CNG a LPG - podobne, ale różne

Niektóre podzespoły są bowiem ściśle dedykowane i nadają się tylko do jednego rodzaju alternatywnego paliwa, przede wszystkim ze względu na różnice w ciśnieniu przechowywania. Czym różni się instalacja zasilająca silnik gazem ziemnym od tej podającej do komór spalania gaz skroplony? W przystępny sposób postaramy się wyjaśnić to poniżej.

StakoAluminiowo-kompozytowy zbiornik CNG

Na początek kilka słów na temat samych paliw. CNG, czyli sprężony gaz ziemny, to metan - najprostszy z węglowodorów, o strukturze molekularnej przedstawianej za pomocą wzoru CH₄. Pojedyncza cząsteczka tego związku składa się z jednego atomu węgla i czterech atomów wodoru, co przekłada się na efektywne spalanie i minimalną ilość szkodliwych składników w spalinach. LPG to natomiast mieszanina propanu i butanu (o proporcjach zmiennych w zależności pory roku), czyli nieco bardziej złożonych węglowodorów - C₃H₈ i C₄H₁₀ (odpowiednio, trzy atomy węgla i osiem atomów wodoru oraz cztery atomy węgla i dziesięć atomów wodoru w cząsteczce). Takie różnice strukturalne przekładają się na rozbieżności w zakresie właściwości fizykochemicznych - podczas gdy LPG skrapla się już przy ciśnieniu rzędu kilku-kilkunastu barów (z reguły nie mniej niż 5, ale nie więcej niż 17 barów, w zależności od temperatury i kompozycji mieszaniny), CNG nawet przy 200 barach pozostaje gazem, a do jego skroplenia niezbędne okazuje się drastyczne schłodzenie (do -162° C). To zaś narzuca inne podejście w konstruowaniu instalacji zasilania silników samochodowych poszczególnymi paliwami gazowymi.

OpelRozmieszczenie komponentów gazowego napędu w modelu Zafira Tourer CNG

Zbiorniki

Ciśnienie przechowywania narzuca przede wszystkim zupełnie inną budowę zbiorników. Podczas gdy do LPG używa się stosunkowo lekkich butli z tłoczonej i spawanej blachy, o grubości ścianek nieprzekraczającej 3 mm i kształcie cylindrycznym lub toroidalnym, pojemniki na CNG wykonuje się w zupełnie innej technologii. Wytwarza się je metodą bezszwową, tzn. z jednego kawałka ciągnionej stali, bez użycia spawów. W ten sposób stają się dużo bardziej wytrzymałe (także dzięki 5-milimetrowym ściankom), co pokazują badania i testy prowadzone przez producentów - poddana próbie hydraulicznej z użyciem ekstremalnie wysokiego ciśnienia butla nie ulega rozerwaniu, lecz „otwiera się” wzdłużnie - powstaje w niej szczelina, przez którą zawartość wydostaje się na zewnątrz i ulatuje w przestrzeń (metan jest lżejszy od powietrza). Panujące w normalnych warunkach roboczych ciśnienie (200-250 barów) także jest czynnikiem podnoszącym bezpieczeństwo eksploatacji, ponieważ w razie awarii zaworu sprężony gaz wydobywa się z taką siłą, że przedostanie się ewentualnego płomienia do wnętrza jest niemożliwe. Kolejne generacje zbiorników CNG powstają z użyciem aluminium, kompozytów i mocnego oplotu z włókna węglowego nasączonego żywicą epoksydową, co przede wszystkim obniża masę własną (66-litrowy stalowy zbiornik gazu ziemnego waży 74 kg - trzykrotnie więcej niż odpowiednik na LPG o podobnej objętości, kompozytowy zaś tylko ok. 20 kg), bez zmian w kwestii bezpieczeństwa (chyba że na lepsze).

Gazeo.plGotowe stalowe butle CNG, z wkręconymi zaworami zespolonymi

Skroplenie metanu, pozwalające zresztą oczyścić paliwo z wody i zanieczyszczeń, powoduje, że ciśnienie przechowywania wyraźnie spada, a ilość gazu w stosunku do objętości rośnie, lecz w miarę wzrostu temperatury zewnętrznej zbiornik kriogeniczny, którego zadaniem nie jest chłodzenie, a tylko utrzymanie temperatury -162° C, zaczyna upuszczać zawartość do atmosfery w celu obniżenia ciśnienia do bezpiecznego poziomu.

