ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW ()/ Stanisław W. Kruczyński, Piotr Orliński, Marcin K. Wojs, Marlena Owczuk OCENA MOŻLIWOŚCI SPALANIA BIOGAZU W SILNIKU O ZAPŁIE SAMOCZYNNYM Z DAWKĄ PILOTUJĄCĄ OLEJU NAPĘDOWEGO. Wstęp Biogaz to paliwo wytwarzane z substancji organicznych w procesie fermentacji metanowej, stosowane głównie do produkcji ciepła lub energii elektrycznej. Surowiec ten po odpowiednim uzdatnieniu do jakości gazu ziemnego może być także wprowadzony do sieci lub stanowić paliwo do zasilania silników samochodowych (substytut CNG). Alternatywnym kierunkiem zagospodarowania, niewymagającym stosowania kosztownych technologii oczyszczania jest użycie biogazu do zasilania silników maszyn rolniczych. Rozwiązanie to rozszerza możliwości wykorzystania biogazu i może przyczynić się do zwiększenia popytu na ten cenny surowiec energetyczny [][]. Obecnie rynek zdominowany jest przez paliwa pochodzenia naftowego, co skutkuje wysokimi kosztami ich użytkowania. Wykorzystanie biogazu do zasilania silników maszyn rolniczych pozwoli z jednej strony na ograniczenie zużycia ciągle drożejących paliw kopalnych [], z drugiej natomiast może przyczynić się do zwiększenia niezależności energetycznej, szczególnie w przypadku biogazu wytwarzanego i zużywanego w tym samym miejscu.. Wyniki badań.. Obiekt badań Badania hamowniane zostały przeprowadzone przy wykorzystaniu silnika Rys.. Ciągnik CASE z zamontowanym systemem butli wysokiego ciśnienia prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Piotr Orliński, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska mgr inż. Marcin K. Wojs, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska mgr inż. Marlena Owczuk, Przemysłowy Instytut Motoryzacji
p [MPa] (Cummins) znajdującego się na wyposażeniu ciągnika rolniczego firmy CASE, model MX. Silnik został wymontowany z pojazdu, a następnie umieszczony na stanowisku hamownianym, gdzie został uzbrojony w niezbędne komponenty potrzebne do pracy przy zasilaniu dwupaliwowym bez konieczności wprowadzania zmian konstrukcyjnych... Paliwa wykorzystane podczas badań Podczas badań silnika na stanowisku hamownianym silnik był zasilany czterema rodzajami paliw: czystym olejem napędowym, mieszaniną oleju napędowego i % metanu oraz dwoma mieszankami oleju napędowego i biogazu. W przypadku tych paliw biogaz składał się z 7% metanu i % CO oraz % metanu i % CO. co przedstawia tabela. Tabela. Rodzaje paliw wraz z oznaczeniami użyte w badaniach Rodzaj paliwa Oznaczenie Skład paliwa paliwa Olej napędowy % Olej napędowy i metan + % CH 7% i % CH Olej napędowy i Biogaz + % Biogaz 7%, % Biogaz 7% CH i % CO Olej napędowy i Biogaz + % Biogaz 7%, % Biogaz % CH i % CO.. Wykresy ciśnień czynnika roboczego w komorze spalania W czasie badań hamownianych rejestrowano przebiegi cykli ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania. Następnie je uśredniono. Prezentowane badania zrealizowano, zgodnie z testem Copisanym w literaturze [][8], przy prędkości obrotowej wału korbowego silnika odpowiadającej maksymalnemu momentowi obrotowemu i wynoszącej 8 obr/min. 9 8 7 + % CH + % Biogaz + % Biogaz - - Rys.. Uśrednione wykresy ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczone przy maksymalnym obciążeniu silnika i dla prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika
p [MPa] p [MPa] 9 8 7 + % CH + % Biogaz + % Biogaz - - - - Rys.. Uśrednione wykresy ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczone przy 7% obciążeniu silnika i dla prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika 8 7 + % CH + % Biogaz + % Biogaz - - Rys.. Uśrednione wykresy ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczone przy % obciążeniu silnika i dla prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika
p [MPa] p [MPa] 7 + % CH + % Biogaz + % Biogaz - - Rys.. Uśrednione wykresy ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczone przy % obciążeniu silnika i dla prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika + % CH + % Biogaz + % Biogaz - - Rys.. Uśrednione wykresy ciśnienia czynnika roboczego w komorze spalania wyznaczone przy % obciążeniu silnika i dla prędkości obrotowej maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika.. Zużycie paliwa Podczas badań eksperymentalnych przeprowadzano pomiary zużycia wykorzystywanego paliwa ciekłego (oleju napędowego).
