości powietrza atmosferycznego (także sektorowo: w transporcie drogo- wym i przemyśle) przez kontrolowanie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia człowieka i jego środowiska naturalnego [1]. Są to niewątpliwie istotne działania, jed- nak nieodpowiednia jakość powietrza atmosferycznego w Europie w dalszym ciągu wywołuje określone skutki w postaci [13–15, 24]:



negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie przez narażenie na oddziaływanie czą- stek stałych i ozonu (w mniejszym stopniu narażenie na oddziaływanie dwutlenku azo- tu, dwutlenku siarki, tlenku węgla, ołowiu czy benzenu),



niszczenia materiałów i bogactwa kulturowego przez narażenie na oddziaływanie zakwaszających zanieczyszczeń i ozonu,



wpływu metali ciężkich i zanieczyszczeń organicznych na zdrowie człowieka i ekosystemy.

Emisja składników szkodliwych spalin w Unii Europejskiej ze względu na ich ogra- niczenia przyjmuje coraz mniejsze wartości. Obserwuje się pozytywny trend ogranicza- nia emisji większości szkodliwych związków. W latach 1990-2010 zmniejszeniu uległa emisja całkowita do atmosfery prekursorów w tworzeniu się ozonu, tj. tlenku węgla o ok. 62% oraz tlenków azotu o ok. 47% [23, 69]. Emisja tlenków azotu z transportu drogowego uległa około 40% zmniejszeniu od 1990 roku, głównie jako rezultat wpro- wadzenia trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych w samochodach osobowych oraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń z pojazdów drogowych ciężkich w całej Europie. Jest to znaczące osiągnięcie, bowiem transport samochodowy jest bardzo istotnym źródłem emisji tlenków azotu i tlenku węgla.

Związki te miały w 2012 roku odpowiednio 42% i 29% udział w emisji całkowitej tych zanieczyszczeń [23]. Procentowe zmiany emisji niektórych zanieczyszczeń z unijnych sektorów gospodarki, w całkowitej emisji danego zanieczyszczenia w 2012 roku (dane obejmują 27 państw) przedstawiono na rysunku 1.1.

Rys. 1.1. Udziały procentowe emisji zanieczyszczeń z poszczególnych sektorów gospodarki, w całkowitej emisji danego zanieczyszczenia w Unii Europejskiej w 2012 roku [23]

Ograniczenie emisji zanieczyszczeń przez rygorystyczne limity jest przynajmniej

częściowo niwelowane przez większą pracę przewozową transportu oraz większy udział

samochodów napędzanych silnikami o zapłonie samoczynnym (ZS) [25]. Transport

drogowy jest odpowiedzialny za największą emisję dwutlenku węgla z sektora transpor- tu w krajach Unii Europejskiej (odpowiadał on w 2009 roku za 71,7% tej emisji) [32–

34, 36].

Głównym komponentem inwestycyjnym procesu dostarczania energii będzie wydo- bycie paliw kopalnych, transport i rafinacja ropy naftowej; wytwarzanie energii elek- trycznej to koszt 10 mld USD, z czego technologie niskoemisyjne będą stanowiły pra- wie 75% inwestycji [10]. Inwestycje w dostawy gazu ziemnego zwiększają się, ale sprostanie długookresowemu wzrostowi popytu na ropę naftową będzie coraz bardziej zależne od inwestycji na Bliskim Wschodzie. Prognozuje się, że wydatki na wydobycie ropy i gazu wzrosną o 25% do poziomu ponad 850 mld USD rocznie do 2035 roku, a sektor gazowy będzie odpowiedzialny za przeważającą część tego wzrostu [11, 12].

Sumaryczny wpływ pojazdów na środowisko naturalne można zobrazować po uwzględnieniu wszystkich składowych, m.in. źródła energii pierwotnej (kopalne lub odnawialne), typu nośnika energii napędzającej pojazd oraz rodzaju zastosowanego napędu (silnik spalinowy, silnik elektryczny zasilany z akumulatorów lub ogniwa pali- wowe). W publikacji [30] opisano wskaźnik CWEG (Cost, Water, Energy, GHG – koszt, woda, energia, emisja gazów cieplarnianych), sformułowany na podstawie wy- mienionych czynników. Z jego wykorzystaniem powstał ranking, zgodnie z którym największa liczba punktów odpowiadała najbardziej ekologicznym napędom. W innym ujęciu największa wartość wskaźnika odpowiada pojazdowi – w całym cyklu życia – najbardziej przyjaznemu środowisku. Pojazdy napędzane gazem ziemnym uzyskały rezultat na poziomie 71–74. Mniejsze wartości wskaźnika otrzymały pojazdy hybrydo- we z silnikiem ZS (CWEG = 45), natomiast pojazdy napędzane ogniwem paliwowym, dla którego wodór produkuje się z użyciem energii elektrycznej pochodzącej z sieci energetycznej, a pojazdy nie emitują żadnych związków szkodliwych, otrzymały wynik równy 13–15. Z tego porównania wynika, że pojazdy zasilane sprężonym gazem ziem- nym (CNG – Compressed Natural Gas) są najbardziej przyjazne dla środowiska (rys.

1.2).

a) b)

Rys. 1.2. Wartości indeksu CWEG dla pojazdów o różnych rodzajach napędu: a) konwencjo- nalnych, b) o napędzie hybrydowym (opracowanie własne na podstawie [30])

70,61 40,89

37,43 36,84 35,81 12,84

0 20 40 60 80 100

CNG ZS Etanol Wodór ZI Ogniwo paliwowe

Wskaźnik CWEG [-]

74,34 45,1

41,26 42,89

44,12 15,05

0 20 40 60 80 100

Wskaźnik CWEG [-]

Na świecie jeździ ponad 20 milionów samochodów zasilanych gazem ziemnym.

Funkcjonuje ponad 25 tys. stacji zasilania tym paliwem. Iran znajduje się w ścisłej czo- łówce państw o największej liczbie aut napędzanych paliwem gazowym [38]. Użytko- wanych tam jest ponad 3,5 mln samochodów na CNG, a liczba stacji tankowania sprę- żonego gazu ziemnego wciąż się zwiększa (ponad 2200 stacji). Kolejne miejsce zajmują Chiny, gdzie gazem ziemnym jest napędzanych ponad 3,3 mln pojazdów (5700 stacji ładowania). Dodatkowo w związku z coraz bardziej rygorystycznymi przepisami doty- czącymi emisji spalin, można spodziewać się dalszego wzrostu popytu na paliwa alter- natywne, w tym CNG. Potentatem w liczbie pojazdów napędzanych gazem ziemnym jest również Pakistan. Według danych „NGV journal” [68] w Pakistanie znajduje się 2,8 mln tego typu pojazdów. Na czwartym miejscu znajduje się Argentyna z ponad 2,4 mln samochodów [26], na kolejnym – Indie z 1,8 mln pojazdów zasilanych gazem ziemnym.

Na rynku amerykańskim od dawna są sprzedawane samochody zasilane gazem ziemnym. W USA jako zachętę do kupna tego typu pojazdów wprowadzono wiele zna- czących ulg podatkowych: obniżenie podatku „autostradowego” na CNG, zwrot 80%

różnicy kosztów pojazdu (lub „przeróbki”), ulgi podatkowe za samochody ciężarowe (do 50 tys. USD) i za stację tankowania (do 100 tys. USD). Efektem prowadzonej poli- tyki fiskalnej jest: 130 000 pojazdów zasilanych CNG i ponad 1300 stacji tankowania CNG [11].

