AMBROZIK Tomasz 1 ŁAGOWSKI Piotr 1 Wpływ dodatku metanolu i etanolu do benzyny na stężenia szkodliwych składników spalin w silniku o zapłonie iskrowym WSTĘP Wyczerpywanie się paliw kopalnych i uwarunkowania środowiskowe doprowadziły do poszukiwania przez naukowców różnych paliw alternatywnych. Jednym z takich paliw mogą być alkohole. Alkohole niższego rzędu, tj. etanol i metanol wykorzystywane są jako paliwo lub jako dodatki do paliw. Etanol produkowany jest z cukrów, głównie z trzciny cukrowej i skrobi poprzez ich fermentację [8, 9]. W Polsce etanol produkuje się przede wszystkim z żyta. Metanol zaś może być wytworzony z węgla, biomasy lub gazu ziemnego. Alkohole wyższego rzędu, tj. propanol, butanol i pentanol stosowane są rzadko ze względu na ich wysoką cenę. Alkohole są atrakcyjnym substytutem dla paliwa pochodzenia węglowodorowego. Produkowane są one z odnawialnych źródeł energii. W artykułach [6, 10,11, 12] przedstawiono wyniki badań silnika o zapłonie iskrowym zasilanym alkoholem. Autorzy wykazali istotny wpływ etanolu na emisję szkodliwych składników spalin. Wykazano, że etanol może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych. Stosowanie mieszanki benzyny z etanolem powoduje zmniejszenie tlenku węgla. Inną zaletą stosowania alkoholi jako dodatku do paliw jest zwiększenie liczby oktanowej benzyny. Alkohole w swoim składzie zawierają większą ilość tlenu w porównaniu z benzyną, a zatem podnoszą jej właściwości utleniające. Brak jest w ich składzie siarki i fosforu. W wielu ośrodkach badawczo-naukowych prowadzone są badania tłokowego silnika spalinowego zasilanego alkoholami i ich mieszanin z benzyną ukierunkowane na wyznaczanie wskaźników energetyczno-ekonomicznych i ekologicznych [2, 3, 4, 5, 13]. W niniejszym artykule przedstawiono wpływ zastosowania etanolu i metanolu jako dodatku do handlowej benzyny Pb95 na stężenia szkodliwych składników spalin w nowoczesnym silniku Volkswagen 1.2 TSI. 1. OBIEKT BADAŃ I APARATURA KONTROLNO - POMIAROWA Obiektem badań był silnik o zapłonie iskrowym Volkswagen 1.2 TSI, który spełnia normę EURO 5. Silnik ten rozwija maksymalną moc 77 kw przy prędkości obrotowej wału korbowego 5000 obr/min oraz maksymalny moment obrotowy 175 N m w zakresie prędkości obrotowej wału korbowego od 1500 do 4100 obr/min [7]. Kadłub silnika wykonany jest ze stopu aluminium, natomiast tuleje cylindrowe z żeliwa szarego. W silniku znajduje się jeden wałek rozrządu napędzany łańcuchem. W układzie rozrządu zastosowano po dwa zawory na cylinder. Silnik wykonany jest z lekkich materiałów, tj. pokrywa napędu rozrządu wykonana jest z tworzywa sztucznego, zaś jego pokrywa dolna wykonana jest z magnezu. W silniku zastosowano układ zasilania z bezpośrednim wtryskiem paliwa, który umożliwia uzyskanie maksymalnego ciśnienia wtrysku rzędu 15 MPa. Pięciootworkowe wtryskiwacze sterowane elektromagnetycznie umożliwiają wtrysk trzech dawek paliwa na jeden cykl pracy silnika. W silniku zastosowano turbosprężarkę z chłodnicą powietrza, którą umieszczono w kolektorze dolotowym. Ciśnienie doładowania reguluje się przy użyciu sterowanego elektronicznie zaworu upustowego. Turbosprężarka i chłodnica powietrza posiadają indywidualny system chłodzenia, który wyposażony jest w pompę elektryczną. Natomiast silnik chłodzony jest innym systemem chłodzenia wyposażonym w pompę napędzaną mechanicznie od wału korbowego silnika. Zastosowanie dwóch 1 Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Machine Design, Department of Automotive Vehicles and Transportation; 25-314 Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Phone +48 342-43-32; tambrozik@tu.kielce.pl 17
obiegów chłodzenia pozwala na automatyczne chłodzenie turbosprężarki przy wyłączonym silniku. W układzie wydechowym znajduje się katalizator spalin i dwie sondy lambda. Dane techniczne badanego silnika przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Podstawowe dane techniczne silnika 1.2 TSI 77 kw [7] Parametr Układ cylindrów Liczba cylindrów, c Rodzaj wtrysku Rodzaj wtryskiwaczy Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania, Średnica cylindra, D Skok tłoka, S Pojemność skokowa silnika, Vss Moc nominalna silnika, Ne Prędkość obrotowa mocy nominalnej, nn Maksymalny moment obrotowy silnika, Me Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, nm Prędkość obrotowa biegu jałowego, nbj Jednostka m m m3 kw obr/min N m obr/min obr/min Wartość rzędowy 4 bezpośredni