Politechnika Poznańska
Wydział Maszyn Roboczych i Transportu
mgr inż. Michał Dobrzyński
Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych
środków transportu
Rozprawa doktorska
Promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz
Poznań 2015
SPIS TREŚCI
STRESZCZENIE ... 3
SKRÓTY I OZNACZENIA ... 4
1. WSTĘP ... 6
1.1. Wprowadzenie... 6
1.2. Cel i zakres pracy ... 12
2. PALIWA ALTERNATYWNE STOSOWANE W POJAZDACH ... 14
2.1. Ciekłe paliwa alternatywne ... 14
2.1.1. Wprowadzenie ... 14
2.1.2. Zasilanie silników RME... 16
2.1.3. Zasilanie silników bioetanolem ... 20
2.2. Gazowe paliwa alternatywne ... 23
2.2.1. Wprowadzenie ... 23
2.2.2. Zasilanie silników gazem ziemnym ... 25
2.2.3. Zasilanie silników biogazem ... 35
3. ANALIZA SYSTEMÓW NAPĘDOWYCH ZASILANYCH PALIWAMI GAZOWYMI ... 37
3.1. Uwagi ogólne ... 37
3.2. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów kategorii PC i HDV ... 41
3.3. Rozwiązania przeznaczone dla pojazdów komunikacji miejskiej ... 49
4. METODY BADAŃ EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ Z AUTOBUSÓW MIEJSKICH ... 54
4.1. Badania homologacyjne ... 54
4.2. Badania w testach jezdnych ... 59
5. METODYKA BADAŃ WŁASNYCH ... 70
5.1. Harmonogram badań ... 70
5.2. Obiekty badań ... 71
5.3. Zastosowana aparatura badawcza ... 73
6. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA ... 75
6.1. Badania w testach SORT ... 75
6.1.1. Cykl jezdny SORT 1 ... 75
6.1.2. Cykl jezdny SORT 2 ... 80
6.1.3. Cykl jezdny SORT 3 ... 84
6.2. Badania w rzeczywistych warunkach ruchu ... 89
6.2.1. Trasa miejska 1 ... 89
6.2.2. Trasa miejska 2 ... 94
6.3. Porównanie parametrów ekonomicznych w zakresie eksploatacji badanych rozwiązań autobusów ... 99
7. WNIOSKI I KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ ... 103
7.1. Podsumowanie ... 103
7.2. Ważniejsze wnioski z badań własnych ... 104
7.3. Proponowane kierunki dalszych badań ... 105
LITERATURA ... 106
SUMMARY ... 110
STRESZCZENIE
W Polsce oraz na terenie Unii Europejskiej, szczególnie w krajach skandynawskich, odnotowuje się regularny, znaczący wzrost liczby pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym, które są wykorzystywane w komunikacji zbiorowej. Konieczne zatem staje się dokonanie oceny wskaźników ekologicznych tej grupy pojazdów i porównanie ich z powszechnie stosowanymi rozwiązaniami konwencjonalnymi. Dodatkowym argumentem za podjęciem takich działań są nowe możliwości poznawcze, wynikające z realizacji badań emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów. Wymienione fakty stały się podstawą do realizacji przedstawionej pracy doktorskiej, której głównym celem jest ocena wpływu zastosowania gazu ziemnego na ekologiczne parametry wybranych środków transportu.
Na początku pracy zaprezentowano spis skrótów oraz oznaczeń wykorzystywanych w rozprawie. Praca podzielona jest na siedem rozdziałów i zawiera łącznie 111 stron.
Wprowadzenie przedstawia opis zagadnień związanych z genezą uzasadniającą podjęcie się zrealizowania pracy, oraz zdefiniowano cel pracy i podstawowe pytania badawcze.
W drugim rozdziale opisano aktualnie stosowane paliwa niekonwencjonalnych do zasilania silników spalinowych wykorzystywanych do napędów pojazdów. W pracy zawarto szczegółowy opis poszczególnych paliw alternatywnych, przy czym zwrócono szczególną uwagę na ich parametry ekologiczne.
Kolejny rozdział poświęcono analizie systemów napędowych przystosowanych do zasilania paliwami gazowymi. Poprzez prezentację aktualnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz ich aspektów eksploatacyjnych scharakteryzowano poszczególne kategorie pojazdów, dla których możliwe jest stosowanie niekonwencjonalnego paliwa.
Treść następnego rozdziału opisuje badania stosowane w testach drogowych oraz ich praktyczne zastosowanie niezależnie od zastosowanego źródła napędu.
Po przeanalizowaniu sytuacji dotyczącej aspektów ekologicznych i tendencji rozwoju współczesnych środków transportu przybliżono przebieg wykonywanych cykli jezdnych, sprecyzowano warunki odwzorowujące rzeczywistą eksploatacje dla pojazdów komunikacji miejskiej oraz określono wymaganą liczbę przeprowadzonych prób pomiarowych. Zaprezentowano obiekty badań, którymi były autobusy komunikacji miejskiej zasilanych ON i CNG. Dokonane pomiary emisji zanieczyszczeń zrealizowano przy wykorzystaniu mobilnej aparatury, opisano użytą metodę oraz zakres pomiarów związków gazowych.
Kolejny rozdział poświęcony został prezentacji i analizie wyników badań.
Przedstawiono uzyskane rezultaty z przeprowadzonych cykli pomiarowych dla testów jezdnych typu SORT oraz na trasach miejskich. Wyznaczono charakterystyki gęstości czasowych pracy pojazdów, udział czasu pracy silników spalinowych oraz charakterystyki emisyjne. Uzyskane wyniki pozwoliły na określenie wskaźników emisyjności związków toksycznych spalin. Zaprezentowane w pracy wnioski z przeprowadzonych badań odniesiono do ekologicznych jak i również ekonomicznych aspektów eksploatacji pojazdów z wykorzystaniem sprężonego gazu ziemnego.
Powstałe analizy posiadają uniwersalny charakter stwarzając tym samym możliwość
aplikacyjnego zastosowania dla transportu drogowego.
