Przegląd konstrukcji i zasad projektowania silników spalinowych o ZI zasilanych paliwem LPG

Transkrypt

1 ŁUKASIEWICZ Marcin 1 KAŁACZYŃSKI Tomasz 2 LISS Michał 3 SIKORSKI Marcin Przegląd konstrukcji i zasad projektowania silników spalinowych o ZI zasilanych paliwem LPG WSTĘP Historia rozwoju silników spalinowych jest ściśle związana z zastosowaniem do ich zasilania paliw gazowych. Wraz z rozwojem nowych technologii i zmian konstrukcyjnych silników paliwo gazowe zostało praktycznie wyparte przez paliwa płynne o znacznie większej wartości opałowej które są znacznie wygodniejsze w eksploatacji. Współcześnie zainteresowanie dywersyfikacją źródeł zasilania silników w paliwo ponownie skłania konstruktorów do wykorzystania paliw gazowych. Podyktowane jest to dążeniem do zmniejszenia stopnia zagrożenia środowiska naturalnego oraz do zwiększenia stopnia wykorzystania nowych źródeł zasobów energetycznych przy niewielkich zmianach konstrukcyjnych obecnych silników. Spośród wielu rodzajów paliw do zasilania silników o zapłonie iskrowym (ZI) najbardziej popularna jest mieszanina propanu i butanu w postaci skroplonej (LPG), która ze względu na swe cechy, dostępność najlepiej nadaje się do zasilania współczesnych silników ZI. Potwierdzeniem tej tezy jest dynamiczny wzrost sprzedaży gazu LPG na polskim rynku, co jest efektem wzrastającej liczby instalacji gazowych montowanych w samochodach. Rocznie przybywa ok. 130 tys. instalacji, a ich ogólną liczbę szacuje się na ponad 2 mln [8,12,13]. Niebagatelną rolę we wzroście popularności paliwa LPG odgrywają jego zalety, a przede wszystkim walory ekologiczne polegające na braku zawartości siarki i dużo mniejszej niż w przypadku spalania benzyny, emisji CO 2, CO i CH. Warto podkreślić, że dla instalacji gazowych najnowszych generacji (sekwencyjny wtrysk gazu ciekłego) osiągi eksploatacyjne silnika są porównywalne z tymi, które zasilane są przez benzynę. 1 PALIWA ALTERNATYWNE PROPAN/BUTAN (LPG) Szybko wzrastająca liczba pojazdów napędzanych silnikami o ZI, niepokojące prognozy dotyczące wyczerpywania się zasobów ropy naftowej oraz dążenie do ochrony środowiska naturalnego powodują, że wciąż poszukuje się innych rodzajów paliw, które zastąpiłyby częściowo lub całkowicie paliwa konwencjonalne. Wymaga się aby paliwa te były bardziej przyjazne dla środowiska i aby pochodziły ze źródeł odnawialnych, a napędzane nimi silniki nie powinny mieć gorszych charakterystyk niż obecne, które są zasilane paliwami pochodzącymi z przeróbki ropy naftowej. Paliwa takie noszą nazwę paliw alternatywnych i najczęściej definiuje się je jako paliwa, które mogą przyczynić się do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń, gazów cieplarnianych, czy konsumpcji skończonych zasobów, a ich właściwości są zbliżone do właściwości powszechnie stosowanych benzyn silnikowych [1]. Za paliwa alternatywne uważa się paliwa otrzymywane z surowców pochodzących ze źródeł odnawialnych lub częściowo odnawialnych oraz paliwa otrzymywane z niekonwencjonalnej technologii w tym bada się zastosowanie wodoru. Na chwilę obecną stosowane paliwa alternatywne do zasilania silników o ZI przedstawiono na rysunku 1. Z paliw alternatywnych zestawionych na rysunku największy swój udział w rynku paliw ma LPG. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz; Tel: , mlukas@utp.edu.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz; Tel: , kalaczynskit@utp.edu.pl 3 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz; Tel: , michal.liss@utp.edu.pl 6895

2 Rys. 1. Podział paliw alternatywnych do silników ZI [4] Podstawowymi składnikami gazu skroplonego są propan (C 3 H 8 ) i butan (C 4 H 8 ) a poza tym zawiera również w niewielkich ilościach inne węglowodory, takie jak etan, izomery butanu i inne wyższe węglowodory (tzn. o większej liczbie atomów w cząsteczce). Propan i butan w stanie gazowym wydobywa się bezpośrednio z odwiertów ropy naftowej, jeżeli jej wydobyciu towarzyszy gaz. Otrzymuje się go również z części odwiertów gazu ziemnego. Propan i butan są także produktami ubocznymi w procesach produkcji benzyn, uwodornienia węgla (uzyskiwanie paliw płynnych z węgla kamiennego), krakowania, uwodornienia ropy naftowej. Otrzymywany gaz skroplony zawiera znaczne ilości zanieczyszczeń (np. tlenosiarczek węgla, siarkowodór, dwutlenek węgla), które są usuwane przed przekazaniem go do