Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego do zastosowań w układzie mchp G. Przybyła, A. Szlęk Politechnika Śląska w Gliwicach Instytut Techniki Cieplnej gprzybyla@polsl.pl
Zastosowanie gazów niskokalorycznych w silnikach ZI Przeprowadzone badania pozwolą odpowiedzieć na pytanie: Jak kształtują się wartości energetycznych oraz ekologicznych wskaźników pracy silnika spalinowego ZI (typowo zasilanego paliwem wysokokalorycznym) zasilanego gazem niskokalorycznym bez modyfikacji komory spalania, - dla zmiennej wartości opałowej mieszanki gazowej, - w zakresie spalania mieszanek ubogich (stosunek nadmiaru powietrza λ>1 lub stosunek równoważności φ<1) Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 2
Paliwa gazowe do silników spalinowych - wiadomości ogólne LCV gas rodzaj gazu lub mieszaniny gazów, którego wartość opałowa wynosi poniżej 30 MJ/Nm 3. Typowo gazowe silniki spalinowe zasilane są paliwem o wartości opałowej ok. 35 MJ/Nm 3 (gaz ziemny) lub więcej. LHV, MJ/Nm 3 120 105 90 75 60 45 30 15 0 Biogas 21.5 Natural gas 35.3 Producer gas 6.2 Propane 118.6 91 Butane Hydrogen 10.8 Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 3
Liczba metanowa - wiadomości ogólne Liczba metanowa - wartość procentowa objętościowego udziału metanu w mieszaninie z wodorem, która odpowiada występowaniu spalania stukowego w silniku testowym zasilanym badana mieszaniną gazów. Methane Number, MN 140 120 100 80 60 40 20 0 Biogas Natural gas Producer gas Ethane Propane Butane Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 4
Charakterystyka wybranych paliw gazowych - wiadomości ogólne Przydatność paliwa gazowego do zasilania silnika spalinowego można scharakteryzować na podstawie kształtowania się jego podstawowych własności. Gas LHV, MJ/Nm 3 e d,v MJ/dm 3 Flammability Limits (equivalence ratio) Lower Higher Natural Gas Biogas Producer gas* 35.3 21.5 6.2 3.15 3 2.58 0.49 0.46 0.46 0.6 0.83 0.6 gas composition CO 24 %, H 2 23 %, 9 %, CH4 2 %, N 2 42 %. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 5
Spalanie gazów niskokalorycznych napełnianie silnika mieszanką gazowo - powietrzną V a, V g, V ch, dm 3 /cycle 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Sample calculations were done for stoichiometric mixture (λ = 1). The same value of engine power and efficiency were chosen for all fuels. Honda GX270 G A CH G A CH Biogas Natural gas Producer gas Hydrogen G A CH engine capacity G A CH Where: G fuel, A air, CH air gas mixture Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 6
Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Podczas eksperymentu silnik spalinowy zasilano mieszanką symulującą skład gazu ze zgazowania biomasy. Zakres zmian wartości opałowej w trakcie badań 7.5 M0 CO = 44 H 2 = 17.4 N 2 = 38.6 60% decreasing of LHV M8 CO = 17.4 H 2 = 6.9 N 2 = 75.7 LHV, MJ/Nm 3 6.0 4.5 3.0 1.5 0.0 M0 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 Mixture index Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 7
Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Badania przeprowadzono w zakresie mieszanek stechiometrycznych przy stałej prędkości obrotowej silnika spalinowego, wynoszącej r o = 3000 obr / min. Ciśnienie w kolektorze dolotowym silnika spalinowego było utrzymywane na stałym poziome w celu zapewnienia takich samych warunków napełniania dla każdego punktu pomiarowego. Kąt wyprzedzenia zapłonu utrzymywano na stałym poziomie (30 o OWK przed GZP) jako wartość optymalna określona dla składu wyjściowego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 8
Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI 0.26 M8 M0 Indicated efficiency η i, - 0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.20 LCV gas LHV = var, λ = 1, α z = 30 deg 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 LHV, MJ/Nm 3 Wpływ wartości opałowej gazu na sprawność wewnętrzną silnika Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 9
Spalanie mieszanek ubogich - wiadomości ogólne Spalanie mieszanek ubogich (λ>>1) w silnikach spalinowych przynosi wymierna korzyści, do których można zaliczyć wzrost sprawności oraz ograniczenie emisji niektórych składników spalin. 19 λ>1 T max p dq sc p, bar 17 15 13 11 9 340 350 360 370 380 390 400 410 CA, deg Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 10
Wpływ wartości opałowej paliwa na parametry pracy silnika spalinowego ZI Komora wstępna by Wartsila, http://www.wartsila.com/en/power-plants/power-generation/gas-power-plants Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 11
