Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego na parametry ekologiczne i energetyczne silnika o zapłonie samoczynnym

ARCHIWUM MOTORYZACJI 4, pp. 361-374 (27) Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego na parametry ekologiczne i energetyczne silnika o zapłonie samoczynnym KRZYSZTOF BANOT, KAZIMIERZ GOLEC Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny W artykule przedstawiono wyniki bada silnika o ZS zasilanego estrami metylowymi oleju rzepakowego oraz ich wodnymi emulsjami o wagowej zawartoci wody 12%, 17% i 27%. Pomiary przeprowadzono przy dwóch stałych prdkociach obrotowych wału korbowego (16 obr/min i 22 obr/min) i kilku wybranych obcieniach silnika. Badano wpływ zasilania emulsjami na emisj tlenków azotu i czstek stałych, zadymienie spalin i zuycie paliwa. Ponadto wyznaczono maksymaln prdko narastania cinienia w cylindrze. Obserwowano przebieg procesu wtrysku i spalania paliwa z wykorzystaniem endoskopów i kamery cyfrowej. Okrelono rozkład temperatur w komorze spalania na podstawie metody dwu kolorów. 1. Wstp Obecnie coraz bardziej istotne staje si ograniczanie emisji dwutlenku wgla ze wzgldu na tzw. efekt cieplarniany. Jednym ze sposobów zmniejszenia emisji dwutlenku wgla jest wykorzystanie do zasilania silników paliw ze ródeł odnawialnych i tym samym skrócenie czasu cyrkulacji wgla w przyrodzie. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym najszerzej stosowanym paliwem rolinnym w Europie s estry metylowe oleju rzepakowego tzw. Biodiesel. Niestety, zasilanie silnika estrami metylowymi oleju rzepakowego zamiast olejem napdowym powoduje wzrost emisji tlenków azotu [1-3]. Skutecznym sposobem na zmniejszenie powstawania tlenków azotu podczas spalania jest dostarczenie wody do komory spalania - najlepiej w postaci emulsji paliwowo-wodnej, poniewa uzyskuje si wtedy nie tylko znaczn redukcj emisji tlenków azotu, ale równie zmniejszenie emisji czstek stałych i zadymienia spalin [4, 5]. Dziki zastosowaniu emulsji wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego mona uzyska jednoczesne obnienie emisji dwutlenku wgla, tlenków azotu oraz czstek stałych. 2. Stanowisko i metodyka bada W badaniach wykorzystano stanowisko pomiarowe z badawczym, niedoładowanym, jednocylindrowym silnikiem wysokoprnym SB3.1 o objtoci skokowej

362 K. Banot, K. Golec 1,85 dm 3 (rednica cylindra D = 127 mm, skok tłoka S = 146 mm) z bezporednim wtryskiem paliwa. Stopie sprania wynosił 16. Wtryskiwacz wyposaono w 4-otworowy rozpylacz o rednicach otworów wylotowych wynoszcych,34 mm. Silnik zasilano estrami metylowymi oleju rzepakowego (produkcji Rafinerii Trzebinia) oraz emulsjami estrów metylowych oleju rzepakowego z wod o zrónicowanej zawartoci wody. W dalszej czci artykułu wykorzystano skrót RME pochodzcy od ang. rapeseed methyl ester i oznaczajcy estry metylowe oleju rzepakowego. Za pomoc mieszalnika helikoidalnego [6, 7] wytwarzano emulsje estrów metylowych oleju rzepakowego z wod destylowan, gdzie zawarto wody wynosiła 12%, 17% i 27% masowo w stosunku wagowym. W celu zapewnienia stabilnoci emulsji wczeniej rozprowadzano w wodzie destylowanej rodek powierzchniowoczynny