Streszczenie
ZwiĊkszenie udziału odnawialnych Ĩródeł energii w ogólnym bilansie energetycz-nym to obecnie jeden z głównych kierunków prowadzonych badaĔ. Jedenergetycz-nym z potencjalnych paliw moĪliwych do wykorzystania jest biogaz, który moĪe byü otrzy-mywany z róĪnych surowców. Ze wzglĊdu na swoje właĞciwoĞci biogaz moĪe byü bezpoĞrednio wykorzystywany jako paliwo do silników o zapłonie iskrowym. Wykorzy-stanie biogazu w znacznie sprawniejszych silnikach o zapłonie samoczynnym jest utrudnione i wymaga zastosowania dwupaliwowego układu zasilania.
W artykule opisano opracowane stanowisko laboratoryjne do badania efektyw-noĞci pracy silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego paliwami gazowymi w tym biogazem, pracującego w układzie kogeneracyjnym. Przedstawiono takĪe wyniki ba-daĔ wstĊpnych tego silnika.
Słowa kluczowe: paliwa odnawialne, biogaz, silnik o zapłonie samoczynnym, układ kogenera-cyjny, dwupaliwowy układ zasilania silnika, związki toksyczne emitowane przez silnik
1. Wprowadzenie
Kurczące siĊ zasoby paliw kopalnych przy ciągłym wzroĞcie zapotrzebowania na energiĊ, a takĪe coraz wiĊksza troska o Ğrodowisko naturalne wymagają poszukiwania nowych alternatyw-nych Ĩródeł energii. W tym celu miĊdzynarodowe organizacje podejmują róĪnorodne uchwały mające na celu ograniczenie wpływu cywilizacji na Ğrodowisko naturalne. JednoczeĞnie podejmo-wane są liczne przedsiĊwziĊcia mające na celu wspieranie rozwoju energetyki opartej o odnawialne Ĩródła energii.
Według danych opracowanych przez Association for the Study of Peak Oil&Gas [1] przewidy-wana do 2030 roku podaĪ paliw kopalnych nie jest w stanie zapewniü szacowanego popytu na paliwa ciekłe (rys. 1). Z przedstawionych na tym wykresie zaleĪnoĞci wynika, iĪ podaĪ paliw cie-kłych w najbliĪszych latach bĊdzie utrzymywała siĊ na stałym poziomie ok. 30 mld baryłek rocznie. Natomiast zapotrzebowanie na paliwa ciekłe do 2030 roku wzroĞnie o około 30%.
Tak duĪa luka pomiĊdzy podaĪą a popytem na paliwa ciekłe musi byü uzupełniona w oparciu o nowe, dotychczas nie wykorzystywane Ĩródła energii. Dotychczas odkryte i szacowane nowe nie odkryte jeszcze Ĩródła ropy naftowej nie są w stanie zapewniü 100% pokrycia zapotrzebowania rynku na paliwa ciekłe [6, 10].
Obowiązujące obecnie przepisy odnoĞnie wykorzystania paliw odnawialnych w tym dyrektywa nr 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 27 wrzeĞnia 2001 roku w sprawie
„wspierania produkcji na rynku wewnĊtrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze Ĩródeł odnawial-nych” wymusiły wytwarzanie co najmniej 7,5% energii elektrycznej pozyskanej ze Ĩródeł odnawialnych od 2010 roku, a do 2020 roku udział tej energii musi wynosiü, co najmniej 20%. Kolejnym dokumentem wymuszającym obniĪenie emisji gazów cieplarnianych jest "Protokół z Kioto" którego sygnatariusze, w tym Polska, zobowiązały siĊ do redukcji do roku 2012 własnych emisji tych gazów o wynegocjowane wartoĞci zestawione w załączniku do protokołu (co najmniej 5% poziomu emisji z 1990) m.in. dwutlenku wĊgla, metanu, tlenków azotu – gazów emitowanych przez silniki powodujących efekt cieplarniany [4].
W ostatnich latach wprowadzono na Ğwiecie szereg rygorystycznych norm i ustaw mających na celu promowanie nowych ekologicznych rozwiązaĔ technicznych w szeroko rozumianym przemy-Ğle, w tym równieĪ motoryzacji [10].
Rys. 1. Przewidywany na Ğwiecie podaĪ i zapotrzebowanie na paliwa ciekłe ħródło: [1].
