Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen and mixed n-butanol with iso-butanol

Transkrypt

1 Article citation info: BRZEŻAŃSKI, M., et al. Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen and mixed n-butanol with iso-butanol. Combustion Engines. 2013, 154(3), ISSN Marek BRZEŻAŃSKI Jerzy CISEK Wojciech MAREK Michał MARECZEK Tadeusz PAPUGA PTNSS 2013 SC 194 Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen and mixed n-butanol with iso-butanol Abstract: The results of the investigations of SI engine fuelled with hydrogen and mixed n-butanol with isobutanol heve been presented in article. The idea of flexible feeding system and the aim and methodology of carred out measurement have been also described. Obtained results have been compared to the results of tests carried out during flexible feeding of the same engine. Keywords: hydrogen, flexible feeding, SI combustion engine Badania silnika przy dwupaliwowym zasilaniu wodorem z dodatkiem fazy ciekłej n-butanolu i izo-butanolu Streszczenie: W artykule zaprezentowano wyniki badań silnika o zapłonie iskrowym zasilanego wodorem z dodatkiem fazy ciekłej n-butanolu i izo-butanolu. Przedstawiono koncepcję systemu zasilania dwupaliwowego oraz cel i metodykę przeprowadzonych pomiarów. Uzyskane wyniki zasilania dwupaliwowego porównano do wyników badań prowadzonych podczas zasilania silnika wyłącznie alkoholową fazą ciekłą. Słowa kluczowe: wodór, silnik spalinowy wielopaliwowy o zapłonie iskrowym 1. Wstęp W ostatnim czasie można odnotować coraz większe zainteresowanie dużych korporacji przemysłowych oraz wyspecjalizowanych agend rządowych, zagadnieniem poprawy efektywności dywersyfikacji dostaw energii. Przewiduje się zatem, że w perspektywie najbliższych kilkunastu lat będzie wzrastać zainteresowanie możliwie szerokim i powszechnym wykorzystaniem tłokowych silników spalinowych do celów energetycznych. Nośnikiem energii chemicznej w procesach roboczych tych silników, będzie paliwo o zróżnicowanym składzie frakcyjnym i grupowym jak i zróżnicowanej postaci fazowej. Zatem jest oczywiste, że na obecnym etapie rozwoju cywilizacji przemysłowej, tłokowy silnik spalinowy pozostanie jeszcze długo podstawowym źródłem napędowym w wielu działach gospodarki. W niniejszej publikacji zostanie zaprezentowany jeden ze sposobów wykorzystania tych paliw w silniku spalinowym, dla zamiany energii chemicznej na pracę użyteczną dla wytworzenia energii elektrycznej oraz użytkowej energii cieplnej, w procesie odzysku ciepła odpadowego z układu wylotowego i chłodzenia silnika. Jako przykład szerokiego i powszechnego stosowania tzw. paliw odpadowych można podać zaawansowane projekty realizowane w tym obszarze w krajach skandynawskich, pomimo dobrze rozwiniętej istniejącej infrastruktury dostaw energii ze strony energetyki zawodowej. 2. Cel i metodyka badań Zasadniczym celem jaki był do zrealizowania w przypadku dwupaliwowego zasilania silnika wodorem oraz alkoholową fazą ciekłą było zagadnienie sterowania dawkowaniem paliwa w silniku o zapłonie iskrowym przy uwzględnieniu, z jednej strony zapotrzebowania energetycznego układu wymuszającego obciążenie tego silnika, a z drugiej strony spełnienia postawionego przez producenta silnika kryterium maksymalnej temperatury spalin przed turbiną zespołu doładowującego. Nie bez znaczenia był również problem