Testy samochodów z LPG

Co dzieje się podczas kolizji samochodów wyposażonych w instalację LPG?

Zasilanie samochodów gazem propan-butan LPG (ang. Liquefied Petroleum Gas) jest u nas bardzo popularne. Instalacje LPG montuje się zarówno w nowych, jak i używanych samochodach ze wszystkimi rodzajami silników benzynowych. Pojazdy z silnikami benzynowymi stanowią 72,4% parku samochodów osobowych, przy czym 20,6% pojazdów może używać dwóch rodzajów paliwa (benzyna + LPG). Samochodów osobowych z instalacją LPG w 2014 r. było w Polsce 2 846 tys., co stanowi 14,9% liczby wszystkich osobówek. W instalację gazu LPG jest wyposażony co piąty samochód z silnikiem benzynowym.

Samochodowe instalacje LPG podlegają przepisom i wymaganiom bezpieczeństwa, które określone zostały w regulaminie 67 EKG ONZ i rozporządzeniu ministra infrastruktury z 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (DzU z 2003, nr 32, poz. 262). Koncentrują się one na zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania poszczególnych elementów instalacji, przy czym najistotniejsze są wymagania dotyczące zbiornika gazu wraz z jego armaturą i zabezpieczenie przed niepożądanym wypływem paliwa. Szczególnie rygorystyczne są przepisy dotyczące mocowania zbiornika do konstrukcji pojazdu.

Charakterystyka układów zasilania gazem LPG

LPG jest mieszaniną dwóch węglowodorów - propanu i butanu, z niewielką zawartością innych gazów, takich jak: metan, etan czy pentan. Zasadniczy wpływ na właściwości paliwa gazowego mają głównie propan i butan. Zmieniając odpowiednio ich proporcje, dostosowuje się właściwości paliwa gazowego do panujących warunków atmosferycznych (temperatury otoczenia). Odpowiednie proporcje obu składników dobiera się zatem okresowo, w zależności od panujących temperatur zewnętrznych - tak, by zapewnić odpowiednie ciśnienie w gazowym układzie zasilania, które jest niezbędne dla jego prawidłowej pracy. W okresie zimowym zawartość propanu zwiększana jest do 70%, zaś latem można zmniejszyć zawartość tego składnika do 30%, zastępując go butanem. Ciepło parowania LPG dla typowych warunków wynosi około 400 kJ/kg. Jeżeli stężenie gazu jest duże, powstaje biała mgiełka. Temperatura zapłonu/samozapłonu wynosi dla propanu - 95°C/470°C, zaś dla butanu - 60°C/365°C. Dolna i górna granica wybuchowości z powietrzem to dla propanu 2,1÷9,5% (50÷340 g/m3), a dla butanu 1,5÷8,5 % (39÷206 g/m3). Wykorzystywanie gazu LPG wiąże się zatem z bardzo dużym zagrożeniem pożarowym.

Omawiany gaz w zbiorniku paliwa ma postać cieczy, nad którą znajduje się faza gazowa pod ciśnieniem par nasyconych. LPG przewozi się pod ciśnieniem 2,0-2,5 MPa w zbiorniku wykonanym z blachy stalowej (instalacja jest projektowana na ciśnienie 3,0 MPa). W samochodach osobowych są to w większości zbiorniki toroidalne i walcowe. Zbiorniki toroidalne najczęściej montowane są w bagażniku lub podwieszane pod pojazdem - w obu przypadkach w miejscu przeznaczonym na koło zapasowe. Zbiorniki walcowe zazwyczaj mocuje się w przestrzeni bagażowej w poprzek samochodu, za oparciem tylnego siedzenia. Pojemność zbiorników na gaz w samochodach osobowych wynosi od 35 do 100 m3. Wytrzymują one trzykrotny wzrost ciśnienia (6,75 MPa),