2. Charakterystyka paliw odnawialnych
Obecnie duĪy nacisk kładzie siĊ na zwiĊkszenie udziału w gospodarce tzw. paliw odnawialnych drugiej generacji. Za takie paliwa uznaje siĊ paliwa powstałe z produktów, których nie moĪna prze-znaczyü na ĪywnoĞü dla ludzi lub zwierząt, zatem są to paliwa wytwarzane przede wszystkim z wszelkiego rodzaju odpadów oraz pozyskiwane z wysypisk Ğmieci oraz oczyszczalni Ğcieków. Po kilkunastoletnim okresie zainteresowania paliwami pochodzącymi z roĞlin uprawnych, np. rze-paku, obecnie odchodzi siĊ od tych paliw z uwagi na fakt, iĪ w uprawa roĞlin energetycznych wymaga doĞü duĪych nakładów energetycznych, jak równieĪ w celu zwiĊkszenia ich plonowania stosuje siĊ nawozy sztuczne oraz pestycydy, które nie tylko niekorzystnie oddziałujące na Ğrodowi-sko naturalne, ale w trakcie ich produkcji zuĪywane są znaczne iloĞci energii i powstają inne szkodliwe związki. Paliwa uzyskiwane z upraw roĞlin energetycznych uwaĪane są za paliwa odna-wialne pierwszej generacji. NaleĪy równieĪ zaznaczyü, iĪ produkcja roĞlin energetycznych niekorzystnie wpływa równieĪ na produkcjĊ ĪywnoĞci, gdyĪ ich uprawa ogranicza powierzchnie innych upraw ograniczając produkcjĊ ĪywnoĞci, co przyczynia siĊ do zauwaĪalnego cen ĪywnoĞci [2, 3].
NaleĪy równieĪ wspomnieü, iĪ obecnie prowadzone są badania nad wytwarzaniem biopaliw trzeciej generacji. Za takie z kolei uwaĪa siĊ paliwa otrzymywane z przerobu glonów zwanych al-gami. Organizmy te do wzrostu potrzebują w zasadzie tylko dwutlenku wĊgla oraz dostĊpu do energii słonecznej. W trakcie rozwoju organizmy te pochłaniają dwutlenek wĊgla uwalniając do atmosfery czysty tlen. Obecnie na Ğwiecie jest uruchomionych kilka projektów badawczych w któ-rych opracowuje siĊ metodĊ taniego pozyskiwania biopaliw z alg. NaleĪy jednak zaznaczyü, iĪ na chwilĊ obecną technologia otrzymywania paliw z alg jest doĞü kosztowna. Jednak z uwagi na fakt, iĪ do produkcji alg moĪna wykorzystaü tereny niewykorzystywane rolniczo, a nawet pustynie, jak równieĪ fakt, iĪ z jednostki powierzchni moĪna otrzymaü nawet 30 razy wiĊcej biopaliwa, niĪ z upraw roĞlin energetycznych, prowadzone są dalsze intensywne badania w tym kierunku [2].
W literaturze wspomina siĊ juĪ takĪe o paliwach czwartej generacji. Według niektórych gene-tyków moĪliwe jest stworzenie w najbliĪszym czasie bakterii, które bĊdą pochłaniały dwutlenek wĊgla z powietrza zamieniając go na ekologiczne paliwo. Obecnie genetycy badają równieĪ moĪli-woĞü stworzenia mikroorganizmów, które bĊdą w stanie wytwarzaü wodór, wykorzystując Ğwiatło słoneczne w procesie fotolizy [2, 5].
Jednym z potencjalnych odnawialnych Ĩródeł energii moĪe byü biogaz, który nie tylko moĪe byü wytwarzany na skutek przetwarzania róĪnego rodzaju substancji biologicznych, ale powstaje równieĪ na skutek naturalnych procesów zachodzących m.in. w oczyszczalniach Ğcieków, wysypi-skach Ğmieci czy fermach zwierzĊcych.