minimalizacji emisji toksycznych składników spalin, lecz był on traktowany raczej jako ograniczenie, a nie kryterium decyzyjne. W trakcie prac badawczych zidentyfikowano kolejne ograniczenie, związane ze zjawiskiem przedostawania się alkoholowej fazy ciekłej do oleju smarującego. Podsumowując, zidentyfikowano następujące kryteria doboru parametrów regulacyjnych silnika, dla których dobierano wartość obciążenia przy zasilaniu silnika określonym sposobem: max. temperatura spalin silnika nie może przekroczyć 700 o C, nie może występować anomalia spalania w postaci spalania stukowego, 1056

2 nie może zachodzić zjawisko cofania się płomienia do kolektora dolotowego, intensywność dawkowania paliwa alkoholowego nie może wywoływać zjawiska przedostawania się alkoholowej fazy ciekłej do oleju smarującego. To ostatnie kryterium zostało potraktowane jako jeden z ważniejszych wniosków, z badań silnika w prezentowanym sposobie zasilania. Zostanie to wykazane w dalszej części niniejszej publikacji. Pomiary stężenia toksycznych składników spalin prowadzono aparaturą pomiarową zgodną z obowiązującymi aktualnie normami: ISO/CD (RIC engines-exhaust emissions measurement, edycja 11.XI.1992) oraz ECE - R49/2 (Uniform provisions concerning the approval of compression ignition (C.I.) engines and vehicles equipped with C.I. engines with regard to the emissions of pollutants by the engine). Badano i rejestrowano wartość stężenia: tlenku węgla CO, węglowodorów THC, tlenku azotu NO i dwutlenku węgla CO 2 i tlenu O 2. Ponadto badano i rejestrowano wpływ badanego paliwa na pozostałe parametry silnika takie jak: moment obrotowy i moc, zużycie paliwa, sprawność ogólna obiegu, współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura spalin. Schemat obciążenia silnika realizował tzw. regulacyjną charakterystykę obciążeniową, wykonywaną przy ustalonej prędkości obrotowej wału silnika (n = /min), przy zastosowaniu ilościowej i/lub jakościowej regulacji mocy. 3. Stanowisko pomiarowe i badania silnika zasilanego wodorem Badania silnika zasilanego wodorem i alkoholową fazą ciekłą przeprowadzono na specjalnym stanowisku badawczym, w Laboratorium Katedry Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej, którego zasadnicze elementy przedstawiono poniżej: turbodoładowany silnik wysokoprężny MAN E 2876 E 312, elektrowirowy hamulec silnikowy firmy AVL, typ B350, masowa, komputerowa, dynamiczna miernica paliwa firmy AVL, typ AVL4210, objętościowa miernica zużycia gazu ziemnego, system pomiarowy do określania stężenia gazowych składników spalin AVL Bench Emissions System CEB II, systemy pomiarowe do określania: temperatury spalin, otoczenia, ciśnienia i wilgotności powietrza pobieranego przez silnik, współczynnika nadmiaru powietrza. Jako obiekt badań wybrano 6-cylindrowy, doładowany silnik typu MAN E2876 LE302 o objętości skokowej Vs =12,82 dm 3, który w konfiguracji fabrycznej zasilany jest mieszalnikowo gazem ziemnym i przeznaczony do napędu generatora prądu. W takiej konfiguracji silnik charakteryzował się następującymi wskaźnikami roboczymi: moc znamionowa na gazie ziemnym 200 kw, maksymalny moment obrotowy 1280 Nm, zużycie gazu ziemnego 58 Nm 3 /h. Praktyczna realizacja dwupaliwowego zasilania wyżej wymienionego silnika, wymagała skonstruowania i zbudowania specjalnej instalacji paliwowej, o konfiguracji zbliżonej do systemu zasilania typu Common Rail. Do sterowania wartością dawki paliwa gazowego i ciekłego, wyprzedzeniem zapłonu, otwarciem przepustnicy oraz składem mieszanki palnej (współczynnikiem nadmiaru powietrza), skonstruowano i stosowano specjalny programowalny sterownik silnika, przeznaczony do pracy w środowisku LabView. 