Rokafenol N8 w iloci 2% w stosunku objtociowym. Prdko obrotowa rotora mieszalnika wynosiła 25 obr/min, a szczelina pomidzy rotorem a obudow 2,5 mm. Emulsj wytwarzano bezporednio przed zasilaniem silnika. Otrzymywane emulsje były stabilne. Organoleptycznie stwierdzono, e najwiksz lepko miała emulsja o zawartoci 12% wody i ze wzrostem zawartoci wody w emulsji jej lepko spadała. Emulsje miały wysz lepko ni czyste estry metylowe oleju rzepakowego. W tabeli 1 zawarto wybrane właciwoci zastosowanych paliw, uzyskane w wyniku oblicze. Tabela 1. Wybrane właciwoci badanych paliw. Table 1. Chosen properties of investigated fuels. Skład paliwa Warto opałowa Stała stechiometryczna Gsto [MJ/kg] [kg/kg] [kg/m 3 ] 37,5 12,5 88 88% RME + 12% H 2 O 33, 11, 893 83% RME + 17% H 2 O 3,9 1,3 899 73% RME + 27% H 2 O 27,6 9,2 99 Stanowisko hamowniane wyposaono m.in. w aparatur do pomiaru szybkozmiennych cinie w cylindrze silnika i w instalacji wtryskowej (AVL Indimeter), zestaw analizatorów spalin do pomiaru ste CO, THC, NO x, CO 2, O 2 (AVL CEB II) oraz urzdzenie do pomiaru zadymienia spalin. Dla wszystkich zastosowanych paliw wykonano pomiary przy tych samych obci- eniach silnika i sporzdzono charakterystyki obcieniowe dla dwóch prdkoci obrotowych wału korbowego silnika: 16 obr/min prdko obrotowa momentu maksymalnego i 22 obr/min prdko obrotowa mocy maksymalnej. Dodatkowo w wybranych punktach pracy silnika wykorzystano tunel rozcieczajcy do pomiaru emisji czstek stałych PM oraz system pomiarowy (AVL VideoScope) do wizualizacji przebiegu procesu wtrysku i spalania paliwa w komorze spalania silnika (rys. 1). System ten pozwala na archiwizacj obrazów rejestrujcych przebieg wtrysku i spalania paliwa z czstotliwoci,1 o kta obrotu wału korbowego [8]. Dla kadego kta obrotu wału korbowego wykonywano 1 powtórze pomiarów w celu dalszej obróbki statystycznej obrazów (okrelenia prawdopodobiestwa wystpowania wtrysku i/lub płomienia w danym miejscu komory spalania). Ponadto, za pomoc

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 363 metody dwu kolorów [8] okrelono rozkład izoterm w płomieniu dyfuzyjnym w funkcji kta obrotu wału korbowego. Rys. 1. Widok silnika badawczego z zamontowan aparatur do rejestracji i wizualizacji przebiegu procesu wtrysku i spalania paliwa. Fig. 1. Research engine equipped with measurement system enabling visualization of fuel injection and combustion process. Nastpnie zaprezentowano wyniki wpływu stosowanych paliw na toksyczno i zadymienie spalin, parametry energetyczne silnika oraz na maksymaln prdko narastania cinienia w cylindrze. W badaniach okrelono take pozostałe parametry wykresów indykatorowych, prdkoci wywizywania si ciepła oraz charakterystyki wtrysku paliwa. 3. Toksyczno spalin Na poniszych wykresach pokazano rezultaty przeprowadzonych pomiarów zadymienia spalin oraz emisji godzinowej i emisji jednostkowej czstek stałych PM. Zadymienie spalin mierzono w skali Bosch'a urzdzeniem AVL SmokeMeter. Dla prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min, praktycznie, w całym zakresie obcie zadymienie spalin wyranie maleje przy zwikszaniu zawartoci wody w paliwie (rys. 2).

