Jerzy Merkisz, Jaros!aw Markowski,
Marta Galant, Dominik Karpi"ski, Kamil Kubiak
Politechnika Pozna!ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
BADANIA WP#YWU DODATKU TLENOWEGO
(CH
3(OCH
2CH
2)
3OCH
3) NA EMISJ$ GAZOWYCH
SK#ADNIKÓW SPALIN SILNIKA TURBINOWEGO
GTM-120
R#kopis dostarczono, kwiecie! 2013
Streszczenie: Jednym z kluczowych kierunków bada! zwi$zanych z wp%ywem transportu na
&rodowisko jest ograniczenie emisji zwi$zków szkodliwych spalin. W artykule przedstawiono wyniki przeprowadzonych bada! i dokonano analizy wp%ywu dodatku tlenowego (CH3(OCH2CH2)3OCH3) do
paliwa JET A-1 na emisj# gazowych sk%adników spalin w silniku turbinowym GTM-120. Badania przeprowadzono jako badanie porównawcze emisji uzyskanej w wybranych punktach eksploatacyjnych silnika zasilanego paliwem JET A-1 i mieszaniny paliwowej o 10, 20 i 30 procentowym udziale dodatku w paliwie.
S!owa kluczowe: silnik odrzutowy, emisja spalin, dodatek tlenowy
1. WST$P
Jednym z aspektów rozwoju cywilizacyjnego jest rozwój przemys%u i transportu. Wi$'e si# to z ci$g%ym wzrost zapotrzebowania na energi#. Zu'ycie paliw kopalnych wzrasta w tempie oko%o 3 % rocznie [1], co powoduje znaczny wzrost zanieczyszcze! &rodowiska zwi$zkami szkodliwymi spalin: w#glowodory (HC), tlenki azotu (NOx), tlenek w#gla
(CO), cz$stki sta%e (PM) i inne.
Nale'y zatem poszukiwa+ alternatywnych /róde% nap#du silników, które przyczyni$ si# do obni'enia emisji toksycznych zwi$zków spalin. Alternatywne /ród%o energii to inne ni' klasyczne /ród%a energii, jakimi s$ paliwa naturalne (w#giel, ropa naftowa, gaz ziemny). Badania nad alternatywnymi paliwami s$ elementem podstawowym inicjatywy Airbusa w celu zmniejszenia negatywnego wp%ywu na &rodowisko przez transport lotniczy. Lotnictwo przyczynia si# do oko%o dwóch procent wszystkich emisji CO2 spowodowanych techniczn$
dzia%alno&ci$ cz%owieka. W ci$gu ostatnich 40 lat przemys% poprawi% swoj$ wydajno&+ paliwow$ i zmniejszy% zwi$zane z tym emisje CO2 o oko%o 70 %. Sektor transportu
lotniczego, jako ca%o&+ dobrowolnie zobowi$za% si# do realizacji ambitnych celów &rodowiskowych, w tym spadku emisji dwutlenku w#gla o 50 % w 2050 r., w porównaniu do roku 2005.
Paliwo, jako integralny sk%adnik procesu spalania ma ogromny wp%yw na sk%ad i wielko&+ emisji szkodliwych zwi$zków spalin emitowanych przez silnik. Do zasilania nap#dów lotniczych stosuje si# benzyn# lotnicz$ lub zwi$zki syntetyczne pochodz$ce z przetwórstwa ropy naftowej. Paliwa lotnicze s$ to g%ównie mieszaniny w#glowodorów otrzymane z ropy naftowej cz#sto zawieraj$ce dodatki poprawiaj$ce ich w%a&ciwo&ci eksploatacyjne. Sk%ad paliw, g%ównie zwi$zki w#glowodorów, ma bezpo&redni wp%yw na emisyjno&+ toksycznych zwi$zków spalin.
