THE EFFECT OF WATER ADDITION IN EMULSION FUEL ON NITRIC OXIDES CONCENTRATION IN DIESEL ENGINE EXHAUSTS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 16, No THE EFFECT OF WATER ADDITION IN EMULSION FUEL ON NITRIC OXIDES CONCENTRATION IN DIESEL ENGINE EXHAUSTS Czes aw Kolanek, Marek Ku a y ski, Zbigniew Sroka, Wojciech Walkowiak Politechnika Wroc awska Wybrze e Wyspia skiego 27, Wroc aw, Poland tel.: , fax: czeslaw.kolanek@pwr.wroc.pl Abstract Nitric oxides (NO x ) concentration in exhaust gases of self-ignition engine is a result of air usage for hydrocarbon fuel compounds oxidation in combustion process. The methods of limitation of NO x concentration based on adjusting optimization of injection advance angle and they are responsible for aim conflict in exhaust smokiness sphere. The progressive expectation of European Union, defined by Euro V and still discussable Euro VI implementation, caused a necessary of reaching for solutions apart from an engine like exhaust gas recirculation (EGR), selective catalytic reduction (SCR) and diesel particle filters DPF. The method of water addition (especially the most effective in water-fuel emulsion form) to combustion process has been known since years. This paper presents the results of the researches which aim was to investigate nitric oxides concentration in exhausts of one-cylinder self-ignition engine (type S301D) fueled 10%, 20%, 30% water-emulsion fuel. Using of emulsion cut down emission nitric oxides (NOx), carbon monoxide and smoking of an engine with relation to fuelled with diesel oil. Using of the fuel containing 20% H2O cut down emission NO approx. 61%, emission NOx approx.67%, carbon monoxide approx. 20% with relation to fuelled with diesel oil. Keywords: combustion engines, fuel, water-emulsion, nitric oxides WP YW DODATKU WODY W PALIWIE EMULSYJNYM NA ST ENIE TLENKÓW AZOTU W SPALINACH SILNIKA O ZAP ONIE SAMOCZYNNYM Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki bada wp ywu zasilania silnika o zap onie samoczynnym (typu S301D) paliwem emulsyjnym, zawieraj cym 10, 20 i 30% wody. Obserwowano st enia tlenku azotu i tlenków azotu, tlenku w gla oraz dymienie silnika. W celu porównania efektów wyznaczono emisje jednostkowe poszczególnych wielko ci i odniesiono je do takich wielko ci wyznaczonych dla handlowego oleju nap dowego. W przypadku NO x i CO zaobserwowano ekstremum efektu dla zawarto ci 20% wody; w przypadku dymienia silnika maksymalny efekt odpowiada maksymalnemu udzia owi wody w paliwie. U ycie paliwa emulsyjnego obni a emisj tlenków azotu (NO x ), tlenku w gla (CO) i dymienie silnika (S) w stosunku do zasilania olejem nap dowym. W obszarze tlenku azotu (NO) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O spowodowa o obni enie emisji NO do poziomu 61% w stosunku do zasilania olejem nap dowym. W obszarze tlenku w gla (CO) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O obni a emisj do poziomu 20% w stosunku do zasilania silnika olejem nap dowym W obszarze tlenków azotu (NO x ) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O obni y o emisj NO x do poziomu 67% w stosunku do zasilania olejem nap dowym. S owa kluczowe: silnik spalinowy, paliwo, emulsja wodna, tlenki azotu 1. Wst p Spalanie paliw jest i b dzie w najbli szej przysz o ci podstawowym sposobem pozyskiwania energii, mi dzy innymi dla jednostek nap dowych rodków transportu. Transport jest przyczyn wielu zagro e dla rodowiska naturalnego emituje py y i cz stki sta e wraz z wieloma gazowymi

