P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 11 Transport 214 Jerzy Merkisz, Jaros aw Markowski, Marta Galant, Dominik Karpi ski, Kamil Kubiak Politechnika Pozna ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu BADANIA WP YWU DODATKU TLENOWEGO (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) NA EMISJ GAZOWYCH SK ADNIKÓW SPALIN SILNIKA TURBINOWEGO GTM-12 R kopis dostarczono, kwiecie 213 Streszczenie: Jednym z kluczowych kierunków bada zwi zanych z wp ywem transportu na rodowisko jest ograniczenie emisji zwi zków szkodliwych spalin. W artykule przedstawiono wyniki przeprowadzonych bada i dokonano analizy wp ywu tlenowego (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) do paliwa JET A-1 na emisj gazowych sk adników spalin w silniku turbinowym GTM-12. Badania przeprowadzono jako badanie porównawcze emisji uzyskanej w wybranych punktach eksploatacyjnych silnika zasilanego paliwem JET A-1 i mieszaniny paliwowej o 1, 2 i 3 procentowym udziale w paliwie. S owa kluczowe: silnik odrzutowy, emisja spalin, dodatek tlenowy 1. WST P Jednym z aspektów rozwoju cywilizacyjnego jest rozwój przemys u i transportu. Wi e si to z ci g ym wzrost zapotrzebowania na energi. Zu ycie paliw kopalnych wzrasta w tempie oko o 3 % rocznie [1], co powoduje znaczny wzrost zanieczyszcze rodowiska zwi zkami szkodliwymi spalin: w glowodory (HC), tlenki azotu (NO x ), tlenek w gla (CO), cz stki sta e (PM) i inne. Nale y zatem poszukiwa alternatywnych róde nap du silników, które przyczyni si do obni enia emisji toksycznych zwi zków spalin. Alternatywne ród o energii to inne ni klasyczne ród a energii, jakimi s paliwa naturalne (w giel, ropa naftowa, gaz ziemny). Badania nad alternatywnymi paliwami s elementem podstawowym inicjatywy Airbusa w celu zmniejszenia negatywnego wp ywu na rodowisko przez transport lotniczy. Lotnictwo przyczynia si do oko o dwóch procent wszystkich emisji CO 2 spowodowanych techniczn dzia alno ci cz owieka. W ci gu ostatnich 4 lat przemys poprawi swoj wydajno paliwow i zmniejszy zwi zane z tym emisje CO 2 o oko o 7 %. Sektor transportu
84 Jerzy Merkisz, Jaros aw Markowski, Marta Galant, Dominik Karpi ski, Kamil Kubiak lotniczego, jako ca o dobrowolnie zobowi za si do realizacji ambitnych celów rodowiskowych, w tym spadku emisji dwutlenku w gla o 5 % w 25 r., w porównaniu do roku 25. Paliwo, jako integralny sk adnik procesu spalania ma ogromny wp yw na sk ad i wielko emisji szkodliwych zwi zków spalin emitowanych przez silnik. Do zasilania nap dów lotniczych stosuje si benzyn lotnicz lub zwi zki syntetyczne pochodz ce z przetwórstwa ropy naftowej. Paliwa lotnicze s to g ównie mieszaniny w glowodorów otrzymane z ropy naftowej cz sto zawieraj ce dodatki poprawiaj ce ich w a ciwo ci eksploatacyjne. Sk ad paliw, g ównie zwi zki w glowodorów, ma bezpo redni wp yw na emisyjno toksycznych zwi zków spalin. Wszelkie modyfikacje wprowadzone do paliwa lotniczego najcz ciej maj za zadanie poprawi w a ciwo ci u ytkowe paliwa, nie zwracaj c uwagi na ich negatywny wp yw na rodowisko. Lokalny niedobór tlenu w komorze spalania jest jednym z g ównych powodów powstawania szkodliwych zwi zków spalin. Wprowadzenie wi kszej ilo ci tlenu poprawi proces spalania, a w efekcie obni y emisyjno silnika. W badaniach nad paliwem JET A-1 podj to prób obni enia toksycznych zwi zków wyp ywaj cych z uk adu wydechowego silnika poprzez wprowadzenie utleniacza. Takie rozwi zanie z punktu widzenia procesu spalania wydaje si by bardzo obiecuj ce. W artykule porównano wp yw wybranego paliwa lotniczego oraz mieszaniny paliwa lotniczego i tlenowego na emisj szkodliwych gazowych zwi zków spalin. Badania przeprowadzono na paliwie lotniczym JET A-1, a jako dodatek u yto