Tlenki azotu

Azot, jako główny składnik powietrza, uważany jest za gaz neutralny. Jednak przebieg procesu spalania powoduje wywołanie reakcji azotu z tlenem, tworząc toksyczne tlenki azotu NOX. Wśród wspomnianych tlenków najliczniej występującym jest tlenek azotu NO (>95% emisji) [10] [49]. W grupie NOX wyróżnić ponadto można tlenek diazotu N2O, tritlenek diazotu N2O3, dwutlenek azotu NO2, pentatlenek diazotu N2O5, tritlenek azotu NO3 oraz heksatlenek diazotu, N2O6. Około 60% globalnej emisji NOX pochodzi ze źródeł antropogenicznych, z czego połowa generowana jest w sektorze transportu oraz przemysłu [10]. Normy emisji tlenków azotu dla silników i turbin gazowych zostały przedstawione w tabeli 4.1 [50].

Tabela 4.1. Normy emisji dla silników i turbin gazowych [mg/Nm³] [50]

- Zanieczyszczenie

W przypadku emisji przemysłowej, występują znaczne różnice w wartości wskaźników emisji NOX dla kotłów węglowych i gazowych (tab. 4.2). Zauważyć można zdecydowanie niższe wartości wskaźników dla spalania gazu, w porównaniu z efektami procesu spalania węgla. Dzieje się tak, ponieważ powstawaniu NO w komorze spalania, oprócz wysokiej temperatury, sprzyja również nadmiar powietrza, a ten jest większy

31 w przypadku spalania paliw stałych [51]. Duże znaczenie dla emisji NO ma również konstrukcja paleniska.

Tabela 4.2. Wskaźniki emisji tlenków azotu (w przeliczeniu na NO2) z procesów spalania węgla kamiennego (27 430 kJ/kg) oraz gazu ziemnego (37 260 kJ/m³) [10]

Emisja NOx z procesu spalania węgla kamiennego

Emisja NOx z procesu spalania wysokometanowego gazu ziemnego

Kotły z paleniskami pyłowymi

(bez redukcji NOX w spalinach) 240-560

Kotły fluidalne 62-250 >30 MW 240 20-35

Ze względu na metodę powstawania wyróżnia się cztery podstawowe mechanizmy [32]:

 termiczny Zeldowicza – tlenek azotu powstaje poprzez utlenianie azotu znajdującego się w otaczającej atmosferze na skutek wysokich temperatur w strefie reakcji,

 szybki NO – nazywany też mechanizmem Fenimore’a – tlenek azotu tworzy się wskutek reakcji azotu zawartego w powietrzu z węglowodorami w czole płomienia,

 reakcja podtlenku azotu N2O,

 mechanizm paliwowy – tworzenie NO oparte o azot wbudowany w cząsteczki paliw (ang. fuel NO).

W procesach spalania paliw gazowych w silnikach gazowych głównym mechanizmem tworzenia się tlenku azotu jest mechanizm termiczny. Zgodnie z teorią Zeldowicza, szybkość tworzenia się NO zależy od maksymalnej temperatury w strefie reakcji oraz stężeniem tlenu i azotu w spalinach, a nie zależy ona od właściwości chemicznych paliwa [49]. Mechanizm termiczny zakłada powstawanie NO na drodze trzech reakcji (4.1) c (4.3)

𝑂 + 𝑁₂ → 𝑁𝑂 + 𝑁

𝑁 + 𝑂₂ → 𝑁𝑂 + 𝑂

𝑁 + 𝑂𝐻 → 𝑁𝑂 + 𝐻

Warunkiem koniecznym rozpoczęcia reakcji (4.1) oraz (4.2) jest powstanie tlenu atomowego w wyniku zderzenia cząsteczki tlenu z molekułą o odpowiedniej energii aktywacji według reakcji (4.4).

𝑂₂+ 𝑀 → 2𝑂 + 𝑀

32 Proces rozpadu tlenu oraz azotu został przedstawiony za pomocą równań (4.5) oraz (4.6). Uwzględniono w nich stopnie rozpadu α oraz β, których wartości są zależne od temperatury reagentów. Na rysunku 4.1 przedstawiono zależność współczynników rozpadu dla tlenu oraz azotu w funkcji ich temperatury [52]. Intensyfikacja rozpadu cząsteczek tlenu oraz azotu rozpoczyna się od temperatury 1500 K. W tym czasie otrzymany tlen atomowy łączy się z azotem cząsteczkowym według reakcji (4.1).

