ZESZY TY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄ SKIEJ Seria: T R A N SPO R T z. 44
2002 N r kol. 1562
M arek D Y K IER, M arek F LE K IEW IC Z
PROBLEMY ZASILANIA POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH GAZEM ZIEMNYM
S treszczenie. N iniejszy artykuł je st p róbą syntetycznego ujęcia podstaw ow ych problem ów zw iązanych ze stosow aniem gazu ziem nego do zasilania silników spalinow ych. P rzedstaw io
no w nim zalety gazu ziem nego ja k o paliw a silnikow ego oraz problem y zw iązane z je g o sze
rokim upow szechnieniem w m otoryzacji, co pozw ala odpow iedzieć n a zasadnicze pytanie, czy gaz ziem ny będzie w przyszłości w pełni alternatyw nym paliw em dla benzyn i olei napę
dowych.
SOME PROBLEM S OF CN G ALTERN A TIV E FU ELLED V EH ICLE
S u m m a ry . The paper presents m ain problem s o f CN G and LPG fuelled engines. B oth all advantages o f these alternative fuels and problem s o f their application for exploitation are explained.
1. W PRO W AD ZEN IE
W K atedrze B udow y Pojazdów Sam ochodowych W ydziału T ransportu Politechniki Śląskiej prow adzone są od kilkunastu lat prace zw iązane z konstrukcją urządzeń gazow ych instalacji zasilających i ich elektronicznych układów regulacji, a także prace teoretyczne do
tyczące m odelow ania procesu spalania i w ym iany ładunku. C elem nadrzędnym tych prac jest racjonalne w ykorzystanie energii zawartej w paliw ie gazowym .
Rys. 1. Stanow isko badaw cze w raz z oprzyrządow aniem Fig- 1. Test stand
R ealizacja tego celu w aspekcie stałego dynam icznego rozw oju konstrukcji silnika i jego system ów zasilania paliw am i bazow ym i (benzyna, olej napędow y) w ym aga ciągłego prow a
dzenia badań stanow iskow ych i sym ulacyjnych instalacji gazowych.
N a rysunku 1 przedstaw iono w idok ham ow ni silnikowej z badaw czym silnikiem w ysoko
prężnym A D 3.152 G, przystosow anym do zasilania tylko paliw am i gazow ym i. W yposażenie stanow iska przedstaw iono schem atycznie n a rysunku 2.
W łaściw ie oprzyrządow ane stanow isko badaw cze um ożliw ia prow adzenie badań funkcjo
nalności system ów zasilających silniki spalinow e paliwam i gazow ym i, w tym urządzeń hy- drauliczno-pneum atycznych i ich elektronicznego osprzętu, oraz pom iar w szystkich param e
trów pracy silnika. U zyskane wyniki um ożliw iają pełną w eryfikację prow adzonych badań m odelow ych, m inim alizując tym sam ym koszty i czas testów prow adzonych na ham owni silnikowej.
