ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Artur Małecki 1, Tomasz Mydłowski 2, Jacek Dybała 3 BADANIA WPŁYWU ZANIECZYSZCZEŃ BIOPALIW NA SPRAWNOŚĆ SILNIKA ZI 1. Stanowisko badawcze Badania prowadzono na stanowisku zbudowanym w oparciu o silnik Honda NHX 110 (Rys. 1). Jest to chłodzony cieczą jednocylindrowy, czterosuwowy silnik w układzie rozrządu typu OHC o zapłonie iskrowym o pojemności skokowej 108cm 3 wyposażony w pośredni wtrysk paliwa. Silnik ten połączono ze stanowiskiem hamownianym [5] i umieszczono w komorze klimatycznej zapewniającej niezmienne, zadane warunki podczas badań. Rys. 1. Stanowisko badawcze. W celu rozszerzenia spektrum badań układ zarządzania pracą silnika zbudowano w oparciu o programowalny sterownik ECU Master EMU [1]. Dzięki temu możliwe jest zadawanie dowolnych parametrów sterowania. 2. Zakres badań Motywacją do przeprowadzenia przedstawionych w tej publikacji badań była przede wszystkim chęć podjęcia przez autorów próby zmniejszenia negatywnego wpływu 1 Mgr inż. Artur Małecki, doktorant na Wydziale SiMR PW, 2 Mgr inż. Tomasz Mydłowski, doktorant na Wydziale SiMR PW, 3 Prof. nzw. dr hab. inż. Jacek Dybała, profesor na Wydziale SiMR PW 89

2 zawartości dwutlenku węgla w biogazie [4] na sprawność silnika ZI. Problem jest o tyle istotny, że zawartość dwutlenku węgla w tym paliwie jest bardzo duża wynosi przeciętnie od 5 do 20% [7]. Ponadto najnowsze dyrektywy Unii Europejskiej dotyczące obowiązku spalania coraz większych ilości biogazu pochodzącego z wysypisk odpadów komunalnych, co otwiera nowe możliwości wykorzystania biogazu jako paliwa do zasilania silników spalinowych. Mając na uwadze powyższe przesłanki przeprowadzono badania symulacyjne wpływu zawartości dwutlenku węgla na parametry wyjściowe silnika ZI. Podczas badań dodawano do powietrza dolotowego dwutlenek węgla tak, że jego stężenie w mieszaninie paliwowo-powietrznej wynosiło od 0 do 12,5%. Odpowiada to zawartości CO 2 w biogazie od 0 do ok. 83%. Równie interesującym zagadnieniem jest zanieczyszczenie wodą paliw, których głównym składnikiem jest etanol.[8] Problem ten jest o tyle istotny, że etanol doskonale miesza się z wodą, a dodatkowo absorbuje on wodę z otoczenia. Mimo powszechności występowania tego zjawiska, w literaturze ciężko znaleźć szczegółowe informacje dotyczące wpływu obecności wody w tym paliwie na parametry wyjściowe silnika. 3. Wyniki badań Na podstawie przeprowadzonych badań zaobserwowano znaczny wpływ obecności wody w paliwie na sprawność silnika. Oczywistym jest fakt obniżenia wartości opałowej paliwa (w odniesieniu do jednostki masy paliwa oraz objętości) zanieczyszczonego wodą. Dlatego podczas badań obliczono wartość opałową [2] badanych paliw i dopiero tą wartość wykorzystano do obliczania sprawności silnika. Właściwości badanych paliw przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości badanych paliw. skład objętościowy wartość opałowa gęstość [kg/dm3] Benzyna etanol woda [MJ/kg] [MJ/dm3] 100,00% 0,00% 0,0% 42,00 28,14 0,670 50,00% 50,00% 0,0% 33,88 24,74 0,730 47,50% 47,50% 5,0% 31,60 23,50 0,744 25,00% 75,00% 0,0% 30,31 23,03 0,760 23,75% 71,25% 5,0% 28,34 21,88 0,772 22,50% 67,50% 10,0% 26,44 20,73 0,784 Sprawność ogólna silnika zasilanego paliwem 50% benzyna- 50% etanol bezwodny wyniosła 31,0%, natomiast gdy w paliwie zawartość wody wynosiła 5% objętości sprawność silnika spadła do wartości 22,5%. Po zmodyfikowaniu parametrów sterowania elektronicznego sterownika zarządzającego pracą silnika uzyskano wzrost sprawności ogólnej do wartości 27,0%. Korygowanym parametrem była dawka paliwa. Została ona skorygowana tak aby uzyskać współczynnik nadmiaru powietrza identyczny jak podczas pracy na paliwie bez zawartości wody. W przypadku braku korygowania dawki paliwa obecność wody spowodowała obniżenie sprawności silnika o wartość 8,5% (obniżenie o 27,4% w stosunku do pierwotnej wartośći). W przypadku gdy dawka paliwa została skorygowana 90