W wyniku reakcji otrzymywany zostaje tlenek azotu oraz azot atomowy, który łączy się z tlenem cząsteczkowym według reakcji (4.2). Wynikiem jest tlenek azotu oraz tlen atomowy mogący wziąć udział w dalszych reakcjach. Poniżej temperatury 1500 K rozpad cząsteczek N2 oraz O2 nie zachodzi, w konsekwencji czego emisja NO nie ma miejsca.

𝑂₂ → 𝛼(2𝑂) + (1 − 𝛼)𝑂₂

𝑁₂ → 𝛽(2𝑁) + (1 − 𝛽)𝑁₂

Rysunek Zależność dysocjacji tlenu i azotu od temperatury reagentów [52]

Jako uzupełnienie reakcji (4.1) oraz (4.2) uważany jest mechanizm tworzenia się tlenków azotu w wyniku łączenia się azotu atomowego z rodnikami OH według reakcji (4.3). Rodniki te są produktem utleniania węglowodorów zaś ich ilość jest zależna od składu mieszanki paliwowo-powietrznej. Wyższa koncentracja rodników OH uzyskiwana jest przy spalaniu mieszanek o wartości λ<1. Atomowy azot biorący udział w tym mechanizmie pochodzi z reakcji (4.1), zależnej od temperatury reagentów.

Z powyższych informacji można stwierdzić, iż spalanie mieszanek ubogich w silnikach gazowych ma znaczący wpływ na redukcję emisji tlenków azotu poprzez rozrzedzenie mieszanki paliwowo-powietrznej oraz obniżenie temperatury spalania.

Mechanizm szybki obejmuje reakcje zachodzące bezpośrednio przed płomieniem lub samym jego czole gdzie znajduje się duża koncentracja pośrednich produktów utleniania. Inicjacją tworzenia się tlenków azotu jest reakcja rodników węglowodorowych CH wraz z azotem ((4.7) i (4.8)) w wyniku, której tworzy się cyjanowodór HCN.

𝐶𝐻 + 𝑁₂ → 𝐻𝐶𝑁 + 𝑁

33

𝐶𝐻₂+ 𝑁₂ → 𝐻𝐶𝑁 + 𝑁𝐻

Powstały cyjanowodór reaguje z tlenem atomowym (4.9) lub rodnikiem hydroksylowym OH (4.10) i (4.11) tworząc rodnik NCO.

𝐻𝐶𝑁 + 𝑂 → 𝑁𝐶𝑂 + 𝐻

𝐻𝐶𝑁 + 𝑂𝐻 → 𝐶𝑁 + 𝐻₂𝑂

𝐶𝑁 + 𝑂𝐻 → 𝑁𝐶𝑂 + 𝐻

Powstałe NCO w kontakcie z tlenem lub rodnikami OH tworzy tlenek azotu oraz CO lub CO2 według reakcji (4.12) – (4.14).

𝑁𝐶𝑂 + 𝑂 → 𝑁𝑂 + 𝐶𝑂

𝑁𝐶𝑂 + 𝑂₂ → 𝑁𝑂 + 𝐶𝑂₂

𝑁𝐶𝑂 + 𝑂𝐻 → 𝑁𝑂 + 𝐶𝑂 + 𝐻

Czynnikiem determinującym ilość powstających tlenków azotu w mechanizmie szybkim jest lokalna koncentracja rodników OH oraz wielkość obciążenia cieplnego komory spalania gdzie jego wzrost powoduje zwiększenie emisji NO.

Mechanizm tworzenia tlenków azotu z podtlenków azotu został zaproponowany przez Malte i Pratta [53] [54]. Ma ona na celu wyjaśnienie tworzenia się tlenków azotu podczas spalania ubogich mieszanek metanu oraz tlenku węgla przy niskich temperaturach (1200-1500^oC), co nie wynikało z obliczeń według mechanizmów Zeldowicza i Fenimora. Reakcja zostaje zainicjowana poprzez molekułę M, będącą źródłem energii aktywacji potrzebnej do powstania N2O z azotu cząsteczkowego oraz tlenu atomowego. W wyniku reakcja pomiędzy podtlenkiem azotu oraz tlenem atomowym otrzymywane są cząsteczki tlenków azotu.

