Kazimierz Witaszek1, Krzystof Garbala2, Mirosław Witaszek3, Tomasz Cybulko4

Aspekty ekonomiczne zasilania samochodu osobowego gazem LPG

Wstęp Wydatki związane z zakupem paliwa wywierają znaczący wpływ na koszty eksploatacji samochodu. W przypadku samochodów osobowych napędzanych silnikami o zapłonie iskrowym, często stosowaną metodą obniżenia tych kosztów jest przystosowanie pojazdu do zasilania silnika gazem LPG. Zastosowanie takiego paliwa nie tylko poprawia aspekty ekonomiczne jazdy samochodem ale wywiera też korzystny wpływ na jej ekologię - dzięki obniżeniu toksyczności spalin [1, 2]. Aby cieszyć się długofalowymi oszczędnościami związanymi z montażem instalacji gazowej, należy wziąć pod uwagę początkowe koszty jej zakupu i montażu. Podstawowym kryterium przy podejmowaniu decyzji jest jej opłacalność, wyrażona, np. okresem, po którym nastąpi zwrot kosztów wyposażenia samochodu w wyżej wymienioną instalację. Z uwagi na zmienność cen paliw [3], a także liczne czynniki decydujące o zużyciu paliwa na jednostkę drogi [4] określenie tego okresu nie jest łatwe. W pracy zaproponowano dwie metody takiej oceny. Jedną, bazującą na danych dostępnych w momencie tankowania paliwa do samochodu, drugą, uzupełnioną o dane zebrane za pomocą interfejsu diagnostycznego OBD2 typu ELM327 i zapisane w pamięci smartfonu Samsung Galaxy 4 Mini z zainstalowanym oprogramowaniem Torqe Pro. Za ich pomocą określono przebieg pojazdu, po którym zwrócą się koszty wyposażenia go w instalację gazową. Charakterystyka techniczna pojazdu i instalacji LPG

Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Budowy i Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, Katowice, ul. Krasińskiego 8, 2 AC. SA., Centrum Badań i Rozwoju, Białystok, ul. 42 Pułku Piechoty 50, 3 Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Katedra Budowy i Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, Katowice, ul. Krasińskiego 8, 4 AC. SA., Centrum Badań i Rozwoju, Białystok, ul. 42 Pułku Piechoty 50, 1

Aspekty ekonomiczne eksploatacji pojazdu samochodowego określono na podstawie danych pozyskanych w trakcie użytkowania samochodu Renault Thalia wyprodukowanego pod koniec 2003 roku. Samochód był napędzany ośmiozaworowym, wolnossącym silnikiem o zapłonie iskrowym, którego moc wynosiła 55 kW, a pojemność 1390 cm3. Zebrane dane obejmują okres od zakupu pojazdu w grudniu 2013 r. do połowy października 2015 r. Przez pierwsze około 1,5 roku samochód eksploatowano zasilając go benzyną 95-oktanową. Pod koniec lipca 2015 r. w samochodzie założono instalację LPG marki STAG. Instalacja ta składała się ze zbiornika toroidalnego o pojemności 42 dm3, wielozaworu Tomasetto Achille i reduktora ACR02 (rys. 1). Zasadniczymi cechami wyróżniającymi STAG R02 są jego małe gabaryty oraz unikalna konstrukcja, na którą składają się dwa aluminiowe odlewy i pokrywa wykonana w autorskim systemie ACtherm, zabezpieczająca reduktor przed wychładzaniem gazu, co gwarantuje dobrą izolację cieplną. Za sprawą unikalnej budowy urządzenie bardzo szybko się nagrzewa, co zapewnia możliwie szybkie przełączenie zasilania silnika z benzyny na gaz. Dzięki temu sterownik nie musi wykonywać dodatkowej pracy w

postaci

korekcji

temperatury.

Wysoka

wydajność

termiczna

oraz

odporność

na zanieczyszczenia zawarte w LPG stanowią istotne zalety reduktora. W tabeli 1 przedstawiono jego specyfikację techniczną.