364 K. Banot, K. Golec zadymienie spalin [ o B] 5 4 3 2 1 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O 1 2 3 4 5 6 p e [bar] Rys. 2. Zadymienie spalin w skali Bosch'a w funkcji redniego cinienia efektywnego p e przy prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min dla rónych zawartoci wody w paliwie. Fig. 2. Bosch smoke number with different fuels for several BMEP conditions at 22 rpm. Dla najwyszego obcienia przy tej prdkoci obrotowej (co odpowiada redniemu cinieniu efektywnemu p e = 5,1 bara) przeprowadzono równie pomiary emisji czstek stałych metod grawimetryczn z wykorzystaniem tunelu rozcieczajcego o czciowym przepływie spalin i próbkowaniem czciowym. Otrzymane wyniki (rys. 3) potwierdzaj korzystny wpływ zwikszania zawartoci wody w emulsji na obnienie emisji czstek stałych. Dla emulsji o udziale wody 12%, 17% i 27% uzyskano obnienie emisji czstek stałych o odpowiednio 14%, 45% i 63% w stosunku do zasilania silnika estrami metylowymi oleju rzepakowego, nie zawierajcymi wody. Prawdopodobnie jest to spowodowane wystpieniem zjawiska mikroeksplozji kropelek wody zawartych w kroplach emulsji paliwowo-wodnej. Zjawisko to polega na bardzo gwałtownym (prawie jednoczesnym w danej czci strugi) odparowaniu przegrzanych kropelek wody, które rozrywaj krople emulsji (mikroeksplozje). W ten sposób ulega poprawie jako rozpylenia paliwa (wzrasta kt i zasig strugi, a malej rozmiary kropel paliwa) oraz ronie szybko rozprzestrzeniania si płomienia. Mikroeksplozje powoduj, e przy zasilaniu emulsj proces spalania ulega skróceniu i jest gwałtowniejszy (wysza maksymalna prdko wywizywania ciepła, maksymalne cinienie spalania, przyrosty cinie) ni przy innych metodach wtrysku wody lub zasilaniu silnika samym paliwem [4, 9-11]. Na redukcj zadymienia spalin silnika zasilanego emulsj paliwowo-wodn wpływa zarówno poprawa rozpylenia paliwa w wyniku mikroeksplozji przegrzanych kropelek wody [9, 1], jak i obecno pary wodnej i obnienie temperatury spalania w strefach bogatych w paliwo pomidzy płomieniem a powierzchni kropel paliwa. Dotyczy to zwłaszcza reakcji w fazie gazowej, która w silnikach wysokoprnych ma decydujce znaczenie dla powstawania czstek stałych.

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 365 godzinowa emisja czstek stałych PM [g/h] 35 3 25 2 15 1 5 88% RME+12% H2O 83% RME+17% H2O 73% RME+27% H2O 2.1 1.8 1.5 1.2.9.6.3 jednostkowa emisja czstek stałych PM [g/kwh] Rys. 3. Wartoci emisji godzinowej i jednostkowej czstek stałych dla rónych zawartoci wody w paliwie przy prdkoci obrotowej 22 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e =5,1 bara. Fig. 3. Particulate Matter emission mass flow rate and specific emission at 22 rpm and BMEP = 5,1 bar with different fuels. Pomiarów ste gazowych składników spalin dokonywano za pomoc zestawu analizatorów AVL CEB II z wykorzystaniem grzanej drogi gazowej. Stenie tlenu mierzono analizatorem paramagnetycznym PMD, tlenku wgla i dwutlenku wgla analizatorem niedyspersyjnym na podczerwie NDIR, tlenków azotu analizatorem chemiluminescencyjnym HCLD z konwertorem NO 2 /NO, wglowodorów analizatorem płomieniowo-jonizacyjnym z grzan drog gazow HFID. Zmierzone stenie toksycznych składników spalin przeliczono na emisj godzinow i jednostkow [12]. Wartoci emisji godzinowej tlenków azotu dla paliw o rónej zawartoci wody przedstawiono w funkcji obcienia dla dwóch prdkoci obrotowych wału korbowego silnika na rysunkach 4 i 5. Zasilanie wodnymi emulsjami estrów metylowych oleju rzepakowego powoduje znaczne zmniejszenie emisji tlenków azotu NO x w stosunku do zasilania silnika paliwem nie zawierajcym wody. Przykładowo, przy prdkoci obrotowej 22 obr/min dla obcienia silnika (p e = 4,7 bara), przy którym emisja godzinowa NO x była najwysza, zasilanie emulsjami o udziale wody 12%, 17% i 27% spowodowało obnienie emisji NO x o odpowiednio 21%, 3% i 43%. Dla pozostałych obcie procentowe zmniejszenie emisji NO X było nawet wiksze (odpowiednio 33%, 36% i 5% przy p e = 5,1 bara). Równie dla prdkoci obrotowej 16 obr/min osignito podobn redukcj emisji tlenków azotu (rys. 5). Uzyskany stopie redukcji emisji NO x jest wyszy ni rezultaty zwykle uzyskiwane przez innych autorów przy zastosowaniu emulsji wody z olejem napdowym (gdzie na kady 1% zawartoci wody w emulsji uzyskiwano około 1% obnienie emisji NO x ) [4, 9, 11, 13-15]. Co ciekawe, w opublikowanych ostatnio wynikach bada silnika zasilanego emulsjami wody z estrami metylowymi oleju sojowego [16] nie stwierdzono istotnego zmniejszenia stenia tlenków azotu w spalinach.