3. Biogaz – paliwo przyszłoĞci
Z uwagi, iĪ biogaz moĪe byü otrzymywany przy pomocy róĪnych technologii jego produkcji skład biogazu nie jest stały. Podstawowym i najbardziej poĪądanym składnikiem biogazu jest metan, czyli najprostszy z wĊglowodorów CH4. Udział procentowy metanu w biogazie jest uzaleĪniony od technologii otrzymywania biogazu i waha siĊ w granicach od 35 do około 75%. Innym związkiem palnym, który moĪe zawieraü biogaz jest wodór jednak jego udział procentowy jest znacznie mniej-szych i wynosi najczĊĞciej 1–5%. Pozostałe składniki biogazu są związkami niepalnymi i stanowią balast. Podstawowymi niepalnym składnikami biogazu są dwutlenek wĊgla oraz azot. Oprócz wyĪej wymienianych związków biogaz zawiera Ğladowe iloĞci innych związków chemicznych, których udział procentowy jest niewielki. W tabeli 1 przedstawiono orientacyjne składy biogazu z uwzglĊd-nieniem sposobu jego otrzymywania, naleĪy jednak zaznaczyü, iĪ są to wartoĞci orientacyjne. ZawartoĞü metanu w biogazie zaleĪy nie tylko od technologii otrzymywania biogazu, ale równieĪ od jakoĞci surowca, z którego jest wytwarzany [3, 5, 10, 12].
Jak wspomniano wyĪej biogaz powstaje w procesie biologicznym, z róĪnego rodzaju substratów, za najwaĪniejsze ze Ĩródeł wykorzystywanych do jego produkcji naleĪy zaliczyü:
− odchody z produkcji rolniczej, w tym odchody zwierzĊce;
− biomasa uprawiana na cele energetyczne (np. trawy, kukurydza, buraki cukrowe); − odpady komunalne i organiczne (np. oczyszczalnie Ğcieków i wysypiska Ğmieci); − odpady z przemysłu rolno-spoĪywczy (odpady roĞlinne i zwierzĊce).
− Proces powstawania biogazu jest procesem wieloetapowym, w pierwszej kolejnoĞci na sku-tek hydrolizy ulegają rozkładowi złoĪone związki chemiczne takie jak tłuszcze, białka i wĊglowodany. W wyniku hydrolizy dziĊki bakteriom i uwalnianym przez nie enzymom w wa-runkach beztlenowych powstają znacznie prostsze związki chemiczne takie jak cukry, kwasy
tłuszczowe i aminokwasy. Wytworzone w ten sposób proste związki chemiczne dziĊki bakte-riom kwasotwórczym, ulegają zakwaszeniu, w wyniku czego powstają kwasy tłuszczowe, niewielkie iloĞci kwasu mlekowego oraz alkoholu. NastĊpnie z związków tych powstaje kwas octowy z którego przy współudziale bakterii octowych i metanowych uwalniany jest biogaz [5, 10].
Tabela 1. Orientacyjny skład biogazu w zaleĪnoĞci od pochodzenia Component
Content Biogaz rolniczy Biogaz wytwarzany z upraw
energetycznych Biogaz wysypiskowy
Metan CH4 45–75% 57–62% 37–67% Dwutlenek wĊgla CO2 25–55% 33–38% 24–40% Tlen O2 0,01–2,0–2,1% 0–0,5% 1–5% Azot N2 0,01–5,0% 3,4–8,1% 10–25% Siarkowodór H2S 10–30 000 ppm 24–8 000 ppm 15–427 ppm ħródło: [3].
Jak wczeĞniej wspomniano znaczne iloĞci biogazu uwalniane są samoczynnie z wszelkiego ro-dzaju wysypisk Ğmieci. Według niektórych danych emisja biogazu z wysypisk znajdujących siĊ na terenie Polski wynosi ok. 80 tys. m3/h. NaleĪy zaznaczyü, iĪ uwalniany w ten sposób jest do atmos-fery metan, który jest ponad 20 razy bardziej szkodliwy dla warstwy ozonowej jak dwutlenek wĊgla.
Obecnie w celu poprawy składu chemicznego biogazu czĊsto poddaje siĊ oczyszczaniu w celu zwiĊkszenia udziału w nim składników palnych, a w szczególnoĞci metanu. Otrzymany w ten spo-sób gaz nazywany jest biometanem, z racji iĪ moĪe zawieraü nawet 99% metanu. NaleĪy jednak zaznaczyü, iĪ proces oczyszczania biogazu jest doĞü kosztowny, dlatego kosztowne oczyszczanie biogazu stosuje siĊ najczĊĞciej tylko w przypadku wprowadzania biometanu do sieci gazowniczej. W przypadku wykorzystania biogazu w miejscu jego wytwarzania najczĊĞciej stosuje siĊ znacznie prostsze metody jego oczyszczania, co obniĪa koszty jego pozyskiwania. NaleĪy jednak pamiĊtaü, iĪ w takim przypadku uzyskana w komorze spalania silnika mieszanka zawiera znaczne iloĞci związ-ków niepalnych co negatywnie wpływa na wykorzystaniem całkowitej objĊtoĞci skokowej silnika co powoduje zmniejszenie mocy wytwarzanej przez silnik spalinowy.
