ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Marek Brzeżański 1, Michał Mareczek 2, Wojciech Marek 3, Tadeusz Papuga 4 OKREŚLENIE PARAMETRÓW EKOLOGICZNYCH STACJONARNEGO SILNIKA SPALINOWEGO ZASILANEGO RÓŻNYMI PALIWAMI 1. Wstęp Ważnym celem naukowym i gospodarczym, prowadzącym do racjonalizacji wykorzystania różnych źródeł energii jest poszukiwanie i wykorzystanie nowych paliw do zasilania silników spalinowych. Istnieje duża grupa paliw, które z różnych przyczyn są trudne do zastosowania w pojazdach trakcyjnych, natomiast mogą być wykorzystane w zastosowaniach energetycznych. Do tej grupy zaliczyć można różnego typu substancje palne, będące produktem odpadowym niektórych procesów przemysłowych. Jednym z tego typu paliw jest wodór przemysłowy lub mieszaniny gazów zawierające duży udział wodoru, a także różnego typu alkoholowe fazy ciekłe. Tego typu odpadowe paliwa są zwykle wykorzystywane, co najwyżej do celów grzewczych, lecz często są bezpowrotnie tracone przez wypalanie. Ich zagospodarowanie dla celów małej energetyki wydaje się być racjonalnym rozwiązaniem, tym bardziej, że tego typu system pozwala na elastyczne dopasowanie rodzaju energii do aktualnych potrzeb. Odpowiada to współczesnym tendencjom do dywersyfikacji źródeł energii. Odpowiednio przystosowany, tłokowy silnik spalinowy współpracujący z generatorem prądu może być zarówno źródłem ciepła, jak i źródłem energii elektrycznej. 2. Paliwa odpadowe z procesów technologicznych W przemyśle powstaje wiele odpadowych produktów energetycznych, które pochodzą ze stosowanych procesów technologicznych. Szczególnie interesujące są odpadowe produkty pochodzące z procesów technologicznych przemysłu chemicznego. Obecnie są one zwykle częściowo wykorzystywane jako dodatek do paliw zasadniczych w procesach grzewczych. W wielu przypadkach z powodu braku zapotrzebowania na energię cieplną, tego typu odpadowe paliwa gazowe są wypalane, powodując obciążenie środowiska emisją ciepła i emisją produktów spalania, a odpadowe paliwa ciekłe podlegają kosztownej utylizacji. Niektóre z tego typu substancji mogą być wykorzystane w charakterze paliwa do tłokowych silników spalinowych, przy czym z przyczyn prawnych i logistycznych, nie nadają się zwykle do zastosowania jako niekonwencjonalne paliwa silnikowe w pojazdach trakcyjnych, natomiast mogą być wykorzystane w zastosowaniach energetycznych. Tego typu działania wychodzą naprzeciw obowiązującej tendencji poszukiwania i wykorzystania nowych paliw energetycznych i jest to ważnym celem naukowym i gospodarczym, prowadzącym do racjonalizacji wykorzystania różnych źródeł energii. Nośnikiem energii chemicznej w 1 dr hab. inż. Marek Brzeżański, prof. PK, dyrektor Instytutu Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej. 2 dr inż. Michał Mareczek, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej. 3 dr hab. inż. Wojciech Marek, z-ca dyrektora Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej. 4 dr inż. Tadeusz Papuga, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej. 101