Zagrożenie wypadkiem lub pożarem

Zawór tankowania i przewód łączący go z wielozaworem to element instalacji, który jest najbardziej narażony na zniszczenie w trakcie wypadku drogowego. Innym zagrożeniem może być uszkodzenie zbiornika paliwa gazowanego lub wyrwanie go z mocowania. Większość pożarów samochodów powstaje w trakcie poruszania się pojazdu, a część z nich jest przyczyną wypadków drogowych bądź kolizji. Zdarza się jednak i odwrotnie - pożar pojawia się w następstwie uszkodzenia samochodu podczas wypadku lub kolizji. Najczęstszymi przyczynami pożarów samochodów są: wycieki płynów łatwopalnych, nieszczelności w przewodzie gazu (w samochodach zasilanych LPG), defekty instalacji elektrycznej, wady silnika i osprzętu, a także umyślne podpalenia, usterki układu wydechowego, zapalenie materiałów wygłuszających czy zaprószenie ognia przez nieuwagę. Problemy związane z działaniem instalacji to zazwyczaj konsekwencje wszelkiego rodzaju przeróbek w układzie paliwowym, elektrycznym czy montowania przeciążających ją dodatkowych urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Pożary mogą powstawać również na skutek wad fabrycznych podzespołów pojazdu lub zastosowania niewłaściwych materiałów do ich budowy.

Przyczyną pożaru w samochodzie wyposażonym w instalację LPG może być m.in. „zamrożenie” reduktora oraz usterka układu zasilania benzyną. W instalacjach I, II i III generacji stosowane są z reguły reduktory dwustopniowe. Zamrożenie reduktora powoduje ograniczenie odparowania gazu w pierwszym stopniu i jego wypływ z reduktora częściowo w fazie ciekłej. Skutkuje to wzbogaceniem mieszanki paliwowo-powietrznej, co prowadzi do zatrzymania pracy silnika. Na skutek zamknięcia elektrozaworu zostaje odcięty dopływ gazu do reduktora, a znajdujące się w nim paliwo gazowe przechodzi w stan gazowy w drugim stopniu reduktora oraz w przewodzie doprowadzającym paliwo gazowe do silnika. Pojawia się wówczas duża ilość gazu w układzie dolotowym. Jego nadmiar może wypłynąć do przedziału silnika. W tych warunkach próba uruchomienia silnika może spowodować zapalenie się gazu, np. na skutek tzw. cofnięcia płomienia.

Zagrożenie pożarem, szczególnie w układach LPG zamontowanych w pojazdach ze starymi systemami zasilania paliwem, przede wszystkim gaźnikowymi, może zostać wywołane sposobem wprowadzania paliwa do układu zasilania silnika. Mieszanka LPG jest dostarczana do kolektora powietrznego silnika. Następuje to przed przepustnicą powietrza (wyłączając instalacje najnowszych generacji). W konsekwencji podczas pracy silnika w kolektorze powietrznym znajduje się duża objętość mieszaniny wybuchowej. Jeśli więc dojdzie do cofnięcia płomienia z cylindra, nastąpi wybuch. Zniszczeniu ulegnie kolektor, a nierzadko także przepustnica i część osprzętu w komorze silnika. I często dochodzi też do pożaru.

