Paliwa dla silników spalinowych

Ludzkość została zmuszona do innego spojrzenia na problem zużycia energii i paliw. Najsilniejszym bodźcem do zmiany sposobu myślenia jest wysokość rachunku energetycznego. Podwyżki cen paliw, które zostały zapoczątkowane wydarzeniami politycznymi i ekonomicznymi w latach 1973-74, a następnie pogłębione w latach 1979-81, spowodowały nagłe zakończenie okresu ciągłego rozwoju oraz taniego zaopatrzenia w naturalne surowce energetyczne. Uwaga opinii światowej skupiła się na fakcie, że ropa naftowa i węgiel są niezwykle cennymi surowcami, lecz ich zasoby są ograniczone, a świat wchodzi w okres kryzysu energetycznego.

Zasoby paliw tradycyjnych są dobrze udokumentowane, a ich wyczerpanie nastąpi za ok. 50 lat w przypadku ropy naftowej i za ok. 200 lat w przypadku węgla. Zużycie mineralnych surowców energetycznych powoduje zaś wprowadzanie do atmosfery znacznych ilości gazów, co skutkuje powolną, ale już zauważalną modyfikację jej składu, a w konsekwencji prowadzić może do zmian klimatu w skali całego globu.

 

Dynamika przyrostu ludności w świecie i rozwój gospodarczy prawie we wszystkich krajach powodują duży wzrost zapotrzebowania na surowce i energię. W latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia byliśmy świadkami skokowego wzrostu cen ropy naftowej i był to chyba okres przełomowy, który uświadomił, że niebezpieczne jest opieranie gospodarki na jednym, głównym surowcu energetycznym – ropie naftowej. Coroczne zapotrzebowanie na ropę naftową jest zmienne i zależy wprost od koniunktury w gospodarce światowej. Jedno jest pewne: obserwujemy stały wzrost cen tego podstawowego surowca energetycznego paliw silnikowych. Właściciele złóż ropy naftowej, mając świadomość, że ich sytuacja może odgrywać kluczową rolę w polityce, realizują obecnie plan oszczędzania zasobów. Długotrwałe prognozy przewidują, że przy nieprzerwanym wzroście zużycia naturalnych zasobów energetycznych będzie postępował wzrost stężenia CO₂ w atmosferze (efekt cieplarniany). Jest to bardzo niepokojące zjawisko i dlatego poszukuje się nowych, alternatywnych źródeł energii, m.in. paliw roślinnych. Dwutlenek węgla ogranicza emisję ciepła (w postaci promieniowania podczerwonego) w przestrzeń kosmiczną. Ocieplanie się akwenów wodnych powoduje przyrost masy planktonu, a w konsekwencji zjawisko transgresji mórz. Tymczasem CO₂ wyemitowany do atmosfery przez silnik spalinowy pochłaniają rośliny oleiste, jest więc to obieg zamknięty.

Zastępowanie ropy naftowej innymi paliwami wynika również z konieczności zapewnienia bezpieczeństwa dostaw. Główne zasoby ropy znajdują się bowiem w krajach o niestabilnej polityce (Bliski Wschód), a rozwój produkcji paliw odnawialnych i alternatywnych w państwach nieposiadających własnych złóż ropy naftowej odsuwa groźbę politycznego szantażu.

Dlatego uzasadnione jest podejmowanie działań, które z jednej strony prowadziłyby do ograniczania zużycia surowców energetycznych (zredukowanie potrzeb), a z drugiej poszerzały zakres stosowania takich form energii, które są odnawialne. Im szybszy jest cykl odnawiania, tym bardziej atrakcyjne może być takie źródło energii.

Poszukiwania alternatywnych nośników energii oraz napędów stymulują rosnące wymagania ekologiczne, ukierunkowane głównie na stopniowe zmniejszanie emisji szkodliwych składników. Producenci są za pomocą tych narzędzi zmuszani do produkcji pojazdów bardziej przyjaznych dla środowiska naturalnego. Potrzeba znalezienia innych rozwiązań niż zasilanie silników benzyną czy olejem napędowym staje się więc coraz bardziej oczywista. Wprawdzie silniki te są coraz bezpieczniejsze i bardziej sprawne, jednak korzyści te równoważy gwałtowny wzrost liczby pojazdów. Według International Energy Agency, w 1996 r. po drogach całego świata jeździło 634 mln pojazdów, co oznacza przyrost o niemal 30% w ciągu jednego dziesięciolecia. Pojazdy te wyemitowały łącznie 3,7mld ton CO₂¹.