pow ietrze
Rys. 2. Schem at stanow iska badaw czego Fig. 2. D iagram o f test stand
O z n a c z e n ia p rz y ję te n a ry s u n k u to :
1- s iln ik , 2 - h a m u le c w o d n y , 3 - u k ła d k o n tro ln o -p o m ia ro w y , 4 - k o m p u te r P C z k a r tą a k w iz y c ji d a n y ch , 5 - w z m a c n ia c z ła d u n k u , 6 - lis tw a p rz y łą c z e n io w a , 7 - a n a liz a to r s p a lin , 8- w a g a te n so m e try c z n a , 9 - z eg a r, 10- b u tla z g a z e m , 11- e le k tro z a w ó r g a z o w y , 12- re g u la to r c iśn ie n ia g a z u , 13- filtr p o w ie trz a , 14- m ie sza ln ik , 15, 1 6 - z e s p ó ł p rz e p u stn ic y , 17- c h ło d n ic a , 18- s te ro w a n ie o b c ią ż e n ie m , 19- p rz e tw o rn ik m o m e n tu o b ro to w e g o , 2 0 - c z u jn ik p rę d k o ś c i o b ro to w e j, 2 1 - c z u jn ik te m p e ra tu ry w o d y h a m u lc a , 2 2 - c z u jn ik te m p e ra tu ry c ie c z y c h ło d z ąc e j siln ik , 2 3 - c z u jn ik te m p e ra tu ry o le ju , 2 4 - c z u jn ik c iśn ie n ia o le ju , 2 5 - c z u jn ik te m p e ra tu ry p o w ie trz a d o lo to w e g o , 2 6 - p rz e p ły w o m ie rz m a so w y , 2 7 - c z u jn ik te m p e ra tu ry g a zu , 2 8 - c z u jn ik c iśn ie n ia w k o le k to rz e d o lo to w y m . 2 9 - c z u jn ik te m p e ra tu ry m ie s z a n k i p o w ie trz n o -g a z o w e j, 3 0 - p rz e tw o rn ik c iśn ie n ia , 31 i 3 2 - e n k o d er o p ty c z n y , 3 3 - c z u jn ik te m p e ra tu ry śc ia n k i k o le k to ra w y lo to w e g o , 3 4 - c z u jn ik te m p e ra tu ry s p a lin , 35 i 3 6 - c z u jn ik i te m p e ra tu r s p a lin p r z e d i z a k a ta liz a to re m , 3 7 - s z e ro k o p a s m o w a s o n d a la m b d a .
2. GAZ ZIEM N Y JA K O PA LIW O SILN IK O W E
W silniku spalinow ym , konstrukcyjnie przystosow anym do spalania benzyn lub oleju na
pędow ego, istnieje oczyw iście m ożliw ość użytkow ania innych paliw , zarów no płynnych, ja k i
Problem y zasilania pojazdów sam ochodow ych gazem ziem nym 33
gazowych, ale z ró żn ą efektyw nością. Efektyw ność ta w yrażana je s t zw ykle technicznym i wskaźnikam i pracy silnika oraz ekonom icznością eksploatacji.
Z a paliw a alternatyw ne dla benzyn lub oleju napędow ego m ożna uznać tylko te, które spełniają trzy poniższe w arunki:
- ich w artość opałow a je s t tego sam ego rzędu, co paliw a bazow ego, koszt paliw a je st niższy niż paliw a bazow ego,
- poziom em isji składników toksycznych w spalinach j est n iż szy niż dla paliw a bazowego.
M ów iąc inaczej, m oc silnika nie m oże ulec zarówno znacznem u obniżeniu, ja k i zw ięk
szeniu, do w artości 0 ,7 N , - 1,15 N„. K oszty eksploatacji m u sz ą być niższe, a pod w zględem ekologicznym pojazd m usi być bardziej przyjazny dla środow iska.
Tabela 1 P orów nanie w ybranych paliw alternatyw nych
Paliwo alter
natywne
Emisja składników toksycznych
Emisja c o2
Autonomia (zasięg)
Dodatkowy koszt adap
tacji
Koszt paliwa
Infrastruktura
Benzyna 0 0 0 0 0 Bardzo dobra
Olej napędo
wy
- + + + + - + Bardzo dobra
C N G + + + + — — + Ograniczona
Biogaz + + + l l l l — — - Ograniczona
LPG + + - - + Bardzo dobra
Etanol 0 + + - 0 — Ograniczona*
Ester metylo
wy
- + + 0 - - Ograniczona*
Ester dwume- tylowy
+ + + + - — 0 Ograniczona*
Metanol 0 + + + — 0 — Bardzo ogra
niczona
Wodór + + + ?* — — — Nie istnieje
