Silniki CNG (8): Podsumowanie

W ciągu ostatnich miesięcy, przyglądaliśmy się ofercie poszczególnych producentów silników do autobusów w zakresie jednostek przystosowanych do spalania gazu ziemnego oraz innych paliw gazowych. Przyszedł zatem czas na podsumowanie naszego cyklu prezentacji. Dlatego, w ostatnim odcinku próbujemy przyjrzeć się silnikom o zasilaniu gazowym w sposób przekrojowy.

Skąd się bierze gaz ziemny?

Gaz ziemny powstał – podobnie jak ropa naftowa – z resztek drobnych roślin oraz ciał zwierząt morskich, które zmarły ponad 200 milionów lat temu, a następnie zostały przykryte kolejnymi warstwami osadowymi. Pod naciskiem leżących wyżej warstw piasku i mułu, te wysokoenergetyczne materiały powili ulegały rozkładowi, aby w końcu zamienić się w gaz, który został zamknięty w skałach. Gaz ziemny pozyskuje się przez nawiercanie skał oraz montaż rur odprowadzających gaz na powierzchnię ziemi. Główną zaletą gazu ziemnego w porównaniu do innych paliw kopalnych, jest jego prosty skład chemiczny. Składa się on bowiem prawie wyłącznie z metanu (CH4), dzięki czemu przy jego spalaniu powstaje bardzo niewiele szkodliwych związków. Olej napędowy i węgiel zawierają znacznie większą ilość innych związków, takich jak siarka czy azot, które w wyniku spalania wytwarzają związki chemiczne, która są szkodliwe dla środowiska naturalnego. Obecnie, gaz ziemny stanowi ok. 1 energii wykorzystywanej w gospodarstwach domowych, firmach, pojazdach oraz zasilania elektrowni. Przewiduje się, że w ciągu najbliższych 20 lat jego udział w ogólnej konsumpcji energii przekroczy 50%.

Co to jest CNG, LNG i LPG?

Jak już wspominaliśmy, aby ułatwić przechowywanie gazu ziemnego w pojazdach, można go albo zamienić w płyn (czyli skroplić) albo sprężyć. Gaz ziemny skrapla się przy temperaturze -160°C. Dzięki temu, objętość zajmowana przez to paliwo zmniejsza się aż 600-krotnie! Tak powstaje LNG (Liquified Natural Gas – Skroplony Gaz Ziemny). Trzeba jednak zadbać o to, aby temperatura LNG nie wzrastała, dlatego musi on być przechowywany w specjalnych zbiornikach o podwójnych ścianach, z termoizolacyjnymi komorami próżniowymi. Szacuje się, iż LNG stanowi ok. 4% zużycia gazu ziemnego na świecie. Paliwo to jest dość popularne w USA, gdzie istnieją duże stacje skraplania gazu, choć nie zawsze są one dogodnie położone dla przewoźników, którzy chcielby tankować na nich swoje pojazdy. W najbliższej przyszłości należy się jednak spodziewać rozrostu sieci stacji skraplania gazu ziemnego.

Drugim sposobem na zmniejszenie objętości gazu ziemnego jest jego sprężenie. Obecnie, gaz ziemny spręża się do ciśnienia ok. 200 bar w specjalnie opracowanych do tego celu butlach stalowych bądź kompozytowych. Tak powstaje sprężony gaz ziemny (CNG). To paliwo zdobyło sobie znacznie większą popularność w Europie. Pierwsze próby zastosowania tego paliwa do napędu pojazdów miały miejsce w latach 60. i od tamtego czasu zdobywa sobie ono coraz większą popularność. Problemem jest tutaj jednak budowa stacji sprężania i tankowania gazu, które są dość drogą inwestycją, jednak należy się spodziewać, że wraz z rozrostem sieci tego typu stacji, popularność tego paliwa będzie nadal rosła. Jak szacuje nowozelandzka instytucja IANGV (The International Association for Natural Gas Vehicles of Auckland), na świecie jest obecnie ok. 4 450 stacji tankowania CNG oraz nieco ponad 1 milion pojazdów napędzanych tym paliwem.