procesach roboczych spalinowych silników tłokowych może być tu paliwo o zróżnicowanym składzie frakcyjnym i grupowym jak i zróżnicowanej postaci fazowej. Do tego typu paliw zaliczyć można różnego typu gazowe substancje palne, będące produktem odpadowym niektórych procesów chemicznych, w których powstaje m.in. wodór przemysłowy, metan lub gazy zawierające duży udział tych składników, a także niektóre alkohole występujące w fazie ciekłej. W badaniach prowadzonych w Instytucie Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej wzięto pod uwagę odpadowe paliwa pochodzące z przemysłu chemicznego, w postaci gazowej, zawierające duże stężenie wodoru, a także paliwa ciekłe, będące mieszaniną alkoholi. Przykładowym paliwem jest gaz odpadowy z tzw. pętli butanolowej o składzie: H 2 ok. 85%, N 2 (6-8)%, CH 4 (2-4)%, O 2 (1-2)%, CO 2 (1-2)%, lub gaz odpadowy z tzw. pętli oktanolowej o składzie: H 2 ok. 80%, N 2 (8-10)%, CH 4 (4-6)%, O 2 (1-2)%, CO 2 (1-2)%. Odpadowa faza ciekła składała się zwykle z mieszaniny alkoholu zawierającej głównie: n-butanol, izo-butanol, propanol oraz oktanol. W prowadzonych badaniach laboratoryjnych stosowano paliwa zastępcze, które oddawały cechy fizykochemiczne wymienionych paliw odpadowych. Jako paliwo gazowe stosowano wodór przemysłowy, a jako paliwo ciekłe mieszaninę 50% n-butanolu i 50% izo-butanolu. Dla celów porównawczych stosowano także zasilanie wysoko-metanowym gazem ziemnym. 3. Obiekt badań i stanowisko pomiarowe Jako obiekt badań wybrano 6-cylindrowy, doładowany silnik o zapłonie iskrowym typu MAN E2876 LE302 o objętości skokowej Vs =12,82 dm 3, który przeznaczony jest do napędu generatora prądu i w konfiguracji fabrycznej zasilany jest mieszalnikowo gazem ziemnym. W celu możliwości zasilania silnika nowymi paliwami skonstruowano i zbudowano specjalną instalację paliwową o konfiguracji zbliżonej do systemu zasilania typu Common Rail, oddzielną dla paliwa gazowego i oddzielną dla paliwa ciekłego (rys. 1). Do sterowania wielkością dawki paliwa gazowego i ciekłego, regulacji kąta wyprzedzenia zapłonu, otwarcia przepustnicy oraz regulacji składu mieszanki palnej (współczynnika nadmiaru powietrza λ) skonstruowano i stosowano specjalny, programowalny sterownik silnika, opracowany w programie LabView. Tego typu system zasilania umożliwiał podawanie do silnika oddzielnie paliwa gazowego i ciekłego, a ponadto umożliwiał praktyczną realizację dwupaliwowego zasilania. Rys. 1. Segment szyny paliwowej zasilającej silnik paliwem gazowym 102
Sterownik wyposażono w czujnik spalania stukowego, który jednoznacznie wyznaczał granicę stuku dla każdego z cylindrów, we wszystkich analizowanych warunkach pracy silnika. Przebieg spalania w każdym z cylindrów był ponadto nadzorowany przez termopary, umieszczone w kanale wylotowym każdego z cylindrów, bezpośrednio przy wylocie spalin z głowicy. Oryginalne świece zapłonowe, zalecane przez firmę MAN podczas zasilania gazem zimnym, podczas zasilania wodorem zastąpiono świecami typu NGK BCRE527Y, w których kanał iskrowy był bardziej wysunięty z głąb komory spalania. Zmiana ta została przeprowadzona na podstawie badań doświadczalnych i przyniosła istotną poprawę inicjacji zapłonu ubogiej mieszanki wodoru z powietrzem. Pomiary stężenia toksycznych składników spalin prowadzono aparaturą pomiarową zgodną z obowiązującymi aktualnie normami: ISO/CD 8178-1. Badano i rejestrowano wartość stężenia: tlenku węgla CO, węglowodorów THC, tlenku azotu NO i dwutlenku węgla CO 2 i tlenu O 2. Ponadto badano i rejestrowano wpływ badanego paliwa na pozostałe parametry silnika takie jak: moment obrotowy i moc, zużycie paliwa, sprawność ogólna obiegu, współczynnik nadmiaru powietrza λ, temperatura spalin. Zmiana systemu zasilania silnika przyniosła możliwość regulacji współczynnika nadmiaru powietrza, co miało istotne znaczenie na poprawę parametrów roboczych i ekologicznych silnika (rys. 2 i 3). Rys. 2. Porównanie stężenia tlenku węgla i węglowodorów dla silnika MAN zasilanego mieszalnikiem albo wtryskiem gazu ziemnego (n =1500 1/min) 103