Test zderzeniowy

Test zderzeniowy przeprowadzony w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji (PIMOT) w Warszawie miał pokazać, co dzieje się w instalacji LPG oraz w zbiorniku wypełnionym gazem podczas wypadku. Próba zderzeniowa odzwierciedlała jedno z najczęstszych zdarzeń na polskich drogach, czyli najechanie na tył pojazdu. Do eksperymentu wykorzystano dwa samochody marki Opel Astra - jeden z nadwoziem kombi, drugi w wersji trzydrzwiowej. Pojazdy zostały wyposażone w zamontowane zgodnie z przepisami instalacje gazowe LPG (poszczególne elementy instalacji miały stosowną homologację). Silniki samochodów w czasie zderzenia były uruchomione. W samochodzie uderzanym (kombi) zastosowano zbiornik toroidalny (średnica 630 mm, wysokość 204 mm, pojemność geometryczna 47 l) zamontowany we wnęce koła zapasowego. Samochód uderzający (trzydrzwiowy) wyposażony był zaś w zbiornik walcowy (średnica 270 mm, o długość 792 mm i pojemność geometryczna 40 l).W przedniej części komory silnikowej, tuż za przednim pasem, zainstalowano w nim reduktor-parownik. Na krótkiej sztywnej złączce (nyplu) zaś zamontowany został elektrozawór gazowy, do którego dopływało LPG w stanie ciekłym wprost ze zbiornika umieszczonego w przestrzeni bagażowej. Z reduktora gazu, już w fazie gazowej, paliwo przepływało do czujnika ciśnienia i temperatury gazu oraz dalej poprzez listwę wtryskową było kierowane do kanałów dolotowych poszczególnych cylindrów.

Ryzyko rozszczelnienia instalacji gazowych w obu pojazdach pozornie było bardzo wysokie, ponieważ zarówno w przednich, jak i tylnych częściach samochodów wyposażonych w gazowe układy zasilania znajdują się elementy, w których paliwo gazowe ma fazę ciekłą, czyli jest pod wysokim ciśnieniem. Są to elektrozawory gazowe połączone z reduktorami, umieszczone w przedniej części komór silnikowych obu samochodów (tuż za przednim pasem). Wszystkie elementy części wysokociśnieniowej instalacji były połączone sztywnymi (miedzianymi) przewodami gazowymi wyposażonymi w odpowiednie złącza. Prędkość, przy której nastąpiło zderzenie, wynosiła 54 km/h.

W samochodzie najeżdżającym na przeszkodę, jak w każdym tego typu zdarzeniu drogowym, uszkodzeniu uległa przednia część wraz z komorą silnikową, w której zamontowane były elementy układu zasilania - zarówno te, w których LPG znajduje się w stanie gazowym pod niskim ciśnieniem (listwa wtryskowa LPG, czujnik ciśnienia i temperatury gazu, część niskociśnieniowa reduktora LPG i przewody elastyczne łączące te elementy), jak i te, w których LPG jest pod wysokim ciśnieniem w fazie ciekłej (część wysokociśnieniowa reduktora-parownika, elektrozawór gazowy i sztywny przewód wysokociśnieniowy doprowadzający LPG w stanie ciekłym ze zbiornika). Na skutek deformacji komory silnikowej uderzającej Astry doszło do przemieszczenia reduktora-parownika, który był zamontowany najbliżej przedniej części pojazdu. Uszkodzeniu uległ nypel, łączący elektrozawór gazowy z reduktorem-parownikiem, co spowodowało rozszczelnienie części wysokociśnieniowej instalacji gazowej.

Zanik ciśnienia został wykryty przez czujnik ciśnienia i temperatury gazu - zadziałał on podobnie, jak w przypadku zużycia zapasu LPG w zbiorniku. Sygnał o niskim ciśnieniu gazu został skierowany do sterownika LPG, który zamknął elektrozawory w zbiorniku i w komorze silnikowej (ten, który w wyniku zderzenia został odłączony od reduktora) oraz wtryskiwacze LPG, przełączając zasilanie jednostki napędowej na benzynę. W każdej sekwencyjnej instalacji LPG IV generacji znajduje się czujnik ciśnienia i temperatury gazu, który oprócz funkcji regulacyjnych odgrywa także rolę zabezpieczenia. Czas reakcji czujnika ciśnienia na zanik ciśnienia gazu jest bardzo krótki (0,3 s), co powoduje, że wyciek LPG w fazie ciekłej praktycznie nie występuje. Czujnik ten odpowiada także za przełączenie jednostki napędowej na zasilanie benzynowe po zużyciu LPG zawartego w zbiorniku. W wyniku zużywania paliwa gazowego zmniejsza się ciśnienie LPG w zbiorniku, a tym samym za reduktorem LPG, w części niskociśnieniowej instalacji gazowej. Spadek ciśnienia gazu w części niskociśnieniowej instalacji miał miejsce w czasie próby zderzeniowej. Po rozszczelnieniu części wysokociśnieniowej instalacji gazowej nastąpił gwałtowny zanik ciśnienia gazu w części niskociśnieniowej instalacji.

