I EMISJĘ ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH

Katedra Techniki Cieplnej

ROZPRAWA DOKTORSKA

NIEJEDNORODNOŚĆ SPALANIA GAZÓW W WIELOCYLINDROWYM SILNIKU GAZOWYM JAKO CZYNNIK WPŁYWAJĄCY NA ZUŻYCIE PALIWA

I EMISJĘ ZWIĄZKÓW TOKSYCZNYCH

mgr inż. Jacek Wawrzyniak

Promotor prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski

Poznań, 2013

Pragnę podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej pracy, a w szczególności Panu profesorowi dr hab.inż. Tomaszowi Dobskiemu, Kolegom z zespołu Laboratorium Technologii Gazowych za cenne uwagi i wskazówki.

Dziękuję również Dyrekcji oraz Współpracownikom z PGNiG SA Oddział w Odolanowie i Pracownikom KRIO–SERWIS Sp. z o.o.

Osobne wyrazy podziękowania za okazane wsparcie kieruję do moich najbliższych.

Wykaz najważniejszych symboli i oznaczeń ... 6

Wstęp ... 8

1. Cel i zakres pracy ... 15

1.1. Główne zadania badawcze ... 15

1.2. Cel pracy ... 16

1.3. Określenie warunków koniecznych do realizacji celu pracy ... 17

2. Przebieg procesów spalania w silniku gazowym ... 18

2.1. Rodzaje silników gazowych ... 18

2.2. Spalanie w silnikach gazowych z zapłonem iskrowym ... 27

2.3. Przebieg spalania – fazy spalania ... 30

2.4. Mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia ... 33

2.5. Paliwa gazowe ... 35

2.6. Ogólne zasady zasilania silników gazowych gazem paliwowym ... 36

2.7. Analiza procesów spalania zachodzących w silniku dwusuwowym ... 38

3. Podstawowa analiza pracy silnika GMVH–12 ... 51

3.1. Dane techniczne badanych silników ... 51

3.2. Określanie sposobu przeprowadzania pomiarów na silniku ... 65

3.3. Metoda przeprowadzenia pomiarów ... 67

3.4. Wybór punktów pracy silników ... 69

4. Przebieg badań ... 70

4.1. Etap I – silnik GMVH–12 przed modernizacją ... 70

4.2. Etap II – silnik GMVH–12 po modernizacji ... 80

4.3. Etap III – zastosowanie zaworu regulacyjnego GOV 10/50 i zaworów wtryskowych gazu paliwowego z zawirowaniem wtryskiwanego gazu ... 95

4.4. Etap IV – badania spalania w silniku z zapłonem wywołanym za pomocą komory wstępnej typu ECO–JET ... 106

4.5. Etap V – badanie wpływu zwiększenia ciśnienia doładowania oraz zmiany kąta zapłonu ... 116

4.6. Podsumowanie ... 123

Wnioski ... 127

Literatura ... 131

W pracy przedstawiono badania wpływu parametrów regulacyjnych silników gazowych typu GMVH–12 na emisję tlenków azotu, na zużycie gazu paliwowego oraz na równomierność pracy silnika. Silniki typu GMVH–12 stosowane są do napędu sprężarek gazu służących do dostarczania paliw gazowych dla różnych gałęzi przemysłu. Dostarczanie paliw gazowych związane jest z utrzymaniem ogromnej infrastruktury nie tylko do transportu tych paliw, ale również potrzebnej do ich pozyskania i przetwarzania. Szerokie zastosowanie gazowych silników spalinowych do napędu sprężarek gazu pociąga za sobą problem emisji do atmosfery toksycznych związków zawartych w spalinach. Jednym z czynników mającym bezpośredni wpływ na emisję związków toksycznych i zużycie gazu paliwowego jest zróżnicowane obciążenie silników.

Silniki dwusuwowe, w stosunku do nowoczesnych silników czterosuwowych, charakteryzują się prostszą konstrukcją, wysoką niezawodnością pracy oraz niskim współczynnikiem mocy jednostkowej.

Należy również podkreślić bardzo ważną zaletę silników dwusuwowych – podobnie jak silniki czterosuwowe zapewniają one ciągłą i mało awaryjną pracę systemu przesyłu na gazociągach oraz posiadają możliwość pracy przy różnych obciążeniach i obrotach.

Celem pracy było przeanalizowanie i dobranie parametrów pracy silnika dwusuwowego typu GMVH–12 tak, aby obniżyć zużycie gazu paliwowego i zmniejszyć emisję związków toksycznych w spalinach, w szczególności tlenków azotu (NOx) oraz zmniejszyć nierównomierność pracy silnika.