Substytuty silnika spalinowego napędzanego benzyną czy też olejem napędowym są poszukiwane od początku motoryzacji. Do grupy napędów, z którymi wiąże się nadzieja rozwoju motoryzacji, zalicza się zarówno „zapomniane” konstrukcje silników o spalaniu zewnętrznym (o obiegu Stirlinga i parowe), jak i spalania wewnętrznego w mikroturbinach oraz tradycyjne modyfikowane silniki zasilane paliwami alternatywnymi, tj. pochodzącymi z innych źródeł niż przeróbka ropy naftowej. Są to substancje organiczne (węglowodory i ich pochodne) oraz nieorganiczne (wodór).

Do najważniejszych paliw alternatywnych można zaliczyć:

·                                mieszaninę skroplonych gazów propan i butan LPG (ze względu na to, iż propan-butan jest mieszaniną związków ropopochodnych (w tym toksycznych), otrzymywanych w procesie destylacji ropy naftowej, nie przewiduje się dalszego wzrostu jego udziału na rynku paliw,

·                          gaz ziemny w postaci sprężonej CNG i skroplonej LNG,

·                          paliwa roślinne: alkohole (metanol, etanol, propanol, butanol i inne), wyższe kwasy karboksylowe (oleje roślinne) i ich pochodne (przede wszystkim estry),

·                          biogaz pochodzący z procesów beztlenowego rozkładu związków organicznych,

·                          paliwa z przetwarzania innych paliw (m.in. syntetycznych), benzyny syntetyczne, eter dimetylowy, amoniak, gaz świetlny, gaz wodny, gaz generatorowy i inne substancje,

·                          wodór.

 

Paliwa, które można uznać za zamienniki produktów pochodzących z ropy naftowej² powinny spełnić wiele warunków:

Rozszerzanie bazy energetycznej motoryzacji poprzez wprowadzanie paliw zastępczych będzie realizowane w dwóch etapach.

Badania nad paliwami alternatywnymi koncentrują się przede wszystkim na paliwach gazowych i ciekłych (rys. 1). Główny nacisk kładzie się na paliwa, których zasoby są znaczne lub odnawialne.

Rys. 1. Podział paliw alternatywnych stosowanych do zasilania silników spalinowych¹

 

Paliwa odnawialne można podzielić na dwie grupy: nowe paliwa jednoskładnikowe i mieszaniny dwóch lub więcej rodzajów paliw. W pierwszym przypadku paliwo stanowi substancję o określonych właściwościach fizykochemicznych i eksploatacyjnych, umożliwiających zasilanie silników przy użyciu tradycyjnych układów paliwowych.

Paliwa te charakteryzują się znacznie szerszym składem surowców podstawowych niż tradycyjne paliwa płynne i mniejszą toksycznością, a w niektórych przypadkach wpływają również na poprawę ekonomicznych wskaźników pracy silnika. Wykorzystanie tej grupy paliw we współczesnych silnikach jest możliwe bez konieczności dokonywania znacznych zmian w ich konstrukcji. Przystosowuje się jedynie układ zasilania poprzez zmianę regulacji składu mieszanki.

 

Paliwa gazowe stosowane do silników samochodowych, w zależności od ich własności, mogą być przewożone w dwóch postaciach. Po pierwsze, gazowej, sprężone do ciśnień ok. 20 MPa (metan, wodór, gaz koksowniczy, miejski, ziemny i fermentacyjny):

§                     metan – jest węglowodorem nasyconym. Jest podstawowym składnikiem wszystkich gazów naturalnych.

§                     wodór – jest coraz częściej wymieniany jako przyszłościowe paliwo do tłokowych silników spalinowych.

§                     gaz koksowniczy – jest ubocznym produktem powstającym przy wytwarzaniu koksu. Składa się głównie z metanu, wodoru i tlenku węgla.

§                     gaz ziemny – stanowi mieszaninę – metanu z innymi gazami palnymi oraz związkami niepalnymi.

§                     gaz fermentacyjny – jest wytwarzany z odpadów rolniczych, zwierzęcych oraz w oczyszczalniach ścieków.

 

Po drugie w postaci ciekłej. Paliwa te przy stosowaniu niewysokich ciśnień (do ok. 1,5 MPa) występują w postaci skroplonej (butan, propan, etan).

 

§                     Butan – może być otrzymywany z przeróbki ropy naftowej lub z gazu ziemnego.