dystrybucji. LPG w temperaturach pokojowych i pod ciśnieniem atmosferycznym przyjmuje postać gazową. Jest to jednak gaz, który skrapla się w temperaturze pokojowej pod niewielkimi ciśnieniami rzędu kilku atmosfer. Stąd też jego oficjalna polska nazwa skroplony gaz ropopochodny (Liquified Petroleum Gas) [4,7]. Wymagania jakim powinna odpowiadać mieszanina LPG określone są przez normę: PN-EN 589:2003 Paliwa do pojazdów samochodowych. Skroplone gazy węglowodorowe LPG [9]. Wymagania i metody badań dotyczą: minimalnej wartości liczby oktanowej, zawartości metanolu (używanego do odwadniania LPG), ograniczenia zawartości dienów, siarki i siarkowodoru w paliwie, działania korodującego paliwa na miedź, ograniczenia pozostałości po odparowaniu, ograniczenia występowania wody w paliwie, prężności par paliwa. Wyżej wymieniona norma dzieli paliwo LPG na cztery gatunki oznaczone jako A, B, C i D różniące się temperaturą, w której utrzymywana jest minimalna prężność par paliwa na poziomie 150 kpa.. Gaz płynny LPG jest w Polsce i w innych krajach bardziej rozpowszechniony niż paliwa z gazu ziemnego. Wynika to z rozbudowanej sieci stacji paliwowych oraz niższych kosztów eksploatacji. Biorąc pod uwagę aspekt ekologiczny najkorzystniejsze jest wykorzystywanie tego paliwa w silnikach starszej generacji, w których zdecydowanie obniża się emisja CO i CH natomiast na zbliżonym poziomie pozostaje emisja tlenków azotu NO x [2,3,6,13]. 2 UKŁADY ZASILANIA SILNIKÓW PALIWEM LPG Instalacje paliwowe do zasilania mieszaniną propan butan (LPG) znajdują coraz szersze zastosowanie w pojazdach wyposażonych w silniki z zapłonem iskrowym. Względy ekonomiczne i ekologiczne wymuszają na konstruktorach i użytkownikach pojazdów samochodowych szereg działań wśród, których niebagatelną rolę odgrywa wyposażanie pojazdów w gazowe układy zasilania. Mają one różne rozwiązania konstrukcyjne, które rozwijały się wraz z rozwojem silników i 6896

3 upowszechnianiem się stosowania LPG jako źródło zasilania. Obecnie układy te mogą występować jako montowane fabrycznie w pojazdach zasilanych wyłącznie paliwem gazowym lub jako dodatkowy układ obok zasilania benzyną [2,3,7,13,14]. Bez względu na rozwiązanie konstrukcyjne podstawowy układ zasilania gazem LPG składa się z kilku standardowych elementów takich jak: zawór napełniania (1), zbiornik gazu (2), reduktor parownik (3), mieszalnik/wtryskiwacz (4), filtr powietrza (5), silnik (6), zespół zaworów (7), elektrozawór (8) oraz nagrzewnica (9). Na rysunku 2 przedstawiono w sposób schematyczny układ zasilania LPG. Rys. 2. Schemat blokowy układu zasilania gazem LPG [7] Ogólnie można stwierdzić, że instalacja zasilania gazowego składa się dwóch podsystemów [7]: a) do napełniania i przechowywania gazu w pojeździe (zbiornik wraz z oprzyrządowaniem) jego elementy są jednakowe dla wszystkich generacji układów zasilania, b) zespołów, podzespołów i elementów montowanych w przedziale silnika, które w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego są różne. 2.1 Układy I generacji Systemy zasilania LPG pierwszej generacji należą do najprostszych i najtańszych instalacji. Najczęściej zauważane są w pojazdach wyposażonych w gaźnik. Układy te, nazywane również w skrócie mieszalnikowymi, są bardzo uniwersalne, przez co były stosowane w różnych samochodach. Już od pierwszej generacji układów LPG, zbiornik gazu najczęściej był umiejscowiony w przestrzeni bagażowej. Paliwo LPG występuje w zbiorniku w dwóch fazach: ciekłej i gazowej. W dalszej kolejności pobierane jest z dna zbiornika (postać ciekła) i pod ciśnieniem jest podawane przez zawór odcinający wprost do przewodu paliwowego. Na jego końcu znajduje się elektrozawór, który odcina dopływ benzyny do komory spalania przy pracy na gazie oraz otwiera i zamyka przepływ gazu. Dalej paliwo LPG trafia do reduktora parownika, który rozpręża i odparowuje ciekły gaz. Jest również w pewnym sensie regulatorem, który utrzymuje stabilną objętościową charakterystykę natężenia przepływu w zależności od zapotrzebowania. Reduktor jest połączony z przestrzenią nad przepustnicą przewodem i mieszalnikiem wprowadzającym LPG do układu dolotowego silnika. Mieszalnik, montowany w układzie dolotowym (pod gaźnikiem), ma za zadanie wymieszanie zasysanego przez silnik powietrza z odpowiednią ilością gazu (w fazie lotnej) dopływającego z reduktora parownika tak, aby uzyskać mieszankę palną (gaz powietrze) o składzie i ilości odpowiednio do warunków pracy silnika. Podciśnienie w układzie dolotowym, a ściślej różnica ciśnień w układzie dolotowym i komorze kompensacyjnej reduktora, steruje pracą reduktora [5,6,7,8]. Na rysunku 3 przedstawiono schematyczne rozmieszczenie poszczególnych podzespołów układu zasilania LPG pierwszej generacji. Istotną cechą tych układów jest brak możliwości ingerowania w dawkę gazu doprowadzanego do silnika w trakcie jazdy. 6897