2 Cz. Kolanek, M. Ku a y ski, Z. Sroka, W. Walkowiak substancjami szkodliwymi oraz ha as i drgania. ród ami nap du stosowanymi w transporcie s prawie wy cznie t okowe silniki spalinowe, w ród których dominuj silniki o zap onie samoczynnym. Wobec znanych zalet tych silników takich jak wysoka, dochodz ca do 45%, sprawno (w wolnoobrotowych do adowanych silnikach okr towych nawet oko o 60%) oraz stosunkowo niska emisja zwi zków toksycznych w spalinach, zosta y one zaakceptowane jako najbardziej korzystne ród o nap du pojazdów samochodowych w najbli szych dziesi cioleciach, przy za o eniu, e spe ni wymagania przysz ych uregulowa prawnych dotycz cych ochrony rodowiska [12]. Jednym z kierunków ograniczania szkodliwego oddzia ywania silnika spalinowego na rodowisko s poszukiwania w obszarze bezpo redniego oddzia ywania na proces spalania przez zastosowanie paliw alternatywnych. Ekologicznym problemem do rozwi zania w silnikach spalinowych jest emisja tlenków azotu (oznaczana symbolem NO x ). Spo ród wielu ró nych metod ograniczania powstawania i emisji NO x upowszechniana jest metoda selektywnej redukcji katalitycznej (SCR). Metoda ta wymaga specjalnej instalacji z katalizatorem oraz zbiornika na klinicznie czysty rodek redukcyjny. W aspekcie kszta tuj cych si opinii o potrzebie ograniczania dodatkowych instalacji i mediów, interesuj cym rozwi zaniem wydaje si zasilanie silnika paliwem emulsyjnym [1-5, 7-11, 13, 14, 18, 20-26]. Rozpylone w wyniku procesu wtrysku cz steczki paliwa emulsyjnego zawieraj pewn ilo kropel wody w ob oku paliwa. W wysokich temperaturach, jakie panuj w cylindrze silnika podczas spalania, cz steczka taka ulega przegrzaniu i zmienia si jej sk ad. Na skutek ró nicy temperatur wrzenia cz paliwowa kropli pozostaje pocz tkowo w stanie p ynnym, podczas gdy drugi jej sk adnik: woda, przechodzi w stan pary. Przy dalszym ogrzewaniu cz steczka taka ulega rozpyleniu na drobniejsze krople w wyniku tzw. mikrowybuchów. Zjawisko to wp ywa bardzo korzystnie na proces wymieszania paliwa z powietrzem [6]. Spalanie jest bli sze zupe nemu, poniewa zawarto du ej ilo ci pary wodnej w komorze spalania (w sytuacji wzgl dnego niedoboru tlenu) sprzyja krakingowi paliwa i gazyfikacji wydzielonego w gla, dzi ki czemu zmniejsza si ilo cz stek sadzy. Poza tym woda jako balast obni a temperatur w komorze spalania, co powoduje redukcj zawarto ci tlenków azotu w spalinach [6]. 2. Metodyka bada Badania przeprowadzano na silnikowym stanowisk badawczym. W celu uzyskania mo liwo ci bezpo redniego porównania warto ci mierzonych wielko ci, badania prowadzono metod charakterystyk obci eniowych silnika dla wybranych, takich samych warto ci pr dko ci obrotowej wa u korbowego i stanu obci enia, oczywi cie poza obszarem charakterystyk biegu ja owego oraz zewn trznej, b d cych przebiegami spontanicznych odpowiedzi obiektu na zastosowane paliwa. U yte paliwa to handlowy olej nap dowy (oznaczenie ON) oraz paliwa zawieraj ce ON i 10%, 20% lub 30% wody (oznaczenie 10% H 2 O, 20% H 2 O, 30% H 2 O). 