Fot. Iskra, archiwum

Laboratorium Iskry: stanowisko do badań zapłonu w seryjnym silniku samochodowym przy zasilaniu benzyną i gazem CNG

Gazy LPG i CNG jako paliwa alternatywne najczęściej stosowane w samochodach osobowych i autobusach miejskich są mniej uciążliwe dla środowiska naturalnego niż benzyna i olej napędowy.

Najnowsze dyrektywy Unii Europejskiej kładą nacisk szczególnie na ograniczanie emisji szkodliwych produktów spalania paliw w silnikach pojazdów użytkowanych w wielkich aglomeracjach miejskich i centrach przemysłowych. Ocena toksyczności spalin emitowanych do atmosfery przeprowadzana jest teraz przy „zimnym silniku”, czyli w warunkach mniej z tego punktu widzenia korzystnych niż podczas normalnej eksploatacji pojazdu. Ma to na celu zarówno zmniejszenie stopnia zanieczyszczenia powietrza na obszarach, gdzie specyfika ruchu drogowego wiąże się ze zwiększoną częstotliwością cykli rozruchu i rozgrzewania silników, jak i zmuszenie producentów samochodów do wprowadzania doskonalszych rozwiązań technicznych w układach zasilających, zapłonowych i wydechowych. Chodzi też o poprawę jakości stosowanych paliw.

Specyfika paliw gazowych Problemami tymi zajmują się obecnie w Europie różne badawcze ośrodki akademickie i przemysłowe, w tym także Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji Bosmal w Bielsku-Białej. Przeprowadzono w nim wszechstronne badania porównawcze spalin uzyskiwanych w różnych warunkach z poszczególnych paliw motoryzacyjnych dla określenia zawartości ekologicznie szkodliwych składników w postaci: węglowodorów HC, tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2 i tlenków azotu NOX. Wyniki potwierdzają, iż niezależnie od stosowanych układów zasilania, w tym także generacji zastosowanej instalacji gazowej, najniższą emisję zanieczyszczeń w spalinach uzyskuje się przy użyciu jako paliwa silnikowego gazu CNG. Zastosowanie tego gazu stwarza obecnie możliwość stosunkowo najłatwiejszego spełnienia obowiązujących norm czystości spalin.

Laboratoryjny silnik wzorcowy do ustalania charakterystyk świec zapłonowych

Jeśli chodzi o gaz LPG, ograniczenia zawartości szkodliwych związków w spalinach uzależnione są od sprawności instalacji zasilających. Najlepsze pod tym względem efekty daje obecnie bezpośredni wtrysk ciekłego gazu do cylindra silnika w połączeniu z nowoczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi katalizatorowych układów wydechowych, pozwalającymi na precyzyjne sterowanie składem spalanej mieszanki na podstawie jej kontroli przez sondy lambda.

Systemy te jednak (podobnie jak przy zasilaniu benzyną) nie są w stanie niwelować niekorzystnych zmian składu spalin powodowanych przez tak zwane „gubienie zapłonu”. Dotyczy to zarówno zimnego, jak i rozgrzanego silnika. Okazuje się przy tym, iż układ zapłonowy, działający zadowalająco podczas spalania benzyny, nie osiąga tej samej skuteczności przy zasilaniu gazowym. Konieczne więc staje się jego dostosowanie, a zwłaszcza przewodów wysokiego napięcia i świec zapłonowych, do tych specyficznych warunków pracy. Dla samej świecy zapłonowej najbardziej istotne różnice wynikające ze zmiany zasilania z benzynowego na gazowe polegają na:

• większej do ok. 30% rezystancji mieszanki, utrudniającej przeskok iskry elektrycznej pomiędzy elektrodami;
• wyższej średniej temperaturze spalania mieszanki paliwowej.

Odpowiednia charakterystyka cieplna

Pierwsza z wymienionych tu okoliczności sprawia, iż konstrukcja świec zapłonowych do silników z zasilaniem gazowym musi umożliwiać inicjowanie zapłonu mieszanki w szerokim zakresie nadmiaru powietrza w cylindrze. Druga ma związek z odpowiednią charakterystyką cieplną, którą określają dwie wartości:

• temperatura samooczyszczania się;
• temperatura samozapłonu.

