Rating occurrence of knock combustion in a dual fuel CI engine powered by addition of biogas

Transkrypt

1 Stanisław W. KRUCZYŃSKI Piotr ORLIŃSKI Marcin K. WOJS Marlena OWCZUK Anna MATUSZEWSKA PTNSS Rating occurrence of knock combustion in a dual fuel CI engine powered by addition of biogas The paper presents results possibility of biogas production a quality that allows to use it to power dual fuel engine tractor. It also discusses the problem of the occurrence of knock combustion when the engine had mixture of diesel-gas too rich in methane. The study were conducted on the test bench at the Institute of Vehicles, Warsaw University of Technology. While executing the load characteristics determined engine operating at speeds of engine 1400 and 1800 rpm and supplied mixtures of diesel and methane or biogas. The obtained results enabled to determine engine operating conditions with occurrence of knock combustion on dual fuel compression ignition engine. Key words: biogas, methane, knock combustion Ocena zjawiska spalania stukowego w dwupaliwowym silniku ciągnika rolniczego zasilanego dodatkowo biogazem W niniejszej pracy opisano metody produkcji biogazu o jakości umożliwiającej wykorzystania go do zasilania dwupaliwowego silnika ciągnika rolniczego. Omówiono również problem występowania zjawiska spalania stukowego przy zasilaniu silnika zbyt bogatą w metan mieszanką olej napędowy-gaz. Badania rejestrujące to zjawisko przeprowadzono na stanowisku badawczym w Instytucie Pojazdów Politechniki Warszawskiej. Podczas ich realizacji wyznaczano charakterystyki obciążeniowe pracy silnika przy prędkościach obrotowych wału korbowego silnika 1400 i 1800 obr/min i przy zasilaniu go mieszaninami oleju napędowego z metanem lub biogazem. Otrzymane wyniki badań pozwoliły wyznaczyć warunki pracy silnika w czasie, których może występować zjawisko spalania stukowego w dwupaliwowym silniku spalinowym o zapłonie samoczynnym. Słowa kluczowe: biogaz, metan, spalanie stukowe 1. Otrzymywanie biogazu Biogaz jest produktem energetycznym powstającym na skutek mikrobiologicznego rozkładu różnego rodzaju surowców organicznych, w trakcie fermentacji metanowej. Głównymi produktami procesu są metan i ditlenek węgla, a także niewielkie ilości azotu, siarkowodoru oraz wodoru. Obecnie biogaz wykorzystywany jest głównie do produkcji ciepła lub ciepła i energii elektrycznej w systemach kogeneracyjnych (ang. CHP - Combined Heat and Power). Takie zastosowanie wymaga usunięcia z biogazu siarkowodoru i pary wodnej, przyczyniających się do korozji i obniżenia żywotności urządzeń [1]. Alternatywą dla powyższych rozwiązań jest użycie biogazu w transporcie - jako paliwa do zasilania silników pojazdów lub wtłaczanie produktu gazowego do sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego, co przedstawiono na rysunku 1. W zależności od finalnego wykorzystania produktu gazowego, musi on spełniać odmienne wymagania dotyczące jakości. Przykłady tych wymagań, przedstawiono w tabeli 1. Wykorzystanie biogazu w transporcie oraz wtłaczanie do sieci, wymaga jednak przeprowadzenia dodatkowych procesów uszlachetniania. Oprócz usunięcia związków siarki i wilgoci, konieczna jest znaczna redukcja zawartości ditlenku węgla. Otrzymany wysokiej jakości biometan może stanowić wówczas substytut gazu ziemnego. Rys. 1. Uszlachetnianie biogazu w zależności od sposobu jego zagospodarowania W Polsce, gaz ziemny będący paliwem do zasilania pojazdów drogowych musi spełniać wymagania norm PN-EN ISO [3] i PKN-ISO/TR [4]. Pojazdy te mogą być fabrycznie dostosowane do zasilania paliwem gazowym lub odpowiednio zmodyfikowane w przypadku, gdy były 1

