POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

KATEDRA EKSPLOATACJI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH

Referat z materiałoznawstwa samochodowego

Temat: Alternatywne paliwa do zasilania tłokowych silników spalinowych

Wykonali:

1) Berdzik Paweł

2) Bielski Krzysztof

SPIS TREŚCI

1. PODZIAŁ I OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI PALIW ZASTEPCZYCH……………………...3

2. CHARAKTERYSTYKA MIESZANINY PROPAN - BUTAN………………………… ..6

2.1. Wpływ zasilania gazem LPG na parametry pracy silnika ZI…………………….... 8

2.2. Wpływ zasilania gazem LPG na emisję związków toksycznych w silniku ZI…… ..9

2.3. Wpływ zasilania gazem LPG na parametry pracy silnika ZS…………………….. 10

3. CHARAKTERYSTYKA GAZU ZIEMNEGO…………………………………………... 12

3.1. Wpływ zasilania gazem ziemnym na parametry pracy silnika ZI………………... 14

3.2. Wpływ zasilania gazem ziemnym na emisję związków toksycznych w silniku ZI 15

3.3. Wpływ zasilania gazem ziemnym na parametry pracy silnika ZS……………….. 17

4. Wpływ zasilania gazem ziemnym i gazem LPG na emisję związków toksycznych

przez silniki ZS…………………………………………………………………. 17

4. CHARAKTERYSTYKA WODORU…………………………………………………….. 20

4.1. Wpływ zasilania wodorem na parametry pracy silnika ZI……………………….. 21

4.2. Wpływ zasilania wodorem na emisję związków toksycznych w silniku ZI……… 22

3. Wpływ zasilania wodorem na parametry pracy silnika ZS i emisją związków

toksycznych……………………………………………………………………… 23

5. ORGANICZNE ZWIĄZKI TLENOWE…………………………………………………. 24

1. Związki tlenowe jako paliwa do silników ZI……………………………………. 24

5.1.1. Metanol…….……………………………………………………………... 25

5.1.2. Etanol…………………………………………………………………….. 27

5.1.3. Etery, jako dodatki do benzyn…………………………………………… 30

5.2. Alkohole i etery jako paliwa do silników ZS……………………………………. 31

6. BIODIESEL……………………………………………………………………………… 33

6.1. Wytwarzanie i właściwości biodiesla……………………………………………. 33

2. Wpływ zasilania biodieslem na parametry pracy silnika………………………... 35

6.3. Wpływ zasilania biodieslem na emisję związków toksycznych………………… 35

6.4. Mieszaniny paliw rzepakowych z alkoholem……………………………………. 37

8. AQUAZOLE…………………………………………………………………………….. 38

LITERATURA………………………………………………………………………………. 39

1. PODZIAŁ I OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI PALIW ZASTĘPCZYCH

Od kilkunastu lat można zaobserwować ciągły wzrost liczby pojazdów. Większość produkowanych obecnie pojazdów silnikowych zasilana jest paliwami pochodzącymi z przeróbki ropy naftowej, to jest benzyną lub olejem napędowym. Taka sytuacja prowadzi do tego, iż złoża ropy naftowej zaczynają się wyczerpywać. Sytuacja taka w ciągu kilkunastu lat może doprowadzić do ich całkowitego wyczerpania. Konieczne dlatego staje się poszukiwanie paliw zastępczych. Poszukiwanie to ma na celu zmniejszenie zużycia paliw węglowodorowych oraz ograniczenie ilość emitowanych przez silnik związków toksycznych.

Ciężko jest jednoznacznie określić czym są paliwa zastępcze. Najczęściej jednak określenie paliwa zastępcze, bądź paliwa alternatywne, bądź też paliwa niekonwencjonalne jest używane w stosunku do pewnych substancji chemicznych nie będących wynikami przeróbki ropy naftowej, a posiadającymi zbliżone do nich właściwości. Oznacza to, iż paliwa takie otrzymuje się ze źródeł odnawialnych lub częściowo odnawialnych ewentualnie z bituminów i węgli w sposób niekonwencjonalny [1].

Paliwo zastępcze powinno [8]:

- występować w dostatecznie dużej ilości;

- umożliwiać zasilanie silników spalinowych;

- być mniej szkodliwe dla środowiska naturalnego;

- być bezpieczne w użytkowaniu, transporcie i magazynowaniu;

- być tańsze w produkcji.

Dokonanie jednoznacznej klasyfikacji paliw zastępczych jest trudne. Możemy dokonać dwóch klasyfikacji [1]. W klasyfikacji pierwszej dokonać możemy podziału ze względu na to, czy dane paliwo jest stosowane samoistnie, czy jako domieszka do paliw tradycyjnych. Drugiej klasyfikacji możemy dokonać ze względu na stan skupienia paliwa. W klasyfikacji tej możemy wyróżnić paliwa ciekłe i gazowe. Przykładowy podział paliw uwzględniający obie wspomniane klasyfikacje przedstawia rysunek 1.

Jak widać na rysunku 1, jako paliwa ciekłe stosuje się organiczne związki tlenowe, zwłaszcza alkohole, tj. metanol i etanol oraz etery. Natomiast wśród paliw zastępczych gazowych możemy wyróżnić:

a) gaz LPG, czyli Liquified Petroleum Gas, co w tłumaczeniu dosłownym oznacza ciekły ropopochodny gaz, mianem LPG określa się mieszaninę propanu z butanem ewentualnie samego propanu w postaci ciekłej lub skroplonej;

b) gaz NG, czyli Natural Gas, tj. gaz ziemny naturalny, może on występować w dwóch postaciach:

- ciekłej - LNG, czyli Liquified Natural Gas (ciekły gaz naturalny),

- sprężonej - CNG, czyli Compressed Natural Gas (sprężony gaz naturalny);

c) wodór - H₂.

Rys. 1. Podział paliw niekonwencjonalnych [1]

Paliwami stosowanymi samodzielnie są wszystkie paliwa gazowe oraz metanol i etanol. Natomiast jako domieszki do paliw tradycyjnych stosuje się tylko paliwa w postaci ciekłej, tj. alkohole i etery.

Zastępcze paliwa gazowe w porównaniu do paliw tradycyjnych posiadają wiele zalet. Do najważniejszych możemy zaliczyć [1]:

1. wysoką liczbę oktanową, dzięki czemu wykazują większą odporność na spalanie stukowe, a to umożliwia zwiększenie stopnia sprężania;

2. mniejszą gęstość, dzięki czemu łatwiej mieszają się z powietrzem i zapewniają bardziej jednorodną mieszankę paliwowo powietrznej;

3. wysokie prędkości spalania, dzięki czemu mamy możliwość zwiększenia szybkoobrotowości silników spalinowych;

4. szeroki zakres granic zapłonu, dzięki czemu możliwe jest spalanie mieszanek ubogich i uwarstwionych.

Do podstawowych wad paliw zastępczych możemy zaliczyć [1]:

1. mniejszą wartość opałową mieszanek stechiometrycznych, przez co może ulec zmniejszeniu jednostkowa moc silnika;

2. mniejszą gęstość, która oprócz wymienionej uprzednio zalety powoduje konieczność ich skroplenia lub sprężenia, a co się z tym wiąże utrudnione magazynowanie i użytkowanie.

W tabeli 1 zawarte są podstawowe właściwości energetyczne i eksploatacyjne paliw zastępczych gazowych oraz paliw tradycyjnych. Takie zestawienie w łatwy sposób umożliwia porównanie cech paliw alternatywnych i konwencjonalnych.

Tabela 1

Podstawowe właściwości energetyczne i eksploatacyjne wybranych paliw zastępczych i paliw tradycyjnych [5]

Parametr	Benzyna	Olej napędowy	Gaz ziemny	Gaz propan - butan	Wodór płynny (20K)
Gęstość w temperaturze 15^oC [g/cm^3]	0,72…0,76	0,84…0,88	0,68*10^-3	0,532	0,07
Temperatura wrzenia [K]	308…468	373…623	111	231	20,2
Temperatura krzepnięcia [K]	213…193	238	91	86	13,9
Ciepło parowania [kJ/kg]	288…305	-	-	387,9	447,3
Wartość opałowa [kJ/kg]	42 293	39 500	48 918	45 562	117 708
Równoważnik energetyczny 75l benzyny: - objętość paliwa [l] - masa paliwa [kg]	75 42	67 47	415^1) 37,2^1)	100 51,1	280 20
Współczynnik wykorzystania paliwa [%]	9,4	10,1	9,9	10,7	10,2
Współczynnik uzysku paliwa z surowca	0,83	0,89	1,0	0,5	0,5
Sprawność ogólna paliwa [%]	7,8	9,2	9,9	5,4	5,1

¹⁾ W postaci sprężonej

2. CHARAKTERYSTYKA MIESZANINY PROPAN - BUTAN

Mieszanina propan - butan w skrócie jest określana mianem LPG. Nazwa LPG wywodzi się od pierwszych liter słów Liquified Petroleum Gas, co znaczy po Polsku ciekły ropopochodny gaz. Jak widać już sama nazwa wskazuje na sposób otrzymywania tego gazu. Można by powiedzieć, iż nie do końca jest to paliwo alternatywne, ponieważ jest otrzymywane z ropy naftowej. Gaz ten może być otrzymywany bezpośrednio w trakcie wydobywania ropy naftowej, bądź w trakcie jej przeróbki. W przypadku gdy jest on wydobywany bezpośrednio z odwiertów ropy naftowej stanowi on produkt uboczny, będący wynikiem stabilizacji gazoliny i otrzymywania benzyny syntetycznej. Procesami przeróbki ropy naftowej w wyniku których możemy otrzymać gaz LPG są kraking benzyny, reforming lub piroliza. Gaz ten powstaje również w wyniku nasycania ropy naftowej wodorem pod wpływem wysokich temperatur i ciśnień, czyli tzw. uwodorniania ropy naftowej.

Gaz ten stanowi mieszaninę węglowodorów parafinowych. W składzie LPG występuje propan - C₃H₈ w ilości około 25% oraz butan - C₄H₁₀ występujący w dwóch odmianach, jako n - butan, w ilości około 45% i izobutan, w ilości około 30%. Dodatkowo w jego składzie mogą występować znikome ilości innych węglowodorów parafinowych i olefinowych [1].

Wymagania jakie powinien spełniać gaz LPG zawarte są w normie PN-EN 589:2002. Zgodnie z tą normą gaz LPG powinien mieć określone parametry:

- względna prężność par nie mniejsza niż 150kPa, przy temperaturach od -10 do +10^oC;

- liczba oktanowa motorowa - nie mniejsza niż 89,0;

- korozja na miedź (1h, 40^oC ) - minimum 1;

- zawartość metanolu - maksimum 2000 mg/kg;

- zawartość siarki ogółem - maksimum 100 mg/kg;

- pozostałość po odparowaniu - maksimum 1550 mg/kg;

- ogólna zawartość dienów - maksimum 0,5%;

- siarkowodór - brak.

