Ciężarówka na gaz LPG

Zasilanie silników gazem ma wielu zwolenników i przeciwników, również wśród posiadaczy pojazdów użytkowych. W Europie Zachodniej popularne jest zasilanie silników ciężarówek gazem ziemnym (metanem).W naszym kraju zainteresowanie gazem LPG wynika z jego powszechnej dostępności, w przeciwieństwie do metanu, który oferowany jest w stosunkowo niewielkiej ilości stacji tankowania. Jak deklarują sprzedawcy instalacji LPG, silnik Diesla zasilany olejem napędowym i gazem LPG uzyskuje większą moc maksymalną i większy moment obrotowy, a także emituje mniej tlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu (o 90%) i cząstek stałych (aż o 90%). Dodatkową zaletą stosowania takiego paliwa jest cicha praca silnika. Oprócz walorów ekologicznych, głównym jednak powodem zainteresowania gazem jest chęć obniżenia zużycia drogiego oleju napędowego. 

Teoretycznie można wyróżnić trzy systemy zasilania silnika Diesla gazem LPG:

1 - zasilanie wyłącznie gazem LPG - wymaga istotnej przeróbki jednostki napędowej. Zapłon samoczynny należy bowiem przerobić na iskrowy. Trzeba więc zdemontować istniejący układ wtryskowy olejem napędowym i zamontować układ zapłonowy ze świecami zapłonowymi, przepustnicę powietrza, układ zasilania gazem LPG i reaktor katalityczny. Powinno się też zmodyfikować kształt komory spalania w tłoku i ewentualnie przerobić głowicę. Tak poważna ingerencja czyni całe przedsięwzięcie całkowicie nieopłacalnym. Co gorsza, tak przerobione silniki badawcze nadmiernie się nagrzewały, co dodatkowo wymusiło zmianę układu chłodzenia;

2 - zasilanie mieszaniną gazu LPG i oleju napędowego - silnik pracuje na mieszance oleju napędowego z gazem, którego nie może być więcej niż 15-25%. To rozwiązanie w praktyce nie jest stosowane,

3 - zasilanie dwupaliwowe: wyłącznie olejem napędowym lub olejem napędowym z dodatkiem gazu. To, jak na razie, jedyny praktyczny sposób przystosowania silnika Diesla do zasilania gazem LPG. Pomysł jest wzorowany na rozwiązaniach stosowanych w silnikach iskrowych (benzynowych). Należy zamontować dodatkową instalację zasilania LPG i zbiornik gazu. Gaz w fazie lotnej jest wtryskiwany do kolektora dolotowego, a zmniejszona dawka oleju napędowego służy do zainicjowania zapłonu. Z badań wynika, że udział gazu w stosunku do oleju napędowego nie powinien przekraczać 25%. Zwiększenie ilości gazu może powodować tzw. spalanie stukowe, bardzo niekorzystne dla trwałości silnika.

Jak to działa? 

Dostępne na naszym rynku instalacje powodują, że silnik pracuje w systemie dwupaliwowym – w pewnych zakresach spala gaz z olejem napędowym, ale w pewnych sytuacjach zużywa wyłącznie olej napędowy. 
Typowa instalacja składa się ze zbiornika gazu, reduktora/parownika LPG z czujnikiem temperatury, filtra gazu, czujnika ciśnienia gazu, wtryskiwaczy umieszczonych w kolektorze dolotowym, czujnika temperatury spalin i elektronicznego sterownika. Podczas jazdy silnik spala olej napędowy oraz gaz. Wtrysk gazu następuje do kolektora dolotowego, a wtrysk oleju napędowego – fabryczną instalacją, bezpośrednio do komory spalania silnika. W większości instalacji gaz jest wtryskiwany jednym lub kilkoma wtryskiwaczami, w zależności od mocy maksymalnej silnika. 

Gaz ze zbiornika przepływa przez reduktor/parownik, w którym z fazy ciekłej zamieniany jest na fazę lotną. Reduktor/parownik jest podgrzewany cieczą z układu chłodzącego silnika. Następnie gaz w fazie lotnej jest kierowany przez filtr do wtryskiwaczy umieszczonych w kolektorze dolotowym najczęściej przed lub za turbosprężarką. Ilość gazu kierowana do wtryskiwaczy obliczana jest przez sterownik elektroniczny instalacji gazowej na podstawie informacji o obciążeniu silnika, prędkości obrotowej wału korbowego, temperatury spalin i informacji z dodatkowych czujników, jeśli dana instalacja je posiada. 

Instalacja gazowa zbudowana jest w taki sposób, że nie ingeruje w fabryczny układ zasilania silnika w olej napędowy, ani w elektroniczny sterownik pracy silnika. Instalację gazową można więc zdemontować. Dla kierowcy system jest całkowicie bezobsługowy, musi jednak kontrolować ilość gazu w zbiorniku, co pokazuje wyświetlacz. W przypadku pojazdów użytkowych istotny jest dobór zbiornika lub zbiorników gazu. Dostępne są zbiorniki z reguły o średnicy 60 cm i różnych długościach, od 35 do 95 cm, których objętość wynosi nawet 250 l. Masa napełnionego zbiornika o objętości 250 l wynosi ok. 215 kg (masa własna - ok. 85 kg). Mocowanie tak ciężkiego zbiornika musi spełniać wymagania określone przepisami.