Wszelkie modyfikacje wprowadzone do paliwa lotniczego najcz#&ciej maj$ za zadanie poprawi+ w%a&ciwo&ci u'ytkowe paliwa, nie zwracaj$c uwagi na ich negatywny wp%yw na &rodowisko. Lokalny niedobór tlenu w komorze spalania jest jednym z g%ównych powodów powstawania szkodliwych zwi$zków spalin. Wprowadzenie wi#kszej ilo&ci tlenu poprawi proces spalania, a w efekcie obni'y emisyjno&+ silnika. W badaniach nad paliwem JET A-1 podj#to prób# obni'enia toksycznych zwi$zków wyp%ywaj$cych z uk%adu wydechowego silnika poprzez wprowadzenie utleniacza. Takie rozwi$zanie z punktu widzenia procesu spalania wydaje si# by+ bardzo obiecuj$ce.
W artykule porównano wp%yw wybranego paliwa lotniczego oraz mieszaniny paliwa lotniczego i dodatku tlenowego na emisj# szkodliwych gazowych zwi$zków spalin. Badania przeprowadzono na paliwie lotniczym JET A-1, a jako dodatek u'yto substancji zwanej triglyme (CH3(OCH2CH2)3OCH3). Dzi#ki zastosowaniu dodatku zawieraj$cego
du'$ ilo&+ tlenu, przewiduje si# popraw# procesu spalania, a przez to obni'enie emisji gazowych sk%adników spalin.
Ci$gle rosn$ca ilo&+ pojazdów z nap#dem silnikowym, konieczno&+ ochrony &rodowiska oraz prognozy dotycz$ce wyczerpywania si# z%ó' ropy naftowej spowodowa%y prób# cz#&ciowego zast$pienia paliwa, które pochodzi z przeróbki ropy naftowej. Przeprowadzona analiza jest wst#pem do dalszych bada! maj$cych na celu obni'enie negatywnego wp%ywy spalania paliwa na &rodowisko.
Wyniki eksperymentu przedstawione w niniejszym opracowaniu zosta%y uzyskane poprzez zbadanie modelowego silnika turbinowego, jednak docelowo dotycz$ komercyjnych silników lotniczych. Wp%yw ró'nego st#'enia utleniacza na emisyjno&+ spalin doprowadzi%o do zaproponowania mieszaniny paliwa o najlepszych w%a&ciwo&ciach.
2. METODYKA BADA&
G%ównym celem przeprowadzonych bada! by%o okre&lenie wp%ywu
CH3(OCH2CH2)3OCH3 (triglyme) na st#'enie gazowych zwi$zków szkodliwych spalin:
CO, CO2, NOx oraz HC. Badania wykonano z wykorzystaniem turbinowego silnika
GTM-120 przedstawionego na rysunku 1.
Silnik zbudowany jest z jednostopniowej spr#'arki promieniowej, nap#dzanej za pomoc$ jednostopniowej turbiny osiowej. W silniku GTM-120 zastosowano pier&cieniow$ komor# spalania, a paliwo dostarczane jest do zestawu parownic. Do rozruchu silnika
wykorzystywany jest rozrusznik elektryczny oraz gaz LPG. Po rozgrzaniu silnika nast#puje prze%$czenie na zasilanie paliwem w%a&ciwym. Na stanowisku badawczym zainstalowano zestaw elektroniki steruj$cej, której zadaniem jest realizacja wszystkich funkcji steruj$cych prac$ silnika, %$cznie z automatycznym rozruchem i studzeniem. Sterowanie silnikiem realizuje si# przez regulacj# wydatku pompy paliwa. Na stanowisku dokonuje si# pomiaru pr#dko&ci obrotowej wa%u silnika, temperatury spalin w dyszy wylotowej silnika oraz si%y ci$gu [7]. Silnik zasilany jest paliwem lotniczym JET A-1 produkowanym przez PKN Orlen z domieszk$ 3 % oleju MOBILE JET OIL II. Zu'ycie paliwa szacowane jest na 340 g/min. Maksymalny ci$g statyczny osi$gany przez badany silnik wynosi 120 N, a obroty wirnika miesz$ si# w zakresie 33 – 120 tys. obr/min [7].