366 K. Banot, K. Golec NO x [g/h] 35 3 25 2 15 1 5 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O 1 2 3 4 5 6 p e [bar] Rys. 4. Emisja godzinowa tlenków azotu NO x w funkcji redniego cinienia efektywnego p e przy prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min dla rónych zawartoci wody w paliwie. Fig. 4. Emission mass flow rate of nitrogen oxides NO x with different fuels for several BMEP conditions at 22 rpm. 35 3 25 NO x [g/h] 2 15 1 5 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O 1 2 3 4 5 6 7 p e [bar] Rys. 5. Emisja godzinowa tlenków azotu NO x w funkcji redniego cinienia efektywnego p e przy prdkoci obrotowej wału korbowego 16 obr/min dla rónych zawartoci wody w paliwie. Fig. 5. Emission mass flow rate of nitrogen oxides NO x with different fuels for several BMEP conditions at 16 rpm. Tak wysoka redukcja emisji NO x przy zasilaniu emulsjami jest wynikiem znacznego obnienia szczytowych lokalnych temperatur spalania (co doskonale wida na rysunku 11), przede wszystkim dziki odparowaniu wody zawartej w emulsji. Naley

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 367 podkreli, e dzieje si tak pomimo bardziej intensywnego przebiegu pocztku procesu spalania emulsji (rys. 8 i 9). Ten pozytywny efekt mona tłumaczy tym, e kropelki wody wtryskiwanej w postaci emulsji znajduj si bezporednio w strefie spalania paliwa. Ponadto rozcieczanie gazów w cylindrze przez par wodn obnia lokalne stenie tlenu [9]. Skutkuje to zmniejszeniem szybkoci termicznego formowania NO, która (wg rozszerzonego modelu Zeldowicza) zaley od stenia tlenu atomowego (pochodzcego głównie z dysocjacji czsteczek tlenu atmosferycznego) i zwiksza si wykładniczo ze wzrostem temperatury. 4. Parametry energetyczne silnika Pomiary zuycia paliwa prowadzono metod wagow. Pomidzy badanymi paliwami wystpuj znaczne rónice w godzinowym oraz jednostkowym zuyciu paliwa. Wynikaj one głównie z faktu, e emulsje wodno-paliwowe maj nisz warto opałow (woda nie ma wartoci opałowej) wzgldem czystego paliwa (tab. 1). Po odliczeniu iloci wody dodanej w postaci emulsji rónice w zuyciu paliwa s ju znacznie mniejsze. Najlepiej wida to na wykresie sprawnoci ogólnej o, poniewa uwzgldnia on rónice w wartociach opałowych poszczególnych paliw. Przebiegi sprawnoci ogólnej przy prdkoci obrotowej 22 obr/min dla badanych paliw o rónej zawartoci wody s zblione w zakresie obcienia silnika do p e = 4,7 bara (rys. 6). Natomiast ze wzrostem obcienia do p e = 5,1 bara sprawno ogólna silnika zasilanego emulsjami gwałtownie spada i jest wyranie nisza ni przy zasilaniu czystymi estrami metylowymi oleju rzepakowego. Moe by to spowodowane zwikszeniem czasu trwania wtrysku paliwa widocznym na rysunku 7. sprawno ogólna η o [-].28.26.24.22.2.18.16.14.12 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O 1 2 3 4 5 6 p e [bar] Rys. 6. Sprawno ogólna w funkcji redniego cinienia efektywnego p e przy prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min dla rónych zawartoci wody w paliwie. Fig. 6. Total efficiency with different fuels for several BMEP conditions at 22 rpm.

