INFLUENCE OF WATER-FUEL EMULSION SUPPLY ON SMOKING OF SHIP S COMBUSTION ENGINE

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4 INFLUENCE OF WATER-FUEL EMULSION SUPPLY ON SMOKING OF SHIP S COMBUSTION ENGINE Leszek Piaseczny Ryszard Zadrąg Akademia Marynarki Wojennej Instytut Technicznej Eksploatacji Okrętów Ul. inż. J. Śmidowicza 69,81-103 Gdynia tel. (58) 626-28-92, fax 626-25-03, e-mail: lpias@amw.gdynia.pl Abstract Delivery of water to cylinders is one of the basic ways of limitation of nitrogen oxides concentration in exhausts gases from the SI engine and is justified in many published results of researches. In effect of engine s supply by fuel-water emulsion, simultaneously with decrease of nitrogen oxides, the changes of concentration of hydrocarbons, carbon oxides, solid particles, and changes of basic engine s working coefficients determining its performance and load of crank and cylinder-piston set. In article, the results of researches of water delivery, in form of fuel-water emulsion to cylinders on changes of exhausts blackening; so on the changes in emission of solid particles in exhausts were introduced. In addition, the influence of emission composition and way of its preparation were taken into consideration. WPŁYW ZASILANIA EMULSJĄ PALIWOWO-WODNĄ NA DYMIENIE OKRĘTOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Dostarczanie wody do cylindrów jest jednym z podstawowych sposobów ograniczania stężenia tlenków azotu w spalinach wylotowych silnika ZS i znajduje uzasadnienie w publikowanych wynikach badań. W następstwie zasilania silnika emulsją paliwowo-wodną, jednocześnie ze zmniejszeniem tlenków azotu, występują zmiany stężenia węglowodorów, tlenków węgla, cząstek stałych, a także zmiany podstawowych wskaźników pracy silnika determinujących jego osiągi i obciążenie elementów układów korbowych i cylindrowo-tłokowych. W pracy przedstawiono wyniki badania wpływu dostarczania wody w postaci emulsji paliwowo-wodnej do cylindrów na zmianę zaczernienia spalin, a tym samym zmiany emisji cząstek stałych w spalinach wylotowych, przy czym rozważaniom poddano zarówno wpływ składu emulsji, jak i sam sposób jej wytwarzania. 1. Wstęp Jednym z czynników, które determinują dalszy rozwój silników spalinowych, w tym również silników okrętowych, są wciąż zaostrzane kryteria emisji toksycznych składników spalin. Na podstawie analiz dotychczas produkowanych silników o zapłonie samoczynnym i perspektyw ich rozwoju można stwierdzić, że emisja cząstek stałych stanowić będzie barierę ich dalszego rozwoju i dlatego punkt ciężkości badań nad obniżeniem toksyczności spalin silników ZS przesunął się na badanie zjawisk towarzyszących tworzeniu się cząstek stałych i możliwości obniżenia ich emisji. Jedną z dróg zapewniających spełnienie coraz ostrzejszych w tym zakresie wymagań stawianych przed silnikiem jest stałe doskonalenie procesu spalania w całym zakresie pracy silnika, nie wyłączając stanów nieustalonych i związanych z nimi procesów przejściowych. Poziom emisji pochodzący ze wspomnianych stanów nabiera szczególnego znaczenia w sytuacji, kiedy proces użytkowania silnika charakteryzuje się dużą częstością zmian obciążenia. Właśnie w takich szczególnych warunkach pracuje większość silników napędu głównego okrętów wojennych [1]. Według publikowanych danych efekt oddziaływania na proces spalania w zależności od