§                     Propan – może być otrzymywany z przeróbki ropy naftowej lub gazu ziemnego.

§                     LPG– stanowi mieszaninę propanu i butanu o różnych proporcjach wymienionych składników, w zależności od strefy klimatycznej użytkowania. Jest on przechowywany i przewożony w stanie ciekłym pod ciśnieniem ok. 1,5 MPa. Dzięki stosunkowo niewysokiej cenie oraz łatwej dystrybucji staje się bardzo popularnym paliwem samochodowym.

Te ostatnie paliwa charakteryzują się niekorzystną ze względu na bezpieczeństwo cechą. Ich gęstość w stanie gazowym jest większa niż powietrza. W przypadku nieszczelności instalacji wypełniają kanały naprawcze, instalacje kanalizacyjne, pomieszczenia, wywołując istotne zagrożenie wybuchem.

 Własności wymienionych paliw gazowych zestawiono w tabeli 1.

 

 

Tab. 1. Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych²

.

 

Paliwa gazowe mają inne właściwości fizykochemiczne niż paliwa ciekłe. Obecnie praktyczne zastosowanie do zasilania silników o ZI znalazły zastosowanie trzy rodzaje paliw gazowych:

§                     gaz ziemny (naturalny),

§                     mieszanina propan – butan lub sam propan,

§                     biogaz i wodór.

 

Idea zasilania silników spalinowych paliwami gazowymi pojawiła się już w XIX w. i znalazła zastosowanie w konstrukcji pierwszego silnika spalinowego, którego twórcą był Etienne Lenoira w 1860 r. Zastosowano wówczas gaz świetlny. Silnik ten osiągał moc 12 KM. W 1878 r. powstał, skonstruowany przez Nikolausa A. Otta i Eugena Langena czterosuwowy silnik zasilany gazem. W 1896 r. w Dessau oraz w 1897 r. w Jeleniej Górze uruchomiono tramwaje, które były napędzane gazem świetlnym magazynowanym w trzech zbiornikach pod ciśnieniem 0,6 MPa. Po raz pierwszy w 1918 r. gaz ziemny został zastosowany do napędu motoru autobusu. Silniki gazowe na szeroką skalę zostały wykorzystane w pojazdach dopiero w latach 30. poprzedniego wieku we Włoszech.

Na świecie zainteresowanie gazem ziemnym jako paliwem silnikowym nasiliło się w latach 70. ubiegłego stulecia w dobie kryzysu energetycznego. W ostatnich latach zwiększyło się wskutek dalszego wzrostu cen paliw konwencjonalnych oraz drastycznego ograniczenia limitów emisji toksycznych składników spalin. W Europie i na świecie zauważyć można dążenie do wprowadzania nowych, fabrycznie przystosowanych do CNG pojazdów samochodowych, co zapewnia większe bezpieczeństwo eksploatacji, obniżenie kosztów homologacyjnych oraz gwarantuje profesjonalne usługi serwisowych,
a tym samym spełnianie coraz bardziej restrykcyjnych wymagań.

Zainteresowanie CNG pojawiło się na przełomie lat 80. i 90., zwłaszcza w tych krajach, w których była mniejsza dostępność gazu i ropy. Z tego wynika duży wzrost zainteresowania gazem w Nowej Zelandii, Argentynie, Włoszech, Indiach czy Chinach. Następnie w rozwiniętych krajach zachodnich, wraz ze wzrostem myśli ekologicznej zaczęto stosować CNG do napędu pojazdów, gdyż przyniosło to istotne zmniejszenie emisji szkodliwych składników w spalinach. Pojazdy wykorzystujące do napędu gaz ziemny pojawiły się w dynamicznie rozwijających się miastach Europy, takich jak: Paryż, Nicea i Norymberga. We wszystkich metropoliach organizujących ostatnie olimpiady wprowadzono pojazdy komunikacji miejskiej wykorzystujące napęd CNG (Atlanta, Barcelona, Sapporo, Sydney), gdyż spalanie metanu nie powoduje emisji PM – rakotwórczych cząstek stałych.

Gaz ziemny może być paliwem zasilającym nie tylko pojazdy samochodowe, traktory, ale także np. wózki widłowe. Stosuje się go z uwagi na: łatwą w porównaniu z LPG wentylację hal (gaz ziemny jest lżejszy od powietrza), bezpieczeństwo oraz ze względu na to, iż jest tańszy od propanu-butanu (LPG).