𝑁₂+ 𝑂 + 𝑀 → 𝑁₂𝑂 + 𝑀

𝑁₂𝑂 + 𝑂 → 𝑁𝑂 + 𝑁𝑂

𝑁₂𝑂 + 𝑂 → 𝑁₂+ 𝑂₂

Przy spalaniu mieszanek ubogich w temperaturach około 1500^oC emisja tlenków azotu z podtlenku azotu jest największa.

Mechanizm paliwowy tworzenia się tlenków azotu polega na reakcji atomów azotu zawartego w paliwie z tlenem atomowym, gdzie reaguje on silniej niż z azotem atmosferycznym. W zakresie temperatur 1500-2000K, może mieć znaczący wpływ na ogólną emisję NO. W przypadku paliw gazowych, zawartość azotu paliwowego jest znikoma. Do najczęściej spotykanych składników zaliczają się N2O (glebowy gaz ziemny) oraz NH3 (błotny i torfowy gaz ziemny).

34 4.1.2 Formaldehyd

W warunkach normalnych formaldehyd jest bezbarwnym gazem o charakterystycznym gryzącym zapachu, temperaturze wrzenia 19,5^oC i temperaturze topnienia -92^oC. Miesza się we wszystkich stosunkach z wodą, etanolem, eterem dietylowym oraz węglowodorami i terpentyną [55]. Wykazuje dużą reaktywność i oprócz tego, że stanowi mikrozanieczyszczenie powietrza, jest jednym z ważniejszych półproduktów przemysłu organicznego [51]. Bardzo łatwo polimeryzuje i tworzy paraformaldehyd. Jest to substancja prawdopodobnie rakotwórcza dla ludzi wg rozporządzenia MZiOS z dnia 11 września 1996 r. oraz wg IARC (grupa 2A).

W stężeniach powyżej 25-procentowych działa toksycznie w przypadku narażenia drogą oddechową, kontaktu ze skórą i po spożyciu oraz wywołuje oparzenia. Wśród objawów można wyróżnić łzawienie oczu i zaczerwienienie spojówek (małe stężenia), kaszel i ból głowy (większe stężenia) lub obrzęk krtani i płuc (duże stężenia). Jako śmiertelną dawkę formaldehydu uznano 30 - 60 ml [55]. Formaldehyd powstaje podczas niepełnego spalania substancji zawierających pierwiastek węgla. Emisji sprzyja podwyższona temperatura i wysoka wilgotność.

W reakcji procesu utleniania formaldehyd tworzy się miejscach, gdzie nastąpiło obniżenie temperatury płomienia poniżej 1000K. Wtedy to CH2O jako półprodukt spalania nie posiada wystarczającej energii do przereagowania w CO2. Przykład reakcji tworzenia się formaldehydu podczas procesu utleniania metanu został przedstawiony na rysunku 4.2. W silnikach gazowych za proces tworzenia się formaldehydów można przyjąć kilka źródeł [56]. Pierwszym jest niejednorodność mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze silnika. W konsekwencji może dojść do utworzenia stref o współczynniku λ powodującym niedopalanie się paliwa gazowego oraz tworzenie się cząsteczek formaldehydu. Drugim źródłem są ścianki komory spalania, które poprzez odbiór ciepła obniżają temperaturę spalania w ich okolicach. Zbliżony efekt uzyskiwany jest w przypadku objętości znajdujących się pomiędzy ściankami tłoka i cylindra (efekt szczelinowy), gdzie na skutek małej odległości pomiędzy tymi powierzchniami następuje gaszenie płomienia. Istotny wpływ na emisję formaldehydu ma również wzrost temperatury i ciśnienia w suwie sprężania, które mogą osiągnąć wartości sprzyjające tworzeniu się CH2O.

35 Rysunek Proces spalania metanu (CH4) [57]

4.1.3 Węglowodory

Emisja węglowodorów prócz znaczącego wpływu na środowisko jest konsekwencją spalania niecałkowitego, obniżającego sprawność procesu spalania.

W silnikach spalinowych, jako źródła emisji węglowodorów można wyznaczyć następujące źródła [58] [59] [60]:

 nieodpowiedni skład mieszanki paliwowo-powietrznej,

 wypadanie zapłonów,

 efekt przyścienny i szczelinowy,

 parowanie oleju,

 zużycie oleju,

 przepłukanie cylindrów świeżą mieszanką.

