1. WIADOMOŚCI OGÓLNE O ZASILANIU ORAZ STEROWANIU PROCESAMI ROBOCZYMI W SILNIKACH SPALINOWYCH

Zasilanie silników spalinowych to dostarczenie do ich cylindrów mieszaniny palnej w

ilości i składzie odpowiadającym bieżącemu zapotrzebowaniu silnika, przy uwzględnieniu ograniczeń wynikających z ochrony środowiska oraz minimalizacji zużycia paliwa. Powyższe postulaty zazwyczaj nie są jednocześnie zbieżne. Ponadto są „lokalnie" ograniczone, m.in. ze względu na ochronę katalizatora przed uszkodzeniem, ograniczanie momentu rozwijanego na kołach pojazdu oraz na sprzęgłach i hamulcach w automatycznej skrzyni biegów. Preferencyjnego wyboru nastawów układu zasilania oraz sprzężonego z nim „zapłonu" dokonuje sterownik elektroniczny. Analogowe sterowniki hydrauliczne nie znalazły szerszego zastosowania, zarówno ze względu na skomplikowaną ich budowę, jak i stosunkowo niewielką możliwość przetwarzania informacji. W skład układu zasilania silnika o zapłonie iskrowym wchodzą: a) przy zasilaniu gaźnikowym lub jednowtryskowym — gaźnik lub zespół jednowtryskowy (1) ze sterownikiem elektronicznym (6) (lub bez), pompa zasilająca, przewody paliwowe, zbiornik na paliwo (2), pojemnik z węglem drzewnym (7) wraz z zespołem zaworów (4) służących do akumulowania oraz powrotnego przekazywania par paliwa do układu zasilania (lub bez), tłumik szmerów zasysania (lub bez), zawór recyrkulacji spalin (lub bez) oraz filtr powietrza (rys. 1.1); b) przy zasilaniu wtryskowym — wtryskiwacze, pompa paliwa, przewody paliwowe, akumulator paliwa z zaworem utrzymującym w przybliżeniu stałe ciśnienie, zespół przepustnicy oraz przepływomierz powietrza. W zależności od standardu wykonania układ ten może być wyposażony w dodatkowe podzespoły; c) w klasycznych silnikach z zapłonem samoczynnym — wtryskiwacze (10), pompa wtryskowa (6), pompa zasilająca z napędem od wałka pompy oraz pompa ręczna (3), filtr paliwa (4), przewody paliwowe, zbiornik paliwa (7) (rys. 1.2).

1.1. Powstawanie mieszanin palnych Mieszaniny palne wytwarza się przez dozowanie, rozpylenie, odparowanie i

wymieszanie paliwa w ośrodku powietrza, przy czym paliwo jest wysysane lub wyciskane przez dysze do tego ośrodka. Rozpylanie cieczy i ich mieszanie z powietrzem jest znanym i opanowanym technicznie procesem dla przebiegów ustalonych lub stosunkowo wolnozmiennych. W układach zasilania silników spalinowych, szczególnie szybkoobrotowych, procesy te przebiegają w sposób zmienny i w bardzo krótkim czasie, liczonym w milisekundach. Kontrolowanie takich przebiegów oraz sterowanie nimi stwarza dotąd duże problemy techniczne.

Rozpylanie ciekłego paliwa to jego rozpad na krople, powodowany głównie działaniem sił. Rozpad ten zachodzi tym łatwiej, im bardziej podatną postać na rozpylenie ma rozpylana porcja paliwa. Najbardziej podatne na rozpylenie są cienkie strugi lub paliwo w postaci błony. Z tak ukształtowaną porcją paliwa wiąże się największa energia powierzchniowa, a tym samym i największa niestateczność. Na skutek zaburzeń wywołanych siłami zewnętrznymi (aerodynamicznymi) na powierzchni kropli, strugi lub błony paliwowej powstają fale o rosnącej amplitudzie, powodujące ich rozpad. Charakter rozpadu strugi paliwa wypływającego z rozpylacza zależy głównie od prędkości wypływu. Rozróżnia się trzy charakterystyczne formy rozpadu: dla prędkości do 1, 10 i 100 m/s (rys. 1.3). Po rozpadzie strugi powstają krople, formowane pod wpływem napięcia powierzchniowego. Przy małej

prędkości wypływu paliwa z rozpylacza (rzędu l m/s, (rys. 1.3a) powstają krople o średnicy d, których objętość można określić

휋푑6 =

휋푑 휆4

(1.1) gdzie: d0 — średnica wypływającej strugi, λ — długość fali osiowosymetrycznej.

Wiadomo również, że energię powierzchniową cieczy określa się iloczynem powierzchni i napięcia powierzchniowego σ. W związku z tym kropla powstała z cylindrycznej strugi o średnicy d0 i długości λ, w danych warunkach będzie tym trwalsza, im mniejszą będzie miała powierzchnię,

휎휋푑 = 푑 휆휎 (1.2) Po przekształceniu zależności (1.1) i (1.2) można otrzymać nierówność

d > I,5d0 (1.3) z której wynika, że krople, powstałe z rozpadu cylindrycznej strugi, o stosunkowo małej prędkości wypływu, mają znaczne wymiary. Z doświadczenia wiadomo, że krople powstałe w takich warunkach mają różne średnice, ponieważ powstają z odcinków strugi o różnym stopniu przewężenia. Przy wypływie strugi paliwa z rozpylacza z prędkością 10 m/s, powstają znacznie mniejsze krople, niż w przypadku wypływu paliwa z prędkością około 1 m/s.

W przypadku wypływu z prędkością 10 m/s, struga ulega dodatkowej deformacji (rys. 1.3b), która powiększa się w miarę oddalania od rozpylacza. Na końcu następuje jej rozpad na krople o różnych średnicach. Przy wypływie paliwa z rozpylacza z prędkością 100 m/s (rys. 1.3c), struga ulega intensywnemu rozpyleniu wskutek działania fal aerodynamicznych. Można w tym przypadku wyodrębnić trzy strefy: na odcinku AB =lz struga jest jeszcze zwarta. Wartość lz zależy od ciśnienia ośrodka gazowego oraz prędkości wypływu paliwa z dyszy. Na rysunku 1.4 pokazano fotografie strug paliwa, gdzie widoczne jest zmniejszanie wartości lz ze wzrostem ciśnienia. W zakresie małych prędkości długość zwartej strugi początkowo rośnie liniowo wraz ze wzrostem prędkości (rys. 1.5), do granicy I-I (linia przerywana). Przy dalszym wzroście prędkości lz zmniejsza się, a następnie gwałtownie maleje. Linia II-II (przerywana) odgranicza zakres osiowosymetrycznych odkształceń strugi od jej asymetrycznych odkształceń. Na odcinku BC (rys. 1.3c) występuje strefa rozpadu strugi pod wpływem zjawisk falowych, przy czym fale mają stosunkowo małą długość w porównaniu ze średnicą strugi. Przy dużej prędkości wypływu strugi z rozpylacza strefa falowego rozpadu może nie wystąpić. Paliwo od razu rozpada się na drobne strugi, a następnie na krople. Na odcinku CD (rys. 1.3c) paliwo występuje w postaci kropel.

