Spaľovacie motory vo svojej podstate dokážu pracovať s rôznymi druhmi uhľovodíkových palív, pričom plynné alternatívy predstavujú už desaťročia overenú cestu k zníženiu prevádzkových nákladov a emisií.
Skratky LPG a CNG reprezentujú dva chemicky aj fyzikálne odlišné prístupy k využitiu plynu v doprave. Hoci laická verejnosť tieto dva systémy často zamieňa, z technického, konštrukčného a prevádzkového hľadiska ide o úplne odlišné technológie.
Na to, aby sme pochopili ich zmysel v modernom automobilovom priemysle, je nevyhnutné rozobrať ich chemické zloženie, spôsob skladovania, proces vstrekovania a vplyv na samotný agregát.
Propán-bután verzus metán
LPG, čo je anglická skratka pre Liquefied Petroleum Gas, po slovensky skvapalnený ropný plyn, je zmesou uhľovodíkových plynov, predovšetkým propánu a butánu. Získava sa ako vedľajší produkt pri rafinácii ropy alebo pri ťažbe zemného plynu. Jeho kľúčovou fyzikálnou vlastnosťou je, že pri bežnej okolitej teplote prechádza do kvapalného skupenstva už pri relatívne nízkom tlaku, zväčša v rozmedzí dva až osem barov.
Táto vlastnosť je mimoriadne dôležitá pre skladovanie, pretože skvapalnením sa jeho objem zmenší približne 260-násobne, čo umožňuje uskladniť dostatočné množstvo energie v relatívne kompaktných nádržiach. Zároveň je dôležité poznamenať, že plynná fáza LPG je ťažšia ako vzduch.
CNG, z anglického Compressed Natural Gas, teda stlačený zemný plyn, je tvorený primárne metánom. Metán je najjednoduchší uhľovodík s chemickým vzorcom CH4. Na rozdiel od LPG ho nie je možné pri bežných teplotách skvapalniť iba zvýšením tlaku, na jeho skvapalnenie by bola potrebná kryogénna teplota pod mínus 162 stupňov Celzia, čím by vzniklo palivo LNG.
V osobných autách sa preto zemný plyn využíva v plynnom skupenstve, pričom na dosiahnutie dostatočnej hustoty energie musí byť stlačený na veľmi vysoký tlak, štandardne na úroveň 200 barov. Metán je ľahší ako vzduch, čo znamená, že v prípade úniku stúpa nahor a prirodzene sa odvetráva.
LPG v automobile
Vzhľadom na nízky pracovný tlak je možné LPG skladovať v oceľových nádržiach s relatívne tenkými stenami. V osobnej preprave sa najčastejšie využívajú toroidné nádrže, ktoré svojim tvarom presne kopírujú priestor určený pre rezervné koleso. Vďaka tomu inštalácia systému neuberá využiteľný priestor v batožinovom priestore.
Nádrž je osadená multiventilom, ktorý združuje bezpečnostný pretlakový ventil, palivomer a mechanizmus obmedzujúci plnenie na maximálne osemdesiat percent celkového objemu nádrže, čo poskytuje bezpečnostnú rezervu pre tepelnú rozťažnosť paliva.
Z nádrže putuje kvapalné LPG cez medené alebo termoplastové vedenie do motorového priestoru. Tu sa nachádza reduktor, často nazývaný aj splynovač. Úlohou tohto komponentu je znížiť tlak paliva a zmeniť jeho skupenstvo z kvapalného na plynné. Pri odparovaní LPG dochádza k prudkému ochladzovaniu, preto musí byť reduktor zapojený do chladiaceho okruhu motora.
Práve z tohto dôvodu systém vyžaduje, aby motor po naštartovaní najskôr pracoval na benzín. Až po dosiahnutí dostatočnej teploty chladiacej kvapaliny, zvyčajne okolo tridsať až štyridsať stupňov Celzia, riadiaca jednotka automaticky a plynule prepne chod na plyn.
Plynná fáza LPG následne prechádza cez filter plynnej fázy, ktorý zachytáva olejové a mechanické nečistoty, až do vstrekovačov plynu. Tieto vstrekovače dávkujú plyn priamo do sacieho potrubia pred sacie ventily jednotlivých valcov.
Existujú aj modernejšie systémy so vstrekovaním kvapalnej fázy LPG. Tieto systémy nepotrebujú reduktor, palivo je vstrekované priamo v kvapalnom stave do sacieho potrubia alebo dokonca priamo do valcov cez pôvodné benzínové vstrekovače v prípade priamovstrekových motorov. Kvapalné LPG sa odparuje až v saní alebo vo valci, čím odoberá teplo a ochladzuje nasávaný vzduch. Tento jav zvyšuje objemovú účinnosť motora a v niektorých prípadoch môže dokonca mierne zvýšiť výkon agregátu oproti prevádzke na benzín.
Z prevádzkového hľadiska je hlavným benefitom LPG cena paliva, ktorá sa dlhodobo pohybuje na úrovni približne polovice ceny benzínu. Vzhľadom na nižšiu objemovú hustotu energie v porovnaní s benzínom je potrebné počítať so zvýšením spotreby paliva o desať až dvadsať percent.
Technickou nevýhodou je zákaz vjazdu do väčšiny podzemných garáží. Keďže plyn je ťažší ako vzduch, pri prípadnom úniku by sa hromadil v najnižších bodoch garáže a neodvetral by sa konvenčnou vzduchotechnikou, čo vytvára riziko výbuchu.