Nagła utrata prędkości, która następuje w czasie zderzenia samochodów, powoduje bardzo duże obciążenia, które działają na cały pojazd i wszystkie jego elementy. Powstają znaczne siły bezwładności, których działaniu muszą podołać mocowania wszelkich elementów w samochodzie. Dotyczy to także mocowania części instalacji gazowych, szczególnie zbiorników LPG. W samochodzie uderzającym masa zbiornika wraz z wielozaworem i zawartym wewnątrz paliwem gazowym wynosiła blisko 35 kg. W trakcie zderzenia z przeszkodą stałą zbiornik oddziaływał na punkty mocowania siłą odpowiadającą 700 kg. Zbiornik toroidalny w samochodzie uderzanym zamontowany był we wnęce koła zapasowego, która znajdowała się stosunkowo blisko tylnej części nadwozia, w strefie zgniotu. Zbiornik z osprzętem i gazem ważył ponad 40 kg - w czasie zderzenia z nieruchomą przeszkodą oddziałuje on na punkty mocowania z siłą, która odpowiada masie 800 kg.  

Zbiornik LPG w samochodzie uderzonym, mimo zdeformowania podłogi bagażnika i przemieszczenia wnęki koła zapasowego, pozostał na swoim miejscu, nie uległ deformacji, a jego połączenia wysokociśnieniowe nie zostały uszkodzone. Był na tyle solidnym elementem, że w czasie zderzenia usztywnił całą tylną część nadwozia, ograniczając jej odkształcenia. Złącza przewodów gazowych (do tankowania i doprowadzające LPG do komory silnika) i wielozawór były dobrze chronione przez konstrukcję zbiornika.

Test wykazał, że w czasie kolizji samochodów wyposażonych w instalacje LPG nie powstaje zagrożenie pożarowe.

Test pożarowy

Badania rozwoju pożaru samochodu osobowego prowadzono w ramach pracy dyplomowej na niestacjonarnych studiach II stopnia w Szkole Głównej Służby Pożarniczej w Warszawie. Do testu wykorzystano samochód osobowy marki Opel Astra F typu hatchback z zamontowaną instalacją LPG. W przestrzeni bagażnika znajdował się zbiornik gazu o pojemności geometrycznej 40 dm3, wyposażony w wielozawór. Na potrzeby eksperymentu do butli LPG zatankowano 14,7 dm3 gazu, co stanowiło 46% dozwolonej objętości. W zbiorniku paliwa znajdowały się śladowe ilości benzyny. Pojazd w chwili eksperymentu był kompletnie wyposażony, nie miał jedynie koła zapasowego. Auto jeszcze kilka dni przed przeprowadzeniem doświadczenia było normalnie użytkowane.

Eksperyment przeprowadzono na betonowej powierzchni. Obszar ten znajdował się poza zabudowaniami i był otoczony z trzech stron wałami o wysokości około 4 m. Temperatura powietrza wynosiła 25°C, ciśnienie - 1015,6 hPa, zaś wilgotność powietrza - 63%, ale nie padało. Wiatr wiał z prędkością 0,9÷1,3 m/s w kierunku północno-wschodnim. W wybranych miejscach pojazdu rozmieszczone zostały termopary. Temperaturę mierzono w komorze silnika, w kokpicie w strefie podsufitowej i przy podłodze, w komorze bagażnika, we wlewie baku, a także na zewnątrz na powierzchni karoserii. Jednocześnie kamera termowizyjna została nakierowana na jedną z termopar zamontowanych na karoserii, by można było porównać wskazania termoelementów i termogramów.

