Badania nad silnikami cieplnymi wewnętrznego spalania pracującymi na mieszance paliwowo-powietrznej wzbogaconej w tlen

Transkrypt

1 Artur NEMŚ Politechnika Wrocławska Badania nad silnikami cieplnymi wewnętrznego spalania pracującymi na mieszance paliwowo-powietrznej wzbogaconej w tlen Zmniejszenie zanieczyszczenia oraz poprawa parametrów pracy urządzeń energetycznych wciąż są jednymi z najważniejszych zagadnień współczesnej energetyki. Obejmują one również silniki cieplne, na które obecnie nakładane są coraz większe restrykcje dotyczące m.in. emisji spalin. Spełnienie obowiązujących wymogów, ujętych w dyrektywie EURO 5 nie jest łatwym zadaniem a planowana już jest jej nowa wersja EURO 6, która ma wejść w życie w 2014 roku. Aby sprostać wymogom stawianym silnikom, potrzebny jest ich dalszy rozwój. W literaturze można znaleźć wiele sposobów rozwiązania wybranych problemów silnikowych. Jednym z nich jest praca silnika na mieszance wzbogaconej w tlen. W artykule przedstawiono wyniki badań nad tak pracującymi silnikami, które trwają już blisko 50 lat. Choć dane te są obiecujące to można spotkać się z pewnymi sprzecznościami występującymi u różnych badaczy. Rozbieżności te były powodem podjęcia problemu pracy silnika na mieszance wzbogaconej w tlen. W pracy poruszono ten problem. Zaprezentowano schemat budowanego stanowiska w celu weryfikacji posiadanych danych oraz prowadzenia dalszych badań o tej tematyce. Słowa kluczowe: spalanie w silniku, powietrze wzbogacone w tlen, silniki cieplne wewnętrznego spalania 1. Normy a tendencje współczesnej energetyki Znaczący rozwój techniki, jaki nastąpił w ostatnim ćwierćwieczu spowodował znaczny wzrost emisji zanieczyszczeń i zużycia paliw kopalnych. Współcześnie energetyka staje przed problemami, które nie odgrywały znaczącej roli w przeszłości. Ze względu na odkrycie już wielu technologii coraz częściej próbuje się udoskonalać istniejące, obok opracowywania nowych. Dopracowywanie ich ma przyczynić się do polepszenia życia człowieka, a wpływ na to ma otoczenie w jakim on przebywa. Dlatego oprócz podejmowania problemu wyczerpujących się paliw kopalnych, które są niezbędne w wielu dziedzinach życia codziennego, energetyka coraz częściej porusza problem zanieczyszczenia środowiska. Problem ten widoczny jest w danych statystycznych opisujących wzrost emisji spalin czy zanieczyszczenia gleby. Aby zapobiec dalszej degradacji środowiska zaczęto stosować zaostrzenia dotyczące prowadzenia niektórych procesów. Dla energetyki zawodowej widocznym skutkiem było podpisanie przez wiele państw protokołu z Kioto, mówiącego o ograniczeniu emisji przez państwa, które traktat ten podpisały. Zagadnienie redukcji zanieczyszczeń widoczny jest nie tylko w energetyce zawodowej, gdyż ograniczeniom zostały poddane również silniki cieplne, stosowane w samochodach [1]. Przepisem mówiącym o zmniejszeniu emisji przez pojazdy samochodowe była dyrektywa EURO. Na rys. 1 przedstawiono zmniejszenie dopuszczalnych emisji ujętych w kolejnych poprawkach dla samochodów osobowych wyposażonych w silniki z zapłonem iskrowym i samoczynnym.

2 Rys. 1. Zmiana emisji zanieczyszczeń z samochodów osobowych w kolejnych standardach; po lewej dla silników ZI, po prawej dla silników ZS [1]. Obecnie obowiązującą jest dyrektywa 2007/715/EC, czyli EURO 5 [2], a plany rządu Polski przewidują wprowadzenie EURO 6 w latach [3]. Jest to podyktowane tym, że w ostatnich trzydziestu latach emisja szkodliwych substancji z wielkoskalowych procesów spalania zmniejszyła się na skutek zaostrzeń, co ujawniło skutki spalania w silnikach. Wpływ ten został przedstawiony na rys. 2. Rys. 2. Emisja tlenków azotu w Niemczech na przestrzeni lat [3].

