Sprawniej także na gazie
Od około 20 lat na polskim rynku święci triumfy montaż instalacji gazowych w samochodach. Instalacja zasilania samochodu alternatywnym paliwem, jakim jest gaz skroplony, stała się popularna ze względu na łatwość adaptacji i korzyści ekonomiczne wynikające z eksploatacji pojazdu w nią wyposażonego.
Do zasilania stosuje się dwa typy gazu: sprężony gaz ziemny, oznaczony w skrócie CNG oraz mieszankę gazów propan i butan, czyli LPG. Przy czym znacznie popularniejszy jest drugi typ instalacji, przede wszystkim ze względu na sposób przechowywania gazu w zbiornikach w samochodzie oraz znacznie lepiej rozwiniętą infrastrukturę stacji tankowania gazem LPG.
Instalacje gazowe są używane do zasilania praktycznie wszystkich typów silników spalinowych, począwszy od silników o zapłonie samoczynnym w autobusach, dużych samochodach ciężarowych, jednostkach pływających czy maszynach a skończywszy na popularniejszych silnikach o zapłonie iskrowym stosowanych w motorowerach, samochodach osobowych, dostawczych, ciężarowych, wózkach widłowych czy łodziach.
Ze względu na bardzo wysokie ceny paliw ”tradycyjnych” - zarówno benzyny bezołowiowej jak oleju napędowego - perspektywa zasilania samochodów paliwem gazowym, który może być nawet dwa razy tańszy niż paliwo pierwotne jest bardzo zachęcająca.
Do montażu instalacji gazowej w samochodzie, potencjalnych jej użytkowników często zniechęca spadek mocy na gazie i zwiększone spalanie w stosunku do paliwa pierwotnego. Czy jednak jest to regułą, że samochód musi palić więcej i być mniej dynamiczny? Jak się okazuje, w przypadku nowoczesnych instalacji, wcale nie jest to oczywiste! Wszystko zależy od prawidłowego montażu i bardzo skrupulatnego „dostosowania” instalacji do wyposażanego w nią pojazdu!
Należy jednak pamiętać, że nawet najlepszy i najbardziej doświadczony montażysta, nie będzie w stanie osiągnąć spalania i dynamiki porównywalnej z zasilaniem benzynowym przy montażu instalacji starszej generacji. Na dobrą sprawę, osiągnięcie powyższych założeń, możliwe jest tylko dla systemów III i IV generacji.
Dla bardziej dociekliwych czytelników, poniżej krótki opis wyżej wymienionych systemów:
W instalacji III generacji gaz jest podawany w sposób ciągły za pośrednictwem dysz wtryskowych bezpośrednio do kolektora ssącego. Takie rozwiązanie praktycznie zapobiega niekontrolowanym detonacjom gazu w kolektorze ssącym. Wyeliminowanie miksera (zwężki) umożliwia zachowanie seryjnych parametrów silnika. Elementem odpowiedzialnym za dawkowanie gazu jest sterownik, w którym istnieje możliwość indywidualnego zbudowania mapy wtrysku gazu.
W IV generacji zastąpiono dysze wtryskiwaczami elektromagnetycznymi po jednym na każdy cylinder. Kolejną innowacją w stosunku do systemów III generacji jest inny sposób sterowania. Sterownik systemu wtrysku gazu bazuje na czasach otwarcia wtryskiwaczy benzynowych. Takie rozwiązanie zwiększa jego precyzję działania oraz ekonomikę pracy na gazie. W tym rozwiązaniu możliwe jest zastąpienie benzyny paliwem gazowym z zachowaniem wszystkich funkcji nowoczesnego samochodu, zwłaszcza autodiagnostyki silnika w układzie OBD. Czym jednak jest sama teza bez jej udowodnienia? Aby więc udowodnić możliwość uzyskania zbliżonych parametrów dla paliwa pierwotnego i instalacji LPG w tym samym pojeździe, wykonano badanie na hamowni z użyciem samochodu Citroen Xsara Picasso z silnikiem 1,6 16v z 2006, o mocy znamionowej 110 KM i przebiegu 65000 km.
Podmiot badania Citroen Xsara Picasso
W w/w samochodzie została zamontowana włoska instalacja gazowa sekwencyjnego wtrysku gazu IV generacji Lovato Smart.
Podstawowe elementy instalacji gazowej Lovato Smart
Instalacja została zainstalowana według wytycznych producenta. Zgodnie z zaleceniami dokumentacji, miejsce mieszania się gazu LPG z powietrzem (miejsce montażu wkrętek gazowych i doprowadzenie gazu do kolektora) zostało umieszczone jak najbliżej wtryskiwaczy benzynowych a przewody gumowe łączące wtryskiwacze z wkrętkami zastosowano możliwie najkrótsze. Poniższe zdjęcie przedstawia pierwsze rozwiązanie montażu wkrętek gazowych w kolektorze, zgodnie z zaleceniami producenta.
Zdjęcie pod maską z zamontowaną instalacją gazową
Zdjęcie kolektora ssącego przed zmianami
Poniższe zdjęcie przedstawia widok kolektora od strony wtryskiwaczy benzynowych przy tym rozwiązaniu.