Zarówno propan, jak i butan będące głównymi składnikami gazu LPG mają niskie temperatury wrzenia, wynoszące -42,5^oC dla propanu i -8^oC dla butanu. Jednak w wyższych temperaturach mogą one być skroplone pod ciśnieniem. Ciśnienie konieczne do skroplenia gazu jest uzależnione od właściwości propanu. Wynika to z faktu, iż to właśnie propan stanowi składnik bardziej lotny. Wartość tego ciśnienia wynosi około 0,8MPa, przy temperaturze 20^oC i właśnie pod takim ciśnieniem gaz LPG jest magazynowany w zbiornikach pojazdów przy średnich temperaturach [1].

Paliwo pobierane jest ze zbiornika w fazie ciekłej, dlatego też nie należy opróżniać zbiornika poniżej 10% jego objętości. Pobieranie paliwa w fazie ciekłej ogranicza zmiany składu paliwa i ochładzanie zbiornika, które mogło by występować przy pobieraniu paliwa już w fazie gazowej. Konieczność zachowania stałego składu paliwa w zbiorniku wynika z faktu, iż w większości układów zasilania, oprócz układów piątej generacji, nie występuje pompa paliwa. Oznacza to, iż paliwo musi się znajdować w zbiorniku pod ściśle określonym ciśnieniem wynoszącym od 0,25MPa do około 2,4MPa. Ciśnienie te uzależnione jest od składu mieszanki, który istotnie zależy od temperatury otoczenia, dlatego też przy niskich temperaturach (okres zimowy) w składzie mieszanki powinno być więcej propanu, natomiast przy temperaturach wyższych (okres letni) w składzie LPG powinno być więcej butanu.

Gaz LPG ma średnią gęstość w fazie ciekłej około 0,54kg/dm³, która w czasie przejścia do fazy gazowej wzrasta około 200 krotnie [1]. Powoduje to, iż w fazie gazowej mieszanina ta ma około dwukrotnie większą gęstość od powietrza, co powoduje skupianie się tego gazu przy powierzchni ziemi. Gaz ten po wymieszaniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową. Stwarza to dość duże zagrożenie i dlatego pomieszczenia, w których pojazd jest przetrzymywany przez dłuższy czas lub naprawiany powinny być dobrze wentylowane.

Gęstość gazu LPG wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, a jego objętość w fazie ciekłej wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się. Dlatego też przy wysokich temperaturach zbiornik można napełniać maksymalnie do 80% objętości.

W przypadku zasilania gazem LPG zalecane jest stosowanie olejów smarowych wysokich klas (powyżej klasy SG) bądź olejów specjalnie przeznaczonych do silników zasilanych gazem, ponieważ zasilanie gazem powoduje zwiększenie się ilości związków wysokotemperaturowych osadzających się na ściankach komór i trzonkach zaworów. Zastosowany olej powinien cechować się dobrymi właściwościami dyspergująco - myjącymi oraz wysoką odpornością termooksydacyjną.

Gaz LPG jest paliwem czystym, jednak w trakcie magazynowania i dystrybucji do gazu mogą się dostawać zanieczyszczenia. Zanieczyszczeniami takimi mogą być: cząstki stałe, węglowodory o długich łańcuchach, metanol (jako pozostałość po procesie odwadniania LPG), woda oraz siarkowodór. Nadmierna zawartość zanieczyszczeń wywołuje pogorszenie ekonomiczności pracy silnika, wzrost emisji związków toksycznych oraz zmniejszenie trwałości, a nawet uszkodzenie układu zasilania gazem lub wtryskiwaczy. Dlatego też bardzo istotne staje się oczyszczenie doprowadzanego do silnika gazu. Oczyszczanie gazu realizowane jest przez specjalne filtry znajdujące się w układzie zasilania gazem.

1. Wpływ zasilania gazem LPG na parametry pracy silnika ZI

Z reguły przyjmuje się, że pojazdy zasilane gazem LPG mają mniejszą moc oraz zużywają więcej gazu niż benzyny. Nie jest to jednak do końca prawda. W dużej mierze zależy to od generacji układu zasilania oraz od poprawności jego regulacji. Zmiana parametrów pracy silnika jest zauważalna tym bardziej, im starszej generacji jest instalacja gazowa.

Zastosowanie instalacji gazowej może także powodować spadek mocy przy zasilaniu benzyną. Takie zjawisko ma miejsce w układach pierwszej i drugiej generacji. Przyczyną spadku mocy są zwiększone opory przepływu wywołane zamontowanym mieszalnikiem. Mieszalnik w takim przypadku jest elementem dławiącym przepływ i powoduje gorsze napełnienie cylindrów świeżym ładunkiem, w wyniku czego następuje spadek momentu obrotowego silnika. Zjawisko to jest tym wyraźniejsze, im wyższa jest prędkość obrotowa silnika. Spadek momentu może dochodzić do 3% przy prędkości obrotowej mocy maksymalnej [5].

Począwszy do układów generacji trzeciej spadek mocy silnika przy zasilaniu benzyną już nie występuje, ponieważ w układach tych nie jest już montowany mieszalnik.

W przypadku zasilania gazem w pierwszych czterech generacjach odczuwalny jest spadek mocy. Spadek ten jest tym większy, im starszej generacji jest zamontowana instalacja. W przypadku instalacji generacji pierwszej spadek mocy może sięgnąć aż 10%, natomiast w przypadku instalacji generacji czwartej spadek ten może zostać ograniczony nawet tylko do 3% [1, 5]. Spadek mocy jest związany z gorszym napełnieniem cylindrów. W układach generacji pierwszej i drugiej spadek ten spowodowany jest zastosowaniem mieszalnika i podawaniem paliwa w fazie gazowej, natomiast w układach generacji trzeciej i czwartej tylko tym drugim czynnikiem. Wartość opałowa mieszanki gazowo - powietrznej, przy podawaniu gazu w fazie ciekłej jest o około 3% mniejsza niż wartość opałowa benzyny. W praktyce oznacza to, że w układach generacji trzeciej i czwartej spadek mocy jest bardzo mały i jest on prawie nie wyczuwalny przy codziennej eksploatacji pojazdu [1].

W przypadku układów generacji piątej, nie występują już straty związane z pogorszeniem napełnienia cylindrów powodowanym przez podawanie gazu w fazie lotnej. Gaz wtryśnięty w fazie ciekłej w czasie rozprężania wykazuje właściwości chłodzące, co znacząco poprawia współczynnik napełnienia cylindrów. Dzięki temu oraz bardzo precyzyjnemu podawaniu paliwa parametry silnika w użytkowym obszarze prędkości obrotowych przy zasilaniu gazem i benzyną pokrywają się. Przy układach tej generacji możemy nawet zaobserwować, iż na wysokich obrotach przy zasilaniu gazem silnik ma nieco większą moc niż przy zasilaniu benzyną.

Na podstawie analizy krzywej momentu obrotowego można stwierdzić, iż silnik zasilany gazem pracuje bardziej elastycznie niż przy zasilaniu benzyną [5]. Spadek mocy przy zasilaniu gazem w układach generacji od pierwszej do czwartej mógłby praktycznie zostać całkowicie wyeliminowany, gdyby instalacje tego typu były stosowane samodzielnie, a nie jako instalacje dodatkowe. W przypadku silnika zasilanego tylko gazem można by było dobrać inne parametry kąta wyprzedzenia zapłonu, odpowiednie dla gazu i wykorzystać w pełni jego właściwości. Jednak w przypadku układów dwupaliwowych regulacja musi być dokonywana do zasilania benzyną.

Innym istotnym parametrem, na który wpływa montaż instalacji gazowej jest zużycie paliwa. Montaż instalacji generacji pierwszej i drugiej może powodować wzrost zużycia benzyny. Zwiększone zużycie benzyny wynika z większych oporów przepływu powodowanych przez zastosowany mieszalnik. W układach generacji trzeciej i wyższej nie występuje już zwiększone zużycie benzyny związane z faktem zwiększonych oporów przepływu, a wzrost jej zużycia może wynikać jedynie z błędów wprowadzonych do pamięci jednostki sterującej pracą silnika, np. poprzez jej odłączenie i usunięcie w ten sposób poprawek związanych z naturalnym zużyciem elementów.

Zużycie gazu w porównaniu z zużyciem paliwa, nie zależnie od generacji instalacji jest wyższe. Silnik może zużywać od 20% do nawet 43% więcej gazu niż benzyny. Dolna wartość dotyczy instalacji generacji trzeciej i wyższej, natomiast wartość górna dotyczy generacji pierwszej i drugiej [1, 5].

W niektórych generacjach silnik pracujący na gazie jest cichszy niż przy pracy na benzynie. Cichsza praca wynika ze zmniejszenia hałasu powodowanego przez pracujące wtryskiwacze. Cichsza praca silnika przyczynia się do jazdy przez niektórych kierowców na wyższych obrotach, co również przyczynia się do zwiększonego zużycia gazu.

2. Wpływ zasilania gazem LPG na emisję związków toksycznych w silniku ZI

W przypadku stosowania układów mieszalnikowych, czyli pierwszej i drugiej generacji, przy zasilaniu gazem LPG możemy stwierdzić, iż emisja CO₂ uległa zmniejszeniu o około 10 - 15%, CO o około 20 - 40% oraz HC o około 50 - 60% w stosunku do zasilania benzyną. Jednak układy takie powodują zwiększenie emisji NO_x [1]. Z przedstawionych danych wynika, iż zastosowanie zasilania gazowego do starszych typów pojazdów wyraźnie ogranicza zanieczyszczenie atmosfery.

Natomiast w przypadku nowszych układów, tj. trzeciej, czwartej i piątej generacji, ilość emitowanych związków toksycznych przy zasilaniu benzyną i gazem LPG nie jest już tak zróżnicowana. W układach tych generacji bardzo istotne jest obniżenie emisji CO. Zarówno układ zasilania gazem, jak i benzyną spełnia wymagania obowiązującej normy Euro 4. Ilość emitowanych związków toksycznych przez silnik pojazdu przedstawia tabela 2.

Tabela 2

Zawartość związków toksycznych w spalinach na przykładzie samochodu

Daewoo Leganaza przy wtryskowym zasilaniu benzyna i gazem LPG [1]

Składnik spalin Paliwo	Zawartość w spalinach [g/km]
		CO	HC	NOx	CO2
Benzyna	1,2	0,17	0,15	210
Gaz LPG	0,43	0,1	0,2	188
Wymagania wg Euro 3	2,3	0,2	0,15	-
Wymagania wg Euro 4	1,0	0,1	0,08	-

Jednak do uzyskania zmniejszonej emisji związków toksycznych konieczne jest zastosowanie układu zasilania gazem odpowiedniego dla danego pojazdu i ponad to jego właściwe wyregulowanie. W przypadku nie spełnienia tych warunków może zaistnieć sytuacja, przy której silnik zasilany gazem będzie emitował więcej związków toksycznych, niż zasilany benzyną.

3. Wpływ zasilania gazem LPG na parametry pracy silnika ZS

Silniki ZS przystosowane do zasilania gazem LPG mogą być silnikami jedno lub dwupaliwowymi. Adaptacja takich silników do zasilania gazem jest dość trudna, gdyż wymaga zamontowania układu zapłonowego. W przypadku układów jednopaliwowych konieczne staje się zmniejszenie stopnia sprężania. Przy zastosowaniu zasilania dwupaliwowego, nie jest wymagane zmniejszanie stopnia sprężania. Dla układów dwupaliwowych konieczne do wywołania zapłonu konieczne jest wtryśnięcie określonej dawki oleju napędowego. Ilość wtryskiwanego oleju wynosi od 5 do 15% ilości paliwa wtryskiwanego przy zasilaniu silnika samym olejem napędowym.