4 Rys. 3. Układ zasilania LPG pierwszej generacji elementy i ich rozmieszczenie w pojeździe (1 zawór tankowania, 2 zbiornik gazu, 3 wielozawór, 4 elektrozawór gazowy, 5 reduktor parownik, 6 zawór regulacyjny, 7 mieszalnik, 8 przełącznik typu zasilania, 9 elektrozawór benzyny, A przewód gazowy wysokiego ciśnienia, B przewód gazowy niskiego ciśnienia) [15] 2.2 Układy II generacji Wzrastające zainteresowanie dodatkowymi układami zasilania silnika spowodowało rozwój tych systemów na pojazdy wyposażone nie tylko w gaźniki, ale i również te w których znajdowały się wtryskiwacze jedno lub wielopunktowe z sondą lambda i katalizatorem. Sposób zasilania LPG pomiędzy I a II generacją jest prawie identyczny z tym tylko wyjątkiem, że wzięto pod uwagę niedoskonałości pierwszego typu LPG i do nowego układu wprowadzono dodatkowy element w postaci zaworu dławiącego z silnikiem krokowym, zamontowanym na przewodzie pomiędzy reduktorem a mieszalnikiem. Urządzenie to pozwalało na regulację składu mieszanki gaz powietrze, przy wykorzystaniu sygnału sondy lambda układu zasilania benzyną. Silnik krokowy jest sterowany za pomocą sygnału pochodzącego od sondy lambda, tak aby mieszanka gazowo powietrzna miała postać jak najbardziej zbliżoną do stechiometrycznego [5,6,7,8]. Na rysunku 4 przedstawiono poglądowy schemat instalacji zasilania LPG II generacji. Rys. 4. Układ zasilania LPG drugiej generacji elementy i ich rozmieszczenie (1 zawór tankowania, 2 zbiornik gazu, 3 wielozawór, 4 elektrozawór gazowy, 5 reduktor parownik, 6 silnik krokowy, 7 mieszalnik, 8 przełącznik rodzaju zasilania, 9 przekaźnik z odblokowaniem/emulator wtryskiwaczy, 10 sterownik elektroniczny, 11 katalizator spalin, 12 sonda lambda, A przewód gazowy wysokiego ciśnienia, B przewód gazowy niskiego ciśnienia) [15] Podczas pracy silnika na paliwie gazowym odcięte zostają sygnały prądowe do wtryskiwaczy benzyny, a sygnał ich pracy, przekazywany jest do centralnej jednostki sterującej, tzw. Emulator. Taki układ zapewnia prawidłową pracę układu sterującego, diagnostyki pokładowej oraz automatyczne włączenie układu wtrysku benzyny w przypadku uszkodzenia układu zasilania gazem. Sterownik 6898

5 silnika, który pokazuje rzeczywisty stan sterowania mieszanką gaz powietrze, na sygnał z sondy lambda reaguje zmianą mapy wtrysku oraz generowaniem błędów. Niestety mieszalnikowe układy zasilania LPG w dalszym ciągu charakteryzowały się mało precyzyjnym sterowaniem składu mieszanki palnej, w porównaniu z układami wtryskowymi. Problem ten uniemożliwiał sprostanie ciągle wzrastającym wymaganiom odnoszącym się do czystości generowanych spalin. Logiczne zatem stało się, że aby temu sprostać należy rozwijać w systemach LPG układy wtrysku gazu odparowanego i ciekłego, co stało się rzeczywistym faktem w trzeciej generacji [5,6,7,8]. 2.3 Układy III generacji Instalacje trzeciej generacji podają do układu dolotowego paliwo LPG w postaci gazowej. Podstawowe elementy układu stosowane w I i II generacji systemów zasilania LPG zostały wzbogacone o dodatkowe trzy podzespoły: dozator, dystrybutor i oczywiście wtryskiwacze gazu. Dla prawidłowego działania systemów III generacji, istotnym postępem było wprowadzenie pomiaru objętości powietrza przepływającego przez układ dolotowy. Był to warunek konieczny do tego aby móc prawidłowo określić ilość podawanego paliwa LPG do układu zasilania. Paliwo gazowe jest wtryskiwane do poszczególnych kanałów dolotowych każdego cylindra. Na rysunku 5 przedstawiono układ zasilania LPG III generacji [5,6,7,8]. Rys. 5. Układ zasilania LPG drugiej generacji elementy i ich rozmieszczenie (1 zawór tankowania, 2 zbiornik gazu, 3 wielozawór, 4 elektrozawór gazowy, 5 reduktor parownik, 6 - dozator, 7 dystrybutor, 8 przełącznik rodzaju zasilania, 9 emulator wtryskiwaczy, 10 sterownik elektroniczny, 11 katalizator spalin, 12 sonda lambda, 13 