Marek Kuna-Broniowski 1, Piotr Makarski 2, Wiesław Piekarski 3, Izabela Kuna-Broniowska 4 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Poprawa ekonomiki użytkowania silników z samoczynnym zapłonem poprzez dodatek LPG Wstęp Problemy środowiskowe i niejasności związane z przyszłą dostępnością paliw kopalnych zmuszają do poszukiwania potencjalnych alternatywnych źródeł energii. Badania dotyczące dywersyfikacji źródeł energii obejmują również paliwa do silników spalinowych. Jednym z rozwiązań alternatywnych dla silników spalinowych jest koncepcja podwójnego paliwa''. Zakłada ona wykorzystanie zarówno konwencjonalnego oleju napędowego, jak i paliw gazowych. Niższe koszty eksploatacji poprzez wykorzystanie podwójnego paliwa w pracy silnika od dawna budziły zainteresowanie. Najwcześniejsze eksperymenty z systemem podwójnego paliwa były wykonywane przez Cave w 1929 roku oraz Helmore i Sokes w 1930 roku, w których wodór był wykorzystywany jako dodatkowe paliwo w silnikach wysokoprężnych. Efektem całkowitego spalenia wodoru było zmniejszenie o 20% ilości zużytego oleju napędowego [6]. Jednak w tamtym czasie, koncepcja silnika z zastosowaniem podwójnego paliwa nie została wykorzystana na rynku ze względu na jego złożoność mechaniczną i twardy bieg spowodowany przez samozapłon i stukanie przy stosunkowo niskich współczynnikach kompresji. W roku 1939, pierwszy komercyjny silnik dwupaliwowy, składający się z oleju napędowego i gazu miejskiego oraz ewentualnie innych rodzajów paliw gazowych, został wyprodukowany przez National Gas and Oil Engine Co., w Wielkiej Brytanii. Ten typ silnika był stosunkowo prosty w eksploatacji i pracował głównie w tych obszarach, w których wymagana była tania produkcja energii stacjonarnej. W czasie II wojny światowej naukowcy z Wielkiej Brytanii, Niemiec i Włoch zwrócili większą uwagę na możliwość zastosowania silników dwupaliwowych w obszarach cywilnych i wojskowych, ze względu na niedobór tradycyjnych paliw płynnych. Różne rodzaje paliw gazowych, takich jak gaz z gazyfikacji węgla, gaz ziemny lub metan pochodzący z fermentacji odpadów, były wykorzystywane jako dodatek do zasilania konwencjonalnych silników o zapłonie samoczynnym [11]. Po II wojnie światowej, ze względów ekonomicznych i środowiskowych, silniki na podwójne paliwo były dalej rozwijane i stosowane w bardzo szerokim zakresie, od stacjonarnego do produkcji energii elektrycznej, jak i do transportu morskiego i drogowego. Silniki spalinowe, poprzez zastosowanie odpowiedniej stosunkowo prostej modyfikacji, mogą efektywnie działać na paliwach gazowych. W silnikach tych, określanych jako silniki podwójnego spalania (ang. dual fuel engine) lub dwu-paliwowe, paliwo gazowe mieszane jest z powietrzem - albo bezpośrednio w kolektorze dolotowym powietrza, lub też we wtrysku bezpośrednio do cylindra. Otrzymana mieszanina po kompresji jest następnie zapalana przez wstrzykiwanie w tradycyjny sposób, małej ilości paliwa do silników wysokoprężnych (wtrysk pilotujący). Taki wtrysk dostarcza źródło zapłonu do rozprzestrzeniania się płomienia w obszarze gazowej mieszanki paliwa. Inaczej niż w silniku z zapłonem iskrowym, który wymaga odpowiednich i nieprzerwanych dostaw gazu, współczesne silniki podwójnego spalania z ZS są w stanie działać zamiennie albo z dodatkiem paliwa gazowego z zapłonem pilotażowym, lub też w całości na ciekłym paliwie jako standardowy silnik wysokoprężny. Przejście z jednego trybu pracy na drugi odbywa się płynnie i nie wymaga żadnej interwencji ze 1 Prof. dr hab. M. Kuna-Broniowski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Podstaw Techniki 2 Dr P. Makarski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Podstaw Techniki 3 Prof. Dr hab. W. Piekarski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Energetyki i Środków Transportu 4 Dr hab. I. Kuna-Broniowska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Zastosowań Matematyki i Informatyki Logistyka 5/2015 307