Istotną zaletą układów dwupaliwowych jest możliwość uzyskania zbliżonych mocy zarówno przy zasilaniu samym olejem napędowym, jak i przy zasilaniu gazem LPG z dodatkiem oleju napędowego. Zbliżoną moc można uzyskać poprzez odpowiedni dobór stosunku paliwa gazowego i płynnego. Spadek mocy w takich silnikach może nawet nie przekraczać 5%. Czasami jednak chcąc uzyskać mniejszą toksyczność spalin dawkę zapłonową dobiera się pod względem ich emisji. Wówczas spadek mocy jest już większy.

Przykładem obrazującym wpływ zasilania gazowego na parametry silnika może być silnik SWT 11/302/1, który po przerobieniu na zasilanie gazowe otrzymał symbol MD111P2. Po wprowadzeniu zasilania gazowego moc tego silnika zmniejszyła się ze 162kW do 152kW, tj. o około 6%. Natomiast moment obrotowy zmniejszył się z 975Nm do 765Nm, tj. o około 22% [2].

W przypadku układów jednopaliwowych zauważalny jest spadek mocy silnika wynikający zarówno z parametrów gazu LPG, jak i w niektórych przypadkach z zastosowania mieszalnika wprowadzającego dodatkowe opory przepływu..

Kolejnym parametrem, który może ulec zmianie przy zastosowaniu paliw gazowych do zasilania silników z zapłonem samoczynnym jest prędkość obrotowa. Stosując paliwa gazowe może być zwiększona szybkoobrotowość tych silników. Wynika to z właściwości gazu, dzięki którym spala się on szybciej niż olej napędowy.

Silniki zasilane gazem LPG spalają go więcej niż oleju napędowego. Zużycie gazu i oleju napędowego jest przedstawione w tabeli 3.

Tabela 3

Średnie normatywne zużycie gazu LPG i oleju napędowego przez silnik autobusów [2]

Parametr	Autosan NH9-35	Jelcz PR-110U
Zużycie ON, dm^3/100km	28	37
Zużycie LPG, dm^3/100km	43…48	59…64

3. CHARAKTERYSTYKA GAZU ZIEMNEGO

Gaz ziemny określany jako NG - Natural Gas, co oznacza po Polsku gaz naturalny, może być stosowany, jako paliwo alternatywne w dwóch odmianach:

- ciekłej - LNG, czyli Liquified Natural Gas (ciekły gaz naturalny);

- sprężonej - CNG, czyli Compressed Natural Gas (sprężony gaz naturalny).

Mianem gaz ziemny określa się wszystkie gazy występujące pod powierzchnią ziemi. Wydobywany jest on w postaci gazowej. Gaz ziemny nie jest efektem wydobycia lub przeróbki ropy naftowej, dlatego też paliwo to jest tak naprawdę paliwem alternatywnym. Zasilanie pojazdów silnikowych tym gazem może się znacznie przyczynić do zmniejszenia zużycia złóż ropy naftowej.

Najczęściej jednak, choć nie słusznie pojęciem gaz ziemny określane są tylko gazy pochodzenia biochemicznego. Jest to związane z faktem, iż są to gazy palne mające największe znaczenie w gospodarce.

Paliwo to podobnie jak paliwa ropopochodne stanowi mieszaninę węglowodorów. Głównym składnikiem tego gazu w ilości około 83 - 98% jest metan. Dodatkowo w skład gazu mogą wchodzić inne węglowodory, takie jak: etan, propan, butan oraz cięższe. Podobnie jak każde paliwo, tak i gaz ten może zawierać pewne ilości zanieczyszczeń, min.: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, powietrze, argon i inne. Zanieczyszczenia te powinny zostać usunięte z gazu przed jego transportem i magazynowaniem. Usuwanie zanieczyszczeń odbywa się w specjalnych procesach.

Gaz ziemny może być wydobywany w dwóch odmianach, różniących się miedzy sobą składem. Możemy wyróżnić gaz ziemny mokry, tzn. taki, który zawiera pewne ilości węglowodorów ciekłych oraz gaz ziemny suchy, czyli jak nazwa wskazuje nie zawierający węglowodorów ciekłych. Skład obu gazów przedstawia tabela 4.

Tabela 4

Skład gazu mokrego i gazu suchego [10]

Rodzaj gazu	Procentowy udział składników gazu ziemnego [%]
		Metan CH4	Etan C2H6	Propan C3H8	Butan C4H10	Pentan C5H12	Azot N2
Suchy	80…90	5…10	0…3	0…2	0…2	0…2
Mokry	30…40	20…30	15…20	4…6	3…5	0…2

Metan, jako główny składnik tego gazu bardzo wpływa na jego właściwości, jednak nie można powiedzieć, że właściwości metanu i gazu są takie same. Różnice pomiędzy składem gazów wzorcowych, a rzeczywistych przedstawia tabela 5.

Tabela 5

Skład chemiczny i parametry gazu ziemnego wzorcowego i rzeczywistego [1]

Rodzaj gazu ziemnego	Grupa energetyczna	Zawartość składników [%]					Liczba metanowa
				Metan	Etan	Propan		Azot	CO2
	Gaz wzorcowy	3B	100,0	-	-	-	-	100
		2L	87,0	-	-	13,0	-	103
	Gazy rzeczywiste	3B, 3P	83,5…99,0	0,3…11,3	0,03…2,7	1,0…1,8	0,3…0,8	76…100
		2L, 2E	82,0…83,2	2,8…3,9	0,4…0,8	10,4…13,0	1,2…4,0	80…88

Metan jest gazem bezwonnym i bezbarwnym, jego gęstość wynosi około 0,57 gęstości powietrza, temperatura topnienia -182,48^oC, temperatura wrzenia 161,49^oC, a temperatura zapłonu 595^oC [1].

Gaz ziemny jest paliwem łatwopalnym, minimalna energia potrzebna do jego zapłonu w powietrzu wynosi 0,25mJ. Ponad to gaz ten przy stężeniu od 5 do 15% w powietrzu tworzy mieszaninę wybuchową. Cechy te mogły by wskazywać, iż użytkowanie tego gazu jest dużym zagrożeniem. Jednak w rzeczywistości tak nie jest, ponieważ gaz ten ma gęstość mniejszą niż powietrze i szybko unosi się w górę, nie tworząc przy tym mieszanki wybuchowej [1].

Ilość niektórych związków wchodzących w skład gazu ziemnego używanego do zasilania silników spalinowych jest ograniczona przez normę ISO 15403. Norma ta min. określa zawartość:

- wody - dopuszczalne 0,03mg/m³ (temperatura -13^oC, ciśnienie 25MPa);

- siarki całkowitej - maksimum 120mg/m³;

- siarkowodoru - maksimum 5mg/m³;

- merkaptanów - maksimum 15mg/m³;

- wody wolnej - maksimum 3%;

- oleju - 70 do 200ppm;

- wyższych ciekłych węglowodorów, glikolu, metanolu - niedopuszczalna.

1. Wpływ zasilania gazem ziemnym na parametry pracy silnika ZI

Podobnie, jak to było w układach LPG zastosowanie instalacji gazowej pierwszej lub drugiej generacji może powodować zwiększone zużycie benzyny, jak i spadek mocy silnika przy zasilaniu gazem. Podobnie też wynika to z faktu zastosowania dodatkowych elementów zwiększających opory przepływu, czyli mieszalnika.

W układach pierwszej, drugiej i trzeciej generacji, czyli w układach mieszalnikowych i wtrysku pośredniego jest zauważalny spadek mocy. Spadek ten wynika z faktu, iż gaz ziemny w stechiometrycznej mieszance gazowo - powietrznej zajmuje 10% objętości i dlatego też w trakcie jednego cyklu do cylindra doprowadzane jest o tyle samo mniej mieszanki, czyli pogorszeniu ulega współczynnik napełnienia cylindra. Spadek mocy dla układów tych generacji przy zasilaniu gazem CNG może wynosić nawet 18…19%, a przy zasilaniu gazem LNG około 6…8% [1, 5].

Innym istotnym parametrem, który ulega pogorszeniu jest sprawność obiegu. Gorsza sprawność wywołana jest przez dużą wartość energii aktywacji metanu, która wydłuża czas potrzebny do spalenia mieszanki. Ponad to dłuższy czas potrzebny do spalenia mieszanki powietrzno - gazowej powoduje, iż temperatura i ciśnienie spalin są wyższe niż w przypadku zasilania benzyną, co niekorzystnie wpływa na zawory i układ wydechowy silnika.

Wpływ powyżej wymienionych czynników na parametry pracy silnika może zostać ograniczony poprzez odpowiednie przystosowanie silnika. Przystosowanie to polega na zwiększeniu kąta wyprzedzenia zapłonu, skonstruowaniu komór zwartych i o wyższym stopniu sprężania oraz zapewniających odpowiednie zawirowanie ładunku. W wyniku tych zmian lepiej wykorzystywane są parametry gazu ziemnego. Niestety jest to możliwe tylko w przypadku nowo projektowanych silników, przeznaczonych wyłącznie do zasilania gazem ziemnym. W przypadku silników dwupaliwowych lub adaptowanych do zasilania gazem przeprowadzenie takich zmian jest niemożliwe.

Spadek mocy można również wyeliminować poprzez zastosowanie w silniku turbodoładowania. Jednak takie rozwiązanie może wywołać wzrost ciśnienia i temperatury mieszanki w cylindrze, co może skutkować wystąpieniem zjawiska spalania stukowego.

W najnowszych układach, tj. przy wtrysku sekwencyjnym gazu, spadek mocy jest bardzo mały, a czasami nie występuje w ogóle. W układach tych przy dokonaniu poprawnej regulacji osiągana jest stabilna praca silnika na mieszankach ubogich. Stabilna praca silnika na mieszankach ubogich może znacząco wpłynąć na zmniejszenie zużycia gazu.

Ważną zaletą silników zasilanych gazem jest ich stabilniejsza i lepsza praca w stanie nie ustalonym. Poprawa pracy silników w stanie nie ustalonym wynika z mniejszej gęstość gazu, co powoduje jego lepsze wymieszanie się z powietrzem. Im lepsze jest wymieszanie mieszanki, tym łatwiej jest utrzymać jej skład stechiometryczny, a ponad to zarówno podczas rozruchu zimnego silnika, jak i jego pracy w fazie nagrzewania nie następuje wykroplenie paliwa na ściankach kolektora dolotowego, co ma miejsce przy zasilaniu benzyną.

Silniki takie charakteryzują się również większą sprawnością ogólną, która wynika z możliwości zastosowania w sinikach ZI większych stopni sprężania. Możliwość zwiększenia stopnia sprężania wynika z dość wysokiej liczby oktanowej gazu, wynoszącej 110…112.

Silniki zasilane gazem ziemnym wykazują większą trwałość i niezawodność, ponieważ mieszanka spala się wolniej, a przez to bardziej równomiernie. Zwiększenie trwałości wynika też z poprawy warunków smarowania, ponieważ w trakcie spalania gazu na ściankach cylindrów nie osadzają się produkty stałe. Zastosowanie gazu ziemnego wpływa także na polepszenie właściwości rozruchu zimnego silnika, co jest bardzo istotne zwłaszcza zimą. Stosowanie gazu ziemnego wydłuża okres trwałości oleju silnikowego, ponieważ gaz w przeciwieństwie do benzyny prawie w ogóle się w nim nie rozpuszcza.