Włochy zajmują pierwsze miejsce w Europie pod względem liczby eksploatowanych pojazdów CNG – ponad 823 tys. pojazdów (stan na II kwartał 2014 roku), obsługiwa- nych przez ponad 1000 stacji tankowania [68]. Włoski koncern motoryzacyjny Fiat promuje pojazdy z instalacją CNG; większość z nich jest fabrycznie wyposażona w in- stalację CNG. Włoska firma Faber jest pionierem w produkcji zbiorników CNG prze- znaczonych do montażu w pojazdach. Pojazdy wyposażone w instalację CNG są trak- towane jako ekologiczne i nie dotyczą ich ograniczenia ruchu pojazdów; ponadto zakup oraz montaż instalacji CNG jest dotowany przez państwo. Dofinansowywana jest także budowa stacji tankowania CNG [34].

W Niemczech eksploatowanych jest 96 tys. pojazdów zasilanych CNG (2014; drugie miejsce w Europie). Znajduje się tam ponad 910 stacji tankowania. Taka liczba stacji pozwala na jazdę z wykorzystaniem CNG na terenie całego kraju. Planuje się wybudo- wanie w ciągu 5 lat kolejnego 1000 dystrybutorów CNG [35, 44].

Na mapie Polski można zaobserwować 20 ogólnodostępnych stacji CNG (rys. 1.3).

W ciągu niecałych dwóch lat ich liczba zmniejszyła się o 1/4. Od roku 2012 zlikwido- wano stacje m.in. w Bydgoszczy, Kielcach, Gdyni, Olsztynie, Jaśle, Dębicy i Jarosław- cu. PGNiG, do którego należą prawie wszystkie tego typu obiekty w kraju, likwiduje stacje, gdyż nie są rentowne.

Dyrektywa „Czysta energia dla transportu” została ostatecznie zatwierdzona w dniu

20 marca 2014 roku i przekazana do wdrożenia [13]. Dzięki temu, państwa członkow-

skie UE zostaną zobowiązane do zbudowania punktów tankowania gazu ziemnego. Do

2020 roku ma powstać sieć tankowania CNG we wszystkich europejskich aglomera-

cjach miejskich, a do 2025 roku wzdłuż szlaków transportowych – punkty tankowania

CNG. Dyrektywa „Czysta energia dla transportu” ma na celu zredukować uzależnienie

transportu Unii Europejskiej od ropy naftowej, a także przyczynić się do ograniczenia

emisji spalin z transportu. Nakłada na państwa członkowskie obowiązek rozwoju infra-

struktury tankowania paliw alternatywnych. Główne zobowiązania wynikające z doku-

mentu to m.in. opracowanie i wdrożenie planów budowy [18]:

Rys. 1.3. Ogólnodostępne stacje gazu ziemnego CNG w Polsce (stan na 2014)

 stacji tankowania sprężonego gazu ziemnego oraz energii elektrycznej w dużych

aglomeracjach miejskich do 2020 roku,



stacji tankowania CNG (co 100 kilometrów) oraz LNG (co 400 kilometrów) dla transportu tranzytowego wzdłuż szlaków transportowych do 2025 roku.

Ponadto, cześć państw przyjęła dobrowolne zobowiązania do budowy punktów tan- kowania wodoru w aglomeracjach miejskich do 2025 roku. Polska nie przyjęła niniej- szego zobowiązania [83].

Temat rozprawy doktorskiej wpisuje się w aktualność problematyki dotyczącej po-

szukiwania nowych koncepcji napędów środków transportu ukierunkowanych na roz-

wiązania proekologiczne i paliwa alternatywne. Opracowanie metodyki oceny ekolo-

gicznej pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym pozwoli na klasyfikację tego

paliwa do napędu pojazdów samochodowych, nie tylko pod względem zużycia paliwa

(tego typu badania są dostępne w literaturze, m.in. [44]), ale jednocześnie pod kątem

emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych.

2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów

2.1. Aspekt ekologiczny

Szkodliwość benzyn silnikowych i gazu ziemnego dla środowiska naturalnego to nie tylko oddziaływanie pośrednie – toksyczność produktów spalania [50], ale również opi- sywane w literaturze [5, 6, 77] oddziaływanie bezpośrednie, czyli wpływ toksyczny na środowisko wody, gleby i powietrza w przypadku przedostania się do nich paliw silni- kowych. Paliwa gazowe należą do najważniejszych paliw alternatywnych do silników ZI (rys. 2.1), natomiast w niewielkim zakresie stosowane są w silnikach ZS [64, 92].

Spośród wszystkich paliw gazowych do zasilania silników najszerzej stosowane są wę- glowodory gazowe: metan (gaz ziemny) oraz propan–butan, gaz płynny, gaz skroplony.

Rys. 2.1. Paliwa gazowe na tle innych paliw alternatywnych do silników ZI [91]

W przypadku przedostania się benzyny do środowiska istnieje zagrożenie skażenia wód powierzchniowych jak i gruntowych, skażenia gleby i powietrza atmosferycznego.

Lotne frakcje benzyn przedostają się do powietrza atmosferycznego, np. węglowodory mogą powodować intensyfikację efektu cieplarnianego, zwiększać zjawisko smogu, reagować fotochemicznie pod wpływem promieniowania słonecznego, mogą również tworzyć ozon w niższych warstwach atmosfery, co z kolei powodować może podraż- nienie płuc i problemy z oddychaniem. Stwierdzono również, że szczególnie toksyczne dla organizmów żywych są węglowodory aromatyczne. Z kolei mało lotne frakcje mogą przedostawać się do wód powierzchniowych, co powoduje ich skażenie i w zależności od stężenia zatrucie organizmów żywych w wodach powierzchniowych. Ciężkie frakcje benzyny silnikowej przedostają się do gruntu i zgodnie z [2] mogą znajdować się w dwóch fazach:

‒ fazie gazowej, która migruje przez strefę aeracji gruntu, wykorzystuje wolne prze- strzenie, np. wzdłuż kolektorów ściekowych, studzienek powoduje zagrożenie wybu- chem,

biopaliwa otrzymywane przemysłowo

naturalne biopaliwa otrzymywane przemysłowo

gazowe ciekłe

gaz ziemny gaz

fermentacyjny

gaz ze zgazowania

biomasy

wodór z biomasy (biopaliwo III generacji)

propan-butan (LPG)

wodór

gaz ze zgazo- wania paliw mineralnych

Paliwa alternatywne do silników o zapłonie iskrowym

alkohol etylowy (biopaliwo I generacji)

paliwa syntety- czne z biomasy

(biopaliwa II generacji)

metanol

paliwa syntetyczne z surowców mineralnych

‒ fazie ciekłej, która może być częściowo zaadsorbowana na cząstkach gleby i gruntu (głównie węglowodory alifatyczne) lub częściowo rozprzestrzeniać się w grun- cie i migrując ulegać selektywnej adsorpcji na cząsteczkach gruntu.

Węglowodory pozostające w gruncie zakłócają obieg azotu, hamują proces nitryfika- cji i niszczą żyjące tam mikroorganizmy. Również bezpośredni wpływ benzyny silni- kowej jest toksyczny na organizmy ludzkie, przez oddziaływanie na układ oddechowy, pokarmowy i skórny.

