Najpopularniejszym rodzajem paliwa gazowego używanego do zasilania silników samochodowych jest wszechobecne LPG (Liquefied Petroleum Gas), czyli mieszanina propanu i butanu. LPG jest uzyskiwany jako produkt uboczny rafinacji ropy naftowej oraz ze złóż gazu ziemnego. Przy normalnym ciśnieniu w temperaturze pokojowej jest gazem. Dopiero sprężenie do 2,2–4 atm. powoduje jego skroplenie. Stosowany popularnie LPG charakteryzuje się liczbą oktanową na poziomie 90–120. W praktyce zdolność do spalania detonacyjnego tego rodzaju paliwa określa się jako liczbę metanową, która wynosi dla LPG od 60 do 80.

Podstawowym atutem tego rodzaju paliwa jest jego atrakcyjna cena oraz niski koszt instalacji zasilającej w porównaniu do instalacji innych paliw gazowych. Łatwość użycia polega też na tym, że instalację LPG można zamontować praktycznie w każdym samochodzie zasilanym gaźnikowo lub z wtryskiem pośrednim. W takich konstrukcjach podczas pracy silnika odcinany jest dopływ benzyny, a do kolektora ssącego doprowadzana jest mieszanka LPG. W nowoczesnych instalacjach zasilania gazem stosuje się wtrysk gazu do kolektora ssącego. Podobnie jak wtrysk benzyny jest on sterowany komputerowo, a tego typu instalacja jest na tyle doskonała, że nie ma problemu z uruchomieniem pojazdu na paliwie gazowym nawet przy niskich temperaturach.

Generacje

Rodzaje instalacji zasilania LPG są nazywane generacjami i wiążą się ściśle z typem zasilania silnika o zapłonie iskrowym, a niekiedy też samoczynnym.

1. generacja instalacji LPG stosowana była w silnikach zasilanych mieszanką paliwowo-powietrzną przygotowywaną przez gaźnik. Samochody te nie miały katalizatora, sondy lambda ani elektronicznego sterowania, więc działanie instalacji LPG uzależnione było tylko i wyłącznie od praw fizyki i mechaniki silnika. Układ pierwszej generacji wykorzystuje zmienne podciśnienie panujące w kolektorze dolotowym. Gaz w fazie ciekłej uwalniany jest ze zbiornika przez wielozawór i przewodami trafia do reduktora-parownika zamontowanego pod maską. Zimny silnik uruchamiany jest na benzynie i pracuje na niej tak długo, aż gorąca ciecz chłodząca nie przepłynie do parownika, w którym nastąpi przejście gazu z fazy ciekłej do gazowej. W parowniku ciśnienie gazu jest obniżane do 0,45–0,65 bara, a dalej gaz trafia do mieszalnika, który zamontowany jest przed przepustnicą. Mieszalnik uwalnia gaz w taki sposób, aby najlepiej wymieszał się on z zasysanym powietrzem. Wadą tego rozwiązania jest problem regulacji dopływu większej ilości gazu przy dużym obciążeniu, co powodowało zwiększone jego zużycie i zmniejszenie osiągów.

2. generacja
Tego typu instalacje przeznaczone były do montowania w samochodach wyposażonych w jedno- lub wielopunktowy wtrysk paliwa lub gaźnik sterowany elektronicznie z sondą lambda i katalizatorem. Zasada działania tej instalacji jest podobna, jak w przypadku 1. generacji – z tą różnicą, że jest sterowana elektronicznie. Moduł elektroniczny odbiera i analizuje sygnały wysyłane przez sondę lambda, czujnik położenia przepustnicy i czujnik prędkości obrotowej wału korbowego i na tej podstawie wzbogaca bądź zubaża mieszankę. Tego typu instalacja wyposażona jest w emulator wtryskiwaczy benzyny, dzięki któremu można odciąć z nich zasilanie na czas użytkowania paliwa LPG.

3. generacja
Instalacje 3. generacji są najrzadziej widywane w samochodach. Przeznaczone są do silników z wielopunktowym wtryskiem paliwa, ale zamiast mieszalnika mają układ dozujący bazujący na silniku krokowym.

4. generacja, czyli czas sekwencji
Jest to najczęściej spotykany rodzaj instalacji gazowej LPG stosowanej w silnikach z wielopunktowym wtryskiem paliwa. Podstawową różnicą w stosunku do instalacji pozostałych generacji jest tu stosowanie tylu wtryskiwaczy (dysz) gazu, ile jest cylindrów w silniku. Zrezygnowano więc z centralnego dostarczania gazu LPG do kolektora ssącego wspólnie dla wszystkich cylindrów. Podobnie jak przy zasilaniu benzynowym momenty otwarcia wtryskiwacza oraz czasy jego pracy określane są osobno dla każdego cylindra. Dawkowaniem gazu za pośrednictwem sterownika LPG steruje komputer silnika.

Zasada samego wtrysku paliwa jest podobna do działania wtrysku Common Rail w silnikach Diesla. Gaz doprowadzany jest do wspólnej listwy zasilającej, z której dalej odrębnymi przewodami płynie do elektrycznie sterowanych wtryskiwaczy.