CNG v automobile
Pracovný tlak 200 barov pri CNG si vyžaduje úplne odlišný prístup ku konštrukcii palivovej sústavy. Nádrže musia byť extrémne pevné, vyrábajú sa z hrubostennej ocele, hliníka, alebo v moderných vozidlách z uhlíkových a sklených vlákien obalených v epoxidovej živici. Tieto kompozitné nádrže výrazne šetria hmotnosť, no pre svoju valcovitú konštrukciu vyžadujú veľa miesta.
Vozidlá s fabrickým pohonom na CNG majú často prepracovanú podlahovú plošinu a menšiu benzínovú nádrž, aby konštruktéri vytvorili priestor pre tlakové fľaše bez radikálneho obmedzenia batožinového priestoru. Dodatočná prestavba na CNG je práve pre veľkosť a hmotnosť nádrží do bežných áut vysoko nepraktická a nákladná.
Zemný plyn putuje z vysokotlakových nádrží oceľovým vedením k elektronickému regulátoru tlaku, ktorý skokovo zníži tlak z dvesto barov na pracovný tlak systému, zvyčajne v rozmedzí päť až deväť barov. Keďže ide už o palivo v plynnom skupenstve, odpadá potreba splynovania a systém nie je tak silno závislý na teple z chladiacej kvapaliny motora.
Motor dokáže naštartovať priamo na zemný plyn aj pri nízkych teplotách, hoci riadiace systémy zvyčajne na krátky čas využijú benzín na premazanie benzínových vstrekovačov a rýchlejšie zohriatie katalyzátora. Následne plyn putuje cez špecifické CNG vstrekovače do sacieho traktu.
Metán je z pohľadu spaľovacieho procesu mimoriadne kvalitné palivo. Jeho oktánové číslo presahuje hodnotu 120, čo predstavuje mimoriadne vysokú odolnosť voči detonačnému horeniu. Motory konštruované priamo pre CNG môžu využívať vyšší kompresný pomer, čím sa dosahuje vyššia tepelná účinnosť stroja.
Z hľadiska ekológie má metán najvýhodnejší pomer uhlíka a vodíka zo všetkých uhľovodíkových palív. Pri jeho spaľovaní vzniká približne o dvadsať percent menej oxidu uhličitého v porovnaní s benzínom, pričom produkcia pevných častíc a oxidov dusíka je takmer nulová.
Pretože je metán ľahší ako vzduch, autá na CNG majú zvyčajne povolený vjazd do podzemných garáží, za predpokladu, že garáž je vybavená senzormi na detekciu metánu a primeraným odvetrávaním. Nevýhodou CNG zostáva riedka sieť plniacich staníc, pretože výstavba kompresorovej stanice schopnej stláčať plyn na 200 barov je investične veľmi náročná.
Vplyv na životnosť a údržbu motora
Použitie plynných palív prináša špecifické nároky na mazanie a chladenie komponentov spaľovacieho priestoru. Benzín v kvapalnej forme plní pri prechode cez sacie ventily čistiacu a mierne chladiacu funkciu, pričom obsahuje aj aditíva chrániace ventilové sedlá. Plynné palivo túto funkciu nemá, ide o suché horenie.
Okrem toho zmes plynu a vzduchu horí o niečo pomalšie a pri mierne vyšších teplotách. Výfukové ventily sú tak dlhšie vystavené extrémnemu tepelnému zaťaženiu. Pri motoroch s mäkšími ventilovými sedlami môže dôjsť k ich postupnému zaklepávaniu do hlavy valcov, čo vedie k strate ventilovej vôle, k podpaľovaniu ventilov a strate kompresie.
Tento technický problém sa pri dodatočných prestavbách na LPG rieši pridaním systému na plne elektronické alebo podtlakové dávkovanie aditíva, často nazývaného ochrana ventilov, ktoré vytvára na ventiloch ochranný film. Výrobcovia automobilov, ktorí ponúkajú modely s fabrickým pohonom na LPG alebo CNG, tento problém eliminujú už vo výrobe inštaláciou tvrdených ventilových sediel a ventilov z odolnejších zliatin.
Ďalším aspektom je vplyv na motorový olej. Keďže plyn neobsahuje karbónotvorné prísady a nedochádza k riedeniu oleja nespáleným palivom na stenách valcov počas studených štartov, motorový olej zostáva vizuálne čistý oveľa dlhšie.
To však neznamená, že nedegraduje chemicky vplyvom vyšších teplôt, preto je nutné dodržiavať štandardné intervaly jeho výmeny. Zapaľovacia sústava je taktiež podrobená vyššej záťaži, nakoľko zmes plynu a vzduchu má vyšší elektrický odpor, čo vyžaduje vyššie prierazné napätie na sviečke. Z tohto dôvodu sa odporúča skrátiť interval výmeny zapaľovacích sviečok približne o tretinu.
Z vyššie uvedeného technického rozboru vyplýva, že kým LPG predstavuje vysoko flexibilnú a ekonomicky výhodnú cestu najmä pre dodatočné prestavby vozidiel pre vodičov s vysokým kilometrovým nájazdom, CNG je skôr doménou fabrických riešení s obrovským potenciálom pre ekologizáciu lokálnej dopravy a firemných flotíl, za predpokladu dostupnej plniacej infraštruktúry. Obidva systémy poskytujú reálnu technickú funkciu predĺženia celkového dojazdu vozidla, keďže systémy plne koexistujú s pôvodným benzínovým okruhom.
Tento článok napísala umelá inteligencia Gemini od Google. Článok bol skontrolovaný redakciou TECHBOX.
TECHBOX.sk môže za predaj produktu v článku získať províziu formou affiliate programov.