W wyniku rozpylenia porcji paliwa powstaje zbiór kropel o zróżnicowanych

średnicach. Krople tworzą zbiór statystyczny, w którym można przyjąć jako zmienną losową ich średnicę d (x = d}. Rozkład średnic kropel tworzy tzw. widmo rozpylenia. W związku z tym istnieje zależność między liczbą kropel Δni, należących do przedziału średnic < 푥 − , 푥 + >, a średnicą xi, gdzie xi jest średnicą odpowiadającą środkowi i-tego przedziału o

szerokości ΔX, wynoszącego np. 20 μm. Widmo rozpylenia sporządza się na podstawie pomiarów średnic kropel oraz zakwalifikowaniu ich do odpowiedniego przedziału. Liczba kropel Δni w danym przedziale, odniesiona do całkowitej liczby kropel N w rozpatrywanym zbiorze, przedstawia udział ilościowy kropel Δñi w danym przedziale. Widmo rozpylania cieczy przedstawia ilościowy udział kropel Δñi, w poszczególnych przedziałach. Jest to krzywa schodkowa — pokazana na rysunku 1.6. Przy dużej liczbie przedziałów tą krzywą można zastąpić krzywą ciągłą.

Ze względu na duży rozrzut średnic kropel w rozpylonej strudze przy ocenie rozpylania używa się umownej średniej średnicy. Użycie tej wielkości umożliwia przeprowadzenie obliczeń związanych z ruchem i parowaniem kropel.

Wtórny rozpad kropel Wtórny rozpad kropel występuje wtedy, gdy dostają się one do obszaru o zwiększonym ciśnieniu dynamicznym. Ciśnienie to rośnie liniowo wraz z gęstością ośrodka oraz do

kwadratu prędkości . Krople, poruszające się względnym ruchem wobec ośrodka

otaczającego, podlegają deformacjom i drganiom, a ciecz zawarta wewnątrz nich, się przemieszcza. Wpływ gęstości ośrodka na rozpad kropel jest praktycznie mały. Rozpad kropel powodowany jest głównie ciśnieniem dynamicznym. Wtórny rozpad kropel zachodzi w

przypadku, gdy zaistnieje odpowiednio duża względna prędkość między ośrodkiem gazowym a kroplą. Na skutek opływu kropli paliwa (np. przez powietrze) tworzy się na jej powierzchni rozkład ciśnień powodujący jej deformację. Deformacji tej przeciwdziała siła napięcia powierzchniowego. Gdy siła deformująca jest większa od siły wewnętrznej, związanej z napięciem powierzchniowym, kropla ulega rozpadowi. Masa paliwa zawartego w kropli pierwotnej jest równa sumie mas kropel wtórnych powstałych z rozpadu (bez uwzględnienia parowania). Suma powierzchni kropel wtórnych jest znacznie większa od powierzchni kropli pierwotnej. W związku z tym praca włożona w deformację kropli jest zużyta na zwiększenie jej energii powierzchniowej (J/m2). Przebieg rozpadu wtórnego kropli paliwa, pokazany obrazowo na rysunku 1.7, przy stałej prędkości przepływu gazu, jest następujący: kropla

ulega spłaszczeniu, następnie wyobleniu, wskutek czego powstaje powłoka w kształcie spadochronu, z wyraźnie zgrubionym obrzeżem. Powłoka pęka i rozpada się na drobne krople, po czym rozpada się również obrzeże, ale na większe krople. W przypadku wprowadzenia kropli paliwa do strumienia powietrza, które je przyspiesza (np. w gardzieli gaźnika) dla prędkości mniejszych od 20 m/s, krople rozpadają się w przybliżeniu tak, jak pokazano na rysunku 1.3b. Natomiast krople wprowadzone do strumienia o prędkości wię-kszej od 30 m/s deformują się do kształtu kapelusza, przy czym stroną wypukłą są zwrócone do napływającego gazu, następnie się rozpadają.

Jak już powiedziano, wtórny rozpad kropel ma miejsce wtedy, gdy siła zewnętrzna (aerodynamiczna) jest większa od siły przeciwdziałającej (reakcyjnej). Siła ta jest rezultatem napięcia powierzchniowego (przy pominięciu wpływu lepkości na wartość reakcyjną). Jak wiadomo, napięcie powierzchniowe oznacza siłę p przypadającą na jednostkę l odcinka swobodnej powierzchni cieczy

휎 = [N/m] (1.4)

przy czym siła ta jest styczna do powierzchni cieczy, a jednocześnie prostopadła do odcinka /. Stosunek tych sił (zewnętrznej do wewnętrznej) ujmuje liczba Webera We, którą zapisuje się w następującej postaci

푊푒 = (1.5)

gdzie: ρ2 — gęstość gazu (powietrza), U — prędkość kropli względem prędkości przepływu gazu (powietrza), d — średnica kropli.

Rozpad wtórny występuje, gdy We > Wekr. Wartość Wekr określa się na podstawie doświadczeń, które z kolei — w zależności od zastosowanej metody pomiarowej — dają różniące się między sobą wartości Wekr [6]. Doświadczenia wykazały, że wtórny rozpad kropel zachodzi w pewnym przedziale wartości tej liczby kryterialnej, której dolną wartość oznacza się przez We'kr, a górną przez Wekr. Okazuje się, że przy We'kr rozpadowi ulega 10÷20%, a przy Wekr 100% kropli podatnych na wtórny rozpad, przy czym wartości tych liczb

rosną wraz ze zmniejszaniem się wymiarów kropel. Przykładowe wartości tych liczb [10] dla oleju napędowego i nafty wynoszą: We'kr = 10, Wekr = 14. Rozdrobniona na krople porcja paliwa zwielokrotnia swoją pierwotną powierzchnię, co z kolei zwielokrotnia intensywność jej parowania.