Bezpośredni wtrysk benzyny – nowe wyzwania

Silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny trudniej zintegrować z instalacją zasilania gazem LPG. Problemem są tutaj wtryskiwacze benzyny znajdujące się w komorze spalania. W czasie pracy na LPG wtryskiwacz benzyny nie jest zasilany, ale ciągle narażony jest na działanie wysokiej temperatury. To prowadzi do zapiekania się wtryskiwaczy i ich nieprawidłowego działania. Aby zapobiec przegrzaniu wtryskiwaczy, konieczne jest ich chłodzenie przez dotrysk benzyny. Jest to jednak równoznaczne z dodatkowym zużyciem benzyny. Oczywiście w tym przypadku mamy do czynienia z instalacją zasilającą według schematu 4. generacji, czyli jeden wtryskiwacz na jeden cylinder z podaniem gazu do kolektora ssącego przed zaworami, tj. poza komorą spalania. W niektórych silnikach do wtrysku gazu używane są wtryskiwacze benzyny. Różnica między instalacją 4. i 5. generacji polega przede wszystkim jednak na tym, że tej ostatniej wtryskiwane jest paliwo gazowe w fazie ciekłej (LPI – Liquid Propane Injection – wtrysk ciekłego propanu, wtrysk fazy ciekłej). To powoduje zmniejszenie temperatury w cylindrze przez konieczność odparowania ciekłego paliwa.

Rozwinięciem tego typu rozwiązania jest instalacja powiązana z układem zasilania benzyną do takiego stopnia, że wtrysk fazy ciekłej gazu jest realizowany przez wtryskiwacze benzyny. To eliminuje problem chłodzenia wtryskiwaczy podczas pracy na gazie. Ale nie ma róży bez kolców: pompa gazu ciekłego jest czuła na zanieczyszczenia, więc wymagana jest bardzo wysoka czystość tankowanego gazu. Nieformalnie tego typu instalacje nazywane są instalacjami 4. generacji.

© Mazda

Czy to bezpieczne?

Zmiana zasilania z benzyny na gaz LPG zawsze niesie ze sobą jakieś konsekwencje. W przypadku wtrysku fazy ciekłej przez wtryskiwacze znajdujące się bezpośrednio przed zaworami dolotowymi mamy do czynienia ze znacznym obniżaniem się temperatury. Wtrysk skierowany bezpośrednio na zawory ssące zmienia bowiem wówczas stan skupienia z fazy ciekłej na lotną. Pociąga to za sobą drastyczną zmianę temperatury (do ok. -47°C w zależności od stosunku propanu do butanu w mieszance). Zjawisko to oddziałuje również na zassane do kolektora ssącego powietrze, dzięki czemu uzyskuje się zmniejszenie objętości ładunku (paliwa z powietrzem). To zaś niesie za sobą polepszenie napełnienia cylindra i lepszy wydatek mocy.

Najważniejszą zaletą wtrysku fazy ciekłej LPG jest zachowanie tej samej mocy jak podczas pracy silnika na benzynie, a także jej wzrost przy wyższych prędkościach obrotowych dzięki schłodzeniu mieszanki. Innym zjawiskiem towarzyszącym jest dodatkowe schłodzenie samych zaworów oraz przylgni i gniazd zaworowych.
W trakcie zasilania gazem LPG często spotkać się można z problemem smarowania, który bywa eliminowany przez stosowanie dodatkowych środków dozowanych do kolektora ssącego. Ich zadaniem jest utrzymanie prawidłowego smarowania trzonków zaworowych oraz miejsca styku zaworu z gniazdem. Dodatkowo odparowanie tych związków powoduje obniżenie temperatury powierzchni, na której on się znajdował.

Związki smarujące zawarte w gazie LPG dostarczonym na stację tankowania mogą jednak również sprawiać kłopoty. W skład gazu wchodzą nie tylko propan i butan, ale również różnego rodzaju domieszki, które w przypadku fazy lotnej odkładają się w parownikach i wtryskiwaczach, powodując ich uszkodzenie zanieczyszczeniami wytrącającymi się podczas zmiany stanu skupienia. W przypadku fazy ciekłej wszystko jest wtryskiwane, zaś domieszki do propan-butanu po spaleniu tworzą tlenki, które, osadzając się na zaworach i przylgniach, niwelują ich tarcie do takiego stopnia, jak w przypadku zasilania silnika benzyną.

LPG w dieslu

Paliwo LPG można także zastosować do zasilania pojazdów z silnikiem Diesla. Modyfikacje są w takim przypadku trochę poważniejsze. Najważniejszą różnicą jest fakt, że silnik Diesla pracuje jednocześnie na dwóch rodzajach paliwa – oleju napędowym, który stwarza warunki do powstania samozapłonu, oraz domieszce LPG. Praktycznie stosuje się kilka rozwiązań, z których dwa najpowszechniejsze polegają na dostarczeniu do komory spalania mieszanki oleju napędowego i LPG w stosunku około 20% do 80%. Rozruch silnika następuje tylko na oleju napędowym, a w momencie, gdy silnik już pracuje, do komory spalania zostaje dostarczony gaz. Stopień sprężania w silniku Diesla uniemożliwia zasilanie tylko gazem ze względu na niską temperaturę samozapłonu, która powodowałaby zapłon sprężonego gazu jeszcze przed górnym martwym punktem tłoka.

Drugie rozwiązanie bazuje na popularnym zasilaniu gazem 2. generacji. W przewodzie dolotowym umieszczony jest mieszacz, który zasila silnik dodatkową ilością gazu LPG. Podobnie jak w poprzednim przypadku olej napędowy jest wykorzystywany do zainicjowania zapłonu. Zasilanie silników Diesla mieszanką z LPG jest dość skomplikowane, ponieważ wymaga zmiany sposobu wysterowania ilości wtryskiwanego oleju napędowego oraz dodatkowego wyregulowania objętości podawanego gazu. Obie te wartości muszą być ze sobą zgrane, aby możliwe było utrzymanie odpowiedniego stosunku ilościowego jednego paliwa względem drugiego.

Zaletą zasilania silników Diesla gazem LPG jest fakt, że spaliny charakteryzują się dużą czystością, która jest porównywalna z tą osiąganą przez najnowsze rozwiązania z filtrami cząstek stałych.