Scania R410 LNG – techniczne fakty i mity na temat zasilania silnika skroplonym gazem ziemnym LNG

Bohater testu: ciągnik Scania R410 4x2 LNG z silnikiem OC13 zasilanym ziemnym, przewożonym w postaci skroplonej, połączony z naczepą kurtynową marki Wielton (fot. K.Biskupska)

Na test do naszej redakcji trafiła Scania R410 4×2 LNG. Zasilanie silnika skroplonym gazem ziemny LNG w dalszym ciągu wzbudza pewne kontrowersje. Próbujemy przedyskutować najważniejsze techniczne fakty i mity związane z LNG – bohaterem rozważań pozostaje oczywiście ciągnik siodłowy Scania R410 LNG.

1: LNG to niebezpieczne paliwo, trujące i łatwopalne
Skroplony gaz ziemny LNG jest bezpiecznym paliwem, ponieważ jest lżejszy od powietrza i szybko odparowuje. Zanim trafi do instalacji gazowej jest nawaniany, a stosowanie systemów detekcji sprawia, że użytkowanie gazu ziemnego jest bardzo wygodne i bezpieczne.W postaci par jest nietoksyczny w przypadku wdychania, ale w zamkniętych przestrzeniach stwarza ryzyko uduszenia. Istotnym zagrożeniem jest to, że tankowany gaz w postaci skroplonej ma temperaturę –162°C, co stwarza ryzyko odmrożenia. Dlatego też personel stacji tankowania podczas napełniania zbiorników musi być wyposażony w specjalną odzież ochronną.
Gaz ziemny w postaci płynnej jest niepalny, aby doszło do zapłonu, płyn musi najpierw wyparować i muszą być zachowane odpowiednie proporcje między gazem ziemnym a powietrzem. Metan jest palny tylko w postaci gazowej w stężeniu 5–15% w połączeniu z powietrzem. Zapłon gazu następuje wyłącznie przez kontakt z ogniem.

Schematyczne przedstawienie instalacji LNG w ciągniku Scania R410 (fot. Scania)
Tankowanie skroplonego gazu na stacji MZA w Warszawie przy ul. Ostrobramskiej; widoczne oszronienie złącza tankowania LNG – nic dziwnego, tankowany płyn ma temperaturę –162°C końcówki (fot. K.Biskupska)

2: Samochód jest niebezpieczny, bo ma w zbiornikach paliwo, które może wybuchnąć
Jeśli przewożenie skroplonego gazu byłoby niebezpieczne w normalnych warunkach eksploatacji, samochody nie przeszłyby badań homologacyjnych i nie zostałyby dopuszczone do sprzedaży, nie mówiąc o jeździe po drogach. Technologia produkcji butli gazowych, w których przewozi się gaz sprężony CNG, jak i kriogenicznych zbiorników LNG jest bardzo dopracowana – zbiorniki są absolutnie bezpieczne. Samochodowy zbiornik LNG jest próżniowym, izolowanym pojemnikiem kriogenicznym, który umożliwia przechowywanie ciekłego gazu ziemnego w niskiej temperaturze przez długi czas.Jest to konstrukcja cylindryczna i wielowarstwowa, uszkodzenie ostatniej, wewnętrznej powłoki wymaga w zasadzie zniszczenia całego zbiornika.
Producenci zbiorników muszą poddać je badaniom zgodnie z przepisami regulaminu UN/ECE R110. Dotyczy on homologacji określonych elementów pojazdów silnikowych wykorzystujących w układach napędowych sprężony gaz ziemny (CNG) lub skroplony gaz ziemny (LNG). Testy obejmują wiele szczegółowych procedur, m.in. nadciśnieniowe badania wytrzymałościowe, badanie szczelności, odporności na korozję i działanie podwyższonych temperatur, badania z cyklicznymi zmianami ciśnienia, testy trwałościowe i starzenia, badanie odporności na wibracje czy badania na rozerwanie (niszczące). W Polsce zbiorniki na gaz skroplony lub sprężony, służące do zasilania silników spalinowych w pojazdach, podlegają kontroli przez Transportowy Dozór Techniczny. TDT przeprowadza badania okresowe i doraźne zbiorników, wykonywane jako rewizje wewnętrzne, próby ciśnieniowe, rewizje zewnętrzne, próby szczelności.
Producenci butli wykonują również swoje wewnętrzne testy. Wykonywany jest np. test utrzymywania ciśnienia: zmierzone zostaje ciśnienie w zbiorniku po 120 lub więcej godzinach przy niższym niż nominalne ustawienie ciśnienia otwarcia głównego zaworu bezpieczeństwa zbiornika. Z kolei test upadku polega na zrzuceniu zbiornika z wysokości 9 m na najbardziej krytyczny obszar zbiornika, jest również test upadku z wysokości 3 m na końcówkę przyłącza do tankowania. Przeprowadzane są również badania płomieniowe, mające wykazać skuteczność systemu ochrony przeciwpożarowej – zbiornik musi wytrzymywać temperaturę co najmniej 590°C bez rozerwania i przekroczenia maksymalnego wewnętrznego ciśnienia projektowego.