zastosowanych sposobów podawania wody do cylindra jest zróżnicowany, przy czym występują różne oceny tych sposobów [4]. Zdaniem autorów jednym ze sposobów czynnego i w pełni kontrolowanego oddziaływania na proces spalania w cylindrze, jednocześnie przy występowaniu efektu największej redukcji NO x, jest stosowanie emulsji paliwowo-wodnych. Dzieje się tak, dlatego, ponieważ dzięki wtryskowi emulsji paliwowo-wodnej woda pochodząca z emulsji dostarczana jest do strefę płomienia w cylindrze, czyli do obszaru, w którym bezpośrednio tworzą się tlenki azotu [2]. W literaturze występują natomiast ograniczone i niejednoznaczne informacje dotyczące wpływu zasilania emulsją na zmiany innych związków toksycznych, sprawności, czy też obciążenia podstawowych elementów silnika. Na przykład, istnieje ogólny pogląd wynikający z podstaw teoretycznych, że w wyniku zastosowania emulsji może nastąpić spadek sprawności silnika. W porównaniu z czystym paliwem w emulsji następuje obniżenie energii odniesionej do jednostki objętości mieszaniny wtryskiwanej do cylindra, w związku z czym przy określonym stanie obciążenia rośnie dawka. Zwiększają się przez to straty mechaniczne związane z tłoczeniem emulsji do cylindrów silnika. W efekcie wzrost strat mechanicznych oraz cieplnych związanych z odparowaniem wody może wpłynąć na zmniejszenie sprawności ogólnej silnika (zarówno sprawności wewnętrznej, jak i mechanicznej). Jednocześnie jednak publikowane są wyniki badań [3], podczas których stwierdzono, że przy 20 % zawartości wody w emulsji jednostkowe zużycie paliwa zmalało o 2 %. Powyższe uwagi były inspiracją do przeprowadzenia badań określających w miarę możliwości szeroki wpływ zastosowania emulsji na toksyczność i podstawowe wskaźniki pracy silnika. W pracy autorzy dają odpowiedź, w jakim stopniu zarówno skład emulsji, jak i sam sposób jej wytwarzania wpływają na zmiany zaczernienia spalin, a tym samym zmiany emisji cząstek stałych w spalinach wylotowych. 2. Badania własne W ramach projektu badawczego 9T12D 006 13[4] przeprowadzono eksperyment mający na celu ilościowe określenie wpływu zasilania emulsją paliwowo-wodną na dymienie okrętowych silników spalinowych. Z uwagi na pozostający w zainteresowaniu autorów wpływ stanów nieustalonych na pracę silnika, badania silnikowe na obiekcie rzeczywistym przeprowadzono w dwóch etapach. Pierwszy etap obejmował określenie wpływu zmian charakterystyki śrubowej spowodowanych zmianami warunków pływania na zmiany zaczernienia spalin. W drugim etapie natomiast przeprowadzono badanie wpływu zasilania emulsją paliwowo-wodną na zaczernienie spalin, przy czym badania przeprowadzono w stanach ustalonych i nieustalonych. Oba etapy badań łączą się wzajemnie. Przeprowadzenie etapu pierwszego miało na celu poznanie charakteru zmian zadymienia, która to wiedza z kolei wykluczałaby błędy przy interpretacji wyników badań etapu drugiego, czyli zasilania silnika emulsją paliwowo-wodną. Badania przeprowadzono na stanowisku hamownianym silnika Sulzer typu 6AL20/24. Pomiaru zadymienia dokonano za pomocą dymomierza optycznego DO-9500 firmy Radiotechnika Polska. Jednocześnie prowadzono rejestrację pozostałych związków toksycznych spalin przy wykorzystaniu analizatora MEXA-9000 firmy Horiba. Dzięki zastosowaniu komputerowego systemu rejestracji i archiwizacji danych [5,6] pomiaru emisji związków toksycznych oraz pozostałych parametrów energetycznych silnika dokonano w czasie rzeczywistym (rys.1). Założona częstość próbkowania wynosiła jedną sekundę. Etap pierwszy badań polegał na pomiarach zadymienia spalin podczas pracy silnika według charakterystyki śrubowej, która to określa zależność rozwijanej i zapotrzebowanej mocy (momentu obrotowego) od prędkości obrotowej wału korbowego. Wiadomo, że w przypadku silników okrętowych, warunki zewnętrzne (rozumiane tutaj jako: stan morza, siłę i kierunek wiatru, głębokość akwenu, wyporność okrętu i stan porastania kadłuba) powodujące