Badania prowadzono na silnikach GMVH–12 zainstalowanych w tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie. Po każdej modernizacji polegającej na zamontowaniu nowych części lub przeprowadzeniu regulacji w układach zasilania silnika wykonywano kolejne badania mające ocenić wpływ przeprowadzonych zmian na pracę silnika.

Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów stwierdzono, że istnieje możliwość zmiany parametrów w układzie zasilania silnika gazowego typu GMVH–12 w taki sposób, aby uzyskać niższe zużycie gazu paliwowego i możliwie najniższą emisję tlenków azotu dla różnych punktów pracy silnika.

W wyniku przeprowadzonych badań i wynikających z nich regulacji i modernizacji silników typu GMVH–12 obniżyło się zużycie gazu paliwowego, obniżono emisję NOx oraz poprawiono równomierność pracy silników.

Author: Jacek Wawrzyniak

Academic dissertation ”Inhomogeneity of combustion in multi cylinder gas engine as factor influencing in fuel consumption and emission pollutants”.

Keywords: Gas engine, combustion, fuel gas, emissions, fuel consumption, emissions of toxic compounds.

The paper presents a study on the impact of regulatory parameters GMVH gas engine type 12 for nitrogen oxide emissions, fuel gas consumption and smoothness of the engine. Motors of this type are typically used to drive gas compressors used to supply fuel gas for the industry which is related to the maintenance of large infrastructure not only for the transport of these fuels, but also necessary for the acquisition and processing. Extensive use of gas engines to drive gas compressors involves the problem of atmospheric emissions of toxic compounds in the flue gas. One of the factors having a direct impact on toxic emissions and fuel gas consumption is variable load motors. Two–stroke engines, in relation to the modern four–stroke engines, have a simpler structure, high reliability and low operating power factor of the unit.

It is also very important to emphasize the advantage of two–stroke engines – they provide a continuous and less emergency work on the gas pipeline transmission system and have the ability to work with different loads and speeds.

The aim of this study was to analyze and combine a two–stroke engine operating parameters such GMVH–12 so as to reduce fuel gas consumption and reduce emissions of toxic compounds in the exhaust gas, in particular nitrogen oxides (NO_x) and reduce the unevenness of the engine. The study was conducted on GMVH–12 engines installed on the Gas Compressor Station at PGNiG SA Branch in Odolanów. After each upgrade involving the installation of new parts or carrying out adjustments in engine power systems carried out further studies conducted to assess the impact of changes on the engine. Based on the results of measurements revealed the possibility of changing parameters in the supply of the GMVH–12 gas engine in such a way as to obtain a lower consumption of fuel gas and the lowest possible NOx emissions for different operating points of the engine.

As a result of the research and the resulting adjustment and modernization of GMVH–12 engines significantly reduced consumption of fuel gas required to drive

DMP dolny martwy punkt tłoka

dp/dt zmiana ciśnienia w cylindrze silnika w czasie [kPa/s]

DTR dokumentacja techniczno–ruchowa E energia unoszona przez spaliny

E1 energia rozprężania (od ciśnienia końca rozprężania do ciśnienia przed turbiną pw)

E₂ energia rozprężania w turbinie (od ciśnienia p_W do ciśnienia otoczenia p_o) g_e jednostkowe zużycie paliwa [m³/kW]

GMP górny martwy punkt (tłoka)

HHV High Heating Value – ciepło spalania

H₂ wodór

LHV Low Heating Value – wartość opałowa

LNG Liquefied Natural Gas – gaz ziemny skroplony

LPG Liquefied Petroleum Gas – skroplony gaz propan butan LO liczba oktanowa

L_min ilość powietrza potrzebna do spalania dla λ⁼¹ MN Methane Number – liczba metanowa

Nl objętościowy wskaźnik mocy silnika (kW/dm³) NOx, NO2 tlenki azotu, suma udziałów molowych NO oraz NO2

ºOWK stopnie obrotu wału korbowego silnika [^o]

P ciśnienie [Pa]

P_c ciśnienie szybkozmienne w cylindrze silnika [MPa]

P_comp ciśnienie sprężania panujące w cylindrze podczas zapłonu [MPa]

Pmax maksymalne ciśnienie spalania [MPa]

Pmean średnie ciśnienie spalania [MPa]

P_min minimalne ciśnienie spalania [MPa]

Po ciśnienia otoczenia [hPa]

Pp ciśnienie czynnika przepłukującego (powietrza) [kPa]

ppm parts per million – ilość części na milion

Psdev odchylenie standardowe ciśnienia spalania [MPa]

pw ciśnienie przed turbiną [kPa]

RPM_max maksymalna prędkość obrotowa [obr./min.]