Trzecim, popularnym paliwem gazowym jest LPG. Jest to skroplona mieszanka dwóch gazów – propanu i butanu. Podobnie jak gaz ziemny, powstały one z pozostałości roślin i ciał zwierząt, które zamieszkiwały Ziemię przed milionami lat. Jego zaletą jest, że skroplenie propanu-butanu jest dość łatwe i wymaga niewielkiego tylko sprężenia, a jego objętość maleje wówczas 270-krotnie. Do wad LPG należy fakt, iż paliwo to składa się z bardziej złożonych substancji, co powoduje, że nie jest ono tak czyste jak gaz ziemny. Poza tym, LPG – w przeciwieństwie do gazu ziemnego – jest cięższy od powietrza i w razie ulatniania się, gromadzi się przy powierzchni ziemi, co może być niebezpieczne w przypadku, gdy pojazdy są obsługiwanie w kanałach rewizyjnych czy dla pasażerów, jeżeli zbiorniki umieszczone są na dachu. Dlatego, LPG zdobyło sobie większą popularność w samochodach osobowych i dostawczych, natomiast w autobusach nie znalazło szerszego zastosowania.

<a title="Jednak prawdziwy boom na autobusy gazowe nastał dopiero w latach 90.

” ><img alt="Jednak prawdziwy boom na autobusy gazowe nastał dopiero w latach 90.

” src=”https://transinfo.pl/wp-content/archiwum/artykuly/3925/l_11.jpg” />

Historia napędów gazowych w autobusach

Na początek nieco o historii. W tym wypadku potwierdza się powiedzenie „Potrzeba matką wynalazku”. Pierwsze próby zasilania pojazdów samochodowych paliwami gazowymi pojawiły się bowiem w okresie II Wojny Światowej, kiedy to motoryzacja była już dość mocno rozwinięta i po ulicach jeździło sporo pojazdów, a tradycyjne paliwa – takie jak benzyna czy olej napędowy – były reglamentowane. Przeprowadzano wtedy pierwsze próby zasilania pojazdów mechanicznych m.in. gazem drzewnym czy tzw. gazem miejskim, którego głównym składnikami były wodór, metan i dwutlenek węgla. Jednak ryzyko związane ze stosowaniem tego typu paliw oraz wzrost podaży tradycyjnych paliw po II Wojnie Światowej spowodowały, że próby te zostały przerwane. Zagadnienia paliw alternatywnych powracały jednak w okresach kryzysów paliwowych, a także podczas dyskusji nad ograniczaniem emisji szkodliwych związków spalinach. Ponieważ jednym z głównych problemów w przypadku silników Diesla była duża ilość wytwarzanych cząstek stałych, zaczęto rozważać możliwość zastosowania do zasilania pojazdów paliw gazowych, które z racji swojego stanu skupienia produkują bardzo małe ilości cząstek stałych w spalinach. Jednym z głównych paliw, na którym skupiły się badania był właśnie gaz ziemny. Problemem była jednak mniejsza wartość energetyczna gazu oraz duża objętość, jaką trzeba było zarezerwować na jego magazynowanie, aby uzyskać odpowiedni zasięg. Naukowcom udało się poradzić z tym problemem w dwojaki sposób: albo poprzez sprężenie gazu, albo poprzez jego skroplenie. Tak powstały jedne z najpopularniejszych dzisiaj paliw alternatywnych – sprężony gaz ziemny (CNG) i skroplony gaz ziemny (LPG). Pierwsze poważniejsze próby z zastosowanie gazu ziemnego do napędzania autobusów podjęto w latach 70., kiedy to przygotowujące się do organizacji Igrzysk Olimpijskich Monachium otrzymało znaczne środki na inwestycje, które umożliwiły m.in. zaangażowanie się miasta w prace nad paliwami alternatywnymi do autobusów. Na ulicach stolicy Bawarii pojawiły się wówczas pierwsze autobusy MAN SL200 oraz Mercedes-Benz OG.305, napędzane skroplonym gazem ziemnym (LNG). Jednak prawdziwe przyspieszenie w rozwoju gazu ziemnego jako paliwa do autobusów nastąpiło na początku lat 90. Również tym razem, inicjatywa należała do Niemiec. W 1992 r. bowiem, niemieckie Ministerstwo Ochrony Środowiska ogłosiło program dofinansowania przedsięwzięć mających na celu wprowadzenie do eksploatacji pojazdów użytkowych o niskim poziomie emisji spalin napędzanych gazem ziemnym. Co prawda, program ten zakończył się pod koniec lat 90., co zdecydowanie zmniejszyło opłacalność tego typu przedsięwzięć, nadal jednak znajdują się przewoźnicy, którzy przechodzą na zasilanie gazem ziemnym (HKL Helsinki, Frankfurt nad Odrą, HARU Reisen).

