Układy zasilania gazem ziemnym

Układy zasilania gazem ziemnym są bardzo podobne do powszechnych na polskim rynku systemów zasilania gazem skroplonym LPG. Używane są elementy o mocno zbliżonej budowie, które przystosowano jednak do znacznie wyższego ciśnienia roboczego instalacji CNG oraz innego stanu skupienia paliwa. W instalacjach LPG gaz jest przechowywany w zbiorniku w fazie ciekłej i najczęściej przed podaniem do komór spalania zmienia stan skupienia na gazowy. W instalacjach wykorzystujących gaz ziemny jest on przechowywany w zbiornikach i podawany do silnika w fazie gazowej.

Elementy składowe

Oba typy instalacji, tj. zarówno LPG, jak i CNG, składają się z bardzo podobnych elementów. W skład każdej z nich wchodzą: zbiornik paliwa z osprzętem (zwykle w instalacjach CNG stosuje się kilka zbiorników), elektrozawór gazowy, reduktor ciśnienia oraz wtryskiwacze gazu. Wszystkie elementy są połączone przewodami: sztywnymi (w części wysokociśnieniowej układu) lub elastycznymi (za reduktorem ciśnienia), w zależności od panującego w nich ciśnienia.

Przechowywanie paliwa

LPG

W instalacjach LPG paliwo jest przechowywane w stanie ciekłym, ponieważ płynna mieszanina propanu i butanu przechodzi w stan ciekły przy stosunkowo niewielkim ciśnieniu, dzięki czemu zwiększa się gęstość magazynowanej energii. Ciśnienie w zbiorniku LPG w zasadzie nie przekracza 1,7 MPa, choć jest on liczony na ciśnienie robocze 2,5 MPa. W związku z tym zbiorniki do LPG są wykonywane przy wykorzystaniu zupełnie innej technologii (tłoczone i spawane z blachy stalowej o stosunkowo niewielkiej grubości - około 3 mm). Zbiorniki do przechowywania LPG są zatem znacznie lżejsze, co jest bardzo istotne w samochodach osobowych i lekkich dostawczych o relatywnie niewielkiej ładowności. Przykładowo, zbiornik o pojemności geometrycznej 65 l waży niecałe 25 kg.

MercedesZaletą fabrycznych instalacji CNG jest montaż zbiorników w miejscu nie ograniczającym walorów użytkowych samochodu. W Mercedesie B zbiorniki gazu ziemnego zamontowano pod podłogą bagażnika (zastosowano lekkie zbiorniki kompozytowe firmy Ragasco). Niestety są one zamontowane w przestrzeni, w której zwykle znajduje się koło zapasowe. Samochód jest wyposażony w zestaw naprawczy z kompresorem

CNG

W instalacjach CNG gaz jest przechowywany w fazie gazowej pod bardzo wysokim ciśnieniem. Ciśnienie robocze dla butli CNG wynosi 20 MPa i jest 8-krotnie większe niż w przypadku zbiorników LPG (2,5 MPa). Pozwala to na znaczne zwiększenie gęstości magazynowanej energii, a tym samym zasięgu pojazdu. Tak znaczne sprężenie wymaga zastosowania odpowiednich zbiorników, zdolnych do wytrzymania wysokiego ciśnienia. Aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość, butle do CNG są produkowane z jednego kawałka materiału w procesie obróbki plastycznej (tłoczenie i przeciąganie na gorąco). Ścianki w ten sposób wykonanej butli mają grubość około 5 mm, pozwalającą na przechowywanie gazu pod ciśnieniem 20 MPa.

MercedesMontaż zbiorników w przestrzeni bagażowej jednej z pierwszych wersji Mercedesa Sprintera. Uwagę zwraca zastosowanie wentylowanych obudów gazoszczelnych na zaworach zespolonych

Podstawową wadą takich zbiorników jest ich wysoka masa, która w znaczny sposób ogranicza ładowność pojazdu (masa zbiornika stalowego o pojemności 66 l wynosi 74 kg). Dlatego coraz częściej, szczególnie w samochodach osobowych i autobusach niskopodłogowych (gdy zbiorniki są na dachu), stosowane są znacznie lżejsze zbiorniki kompozytowe. W ich budowie wykorzystuje się aluminiowy wkład, na który nawijane jest włókno węglowe przesycane żywicą. W ten sposób otrzymuje się zbiornik zdolny pracować z ciśnieniem roboczym 20 MPa, którego masa jest znacznie niższa niż stalowego (dla zbiornika o pojemności 65 l wynosi ona nieco ponad 20 kg, czyli o 54 kg mniej w stosunku do stalowego).