Kolejnym bardzo istotnym czynnikiem zachęcającym do stosowania gazu ziemnego w silnikach jest ich mniejsza hałaśliwość. Badania wykazały, iż silnik pracujące na gazie są nawet o 7dB cichsze, niż pracujące na benzynie.

2. Wpływ zasilania gazem ziemnym na emisję związków toksycznych w silniku ZI

O silnikach zasilanych gazem ziemnym można powiedzieć, iż są bardziej ekologiczne od zasilanych gazem LPG i benzynowych. Jednak stwierdzenie to znajduje odzwierciedlenie tylko w przypadku zastosowania układów generacji trzeciej i czwartej, a najlepiej w przypadku silników przystosowanych fabrycznie do zasilania gazem ziemnym W przypadku silników adaptowanych, zwłaszcza starszego typu (układy generacji pierwszej i drugiej) sytuacja może być całkiem inna i taki silnik może emitować jeszcze więcej związków toksycznych niż przy zasilaniu benzyną. Ilość związków toksycznych emitowanych przez silnik ZI zawiera tabela 6.

Tabela 6

Ilość związków toksycznych emitowanych przez silniki ZI zasilane gazem CNG i benzyną [1]

Pojazd	Rodzaj paliwa	Ilość emitowanych związków [g/km]
				HC	CO	NOx	CO2
	Renault Trafic T31E	Benzyna	0,22	1,74	0,22	264,8
		Gaz CNG	2,87	4,86	0,32	204,4
Peugeot Partner	Gaz CNG	0,79	1,79	0,01	119,9
FIAT Multipla Bifuel	Benzyna	0,21	1,06	0,09	222,6
		Gaz CNG	0,17	1,14	0,03	168,9
	Wartości dopuszczalne	Euro 3	0,20	2,3	0,15	-
		Euro 4	0,10	1,0	0,08	-

Rozbieżności w powyższej tabeli wynikają ze stanu technicznego i rodzaju silnika. Silnik pojazdu Renault Trafic był zaadaptowany do zasilania gazem, z instalacją mieszalnikową i po przejechaniu kilkunastu tysięcy kilometrów na paliwie gazowym. Silnik pojazdu Peugeot Partner był nowym silnikiem zaadaptowanym do zasilania gazem, natomiast silnik pojazdu Fiat Multipla był silnikiem już fabrycznie przystosowanym do zasilania gazem ziemnym.

Przy zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji układu wylotowego możliwe jest znaczne zmniejszenie emisji związków toksycznych. Konstrukcja taka wymaga zastosowania dwóch połączonych szeregowo katalizatorów i dwóch bardzo dokładnych sond lambda. Zastosowanie tych elementów umożliwia zmniejszenie emisji CO o 70%, NO_x o 80%, CO₂ o 20% i HC o 87%. Przykładem takiego silnika może być silnik zastosowany w samochodzie Honda Civic GX [1].

Pomimo wielu rozbieżności co do oceny ekologiczności silników zasilanych gazem ziemnym bez sporny jest jedynie fakt, że zasilanie gazem ziemnym powoduje zmniejszenie emisji CO₂. Zmniejszona emisja tego związku zauważalna jest zarówno w silniku ZI, jak i silniku ZS. Gaz ten nie jest trujący, jednak zmniejszanie jego emisji jest bardzo ważne, ponieważ to on w głównej mierze odpowiada za efekt cieplarniany. Zmniejszona emisja CO₂ spowodowana jest najmniejszą zawartością węgla w gazie ziemnym. Związkiem wywołującym efekt cieplarniany, a również emitowanym przez silnik zasilane gazem ziemnym jest metan. Nie jest on jednak tak szkodliwy, jak dwutlenek węgla, gdyż łatwo rozkłada się w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania ultrafioletowego.

3. Wpływ zasilania gazem ziemnym na parametry pracy silnika ZS

Silniki jednopaliwowe przystosowane do zasilania gazem ziemnym mają mniejszą o 5…19% moc znamionową i mniejsze objętościowe wskaźniki mocy niż silniki zasilane olejem napędowym. Badania przeprowadzone na silniku GO 846 MAN wykazały spadek mocy z 95,6kW do wartości 70,5kW, tj. o około 26% [5]. Tak duży spadek mocy jest zauważalny w przypadku układów zasilania gazem starszej generacji, w nowszych układach spadek ten jest mniejszy i może wynosić 4…8% [2].

Wadą zasilania gazowego jest dość duże zużycie paliwa gazowego, które związane jest z innym parametrem wypadającym na niekorzyść zasilania gazowego. Parametrem tym jest sprawność obiegu, która w przypadku zasilania gazem jest mniejsza. Zwiększony spadek sprawności zauważalny jest w zakresie częściowych obciążeń. Sprawność obiegu może zostać zwiększona poprzez odpowiednie obniżenie stopnia sprężania. Zużycie gazu zależy od składu mieszanki. Przy zasilaniu mieszanką ubogą zużycie gazu jest o około 15% wyższe, a przy zasilaniu mieszanką stechiometryczną o około 25% wyższe niż zużycie oleju napędowego [2].

Silniki zasilane gazem ze względu na jego małą gęstość posiadają gorszy współczynnik napełnienia cylindra świeżym ładunkiem. Współczynnik ten może zostać poprawiony poprzez zastosowanie turbodoładowania.

Bardzo ważną cechą charakterystyczną silników ZS adaptowanych na zasilanie gazem ziemnym jest ich cichsza praca. Spadek hałaśliwości wynosi 2…4dB [2].

4. Wpływ zasilania gazem ziemnym i gazem LPG na emisję związków toksycznych przez silniki ZS

Najbardziej ekologiczne zarówno w przypadku silników zasilanych mieszaniną propan - butan, jak i gazem ziemnym są silniki jednopaliwowe. W takich silnikach prawie całkowicie zostaje wyeliminowane zjawisko dymienia. W spalinach silników dwupaliwowych znajdują się cząstki stałe, które powstają wskutek spalenia dawki zapłonowej oleju napędowego. Zawartość cząstek stałych będzie tym większa, im większa będzie dawka wtryśniętego paliwa.

Skład spalin emitowanych przez adaptowane silniki ZS nie jest stały. W bardzo istotny sposób zależy on od tego, czy silnik jest zasilany mieszanką ubogą, czy mieszanką bogatą. Uzależniony jest on również od składu chemicznego samego gazu, stopnia sprężania, rodzaju i kształtu komory spalania, wartości i zmienności kąta wyprzedzenia zapłonu. Skład spalin w bardzo istotny sposób zależy również od generacji instalacji gazowej, która została zastosowana. Więcej związków toksycznych będzie emitowanych przez układy starszych generacji, tj. mieszalnikowe, a mniej przez układy generacji nowszych, tzn. układy wtryskowe sterowane elektronicznie.

Szczegółowe badania nad emisją związków toksycznych przez silnik jednopaliwowe zasilane gazem zostały przeprowadzone przez Instytut Transportu Politechniki Śląskiej. Badania były przeprowadzane na silniku stosowanym w autobusach miejskich o pojemności 11 000cm³ o mocy 146kW. Wyniki tych badań są przedstawione na rysunku 2.

a) b) c)

d) e)

Rys. 2. Wykresy słupkowe przedstawiające wyniki badań prowadzonych przez Instytut Transportu Politechniki Śląskiej: a) zużycie energii; b) emisja NO_x; c) emisja CO; d) emisja HC; e) emisja cząstek stałych. Na wykresach: 1 - zasilanie olejem napędowym; 2 - zasilanie ubogą mieszanką LPG; 3 - zasilanie stechiometryczną mieszanką LPG; 4 - zasilanie ubogą mieszanką CNG; 5 - zasilanie stechiometryczną mieszanką CNG [3]

Oprócz badania ekologiczności tego silnika przeprowadzono badania zużycia energii. Na podstawie badań stwierdzono, iż najniższe zużycie energii jest dla silnika zasilanego olejem napędowym, natomiast przy zasilaniu gazowym mniejsze zużycie energii jest przy stosowaniu mieszanek ubogich. Mniejsze zużycie energii wykazują silniki zasilane gazem CNG. Obrazuje to wykres przedstawiony na rysunku 2a.

Ilość związków toksycznych emitowanych przy zasilaniu olejem napędowym przyjęto za 100%. Na podstawie tych wykresów można stwierdzić, iż silniki zasilane gazem są bardziej ekologiczne niż silniki zasilane olejem napędowym. Zarówno dla gazu LPG, jak i gazu CNG emisja związków toksycznych jest mniejsza przy zasilaniu mieszanką stechiometryczną, aniżeli przy zasilaniu mieszanką ubogą. Prawie we wszystkich przypadkach ilość związków emitowanych przy zasilaniu LPG i CNG jest zbliżona. Wyjątek stanowi tutaj emisja HC, która w przypadku zasilania ubogą mieszaniną CNG jest znacznie wyższa niż przy zasilaniu olejem napędowym, wzrost emisji w tym przypadku wynika ze znajdującego się w spalinach nie spalonego metanu.

Przedstawione wykresy słupkowe nie umożliwiają odczytania konkretnych wartości liczbowych, jednak wartości takie możemy odczytać na podstawie tabel 7 i 8.

Tabela 7

Ilość emitowanych związków toksycznych przy zasilaniu ON i gazem LPG w g/kWh [2]

Składnik spalin	Zasilanie ON	Zasilanie LPG		Krotność zmniejszenia emisji przy zasilaniu LPG
					mieszanka uboga	mieszanka stechiometryczna
CO	1,5	0,25	1,0	6…1,5
HC	0,6	0,55	0,22	11…2,7
NOx	8,0	2,8	1,6	2,9…5,1
PM	0,36	0,06	0,02	6,4…18

Tabela 8

Ilość emitowanych związków toksycznych przy zasilaniu ON i gazem CNG w g/kWh [2]

Składnik spalin	Zasilanie ON	Zasilanie CNG		Krotność zmiany emisji w stosunku do ON
					mieszanka uboga	mieszanka stechiometryczna
CO	1,5	0,17	0,30	spadek o 9…6
HC	0,6	1,02	0,21	spadek o 2,8; wzrost o 1,6
NOx	8,0	3,2	1,6	spadek o 2,5…5
PM	0,36	0,03	0,02	spadek o 12…18

4. CHARAKTERYSTYKA WODORU

Wodór może być określany mianem paliwa alternatywnego. Jest to pierwiastek występujący w całej przyrodzie, a w wyniku jego spalania powstaje najmniej związków toksycznych.