WłaĞciwoĞci biogazu jako paliwa do silników są ĞciĞle uzaleĪnione od zawartoĞci poszczegól-nych związków. NajwiĊkszy wpływ na właĞciwoĞci biogazu ma metan bĊdący jego głównym składnikiem palnym. Podstawowym parametrem charakteryzującym paliwa jest wartoĞü opałowa w przypadku metanu, wartoĞü opałowa wynosi około 35,8 MJ/m3 (50 MJ/kg). Zatem w zaleĪnoĞci od zawartoĞci metanu wartoĞü opałowa nie oczyszczonego biogazu waha siĊ w granicach 15–27 MJ/m3. Kolejnym waĪnym parametrem dla biogazu jako paliwa silnikowego jest liczba metanowa, która jest odpowiednikiem liczby oktanowej dla paliw płynnych. Liczba ta podobnie jak wartoĞü opałowa dla biogazu uzaleĪniona jest od składu chemicznego biogazu, dla metanu liczba ta wynosi 100 a dla wodoru 0. Jednak z uwagi na znaczną zawartoĞü w biogazie związków niepalnych takich jak azot i dwutlenek wĊgla, które podnoszą liczbĊ metanową, liczba ta dla biogazu wynosi najczĊĞciej około 130 [6, 7, 12].
Biogaz zawiera znaczne iloĞci metanu (40–75%), bĊdącego głównym składnikiem palnym. Ze wzglĊdu na swoje właĞciwoĞci biogaz moĪe byü uĪyty bezpoĞrednio do zasilania silników o za-płonie iskrowym. Wykorzystanie biogazu jako Ĩródła zasilania znacznie sprawniejszych silników o zapłonie samoczynnym jest znacznie utrudnione, co związane jest przede wszystkim z stosunkowo wysoką temperaturą samozapłonu metanu (ok. 640°C).
W celu zapewnienia właĞciwej pracy silników o zapłonie samoczynnym na paliwie gazowym konieczne jest zmodyfikowanie silnika bądĨ jego układu zasilania. Obecnie stosowane są trzy spo-soby adaptacji tych silników do zasilania paliwem gazowym [7, 10]:
− poprzez obniĪenie stopnia sprĊĪania silnika oraz zastąpienie układu wtryskowego paliwa ukła-dem zapłonowym, co sprowadza siĊ do przeróbki silnika o zapłonie samoczynnym na silnik o zapłonie iskrowym;
− zastosowanie dwupaliwowego układu zasilania, dziĊki czemu paliwo gazowe doprowadzane jest do kolektora ssącego, w którym tworzona jest mieszanka powietrze – gaz, która nastĊpnie zasy-sana jest do komory spalania silnika. W trakcie suwu sprĊĪania do komory spalania wtryskiwana jest niewielka dawka paliwa ciekłego inicjującego samozapłon paliwa gazowego. W układzie takim gaz doprowadzony jest pod niewielkim nadciĞnieniem do kolatora ssącego, co nie wymaga stosowania złoĪonych instalacji gazowych. Taki sposób zasilania silnika jest rozwiązaniem wzglĊdnie prostym konstrukcyjnie, nie wymagającym znaczącej ingerencji w standardową in-stalacje, pozwalając jednoczeĞnie na pracĊ silnika zarówno w układzie jedno jak i dwupaliwowym;
− zastosowanie specjalnych dwudroĪnych wtryskiwaczy umoĪliwiający niezaleĪny wtrysk do ko-mory spalania zarówno gazu jak i dawki paliwa ciekłego inicjującej samozapłon. W takim przypadku konieczne jest stosowanie bardziej złoĪonych instalacji gazowych z uwagi na ko-niecznoĞü wtrysku paliwa gazowego pod ciĞnieniem rzĊdu 25 MPa.
4. Wpływ parametrów biogazu na właĞciwoĞci mieszanki palnej
Moc uzyskiwana z silnika spalinowego zaleĪy przede wszystkim od wartoĞci opałowej i iloĞci spalonego w komorze spalania paliwa. IloĞü moĪliwego do spalenia paliwa uwarunkowana jest ilo-Ğcią dostĊpnego w komorze silnika tlenu, który jest niezbĊdny do spalania palnych składników zawartych w paliwie. Zdecydowana wiĊkszoĞü dostarczanego do komory spalania silnika tlenu po-chodzi z powietrza, tylko nieznaczna czĊĞü tego pierwiastka moĪe byü dostarczona wraz z paliwem, w przypadku gdy paliwo zawiera w sobie tlen.