Spalanie stukowe 

Największym zagrożeniem dla silnika podczas spalania gazu jest możliwość wystąpienia tzw. spalania stukowego. To proces chaotycznego i nierównomiernego spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w różnych częściach komory spalania, podczas którego fala zapalającej się mieszanki przemieszcza się z ogromną prędkością dochodzącą do 1000 m/s (przy prawidłowym spalaniu 30 – 60 m/s). Zjawisko to objawia się w postaci stuków. Powoduje nadmierne mechaniczne obciążenie tłoków, korbowodów i innych elementów silnika oraz silne jego nagrzewanie się. Możliwość wystąpienia spalania stukowego wynika z właściwości fizykochemicznych gazu LPG, który pod tym względem jest paliwem zbliżonym do benzyny. W większości instalacji silnik na biegu jałowym pracuje wyłącznie na oleju napędowym. Również z chwilą osiągnięcia obrotów zbliżonych do maksymalnych i podczas hamowania silnikiem, gaz nie jest podawany.

 Nota bene, pierwsze instalacje zasilania dużego silnika Diesla gazem LPG powstały w Australii, gdzie ciężarówki poruszają się ze stałą prędkością na długich dystansach. W tych warunkach wystąpienie spalania stukowego jest stosunkowo niewielkie. W prostych instalacjach urządzeniem, które ma zapobiec spalaniu stukowego, jest czujnik temperatury spalin (tzw. termopara). Na podstawie informacji o nagłym wzroście temperatury spalin sterownik LPG natychmiast zmniejsza lub odcina dawkę gazu.

Skuteczność instalacji LPG zależy więc od szybkości zadziałania czujnika temperatury spalin. Przy szybko zmieniających się obciążeniach silnika czujnik temperatury spalin może nie wystarczyć. W nowoczesnych instalacjach stosuje się dodatkowo czujnik spalania stukowego mierzący częstotliwość drgań kadłuba silnika. W najnowszych rozwiązaniach do obliczania dawki gazu wykorzystuje się m.in. cztery czujniki – podciśnienia MAP, spalania stukowego, temperatury spalin i sondę lambda. Uwaga konstruktorów skierowana jest również na coraz doskonalsze i bardziej skomplikowane algorytmy sterowania (obliczania ilości podawanego gazu), uwzględniające jazdę z włączonym hamulcem długotrwałego działania (tzw. „górskim”) czy tempomatem. 

Przed konstruktorami instalacji gazowych stoi jeszcze kilka innych problemów. Np. kłopotliwy jest niejednorodny i zmienny skład paliwa, tj. stosunek gazu do oleju napędowego, a przecież jego właściwości mają istotny wpływ na odporność na spalanie stukowe. Dość istotny jest również stan techniczny aparatury wtryskowej, gdyż instalacje gazowe są zakładane raczej do starszych pojazdów. 

Uzyskiwane efekty ekonomiczne dwupaliwowego zasilania silnika zależą od warunków eksploatacji, a największe efekty można uzyskać na dalekich trasach. Z doświadczeń użytkowników pojazdów z instalacją LPG wynika, że przy rocznym przebiegu rzędu 100 tys. km zaoszczędzono ok. 22 tys. zł przy cenie ON 5,58 zł/litr, a LPG – 2,72 zł/l. Taki wynik osiągnięto w ciągniku siodłowym Renault Premium 460 DXi (Euro V) poruszającym się z obciążoną naczepą po polskich drogach. Przed założeniem instalacji gazowej silnik zużywał ok. 32 l oleju napędowego na 100 km, a na zasilaniu dwupaliwowym: 24 l ON i 8 l LPG. Inny ciągnik siodłowy DAF 105.460 zużywał ok. 42 l oleju napędowego, a na zasilaniu dwupaliwowym: 33 l ON i 10 l LPG. 

Zasadniczym problemem jest pytanie o trwałość silnika zasilanego gazem LPG. Producenci ciężarówek nie prowadzą takich badań, gdyż propagują zasilanie metanem. Wśród pracowników naukowych niezależnych ośrodków badawczych panują niejednoznaczne opinie dotyczące trwałości silnika zasilanego gazem LPG. Wynikają one z braku dostatecznie długich badań testowych. Nie ulega jednak wątpliwości, że ewentualne skrócenie trwałości jednostki napędowej może wynikać z występującego okresowo spalania stukowego. Wyeliminowanie tego zjawiska zależy od konstrukcji instalacji gazowej, dlatego zakładanie najprostszej może nie przynieść spodziewanych efektów. 

Gaz LPG 

LPG (Liquefied Petroleum Gas) to bezbarwny i bezwonny, płynny gaz będący mieszaniną propanu (C3H8) i butanu (C4H10) w różnych proporcjach. Uzyskiwany jest jako produkt uboczny w procesie rafinacji ropy naftowej (ok. 2% masy przerobionego surowca) lub w niewielkich ilościach ze złóż gazu ziemnego. Dla łatwiejszego przechowywania LPG jest magazynowany w postaci ciekłej (sprężony), gdyż nie zmienia i nie traci swoich właściwości z upływem czasu. Liczba oktanowa gazu, w zależności od proporcji między propanem a butanem wynosi od 90 do 110.