Wodór w temperaturze otoczenia stanowi bezwonny i bezbarwny gaz, jednak w temperaturze 20K zmienia stan skupienia, stając się bezbarwną cieczą. Przy dalszym ochładzaniu, w temperaturze 14K przechodzi w stan stały. Jest on najlżejszym pierwiastkiem chemicznym. Wodór jest gazem palnym a w odpowiednich warunkach wybuchowym. Mieszanina wodorowo - powietrzna może ulec zapłonowi, przy zawartości wodoru od 4 do 75% objętości, a wybuchowi przy zawartości wodoru od 18,3 do 74% objętości. Jednak pod względem bezpieczeństwa jest on zbliżony do gazu ziemnego, co wynika z faktu wysokiego współczynnika dyfuzji w powietrzu [5]. Gaz ten słabo rozpuszcza się w wodzie, ale jest bardzo aktywny chemicznie. Nie jest on gazem toksycznym, jednak nie podtrzymuje procesu oddychania. Wymaga to zastosowania szczególnej ostrożności przy pracy w atmosferze nasyconej wodorem. Parametry wodoru przedstawione są w tabeli 9.

Tabela 9

Podstawowe własności wodoru [5]

Wielkość	Jednostka	Wartość
Temperatura wrzenia	K	20,24
Temperatura krzepnięcia	K	13,8
Temperatura krytyczna	K	32,9
Gęstość: - w temperaturze wrzenia - w temperaturze krzepnięcia - w warunkach normalnych	g/cm^3 g/cm^3 kg/m^3	0,07097 0,0896 0,8987
Ciepło topnienia	kJ/mol	0,0965
Ciepło parowania	kJ/mol	0,903
Ciśnienie krytyczne	MPa	1,27

W przyrodzie wodór nie występuje jako samodzielny pierwiastek, tworzy on tylko szereg związków. Związkiem zawierającym wodór, a występującym w największej ilości na ziemi jest woda. Wodór jest także jednym z głównych składników związków organicznych. W największym stopniu paliwo to może być otrzymywane z węglowodorów albo wody. Istnieje kilka sposobów otrzymywania tego paliwa. Najczęściej wodór jest otrzymywany w wyniku elektrolizy wodnych roztworów kwasów i zasad, bądź poprzez przeprowadzenie procesu reformingu parowego metanu, otrzymanego z gazu ziemnego lub biomasy. Obecnie trwają pracę nad uzyskiwaniem wodoru z wody morskiej przy wykorzystaniu energii słonecznej.

Wodór w zależności od stanu skupienia w jakim występuje ma różną wartość opałową. Wartość ta wynosi 10,501MJ/m² dla stanu gazowego; 8373,8MJ/m² dla postaci ciekłej oraz 10501,1MJ/m² dla ciała stałego. Jak widać nawet przy stanie gazowym, czyli najczęściej używanym do zasilania silników spalinowych jego wartość opałowa jest około 2,8 razy wyższa do wartości opałowej przeciętnej benzyny. Mieszanina stechiometryczna wodoru z powietrzem ma stosunek 34,5 : 1, natomiast mieszanina stechiometryczna benzyny z powietrzem 14,7 : 1. Wodór może z powietrzem bardzo łatwo tworzyć mieszaninę jednorodną, co wynika z faktu, iż charakteryzuje się on dużym współczynnikiem dyfuzji w powietrzu. Wysoki współczynniki dyfuzji w powietrzu wynika z małej gęstości wodoru [5].

Szczegółowe specyfikacji i dane dotyczące wodoru, który może być zastosowany jako paliwo są zawarte w normie PN-ISO14687.

1. Wpływ zasilania wodorem na parametry pracy silnika ZI

Najbardziej istotnym parametrem, który ulega pogorszeniu w przypadku zasilania wodorem jest zmniejszenie mocy silnika. Spadek mocy w przypadków układów dwupaliwowych może sięgać nawet 40%, natomiast w przypadku układów jednopaliwowych spadek ten wynosi 20…25%. Spadek mocy wynika z małej gęstości wodoru, która wpływa na pogorszenie napełnienia cylindrów. Wodór w postaci gazowej przy składzie stechiometrycznym może zajmować nawet do 30% pojemności cylindra, w przypadku benzyny wartość ta wynosi tylko 2…4%. Mniejsza moc w przypadku układów dwupaliwowych związana jest także z niewłaściwą regulacją silnika, czyli niedostosowaniem kąta wyprzedzenia zapłonu oraz nie zastosowaniem odpowiedniego stopnia sprężania. Niestety spadek mocy w przypadku układów dwupaliwowych jest zauważalny nawet przy zastosowaniu układów z wtryskiem bezpośrednim [1, 5].

W przypadku stosowania układów jednopaliwowych z wtryskiem bezpośrednim moc osiągana przy zasilaniu benzyną i wodorem była by porównywalna, a nawet w odpowiednich warunkach przy zasilaniu wodorem mogła by być wyższa o 10…15%.

Jeżeli silnik pracuje w warunkach ustabilizowanych przy średnich obciążeniach zauważalny jest wzrost sprawności obiegu. Sprawność obiegu może nawet wzrosnąć o 25…50% [5].

Silniki zasiane wodorem łatwiej dają się uruchomić. Zaleta ta wynika z szerokiej granicy palności wodoru. Wodór może się spalać przy współczynniku nadmiaru powietrza wynoszącym od 0,14 do 9,9. Tak duży przedział palności umożliwia spalanie mieszanek ubogich. Kolejnym czynnikiem ułatwiającym rozruch i umożliwiającym spalanie mieszanek ubogich jest mniejsza niż dla benzyny energia zapłonu. Tak szerokie granice palności powodują również, iż teoretycznie skład mieszanki mógłby być regulowany ilościowo.

W rzeczywistych silnikach jednak współczynnik nadmiaru powietrza wynosi od 0,2 do 5, co powoduje konieczność stosowania regulacji jakościowej składu mieszanki, realizowanej poprzez zmianę natężenia przepływu wodoru.

Niska energia zapłonu będąca jedną z ważniejszych zalet paliwa wodorowego stanowi też dość poważną wadę. Mniejsza energia może przyczynić się do zapłonu mieszanki jeszcze przed zamknięciem zaworu dolotowego lub przed wystąpieniem iskry. Taki niekontrolowany zapłon może nastąpić od gorących ścianek cylindra lub pozostałych jeszcze w cylindrze rozgrzanych spalin. Zjawisko przedwczesnego zapłonu może zostać ograniczone poprzez doprowadzenie wody do mieszanki lub recyrkulację spalin. Doprowadzana woda powoduje ochłodzenie rozgrzanych ścianek cylindrów, denka tłoka i zaworów.

Zużycie wodoru, w porównaniu do zużycia benzyny jest także większe. Wzrost zużycia związany jest z mniejszą wartością opałową wodoru.

2. Wpływ zasilania wodorem na emisję związków toksycznych w silniku ZI

Silniki zasilane wodorem są najbardziej ekologicznymi silnikami spalinowymi. W związkach emitowanych przez takie silniki w ogóle nie występuje CO₂, który pomimo, iż nie jest związkiem toksycznym przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Głównym składnikiem spalin jest woda, czyli związek nieszkodliwy.

W spalinach można także stwierdzić niewielkie ilości CO i CH. Jednak pojawienie się tych związków nie jest efektem spalania wodoru, a efektem spalania przedostającego się do komory spalania oleju silnikowego.

Silniki zasilane wodorem w zakresie częściowych obciążeń emitują o wiele mniej tlenków azotu, a w zakresie obciążeń całkowitych emisja tych związków jest zbliżona do ilości związków emitowanych przez silnik w trakcie zasilania benzyną. Ilość emitowanych tlenków azotu w istotny sposób zależy od współczynnika nadmiaru powietrza.

Zasilanie wodorem przyczynia się do wydłużenia czasu żywotności silnika, ponieważ w wyniku jego spalania w oleju silnikowym nie powstają organiczne tlenki.

Ilość związków toksycznych emitowanych przez silnik zasilany benzyną i wodorem przedstawia tabela 10.

Tabela 10

Emisja związków toksycznych przy zasilaniu benzyną i wodorem [8]

Paliwo	Ilość związków toksycznych [g/km]
		CO2	CO	HC	NOx
Benzyna	351	21,9	1,41	1,42
Wodór	0	0,55	0,01	0,96
Efektywność	-100%	-97%	-99%	-32%

3. Wpływ zasilania wodorem na parametry pracy silnika ZS

i emisję związków toksycznych

Silniki ZS dwupaliwowe zasilane wodorem ze względu na niemożność całkowitej regulacji do zasilania paliwem gazowym oraz ze względu na mniejszą wartość opałową wodoru charakteryzują się spadkiem mocy, dochodzącym nawet do 40%. Jednak silnik takie posiadają większą sprawność obiegu. W przypadku silników jednopaliwowych spadek mocy jest mniejszy i wynosi 20…25% [5].

Zużycie wodoru jest również większe w porównaniu do zużycia oleju napędowego. Jednak pomimo tak wielu wad zastosowanie wodoru przynosi bardzo wielki zysk w postaci ograniczania zanieczyszczenia atmosfery.

W przypadku silników jednopaliwowych skład związków emitowanych przez silnik jest zbliżony do przedstawionego w tabeli 10, czyli jak dla silnika ZI zaadaptowanego do zasilania wodorem, w takim przypadku całkowicie zostaje wyeliminowana emisja cząstek stałych. W spalinach silników dwupaliwowych zasilanych mieszaniną wodoru z olejem napędowym ilość emitowanych związków jest już wyższa, jednak i tak znacznie mniejsza, niż gdyby silnik był zasilany tylko paliwem ciekłym. W sytuacji takiej nie ma również możliwości całkowitego wyeliminowania emisji cząstek stałych. Pewna ich ilość będzie powstawać wskutek spalenia dawki zapłonowej.

5. ORGANICZNE ZWIĄZKI TLENOWE

1. Związki tlenowe jako paliwa do silników ZI

Wśród wielu związków tlenowych do zasilania silników o zapłonie iskrowym mogłyby być stosowane następujące alkohole:

- metanol,

- etanol,

- izopropanol,

- butanol,

- izobutanol,

- tertbutanol.

Podstawowe właściwości tych alkoholi w porównaniu z właściwościami benzyny przedstawione są w tabeli 11.

Tabela 11

Parametry wybranych związków tlenowych

Związek tlenowy	Gęstość w 15^oC [kg/m^3]	Liczba oktanowa badawcza	Liczba oktanowa motorowa	Temperatura wrzenia [^oC]	Temperatura krzepnięcia [^oC]	Wartość opałowa [MJ/kg]	Ciepło parowania [kJ/kg]
Metanol	795,6	107	91	64,7	- 97,7	19,9	1100
Etanol	793,2	108	92	78,3	- 114,1	26,8	910
Izopropanol (IPA)	7885	118	102	82,3	- 87,8	29,9	700
Butanol	811,9			100,0	- 114,0	33,8
Izobutanol (IBA)	809,6	110	90	108,7	- 88,5	32,4	680
Tertybutanol (TBA)	792,6	109	93	82,8	+ 25,6	33,8	544
Benzyna silnikowa super wg EN228	720…775	min. 95	min. 85	25…215	< - 40	~ 41,0	350…380

Ze względu na koszty i rodzaj zastosowanej technologii w praktyce do zasilania silników o zapłonie iskrowym stosuje się metanol i etanol. Najpowszechniejsze zastosowanie paliwa te znalazły po drugiej wojnie światowej, kiedy to były stosowane jako dodatki do benzyn.