RPM_men średnia prędkość obrotowa [obr./min.]

SL prędkość propagacji płomienia w przepływie laminarnym [cm/s]

komory korbowej podczas jednego obiegu [ m³] V_s objętość skokowa cylindra [dm³]

ZI silnik o zapłonie iskrowym ZS silnik o zapłonie samoczynnym

η

v sprawność napełnienia cylindra α kąt obrotu wału korbowego

α

z kąt wyprzedzenia zapłonu [^o]

δ rozkład Gaussa

ε

stopnień sprężania

λ współczynnik nadmiaru powietrza λp współczynnik przepłukania

γ

współczynnik reszty spalin

1–6 L kolejne numery cylindrów strony lewej silnika 1–6 P kolejne numery cylindrów strony prawej silnika

Przemysł energetyczny, a co za tym idzie również gazowniczy, jest bardzo ważnym elementem gospodarki światowej. Znaczenie przemysłu gazowniczego w związku z przewidywanym wzrostem roli gazu ziemnego w bilansach energetycznych poszczególnych krajów, jak i całych rejonów (na przykład Europy Centralnej) będzie rosło. Polska zużywa tylko około 15 mld Nm³/rok gazu ziemnego, co stanowi niecałe 400 Nm³/osobę. Przeciętne zużycie gazu ziemnego na osobę w krajach Unii Europejskiej jest znacząco większe i zdecydowanie przekracza 1000 Nm³/osobę, co przedstawiono w tabeli nr 1.

Tabela 1. Zużycie gazu ziemnego w niektórych krajach Unii Europejskiej Zużycie całkowite Zużycie na mieszkańca

[mld Nm³/rok] [Nm³]

1 ^Austria 9,5 1 125

2 ^Francja 44,2 674

3 ^Holandia 38,6 2 300

4 ^Niemcy 82,0 1 020

5 ^Polska 13,9 361

6 Wielka Brytania 93,9 1 486

7 ^Włochy 77,7 1 305

Kraj Lp.

Według licznych raportów Międzynarodowej Agencji Energetyki [4], jak i biuletynów energetycznych publikowanych przez czołowych producentów ropy i gazu ziemnego (jak na przykład raportów British Petroleum [48]) cały czas odkrywane są nowe zasoby gazu ziemnego na Świecie i w Europie. Obecnie, z uwzględnieniem niekonwencjonalnych źródeł gazu takich jak gazy uwiezione oraz gazy łupkowe, są one wystarczające na co najmniej 200 lat [35, 40].

Dostarczanie paliw gazowych jest czynnikiem mającym znaczący wpływ na działalność gospodarek wielu krajów świata. Szczególnie dla Polski, gdzie prawie 90%

energii elektrycznej jest generowane ze spalania węgla [46], rozwój gazownictwa jest niezwykle istoty. Zwiększenie zużycia gazu w Polsce wymaga rozbudowy przede wszystkim sieci gazociągów ciśnienia pierwszego stopnia, czyli przede wszystkim gazociągów magistralnych o średnicach ponad 250 mm. Do zapewnienia transportu gazu takimi gazociągami, co około 170 km musi być zbudowana tłocznia gazu podnosząca ciśnienie gazu. Dla tej wielkości gazociągów – aż do bardzo dużych średnic

przy stałych ilościach przetłaczanego gazu [11, 60]. W przypadku konieczności przetłaczania zmiennych ilości gazu pod różnymi ciśnieniami stosowane są sprężarki gazu napędzane silnikami zasilanymi paliwem gazowym. W okresie gwałtownego wzrostu produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (słońca oraz wiatru), niezwykle istotną zaletą stosowania generatorów napędzanych silnikami gazowymi jest możliwość bardzo szybkiego rozruchu i ich synchronizacji z siecią w czasie do kilku minut [14, 19, 33]. Nawet największe turbiny gazowe, jak na przykład turbina SGT8000H o mocy 370 MWel zainstalowana w Irsching koło Monachium, osiągają pełną gotowość do pracy w czasie około pół godziny [49].

Sprawność silników gazowych średniej mocy przekroczyła już 48% [61].

Dodatkowe zainstalowanie układu generacji energii elektrycznej ze spalin z silnika (układu Organic Rancine Cycle – ORC) umożliwia podniesienie tej sprawności o dodatkowe 4 punkty procentowe [6].