2 przeznaczone do zasilania paliwem konwencjonalnym. Stosowane są jednopaliwowe (tylko paliwo gazowe) lub dwupaliwowe układy zasilania (paliwo gazowe i konwencjonalne), w których może być stosowany gaz ziemny w postaci sprężonej (CNG - z ang. Compressed Natural Gas), skroplonej (LNG - z ang. Liquefied Natural Gas) lub zaadsorbowanej (ANG - z ang. Adsorbed Natural Gas). 2. Cele pracy Głównym zadanie postawionym przed autorami była konieczność modyfikacji silnika o zapłonie samoczynnym, aby mógł być zasilany jednocześnie olejem napędowym oraz mieszaniną metanu i do 40% ditlenku węgla. Spowodowane było to potrzebą zmniejszania kosztów oraz uproszczeniem konstrukcji biogazowi dla użytkownika końcowego, poprzez wyeliminowanie procesu separacji metanu i ditlenku węgla. Kolejnym problemem występującym przy zasilaniu paliwami gazowymi silników o ZS jest występowanie spalania stukowego. Ze względu na duże stopnie sprężania zasilanie silnika o ZS czystym paliwem gazowym jest niemożliwe ze względu na występowanie tego zjawiska, które prowadzi do uszkodzenia silnika. Od dawna znane są rozwiązania, które umożliwiają zasilanie silnika o ZS paliwami gazowymi. Polegają one na równoczesnym doprowadzaniu do silnika oleju napędowego i paliwa gazowego. Przy takim rozwiązaniu w pierwszej kolejności następuje samozapłon par oleju napędowego w atmosferze powietrza i paliwa gazowego (podobnie jak w silniku zasilanym tradycyjnie) a następnie płomień rozprzestrzenia się na mieszaninę powietrza i gazu. Z dotychczasowych badań nad tym sposobem zasilania wynika, że stosunkowo duży udział paliwa gazowego w stosunku do oleju napędowego może być stosowany przy obciążeniach częściowych. W miarę wzrostu obciążenia, udział paliwa gazowego powinien się zmniejszać, ponieważ zbyt duży jego udział powoduje pojawianie się w kolejnych cyklach pracy spalania stukowego. Wyeliminowanie tego zjawiska może przebiegać dwoma sposobami polegającymi na zwiększeniu udziału w mieszance oleju napędowego lub opóźnieniu początku wtrysku oleju napędowego [5, 6]. Tabela 1. Wymagania jakościowe biogazu dla różnych zastosowań [2] Wartość opałowa i składniki gazu Gaz do silników generatorów Gaz jako paliwo do samochodów Jako dodatek do gazu ziemnego Wartość opałowa - brak minimum 8,4 13,1 kw h/m 3 Metan > 430 mg/m 3 >96% brak minimum Siarkowodór <200 mg/m 3 5 mg/m 3 <5 mg/m 3 Merkaptany - <15 mg/m 3 6 mg/m 3 Ditlenek węgla 60 mg/m 3 <3 % brak górnego limitu Tlen - <3% 3%(suchy), 5% (wilgotny) Węglowodory - <1% <punktu rosy Woda <80% <0,03 g/m 3 <punktu rosy 3. Metodyka oceny spalania stukowego paliw w dwupaliwowym silniku Cummins Do oceny procesu spalania i występowania zjawiska spalania stukowego wykorzystano przebiegi ciśnień czynnika w komorze spalania. Przyjęto, że jeśli na wykresie indykatorowym zaobserwujemy w czasie procesu spalania nagłe skoki ciśnienia większe niż 0,7 MPa to świadczy to o tym iż wystąpiło w czasie tego procesu zjawisko spalania stukowego. Na wykresach pokazujących przyrosty ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania dp/dα zjawisko to charakteryzują przyrosty ciśnienia czynnika roboczego większe niż 1,2 MPa/ o OWK. 4. Wyniki badań Badania zostały przeprowadzone na stanowisku badawczym (rys. 2) podczas sporządzania charakterystyki obciążeniowej przy prędkościach 1400 i 1800 obr/min, podczas zasilania silnika mieszaninami oleju napędowego oraz metanu lub biogazu. Gaz był podawany jako 30% lub 40% udział w mieszaninie palnej. Natomiast biogaz charakteryzował się wysoką zawartością ditlenku węgla i jego 2