Elektryczność + + + + ?* — — + Dobra
0 = odpowiada benzynie
+ = korzystniejszy n iż dla benzyny - = gorszy n iż dla benzyny
Ograniczona* = m ożliw ość w ykorzystania istniejących stacji zm ienia zasadniczo spełnienie tego kry
terium
?* = zależy od technologii pozyskiw ania wodoru i energii elektrycznej
Uw zględniając pow yższe w arunki, ja k rów nież: em isję C0 2 , koszt adaptacji czy też do
stępność paliw a - m ożna ocenić, które z paliw alternatyw nych zasługuje na m iano paliw a przyszłości. Zestaw ienie różnych w skaźników dla paliw alternatyw nych przedstaw iono w tabeli 1. W ynika z niej, że jedynym i paliw am i, które m o g ą znaleźć szerokie zastosow anie w motoryzacji w najbliższych latach są na razie tylko gaz ziem ny (CN G ) i m ieszaniny propanu- butanu (LPG). Paliw o propanow o-butanow e pozyskiw ane je st w trakcie rafinacji ropy nafto
wej, podczas gdy gaz ziem ny pozyskuje się bezpośrednio ze złoża. W edług szacunkowych analiz znane zasoby gazu ziem nego są około dw ukrotnie w iększe od rozpoznanych zasobów ropy naftowej. K orzystniejsze i rów nom ierniejsze je st rów nież rozm ieszczenie złóż gazu ziemnego na naszym globie, co gw arantuje w iększą pew ność dostaw tego paliw a i stabilniej
szą jego cenę w porów naniu z ro p ą naftową.
Do szczególnie interesujących zalet gazu ziem nego należą:
- niska em isja cząstek stałych i dw utlenku w ęgla (w ynika to z budow y atom ow ej),
■ brak em isji związanej z odparow yw aniem gazu,
- niska em isja składników toksycznych w trakcie rozruchu silnika,
- szeroki zakres zapalności m ieszanki, zapew niający stabilność procesu spalania m ieszanek ubogich,
- niższa adiabatyczna tem peratura płom ienia w pływ ająca n a n iż szą em isją tlenków azotu, w yższa tem peratura zapłonu, utrudniająca sam ozapłon m ieszanki i w pływ ająca tym sa
m ym na zw iększenie bezpieczeństw a eksploatacji, - brak składników toksycznych,
- w ysoka liczba oktanow a (um ożliw ia zw iększenie stopnia sprężania), niższa prędkość spalania (w pływ a na obniżenie hałaśliw ości silnika),
- brak siarki (uniem ożliw ia tw orzenie się w trakcie spalania, zw iązków siarki niebezpiecz
nych dla środow iska).
Tabela 2 W ybrane składniki spalin n ie podlegające norm om em isji
Benzen C A
Emisja z pojazdów samocho
dowych to 25% emisji ogólnej.
Koncentracja w obszarach miejskich 1 do 7 |ig/m3(w oko
licach stacji paliwowych do 250 pg/m3 )
W
1,3 -butadien C A
Emisja z pojazdów samocho
dowych to 50%emisji ogólnej.
Koncentracja w obszarach miejskich 1 pg/m3
O P ^ y -
Formaldehyd HCHO
Emisja z pojazdów samocho
dowych to 28%pierwszej emi
sji i 35% emisji wtórnej.
Koncentracja w obszarach miejskich 4 pg/m3
J L
Aldehyd octowy CHjCHO
Koncentracja w powietrzu w wyniku spalania paliw silni
kowych 0,2 do 0,4 pg/m3
Paliw a gazow e są w ięc nie tylko interesującą alternatyw ą pod w zględem energetycznym i ekonom icznym , ale rów nież pod w zglądem ekologicznym , gdyż przy spalaniu em itow ane są m niejsze ilości składników toksycznych, co ułatw ia spełnienie norm em isji spalin EU RO 3 oraz EURO 4.
Problem y zasilania pojazdów sam ochodow ych gazem ziem nym 35
N a rysunkach 3-6 przedstaw iono porów nanie zużycia energii oraz em isji podstaw owych składników toksycznych spalin, m ieszanek ubogich i stechiom etrycznych oleju napędowego oraz paliw gazow ych (C N G i LPG).