Zawory na zbiorniku
Podobnie jak w przypadku LPG, butle CNG są zaopatrzone w zespół zaworów (w formie zespolonej), które zapewniają wygodę i bezpieczeństwo eksploatacji. W skład tego metanowego wielozaworu wchodzą: elektrozawór roboczy (steruje otwarciem i zamknięciem wypływu gazu z butli), ręczny zawór wypływu (serwisowy), jednokierunkowy zawór zwrotny (pozwala na przepływ od zaworu napełniania do środka, ale nie z powrotem), topikowy zawór ogniowy, zawór nadmiernego wypływu (aktywuje się w razie przerwania przewodów doprowadzających paliwo do komory silnika), zawór bezpieczeństwa (po przekroczeniu ciśnienia 300 barów we wnętrzu, stopniowo uwalnia zawartość) i manometr, na podstawie wskazań którego można ocenić pozostałą w zbiorniku zawartość. Część zespołu (zawór nadmiernego wypływu) umieszcza się wewnątrz płaszcza zbiornika, dzięki czemu nawet uszkodzenie czy wręcz urwanie zewnętrznej części układu zaworów nie powoduje gwałtownej utraty ciśnienia.

Gazeo.plReduktor CNG pod maską Iveco Daily Natural Power, z widocznymi stalowymi przewodami paliwowymi

Przewody doprowadzające

Różnice w stosunku do systemów LPG pojawiają się także w kwestii przewodów wiodących ze zbiornika do komory silnikowej, odpowiedzialnych za doprowadzenie paliwa zasilającego jednostkę napędową. Wynikają one ponownie z wartości ciśnień, pod jakimi przechowuje się propan-butan i CNG. Podczas gdy popularny gaz skroplony przesyłany jest w kierunku przodu pojazdu rurkami miedzianymi lub elastycznymi, wykonanymi z tworzyw sztucznych, sprężony gaz ziemny wymaga sztywnych i bardziej wytrzymałych przewodów stalowych. Pamiętajmy, że w drodze z butli do silnika CNG nadal ma ciśnienie kilkukrotnie większe niż LPG, a ewentualne rozszczelnienie miałoby znacznie bardziej gwałtowny przebieg, a więc odporność na działanie czynników zewnętrznych (ale i sił rozpierających od wewnątrz) to bardzo istotna kwestia.

MetatronReduktor sprężonego gazu ziemnego ND1

Regulator ciśnienia

Rozbieżności konstrukcyjne w przypadku reduktorów LPG i CNG wynikają nie tylko z ciśnień, ale także stanu skupienia paliwa w zbiorniku. O ile gaz skroplony trzeba rozprężyć (zamienić z ciekłego w lotny) z wykorzystaniem energii cieplnej z układu chłodzenia silnika, w przypadku sprężonego metanu wystarczy obniżyć ciśnienie, bowiem CNG w zbiorniku nie skrapla się i pozostaje gazem. Redukcja ciśnienia jest bardzo wyraźna (z ponad 200 do 1 bara), dlatego przebiega w kilku (2-3) etapach. Ponieważ rozprężanie paliwa powoduje jego gwałtowne oziębienie, także reduktor CNG musi być włączony w obieg wodny jednostki napędowej, jednak może on mieć dużo skromniejsze gabaryty niż odpowiedniki przeznaczone do odparowywania LPG. Reduktor CNG to także ostatni komponent instalacji, który wymaga stalowych przewodów paliwowych, ponieważ to w nim gaz ziemny traci lwią część swojego pierwotnego ciśnienia - pomiędzy nim a listwą wtryskiwaczy są już niskociśnieniowe węże elastyczne.