wtryskiwacze, A przewód gazowy wysokiego ciśnienia, B przewód gazowy niskiego ciśnienia) [15] W celu zwiększenia precyzyjności układów zasilania LPG rozbudowano je o systemy wtryskowe, które są znacznie precyzyjniejszą parą roboczą aniżeli systemy dozowania stosowane w generacjach I i II. Wprowadzenie wtryskiwaczy lub nazywanych przez niektórych, zaworów wtryskowych spowodowało, że aby podtrzymać tą precyzyjność należy wymienić jeszcze parę innych elementów stosowanych w przestarzałych już systemach zasilania LPG, i tak w miejsce silnika krokowego pojawił się dozator. Dozator ma podobne zadania jak silnik krokowy czyli reguluje natężenie przepływu gazu i ustala skład mieszanki gazowo powietrznej na podstawie sygnałów z jednostki sterującej. Jego działanie polega na dławieniu przepływu paliwa z reduktora do dystrybutora z wykorzystaniem dwóch, a nie jak to było wcześniej, silników krokowych osadzonych w obudowie dozownika [5,6,7,8]. Ostatnim przestarzałym elementem zamienionym w układach trzeciej generacji był mieszalnik. W miejsce, którego został wprowadzony dystrybutor. Zadaniem tego urządzenia jest kierowanie paliwa do poszczególnych wtryskiwaczy zamontowanych na każdym z przewodów kolektora dolotowego. W zależności od ilości cylindrów w silniku, dystrybutor będzie posiadał dokładnie taką samą ilość wyjść. Na rysunku 6 przedstawiono typ informacji zbieranych z poszczególnych elementów pojazdu i przetwarzanych przez sterownik. 6899

6 Rys. 6. Przepływ informacji w układzie zasilania LPG III generacji [8] 2.4 Układy IV generacji Era układów zasilania LPG III generacji trwała do momentu, gdy w pojazdach coraz częstsze stało się stosowanie układu wtrysku bezpośredniego. Odpowiedzią producentów instalacji gazowych LPG stał się sekwencyjny wtrysk gazu zwany w skrócie SGI. Dodatkowym aspektem w układach czwartej generacji było również połączenie z systemem diagnostyki pokładowej OBD. Na rysunku 7 przedstawiono układ zasilania LPG IV generacji. Rys. 7. Układ zasilania LPG drugiej generacji elementy i ich rozmieszczenie (1 zawór tankowania, 2 zbiornik gazu, 3 wielozawór, 4 elektrozawór gazowy, 5 reduktor parownik, 6 filtr fazy gazowej, 7 listwa wtryskiwaczy z czujnikiem temperatury i ciśnienia gazu, 8 przełącznik rodzaju zasilania, 9 wtryskiwacze, 10 sterownik elektroniczny, 11 katalizator spalin, 12 sonda lambda, A przewód gazowy wysokiego ciśnienia, B przewód gazowy niskiego ciśnienia) [15] Zasada działania części wykonawczej układów zasilania LPG IV generacji nawiązuje do koncepcji sekwencyjnego, wielopunktowego wtrysku benzyny. Paliwo w postaci gazowej dozowane jest do każdego cylindra z osobna przez elektrycznie sterowne wtryskiwacze w takiej dawce, aby w komorach spalania powstała mieszanka palna o podobnym współczynniku nadmiaru powietrza, jak przy wtrysku benzyny. W chwili, gdy silnik jest zasilany z instalacji PG, paliwo w fazie ciekłej dostaje się ze zbiornika przez wielozawór i zawór gazowy do reduktora ciśnienia, gdzie odparowuje, obniżając swoje ciśnienie. Następnie paliwo LPG podawane jest przez filtr fazy gazowej do kolektora zbiorczego i dalej do poszczególnych wtryskiwaczy elektromagnetycznych, których pracą steruje sterownik układu zasilania LPG [5,6,7,8]. 6900

7 Układ zasilania LPG w takiej konfiguracji zapewnia prawie identyczne właściwości czystości spalin i osiągów silnika jak w przypadku silników zasilanych benzyną. Systemy SGI spełniają normy emisji spalin EURO 3 oraz EURO Układy V generacji Sukces jaki odniosły instalacje LPG czwartej generacji spowodował, że podjęto wyzwanie zmiany wtryskiwanego paliwa LPG z fazy lotnej na fazę ciekłą. Stało się to charakterystyczną cechą układów zasilania LPG piątej generacji nazywanej również w skrócie LPi, co w rozwinięciu znaczy wtrysk skroplonego gazu. Dodatkowym elementem jest efekt chłodzący rozprężonego gazu, który powoduje znacznie wyższy poziom napełnienia cylindrów, a co za tym również idzie, wzrost mocy silnika. W systemach piątej generacji wtryskiwacze gazowe są kontrolowane przez sterownik wtrysku benzyny. Działanie systemu LPi odchodzi od rozwiązań stosowanych w poprzednich generacjach i rozpoczyna się od tłoczenia przez pompę, sprężonego gazu magazynowanego w zbiorniku, poprzez elektrozawór wprost do regulatora ciśnienia. Regulator utrzymuje ciśnienie gazu powyżej ciśnienia znajdującego się w zbiorniku. Następnie