3 Takie posunięcia wymuszają poszukiwanie wciąż nowych rozwiązań aby sprostać oczekiwaniom. 2. Badania nad silnikami cieplnymi pracującymi na mieszance wzbogaconej w tlen Jednym ze sposobów na sprostanie oczekiwaniom stawianym silnikom jest opanowanie prowadzenia procesu spalania w silnikach mieszanek wzbogaconych w tlen. Badania w tej dziedzinie trwają już około 50 lat [5] i dają zadowalające rezultaty. W tym czasie znaczną część badań poświęcono redukcji toksycznych składników spalin silnika zasilanego mieszanką zawierającą więcej niż 21% (objętości) tlenu. Badano również rozruch silnika oraz jego pracę na paliwach alternatywnych przy zasilaniu mieszanką o stężeniu tlenu większym niż w powietrzu. Przeprowadzone badania udowodniły, że możliwe jest ograniczenie emisji NO x podczas pierwszych cykli pracy silnika[6]. Badania nad zastosowaniem paliw alternatywnych spalanych w powietrzu wzbogaconym w tlen wykazały zmniejszenie dwutlenku węgla [7]. Podobne badania prowadzone z wykorzystaniem jako paliwa LPG wykazały spadek węglowodorów przy niezmiennej ilości NO x podczas pierwszych cykli pracy silnika [8]. W pracach [9,10] zajęto się badaniem silników wysokoprężnych pracujących na wzbogaconej mieszance służącej do spalania cięższych frakcji z procesu destylacji ropy z dodatkiem wody. Wykazały one zmniejszenie ilości cząstek stałych podczas zasilania powietrzem wzbogaconym w tlen. Ponadto dowiedziono, że spadek emisji wzrasta wraz z obciążeniem silnika. Badania przeprowadzone przez amerykańskich badaczy [11,12] potwierdziły redukcję CO, CO 2 i HC ze spalin silnikowych. Inne badania prowadzone w dziedzinie spalania mieszanek wzbogaconych w tlen pokazały, że większa zawartość tlenu w doprowadzanym powietrzu poprawia możliwości rozruchowe silnika w niskich temperaturach [13] Napotkane rozbieżności literaturowe Powodem podjęcia tematyki tlenowego spalania w silniku były różnice jakie można spotkać w pracach różnych badaczy. Mianowicie jak podają naukowcy w pracy [14], wraz ze wzrostem zawartości tlenu w doprowadzanym do silnika powietrzu wzrasta moc jednostkowa i średnie ciśnienie efektywne, maleje natomiast sprawność ogólna (rys. 3, 4). Wzrost mocy i średniego ciśnienia efektywnego można tłumaczyć większą ilością energii powstałą ze spalenia większej ilości paliwa a spadek sprawności wyższą temperaturą spalania a co za tym idzie, większego strumienia oddawanego ciepła do otoczenia (przez ścianki cylindra) i wraz ze spalinami.

4 Rys. 3. Moc jednostkowa i sprawność ogólna w funkcji stężenia tlenu [14]. Rys. 4. Średnie ciśnienie efektywne w funkcji stężenia tlenu [14]

5 Badania na hamowni, opublikowane w pracy [15] przeczą tezie o zmniejszeniu sprawności wraz ze wzrostem stężenia tlenu. Jak wynika z rys. 5 jednostkowe zużycie paliwa maleje wraz z zwiększeniem ilości tlenu, czyli sprawność silnika wzrasta (uwzględniając nawet niewielki spadek sprawności mechanicznej). Może to być tłumaczone poprzez dopalenie niespalonych części palnych, które towarzyszą spalaniu w atmosferze powietrznej. Rys. 5. Jednostkowe zużycie paliwa w funkcji stężenia tlenu [15]. Warto zauważyć, że oba tłumaczenia otrzymanych wyników wydają się być poprawne, dlatego jednym ze sposobów potwierdzenia jednej z wersji jest doświadczalna weryfikacja na stanowisku laboratoryjnym. 3. Stanowisko badawcze silnika cieplnego W celu weryfikacji danych, budowane jest przez autora stanowisko badawcze, którego schemat został przedstawiony na rys. 5. Pozwoli ono wyjaśnić pojawiające się wątpliwości wynikające z danych literaturowych. Ponadto, na stanowisku tym, będzie możliwość badania silnika pracującego na mieszance paliwowo powietrznej wzbogaconej w tlen, który może być zasilany różnymi paliwami na bazie benzyny (alkohole i mieszanki alkohol benzyna). Stanowisko ma być wyposażone w urządzenia i aparaturę pomiarową niezbędną do wyznaczania podstawowych parametrów pracy silnika, aparaturę pomiarową spalin oraz przygotowania mieszanki palnej. Do badań wykorzystany będzie silnik o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory roboczej (1), co w znacznej mierze odpowiada współczesnym kierunkom rozwoju silników. Zużycie paliwa będzie wyznaczane metodą wagową (2), a powietrze wzbogacone w tlen będzie przygotowywane w układzie podawania powietrza (3). Powietrze wzbogacone w tlen zostanie zastąpione mieszaniną tlenu i azotu. Układ do wyznaczania składu i parametrów spalin (4) pozwoli na badanie wpływu dodatkowej ilości utleniacza na emisję zanieczyszczeń. W celu wyjaśnienia różnica literaturowych ma posłużyć układ do indykowania silnika (5), wyznaczania momentu obrotowego i obrotów silnika (6) oraz pomiaru i odbioru mocy (7). Mimo nieukończenia jeszcze prac montażowych na stanowisku, autor przewiduje już rozbudowę stanowiska w przyszłości w celu dalszych badań w tym zakresie.