3 spadek sprawności silnika o wartość 4% (obniżenie o 12,9% w stosunku do pierwotnej wartości). Dodatkowo badany był wpływ zawartości CO 2 w mieszance paliwowo powietrznej na sprawność silnika. Zaobserwowano negatywny wpływ obecności CO 2. Wpływ ten był dużo większy niż wynikało by to ze spadku mocy silnika przez wypieranie przez CO 2 powietrza (w którym można spalać paliwo) i tym samym zwiększenie udziału strat mechanicznych w bilansie energetycznym silnika. Wiodącym aspektem spadku sprawności spowodowanym obecnością CO 2 jest spowolnienie kinetyki reakcji chemicznych podczas spalania mieszanki. Podczas badań mierzony był również poziom hałasu. Warto zauważyć, że korekcja parametrów sterowania nie przyniosła negatywnego skutku na aktywność wibroakustyczną badanego silnika. Co prawda na wykresie (Rys. 2) widać że poziom hałasu po korekcji parametrów sterowania jest wyższy niż bez korekcji, ale w dalszym ciągu pozostaje niższy niż w przypadku pracy silnika zasilanego paliwem bez dodatku wody. Na uwagę zasługuje również fakt, że różnica poziomu hałasu między pracą silnika bez korekcji i z korekcją dawki paliwa wynosi ok. 1dB. Z paliwem o zawartości 50% benzyny i 50% etanolu bezwodnego trudno jest wymieszać więcej niż 5% wody (Rys. 2) nawet przy takiej zawartości wody mieszanina nie jest w pełni klarowna, zwiększenie zawartości wody powoduje rozwarstwienie się mieszaniny. Dlatego kolejne badania przeprowadzona dla paliwa o zawartości 25% benzyny i 75% (Rys. 3) etanolu bezwodnego. Sprawność ogólna silnika zasilanego paliwem 25% benzyna- 75% etanol bezwodny wyniosła 31,9%, podczas gdy w paliwie zawartość wody wynosiła 5% objętości sprawność silnika spadła do wartości 26,1%, a gdy przy zawartości wody w paliwie 10%. Rys. 2. Wpływ obecności wody w mieszance 50/50 bioetanol - benzyna na aktywność wibroakustyczną silnika 91

4 Rys. 3. Wpływ obecności wody w mieszance 75/25 bioetanol - benzyna na poziom hałasu silnika Po zmodyfikowaniu parametrów sterowania elektronicznego (Rys. 4 i 5) sterownika zarządzającego pracą silnika uzyskano wzrost sprawności ogólnej do wartości 29,6% dla paliwa o zawartości wody 5%, i 31,3% w przypadku paliwa o zawartości 10% wody. Rys. 4. Wpływ obecności wody w mieszance 50/50 bioetanol - benzyna na sprawność silnika 92

5 Rys. 5. Wpływ obecności wody w mieszance 75/25 bioetanol benzyna na sprawność silnika. Tak jak poprzednio, korygowanym parametrem była dawka paliwa i została ona skorygowana tak aby uzyskać współczynnik nadmiaru powietrza identyczny jak podczas pracy na paliwie bez zawartości wody. Podobnie jak w poprzednim cyklu badań sprawdzono wpływ zawartości CO 2 na sprawność silnika i uzyskano bardzo podobne rezultaty. Co ciekawe przy zawartości wody 10% dzięki korekcji parametrów sterowania udało się uzyskać sprawność silnika bardzo bliską sprawności silnika zasilanego paliwem bez dodatku wody obniżenie sprawności z 31,9% do 31,3%. W przypadku gdy w paliwie zawartość wody wynosiła 5% zaobserwowano niższą sprawność silnika, nawet pomimo korekcji dawki paliwa. Również w tym przypadku nie zaobserwowano negatywnego wpływu korekcji parametrów sterowania na poziom hałasu silnika. Podczas badań prowadzone były również pomiary temperatury gazów wylotowych z silnika. Badania były prowadzone przy użyciu różnych paliw: czystej benzyny oraz omówionych mieszanin benzyny, etanolu i wody. Niezależnie od użytego paliwa zaobserwowano spadek sprawności silnika i przyrost temperatury gazów wylotowych podczas zwiększania ilości CO 2 w mieszance paliwowo powietrznej. 93

6 Rys. 6. Wpływ zawartości CO2 na sprawność silnika Wzrost temperatury gazów wylotowych (Rys. 6) związany ze zwiększaniem ilości CO 2 potwierdza teorię o spowolnieniu kinetyki reakcji chemicznych spalania. Dlatego też podjęto próbę ograniczenia negatywnych skutków obecności dwutlenku węgla w mieszance paliwowo powietrznej poprzez korekcję parametrów sterowania. Tym razem modyfikowanym parametrem był kąt wyprzedzenia zapłonu. Przeprowadzono szereg badań dla różnych zawartości CO 2 i różnych korekt kąta wyprzedzenia zapłonu. Wyniki optymalnych wartości korekcyjnych dla zawartości dwutlenku węgla 0%, 4,2%, 8,3% i 12,5% wyniosły odpowiednio 0, 4, 8, 11 stopni obrotu wału korbowego. Na podstawie przeprowadzonych badań widać że istnieje możliwość ograniczenia w znacznym stopniu negatywnego wpływu obecności CO 2 w mieszance zasilającej silnik (Rys. 7 i 8). 94