3. Stanowisko badawcze Badania przeprowadzano na silnikowym stanowisku badawczym sk adaj cym si z jednocylindrowego silnika o zap onie samoczynnym typu S301D oraz hydraulicznego hamulca obci eniowego typu HWZ1, wyposa onego w tensometryczny przetwornik si y oraz sprz t i aparatur pomiarow o danych technicznych zamieszczonych poni ej. Silnik S301D - moc nominalna N e = 5,2 kw, - przy pr dko ci obrotowej wa u korbowego n = 2000 obr/min, - liczba cylindrów 1, - obj to skokowa V s = 0,567 dm 3, 228

3 The Effect of Water Addition in Emulsion Fuel on Nitric Oxides Concentration in Diesel Engine Exhausts - rednica cylindra D = 85 mm, - skok t oka S = 100 mm, - masa m = 105 kg, - pompa wtr. P21 E4a-6.13, - rozpylacz AD1Z1042, - producent Wytwórnia Silników Wysokopr nych Andoria Andrychów. 4. Wyniki bada i ich analiza Wyniki bada stanu wyj ciowego silnika (zasilanego ON) przedstawiono na wykresach (Rys. 1-5). Rys. 1-4 prezentuj przebiegi warto ci wska ników pracy silnika dla charakterystyki zewn trznej a na Rys. 5. przedstawiono charakterystyk uniwersaln st enia tlenków azotu NO x. Rys. 1. Przebiegi mocy (Ne), momentu obrotowego (Mo) i redniego ci nienia u ytecznego (pe) dla charakterystyki zewn trznej silnika zasilanego olejem nap dowym (ON) Fig. 1. Engine power (Ne), torque moment (Mo) and mean effective pressure (pe) for diesel fuel (ON) fuelled engine in function of engine speed (n) Ze wzgl du na fakt wielko ci i nieokre lonego przeznaczenia u ytego silnika badawczego, do analizy wykorzystano zmodyfikowany cykl badawczy typu B uniwersalny [17]. Zasady modyfikacji i wyznaczania emisji jednostkowych przedstawiono w [9]. Efekty zasilania silnika paliwem handlowym i paliwami emulsyjnymi o zawarto ci 10%, 20% i 30% wody przeliczono na tzw. emisje jednostkowe dla tlenku azotu (NO), tlenków azotu (NO x ), tlenku w gla (CO) oraz dymienia silnika (S). Dla oceny wp ywu wody na sygnalizowane wska niki, w tabeli 1 przedstawiono warto ci wzgl dne (odniesione do emisji jednostkowych dla ON) emisji jednostkowych dla emulsyjnych paliw badawczych. Rys. 2. Przebiegi godzinowego (Ge) i jednostkowego (ge) zu ycia paliwa dla charakterystyki zewn trznej silnika zasilanego olejem nap dowym (ON) Fig. 2. Fuel consumption (Ge) and specific fuel consumption (ge) for diesel fuel (ON) fuelled engine in function of engine speed (n) 229

4 Cz. Kolanek, M. Ku a y ski, Z. Sroka, W. Walkowiak ON Rys. 3. Przebiegi st enia tlenku azotu (NO) i tlenków azotu (NOx) dla charakterystyki zewn trznej silnika zasilanego olejem nap dowym (ON) Fig. 3. The NO and NOx concentration in exhaust gases for diesel fuel (ON) fuelled engine in function of engine speed (n) ON Rys. 4. Przebiegi st enia tlenku w gla (CO) i dymienia silnika (S) dla charakterystyki zewn trznej silnika zasilanego olejem nap dowym (ON) Fig. 4. The concentration of CO and Filter Smoke Number (S) in exhaust gases for diesel fuel (ON) fuelled