Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego mchp

Transkrypt

1 Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego do zastosowań w układzie mchp G. Przybyła, A. Szlęk Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Techniki Cieplnej gprzybyla@polsl.pl

2 Zastosowanie gazów niskokalorycznych w silnikach ZI Przeprowadzone badania pozwolą odpowiedzieć na pytanie: Jak kształtują się wartości energetycznych oraz ekologicznych wskaźników pracy silnika spalinowego ZI (typowo zasilanego paliwem wysokokalorycznym) zasilanego gazem niskokalorycznym bez modyfikacji komory spalania, - dla zmiennej wartości opałowej mieszanki gazowej, - w zakresie spalania mieszanek ubogich (stosunek nadmiaru powietrza λ>1 lub stosunek równoważności φ<1) Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 2

3 Paliwa gazowe do silników spalinowych - wiadomości ogólne LCV gas rodzaj gazu lub mieszaniny gazów, którego wartość opałowa wynosi poniżej 30 MJ/Nm 3. Typowo gazowe silniki spalinowe zasilane są paliwem o wartości opałowej ok. 35 MJ/Nm 3 (gaz ziemny) lub więcej. LHV, MJ/Nm Biogas 21.5 Natural gas 35.3 Producer gas 6.2 Propane Butane Hydrogen 10.8 Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 3

4 Liczba metanowa - wiadomości ogólne Liczba metanowa - wartość procentowa objętościowego udziału metanu w mieszaninie z wodorem, która odpowiada występowaniu spalania stukowego w silniku testowym zasilanym badana mieszaniną gazów. Methane Number, MN Biogas Natural gas Producer gas Ethane Propane Butane Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 4

5 Charakterystyka wybranych paliw gazowych - wiadomości ogólne Przydatność paliwa gazowego do zasilania silnika spalinowego można scharakteryzować na podstawie kształtowania się jego podstawowych własności. Gas LHV, MJ/Nm 3 e d,v MJ/dm 3 Flammability Limits (equivalence ratio) Lower Higher Natural Gas Biogas Producer gas* gas composition CO 24 %, H 2 23 %, 9 %, CH4 2 %, N 2 42 %. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 5

6 Spalanie gazów niskokalorycznych napełnianie silnika mieszanką gazowo - powietrzną V a, V g, V ch, dm 3 /cycle Sample calculations were done for stoichiometric mixture (λ = 1). The same value of engine power and efficiency were chosen for all fuels. Honda GX270 G A CH G A CH Biogas Natural gas Producer gas Hydrogen G A CH engine capacity G A CH Where: G fuel, A air, CH air gas mixture Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 6

7 Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Podczas eksperymentu silnik spalinowy zasilano mieszanką symulującą skład gazu ze zgazowania biomasy. Zakres zmian wartości opałowej w trakcie badań 7.5 M0 CO = 44 H 2 = 17.4 N 2 = % decreasing of LHV M8 CO = 17.4 H 2 = 6.9 N 2 = 75.7 LHV, MJ/Nm M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Mixture index Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 7

8 Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Badania przeprowadzono w zakresie mieszanek stechiometrycznych przy stałej prędkości obrotowej silnika spalinowego, wynoszącej r o = 3000 obr / min. Ciśnienie w kolektorze dolotowym silnika spalinowego było utrzymywane na stałym poziome w celu zapewnienia takich samych warunków napełniania dla każdego punktu pomiarowego. Kąt wyprzedzenia zapłonu utrzymywano na stałym poziomie (30 o OWK przed GZP) jako wartość optymalna określona dla składu wyjściowego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 8

9 Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI 0.26 M8 M0 Indicated efficiency η i, LCV gas LHV = var, λ = 1, α z = 30 deg LHV, MJ/Nm 3 Wpływ wartości opałowej gazu na sprawność wewnętrzną silnika Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 9