substancji zwanej triglyme (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ). Dzi ki zastosowaniu zawieraj cego du ilo tlenu, przewiduje si popraw procesu spalania, a przez to obni enie emisji gazowych sk adników spalin. Ci gle rosn ca ilo pojazdów z nap dem silnikowym, konieczno ochrony rodowiska oraz prognozy dotycz ce wyczerpywania si z ó ropy naftowej spowodowa y prób cz ciowego zast pienia paliwa, które pochodzi z przeróbki ropy naftowej. Przeprowadzona analiza jest wst pem do dalszych bada maj cych na celu obni enie negatywnego wp ywy spalania paliwa na rodowisko. Wyniki eksperymentu przedstawione w niniejszym opracowaniu zosta y uzyskane poprzez zbadanie modelowego silnika turbinowego, jednak docelowo dotycz komercyjnych silników lotniczych. Wp yw ró nego st enia utleniacza na emisyjno spalin doprowadzi o do zaproponowania mieszaniny paliwa o najlepszych w a ciwo ciach. 2. METODYKA BADA G ównym celem przeprowadzonych bada by o okre lenie wp ywu CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 (triglyme) na st enie gazowych zwi zków szkodliwych spalin: CO, CO 2, NO x oraz HC. Badania wykonano z wykorzystaniem turbinowego silnika GTM-12 przedstawionego na rysunku 1. Silnik zbudowany jest z jednostopniowej spr arki promieniowej, nap dzanej za pomoc jednostopniowej turbiny osiowej. W silniku GTM-12 zastosowano pier cieniow komor spalania, a paliwo dostarczane jest do zestawu parownic. Do rozruchu silnika
Badania wp ywu tlenowego (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) na emisj gazowych 85 wykorzystywany jest rozrusznik elektryczny oraz gaz LPG. Po rozgrzaniu silnika nast puje prze czenie na zasilanie paliwem w a ciwym. Na stanowisku badawczym zainstalowano zestaw elektroniki steruj cej, której zadaniem jest realizacja wszystkich funkcji steruj cych prac silnika, cznie z automatycznym rozruchem i studzeniem. Sterowanie silnikiem realizuje si przez regulacj wydatku pompy paliwa. Na stanowisku dokonuje si pomiaru pr dko ci obrotowej wa u silnika, temperatury spalin w dyszy wylotowej silnika oraz si y ci gu [7]. Silnik zasilany jest paliwem lotniczym JET A-1 produkowanym przez PKN Orlen z domieszk 3 % oleju MOBILE JET OIL II. Zu ycie paliwa szacowane jest na 34 g/min. Maksymalny ci g statyczny osi gany przez badany silnik wynosi 12 N, a obroty wirnika miesz si w zakresie 33 12 tys. obr/min [7]. Rys. 1. Widok silnika GTM 12 na stanowisku badawczym Badania emisji szkodliwych sk adników spalin przeprowadzono przy zastosowaniu czterech ró nych paliw. Pocz tkowo wykonano prób dla tradycyjnego paliwa JET A-1. Uzyskane pomiary zwi zków szkodliwych stanowi y materia porównawczy do wyników bada przeprowadzonych dla paliw JET A-1 z 1 % udzia em CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3, JET A-1 z 2 % udzia em CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 oraz JET A-1 z 3 % udzia em CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3. Na rysunku 2 przedstawiono g sto ci paliw w zale no ci od udzia u procentowego w paliwie lotniczym. Zauwa ono, e wraz ze wzrostem udzia u CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 g sto mieszaniny zdecydowanie wzrasta. G sto paliwa JET A-1 z dodatkiem tlenowym zbli ona jest do g sto ci oleju nap dowego stosowanego do zasilania silników z zap onem samoczynnym. Dodatek stosowany w badaniach jest prze roczyst substancja wykorzystywan jako rozpuszczalnik [1]. Podstawowe parametry tlenowego przedstawiono w tabeli 1. Zgodnie ze wzorem chemicznym CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 jedna cz steczka zwi zku zawiera 4 atomy tlenu, które przyczyniaj si do obni enia temperatury procesu spalania. Dodatek tworzy jednorodn kompozycj paliwow z paliwem JET A-1.