Zatem moĪliwa do uzyskania przez silnik moc jest ograniczona iloĞcią zassanego do komory spalania powietrza (tlenu) potrzebnego co całkowitego spalenia paliwa. W przypadku paliw cie-kłych teoretyczna iloĞü moĪliwego do zassania tlenu wynika z jego zawartoĞci w powietrzu i maksymalnej objĊtoĞci komory spalania. W takim przypadku objĊtoĞü dostarczonego paliwa cie-kłego jest znikomo mała i moĪna ją pominąü praktycznie bez błĊdu. W rzeczywistoĞci moĪliwa do zassania objĊtoĞü ĞwieĪego powietrza uzaleĪniona jest od sprawnoĞci napełniania silnika, na co naj-wiĊkszy wpływ ma budowa kanałów doprowadzających ĞwieĪy ładunek do komory spalania, skutecznoĞü oczyszczania komory spalania z resztek spalin pochodzących z poprzedniego cyklu pracy, prĊdkoĞci obrotowej silnika, jak równieĪ temperatury panującej w komorze spalania w trakcie suwu ssania. W rzeczywistych silnikach spalinowych sprawnoĞü napełniania cylindra waha siĊ
w przedziale 0,7÷0,85 i maleje wraz ze wzrostem prĊdkoĞci obrotowej silnika, co wynika z skróce-nia siĊ czasu trwaskróce-nia suwu ssaskróce-nia.
O ile w przypadku paliw ciekłych moĪna pominąü objĊtoĞü paliwa doprowadzanego do komory spalania, to w przypadku paliw gazowych, zawierających nie tylko związki palne, ale równieĪ znaczne udziały związków niepalnych takich jak dwutlenek wĊgla (CO2) i azot (N2) objĊtoĞü dopro-wadzanego paliwa do komory silnika jest znacząca (za wyjątkiem rozwiązaĔ z wtryskiem gazu bezpoĞrednio do komory spalania). Wpływa to, zatem istotnie na ograniczenie objĊtoĞci zassanego do komory spalania powietrza koniecznego do spalenia paliwa, co z kolei wpływa na zmianĊ osią-gów silnika [12].
Niskokaloryczne paliwa gazowe jak wczeĞniej wspomniano zawierają trzy podstawowe skład-niki palne: metan (CH4), wodór (H2) i tlenek wĊgla (CO). Zakładając, iĪ cała iloĞü doprowadzanego paliwa ulega spalaniu, zachodzące reakcje spalania tych związków moĪemy zapisaü jako:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O (1)
2H2 + O2 = 2H2O (2)
2CO + O2 = 2CO2 (3)
UwzglĊdniając, iĪ w powietrzu objĊtoĞciowo znajduje siĊ 21% tlenu moĪemy zapisaü, iĪ teore-tyczna iloĞü powietrza potrzebnego do spalania paliwa bĊdącego mieszaniną tych trzech gazów wynosi:
(
)
[
0,5 2 2 4]
21 , 0 1 H CO CHLt = + + [m3 powietrza / m3 paliwa gazowego] (4)
W przypadku paliw gazowych zawierających tlen objĊtoĞü jego naleĪy uwzglĊdniü tą iloĞü tlenu, zatem powyĪszy wzór przyjmuje postaü:
(
)
[
0,5 2 2 4 2]
21 , 0 1 O CH CO H Lt = + + − [m3 powietrza / m3 paliwa gazowego] (5) W celu okreĞlenia objĊtoĞci powietrza zassanego do komory spalania wraz z mieszanką po-wietrzno-gazową moĪna zdefiniowaü stopieĔ wypełnienia komory spalania powietrzem γair. Przy załoĪeniu, Īe sprawnoĞü napełniania cylindra wynosi λv=1, całkowitym usuniĊciu spalin z komory spalania oraz tworzeniu mieszanki powietrzno-gazowej na zewnątrz komory spalania współczynnik ten moĪna zapisaü jako [12]:
ch fuel ch ch air air V V V V V = − = γ (6) gdzie:
Vair – objĊtoĞü powietrza w mieszance powietrzno-gazowej;
Vch – objĊtoĞü komory spalania;
Przebieg zmian stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem γair oraz zmian wartoĞci opa-łowej mieszanki powietrze-paliwo gazowe zawierającego tylko metan (np. biogaz) w zaleĪnoĞci od udziału procentowego CH4 w paliwie przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=1 przedstawiono na rys. 2 i rys. 3. Na podstawie przebiegu wypełnienia komory spalania powietrzem moĪna stwier-dziü, iĪ wzrost procentowego udział metanu w paliwie istotnie wpływa na wykorzystanie komory spalania. Dla paliw o zawartoĞci metanu ok. 40% stopieĔ wykorzystania objĊtoĞci komory spalania silnika wynosi poniĪej 80%.
