Spalanie gazu koksowniczego w silniku ZI o wydłużonej ekspansji

Transkrypt

1 GRAB-ROGALIŃSKI Karol 1 SZWAJA Stanisław 2 PYRC Michał 3 Spalanie gazu koksowniczego w silniku ZI o wydłużonej ekspansji WSTĘP Gaz koksowniczy jako efekt uboczny w produkcji koksu obok innych paliw gazowych może być wykorzystany jako paliwo do zasilania tłokowych silników spalinowych. Gaz koksowniczy składa się z takich składników gazowych jak metan CH 4 30%, wodór H 2 50%, tlenek węgla CO 10% i inne gazy takie jak dwutlenek węgla CO 2, azot N 2, węglowodory ciężkie HC, które zajmują pozostałe 10%. Z punktu widzenia wygenerowanej przez silnik energii zaletą tego paliwa jest duża zawartość wodoru, który jak wiadomo jest traktowany jako potencjalny substytut paliw kopalnych i posiada wiele interesujących właściwości. Właściwości wodoru charakterystyczne dla tego paliwa to duża szybkość płomienia laminarnego ok. 2 m/s, szerokie granice palności od 4 75 %, niska energia zapłonu około 0,2 mj, wysoka temperatura samozapłonu na poziomie 858 K, wysoki współczynnik dyfuzyjności wynoszący 0,61 cm 2 /s [4,5,10]. Wodór jako dodatek do paliw płynnych lub gazowych w odpowiednich proporcjach poprawia przebieg procesu spalania, poprawiając takie parametry jak czas zwłoki samozapłonu w silniku gdzie paliwem bazowym był olej napędowy co wykazali w swojej pracy Szwaja i Grab-Rogaliński [8,9]. Również dodatek wodoru w silniku gdzie paliwem bazowym była benzyna przynosi duże korzyści zwłaszcza gdy silnik pracuje w zakresie mieszanek ubogich co zostało przedstawione przez Ji i Wang a [1] w ich pracy. Zastosowanie wodoru jako dodatku powoduje również obniżenie emisji takich toksycznych składników spalin jak CO 2, CO i HC oraz cząstek stałych PM co zostało przedstawione w wielu pracach badawczych [1,2,3,6,13]. Duża zawartość wodoru w paliwie może również przekładać się w pewnych niesprzyjających warunkach na występowanie pewnych niekorzystnych zjawisk podczas procesu spalania jakie są charakterystyczne dla silnika wodorowego. Do zjawisk tych można zaliczyć, cofanie się płomienia do kolektora dolotowego, występowanie niekontrolowanych zapłonów od gorących miejsc w komorze spalania oraz spalanie stukowe. Badania nad tymi zjawiskami prowadzili m.in. Szwaja [7,11] i Verhelst [12]. 1 STANOWISKO BADAWCZE I METODYKA POMIAROWA Wszystkie pomiary zostały wykonane na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej w Instytucie Maszyn Cieplnych. Stanowisko badawcze wyposażone jest w silnik spalinowy S231. Silnik ten fabrycznie jest silnikiem wolnossącym o zapłonie samoczynnym zasilanym olejem napędowym chłodzonym cieczą przez odparowanie. Zmodyfikowany on został na potrzeby badań w taki sposób aby umożliwić pracę tego silnika z paliwami lekkimi takimi jak benzyna i inne gazy palne. Wyposażony on został w elektroniczny układ zapłonowy z możliwością regulacji kąta wyładowania iskrowego oraz energii tego wyładowania, obniżono również stopień kompresji z ε=16 do ε=11. Ponadto kolektor dolotowy wyposażony został w elektronicznie regulowaną przepustnicę, wtryskiwacze paliwa płynnego i gazowego oraz alternatywnie mieszalnik paliwa gazowego. Układ dolotowy silnika wyposażony jest również w mechaniczna sprężarkę doładowującą oraz chłodnicę świeżego powietrza umieszczoną w zbiorniku z cieczą chłodzącą. Dzięki zaworowi upustowemu umieszczonemu w sprężarce możliwe jest regulowanie nadciśnienia doładowania w zakresie od 0 1 bar przy tej konfiguracji. Pomiar powietrza dostarczanego do silnika 1 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa, al. Armii Krajowej 21. Tel: , Fax: , grab@itm.pcz.czest.pl 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa, al. Armii Krajowej 21. Tel: , Fax: , szwaja@imc.pcz.czest.pl 3 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa, al. Armii Krajowej 21. Tel: , Fax: , pyrc@imc.pcz.czest.pl 12004