SKRÓTY I OZNACZENIA
AFV – Alternative Fuel Vehicle – pojazd zasilany paliwem alternatywnym CNG – Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny
CO – tlenek węgla CO
2– dwutlenek węgla
CVS – Constant Volume Sample – stała objętość próbki (układ rozcieńczający spaliny powietrzem o stałym natężeniu przepływu)
DMC – dopuszczalna masa całkowita
DPF Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych
ECE – Economic Commission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza EEC – European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza EEV – Enhanced Environmentally Friendly Vehicle – pojazd przyjazny środowisku EGR – Exhaust Gas Recirculation – recyrkulacja spalin
ELR – European Load Response – europejski test obciążenia
EOBD – European On Board Diagnostic – europejski system diagnostyki pokładowej ESC – European Stationary Cycle – europejski test statyczny
ETC – European Transient Cycle – europejski test dynamiczny EU – European Union – Unia Europejska
Euro – normy emisji spalin w Europie
FAME Fatty Acid Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych
FC – Fuel Consumption – zużycie paliwa HC – węglowodory
HDD – Heavy-Duty Diesel silnik ZS do ciężkich zastosowań HDE – Heavy-Duty Engines silniki do ciężkich zastosowań HDV – Heavy-Duty Vehicle pojazd ciężarowy
LNG – Liquefied Natural Gas skroplony gaz ziemny LPG – Liquefied Petroleum Gas gaz płynny propan-butan NG – Natural Gas gaz ziemny
NO – tlenek azotu NO
2– dwutlenek azotu NO
x– tlenki azotu
OBD – On Board Diagnostics – diagnostyka pokładowa (pokładowy system diagnostyczny)
OECD Organization for Economic Co-operation and Development – Organizacja Współpracy Gospodarczej i Rozwoju
PEMS Portable Emission Measurement System – urządzenie do pomiarów mobilnych emisji spalin
PM – Particulate Matter – cząstki stałe
ppm – parts per million – liczba części na milion
RDE – Real Driving Emissions – emisja w rzeczywistych warunkach jazdy
RME – Rapeseed Methyl Esters – estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego
SCR Selective Catalytic Reduction – selektywna redukcja katalityczna SORT Standarised On-Road Tests – test jezdny dla autobusów miejskich THC – Total Hydrocarbons – całkowita (sumaryczna) emisja węglowodorów
UITP International Association of Public Transport – Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Publicznego
ZI – zapłon iskrowy
ZS – zapłon samoczynny
1. WSTĘP
1.1. Wprowadzenie
Kryzys energetyczny w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku, wywołany dwukrotną dużą podwyżką cen ropy naftowej (w 1973 i 1979 r.) uzmysłowił światu możliwość poważnego ograniczenia w przyszłości dostępu do tego głównego surowca energetycznego, szczególnie w państwach wysoko uprzemysłowionych. Jest to problem istotny zarówno w aspekcie powtarzających się prób politycznego wykorzystywania ropy naftowej przez państwa ją wydobywające, jak i szacunków oraz prognoz dotyczących zasobów źródeł ropy naftowej. Stąd też w środowisku motoryzacyjnym zaznaczyły się wyraźnie dwa główne kierunki działań prowadzące do oszczędzania paliw pochodzących z ropy naftowej: wprowadzanie do użytku silników spalinowych o zwiększonej sprawności i ekonomiczna ich eksploatacja oraz intensyfikacja prac badawczych nad wdrażaniem paliw alternatywnych. Dodatkowym wymogiem jest konieczność ograniczenia szkodliwych składników spalin, które chociaż stanowią zaledwie około 1,4% produktów spalania, to wskutek znaczącego udziału motoryzacji w zanieczyszczaniu środowiska wpływają na jego degradację [53].
Obecnie coraz częściej uważa się, że istnieje większe niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego, niż możliwość wyczerpania się zasobów paliwowych [38]. Stąd kraje uczestniczące w 1992 r. w Rio de Janeiro w Światowym Szczycie Ekologicznym
„Ziemia 2000” zobowiązały się m.in. do zredukowania o połowę emisji CO
2(do roku 2050) w porównaniu ze stanem z 1987 r. Największa redukcja emisji CO
2ma objąć kraje uprzemysłowione, w tym Polskę. Zmniejszenie emisji CO
2i pozostałych szkodliwych produktów spalania do atmosfery może być osiągnięte poprzez zmniejszenie udziału paliw kopalnych w bilansie energetycznym danego kraju.
Związane to może być m.in. z substytucją paliw konwencjonalnych innego rodzaju paliwami i nowymi, „czystymi” nośnikami energii, w tym z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych. Cechą wspólną odnawialnych źródeł jest to, że obecne ich wykorzystanie nie ma wpływu na ich potencjał energetyczny w przyszłości.
Zaistniały w ubiegłym wieku kryzys energetyczny, który spowodował skokowy wzrost najpierw ceny ropy naftowej, a następnie wszystkich innych paliw oraz względy ochrony środowiska naturalnego zwiększyły zainteresowanie środowiska motoryzacyjnego nowymi, alternatywnymi źródłami i technologiami wytwarzania energii (rys. 1.1). Źródła energii w pojazdach można podzielić na:
odnawialne,
nieodnawialne.
Energia konwencjonalna jest to energia wykorzystująca nieodnawialne źródła energii np.: węgiel kamienny, węgiel brunatny, gaz ziemny, ropę naftową. Powstaje ona na skutek wielu złożonych procesów obejmujących wydobycie surowca, przeróbkę i jego wykorzystanie na cele energetyczne. Energia niekonwencjonalna natomiast jest to energia wykorzystująca odnawialne źródła energii, np.: wiatr, wodę, słońce, biomasę, biogaz.
Określenie granicy między pojęciami napędu konwencjonalnego i alternatywnego
jest kwestią umowną (rys. 1.2). Uznanie napędu za alternatywny wiąże się przede wszystkim z zastosowaniem odmiennego źródła energii niż benzyna i olej napędowy.
Źródła nieodnawialne Źródła odnawialne
Ropa, gaz, węgiel Energia jądrowa
Energia elektryczna
Wytwarzanie wodoru
Benzyna, olej
napędowy LPG LNG
CNG Metanol
Wodór gazowy
H2
ciekły H2
Energia z
akumulatora Biopaliwa ogniwo paliwowe
+ Woda
Wiatr, woda, słońce Biomasa
Rys. 1.1. Alternatywne źródła napędów pojazdów samochodowych [58]
Wydaje się również, że innym, głównym kryterium podziału powinno być rozpowszechnienie danego typu napędu na określonym obszarze. Idąc tym tropem można więc zauważyć, że w XIX wieku silnik spalinowy był w Europie alternatywnym źródłem napędu w stosunku do dominującego wówczas silnika parowego, podczas gdy np. w Indiach silnik parowy był alternatywą dla siły pociągowej zwierząt. Z kolei obecnie silnik o zapłonie iskrowym zasilany gazem płynnym LPG (Liquefied Petroleum Gas) trudno zaliczyć w Polsce do napędów typowo alternatywnych, biorąc pod uwagę liczbę pojazdów wyposażonych w naszym kraju w instalację LPG.
Wykorzystywanie prawie wszystkich alternatywnych źródeł energii, stanowiących substytut w stosunku do źródeł konwencjonalnych, jest związane z minimalnym bądź nawet żadnym wpływem na środowisko, jednakże tylko niektóre z nich są stosowane do napędu pojazdów. Ograniczenia w ich stosowaniu mogą być następującego rodzaju [52]:
technologicznego – ze względu na postać ich występowania i możliwości praktycznego wykorzystania,
ekonomicznego – związane z dużymi kosztami ich stosowania,
politycznego lub prawnego.
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii w latach dziewięćdziesiątych XX wieku i w konsekwencji doprowadziły do znacznego wzrostu ich zastosowań w wielu krajach świata. Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 r., dotyczącego przeciwdziałania ociepleniu klimatu, odnawialne źródła energii weszły w nowy i ważny etap rozwoju.
Obecnie technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia,
że mogą z powodzeniem konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi.
Rozwój motoryzacji pod koniec XX i na początku XXI wieku wykazał, że postęp techniczny w dziedzinie pojazdów użytkowych (w tym samochodów ciężarowych i autobusów) jest szybszy i bardziej widoczny niż w samochodach osobowych.
Doskonalenie konstrukcji pojazdów, zwiększenie ich zdolności przewozowych i uniwersalności, prowadzą do tego, że zachowają one dominującą rolę w transporcie również w bardziej odległej przyszłości.
Ropa naftowa Olej łupkowy
Węgiel
Gaz naturalny
Biomasa
Paliwo nuklearne
Energia wodna Energia wiatru Energia geoterm.