368 K. Banot, K. Golec 5. Przebieg wtrysku i spalania paliw Ze wzrostem zawartoci wody w paliwie spada jego warto opałowa. Dlatego zachodzi konieczno wtrynicia wikszej dawki paliwa dla zachowania tego samego obcienia silnika. Z drugiej strony, ze wzrostem zawartoci wody spada lepko emulsji. Oba te fakty z pewnoci wpływaj na wystpienie rónic w przebiegach wtrysku badanych paliw. Na podstawie zarejestrowanych (z rozdzielczoci 1 OWK) przebiegów cinienia wtrysku paliwa, wzniosu iglicy wtryskiwacza oraz cinienia w cylindrze wyznaczono przebiegi natenia wtrysku paliwa do komory spalania w funkcji kta obrotu wału korbowego. Przy wysokich prdkociach obrotowych i najwyszych obcieniach (22 obr/min i p e = 5,1 bara) przy zasilaniu emulsjami zaobserwowano przedłuenie czasu trwania wtrysku paliwa a o 3 OWK w stosunku do zasilania czystymi estrami metylowymi oleju rzepakowego. Jednoczenie zmienia si kształt przebiegu wtrysku (rys. 7). Przy stałym kcie pocztku wtrysku takie przedłuenie czasu trwania wtrysku jest jednoznaczne z opónieniem wtrysku paliwa (odpowiada to przesuniciu rodka pola pod wykresem natenia wtrysku w kierunku GMP). Najprawdopodobniej, wła- nie to jest powodem wyranie niszej sprawnoci ogólnej silnika zasilanego emulsjami ni przy zasilaniu czystymi estrami metylowymi oleju rzepakowego w tych warunkach pracy silnika (22 obr/min i p e = 5,1 bara). natenie wtrysku paliwa dq i /dα [mm 3 / OWK] 1 8 6 4 2 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O -3-2 -1 1 2 3 α [ OWK] Rys. 7. Przebiegi natenia wtrysku paliwa do komory spalania w funkcji kta obrotu wału korbowego dla rónych paliw przy prdkoci obrotowej 22 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e = 5,1 bara. Fig. 7. Fuel injection rate as a function of crank angle at 22 rpm and BMEP = 5,1 bar with different fuels.

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 369 Na podstawie analizy wykresów indykatorowych okrelono m.in. opónienie samozapłonu oraz maksymaln prdko narastania cinienia spalania i maksymalne cinienie w cylindrze silnika. Na rysunku 8 zaprezentowano przebiegi cinienia w komorze spalania w funkcji kta obrotu wału korbowego przy prdkoci obrotowej 22 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e = 5,1 bara. W zalenoci od uytego paliwa zmienia si opónienie samozapłonu, które dla estrów metylowych oleju rzepakowego wynosi 8 OWK a przy zasilaniu silnika 12%, 17% i 27% emulsj wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego zwiksza si odpowiednio do 1 OWK, 11 OWK i 14 OWK. 7 cinienie w cylindrze p c [bar] 6 5 4 3 2 1 88% RME+12% H2O 83% RME+17% H2O 73% RME+27% H2O -3-2 -1 1 2 3 α [ OWK] Rys. 8. Przebiegi cinienia w komorze spalania w funkcji kta obrotu wału korbowego dla rónych paliw przy prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e = 5,1 bara. Fig. 8. Cylinder pressure as a function of crank angle at 22 rpm and BMEP=5,1 bar with different fuels. Dodatek wody w postaci emulsji nie tylko zwiksza opónienie samozapłonu, ale i powoduje wyranie gwałtowniejszy przebieg pocztku spalania, o czym wiadcz m.in. rónice w maksymalnej prdkoci narastania cinienia w cylindrze silnika widoczne na wykresie (rys. 9). Towarzyszy temu wzrost maksymalnego cinienia spalania p c max od około 64 barów dla estrów metylowych oleju rzepakowego, poprzez 65 barów dla 12% i 17% emulsji, do 67 barów dla 27% emulsji. Jak wida, ze wzrostem zawartoci wody w paliwie wyranie ronie twardo pracy silnika.