W pracy [80] stwierdzono, że pozostający w środowisku MTBE (eter metylo-tert-

większe niż pozostałe składniki spalin; a średni czas migracji MTBE od źródeł wycie- ków do zbiorników wody pitnej wynosi ok. 2 lata. Przedostawanie się par benzyn silni- kowych występuje nie tylko podczas niekontrolowanego wycieku do atmosfery. Emisja do środowiska możliwa jest podczas procesów logistycznych – transportu, tankowania do pojazdów na stacjach paliwowych oraz z układów zasilania pojazdów. Od wielu lat, aby spełnić wymagania dopuszczalnej emisji par benzyn samochodowych stosuje się specjalne systemy odpowietrzania zbiornika benzynowego (EVAP – evaporation

silnika, jak i postoju pojazdu. Żeby spełnić wymagania OBD II/EOBD producenci po- jazdów muszą wyposażać je w systemy EVAP oraz zapewnić możliwość kontroli szczelności układu. Powoduje to konieczność stosowania specjalnych systemów spraw- dzających szczelność układu i informujących kierowcę pojazdu o ewentualnych uszko- dzeniach [63, 93].

Gaz ziemny nie jest trujący. Jest lżejszy od powietrza, co powoduje, że przy nie- szczelnościach szybko ulatnia się do atmosfery. Dla organizmów żyjących nie jest szkodliwy, ewentualne szkodliwe działanie może wynikać pośrednio przez zmniejsze- nie zawartości tlenu w powietrzu. Metan jako gaz cieplarniany po przedostaniu się do atmosfery powoduje wielokrotnie większą termoizolacyjność niż w przypadku dwutlen- ku węgla. W pracy [106] stwierdzono, że 1 g metanu uwolnionego do atmosfery powo- duje równoważne skutki z emisją 58 g CO

. Jednakże w górnych warstwach atmosfery przez oddziaływanie promieniowania ultrafioletowego duża część metanu ulega rozkła- dowi. Emisja gazu ziemnego do atmosfery możliwa jest wskutek awarii i spowodowa- nych nią nieszczelności. Podczas normalnej pracy pojazdu zasilanego gazem ziemnym nie ma możliwości przedostawania się paliwa do otoczenia. Przy zasilaniu silników gazem ziemnym nie ma konieczności tworzenia dodatkowych systemów kontrolujących emisję cząstek paliwa do atmosfery – jak to ma w przypadku układów zasilania benzy- ną. Kontrola szczelności układu gazowego zarówno po stronie wysokociśnieniowej, jak i niskociśnieniowej może odbywać się z wykorzystaniem elementów, które wchodzą w skład gazowego układu zasilania.

W codziennej eksploatacji pojazdu zasilanego CNG jedyna możliwa emisja gazu ziemnego do atmosfery może nastąpić podczas tankowania paliwa. Do dużego przedo- stania się gazu ziemnego do atmosfery może dojść w wyniku poważnej awarii rurocią- gu, stacji pośredniej bądź cysterny. Niemniej jednak ewentualne skutki i zagrożenia dla środowiska i ludzi są niewspółmiernie mniejsze niż w przypadku wycieku paliw płyn- nych [107].

Podziału stacji tankowania CNG można dokonać ze względu na charakter (publicz- na, zakładowa, przydomowa):

 stacja publiczna – dostępna dla wszystkich klientów; możliwość tankowania sa-

modzielnego,



stacja niepubliczna (zakładowa) – przeznaczona dla określonej grupy odbiorców;

najczęściej zlokalizowana na terenie zamkniętego zakładu,



stacja przydomowa (garażowa) – przeznaczona dla indywidualnego odbiorcy bądź wąskiej grupy klientów.

Paliwo do stacji można dostarczyć dwoma sposobami: gazową siecią podziemną lub transportem kołowym. Na całym świecie bardziej powszechna jest gazowa sieć pod- ziemna [79]. Bardzo ważnym elementem na stacji tankowania CNG jest sprężarka, gdyż ciśnienie w zbiorniku stacji ładowania jest zbyt małe, aby zatankować pełen zbiornik paliwem. Znaczący wpływ na ilość zatankowanego gazu ma również temperatura w jakiej zasilany jest pojazd. Gdy temperatura gazu będzie wyższa od temperatury oto- czenia, to ciśnienie gazu w zbiorniku pojazdu będzie zmniejszać się aż do chwili zrów- nania się z temperaturą otoczenia. Proces ten może potrwać kilkanaście minut i może okazać się, że ciśnienie w zbiorniku samochodu wynosi np. 17 MPa (przy zakładanym 20 MPa). Znajomość temperatury i ciśnienia umożliwia diagnozowanie uszkodzenia zaworu butlowego. Jeżeli podczas tankowania CNG jeden ze zbiorników jest zimny oznacza to, że gaz nie jest do niego wtłaczany.

W zależności od charakteru potrzeb można wyróżnić stacje wolnego tankowania oraz szybkiego tankowania [49]. W stacji wolnego tankowania gaz dostarczany jest z sieci gazowej pod ciśnieniem od 0,1 do 0,4 MPa. Aby uzyskać ciśnienie 20 MPa nale- ży zastosować sprężarkę (od jej działania zależy wydajność danej stacji). Bezpośrednio ze sprężarki gaz można wtłaczać do zbiorników pojazdu. Do sprężarki gaz dostarcza się przez układ filtrująco-osuszający. Zadaniem tego układu jest odpowiednie osuszenie i oczyszczenie gazu. Często układ filtrująco-osuszający znajduje się także na wyjściu ze stacji CNG przed przyłączem do pojazdu. Stosuje się sprężarki smarowe oraz bezolejo- we w szczelnych obudowach. Na stacji wolnego tankowania stosuje się również chłod- nice gazu, gdzie czynnikiem chłodzącym jest powietrze, którego ruch wymuszony jest działaniem wentylatora. W układzie stacji stosowany jest również zbiornik wyrównaw- czy, który neutralizuje wahania ciśnienia oraz temperatury gazu. Gaz podawany jest do zbiorników pojazdów przez dystrybutor paliwa (rys. 2.2 i 2.3).

Rys. 2.2. Schemat stacji wolnego tankowania [9]

Rys. 2.3. Dystrybutor stacji wolnego tankowania [75]

Sprężarka wraz z silnikiem napędowym, chłodnicą, układem spustu kondensatów najczęściej stanowi wspólną konstrukcję (rys. 2.4). Budowa kontenera musi spełniać wymagania ochrony przeciwpożarowej ścian ogniowych i dźwiękochłonnych, zabez- pieczać przed deszczem i ograniczać strefę zagrożenia do wnętrza kontenera (rys. 2.5).

Kontrolę nad poprawnością działania całego systemu zapewnia układ sterowania. Sta- nowiska nie są wyposażone w dokładny układ pomiarowy, ponieważ stacja wolnego tankowania nie ma charakteru komercyjnego.

Rys. 2.4. Sprężarka na stacji wolnego tanko- wania CNG [66]

Rys. 2.5. Blaszany kontener z zabudowanymi elementami stacji CNG [66]

Stacje szybkiego tankowania gazem ziemnym są dostępne dla wszystkich użytkow-

ników. Każdy pojazd jest tankowany w czasie kilku minut. Szybkie tankowanie możli-

we jest dzięki magazynom CNG (rys. 2.6), które stabilizują temperaturę. Czas w jakim

zatankowany będzie pojazd zależny jest od średnicy przewodu połączeniowego, objęto-

ści zbiorników oraz różnicy ciśnień. Zależnie do warunków pracy występuje kilka ro-

dzajów dystrybutorów (rys. 2.7). Wiele z nich posiada możliwość odczytu procentowe-

go stopnia napełnienia zbiorników w pojeździe. Układ optymalizacji tankowania

uwzględnia temperaturę gazu, dzięki czemu pojazd można zatankować w 100% pali-

wem gazowym.

na stacji szybkiego tan- kowania

Rys. 2.7. Rodzaje dystrybutorów na stacji szybkiego tankowania CNG [16]

Tankowanie pojazdu z instalacją CNG jest ekologiczne – podczas tankowania samo- chodu nie emituje się toksycznych oparów, które wydzielają się podczas tankowania paliwem płynnym.