Fot. D.Piernikarski
Dwa zbiorniki zamontowane w ciągniku Scania R410 LNG zostały wyprodukowane przez austriacką firmę Salzburger Aluminium Group SAG – jedynego europejskiego dostawcę zbiorników kriogenicznych stosowanych w samochodach ciężarowych z silnikami zasilanymi LNG. Zbiorniki mają łączną pojemność 711 l, zmieści się w nich ok. 320 kg gazu ziemnego– producent określa zasięg operacyjny na 1100 km (fot. D.Piernikarski)

3: Spalanie gazu to wyższe wymagania wobec silnika
Spalany gaz możemy uznać za „suche” paliwo w przeciwieństwie do oleju napędowego nie smarujące powierzchni, z którymi ma styczność. W związku z tym układ smarowania silnika został do tego odpowiednio przystosowany, możliwe jest też zastosowanie oleju silnikowego specjalnie zaprojektowanego pod kątem silników gazowych.
Główną przyczyną tego, że rzeczywiście interwały międzyprzeglądowe są skrócone (silnik gazowy OC13 – co 45 tys. km, silnik wysokoprężny DC13 – co 90 tys. km), jest to, że spalanie gazu odbywa się w wyższych temperaturach niż oleju napędowego, podobnie wyższą temperaturę mają gazy wylotowe opuszczające silnik gazowy niż te w silniku wysokoprężnym. Wyższe temperatury spalin oznaczają większe obciążenia cieplne kolektora wylotowego i związane z tym odkształcenia. Z drugiej strony niższy stopień sprężania silnika gazowego (w silniku gazowym OC13 to 12,6:1, w silniku wysokoprężnym DC 13 to 18,1:1) i mniejsze maksymalne ciśnienia spalania to w konsekwencji mniejsze siły przenoszone na elementy układu korbowo-tłokowego silnika i panewki łożysk. Tym samym wydłuża się ich żywotność. Świece zapłonowe zostały dobrane pod kątem spalania mieszanek gazowych, ich trwałość przekracza 50 tys. km, we wcześniejszych rozwiązaniach „wytrzymywały” zaledwie 30–35 tys. km i trzeba je było wymieniać.
Częstsze przeglądy to niestety dodatkowy koszt dla przewoźnika, a głównym jego składnikiem jest olej silnikowy, potrzebny w takiej samej ilości jak w silniku Diesla.

Silnik Scania OC13 101 Euro VI zasilany gazem ziemnym ma pojemność skokową 12,7 dm3, maksymalna moc to 410 KM (301kW) osiągana przy 1900 obr/min, maksymalny moment obrotowy wynosi 2000 Nm w zakresie 1100–1400 obr/min. Ten przedział prędkości obrotowych zapewnia minimalne zużycie paliwa. Oczyszczanie spalin zapewnia katalizator potrójnego działania z sondą lambda sterującą składem mieszanki paliwowo-powietrznej. Silnik ten może być zasilany gazem niezależnie od jego stanu skupienia w zbiorniku (CNG/LNG) oraz rodzaju (gaz ziemny, syntetyczny metan, biogaz). fot. Scania

4: Gaz ucieka ze zbiornika podczas postoju pojazdu
Tak, straty są – zwłaszcza jeśli pojazd długo stoi w nieosłoniętym miejscu w wysokiej temperaturze otoczenia. Ponieważ LNG jest przechowywany w zbiorniku w temperaturze –162°C, to wskutek ogrzewania zbiornika temperatura w jego wnętrzu powoli wzrasta i rośnie intensywność parowania gazu.