37 K. Banot, K. Golec max. prdko narastania cinienia w cylindrze silnika dp c max [bar/ OWK] 1 8 6 4 2 88% RME + 12% H2O 83% RME + 17% H2O 73% RME + 27% H2O 1 2 3 4 5 6 p e [bar] Rys. 9. Maksymalna prdko narastania cinienia w komorze w funkcji redniego cinienia efektywnego p e przy prdkoci obrotowej wału korbowego 22 obr/min dla rónych zawartoci wody w paliwie. Fig. 9. Maximum rate of cylinder pressure rise with different fuels for several BMEP conditions at 22 rpm. Rysunki 1 i 11 przedstawiaj obrazy płomieni w komorze spalania oraz wyniki ich obróbki i analizy zarejestrowane dla kta obrotu wału korbowego odpowiadajcego maksymalnemu cinieniu spalania. Jest to szczególnie istotny okres procesu spalania, poniewa włanie wtedy wystpuj lokalnie najwysze temperatury w strefach popłomiennych, co decyduje o iloci powstajcych tlenków azotu. Kt obrotu wału korbowego pmax, przy którym wystpuje maksymalne cinienie spalania, jest zbliony dla wszystkich badanych paliw i wynosi około 5 OWK po GMP. Pomiarów wizualizacyjnych dokonywano przy prdkoci obrotowej 16 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e = 4 bary. W tej czci procesu spalania obserwujemy płomie dyfuzyjny. Mona take zauway cz denka tłoka. Obszar komory spalania objty płomieniem o wysokiej intensywnoci jest zdecydowanie najwikszy przy zasilaniu paliwem, nie zawierajcym wody. Dla emulsji o zawartoci 12 % wody, a zwłaszcza dla emulsji o zawartoci 27% wody płomie jest mniej intensywny i obejmuje mniejszy obszar obserwowanej czci komory spalania.

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 371 88% RME+12% H2O 73% RME+27% H2O Rys. 1. Widok czci komory spalania dla kta obrotu wału korbowego odpowiadajcego maksymalnemu cinieniu spalania pmax (n = 16 obr/min, p e = 4 bary). Fig. 1. View of combustion chamber at crank angle of maximum cylinder pressure pmax (n = 16 rpm, BMEP = 4 bar). Wykorzystujc specjaln metodyk pomiaru i oprogramowanie okrelono rozkład izoterm w płomieniu dyfuzyjnym w funkcji kta obrotu wału korbowego na podstawie metody dwu kolorów [8, 17]. Na rysunku 11 przedstawiono rozkład temperatur w obserwowanej czci komory spalania dla kta obrotu wału korbowego odpowiadajcego maksymalnemu cinieniu spalania. Metoda ta opiera si na analizie widma promieniowania płomienia dyfuzyjnego i umoliwia wyznaczenie rozkładu temperatur w komorze spalania pod warunkiem, e s one wysze ni 18 K. W badanym przypadku ze wzgldu na stosunkowo niskie obcienia (rednie cinienie efektywne p e = 4 bary) temperatury tylko nieznacznie przewyszały 18 K. Jednak porównujc wielko obszaru komory spalania objtego płomieniem o temperaturze powyej 18 K bardzo wyranie wida, e zastosowanie emulsji wody

372 K. Banot, K. Golec z estrami metylowymi oleju rzepakowego powoduje zdecydowane obnienie maksymalnych lokalnych temperatur - tym wiksze im wikszy udział wody w emulsji. W efekcie uzyskujemy znaczne zmniejszenie emisji NO x w spalinach (dla emulsji o zawartoci 27% wody redukcja emisji NO x w tych warunkach pracy silnika wyniosła ponad 5% w stosunku do czystych estrów metylowych oleju rzepakowego). 88% RME+12% H2O 73% RME+27% H2O Rys. 11. Rozkład temperatur w płomieniu (powyej 18 K) dla kta obrotu wału korbowego odpowiadajcego maksymalnemu cinieniu spalania pmax (n = 16 obr/min, p e = 4 bary). Fig. 11. Flame temperature distribution (above 18 K) at crank angle of maximum cylinder pressure pmax (n = 16 rpm, BMEP = 4 bar). 6. Podsumowanie Silnik zasilano estrami metylowymi oleju rzepakowego RME oraz emulsjami RME z wod wytwarzanymi za pomoc mieszalnika helikoidalnego. Zawarto wody w emulsji wynosiła 12%, 17% lub 27% w stosunku wagowym.