4. Wyniki i analiza badań silnikowych 4.1. Badania parametrów roboczych Dla praktycznej realizacji celu badawczego związanego ze zdefiniowanym powyżej dwupaliwowym zasilaniem silnika, opracowano program badawczy realizujący strategię zróżnicowanej podaży strumienia energii chemicznej, związanej z bieżącą dostępnością zarówno paliwa gazowego jak i paliwa w fazie ciekłej. Odzwierciedleniem tej strategii jest przykład zobrazowania sposobu regulacji mocy silnika, przedstawiony na rys. 1. W przypadku oznaczonym na wykresie jako H2 + mix1 moc silnika wynoszącą 100 kw uzyskano zasilając silnik wyłącznie wodorem. Dalszy wzrost mocy silnika, aż do 140 kw uzyskiwano zwiększając dawkę tylko fazy ciekłej, przy stałym zużyciu wodoru. Dla przypadku H2 + mix2, 130 kw mocy silnika otrzymano dla zasilania silnika samym wodorem. Dopiero powyżej tej mocy do silnika dostarczano dodatkowo paliwo ciekłe. W obu przypadkach faza ciekła składała się z mieszaniny 50% n-butanolu i 50% izo-butanolu. Paliwo to oznaczono roboczo jako MIX. W przypadku zastosowania wyłącznie fazy ciekłej, moc silnika była ograniczona tylko do 105 kw. Praca silnika w trybie zasilania wyłącznie fazą ciekłą, powodowała jak już o tym wspomniano, zjawisko przenikania paliwa do oleju smarującego. Związane to było głównie z niedoskonałym procesem rozpylenia fazy ciekłej podczas tworzenia mieszanki paliwowo powietrznej. Jak wiadomo proces przygotowania paliwa do spalenia jest jednym z głównych czynników wpływających na sprawność zamiany energii chemicznej paliwa na pracę użyteczną. Praktyczna realizacja postulatu poprawy jakości rozpylenia, w przypadku takiego jak przedstawiany tutaj system zasilania dwupaliwowego, jest związana zwykle z koniecznością uzyskania kompromisu pomiędzy kosztami aparatury i osprzętu, a rzeczywistymi możliwościami manewrowania strumieniami energii chemicznej, z 1057

3 dysponowanych rodzajów paliwa. Innymi słowy, racjonalnym wydaje się przeprowadzenie za każdym razem rozeznania dotyczącego możliwości zapewnienia odpowiedniej dla założonych parametrów energetycznych silnika podaży paliw, a dopiero później wytypowanie odpowiedniego typy osprzętu i systemu sterowania dawkowaniem paliwa. W przypadku strategii zastosowanej dla dwupaliwowego zasilania silnika, przedstawionej w niniejszej publikacji, poprzez dawkowanie fazy ciekłej uzyskano możliwość rozszerzenia rozporządzalnego zakresu obciążenia (od N e = 150 kw przy zasilaniu czystym wodorem), do punktu w polu pracy silnika (N e = 190 kw przy zasilaniu dwupaliwowym), który przy zasilaniu czystym wodorem był nieosiągalny bowiem już od obciążenia na poziomie 150 kw, występowały anomalie procesu spalania (rys. 1). Rys.2. Sprawność ogólna silnika MAN zasilanego Różnice w sposobie regulacji mocy silnika były również przyczyną różnicy wartości wydzielania ciepła w cylindrze i temperatury procesu spalania. Podczas, gdy spalanie fazy ciekłej ograniczone było maksymalną, dopuszczalną temperaturą spalin wynoszącą 700 o C, to zasilając silnik ubogą mieszanką czystego