2.2. Charakterystyka gazu ziemnego jako paliwa do zasilania silników spalinowych

W najbliższych latach należy spodziewać się dalszego zaostrzenia obowiązujących norm toksyczności spalin i wprowadzenia ograniczenia zużycia paliwa przez nowe po- jazdy [78]. Reakcje producentów będą ukierunkowane na opracowanie bardziej ekono- micznych pojazdów, emitujących mniej substancji toksycznych, z drugiej strony na roz- powszechnienie napędów alternatywnych: elektrycznych, hybrydowych, gazowych oraz zastosowanie ekologicznych paliw zastępczych [20].

W silniku spalinowym, konstrukcyjnie przystosowanym do spalania benzyny lub oleju napędowego, istnieje możliwość stosowania innych paliw, zarówno płynnych jak i gazowych, ale z różną efektywnością. Za paliwa alternatywne dla benzyny lub oleju napędowego można uznać tylko te, które spełniają trzy następujące warunki: ich war- tość opałowa jest tego samego rzędu, co paliwa bazowego (benzyny, oleju napędowe- go), koszt paliwa jest mniejszy od paliwa bazowego oraz poziom emisji składników toksycznych w spalinach jest mniejszy. Moc silnika nie może ulec zarówno znacznemu zmniejszeniu, jak i zwiększeniu. Koszty eksploatacji muszą być mniejsze, a pod wzglę- dem ekologicznym pojazd musi być bardziej przyjazny dla środowiska. Przy uwzględ- nieniu pięciu najbardziej istotnych kryteriów, tj.: emisji składników toksycznych, emisji CO

, autonomii pojazdu (odległości możliwej do pokonania bez uzupełniania paliwa), dodatkowych kosztów związanych z przystosowaniem pojazdu do zasilania paliwem alternatywnym, kosztu paliwa i infrastruktury, gaz ziemny okazuje się alternatywą dla paliw ropopochodnych [105]. Za paliwem tym przemawiają również takie jego zalety jak m.in. [21]:



niska emisja cząstek stałych, dwutlenku węgla oraz składników toksycznych w trakcie rozruchu silnika [3],



szeroki zakres zapalności mieszanki,



brak emisji benzenu oraz znikoma emisja aldehydów,



wyższa temperatura zapłonu, utrudniająca samozapłon mieszanki a tym samym zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji,



duża liczba oktanowa (umożliwiająca zwiększenie stopnia sprężania),



mniejsza prędkość spalania wpływająca na zmniejszenie hałasu silnika.

Na podkreślenie zasługuje kwestia bezpieczeństwa urządzeń i tankowania. W świa- domości opinii publicznej uchodzi on za bardzo niebezpieczne medium. Biorąc pod uwagę właściwości gazu ziemnego (granice samozapłonu w wąskim przedziale procen- towego udziału gazu ziemnego w powietrzu oraz wysoką temperaturę zapłonu) jest to bardziej bezpieczne paliwo niż benzyna, olej napędowy czy ciekły gaz ziemny. Techno- logia wytwarzania zbiorników wysokociśnieniowych zapewnia bezpieczeństwo groma- dzenia gazów pod ciśnieniem nawet do 70 MPa, gdy tymczasem ciśnienie robocze w zbiornikach CNG w pojazdach nie przekracza 25 MPa. Jeśli z jakiegoś powodu na- stąpiłoby rozszczelnienie zbiornika ze sprężonym gazem ziemnym, to konstrukcja ta- kiego zbiornika zapewnia, iż rozszczelnienie następuje bez wybuchu i rozerwania butli, a poprzez wyciek. Dla sprężonego gazu ziemnego oznacza to gwałtowne zmniejszenie jego temperatury wskutek rozprężenia, co z kolei praktycznie uniemożliwia zapalenie się tego gazu, gdyż temperatura zapłonu wynosi ponad 630

C.

Gaz ziemny dla pojazdów kołowych jest paliwem o wielu zaletach i powinien być wykorzystany przede wszystkim tam, gdzie czynnikiem nadrzędnym jest ochrona śro- dowiska (tab. 2.1). Oprócz ekologii głównymi uwarunkowaniami stosowania gazu ziemnego jako paliwa silnikowego do napędu pojazdów są: bezpieczeństwo jego użyt- kowania, niższa cena nabywcza od benzyn silnikowych, olejów napędowych, alkoholi i propanu-butanu oraz „zbliżenie technologiczne” do paliwa wodorowego mającego zastosowanie w silnikach spalinowych i w ogniwach paliwowych [29].

Tablica 2.1. Możliwości zastosowania gazu ziemnego jako paliwa w różnych typach pojazdów (opracowanie na podstawie [51, 52, 94])

Typy

pojazdów Paliwo LPG Biopaliwo Elektryczne Hybrydowe CNG, LNG

Osobowe benzyna,

olej napędowy tak tak tak tak tak (CNG)

Vany olej napędowy tak tak nie tak tak (CNG)

Dostawcze olej napędowy nie tak nie tak tak (CNG)

Autobusy olej napędowy nie tak tak tak tak (CNG)

Autokary olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG)

Ciężarowe olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG)

Pozadrogowe olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG)

Lokomotywy olej napędowy,

elektryczne ? tak tak nie tak (LNG)

Statki olej napędowy ? tak nie nie tak (LNG)

Zainteresowanie gazem ziemnym do napędu pojazdów pojawiło się w krajach mają-

cych łatwy do niego dostęp i tam gdzie jest dużo tańszy od innych paliw. Wiek XX był

okresem dominacji paliw motoryzacyjnych wytwarzanych z ropy naftowej, natomiast w

wieku XXI znaczący wpływ w ich bilansie może mieć gaz ziemny. Udokumentowane

naturalne zasoby gazu ziemnego przeliczone na obecne globalne jego zapotrzebowanie

wystarczą na około siedemdziesiąt lat, podczas gdy złoża ropy naftowej tylko na pół

wieku. W ostatnich dziesięcioleciach odkryto na dnie oceanów i w obszarach wiecznej

zmarzliny znaczne zasoby hydratów [65], których głównym składnikiem jest metan

uwieziony w krystalicznej strukturze wody w postaci stałej. Zasoby hydratów w przeli- czeniu na energię są dwukrotnie większe od zasobów wszystkich paliw kopalnianych (węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego).

W porównaniu z benzyną i olejem napędowym zastosowanie do napędu pojazdów gazu ziemnego powoduje znaczne zmniejszenie ilości emitowanych substancji szkodli- wych a nawet całkowite wyeliminowanie niektórych z nich. Warto zauważyć znaczne obniżenie emisji podstawowego produktu spalania, jakim jest dwutlenek węgla w po- równaniu do pozostałych paliw, z powodu niskiego stosunku węgla pierwiastkowego do wodoru w gazie ziemnym, oszacowanego na 0,255.