Gp [kg/h] ge [kg/kw*h],,,,,, 8 Gp + % Biogaz Gp N [kw] ge + % Biogaz ge Rys. 7. Przebiegi godzinowego oraz jednostkowego zużycia paliwa w funkcji mocy wyznaczone przy prędkości obrotowej silnika n = 8 [obr/min] Przebiegi godzinowego oraz jednostkowego zużycia paliwa wskazują na zmniejszenie zapotrzebowania na olej napędowy, dla tych samych wartości mocy, podczas dodatkowego wtrysku paliwa gazowego do układu dolotowego silnika. Największe oszczędności przy stabilnej pracy silnika i bez strat na wartościach jego parametrów roboczych udało się uzyskać dla największych obciążeń silnika, które dochodziły prawie do % dla maksymalnej rozwijanej przez silnik przy danej prędkości obrotowej mocy, co przedstawia rys. 7. Wraz ze spadkiem generowanej przez silnik mocy oszczędności w zapotrzebowaniu na olej napędowy maleją, praktycznie znikają przy mocy poniżej kw... Składniki toksyczne spalin Pomiar składników toksycznych spalin potwierdził przewidywane problemy ze stężeniem tlenku węgla i węglowodorów silnika dwupaliwowego zasilanego olejem napędowym wraz z metanem, w porównaniu do czystego [][]. Wykazał przewagę jeśli chodzi o stężenie cząstek stałych i nieznaczny spadek stężenia tlenków azotu wszystkich typów w porównaniu do paliwa standardowego [7]. 7
HC [ppm] 8 8 + % CH M [Nm] + % Biogaz + % Biogaz Rys. 8. Przebiegi stężeń HC w funkcji momentu obrotowego dla n = 8 [obr/min] Rysunek 8 przedstawia przebiegi stężenia węglowodorów dla czterech typów paliwa. Dodatek czystego metanu znacznie zwiększa stężenie HC zwłaszcza dla małych obciążeń silnika. Wprowadzenie do metanu ditlenku węgla spowodowało spadek stężenia węglowodorów proporcjonalnie do procentowej zawartości CO. Przebieg stężeń cząstek stałych przedstawiony na rys. 9 potwierdza założenia, że dodatek metanu zmniejsza jego wartość, a dodatek ditlenku węgla nie ma w tym wypadku znaczenia. Największe różnice są dla szczytowych osiąganych przez silnik PM [mg/m ] M [Nm] + % CH + % Biogaz + % Biogaz Rys. 9. Przebiegi stężeń PM w funkcji momentu obrotowego dla n = 8 [obr/min] 8
momentów, i dla 8% maksymalnego momentu stężenie PM jest ok. krotnie większe niż dla czystego oleju napędowego, ale dla % maksymalnego momentu jest to już ok. krotnie większe stężenie dla niż z dodatkiem biogazu. Rysunki i przedstawiają stężenia NO x oraz NO. Dodatek biogazu nieznacznie wpływa na obniżenie zawartości sumarycznej tlenków azotu, jednakże dodatek czystego metanu w obszarach maksymalnego momentu zwiększa stężenie NO x i jest ono większe o ok. %. NOx [ppm] 8 M [Nm] + % CH + % Biogaz + % Biogaz Rys.. Przebiegi stężeń NO x w funkcji momentu obrotowego dla n = 8 [obr/min] NO [ppm] 8 + % CH M [Nm] + % Biogaz + % Biogaz Rys.. Przebiegi stężeń NO w funkcji momentu obrotowego dla n = 8 [obr/min] Podobna sytuacja ma miejsce przy przebiegach stężenia NO, jednak dla średnich wartości momentu spadek stężenia jest większy, ponieważ dochodzi nawet do ok. %, 9
a przy maksymalnej wartości momentu wzrost stężenia NO dla dodatku metanu jest już tylko o ok. % większy. Przebiegi stężenia tlenku węgla na rysunku pokazują znaczny jego wzrost o ponad % dla silnika zasilanego dwupaliwowo, gdzie paliwem gazowym był czysty metan. Wzrost zawartości ditlenku węgla w biogazie powodował spadek wartości stężenia CO o ok. % w stosunku do mieszaniny + CH, osiągając swój maksymalny spadek, dla biogazu o składzie % CH + % CO, wynoszący ok. %. Można zaobserwować wyraźny wpływ ditlenku węgla w biogazie, podobnie jak węglowodorów, na wartość