Spalanie mieszanek o wartości λ<1 skutkuje zbyt małą ilością tlenu do utlenienia całej ilości użytego paliwa. W konsekwencji w produktach spalania znajdują się niespalone cząsteczki węglowodorów. Spalanie mieszanek stechiometrycznych oraz o współczynniku λ>1 nie gwarantuje dopalenia całości paliwa, ponieważ w cylindrze mogą występować nierównomierności ich składu o lokalnych wartościach λ<1.

Wypadanie zapłonów w silnikach spalinowych określone jest jako brak spalania mieszanki w cyklu pracy cylindra. Są one spowodowane czynnikami eksploatacyjnymi, wśród których można wyszczególnić wady systemów: tworzenia mieszanki palnej, zapłonowego (energia iskry, kąt wyprzedzenia zapłonu) oraz innych.

Efektem przyściennym nazywany jest proces gaszenia płomienia w pobliżu ścianek komory spalania. Aby płomień mógł się rozprzestrzeniać konieczne jest podgrzewanie świeżej mieszanki palnej. W rejonie ścian cylindra następuje przekazanie do nich energii

36 na drodze radiacji i przewodzenia, wywołując wygaszenie płomienia. Grubość niespalonej warstwy przyściennej może się wahać w zakresie 0,05÷0,38 mm i jest ona zależna o parametrów pracy silnika [60]. Efekt szczelinowy opiera się o zbliżone zjawiska. W przypadku połączenia tłok cylinder z przyczyn konstrukcyjnych istnieje objętość zawarta pomiędzy nimi. Odległość pomiędzy powierzchniami będąca mniejsza od odległości krytycznej dla mieszanki palnej powoduje wygaszenie płomienia poprzez oddanie energii cieplnej do ścianek.

Znaczny wpływ na emisję węglowodorów ma zużycie oleju smarującego.

W przypadku złego stanu pierścieni zgarniających, na cylindrach silnika pozostaje zwiększona ilość oleju, który podlega częściowym procesom utleniania oraz odparowania. Opary oleju silnikowego mogą się przedostać do atmosfery również poprzez układy odpowietrzenia skrzyni korbowej.

W przypadku silników dwusuwowych wykorzystujących przepłukanie świeżą mieszanką palną, część mieszaniny trafia do układu wydechowego wraz ze spalinami nie podlegając procesowi utlenienia.

4.2 Metody ograniczania emisji związków toksycznych

4.2.1 Recyrkulacja spalin

Metody redukcji emisji tlenków azotu można podzielić na pierwotne oraz wtórne.

W przypadku działania metod pierwotnych istotny jest wpływ zmiany składu mieszanki paliwowo-powietrznej na parametry procesu spalania. Rozrzedzenie mieszanki palnej powoduje obniżenie temperatury spalania, dzięki czemu zostaje obniżona emisja termicznych tlenków azotu. W celu rozrzedzenia, możliwe jest stosowanie gazów obojętnych takich jak: dwutlenek węgla, azot, hel czy argon. W przypadku silników spalinowych zastosowanie znalazł układ recyrkulacji spalin (EGR), gdzie czynnikiem rozrzedzającym są spaliny pochodzące z poprzednich cykli pracy cylindra. Użycie spalin daje zbliżone efekty w porównaniu do gazów obojętnych, ponieważ znajdują się w nich takie składniki jak CO2, N2 oraz H2O co zostało przedstawione na rysunku 4.3.

Rysunek Zależność redukcji emisji tlenku azotu od rodzaju i ilości gazu rozrzedzającego [33]

37 Wśród rozwiązań konstrukcyjnych układów recyrkulacji spalin można rozróżnić dwa typy: wewnętrzny oraz zewnętrzny. Poprzez zmianę faz rozrządu silnika spalinowego, możliwe jest uzyskanie równoczesnego otwarcia zaworów dolotowych oraz wylotowych w suwie ssania silnika czterosuwowego. W tym czasie część spalin trafia z powrotem do cylindra z kolektora wydechowego. Możliwe jest również wtłoczenie części spalin do układu dolotowego w suwie wydechu. Obie technologie zostały przedstawione na rysunku 4.4. W przypadku silników dwusuwowych, możliwe jest ograniczenie przepłukania cylindra uzyskując ten sam efekt. Zastosowanie wewnętrznego układu recyrkulacji spalin niesie ze sobą konieczność stosowania skomplikowanych układów zmiany faz rozrządu lub ingerencję w budowę kanałów dolotowych.