Gaz ziemny jest paliwem spełniającym wszystkie poziomy zanieczyszczeń wymaga- ne w Europie i zapisywane w kolejnych rygorystycznych normach od Euro 2 do Euro 6, które ograniczają dopuszczalną emisję drogową substancji szkodliwych pochodzących z pojazdów samochodowych. Kolejnym aspektem ekologicznym stosowania gazu ziemnego, jako paliwa do pojazdów jest zmniejszenie drgań i głośności pracy silnika przeciętnie o kilka decybeli, co znacznie zwiększa komfort jazdy [83].

Innymi atrybutami stosowania sprężonego gazu ziemnego do napędu pojazdów poza korzystnym wpływem na środowisko i większym bezpieczeństwem są [31, 39, 42]:



znacznie większe zasoby gazu ziemnego od zasobów ropy naftowej,



ogólna dostępność i możliwość bezpośredniego wykorzystania złóż lokalnych,



brak konieczności magazynowania gazu na niektórych stacjach napełniania,



dogodność i łatwość transportu gazu (niezależność od pogody i transportu samo- chodowego),

 dodatkowa dywersyfikacja rynku paliwowego zwiększającego konkurencyjność

i wzrost bezpieczeństwa dostaw (przez zróżnicowanie paliw, dostawców i odbiorców),



niższe koszty związane z ekologia, niższe koszty eksploatacyjne (niższa na świe- cie cena gazu ziemnego od 15 do 50% w porównaniu z paliwami ciekłymi),

 mniejsze koszty budowy silnika zasilanego CNG, jako paliwem zasadniczym,



kreowanie nowych miejsc pracy, unowocześnienie taboru samochodowego,



możliwości nowych rozwiązań technicznych,



stosowanie pojazdów dwupaliwowych (gaz + elektryczność, gaz + benzyna),



zamknięty system napełniania od gazociągu do silnika,



łatwość zapłonu silnika w niskiej temperaturze otoczenia (ponieważ paliwo jest zawsze w stanie gazowym),

 mniejsze zużycie oleju silnikowego i dłuższa żywotność silnika i filtrów oleju

(z powodu lepszego smarowania gładzi cylindrów i braku osadzania się na ich ścian- kach cząstek stałych, jako konsekwencja słabej rozpuszczalności gazu ziemnego w związkach organicznych o dużej masie cząsteczkowej).

Natomiast do wad można zaliczyć:

 nieznaczne zmniejszenie mocy silnika i prędkości pojazdu,



mniejszy zasięg pojazdu,



dotychczasowy negatywny odbiór społeczny gazu ziemnego, jako paliwa niebez- piecznego,

 dodatkowe koszty dotyczące nowych lub przerobionych pojazdów na gaz ziemny,



koszty budowy związane z infrastrukturą stacji napełniania sprężonym gazem ziemnym,



mała liczba stacji napełniania oraz trwające prace nad przepisami i normami.

Wszystkie powyższe wady są możliwe do zminimalizowania, a niektóre z nich nawet

do wyeliminowania.

Gaz ziemny jest paliwem naturalnym, kopalnianym. Po wydobyciu wymaga tylko osuszenia, odsiarczenia i może być stosowany jako paliwo do silników spalinowych.

Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan (CH

) (83–98%), dodatkowo może zawierać również: etan, propan, butan i inne ciężkie węglowodory oraz zanieczyszcze- nia: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, powietrze, argon i inne w ilościach śladowych [2]. W tablicy 2.2 przedstawiono porównanie właściwości benzyny i gazu ziemnego.

Tablica 2.2. Zestawienie głównych cech benzyn silnikowych i gazu ziemnego [37, 78]

Parametr Jednostka Rodzaj paliwa

benzyny metan

Wartość opałowa MJ/kg 42,5–43,5 50

MJ/m³ 31–32 35,82

Wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej MJ/m³ 3,5 3,37

Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza – 14,7 17,2

Liczba oktanowa badawcza – 95–98 150

motorowa – 85–88 140

Gęstość w 20 ^oC kg/m³ 715 0,668

w 0 ^oC kg/m³ – 0,717

Granice wybuchowości % 1,16–7,0 5–15

Prędkość spalania laminarnego m/s 0,3–0,6 0,34

Temperatura samozapłonu ^oC 480–550 645

Temperatura wrzenia ^oC 35–210 –162

Ciepło parowania kJ/kg 350–380 510

Metan to najprostszy węglowodór parafinowy o najkrótszym łańcuchu. Cecha ta po- woduje, że ma on największą wartość opałową spośród wszystkich węglowodorów.

Metan ma bardzo dużą odporność na spalanie stukowe z powodu odporności termicznej – nie ulega rozpadowi termicznemu do temperatury ok. 2100

C.

Gaz ziemny ze względu na wyższą liczbę oktanową charakteryzuje się wyższą od- pornością na spalanie stukowe, niż w przypadku benzyn można stosować wyższy sto- pień sprężania, a tym samym uzyskać wyższą sprawność. Mniejsza gęstość gazu ziem- nego, niż benzyny sprawia, iż gaz ziemny doskonale miesza się z powietrzem podczas przygotowywania mieszanki paliwowo-powietrznej i nie występuje tu zjawisko wykra- plania się kropel paliwa jak w przypadku benzyn. Z tego powodu silnik zasilany gazem ziemnym nie wymaga stosowania układu wzbogacania mieszanki podczas zimnego rozruchu oraz nagłego przyspieszania w czasie jazdy. Umożliwia to również łatwiejsze utrzymanie założonego, stechiometrycznego składu mieszanki paliwowo-powietrznej w czasie pracy silnika w warunkach nieustalonych. Z drugiej strony główny składnik gazu ziemnego, metan ma dużą wartość energii aktywacji więc prędkość laminarnego płomienia mieszanki gazowo-powietrznej jest mniejsza, niż mieszanki paliwa ciekłego.

Powoduje to wydłużenie okresu spalania, a to przyczynia się do zmniejszenia sprawno- ści obiegu [2].

Z powyższych porównań wynika, że żeby w silniku ZI zasilanym benzyną zastoso-

wać w sposób optymalny zasilanie gazem ziemnym należałoby zwiększyć wartość kąta

wyprzedzenia zapłonu, zwiększyć stopień sprężania, zoptymalizować czasy otwarcia

i zamknięcia zaworów, aby możliwe było całkowite spalenie ładunku. Jeżeli silnik po-

jazdu ma być jednostką dwupaliwową to należałoby stosować rozwiązania kompromi- sowe. Technicznie trudne jest do osiągnięcia przez tę samą jednostkę silnikową dobrej pracy zarówno podczas zasilania benzyną jak i gazem ziemnym. Aby to osiągnąć silnik powinien być nowoczesną konstrukcją wyposażoną w systemy zmiennych faz rozrządu lub zmiany stopnia sprężania.

Podobnie jak w odniesieniu do paliw płynnych, również w przypadku paliw gazo- wych obowiązują akty prawne regulujące ich właściwości. W Polsce wymagania jako- ściowe dotyczące gazu CNG określone są w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 grudnia 2006 r., w sprawie wymagań jakościowych dla sprężonego gazu ziemnego (CNG) – DzU nr 251, poz. 1850. W odniesieniu do gazu CNG w rozporzą- dzeniu przewiduje się określenie takich parametrów, jak: zawartość siarkowodoru, za- wartość siarki całkowitej, zawartość par rtęci, intensywność zapachu, ciepło spalania, zawartość wody, zawartość wyższych węglowodorów (propanu i butanu), zawartość pyłu i zawartość tlenu (tabl. 2.3). Warto zwrócić uwagę na odmienność wymagań obo- wiązujących w przypadku paliw gazowych i w przypadku ciekłych paliw silnikowych;

szczególnie dotyczy to CNG.