engine in function of engine speed (n) Uprawnion, bo znormalizowan procedur analizy porównawczej wyników bada s cykle badawcze, pozwalaj ce wyznaczy tzw. emisj jednostkow wybranego sk adnika spalin [15, 16]. Tab. 1. Warto ci wzgl dne emisji jednostkowych dla paliw badawczych, odniesione do emisji jednostkowych dla ON Tab. 1. NO, NO x, CO and Smoke specific emissions for investigated emulsion fuel wska nik paliwo NO/NO(ON) NO x /NO x (ON) CO/CO(ON) S/S(ON) 10% H 2 O 0,79 0,91 0,28 0,75 20% H 2 O 0,61 0,67 0,20 0,53 30% H 2 O 0,65 0,78 0,26 0,51 Z analizy danych w Tab. 1 wida, e u ycie paliwa emulsyjnego obni a emisje obserwowanych wska ników w stosunku do sytuacji zasilania silnika handlowym olejem nap dowym. W przypadku tlenków azotu i tlenku w gla wyst puje maksimum zmian dla paliwa badawczego zawieraj cego 20% wody w przypadku dymienia silnika maksymalny efekt odpowiada maksymalnemu udzia owi wody w paliwie. 5. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych bada i analizy ich wyników mo na postawi nast puj ce wnioski: 1. U ycie paliwa emulsyjnego obni a emisj tlenków azotu (NO x ), tlenku w gla (CO) i dymienie silnika (S) w stosunku do zasilania olejem nap dowym. 230

5 The Effect of Water Addition in Emulsion Fuel on Nitric Oxides Concentration in Diesel Engine Exhausts 2. W obszarze tlenku azotu (NO) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O spowodowa o obni enie emisji NO do poziomu 61% w stosunku do zasilania olejem nap dowym. 3. W obszarze tlenków azotu (NO x ) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O obni y o emisj NO x do poziomu 67% w stosunku do zasilania olejem nap dowym. 4. W obszarze tlenku w gla (CO) u ycie paliwa zawieraj cego 20% H 2 O obni a emisj do poziomu 20% w stosunku do zasilania silnika olejem nap dowym S301D/ON/NOx pe, MPa n, 1/min Rys. 5. Charakterystyka ogólna st e tlenków azotu (NO x, ppm) dla silnika zasilanego olejem nap dowym (ON) Fig. 5. The NO x concentration in exhaust gases for diesel fuel (ON) fuelled engine in function of engine speed (n) and mean effective pressure (pe) 5. W obszarze dymienia silnika najwi kszy efekt powoduje u ycie paliwa zawieraj cego 30% H 2 O, obni aj c emisj do poziomu 51% w stosunku do zasilania silnika olejem nap dowym. 6. U ycie paliw emulsyjnych, z oczywistych powodów powoduje obni enia warto ci opa owej paliwa a przez to, ekstremalnych parametrów pracy silnika. Literatura [1] Bemert, L., Strey, R., Diesel-Mikroemulsionen als alternativer Kraftstoff, 5, FAD Konferenz Herausforderung Abgasnachbehandlung fuer Dieselmotoren, Dresden [2] Born, C., Peters, N., Reduzierung der Russemssionen am DI-Dieselmotor durch zusaetzliche Einspritzung von Wasserstoffperoxid, MTZ 59, 6, [3] Ch opek, Z., Danilczyk, W., Kruczy ski, S., Ocena mo liwo ci zmniejszenia emisji tlenków azotu przez dodatek wody do uk adu zasilania silnika o zap onie samoczynnym, Zeszyty Instytutu Pojazdów 3, Warszawa [4] Heider, G., Rechnenmodell zur Vorausrechnung der NO-Emission von Dieselmotoren, 231