elektromagnetyczne, pięciootworowe 1 3 4 2 10,5 71 10-3 75,6 10-3 1,197 10-3 77 5000 175 1500 4100 800 Stanowisko dynamometryczne wyposażone jest w badany silnik, szafę kontrolno pomiarową, hamulec elektrowirowy i pięciogazowy analizator spalin DiCOM 4000 firmy AVL. Układ kontrolno pomiarowy składa się z szafy sterowniczej, w której znajduje się komputer stacjonarny połączony z modułem sterującym AMX211 firmy Automex oraz moduł pomiarowy do którego podłączone są termoelektryczne i rezystancyjne czujniki temperatur oraz przetworniki ciśnienia S-10 firmy WIKA. Układ ten umożliwia pomiary temperatury: przed i za wymiennikiem ciepła chłodzącym powietrze doładowujące oraz przed i za wymiennikiem chłodzącym ciecz chłodzącą, paliwa na wyjściu z listwy zasilającej, spalin przed sprężarką i za katalizatorem oraz oleju smarującego w misce olejowej i w głowicy silnika, jak również temperatury paliwa w układzie zasilania. Przetworniki cienienia umożliwiają pomiary ciśnienia: powietrza doładowującego, cieczy w układzie chłodzenia, spalin w układzie wydechowym, oleju w głowicy silnika i ciśnienia w skrzyni korbowej. Podczas badań mierzono następujące wartości stężeń: tlenków azotu NOX, węglowodorów HC, tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, tlenu O2. Ponadto mierzono współczynnik nadmiaru powietrza λ. Widok stanowiska dynamometrycznego przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Widok stanowiska dynamometrycznego Podczas badań silnik pracował według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min. Podczas badań silnik zasilany był trzema paliwami: handlową benzyną bezołowiową Pb95, mieszaniną E5 (95% benzyny + 5% etanolu) i mieszaniną M5 (95% + 5% metanolu). Podstawowe właściwości fizykochemiczne paliw 18
wyznaczono przy użyciu analizatora paliw ERASPEC firmy Eralytics [1]. Właściwości badanych paliw przedstawiono w tabeli 2. Tab. 2. Właściwości badanych paliw wyznaczone za pomocą analizatora paliw ERASPEC Właściwość Rodzaj paliwa Pb95 E5 M5 Gęstość w temperaturze 15 C,g/cm 3 0,7236 0,7324 0,7280 Zawartość benzenu, %, (V/V) 0,62 0,57 0,54 ETBE, %, (V/V) 4,01 3,95 3,84 Metanol, %, (V/V) 0 0 5,06 Etanol, %, (V/V) 4,88 9,57 4,82 Zawartość tlenu, %, (m/m) 2,48 4,16 5,14 Związki tlenowe, %, (V/V) 8,89 13,5 13,7 Związki tlenowe, %, (m/m) 9,37 14,2 14,4 Ilość węglowodorów olefinowych, % (V/V) 15,2 13,0 12,8 Ilość węglowodorów aromatycznych, % (V/V) 25,1 24,3 23,3 Całkowita ilość węglowodorów aromatycznych, % (V/V) 24,8 24,3 21,9 Liczba oktanowa badawcza 96,3 98,1 96,5 Liczba oktanowa motorowa 85,8 86,7 86,1 Indeks oktanowy 91,0 92,4 91,3 Temperatura początku destylacji, C 36,3 38,2 35,9 Punkt destylacji, T10, C 50,3 51,7 49,8 Punkt destylacji, T50, C 86,4 75,8 79,3 Punkt destylacji, T90, C 159,3 155,2 156,9 Temperatura końca destylacji, C 190,1 187,8 188,6 Prężność par, kpa 73,5 120,2 110,4 Indeks właściwości jezdnych, C 500,4 473,0 475,8 2. WYBRANE WYNIKI BADAŃ Podczas badań eksperymentalnych silnik VW 1.2 TSI pracował według charakterystyk obciążeniowych dla następujących prędkości obrotowych wału korbowego silnika: 1500, 3000 i 4750 obr/min i zasilany był handlową benzyną bezołowiową Pb95, jego mieszaniną z etanolem o zawartości etanolu 5% oznaczoną symbolem E5 i mieszaniną z metanolem o zawartości metanolu 5%oznaczoną symbolem M5. Podczas badań mierzono następujące wartości stężeń w spalinach: tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO 2, węglowodorów HC, tlenków azotu NO X, tlenu O 2 oraz współczynnik nadmiaru mieszanki λ. Na rysunku 2 przedstawiono stężenia tlenków azotu NO X dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy jego zasilaniu handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 2. Stężenia tlenków azotu NO X w spalinach dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min 19
Na rysunku 3 przedstawiono stężenia węglowodorów HC dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy zasilaniu go handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 3. Stężenia węglowodorów HC w spalinach dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min Na rysunku 4 przedstawiono stężenia tlenków węgla CO dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy zasilaniu go handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 4. Stężenia tlenków węgla CO w spalinach dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min 20