Pożar samochodu został zainicjowany za pomocą palnej cieczy rozlanej na dachu. Czas pożaru mierzono od momentu zadziałania impulsu cieplnego na rozlaną mieszaninę. Jako pierwsza ogniem zajęła się uszczelka przedniej szyby od strony pasażera. W następnych minutach płomienie sięgnęły komory silnika i kokpitu, przesuwając się w stronę komory bagażnika. Wewnątrz samochodu kumulowały się gazowe produkty spalania. Po zapadnięciu się przedniej szyby zwiększył się dostęp tlenu, co sprawiło, że pożar wszedł w fazę rozgorzenia.

W czasie trwania eksperymentu uruchomiły się zawory bezpieczeństwa w zbiorniku LPG. Jako pierwszy zadziałał zawór ciśnieniowy, który zredukował ciśnienie w butli, gdy przekroczyło ono wartość 2,7 MPa. Następnie zawór pożarowy uwolnił w sposób strumieniowy pozostający w butli gaz. Silny strumień ognia pojawiający się w wyniku spalania LPG w strefie pożarowej osiągał nawet 9 m. Pożarowi towarzyszyły wybuchy opon i amortyzatorów, eksplozje siłowników, wokół samochodu rozprysły się odłamki szyb i rozlały ciecze eksploatacyjne. Częściowo lub całkowicie stopiły się aluminiowe elementy wyposażenia silnika.

Test dowiódł, że stosowane obecnie standardowe zabezpieczenia na wypadek pożaru pojazdu nie dopuszczają do rozerwania i wybuchu zbiornika z LPG.

Testy ADAC

Podobne testy przeprowadził w 2009 r. niemiecki automobilklub ADAC (Allgemeiner Deutscher Automobil-Club). Do badania wybrano samochód Opel Astra kombi, w którym zamontowana została niefabryczna instalacja LPG ze zbiornikiem w miejscu koła zapasowego. Test przeprowadzono przy prędkości 60 km/h (standardowej w tego typu testach). Na samochód z instalacją LPG najechał Opel Kadett, zderzenie spowodowało 70% pokrycie, a instalacja gazowa nie została uszkodzona. Zbiornik z LPG nie był dodatkowym zagrożeniem dla użytkowników, pozostał szczelny, a jego mocowania nie zostały naruszone.

Drugim etapem testu było podpalenie samochodu z instalacją LPG. Po czterech minutach od podpalenia w zbiorniku z gazem otworzył się zawór bezpieczeństwa, który zaczął zmniejszać ciśnienie, uwalniając gaz. Zbiornik opróżnił się całkowicie już po 10 min. Trzeba zaznaczyć, że kontrolowany wyciek gazu nie powodował zagrożenia dla pasażerów, ponieważ powstający przy nim płomień był skierowany w dół. Dodatkowo ADAC wziął pod uwagę sytuację, w której płonący samochód leży na boku - także w tym przypadku nie odnotowano zwiększenia zagrożenia dla pasażerów Opla.

Zbiornik na gaz po zgaszeniu pożaru pozostał sprawny, a zawór bezpieczeństwa zapobiegł jego rozerwaniu. Kontrolowany wyciek eliminuje ryzyko  ewentualnego wybuchu.

Wnioski z badań

Test zderzeniowy pokazał, że ani uszkodzenie mechaniczne przodu samochodu, ani uderzenie w tył pojazdu nie stanowi dodatkowego zagrożenia dla stabilności zbiornika LPG. Zastosowane w instalacji gazowej automatyczne zabezpieczenia odcinają dopływ gazu, nie dopuszczając do jego wycieku.

Kiedy dochodzi do deformacji i rozszczelnienia elementów gazowego układu zasilania, instalacja gazowa nie stanowi dodatkowego zagrożenia dla osób znajdujących się w samochodzie biorącym udział w kolizji.