Ciepło słoneczne
Światło słoneczne
Moc elektry-
czna
Ogniwo słoneczne Akumulator
Wodór CNG/LNG
Etanol Metanol Benzyna olej lekki
LPG
ZI, ZS, LPG
Hybrydowy
Zas. metanolem
Zas. etanolem
CNG/LNG
Wodorowy
Turbina gazowa
Ogniwo pal.
Elektryczny
Słoneczny
Silnik elektr.
Silnik spalinowy
Rys. 1.2. Powiązania pierwotnych źródeł energii i możliwości ich zastosowania w pojazdach [58]
Dalszy rozwój tych pojazdów z pewnością uwzględniać będzie następujące postulaty:
ograniczenie szkodliwego oddziaływania na środowisko (spaliny, hałas),
automatyzacja prowadzenia samochodu,
zwiększanie skuteczności układów bezpieczeństwa czynnego (zapobieganie wypadkom drogowym) i systemów ochrony jadących oraz pieszych,
zwiększanie wydajności transportu poprzez wzrost mobilności pojazdów,
doskonalenie technologii przewozu oraz załadunku i wyładunku, wraz z automatyzacją standardowych czynności wykonywanych przez kierowcę.
Spełnianie tych postulatów prowadzi do sprostania rosnącym wymaganiom nabywców/użytkowników, a potwierdzeniem tego jest coraz większa liczba pojazdów na drogach.
Podstawowym czynnikiem prowadzącym do rozwoju techniki i technologii we
wszystkich dziedzinach przemysłu jest konieczność ograniczania jego negatywnego
wpływu na środowisko naturalne. Stosowanie zaawansowanych technologii i ich rozwój
zmusza do ciągłego poszukiwania rozwiązań poprawiających wskaźniki pracy silników oraz niwelowania niekorzystnych skutków ich oddziaływania na otoczenie człowieka.
Transport jest zaliczany do bardzo dynamicznie zmieniającej się dziedziny przede wszystkim ze względu na ograniczanie emisji szkodliwych składników spalin. W dalszym ciągu poważnym zagrożeniem jest emisja związków szkodliwych w spalinach (związków gazowych, a w szczególności tlenków azotu), dwutlenku węgla (będącego miarą zużycia paliwa) oraz cząstek stałych stanowiących barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych w szczególności silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Wymagania w zakresie emisji zanieczyszczeń spalin pojazdów są ustalone przez dwa rodzaje przepisów:
dotyczących homologacji typu (pojazdy produkowane w kraju lub sprowadzone z zagranicy w liczbie większej niż jeden egzemplarz danego typu pojazdu rocznie – za spełnienie tych wymagań jest odpowiedzialny producent pojazdu), zwanych przepisami homologacyjnymi,
dotyczących warunków technicznych pojazdów w eksploatacji (za spełnienie wymagań odpowiedzialny jest właściciel lub użytkownik pojazdu) zwanych przepisami dla pojazdów w eksploatacji (także pojazdów nie podlegających obowiązkowi homologacji – pojazdy produkowane w kraju lub sprowadzone z zagranicy w liczbie jednego egzemplarza danego typu pojazdu rocznie).
Przewiduje się, że w najbliższych latach dominująca pozycja silnika spalinowego wśród napędów pojazdów będzie nadal utrzymana. Liczne zalety silników o zapłonie samoczynnym sprawiły, że są one wyłącznym źródłem napędu pojazdów typu HDV (Heavy Duty Vehicle), w tym autobusów miejskich.
Niestety tylko duże przedsiębiorstwa mogą podołać kosztom badań i rozwoju nowych konstrukcji, zgodnie z wysokimi wymaganiami legislacyjnymi obowiązującymi obecnie w zakresie budowy i eksploatacji autobusów. W niektórych krajach politycy żądają jeszcze „czystszych” pojazdów. Trolejbusy są nadal szeroko użytkowane w wielu krajach Europy Środkowej i Wschodniej, a także we Włoszech. Popularną alternatywą jest sprężony gaz ziemny, charakteryzujący się mniejszą emisją w porównaniu do silników zasilanych olejem napędowym. Problemem jest tu jednak konieczność przewożenia tego typu paliwa w dużych zbiornikach umieszczonych na dachu autobusu, co zwiększa o około 1 tonę masę własną i tym samym ogranicza dopuszczalną liczbę pasażerów. W Sztokholmie natomiast wiele autobusów jest zasilanych etanolem. Emisja substancji szkodliwych jest bardzo mała, ale zbiorniki paliwa dla uzyskania takiego samego przebiegu muszą być o 60–70% większe niż w autobusach z silnikami ZS. Ponadto produkcja etanolu wymaga zużycia dużej ilości energii, może on być jednak wytwarzany z dala od aglomeracji miejskich. Do wad etanolu należy też jego agresywność korozyjna.
Podstawowym współczesnym źródłem energii służącym do zasilania pojazdów
samochodowych są paliwa produkowane na bazie ropy naftowej – benzyna i olej
napędowy. Szacuje się, że popyt na ropę przez kraje OECD (Organisation for
Economic Cooperation and Development – Organizacja Współpracy Gospodarczej i
Rozwoju) osiągnie maksimum za około 10 lat. W pozostałych krajach wzrost ten będzie
trwać do co najmniej 2030 r. (zakres prognoz), ze względu na znacznie większy
przyrost liczby pojazdów. Średnioroczny wzrost zużycia ropy naftowej przez te kraje będzie kształtował się na poziomie 2,5%. Prognozowany popyt na paliwa konwencjonalne przez kraje spoza OECD w 2030 r. przewyższy popyt krajów Organizacji. Najwięcej paliwa wśród środków transportowych zużywają pojazdy typu LDV (Light Duty Vehicle). W krajach Ameryki Północnej i Europy można obserwować pewne nasycenie rynku samochodowego – mały wzrost liczby pojazdów, natomiast w krajach rozwijających się wzrost ten jest prawie czterokrotnie większy [38].
Biorąc powyższe pod uwagę stwierdzić można, że paliwa konwencjonalne w przyszłości – zależnie od prognoz – muszą być zastąpione innymi. Z jednej strony szkodliwość dla środowiska, a z drugiej – ograniczone zasoby, spowodowały konieczność poszukiwania różnego rodzaju paliw alternatywnych (rys. 1.3).
Implementacja poszczególnych rozwiązań technicznych w pojazdach jest ściśle związana z zastosowanym paliwem. Za mające największe szanse na szersze zastosowanie paliwa alternatywne należy uznać obecnie gaz ziemny oraz biopaliwa:
alkohol etylowy i estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych.
Rys. 1.3. Emisja gazów cieplarnianych z różnych źródeł pozyskiwania energii [19]
Możliwości zastąpienia silnika spalinowego napędzanego benzyną czy też olejem
napędowym są poszukiwane od początków motoryzacji. Oprócz możliwości wyczerpania
się w przyszłości zasobów tych paliw kopalnych, działania nad poszukiwaniem ich
substytutów potęgują także kolejne wprowadzane przepisy dotyczące emisji spalin, które
stają się coraz trudniejsze do zrealizowania. Producenci samochodów są zobowiązani
również do znaczącego zmniejszenia emisji CO
2przez swoje pojazdy. Wtrysk bezpośredni paliwa i nowocześniejsze rozwiązania konstrukcyjne silników zwiększają szanse silnika spalinowego, i postrzeganie go jako wciąż aktualnego napędu przeznaczonego dla pojazdów. Nie oznacza to jednak, że ustaną prace nad racjonalnymi rozwiązaniami napędów alternatywnych dla pojazdów, w tym zasilanych innych rodzajem paliw niż paliwa na bazie ropy naftowej.