Wpływ zasilania emulsjami wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego 373 Dla wszystkich zastosowanych paliw wykonano pomiary przy tych samych obcieniach silnika i sporzdzono charakterystyki obcieniowe dla dwóch prdkoci obrotowych: 16 obr/min prdko obrotowa momentu maksymalnego i 22 obr/min prdko obrotowa mocy maksymalnej. Ze wzrostem zawartoci wody w paliwie zwiksza si opónienie samozapłonu oraz przebieg pocztku spalania staje si gwałtowniejszy - ronie maksymalna prdko narastania cinienia w cylindrze silnika. Towarzyszy temu wzrost maksymalnego cinienie spalania. Naley podkreli, e pomimo bardziej intensywnego przebiegu pocztku procesu spalania, zasilanie emulsjami wody z RME powoduje znaczne zmniejszenie emisji tlenków azotu NO x w stosunku do zasilania silnika estrami metylowymi oleju rzepakowego nie zawierajcymi wody. W całym zakresie obcie dla obu badanych prdkoci obrotowych (16 obr/min i 22 obr/min) stwierdzono znaczn redukcj emisji tlenków azotu NO x. Przykładowo, przy prdkoci obrotowej 22 obr/min dla obcienia silnika (p e = 4,7 bara), przy którym emisja godzinowa NO x była najwysza, zasilanie emulsjami o udziale wody 12%, 17% i 27% spowodowało obnienie emisji NO X o odpowiednio 21%, 3% i 43%. Pomiary wizualizacyjne przeprowadzone przy prdkoci obrotowej 16 obr/min i rednim cinieniu efektywnym p e = 4 bary potwierdzaj, e przy wzrocie zawartoci wody w paliwie znacznie obniaj si wartoci maksymalne temperatury wystpujcej lokalnie w komorze spalania, co ma bezporedni wpływ na powstawanie tlenków azotu podczas procesu spalania. Dla prdkoci obrotowej 22 obr/min praktycznie w całym zakresie obcie zadymienie spalin wyranie maleje wraz ze wzrostem zawartoci wody w paliwie Dla najwyszego obcienia przy tej prdkoci obrotowej (co odpowiada redniemu ci- nieniu efektywnemu p e = 5,1 bara) przeprowadzono równie pomiary emisji czstek stałych metod grawimetryczn. Otrzymane wyniki potwierdzaj korzystny wpływ zawartoci wody w paliwie. Dla emulsji o udziale wody 12%, 17% i 27% uzyskano obnienie emisji czstek stałych o odpowiednio 14%, 45% i 63% w stosunku do zasilania silnika paliwem RME nie zawierajcym wody. Zasilanie silnika o zapłonie samoczynnym paliwami rolinnymi jest sposobem na zmniejszenie emisji CO 2 poprzez skrócenie czasu cyrkulacji wgla w przyrodzie. Dziki zastosowaniu emulsji wody z estrami metylowymi oleju rzepakowego RME mona uzyska nie tylko obnienie emisji dwutlenku wgla CO 2, ale take znaczne jednoczesne zmniejszenie emisji tlenków azotu NO x oraz czstek stałych PM w szerokim zakresie obcie silnika. Literatura [1] SZLACHTA Z.: Zasilanie silników wysokoprnych paliwami rzepakowymi. WKŁ, Warszawa 22. [2] BOCHESKI C.: Biodiesel - paliwo rolnicze. Wydawnictwo SGGW, Warszawa 23. [3] CISEK J.: Badanie wpływu procesu rozpylania i spalania paliwa w silniku wysokoprnym za pomoc metod optyczno-cyfrowych na emisj toksycznych składników spalin. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 8 T12D 35 2. Politechnika Krakowska, Kraków 21. [4] VELJI A., REMMELS W., SCHMIDT R. M.: Water to reduce NO x Emissions in Diesel engines. A basic study. 21 st International Congress On Combustion Engines CIMAC, Interlaken 1995.