Alkohole te bardzo dobrze nadają się do zasilania silników, gdyż mają parametry zbliżone do parametrów benzyny. Bardzo ważnym parametrem tych alkoholi jest ich wysoka liczba oktanowa, a co się z tym wiąże dobra odporność na spalanie stukowe. Zainteresowanie tymi paliwami wynika również z faktu, iż silniki nimi zasilane są bardziej ekologiczne.

1. Metanol

Metanol jest to alkohol o najprostszej budowie cząsteczkowej. Alkohol ten może być wytworzony praktycznie z każdej substancji zawierającej węgiel. Substancjami takim są między innymi: gaz ziemny, węgiel kamienny, torf, drewno oraz wszelkie odpady organiczne, tzw. biomasy. Czysty alkohol jest bezbarwną, silnie trującą cieczą o specyficznym zapachu. Obecnie alkohol ten stosowany jest nie tylko jako samodzielne paliwo ale również jako składnik wielu substancji, np. MTBE, eter dimetylowy (DME), ester metylowy oraz jako surowiec do otrzymywania wodoru.

Na podstawie tabeli 11, można stwierdzić iż metanol w porównaniu z benzyną posiada następujące wady i zalety [1]:

- ma wyższą liczbę oktanową badawczą i motorową, dzięki czemu wykazuje większą odporność na spalanie stukowe, a to umożliwia zwiększenie stopnia sprężania, czyli równocześnie uzyskanie większej sprawności silnika;

- ma niższą granicę zapłonu, dzięki czemu silnik może być zasilany uboższymi mieszankami;

- ma dużo wyższe ciepło parowania, dzięki czemu mieszanka się znacznie oziębia, a to powoduje lepsze napełnienie cylindrów oraz obniżenie maksymalnej temperatury i ciśnienia spalania;

- wyższe ciepło parowania jest również wadą, gdyż może wywoływać trudności z uruchomieniem zimnego silnika;

- ma około 2 razy mniejszą wartość opałową, dlatego żeby silnik mógł uzyskać taką samą moc musi zużywać około 2,2 razy więcej masowo metanolu niż benzyny;

- zapala i spala się szybciej niż benzyna, a mieszanka metanolowo - powietrzna jest bardziej jednorodna;

- ma niższą temperaturę wrzenia niż benzyna, dzięki czemu szybciej odparowuje.

Podstawowymi trudnościami przy magazynowaniu metanolu są jego duża higroskopijność i duża aktywność korozyjna. Woda wchłaniana przez metanol z powietrza powoduje wzrost jego gęstości, temperatury wrzenia i temperatury krystalizacji. Dodatkowo wraz ze wzrostem zawartości wody zwiększa się aktywność korozyjna metanolu. Metalami, z którymi metanol reaguje najszybciej są: ołów, żelazo, magnez, aluminium i ich stopy. Kolejnym problem jest destrukcyjne oddziaływanie na tworzywa sztuczne przy dłuższym kontakcie metanolu z nimi.

Zasilając silnik ZI czystym metanolem można stwierdzić, że:

- zwiększa się jego sprawność ogólna;

- zmniejsza się emisja tlenków azotu, węglowodorów i w niektórych przypadkach, zwłaszcza przy zasilaniu mieszalnikowym tlenku węgla;

- wzrasta zawartość aldehydów w spalinach;

- występuje szybsze zużycie tulei cylindrowej i pierścieni;

- mogą występować przedwczesne zapłony, czyli zwiększone obciążenia mechaniczne silnika.

W praktyce jednak bardzo rzadko silniki zasilane są czystym metanolem. Najczęściej jako paliwo stosuje się mieszaninę benzyny silnikowej i metanolu. W celu otrzymania stabilnej mieszaniny należy do niej dodać stabilizatory, emulgatory lub rozpuszczalniki.

Właściwości otrzymanej mieszaniny zależą od udziału poszczególnych składników. Najbardziej optymalne wartości uzyskuje się przy zawartości około 15…20% metanolu w mieszaninie. Taka zawartość metanolu powoduje wzrost odporności paliwa na spalanie stukowe oraz obniżenie temperatury mieszanki, czyli poprawienie współczynnika napełnienia cylindra ale równoczesne zwiększenie problemów z uruchamianiem zimnego silnika. Mieszaniny takie charakteryzują się również mniejszą aktywnością korozyjną. Narażone na korozję nawet już przy niewielkiej zawartości wody są stopy aluminium. Mieszaniny te mogą być magazynowane i transportowane, ale pod warunkiem zapewnienia ochrony przed przedostawaniem się do niej wilgoci.

Obecnie nie stosuje się silników zasilanych czystym metanolem, jednak w Stanach Zjednoczonych użytkowane są pojazdy zasilane paliwem M85. Paliwo to w swoim składzie zawiera 85% metanolu i 15% benzyny. Pojazdy takie określa się mianem FFV, czyli Fuel Flexible Vehicles. Pomimo, iż koszty uzyskania metanolu są niższe niż koszty uzyskania benzyny, jednak ich eksploatacja jest droższa, ale dominującą rolę odgrywają aspekty ekologiczne. W tabelach 12 i 13 przedstawione są ilości związków toksycznych emitowanych przez silnik przy zasilaniu benzyną, paliwem M85 oraz paliwem zawierającym 90% benzyny i 10% metanolu.

Tabela 12

Zawartość związków toksycznych emitowanych przez silnik BMW

zasilany benzyną silnikową bezołowiową i mieszaniną M85 [1]

Paliwo	Zawartość związków toksycznych w spalinach [g/kWh]
		CO	HC	NOx
Benzyna M85	50,24 41,36	4,97 1,52	11,48 4,97

Tabela 13

Skład spalin silników zasilanych benzyna i jej mieszaninami z metanolem [1]

Składnik spali	Jednostka miary	Rodzaj paliwa
				BS	90% BS + 10% MeOH	15% BS + 85% MeOH
CO NOx Benzen Aldehyd mrówkowy Aldehyd octowy Wzrost zużycia paliwa w stosunku do czystej BS	g/milę g/milę mg/milę mg/milę mg/milę %	2,81 0,40 15,0 2,8 0,8 100	2,59 0,40 12,0 2,6 0,7 106	1,93 0,49 2,4 15,0 0,2 142

2. Etanol

Etanol podobnie, jak metanol również może być stosowany jako samoistne paliwo lub jako surowiec do wytworzenia innych paliw. Na bazie etanolu możemy otrzymać zarówno paliwo do zasilania silników o zapłonie iskrowym, jak i silników o zapłonie samoczynnym. Paliwem do zasilania silników ZI jest ETBE, czyli paliwo otrzymane w wyniku reakcji etanolu z izobutylenem. Paliwem do silników ZS są: eter dietylowy, czyli DEE oraz estry etylowych wyższych kwasów tłuszczowych [1].

Etanol może być wytwarzany dwiema metodami:

1. syntetyczną, czyli przez uwodnienie etylenu;

2. fermentacyjną, metoda ta polega na fermentacji alkoholowej cukru glukozy, zachodzącej pod wpływem specjalnych enzymów, otrzymywanych między innymi z drożdży w roztworze wodnym.

W wyniku fermentacji otrzymuje się 8…15% roztwór etanolu. W skład tego roztworu wchodzą również inne alkohole. Otrzymany roztwór należy następnie poddać destylacji, w wyniku czego otrzymuje się tak zwany spirytus rektyfikowany, który zawiera 96% etanolu i 4% wody. Wodę zawartą w spirytusie rektyfikowanym można usunąć np. poprzez zastosowanie pochłaniaczy jonowych, destylację azeotropową lub poprzez ekstrakcje rozpuszczalnikową.

Podstawowe parametry etanolu i benzyny silnikowej przedstawione są w tabeli 11. Na podstawie tej tabeli możemy stwierdzić, iż etanol w porównaniu z benzyną posiada następujące wady i zalety [1]:

- ma większą liczbę oktanową, czyli większą odporność na spalanie stukowe, dzięki czemu w silnikach można zwiększyć stopień sprężania, dzięki czemu zwiększy się jego sprawność;

- posiada większą o 20…30% prędkość spalania, dzięki czemu silnik może równomiernie pracować przy wyższych prędkościach obrotowych lub przy mniejszym kącie wyprzedzenia zapłonu;

- charakteryzuje się mniejszym zapotrzebowaniem na powietrza, co wymusza zmiany konstrukcyjne silnika i konieczność wzbogacania mieszanki paliwowo - powietrznej;

- granica zapalności mieszanki paliwowo - powietrznej jest przekroczona już przy temperaturze 12^oC, co utrudnia rozruch zimnego silnika;

- większy udział tlenu i mniejsza wartość opałowa powodują wzrost jednostkowego zużycia paliwa przez silnik, zużycie paliwa wzrasta o około 1,6 razy;

- ma wyższe ciepło parowania dzięki czemu poprawie ulega współczynnik napełnienia cylindra oraz zmniejszają się maksymalna temperatura i ciśnienie spalania, ale równocześnie występują większe trudności z rozruchem silnika;

- mając mniejszą prężność wywołuje trudności przy rozruchu zimnego silnika;

- jego większa higroskopijność powoduje iż szybciej wchłania wodę z otoczenia, w wyniku czego traci swoje pożądane właściwości.

Etanol wykazuje agresywność korozyjną w stosunku do metali i ich stopów, zwłaszcza w atmosferze wody. Alkohol ten podobnie, jak metanol oddziałuje destrukcyjnie na wiele tworzyw sztucznych. Powyższe cechy sprawiają dość duże problemy przy magazynowaniu etanolu. Inną cechą utrudniająca jego magazynowanie jest zdolność do dyfundowania przez ścianki zbiorników. Bardzo ważną zaletą, jest zdolność do biodegradacji etanolu po jego przedostaniu się do środowiska.

Etanol jako samoistne paliwo mógłby być stosowany po odpowiednim przystosowaniu silnika. Jednak koszt adaptacji silnika oraz koszt eksploatacji takiego silnika jest dość wysoki, dlatego też etanol jako paliwo samoistne nie znalazł powszechniejszego zastosowania. Etanol najczęściej stosuje się jako dodatek do benzyn silnikowych. Otrzymane paliwo posiada cechy pośrednie pomiędzy cechami samej benzyny a samego etanolu, przejmując zarówno wady i zalety tego drugiego.

Podstawową wada mieszaniny benzynowo - etanolowej je zdolność do chłonięcia wody. Cecha ta nie jest addytywna, więc mieszanina taka wykazuje taką sama higroskopijność jak czysty etanol. Cecha ta stwarza duże problemy przy magazynowaniu, transporcie, dystrybucji i użytkowaniu takiej mieszaniny. Nawet mała ilość wody może powodować jej rozwarstwienie. W celu zmniejszenia higroskopijności należy dodać stabilizatory, którymi mogą być inne alkohole, np. izopropylowy lub tertbutylowy.

Duża przyswajalność może spowodować iż w mieszaninie benzynowo - etanolowej w obecności wody mogą rozwijać się mikroorganizmy, które przyczyniają się do wytrącania osadów i zwiększenia agresywności takiego paliwa. Chcąc zmniejszyć to zjawisko podczas czyszczenia oraz suszenia zbiorników magazynowych i cystern należy stosować biocydy.