Inne, alternatywne paliwa w stosunku do benzyn i olejów napędowych mają jednak istotne ograniczenia. Przykładowo skroplone paliwo gazowe LPG, mimo dość powszechnego wykorzystywania, stanowi produkt pochodny ropy naftowej i podobnie jak gaz ziemny ma ograniczone zasoby. Oba paliwa są spalane w sposób nieodwracalny, a więc ich zasoby będą się nieustannie zmniejszać. Paliwa uzyskiwane z przetwarzania produktów biologicznych (np. alkohol etylowy i biologiczny olej napędowy – tzw. biodiesel) są tańsze w eksploatacji, lecz ich produkcja jest ograniczona powierzchnią możliwych upraw biomasy. Trudno więc reprezentować pogląd, że w całości będą w stanie zastąpić podstawowe źródło energii, jakim jest ropa naftowa.
Duża różnorodność napędów alternatywnych powoduje konieczność wyjaśnienia podstawowych terminów spotykanych w literaturze. Pojazdy zasilane paliwami niekonwencjonalnymi/alternatywnymi (AFV – Alternative Fuel Vehicle) to pojazdy typu dedicated, bi-fuel, dual fuel oraz flex fuel, przeznaczone do zasilania co najmniej jednym z paliw alternatywnych, a w szczególności [38]:
dedicated – pojazdy zasilane jednopaliwowo; mają mniejsze wskaźniki emisji, gdyż parametry pracy silnika są optymalizowane pod kątem jednego rodzaju paliwa,
bi-fuel – pojazdy mające dwa zbiorniki paliwa (benzynowy albo z olejem napędowym) – zależnie od typu – zbiornik na propan-butan lub gaz ziemny;
rodzaj zasilania jest zmieniany, np. przez operatora,
dual fuel – pojazdy, które używają kombinacji paliw alternatywnych a także konwencjonalnych; zalicza się do nich pojazdy zasilane benzyną lub olejem napędowym i paliwem alternatywnym,
flex fuel – pojazdy, które mogą być zasilane benzyną lub – zależnie od typu pojazdu – metanolem (M85) albo etanolem (E85); pojazdy te mają jeden zbiornik, w którym paliwa te mogą być mieszane ze sobą.
Przedstawione wcześniej zagadnienia dowodzą, że w XXI wieku jednymi z
najpoważniejszych są problemy w sferze energetycznej i ekologicznej. Przemysł
motoryzacyjny i transport są obecnie jednym z najpoważniejszych źródeł
zanieczyszczeń środowiska naturalnego. Dlatego od wielu lat trwają intensywne prace,
mające na celu zminimalizowanie ich oddziaływania na środowisko. W rozwoju
współczesnych silników spalinowych stosowanych w różnego rodzaju pojazdach na
pierwsze miejsce wysunęły się kwestie związane z ochroną klimatu ziemskiego. Mała
emisja związków szkodliwych spalin i ograniczenie zużycia paliwa są podstawowym
kryterium wyznaczającym kierunki rozwoju jednostek napędowych. Odpowiedzią na
pogarszający się stan środowiska naturalnego człowieka jest wprowadzanie coraz
bardziej rygorystycznych norm ustalających dopuszczalne wartości emisji związków
szkodliwych (w tym toksycznych) z silników spalinowych. Postęp sprawia, że krajach wysokorozwiniętych każdego roku rozszerzane są strefy rozgraniczające ruch pojazdów w centrach aglomeracji miejskich. Plany na najbliższe lata zakładają, że ruch pojazdów osobowych napędzanych silnikami spalinowymi w ścisłych centrach miast pozostanie całkowicie wyeliminowany i odbywać się w nich głównie ruch jednośladów, autobusów oraz tramwajów.
Wykorzystanie paliw alternatywnych do zasilania pojazdów stanowi istotny problem, który jest podejmowany i rozwijany przez szereg instytucji naukowych i ośrodków badawczych. W pracy przedstawiono najważniejsze zagadnienia związane z charakterystyką i wykorzystaniem paliw alternatywnych, w celu określenia możliwości ich zastosowania w pojazdach. Przeprowadzone rozważania wskazują, że największe możliwości aplikacyjne posiada gaz ziemny, w związku z czym dalsza część pracy dotyczy tego zagadnienia. W celu uzupełnienia wiadomości z zakresu aktualnego stanu wiedzy wykorzystania CNG w pojazdach przeprowadzono szczegółową analizę najnowszych systemów napędowych wykorzystujących paliwa gazowe – uwzględniono rozwiązania przeznaczone dla samochodów kategorii PC i HDV, w tym autobusów miejskich. Jako uzupełnienie pracy i rozwinięcie podjętej tematyki przedstawiono metody badań emisji zanieczyszczeń z autobusów miejskich. Zestawiono najważniejsze informacje dotyczące badań homologacyjnych oraz metod pomiarowych wykorzystywanych m.in. przez przedsiębiorstwa komunikacji miejskich.
Zważywszy na aktualne tendencje ukierunkowane na coraz większe rozpowszechnianie i wykorzystywanie transportu aglomeracyjnego zasadne staje się wykorzystywanie alternatywnych źródeł zasilania jednostek napędowych. Stale rosnąca liczba autobusów miejskich zasilanych CNG wymusza podjęcie problemu zbadania emisji z tych pojazdów.
Narzędziem podstawowym do rozwiązania ww. zagadnienia jest poznanie i analiza związków przyczynowo – skutkowych emisji związków toksycznych w określonych stanach pracy silnika. Działania mające na celu ograniczenie emisji związków toksycznych spalin z eksploatowanych silników pojazdów użytkowych (w tym autobusów miejskich będących przedmiotem niniejszej pracy) są jednym z nowych, coraz bardziej istotnych kierunków determinujących rozwój tych silników.
Problematyka pracy jest zatem aktualna i ma szerokie znaczenie praktyczne.
1.2. Cel i zakres pracy
Celem pracy była ocena wpływu zastosowania CNG do zasilania pojazdów transportu miejskiego na emisję związków szkodliwych spalin. Spośród paliw możliwych do zasilania pojazdów transportu miejskiego wybrano gaz ziemny.
Głównym kryterium branym pod uwagę podczas doboru paliwa do badań jest potencjał wykorzystania tego paliwa do zasilania autobusów miejskich.
Jako narzędzie badawcze użyta zostanie najnowsza aparatura badawcza
umożliwiająca ocenę parametrów ekologicznych eksploatacji pojazdów w warunkach
dynamicznych, podczas rzeczywistej eksploatacji. Porównane będą parametry
ekologiczne za pomocą charakterystyk gęstości czasowych otrzymanych na podstawie
badań w ruchu miejskim oraz prób wykonywanych na pojeździe w testach jezdnych. W
rozprawie, analizie poddane zostaną wyniki badań emisji związków gazowych oraz emisji drogowej. Efektem pracy będzie wyznaczenie wskaźników ekologicznych.