Znajomość wartości krytycznej liczby We'kr pozwala obliczyć krytyczną średnicę kropel dkr w danych warunkach

푑 = (1.6)

Średnica ta jest jednocześnie maksymalną, gdyż krople o większych wymiarach

powinny ulec rozpadowi. Określa się też krytyczną prędkość Ukr

푈 = (1.7)

która jest minimalną prędkością względną, niezbędną do rozdrobnienia kropel o średnicach większych od dkr.

Przykładowe wartości średnic dkr dla oleju napędowego i nafty podano w tabeli 1.1. Istnieje też pojęcie minimalnej średnicy kropli dmin, która nie ulega dalszemu rozpadowi, nawet przy dużej wartości U. Krople o średnicach d < dmin są łatwo unoszone i nie osiągają Wekr.

Tabela 1.1. Wartości krytycznych średnic kropel oleju naftowego i nafty

Wekr [m/s] Olej napędowy dkr [μm] Nafta dkr [μm]

340 3,7 2,9 170 12,0 11,0 86 40,0 40,0 43 152,0 155,0

Występują też i inne zjawiska, powodujące wtórny rozpad kropel [6]. Do ciekawszych należy wtórny rozpad powodowany mikroeksplozjami „zawilgoconych" kropli paliwa. Cząsteczki wody, zawarte w kropli paliwa, po odparowaniu rozsadzają ją. Eksplozje te powodują drobne rozpylenie i wymieszanie paliwa z powietrzem, co wiąże się z dobrym jego spalaniem. Stąd też między innymi wynika zainteresowanie wodą jako dodatkiem do paliw.

Balistyka kropel

Rozpylone paliwo może wytworzyć jednorodną mieszaninę palną i może być wykorzystane efektywnie tylko wtedy, gdy ruch jego kropel odbywa się w sposób zamierzony. Zbadanie tego ruchu wymaga znajomości torów ruchu kropel, co jest trudnym zadaniem zarówno od strony teoretycznej, jak i doświadczalnej. Wynika to stąd, że ruch kropel odbywa się w polu działania różnych sił, często zmiennych. Ponadto ruch jednej kropli i ruch strugi kropel podlegają różnym prawom przepływu. Struga składa się z kropel o różnych średnicach, w związku z czym tory ich ruchu przebiegają inaczej. Krople zanikają lub

zmniejszają się przez parowanie. Krople utworzone z cięższych frakcji paliwa, odparowują w ok. 10% podczas ruchu w strudze, w układzie dolotowym silnika o zapłonie iskrowym. Natomiast krople utworzone z lżejszych frakcji mogą odparować całkowicie, co wykazano w pracy [8].

Podczas przepływu krople osiadają na ściankach przewodów dolotowych, szczególnie na ściankach zakrzywionych. Jest to niekorzystne zjawisko ze względu na wytrącenie części paliwa ze strugi, powodujące zubożenie mieszaniny palnej, a następnie niekontrolowane jej wzbogacanie. Krople w układzie dolotowym silnika przemieszczają się w kierunku założonym oraz opadają ruchem jednostajnie przyspieszonym, dopóki ich ciężar G

퐺 = 푔(휌 − 휌 ) (1.8)

gdzie: ρ1 - gęstość paliwa, ρ2 - gęstość powietrza,

pomniejszony o hydrostatyczny wypór powietrza nie zrównoważy się z czołowym oporem aerodynamicznym powietrza P

푃 = 퐶 휌 (1.9)

gdzie: Cx — współczynnik oporu czołowego kropli. Od tej chwili kropla opada ruchem jednostajnym z prędkością W, którą można

wyznaczyć z zależności (1.8) i (1.9).

푊 = ( ) (1.10)

Ruch kropli w strudze nie jest dotąd dobrze poznany, a podawane informacje w tym

zakresie pochodzą z reguły ze śledzenia przemieszczania się jednej kropli, którą przy teoretycznym opisie traktuje się jako ciało stałe o kształcie kuli. Ruch ten opisuje się przy dalszych założeniach, że przepływ jest jednowymiarowy i nie występuje parowanie kropli. Dla tak uproszczonego modelu otrzymano zależność opisującą drogę kropli paliwa o średnicy d, wprowadzoną do strumienia powietrza o prędkości przepływu W

푥 = 퐸푊푑 [ 1 + 푙푛 − 푙푛 ] (1.11)

gdzie: 퐷 = 100 , 퐸 =

,,

γ - lepkość kinematyczna powietrza, η2 — lepkość dynamiczna powietrza, U — prędkość unoszenia. Na podstawie tej zależności sporządzono wykres dla czterech

średnic d przedstawiony na rysunku 1.8.

Wielkości charakteryzujące rozpyloną strugę paliwa Wielkością charakteryzującą ilościowo rozpyloną strugę paliwa jest natężenie

przepływu (wydatek). Natomiast pozostałe wielkości charakterystyczne określają jakość jej rozpylenia. Rozpylanie paliwa w układach zasilania silników spalinowych odbywa się na zasadzie wypływu cieczy z kalibrowanego otworu (dyszy) — rys. 1.9, przy odpowiedniej różnicy ciśnień p1 - p2 = Δp po obu stronach tego otworu.

Objętościowe natężenie Q wypływu paliwa z dyszy określa się zależnością

푄 = 휇퐹푊 = 휇퐹 [m3/s] (1.12)

gdzie: W — średnia prędkość wypływu natomiast:

퐺 = 휌푄 = 휇퐹 ∙ 2휌 ∙ ∆푝 [kg/s] (1.13) gdzie:

μ— współczynnik natężenia przepływu, F — przekrój otworu dyszy, W — średnia prędkość, ρ — gęstość. Zależność (1.12) i (1.13) wynikają z równania Bernoulliego. Charakterystykę rozpylacza otwartego, pokazanego schematycznie na rys. 1.9,

przedstawiono na rys. 1.10.

Wypływ paliwa z otworu dyszy charakteryzuje się tzw. kontrakcją, czyli przewężeniem strugi, którą współczynnik kontrakcji ε

휀 = = ( ) (1.14)

gdzie: Fs - minimalny przekrój strugi, Fo - przekrój otworu o średnicy do. Wartości liczbowe E wyznacza się doświadczalnie. Ze względu na lepkość paliwa w

wypływającej z rozpylacza strudze powstaje pewien rozkład prędkości, pokazany na rys. 1.9.

Powoduje to zmniejszenie średniej prędkości wypływu w stosunku do możliwej teoretycznie Wt co ujmuje się za pomocą współczynnika β

훽 = (1.15)

Dla rozpylacza pokazanego na rys. 1.9 współczynnik natężenia przepływu μ określa

się 휇 = 휀훽 (1.16)

przy czym współczynniki ε i β zależą od liczby Reynoldsa.