Energia chemiczna mieszanki - parametry mieszanki paliwowo-powietrznej ed,v, kj/dm 3 3.8 3.3 2.8 2.3 1.8 LCVa CO = 0.24 = 0.09 H 2 = 0.23 = 0.02 N 2 = 0.42 Gas composition LCVb CO = 0.27 = 0.08 H 2 = 0.1 = 0.02 N 2 = 0.53 Typical lean mixtures range Bio60 = 0.39 = 0.6 N 2 = 0.01 CO H2 CH4 Bio60 LCVa LCVb 1.3 0.8 e dv ~24% e dv ~10% e dv ~3% 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 Air excess ratio λ Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 12
Analiza teoretyczna zasilania silnika mieszankami ubogimi - Sprawność teoretycznego obiegu Otto Bio60 =60% =40% LCVb CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% LCVa CO=24% =9% =2% H 2 =23% N 2 =42% Sprawność obiegu, η 0.50 0.48 0.46 0.44 0.42 0.40 0.38 0.36 CH4 LCVa H2 LCVb Bio60 CO 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 Stosunek nadmiaru powietrza do spalania, λ Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 13
Badania silnika spalinowego ZI Stanowisko badawcze Silnik spalinowy ZI Liczba cylindrów, z = 3, Stopień kompresji, ε = 9.3, Objętość skokowa, V ss = 796 dm 3 Zestaw mieszanek gazowych Rotametry Silnik spalinowy Maszyna elektryczna System sterowania silnikiem spalinowym Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 14
Wyniki badań - sprawność wewnętrzna Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% Indicated efficiency ηi, % 42 40 38 36 34 32 31.3 r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 38.1 34.3 34.5 34.0 33.4 32.2 31.0 40.5 30 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 15
Wyniki badań - jednostkowa praca wewnętrzna (średnie ciśnienie indykowane) Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% 9.5 9.0 8.5 9.1 8.4 r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas =40% 8.0 7.7 Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% IMEP, bar 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 6.3 7.1 5.6 6.6 6.6 4.9 4.5 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 16
Wyniki badań - Emisja CO Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% 36 32 28 r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 34.4 =40% Producer gas CO=25% =13% eco, g/kwhi 24 20 16 =2.5% 12 10.3 H 2 =12.5% N 2 =47% 8 4 3.7 1.8 2.6 1.3 1.6 2.2 2.0 0 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 17
Wyniki badań - Emisja HC Natural gas GZ-50 Biogas =60% 0.45 0.40 0.35 Parametry regulacyjne r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 0.37 0.36 =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% ehc, g/kwhi 0.30 0.25 0.20 0.15 0.17 0.22 0.20 0.25 0.13 H 2 =12.5% N 2 =47% 0.10 0.05 0.05 0.06 0.00 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 18
Wyniki badań - Emisja NOx Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% N 2 =47% enox, g/kwhi 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 2.59 r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT 1.11 Natural gas Biogas Producer gas 0.49 2.50 0.57 0.44 0.14 0.16 0.10 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 19
Wyniki badań - powtarzalność pracy w kolejnych cyklach roboczych Parametry regulacyjne Natural gas GZ-50 Biogas =60% =40% 3.5 3.0 2.5 r o = 1500 obr / min, λ = var, α z => MBT Natural gas Biogas Producer gas 2.92 Producer gas CO=25% =13% =2.5% H 2 =12.5% COVli, % 2.0 1.5 1.0 1.16 0.82 0.75 0.90 1.31 1.07 1.75 1.77 N 2 =47% 0.5 0.0 1 1.25 1.5 excess ratio λ, - Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 20
Podsumowanie Silnik o zapłonie iskrowym (ZI), który standardowo stanowi napęd pojazdu samochodowego (i typowo jest zasilany benzyną Pb95), po niewielkich modyfikacjach może zostać wykorzystany w układzie mchp, spalającym paliwo gazowe. Spalanie mieszanek ubogich (λ>1) może przynieść wymierne korzyści: - wzrost sprawności energetycznej układu, - utrzymanie sprawności energetycznej na wysokim poziome nawet podczas pracy przy obciążeniach częściowych, - ograniczenie emisji NOx bez konieczności stosowania konwertera trójfunkcyjnego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 21
Podsumowanie Spalanie konkretnego paliwa gazowego wiąże się z koniecznością optymalizacji parametrów regulacyjnych silnika w odniesieniu do kryterium ekologicznego i energetycznego. Ze względu na różną wartość liczby metanowej MN, badanych paliw (gaz ziemny, biogaz, gaz ze zgazowania biomasy), korzystnym byłoby podniesienie wartości stopnia kompresji (sprężania) o ile zabieg ten będzie ekonomicznie uzasadniony. Wyższy stopień kompresji to możliwość podniesienia sprawności energetycznej oraz pracy z jednostki objętości silnika spalinowego. Institute of Thermal Technology Konarskiego 22, 44-100 Gliwice 22
Dziękuję za uwagę http://www.ekomobiili.fi kontakt: gprzybyla@polsl.pl 23