Podczas wtryskowego zasilania silnika gazem ziemnym zanotowano zmniejszenie stężenia tlenku węgla i węglowodorów. Podczas pracy z większym obciążeniem stężenie tlenku węgla osiągało bardzo małą wartość rzędu setnych części procenta, a zwiększoną wartość stężenia tlenku węgla zanotowano tylko podczas pracy z małym obciążeniem. Ponieważ podczas pracy z małym obciążeniem silnik był zasilany mieszanką o składzie zbliżonym do stechiometrycznego, a ponadto występowała mała wartość ciśnienia i temperatury ładunku, efektem było niecałkowite i niezupełne spalanie i zwiększenie stężenia tlenku węgla w spalinach. Podobny przebieg miała krzywa stężenia węglowodorów, która tylko w zakresie maksymalnego obciążenia zbliżała się do krzywej uzyskanej podczas mieszalnikowego zasilania silnika. Zanotowano natomiast większą wartość stężenia tlenków azotu, podczas pracy silnika zasilanego wtryskowo w zakresie większego obciążenia. Było to związane z lepszym przebiegiem procesu spalania, który zachodził w wyższej temperaturze. Znalazło to potwierdzenie w przebiegu krzywej sprawności (rys. 3). Rys. 3. Porównanie stężenia tlenków azotu i sprawności ogólnej dla silnika MAN zasilanego mieszalnikiem albo wtryskiem gazu ziemnego (n =1500 1/min) 4. Badania silnika zasilanego wodorem Wszystkie pomiary silnikowe dotyczące parametrów energetycznych i emisji toksycznych składników spalin zrealizowano przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej 1500 1/min i zmienianym obciążeniu silnika. Warunki te odpowiadają pracy silnika w agregacie prądotwórczym. Spośród parametrów regulacyjnych badanego silnika, które musiały zostać dopasowywane do zasilania wodorem należały przede wszystkim: kąt wyprzedzenia zapłonu oraz współczynnik nadmiaru powietrza. Oba te parametry mają bardzo istotny wpływ na przebieg procesu spalania w cylindrze silnika, z czego wynika następnie zarówno wartość uzyskiwanych parametrów energetycznych jak i emisji toksycznych składników spalin. Ponadto oddziaływają intensywnie na wartość temperatury spalin wprost poprzez temperaturę spalania oraz pośrednio, ze względu na usytuowanie i długotrwałość procesu spalania. W przypadku prowadzonych badań ma to kluczowe znaczenie ze względu na postawione przez producenta silnika kryterium maksymalnej temperatury spalin, której wartość nie może przekroczyć wartości 700 o C ze względu wytrzymałość termiczną turbosprężarki (turbiny), co jest istotne przy ustalaniu maksymalnej mocy silnika zasilanego danym typem paliwa. Dodatkowo, zarówno wartość współczynnika nadmiaru powietrza jak i szczególnie 104
wartość kąta wyprzedzenia zapłonu mają ścisły związek z pojawiającym się zjawiskiem spalania stukowego. Podczas zasilania wodorem dla każdego punktu pracy silnika (obciążenia), oba te parametry regulacyjne były samoczynnie dobierane przez układ sterujący. Rys. 4. Charakterystyka składu mieszanki silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem (n =1500 1/min) W porównaniu do zasilania gazem ziemnym, podczas zasilania silnika wodorem stężenie tlenku węgla i węglowodorów było pomijalnie małe i wynikało głównie ze spalania oleju smarującego (rys. 5). Rys. 5. Porównanie stężenia tlenku węgla i węglowodorów dla silnika MAN zasilanego wodorem albo gazem ziemnym (n =1500 1/min) Podczas zasilania silnika wodorem niewielki wzrost stężenia tlenków azotu zanotowano jedynie przy pracy z obciążeniem bliskim maksymalnego, natomiast w całym zakresie pracy wartość stężenia była bardzo mała (rys. 6). Ważnym parametrem silnika jest jego sprawność ogólna. Większa wartość sprawności ogólnej dla silnika zasilanego gazem ziemnym wynika głównie z mniejszego 105