Pytania badawcze:
jaki wpływ ma zastosowanie sprężonego gazu ziemnego na parametry ekologiczne autobusu miejskiego w rzeczywistych warunkach eksploatacji?
czy uzasadniona jest ekonomicznie eksploatacja autobusu miejskiego zasilanego sprężonym gazem ziemnym przez przedsiębiorstwa komunikacji miejskiej?
Cel pracy należy uznać za osiągnięty, gdy uzyska się odpowiedź na postawione pytania badawcze. Jako podstawowe kryterium oceny należy przyjąć wartości parametrów eksploatacyjnych podczas rzeczywistych warunków ruchu pojazdów.
Wartości tych parametrów w porównaniu z odpowiadającymi im stężeniom związków szkodliwych w gazach wylotowych, uzyskanymi podczas przejazdów pozwolą określić kierunek poprawy emisyjności pojazdów. Do realizacji celu pracy przyjęto harmonogram wykonania poszczególnych zadań. Cząstkowe zadania badawcze:
wyznaczenie parametrów ekologicznych napędów autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym oraz gazem ziemnym w warunkach symulowanych testów drogowych SORT,
wyznaczenie parametrów ekologicznych układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym i CNG warunkach rzeczywistej eksploatacji,
porównanie układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem konwencjonalnym oraz gazem ziemnym w warunkach rzeczywistej eksploatacji,
porównanie układów napędowych autobusów miejskich zasilanych paliwem
konwencjonalnym oraz gazem ziemnym pod względem zużycia paliwa.
2. PALIWA ALTERNATYWNE STOSOWANE W POJAZDACH
2.1. Ciekłe paliwa alternatywne
2.1.1. Wprowadzenie
W ostatnich latach dużą uwagę przywiązuje się do zmniejszania negatywnego oddziaływania motoryzacji na środowisko naturalne człowieka. Szczególnie istotne znaczenie ma w tym względzie emisja związków toksycznych z pojazdów poruszających się po centrach zatłoczonych miast, gdzie w bliskim otoczeniu pojazdów porusza się duża liczba pieszych i rowerzystów. Pojazdami tego typu są z pewnością autobusy miejskie. Obecnie dość dynamicznie rozwijającym się kierunkiem zmniejszania emisji związków toksycznych z tego rodzaju pojazdów jest stosowanie paliw alternatywnych, w tym paliw ciekłych. Istotą dyskusji o stosowaniu paliw alternatywnych są problemy ochrony środowiska naturalnego i aspekt, że są to paliwa odnawialne.
Już od wielu lat istnieje na świecie zwiększone zainteresowanie zagadnieniami zasilania silników spalinowych o zapłonie samoczynnym olejami roślinnymi, do których można zaliczyć: olej rzepakowy, słonecznikowy, sojowy, palmowy i ich estry.
Jest oczywiste, że o wyborze rodzaju oleju roślinnego do zasilania silników decyduje strefa klimatyczna, w której znajduje się uprawa danej rośliny oleistej. Przykładowo w Europie Środkowej są w tym względzie prowadzone uprawy rzepaku, w Hiszpanii – słonecznika, w USA – soi, w Malezji – palm kokosowych.
Rożnego rodzaju oleje roślinne są bardzo atrakcyjne jako paliwo alternatywne dla silników ZS z uwagi na zamknięty obieg dwutlenku węgla w atmosferze i związane z tym ograniczenie efektu cieplarnianego (rys. 2.1). Zastosowanie paliw pochodzenia roślinnego w czystej postaci lub ich mieszanin z olejem napędowym otwiera nowe możliwości gospodarcze w wielu europejskich regionach agrokultur i nowe rynki zbytu.
Obieg idealny
Obieg rzeczywisty CO2
roślinny
Silnik Olej roślinny Biomasa Alkohol
CO2
roślinny Słońce
CO2
roślinny
Silnik Olej roślinny Biomasa Alkohol
CO2
roślinny Słońce
Emisja antropogeniczna
CO2
ze spalania węgla
Energia włożona np. węgiel
Rys. 2.1. Obieg węgla przy zastosowaniu paliw odnawialnych [47]
Z punktu widzenia ekonomii korzystne jest skierowanie nadprodukcji roślin oleistych do przemysłu wytwarzającego alternatywne roślinne paliwa silnikowe.
Dokonując ekonomicznej analizy zastosowania paliw roślinnych, nie można pominąć zagadnienia szeroko rozumianej polityki gospodarczej, a mianowicie zagospodarowania niewykorzystanych użytków rolnych i na wyeksploatowanych terenach powstałych w następstwie działalności górniczej, produkcji roślin oleistych w przypadku nadprodukcji innych płodów rolnych w niektórych rejonach, stworzenia nowych miejsc pracy w przemyśle produkcyjnym i dystrybucji paliw roślinnych.
W przypadku alternatywnych paliw roślinnych z punktu widzenia ekologii korzystne jest to, że uprawiane rośliny pobierają z atmosfery CO
2, który przy spalaniu w silniku olejów roślinnych wydzielany jest jako substancja szkodliwa. Podstawowe właściwości fizykochemiczne wybranych olejów roślinnych przedstawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Właściwości fizykochemiczne olejów roślinnych [28]
Parametr Olej
napędowy
Olej sojowy
Olej słonecznikowy
Olej rzepakowy Lepkość kinematyczna w 50°C
[mm2/s] 3,200 23,099 22,989 25,184
Gęstość [g/cm2] 0,825 0,925 0,923 0,921
Skład elementarny (przeciętnie) udział masowy [%]
C 86 77 77 77
H 13 12 12 12
O 1 11 11 11
Temperatura krzepnięcia [°C] –5 –16...0 –18...–16 –12...0
Wartość opałowa [MJ/dm3] 35,3 – – 34,8
Zawartość tłuszczu [%] – 18,5 48 41
Ilość oleju z 1 t nasion [kg] – 76 467 398
Stosowanie paliw roślinnych w silnikach spalinowych jest możliwe na dwa zasadnicze sposoby [38]:
spalanie paliw bez ich przygotowania, dostosowując do tego celu silnik po przez konieczne zmiany konstrukcyjne (olej roślinny wprost po wyprasowaniu i przefiltrowaniu),
przystosowanie paliwa np. w drodze estryfikacji (estry oleju roślinnego).
Paliwa powstałe na bazie olejów roślinnych, których budowa chemiczna oraz zdolności do samozapłonu posiadają korzystniejsze własności do zasilania silników ZS, w których jakość spalania zależy od procesów tworzenia mieszanki paliwowo- powietrznej, a powstawanie sadzy następuje na skutek braku powietrza w bezpośrednim sąsiedztwie paliwa. Oleje roślinne zawierają 9–14% tlenu w kwasach tłuszczowych; jest to główny powód małej emisji sadzy.
Dzięki śladowej zawartości siarki w paliwach roślinnych możliwa jest obróbka
końcowa spalin za pomocą utleniającego reaktora katalitycznego (zmniejszenie
zawartości CO i HC). Kolejną cechą olejów roślinnych (zależną od składu chemicznego
kwasu tłuszczowego) jest wpływ na emisję tlenków azotu. W przypadku silników ZS emisja NO
xjest mniejsza w wyniku spalania estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (RME – Rapeseed Methyl Esters) niż oleju napędowego [37].
