System podwójnego zasilania silnika wysokoprężnego

Prace nad zasilaniem silnika Diesla gazem LPG i CNG prowadziło wiele firm (DKW, NSU, MAN), starając się uzyskać najbardziej optymalne dla zainicjowania zapłonu warunki podawania mieszanki paliwowo-powietrznej. Zatem skoro aktualnie produkowane silniki Diesla, w tym common rail i TDI, mogą pracować na mieszaninie ON oraz naturalnych olejów rzepakowych czy estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego, to dlaczego nie miałyby pracować alternatywnie z gazem LPG. Okazuje się, że takie silniki, poddane konwersji, już pracują za sprawą kilku firm: IWEMA enterprise, Yale, SpongeCars czy Electronic Fuel Control Company.

Po długich staraniach

Prace nad wprowadzeniem gazu LPG do zasilania motoru Diesla trwały w Europie od dawna, ale tak naprawdę dopiero w maju 2001 roku zaprezentowano pierwsze udane prototypy. Można tu przy okazji wyróżnić kilka koncepcji: EFC (głównie do samochodów ciężarowych), DFD (Dual Fuel Diesel) holenderskiej firmy IWEMA enterprise, Yale (małe silniki w wózkach widłowych) i jedna z pierwszych wdrożonych do produkcji DFS angielskiej firmy SpongeCars.

Drugi tor zasilania stanowi instalacja gazu LPG, na początku z tzw. mikserem (umownie zwana II generacji). Jak niemal w każdej instalacji LPG II generacji, montuje się tu zbiornik LPG z króćcem gazu, centralkę sterującą, mikser, elektrozawór i parownik. Dodatkowo instaluje się przełącznik biegu jałowego, czujnik pomiaru ciśnienia w motorach z turbodoładowaniem i elektromagnetyczny zawór odcinający dopływ gazu ze zbiornika. Ten ostatni element występuje we wszystkich instalacjach posiadających atest Unii Europejskiej. Miejsce zamontowania poszczególnych podzespołów zależy od przeznaczenia auta, a dokładniej, czy jest to ciężarówka czy auto osobowe.

Mniej szkodliwe

Najciekawszą jednak zaletą podwójnego systemu zasilania silnika Diesla jest znacznie niższa emisja składników toksycznych i sadzy. Jak wiadomo w komorze spalania wolnossącej jednostki Diesla nie dopalają się do końca takie składniki jak: CO (tlenek węgla), HC (węglowodory) i cząstki stałe. Oznacza to, że nawet w procesie spalania silnika z wtryskiem bezpośrednim, ale bez systemu common rail, zaledwie 75-80 proc. wtryskiwanego paliwa ulega fizykochemicznej przemianie, a produktami ubocznymi są składniki szkodliwe przedostające się do atmosfery. Z zamontowaną instalacją DFD aż 95 proc. dostarczonego paliwa ulega dopaleniu, a udział składników toksycznych ulega dużemu obniżeniu.

Oznacza to, że w systemie podwójnego zasilania silnika Diesla nie trzeba stosować dużych ciśnień wtryskiwanego paliwa, jak np. w technologii common rail (dziś nawet do 2000 barów). W silniku wysokoprężnym z komorą wstępną lub wirową wystarczyłoby co najmniej 125 barów.

Koncepcja SpongeCars

Jak wiadomo, najprostszy silnik wysokoprężny nie potrzebuje iskry do zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. Wtryskiwany pod ciśnieniem ON do komory spalania, w połączeniu z rozprężonym gazem LPG, służy do zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej. W przypadku rozwiązań firmy SpongeCars i konwersji LPG silnika Diesla, stosunek gazu do ON wynosi odpowiednio 80:20. Należy tu zauważyć, że w momencie rozruchu (zwłaszcza w niskich temperaturach) uruchomienie silnika odbywa się tylko na oleju napędowym. W bardzo niskich temperaturach zbiornik ON, płyn chłodzący oraz parownik mogą być podgrzewane elektrycznie.

