Pojazd użytkowy na gaz – czy to ma sens?
Słowem wstępu
Choć elektromobilność puka do drzwi transportu ciężkiego, to na razie przypadki ciągników siodłowych EV są dosłownie pojedynczymi egzemplarzami rejestrowanymi rocznie w Polsce. Nieco inaczej ma się sprawa w przypadku elektrycznych autobusów miejskich, ale to temat na osobny artykuł. Dziś chciałem skupić się na alternatywnych paliwach dla silników spalinowych - czyli LNG, CNG a także LPG.
Z perspektywy praktyka i diagnosty pojazdów użytkowych doskonale wiem jedno: nowoczesny silnik Diesla spełniający normę Euro VI ma niesamowicie skomplikowany układ oczyszczania spalin wymagający niestety częstego serwisu.
Elektryczne ciężarówki ciągle nie są w pełni konkurencyjne z tymi spalinowymi, gdyż baterie ważą zbyt wiele, zasięg z pełnym załadunkiem w zimę drastycznie spada, a ładowanie trwa zbyt długo.
Alternatywne paliwa gazowe od lat próbują zagospodarować tę przestrzeń. Ich właściwości co do przechowywania, transportu i dystrybucji są wprawdzie dużo bardziej wymagające od klasycznego oleju napędowego, ale stanowią doskonały pomost pomiędzy szeroko pojętymi napędami niskoemisyjnymi a konwencjonalnymi pojazdami z silnikami wysokoprężnymi.
Iveco S-Way zasilane LNG - źródło: materiały własne
LPG, CNG i LNG – czym właściwie się różnią?
Zanim przejdziemy do diagnostyki i eksploatacji, uporządkujmy pojęcia:
LPG (Liquefied Petroleum Gas): Gaz będący pochodną ropy naftowej. Jest mieszaniną propanu i butanu, skroploną pod stosunkowo niskim ciśnieniem (ok. 6–8 barów). Popularna w autach osobowych i dostawczych, rzadziej w ciężkich ciągnikach.
CNG (Compressed Natural Gas): Sprężony gaz ziemny (głównie metan) przechowywany pod bardzo wysokim ciśnieniem – około 200 barów.
LNG (Liquefied Natural Gas): Skroplony gaz ziemny, schłodzony do temperatury ok. -160°C. Dzięki kriogenicznej formie zajmuje znacznie mniej miejsca niż CNG, co pozwala uzyskać zasięgi porównywalne z klasycznymi dieslami.
Zarówno CNG jak i LNG jesteśmy w stanie pozyskiwać w dość skomplikowanych procesach fermentacyjnych z bioodpadów i to właśnie ta gałąź “zielonego gazu” jest ostatnio coraz bardziej doceniana ze względu na swoje proekologiczne i niskoemisyjne pochodzenie. W końcu pozyskiwanie paliwa przy jednoczesnej utylizacji zbędnych odpadów brzmi niemalże jak definicja ekologii? Dodając do tego kwestię niezależności energetycznej od surowców importowanych, otrzymujemy w teorii idealne paliwo. No właśnie - a jak to wygląda w praktyce?
Zastosowanie w pojazdach użytkowych
LPG: Głównie pojazdy dostawcze oraz systemy Dual Diesel Fuel (DDF) w starszych ciężarówkach lub autokarach, redukujące zużycie oleju napędowego.
CNG: Pojazdy komunalne (śmieciarki, zamiatarki), autobusy miejskie oraz lokalna dystrybucja (zasięg zazwyczaj do ok. 500 km).
LNG: Długodystansowy transport międzynarodowy (ciągniki siodłowe). Zbiorniki kriogeniczne pozwalają na przejechanie nawet 1200–1600 km na jednym tankowaniu.
Zbiornik LNG w autobusie marki SCANIA - źródło: www.sustainable-bus.com
Jak to działa?
W pojazdach użytkowych spotykamy dwa główne rodzaje układów gazowych:
Silniki zasilane tylko gazem (typowe silniki z zapłonem iskrowym): Pojazd działa wyłącznie na gaz (CNG/LNG), posiada świece zapłonowe, cewki i dedykowany układ zasilania. Konstrukcyjnie przypomina klasyczny silnik benzynowy, choć pracuje w oparciu o cykl Otto lub Millera (np. silniki IVECO Cursor NP, Cummins L9N czy SCANIA OC09). Często bazują na mechanicznej budowie swoich pojemnościowych odpowiedników wysokoprężnych, jednakże stopień sprężania jest w nich znacznie mniejszy (ok. 12:1) najczęściej osiągany poprzez zastosowanie innych tłoków.
Systemy dwupaliwowe (Instalacje LPG - DDF): Silnik nadal wykorzystuje zapłon samoczynny (olej napędowy jest niezbędny do zapłonu mieszanki), ale współspala gaz (najczęściej LPG) podawany do układu dolotowego. Olej napędowy działa tu jak „ciekła świeca zapłonowa”. Układy te obecnie raczej nie cieszą się dużą popularnością - kiedyś, w czasach silników Euro 2 i Euro 3 z układami rzędowych pomp wtryskowych, montowano sporadycznie takie aftermarketowe instalacje dotryskowe LPG, gdzie silnik zużywał po prostu ok. 20% LPG zamiast ON. Niestety, z uwagi na częste problemy związane z wypaleniami denek tłoków oraz duże ryzyko występowania spalania stukowego nie stosuje się już praktycznie tych instalacji.