do kolektora rozdziału LPG i dalej do wtryskiwaczy zamontowanych w kolektorze dolotowym. W chwili wtrysku paliwa LPG do kolektora dolotowego, intensywnie się rozpręża i dostaje się do komory spalania. Wychłodzenie się kolektora dolotowego zostało rozwiązane umieszczeniem wtryskiwacza, który jest skierowany na zawór dolotowy [5,6,7,8]. Na rysunku 8 przedstawiono schemat systemu zasilania LPG piątej generacji. Rys. 8. Układ zasilania LPG piątej generacji (1- zawór tankowania, 2- zbiornik gazu, 3- pompa gazu z wielozaworem, 4- regulator ciśnienia, 5- wtryskiwacze, 6- sterownik elektroniczny, 7- przełącznik rodzaju zasilania, A - przewód gazowy pod samochodem, B - przewód gazowy pomiędzy regulatorem ciśnienia a wtryskiwaczami) [15] 3 ASPEKTY TECHNICZNO PRAWNE UKŁADÓW ZASILANIA LPG Postępujący rozwój zaawansowania systemów zasilania silników spalinowych, spowodował konieczność uporządkowania i wdrożenia na skalę międzynarodową, jasnych i czytelnych przepisów w obszarze konstrukcji układów zasilania LPG. Podstawowym przepisem, regulującym od strony prawnej wymogi dotyczące układów zasilania LPG, zostały zawarte w Regulaminie 67 EKG ONZ wprowadzonym roku a znowelizowanym w 1999 roku. Przepis ten zaczął obowiązywać dopiero od roku. W myśl tego przepisu zapewnione muszą być dwa podstawowe aspekty [10]: 1) zapewnienie bezpieczeństwa użytkowania elementów instalacji LPG ze szczególnym podkreśleniem wymagań dotyczących zbiornika paliwa z armaturą oraz zabezpieczeniem przed niepożądanym wpływem paliwa LPG z instalacji, 2) prawidłowym montażu elementów instalacji LPG w samochodzie. Sformułowane w ten sposób wymogi sprawiają, że odpowiedzialnością za prawidłowe zamontowanie i eksploatację instalacji w samochodzie można podzielić pomiędzy producenta 6901

8 elementów instalacji oraz na placówkę mającą pozwolenie na dokonanie montażu instalacji LPG. Producent odpowiada za jakość części składowych, które muszą posiadać homologację zgodnie z postanowieniami Regulaminu 67 EKG ONZ [10]. W skład elementów podlegających regularnym badaniom homologacyjnym wchodzą: zbiornik, osprzęt zbiornika, reduktor, regulator ciśnienia, zawór odcinający, przewód elastyczny, wlew paliwa, pompa LPG, czujnik ciśnienia i temperatury, zawór bezpieczeństwa, elektroniczna jednostka sterująca, zespoły filtra LPG, złącze robocze oraz wtryskiwacze gazu. Na każdym z tych elementów trwale i czytelnie muszą być umieszczone następujące dane: nazwa handlowa lub znak wytwórcy, typ, miesiąc i rok produkcji (dla materiałów niemetalowych), numer świadectwa homologacji. Zbiornik gazu z osprzętem Zbiornik służy do przechowywania skroplonego gazu ropopochodnego. Płaszcz zbiornika, odporny na naprężenia, powinien być wykonany ze stali, zgodnie z normą europejską EN (przy czym dopuszcza się stosowania innych materiałów pod warunkiem, że zbiornik wykazuje niezmienione właściwości bezpieczeństwa). Wszystkie części składowe zbiornika oraz wszystkie przyspawane do niego elementy powinny być wykonane ze wzajemnie zgodnych materiałów. Na każdym zbiorniku należy umieścić tabliczkę informacyjną zawierającą czytelne i nieusuwalne dane takie jak [10]: numer seryjny, pojemność w litrach, oznaczenie LPG, ciśnienie próbne [kpa], napis: maksymalny stopień napełnienia: 80 %, rok i miesiąc udzielenia homologacji (np. 99/01), znak homologacji, oznaczenie POMPA WEWNĄTRZ oraz oznaczenie identyfikacyjne pompy, jeżeli w zbiorniku zamontowana jest pompa. Montując zbiornik w pojeździe należy przestrzegać następujących zasad [10,11]: powinien być zainstalowany na stałe w pojeździe i nie może być umieszczony w komorze silnikowej, powinien być zainstalowany w prawidłowym położeniu, zgodnie z wytycznymi producenta zbiornika, powinien być zainstalowany tak, aby nie występowały styki metal-metal, oprócz miejsc stałych mocowań zbiornika, powinien być przymocowany do pojazdu samochodowego za pomocą stałych mocowań lub za pomocą ramy i pasów, w pojeździe gotowym do jazdy nie może znajdować się niżej niż 200 mm ponad powierzchnią drogi. Zbiornik wyposaża się w osprzęt, którego elementy mogą być wykonane oddzielnie lub zespolone (np. wielozawór): Zawór ograniczający napełnienie zbiornika do 80% jest to urządzenie, które ze względów bezpieczeństwa ogranicza stopień napełnienia zbiornika do maksimum 80% jego pojemności. Konstrukcji tego zaworu stawiane są