Dodatek etanolu zwiększa liczbę oktanową paliwa oraz między innymi prężność par. Wzrost tej drugiej cechy jest niekorzystny, gdyż zwiększa on emisję zanieczyszczeń w porównaniu z czystym etanolem, a także powoduje pogorszenie właściwości rozruchowych silnika w porównaniu z czystą benzyną. Benzyna z dodatkiem etanolu ma większą skłonność do utleniania oraz krótszy okres indukcyjny a także wykazuje zwiększona tendencję do tworzenia żywic w trakcie magazynowania. Zasilanie taką benzyną przyczynia się do powstawania większej ilość osadów, zwłaszcza w kanałach dolotowych i na zaworach wylotowych.

Pomimo wielu wad etanol stosowany jest jako dodatek do benzyn, ponieważ silniki zasilane takim paliwem są bardziej ekologiczne. Zmiana ilości emitowanych zanieczyszczeń jest uzależniona nie tylko od zawartości etanolu w benzynie, ale także od innych czynników, między innymi od rodzaju zasilania silnika. W źródłach literaturowych podawane są różne wartości tych zmian, jednak można stwierdzić, iż silniki zasilane mieszaniną benzyny i etanolu wykazują [1]:

- mniejszą emisję węglowodorów przy opóźnieniu kąta wyprzedzenia zapłonu, zwiększeniu prędkości obrotowej i małym obciążeniu, natomiast ich zwiększoną emisję przy pozostałych warunkach pracy silnika;

- zwiększoną emisję tlenków azotu dla mieszanek bogatych oraz zmniejszoną emisję tych związków przy zasilaniu mieszankami ubogimi, a także przy opóźnieniu zapłonu, zmniejszeniu prędkości obrotowej i zmniejszeniu obciążenia;

- w każdym przypadku zmniejszoną emisję tlenków węgla;

- podobnie, jak przy zasilaniu metanolem zwiększoną emisję aldehydów.

Można stwierdzić, iż ze względu na aspekty ekologiczne etanol powinien znaleźć jeszcze szersze zastosowanie jako dodatek do benzyn. Bardzo korzystne było by szersze wykorzystanie czystego etanolu jako paliwa do silników o zapłonie iskrowym, jednak w tym przypadku utrudniają to aspekty ekonomiczne. Silniki zasilane czystym etanolem były by bardziej ekologiczne, ale także o wiele droższe od silników benzynowych.

1. Etery, jako dodatki do benzyn

Etery są to organiczne związki o ogólnym wzorze R - O - R. Jeżeli obie grupy R są jednakowe mówimy o eterach prostych, natomiast gdy grupy te są różne mówimy o eterach mieszanych. Substancje te są cieczami lotnymi, łatwopalnymi, trwałymi i mało podatnymi do reakcji.

Powszechnie stosowane są dwa etery, są to: eter metylotertbutylowy oznaczany w skrócie MTBE oraz eter etylotertbutylowy oznaczany ETBE. Pierwszy z nich otrzymywany jest w wyniku reakcji metylenu z izobutenem lub alkoholem tertbutylowym (TBA) przy temperaturze 40…100^oC i pod ciśnieniem 2…7MPa w obecności katalizatora. Natomiast drugi w wyniku reakcji etanolu z izobutenem przy temperaturze 40…90^oC i w obecności kwaśnego katalizatora [1].

Najważniejszymi zaletami MTBE i ETBE jako dodatków do benzyn silnikowych są:

- wysoka liczba oktanowa, czyli duża odporność na spalanie stukowe, dzięki czemu w wyniku dodania tych eterów możliwe staje się wyeliminowanie ze składu benzyny wysokooktanowych węglowodorów aromatycznych;

- podobna, jak dla benzyny wartość opałowa, dzięki czemu dodanie go do benzyny nie wpływa na wzrost jej zużycia;

- niskie ciepło parowania, dzięki czemu nie występują trudności z uruchamianiem zimnego silnika oraz nie występuje zwiększona emisja związków toksycznych przy rozruchu;

- dodanie eterów powoduje zmniejszenie lotności paliw, dzięki czemu mniejsza ich ilość emitowana jest do atmosfery i zauważalna jest poprawa właściwości jezdnych pojazdów zasilanych takimi paliwami.

Dodanie eterów do benzyn powoduje zmianę składu spalin. Skład emitowanych spalin jest uzależniony od zawartości eteru w benzynie oraz od rodzaju zasilania silnika. Na podstawie badań stwierdzono, że [1]:

1. w silnikach bez katalizatorów dodanie 15% MTBE wywołało:

- zmniejszenie emisji CO o 11…14%,

- zmniejszenie emisji HC o 5…9%,

- minimalne zmniejszenie lub wzrost o 1,4…7% emisji NO_x,

- wzrost emisji aldehydu mrówkowego o 43,2%;

b) w silnikach z katalizatorem dodanie 15% MTBE wywołało:

- zmniejszenie emisji CO o 7,1%,

- zmniejszenie emisji HC o 16,8%,

- wzrost emisji NO_x o 7,2%.

1. Alkohole i etery jako paliwa do silników ZS

Jako paliwa alternatywne do zasilania silników o zapłonie samoczynnym mogą być również stosowane związki tlenowe - alkohole i etery. Główną przyczyną stosowania tychże związków są aspekty ekologiczne.

Stosowane jako paliwo związki tlenowe to:

- alkohol metylowy (metanol);

- alkohol etylowy (etanol);

- eter dimetylowy (DME);

- eter dietylowy (DEE).

Podstawowymi właściwościami związków tlenowych są [2]:

- mniejsza wartość opałowa;

- mała wartość liczby cetanowej, czyli gorsza skłonność do samozapłonu;

- wysoka temperatura zapłonu;

- wyższe ciepło parowania;

- niska temperatura wrzenia;

- wysoka higroskopijność, która powoduj wzrost zawartości wody w ich składzie w czasie użytkowania;

- agresywność korozyjna w stosunku do niektórych metali i tworzyw sztucznych.

Podstawowe właściwości fizyczno - chemiczne związków tlenowych przedstawione są w tabeli 12.

Tabela 12

Podstawowe parametry fizyczno - chemiczne wybranych paliw tlenowych w

porównaniu z olejem napędowym [2]

Parametr	Olej napędowy	Metanol	Etanol	DME
Gęstość w 15^oC [g/cm^3]	0,82…0,86	0,79	0,81	0,66
Wartość opałowa [MJ/kg]	42…45	19,5	25,0	27,6
Liczba cetanowa	45…55	5	8	>>60
Temperatura samozapłonu [^oC]	230…250	450	420	235
Temperatura wrzenia [^oC]	150…360	65	78	- 25
Stała stechiometryczna	14,5	6,5	9,0	9,0
Ciepło parowania [kJ/kg]	250	1100	910	460 (- 20^oC)
Granice zapalności [% w pow.]	0,6…6,5	6,7…36,5	3,3…19	3,4…18
Stosunek C/H/O [% masy]	6/14/0	37,2/12,8/50	52,3/13,0/34,7	52,2/13,0/34,8

Najczęściej do zasilania silników ZS stosuje się mieszaniny alkoholu metylowego z olejem napędowym. Zastosowanie takiej mieszaniny znacznie zmniejsza emisję związków toksycznych, ale ze względu na małą lepkość wymaga zastosowania dodatkowego smarowania aparatury wtryskowej.

Bardzo dobre rezultaty uwzględniając aspekty ekologiczne dałoby zastosowanie eteru dimetylowego (DME). Związek ten jest nietoksyczny i nie niszczy warstwy ozonowej, reagując z tlenem tworzy CO₂ i wodę, dodatkowo nie powoduje korozji metali.

Silnik zasilany DME pracuje „miękko” i ciszej oraz emituje mniej związków toksycznych. Wynika to za faktu, iż DME charakteryzuje się wysoką liczbą cetanową oraz ma porównywalną z olejem napędowym temperaturę samozapłonu i krótki okres samozapłonu. Dodatkowo niska temperatura wrzenia przyspiesza parowanie tego związku podczas wtrysku do komory spalania, w wyniku czego uzyskuje się lepsze rozpylenie i lepsze wymieszanie z powietrzem.

Związek ten pomimo wielu zalet nie jest jeszcze stosowany, gdyż posiada wiele wad. Podstawową z nich jest także niska temperatura wrzenia, co powoduje iż musi on być magazynowany w zbiornikach ciśnieniowych (o ciśnieniu do 2MPa) i doprowadzany do aparatury wtryskowej w stanie ciekłym. DME posiada bardzo słabe właściwości smarne, więc pompa wtryskowa i wtryskiwacze muszą posiadać dodatkowy układ smarujący. Ponadto układ zasilania musi być bardzo szczelny, aby zapobiec utlenianiu się tego związku do atmosfery.

6. BIODIESEL

Mianem biopaliwa lub paliwa zielone określa się paliwa uzyskane w wyniku przetworzenia surowców rolnych. Po raz pierwszy olej roślinny do zasilania silników zastosował Rudolf Diesel na początku XX wieku [10]. Obecnie naturalny olej roślinny nie znajduje zastosowania do zasilania silników, jednak stanowi on dobrą podstawę do produkcji paliw stosowanych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. W wyniku poddania kwasów tłuszczowych zawartych w olejach roślinnych procesom estryfikacji metanolem otrzymujemy paliwo alternatywne bardzo dobrze zastępujące olej napędowy.

1. Wytwarzanie i właściwości biodiesla.

Podstawowym surowcem do produkcji biodiesla są rośliny oleiste. Do roślin takich możemy zakwalifikować gatunki, które są zdolne do gromadzenia w biomasie odpowiednich ilości glicerydów kwasów tłuszczowych, to jest olejów oraz węglowodanów (cukrów prostych, skrobi i celulozy). Najczęściej paliwa te wytwarza się z oleju rzepakowego.

Olej rzepakowy w czystej postaci może być stosowany tylko w specjalnie do tego celu przystosowanych silnikach. Wynika to z faktu, że olej taki ma znacznie większą lepkość i dużo gorszą lotność. W celu zastosowania oleju rzepakowego do napędu standardowych silników wysokoprężnych należy go poddać chemicznemu przetworzeniu. W wyniku takiego przetworzenia otrzymuje się estry metylowe kwasów tłuszczowych. Takie paliwo z nielicznymi ograniczeniami może być stosowane jako paliwo alternatywne dla oleju napędowego. Otrzymane paliwo oznaczane jest na zachodzie jako RME (rape methyl ester), czyli rzepakowy ester metylowy lub jako FAME (fatty acid methyl esters), czyli estry metylowe kwasów tłuszczowych. We Francji paliwo takie określane jest jako diester, natomiast w Czechach i na Słowacji używa się nazwy bionafta. Polska norma paliwa takie określa mianem EMKOR, czyli estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego. Paliwo to może być stosowane samodzielnie lub jako mieszanina z olejem napędowym. W tym drugim przypadku zawartość EMKOR w oleju napędowym dochodzi do 5% [13].

Estry metylowe wytwarza się z olejów i tłuszczów przez estryfikację. Proces ten zachodzi w obecności katalizatora, którym może być wodorotlenek sodu (NaOH) lub wodorotlenek potasu (KOH). Możemy wyróżnić dwie podstawowe technologie wytwarzania estrów metylowych. W jednej z metod proces estryfikacji zachodzi w temperaturach 20 - 70^oC pod ciśnieniem atmosferycznym. Metoda ta określana jest mianem „zimnej”. W drugiej metodzie, tzw. „gorącej” estryfikacja zachodzi w temperaturze 240^oC i pod ciśnieniem 10MPa [10].