Przykładowy przebieg współczynników β, ε oraz μ pokazano na rys. 1.11. Zaznaczono na nim trzy zakresy przepływu:

1 - zakres laminarny, 2 - zakres przejściowy, 3 - zakres turbulentny. Przebieg wartości współczynnika μ w zakresie

turbulentnym (najistotniejszym we wtryskowych układach) można przyjąć za stałą. Przykładowe wartości tego współczynnika, zależnie od kształtu otworu, podano w tabeli 1.2.

Tabela 1.2. Wartość współczynnika p, dla otworów dysz przedstawionych w tablicy

푙푑 0,5-1 2-5 5

μ 0,6 - 0,65 0,75 - 0,85 0,62

x [mm] 0,5 1 - 2

μ

0,67 - 0,69 0,9

kierunek przepływu A B

μ 0,93 - 0,96 0,62

Rozpylacze zamknięte (nieciągłego działania) stosuje się we wtryskowych układach

zasilania.

Szkic i charakterystykę zamkniętego rozpylacza wielootworowego pokazano na

rysunku 1.12.

Rozpylacze zamknięte charakteryzują się zmianą przekroju wylotowego, powodowanego zazwyczaj przemieszczaniem iglicy. W krańcowym położeniu iglica odcina przepływ paliwa. Na rysunku 1.13 pokazano przykładowe charakterystyki przebiegu wtrysku: 1 - krzywa różniczkowa przedstawia chwilową wartość natężenia przepływu paliwa, a krzywa 2 (całkowa) przedstawia sumaryczną ilość paliwa, które wypłynęło z rozpylacza od początku wtrysku φpw do jego zakończenia φkw.

Kolejne wielkości, charakteryzujące rozpyloną

strugę, to: kąt rozpylonej strugi α i zasięg strugi ls. Struga po wyjściu z rozpylacza rozchyla się, tworząc kąt wierzchołkowy 2α (rys. 1.14a). Wartość tego kąta dla rozpylaczy strumieniowych wynosi od kilku do kilkunastu stopni. Zasięg strugi ls jest ważną wielkością dla silników wysokoprężnych, szczególnie z komorą niedzieloną w której ruch powietrza jest Stosunkowo niewielki. W tym zasięg ls powinien być tak dobrany, aby rozpylona struga docierała do krańców tej komory. Rozkład prędkości W i gęstości ρs rozpylonego paliwa w przekroju strugi pokazano

na rysunku 1.14b. Krople w strudze charakteryzują się zazwyczaj dużym rozrzutem średnic, przy czym duże krople przemieszczają się w rdzeniu strugi ze stosunkowo dużymi prędkościami. Okazuje się, że w klasycznym silniku wysokoprężnym jest pożądany rozrzut

średnic kropel rozpylonego paliwa. Małe krople spalają się pierwsze, a następnie krople większe. Powoduje to łagodniejszy przebieg spalania. Pożądane jest też, aby paliwo było roz-pylane na średnice mniejsze od 25 μm. Krople większe mogą się nie spalić.

Po rozpyleniu dawki paliwa w cylindrze silnika wysokoprężnego powstaje bardzo duża liczba kropel. Przykładowo po rozpyleniu dawki 50 mm3 powstaje ich ok. 108.

Parowanie kropli paliwa

Kropla rozpylonego paliwa podczas odparowywania pobiera ciepło od otaczającego ją ośrodka gazowego (powietrza). Strumień ciepła q pobierany przez pojedynczą kroplę można określić zależnością

푞 = 푞 + 푚̇[퐿 + 푐 (푇 − 푇 )] (1.17)

gdzie: qw — strumień ciepła zużywany na ogrzewanie kropli, 푚̇ — strumień masy par paliwa, L — ciepło parowania paliwa, cp — ciepło właściwe par paliwa, T — temperatura ośrodka gazowego, Tk — temperatura kropli. W miarę nagrzewania się kropli strumień qw maleje i przy pewnej wartości

temperatury, nazywanej temperaturą równowagi parowania, całe ciepło doprowadzone do powierzchni kropli jest zużywane na jej odparowanie.

Temperatura równowagi parowania jest zawsze niższa od temperatury wrzenia. Przebieg parowania można rozważyć dla dwóch przypadków: a) dla kropli paliwa nie przemieszczającej się względem ośrodka gazowego (np. dla kropli, której prędkość unoszenia jest równa prędkości ośrodka gazowego), b) dla kropli poruszającej się z inną prędkością niż prędkość przepływu o-środka gazowego.

Wokół kropli paliwa powstaje warstwa powierzchniowa o grubości δ, którą

charakteryzuje się gradientem koncentracji masy par paliwa , skierowanym do powierzchni

kropli oraz gradientem temperatury, skierowanym przeciwnie (rys. 1.15a). Dla przypadku b) w warstwie powierzchniowej występuje dodatkowo gradient

prędkości. W tym przypadku grubość w oddalania od punktu A (punkt spiętrzenia). W pewnej odległości od tego punktu warstwa powierzchniowa odsuwa się od kropli i tworzy wir toroidalny (rys. 1.15b).

Wymiana masy między powierzchnią kropli paliwa a ośrodkiem gazowym

(powietrzem) zachodzi na skutek dyfuzji molekularnej i turbulentnej. Dyfuzja molekularna polega na samoistnym mieszaniu się cząstek paliwa i powietrza wskutek gradientu

koncentracji , wzbudzającego przepływ ciepła oraz indukowany nim przepływ masy

(termodyfuzja). W przypadku tworzenia mieszaniny palnej decydujące znaczenie ma dyfuzja powodowana gradientem koncentracji składników. Dyfuzja molekularna, charakteryzowana współczynnikiem dyfuzji DM, ma istotne znaczenie w warunkach braku przepływu lub przy przepływie laminarnym. W tym przypadku mieszanie składników powodowane jest nieuporządkowanym ruchem ich cząstek. W przypadku przepływu turbulentnego wymiana masy jest bardziej intensywna wskutek przemieszczeń cząstek w kierunku normalnym.

Współczynnik dyfuzji turbulentnej DT ma znacznie większą wartość niż współczynnik DM. Podczas dyfuzji par z powierzchni kropli paliwa, opływanej turbulentnym strumieniem powietrza, warstwa powierzchniowa δ składa się z pierwszej pod warstwy, stykającej się z powierzchnią cieczy i drugiej pod warstwy, leżącej na zewnątrz tej pierwszej. W pierwszej pod warstwie zachodzi dyfuzja molekularna, a w drugiej głównie turbulentna.