3 skład przedstawiał się następująco 60% CH 4 i 40% CO 2. Na rysunkach od 5 do 12 przedstawiono wpływ dawki metanu na występowanie zjawiska spalania stukowego w silniku o zapłonie samoczynnym. Uwzględniono również wpływ zawartości ditlenku węgla w składzie biogazu na występowanie tego zjawiska. Rys. 2. Widok silnika zainstalowanego w kabinie hamowni Rys. 3. Ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+30% CH 4, obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min 3

4 Rys. 4. Ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+30% biogazu (60%CH %CO 2 ), obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min Rys. 5. Przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+30% CH 4, obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min 4

5 Rys. 6. Przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+30% biogazu (60%CH %CO 2 ), obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min Rys. 7. Ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+40% CH 4, obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min 5

6 Rys. 8. Ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+40% biogazu (60%CH %CO 2 ), obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min Rys. 9. Przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+40% CH 4, obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min 6

7 Rys. 10. Przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania przy zasilaniu silnika paliwem ON+40% biogazu (60%CH %CO 2 ), obciążeniu 80% i dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego silnika wynoszących 1400 obr/min i 1800 obr/min W wyniku analizy badań dotyczących ciśnień czynnika roboczego w komorze spalania dwupaliwowego silnika Cummiens zaobserwowano, że w tych samych warunkach prędkościowo - obciążeniowych pracy występują wyższe ciśnienia czynnika roboczego w przypadku zasilania silnika mieszaniną paliwa ciekłego i metanu w porównaniu do biogazu (o składzie 60% CH 4 +40% CO 2 ). W przypadku pracy silnika z mieszaniną 30% metanu czy biogazu z olejem napędowym nie zaobserwowano na wykresach indykatorowych spalania stukowego mogącego wystąpić w tego typu silnikach. Natomiast przy mieszaninie składającej się z 40% metanu czy biogazu z paliwem ciekłym zjawisko spalania stukowego było już zauważalne na wykresach indykatorowych, a objawiało się chwilowymi gwałtownymi zmianami ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania. Największe chwilowe skoki ciśnienia czynnika roboczego zaobserwowano przy większych prędkościach obrotowych wału korbowego silnika i przykładowo dla n= 1800 obr/min dla paliwa będącego mieszanką paliwa ciekłego i 40% metanu wynosiło1,4-1,6 MPa. W przypadku mieszanin składających się z paliwa ciekłego oraz 40% biogazu również zauważalne były skoki ciśnienia przy czym były one mniejsze niż w przypadku mieszaniny oleju napędowego. Wynosiły one maksymalnie 0,7-0,8 MPa. Wystąpienie skoków ciśnienia w czasie trwania procesu spalania w sposób dokładny można wyznaczyć w oparciu o wykresy przedstawiające przyrosty ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania. Z tego typu wykresów zaobserwowano, że maksymalnie wyznaczony przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania był przy n=1800 obr/min i wynosił 3,2 MPa/ o OWK w przypadku zasilania silnika mieszaniną oleju napędowego z 40% metanu. Natomiast maksymalnie wyznaczony przyrost ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczony również przy tych samych warunkach prędkościowo-obciążeniowych wynosił 1,7 MPa/ o OWK w przypadku zasilania silnika mieszaniną oleju napędowego z 40% biogazu. W tych samych warunkach pracy silnika ale z 30% dodatkiem metanu czy biogazu przyrost ciśnienia wynosił nie więcej niż 0,2-0,4 MPa. 5. Wnioski Głównymi surowcami w Polsce wykorzystywanymi do wytwarzania biogazu rolniczego są gnojowica świńska oraz kiszonka kukurydziana. Na podstawie przeprowadzonych badań potencjału metanogennego innych wybranych surowców pochodzenia rolniczego, stwierdzono, że dobrym substratem jest także gnojowica bydlęca, kiszonka trawy oraz serwatka. W celu zminimalizowania ryzyka wystąpienia zaburzeń w trakcie procesu fermentacji metanowej, konieczne jest odpowiednie dobranie proporcji poszczególnych substratów. We wszystkich badanych mieszankach średnie stężenie metanu w uzyskanym biogazie wynosiło 52,5 56,4%. Na podstawie badań silnikowych ciągnika rolniczego, stwierdzono, że taka zawartość metanu jest wystarczająca do zasilania silnika bez konieczności oczyszczania z ditlenku węgla. Wymagane jest jednak usuniecie siarkowodoru. Skuteczną metodą 7