Niestety znacznym utrudnieniem w zastosowaniu olejów roślinnych jako paliwa jest ich duża lepkość i termiczna niestabilność. Proces chemiczny zwany transestryfikacją powoduję wzrost użyteczności olejów roślinnych przeznaczonych do silników o zapłonie samoczynnym, sprawiając że część ich właściwości jest lepsza niż dla paliw konwencjonalnych. Wadą estrów jest jednak ich agresywność w stosunku do niektórych tworzyw sztucznych. Silniki ZS mogą być zasilane jedynie estrami olejów roślinnych (z powodu skłonności olejów naturalnych do tworzenia nagaru).
2.1.2. Zasilanie silników RME
W Unii Europejskim najważniejszym roślinnym paliwem alternatywnym są obecnie estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych FAME (Fatty Acid Methyl Esters), produkowane przede wszystkim w postaci RME (Rapeseed Methyl Esters).
Unia jest także największym na świecie producentem tego rodzaju paliwa (rys. 2.2).
Przyjmuje się, że skala produkcji i zużycia tego paliwa będzie nadal zwiększać swój udział w rynku, w związku z rosnącym zapotrzebowaniem na paliwa do silników ZS i stabilnym zapotrzebowaniem na benzyny dla silników ZI. W chwili obecnej do konwencjonalnych olejów napędowych dodaje się FAME w udziale do 7%. Szybko zwiększa się też zużycie FAME w czystej postaci. W Polsce spowodowane jest to w znacznym stopniu korzystną ceną, sezonowo o około 20% niższą niż konwencjonalnego oleju napędowego.
-3 2 7 12 17 22 27
2010 2011 2012 2013 2014
Światowa produkcja FAME [mln ton]
EU USA Inne Razem
Rys. 2.2. Światowa produkcja FAME w latach 2010–2014 [71]
Choć zastosowanie paliw odnawialnych, a w szczególności biopaliw płynnych ma na
celu przede wszystkim ochronę zasobów naturalnych, zmniejszenie emisji CO
2i
uniezależnienie się od paliw kopalnych, to ich stosowanie wpływa także korzystnie na poziom toksyczności spalin, a więc i zanieczyszczenie powietrza. Zastosowanie FAME jako paliwa w czystej postaci lub dodatku w istotny sposób wpływa na toksyczność spalin silnika ZS. W literaturze dostępnych jest wiele prac poświęconych temu zagadnieniu [9, 10, 14, 16, 18, 27, 42, 53]. Lauperta na podstawie podjętej z naukowcami współpracy oraz po przeprowadzeniu analizy blisko 160 prac badawczych [26] z tego zakresu stwierdził, że zastosowanie FAME powoduje najczęściej:
zmniejszenie emisji CO, HC i PM oraz wzrost emisji NO
x(rys. 2.3).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
CO HC NOx PM
Udział w opublikowanych pracach [%]
Zmniejszenie Bez zmian Zwiększenie Równowaga
Rys. 2.3. Opisane w literaturze trendy zmian emisji składników toksycznych przy zastosowaniu FAME jako paliwa do silników ZS [26]
Rzepak przeznaczany na paliwo RME ma znaczny udział procentowy w całkowitej produkcji wśród dziesięciu podstawowych roślin oleistych uprawianych na świecie.
Wykorzystanie olejów roślinnych lub ich pochodnych jest związane przede wszystkim z ochroną środowiska naturalnego. Jednym z korzystnych aspektów jest to, że pochodne kwasów tłuszczowych ulegają w środowisku naturalnym szybkiej biodegradacji w przeciwieństwie do produktów pochodzenia naftowego. Szczególnie interesującym kierunkiem jest stosowanie właśnie estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego jako paliwa.
Obecnie istnieją dwie podstawowe technologie produkcji biopaliw na bazie nasion roślin oleistych [38]:
tzw. „zimna”, w której proces otrzymywania biopaliwa jest prowadzony w temperaturze 20–70C, pod standardowym ciśnieniem z użyciem katalizatorów alkalicznych,
tzw. „gorąca”, która wymaga prowadzenia reakcji transestryfikacji w
temperaturze 240C i pod ciśnieniem 10 MPa (wymaga dostępu do źródła taniej
energii cieplnej oraz dużej ilości metanolu). Technologia „gorąca” może być
realizowana w istniejących zakładach chemicznych (tłuszczowych).
Pełny proces technologiczny przerobu rzepaku na biopaliwo obejmuje [38]:
wytłaczanie tzw. „zimne” oleju z nasion rzepaku za pomocą prasy ślimakowej;
uzyskuje się olej i wytłoki (śrutę paszową); olej poddawany jest filtracji i kierowany do zbiornika, śruta paszowa jest składowana i wykorzystywana na cele paszowe,
reestryfikację oleju rzepakowego, która przebiega w temperaturze 600
oC pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym; do podgrzanego oleju rzepakowego wprowadza się przygotowaną uprzednio mieszaninę katalityczną powstałą z rozpuszczenia w alkoholu metylowym wodorotlenku potasu,
oczyszczanie – frakcję estrową poddaje się oczyszczeniu w celu oddzielenia z niej mydeł, fosfolipidów, barwników i resztek wody, w temperaturze 700
oC pod normalnym ciśnieniem,
filtrację – oczyszczoną mieszaninę estrów poddaje się filtracji w celu oddzielenia złoża filtrującego.
Najważniejsze właściwości fizykochemiczne wytwarzanego w ten sposób paliwa to [38]:
gęstość w 15°C – 0,885 g/m
3,
temperatura zablokowania zimnego filtra – 12°C,
lepkość kinematyczna w 20°C – 7,73 mm
2/s,
zawartość siarki – 18 mg/kg,
liczba cetanowa – 48,2,
liczba zasadowa 0,51 mg KOH/g.
Dla silnika zasilanego paliwem alternatywnym RME, zawartość rozpuszczalnych, organicznych cząstek stałych jest znacznie mniejsza (około 46% wszystkich cząstek stałych) w porównaniu do zasilania klasycznym olejem napędowym (około 84%).
Zmniejszenie to może być wytłumaczone zawartością tlenu w paliwie estrowym (około 10% masy paliwa), która umożliwia lepsze i dokładniejsze wymieszanie paliwa z powietrzem w procesie spalania. Dostępność większej ilości tlenu w paliwie RME powoduje jednak podwyższenie temperatury spalania i tym samym zwiększenie emisji tlenków azotu.
Objętościowe zużycie paliwa RME jest o około 9% większe niż w przypadku konwencjonalnego oleju napędowego w związku z jego mniejszą wartością opałową (rys.
2.4). Jednakże moc silnika zasilanego paliwem estrowym może być określana w odniesieniu do mocy silnika zasilanego olejem napędowym, przy uwzględnieniu energii pochodzącej ze spalania paliwa E
p, pomnożonej przez stosunek sprawności energetycznych
e. Obliczenie to jest uzasadnione tym, że pompy wtryskowe silników spalinowych pracują ze stałą dawką paliwa. Stosunek energii ze spalania paliwa jest obliczany z danych dotyczących gęstości i wartości opałowej według wzoru [26]:
9089 , 0
,
,
ON p
es p
E E
(2.1)
Rys. 2.4. Porównanie przebiegowego zużycia oleju napędowego i RME [26]
Stosunek sprawności energetycznych wyznacza się na podstawie zużycia energii według wzoru [26]:
0061 , 1
,
,
zuzycie energii ON
ester energii ycie
z zu energii
ycie z zu
praca energii ycie
z zu
praca
ON ester ON
e es e
(2.2)
Moc silnika spalinowego zasilanego paliwem estrowym teoretycznie wynosi więc:
0,9089 · 1,0061 = 0,9143 mocy silnika zasilanego konwencjonalnym olejem napędowym. Strata mocy na poziomie około 9%, w przypadku zasilania silnika paliwem estrowym, jest spowodowana niezmienną wydajnością pompy wtryskowej.