zmianę oporów ruchu kadłuba, determinującą zmianę obciążenia silnika KOMPUTER NADRZ ĘDNY Administracja, wizualizacja, analiza danych M3 Pomiar przebiegu ciśnień spalania KOMPUTER STERUJ ĄCY PROCESEM Rejestracja i zapamiętywanie danych 2 M1 Pomiar ciągły parametrów pracy silnika (temperatury, ciśnienia wody chłodzącej i oleju), pomiar momentu hamulca 3 1 M4 Pomiar emisji zwią toksycznych zków M2 Pomiar przep ływów powietrza, wody chłodzącej silnik i ch łodnicę powietrza, paliwa i oleju smarowego Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego silnika Sulzer typu 6AL20/24 [6]: 1 zawór sterujący stopniem recyrkulacji, 2 zawór dławiący wylot spalin, 3 miejsce poboru próbek, M1-M4 moduły komputerowego systemu rejestracji i archiwizacji danych Fig. 1. Diagram of measuring position of Sulzer type 6AL20/24 engine [6]: 1 recirculation steering valve, 2 exhausts choking valve, 3 point of sampling, M1-M4 computer system modules of registration and data filing Zamysł odwzorowania zmian warunków zewnętrznych na stanowisku badawczym zrealizowano następująco: dla ustalonej prędkości obrotowej obciążano silnik różnym momentem na hamulcu wodnym. Na rys. 2 przedstawiono porównanie stężeń sadzy dla dwóch charakterystyk, przy czym charakterystyka uzyskana przy większych wartościach momentu odwzorowuje pogorszone warunki pływania. Z przebiegu krzywych przedstawiających stężenia sadzy dla tych dwóch charakterystyk można wnioskować, że znaczne szybszy wzrost dymienia następuje dla charakterystyki pogorszone warunki pływania, co spowodowane jest gwałtowniejszym zmniejszeniem się współczynnika nadmiaru powietrza λ przy zwiększonej dawce paliwa. Przebieg zmian stężenia wykazuje dwa ekstrema, to jest: w okolicy n = 600 obr/min i n = 700 obr/min. Należy to tłumaczyć przebiegiem charakterystyki ładowania. Powyżej n = 600 obr/min wzrasta prędkość obrotowa turbosprężarki, a co za tym idzie dostarczenie większej masy powietrza, w związku z tym korzystniejszy stosunek paliwowo-powietrze i w konsekwencji spadek stężenia sadzy przy około n = 710 obr/min. Wraz ze wzrostem n i P e następuje drugie ekstremum funkcji stężenia sadzy, spowodowane wzrostem dawki paliwa przy niewielkim wzroście λ. Podobnie przebieg ma charakterystyka normalne warunki pływania, jednak zmiany wartości nie następują tak gwałtownie jak dla pogorszonych warunków pływania. Prawdopodobnie jest to spowodowane łagodniejszą charakterystyką zmian współczynnika nadmiaru powietrza. Analizując przebieg zmian stężenia sadzy według charakterystyki śrubowej można wyróżnić dwa obszary najbardziej korzystne z uwagi na najmniejszą emisję sadzy, to jest