Rysunek Wewnętrzne układy EGR z zastosowaniem recyrkulacji spalin w kanale dolotowym (lewy) i wylotowym (prawy) [61]

Obecnie na szeroką skalę stosowane są zewnętrzne systemy recyrkulacji spalin.

Idea tego rozwiązania polega na zawróceniu części spalin do cylindra za pomocą kanału łączącego kolektor wydechowy oraz dolotowy wyposażonego w zawór upustu spalin (rys. 4.5). Rozwiązanie to jest proste w swojej budowie oraz pozwala na dokładną regulację ilości zawróconych spalin. Negatywnym wpływem zastosowania zaworów EGR jest wprowadzenie zanieczyszczeń do układu dolotowego w postaci resztek produktów spalania (sadza) mogących przewęzić kanały dolotowe cylindra.

Rysunek Budowa zewnętrznego układu EGR [62]

38 4.2.2 Spalanie mieszanek ubogich

Jak wspomniano w rozdziale 4.2.1 pierwotną metodą ograniczania tlenków azotu jest obniżenie temperatury spalania. W przypadku systemu EGR jest to rozcieńczanie mieszaniny palnej za pomocą spalin. Inną metodą obniżenia emisji NOX jest spalanie mieszanek ubogich (lean burn). W przypadku silników gazowych używane są mieszanki o współczynniku λ≤1,7 które pozwalają na wystąpienie zapłonu oraz jednocześnie obniżenie emisji tlenków azotu. W badaniach [63] przeprowadzono porównanie emisji tlenków azotu z silnika zasilanego mieszanką ubogą oraz wyposażonego w system EGR.

Wyniki wykazały porównywalne wartości emisji NOX dla obydwu rozwiązań przy spadku sprawności dla silnika z zastosowanym systemem recyrkulacji spalin (rys. 4.6).

Badania wykazały również wzrost sprawności o 2% dla systemu lean burn (rys. 4.7).

Rysunek Zależność emisji tlenków azotu od współczynnika nadmiaru powietrza [63]

Rysunek Zależność sprawności silnika od współczynnika nadmiaru powietrza [63]

39 Spalanie mieszanek ubogich ma negatywny wpływ na emisję tlenków węgla oraz węglowodorów. Obniżenie temperatury spalania skutkuje spalaniem niecałkowitym oraz niezupełnym. Emisja HC oraz CO rośnie wraz ze wzrostem współczynnika λ (rys. 4.8 i 4.9). Dzięki obniżeniu emisji NOX możliwe jest wykorzystanie reaktora katalitycznego w spalinach od dużej zawartości tlenu redukującego składniki spalin, które nie uległy pełnemu procesowi utlenienia.

Rysunek Zależność emisji węglowodorów od współczynnika nadmiaru powietrza [63]

Rysunek Zależność emisji tlenku węgla od współczynnika nadmiaru powietrza [63]

40 4.2.3 Reaktory katalityczne

Ograniczenie emisji związków toksycznych może opierać się o działania przeprowadzone na produktach spalania. W tym celu konieczne jest zastosowanie metody, która doprowadziłaby wytworzone w procesie utleniania składniki (głównie:

NOX, THC i CO) do postaci obojętnej dla środowiska (N2, O2, CO2, H2O). Uzyskanie takiego efektu bez dostarczania dodatkowej energii jest możliwe za pomocą reaktorów katalitycznych. W przypadku silników spalinowych, jako materiał katalityczny wykorzystywane są takie pierwiastki jak: platyna, pallad i rod. Obecność tych materiałów pozwala na obniżenie energii aktywacji składników toksycznych i redukcji do cząstek obojętnych [59] [60].

Istotą działania reaktora katalitycznego w układzie wydechowym silnika spalinowego jest zapewnienie jego działania dla trzech głównych emitowanych związków toksycznych: NOX, THC i CO. Taki rodzaj reaktora nazywany jest reaktorem katalitycznym potrójnego działa. Aby reakcja mogła zajść w efektywny sposób dla wymienionych składników spalin, konieczne jest zapewnienie odpowiednich warunków.