Rodzaje zasilania silników gazowych

Gaz ziemny czy propan-butan, w przeciwieństwie do oleju napędowego, nie ulega samozapłonowi, dlatego przy dostosowaniu silnika do spalania gazu, konieczne jest zastosowanie zapłonu iskrowego. W tym celu, duże silniki Diesla przystosowuje się do tzw. cyklu Otto poprzez montaż cewek i świec zapłonowych. Tym samym, silniki gazowe – podobnie jak benzynowe – spalają mieszankę powietrzno-paliwową, która jest przygotowywana poza cylindrem. W tym momencie powstaje pytanie o skład mieszanki. Jedna z koncepcji zakłada pracę na mieszance stechiometrycznej, czyli takiej, gdzie stosunek ilości gazu do powietrza jest tak dobrany, aby wytworzone zostały optymalne warunki do mieszania się gazu i powietrza. Druga z nich przewiduje, że silnik pracuje na mieszance ubogiej (tzw. zasada „lean-burn”), czyli przy stałym nadmiarze powietrza w mieszance (kosztem gazu). Obie zasady mają swoje wady i zalety. Mieszanka uboga zapewnia niższe zużycie paliwa oraz niższą temperaturę spalania, nie sprzyja jednak ograniczaniu emisji spalin. Poza tym, ponieważ silnik gazowe pracują na zapłonie iskrowym, przy niskich obrotach wartości momentu obrotowego mogą się okazać zbyt niskie, aby pociągnąć autobus ważący kilkanaście ton. Zasilanie mieszanką stechiometryczną zapewnia znacznie lepsze parametry ekologiczne i większą moc przy niskich obrotach, ale problemem jest znacznie wyższa temperatura spalania, która może wpływać na trwałość silnika. Jak zwykle, najlepszym rozwiązaniem tego typu problemów jest skonstruowanie układu zasilania, który mógłby się przełączać pomiędzy tymi dwoma trybami. Tak powstała tzw. reguła „lean-mix”, która dzięki zastosowaniu elektronicznego sterowania, umożliwia pracę albo na mieszance ubogiej, albo stechiometrycznej, w zależności od takich kryteriów, jak obroty silnika czy jego obciążenie. W swoich najnowszych silnikach gazowych, tą drogą poszły firmy MAN i Volvo.

Przegląd ofert silników gazowych

W poniższych tabelach prezentujemy przekrojowy przegląd ofert silników gazowych poszczególnych producentów w poszczególnych zakresach pojemności silników.

Tabela 1: Silniki 4-cylindrowe CNG o pojemności 2,0 – 3,0 l

Tabela 2: Silniki 6-cylindrowe CNG o pojemności od 5,0 do 7,0 l

Tabela 3: Silniki 6-cylindrowe CNG o pojemności od 7,0 do 10,0 l

Tabela 4: Silniki 6-cylindrowe CNG o pojemności od 10,0 do 13,0 l

Warto zaznaczyć, że większość silników przystosowanych do zasilania CNG może również spalać paliwo typu LNG. Silniki gazowe Volvo są ponadto przystosowane także do spalania biogazu. Podobnie jak gaz ziemny, składa się on głównie z metanu, którego zawartość w pierwotnej formie biogazu jest jednak znacznie mniejsza (50-60% wobec 90-98% w gazie ziemnym). Dlatego, przed zastosowaniem w pojazdach silnikowych, biogaz musi dodatkowo zostać poddany obróbce, podczas której usuwane są z niego liczne substancje niepalne (głównie dwutlenek węgla). Po takim procesie, zawartość metanu wzrasta do ok. 95-98%.