udziału mocy strat mechanicznych w stosunku do rozwijanej mocy efektywnej. Biorąc pod uwagę stałą wartość oporów mechanicznych silnika, jak również mniejszą moc indykowaną, rozwijaną przez silnik zasilany wodorem, wynikiem jest mniejsza wartość sprawności ogólnej. W obu rozpatrywanych przypadkach sprawność ogólna silnika jest jednak duża i podczas zasilania gazem ziemnym jej maksymalna wartość wynosi ok. 42% a podczas zasilania wodorem ok. 37%. Rys. 6. Porównanie stężenia tlenków azotu i sprawności ogólnej silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem (n =1500 1/min) 4. Badania silnika zasilanego alkoholową frakcją ciekłą Dla realizacji dwupaliwowego zasilania silnika, opracowano strategię zróżnicowanego dostarczania strumienia energii chemicznej, zarówno paliwa gazowego, jak i paliwa w fazie ciekłej, które na wykresach (rys. 7 i 8) oznaczono symbolem MIX. W przypadku oznaczonym na wykresie jako H2 + mix1 moc silnika wynoszącą 100 kw uzyskano zasilając silnik wyłącznie wodorem. Dalszy wzrost mocy silnika, aż do 140 kw uzyskiwano zwiększając dawkę tylko fazy ciekłej, przy stałym zużyciu wodoru. Dla przypadku H2 + mix2, 130 kw mocy silnika otrzymano dla zasilania silnika samym wodorem. Dopiero powyżej tej mocy do silnika dostarczano dodatkowo paliwo ciekłe. W obu przypadkach faza ciekła składała się z mieszaniny 50% n-butanolu i 50% izo- Rys. 7. Współczynnik nadmiaru powietrza oraz stężenie tlenku węgla podczas zasilania silnika wodorem (H2) oraz podczas zasilania silnika wodorem i mieszaniną alkoholi (MIX) 106
butanolu. W przypadku zastosowania wyłącznie fazy ciekłej, moc silnika była ograniczona tylko do 105 kw. Praca silnika w trybie zasilania wyłącznie fazą ciekłą, powodowała zjawisko przenikania paliwa do oleju smarującego. Związane to było głównie z niedoskonałym procesem rozpylenia fazy ciekłej podczas tworzenia mieszanki paliwowo powietrznej. W przypadku zastosowanej strategii dwupaliwowego zasilania silnika, poprzez dawkowanie fazy ciekłej uzyskano możliwość rozszerzenia rozporządzalnego zakresu obciążenia do N e = 150 kw przy zasilaniu czystym wodorem, do N e = 190 kw przy zasilaniu dwupaliwowym (rys. 2). Taka wartość mocy była podczas zasilania czystym wodorem niemożliwa do osiągnięcia, bowiem już od obciążenia ok. 150 kw, występowały anomalie procesu spalania. Podczas zasilania silnika wodorem stężenie tlenku węgla i węglowodorów było dla małego i średniego obciążenia pomijalnie małe i wynikało głównie ze spalania oleju smarującego (rys. 7 i 8). Podczas pracy z dużym obciążeniem i dwupaliwowym zasilaniu silnika mieszaniną wodoru i alkoholowej fazy ciekłej stężenie węglowodorów miało nieco większą wartość, co wynikało z niezupełnego procesu spalania. Podczas zasilania silnika wodorem podwyższoną wartość stężenia tlenków azotu zanotowano jedynie przy dużym obciążeniu (rys. 8). Podczas pracy z małym obciążeniem silnik był zasilany wprawdzie mieszanką