Poniżej pierwszej nie zachodzi proces wypalania z powierzchni izolatora zanieczyszczeń złożonych głównie z cięższych węglowodorów oraz sadzy. Tworzą one nagar doprowadzający z czasem do mostkowania elektrod.

Z kolei przekroczenie drugiej z tych temperatur (850°C) w najbardziej wysuniętych w głąb komory spalania elementach świecy powoduje samoczynne i niekontrolowane zapłony mieszanki. Prawidłowo skonstruowana i dobrana do silnika świeca zapłonowa powinna zachowywać temperaturę od 500°C do 850°C w całym zakresie pracy silnika.

Świeca „gazowa” różni się od „benzynowej” materiałem elektrod (z lewej), składem wypalanej masy ceramicznej (w środku) oraz wymiarami i kształtem izolatora (z prawej)

"Gazowa" świeca z Kielc

W kieleckich zakładach Iskra, będących jedynym polskim producentem świec zapłonowych i żarowych, badania nad zapłonem paliw alternatywnych podjęto w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Dzięki temu konstrukcja standardowej świecy do silników benzynowych została znacznie zmodyfikowana. Dotyczyło to również doboru bardziej odpornych materiałów do wytwarzania elektrod oraz ceramicznego izolatora.

Zalety tych rozwiązań konstrukcyjnych zostały potwierdzone w testach jakościowych i wytrzymałościowych, które przeprowadzane były w renomowanych ośrodkach badawczych, również u producentów samochodów. Badano wówczas trwałość samych świec, niezawodność zapłonu w trudnych warunkach klimatycznych, toksyczność spalin oraz poziom zużycia paliwa. Uzyskane wyniki badań laboratoryjnych (stanowiskowych) z nadmiarem spełniły wymogi obowiązujących norm, a następnie zostały zweryfikowane w badaniach eksploatacyjnych.

Pierwsze testy eksploatacyjne „gazowych” świec Iskra prowadzono pod koniec lat dziewięćdziesiątych w samochodach pracujących w poznańskich i warszawskich sieciach taksówek. Opinie użytkowników pozwoliły na dalsze udoskonalenie konstrukcji w zakresie niezawodności działania i wymaganej trwałości.

Efektem wszystkich tych prac było pojawienie się na rynku w roku 2000 pierwszej linii świec do samochodów z instalacjami gazowymi LPG i CNG, oznaczonych symbolem „Gaz”.

Kolejne lata i doświadczenia pozwoliły inżynierom z Iskry na wprowadzenie dalszych usprawnień konstrukcyjnych i technologicznych, dzięki którym w roku 2005 pojawiła się kolejna generacja świec o nazwie Gas-Super. Produkty te po zakończonych pozytywnie badaniach w Instytucie Bosmal zostały dopuszczone do stosowania przez Fiat AP i stały się dostępne w sieci autoryzowanych serwisów Fiata.

Obecnie Zakłady Iskra oferują aż 50 typów świec zapłonowych Gas-Super przeznaczonych do większości modeli samochodów dostępnych na europejskim rynku, w tym również do popularnych marek japońskich i koreańskich.

Porównanie świec przystosowanych do zapłonu mieszanki: benzynowej (z lewej), gazowej (w środku) oraz modelu u-Super Benzyna

Teraz w firmie Iskra trwają zaawansowane już prace nad nową konstrukcją świec gazowych o trwałości wydłużonej dzięki zastosowaniu elektrod ze stopów metali szlachetnych. Równocześnie opracowywano specjalne świece zapłonowe do silników autobusów miejskich napędzanych gazem ziemnym CNG (metan). Pierwotnie założono trwałość tych świec na 10 000 km przebiegu pojazdu, lecz dalsze prace, zakończone w 2010 roku, pozwoliły na jej wydłużenie do 30 000 km, co odpowiada częstotliwości serwisowania tych autobusów. Testy laboratoryjne i badania eksploatacyjne potwierdziły słuszność przyjętych założeń konstrukcyjnych i obecnie fabryka oferuje pełny zakres świec zapłonowych do autobusów miejskich.

Tweet

Paweł Piątek
ISKRA Zakłady Precyzyjne sp. z o.o.