MercedesW samochodach użytkowych zbiorniki gazu ziemnego montowane są w przestrzeni pod podłogą ładowni, dzięki czemu nie ograniczają ich walorów użytkowych

CNG-LNG.plZbiorniki instalacji CNG montowanych na rynku wtórnym ograniczają w dość znacznym stopniu objętość przestrzeni bagażowej

Gaz ziemny może być również przechowywany w zbiornikach pojazdu w stanie ciekłym, wymaga to jednak utrzymywania paliwa w bardzo niskiej temperaturze, dlatego takie rozwiązanie nie jest powszechnie stosowane w samochodach (możliwe raczej do wykorzystania tylko w ciężkich pojazdach użytkowych).

Osprzęt zbiorników

LPG

W skład osprzętu zbiornika LPG wchodzi szereg zaworów i urządzeń zapewniających jego bezpieczne funkcjonowanie i użytkowanie. Są to:
- wskaźnik poziomu paliwa,
- ręcznie sterowany zawór wypływu (zawór roboczy), odcinający dopływ gazu ze zbiornika do komory silnikowej,
- urządzenie ograniczające stopień napełniania zbiornika do 80% jego pojemności geometrycznej (pozostawienie w zbiorniku 20-procentowej poduszki gazowej daje możliwość zmiany objętości LPG w funkcji temperatury otoczenia),
- zawór nadmiernego wypływu reagujący na zbyt szybki, przekraczający zapotrzebowanie silnika wypływ gazu ze zbiornika,
- zawór zwrotny, znajdujący się na przewodzie od zaworu tankowania (nie pozwala na wypływ gazu w kierunku złącza tankowania),
- zawór bezpieczeństwa, zabezpieczający zbiornik przed nadmiernym wzrostem ciśnienia (ponad wartość 2,5 MPa),
- zawór ogniowy - stosowany, jeśli zawór bezpieczeństwa ma wydajność mniejszą niż 17,7 m³/min; otwiera się po osiągnięciu przez płaszcz zbiornika temperatury 110° C,
- elektrozawór roboczy, otwierający się w momencie uruchomienia silnika i zamykający w sytuacji, gdy silnik nie pracuje.

OMBZawór zespolony zbiornika CNG, wyposażony w dwa zawory ogniowe: 1- cewka elektrozaworu roboczego, 2- króciec wyjściowy gazu ze zbiornika, 3- zawory ogniowe, 4- zawór nadmiernego wypływu, 5- pokrętło ręcznie sterowanego zaworu roboczego, 6- króćce, którymi uchodzi gaz po zadziałaniu zaworów ogniowych (możliwe jest podłączenie do nich przewodów i skierowanie uchodzącego ze zbiornika gazu w inne miejsce)

CNG

Każdy zbiornik CNG zamontowany w pojeździe jest wyposażony w zawór zespolony, pozwalający na prawidłową i bezpieczną eksploatację butli. W skład zaworu zespolonego wchodzą następujące elementy:
- elektrozawór roboczy odcinający dopływ gazu do silnika w przypadku, gdy silnik nie pracuje,
- ręcznie sterowany zawór wypływu (zawór roboczy), stosowany w pracach serwisowych lub w sytuacji, kiedy trzeba odciąć dopływ paliwa do komory silnikowej,
- zawór zwrotny, uniemożliwiający przepływ z butli w kierunku zaworu tankowania,
- zawór ogniowy,
- zawór nadmiernego wypływu, ograniczający wypływ gazu ze zbiornika w przypadku uszkodzenia części wysokociśnieniowej instalacji; znajduje się on w części zaworu wewnątrz zbiornika, dzięki czemu zawór działa po uszkodzeniu części zewnętrznej zaworu zespolonego,
- zawór bezpieczeństwa, cechowany na ciśnienie 30 MPa,
- manometr, pozwalający na ocenę stanu napełnienia zbiorników instalacji gazowej; sygnał z niego jest również wykorzystywany do wysterowania wskaźnika poziomu paliwa gazowego na desce rozdzielczej.

CNG-LNG.plPrzewody gazowe w fabrycznej instalacji CNG samochodu Fiat Panda Natural Power: 1- stalowy, sztywny przewód doprowadzający gaz ze zbiorników paliwa (panuje w nim ciśnienie 20 MPa), 2- sztywny przewód za reduktorem ciśnienia (panuje w nim ciśnienie około 0,2 MPa), 3- elastyczny przewód łączący część niskociśnieniową z listwą wtryskiwaczy gazowych (kompensuje on drgania jednostki napędowej)

Przewody gazowe

Do łączenia elementów samochodowych instalacji LPG, w których znajduje się gaz w stanie ciekłym, wykorzystywane są sztywne przewody miedziane lub elastyczne przewody z tworzywa sztucznego. Do łączenia elementów instalacji CNG w części wysokociśnieniowej, w której panuje takie samo ciśnienie, jak w zbiorniku (20 MPa), używa się sztywnych przewodów stalowych, o znacznie większej wytrzymałości w stosunku do miedzianych stosowanych w systemach LPG. Przewody powinny być wykonane ze stali nierdzewnej lub mieć pokrycie antykorozyjne. Zarówno przewody przeznaczone do LPG, jak i do CNG, są wykonywane bez szwu. W części niskociśnieniowej instalacji (za reduktorem) stosowane są przewody elastyczne z uwagi na dużo niższe wartości ciśnienia.