obszar małych mocy (do około 500 550 obr/min) oraz mocy dużych (około 700 obr/min). Oczywiście dotyczy to pływania w warunkach obciążeń ustalonych. 0.065 0.060 normalne warunki pływania pogorszone warunki pływania 0.055 0.050 P. 4 P. 5 P. 7 0.045 P. 6 c PM [g/m 3 ] 0.040 0.035 0.030 0.025 P. 3 0.020 P. 1 P. 2 0.015 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 n [obr/min] Rys. 2. Stężenia sadzy w funkcji prędkości obrotowej przy różnych wartościach charakterystyki śrubowej silnika Sulzer typu 6AL20/24 Fig. 2. Soot concentrations as a function of rotation speed at different values of screw characteristic of the Sulzer of type 6AL20/24 engine. Drugi etap badań polegał na pomiarze zadymienia spalin przy zasilaniu silnika emulsją paliwowo-wodną. Silnik podobnie jak w etapie pierwszym obciążany był według charakterystyki śrubowej. Do zasilania silnika użyto emulsji paliwowo-wodnej o stężeniu wody 10% i 20%. Emulsję wytwarzano w urządzeniu własnej konstrukcji, którego schemat przedstawiono na rys. 3. Głównym elementem urządzenia jest cylinder o odpowiednio dobranej średnicy, przez który, za pomocą pompy transportowej, przepływa początkowo czyste paliwo, później zaś wytworzona emulsja paliwowo-wodna. Wiadomym jest, że do wytworzenia trwałej emulsji niezbędne jest dostarczenie odpowiednio dużej energii mieszania. We wspomnianym urządzeniu wykorzystano energię wtrysku pompy paliwowej wysokiego ciśnienia, która poprzez standardowe wtryskiwacze podawała wodę destylowaną w odpowiedniej ilości do cylindra. Dzięki zastosowanemu urządzeniu uzyskiwano stosunkowo trwałą emulsję paliwowo-wodną o dużej powtarzalności składu, możliwym było również stosowanie regulacji dostarczanej energii mieszania poprzez zmianę ciśnienia wtrysku wody oraz zmianę prędkości obrotowej pompy wysokiego ciśnienia. Jak wcześniej wspomniano, do zasilania silnika wykorzystano 10 i 20-procentową emulsję paliwowo-wodną wytwarzaną przy ciśnieniu wtrysku wody 15 MPa oraz 20 MPa. Wyniki badań etapu drugiego badań przedstawiono na rys. 4. W trakcie badań zaobserwowano niekorzystne zjawisko polegające na wzroście dawki przy określonym stanie obciążenia, ponieważ w porównaniu z czystym paliwem w emulsji następuje obniżenie energii odniesionej do jednostki objętości mieszaniny wtryskiwanej do

cylindra. Przyrost dawki przy dużych obciążeniach był tak duży, że przekraczał wydajność stosowanej w badaniach standardowej aparatury paliwowej. W wyniku tego obserwowano realny spadek mocy silnika. Fakt ten spowodował, że w badaniach jako maksymalne obciążenie silnika przyjęto obciążenie odpowiadające 0,75T tq. PALIWO PWC M PALIWO / EMULSJA CYLINDER PT Rys. 3. Schemat urządzenia do wytwarzania emulsji paliwowo-wodnej, PWC pompa wysokiego ciśnienia, PT pompa transportowa, M. silnik prądu stałego Fig.3. Diagram of device for fuel-water emulsion production,pwc - high-pressure pump, PT - forwarding pump, M. direct current engine 0.055 0.050 0.045 czyste paliwo emulsja 20% (20MPa) emulsja 10% (20MPa) emulsja 20% (15MPa) emulsja 15% (15MPa) 0.040 c PM [g/m 3 ] 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 350 400 450 500 550 600 650 700 n [obr/min] Rys. 4. Stężenia sadzy jako funkcja prędkości obrotowej przy zasilaniu emulsją paliwowo- wodną silnika Sulzer typu 6AL20/24 Fig.4. Soot concentration as a function of rotation speed at water-fuel emulsion supply of the Sulzer type 6AL20/24 engine