strony użytkownika. W związku z tym silnik dwupaliwowy zachowuje większość pozytywnych własności silnika na oleju napędowym [1]. A ponadto osiąga on lepsze parametry uzyskując większą moc i większą sprawność energetyczną. Odbywa się to bez znacznej emisji cząstek stałych i emisji NOx oraz bez zmniejszenia mocy i sprawności. Dodatkowo dzięki zmniejszeniu ciśnienia szczytowego cylindrów uzyskuje się cichszą pracę [10]. Procesy spalania w silniku wysokoprężnym dwupaliwowym i w konwencjonalnym silniku wysokoprężnym Proces spalania w silnikach wysokoprężnych pracujących na czystym płynnym paliwie napędowym, może być podzielony na cztery etapy, jak to pokazano na rysunku 1. Rys.1. Proces spalania na czystym płynnym paliwie napędowym Źródło: opracowano na postawie [3] Są to następujące fazy cyklu spalania: A- B: okres opóźnienia zapłonu; B-C: wstępne mieszanie (szybki wzrost ciśnienia) i spalanie; C-D: kontrolowane (normalne) spalanie; D-E: koniec spalania. Punkt A'' to początek wtrysku paliwa, natomiast punkt "B" wyznacza początek spalania. Natomiast procesy spalania w silnikach dwupaliwowych z wykorzystaniem paliwa gazowego jako drugiego czynnika energetycznego, w których zapłon inicjowany jest za pomocą wtrysku pilotującego, odbywać się będą w pięciu etapach, jak to pokazano na rysunku 2, są to: opóźnienie zapłonu pilotujacego (AB); pilotujące wstępnie wymieszane spalanie (BC); pierwotne opóźnienie zapłonu paliwa (CD); szybkie spalanie paliwa pierwotnego (DE); etap spalania dyfuzjnego (EF). Rys.2. Proces spalania z wykorzystaniem paliwa gazowego jako drugiego czynnika Źródło: opracowano na postawie [3] 308 Logistyka 5/2015
Opóźnienie zapłonu (AB), wtryskiwanego paliwa pilotowego trwa dłużej niż w konwencjonalnych procesach spalania obiegu Diesla. Jest to spowodowane zmniejszeniem stężenia tlenu wynikającym z zastąpienia części zasysanego powietrza przez paliwo gazowe. Wzrost ciśnienia (BC) jest umiarkowanie niski w porównaniu do spalania samego oleju napędowego. Jednakże wspomniane opóźnienie zapłonu jest krótkie w porównaniu do wstępnego opóźnienia zapłonu wywołanego pilotującym wtryskiem paliwa. Ciśnienie spada powoli, aż do momentu kiedy nastąpi zapłon gazu zawartego w powietrzu. Faza spalania (odcinek DE), jest bardzo niestabilna ponieważ rozpoczyna się ona wraz z propagacją płomienia, który został zainicjowany przez spontaniczny zapłon paliwa pilotującego. Zachodzący w tej fazie szybki wzrost ciśnienia nie stwarza trudności, ponieważ dokonuje się on przy zwiększającej się objętości przestrzeni spalania. Faza spalania dyfuzyjnego (odcinek EF) rozpoczyna się pod koniec szybkiego wzrostu ciśnienia i jest kontynuowana w trakcie suwu pracy tłoka. Jest ona związana z wolniejszym spalaniem paliwa gazowego i obecnością rozpuszczonych pozostałości paliwa z wtrysku pilotujacego. Niektóre mieszaniny gazowo-powietrzne mogą nie ulec spaleniu w tej fazie w związku ze zbyt słabą koncentracją tlenu, gaszeniem płomienia na ściankach cylindra lub nieszczelnościami. Sukces tej fazie zależy głównie od czasu trwania opóźnienia zapłonu. Badanie stanowiskowe Z przedstawionej wyżej analizy procesu spalania wynika, że dodawanie gazów palnych takich jak LPG do zasysanego powietrza nie powoduje niekorzystnych zmian w procesach termicznych i mechanicznych przebiegających w silniku ZS. Wielu autorów, na podstawie swoich badań koncentrujących się na składzie spalin w zasilaniu dwupaliwowym i ich wpływie na środowisko, wykazuje, że dodatki gazowe wpływają korzystnie na skład chemiczny spalin z punktu widzenia