Tablica 2.3. Wymagania jakościowe dla gazu CNG określone w Rozporządzeniu Ministra Go- spodarki z dnia 28 grudnia 2006 r.

Parametr Jednostka Zakresy

minimum maksimum

Zawartość siarkowodoru mg/m³ – 7,0

Zawartość siarki mg/m³ – 40

Zawartość par rtęci g/m³ – 30

Intensywność zapachu

% V/V

zapach wyraźnie wyczuwalny, gdy stężenie gazu w powietrzu osiągnie wartość:

a) 1,5 – dla nominalnej liczby Wobbego 25–35, b) 1,0 – dla nominalnej liczby Wobbego 41,5–50 Ciepło spalania

MJ/m³

a) 18 – dla nominalnej liczby Wobbego 23–27, b) 22 – dla nominalnej liczby Wobbego 27–32,5, c) 26 – dla nominalnej liczby Wobbego 32,5–37,5, d) 30 – dla nominalnej liczby Wobbego 37,5–45, e) 34 – dla nominalnej liczby Wobbego 45–54 Zawartość wody

(przy ciśnieniu 20 MPa i temperaturze –20 °C)

mg/m³ – 30

Zawartość wyższych węglowodorów (w temp. –30 ^oC) – propan

– butan

%

– –

5,8 1,8 Zawartość pyłu o średnicy

cząstek większej niż 5 μm mg/m³ – 1

Zawartość tlenu %

(mol/mol) – 0,2

Wymagania jakościowe wobec gazu CNG stosowanych jako paliwa silnikowe okre- ślone są również w polskich i europejskich normach, PN-EN ISO 15403:2010 – Gaz ziemny stosowany jako sprężone paliwo do pojazdów. Wymagania jakościowe określo- ne przez Ministra Gospodarki w dużym stopniu są zbieżne z zapisami przywołanych norm.

2.3. Spalanie gazu ziemnego w silnikach spalinowych

Praca mechaniczna silnika spalinowego jest wynikiem spalania paliwa. Spalanie to proces fizykochemiczny, w którym z dużą prędkością przebiega reakcja utleniania, po- legająca na gwałtownym łączeniu się spalanej substancji z utleniaczem. Sam przebieg spalania zależy od jego warunków oraz od właściwości spalanego paliwa. Paliwo znaj- dujące się w komorze spalania w stanie innym niż gazowy nie ulega spaleniu i zostaje tracone [48].

W przypadku spalania paliw węglowodorowych przyjmuje się teorię spalania jako rozgałęzioną reakcję łańcuchową. Zgodnie z tą teorią zapłon powstaje w wyniku reakcji łańcuchowych, w których jako zjawisko wtórne wydziela się ciepło. Można tu wydzie- lić trzy etapy [82]:



inicjowanie łańcucha (absorbowana energia powoduje wytworzenie cząstki ak- tywnej),



wzrost łańcucha (aktywizacja kolejnych cząsteczek kosztem innych),



zakończenie łańcucha (cząsteczki aktywne zanikają i nie tworzą się nowe).

Początkowo w wyniku połączenia cząsteczki aktywnego tlenu z cząsteczką paliwa powstają aktywne organiczne nadtlenki (ROOR) bądź też hydronadtlenki (ROOH)

C

H

+ 2C

→ ROOR lub ROOH, gdzie: R – rodnik węglowodorowy.

W dalszej kolejności nadtlenki i hydronadtlenki ulęgają rozpadowi, produkty rozpa- du ulegają dalszemu utlenieniu, w wyniku czego powstają aldehydy: para wodna, kwasy oraz CO i CO

. W wyniku tego powstaje lawinowa reakcja cieplna z wydzieleniem się ciepła. Aby reakcja dalej się rozwijała musi być spełniony następujący warunek: szyb- kość powstawania nowych rodników węglowodorowych i innych cząsteczek aktywnych musi być większa, niż szybkość zrywania łańcuchów.

Według teorii cieplnej szybkość wydzielania ciepła w procesach przedpłomiennych musi przewyższać szybkość odprowadzania ciepła do otoczenia, dopiero po spełnieniu tego warunku może dojść do rozpoczęcia reakcji chemicznej – procesu spalania. Jeżeli zatem ilość ciepła wydzielająca się w wyniku reakcji jest większa od ilości ciepła od- prowadzanego do otoczenia, to reakcja przebiega aż do całkowitego spalenia paliwa.

Podczas rzeczywistej pracy silnika spalinowego w cylindrze znajduje się nie tylko mieszanka paliwowo-powietrzna ale również pozostałości spalin z poprzedniego cyklu pracy silnika. Aby mieszanka uległa spaleniu musi nastąpić najpierw jej zapłon, który jest możliwy pod warunkiem:



odpowiedniego składu mieszanki roboczej (stężenie par paliwa na odpowiednim poziomie),

 energia iskry elektrycznej występującej między elektrodami świecy zapłonowej

musi być odpowiednia dla danej mieszanki roboczej.

Najbardziej zbliżonym do rzeczywistości wydaje się model łańcuchowo-cieplny

[23]. Zakłada on, że dla progresywnego rozwoju reakcji łańcuchowych konieczny jest

impuls cieplny. W literaturze z zakresu tematyki procesów spalania w silnikach ZI za początek spalania przyjmuje się chwilę pojawienia się iskry między elektrodami świecy zapłonowej i wyróżnia się trzy okresy spalania:

 okres wstępny (od chwili pojawienia się iskry do chwili wystąpienia wzrostu ci-

śnienia),



okres właściwego spalania (od chwili wzrostu ciśnienia do chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia),



okres dopalania (od chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia do zakończenia wydzielania się ciepła).

W pracach [99, 100] stwierdzono, że utlenianie cząsteczek paliwa występuje już wcześniej, od chwili zmieszania paliwa z powietrzem w układzie dolotowym i później już w cylindrze przed wystąpieniem iskry elektrycznej. Mieszanka znajdująca się w cylindrze ogrzewa się od ścianek cylindra od denka tłoka i ścianek głowicy, co po- woduje, że w mieszance do chwili wystąpienia iskry elektrycznej zachodzą reakcje utleniania niskotemperaturowego, których wynikiem są pośrednie produkty utleniania:

aldehydy, alkohole, ketony, kwasy, hydrokwasy, nadtlenki itp. Dlatego zgodnie z po- wyższym w procesie spalania można zdefiniować cztery okresy [48] (rys. 2.8):

1. Okres wstępny – rozpoczyna się w kolektorze dolotowym silnika i przebiega z małą, ale rosnącą intensywnością przez cały czas sprężania mieszanki. W okresie tym niektóre składniki węglowodorowe paliwa ulęgają rozkładowi, reagują z tlenem tworząc w niewielkiej ilości nadtlenki, aldehydy, alkohole i kwasy organiczne. Intensywność tych reakcji zależy m.in. od właściwości paliwa oraz czasu stykania się jego par z po- wietrzem. Im czas ten jest krótszy, np. przy zasilaniu wtryskowym, tym ilość produktów reakcji okresu wstępnego jest mniejsza.

Rys. 2.8. Charakterystyczne punkty spalania w silniku ZI [48]

2. Okres powstawania płomienia (spalania utajonego) – rozpoczyna się w chwili

pojawienia się iskry miedzy elektrodami świecy zapłonowej, a kończy się (umownie)

w chwili wystąpienia gwałtownego wzrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem.