wodoru z powietrzem lub ubogą mieszanką dwupaliwową, temperatura spalin osiągała znacząco mniejszą wartość (rys. 3). Rys. 1. Charakterystyka składu mieszanki silnika MAN zasilanego Bardzo wymowna, dla weryfikacji przedstawionego powyżej schematu realizacji strategii regulacji mocy silnika zasilanego, jest wizualizacja przebiegu zmian wartości sprawności ogólnej w zależności od obciążenia, zamieszczona na rys. 2. Z omówionych już powyżej powodów oraz ze względu na wzrost pracy wymiany ładunku spowodowany ilościową regulacją mocy, sprawność ogólna silnika zasilanego tylko fazą ciekłą nie przekraczała 27 %. W przypadku zasilania dwupaliwowego uzyskano porównywalne wyniki w stosunku do zasilania czystym wodorem (ok. 37%), z jednoczesnym rozszerzeniem rozporządzalnego zakresu obciążenia. Rys.3. Temperatura spalin silnika MAN zasilanego 4.2. Badanie właściwości ekologicznych silnika Korzyści energetyczne ze stosowania ubogich mieszanek paliwowo powietrznych w ładunku cylindra są znane od dawna. Nieco gorzej na tym tle prezentuje się zagadnienie uzyskania zadowalającej emisji toksycznych składników spalin zwłaszcza, jeżeli chodzi o tlenki azotu. Jednak w przypad- 1058

4 ku zasilania dwupaliwowego z wykorzystaniem alkoholowej fazy ciekłej można uzyskać znaczące obniżenie stężenia tej grupy związków toksycznych w spalinach. Zobrazowano to na rys. 4. Stosując odpowiednią strategię sterowania dwupaliwowym dawkowaniem wodoru i alkoholowej faz ciekłej, obniżono stężenie tlenków azotu NO x z poziomu 370 ppm (przy zasilaniu czystym wodorem) do poziomu 70 ppm (przy zasilaniu dwupaliwowym), dla tego samego punktu w polu pracy silnika (N e = 150 kw). Co charakterystyczne zwiększenie obciążenia powyżej tego punktu, w przypadku zasilania dwupaliwowego nie spowodowało wzrostu stężenia tlenków azotu. Rys.5. Wpływ obciążenia silnika na stężenie dwutlenku węgla CO 2 w spalinach silnika zasilanego Rys.4. Wpływ obciążenia silnika na stężenie tlenków azotu NO x w spalinach silnika zasilanego Na rys. 6 zaprezentowano krzywe stężenia tlenku węgla podczas dwupaliwowego zasilania silnika MAN. Podczas zasilania silnika wyłącznie fazą ciekłą zanotowano dużą wartość stężenia tlenku węgla podczas pracy silnika w całym zakresie obciążeń. Ponieważ podczas pracy był on zasilany mieszanką o składzie zbliżonym do mieszanek bogatych (rys.1), efektem było niecałkowite i niezupełne spalanie i zwiększenie stężenia tlenku węgla w spalinach. Podczas zasilania dwupaliwowego stężenie tlenku węgla było pomijalnie małe i wynikało głównie ze spalania oleju smarującego. Na rys. 5 zaprezentowano wpływ obciążenia silnika zasilanego na stężenie dwutlenku węgla CO 2 w spalinach. Stężenie dwutlenku węgla jest zależne od składu mieszanki i wartości stężenia tlenku węgla CO i węglowodorów HC w spalinach. Ponieważ skład mieszanki przy zasilaniu fazą ciekłą był praktycznie stały (rys. 1), to wpłynęło to również stabilizująco na poziom stężenia tego składnika w spalinach. Podczas zasilania wodorem wartość stężenia dwutlenku węgla jest pomijalnie mała, a śladowe jego wartości wynikają z obecności oleju smarującego w komorze spalania silnika. W przypadku zasilania dwupaliwowego stężenie dwutlenku węgla było na poziomie 2 % obj. Rys.6. Wpływ obciążenia silnika na stężenie tlenku węgla CO w spalinach silnika zasilanego wielopaliwowo 1059