10 Spalanie mieszanek ubogich - wiadomości ogólne Spalanie mieszanek ubogich (λ>>1) w silnikach spalinowych przynosi wymierna korzyści, do których można zaliczyć wzrost sprawności oraz ograniczenie emisji niektórych składników spalin. 19 λ>1 T max p dq sc p, bar CA, deg Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 10

11 Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Komora wstępna by Wartsila, Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 11

12 Energia chemiczna mieszanki - parametry mieszanki paliwowo-powietrznej ed,v, kj/dm LCVa CO = 0.24 = 0.09 H 2 = 0.23 = 0.02 N 2 = 0.42 Gas composition LCVb CO = 0.27 = 0.08 H 2 = 0.1 = 0.02 N 2 = 0.53 Typical lean mixtures range Bio60 = 0.39 = 0.6 N 2 = 0.01 CO H2 CH4 Bio60 LCVa LCVb e dv ~24% e dv ~10% e dv ~3% Air excess ratio λ Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 12

13 Analiza teoretyczna zasilania silnika mieszankami ubogimi - Sprawność teoretycznego obiegu Otto Bio60 =60% =40% LCVb CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% LCVa CO=24% =9% =2% H 2 =23% N 2 =42% Sprawność obiegu, η CH4 LCVa H2 LCVb Bio60 CO Stosunek nadmiaru powietrza do spalania, λ Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 13

14 Badania silnika spalinowego ZI Stanowisko badawcze Silnik spalinowy ZI Liczba cylindrów, z = 3, Stopień kompresji, ε = 9.3, Objętość skokowa, V ss = 796 dm 3 Zestaw mieszanek gazowych Rotametry Silnik spalinowy Maszyna elektryczna System sterowania silnikiem spalinowym Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 14

15 Wyniki badań - sprawność wewnętrzna Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% Indicated efficiency ηi, % r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 15

16 Wyniki badań - jednostkowa praca wewnętrzna (średnie ciśnienie indykowane) Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% IMEP, bar excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 16

17 Wyniki badań - Emisja CO Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 34.4 =40% Producer gas CO=25% =13% eco, g/kwhi =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 17

18 Wyniki badań - Emisja HC Natural gas GZ-50 Biogas =60% Parametry regulacyjne r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% ehc, g/kwhi H 2 =12.5% N 2 =47% excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 18

19 Wyniki badań - Emisja NOx Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% enox, g/kwhi r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT 1.11 Natural gas Biogas Producer gas excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 19

20 Wyniki badań - powtarzalność pracy w kolejnych cyklach roboczych Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 2.92 Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% COVli, % N 2 =47% excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 20

21 Podsumowanie Silnik o zapłonie iskrowym (ZI), który standardowo stanowi napęd pojazdu samochodowego (i typowo jest zasilany benzyną Pb95), po niewielkich modyfikacjach może zostać wykorzystany w układzie mchp, spalającym paliwo gazowe. Spalanie mieszanek ubogich (λ>1) może przynieść wymierne korzyści: - wzrost sprawności energetycznej układu, - utrzymanie sprawności energetycznej na wysokim poziome nawet podczas pracy przy obciążeniach częściowych, - ograniczenie emisji NOx bez konieczności stosowania konwertera trójfunkcyjnego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 21

22 Podsumowanie Spalanie konkretnego paliwa gazowego wiąże się z koniecznością optymalizacji parametrów regulacyjnych silnika w odniesieniu do kryterium ekologicznego i energetycznego. Ze względu na różną wartość liczby metanowej MN, badanych paliw (gaz ziemny, biogaz, gaz ze zgazowania biomasy), korzystnym byłoby podniesienie wartości stopnia kompresji (sprężania) o ile zabieg ten będzie ekonomicznie uzasadniony. Wyższy stopień kompresji to możliwość podniesienia sprawności energetycznej oraz pracy z jednostki objętości silnika spalinowego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, Gliwice 22

23 Dziękuję za uwagę kontakt: 23