 

Według założeń Dyrektoriatu TREN Komisji Europejskiej, do 2020 r. w krajach UE powinno
poruszać się ok. 20% pojazdów samochodowych wykorzystujących paliwa alternatywne, z czego połowę winny stanowić te zasilane CNG, a resztę napędzane wodorem i biopaliwami (udział po 5%). Oznacza to, że w 2020 r. w państwach Wspólnoty powinno być użytkowanych ok. 24 mln pojazdów na CNG.

W będzie ich ok. 2 mln, a zapotrzebowanie na gaz ziemny do tego celu wyniesie ok. 47 mld m³. Czy jest to perspektywa realna, trudno przewidzieć, chociaż już teraz niektóre kraje unijne podejmują bardzo intensywne działania w tym zakresie, np. w Niemczech za ok. trzy lata funkcjonować ma ok. tysiąca stacji tankowania CNG (obecnie jest ich prawie czterysta), a odległość do tej najbardziej oddalonej nie będzie większa niż 25 km.

Pierwszym poważnym krokiem, mającym na celu zmniejszenie emitowanych do atmosfery zanieczyszczeń, było uchwalenie protokołu z Konferencji Klimatycznej w Kioto, zobowiązującego kraje ratyfikujące te postanowienia do ograniczenia emisji zanieczyszczeń. Inne znaczące działanie legislacyjne to uchwalenie w 2001 r. dyrektywy o promocji „zielonej” energii (UE 2001/77/EC).

W przypadku motoryzacji zmiany w obowiązujących przepisach prawnych dotyczą norm emisyjności (od Euro 0 do Euro 5). Są to przepisy określające maksymalne stężenia poszczególnych gazów spalinowych wg tabeli 2, jakie mogą być emitowane do atmosfery przez nowo rejestrowane i dopuszczane do ruchu pojazdy³.

 

Tab. 2. Maksymalne stężenia gazów w spalinach dla nowo rejestrowanych samochodów osobowych³

 

Jak wynika z tabeli 2, ograniczenia emisji szkodliwych substancji w spalinach
w aktualnych normach w porównaniu z pierwszymi obowiązującymi uwarunkowaniami prawnymi sięgają ponad 90%. Taka sytuacja zmusza producentów jednostek napędowych do szukania nowych rozwiązań konstrukcyjnych lub wprowadzania alternatywnych i bardziej przyjaznych środowisku paliw.

 

Rozwój gazowych systemów zasilania umożliwia stosowanie metanu jako paliwa, które występuje w kilku wersjach. Pierwszą z nich jest zasilanie gazem ziemnym sprężonym do 200-250 (obecnie) barów. Silniki iskrowe, jednopaliwowe – nowoczesne rozwiązania z wielopunktowym wtryskiem paliwa są stosowane przede wszystkim w przypadku autobusów. Silniki gazowe dla pojazdów produkuje kilku dużych wytwórców. W Europie liderem jest firma MAN, a jednostki takie wytwarzają również Volvo, Fiat, Peugeot czy Mercedes. Możliwa jest także adaptacja silników o ZS i przystosowanie ich do paliwa gazowego (CNG), chociaż wymaga to zmian konstrukcyjnych. W Polsce znaczna część autobusów na CNG to właśnie takie przerobione pojazdy. Rozwiązania z silnikami jednopaliwowymi pod względem oceny efektów ekonomicznych są najlepsze, ale stosuje się je zwykle wówczas, gdy pojazdy poruszają się w pobliżu stacji tankowania CNG (np. pojazdy komunikacji miejskiej) bądź tam, gdzie istnieje wiele stacji CNG (Argentyna, Włochy, niebawem Niemcy).

W wersjach bi-fuel lub bipower silnik pojazdu jest dostosowany zarówno do paliwa w postaci CNG oraz benzyny. Takie auta są produkowane przez wiele marek, ale również są efektem adaptacji fabrycznych pojazdów benzynowych. Montuje się w nich zwykle mały zbiornik benzynowy (ok. 15 litrów) oraz większe zbiorniki na gaz ziemny sprężony (ok. 120-150 litrów). Oprócz zbiorników w takim pojeździe zamontowana jest odpowiednia instalacja do zasilania gazem i sterowania podawaniem paliwa. W niektórych krajach przeważającą część stanowią pojazdy adaptowane (np. w Argentynie), w innych preferuje się pojazdy fabryczne przystosowane do CNG (np. Niemcy, Szwecja). Zasilanie dwupaliwowe umożliwia wykorzystywanie gazu ziemnego jako paliwa również tam, gdzie liczba stacji tankowania CNG nie jest duża.