86 Jerzy Merkisz, Jaros aw Markowski, Marta Galant, Dominik Karpi ski, Kamil Kubiak,86,85 G sto [g/cm 3 ],84,83,82,81,8,79 JET A-1 1 % 2 % 3 % Rys. 2. G sto paliw w zale no ci od udzia u procentowego w paliwie JET-A1 Parametry tlenowego [1] Tab. 1 Wzór chemiczny CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 Temperatura krzepni cia - 45 [ C] Temperatura zap onu 113 [ C] Masa molowa 178,23 [g/mol] Próba polega a na stopniowym zwi kszaniu ci gu silnika od warto ci 1 N, uznanej za minimaln, a do warto ci 12 N, okre lan przez producenta jako najwy sza mo liwa nastawa ci gu silnika. Dzi ki temu uzyskano 12 punktów pracy silnika, dla których mo liwa by a analiza st e gazowych zwi zków szkodliwych spalin. Warto ci st e rejestrowano po przy o eniu przep ywomierza po czonego z analizatorem do dyszy wylotowej badanego silnika. Do pomiarów st e HC, CO, CO 2, NO x wykorzystano analizator spalin SEMTECH DS [9]. Pomiaru masowego nat enia przep ywu dokonano za pomoc przep ywomierza EFM [11]. 3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA W analizie wyników pomiarów przedstawiono 12 cykli pracy silnika GTM 12. Podczas ka dego cyklu dokonano pomiaru gazowych zwi zków spalin. Wyniki pomiarów st e poszczególnych zwi zków spalin przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Zasilanie silnika odrzutowego paliwem lotniczym JET A-1 z zawarto ci tlenowego nie wp ywa znacz co na obni anie warto ci st e CO, CO 2, HC, w stosunku do paliwa JET A-1 bez udzia u (rys. 3). Zwi zki w glowe spalin s ci le
Badania wp ywu tlenowego (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) na emisj gazowych 87 zwi zane z ilo ci tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej. Zwi kszenie ci gu silnika powy ej 5 N przyczyni o si do nieznacznych spadków warto ci st enia gazowych zwi zków spalin maksymalnie do 4 %. Badania wykaza y, e wprowadzenie tlenowego CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 do paliwa JET A-1 nie wp ywa znacz co na warto ci st e zwi zków szkodliwych spalin w stosunku do paliwa lotniczego bez, co wi cej dla niektórych warto ci si y ci gu st enie nieznacznie wzros o. Zmniejszenie CO i HC wraz ze wzrostem ci gu silnika jest charakterystyczne dla turbinowych silników odrzutowych. Obni enie st enia zwi zków szkodliwych spalin przy wy szych warto ciach si y ci gu jest wynikiem wzrastaj cej pr dko ci obrotowej wirnika wraz ze wzrostem si y ci gu, co powoduje zwi kszenie ilo ci doprowadzonego powietrza do komory spalania. W konsekwencji nast puje poprawa procesu spalania paliwa przyczyniaj cego si do obni enia warto ci st e w glowych sk adników spalin. CO [ppm],2,18,16,14,12,1,8,6,4,2 a) b) 1% 2% 3% JET A-1 HC [ppm] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 c) CO2[%] 1% 2% 3% JET A-1 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 1% 2% 3% JET A-1 Rys. 3. Warto ci st e zwi zków szkodliwych spalin w funkcji ci gu silnika: a) tlenku w gla, b) dwutlenku w gla, c) w glowodorów Dodatek CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 wykazuje zró nicowany wp yw na warto ci st e tlenków azotu przy ró nych zakresach si y ci gu (rys. 4). Zaobserwowano wzrost st e NO x przy niskich i rednich warto ciach si y ci gu. Wi ksze nagrzewanie si komory spalania powoduje wzrost st enia tlenków azotu w gazach wylotowych. Wprowadzenie tlenowego CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 do paliwa JET A-1 zwi ksza ilo tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej. W zakresie ci gu powy ej 8 N zaobserwowano korzystne obni enie warto ci st e tlenków azotu dla paliw z dodatkiem tlenowym.