2. CHARAKTERYSTYKA PALIW SŁUŻĄCYCH DO NAPĘDU SILNIKÓW

SPALINOWYCH Paliwo dostarczone do silnika powinno być jak najlepiej wykorzystane pod względem

energetycznym, przy jednoczesnej minimalnej emisji toksycznych składników w spalinach. Aby możliwie najlepiej wykorzystać paliwo pod względem energetycznym, konieczne

jest ścisłe powiązanie parametrów charakteryzujących paliwo z odpowiednimi cechami i parametrami konstrukcyjnymi silnika. W pewnym sensie paliwo można traktować jako element składowy silnika, który właściwie z nim skojarzony daje w efekcie dobrą i ekonomiczną pracę.

W związku z powyższym, poznanie parametrów i wielkości charakteryzujących paliwo jest niezbędne do konstrukcji oraz właściwej eksploatacji silnika.

2.1. Benzyna i jej charakterystyka

Benzyna jest mieszaniną ponad stu różnych węglowodorów o temperaturze wrzenia w granicach 40÷2000C. Przebieg destylacji benzyny przedstawiono na wykresie (rys. 2.1). Benzynę otrzymuje się z pierwotnej przeróbki ropy naftowej — przez destylację oraz z wtórnych procesów przeróbki destylantów1. Destylacja w wersji przemysłowej polega na podgrzewaniu do ok. 400°C ropy naftowej w specjalnej instalacji wieżowej (wysokość ok. 40 m) wypełnionej „półkami", na których, w zależności od wysokości (rys. 2.2), zbierają się określone frakcje węglowodorów. Frakcje odbierane z wyższych poziomów są lżejsze. Z półek tych skroplone węglo-wodory są odbierane w sposób ciągły. Ze względu na duże zapotrzebowanie na benzynę, będącą kompozycją odpowiednich frakcji węglowodorów, pozostałe cięższe węglowodory z procesu destylacji są poddane przeróbkom wtórnym, takim jak kraking, reforming, alkilacja i izomeryzacja.

1 Benzynę można też otrzymać przez syntezę metodą Fischera-Tropscha lub uwodornienie metodą Bergiusa. Jednakże benzyna otrzymana tymi sposobami jest droższa.

Surowcem do procesu krakingu są „ciężkie" pozostałości z ropy po destylacji. Pozostałości te podgrzane do temperatury 450-500°C w obecności katalizatorów ulegają przemianom, na skutek pękania długołańcuchowych węglowodorów parafinowych. Węglowodory o krótszych łańcuchach („łańcuchowe"), pochodzące z procesu krakingu, mają budowę parafin oraz olefin i są składnikami benzyn i oleju napędowego.

W procesie reformingu przetwarza się, w obecności odpowiednich katalizatorów, niskooktanowe benzyny z destylacji na benzynę wysokooktanową. Dodatkowo zyskuje się wodór, wykorzystywany do odsiarczenia oleju napędowego.

W procesie alkilacji przetwarza się rafineryjne węglowodory gazowe o 2, 3 i 4 atomach węgla na węglowodory ciekłe o wysokich liczbach oktanowych.

W procesie izomeryzacji przetwarza się prostołańcuchowe węglowodory parafinowe, o niskiej liczbie oktanowej, na węglowodory rozgałęzione, których cząsteczki zawierają 5-6 atomów węgla i mają liczbę oktanową większą o ok. od 20 do 22 jednostek.

Podstawowymi parametrami, charakteryzującymi jakość benzyny, są: — wartość opałowa, — liczba oktanowa, - ciepło parowania, — lotność, — prężność par oraz lepkość i napięcie powierzchniowe.

Wartość opałowa benzyny Wu = 42800 kJ/kg, (10200 kcal/kg), będąca główną miarą ilości energii cieplnej wydzielanej podczas spalania (reakcji chemicznej) jest stosunkowo duża. Z paliw płynnych jedynie wodór w stanie ciekłym przewyższa ją około trzykrotnie.

Lotność benzyny i związana z tym prężność jej par mają istotne znaczenie przy rozruchu silnika i przebiegu jego zasilania. Benzyna wykazuje prężność par, stanowiącą sumę ciśnień parcjalnych o wartości niestałej w danej temperaturze, zależną od składu węglowodorowego. Lotność benzyny charakteryzuje zarówno przebieg destylacji normalnej, jak i prężność jej par. Podczas destylacji normalnej za punkty charakterystyczne, decydujące o przydatności eksploatacyjnej, uznano temperatury, przy których oddestylowuje się 10, 50 i 90% „wsadu" ropy naftowej.

Temperatura oddestylowania 10% benzyny jest istotna dla rozruchu silnika. Najniższą temperaturę tg, przy której możliwy jest rozruch silnika, w zależności od t10, określa się ze wzoru empirycznego

푡 = 0,5푡 − 50,5℃ (2.1)

Zbyt niska temperatura t10 może powodować tworzenie się par w przewodach przed gaźnikiem (tzw. korków parowych) i przerwy w dopływie płynnego paliwa. Wynika to ze

znacznego udziału lekkich frakcji paliwa. W przypadku, gdy tworzenie się par występuje w komorze pływakowej, paliwo jest wypychane (podniesienie poziomu w rozpylaczach), co wzbogaca mieszaninę paliwową. Temperatura tworzenia się korków parowych tk, związana z temperaturą t10, określana jest ze wzoru empirycznego

푡 = 2푡 − 93℃ (2.2)

Temperatura oddestylowania 50% (t50) objętości paliwa ma istotny wpływ na

własności eksploatacyjne, bowiem od temperatury t5Q w znacznej mierze zależy czas osiągnięcia przez silnik właściwej temperatury pracy oraz czas rozpędzania pojazdu.

Temperatura oddestylowania 90% (t90) objętości paliwa, które ma wpływ na przenikanie benzyny do oleju w skrzyni korbowej. Przykładowo, średni udział benzyny w oleju w lecie wynosi 1%, natomiast zimą ok. 3%. Podniesienie do 15°C temperatury t90 powoduje 3% udział benzyny w oleju latem i około 7,5% - zimą. Przenikanie benzyny do oleju jest niepożądane ze względu na zmianę jego własności smarnych i związane z tym większe zużycie części silnika.

Z powyższego omówienia wynika, że temperatury t10, t50, t90 są bardzo ważne dla właściwej pracy silnika. Jednakże, jak to zwykle bywa w zagadnieniach technicznych, odpowiedni dobór t10, t50 i t90 dla komponowanego paliwa jest kompromisem. Zaleca się, aby temperatury odparowania wynosiły: t10 = 50 + 55°C max 70°C t50 = 100 + 110°C max 115°C t90 = 150 +160°C max 180°C a prężność par od 450 do 600 mmHg.