Zwiększony wydatek paliwa RME może być dostarczony do silnika bez wzrostu zadymienia spalin, co wynika z wyraźnego obniżenia ilości nierozpuszczalnych, organicznych frakcji cząstek stałych.
Oprócz zalet ekologicznych paliwa RME produkowanego na bazie rzepaku należy zaznaczyć, że rzepak charakteryzuje się relatywnie wysoką wydajnością energetyczną, tzn. stosunek wartości opałowej paliwa rzepakowego do energii włożonej na jego produkcję wynosi 5,4–6,3 w zależności od wydajności biopaliwa z hektara, która kształtuje się od 1 do 1,84 t/ha [38]. Technologia produkcji olejów roślinnych – jako paliw do silników ZS – wymaga zatem relatywnie małego nakładu energii i, jak zapewniają ich producenci, proces ten nie stwarza zagrożeń dla środowiska naturalnego.
Zastosowanie paliwa RME w silniku o zapłonie samoczynnym nie wymaga żadnych zmian w jego regulacji, co wynika z właściwości paliwa i jest czynnikiem sprzyjającym bezpośredniemu wprowadzeniu go do eksploatacji. Badania doświadczalne przeprowadzone na krajowych i zagranicznych jednostkach napędowych potwierdzają, że [28]:
moc nominalna i moment obrotowy dla większości silników nie ulegają zmianie wskutek nieco większego zużycia paliwa, rekompensującego spadek wartości opałowej, co świadczy o wyższej sprawności energetycznej procesu spalania szczególnie przy większych obciążeniach,
obciążenia mechaniczne i cieplne pozostają na tym samym poziomie,
temperatura spalin jest mniejsza o 3–10%, natomiast o 5% wzrasta maksymalne
ciśnienia spalania, a także o 25% maksymalne ciśnienie wtrysku,
nie ulega zmianie emisja hałasu,
maleje przyspieszenie testowanych pojazdów o 3–11%.
Korzystne właściwości ekologiczne paliwa RME w porównaniu z konwencjonalnym olejem napędowym to [57]:
zmniejszenie emisji SO
2(niska zawartość siarki – 0,001%) i CO
2w cyklu rocznym, co zmniejsza zjawisko tzw. „kwaśnych deszczy” i efektu cieplarnianego,
spadek zadymienia spalin o 50–80% w stanach ustalonych i dynamicznych,
zmniejszenie zawartości CO i HC w spalinach o 40%,
spadek zawartości cząstek stałych w spalinach o 10–60%,
spadek zawartości w spalinach związków muta- i kancerogennych,
brak działania drażniącego i toksycznego na organizm ludzki,
biodegradowalność 98,3% w ciągu 21 dni.
Paliwa produkowane na bazie rzepaku mieszają się w dowolnych proporcjach z olejem napędowym, zmniejszając jednak swe właściwości ekologiczne (zależy to od konstrukcji silnika, proporcji i technologii paliwa RME w mieszaninie) – proporcjonalnie wzrasta zadymienie spalin.
Niekorzystne właściwości zaobserwowane w trakcie przeprowadzonych prac badawczych to zwiększona „agresywność” w stosunku do niektórych gum, lakierów i tworzyw sztucznych. Wyjaśnienia wymaga także utrzymanie czystości układu zasilania różnych typów silników, głównie starej generacji oraz silników mocno wyeksploatowanych przy stosowaniu paliwa rzepakowego według różnych technologii, o różnej skłonności do koksowania oraz stabilności w utrzymywaniu odpowiednich właściwości w trakcie długiego przechowywania.
2.1.3. Zasilanie silników bioetanolem
Alternatywne paliwa alkoholowe korzystnie wpływają na obniżenie emisji substancji toksycznych, dzięki dysponowaniu w swoim wiązaniu chemicznym atomów tlenu.
Stosowane może odbywać się różnorodnych proporcjach w zależności od docelowych potrzeb wynikających m.in. z zastosowanej jednostki napędowej ZI lub ZS. Optymalny zakres pracy w przypadku silników ZI (współczynnik nadmiaru powietrza) jest trochę przesunięty w stosunku do benzyn ( 1,3), stąd racjonalne używanie alkoholi w silnikach tego typu wymaga dostosowania do nich układu zasilania.
W odniesieniu do benzyn, alkoholowe paliwa silnikowe posiadają następujące istotne cechy [46]:
mniejsza wartość opałowa,
mniejsze teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania,
większa odporność na spalanie stukowe, co pozwala stosować większe stopnie sprężania,
lepsza zapalność (mniejsza energia zapłonu), co powoduje, że mieszanki
alkoholowo-powietrzne mogą być uboższe, czyli sprawność ogólna silnika może
być nieco większa,
większa prędkość płomienia (o 20–30%), co daje możliwość zastosowania większych prędkości obrotowych,
dużo większe utajone ciepło parowania, co przyczynia się do trudności w odparowaniu paliwa,
niższa temperatura wrzenia niż temperatura końca odparowania benzyny sprawia, że podgrzewane alkohole całkowicie odparowują wcześniej niż benzyna,
alkohole nie mieszają się z benzyną i olejem napędowym (z wyjątkiem butanolu), czyli należy stosować rozpuszczalnik, stabilizator lub emulgator, aby otrzymać stabilną mieszankę paliwowo-alkoholową,
alkohole są higroskopijne, a więc przechowywane w kontakcie z powietrzem przejmują od niego wilgoć,
alkohole rozpuszczają niektóre metale i powodują ich przyspieszoną korozję.
Należący do grupy stosowanych w środowisku motoryzacyjnym paliw alkoholowych metanol jest wytwarzany z gazu ziemnego. Jako paliwo płynne jest w odróżnieniu od gazu, podlega biodegradacji, jednak jest związkiem trującym. Niska prężność par jest powodem złego rozruchu silników o zapłonie iskrowym (dodatek węglowodorów rozwiązuje jednak ten problem). Użycie metanolu powoduje zwiększenie momentu obrotowego i mocy silnika, kosztem dwukrotnego zwiększenia zużycia paliwa i konieczności stosowania specjalnego oleju smarującego silnik. Przy stosowaniu metanolu w silnikach ZS jest możliwy napęd czystym alkoholem, jednak konieczne jest użycie obcego źródła zapłonu lub wysokiego stopnia sprężania.