System DFS angielskiego producenta jeszcze w maju 2001 roku przeznaczony był jedynie do niewysilonych silników Diesla (z komorą wstępną i wirową o wtrysku pośrednim IDI; z wtryskiem bezpośrednim DI i SDI bez turbodoładowania, intercoolera i systemu common rail). Pod koniec ubiegłego roku inżynierowie SpongeCars zakończyli testy z instalacjami do najnowszych jednostek, w których wykorzystuje się wtrysk bezpośredni i system common rail (Ford Transit, Renault Traffic, Land Rover Discovery, w ofercie jest także kilka pojazdów dostawczych o dopuszczalnej masie całkowitej do 7,5 t).

Koncepcja według DFD IWEMA enterprise

Początkowo oparta była ona na konstrukcji instalacji LPG drugiej generacji z mikserem i mogła być stosowana w niewysilonych silnikach z komorą wstępną i wirową, z wtryskiem ON bez systemu common rail i intercoolera. Jednakże pod koniec 2003 roku holenderscy inżynierowie wdrożyli system DFD również do jednostek z pompowtryskiwaczami (Land Rover Discovery 200 TDI, Seat Alhambra 1.9 TDI czy VW Transporter 2.5 TDI) i systemem common rail (JTD, D-4D, DID, CDi, HDI czy dCi). Występuje tu bardziej zaawansowany sterownik gazu, zbierający informacje z większej ilości czujników (obciążenia, prędkości obrotowej wału korbowego, temperatury w układzie wydechowym, ilości zużywanego gazu i ON). W związku z tym, że w koncepcji zasilania diesla gazem LPG nie ma potrzeby montowania oddzielnych wtryskiwaczy gazu, emulatorów sondy lambda i wyrafinowanej elektroniki, praktycznie do SPZSD można zaadaptować każdy seryjny silnik w dobrym stanie technicznym. Najnowszy system DFD (Dual Fuel Diesel) przewidziano do instalowania praktycznie we wszystkich silnikach Diesla z turbo i bez, jak również z elektronicznie sterowanym pedałem gazu. Tak jak w przypadku silników benzynowych zasilanych autogazem, tak i w motorach Diesla jest możliwość wyłączenia układu gazowego i kontynuowania jazdy na oleju napędowym

Nowa instalacja LNG zamiast LPG

Prekursorem tego nowatorskiego rozwiązania jest amerykańska firma Electronic Fuel Control Company, która prace nad rekonwersją silnika wysokoprężnego rozpoczęła jeszcze w 1999 roku.

Dziś gaz ziemny LNG (Liquified Natural Gas) stosowany jest w najnowszych konstrukcjach silników wysokoprężnych, również z turbodoładowaniem. Instalacja EFC (Electronic Fuel Control) dawkuje gaz do cylindra w stosunku 85:15 (85 procent LNG, 15 procent oleju napędowego). Tu również uruchamianie silnika odbywa się poprzez wtrysk pilotażowy (wstępny) oleju napędowego.

Warto tu przytoczyć wyniki badań świadczące o tym, że redukcja toksycznych tlenków azotu w testowanym autobusie miejskim, napędzanym dieslem z komorą wirową, wynosiła aż 48 procent. Co więcej, aż o 90 procent udało się zmniejszyć dymienie z układu wydechowego. Cena takiej instalacji do silnika 4-cylindrowego była i pozostaje wciąż wysoka: w październiku 2003 roku wynosiła od 12 do 15 tysięcy dolarów amerykańskich

Korzyści nie tylko dla środowiska

System podwójnego zasilania silnika Diesla daje sporo korzyści, które przedstawiono w tabeli. Dodatkowo należą do nich: brak kosztownych przeróbek silnika Diesla, współpraca instalacji LPG z układem recyrkulacji spalin EGR w celu zmniejszenia tlenków azotu czy zachowanie dotychczasowej elastyczności jednostki głównej. Jedynym mankamentem jest ograniczenie cenowe oraz brak sprawdzonej instalacji do najnowszych silników z systemem common rail i jeszcze znikome zainteresowanie polskich użytkowników.

Cena systemu firmy SpongeCars dla samochodu osobowego z silnikiem czterocylindrowym wynosi około 1.500 funtów szterlingów, a dla samochodu dostawczego typu Ford Transit, Renault Master czy Mercedes Sprinter - 1.850 funtów. Ceny te zawierają podatek VAT.

W artykule wykorzystałem materiały firmy IWEMA enterprise "Diesel running with LPG", SpongeCars "Diesel LPG" i "Diesel Vehicle Conversion Technology for Natural Gas Dual Fu