ubogą, lecz temperatura spalania miała zbyt małą wartość, aby zachodziła synteza azotu z tlenem. Spalanie alkoholowej fazy ciekłej przynosi efekt w postaci małego stężenia tlenków azotu, pomimo zwiększenia obciążenia silnika. Przyczyną tego jest zmniejszenie wartości temperatury spalania w stosunku do zasilania czystym wodorem. Rys. 8. Stężenie węglowodorów i tlenków azotu podczas zasilania silnika wodorem i mieszaniną alkoholi 5. Podsumowanie Przeprowadzone badania wykazały, że niekonwencjonalne, odpadowe paliwa z przemysłu chemicznego mogą być wykorzystane do zasilania tłokowych silników spalinowych. W tym wypadku uzyskanie korzystnej wartości właściwości ekologicznych silnika uznać można za sukces. Stężenie toksycznych składników spalin podczas zasilania silnika wodorem było wielokrotnie mniejsze, niż podczas zasilania gazem ziemnym. Jest także możliwe wykorzystanie ciekłej frakcji alkoholowej, której zastosowanie wymaga odpowiedniej strategii zasilania. Stężenie toksycznych składników spalin podczas dwupaliwowego zasilania silnika, było wielokrotnie mniejsze, niż podczas zasilania tylko paliwem alkoholowym. Stosując odpowiednią strategię sterowania dwupaliwowym dawkowaniem wodoru i alkoholowej faz ciekłej, 107
uzyskano wystarczającą wartość parametrów roboczych silnika i zmniejszono stężenie toksycznych składników spalin, w tym także tlenków azotu. Literature: [1] Brzeżański M., Cisek J., Marek W., Papuga T.: Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen, V Congress on Combustion Engines, PTNSS- 2013-SC-192, Bielsko Biała 2013 [2] Brzeżański M., Cisek J., Mareczek M., Marek W., Papuga T.: Investigation of the supply systems of the stationary combustion engine fuelled with natural gas, V Congress on Combustion Engines, PTNSS- 2013-SC-193, Bielsko Biała 2013 [3] Brzeżański M., Cisek J., Mareczek M., Marek W., Papuga T.: Investigation of the combustion engine fuelled with hydrogen and mixed n-butanol with isobutanol. V Congress on Combustion Engines, PTNSS- 2013-SC-194, Bielsko Biała 2013 [4] Brzeżański M., Cisek J., Mareczek M., Marek W., Papuga T.: Zastosowanie odpadowych produktów przemysłu chemicznego w energetyce, rozdział w książce pt. Analiza systemów energetycznych, (str. 43 56), ISBN 978-83-7242-719-9, Kraków 2013 Streszczenie Przedstawiono wyniki badań wraz z ich analizą, dotyczące prac naukowo badawczych związanych z wykorzystaniem odpadowych produktów przemysłu chemicznego dla celów energetycznych. W badaniach stosowano paliwa gazowe oraz paliwa ciekłe. Zaprezentowano wyniki badań doświadczalnych parametrów ekologicznych silnika przy zasilaniu wtryskowym. Uzyskane wyniki porównano do wyników badań przeprowadzonych dla standardowego, mieszalnikowego systemu zasilania. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, paliwo odpadowe DETERMINATION OF THE ECOLOGICAL PARAMETERS OF A INDUSTRIAL ENGINE POWERED DIFFERENT FUELS Abstract The results of research together with an analysis, concerning the scientific - research works related to the use of waste products of the chemical industry for energy purposes. The studies used gaseous fuels and liquid fuels. The results of experimental studies concerned the ecological performance of engine, which was equipped with an injection system. The results were compared to the results of research carried out, for the standard mixing fuel system. Keywords: combustion engine, fuel waste 108