Wpływ wody zawartej w emulsji paliwowo-wodnej na proces spalania w cylindrze polega na redukcyjnym jej oddziaływaniu na stężenia związków toksycznych w spalinach. Jednocześnie z ograniczeniem stężenia NO x występuje, co ciekawe, również zmiana stężenia produktów niezupełnego i niecałkowitego spalania paliwa, czyli CO i HC. W przypadku HC występuje istotny wpływ emulsji na ich stężenie przy niskim obciążeniu silnika momentem obrotowym. Ze wzrostem obciążenia i występującej w cylindrach temperatury spalania wpływ emulsji na stężenie HC stopniowo maleje i przy momencie równym 3 knm praktycznie nie ma żadnego znaczenia. Zaobserwowane zmiany stężenia sadzy mają bardzo podobny charakter do zmian stężenia CO, przy czym uzyskane wyniki badań mogą być dyskusyjne. Bowiem zgodnie z klasyczną teorią procesu spalania zmniejszenie wartości temperatury na skutek doprowadzenia wody do cylindra spowodować powinno pogorszenie warunków spalania paliwa, w efekcie, czego należy oczekiwać wzrostu zawartości niezupełnie spalonych cząsteczek węgla w spalinach wylotowych silnika. Jak wynika z analizy rys. 4 zastosowanie emulsji paliwowo-wodnej powoduje zmniejszenie stężenia sadzy, przy czym zależy ono od wartości momentu obrotowego silnika. Początkowo efekt redukcyjny jest niewielki, następnie wraz z momentem rośnie. Największy efekt redukcyjny zaobserwowano dla momentu o wartości 2,6 kn m. Wraz z dalszym jego zwiększaniem oddziaływanie redukcyjne emulsji zaczyna maleć. Co ciekawe również, największy efekt redukcji stężenia sadzy uzyskano dla emulsji 10% wytwarzanej przy wtrysku wody 15 MPa. Zaobserwowano blisko 50% efekt redukujący, który przy zastosowaniu emulsji 20% wynosił około 20%. Przebieg zmian stężenia sadzy można zinterpretować przy pomocy teorii Meurer`a. Zgodnie z tą teorią jakość wymieszania paliwa z powietrzem w cylindrach silnika (jednorodność mieszanki) nie eliminuje całkowicie możliwości powstawania zakłóceń w spalaniu, które są związane ze zjawiskami chemicznymi, oddziałującymi na przebieg spalania. W silniku ZS podczas mieszania się stosunkowo chłodnego paliwa z gorącym powietrzem następuje rozluźnienie powiązań C-C i C-H wskutek działania wysokiej temperatury. Wywołuje to rozpad cząsteczek, który ułatwia samozapłon oraz powoduje powstawanie reszt bogatych w węgiel i innych składników trudno ulegających utlenieniu. Szybkie przereagowanie tych reszt jest możliwe tylko za pomocą (w obecności) katalizatora, jakim jest para wodna. To działanie katalityczne zachodzi tylko wówczas, gdy para wodna znajduje się w bliskim (bezpośrednim) sąsiedztwie cząsteczek węgla. Dostarczanie więc wody razem z paliwem powoduje przyspieszenie spalania węgla. W normalnych warunkach zasilania czystym olejem napędowym, spalanie w silniku ZS przebiega przy bardzo szybkim spalaniu wodoru i powolniejszym spalaniu węgla pociągającym za sobą straty związane z dopalaniem i niezupełnym spaleniem paliwa w procesie rozprężania. Jak już wspomniano w zainteresowaniu autorów pozostaje wpływ stanów nieustalonych na pracę silnika, toteż dzięki wykorzystaniu komputerowego systemu rejestracji i archiwizacji danych pomiarowych była możliwa ciągła rejestracja zmian stężenia sadzy podczas trwania stanów przejściowych i towarzyszących im procesów przejściowych. Zmiany te przedstawiono na rys. 5. Przedstawiono na nim zmianę stężenia sadzy w wyniku wystąpienia stanu nieustalonego, wywołanego zmianą momentu obrotowego z 0,63T tq do 0,75T tq (przejście po charakterystyce śrubowej z punktu pracy P4 do punktu P5 rys. 2). W momencie wystąpienia stanu nieustalonego prędkość obrotowa gwałtownie maleje, natomiast dawka paliwa rośnie. W wyniku tego na następuje gwałtowny przyrost stężenia wszystkich związków toksycznych, w tym również stężenia sadzy. Z danych zebranych podczas badań wynika, że proces zmian prędkości obrotowej stabilizuje się około 100 obiegach. Natomiast znacznie dłuższy czas stabilizacji następuje w przypadku stężenia HC i CO, wynosi on odpowiednio 450 i 480 obiegach. Najdłuższy okres stabilizacji występuje przy stężeniu NO x, kiedy to stabilizacja