następujące wymagania [10,11]: połączenie pomiędzy pływakiem a blokadą zaworu nie może ulegać odkształceniom w normalnych warunkach roboczych, jeżeli zawór zawiera pływak, to powinien on wytrzymywać ciśnienie zewnętrzne o wartości kpa, blokada urządzenia ograniczającego napełnianie do 80 % pojemności zbiornika powinna wytrzymywać ciśnienie o wartości kpa. Po zablokowaniu, szybkość napełniania przy różnicy ciśnień 700 kpa nie może przekraczać 500 cm3/min, w przypadku, gdy zawór nie zawiera żadnego pływaka, szybkość dalszego napełniania zbiornika po zablokowaniu nie może przekraczać 500 cm3/min, na urządzeniu powinno znajdować się trwałe oznakowanie określające typ zbiornika, do jakiego przeznaczony jest dany zawór, średnicę i kąt, oraz w razie potrzeby instrukcje dotyczące montażu. Pompa paliwa urządzenie zasilające silnik w LPG. Pompa powinna być tak skonstruowana i funkcjonować, aby ciśnienie wylotowe nigdy nie przekraczało wartości kpa [10]. 6902

9 Reduktor/parownik. Parownik to urządzenie służące do odparowania LPG z fazy ciekłej do fazy lotnej. Natomiast zadaniem reduktora jest zmniejszanie i regulacja ciśnienia skroplonego gazu. Konstrukcja reduktora/parownika powinna zapewniać takie działanie, aby uniemożliwiać przepływ gazu w przypadku, gdy dostarczane jest do niego LPG pod ciśnieniem kpa podczas, gdy reduktor nie pracuje [10,11]. Nadciśnieniowy zawór bezpieczeństwa Zawór wypływowy, który ogranicza wzrost ciśnienia w zbiorniku powyżej zadanej wartości. Zawór ten powinien być zamontowany wewnątrz zbiornika lub na zbiorniku, w miejscu gdzie paliwo występuje w stanie lotnym i otwierać się przy ciśnieniu równym ±100 kpa [10,11]. Wlew paliwa Urządzenie umożliwiające swobodne i bezpieczne napełnianie zbiornika gazem LPG. Może być wykonany jako zespolona część zaworu ograniczającego napełnienie do 80% lub jako element umieszczony na zewnątrz pojazdu. Jeżeli zbiornik jest umieszczony w przestrzeni pasażerskiej lub w zamkniętej przestrzeni bagażowej, to wlew paliwa musi znajdować się na zewnątrz pojazdu. Zewnętrzny wlew paliwa połączony jest ze zbiornikiem za pomocą przewodu elastycznego lub metalowej rury. Istotne jest to, aby wlew nie mógł się obracać i aby był zabezpieczony przed zanieczyszczeniem. Przepływ przez wlew paliwa, przy mechanicznym otwarciu zaworu jednokierunkowego (zwrotnego), przy różnicy ciśnień 50 kpa powinien wynosić co najmniej 200 l/min przy próbie z wodą [10,11]. Wskaźnik poziomu paliwa Wskaźnik ten powinien działać na zasadzie pomiaru pośredniego (na przykład magnetycznego) pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną stroną zbiornika. Natomiast w przypadku zastosowania wskaźnika typu bezpośredniego, połączenia elektryczne powinny mieć stopień ochrony IP 54 zgodnie z IEC EN 60529: Jeżeli wskaźnik poziomu paliwa posiada pływak, to powinien on wytrzymywać ciśnienie zewnętrzne o wartości kpa [10,11]. Zawór ograniczający wypływ gazu Zawór montowany wewnątrz zbiornika posiada obejście do wyrównywania ciśnień. Powinien zadziałać przy różnicy ciśnień po obu stronach zaworu wynoszącej 90 kpa, przy której przepływ nie może być większy niż cm 3 /min. Jeżeli zawór jest w położeniu odcięcia, to przepływ przez obejście nie może być większy niż 500 cm3/min przy różnicy ciśnień 700 kpa [10,11]. Samoczynny zawór odcinający Zawór ten powinien być zamontowany w przewodzie gazowym pomiędzy zbiornikiem a reduktorem/parownikiem, jak najbliżej reduktora/parownika może być także z nim zespolony. Generalnie należy stwierdzić, że zawór powinien być tak zainstalowany, aby zapewnić odcięcie dopływu gazu do silnika, kiedy ten nie pracuje lub po przełączeniu na inne paliwo w przypadku pojazdu wyposażonego w drugi układ zasilania paliwem [10,11]. Przewody gazowe Przewody gazowe sztywne i elastyczne służą do przesyłania gazu w stanie ciekłym lub lotnym pod różnym ciśnieniem z jednego punktu do drugiego. Przewody sztywne powinny być wykonane z materiału bez szwu: miedzi, stali nierdzewnej lub stali z powłoką antykorozyjną. Dopuszcza się stosowanie przewodów sztywnych wykonanych z materiałów niemetalowych. Przewody miedziane muszą być zabezpieczone na całej długości osłoną gumową lub z tworzywa sztucznego. Średnica zewnętrzna przewodu miedzianego nie może przekraczać 12 mm, a grubość ścianki powinna wynosić co najmniej 0,8 mm. Natomiast dla przewodów stalowych średnica zewnętrzna nie może przekraczać 25 mm. Przewody gazowe sztywne, powinny być zamocowane w sposób chroniący je przed drganiami i naprężeniami [10,11]. Elektroniczna jednostka sterująca Funkcję elektronicznej jednostki sterującej może spełniać dowolne urządzenie sterujące zapotrzebowaniem silnika na LPG oraz ustalające moment załączenia jednego lub więcej samoczynnych zaworów odcinających zbiornika oraz pompy zasilania w LPG w przypadku uszkodzenia przewodu doprowadzającego paliwo i/lub zgaśnięcia silnika wskutek przeciążenia. 6903