W okresie tym charakterystyka wzrostu ciśnienia dla mieszanki zapalonej i niezapalonej jest taka sama. Obejmuje on czas opóźnienia zapłonu i wytworzenia krytycznego obsza- ru objętego płomieniem. Od tego czasu płomień może rozprzestrzeniać się już bez do- pływu energii z zewnątrz. Pod koniec tego okresu szybkość wywiązywania się ciepła jest zbliżona do maksymalnej. Czas trwania okresu powstawania płomienia jest zdeter- minowany właściwościami paliwa (mieszanki), energią iskry i stopniem sprężania.

3. Okres rozprzestrzeniania się płomienia (spalania właściwego) – trwa od chwili przyrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem do chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia. W okresie tym czoło płomienia rozprzestrzenia się od obszaru po- czątkowego przez całą objętość mieszanki i następuje bardzo szybkie wywiązywanie się ciepła, któremu towarzyszy gwałtowny przyrost ciśnienia. Okres ten kończy się wtedy, gdy czoło płomienia dochodzi do najodleglejszej ścianki komory spalania, czemu od- powiada maksymalna wartość ciśnienia. Czas trwania tego okresu zależy m.in. od ukształtowania i wymiarów komory spalania, umiejscowienia świecy zapłonowej, stop- nia zawirowania mieszanki, kąta wyprzedzenia zapłonu oraz prędkości obrotowej i wła- ściwości paliwa.

4. Okres dopalania – trwa od chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia

do zakończenia wydzielania się ciepła. W okresie tym dopalają się resztki mieszanki

w objętości komory spalania, a temperatura osiąga największą wartość. Ciśnienie

zmniejsza się w wyniku wzrostu objętości zajmowanej przez ładunek, i zmniejsza się

doprowadzanie ciepła. Okres ten jest zakończeniem procesu spalania.

3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym

3.1. Budowa systemów zasilania gazem ziemnym

Instalacje zasilania gazem ziemnym są znane praktycznie od powstania silnika ZI.

Silnik skonstruowany w 1860 roku przez francuza Etienne Lenoir zasilany był gazem świetlnym [43]. Od rodzaju instalacji zasilania paliwem gazowym, jej technicznego zaawansowania zależy, podobnie jak w przypadku układów zasilania benzyną, ilość związków toksycznych w spalinach. Ciągły rozwój układów zasilania paliwami kon- wencjonalnymi wymusza równoległy rozwój instalacji zasilania paliwami gazowymi.

Oba typy instalacji, zarówno LPG (Liquefied Petroleum Gas – skroplone paliwo ga- zowe), jak i CNG, składają się z bardzo podobnych elementów. W skład każdej z nich wchodzą: zbiornik paliwa z osprzętem (zwykle w instalacjach CNG stosuje się kilka zbiorników), elektrozawór gazowy, reduktor ciśnienia oraz wtryskiwacze gazu.

Wszystkie elementy są połączone przewodami, sztywnymi (w części wysokociśnienio- wej układu) lub elastycznymi (za reduktorem ciśnienia), w zależności od panującego w nich ciśnienia.

Przechowywanie paliwa

W instalacjach CNG gaz jest przechowywany w fazie gazowej pod bardzo wysokim ciśnieniem. Ciśnienie robocze dla butli CNG wynosi 20 MPa i jest 8-krotnie większe niż w przypadku zbiorników LPG (2,5 MPa). Pozwala to na znaczne zwiększenie gęsto- ści magazynowanej energii, a tym samym zasięgu pojazdu. Dlatego też gaz ziemny przechowuje się w postaci sprężonej, co wymaga zastosowania odpowiednich zbiorni- ków zdolnych do wytrzymania wysokiego ciśnienia. Aby zapewnić odpowiednią wy- trzymałość, butle do CNG są produkowane z jednego materiału w procesie obróbki pla- stycznej (tłoczenie i przeciąganie na gorąco). Ścianki w ten sposób wykonanej butli mają grubość około 5 mm, pozwalającą na przechowywanie gazu pod ciśnieniem 20 MPa [110].

Podstawową wadą takich zbiorników jest ich duża masa, która w znaczny sposób ogranicza ładowność pojazdu (masa zbiornika stalowego o objętości 66 dm

wynosi 74 kg). Dlatego coraz częściej, szczególnie w samochodach osobowych i autobusach niskopodłogowych (gdy zbiorniki są na dachu), stosowane są znacznie lżejsze zbiorniki kompozytowe. W ich budowie wykorzystuje się aluminiowy wkład, na który nawijane jest włókno węglowe przesycane żywicą. W ten sposób otrzymuje się zbiornik zdolny pracować z ciśnieniem roboczym 20 MPa, którego masa jest znacznie mniejsza niż sta- lowego (dla zbiornika o objętości 65 dm

wynosi ona nieco ponad 20 kg, czyli 54 kg mniej w stosunku do stalowego).

Do przechowywania gazu ziemnego stosuje się zbiorniki wysokociśnieniowe wypo-

sażone w odpowiednie zawory zapewniające bezpieczną pracę oraz minimalizujące

skutki w razie wypadku bądź innych niekorzystnych sytuacji losowych. Zbiorniki ci-

śnieniowe ze względu na ich budowę i zgodnie z normą ISO 11439 (Gas cylinder –

Tablica 3.1. Typy zbiorników przechowywania gazu ziemnego w pojazdach Typ

zbiornika Rodzaj materiału Stosunek masy zbiornika do objętości [kg/dm³]

Minimalne ciśnie- nie rozrywające

[MPa]

CNG-1 całkowicie stalowy 1,00 45

CNG-2 korpus ze stopów lekkich,

częściowo opleciony 0,6–0,8 47–50

CNG-3 cienki korpus ze stopów lekkich,

całkowicie opleciony 0,3–0,5 47–70

CNG-4 całkowicie z materiałów

kompozytowych 0,3–0,4 47–73

Najtańszym rozwiązaniem jest zbiornik typu CNG-1 (rys. 3.1a), który jest wykonany całkowicie ze stali. Powstaje w procesie przeciągania na gorąco rozgrzanego bloku stali o odpowiednim składzie. Tak powstała rura z dnem zamykana jest w procesie rolowania na gorąco. Po wykonaniu otworu gwintowanego pod zawór i zabezpieczeniu antykoro- zyjnemu zbiornik jest gotowy do eksploatacji.

Zbiorniki CNG-1 to najstarsze rozwiązanie stosowane w pojazdach samochodowych na szeroką skalę już na początku ubiegłego wieku. Z ekonomicznego punktu widzenia jest to najtańsze rozwiązanie przechowywania sprężonego gazu ziemnego. Rozwiązanie to posiada jednak wadę, którą jest masa zbiorników. Masa zastosowanych zbiorników w znaczny sposób wpływa na dopuszczalną ładowność pojazdu, jego zużycie paliwa, czyli tym samym emisję związków toksycznych do atmosfery. Przykładowo w samo- chodzie VW Caddy Maxi w wersji zasilanej CNG masa butli to ok. 200 kg plus masa paliwa CNG ok. 34 kg. Jeżeli zastosowano by w nim butlę typu 3 bądź 4 (rys. 3.1b) to możliwe byłoby zredukowanie masy pojazdu o ok. 120–140 kg. Butle stalowe znajdują natomiast szerokie zastosowanie w produkowanych obecnie samochodach osobowych i dostawczych np. VW Passat EcoFuel, Opel Zafira, Fiat Multipla, Mercedes Sprinter NGV czy Iveco Daily.

a) b)

Rys. 3.1. Rodzaje zbiorników gazu ziemnego: a) stalowy zbiornik typu CNG-1 w samochodzie Fiat Panda Natural Power, b) kompozytowe zbiorniki – Mercedes B180 NGT [109]

Zbiorniki typu 2 oraz 3 posiadają korpus z metali lekkich wzmocniony oplotem

z włókien szklanych, węglowych lub kewlaru. Obecnie zbiorniki typu 3 spotyka się

najczęściej w autobusach miejskich. Są to przede wszystkim niskopodłogowe autobusy

miejskie, w których butle umieszcza się na dachu. Zastosowanie stalowych butli spo-

wodowałoby znaczne zwiększenie masy autobusu (rys. 3.2a), ale również niekorzystnie wpłynęłoby na właściwości trakcyjne poprzez zmianę środka ciężkości pojazdu.