następuje po około 550 obiegach. W przypadku stężenia sadzy, jak wynika z analizy rys. 5, czas ten jest stosunkowo krótki. Gwałtowny przyrost stężenia trwa około 180 obiegów, natomiast pełna stabilizacja następuje po około 390 obiegach. 0.060 0.055 0.050 czyste paliwo emulsja 20% (20MPa) emulsja 10% (20MPa) emulsja 20% (15MPa) emulsja 10% (15 MPa) c PM [g/m 3 ] 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025-20 0 20 40 60 80 100 120 140 t [s] Rys. 5. Stężenia sadzy podczas stanu nieustalonego i procesu przejściowego silnika Sulzer typu 6AL20/24 Fig. 5. Soot concentrations during unstable state and transformation process of the Sulzer type 6AL20/24 engine 3. Podsumowanie Wyniki badań świadczą o istotnym oddziaływaniu redukcyjnym emulsji paliwowo-wodnej na stężenie sadzy, co potwierdziło prawidłowość przyjętej koncepcji badań. Najlepszy, bo blisko 50%, efekt redukcyjny uzyskano dla emulsji 10% wytwarzanej przy wtrysku wody 15 MPa. Ogólnie można stwierdzić, że ze względu na osiągi i obciążenie podstawowych elementów konstrukcyjnych, doprowadzenie wody do cylindrów w postaci emulsji paliwowo-wodnej należy do najkorzystniejszych sposobów redukowania związków toksycznych zawartych w spalinach wylotowych silnika ZS. Oczywiście uzyskane wyniki należy traktować jako wstępne, bo tak w istocie przez autorów były traktowane. Miały one zapewnić przede wszystkim materiał do dalszych prac mających na celu optymalizację samego procesu wytwarzania, jak również sterowania składem emulsji w zależności od aktualnego obciążenia silnika. Autorzy mają również świadomość niskiej dokładności pomiarów wykonywanych pomiarów przy pomocy dymomierza optycznego z uwagi na fakt nieuwzględnienia frakcji rozpuszczalnych. Ma to istotne znaczenie w sytuacji, kiedy mamy do czynienia z niewielkimi

stężeniami sadzy. Literatura [1] Bergier T., Piaseczny L.: Zakres i warunki badań emisji związków toksycznych w spalinach silników tłokowych napędu głównego okrętów. Zeszyty Naukowe AMW nr 1(136), Gdynia 1998. [2] Velji A., Remmels W., Schmidt R. M.: Water to reduce NOx emissions in diesel engines a basic study. CIMAC, Interlaken 1995. [3] Masłow W. W.: Sowremiennyje mietody sniżenija sodierżanija wriednych wieszczestw w otrabotannych gazach sudowych dizelej. Sudostrojenije nr 8 9 1995. [4] Metody ograniczenia emisji związków toksycznych tłokowych silników spalinowych eksploatowanych w siłowniach okrętowych. Sprawozdanie z realizacji projektu badawczego nr 9T12D 006 13. AMW, Gdynia 2000. [5] Piaseczny L., Zadrąg R.: Stanowisko do realizacji kompleksowych pomiarów cieplnych i do badania emisji związków toksycznych w spalinach wylotowych. Międzynarodowa Konferencja, Silniki w zastosowaniach wojskowych, SILWOJ 99, WAT AMW, Jurata 1999. [6] Piaseczny L., Kniaziewicz T., Zadrąg R.: System pomiaru emisji związków toksycznych w spalinach wylotowych okrętowych silników spalinowych. XXIII Sympozjum Siłowni Okrętowych, AM, Gdynia 2002. [7] Paro D.: The Smokeless Engines. Marine News nr 1 2000, Wartsila NSD Corporation.