2 oraz paliwa gazowego dokonywany jest przy pomocy gazomierzy rotorowych COMMON CGR-1. Silnik sprzęgnięty jest z prądnica synchroniczną, która jest podczas uruchamiania urządzeniem dla silnika oraz obciążeniem podczas pracy. Rozruch za pomocą prądnicy synchroniczne możliwy jest dzięki przemiennikowi częstotliwości który pozwala na rozpędzenie prądnicy od prędkości 0 do prędkości synchroniczne wynoszącej 1500 obr/min (50Hz). Paliwo do silnika podawane może być na kilka sposobów. Paliwo płynne podawane jest do kolektora dolotowego przy pomocy wtryskiwacza, paliwo gazowe może być podawane do kolektora przy pomocy wtryskiwacza lub przy pomocy mieszalnika gazowego tuż przed zawór dolotowy. Układ wylotowy silnika wyposażony jest w szerokopasmową sondę lambda firmy NTK/NGK połączoną z modułem pomiarowym UEGO. W głowicy silnika umieszczono czujnik ciśnienia spalania. W kolektorze dolotowym umieszczono czujnik ciśnienia bezwzględnego Motorola MPX 4150 oraz czujnik temperatury Dallas DS18B20. Widok stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 1 i 2. Rys. 1. Widok stanowiska badawczego od strony układu wylotowego Rys. 2. Widok stanowiska badawczego od strony układu dolotowego Aby silnik mógł pracować z wykorzystaniem wydłużonej ekspansji wykonana została modyfikacja wałka rozrządu. Modyfikacja ta polegała na zmianie zarysu krzywki dolotowej w taki sposób aby umożliwić zamknięcie zaworu dolotowego w trakcie suwu dolotowego przed osiągnięciem przez tłok dolnego martwego punktu (DMP). Ze względu na zmieniony zarys krzywki zaworowej oraz czas otwarcia zaworu dolotowego zmianie uległ również popychacz współpracujący z tą krzywką z typu płaskiego na typ rolkowy. Porównanie parametrów nowego wałka rozrządu z wałkiem oryginalnym przedstawiono w tabeli

3 Tab. 1. Porównanie parametrów zmierzonych krzywki dolotowej zmodyfikowanej i oryginalnej Parametry wałka Wałek Wałek oryginalny rozrządu zmodyfikowany Kąt otwarcia zaworu dolotowego α odol deg Kąt zamknięcia zaworu dolotowego α zdol deg Maksymalny wznios zaworu dolotowego Δh d mm Ze względu na możliwość wystąpienia niekorzystnych zjawisk związanych z przebiegiem procesu spalania jak również z procesem wymiany ładunku zwłaszcza w silniku doładowanym luz zaworowy został zwiększony z fabrycznego wynoszącego Δl z =0,3 mm na Δl z =1 mm, co w znaczący sposób wpływa na fazy rozrządu silnika badawczego. Pomiary przeprowadzono dla dwóch rodzajów paliw, CNG i gazu syntetycznego składającego się w 40% z CNG i 60% z H 2, który to gaz syntetyczny miał w przybliżeniu odpowiadać składem gazowi koksowniczemu. Gaz syntetyczny wytwarzany był w mieszalniku gazowym poprzez podanie odpowiedniej objętości gazów składowych w oparciu o wskazanie gazomierzy rotorowych. Następnie uzyskana mieszanka o odpowiednim składzie podawana była poprzez mieszalnik umieszczony w przewodzie dolotowy do silnika. Oba paliwa spalane były przy współczynniku nadmiaru powietrza odpowiadającemu mieszaninie około stechiometrycznej. W celu określenia optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu dla danego paliwa wykonano rejestracje przebiegów ciśnienia spalania dla różnych wartości kąta wyprzedzenia zapłonu. Parametry ustawione podczas pomiarów przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Parametry ustawione podczas pomiarów Parametry Gaz ziemny Gaz syntetyczny Współczynnik nadmiaru powietrza λ ~1 ~1 Kąt wyprzedzenia zapłonu α zap deg Zmiana kąta wyprzedzenia zapłonu Δα zap 2 2 Na podstawie zarejestrowanych przebiegów obliczono szybkość wydzielania ciepła dq/dφ oraz znormalizowany udział spalonego ładunku x b. 2 WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ Badania przeprowadzono dla kilku różnych paliw zasilających: gaz ziemny jako paliwo porównawcze, gaz syntetyczny - składzie syntetycznie modelowanym i zbliżonym do typowego gazu koksowniczego (H2 = 60%, CH4 = 40%). Na rysunku 3 przedstawiono wykres indykatorowy otwarty dla przykładowej serii pomiarowej dla gazu ziemnego