8 oczyszczania biogazu z H 2 S jest np. metoda adsorpcji na złożu rudy darniowej oraz wykorzystanie mikroorganizmów utleniających ten związek. Z kolei absorpcja w roztworze NaOH umożliwiała jednoczesne obniżenie zawartości zarówno siarkowodoru jak i ditlenku węgla. Zdaniem autorów jeśli na wykresie indykatorowym zaobserwujemy w czasie procesu spalania nagłe skoki ciśnienia większe niż 0,7 MPa to świadczy to o tym iż wystąpiło w czasie tego procesu zjawisko spalania stukowego. Na wykresach pokazujących przyrosty ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania zjawisko to charakteryzują przyrosty ciśnienia czynnika roboczego większe niż 1,2 MPa/ o OWK. Porównując zasilanie silnika mieszaninami oleju napędowego z paliwami gazowymi można stwierdzić, że proces spalania w przypadku mieszaniny paliwa roślinnego i paliwa gazowego (zarówno metanu jak i biogazu) rozpoczyna się wcześniej o około 1-2 o OWK. Ponadto wyznaczone maksymalne ciśnienia czynnika roboczego mieszanki estru z rzepaku i paliwa gazowego są także nieznacznie większe. Największe różnice miedzy mieszaninami oleju napędowego z paliwami gazowymi zaobserwowano przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika wynoszącej 1400 obr/min. Największy wpływ na zaobserwowane różnice ma różny skład elementarny badanych paliw ciekłych oraz właściwości fizykochemiczne takie jak gęstość, lepkość oraz wartość opałowa. Bibliography/Literatura [1] O. Kujawski, Przegląd technologii produkcji biogazu (część trzecia), Czysta Energia Nr /2, [2] D. Deublein, A. Steinhauser, Biogas from Waste and Renewable Resource, WILEY- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, [3] PN-EN ISO , Gaz ziemny - Gaz ziemny stosowany jako sprężone paliwo do pojazdów - Część 1: Określanie jakości. [4] PN-EN ISO , Gaz ziemny - Gaz ziemny stosowany jako sprężone paliwo do Mr Piotr Orliński, BEng, PhD, DSc Associate Professor in the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology. Dr hab. inż. Piotr Orliński adiunkt na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Mr Stanisław W. Kruczyński, BEng, PhD, DSc, ProfTit Professor in the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology. Prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński profesor na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. pojazdów - Część 2. Specyfikacja dotycząca jakości. [5] A. Różycki, Drgania głowicy silnika wysokoprężnego zasilanego dwupaliwowo, Archiwum Motoryzacji, Vol. 30, nr. 2, [6] S. Luft, Dwupaliwowy silnik o zapłonie samoczynnym zasilany mieszaniną gazów propan-butan (LPG) i olejem napędowym. Wyd. PR, Mr Marcin K. Wojs, BEng, MSc. Teaching Assistant in the Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology. Mgr inż. Marcin K. Wojs asystent na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Mrs Anna Matuszewska, BEng, PhD The Automotive Industry Institute, Jagiellońska 55, Warsaw. Dr inż. Anna Matuszewska Przemysłowy Instytut Motoryzacji, ul. Jagiellońska 55, Warszawa. Mrs Marlena Owczuk, BEng, MSc. The Automotive Industry Institute, Jagiellońska 55, Warsaw. Mgr inż. Marlena Owczuk Przemysłowy Instytut Motoryzacji, ul. Jagiellońska 55, Warszawa. 8