10 Odcięcie to musi nastąpić nie później niż po 5 sekundach. Awaria systemu elektrycznego pojazdu nie może prowadzić do niekontrolowanego otwarcia zaworów. W przypadku odłączenia lub awarii zasilania sygnały wyjściowe elektronicznej jednostki sterującej powinny pozostać nieaktywne [10,11]. Ponadto istnieje szereg wymagań technicznych odnoszących się do zabudowy instalacji gazowych w pojeździe samochodowym. Szczegółowe informacje na ten temat są zawarte w załączniku 9 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z 2003 roku, Nr 16, poz. 91. Rozporządzenie to wyznacza określone reguły montażu oraz nakazuje aby poszczególne elementy składowe układu gazowego nie utrudniały funkcjonowania i obsługi pozostałych, fabrycznych zespołów układu zasilania. Zainstalowana instalacja gazowa nie może ingerować w układ zasilania tradycyjnym paliwem. Dodatkowo przepisy określają wytyczne do tego by zabezpieczyć układ przed takimi czynnikami zewnętrznymi, starzeniem, zużyciem eksploatacyjnym jak na przykład korozja oraz ochroną przed uszkodzeniami fizycznymi, jeśli zbiornik znajduje się w przestrzeni ładunkowej. Wszystkie te warunki mają oczywiście na celu zapewnienie bezpieczeństwa i prawidłowego funkcjonowania układu gazowego [9,10,11]. Z prawnego punktu widzenia, aby zapewnić maksimum bezpieczeństwa, instalacje gazowe LPG w pojazdach drogowych powinny odpowiadać wymaganiom zawartym w: 1) Regulaminie 67 Europejskiej Komisji Gospodarczej (stosowany w Polsce od listopada 1992 r.), 2) Załączniku nr 3 do Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z 1 lutego 1993 roku w sprawie warunków technicznych i badań pojazdów przystosowanych do zasilania gazem z późniejszymi zmianami, 3) Ustawie z 19 listopada 1997 roku o dozorze technicznym określającym zasady projektowania i eksploatacji zbiorników ciśnieniowych. W ostatnich latach bardzo duży nacisk kładzie się na ograniczenie emisji szkodliwych związków do środowiska. Taki stan rzeczy w odniesieniu do motoryzacji narzuca konieczność limitowania zawartości składników toksycznych w spalinach samochodowych, które określone są przepisami EURO europejski standard emisji spalin. O korzystnych właściwościach składu spalin instalacji LPG dla środowiska naturalnego potwierdzają liczne dokonane pomiary. Analiza składu analizatorem spalin wykazuje, że zawartość związków CO, CH oraz NO x (oczywiście przy prawidłowo zamontowanej i skonfigurowanej instalacji gazowej) jest znacznie niższa niż w przypadku silników zasilanych benzyną. Dodatkowo nie zawierają benzenu, ołowiu, jak i również wielu innych związków węglowodorowych charakterystycznych dla paliw benzynowych [2,6,12,13,14] WNIOSKI Alternatywne zasilanie silników o zapłonie iskrowym mieszaniną gazów propan butan (LPG) stało się w Polsce zjawiskiem na tyle powszechnym, że zagadnienia związane z bezpieczeństwem tych instalacji staja się bardzo ważnym aspektem zarówno w kontekście przepisów prawnych jak i rozwiązań konstrukcyjnych takich układów. W pracy autorzy zestawili najważniejsze zmiany konstrukcyjne układów zasilania LPG oraz wskazali na wymogi prawne dotyczące tych instalacji. Rozwój techniczny związany z nowymi technologiami oraz powszechnym wkroczeniem elektroniki w układy mechaniczne w tym do instalacji zasilania paliwami alternatywnymi LPG spowodowała że obecnie można je instalować do większości pojazdów wyposażonych w silniki o ZI. Obecnie osiągi silnika zasilanego paliwem LPG są niemal identyczne z tymi silnikami, które mają jeszcze zasilanie tradycyjne. W dzisiejszych czasach ogromny nacisk wywiera się na rozwiązania konstrukcyjne, przyjazne dla środowiska naturalnego. Normy EURO spowodowały, że na rynku motoryzacyjnym pojawiają się pojazdy z małymi pojemnościami silnika i turbodoładowaniem. Takie rozwiązanie istotnie skraca czas eksploatacji tych silników. W przypadku instalacji LPG udało się zwiększyć ich wydajność dla tej samej pojemności, dzięki czemu nie spada trwałość silników jednocześnie dbając o środowisko, do którego jest oddawane znacznie mniej toksycznych spalin niż jest to w przypadku tradycyjnego zasilania. Analiza zagadnienia pozwala na sformułowanie następujących wniosków: 6904