Fot. D.Piernikarski

Pary gazu, zwiększając swoją objętość, powodują również wzrost ciśnienia. Zbiornik LNG jest wyposażony w zawór rozprężny. Jeśli ciśnienie par gazu przekroczy 16 bar, ze względów bezpieczeństwa zawór się otwiera i nadmiar gazu wypuszczany jest poprzez rurkę umieszczoną za kabiną.
To, ile gazu ubędzie ze zbiornika wskutek parowania, zależy od wielu czynników. Na tempo procesu wpływa chociażby to, że gdy ciągnik parkuje razem z naczepą, to częściowo osłania ona (zacienia) zbiornik gazu, co zmniejsza nieco intensywność parowania. Z najgorszą sytuacją mielibyśmy do czynienia, parkując na długo sam ciągnik w pełnym nasłonecznieniu i przy wysokiej temperaturze otoczenia. W ciągu, powiedzmy, 10 dni może dojść do sytuacji, że w zbiorniku zostanie tylko sama rezerwa.
Oczywiście na samym zbiorniku i na wyświetlaczu tablicy wskaźników można odczytać aktualne ciśnienie par gazu znajdujących się w zbiorniku. Aby ułatwić życie kierowcy, w testowanej przez nas Scanii R410 LNG na osłonie przeciwsłonecznej została umieszczona tabelka (zdjęcie obok) przedstawiająca orientacyjny spadek ciśnienie gazu w zbiornikach w zależności od czasu postoju.

5: Niepełna infrastruktura tankowania ogranicza wykorzystanie
Klienci cały czas są zdania, że niedostateczna infrastruktura tankowania – nie tylko w Polsce, ale i w całej Europie, może ograniczać ich mobilność i stwarzać ryzyko zatrzymania na trasie z powodu braku paliwa. Aktualnie (stan na koniec marca 2021 r. wg NGVA Europe) na terenie Europy działa 387 publicznych stacji tankowania LNG, najwięcej jest ich na terenie Włoch – 92, Niemiec – 55, Hiszpanii – 65 oraz Holandii – 28. W Polsce jest ich 5: EPO w Krzywej, Bisek w Kostomłotach, Shell we Wrocławiu – wszystkie w pobliżu autostrady A4, PGK Śrem oraz stacja w zajezdni MZA na ul. Ostrobramskiej w Warszawie.

Rozwój publicznej infrastruktury tankowania CNG/LNG na terenie UE + EFTA (fot. NGVA Europe)

Planując trasę, warto upewnić się, że wizyta na stacji LNG zakończy się sukcesem, tj. stacja będzie otwarta lub nie będzie na niej akurat tankowania zbiorników. Trwa to około 2 godzin, ale później potrzeba jeszcze 2–3 godzin, aby się wyrównały ciśnienia w zbiornikach. Zatem jest to przerwa do 5 godzin.
Ile można przejechać na gazie? W przypadku ciągnika Scania R410 LNG zbiornik po lewej stronie pojazdu ma pojemność 406 l. Ponieważ w ciągniku moduł układu oczyszczania spalin jest zamontowany standardowo – w identyczny sposób jak w samochodach z silnikami Diesla zbiornik LNG z prawej strony pojazdu musi być mniejszy (352 l). Ze względu na specyfikę pracy układów LNG pojemność użyteczna zbiorników to ok.85% ich wielkości geometrycznej i jest to odpowiednio 383 l i 328 l. Łącznie można zabrać zatem 711 l LNG, a uwzględniając gęstość objętościową gazu ziemnego (0,45 kg/l) w zbiornikach, przewozi się ok. 320 kg. Zakładając średnie zużycie gazu na poziomie 25kg/100 km, maksymalny zasięg tak wyposażonego ciągnika to 1280 km. Warto jednak zachować rezerwę bezpieczeństwa, ponieważ powyższe obliczenia nie uwzględniały chociażby odparowania gazu ze zbiorników. Scania zaleca, aby nie przekraczać 1100 km, czyli teoretycznego zasięgu podawanego w dokumentacji.