Zbiorniki LPG są najcięższymi i jednocześnie najbardziej wytrzymałymi elementami samochodowych instalacji gazowych i nie ulegają odkształceniom w czasie zdarzeń drogowych.

Instalacja LPG wraz ze zbiornikiem oraz zatankowanym gazem propan-butan w warunkach pożaru zachowuje się tak, jak przewidują konstruktorzy. W przypadku niebezpieczeństwa uruchamiają się zawory, które mają zapobiec rozerwaniu i wybuchowi zbiornika.

Zastosowanie zaworu pożarowego upuszczającego całą zawartość butli jest szczególnie istotne dla bezpieczeństwa strażaków oraz taktyki prowadzenia działań gaśniczych.

W przypadku samochodowych silników spalinowych zasilanych mieszanką gazów jakość montażu instalacji i jej obsługi mają kluczowe znaczenie dla bezpiecznego eksploatowania pojazdu.

Literatura

[1] Polska Organizacja Gazu Płynnego, Raport roczny 2014, Warszawa 2015.

[2] A. Gontarz, Stosowanie napędów hybrydowych spalinowo-elektrycznych oraz gazowych paliw alternatywnych w samochodach i związane z tym niebezpieczeństwa dla użytkowników i prowadzących działania ratowniczo-gaśnicze, „Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza” 2010, nr 1, CNBOP, Józefów 2010.

[3] T. Zgodziński, Ewolucja stosowania paliwa gazowego do napędu pojazdów samochodowych i związane z tym zagrożenia dla użytkownika, „Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza” 2012, nr 2, CNBOP, Józefów 2012.

[4] S. Pytel, Wypadki połączone z pożarami pojazdów, „Paragraf na Drodze. Prawne i kryminalistyczne problemy ruchu drogowego” 2010, nr 11.

[5] A. Omazda, J. Rybiński, A. Szajewska, Badanie rozwoju pożaru samochodu osobowego w pomieszczeniu, „Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza”, 2012, nr 3, CNBOP, Józefów 2012.

[6] E. Starzyński, Przyczyny pożarów w pojazdach silnikowych na paliwo ciekłe i gazowe, zbiór referatów z III Międzynarodowej Konferencji - Badanie przyczyn powstania pożarów, pod red. Piotra Guzewskiego, Poznań 2007.

[7] S. Pytel, Samochody z układami zasilania paliwami gazowymi w praktyce biegłego ds. wypadków drogowych, „Paragraf na Drodze” 2010, nr 12.

[8] http://gazeo.pl/poradniki/bezpieczenstwo/Co-sie-dzieje-w-czasie-kolizji-samochodow-z-LPG,artykul,8803.html. [wejście 23.09.2015].

[9] B. Obst, Badanie rozwoju pożaru samochodu osobowego na parkingu przy użyciu kamery termowizyjnej, „Zeszyty Naukowe SGSP” 2015, nr 54 (2), Warszawa 2015.

[10] http://www.okgaz.pl/bezpieczestwo/3372-adac-zbiorniki-lpg-bezpieczne.html. [wejście 23.09.2015].

[11] Rozporządzenie ministra infrastruktury z 31 grudnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (DzU z 2003, nr 32, poz. 262).

Fot.1 Najczęściej montowany jest zbiornik toroidalny (instalowany w miejscu koła zapasowego)

Fot.2. Zbiornik w kształcie walca (cygara) zazwyczaj montuje się w poprzek auta, tuż za oparciami tylnej kanapy

Fot.3. Zawór tankowania gazu zamontowano z myślą o samoobsłudze na stacjach paliw

Fot.4. Elementy instalacji LPG: wtryskiwacze, reduktor, przewody gumowe, elektrozawór, sterownik

Fot.5. Spalona komora silnika z instalacją LPG

Fot.6. Spalone wnętrze przedziału bagażnika ze zbiornikiem LPG

Tomasz Sawicki jest biegłym sądowym z zakresu pożarnictwa

marzec 2016