4 Rys. 3. Wykres indykatorowy otwarty dla gazu ziemnego Rysunek 4 przedstawia wykres indykatorowy otwarty dla przykładowej serii pomiarowej dla gazu syntetycznego. Rys. 4. Wykres indykatorowy otwarty dla gazu syntetycznego Rysunek 5 przedstawiają zmianę wartości średniego ciśnienia indykowanego dla czterech serii pomiarowych w funkcji kąta wyprzedzenia zapłonu dla gazu ziemnego. Optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu, czyli kąt dla którego wartość średniego ciśnienia indykowanego przyjmuje największe wartości przypada na zakres kąta wyprzedzenia zapłonu α zap 29±1 deg Rys. 5. Średnie ciśnienie indykowane w funkcji kąta wyprzedzenia zapłonu dla gazu ziemnego 12007

5 Rysunek 6 przedstawia wartość średniego ciśnienia indykowanego dla trzech serii pomiarowych w funkcji kąta wyprzedzenia zapłonu. W tym przypadku optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu przypada na kąt α zap =16±1 deg. Rys. 6. Średnie ciśnienie indykowane w funkcji kąta wyprzedzenia zapłonu dla gazu syntetycznego Porównując te dwa paliwa ze sobą można stwierdzić, że wodór zawarty w gazie syntetycznym przyśpieszył przebieg procesu spalania przez co optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu występuje znacznie bliżej górnego martwego punktu aniżeli ma to miejsce dla gazu ziemnego. Rysunek 7 przedstawia szybkość wydzielania ciepła dq/dφ dla wybranej serii pomiarowej dla gazu ziemnego. Rys. 7. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla gazu ziemnego Rysunek 8 przedstawia przebieg dq/dφ dla wybranej serii pomiarowej dla gazu syntetycznego. Rys. 8. Szybkość wydzielania ciepła w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla gazu syntetycznego

6 Analizując wykresy 7 i 8 można stwierdzić iż zawartość wodoru w syntetycznym gazie koksowniczym znacząco wpływa na skrócenie czasu (kąta) wydzielania ciepła w porównaniu do gazu ziemnego. Na rysunku 9 przedstawiono udział części spalonego ładunku dla przykładowej serii pomiarowej dla gazu ziemnego. Rys. 9. Udział części spalonego ładunku w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla gazu ziemnego Rys. 10. Udział części spalonego ładunku w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla gazu syntetycznego Na podstawie wykresów 9 i 10 można stwierdzić, że dla gazu syntetycznego występuje znacząco szybsze zainicjowanie zapłonu jak również okres właściwego spalania mieszaniny paliwowo powietrznej jest krótszy niż ma to miejsce dla wersji silnika zasilanego gazem ziemnym. WNIOSKI Na podstawie badań przeprowadzonych na silniku gazowym z zapłonem iskrowym pracującym na zasadzie obiegu o wydłużonej ekspansji zasilanego dwoma rodzajami paliw gazowych: gazem ziemnym oraz gazem syntetycznym o składzie zbliżonym do gazu koksowniczego sformułowano następujące wnioski: paliwo gazowe o dużej zawartości wodoru (gaz syntetyczny o składzie w przybliżeniu odpowiadającemu gazowi koksowniczemu) nadaje się do zasilania silnika spalinowego o zapłonie iskrowym poprawiając jednocześnie pracę takiego silnika. Wykorzystanie paliwa gazowego, w skład którego wchodzi duża zawartość wodoru powoduje znaczące przyśpieszenie przebiegu procesu spalania. Okres zwłoki zapłonu (x b0-10% ) dla silnika zasilanego gazem syntetycznym jest o około 1/3 krótszy i wynosi odpowiednio około 12 stopni obrotu wału korbowego od chwili wystąpienia zapłonu w porównaniu do gazu ziemnego gdzie x b0-10% 35 deg obrotu wału korbowego