Kolejne rozwiązanie – dual-fuel – polega na tym, że do silnika o ZS podawana jest mieszanka oleju napędowego i gazu ziemnego (zmagazynowanego w postaci CNG). W każdym cyklu pracy silnik zużywa ON jako niewielką dawkę zwaną pilotującą, a po jej zapłonie w wyniku wytworzonej temperatury następuje spalenie mieszanki powietrze-metan. Szerokie wykorzystanie układów common rail umożliwiło precyzyjne sterowanie dawką pilotującą, zapewniające osiągnięcie oczekiwanych rezultatów. Na rysunku 2 przedstawiono schemat działania „gazowego Diesla” – silnika o ZS, opracowanego w Katedrze Mechatroniki UWM.

Ostatnią z wersji jest stosowanie gazu ziemnego w postaci skroplonej (LNG). W tym przypadku różnica sprowadza się głównie do sposobu magazynowania gazu. Do tego celu są potrzebne zbiorniki kriogeniczne i póki co przykłady takiego rozwiązania są bardzo nieliczne.

 

Rys. 2. Schemat silnika gazowego o ZS z dawką pilotującą systemu⁴

 

Obecnie wszystkie znaczące fabryki samochodów mają w swoich ofertach pojazdy zasilane przez CNG. W Europie dostępnych jest ponad 50 modeli takich pojazdów.

Reasumując, czynniki, które zdecydowały o wzroście zainteresowania tym paliwem, to przede wszystkim:

·                                                        poprawa bezpieczeństwa dostaw paliwa w wyniku dywersyfikacji źródeł zaopatrzenia i dostawców,

·                                                        względy ekologiczne: CNG to paliwo „czyste”(mniej CO₂, CO, NO_x, a zwłaszcza rakotwórczych cząsteczek stałych). Bardziej ekologiczny ze znanych paliw jest tylko wodór,

·                                                        jest to najtańsze obecnie paliwo na rynku (ekwiwalentny dla 1 litra benzyny koszt CNG wynosi obecnie 1,46 zł brutto),

·                                                        właściwości (mała gęstość właściwa – szybkie ulatnianie się, wąski przedział palności w mieszance z powietrzem i wysoka temperatura zapłonu), gaz ziemny jest jednym z bardziej bezpiecznych paliw wykorzystywanych do napędu pojazdów.

 

Biogaz powstaje w procesie beztlenowej fermentacji odpadów organicznych, podczas której substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste. W procesie fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienia się w biogaz.

Składa się on w głównej mierze z metanu (od 40% do 70%) i dwutlenku węgla (ok. 40-50%), ale zawiera także inne gazy, m.in. azot, siarkowodór, tlenek węgla, amoniak i tlen (tab. 3). Do produkcji energii cieplnej lub elektrycznej może być wykorzystywany biogaz zawierający powyżej 40% metanu.

Po odpowiedniej obróbce biogaz wykorzystywany jest na wiele różnych sposobów. Gaz wysypiskowy może być dostarczany do sieci gazowej, stosowany jako paliwo do pojazdów lub w procesach technologicznych. Biogaz spala się też w specjalnie przystosowanych kotłach, zastępując nim gaz ziemny. Uzyskane ciepło może być przekazywane do instalacji centralnego ogrzewania. Energia elektryczna wyprodukowana w silnikach iskrowych lub turbinach może być sprzedawana do sieci energetycznych. Biogaz jest również wykorzystywany w układach skojarzonych do produkcji energii elektrycznej i ciepła.

 Tab. 3. Skład chemiczny biogazu²

 

.

1.Gronowicz J.: Ochrona środowiska w transporcie lądowym. Poznań-Radom 2004.

2. Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne paliwa i układy napędowe pojazdów. Poznań 2004.

3.Romaniszyn K.: Alternatywne Zasilanie samochodów LPG i CNG Wydawnictwo WNT. Warszawa 2007.

4. Piętak A., Imiołek M., Wierzbicki S., Imiołek A.: Wielopaliwowy gazowy silnik o ZS jako pierwotne źródło energii. Część II. Wyniki badań wstępnych silnika Hatz 1B-40. A multi-fuel gas Powerem self-ignited engine as a primary source of energy. Part II. The results of primary research of HATZ 1B-40 engine. [w:] Dużyński A. (red.): Silniki gazowe – wybrane zagadnienia. Częstochowa 2010.