W teście Scanii R410 LNG uzyskaliśmy zużycie gazu 19,6 kg/100 km. W uproszczeniu:przyjmując średnią cenę 3,82 zł/kg,przejechanie 100 km kosztowało nas ok. 75 zł, a zakładając,że takim samym zestawem,ale z 410-konnym silnikiem Diesla uzyska spalanie na identycznym poziomie (masowo, gęstość ON to 0,845 kg/l), czyli 23,2 l/100 km przy średniej cenie ON 4,8 zł/l koszt przejechania to 111 zł – jest to niemal o 48% więcej! (fot. D.Piernikarski)

6: Silnik gazowy wymusza inną technikę jazdy
Kabina, zawieszenie, podwozie, przełożenie przekładni głównej, układ hamulcowy oraz wszystkie zaawansowane systemy wspomagania kierowcy, w jakie jest wyposażona Scania R410 LNG, są identyczne jak w dieslowskich odpowiednikach. Jedyną różnicą jest silnik i jego układ zasilania paliwem. Ponadto gazową ciężarówkę prowadzi się niemal identycznie.
W 410-konnych silnikach Scania OC13 ze względu na to, że są one zasilanie gazem, zakres maksymalnego momentu obrotowego znajduje się w zakresie od 1100 do 1400 obr/min, a nie jak w 410-konnym silniku DC13 od 1000 do 1300 obr/min. Maksymalny moment obrotowy jest mniejszy o 150 Nm. Układ zasilania gazowego przygotowała dla Scanii firma Bosch – producent szczególnie zatroszczył się o prawidłową kontrolę ciśnienia i temperatury gazu w parowniku, co gwarantuje stabilność osiągów silnika.

Ponieważ silnik generuje swój maksymalny moment obrotowy w wyższych zakresach prędkości obrotowych, program sterujący pracą zautomatyzowanej 12-biegowej skrzyni Opticruise został odpowiednio zmodyfikowany. Zmiana biegów następuje nieco później – przy wyższych prędkościach obrotowych, dzięki czemu silnik stale pracuje w swoim „zielonym polu”, a na koła przekazywany jest odpowiednio wysoki moment obrotowy. Oczywiście przy zmianach są pomijane biegi, tak jak w konwencjonalnej wersji. Sterownik skrzyni pilnuje również tego, aby po zmianie biegów na wyższy lub przy wzroście obciążenia i związanego z tym spadku prędkości obrotowej prędkość silnika nie spadała poniżej 1000 obr/min. W efekcie osiągi samochodu z silnikiem gazowym są bardzo porównywalne do wersji dieslowskiej – zyskujemy na dynamice rozpędzania.

Niższy stopień sprężania oznacza, że zdecydowanie maleje skuteczność zwalniacza – hamulca dekompresyjnego. Rozwiązaniem jest retarder stanowiący standardowe wyposażenie ciągników Scania z silnikami gazowymi. Jego automatyczne działanie po naciśnięciu na pedał hamulca można aktywować poprzez dźwignię wielofunkcyjną lub klawiszem na desce rozdzielczej. Działanie jest wielostopniowe, a umiejętne dozowanie siły hamowania retardera pozwala zmniejszyć zużycie klocków i tarcz hamulcowych oraz opon.

Fot. K.Biskupska

Różnicą jest również to, że zrezygnowano z wybiegu przy minimalnym dawkowaniu paliwa do cylindrów (silnik pracuje wówczas na biegu jałowym). Zdjęcie nogi z gazu zamyka całkiem dopływ paliwa – silnik napędzany przez toczący się samochód staje się sprężarką i wytwarza efekt hamujący, spowalniając pojazd, jednocześnie cały czas sprzęgło pozostaje zamknięte, a w skrzyni przekładniowej nadal jest wybrany bieg.
Dzięki temu, że pojazd jest zasilany gazem i silnik ma zapłon iskrowy, pracuje znacznie ciszej od diesla. Nie jest też konieczny tak złożony układ oczyszczania spalin ze zbiornikiem AdBlue. Tu mamy zwykły katalizator potrójnego działania.

Kabina, zawieszenie, podwozie, tylny most napędowy, układ hamulcowy oraz wszystkie zaawansowane systemy wspomagania kierowcy, w jakie jest wyposażona Scania R410 LNG, są identyczne jak w dieslowskich odpowiednikach; gazową ciężarówkę prowadzi się niemal identycznie jak jej dieslowski odpowiednik (fot. D.Piernikarski)