Istotny wpływ na proces redukcji ma współczynnik nadmiaru powietrza. Brak tlenu w spalinach uniemożliwia utlenienie tlenków węgla oraz węglowodorów. Nadmiar tlenu prowadzi natomiast do wzrostu temperatury reakcji oraz spadku redukcji tlenków azotu.

Dla optymalnego procesu redukcji katalitycznej w silnikach spalinowych, konieczna jest praca silnika na mieszance o współczynniku λ zbliżonym do 1. Zależność efektywności reakcji katalitycznej od stosunku mieszanki paliwowo-powietrznej przedstawiono na rysunku 4.10.

Rysunek Zależność efektywności reakcji utleniania od stosunku powietrze/paliwo [59]

41 Reaktory katalityczne potrójnego działania budowane są na podstawie wkładów ceramicznych wykonanych głównie z Al2O3 lub CeO2 oraz stali żaroodpornych.

Materiały te, będące strukturą nośną reaktora pokrywane są warstwą materiałów katalitycznych. Przykład budowy reaktora katalitycznego przedstawiono na rysunku 4.11.

Rysunek Budowa reaktora katalitycznego potrójnego działania [59]

4.2.4 Komory wstępne

Obecnie do nowo konstruowanych silników gazowych wprowadzane są na szeroką skalę komory wstępne (rysunek 4.12). Idea tej metody, inicjacji zapłonu w cylindrze, opiera się na spalaniu dwuetapowym. Pierwszym etapem jest zapłon bogatej mieszanki paliwowo-powietrznej wewnątrz komory wstępnej, znajdującej się w głowicy cylindra.

Dzięki współczynnikowi nadmiaru powietrza λ≤1 możliwe jest bezproblemowe odpalanie mieszanki w każdym cyklu. Kolejnym etapem jest podpalenie mieszanki ubogiej znajdującej się w cylindrze poprzez gorące gazy po płomienne wydostające się z komory wstępnej przez otwory w niej się znajdujące. Inicjację zapłonu za pomocą trzech metod zapłonu wewnątrz komory izochorycznej przedstawiono na rysunku 4.13.

Zdjęcia zostały wykonane za pomocą szybkiej kamery oraz metody Schlirena [64], pozwalającej na wizualizację propagacji płomienia. Poszczególne rzędy zdjęć przedstawiają metody zapłonu:

 za pomocą tradycyjnej świecy zapłonowej,

 za pomocą pojedynczej komory wstępnej,

 za pomocą pary komór wstępnych umieszczonych przeciwlegle.

Na rysunku 4.14 przedstawiono zależność przyrostu ciśnienia w funkcji czasu dla trzech systemów zapłonu zastosowane w komorze izochorycznej:

 tradycyjny układ zapłonowy oparty o świecę zapłonową zainstalowaną w jej wnętrzu, imitującą świecę zainstalowaną wewnątrz cylindra silnika (FTC),

 układ wyposażony w pojedynczą komorę wstępną (PJC-S),

 układ wyposażony w dwie komory wstępne (PJC-D).

Badania zostały przeprowadzone dla czterech wartości ciśnienia wewnątrz komory (od 1 do 4 bar).

42 Rysunek Przekrój komory wstępnej silników Woakescha [65]

Rysunek Zdjęcia przedstawiające mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia w izochorycznej komorze spalania [64]

Rysunek Profile przebiegu ciśnienia w komorze izochorycznej dla trzech systemów zapłonu [64]

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 50 100 150 200

time, ms

P - Pi [atm]

PJC-D, Pi = 1 PJC-S, Pi = 1 FTC, Pi = 1 PJC-D, Pi = 2 PJC-S, Pi = 2 FTC, Pi = 2 PJC-D, Pi = 3 PJC-S, Pi = 3 FTC, Pi = 3 PJC-D, Pi = 4 PJC-S, Pi = 4 FTC, Pi = 4

43 Zastosowanie komór wstępnych niesie ze sobą wiele korzyści natury technicznej oraz środowiskowej [66] [64] [67] [68] [69]:

 możliwość spalania paliw bardzo niskokalorycznych (LHV<15MJ/Nm³),

 redukcja emisji substancji szkodliwych do atmosfery (CO, NOx, CxHy),

 poprawa stabilności pracy silnika poprzez osiąganie równomiernych przyrostów ciśnień pomiędzy cylindrami,

 poprawa stabilności pracy silnika poprzez osiąganie równomiernych przyrostów ciśnień pomiędzy kolejnymi cyklami pracy cylindra,

 poprawa sprawności wewnętrznej silnika.