Lepkość i napięcie powierzchniowe benzyny Lepkość i napięcie powierzchniowe to parametry charakteryzujące benzynę pod

względem przepływu. Zmieniają się wraz ze zmianą temperatury. Okazuje się, że wydatek objętościowy benzyny wypływającej z dyszy wzrasta od 1 do 1,5% na każde 5°C wzrostu jej temperatury w zakresie od 0 do 30°C. Spowodowane jest to obniżeniem lepkości. Wzrost temperatury z kolei zmniejsza gęstość benzyny, która częściowo kompensuje przyrost wydatku objętościowego. W sumie, przeważa przyrost wydatku objętościowego, wskutek czego ze wzrostem temperatury następuje wzbogacenie w paliwo mieszaniny palnej. Lepkość kinematyczna benzyny waha się w granicach 0,6-1,0 mm2/s w temperaturze 20°C. Dla potrzeb eksploatacyjnych nie oznacza się lepkości benzyn. Lepkość i napięcie powierzchniowe paliwa mają istotny wpływ na jego rozpylenie.

Liczba oktanowa

Około 50 lat temu zauważono, że ze wzrostem stopnia sprężania występują zaburzenia w pracy silnika zasilanego benzyną. Spada jego moc i pojawiają się efekty akustyczne, nazywane w Polsce stukaniem.

Zauważono też po pewnym czasie, że węglowodór o rozgałęzionej budowie łańcucha, zawierający 8 atomów węgla w cząsteczce, jest odporny na spalanie stukowe, a węglowodór prostołańcuchowy, zawierający 7 atomów węgla — mało odporny. Węglowodory te mają nazwy: izooktan i heptan (z greckiego — okta = 8, hepta = 7). Z czasem zaczęto określać odporność danego paliwa na spalanie stukowe na zbudowanym do tego celu specjalnym

silniku jednocylindrowym. Używano przy tym jako wzorców izooktanu i heptanu, przypisując pierwszemu liczbę 100 jednostek odporności na spalanie stukowe, a drugiemu zero. Odporność na spalanie stukowe węglowodorów łańcuchowych (parafinowych i olefinowych) obniża się wraz ze wzrostem długości łańcucha. Natomiast rozgałęzienie łańcucha powoduje wzrost odporności na spalanie stukowe. Ogólnie można zaszeregować pod tym względem węglowodory w następującej kolejności: - węglowodory aromatyczne, - węglowodory naftenowe, - węglowodory olefinowe, - węglowodory parafinowe.

Jako umowną wielkość określającą odporność benzyny na spalanie stukowe przyjęto liczbę oktanową, która wskazuje, jaki udział objętościowy izooktanu (reszta heptan) jest niezbędny w paliwie wzorcowym, aby paliwo to spalało się tak samo jak badane.

Przykładowo, badana benzyna ma liczbę oktanową 80, jeśli silnik wzorcowy pracuje identycznie na mieszaninie 80% izooktanu i 20% n-heptanu, jak na benzynie badanej.

Jak już wcześniej powiedziano, spalanie stukowe obniża sprawność pracy silnika oraz jego trwałość. Stąd wynikła potrzeba określania odporności paliwa na takie spalanie. Wpływ temperatury uznano dla wszystkich rzeczywistych silników za wielkość zmienną i dostosowano do tego celu konstrukcję silnika doświadczalnego. W celu uwzględnienia czynników eksploatowanych przyjęto przeprowadzać badania przy dwóch prędkościach obrotowych: 10 i 15 obr/s (600 i 900 obr/min).

Do oznaczania liczb oktanowych służy jednocylindrowy silnik o znormalizowanej budowie, sprzężony z silnikiem elektrycznym asynchronicznym, spełniającym rolę rozrusznika i hamulca. W głowicę tego silnika jest wmontowany czujnik, przesyłający odpowiednie sygnały o intensywności stuków do aparatury przetwarzającej je na umowne liczbowe wskazania.

W zależności od zastosowanej metody badań rozróżnia się liczbę oktanową oznaczoną metodą „motorową" (przy 15 obr/s) i metodą „badawczą" (przy 10 obr/s). Przy metodzie motorowej kąt wyprzedzenia zapłonu jest zmienny i regulowany automatycznie. Przy metodzie badawczej kąt wyprzedzenia zapłonu jest stały i wynosi 13° przed GMP.

Przy metodzie motorowej dodatkowo podgrzewana jest mieszanka paliwowa do

temperatury 149°C (300°F). Ze względu na stworzenie silnikowi bardziej niekorzystnych warunków pracy, wartości liczb oktanowych otrzymanych przy metodzie motorowej są mniejsze. Różnica tych liczb została uznana za ważny parametr benzyny. Nazwano go „wrażliwością" na zmianę warunków pracy. W języku angielskim nazwano ten parametr „sensitivity", rosyjskim „czuwstwitielnost". Dla podstawowych grup składników benzyn wartości te podano w tabeli 1.3.

Tabela 1.3. Wartość liczby oktanowej benzyny w zależności od składu frakcyjnego

Skład Liczba oktanowa

Wrażliwość składnika MM MB

benzyna lekka z przeróbki zachowawczej

63 63 0

benzyna z krakingu katalitycznego 80 91 11

benzyna z reformingu 82 92 10

Warunki pracy silnika doświadczalnego przy określeniu liczby oktanowej metodą motorową odpowiadają w przybliżeniu warunkom pracy silnika w pojeździe, podczas jazdy z wysoką, ale stałą prędkością obrotową przy dużym obciążeniu. Natomiast warunki pracy silnika, przy określaniu liczby oktanowej metodą badawczą, odpowiadają w przybliżeniu warunkom, jakie ma silnik w pojeździe podczas jazdy z mniejszymi prędkościami obrotowymi przy małym obciążeniu.

Rzeczywiste warunki pracy silnika w pojeździe są bardzo różnorodne i często odbiegają od tych dwóch przypadków. Stąd też wynikła potrzeba dodatkowego pomiaru, tzw. liczby oktanowej drogowej.