Rys. 1. Reduktor LPG STAG R02 [5]

Tabela 1: Specyfikacja techniczna reduktor LPG STAG R02 [5] Materiał Masa Wymiary Maksymalne ciśnienie na wejściu Ciśnienie wyjściowe Średnica wejścia gazu Średnica wyjścia gazu Średnica wyjścia wodnego Maksymalna moc silnika Homologacja

dwa odlewy z stopów aluminium i pokrywa z twardego i odpornego tworzywa sztucznego 1,56 kg 125 x 122 x 89 30 bar 0.9 ÷ 1.5 bar M10x1 wąż Ø12 Ø16 100 kW/ 136 KM 67 R – 01 6865

Instalacja zasilania pojazdu paliwem LPG została wyposażona w listwę wtryskową ACW01. Tego typu wtryskiwacze są przeznaczone do sekwencyjnego wtrysku gazu w pojazdach z silnikiem o zapłonie iskrowym. Zapewniają precyzyjne dawkowanie odparowanego gazu do kanału dolotowego oddzielnie do każdego cylindra silnika. Wszystkie dostępne listwy AC posiadają wysoką trwałość potwierdzoną długodystansowymi badaniami eksploatacyjnymi w różnych warunkach drogowych i pogodowych, przeprowadzonymi na samochodach różnych marek. Listwa wtryskowa AC posiada cewki o oporności 2 Ω, przez co nie powoduje nadmiernego obciążenia układów sterujących. Cewki wyposażone zostały w gniazda przyłączeniowe o stopniu ochrony IP67. Głównym elementem listwy jest korpus wykonany z anodowanego aluminium. Króćce przyłączeniowe wykonane zostały z mosiądzu, a uszczelnienia z mieszanek gumowych odpowiednich do pozostałych komponentów [6].

Rys. 2. Listwa wtryskowa ACW01 [6]

Tabela 2: Specyfikacja techniczna listwy wtryskowej ACW01 [6] Znamionowe ciśnienie pracy Maksymalne ciśnienie pracy Temperatura pracy Czas otwarcia wtryskiwacza Czas zamknięcia wtryskiwacza Zakres wydajności Masa Maksymalny przepływ

0,95 ÷ 1,2 bar 4,5 bar -20° C do +120° C ~2,1 ms ~1,5 ms 11 ÷ 29 kW/cylinder 0,48 kg 90 l/min przy p= 1 bar

Pracą sekwencyjnego wtrysku gazu sterował komputer STAG Qbox Basic (rys. 3). Sterownik jest przeznaczony do pojazdów z 4-cylindrowym silnikiem z pośrednim wtryskiem benzyny.

Konstrukcja

urządzenia

oparta

jest

na

32-bitowym

mikroprocesorze,

umożliwiającym precyzyjne sterowanie dawką gazu, szybką reakcję na zmieniające się warunki pracy silnika i pomiar czasów wtrysku benzyny. Platforma sprzętowa wyposażona została w wiele dodatkowych funkcji m.in. możliwość zmiany sekwencji wtrysku, obsługę bezprzewodowego

interfejsu bluetooth i możliwość odczytu obrotów

na podstawie sygnałów z wtrysku benzyny. Konstrukcja urządzenia umożliwia dodawanie nowych funkcjonalności, a tym samym dalszą rozbudowę [7].

Rys. 3. Sterownik STAG Qbox Basic [7] Badania własne nad zasilaniem samochodu osobowego gazem LPG Od momentu zakupu samochodu każde tankowanie było okazją do pozyskania informacji o ilości zatankowanego paliwa, jego cenie oraz o stanie licznika. Do rejestracji danych służył aparat fotograficzny wbudowany w telefon komórkowy, początkowo Samsung 5610, później smartfon Samsung Galaxy 4 mini. Taki sposób akwizycji danych wybrano ze względu na poręczność i dostępność telefonu komórkowego. Informacje ze zdjęć

sukcesywnie przepisywano do arkusza kalkulacyjnego, dzięki czemu uzyskano możliwość prowadzenia dalszych obliczeń i analiz na ich podstawie. W tabeli 3 przedstawiono najważniejsze dane z zachowaniem podziału na okres przez założeniem instalacji LPG oraz po dokonaniu montażu. W okresie poprzedzającym montaż instalacji LPG, który trwał 580 dni samochód przejechał prawie 15400 km zużywając niecałe 1250 dm3 benzyny. Właściciel pojazdu w tym czasie poniósł koszty zakupu paliwa w wysokości ok. 1600 USD. Dnia 22 lipca 2015 r. w badanym pojeździe zamontowano instalację LPG, po czym zbierano dane dotyczące tankowania przez okres 85 dni. W trakcie tego okresu samochód przejechał ponad 6600 km zużywając 605 dm3 gazu oraz 24,4 dm3 benzyny. Sumaryczne koszty paliwa zamknęły się w kwocie ok. 315 USD.