Zamiast oleju rzepakowego do produkcji biodiesla mogą być wykorzystane tzw. oleje posmażalnicze lub tłuszcze zwierzęce. Jednak paliwo wytwarzane z tłuszczów roślinnych nie może być stosowane w naszych warunkach w okresie zimowym, gdyż charakteryzuje się bardzo wysoką temperaturą zablokowania zimnego filtra.

W tabeli 13 przedstawione jest porównanie podstawowych właściwości oleju napędowego zimowego i oleju rzepakowego oraz jego estrów, czyli EMKOR.

Tabela 13

Wybrane właściwości paliw rzepakowych i oleju napędowego [13]

Właściwość	Jednostka miary	Olej rzepakowy	EMKOR	Olej napędowy zimowy
Gęstość (20^oC)	kg/m^3	915	880	825
Lepkość kinematyczna w 20^oC	mm^2/s	76	7,5	4,2
Wartość opałowa paliwa	MJ/kg	37,2	37	43
Liczba cetanowa	-	34 - 51	55	min 45
Skład elementarny: c h o s	kg C/kg paliwa kg H/kg paliwa kg O/kg paliwa kg S/kg paliwa	0,775 0,110 0,110 0,003	0,760 0,125 0,110 0,001	0,860 0,140 0,000 0,300
Temperatura mętnienia	^oC	- 4	- 5	- 26
Temperatura zablokowania zimnego filtra	^oC	+ 14	- 11	- 30
Temperatura krzepnięcia	^oC	- 5	- 15	- 40

Jak widać w powyższej tabeli zawartość tlenu w paliwach rzepakowych jest duża, co przyczynia się do poprawienia warunków spalania takiego paliwa, gdyż tlen ten charakteryzuje się większą aktywnością od tlenu zawartego w powietrzu. Bardzo ważną zaletą takich paliw jest również bardzo niska, prawie zerowa zawartość siarki w jego składzie chemicznym. Niska zawartość siarki jest istotna zarówno ze względu na ekologię (emisja związków siarki), jak i aspekty trwałościowe silnika, gdyż siarka ma istotny wpływ na zużycie korozyjne elementów silnika.

2. Wpływ zasilania biodieslem na parametry pracy silnika

Badania porównawcze przeprowadzone na jednocylindrowym silniku testowym i na pełnogabarytowym silniku SW-680 (z turbodoładowaniem) przy zasilaniu RME i olejem napędowym wykazały, że [10]:

1. przy zasilaniu RME jednostkowe zużycie paliwa wzrasta o 20%, widoczne jest to zwłaszcza w zakresie małych i średnich obciążeń; natomiast przy dużych obciążeniach zużycie RME zmniejszało się, co oznacza, że przy wyższej temperaturze silnika RME spala się lepiej i dokładniej;

2. przy nie zmienionej dawce paliwa moment obrotowy silnika przy częściowym obciążeniu przy zasilaniu RME jest mniejszy, natomiast przy wzroście obciążenia, czyli wzroście dawki paliwa moment obrotowy przy zasilaniu RME jest o 4…6% większy niż przy zasilaniu olejem napędowym;

3. temperatury spalin są porównywalne;

4. przy zasilaniu RME maleją pulsacje w zespole wtryskowym;

5. przy zasilaniu RME maksymalne ciśnienie spalania jest większe o około 5…7%;

6. RME posiada lepsze właściwości samozapłonowe niż olej napędowy, dlatego też okres zwłoki zapłonu jest o 1…4% krótszy;

7. ciśnienie resztkowe w przewodzie wtryskowym przy zasilaniu RME jest mniejsze o około 50%;

8. początek tłoczenia przy zasilaniu RME jest o około 1…2% wcześniejszy niż przy zasilaniu olejem napędowym.

1. Wpływ zasilania biodieslem na emisję związków toksycznych

Zasilanie silnika o zapłonie samoczynnym estrami metylowymi oleju rzepakowego wpływa na zmniejszenie emisji większości związków toksycznych, wyjątek stanowią tlenki azotu. Ilość emitowanych związków przy zasilaniu RME i olejem napędowym jest przedstawiona w tabeli 14. Dla porównania ilość związków emitowanych przy zasilaniu olejem napędowym przyjęto za 100%.

Emisja aldehydów przy zasilaniu RME jest wyższa a rozrzut wyników jest dość szeroki. Taka sytuacja ma miejsce przy pracy silnika z pełnym obciążeniem. Ponad to rozrzut ten może być związany z zastosowanym systemem spalania i warunkami pracy silnika. Istotne jest, iż emisja aldehydów jest wyższa przy zasilaniu silnika naturalnym olejem rzepakowym, aniżeli przy zasilaniu estrami metylowymi tego oleju. Ilość emitowanych aldehydów przy zasilaniu estrami metylowymi oleju rzepakowego jest znacznie mniejsza niż ilość tych związków emitowanych przez silnik o zapłonie iskrowym a przy częściowym obciążeniu również mniejsza niż przy zasilaniu olejem napędowym.

Na podstawie badań możemy stwierdzić, iż przy zasilaniu RME zawartość nie spalonych węglowodorów maleje w zależności od konstrukcji silnika o 20…30%, zawartość tlenku węgla pozostaje niezmieniona lub maleje o 10%, podobnie jest z zawartością cząstek stałych, ich zawartość utrzymuje się na takim samym poziomie jak przy zasilaniu olejem napędowym lub maleje o 20…40%. Zadymienie spalin również maleje o 40%. Zawartość PAH maleje o 25%. Zawartość związków aromatów maleje o 40%, a benzenu o 30%.

Tabela 14

Procentowe zmiany emisji różnych składników spalin przy zasilaniu naturalnym olejem rzepakowym

lub jego estrami w porównaniu z zasilaniem olejem napędowym [13]

Składnik spalin	Olej rzepakowy		EMKOR
Nie spalone węglowodory (HC)	210% 110%	IDI DI	70% 80%	IDI DI
Tlenek węgla (CO)	180% 115%	IDI DI	70…90% 100%	IDI DI
Tlenki azotu (NOx)	100%		110%
Cząstki stałe (PM)	320% 90% 80%	IDI (niest.) IDI (stac.) DI	100% 60…80%	DI
Zadymienie spalin	55%		60%
PAH	10…75% 240%	FTP/13/5 ECE	75% 75% 15%	niest. test 13 faz. test 5 faz.
Aldehydy	280%		120% 400%	FTP-15
Aromaty	135%		60%
Benzen	160%		70% 135%

IDI - silnik z komorą dzieloną, DI - silnik z wtryskiem bezpośrednim, niest. - test niestacjonarny,

stac. - test stacjonarny, testy 5 i 8 fazowe dotyczą silników ciągników rolniczych

Bardzo ważną zaletą paliw estrowych jest ich dobra biodegradowalność. Wynosi ona 95% w ciągu 21 dni, natomiast dla oleju napędowego wynosi ona 70%. RME w przypadku przedostania się do gruntów lub wód nie powoduje ich skażenia [10].

2. Mieszaniny paliw rzepakowych z alkoholem

Chcąc poprawić proces spalania oleju rzepakowego miesza się go z woda lub alkoholem. W wyniku dodania ściśle określonej ilość wody udało się uzyskać zmniejszenie zadymienia spalin i zawartości tlenków azotu w spalinach. Jest to wynikiem gwałtownego parowania wody, która parując polepsza proces rozpylania oleju rzepakowego [2].

W wyniku dodania do oleju rzepakowego około 20% alkoholu etylowego czas opóźnienia zapłonu ulega wydłużeniu a czas procesu spalania ulega skróceniu. Efektem tego jest zmniejszenie zadymienia spalin i wzrost ogólnej sprawności silnika. Dodatkowo kolejnym korzystnym efektem dodania alkoholu do oleju rzepakowego jest zmniejszenie w stosunku do silników zasilanych samym olejem rzepakowym ilości osadów powstających w komorze spalania.

Były prowadzone również badania nad zasilaniem silników o zapłonie samoczynnym mieszanina oleju napędowego, RME i odwodnionego alkoholu etylowego. Taka mieszanina nosi nazwę Bioxdiesel. Podstawową zaletą jest poprawa własności niskotemperaturowych, dla tych paliw temperatura zatkania zimnego filtra obniża się nawet do - 40^oC. Kolejną zaletą jest poprawa własności smarnościowych. W trakcie przeprowadzanych badań stwierdzono zmniejszenie emisji związków toksycznych emitowanych przez silnik, niestety stwierdzono również pogorszenie osiągów paliwa lub chcąc uzyskać takie same osiągi zauważono wzrost zużycia paliwa.

Ponadto zawartość alkoholu etylowego powoduje, iż temperatura zapłonu spada do około 13^oC, co powoduje, że takie paliwo powinno być traktowane w systemie zaopatrywania jak benzyna, czyli w I klasie niebezpieczeństwa pożarowego. Kolejną wadą jest zwiększenie aktywności korozyjnej tegoż paliwa.

7. AQUAZOLE

Aquazole jest to paliwo produkowane przez firmę Elf i wykorzystywane do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Paliwo to stanowi wodną emulsję oleju napędowego o małej zawartości siarki, stabilizowaną przez substancje powierzchniowo czynne niejonowe. Paliwo to składa się z około 85% standardowego oleju napędowego, około 13% wody i około 2% pakietu dodatków.

Silniki zasilane takim paliwem mają mniejszą o około 4% moc silnika oraz zużywają o około 10…15% więcej paliwa. Jednak podstawową zaletą jest zmniejszenie emisji NO_x o 15…30%, zmniejszenie emisji cząstek stałych o 10…50% w porównaniu z zasilaniem olejem napędowym.

Emulsja zawiera cząstki wody o wymiarach około 1μm i wykazuje trwałość przez 3 miesiące. Paliwo te musi być oddzielnie magazynowane i zawierać dodatki antykorozyjne. Paliwem tym mogą być zasilane wszystkie silniki o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim bez dokonywania zmian konstrukcyjnych i regulacyjnych.

Paliwo te stosowane jest obecnie do zasilania autobusów komunikacji miejskiej we Francji, Niemczech i Wielkiej Brytanii.

LITERATURA:

1. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym. WKŁ, Warszawa 2005.

2. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ, Warszawa 2004.

3. Flekiewicz M., Król E.: Gaz ziemny jako paliwo do napędu pojazdów samochodowych - doświadczenia i perspektywy. Nafta - Gaz, nr 7 - 8/1997.

4. Jakubczak M.: Techniczne aspekty zasilania silników paliwem wodorowym. EKODIESEL'96.

5. Jakubowski J.: Silniki samochodowe zasilane paliwami zastępczymi. WKŁ, Warszawa 1987.

6. Kijewski J.: Silniki spalinowe. WSiP, Warszawa 1997.

7. Majerczyk A., Taubert S.: Układy zasilania gazem propan butan. WKŁ, Warszawa 2003.

8. Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych - tom 2. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.

9. http://www.auto-club.pl

10. http://www.biopaliwaon.com.pl

11. http://www.ecofuels.edu.pl

12. http://metan.pl

13. http://www.pan-ol.lublin.pl

12

---