Benzyny czyste w rafinerii nie spełniają stawianych im wymagań pod względem wartości LO. Spowodowało to konieczność stosowania wielu dodatkowych procesów technologicznych w celu podniesienia LO tych benzyn oraz stosowania tzw. dodatków przeciwstukowych, najczęściej należących do grupy organicznych związków ołowiu. Najpowszechniej stosowany był i jeszcze do tej pory stosuje się czteroetylek ołowiu, rzadziej czterometylek i inne związki pośrednie. Znane są również związki organometaliczne lub organiczne o podobnym działaniu. Jednakże żaden z nich nie jest konkurencyjny tak pod względem skuteczności przeciwstukowej, jak i ze względu na cenę.

Działanie czteroetylku ołowiu polega na wiązaniu nadtlenków organicznych powstałych w reakcjach przedpłomiennego i wstępnego utleniania oraz na hamowaniu dalszego ich tworzenia.

Ilościowo dodawany jest max 0,15 g na l benzyny (rok 1997), w postaci płynu etylowego. W skład tego płynu wchodzą też inne związki, ułatwiające wydalanie ołowiu ze spalinami z cylindra. Dodawanie większej ilości nie jest celowe ze względu na malejące jego oddziaływanie na przyrost LO, co przykładowo przedstawia wykres na rysunku 2.3. Z drugiej strony ogranicza się ilość tego dodatku ze względu na jego własności trujące i skażanie środowiska. Odrębnym zagadnieniem jest dodatni wpływ ołowiu zawartego w paliwie na trwałość zaworów, a szczególnie zaworu wylotowego. Czteroetylek ołowiu (oznaczenie CEO) oddziałuje niejednakowo na benzyny pochodzące z różnych procesów technologicznych w zależności od składu grupowego benzyny.

Od 1992 r. skład i własności benzyn określa norma PN-92/C-96025. Przewiduje ona produkcję benzyn etylizowanych 86, 94 i 98 oraz benzynę bezołowiową o nazwie Eurosuper 95. W 1997 r. weszły na polski rynek także inne benzyny bezołowiowe.

2.2. Olej napędowy i jego charakterystyka

Olej napędowy jest mieszaniną ok. 100 różnych węglowodorów o temperaturach wrzenia zawierających się w granicach 190÷350°C. Dla oleju napędowego określa się procentowe udziały poszczególnych grup węglowodorowych. Nazwa oleju wiąże się z dominującą grupą węglowodorów, na przykład olej nazywa się parafinowy, parafinowo-naftowy.

Paliwa do silników z zapłonem samoczynnym powinny mieć niektóre własności przeciwstawne w stosunku do paliw silników z zapłonem iskrowym. Wynika to z przebiegu działania tych silników. Praca silnika z zapłonem samoczynnym opiera się na samozapłonie. Węglowodory, odznaczające się małą odpornością na utlenianie, są dobrymi paliwami dla tego silnika. Własności takie mają węglowodory parafinowe. Niekorzystnie pod tym względem przedstawiają się węglowodory aromatyczne, które cechuje duża liczba oktanowa w benzynach. Pośrednie własności mają węglowodory olefinowe i naftenowe. Okazuje się, że im węglowodór ma wyższą temperaturę wrzenia, tym ma lepsze własności zapłonowe. Własność ta jest słuszna tylko do pewnej granicy, ponieważ ze wzrostem temperatury wrzenia maleje lotność, co z kolei utrudnia samozapłon. W przypadku paliw do silników z zapłonem samoczynnym bardzo istotne są takie wielkości, jak: liczba cetanowa, lepkość, własności niskotemperaturowe, tworzenie osadów i laków, spopielanie, zawartość siarki oraz temperatura samozapłonu.

Lepkość i napięcie powierzchniowe

Lepkość i napięcie powierzchniowe w istotny sposób wpływają na przepływ i rozpylenie paliwa. Dla oleju napędowego lepkość stanowi jeden z podstawowych parametrów ze względu na rozpylenie. Mała lepkość powoduje lepsze rozpylenie wtryskiwanego paliwa, ale wiąże się to z pogorszeniem własności smarnych, co przyspiesza zużycie par precyzyjnych pompy i wtryskiwaczy. Duża lepkość paliwa powoduje gorsze rozpylenie i związane z tym niezupełne spalanie. Przyjmuje się rozwiązanie kompromisowe. Dla silników o dużej prędkości obrotowej (małych czasach przygotowania i spalania paliwa) stosuje się paliwo o lepkości w granicach 2,4÷6,0 mm2/s przy 20°C dla okresu zimowego oraz 3,0÷8,0 mm2/s przy 20°C dla okresu letniego.

Napięcie powierzchniowe dla oleju napędowego wynosi (26÷31)·10-4 N/m.

Właściwości niskotemperaturowe oleju napędowego

Przy zasilaniu olejem napędowym istotna jest jego temperatura mętnienia i krzepnięcia oraz zablokowania zimnego filtru.

Za temperaturę mętnienia przyjęto temperaturę, przy której w „suchym"2 oleju napędowym pojawia się faza stała w postaci wytrąconego węglowodoru. Wytrącenia te powodują zwiększenie oporów przepływu w przewodach oraz zatkanie filtru paliwa.

Temperatura krzepnięcia to taka jej wartość, przy której następuje zanik przepływu oleju. Temperaturę zablokowania zimnego filtru oznacza się w sposób znormalizowany. Określa się najniższą wartość temperatury, przy której występuje jeszcze przepływ paliwa przez siatkę o wymiarach „oczek" 40x40 μm. Temperaturę mętnienia paliwa określa się wyłącznie przy prowadzeniu prac badawczych.

Pozostałość po koksowaniu Pozostałość po koksowaniu oleju napędowego jest miernikiem tendencji do

tworzenia nagarów, osadów, laków na tłoku i w cylindrze silnika. Pozostałość po koksowaniu dla oleju napędowego oznacza się przez ogrzewanie 10% pozostałości podestylacyjnej bez dostępu powietrza w znormalizowanych warunkach. Nie może ona przekraczać 0,1÷0,2%.

Pozostałość po spopieleniu Pozostałość ta jest miernikiem zanieczyszczeń nieorganicznych lub metalo-

organicznych pochodzenia naturalnego z surowca, lub wprowadzonych podczas procesu technologicznego jako dodatki uszlachetniające. Nie powinna być większa niż 0,01%.

Zawartość siarki

Siarka i jej związki są bardzo niekorzystnymi składnikami paliwa. Powodują korozyjną agresywność paliwa i spalin. W paliwie agresywność powodowana jest obecnością siarkowodoru (H2S) i merkaptonów (RSH). W spalinach natomiast występują agresywne tlenki siarki (SO2 i SO3), powstające podczas spalania siarki zawartej w paliwie. W benzynie zawartość siarki wg normy PN-92/C-96025 nie może przekraczać 0,1% (wagowo), natomiast w olejach napędowych 0,3%.