Jeśli chodzi o drugie popularne w środowisku motoryzacyjnym alternatywne paliwo alkoholowe – etanol, to można uzyskać je z roślin zawierających cukier (buraki, trzcina, proso cukrowe), skrobię (zboża, ziemniaki) i celulozę. Najkorzystniejsza pod względem energetycznym jest produkcja etanolu z trzciny cukrowej. Dla buraków cukrowych stosunek energii włożonej (bez słonecznej) do otrzymanej (w postaci energii paliwa i ciepła biogazu) wynosi 1:1,2 (97,8:116,5 GJ/ha) [23]. W tabeli 2.2 podano dane o ilości
Tabela 2.2. Ilość biomasy potrzebnej do produkcji etanolu [23]
Biomasa/Etanol
Biomasa Ziemiopłody
maniok trzcina cukrowa
proso cukrowe
kukurydza,
ryż, zboża ziemniaki burak cukrowy Zapotrzebowanie na biomasę
(ziemiopłody) [kg/1 dm3 etanolu] 5,55 14,3 12,6 2,92 9,0 11,8 Uzysk alkoholu z 1 tony
biomasy (ziemiopłodu) [dm3] 180 70 79 342 111 85
Zapotrzebowanie na biomasę (ziemiopłody) na wytworzenie 1900 dm3 etanolu [t/rok]
10,5 27,1 24,1 5,55 17,1 22,4
Wydajność biomasy
(ziemiopłodu) [t/(rok·ha)] 15,0 55,0 62,5 2,2 13,2 42,0 Obszar na wytworzenie 1900
dm3 etanolu rocznie [ha] 1,43 0,49 0,38 2,52 1,29 0,53
biomasy potrzebnej do produkcji tego paliwa. Właściwości etanolu są zbliżone do metanolu (z wyjątkiem toksyczności i gęstości energetycznej – większej o około 35%).
Emisja substancji toksycznych, powstałych w wyniku spalania tych dwóch paliw alkoholowych jest również podobna, z wyjątkiem formaldehydu (mniejsza dla etanolu) i acetaldehydu (większa). Alkohol etylowy ma także większy potencjał formowania i wiązania ozonu troposferycznego. Obecnie istnieją szerokie możliwości wykorzystania płynnych biopaliw alkoholowych w zastosowaniach motoryzacyjnych (tab. 2.3).
Tabela 2.3. Źródła biopaliw płynnych, metody otrzymywania oraz możliwości ich zastosowania [50, 52]
Biopaliwo Roślina Proces konwersji Zastosowanie
Bioetanol
zboża, ziemniaki, pseudozboża i topinambur
hydroliza i fermentacja
dodatek do benzyny buraki cukrowe, trzcina
cukrowa lub słodkie sorgo fermentacja wierzba energetyczna,
miskant, słoma, rośliny trawiaste
obróbka wstępna, hydroliza i fermentacja Biometanol wierzba energetyczna,
miskant chiński
gazyfikacja lub synteza metanolu
Biodiesel rzepak, słonecznik, soja estryfikacja dodatek do ON
Bioolej wierzba energetyczna,
miskant pyroliza substytut ON lub
benzyny
Przykładowo bioetanol znalazł szerokie zastosowanie w autobusach miejskich.
Używany jest jako samoistne paliwo oraz jako biokomponent. Najpopularniejsze paliwa oparte na bioetanolu to: E10, E20, E85, E95 oraz E100 [66]. Szwedzka firma Scania jest producentem dużych pojazdów użytkowych (samochodów ciężarowych i autobusów, w tym miejskich), który przystosował swoje jednostki napędowe do zasilania paliwem E95 (rys. 2.5 i 2.6). Jest to biopaliwo przeznaczone do silników ZS, będące mieszaniną składającą się z 95% obj. bioetanolu i 5% obj. dodatków poprawiających jego parametry. E95 ma zastosowanie wyłącznie w dużych silnikach o zapłonie samoczynnym, wykorzystywanych do zasilania odpowiednio przystosowanych samochodów ciężarowych i autobusów. Paliwo to jest produktem oferowanym na małą skalę. W Europie E95 stosowane jest w Szwecji, natomiast na Polskim rynku aktualnie wykorzystuje się E85 [66].
Z pewnością prace nad szerszym wprowadzeniem zasilania silników spalinowych alternatywnymi paliwami alkoholowymi będą kontynuowane, bowiem jest to paliwo, które używane w pojazdach (zwłaszcza o dużej ładowności) silnie eksploatowanych w rejonach o dużej gęstości zaludnienia, zapewnia możliwość sprostania wymogom dotyczącym ochrony środowiska naturalnego człowieka.
Bioetanol, a także estry kwasów tłuszczowych olejów roślinnych, jako paliwa odnawialne, stanowią cenną formę energii. Mogą one przyczynić się do m.in. [38]:
zmniejszenia wykorzystania zasobów naturalnych (nowe źródło energii),
zmniejszenia zagrożenia środowiska naturalnego (mniejsza emisja z pojazdów
substancji szkodliwych do atmosfery),
wykorzystania areałów rolnych (wykorzystanie rezerw i nieużytków).
Rys. 2.5. Silnik firmy Scania zasilany paliwem E95 [35]
Rys. 2.6. Autobus miejski Scania OmniCity podczas tankowania bioetanolu [35]
2.2. Gazowe paliwa alternatywne
2.2.1. Wprowadzenie
Pojazdy zasilane paliwami gazowymi coraz intensywniej wkraczają w nasze otoczenie. Poszukiwania paliw alternatywnych w zastępstwie powszechnie stosowanych paliw płynnych uwarunkowane są względem aktualnych zagadnień dotyczących ekologii, dostępności i ceny. Sama idea zasilania tłokowego silnika spalinowego gazowym paliwem węglowodorowym sięga początków jego wynalezienia.
Pierwszy na świecie silnik spalinowy, który skonstruował w 1860 r. Etienne Lenoir, był
zasilany gazem świetlnym. Sytuacja ma się podobnie w przypadku pierwszego
czterosuwowego silnika o zapłonie iskrowym (ZI), zbudowanego przez Nicolausa
Augusta Otto w roku 1876. Skonstruowanie w następnych latach silnika benzynowego
(Carl Friedrich Benz) spowodowało zaniechanie stosowania paliw gazowych w
motoryzacji. Zainteresowanie węglowodorami gazowymi jako paliwem powróciło
dopiero w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku – w dobie kryzysu energetycznego i trwa ono do dzisiaj. Gazowe paliwa węglowodorowe są atrakcyjne m.in. ze względu na niską cenę kształtowaną przez państwa. W zasadzie na całym świecie są tańsze od paliw ciekłych. Wynika to nie tylko z niższych kosztów produkcji, ale także z polityki podatkowej wielu państw.
Silniki spalinowe mogą być zasilane różnego rodzaju gazami, spośród których na dużą skalę są współcześnie stosowane gaz płynny propan-butan (LPG) oraz gaz ziemny (NG – Natural Gas). Inne gazy, takie jak gaz generatorowy, fermentacyjny, koksowniczy i świetlny mają obecnie małe znaczenie jako paliwa dla silników.
Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych podano w tabeli 2.4.
Tabela 2.4. Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych [13]
Paliwo gazowe
Gęstość w warunkach
normalnych [kg/m3]
Wartość opałowa paliwa [MJ/m3]
Wartość opałowa mieszanki stechiom.
[MJ/m3]
Zawartość tlenu w mieszance
stechiom.
[%]
Współ. dla dolnej
granicy zapalności
LOM (LOB) [–]
Metan 0,655 36 3,4 19 1,88 110 (140)
Propan 1,800 83 3,3 20,2 1,96 95
Butan 2,370 110 3,4 20,3 1,83 92
Gaz ziemny 0,695 34,7 3,4 18,9 2,10 100–110
Gaz koksowniczy 0,468 13 3,35 – – 95
Gaz generatorowy 1,015 5,65 2,6 10,9 4,35 105
Gaz fermentacyjny 1,200 24,2 3,2 18,2 1,94 110
Propan-butan 2,080 96,5 3,35 20,25 1,91 95 (100)