Rys. 3. Porów nanie zużycia energii silnika zasilanego olejem napędow ym i paliw am i gazo
w ymi
Fig. 3. C om parison energy consum ption o f Raba-M A N engine fuelled b y diesel and CN G and LPG
1 - olej n apędow y-100%, 2- LPG m ieszanka uboga stechiom etryczna, 3 - LPG m ie
szanka stechiom etryczna, 4 - CN G m ieszanka uboga, 5- CN G m ieszanka stechiom e
tryczna
[% ]
n
»A:
Rys. 4. Porów nanie em isji N O x silnika R aba M A N zasilanego olejem napędow ym i paliw a
mi gazow ym i
Fig. 4. C om parison N O x em ission o f R aba-M A N engine fuelled by diesel and CN G and LPG 1 - olej napędow y-100%, 2- LPG m ieszanka uboga stechiom etryczna, 3 - LPG m ie
szanka stechiom etryczna, 4 - CNG m ieszanka uboga, 5- CN G m ieszanka stechiom e
tryczna
[%] 120 100 80 60 40 20
0
1 2 3 4 5
Rys. 5. Porów nanie em isji CO silnika Raba-M A N zasilanego olejem napędow ym i paliwam i gazowym i
Fig. 5. C om parison C O em ission o f Raba-M A N engine fuelled by diesel and CN G and LPG 1 - olej napędow y-100%, 2- LPG m ieszanka uboga stechiom etryczna, 3 - LPG m ie
szanka stechiom etryczna, 4 - CNG m ieszanka uboga, 5- C N G m ieszanka stechiom e
tryczna
[ % 1 2 0 0
150
100 50
o
1 2 3 4 5
Rys. 6. Porów nanie em isji HC silnika Raba-M A N zasilanego olejem napędow ym i paliwami gazowym i
Fig. 6. Com parison o f H C em ission o f R aba-M A N engine fuelled b y diesel and CNG and LPG
1 - olej n apędow y-100% , 2- LPG m ieszanka uboga stechiom etryczna, 3 - LPG m ie
szanka stechiom etryczna, 4 - CNG m ieszanka uboga, 5- C N G m ieszanka stechiom e
tryczna
P odstaw ą oceny ekologiczności silników o zapłonie iskrow ym , któ re zasilane są alterna
tyw nie paliw em gazow ym , je st zaw artość tlenków azotu, tlenku w ęg la i w ęglow odorów w spalinach, a także em isja C O2. W przypadku silników w ysokoprężnych głów nym param etrem oceny szkodliw ości ich spalin je s t em isja cząstek stałych, zw iązków silnie kancerogennych.
O becnie ze w zględów technicznych em isja ta określana je st pośrednio, tzn. przez pom iar za
dym ienia spalin.
N a rysunku 7 przedstaw iono w yniki badań porów naw czych em isji cząstek stałych silnika zasilanego olejem napędow ym oraz paliw am i gazow ym i LPG i CN G , a w tabeli 2 zestawiono em isję kilku w ęglow odorów z grupy w ęglow odorów arom atycznych, alifatycznych oraz alde
hydów.
Problem y zasilania pojazdów sam ochodow ych gazem ziem nym 37
N ie bez znaczenia dla środow iska naturalnego je st także em isja ozonu przyziem nego i dw utlenku w ęgla, które m a ją w pływ na ogólny efekt cieplarniany. Em isja tych składników przedstaw iona została n a rysunku 8 i 9.
Przytoczone w yniki badań dotyczą silników w ysokoprężnych, adaptow anych do zasilania paliw em gazowym . Silniki o zapłonie iskrow ym , zasilane alternatyw nie paliw am i gazowym i, także em itują niższe w artości podstaw ow ych składników toksycznych w porów naniu z zasi
laniem benzyną, ale nie em itują sadzy i cząstek stałych.
Poniew aż znaczący udział w zanieczyszczeniu pow ietrza w dużych aglom eracjach m ają autobusy i sam ochody ciężarow e - dostaw cze, zgazyfikow anie tych środków transportu w pierw szej kolejności m oże um ożliw ić popraw ę sytuacji w tym zakresie. W dalszej kolejności zasilanie gazem ziem nym pow inno objąć także dyspozycyjne sam ochody osobow e i pryw at
ne pojazdy.