11 paliwa gazowe mogą stanowić alternatywę dla paliw płynnych. Eksploatacja pojazdów zasilanych LPG będzie opłacalna jeżeli utrzymane będą korzystne obciążenia fiskalne w stosunku do innych paliw, ze względu na kurczące się zasoby ropy naftowej oraz wzrost jej cen na światowych rynkach zasilanie gazowe należy uznać w obecnej chwili za rozwiązanie alternatywne, w polskich warunkach korzystne ekonomicznie jest stosowanie instalacji LPG ze względu na niską cenę zakupu tego paliwa oraz bardzo dobrze rozwiniętą sieć dystrybucji z roku na rok wzrasta dostępność stacji tankowania pojazdów paliwem gazowym, rozwój techniki w projektowaniu i produkcji instalacji gazowych umożliwia ich montaż do większości modeli samochodów z silnikiem ZI, oferta pojazdów fabrycznie przystosowanych do zasilania paliwem gazowym stale się powiększa przez co zmusza producentów do przygotowania pojazdów pod zasilnie LPG, stosowanie paliw alternatywnych w szczególności paliw bioetanolowych i biogazu do zasilania silników spalinowych powoduje znaczne obniżenie emisji dwutlenku węgla oraz innych szkodliwych dla zdrowia i toksycznych dla środowiska związków, doświadczenia eksploatacyjne i badania laboratoryjne nie potwierdzają potocznych opinii o wzroście zagrożenia dla zdrowia i życia człowieka w następstwie użytkowania pojazdów wyposażonych w instalację LPG, diagnozowanie instalacji LPG metody i środki diagnostyczne są kompatybilne z metodami i środkami stosowanymi w diagnostyce układów zasilanych benzyną. Powyższe wnioski pozwalają przypuszczać, że systemy zasilania gazowego (zwłaszcza wtrysk ciekłego gazu) staną się w niedalekiej przyszłości dominującymi alternatywnymi systemami zasilania silników ZI. Streszczenie Niniejszy artykuł przedstawia przegląd rozwiązań konstrukcyjnych instalacji gazowych LPG montowanych w pojazdach. Zwrócono szczególną uwagę na proces ewolucji tych systemów pod względem technicznym poszczególnych jej elementów składowych. W pracy przedstawiono techniczno prawne aspekty normujące zastosowanie alternatywnych źródeł energii w silnikach ZI pojazdów samochodowych na podstawie wybranych elementów układów zasilania silnika paliwem LPG. Legislation and construction requirements of LPG systems in sparkle combustion engines Abstract This article presents an overview of design solutions LPG gas installations mounted in vehicles. Special attention is put on the technically evolution process of these systems and its individual components. In this paper were introduced legislation and construction requirements that are required during implementation of LPG systems in vehicles sparkle combustion engines. BIBLIOGRAFIA 1. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym, WKŁ, Warszawa, Brzeżański M.: Toksyczność spalin pojazdów zasilanych paliwem gazowym (LPG) w odniesieniu do konwencjonalnych metod zasilania, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, Dużyński A. (red.): Silniki gazowe Konstrukcja badania eksploatacja paliwa odnawialne. VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, Górski W.: Współczesne, silnikowe paliwa alternatywne, Świat Paliw nr 2/ Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory, WKŁ, Warszawa Maćkowski J.: Emisja aldehydów z silników o ZI zasilanych paliwami zawierającymi związki tlenowe, Paliwa, oleje i smary w eksploatacji nr 91/

12 7. Majerczyk A., Taubert S.: Układy zasilania gazem propan-butan, WKŁ, Warszawa Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Polska Norma: PN-EN 589:2002 Paliwa do pojazdów samochodowych Skroplone gazy węglowodorowe LPG Wymagania i metody badań. 10. Regulamin nr 67 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ). 11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (Dz. U 2003 Nr 32 z późn. zm.). 12. Sitek K., Syta S.: Badania stanowiskowe i diagnostyka, WKŁ, Warszawa, Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ, Warszawa, Uzdowski M., Abramek K., Gar K.: Eksploatacja techniczna i naprawa. Pojazdy samochodowe, WKŁ, Warszawa, z dnia