Tabela 3. Dane eksploatacyjne badanego pojazdu samochodowego

Okres zbierania danych Przebieg, km

Przed instalacją LPG

Po instalacji LPG

2013-12-19 ... 2015-07-22 (580 dni)

2015-07-22 ... 2015-10-15 (85 dni)

15377

6629

1247,5

24,4

Koszt benzyny, USD

1593,21

27,73

Zużycie LPG, dm

3

--------

605,0

Koszt LPG, USD

--------

287,26

8,11

0,37

--------

9,13

10,36

4,75

Zużycie benzyny, dm

3

Średnie spalanie benzyny, dm /100 km Średnie spalanie LPG, dm3/100 km 3

Koszt paliwa, USD/100 km

Analiza wyników nad zasilaniem samochodu osobowego gazem LPG

Porównanie zużycia paliwa w okresach przed i po założeniu instalacji LPG w badanym samochodzie przedstawiono na rysunku 4. Wynika z niego, że po montażu instalacji LPG sumaryczne zużycie paliwa wzrosło o ponad 17%, natomiast udział zużycia LPG sięgnął 96%. Ze względu na znacznie niższą cenę zakupu gazu, eksploatacyjne koszty paliwa na odcinku 100 km spadły o ponad 55% (rys. 5). Uwzględniając dane o cenie zakupu paliwa

zwrot nakładów poniesionych na zakup instalacji LPG następowałby po przejechaniu ok. 11500 km. Analiza ta pomimo bazowania na rzeczywistych danych eksploatacyjnych posiada jednak pewne wady, gdyż porównaniu poddano dwa odrębne zakresy czasowe, podczas których następowały zauważalne zmiany cen paliw. Liczne, niezależne od użytkownika przyczyny ekonomiczne i polityczne sprawiają, że ceny paliw ulegają ciągłym wahaniom, stąd przy analizie opłacalności montażu instalacji gazowej nie sposób pominąć tego czynnika. Użytkownik Internetu może jednak odnaleźć strony zawierające bazy danych o cenach poszczególnych rodzajów paliw, kursach walut itp. Na potrzeby niniejszej pracy skorzystano z bazy zawartej na stronie [3].

Rys. 4. Zużycie paliwa na podstawie danych

Rys. 5. Koszty podróży na podstawie eksploatacyjnych danych eksploatacyjnych

Na rysunku 6 przedstawiono zmiany średniej ceny benzyny 95-oktanowej oraz gazu LPG obejmujące okres czasu odpowiadający eksploatacji badanego pojazdu z zamontowaną instalacją gazową. Dodatkowo naniesiono na nim punkty obrazujące ceny zatankowanego do samochodu paliwa. W dniu 22 lipca 2015 r. napełniono zbiornik benzyny oraz gazu LPG do pełna i każde następne tankowanie również odbywało się do momentu jego automatycznego zakończenia przez dystrybutor na stacji paliw. Z oczywistych względów tankowanie gazu LPG występowało znacznie częściej niż uzupełnianie benzyny,

której zużycie w całym badanym okresie wyniosło niecałe 25 dm3, czyli nieco ponad połowę objętości zbiornika paliwa w samochodzie Reanult Thalia.

Rys. 6. Zestawienie informacji o cenach paliw w okresie po montażu instalacji LPG

Dodatkowo należy nadmienić, że w badanym okresie zmianom mógł ulegać również styl prowadzenia pojazdu. Czas eksploatacji pojazdu po założeniu instalacji LPG charakteryzował się większym udziałem jazdy na dalszych trasach. Prawie trzykrotnie wzrosła wówczas ilość kilometrów pokonywanych w ciągu doby. Dzięki wyposażeniu pojazdu w system rejestrujący parametry pracy silnika, w tym także chwilowe zużycie paliwa, możliwe było bliższe oszacowanie opłacalności montażu instalacji LPG. System ten oparto na interfejsie diagnostycznym OBD2 typu ELM327 oraz smartfonie Samsung Galaxy 4 Mini z zainstalowanym oprogramowaniem Torqe Pro. Informacje o każdej przejechanej trasie zapisywane były w pamięci smartfonu. Zauważyć należy, że aplikacja Torqe Pro szacuje zużycie paliwa na podstawie czasu otwarcia wtryskiwaczy benzynowych, stąd też pomimo wyposażenia samochodu w instalację LPG dane odnoszą się do prognozowanego zużycia benzyny, gdyż interfejs OBD w tym pojeździe nie umożliwia pobierania informacji o otwarciu wtryskiwaczy gazowych. Zależność średniego prognozowanego zużycia benzyny od długości przejechanej trasy przedstawiono na rysunku 4. Dla lepszej czytelności wykresu oś x ukazano w układzie logarytmicznym. Z rysunku tego wynika, że pojazd był eksploatowany na trasach długości od 1 do 300 km. Dokładniejszych informacji o charakterze eksploatacji samochodu dostarcza rysunek 5. Wynika z niego, że pojazd był często użytkowany na trasach o długości około 10 km, aczkolwiek ponad połowę