[ % ] 120
1 0 0
80 60 40 20
0
Etylina Etanol LPG Metanol CNG
Rys. 7. Zm niejszenie przyziem nego tw orzenia ozonu przez p aliw a alternatyw ne Fig. 7. D ecreasing o f ozone form ation
— 200 E
® 150
Zasilanie Zasilanie Zasilanie klasyczne LPG wtryskowe LPG wtryskowe CNG
Rys. 8. Em isja CO2 w zależności od system u zasilania Fig. 8. Fuelling system influence for C O2 em ission
3. PO D STA W O W E PR O B L E M Y ZW IĄ ZA N E Z W PR O W A D ZA N IEM G A ZU ZIEM N EG O D O M O T O R Y Z A C JI
Z upow szechnieniem się paliw gazow ych zw iązane są je d n a k problem y natury ekono
micznej i technicznej. P roblem y ekonom iczne w ynikają z w ysokich kosztów budow y infra
struktury związanej z zasilaniem pojazdów gazem ziem nym (C N G ) i w ysokim kosztem ad
aptacji pojazdów , szczególnie pojazdów z silnikam i w ysokoprężnym i oraz w yposażonym i w najnow sze generacje układów zasilania paliw em bazowym .
Problem y techniczne zw iązane są przede w szystkim z w łaściw ą organizacją procesu spa
lania i je g o kontrolą. D otychczasow e dośw iadczenia uzyskane w w yniku realizacji w ielu ba
dań w skazują kierunki dalszego prow adzenia prac badaw czych, których celem pow inno być tak zm niejszenie zużycia energii, ja k i em isji składników toksycznych spalin. B adania te p o w inny obejm ow ać następujące problem y:
opracowanie konstrukcji now ych kom ór spalania dla m ieszanek ubogich i stechiom e- trycznych,
- opracow anie dokładnych i szybkich w działaniu czujników tlenu, tlenków azotu i metanu, czujników spalania detonacyjnego, tem peratury denka tłoka i spalin, czujników ciągłości pracy układu zapłonow ego w celu zapew nienia kontroli procesu spalania,
opracowanie now ych układów zapłonow ych, w tym układów laserow ych, - opracowanie now ych konstm kcji układów rozrządu i układów dolotow ych,
- opracow anie now ych reaktorów katalitycznych, w tym opartych na m olibdenie i siarce, - optym alizację w łasności olei silnikowych,
- optym alizację m ateriałów na zaw ory i gniazda zaw orow e oraz tłoki, w tym rów nież w y
korzystanie ceram iki i polim erów .
K onieczne je s t rów nież doskonalenie istniejących układów zasilania, szczególnie syste
m ów nowej generacji tzn. nadciśnieniow ego i w tryskow ego zasilania (rysunek 1 0 i 1 1), które także w ym agają:
opracow ania now ych algorytm ów sterow ania daw ką paliw a, - optym alizacji konstrukcji zaw orów przepływ ow ych i w tryskiw aczy,
optym alizacji układów elektronicznego sterowania.
W odniesieniu do tych elem entów instalacji zasilającej, które przeznaczone są do m agazy
now ania paliw gazow ych, konieczne je st poszukiw anie takich rozw iązań, które zapew nią najw iększą gęstość energii w nich zgrom adzonej. Oczyw iście, p rzy najm niejszej ich masie.
4. POD SU M O W A N IE
M ów iąc o problem ach technicznych zw iązanych z upow szechnieniem gazu ziem nego w transporcie sam ochodow ym nie m ożna pom inąć faktu, że w spółczesne sam ochody są obliga
toryjnie w yposażane w system y O BD (On B oard D iagnostics) - system y ciągłego m onitorin
gu stanu pracy jednostki napędow ej i system u oczyszczania spalin. W ym óg ten obejm uje również pojazdy sam ochodow e zasilane alternatyw nie paliw em gazow ym . P oniew aż podsta
w ow e algorytm y kontrolne tych system ów są zaprojektow ane dla p aliw a bazow ego, czyli benzyny, w trakcie zasilania paliw em gazow ym (LPG, CN G ) system O BD m oże w w ielu przypadkach błędnie interpretow ać próbkowane, przez elektroniczne urządzenia sterujące, sygnały. O becnie, w celu w yelim inow ania takiej sytuacji, są stosow ane elektroniczne m ikro
procesorow e urządzenia zw ane sym ulatoram i OBD. R egulacje praw ne p rzew idują dla je d n o stek zasilanych alternatyw nie paliw am i gazowym i m ożliw ość stosow ania do 2004 roku od
m iennych strategii działania OBD, co pozw ala na częściow ą dezaktyw ację algorytm ów sys
temu diagnostycznego. T akie system y sterow ania dla paliw a
Problem y zasilania pojazdów sam ochodow ych gazem ziem nym 39
Rys. 9. U rządzenia i elem enty nadciśnieniow ego system u zasilania LPG lub CN G Fig. 9. O verpressure C N G or L PG fuelling system
Rys. 10. K olektor dolotow y silnika zasilanego w tryskow o gazem ziem nym Fig. 10. Intake m anifold o f engine fuelled b y CNG - injection system
gazowego są w pełni kom patybilne z system am i zasilania paliw em bazow ym , są je d n ak dro
gie i rozbudow ują układ zasilania, w pływ ając na jego niezaw odność.
U zasadnionym rozw iązaniem je st budow anie zintegrow anych urządzeń sterujących za
równo system em zasilania paliw em bazow ym , ja k i paliw em gazow ym . B iorąc je d n ak pod uw agę pow yższe, w ydaje się celow e stosowanie w przyszłości głów nie system ów zasilania jednopaliw ow ego (gazow ego), gdyż pozw ala to uniknąć problem ów zw iązanych z w łaściw ą
w spółpracą obu system ów zasilania.
Przedstaw ione problem y natury technicznej rozw iązyw ane są na bieżąco, na podstaw ie w yników badań podstaw ow ych, a także typow o utylitarnych, co ow ocuje now ym i generacja
mi gazow ych system ów zasilających i sterujących. P roblem y techniczne nie są jed n ak zasad
niczą przeszkodą w upow szechnianiu się gazu ziem nego ja k o paliw a silnikow ego. W chwili
obecnej zasadniczą b arie rą uniem ożliw iającą szerokie stosow anie gazu ziem nego je st brak kom pleksow ej strategii działania, związanej z budow ą infrastruktury zdolnej objąć cały kraj.
Tylko w spólne działania głów nych dysponentów gazu ziem nego, poparte staraniam i rządo
wymi, m o g ą doprow adzić do przełam ania im pasu w tym zakresie.
Literatura
1. D ykier M ., Flekiew icz M .: Przew idyw ane korzyści ze stosow ania zasilania w tryskow ego w silnikach gazow ych. M iędzynarodow a K onferencja N aukow a - Silniki G azow e 97.
C zęstochow a 1997.
2. D ykier M ., Flekiew icz M.: W spółczesne system y zasilania paliw am i gazowym i. M ię
dzynarodow a K onferencja - Pojazd a Środowisko, R adom 1999.
3. Prace Instytutu Transportu Politechniki Śląskiej: N adciśnieniow e zasilanie silnika gazo
w ego 1993, P orów nanie system ów zasilania silnika trakcyjnego dużej m ocy paliwam i ga
zowym i 1993.
4. D ykier M ., Flekiew icz M.: Ekologiczność pojazdów sam ochodow ych zasilanych paliw a
mi gazowym i. K onferencja N aukow o-T echniczna - D iagnostyka Pojazdów Sam ochodo
w ych 2000, K atow ice 2000.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Sław om ir Luft
Artykuł stanow i spraw ozdanie z badań statutowych B K -241 /R M -10-2/2002.