Rys. 1. Widok silnika GTM 120 na stanowisku badawczym
Badania emisji szkodliwych sk%adników spalin przeprowadzono przy zastosowaniu czterech ró'nych paliw. Pocz$tkowo wykonano prób# dla tradycyjnego paliwa JET A-1. Uzyskane pomiary zwi$zków szkodliwych stanowi%y materia% porównawczy do wyników bada! przeprowadzonych dla paliw JET A-1 z 10 % udzia%em CH3(OCH2CH2)3OCH3, JET A-1 z 20 % udzia%em CH3(OCH2CH2)3OCH3 oraz JET A-1
z 30 % udzia%em CH3(OCH2CH2)3OCH3. Na rysunku 2 przedstawiono g#sto&ci paliw
w zale'no&ci od udzia%u procentowego dodatku w paliwie lotniczym. Zauwa'ono, 'e wraz ze wzrostem udzia%u dodatku CH3(OCH2CH2)3OCH3 g#sto&+ mieszaniny zdecydowanie
wzrasta. G#sto&+ paliwa JET A-1 z dodatkiem tlenowym zbli'ona jest do g#sto&ci oleju nap#dowego stosowanego do zasilania silników z zap%onem samoczynnym.
Dodatek stosowany w badaniach jest prze/roczyst$ substancja wykorzystywan$ jako rozpuszczalnik [10]. Podstawowe parametry dodatku tlenowego przedstawiono w tabeli 1. Zgodnie ze wzorem chemicznym CH3(OCH2CH2)3OCH3 jedna cz$steczka zwi$zku
zawiera 4 atomy tlenu, które przyczyniaj$ si# do obni'enia temperatury procesu spalania. Dodatek tworzy jednorodn$ kompozycj# paliwow$ z paliwem JET A-1.
Rys. 2. G#sto&+ paliw w zale'no&ci od udzia%u procentowego dodatku w paliwie JET-A1
Tab. 1 Parametry dodatku tlenowego [10]
Wzór chemiczny CH3(OCH2CH2)3OCH3
Temperatura
krzepni#cia - 45 [=C]
Temperatura zap%onu 113 [=C]
Masa molowa 178,23 [g/mol]
Próba polega%a na stopniowym zwi#kszaniu ci$gu silnika – od warto&ci 10 N, uznanej za minimaln$, a' do warto&ci 120 N, okre&lan$ przez producenta jako najwy'sza mo'liwa nastawa ci$gu silnika. Dzi#ki temu uzyskano 12 punktów pracy silnika, dla których mo'liwa by%a analiza st#'e! gazowych zwi$zków szkodliwych spalin. Warto&ci st#'e! rejestrowano po przy%o'eniu przep%ywomierza po%$czonego z analizatorem do dyszy wylotowej badanego silnika.
Do pomiarów st#'e! HC, CO, CO2, NOx wykorzystano analizator spalin
SEMTECH DS [9]. Pomiaru masowego nat#'enia przep%ywu dokonano za pomoc$ przep%ywomierza EFM [11].
3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA
W analizie wyników pomiarów przedstawiono 12 cykli pracy silnika GTM 120. Podczas ka'dego cyklu dokonano pomiaru gazowych zwi$zków spalin. Wyniki pomiarów st#'e! poszczególnych zwi$zków spalin przedstawiono na rysunkach 3 i 4.