Sterownik elektroniczny i wtryskiwacze
Na tym etapie poważne różnice w stosunku do systemów gazu skroplonego się kończą. Elektronikę zawiadującą „tłumaczeniem” sygnałów sterownika benzynowego na czasy otwarcia i zamknięcia wtryskiwaczy gazowych produkuje się z reguły w formie uniwersalnej. Ponieważ LPG i CNG mają inne właściwości fizyczne (gęstość, zawartość energii w jednostce objętości), konieczne jest co najwyżej wgranie dwóch wersji oprogramowania, odpowiednio do zastosowanego zamiennika benzyny wybieranych przez montażystę na etapie adaptacji, ale to akurat nie problem. Tym bardziej, że ECU nie jest urządzeniem mechanicznym, a więc żadne zmiany konstrukcyjne nie są potrzebne. Co innego wtryskiwacze, choć i w ich przypadku rozbieżności pomiędzy wersjami do LPG i CNG są minimalne. Budowa pozostaje z reguły identyczna, tyle że w procesie konwersji dobiera się adekwatne do danego rodzaju gazu dysze (o właściwej średnicy) i ciśnienie na wejściu do listwy, by uzyskać pewność, że silnik będzie otrzymywał niezbędną dawkę „pożywienia”. Zasada działania nie zmienia się, choć warunki pracy mogą.

NGV GlobalNielegalna przejściówka do tankowania CNG przez zawór LPG - zapamiętaj jej wygląd i zapomnij o używaniu jej!

Czego to ludzie nie wymyślą

Jak się okazuje, nie tylko świadomość w zakresie technicznej odmienności instalacji, ale i znajomość podstawowej różnicy między gazem ziemnym a skroplonym bywa na różnym poziomie. Poza tym, w myśl zasady, że najciekawsze historie podsuwa samo życie, a nie literatura sensacyjna czy science fiction, ludzka inwencja potrafi być doprawdy zdumiewająca. Po pierwsze, nieraz zdarzyło nam się słyszeć o przypadkach sprowadzenia z zagranicy auta na CNG, o którym zachwycony okazyjną ceną nabywca myślał, że to model na LPG. Przeróbka instalacji właściwie nie ma sensu (szkoda zachodu, lepiej zdemontować jedną i zamontować od nowa drugą), zaś próba rejestracji kończy się nierzadko koniecznością wymiany zbiorników na nowe (homologacje zagraniczne nie są uznawane w Polsce, nawet pomimo szeroko zakrojonej harmonizacji przepisów wewnątrz Unii Europejskiej, więc łatwiej kupić i zamontować nowe butle niż przechodzić drogę przez mękę próbując uzyskać odpowiednie dopuszczenie). Niektórzy dają sobie spokój i jeżdżą autem z nielegalną, tzn. nie wpisaną w dowód rejestracyjny instalacją, co oczywiście skończy się zatrzymaniem tegoż dowodu przez policjanta podczas wyrywkowej kontroli, a co gorsza powoduje niebezpieczeństwo płynące z braku serwisu (bo jak serwisować coś, co oficjalnie nie istnieje?). Najwięksi „kozacy” usiłują tankować LPG do zbiorników CNG przez domowej roboty złączki i tak jeździć. Choć teoretycznie nie powinno to być możliwe, znamy przypadek kierowcy, który autem na gaz ziemny ze zbiornikiem pełnym propanu-butanu (jednak już z wymienioną butlą) jakimś cudem lub nadludzkim wysiłkiem woli doczłapał się do warsztatu gazowego i poprosił o regulację układu, żeby działał sprawniej. W tę stronę to jeszcze z górki, biada natomiast każdemu, kto spróbowałby do zbiornika i reszty instalacji LPG wpuścić CNG. Poważny nadmiar ciśnienia jest śmiertelnie groźny i może doprowadzić do rozerwania zbiornika, powodując tragedię.

Takie rzeczy już się zdarzały (kilka lat temu w Szwecji), skutkując poważnymi obrażeniami przebywających w pobliżu osób. Sprawcy tych wypadków byli w pełni świadomi tego, co robią (mieli przygotowane specjalne adaptery, dzięki którym udało im się podłączyć pistolety CNG do zaworów tankujących instalacji LPG), choć najwyraźniej nie do końca zdawali sobie sprawę z potencjalnych konsekwencji. Mamy nadzieję, że po lekturze naszego tekstu żaden z naszych czytelników nie popełni tak lekkomyślnej pomyłki, a i w towarzystwie będzie można błysnąć umiejętnością wyjaśnienia „z głowy” różnic między systemami zasilania silników gazami LPG i CNG. Im wyższa ich świadomość, tym lepiej.