7 Rys. 7. Sprawność silnika w zależności od ilości CO 2 w mieszance Przyrost sprawności silnika spowodowany korekcją parametrów sterowania Rys. 8. Sprawność silnika w zależności od ilości CO 2 w mieszance 8. Podsumowanie Przytoczone w niniejszej pracy wyniki badań laboratoryjnych potwierdzają postawioną tezę o możliwej niwelacji negatywnego wpływu zanieczyszczeń zawartych w biopaliwach poprzez modyfikację parametrów sterownia silników ZI. Wykazano, że modyfikując w odpowiednim zakresie sterowanie kątem wyprzedzenia zapłonu wpływa korzystnie na sprawność silnika zasilanego paliwem zanieczyszczonym dwutlenkiem 95

8 węgla. Natomiast modyfikowanie dawki paliwa wpływa korzystnie na sprawność silników zasilanych biopaliwami zanieczyszczonymi wodą. Literatura: [1] Tomasz Mydłowski, Krzysztof Biskup, Marcin Jasiński: Wykorzystanie urządzenia ECUMaster EMU do sterowania silników o ZI. ZN IP 5/86/2011 [2] Szargut J.:,Termodynamika techniczna., PWN, Warszawa [3] Kotlicki T., Pawlik M: Innowacyjne technologie węglowe dla ograniczenia emisji CO 2, Rynek Energii nr 3/2011. [4] Marlena Owczuk, Anna Matuszewska, Stanisław W. Kruczyński: Ocena wpływu wybranych surowców pochodzenia rolniczego na skład chemiczny i uzysk biogazu, ZN IP 1(97)/2014 [5] Artur Małecki, Tomasz Mydłowski, Jacek Dybała: Stanowisko hamowniane do badań silników spalinowych o małych mocach, ZN IP 5(96)/2013 [6] Rychter Tadeusz, Teodorczyk Andrzej: Teoria silników tłokowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ, Warszawa 2011r. [7] A.C. Van Blarigan, R. Seiser, J.Y. Chen, R. Cattolica, R.W. Dibble: Working fluid composition effects on methane oxycombustion in an SI-engine: EGR vs. CO 2, Proceedings of the Combustion Institute, Volume 34, Issue 2, Pages , 2013 [8] Fikret Yüksel, Bedri Yüksel: The use of ethanol gasoline blend as a fuel in an SI engine, Renewable Energy, Volume 29, Issue 7, Pages , June 2004 Streszczenie W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań wpływu zanieczyszczeń biopaliw takich jak CO 2 i H 2 O na sprawność silnika ZI. Wykazano, że obecność wody w paliwach o dużej zawartości etanolu ma pomijalnie mały wpływ na sprawność silnika. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę o większym zużyciu jednostkowym zanieczyszczonego paliwa, z uwagi na jego mniejszą wartość opałową (obecna w paliwie woda ma wartość opałową równą zero). Potwierdzono również fakt wielokrotnie opisywanego w literaturze negatywnego wpływu obecności dwutlenku węgla w biogazie na sprawność silnika. Ponadto zbadano możliwości zredukowania negatywnego wpływu zawartości CO 2 poprzez zmianę parametrów sterowania pracą silnika. Otrzymane wyniki świadczą o dużych możliwościach zwiększania sprawności silników ZI zasilanych biogazem. Słowa kluczowe: biogaz, bio-paliwa, zanieczyszczenie paliw, hamownia silnikowa, badania stanowiskowe silników RESEARCH ON THE IMPACT OF BIOFUELS POLLUTANTS ON THE SI ENGINE EFFICIENCY Abstract In this paper there are presented the results of research on the impact of biofuels pollutants such as CO 2 and H 2 O on the SI engine efficiency. It has been shown that the presence of water in the fuel with a high ethanol content has negligible effect on the performance of the engine. One must be aware of the greater specific fuel consumption of contaminated fuel, due to its lower calorific value (water present in the fuel has a 96

9 calorific value of zero). It has been confirmed that the presence of carbon dioxide in the biogas has the negative impact on the efficiency of the engine. The study also examines the possibility of reducing the negative impact of the CO 2 content by changing the parameters of motor control. The obtained results indicate great opportunities of increasing the efficiency of SI engines fueled by biogas. Keywords: biogas, bio-fuels, fuel contamination, Engine dynamometer 97