2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700 3900 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% W [ J/ d m3 ] γai r [CH4] gair W [J/dm3]
Rys. 2. Zmiana stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem oraz wartoĞci opałowej mie-szanki powietrze-paliwo gazowe dla paliw o róĪnej zawartoĞci procentowej metanu przy λ=1 ħródło: opracowanie własne.
Rys. 3. Zmiana stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem dla mieszanki powietrze-gaz palny przy róĪnych udziałach CH4 i H2 przy λ=1
5. Opis stanowiska badawczego
Jednym z moĪliwych sposobów wykorzystania biogazu jak paliwa do wytwarzania energii elek-trycznej jest rozbudowa sieci małych elektrowni przetwarzających na miejscu lokalnie dostĊpne odnawialne Ĩródła energii na energiĊ elektryczną [5, 10]. Optymalne wykorzystanie energii zawartej w paliwach odnawialnych w tym biogazie jest moĪliwe dziĊki wykorzystaniu skojarzonych układów wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej zwanych układami kogeneracyjnymi. Obecnie coraz czĊĞciej mówi siĊ teĪ o rozwiązaniach z układami trójgeneracyjnymi, które w porównaniu do opi-sanych wyĪej układów kogeneracyjnych wytwarzają nie tylko energiĊ elektryczną i ciepło technologiczne, ale równieĪ dostarczają technologicznego chłodu [5]. Zarówno w układach kogene-racyjnych i trójgenekogene-racyjnych kluczowym elementem jest zastosowane urządzenie, w którym nastĊpuje spalania paliwa, gdyĪ to ono w głównej mierze decyduje o sprawnoĞci całego układu. W przypadku układów o stosunkowo małych mocach najczĊĞciej stosuje siĊ silniki spalinowe. Sche-mat przykładowego układu kogeneracyjnego z tłokowym silnikiem spalinowym jako Ĩródłem energii przedstawiono na rys. 4. W zaleĪnoĞci do wielkoĞci silnika przedstawiony układ moĪe byü rozbudowany o dodatkowe układy, np. w przypadku duĪych silników doładowanych stosuje siĊ czĊ-sto wymienniki ciepła odzyskujące ciepło z sprĊĪonego przez turbinĊ powietrza.
CO E B n, Mo F (p, q, ) l α FCO2(qCO2) FHC4 (qCH4) EEGR(qEGR) A(q )A t1 t2 tE
Rys. 4. Ogólny schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych oraz elementów sterujących na sta-nowisku badawczym: Fl – dawka paliwa ciekłego (ciĞnienie, wielkoĞü dawki, kąt wyprzedzenia
wtrysku), EEGR – iloĞü spalin doprowadzana przez układ recyrkulacji spalin, B – hamulec
(stabili-zacja oraz pomiar obrotów oraz momentu obrotowego silnika), FHC4 – regulator dawki metanu,
FCO2 – regulator dawki CO2, A – pomiar iloĞci powietrza zasysanego przez silnik, qw – natĊĪenie
przepływu cieczy chłodzącej, t1 – temperatura cieczy chłodzącej na wyjĞciu z silnika, t2 –
tempera-tura cieczy chłodzącej na wejĞciu do silnika, tE – temperatura spalin
CelowoĞü zastosowania układu kogeneracyjnego do wytwarzania energii elektrycznej podyk-towana jest głównie stosunkowo niską sprawnoĞcią silników spalinowych wykorzystanych do napĊdu generatorów. Współczesne silniki spalinowe osiągają sprawnoĞü na poziomie ok. 40%, za-tem podczas eksploatacji takiego układu wytwarzane są znaczne iloĞci ciepła, które moĪe byü wykorzystane do celów technologicznych. W celu okreĞlenia optymalnych parametrów pracy sil-nika o zapłonie samoczynnym opracowano stanowisko laboratoryjne (rys. 5) oraz aplikacje (rys. 6) w Ğrodowisku LabView umoĪliwiającą rejestracje parametrów pracy silnika. Stanowisko badawcze oraz aplikacja zostały szczegółowo opisane w pracach [8, 9, 11]. Dane techniczne wykorzystanego silnika przedstawiono w tabeli 2.