Agresywne działanie siarki i jej związków na silnik neutralizuje się przez dobór olejów smarnych odpowiednio uszlachetnionych. Silniki ZS wyposażone w katalizator powinny być zasilane paliwem niskosiarkowym.

Liczba cetanowa

Mechanizm samozapłonu oleju napędowego polega na reakcji łańcuchowej rozpoczynającej się od przedpłomiennego tworzenia centrów nad tlenkowych. Płomień natomiast towarzyszy gwałtownej reakcji wydzielania energii z rozkładających się nadtlenków. Prędkość przebiegu tej reakcji powoduje „miękką" lub „twardą" pracę silnika. Przebieg pracy zależy od zwłoki zapłonu, tzn. okresu dzielącego samozapłon od chwili wtrysku. Przebieg spalania dzieli się na trzy etapy: 1 - zwłoka zapłonu, 2 — spalanie przygotowanego paliwa, 3 — spalanie paliwa wtryskiwanego aktualnie. Paliwa mniej lotne (o większej lepkości) odparowują trudniej, spalają się wolniej w sposób niepełny i niezupełny. Ponadto mają większą zwłokę zapłonu — są mniej podatne na samozapłon. Podatność paliwa na samozapłon określa się za pomocą umownej wielkości zwanej liczbą cetanowa. 2 Przez suchy olej rozumie się olej bez zawilgocenia wodą.

Przyjęto umowne paliwa wzorcowe, którymi są (analogicznie jak w przypadku oznaczania liczby oktanowej): cetan — węglowodór szesnastowęglowy, prostołańcuchowy, o dużej skłonności do samozapłonu, któremu przypisano liczbę cetanowa o wartości sto oraz alfametylonaftalen — węglowodór aromatyczny dwupierścieniowy o złych właściwościach samozapłonowych, któremu przypisano liczbę cetanowa równą zero.

Przykładowo, olej napędowy, który wykazuje identyczną zwłokę samozapłonu jak mieszanina składająca się z 60% cetanu i 40% alfametylonaftalenu, ma liczbę cetanowa równą 60 jednostek. Liczbę cetanowa określa się na stanowisku pomiarowym, którego głównym zespołem jest wzorcowy silnik jednocylindrowy z zapłonem samoczynnym. Silnik ten jest sprzężony z silnikiem elektrycznym, asynchronicznym, który służy do rozruchu oraz obciążania silnika wzorcowego. Silnik wzorcowy, o stopniu sprężania w granicach od 7 do 23, jest wyposażony w przyrząd służący do odczytywania kąta wyprzedzenia wtrysku oraz ciśnieniomierz przyłączony do rury ssącej, w celu określenia wartości ciśnienia zasysania.

Paliwa gazowe Zapasy ropy naftowej są ograniczone i przy obecnym tempie zużycia wystarczą

jeszcze, jak się przewiduje, na około 100 lat. Obecnie produkowane silniki są przystosowane do zasilania (głównie) benzyną i olejem napędowym. Inne paliwa do napędu silników, które brane są pod uwagę - to te, które występują w znacznych ilościach w przyrodzie. Obiecującym paliwem w przyszłości wydaje się być wodór, tak ze względu na ogromne zasoby w przyrodzie oraz prawie trzykrotnie większą kaloryczność (w stanie płynnym) w stosunku do paliw pochodzących z ropy naftowej, jak też i na stosunkowo „czyste" spaliny. Problemem jest jednakże otrzymywanie i przechowywanie wodoru, w szczególności płynnego, ze względu na łatwość zapalenia i wybuchu. Wodór skrapla się dopiero przy temperaturze -253°C, a więc w pobliżu zera bezwzględnego. Skroplony wodór magazynuje się w butlach typu termosu, wykonanych z metali nie podlegających korozji wodorowej. Ponadto metale przy tej temperaturze wykazują dużą kruchość, która powoduje znaczne zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej materiału butli. Paliwo wodorowe w dalszym ciągu znajduje się w fazie doświadczalnej.

Gaz ziemny Najpoważniejszym obecnie paliwem gazowym do napędu silników pojazdów jest gaz

ziemny, towarzyszący pokładom ropy naftowej oraz węgla. Zapasy gazu szacuje się na tym samym poziomie (kalorycznie), co i ropy naftowej. Gaz ten nadaje się do zasilania silników po oczyszczeniu z ciężkich frakcji węglowodorów i związków siarki oraz po odwodnieniu. Problemem natomiast jest, podobnie jak i przy wodorze, magazynowanie w pojeździe. Istnieją dwie możliwości magazynowania. Można go skraplać przy temperaturze -161 °C lub sprężać do 20 MPa i umieszczać w specjalnych butlach. Prostsze i tańsze jest magazynowanie w butlach stalowych. Do samochodów osobowych produkuje się od kilku lat butle „lekkie", ze stopów aluminiowych lub cienkościenne stalowe, wzmocnione zewnętrznie włóknem szklanym. Aby osiągnąć ten sam zasięg pojazdu jak na paliwie konwencjonalnym, pojemność butli musi być ok. 5,5 razy większa od pojemności zbiornika na benzynę lub olej napędowy. Jest to istotny problem. Paliwo to jednakże odznacza się wieloma zaletami, szczególnie ze względów ekologicznych. Gaz ten ma już ogólnie przyjętą nazwę CNG (compressed natural gas). Gaz ziemny, w którym dominującym składnikiem jest metan, dobrze miesza się z powietrzem i tworzy jednorodną mieszaninę palną. W związku z tym spaliny są kilkakrotnie

czystsze (CO i HC) w stosunku do spalin silników zasilanych benzyną. Liczba oktanowa tego gazu wynosi ok. 115 jednostek.

Silniki zasilane gazem mają od 5 do 10% mniejszą moc maksymalną, ponieważ paliwo gazowe zajmuje część objętości cylindra. Sprawność tych silników może być większa ze względu na dopuszczalną większą wartość stopnia sprężania. W przypadku zamiennego zasilania gazem lub benzyną stopień sprężania musi pozostać taki, jaki potrzebny jest dla benzyny.

W praktyce każdy silnik o zapłonie iskrowym może być przystosowany do zasilania gazem. Silniki zasilane gazem wykazują wiele zalet w stosunku do zasilanych benzyną: — łatwiejszy rozruch, — zmniejszenie toksyczności spalin, — zwiększenie trwałości, — zmniejszenie zużycia oleju (dodatkowo olej smarujący może być gorszej jakości), — zmniejszenie hałaśliwości pracy.