5 Stężenie węglowodorów w spalinach podczas zasilania dwupaliwowego było zależne od wartości współczynnika nadmiaru powietrza (rys. 1). W przypadku zasilania wyłącznie paliwem ciekłym, wysoki poziom stężenia tego składnika spalin (rys. 7), wynikał głównie z niedoskonałego procesu rozpylenia fazy ciekłej podczas tworzenia mieszanki paliwowo powietrznej. Niewielki wzrost stężenia podczas pracy przy zasilaniu dwupaliwowym wynikał z tego samego powodu. Podczas zasilania silnika wodorem stężenie węglowodorów w spalinach było pomijalnie małe i podobnie jak w przypadku stężenia tlenku węgla, wynikało głównie ze spalania oleju smarującego (rys. 7). Rys.7. Wpływ obciążenia silnika na stężenie węglowodorów HC w spalinach silnika zasilanego 5. WNIOSKI Przedstawione wyniki badań dwupaliwowego zasilania silnika MAN E 2876 E 312 wodorem i/lub alkoholową fazą ciekła, pozwalają na sformułowanie następujących najistotniejszych wniosków: 1. Doskonalenie procesu rozpylenia fazy ciekłej podczas tworzenia mieszanki paliwowo powietrznej przy zasilaniu dwupaliwowym, powinno być zawsze skorelowane z rzeczywistymi możliwościami manewrowania strumieniami energii chemicznej, z dysponowanych rodzajów paliwa. 2. Przy dwupaliwowym zasilaniu silnika, poprzez zastosowanie odpowiedniej strategii dawkowania fazy ciekłej uzyskano możliwość rozszerzenia rozporządzalnego zakresu obciążenia. 3. Wyniki badań pozwoliły na określenie strategii zasilania i sterowania. Zidentyfikowano ograniczenie intensywności dawkowania paliwa alkoholowego, związane ze zjawiskiem przedostawania się alkoholowej fazy ciekłej do oleju smarującego. 4. Korzystne wartości sprawności ogólnej oraz właściwości ekologicznych silnika uznać można za sukces. Stężenie toksycznych składników spalin podczas dwupaliwowego zasilania silnika, było wielokrotnie mniejsze, niż podczas zasilania paliwem alkoholowym. 5. Stosując odpowiednią strategię sterowania dwupaliwowym dawkowaniem wodoru i alkoholowej faz ciekłej, obniżono stężenie tlenków azotu w spalinach. Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu: pt. Wykorzystanie odpadowego wodoru do celów energetycznych" (POIG /10) Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, realizowany w ramach działania 1.4 Wsparcie projektów celowych Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka Bibliography/Literatura [1] ISO/CD (RIC engines-exhaust emissions measurement, edycja 11.XI.1992). [2] ECE R49 Uniform provisions concerning the approval of compression ignition (C.I.) engines and vehicles equipped with C.I. engines with regard to the emissions of pollutants by the engine 1060

6 Mr Brzeżański Marek, DSc., DEng. Professor in the Faculty of Mechanical Dr hab. inż. Marek Brzeżański profesor na Wydziale Mechanicznym Politechniki Mr Marek Wojciech, DSc., DEng. Professor in the Faculty of Mechanical Dr hab. inż. Wojciech Marek profesor na Wydziale Mechanicznym Politechniki Mr Mareczek Michał, Ph.D.M.E. Adjunkt in the Faculty of Mechanical Dr hab. inż. Michał Mareczek - adiunkt na Wydziale Mechanicznym Politechniki Mr Cisek Jerzy, Ph.D.M.E. Adjunkt in the Faculty of Mechanical Engineering at Cracow University of Dr inż. Jerzy Cisek adiunkt na Wydziale Mechanicznym Politechniki Mr Papuga Tadeusz, Ph.D.M.E. Adjunkt in the Faculty of Mechanical Dr inż. Tadeusz Papuga adiunkt na Wydziale Mechanicznym Politechniki 1061