Bosch Dual-Fuel – przyszłość silników Diesla?

fot. Fleet and fuelsBosch DG Flex – pierwsza generacja systemu do silników Diesla z mechanicznym wtryskiem oleju napędowego

Wiele wskazuje na to, że tak będzie, przynajmniej przez jakiś czas. Dotyczy to szczególnie pewnych specyficznych zastosowań jednostek napędowych o zapłonie samoczynnym.

Jednoczesne zasilanie silników Diesla, w związku z zaostrzaniem norm emisyjnych, staje się bardzo popularne w silnikach okrętowych. Próby z takimi silnikami są prowadzone przez koleje w Ameryce Północnej, które szukają w ten sposób oszczędności (amerykańskie koleje są drugim po US Navy konsumentem oleju napędowego) i sposobu na zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin. Znawcy tematu mówią, że w kolejnictwie nadchodzi wiek LNG, właśnie w kontekście zastosowania tego paliwa w silnikach trakcyjnych.

Coraz częściej tego typu jednostki napędowe znajdują zastosowanie także w transporcie drogowym z uwagi na możliwe do uzyskania oszczędności jak również z powodu zaostrzających się norm emisyjnych.

Drogę do popularyzacji silników zasilanych jednocześnie olejem napędowym i gazem ziemnym w Ameryce otworzyła amerykańska rewolucja gazowa, czyli masowe wydobycie taniego gazu ziemnego pochodzącego ze złóż łupkowych.

W związku z tym wiele firm opracowuje systemy gazowe do silników Diesla, które umożliwiają konwersję eksploatowanych już silników do zasilania dual fuel. Wielu producentów pracuje także nad silnikami jednocześnie zasilanymi olejem napędowym i gazem ziemnym.

Prace nad takim systemem są także prowadzone przez firmę Bosch, co rokuje, że rozwiązanie to jest brane pod uwagę jako jeden z możliwych modeli rozwoju silników Diesla.

Bosch prowadzi prace rozwojowe i badania samochodów w Ameryce Południowej, konkretnie w Brazylii. Prace koncepcyjne nad pierwszym systemem gazodiesla do silników o zapłonie samoczynnym z mechanicznym wtryskiem oleju napędowego rozpoczęto w firmie Bosch w 2006 r.. Po dwóch latach, w 2008 r., zakończono badania homologacyjne pierwszego zasilanego jednocześnie olejem napędowym i gazem ziemnym silnika o zapłonie samoczynnym. W tym samym roku rozpoczęto badania nad zasilaniem gazowym do silników Diesla z elektronicznym sterowaniem wtryskiem paliwa, a w 2009 r. rozpoczęto rozwijanie aplikacji dual fuel do silników w nowych samochodach.

fot. BoschSchemat systemu Bosch Dual-Fuel: 1- regulator ciśnienia gazu, 2- czujnik ciśnienia i temperatury powietrza, 3- przepustnica, 4- zawór upustowy turbosprężarki, 5- sonda lambda, 6- sterownik CNG, 7- sterownik Diesla, 8- zbiorniki CNG, 9- czujnik obrotów silnika, 10- pedał gazu, 11- wtryskiwacz CNG, 12- czujnik spalania stukowego, 13- czujnik temepratury silnika, 14- wtryskiwacz oleju napędowego, 15- czujnik fazy silnika, 16- pompa wysokiego ciśnienia, 17- dieslowska szyna paliwowa (common rail), 18- filtr paliwa, 19- katalizator utleniający, 20- zbiornik oleju napędowego, 21- czujnik ciśnienia i temperatury gazu, 22- szyna paliwowa CNG

Zastosowanie układu zasilania Bosch Dual-Fuel nie zmienia podstawowej konfiguracji silnika Diesla, tzn., proces spalania cały czas inicjuje samozapłon niewielkiej dawki oleju napędowego. Silnik otrzymuje dodatkowy układ wtryskowy (do paliwa gazowego) oraz przepustnicę w układzie dolotowym, sterującą ilością dopływającego do silnika powietrza.

Dostosowany do jednoczesnego zasilania olejem napędowym i paliwem gazowym silnik Diesla może pracować jako tradycyjna jednostka napędowa o zapłonie samoczynnym lub w trybie dual fuel ze znacznym stopniem zastąpienia oleju napędowego gazem. Elementy układu zasilania oraz oprogramowanie systemu Bosch Dual-Fuel pozwalają na stosowanie gazu ziemnego w różnej postaci (CNG, LNG lub biometan).

W układzie dawkowania paliwa gazowego wykorzystuje się czujniki spalania stukowego. Zapewniają one diagnostykę oraz monitorowanie systemu w trybie jednoczesnego zasilania olejem napędowym i paliwem gazowym w zamkniętej pętli. Dzięki takiemu algorytmowi pracy silnika można uzyskać wysokie stopnie zastąpienia oleju napędowego paliwem gazowym.

fot. MAN Latin AmericaMiejski autobus Volksbus produkowany przez MAN Latin America wyposażony w system Bosch DG Flex

Maksymalizacja zastąpienia oleju napędowego, tańszym gazem ziemnym lub biometanem oznacza dla użytkownika znaczne zmniejszenie kosztów eksploatacji.

Prototyp silnika spełniającego wymagania Euro IV z układem recyrkulacji spalin EGR i wyposażonym w system Bosch Dual-Fuel przebadano na hamowni w celu uzyskania największej dawki gazu w stosunku do oleju napędowego. Udało się uzyskać stopień zastąpienia oleju napędowego gazem powyżej 85%. Aby osiągnąć taki wynik system Bosch Dual-Fuel kontroluje wiele parametrów regulacyjnych silnika tzn.: kąt wyprzedzenia wtrysku oleju napędowego, wielkość dawki oleju napędowego, ciśnienie wtrysku oleju napędowego, kąt wyprzedzenia wtrysku gazu ziemnego i wielkość dawki tego paliwa.

fot. MAN Latin AmericaZbiorniki CNG w autobusie Volksbus

Parametry te są tak dobierane, aby silnik pracował bez występowania spalania stukowego, nad czym czuwa wspomniany czujnik spalania stukowego będący częścią gazowego układu zasilania.

Badania wykazały, że zastosowanie układu jednoczesnego zasilania olejem napędowym i gazem ziemnym powoduje obniżenie zawartości w spalinach cząstek stałych do takiego poziomu, że nie jest wymagane stosowanie filtrów cząstek stałych (DPF). Nawet spełnienie normy Euro 6 w silnikach dual fuel jest możliwe tylko przy zastosowaniu układu selektywnej redukcji katalitycznej SCR, która redukuje ilość związków azotu, bez konieczności stosowania recyrkulacji spalin.

Aby uzyskać niską emisję tlenku węgla i węglowodorów silnik dual fuel wymaga stosowania katalizatora utleniającego, wykonanego na bazie platyny, która jest niezbędna do konwersji metanu (CH₄).

Jak widać system Bosch Dual-Fuel umożliwia osiągnięcie emisji spalin zgodnych z najnowszymi wymaganiami bez stosowania skomplikowanych metod obróbki spalin. Dzięki dodatkowi paliwa gazowego bardzo skomplikowany dotychczas silnik o zapłonie samoczynnym znacznie się upraszcza. Jest to duża zaleta tego rozwiązania, która powinna stanowić o opłacalności jego szerszego wykorzystania.