Rys. 5. Widok opracowanego stanowiska badawczego ħródło: opracowanie własne.
Rys. 6. Widok okna sterującego pracą silnika w systemie dwupaliwowym ħródło: opracowanie własne.
Tabela 2. Podstawowe dane techniczne silnika YANMAR L100N6
Parametr WartoĞü
PojemnoĞü skokowa 534 cm3
StopieĔ sprĊĪania 20
ĝrednica / skok tłoka 86 / 75 mm
Moc max. 7,4 kW
Max. moment obrotowy 27 Nm
Max. prĊdkoĞü obrotowa 3600 min-1
Rodzaj wtrysku bezpoĞredni
Układ chłodzenia powietrzem
6. Wyniki badaĔ wstĊpnych
Na opisanym stanowisku przeprowadzono badania wstĊpne, które miały na celu okreĞlenie wpływu zasilania metanem na pracĊ silnika o ZS. Do badaĔ uĪyto gaz ziemny zaazotowany o za-wartoĞci metanu ok. 96%. Jako paliwo porównawcze wykorzystano dostĊpny na rynku olej napĊdowy zgodny z obowiązującymi wymaganiami.
Badania przeprowadzono przy stałej prĊdkoĞci obrotowej silnika n=2200obr/min, która była utrzymywana na załoĪonym poziomie poprzez układ sterowania hamownią. W trakcie badaĔ silnika zasilanego tylko paliwem ciekłym z układu sterowania podawana była okreĞlona stała dawka paliwa przy stałym ciĞnieniu (60 MPa) i stałym kącie wyprzedzenia wtrysku (-15°BTDC). ObciąĪenie sil-nika odczytywane było z hamulca jednoczeĞnie dokonywano pomiaru zawartoĞci związków toksycznych zawartych w spalinach.
Przy zasilaniu silnika metanem, silnik zasilany był stałą dawką paliwa ciekłego (2.3 mm3/1 wtrysk) wtryskiwanego przy takich samych parametrach jak przy zasilaniu samym olejem napĊdo-wym. Deficyt energii potrzebny do uzyskania przez silnik okreĞlonego obciąĪenia uzupełniany był dawką metanu podawanego do komory mieszalnikowej przed filtrem powietrza.
Wyniki przeprowadzonych badaĔ przedstawiono na rys. 7. Z przedstawionych zaleĪnoĞci wy-nika, iĪ poziom emisji związków toksycznych takich jak CO i HC odnotowano znaczny wzrost ich emisji przy zasilaniu silnika metanem, naleĪy jednak zaznaczyü, iĪ wraz ze wzrostem odciąĪenia zmniejsza siĊ poziom ich emisji. Otrzymane wynik są zgodne z informacjami podawanymi przez innych badaczy, wzrost emisji tych związków spowodowany jest odmiennym przygotowanie mie-szanki palnej w silniku. W przypadku zasilania samym paliwem ciekłym, dawka paliwa wtryskiwana jest do komory spalania i spala siĊ w niecałej przestrzeni komory. Natomiast w przy-padku zasilania silnika metanem, w komorze znajduje siĊ jednorodna mieszanina metan-powietrze wypełniająca całą komorĊ spalania. Wtrysk niewielkiej dawki paliwa powoduje lokalny jej zapłon, od której zapala siĊ paliwo gazowe znajdujące siĊ w obrĊbie wtryĞniĊtej strugi. Spalanie reszty pa-liwa uzaleĪnione jest od szybkoĞci rozchodzenia siĊ płomienia w komorze spalania. W przypadku małych obciąĪeĔ silnika mieszanka palna znajdująca siĊ w komorze spalania jest bardzo uboga co spowalnia rozchodzenie siĊ płomienia i skutkuje spadkiem sprawnoĞci ogólnej jak równieĪ wzro-stem emisji palnych składników.
W trakcie pomiarów odnotowano takĪe wprost emisji NOx do atmosfery przy wyĪszych obcią-Īeniach, spowodowane jest to wyĪszymi temperaturami uzyskiwanymi przy spalaniu metanu, co sprzyja wzrostowi emisji tych związków.