Można wyróżnić dwa typy komór wstępnych stosowanych w silnikach gazowych:

a) Komory wstępne z kanałem paliwowym – praca takiego układu polega na wtłoczeniu w suwie sprężania ubogiej mieszanki paliwowo-powietrznej do wnętrza komory wstępnej, a następnie dopuszczenie odpowiedniej ilości paliwa gazowego poprzez kanał paliwowy w celu osiągniecia mieszanki bogatej w jej wnętrzu. Zasadę działania przedstawiono na rysunku 4.15.

Rysunek Komora wstępna z kanałem paliwowym [66]

b) Komory wstępne bez kanału paliwowego – w przypadku tego typu komór wstępnych, poprzez ruch tłoka wtłaczana jest uboga mieszanka paliwowo-powietrzna do wnętrza komory wstępnej, gdzie dochodzi do jej zapalenia za pomocą iskry pochodzącej ze świecy zapłonowej. Zasadę działania przedstawiono na rysunku 4.16, zaś na rysunku 4.17 znajduje się przykład takiej komory ze zintegrowaną świeca zapłonową.

44 Rysunek Komora wstępna bez kanału paliwowego [66]

Rysunek Komora wstępna bez kanału paliwowego ze zintegrowaną świecą zapłonową

45

5 Obliczenia numeryczne badanych obiektów

5.1 Jednowymiarowe modelowanie kinetyki spalania dwustopniowego Ograniczanie emisji związków toksycznych poprzez zastosowanie metod przedstawionych w poprzednim rozdziale wiąże się z drastyczną ingerencją w proces spalania gazowych paliw węglowodorowych. Zmiana sposobu zapłonu ładunku dostarczonego do cylindra, modyfikacja uwarstwienia mieszanki ubogiej czy też wprowadzenie recyrkulujących spalin znajdzie odzwierciedlenie w przebiegu zachodzącej reakcji utleniania związków palnych w odniesieniu do przypadku referencyjnego. Sposób przeprowadzenia modyfikacji jest skorelowany z efektem końcowym pod kątem zarówno emisyjnym, jak i wartości parametrów cieplnych panujących w cylindrze w funkcji czasu. W celu określenia zakresu możliwej modyfikacji wykonane zostały wstępne obliczenia numeryczne opierające się o zredukowany wymiarowo model systemu spalania oraz wykorzystujące stosunkowo szczegółowe mechanizmy kinetyki reakcji utleniania paliw węglowodorowych z grupy C1-C3, takie jak GRI-Mech3.0 oraz SanDiego wraz z modułem pozwalającym na modelowanie formacji tlenków azotu NOX. Obliczenia numeryczne przeprowadzono w środowisku Python za pomocą bibliotek Cantera, uzupełnionych o biblioteki numeryczne (Numpy, SciPy) oraz służące prezentacji wyników (Matplotlib).

Rysunek Schemat ideowy modelowanego układu, 1- zapłon, 2- reaktor - komora wstępna, 3- reaktor główny - komora izochoryczna, 4 – zawory, 5- reaktor z uwarstwieniem, 6- reaktor wylotowy

46 Rysunek 5.1a przedstawia schemat pierwotnie modelowanego układu, składającego się z dwóch reaktorów operujących na modelu gazu doskonałego typu IdealGasReactor (IGR) dla wersji obejmującej spalanie jednostopniowe wywołane przybliżeniem iskry. Na rysunku 5.2b przedstawiono układ składający się z trzech reaktorów, przy uwzględnieniu zapłonu poprzez komorę wstępną. Oprócz skończonej objętości przedstawiającej wnętrze komory izochorycznej w obydwóch przypadkach występuje reaktor wylotowy, pozwalający na gromadzenie danych odpowiadających chłodzeniu gazów odlotowych poprzez analizator spalin.

Reaktory, w których zachodzą reakcje chemiczne, powiązane są ze sobą za pomocą obiektów klasy Valve (V) symulujących działanie zaworu oraz MassFlowController

Reaktory, w których zachodzą reakcje chemiczne, powiązane są ze sobą za pomocą obiektów klasy Valve (V) symulujących działanie zaworu oraz MassFlowController

W dokumencie Optymalizacja procesu spalania w komorach wstępnych silników gazowych (Stron 30-113)