Na rysunku 5 przedstawiono stężenia tlenków węgla CO 2 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy zasilaniu go handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 5. Stężenia tlenków węgla CO 2 w spalinach dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min Na rysunku 6 przedstawiono stężenia tlenu O 2 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy zasilaniu go handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 6. Stężenia tlenu O 2 w spalinach dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min 21
Na rysunku 7 przedstawiono współczynnik nadmiaru powietrza λ dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy prędkościach obrotowych 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i przy zasilaniu go handlową benzyną bezołowiową Pb95 oraz mieszaninami E5 i M5. Rys. 7. Współczynnik nadmiaru powietrza λ dla silnika zasilanego paliwami: benzyną, mieszaniną M5 i E5 dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych: a) n=1500 obr/min; b) n=3000 obr/min c ) n=4750 obr/min WNIOSKI Na podstawie analizy badanych paliw wynika, że po dodaniu 5% metanolu oraz 5% etanolu do benzyny zawartość tlenu w mieszaninie M5 i E5 znacząco wzrosła. Najwyższą liczbę oktanową uzyskano dla mieszaniny E5, która wynosiła 98,1. Po dodaniu alkoholu do benzyny zmniejszyła się całkowita ilość węglowodorów aromatycznych. Po dodaniu alkoholu do benzyny prężność jej par wynosiła powyżej 110 kpa, a więc według normy PN-EN 228:2013 została ona przekroczona. Zbyt wysoka prężność par może powodować nieprawidłowy przebieg procesu spalania. Temperatura oddestylowania 50% objętości paliwa T50 dla mieszanin M5 i E5 była mniejsza. Temperatura ta wpływa na własności eksploatacyjne silnika i na czas osiągnięcia przez silnik właściwej temperatury pracy. Dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy n=1500 obr/min i n=4750 obr/min i zasilaniu go badanymi paliwami stężenia tlenków azotu były porównywalne. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=3000 obr/min i przy średnich obciążeniach największe stężenia tlenków azotu otrzymano dla silnika zasilanego handlową benzyną Pb95. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=3000 obr/min i zasilaniu go mieszaniną E5 uzyskano najmniejsze stężenia węglowodorów. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=4750 obr/min i zasilaniu go benzyną Pb95 otrzymano największe stężenia węglowodorów Stężenia tlenku węgla były porównywalne dla silnika pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy n=3000 obr/min i n=4750 obr/min i zasilaniu go badanymi paliwami. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=1500 obr/min dla momentu obrotowego do M o =160 N m stężenia tlenku węgla były porównywalne dla badanych paliw. Powyżej tego momentu obrotowego widoczny jest gwałtowny wzrost stężenia tlenku węgla w spalinach silnika zasilanego mieszaninami E5 i M5. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=1500 obr/min i zasilaniu go badanymi paliwami oraz dla obciążeniu mniejszego od M o =160 N m stężenia dwutlenku węgla były porównywalne i wynosiły około 13,5 14 %. Powyżej momentu obrotowego M o =160 N m widoczny jest gwałtowny spadek stężeń dwutlenku węgla dla silnika zasilanego mieszaninami E5 i M5. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=3000 obr/min i zasilaniu go badanymi paliwami stężenia dwutlenku węgla były porównywalne dla obciążenia do M o =120 N m. 22
Powyżej tego momentu obrotowego widoczny jest spadek stężenia dwutlenku węgla. Największy spadek tego stężenia uzyskano dla silnika zasilanego benzyną Pb95. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=4750 obr/min i zasilaniu go badanymi paliwami stężenia dwutlenku węgla były porównywalne. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=1500 obr/min stężenia tlenu i współczynnik nadmiaru powietrza dla małych i dużych obciążeń, tj. do M o =20 N m i powyżej M o =160 N m otrzymano większe dla silnika zasilanego benzyną Pb95. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=3000 obr/min najmniejsze stężenia tlenu uzyskano dla silnika zasilanego benzyną Pb95. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=4750 obr/min i jego obciążeniu poniżej M o =40 N m największe stężenia tlenu w spalinach otrzymano dla silnika zasilanego benzyną Pb95. Powyżej tego obciążenia stężenia tlenu w spalinach były porównywalne dla silnika zasilanego badanymi paliwami. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=3000 obr/min i przy jego obciążeniu do M o =110 N m współczynnik nadmiaru powietrza był porównywalny dla wszystkich paliw i wynosił około λ=0,995 1,007. Powyżej tego obciążenia współczynnik nadmiaru powietrza był coraz mniejszy i najmniejszą wartość uzyskano dla silnika zasilanego benzyną i wynosił λ=0,822. Dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy n=4750 obr/min współczynnik nadmiaru powietrza był porównywalny dla silnika zasilanego badanymi paliwami. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań stężeń szkodliwych składników spalin nowoczesnego silnika VW 1.2 TSI. Podczas badań silnik pracował według charakterystyk obciążeniowych przy następujących prędkościach obrotowych wału korbowego silnika: 1500 obr/min, 3000 obr/min i 4750 obr/min i zasilany był trzema paliwami: handlową benzyną bezołowiową Pb95 i jej mieszaniną z etanolem o zawartości etanolu 5% i metanolem o zawartości metanolu 5%. Dodatek alkoholu do benzyny powodował zwiększenie liczby oktanowej. Podczas badań eksperymentalnych mierzono współczynnik nadmiaru powietrza oraz następujące stężenia spalin: tlenków azotu NO X, węglowodorów HC, tlenków węgla CO, dwutlenku węgla CO 2 i tlenu O 2. W artykule wykazano wpływ dodatku alkoholu do benzyny na stężenia szkodliwych składników zawartych w spalinach, stężenie tlenu oraz na współczynnik nadmiaru powietrza. The effect of the addition of methanol and ethanol on the concentrations of harmful spark ignition engine combustion gas components Abstract The paper presents the results of the testing of a modern VW 1.2 TSI engine. During testing, the engine was running according to the following load characteristics: 1500 rpm, 3000 rpm and 4750 rpm, and was supplied with three fuels, namely, commercial unleaded petrol, and its 5% ethanol mixture and 5% methanol mixture, respectively. The addition of alcohol to the petrol increased its octane number. During the experimental tests, the excess air number and the concentrations of nitrogen oxides, hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide and oxygen were measured. The paper has demonstrated an effect of the alcohol addition to petrol on the concentration of harmful combustion gas components, oxygen concentration and the excess air number. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Badania właściwości benzyny o zwiększonej zawartości alkoholi, czasopismo LOGISTYKA 3/2014. 2. Ambrozik A., Ambrozik T., Orliński S., Orliński P.: Wpływ mieszanin etanolu z olejem napędowym na emisję wybranych składników spalin, czasopismo LOGISTYKA 3, s. 45-51, 2011. 3. Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2010. 4. Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonie iskrowym. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005. 23
5. Chang-Ming Gong, Kuo Huang, Jing-Long Jia, Yan Su, Qing Gao, Xun-Jun Liu: Regulated emissions from a direct-injection spark-ignition methanol engine, Energy 36 (2011) 3379-3387, 2011. 6. Gravalos I., Moshou D., Gialamas Th., Xyradakis P., Kateris D., Tsiropoulos Z.: Emissions characteristics of spark ignition engine operating on lower-higher molecular mass alcohol blended gasoline fuels, Renewable Energy 50 (2013) 27-32. 7. Łagowski P.: Ocena wskaźników ekonomiczno energetycznych i ekologicznych turbodoładowanego silnika o zapłonie wymuszonym 1.2 TSI, czasopismo LOGISTYKA 3/2014. 8. Merkisz J., Kozak M.: Wymagania jakościowe stawiane benzynie przez nowe generacje silników o zapłonie iskrowym. (cz.1, cz. 2). Paliwa, Oleje i Smary w eksploatacji, nr 104/2002, s. 5 8; nr 105/2002, s. 23 26. 9. Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne paliwa i układy napędowe pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004. 10. Mustafa Kemal Balki, Cenk Sayin, Mustafa Canakci: The effect of different alcohol fuels on the performance, emission and combustion characteristics of a gasoline engine, Fuel 115 (2014) 901 906, 2014. 11. Wang MQ.: Fuel-cycle greenhouse gas emissions; impacts of alternative transportation fuels and advanced vehicle technologies. Ann Meeting Transport Res Board 1999;1664:9 17, 1999. 12. Liguang L, Liu Z, Wang H, Deng B, Xiao Z, Wang Z, Gong C, Su Y.: Combustion and emissions of ethanol fuel (E100) in a small SI engine. SAE technical paper 2003-01-3262; 2003. 13. Zastempowski M., Kaszkowiak J., Borowski S., Bochat A., Świeca A.: Wpływ zastosowania paliwa z dodatkiem alkoholu na efektywność pracy silników spalinowych, czasopismo LOGISTYKA 6, s. 1005-1012, 2012. 24