Zbiorniki typu 4 wykonane są w całości z kompozytów i mają najlepszy stosunek swojej masy do objętości. Niestety zbiorniki typu 3 i 4 są wielokrotnie droższe w pro- dukcji niż zbiorniki typu 1 i dlatego swoje zastosowanie znajdują w pojazdach, w któ- rych istnieje potrzeba zmagazynowania dużych ilości paliwa przy ograniczonych moż- liwościach zwiększania masy całkowitej pojazdu. Zbiorniki typu 4 składają się z wkładu wykonanego z materiału niemetalowego z pełnym oplotem z włókna węglowego i szklanego, przesycanym żywicą epoksydową. Spotyka się także zbiorniki z oplotem wykonanym z włókien aramidowych. Będąca elementem nośnym zbiornika kompozy- towego powłoka wykonana z różnego rodzaju włókien musi być nawijana w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach. Włókno w postaci ciągłej jest nakładane ze ściśle określonym naprężeniem (rys. 3.2b). Gotowy metalowy lub kompozytowy wkład zbiornika z zamontowanym króćcem do wkręcenia zaworu jest umieszczany na maszy- nie do nawijania włóknem ciągłym. W czasie nawijania włókno jest nasączane odpo- wiednią ilością żywicy epoksydowej znajdującej się w wannie impregnującej. Napręże- nie włókna zależne od wielkości zbiornika jest monitorowane i archiwizowane razem z innymi parametrami procesu nawijania włókien i ich przesycania (czas procesu, tem- peratura żywicy, temperatura otoczenia).

a) b)

Rys. 3.2. Kompozytowe butle do przechowywania gazu ziemnego (a) oraz proces nawijania włókien (b) [96]

Firma Tuffshell opatentowała konstrukcję butli z zastosowaniem piankowych wkła- dek w zewnętrznym oplocie z włókna szklanego, co powoduje absorbcję energii ewen- tualnego uderzenia (rys. 3.3).

Rys. 3.3. Przekrój butli do przechowywania gazu ziemnego firmy Tuffshell [97]

Kompozytowe zbiorniki do przechowywania sprężonego gazu ziemnego poddane są cyklowi badań, który obejmuje, m.in:



hydrauliczną próbę ciśnieniową,



ciśnieniowe testy zmęczeniowe w różnych temperaturach,

 próbę odporności udarowej zbiornika,



próbę ogniową,



odporność na przestrzelenie.

W normie ISO 11439 określono również czas użytkowania butli do przechowywania CNG, który może wynosić maksymalnie 20 lat. Później butla, pomimo że może speł- niać inne wymagania musi być wycofana z eksploatacji. Czas eksploatacji określa pro- ducent zbiornika, opierając się na założeniu, że butla będzie napełniana 1000 razy w roku, co najmniej 15 000 razy w czasie całego okresu użytkowania. Rygorystyczne procedury związane z produkcją i badaniami zbiorników CNG oraz montowany w każ- dej butli zawór zespolony zapewniają bezpieczeństwo użytkowania samochodu zasila- nego CNG.

Osprzęt zbiorników

Każdy zbiornik CNG zamontowany w pojeździe jest wyposażony w zawór zespolo- ny, pozwalający na prawidłową i bezpieczną eksploatację butli. W skład zaworu zespo- lonego wchodzą następujące elementy (rys. 3.4):



elektrozawór roboczy odcinający dopływ gazu do silnika w przypadku, gdy silnik nie pracuje,



ręcznie sterowany zawór wypływu (zawór roboczy), stosowany w pracach serwi- sowych lub w sytuacji, kiedy trzeba odciąć dopływ paliwa do komory silnikowej,



zawór zwrotny, uniemożliwiający przepływ z butli w kierunku zaworu tankowa- nia,



zawór ogniowy,



zawór nadmiernego wypływu, ograniczający wypływ gazu ze zbiornika w przy- padku uszkodzenia części wysokociśnieniowej instalacji; znajduje się on w części za- woru wewnątrz zbiornika, dzięki czemu zawór działa po uszkodzeniu części zewnętrz- nej zaworu zespolonego,



zawór bezpieczeństwa, cechowany na ciśnienie 30 MPa,



manometr, pozwalający na ocenę stanu napełnienia zbiorników instalacji gazowej;

sygnał z niego jest również wykorzystywany do wysterowania wskaźnika poziomu pa- liwa gazowego na desce rozdzielczej.

Rys. 3.4. Zawór zespolony zbiornika CNG, wypo- sażony w dwa zawory ogniowe: 1 – cewka elek- trozaworu roboczego, 2 – króciec wyjściowy gazu ze zbiornika, 3 – zawory ogniowe, 4 – zawór nad- miernego wypływu, 5 – pokrętło ręcznie sterowa- nego zaworu roboczego, 6 – króćce, którymi uchodzi gaz po zadziałaniu zaworów ogniowych

Przewody gazowe

Do łączenia elementów instalacji CNG w części wysokociśnieniowej, w której panu- je takie samo ciśnienie, jak w zbiorniku (20 MPa), używa się sztywnych przewodów stalowych, o znacznie większej wytrzymałości w stosunku do miedzianych stosowa- nych w systemach LPG. Przewody (bez szwu) powinny być wykonane ze stali nie- rdzewnej lub mieć pokrycie antykorozyjne (rys. 3.5). W części niskociśnieniowej insta- lacji (za reduktorem) stosowane są przewody elastyczne z uwagi na dużo mniejsze war- tości ciśnienia.

Rys. 3.5. Przewody gazowe w fabrycznej instalacji CNG samochodu Fiat Panda Natural Power:

1 – stalowy, sztywny przewód doprowadzający gaz ze zbiorników paliwa (panuje w nim ciśnie- nie 20 MPa), 2 – sztywny przewód za reduktorem ciśnienia (panuje w nim ciśnienie około 0,2 MPa), 3 – elastyczny przewód łączący część niskociśnieniową z listwą wtryskiwaczy gazo-

wych (kompensuje on drgania jednostki napędowej) Reduktor ciśnienia i elektrozawór gazowy

Wykorzystywane w układach zasilania gazem ziemnym reduktory, nie odparowują paliwa, które jest przechowywane w stanie gazowym. Wymagana jest jednak znacznie większa redukcja ciśnienia – z 20 MPa do 0,1–0,2 MPa. Z tego powodu reduktory sto- sowane w instalacjach CNG redukują ciśnienie w 2 lub 3 stopniach. Reduktor ciśnienia w systemach zasilania gazem ziemnym jest także ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika, ponieważ przy rozprężaniu gazu gwałtownie obniża się jego temperatura. Elek- trozawór gazowy stanowi integralną część reduktora (rys. 3.6).

a) b)

Rys. 3.6. Reduktory ciśnienia: a) firmy Emer, b) firmy Metatron