ich wpływu na środowisko [11], [2], [3]. A zatem dodawanie LPG do zasysanego powietrza nie powinno wywoływać negatywnych skutków zarówno dotyczących trwałości i jakości pracy silnika ZS, jak i jego oddziaływania na środowisko. W laboratorium Katedry Podstaw Techniki Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie, zbudowano specjalne stanowisko badawcze do analizy pracy silnika ZS zasilanego 2 paliwami - olejem napędowym oraz LPG. Dane techniczne urządzeń podano w tabeli 1, natomiast na rysunku 3 przedstawiono szlak stanowiska badawczego Tab. 1. Dane techniczne urządzeń stanowiska badawczego Silnik, model- KM186 Pojemność - średnica/ skok tłoka; Moc Prądnica - moc / napięcie znamionowe Obciążenie jednocylindrowy, 4-ro suwowy, chłodzony powietrzem, wysokoprężny 418 cm 3-86 x 72 mm ; P=11 KM (8,0 kw) 6,0 kw/ 230 V AC Rezystancyjne - Pmax = 6,6 kw Logistyka 5/2015 309
Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego Źródło: opracowanie własne Na opracowanym stanowisku pomiarowym przeprowadzono pomiary zarówno pracy silnika na czystym oleju napędowym, jak i z dodatkiem gazu LPG. Udział gazu LPG wynosił 30 %, przy ustalaniu tego udziału wzięto pod uwagę przypuszczenie, że zbyt wysoki udział gazu w paliwie może powodować przedwczesny zapłon oraz związane z tym stukanie [7] i [5]. Przechodzenie z pracy jedno paliwowej na dwu paliwową oraz w kierunku przeciwnym odbywało się w sposób płynny i bez zakłóceń w pracy silnika. Na rysunku 4 pokazano wpływ dodatku LPG do silnika ZS na sprawność termiczną silnika. Przeprowadzone pomiary wykazały, że dodatek LPG do spalania poprawia sprawność energetyczną silnika. Jest to szczególnie widoczne w zakresie wyższych prędkości obrotowych silnika ZS, w których czas suwu pracy tłoka jest już tak krótki, że część wytryskiwanego paliwa płynnego nie zdąży się w pełni spalić. Obecność LPG w powietrzu znajdującym się w cylindrze, ułatwia i umożliwia szybszy przebieg tych procesów. To korzystne zjawisko może się jednak stać w pewnych przypadkach przyczyną uszkodzeń silnika dwupaliwowego. Silnik taki łatwo może przekroczyć dopuszczalną prędkość obrotową, co z kolei doprowadzić może do jego uszkodzenia lub wyraźnego obniżenia trwałości. Rys. 4. Wpływ dodatku LPG na sprawność termiczną silnika Źródło: opracowanie własne Przeprowadzone obliczenia kosztów eksploatacji pojazdu wykonano dla ceny oleju napędowego wynoszącej 4,63 zł/l i ceny gazu LPG 1,92 zł/l. Dodawanie LPG do paliwa wyraźnie wpływało na obniżenie kosztów wytwarzania energii i co z tym związane obniża koszty eksploatacji pojazdu. Ta obniżka kosztów 310 Logistyka 5/2015
wiąże się z dwoma czynnikami. Pierwszy z nich, jak to wynika z wykresu na rysunku 5 spowodowany jest wzrostem sprawności silnika. Drugim czynnikiem i w tym wypadku istotniejszym, jest niższa cena nośnika energii jakim jest gaz LPG. Rys.5. Wpływ dodatku LPG na koszt energii uzyskiwanej z silnika Źródło: opracowanie własne Wnioski Stosowanie dodatków LPG jako drugiego paliwa w silniku Diesla przynosi wymierne i istotne korzyści ekonomiczne. Zaletą tej metody jest przede wszystkim to, że nie wymaga ona przeróbek silnika i w każdej chwili można przejść na czyste paliwo płynne. Zmiana rodzaju paliwa nie wymaga żadnej interwencji do strony użytkownika i może odbywać się płynnie w trakcie pracy silnika przy dowolnym obciążeniu i dowolnej prędkości obrotowej. Pewne niebezpieczeństwo stosowania tej metody paliwowej może pojawić się przy niepełnym obciążeniu silnika i zwiększaniu prędkości obrotowej. Polepszone warunki spalania powodują, że silnik dwupaliwowy łatwo osiąga wysoką prędkość obrotową co wymaga zwiększonej uwagi od użytkownika aby nie dopuścić do jego uszkodzenia. Streszczenie Silniki z samoczynnym zapłonem (ZS) charakteryzują się znaczną sprawnością przekształcania energii paliwa, na energię mechaniczną - stąd ich dominująca rola w transporcie towarowym i transporcie osobowym. Jednakże wysoka cena paliw stosowanych do ich napędu, skłania do poszukiwania nowych sposobów obniżenia kosztów eksploatacji. Jednym z takich sposobów jest dodawanie tańszych rodzajów paliw do zazwyczaj stosowanego oleju napędowego (ON). Dodatki te muszą być tak dobrane i stosowane aby nie wpływały niekorzystnie na pracę i trwałość silnika. Powinny być również łatwo adoptowane do silników będących już w eksploatacji. Stawiane wyżej wymagania spełnia dobrze dodatek LPG do paliwa. Z jednej strony jest on ponad 50% tańszy niż ON a z drugiej nie powoduje niekorzystnych efektów pracy silnika. W artykule przedstawiono korzyści ekonomiczne wynikające ze stosowania dodatku LPG w silnikach ZS, wynikające zarówno z niższych kosztów paliw gazowych jak i poprawy sprawności silnika. IMPROVE THE ECONOMICS OF THE DIESEL ENGINES BY ADDITION LPG Abstract Diesel motors are characterized by good energy efficiency conversion from fuel, to the mechanical energy-hence their dominant role in freight transport and passenger transport. However, the high price of fuels used for their propulsion, incline to look for new ways to reduce operating costs. One such way is adding lower-priced types of fuels to the usually used petrol. These additives must be chosen and applied so as not to affect the quality of work and life of the engine. Should also be easily adopted to the engines which are already in service. Given the above requirements meet well addition LPG to petrol. On the one hand, is Logistyka 5/2015 311
about 50% cheaper than petrol-and, on the other hand, does not cause any adverse effects to the operation of the engine. The paper shows the economic benefits arising from the use of the additive for LPG in diesel engines, the resulting lower costs with diesel fuels as well as improve the efficiency of the engine. Bibliografia [1] Badr O, Karim GA, Liu B.: An examination of the flame spread limits in a dual fuel engine. Applied Thermal Engineering 1999;19(10):1071 80. [2] Jian D, Xiaohong G, Gesheng L, Xintang Z.: Study on diesel LPG dual fuel engines. SAE Paper 2001 [2001-01-3679]. [3] Karim GA.: Combustion in gas fueled compression: ignition engines of the dual fuel type. J. Eng. Gas Turbines Power 2003;125(3):827 36. [4] Karim GA.: The dual fuel engine. In: Evans RL, editor. Automotive engine alternatives. New York: Plenum Press; 1987. [5] Karim GA, Liu Z.: A predictive model for knock in dual fuel engines. SAE Paper 1992 [921550]. [6] Lata D.B., Misra A.: Theoretical and experimental investigations on the performance of dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuels. Int. J. Hydrogen Energy 2010;35(21):11918 31. [7] Liu Z.: An examination of the combustion characteristics of compression ignition engines fuelled with gaseous fuels. Ph.D. thesis. Canada: University of Calgary, Department of Mechanical Engineering; 1995. [8] Nwafor OMI.: Combustion characteristics of dual-fuel diesel engine using pilot injection ignition. Institution of Engineers (India) Journal, April 2003; 84:22 5 [9] Thyagarajan V., Babu MKG. A combustion model for a dual fuel direct injection diesel engine, diagnostics and modelling of combustion in reciprocating engine. In: Proceedings of the Comodia symposium; 1985.p. 607. [10] Turner SH, Weaver CS. Dual fuel natural gas/diesel engines: technology, performance and emissions. Gas Research Institute Technical Report no. 94/ 0094; 1994. [11] Saleh H.,E.: Effect of variation in LPG composition on emissions and performance in a dual fuel diesel engine. Fuel 2008; 87(13 14):3031 9. 312 Logistyka 5/2015