Reduktor ciśnienia i elektrozawór gazowy

W instalacjach LPG stosowane są reduktory-parowniki, które oprócz obniżania ciśnienia służą do odparowania gazu przechowywanego w zbiorniku paliwa w stanie ciekłym. W tym celu reduktor w układzie zasilania gazem płynnym jest ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika. Najczęściej wykorzystuje się reduktory jedno- lub dwustopniowe zmniejszające ciśnienie z około 1,7 do 0,1 MPa. Elektrozawór gazowy w najnowszych konstrukcjach jest najczęściej zintegrowany z reduktorem.

Wykorzystywane w układach zasilania gazem ziemnym reduktory, w odróżnieniu od stosowanych w systemach LPG, nie odparowują paliwa, które jest przechowywane w stanie gazowym. Wymagana jest jednak znacznie większa redukcja ciśnienia - z 20 do około 0,1 MPa. Z tego powodu reduktory stosowane w instalacjach CNG redukują ciśnienie w 2 lub 3 stopniach. Reduktor ciśnienia w systemach zasilania gazem ziemnym jest także ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika, ponieważ przy rozprężaniu gazu gwałtownie obniża się jego temperatura. Elektrozawór gazowy stanowi integralną część reduktora.

Wtryskiwacze gazu

Wiele z dostępnych na rynku wtryskiwaczy przechodzi podwójny proces homologacyjny i może być z powodzeniem stosowanych do dawkowania obu rodzajów paliw (LPG, CNG). Konstrukcyjnie są one właściwie identyczne. W przypadku systemów zasilania gazem ziemnym wymaganą większą wydajność wtryskiwaczy uzyskuje się przez zastosowanie większych dysz wkręcanych w kolektor dolotowy lub podniesienie ciśnienia zasilania wtryskiwaczy.

Sterowniki elektroniczne

W obu systemach zasilania (LPG i CNG) sterowniki służą do wyznaczenia czasu otwarcia wtryskiwaczy gazowych. Często są to również urządzenia uniwersalne, przechodzące proces homologacyjny na zgodność z regulaminem 67 i 110, które mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w systemach zasilania LPG, jak i CNG. Sterowniki są identyczne, a zmiana algorytmu działania, wynikająca z właściwości paliwa, następuje po wybraniu z poziomu menu rodzaju paliwa (LPG lub CNG). Systemy te korzystają z sygnału sterującego wtryskiwaczy benzynowych, które służą do wysterowania wtryskiwaczy gazowych.

Sterowniki systemów CNG stosowanych jako fabryczne wyposażenie pojazdów działają podobnie jak układy benzynowe - korzystając z szeregu parametrów odczytywanych z czujników zamontowanych na silniku (temperatura i obciążenie silnika, sonda lambda, prędkość obrotowa) oraz parametrów paliwa gazowego (ciśnienie i temperatura gazu) dostosowują czas wtrysku do aktualnego zapotrzebowania na paliwo.

O różnych warunkach, w jakich pracują instalacje zasilające gazem ziemnym i LPG, świadczą również różne regulaminy, według których są one homologowane. Przypomnijmy, że systemy zasilanie gazem ziemnym muszą być zgodne z regulaminem 110 EKG ONZ, podczas gdy instalacje LPG są homologowane zgodnie z regulaminem 67 EKG ONZ.

Duża popularność samochodów zasilanych CNG w niektórych krajach wynika z proekologicznych działań władz - zarówno centralnych, jak i lokalnych, które promując czyste technologie napędu pojazdów przyczyniają się do zmniejszenia wydatków na ochronę zdrowia przez ograniczenie zachorowań na wiele chorób będących wynikiem emisji szkodliwych składników spalin powodowanej przez transport drogowy. Szczególny nacisk w ograniczaniu emisji kładzie się na pojazdy służb miejskich i komunikacji miejskiej, które z uwagi na wielkość stosowanych silników (używane są dieslowskie jednostki napędowe) są najpoważniejszym źródłem emisji cząstek stałych. Ich stężenie w centrach miast bardzo szybko wzrasta, dlatego w niektórych krajach wymaga się, aby określona część taboru komunikacji miejskiej była napędzana z wykorzystaniem gazu ziemnego. Stosowane są również inne systemy wsparcia, choćby w postaci bezpośrednich dopłat dla użytkowników czy ulg podatkowych i udogodnień w poruszaniu się i parkowaniu w centrach miast. Niestety, w naszym kraju nikt nie myśli o ograniczaniu emisji cząstek stałych, mimo że wynika to z dyrektywy unijnej 1999/30/CE.