374 K. Banot, K. Golec [5] MERKISZ J., PIASECZNY L.: Wpływ zasilania emulsj paliwowo-wodn na toksyczno i wskaniki pracy okrtowego, rednioobrotowego silnika spalinowego. Journal of KONES 21, nr 3-4, 21. [6] DŁUSKA E., HUBACZ A. N., HUBACZ R., WROSKI S.: Wytwarzanie emulsji olejowo-wodnej w aparacie helikoidalnym. Czasopismo Techniczne Mechanika, z. 5-M/23, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 23. [7] DYLG M., KAMIESKI J., WÓJTOWICZ R.: Badania wpływu nowego sposobu wytwarzania emulsji paliwowo-wodnej na parametry ekologiczne i energetyczne silnika wysokoprnego. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 5 T12D 33 25. Politechnika Krakowska, Kraków 25. [8] CISEK J.: Options for the analysis of fuel injection using visual digitized methods. Journal of Middle European Construction and Design of Cars, Nr 3, September 24. [9] MURAYAMA T., MORISHIMA Y., TSUKAHARA M., MIYAMOTO N.: Experimental reduction of NO x, smoke and BSFC in a diesel engine using uniquely produced water (-8%) to fuel emulsion. SAE Paper, 78224. [1] SHENG H. Z., CHEN L., WU C. K.: The droplet group micro-explosions in W/O diesel fuel emulsion sprays. SAE Paper, 95855. [11] TSUKAHARA M., YOSHIMOTO Y., MURAYAMA T.: W/O emulsion realizes low smoke and efficient operation of DI engines without high pressure injection. SAE Paper, 89449. [12] ISO 8178-1 Test bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions from RIC engines. ISO. Frankfurt 1992. [13] Impacts of Lubrizol s PuriNOx water/diesel emulsion on exhaust emissions from heavy-duty engines. Draft Technical Report, EPA 42-P-2-7, 22. [14] BEER T., GRANT T., OLARU D., WATSON H.: Comparative assessment of Shell Aquadiesel. Report HD9A/2/F3.6X to The Shell Company of Australia Limited, Australian Greenhouse Office, 23. [15] BANOT K.: Wykorzystanie wody w strefie spalania oleju napdowego dla obnienia emisji NO x w silniku wysokoprnym. KONMOT-AUTOPROGRES, Zakopane. Czasopismo Techniczne. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, z. 6-M/24, Kraków 24. [16] LIN C. Y., LIN H. A.: Engine performance and emission characteristics of a three-phase emulsion of biodiesel produced by peroxidation. Fuel Procesing Technology 88, Elsevier 27. [17] MIYAMOTO N., OGAWA H., WANG J., OHASHI H.: Significant NO x reductions with direct water injection into the sub-chamber of an IDI diesel engine. SAE Paper, 9569. Impact of fuelling with water/rme emulsions on performance and emissions of diesel engine S u m m a r y Research results of a HD diesel engine fuelled with rapeseed oil methyl ester and with its water emulsions of 12%, 17% and 27% mass water content are presented in this paper. The test engine was operated at two constant speeds (16 rpm and 22 rpm) and several selected load conditions. The impact of emulsions on the NO x and particulate matters emissions, smoke and fuel consumption was investigated. Additionally, the maximum rate of cylinder pressure rise was calculated from the indicator diagram. Fuel injection and combustion processes were observed and analysed with endoscopes and digital camera. The temperature distribution in the combustion chamber was analysed quantitatively with the two-colour method.