Oferta silników zasilanych LPG jest znacznie skromniejsza i obejmuje głównie mniejsze jednostki (np. Mercedes-Benz M111). Większe silniki tego typu oferują jedynie Cummins (jednostka B LPG Plus o pojemności 5,9 dm3 i mocy 195 KM przy 2600 obr/min oraz maks. momencie obrotowym 570 Nm przy 1600 obr/min) oraz MAN (silnik

Tabela 5: Silniki przystosowane do spalania LPG

Problemy stojące przed silnikami gazowymi

Jak można było wywnioskować z danych prezentowanych w kolejnych odcinkach naszego cyklu, poświęconego silnikom zasilanym CNG, główną ich zaletą jest bardzo niska emisja szkodliwych związków w spalinach oraz obniżony poziom hałasu, jak również znacznie niższa cena od tradycyjnych paliw. Do wad należy zaliczyć jego wyższy koszt zakupu, konieczność budowy drogiej infrastruktury do tankowania. Są także pewne problemy konstrukcyjne. Jak już wspominaliśmy, problem stanowi także wyższa temperatura spalania, co wymusza stosowanie bardziej wydajnych układów chłodzenia. Zapłon iskrowy powoduje także, że wartości momentu obrotowego przy niskich obrotach czasami nie są wystarczające. Również możliwości zwiększania mocy są ograniczone. Mimo tych niedogodności, stały rozwój konstrukcji silników gazowych powinien w przyszłości pozwolić rozwiązać te problemy. Przykładem może być chociażby nowatorska technologia „lean-mix”, która rozwiązuje cześć z tych niedogodności.

Przyszłość silników gazowych

Zaletą silników spalających CNG jest także fakt, że przy niewielkich modyfikacjach można je przystosować do zasilania biogazem, który nie jest on paliwem kopalnym, ale powstaje w wyniku naturalnego rozkładu materii organicznej. Dzięki temu, jest to paliwo odnawialne, a produkty jego spalania nie wpływają na ilość gazów cieplarnianych w atmosferze. W ten sposób, nawet w przypadku wyczerpania się złóż gazu ziemnego, silniki te nadal będą mogły być eksploatowane. Pewien problem w silnikach gazowych – jak już wspominaliśmy – stanowi konieczność zastosowania zapłonu iskrowego, który w pojazdach dużej ładowności nie zawsze jest w stanie zapewnić odpowiednie parametry. W tym świetle, godna uwagi jest nowa technologia znana jako HPDI albo „Cykl Westport”, opracowana wspólnie przez firmy Westport i MAN, umożliwiająca spalanie gazu ziemnego bez potrzeby użycia zapłonu iskrowego. Uzyskuje się to poprzez wtrysk niewielkiej ilości oleju napędowego jako „pilotowej” dawki, mającej uruchomić proces spalania. Gaz jest więc wtryskiwany nie do kolektora ssącego, ale bezpośrednio do komory spalania poprzez opatentowany przez Westport, dwufunkcyjny wtryskiwacz. Rozwiązanie to pozwala silnikom gazowym zachować niektóre, bardzo ważne zalety silnika typu Diesel, jak wysoki moment obrotowy czy większe możliwości regulacji mocy. Jednocześnie, silnik nadal jest bardzo czysty ekologicznie (choć z pewnością nie w takim stopniu, jak jednostki pracujące wyłącznie na gazie ziemnym) oraz cichszy od silnika wysokoprężnego. Obecnie testowany jest prototyp tego typu silnika, opracowany na bazie 12-litrowej jednostki MAN E2866.

Podsumowanie

Wydaje się, że kurczące zasoby tradycyjnych paliw kopalnych oraz niezbyt bliska perspektywa wprowadzenia wodoru jako paliwa do seryjnych autobusów, otwierają szerokie możliwości przed rynkiem pojazdów zasilanych gazem ziemnym. Świadczy o tym fakt, że prace badawcze nad silnikami z zasilaniem gazowym nabierają tempa. Pozwala to sądzić, że w najbliższym czasie rynek silników gazowych przestanie być wąską niszą, a silniki te na tyle rozwiną się technicznie, że będą rzeczywistą konkurencją dla silników Diesla. A przy stale rosnących cenach oleju napędowego i benzyny powinno się to przyczynić do wzrostu zainteresowania silnikami gazowymi. Tym bardziej, że charakteryzują się one bardzo dobrymi właściwościami ekologicznymi.