Zasilanie silnika odrzutowego paliwem lotniczym JET A-1 z zawarto&ci$ dodatku tlenowego nie wp%ywa znacz$co na obni'anie warto&ci st#'e! CO, CO2, HC, w stosunku
do paliwa JET A-1 bez udzia%u dodatku (rys. 3). Zwi$zki w#glowe spalin s$ &ci&le
0,79 0,8 0,81 0,82 0,83 0,84 0,85 0,86
JET A-1 10 % dodatku 20 % dodatku 30 % dodatku
G # st o &+ [ g /c m 3]
zwi$zane z ilo&ci$ tlenu w mieszance paliwowo-powietrznej. Zwi#kszenie ci$gu silnika powy'ej 50 N przyczyni%o si# do nieznacznych spadków warto&ci st#'enia gazowych zwi$zków spalin – maksymalnie do 4 %. Badania wykaza%y, 'e wprowadzenie dodatku tlenowego CH3(OCH2CH2)3OCH3 do paliwa JET A-1 nie wp%ywa znacz$co na warto&ci
st#'e! zwi$zków szkodliwych spalin w stosunku do paliwa lotniczego bez dodatku, co wi#cej dla niektórych warto&ci si%y ci$gu st#'enie nieznacznie wzros%o. Zmniejszenie CO i HC wraz ze wzrostem ci$gu silnika jest charakterystyczne dla turbinowych silników odrzutowych. Obni'enie st#'enia zwi$zków szkodliwych spalin przy wy'szych warto&ciach si%y ci$gu jest wynikiem wzrastaj$cej pr#dko&ci obrotowej wirnika wraz ze wzrostem si%y ci$gu, co powoduje zwi#kszenie ilo&ci doprowadzonego powietrza do komory spalania. W konsekwencji nast#puje poprawa procesu spalania paliwa przyczyniaj$cego si# do obni'enia warto&ci st#'e! w#glowych sk%adników spalin.
a) b)
c)
Rys. 3. Warto&ci st#'e! zwi$zków szkodliwych spalin w funkcji ci$gu silnika: a) tlenku w#gla, b) dwutlenku w#gla, c) w#glowodorów
Dodatek CH3(OCH2CH2)3OCH3 wykazuje zró'nicowany wp%yw na warto&ci st#'e!
tlenków azotu przy ró'nych zakresach si%y ci$gu (rys. 4). Zaobserwowano wzrost st#'e! NOx przy niskich i &rednich warto&ciach si%y ci$gu. Wi#ksze nagrzewanie si# komory
spalania powoduje wzrost st#'enia tlenków azotu w gazach wylotowych. Wprowadzenie dodatku tlenowego CH3(OCH2CH2)3OCH3 do paliwa JET A-1 zwi#ksza ilo&+ tlenu w
mieszance paliwowo-powietrznej. W zakresie ci$gu powy'ej 80 N zaobserwowano korzystne obni'enie warto&ci st#'e! tlenków azotu dla paliw z dodatkiem tlenowym.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 C O [ p p m ] F [N]
10% doda tku 20% doda tku 30% dodatku JET A-1
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 C O2 [% ] F [N]
10% doda tku 20% doda tku 30% doda tku JET A-1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 H C [ p p m ] F [N]
Rys. 4. Warto&ci st#'e! tlenków azotu w funkcji ci$gu silnika
St#'enie tlenków azotu NOx zmienia si# proporcjonalnie wraz ze zmianami temperatury
spalin wyp%ywaj$cych z uk%adu wylotowego silnika GTM-120 (rys. 5). Zaobserwowano, 'e bez wzgl#du na udzia% dodatku tlenowego przebiegi st#'e! NOx i temperatur s$ bardzo
podobne. Najkorzystniejszy pod wzgl#dem st#'e! tlenków azotu jest zakres pracy pomi#dzy 50 a 70 N.
Rys. 5. Temperatura gazów wylotowych i st#'enia tlenków azotu w zale'no&ci od ci$gu silnika
W celu wykazania wp%ywu dodatku tlenowego CH3(OCH2CH2)3OCH3 obliczono
procentowe zmiany st#'e! tlenku w#gla, dwutlenku w#gla, w#glowodorów oraz tlenków azotu wobec paliwa lotniczego JET A-1 (rys. 6).
0 5 10 15 20 25 30 35 40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 N Ox [p p m ] F [N]
10% doda tku 20% doda tku 30% doda tku JET A-1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 N Ox [p p m ] T [ C ] F [N]
st#'enie NOx - JET A-1 st#'enie NOx - 10 % dodatku st#'enie NOx -20 % dodatku st#'enie NOx - 30 % dodatku temperatura - JET A-1 temperatura - 10 % dodatku temperatura - 20 % dodatku temperatura - 30 % dodatku
2 0 % d o d a tk u 3 0 % d o d a tk u 1 0 % d o d a tk u 2 0 % d o d a tk u 3 0 % d o d a tk u 1 0 % d o d a tk u 2 0 % d o d a tk u 3 0 % d o d a tk u 1 0 % d o d a tk u 2 0 % d o d a tk u 3 0 % d o d a tk u 1 0 % d o d a tk u
Rys. 6. Wzgl#dne st#'enia zwi$zków szkodliwych spalin
4. WNIOSKI
Przeprowadzone badania mia%y na celu ocen# mo'liwo&ci ograniczenia warto&ci st#'e! zwi$zków szkodliwych spalin przez zastosowanie dodatku CH3(OCH2CH2)3OCH3.