przebiegu wykonał na trasach o długości przekraczającej 50 km, gdzie zużycie paliwa jest zauważalnie mniejsze niż w przypadku krótkich tras. Na podstawie danych zarejestrowanych przez aplikację Torque Pro oraz danych zapisanych podczas tankowania pojazdu porównano eksploatacyjne zużycie paliwa pojazdu zasilanego gazem LPG z odpowiadającym mu zużyciem benzyny (rys. 8).

Rys. 7. Zależność średniego, prognozowanego zużycia benzyny od długości trasy

Rys. 8. Udział przejechanych odległości od długości trasy

Wynika z niego, że zmiany stylu jazdy oraz charakteru tras w pewnym stopniu wpłynęły na zużycie benzyny, gdyż było ono o ponad 0,5 dm3/100 km niższe niż wynikałoby to ze wstępnej analizy (rys. 4). Oznacza to, że sumaryczne zużycie paliwa przez badany pojazd po zamontowaniu instalacji LGP wzrosło nie o 17% jak początkowo szacowano lecz o blisko 27%. Ten czynnik oraz zauważalny spadek ceny benzyny nie pozostały bez wpływu na oszacowanie kosztów podróży na dystansie 100 km (rys. 10). Podróż badanym samochodem napędzanym gazem LPG jest nadal zdecydowanie, bo o 47% tańsza niż przy klasycznym zasilaniu benzynowym. W tym jednak przypadku szacowany zwrot zainwestowanych w instalację gazową środków nastąpi po przejechaniu nieco ponad 15000 km, co przy aktualnej eksploatacji pojazdu zajmie 6,5 miesiąca. Zmiany cen paliw mają bardzo duży wpływ na szacowanie opłacalności założenia instalacji LPG. Aby zobrazować te zjawisko posłużono się danymi o cenach paliw na przestrzeni okresu od zakupu samochodu. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunku 11. Z rysunku tego wynika, że najkorzystniejsze ekonomicznie warunki eksploatacji pojazdu zasilanego gazem LPG występują w miesiącach letnich, gdy cena gazu jest zwykle najniższa.

Znaczny spadek ceny benzyny w na przełomie 2014 i 2015 roku mógł być czynnikiem zniechęcającym niektórych kierowców do montażu instalacji LPG w posiadanych samochodach.

Rys. 9. Zużycie paliwa na podstawie danych prognozowanych i eksploatacyjnych

Rys. 10. Koszty podróży na podstawie danych prognozowanych i eksploatacyjnych

Rys. 11. Zmiany w opłacalności montażu instalacji LPG dla badanego samochodu

Podsumowanie

Metoda badań przedstawiona w niniejszym artykule pozwala na określenie zużycia oraz kosztów paliwa przy zasilaniu samochodu paliwem konwencjonalnym, jakim jest benzyna i alternatywnym - gazem LPG. Odniesienie tych kosztów do przebytej drogi umożliwiło ich porównanie. Stwierdzono, że w badanym samochodzie zużycie paliwa wzrosło o ok. 27% po przejściu z zasilania benzyną na gaz LPG. Pomimo to ograniczono koszty zużycia paliwa niemal o połowę. Przyczyną tego jest niska cena gazu w połączeniu z wysokim udziałem jego zużycia (ok. 96%). Zmienność cen paliw w ciągu roku powoduje, że koszt zakupu i montażu instalacji gazowej zwraca się po przebyciu od ok. 13000 do ok. 24000 km, co przy intensywnej eksploatacji samochodu może potrwać zaledwie kilka miesięcy.

BIBLIOGRAFIA 1. http://www.knra.pl 2. www.agaz.pl 3. mrc.tychy.pl/ceny.paliw/ 4. Witaszek K., Witaszek M.: Wpływ wybranych warunków eksploatacyjnych pojazdu samochodowego na zużycie paliwa. Logistyka 4/2015, płyta nr 2. 5. Katalog produktów STAG - reduktor R02 6. Katalog produktów STAG - wtryskiwacze ACW02 7. Katalog produktów STAG - Sterownik STAG Qbox Basic