stężenia tlenku węgla. CO [ppm] 7 + % CH M [Nm] + % Biogaz + % Biogaz Rys.. Przebiegi stężeń CO w funkcji momentu obrotowego dla n = 8 [obr/min]. Wnioski Ciśnienia czynnika roboczego w tych samych warunkach prędkościowo obciążeniowych pracy silnika były największe dla mieszanek oleju napędowego i metanu. W przypadku biogazu zaobserwowano, że im więcej w mieszaninie było CO tym wartość ciśnienia czynnika roboczego malała. Inicjacja samozapłonu mieszanek oleju napędowego z metanem czy biogazem była wcześniejsza o około - stopnie obrotu wału korbowego w stosunku do zasilania silnika samym olejem napędowym (przy różnych obciążeniach silnika). Analizując wyniki badań dotyczące godzinowego oraz jednostkowego zużycia paliwa zaobserwowano, że w tych samych warunkach pracy silnika zasilanie dwupaliwowe pozwala zmniejszyć zużycie oleju napędowego w górnych wartościach mocy o blisko %. Utrzymanie parametrów użytkowych silnika odbywa się poprzez dostarczenie biogazu, który pokrywa % zapotrzebowania energetycznego silnika przy danym obciążeniu. Dodatek metanu czy biogazu do oleju napędowego powoduje duży wzrost HC oraz CO. Natomiast zmniejszają się stężenia składników toksycznych spalin takich jak NO, NO x czy PM. Na zaobserwowane różnice w procesie spalania, zużyciu paliwa czy w stężeniach składników toksycznych spalin maja wpływ odmienne właściwości
fizykochemiczne mieszanin oleju napędowego z metanem czy biogazem w porównaniu do czystego oleju napędowego. Literatura: [] Kapilan N Nadar, Rana Pratap Reddy, Combustion and emission characteristics of a dual fuel engine operated with Mahua oil and Liquefied Petroleum Gas, Thermal Science, (), 8, p. -. [] Kruczyński S. W, Pawlak G., Marcin K. Wojs, Wołoszyn R.: Biogas as a perspective fuel for agriculture tractors, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów (9)/, ISSN -7X, [] Maji S., Amit Pal, Arora B.B., Use of CNG and diesel in CI engines in dual fuel mode, SAE 8-8-7 (8) [] Orliński P.: Wybrane zagadnienia procesu spalania paliw pochodzenia roślinnego w silnikach o zapłonie samoczynnym,, Instytut Naukowo-Wydawniczy "SPATIUM", ISBN 978-8-8-9-. [] Phan M.D., Kanit W., Study on biogas premixed charge diesel dual fuelled engine, Energy Conversion and Management, 8 (7), p. 8 8 [] Sahoo B.B., Sahoo N., Saha U.K., Effect of engine parameters and type of gaseous fuel on the performance of dual-fuel gas diesel engines-a critical review, Renewable and Sustainable Energy Reviews (9), p. 8. [7] Seung Hyun Yoona, Chang Sik Lee, Experimental investigation on the combustion and exhaust emission characteristics of biogas biodiesel dual-fuel combustion in a CI engine, Fuel Processing Technology, Vol. 9, Issue, May, p. 99, [8] Weaver C.S., Turner S.H., Dual fuel natural gas/diesel engines: technology, performance, and emissions, SAE 98 (99). Streszczenie Artykuł przedstawia wyniki badań silnika o zapłonie samoczynnym, z zastosowanym układem zasilania dwupaliwowego. Dodatkowym źródłem energii dla silnika było paliwo gazowe czysty metan oraz biogaz o dwóch składach. Słowa kluczowe: biogaz, metan, silnik o zapłonie samoczynnym ASSESS THE POSSIBILITY OF USING BIOGAS FOR COMBUSTI IN A COMPRESSI IGNITI ENGINE WITH DIESEL FUEL PILOTING DOSE Abstract The article presents the results of the compression ignition engine with dual fuel supply system used. An additional source of energy for the engine was a fuel gas - pure methane and two compositions of biogas. Keywords: biogas, methane, compression ignition engine