7 PODZIĘKOWANIA Badania przeprowadzono dzięki finansowemu wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu promotorskiego nr. N Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań spalinowego silnika gazowego o zapłonie iskrowym zasilanego gazem ziemnym i gazem syntetycznym, który składem w przybliżeniu odpowiadał gazowi koksowniczemu. W ramach badań przeprowadzono indykowanie silnika badawczego przy stałym współczynniku nadmiaru powietrza wynoszącym λ=1. Paliwo gazowe podawane było do silnika za pomocą mieszalnika umieszczonego w kolektorze dolotowym. Gaz syntetyczny otrzymywano poprzez wymieszanie w odpowiedniej proporcji w mieszalniku gazowym poszczególnych gazów składowych przy wykorzystaniu zaworów iglicowych i przepływomierzy rotorowych mierzących aktualny wydatek objętościowy tych składników. Na podstawie zarejestrowanych przebiegów ciśnienia określono optymalny kąt wyprzedzenia zapłonu dla badanych paliw. Wykonana została również analiza przebiegu ciśnienia spalania, na podstawie której obliczono szybkość wydzielana ciepła oraz udział części spalonego ładunku dla badanych paliw. A coke oven gas combustion in an over-expanded cycle internal combustion engine Abstract This publication presents results of experimental investigation on an internal combustion spark ignition gaseous engine fueled with two types of fuels, natural gas and synthetic gas which was similar to coke oven gas in its composition. In this study the pressure-volume data acquisition of the tested engine was done. the both types of gaseous fuels were combusted at stoichiometric ratio of the air fuel mixture. The engine was fueled with gaseous air-fuel mixture composed in a mixer located in the intake manifold of the engine. A synthetic gas was prepared by mixing gaseous components at required proportion in the gas mixer with aid of applying needle valves connected to rotor flow meters indicating automatically the current gas expenditure for this purpose. On the basis of the collected pressure data the angle to obtain the Maximum Brake Torque (MBT) was determined for both these fuels. Furthermore, calculations of heat release rate and normalized mass fraction burn for both types of gaseous fuels were performed. As concluded, the engine working on a coke oven gas specifies itself with marginally lower indicated mean effective pressure due to lower calorific value of the stoichiometric air-fuel mixture, but the engine worked as smoothly as the engine on reference fuel natural gas. BIBLIOGRAFIA 1. Ji Ch., Wang Sh., Effect of hydrogen addition on combustion and emissions performance of a spark ignition gasoline engine at lean conditions. International Journal of Hydrogen Energy, 34 p , Ji Ch., Wang Sh., Experimental study on combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline at lean burn limits. International Journal of Hydrogen Energy, 35 p , Kaharmann E., Ozcanli S. C., Ozerdem B., An experimental study on performance and emmision characteristics of a hydrogen fuelled spark ignition engine. International Journal of Hydrogen Energy 32, pp , Karim G. A., Hydrogen as a spark ignition engine fuel. International Journal of Hydrogen Energy, 28, p , Nande A. M., Szwaja S., Naber J. D., Impact of EGR on combustion processes in a hydrogen fuelled SI engine, SAE paper , Saravanan N., Nagarajan G., Narayanasamy S., An experimental investigation on DI diesel engine wit hydrogen fuel. Renewable Energy 33, pp ,

8 7. Szwaja S., Cupiał K., Grab-Rogaliński K.: Anomalies in combustion of hydrogen in a SI engine modified to work as a supercharged one. Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 3, Warszawa, Szwaja S., Grab-Rogaliński K., Hydrogen combustion in a compression ignitron diesel engine. International Journal of Hydrogen Energy 34 nr 10, Szwaja S., Grab-Rogaliński K., Hydrogen-Diesel co-combustion anomalies in a CI engine. Journal of Kones Vol. 15 Nr. 3, Warsaw, Szwaja S., Naber J.D.: Dual nature of hydrogen combustion knock. International Journal of Hydrogen Energy 38, p , Szwaja S., Hydrogen rich gases combustion in the IC engine. Journal of Kones Powertrain and Transport, Vol. 16, No. 4, Warszawa, Verhelst, S., Demuynck, J., Sierens, R.,Huyskens, P., Impact of variable valve timing on power, emissions and backfire of a bi-fuel hydrogen/gasoline engine. International Journal of Hydrogen Energy 35, pp , Verstratean S., Sierens R., Verhelst S., A high speed single cylinder hydrogen fuelled internal combustion engine. FISITA World Automotive Congress, Barcelona,