6 Cz. Kolanek, M. Ku a y ski, Z. Sroka, W. Walkowiak Disertation der TU Muenchen [5] Huen, W., Russbildung bei der dieselmotorischen Verbrennung und Moeglichkeiten ihrer Verminderung, MTZ 3, [6] Jakubowski, J., Silniki samochodowe zasilane paliwami zast pczymi. Warszawa, Wydawnictwa Komunikacji i czno ci [7] Kolanek, C., Ku a y ski, M., Kempi ska, M., Examination of the effects of water presece in Fuel on toxicity indices of a cxompression-ignitonengine, Journal of KONES, European Science Society of Powertrain and Transport Publication, Warsaw [8] Kolanek, C., Ograniczenie emisji NO x z silników o zap onie samoczynnym przez wprowadzenie wody do procesu spalania, Ochrona rodowiska, Wyd. Oddzia u Dolno l skiego PZTIS, 1(64), [9] Kolanek, C., Emulsyjne paliwo dla silnika o zap onie samoczynnym, oparte na nadtlenku wodoru, Politechnika Wroc awska, Raport S/104/2007 z realizacji projektu badawczego PB 4T12D [10] Kolanek, C., Sroka, Z. J., Walkowiak, W. W., Exhaust gas toxicity problems in ship drives, Polish Maritime Research [11] Kruczy ski, S., Danilczyk, W., Ch opek, Z., Ultrad wi kowe rozpylanie cieczy w silnikach spalinowych, Zeszyty Instytutu Pojazdów 4(26), [12] Kruczy ski, S. W., Wybrane metody ograniczania emisji tlenków azotu w silnikach o zap onie samoczynnym, Studia i rozprawy SIMR, Warszawa-Radom [13] Piaseczny, L., Zadr g, R., Wp yw zasilania emulsj paliwowo-wodn na dymienie okr towego silnika spalinowego, Journal of KONES Internal Combustion Engines, Vol. 10, 3-4, [14] Piaseczny, L., Zadr g, R., Badania wp ywu dostarczania wody do cylindra na wska niki procesu spalania i toksyczno ci silnika ZS, Silniki spalinowe, Nr 3, 122, [15] PN-EN ISO : Silniki spalinowe t okowe - Pomiar emisji spalin - Pomiar emisji sk adników gazowych i cz stek sta ych na stanowisku badawczym, [16] PN-EN ISO : Silniki spalinowe t okowe - Pomiar emisji spalin - Pomiar emisji sk adników gazowych i cz stek sta ych w miejscu zainstalowania, [17] PN-EN ISO : Silniki spalinowe t okowe - Pomiar emisji spalin - Cykle badawcze silników o ró nym zastosowaniu, [18] Pucher, H., Netzel, H. O., NO x -Senkung bei Gasmotoren durch Saugrohr-Wassereinspritzung, MTZ 45, Nr. 1, [19] Rauscher, M., Remmels, W., Schoenfeld, D., Einfluss der geschichteten Einspritzung auf die Stickoxidemission, MTZ 57, Nr. 2, [20] Riom, E., Larson, L. O., Hagstroem, U., Verminderung des NO x -Ausstosses von Dieselmotoren mit dem Humid Air Motor-Prinzip, MTZ 63, Nr. 5, [21] Sowa, K., Wprowadzenie do bada zasilania silników Diesla emulsj paliwowo-wodn, Journal of KONES Internal Combustion Engines, Vol. 12, 3-4, [22] Takasaki, K., Verbesserung der Verbrennung im Dieselmotor durch geschitete Wassereinspritzung, MTZ 59, Nr. 4, [23] Tschalamoff, T., Lass, U., Janicke, D., Direkte Wassereinspritzung im mittelschnelllaufenden Gasmotor, MTZ 68, Nr. 11, [24] Ustawa z dnia 25 sierpnia 2006 r. O biokomponentach i biopaliwach ciek ych. [25] Velji, A., Eichel, E., Remmels, W., Haug, F., Dieselmotoren erfuellen mit Wassereinspritzung zukuenftige NO x und Russgrenzwerte, MTZ 57, Nr. 7/8, [26] Wachter, W., Untersuchungen zum Emissions-verhalten von Nutzfahrzeug-Diselmotoren, Forschritt-Berichte VDI Reihe 12, Nr [27] Zab ocki, M., Wtrysk i spalanie paliwa w silnikach wysokopr nych, WK, Warszawa