Mapa instalacji gazowej została zbudowana według najdokładniejszej dostępnej metody, tzn. na hamowni podwoziowej obciążeniowej, na podstawie analizy pracy korektorów krótko i długoterminowych, mapy benzynowej oraz parametrów sondy lambda i analizatora spalin.
Poniżej zdjęcie mapy instalacji gazowej przy pierwotnej konfiguracji.
Poniżej wykres mocy i momentu obrotowego samochodu przed modyfikacją na benzynie i na gazie
Analizując parametry pracy silnika widać, że na gazie samochód ma mniejszą moc maksymalną o 7,6 KM i średni moment mniejszy o 6% w stosunku do pracy samochodu na zasilaniu benzynowym.
Spalanie samochodu na benzynie w cyklu miejskim wynosi 9 l/100 km, poza miastem 7 l/100 km, na gazie przy pierwszym rozwiązaniu wynosiło w cyklu miejskim 12 l/100 km, poza miastem 9 l/100 km.
Wieloletnie doświadczenie w pracy z instalacjami LPG pozwoliło wyciągnąć pewne wnioski, a jednym z nich jest ten, że umiejętna zmiana miejsca mieszania się gazu z powietrzem w kolektorze ssącym, może zdziałać wiele! Ważnym jednak jest fakt, że przy zastosowanej modyfikacji, droga jaką musi pokonać gaz od wtryskiwacza gazowego do zaworu ssącego zostaje niezmieniona.
Po dokonanej zmianie umiejscowienia „wkrętek” gazowych, konieczne było skontrolowanie parametrów pracy instalacji gazowej. Zmieniły się one nieznacznie tzn. zmniejszył się korektor długoterminowy mapy benzynowej o około 5% w prawie całym zakresie obrotów, co by oznaczało że przy drugim rozwiązaniu mieszanka gazowo-powietrzna jest bardziej kaloryczna.
Po dokonaniu kosmetycznych zmian w mapie instalacji gazowej dokonano ponownego badania pojazdu na hamowani. Wyniki poniżej.
Zestawiając parametry uzyskane po dokonaniu modyfikacji z parametrami pracy na gazie przy pierwszym rozwiązaniu, oraz parametry pracy na benzynie uzyskujemy poniższy wykres:
Po wykonaniu modyfikacji na zasilaniu gazem LPG wzrósł średni moment obrotowy z 124,6 Nm do 132,8 Nm oraz maksymalny moment obrotowy z 133,5 Nm do 141,2 Nm.
Na powyższym wykresie w hamowni podwoziowej przedstawiony jest przyrost momentu obrotowego na gazie po modyfikacjach w porównaniu do benzyny.
Moment max z 140,9 Nm do 141,2 Nm, średni z 132,6 Nm do 132,8 Nm.
Zmniejszyło się też spalanie samochodu z 12 l/100 km do 10,4 l/100 km w cyklu miejskim, a poza miastem z 9 l/100 km do 8,1 l/100 km. Poniżej zestawienie wykresów mocy i momentu obrotowego przed i po modyfikacji instalacji LPG oraz parametrów układu benzynowego.
Wyniki te nie są oczywiście odosobnione. W innych przygotowanych w analogiczny sposób samochodach, udało się osiągnąć podobne wyniki. Choćby poniższy Lexus ES 330:
Poniżej jeszcze przykładowy wykres mocy i momentu obrotowego dla samochodu Nissan Almera:
Powyższe badanie ujmuje oczywiście temat w pewnym uproszczeniu ale bez wątpienia pozwala wysnuć wniosek, iż odpowiedni dobór instalacji gazowej do samochodu, poprawny montaż oraz odpowiednia i precyzyjna regulacja sprawiają, że samochód można po montażu instalacji zasilania silnika gazem skroplonym, eksploatować bez odczuwalnej utraty mocy silnika przy jednoczesnym zachowaniu dużo niższych kosztów jego eksploatacji.
Przy pierwszym rozwiązaniu gaz doprowadzony do kolektora ssącego podawany był bardzo blisko zaworów ssących, dzięki czemu został zminimalizowany czas w jakim paliwo gazowe dostaje się do silnika. Jednak krótki odcinek mieszania się gazu w kolektorze, nie wystarcza do pełnego wymieszania się gazu z powietrzem, wskutek czego powstaje uwarstwienie mieszanki paliwowo-powietrznej. Dalszą konsekwencją są gorsze parametry pracy silnika na zasilaniu LPG. Rozwiązaniem tego problemu było wydłużenie drogi mieszania się gazu w kolektorze, jednak nie została zmieniona całkowita droga jaką ma do przebycia gaz od wtryskiwaczy gazowych do zaworów ssących. W wyniku tej błahej z pozoru modyfikacji, gaz ma możliwość dokładniej zmieszać się z powietrzem, dzięki czemu mieszanina gazowo-powietrzna jest jednorodna. Ostatecznie pozwala to osiągnąć lepsze parametry średniego i maksymalnego momentu obrotowego na gazie, wraz ze zmniejszeniem spalania paliwa.
Tekst powstał w oparciu o materiały przekazane przez Janusza Górzyńskiego, właściciela serwisu AUTO DINO, specjalizującego się m.in. w montażu samochodowych instalacji LPG.