6 Rys. 6. Schemat stanowiska badawczego silnika cieplnego pracującego na mieszance paliwowo powietrznej wzbogaconej w tlen. 4. Podsumowanie Mimo iż prace nad silnikami trwają już blisko 150 lat to widać, że wciąż stawiane są przed nimi nowe wyzwania. Obecnie, w czasach w których coraz większą uwagę zwraca się na ochronę środowiska, również prace nad silnikami zmierzają w kierunku pozwalającym zmniejszyć ilość toksycznych spalin. Spalanie mieszanek wzbogaconych w tlen, jako jeden ze sposobów redukcji zanieczyszczeń, jest jednocześnie odpowiedzią na inne problemy silnikowe. Oprócz problemów jakie napotyka każda rozwijana technologia (w przypadku spalania w silnikach mieszanek wzbogaconych w tlen jest to np.: temperatura spalania, trwałość materiałów) można spotkać się z rozbieżnościami w literaturze, które nie pozwalają w prosty sposób uporządkować wiedzy w danym temacie. Autor ma zamiar rozwiać wątpliwości dotyczące występujących w literaturze rozbieżności, a w dalszej części badań skupić się nad nie poruszaną dotychczas metodą tlenowego spalania w silniku cieplnym. Badania w tym zakresie są planowane na najbliższy czas. Bibliografia [1] Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe, Wydawnictwo WNT, 2005 [2] [3] [4] Informacja rządu przygotowana w związku z art. 8 ustawy z dnia 11 marca 2004 r. o współpracy Rady Ministrów z Sejmem i Senatem w sprawach związanych z członkostwem Rzeczypospolitej Polskiej w Unii Europejskiej (Dz. U. nr 52, poz. 515 z późn. zm.) [5] Śliwiński K.: Perspektywy zasilania silników ZI mieszanką wzbogaconą w tlen, Czasopismo techniczne M, Wydawnictwo WPK, 2008 [6] Kajitani S.: Partial-Load Operations of Spark-Ignition Engine With Oxygen Enriched Air, SAE papers [7] Maxwell T.T., Jones J.C., Setty V.: The Effect of Oxygen-Enriched Air on the Performance and Emissions of An Internal Combustion Enrgine, SAE papers [8] Li G., Li L., Xiao G.F.: Oxygen-Enriched Combustion of the First Cycle During Cold Start In a LiQuefied Petroleum Gas Spark-Ignition Engine, Journal of Automobile Enginering, Vol. 220, 2006 [9] Sekar R.R., Marr W.W.: Diesel Engine Experiments Witch Oxygen Enrichment, Water Addition And Lower-Grade Fuel, Energy Conversion Engineering Conference, IECEC-90, Aug. 1990

7 [10] Sekar R.R., Marr W.W.: Experimental evaluation of oxygen-enriched air and emulsified fuels in a sixcylinder diesel engine, Auto Research Laboratory, January 1993 [11] Poola R.B., Sekar R.R., Ng H.K.: Evaluation of Oxygen-Enrichment System for Alternative Fuel Vehicles, United State Department of Energy, December 1995 [12] Poola R.B., Sekar R.R., Ng H.K.: Utylizing Intake-Air Oxygen-Enrichment Technology to Reduce Cold-Phase Emissions, SAE paper , 1995 [13] Xiao G.F., Qiao X.Q., Huang Z., Chen Z.P.: Improvement of stability of direct-injection diesel engine by oxygen-enriched intake air, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Journal of Automobile Engineering, November 2007 [14] Caton J.A.: Use of a Cycle Simulation Incorporating the Second Law of Thermodynamics: Results for Spark-Ignition Engines Using Oxygen Enriched Cmbustion Air, SAE Word Congress Detroit, Michigan, 2005 [15] Yuh-Yih Wu, Huang K.D.: Improving the Performance of a Small Spark-Ignition Engine by Using Oxygen-Enriched Intake Air, National Taipei University of Technology Society of Automotive Engineers of Japan (JSAE) , 2007