Analiza wyników pomiarów wykaza%a mo'liwo&+ stosowania dodatku tlenowego. Podczas bada! zaobserwowano, 'e zmiany st#'e! zwi$zków szkodliwych s$ niewielkie i wynosz$ do 12 %. Wykazano, 'e najkorzystniejszy wp%yw na zmniejszenie st#'e! zwi$zków szkodliwych ma paliwo z 20 % zawarto&ci$ dodatku CH3(OCH2CH2)3OCH3.
St#'enia tlenków azotu, przy takim udziale procentowym dodatku tlenowego, pozostaje prawie niezmieniona. Zaobserwowano korzystny wp%yw na obni'enie st#'e! niespalonych w#glowodorów przy 20 % udziale CH3(OCH2CH2)3OCH3. Zastosowanie 10 % zawarto&ci
dodatku tlenowego spowodowa%o niekorzystny wzrost st#'e! NOx o oko%o 8 %, jest to
najgorszy wynik spo&ród badanych paliw. Ostatnim etapem bada! by%a analiza zastosowania paliwa JET A-1 z 30-procentowym udzia%em CH3(OCH2CH2)3OCH3.
Wykazano zwi#kszenie st#'e! CO2, HC oraz NOx. St#'enia CO zosta%y obni'one o 4 %.
Stosowanie dodatków modyfikuj$cych proces spalania pod wzgl#dem emisji zwi$zków szkodliwych spalin jest jednym z kierunków zmniejszenia emisji cz$stek sta%ych z silników turbinowych.
Bibliografia
1. Balicki W., Kawalec K., Pagowski Z., Szczeci!ski J., Szczeci!ski S. Historia i perspektywy rozwoju nap#dów lotniczych. Wydawnictwo Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2005.
2. Larisch J., Stelmasiak Z. Dual fuelling SI engine with alcohol and gasoline. Combustion Engines. 2011, 145 (2), 73-81. ISSN 0138-0346.
3. Malinowski A. Biopaliwa dla lotnictwa. Czysta energia, nr 9/2011 (121). 4. P$gowski Z. Zielone paliwa w lotnictwie. Eurogospodarka, nr 4/2011.
5. Peitsch D. Propelling the future – the meaning of ACARE VISION 2050 for the future development of propulsion systems for aircraft. Combustion Engines. 2011, 147 (4), 3-13. ISSN 0138-0346.
6. Stelmasiak Z., Semikow J. The possibilities of improvement of spark ignition engine efficiency through dual fueling methanol and gasoline. Combustion Engines. 2010, 142 (3), ISSN 0138-0346.
7. http://www.jetpol.home.pl 8. http://logistyka.wnp.pl 9. http://www.sensors-inc.com 10. http://www.sigmaaldrich.com 11. http://www.tsi.com 12. http://www.enviro.aero/Beginners-Guide-to-Aviation-Biofuels.aspx 13. http://www.echo.szczecin.pl
THE INVESTIGATIONS INTO THE INFLUENCE OF AN ADDITIVE OXYGEN
(CH3(OCH2CH2)3OCH3) TO POWER A MODEL TURBINE ENGINE
GTM-120
Summary: The main direction of research relating to the impact of transport on the environment is to reduce
harmful exhaust gases. This paper presents the results of the research and the analysis of the possibilities of using JET A-1 with the addition CH3(OCH2CH2)3OCH3) in turbine engine GTM-120, no engine
modifications and a set of engine management electronics. An assessment of the impact of different additive content in the exhaust gas emissions such as carbon monoxide, hydrocarbons, nitrogen oxides and carbon dioxide.