System HPDI Volvo (Układ DDF z LNG): Bardzo nowoczesny i wyjątkowy układ opracowany przez Volvo i kanadyjski Westport. Silnik pracuje tutaj jak typowy Common Rail z zapłonem samoczynnym, nie posiada świec zapłonowych, a LNG jest wtryskiwane do komory spalania w stanie ciekłym przez ten sam wtryskiwacz co olej napędowy. Sekret tkwi w tym, że wtryskiwacz posiada dwie iglice - olej napędowy stanowi do 10% składu mieszanki i pełni funkcję świecy zapłonowej, podczas gdy resztę, 90% paliwa stanowi LNG. Silnik dzięki temu nie musi mieć w żaden sposób obniżonego stopnia sprężania (wynosi ok. 17:1 w silniku G13), a co za tym idzie, oczywiście nie musi tracić swojej elastyczności przy jednoczesnym zasilaniu gazem.
Silnik Cummins L9N - jeden z najpopularniejszych silników gazowych w autobusach - źródło: www.cummins.com
Zalety z perspektywy eksploatacji i portfela
Niższe koszty paliwa: Przy stabilnych cenach metanu/LPG względem ON, koszt przejechania 100 km potrafi być odczuwalnie niższy.
Cichsza praca jednostki: Silniki iskrowe na CNG/LNG pracują nawet o 50% ciszej niż klasyczny silnik Diesla (tzw. normy PIEK), co ma ogromne znaczenie przy dostawach nocnych i pracy miejskiej.
Mniejsze obciążenie układu oczyszczania spalin (SCR/DPF): Gaz spala się znacznie czyściej. Emisja cząstek stałych (sadzy) jest niemal zerowa, co praktycznie wyklucza sens zastosowania klasycznego dla EURO 6 układu oczyszczania spalin - wystarcza zwykły trójfunkcyjny katalizator z dwoma sondami lambda, konstrukcyjnie znany jeszcze z klasycznych samochodów osobowych z wtryskiem typu MPI. Temat jest totalnie bezobsługowy.
Ulgi podatkowe i opłaty drogowe: W wielu krajach UE pojazdy ekologiczne korzystają z ulg w opłatach drogowych (np. niemieckie Maut w wybranych okresach) lub zwolnień z podatku od środków transportu.
Problemy i wyzwania związane z zasilaniem gazowym
Z punktu widzenia diagnostyki komputerowej i serwisu, silniki gazowe wymagają odrębnego podejścia:
Co najczęściej psuje się w “gazowcach”?
Spalanie gazu zachodzi w wyższej temperaturze niż mieszanki benzynowej czy ON. W związku z tym świece zapłonowe i cewki zużywają się dość szybko i wymagają regularnej wymiany.
Wypadanie zapłonów (Missfire): W silniku gazowym natychmiast generuje ono błędy i wprowadza sterownik w tryb awaryjny. Często problemem jest sama wyeksploatowana świeca zapłonowa, lub cewka na danym cylindrze, rzadziej zdarzają się awarie sterowników ICM.
Awarie sondy lambda: temat relatywnie oczywisty, znany z samochodów osobowych. Uszkodzona grzałka w sondzie skutecznie eliminuje ją z eksploatacji.
Kwestia czystości paliwa i czujników
Układy wtrysku gazu (wtryskiwacze fazy gazowej lub ciekłej) są niezwykle wrażliwe na jakość paliwa. Zanieczyszczenia i oleje ciężkie wytrącające się z gazu potrafią zablokować wtryskiwacze lub zakłócić pracę czujników ciśnienia i temperatury na listwie.
Parowanie i specyfika zbiorników LNG
Zbiornik LNG to w istocie gigantyczny termos utrzymujący gaz w niskiej temperaturze stanu ciekłego. Jeśli pojazd stoi nieużywany przez kilka dni, temperatura wewnątrz zbiornika rośnie, a wraz z nią ciśnienie. Po przekroczeniu wartości krytycznej zawór bezpieczeństwa upuszcza nadmiar odparowanego gazu (boil-off) do atmosfery.
Rozmiary zbiorników na CNG
Zbiorniki CNG muszą być niezwykle wytrzymałe - przechowywany jest w nich sprężony gaz ziemny do ok. 300 barów. Wpływa to bezpośrednio również na ich gabaryt, przez co, o ile w autobusach miejskich można bez problemu zainstalować je na dachu, nie zajmując przestrzeni użytkowej, o tyle w samochodach ciężarowych ich montaż jest niezwykle utrudniony. Najczęściej sprowadza się do relatywnie niedużych zbiorników pozwalających wyłącznie na eksploatację miejską “wokół komina”.
Infrastruktura i serwis
Niestety, sieć stacji LNG/CNG w Polsce wciąż nie jest wystarczająco rozwinięta, co wymaga dokładnego planowania trasy. Ponadto naprawa takich układów wymaga specjalistycznych uprawnień (dozór techniczny TDT, uprawnienia gazowe) oraz profesjonalnych interfejsów diagnostycznych obsługujących sterowniki gazowe takie jak np. Cummins CM2380.
Okiem diagnosty
Pojazdy zasilane paliwami gazowymi to udany kompromis między ekologią, ekonomią a konwencjonalną budową w transporcie użytkowym. Z punktu widzenia posiadacza klasycznego diesla Euro 6 problemów z samym układem elektrycznym jest zdecydowanie mniej (brak NOx, Adblue, czujników DPF). Nie są to jednak jednostki całkowicie bezobsługowe. Kluczem do ich niezawodności jest regularny serwis ukierunkowany na układ zapłonowy, skrupulatna wymiana filtrów fazy gazowej i ciekłej oraz szybka reakcja na pierwsze błędy składu mieszanki pojawiające się w diagnostyce komputerowej.
Komentarze