Rys. 7. Emisja związków toksycznych przy zasilaniu badanego silnika o ZS olejem napĊdowym i metanem
ħródło: opracowanie własne. 7. Wnioski
Przeprowadzone wstĊpne badania potwierdzają moĪliwoĞü wykorzystania paliw gazowych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. NaleĪy jednak podkreĞliü, iĪ przy zasilaniu silnika pa-liwami gazowymi znacznie wzrasta poziom emisji związków toksycznych do atmosfery. NajwiĊkszy wzrost emisji związków toksycznych wystĊpuje przy czĊĞciowych obciąĪeniach silnika. Związane jest to przede wszystkim z spalaniem w tym zakresie bardzo ubogich mieszanek paliwo gazowe-powietrze, co nie zapewnia odpowiedniej prĊdkoĞci spalania. NaleĪy sądziü, iĪ przy takim rozwiązaniu zasilania silnika naleĪy zastosowaü zaawansowane układy oczyszczania spalin, które znacznie obniĪą poziom emisji tych związków. Kolejnym sposobem na obniĪenie emisji związków toksycznych moĪe byü wprowadzenie dławienia dopływu powietrza przy czĊĞciowych obciąĪe-niach, co poprawi jakoĞü mieszanki powietrzno-gazowej.
Bibliografia
1. Aleklett K., The ASPO Perpective on Fossil Fuels, 2011.
2. Biopaliwa 3 generacji (algi) – http://ziemianarozdrozu.pl/encyklopedia/72/biopaliwa-3-genera-cji-algi.
3. Cebula J.: Biogas purification by sorption techniques. ACEE Journal, 2/2009. pp. 95–103. 4. Semin Abdul, Rahim Ismail and Rosli Abu Bakar.: Gas Fuel Spray Simulation of Port Injection
Compressed Natural Gas Engine Using Injector Nozzle Multi Holes. European Journal of Scien-tific Research. Vol.29 No.2 (2009), pp.188–193.
5. Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WNT, Warszawa, 2005.
6. Stelmasiak Z.: Studium procesu spalania gazu w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczyn-nym zasilasamoczyn-nym gazem ziemsamoczyn-nym i olejem napĊdowym. Rozprawy Naukowe, Wydawnictwo ATH, 2003.
7. Stelmasiak Z.: Aplikacja dwupaliwowego systemu zasilania w silnikach ZS Ğredniej mocy. Silniki Gazowe wybrane zagadnienia. Monografia nr 183. Wyd. Politechniki CzĊstochowskiej. str. 478–491.
8. ĝmieja M., Wierzbicki S., Mamala J.: Sterowanie dawką wtryskiwanego paliwa w układzie Com-mon Rail z wykorzystaniem Ğrodowiska LabView. Combustion engine, 3(54)/2013. 9. Wierzbicki S., ĝmieja M.: The concept of an integrated laboratory control system for a
dual-fuel diesel engine. Journal of KONES Powertrain and Transport. Vol. 19. No. 3. 2012, s. 451– 458.
10. Wierzbicki S.: Biogas as a fuel for diesel engines. Journal of KONES Powertrain and Transport. Vol. 19. No. 3. 2012, s. 477–482.
11. Wierzbicki S., ĝmieja M., Grzeszczyk R.: Zintegrowane sterowanie stanowiskiem badawczym silników o ZS w Ğrodowisku fast prototyping. Combustion engine, 3(54)/2013.
12. Wierzbicki S.: Analysis of the effect of the chemical composition of low calorific gaseous fuels on workload concentration in an engine’s combustion chamber. Journal of Polish CIMAC Vol. 8, 89–96, 2013.
UTILIZATION OF BIOGAS FOR POWERING COMPRESSION IGNITION ENGINES OPERATING WITH CHP SYSTEMS
Summary
Increasing the share of renewables in the overall energy balance is one of the main lines of research. One of the fuels possible to be used is biogas, which can be obtained from different raw materials. Due to its properties biogas can be used as fuel for spark ignition engines. The utilization of biogas to a much more efficient compres-sion ignition engine is difficult and requires application of dual fuel supply system.
The article describes the developed laboratory test stand for examining efficiency of compression ignition engine powered by gaseous fuels including biogas, operating in cogeneration system. The paper also presents the results of preliminary tests of this engine.
Keywords: renewable fuels, biogas, compression ignition engine, cogeneration system, dual fuel engine power supply, toxic compounds emitted by the engine
Sławomir Wierzbicki Maciej Mikulski
Katedra Mechatroniki i Edukacji Techniczno- Informatycznej. Wydział Nauk Technicznych
Uniwersytet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie
