Ocena eksploatacyjna paliwa gazowego propan-butan
data aktualizacji: 2013.05.28
Podstawowym współczesnym źródłem energii, służącym do napędu pojazdów samochodowych są paliwa na bazie ropy naftowej: benzyna i olej napędowy. Z jednej strony ich szkodliwość dla środowiska naturalnego, a z drugiej ograniczone zasoby spowodowały konieczność poszukiwania paliw alternatywnych. Wśród paliw alternatywnych dotychczas szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął gaz propan-butan ze względu na niskie koszty magazynowania, ciekłą postać pod
niewielkim ciśnieniem w warunkach otoczenia i małe koszty przeróbki silnika, natomiast ostatnio preferuje się również gaz ziemny CNG oraz estry oleju rzepakowego. Spore nadzieje wiąże się także z wykorzystaniem wodoru jako paliwa “najbliższej przyszłości”.
Można powiedzieć, że powrót zainteresowania paliwami gazowymi wyniknął z powodów
ekonomicznych, analogicznie jak na początku kariery silników spalinowych, kiedy to paliwa gazowe zostały wyparte przez paliwa ciekłe węglowodorowe. Do tego dochodzą nie mniej istotne względy ekologiczne. Zakłada się, że do 2020 roku minimum 6% paliw zużywanych na cele transportowe będą stanowiły paliwa alternatywne. Szacuje się, że liczba pojazdów napędzanych gazem propan- butan w Polsce przekracza 800 tys. sztuk.
Cechy charakterystyczne paliwa gazowego propan-butan
Głównymi zaletami paliwa gazowego LPG z punktu widzenia jego przydatności do zasilania silników pojazdów samochodowych są:
- wysoka liczba oktanowa badawcza w granicach 89-108 jednostek (zależnie od składu węglowodorowego);
- możliwość stosowania większego stopnia sprężania w silniku w przypadku instalacji jednopaliwowej (tylko gazowej) zainstalowanej przez producenta samochodu;
- łatwość mieszania się paliwa gazowego z powietrzem, wskutek czego mieszankę napływającą do cylindrów cechuje znaczna jednorodność, co pozwala na uniknięcie wahań w procesie spalania oraz zapewnienie w miarę równomiernych obciążeń cieplnych cylindrów silnika;
- paliwo gazowe spala się czysto –procesowi temu nie towarzyszy tworzenie się osadów w komorze spalania;
- nie ma obawy rozcieńczania oleju silnikowego;
- zmniejszony poziom emisji toksycznych składników spalin.
Gaz propan-butan (LPG), spełniający wymagania normy PN-EN:589 można uważać za paliwo lepsze niż paliwo ciekłe (benzyna), chociaż niepozbawione cech niedoskonałości, którymi są:
- wyższe o około 30% napięcie przeskoku iskry zapłonowej, czego przyczyną jest różnica rezystancji elektrycznej gazu i odparowanej benzyny;
- brak efektu chłodzenia zaworów dolotowych mieszanką gazowo-powietrzną;
- wyższa temperatura spalania paliwa gazowego;
- dodatkowe nakłady finansowe związane z przystosowaniem silnika benzynowego do zasilania gazem propan-butan;
- osprzęt instalacji gazowej zwiększa masę samochodu i ogranicza pojemność bagażnika;
- wyższe zużycie eksploatacyjne paliwa gazowego LPG w [dm3/100km] o ok. 20-25% w porównaniu do benzyny;
- mniejsza moc silnika zasilanego paliwem gazowym o ok. 10-15% w stosunku do benzyny i moment obrotowy o ok. 10%.
Ocena energetyczna paliwa gazowego propan-butan
Specyficzne właściwości paliw gazowych propan-butan w stosunku do benzyn powodują szereg różnic w procesie spalania i smarowania elementów silnika, a zatem odmienny wpływ na zużycie.
Paliwo gazowe LPG spala się w silniku jako mieszanka z powietrzem, toteż ważną jego cechą energetyczną jest wartość opałowa mieszanki, która zależy od składu węglowodorowego (tabela) i ilości tlenu zawartego w paliwie.
Odgrywa ona istotną rolę w ocenie użytkowej eksploatacji silnika pojazdu samochodowego. Gdy mieszanka jest uboga, wtedy wartość opałowa jest niższa, zmniejsza się moc silnika i pogarszają się osiągi samochodu. Wartości opałowe niektórych paliw silnikowych takich jak: benzyna, olej
napędowy i gaz propan-butan odniesione do jednostki masy [kg] i objętości [dm3] przedstawiono na wykresie 1.
Wykres 1. Wartości opałowe paliw: benzyny, oleju napędowego i gazu propan-butan
odniesione do jednostki masy [kg] i objętości [dm3] * - dane dla benzyny przyjęto za 100%
Parametr ten ma ścisły związek z zużyciem eksploatacyjnym paliwa przez silnik pojazdu
samochodowego. Zakładając, że sprawność silnika o ZI przy zasilaniu porównywalnymi paliwami jest na tym samym poziomie, to wówczas zużycie gazu wyliczone w [kg] jest o około 10% mniejsze
w odniesieniu do benzyny, zaś wyrażone w [dm3] jest większe o około 20%. Stąd też pokonanie założonego przebiegu eksploatacyjnego przez samochód gazowy bez tankowania wymaga większej o około 20% pojemności zbiornika gazu LPG niż benzyny.
Aspekt ekonomiczno-ekologiczny zasilania silników gazem propan-butan
Wykorzystanie paliwa gazowego LPG do zasilania silników pojazdów samochodowych, zwłaszcza starej generacji (energochłonnych), stało się ze wszech miar korzystne i najbardziej pożądane.
Z jednej strony użytkownik uzyskuje znaczące efekty ekonomiczne przekładające się na niższe koszty eksploatacji pojazdu napędzanego gazem LPG średnio o około 55% w odniesieniu do benzyny, a z drugiej strony zyskuje środowisko naturalne, które jest mniej obciążone toksycznymi składnikami spalin. Potwierdzeniem tych efektów są wyniki badań eksploatacyjnych i testów emisji spalin ECE (UDC + EUDC) samochodów napędzanych gazem LPG z wykorzystaniem hamowni podwoziowej Schenck.
Przekłada się to na niższą emisję tlenków węgla (CO) o ok. 40% dla silników w wersji gaźnikowej i ok. 8% w wersji wtryskowej (pomiar przed katalizatorem), jak również węglowodorów (HC) o ok.
36% dla silnika w wersji gaźnikowej, oraz ok. 10% dla wersji wtryskowej w odniesieniu do benzyny.
Emisja tlenków azotu (NOx) jest porównywalna lub nieznacznie wyższa w odniesieniu do benzyny.
Znaczący wpływ na poziom emisji związków toksycznych w spalinach silników o ZI w wersji
gaźnikowej stanowi: myśl konstrukcyjna instalacji gazowej (stopień generacji), stan techniczny silnika i parametry regulacyjne (skład mieszanki i kąt wyprzedzenia wtrysku).
Typowe przypadki niedomagań silników zasilanych gazem propan-butan Na polski rynek trafiają dostawy gazu C3-C4 z trzech źródeł:
- z produkcji krajowej;
- dostawy z importu z krajów byłego Związku Radzieckiego;
- dostawy z krajów Unii Europejskiej.
Tak jak już wspomniano na wstępie podstawowymi składnikami paliwa gazowego LPG są: propan C3H8 i butan C4H10, jak również niewielkie ilości propylenu, butylenu i wyższych węglowodorów (tabela).
W zależności od kraju pochodzenia jakość dostaw określona jest różnymi specyfikacjami. W Polsce do niedawna obowiązywały dwie specyfikacje dla gazów skroplonych C3-C4: PN-C-96008:1998 i PN- C-96000:1982.
Pierwsza z nich dotyczy gazów C3-C4 stosowanych jako:
- podstawowy surowiec do dalszej przeróbki chemicznej;
- gaz opałowy dla gospodarstw domowych, przemysłu i turystyki;
- jako paliwo do celów oświetleniowych;
- jako dodatek do paliw płynnych.
Druga określa właściwości fizykochemiczne gazów płynnych LPG jako nośnika napędu pojazdów samochodowych. Według specyfikacji PN-C-96000 istotną rolę odgrywa parametr dotyczący udziału molowego propanu i butanu w gazie. Norma ta dopuszczała szeroki zakres tolerancji udziałów molowych podstawowych składników gazu dla określonej pory roku – wykres 2.
Wykres 2. Procentowy udział molowy propanu i butanu w LPG dla dwóch analizowanych próbek (1 i 2) okresu zimowego na rynku polskim.
W przypadku silników spalinowych o zapłonie iskrowym (ZI) zmiana procentowego udziału molowego propanu i butanu w gazie LPG, zwłaszcza w okresie zimy ma istotny wpływ na jego temperaturę wrzenia, jak również na zapotrzebowanie powietrza w procesie spalania. Z uwagi na zróżnicowany klimat w kraju, procentowy udział molowy propanu w gazie LPG w okresie zimy powinien być znaczący i zamierzony z uwagi na rozruch silnika (duża odparowalność silnika).Aby zagwarantować użytkownikom pojazdów samochodowych napędzanych gazem propan-butan wysoką jakość nośnika energii wprowadzono w 2002 roku w Polsce normę PN-EN:589, stanowiącą polski odpowiednik specyfikacji europejskiej dla gazu LPG. Uwzględnia ona właściwości specyficzne, istotne dla paliw silnikowych jak: liczbę oktanową motorową (MON), prężność par zależną od stosunku węglowodorów C2-C4, zawartości butadienów i korozję miedzi oraz inne wymagania co do zawartości siarki, których nie uwzględnia norma PN-82/C-96000.
Norma PN-EN:589 podobnie jak inne normy Polskiego Komitetu Normalizacyjnego zakłada dobrowolne dostosowanie się i nie ma charakteru obligatoryjnego.
Specyficzne właściwości paliw gazowych LPG w stosunku do benzyn powodują szereg różnic w procesie spalania i smarowania elementów silnika, a zatem odmienny wpływ na jego zużycie.
Proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej (gazu LPG) przebiega z niższą prędkością;
w efekcie mimo również niższej temperatury maksymalnej spalanie trwa dłużej, czemu towarzyszy wyższa średnia temperatura w komorze spalania, większe obciążenie cieplne jej ścianek, wyższa temperatura spalin i cieczy chłodzącej.
Wyższa średnia temperatura w komorze spalania silnika gazowego, to mniejszy efekt chłodzenia zaworów dolotowych (mieszanka gazu LPG jako bardziej jednorodna ulega szybkiemu odparowaniu).
Sprzyja to przyspieszonemu zużyciu gniazd zaworowych głowicy silnika - fot. 1. Problem ten dotyczy przede wszystkim silników starej generacji.
Fot. 1. Widok obniżenia gniazda zaworu wydechowego silnika zasilanego gazem LPG po przebiegu eksploatacyjnym 70 tys. km.
Bardzo istotnym parametrem właściwości fizykochemicznych gazu LPG rzutującym na trwałość elementów silnika gazowego jest obecność siarki. Podwyższona zawartość siarki w gazie to efekt brunatnego nalotu na zaworach wydechowych silnika, świadczącego prawdopodobnie
o powierzchniowym utlenianiu się tego elementu komory spalania – fot. 2.
Fot. 2. Widok ogólny grzybków i przyigni zaworów wydechowych głowic silnika zasilanego gazem eksploatacyjnym 70 tys. km
Niska stabilność składu węglowodorowego paliwa gazowego LPG to efekt wybuchów w instalacji gazowej, zwłaszcza pierwszej generacji i przedostania się gorących spalin czy płomieni do kolektora dolotowego. W efekcie prowadzi to do zniszczenia drogich elementów osprzętu silnika, a nawet wzniecenia pożaru samochodu. Zjawisku temu zapobiega się instalując zawory bezpieczeństwa. Do niektórych silników fabrycznie wyposażonych w kolektory dolotowe z tworzywa sztucznego montuje się metalowe zamienniki, z myślą o zasilaniu gazem LPG.
Kolejnym problemem pracy silników gazowych, zwłaszcza w okresie zimy są niedomagania układu zapłonowego. Utrudniona jonizacja mieszanki gazowej LPG w porównaniu z mieszanką benzynowo- powietrzną wymusza w układzie zwiększone napięcie iskry, co przyspiesza zużycie jego elementów.
Zwiększone obciążenie cieplne świec zapłonowych implikuje powstawanie szeregu typowych uszkodzeń – fot. 3.
a) brak izolatora środkowej elektrody;
b) wykruszony izolator;
c) nadtopienie środkowej elektrody Fot. 3 .Uszkodzone świece zapłonowe.
Reasumując można powiedzieć, że zastosowanie gazu płynnego LPG jako nośnika napędu pojazdów samochodowych może stanowić jedną z dróg znacznego zmniejszenia emisji związków toksycznych w spalinach silników benzynowych w wersji gaźnikowej. W przypadku silników zasilanych wtryskowo zaopatrzonych w katalizator i sondę lambda zmniejszenie emisji jest możliwe, lecz w mniejszym stopniu.
Specyficzne właściwości paliwa gazowego propan-butan w stosunku do benzyn powodują szereg różnic w procesie spalania i smarowania elementów silnika, czyli odmienny wpływ na zużycie jego części i paliwa. Zatem stan techniczny silnika gazowego należy rozpatrywać w układzie: silnik- paliwo-olej smarujący.
Sprawność i ekonomiczność pracy silnika gazowego, jak również jego stan techniczny może ulec poprawie stosując paliwo gazowe LPG spełniające wymagania PN-EN:589. Występujące przypadki uszkodzeń elementów silnika gazowego dotyczą głównie silników starej konstrukcji, wyposażonych w instalacje gazowe pierwszej i drugiej generacji. W silnikach gazowych zaprojektowanych
fabrycznie z instalacją trzeciej lub czwartej generacji oraz hydrauliczną regulacją luzu zaworowego przypadki niedomagań silnika są rzadkością.
dr inż. Janusz Jakóbiec mgr inż Grzegorz Wysopal
Instytut Technologii Nafty - Kraków
Źródło: https://warsztat.pl/drukujpdf/artykul/61843