88 Jerzy Merkisz, Jaros aw Markowski, Marta Galant, Dominik Karpi ski, Kamil Kubiak 1% 2% 3% JET A-1 NOx [ppm] 4 35 3 25 2 15 1 5 Rys. 4. Warto ci st e tlenków azotu w funkcji ci gu silnika St enie tlenków azotu NO x zmienia si proporcjonalnie wraz ze zmianami temperatury spalin wyp ywaj cych z uk adu wylotowego silnika GTM-12 (rys. 5). Zaobserwowano, e bez wzgl du na udzia tlenowego przebiegi st e NO x i temperatur s bardzo podobne. Najkorzystniejszy pod wzgl dem st e tlenków azotu jest zakres pracy pomi dzy 5 a 7 N. st enie NOx - JET A-1 st enie NOx -2 % temperatura - JET A-1 temperatura - 2 % st enie NOx - 1 % st enie NOx - 3 % temperatura - 1 % temperatura - 3 % 6 4 T [ C] 58 56 54 52 5 48 46 44 35 3 25 2 15 1 5 NO x [ppm] 42 Rys. 5. Temperatura gazów wylotowych i st enia tlenków azotu w zale no ci od ci gu silnika W celu wykazania wp ywu tlenowego CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 obliczono procentowe zmiany st e tlenku w gla, dwutlenku w gla, w glowodorów oraz tlenków azotu wobec paliwa lotniczego JET A-1 (rys. 6).
Badania wp ywu tlenowego (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) na emisj gazowych 89 1% 2% 3% 1% 2% 3% 1% 2% 3% 1% 2% 3% Rys. 6. Wzgl dne st enia zwi zków szkodliwych spalin 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania mia y na celu ocen mo liwo ci ograniczenia warto ci st e zwi zków szkodliwych spalin przez zastosowanie CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3. Analiza wyników pomiarów wykaza a mo liwo stosowania tlenowego. Podczas bada zaobserwowano, e zmiany st e zwi zków szkodliwych s niewielkie i wynosz do 12 %. Wykazano, e najkorzystniejszy wp yw na zmniejszenie st e zwi zków szkodliwych ma paliwo z 2 % zawarto ci CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3. St enia tlenków azotu, przy takim udziale procentowym tlenowego, pozostaje prawie niezmieniona. Zaobserwowano korzystny wp yw na obni enie st e niespalonych w glowodorów przy 2 % udziale CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3. Zastosowanie 1 % zawarto ci tlenowego spowodowa o niekorzystny wzrost st e NO x o oko o 8 %, jest to najgorszy wynik spo ród badanych paliw. Ostatnim etapem bada by a analiza zastosowania paliwa JET A-1 z 3-procentowym udzia em CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3. Wykazano zwi kszenie st e CO 2, HC oraz NO x. St enia CO zosta y obni one o 4 %. Stosowanie dodatków modyfikuj cych proces spalania pod wzgl dem emisji zwi zków szkodliwych spalin jest jednym z kierunków zmniejszenia emisji cz stek sta ych z silników turbinowych.
9 Jerzy Merkisz, Jaros aw Markowski, Marta Galant, Dominik Karpi ski, Kamil Kubiak Bibliografia 1. Balicki W., Kawalec K., Pagowski Z., Szczeci ski J., Szczeci ski S. Historia i perspektywy rozwoju nap dów lotniczych. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 25. 2. Larisch J., Stelmasiak Z. Dual fuelling SI engine with alcohol and gasoline. Combustion Engines. 211, 145 (2), 73-81. ISSN 138-346. 3. Malinowski A. Biopaliwa dla lotnictwa. Czysta energia, nr 9/211 (121). 4. P gowski Z. Zielone paliwa w lotnictwie. Eurogospodarka, nr 4/211. 5. Peitsch D. Propelling the future the meaning of ACARE VISION 25 for the future development of propulsion systems for aircraft. Combustion Engines. 211, 147 (4), 3-13. ISSN 138-346. 6. Stelmasiak Z., Semikow J. The possibilities of improvement of spark ignition engine efficiency through dual fueling methanol and gasoline. Combustion Engines. 21, 142 (3), ISSN 138-346. 7. http://www.jetpol.home.pl 8. http://logistyka.wnp.pl 9. http://www.sensors-inc.com 1. http://www.sigmaaldrich.com 11. http://www.tsi.com 12. http://www.enviro.aero/beginners-guide-to-aviation-biofuels.aspx 13. http://www.echo.szczecin.pl THE INVESTIGATIONS INTO THE INFLUENCE OF AN ADDITIVE OXYGEN (CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) TO POWER A MODEL TURBINE ENGINE GTM-12 Summary: The main direction of research relating to the impact of transport on the environment is to reduce harmful exhaust gases. This paper presents the results of the research and the analysis of the possibilities of using JET A-1 with the addition CH 3 (OCH 2 CH 2 ) 3 OCH 3 ) in turbine engine GTM-12, no engine modifications and a set of engine management electronics. An assessment of the impact of different additive content in the exhaust gas emissions such as carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides and carbon dioxide. Keywords: jet engine, exhaust emissions, oxygen additive