Dostarczanie paliw gazowych dla różnych gałęzi przemysłu związane jest z utrzymaniem ogromnej infrastruktury nie tylko do transportu tych paliw, ale również potrzebnej do ich pozyskania i przetwarzania. Dostarczanie paliw gazowych realizowane jest, w większości przypadków, za pomocą sprężarek gazowych, których źródłem napędu są zazwyczaj silniki gazowe tłokowe lub turbiny gazowe. Obecnie na świecie stosuje się oba źródła do napędu kompresorów gazu ziemnego, jednak silniki spalinowe zasilane paliwem gazowym mają szerszy zakres zastosowania – ze względu na: niższe koszty eksploatacji, prostszą budowę oraz większą dostępność różnych ich typów. Szerokie zastosowanie silników spalinowych gazowych do napędu sprężarek gazu pociąga za sobą problem emisji do atmosfery toksycznych związków zawartych w spalinach [5, 50].

Silniki gazowe w tłoczniach gazu są zasadniczo zasilane gazem przetłaczanym.

Gaz ten nie jest jednorodnym paliwem jeśli chodzi o jego skład. Różni się przede wszystkim zawartością metanu i gazów obojętnych.

Jednym z czynników mającym bezpośredni wpływ na emisję związków toksycznych jest zróżnicowane obciążenie silników. Dotyczy to głównie silników przemysłowych, dwusuwowych zasilanych gazem, gdzie (np. przy obciążeniach częściowych) występują problemy z nierównomiernością pracy oraz różnymi

w większym stopniu biorące pod uwagę aspekty środowiskowe – rozwiązania. Obecnie produkowane silniki gazowe czterosuwowe charakteryzują się niższą emisją spalin oraz niższym zużyciem gazu paliwowego. Jednak ze względu na skomplikowane układy zasilania i sterowania wymagają one paliwa gazowego o stabilnym składzie o niskiej zawartości wyższych węglowodorów. Koszty związane z ich eksploatacją są porównywalne (a w niektórych przypadkach większe) od kosztów silników dwusuwowych o analogicznej mocy.

Silniki dwusuwowe, w stosunku do nowoczesnych silników czterosuwowych, charakteryzują się prostszą konstrukcją [16], wysoką niezawodnością pracy oraz niskim współczynnikiem mocy jednostkowej (kilka kilowatów na decymetr sześcienny pojemności skokowej). Jak wykazano w niniejszej pracy, poprzez zmianę parametrów pracy silnika gazowego dwusuwowego (służącego do napędu sprężarki gazu) oraz modernizację układów i podzespołów silnika, można w znaczący sposób obniżyć zużycie gazu paliwowego i emisję związków toksycznych.

Należy również podkreślić bardzo ważną zaletę silników dwusuwowych – zapewniają one ciągłą i mało awaryjną pracę systemu przesyłu gazu na gazociągach podobnie jak silniki czterosuwowe. Pewność pracy systemu przesyłowego jest kluczowym parametrem oceny przydatności silników. Silniki napędzające sprężarki gazu powinny charakteryzować się dużą elastycznością tzn. możliwością pracy przy różnych obciążeniach i obrotach. Silniki tego typu projektuje się na określone obciążenie (zmienne w dość wąskim zakresie obrotów silnika), przez co wydajność sprężarki jest ograniczona. Należy więc dążyć do tego, aby przy okazji modernizacji tego typu silników brać pod uwagę takie układy zasilania gazem paliwowym oraz tak dobrać parametry regulacyjne w silniku aby uzyskać jak największy zakres obciążeń użytecznych silników [59].

paliwowego i zmniejszyć emisję związków toksycznych w spalinach, a w szczególności tlenków azotu (NOx).

Badania prowadzono na silnikach GMVH–12 zainstalowanych w tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie. Z uwagi na to, że są to silniki pracujące w ruchu ciągłym, badania były realizowane wieloetapowo. Cel pracy zrealizowany był również wieloetapowo, z uwagi na fakt, że poszczególne etapy związane były z czasochłonnymi badaniami, kosztownymi modernizacjami oraz regulacjami silników gazowych służących do napędu sprężarek gazu. Po każdej modernizacji polegającej na zamontowaniu nowych części lub przeprowadzeniu regulacji w układach zasilania silnika przeprowadzono kolejne badania mające ocenić wpływ wprowadzonych zmian na pracę silnika.

W tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie jest zainstalowanych pięć silników GMVH–12 wyprodukowanych w 1973 roku przez firmę COOPER–

BESSEMER. W późniejszym okresie w PGNiG SA Oddział w Odolanowie zostały zainstalowane trzy silniki gazowe czterosuwowe firmy WAUKESHA, które współpracują ze sprężarkami tłokowymi firmy ARIEL.

Na rysunku nr 1 na przedstawiono schemat silnika GMVH–10 wraz ze sprężarką (widoczne elementy są identyczne jak w silniku GMVH–12) Kolejnymi cyframi oznaczono na rysunku odpowiednio następujące podzespoły:

1 – przeciwwagi cylindrów sprężarki,

2 – przekładnia łańcuchowa napędu urządzeń pomocniczych silnika, 3 – korbowód główny,

4 – cylinder silnika, 5 – głowica silnika, 6 – tłok silnika,

7 – zawór gazu paliwowego, 8 – zawór rozruchowy, 9 – turbosprężarka ET–18, 10 – kolektor wydechowy, 11 – pompa olejowa,

12 – chłodnica powietrza doładowania;,

16 – tłoczysko sprężarki z wodzikiem.

Rys. 1. Schemat silnika GMVH–10 i sprężarki [36]

Opisywane silniki GMVH–12 zainstalowane w Odolanowie połączone są z trzycylindrowymi sprężarkami tłokowymi gazu typu C7–G14 (rys. 2 i 3).

Silniki typu GMVH–12 znajdują się na jednej hali zwanej halą tłoczni gazu.

Wszystkie silniki wraz ze sprężarkami są wyposażone w:

gazociągi ssania i tłoczenia gazu, układ gazu paliwowego,

układy chłodzenia silnika, sprężarki, oleju i gazu przetłaczanego, układy AKP i sterowania silnikiem i sprężarką,

fundamenty i układy podpór pod instalacjami,

układ ssania powietrza do silnika wraz z tłumikiem szmerów ssania, układ wyloty spalin z silnika wraz z tłumikiem hałasu.

Rys. 2. Silnik GMVH–12

Badania związane z pomiarami zużycia gazu paliwowego, emisji związków toksycznych oraz nierównomierności pracy tych silników były przeprowadzane na trzech silnikach GMVH–12 zainstalowanych w PGNiG SA Oddział w Odolanowie.

Badania te były przeprowadzane etapowo na przestrzeni kilku lat. Silniki te różniły się między sobą stanem technicznym oraz posiadały różnego typu układy zasilania i sterowania.

Podział pracy na etapy wynikał z następujących powodów:

silniki i sprężarki musiały pracować w sposób ciągły,

prowadzone modernizacje w układzie zasilania były wykonywane podczas planowanych przeglądów i remontów,

zmiany parametrów pracy silników musiały być tak wykonywane, aby nie zakłóciły ciągłości pracy silników, nie powodowały awarii oraz nieplanowanych postojów silników i sprężarek,

zmiany w silnikach wiązały się z dodatkowymi, często dużymi nakładami finansowymi.

Analizowane i badane w niniejszej pracy silniki są tego samego typu, mają takie same układy zasilania i takie same moce oraz wydajności. Przed przystąpieniem do realizacji badań różniły się jednak między sobą parametrami pracy (takimi jak np.:

zużycie gazu paliwowego i emisją tlenków azotu). Różnice te wynikały z różnego stanu technicznego silników i sprężarek. Podczas prowadzenia kolejnych etapów badań na silnikach GMVH–12 zostały zamontowane różne typy układów zasilania i sterowania,

Rys. 3. Silnik GMVH–12 – widok od strony sprężarki gazu (sprężarka typu C7–G14)

Obecnie na świecie nadal jest eksploatowanych kilka tysięcy silników gazowych dwusuwowych napędzających sprężarki gazu, w tym w samych Stanach Zjednoczonych ponad dwa i pół tysiąca silników. Niektóre z tych silników mają już zmodernizowane układy zasilania gazem paliwowym, przez co są przystosowane do obowiązujących norm emisji spalin. Należy w tym miejscu podkreślić fakt, iż koszty tych modernizacji są wielokrotnie niższe niż zakup i instalowanie nowych silników i sprężarek.

W chwili obecnej dostępnych jest wiele rodzajów nowych układów zasilania do silników gazowych dwusuwowych, które poprawiają parametry pracy tych silników oraz obniżają emisję związków toksycznych. Wybór danego rodzaju układu zasilania oraz zakresu modernizacji silnika jest uzależniony od wielu czynników technicznych i ekonomicznych, lecz przede wszystkim uzależniony jest od konieczności dostosowania parametrów pracy danego silnika i sprężarki do aktualnych wymogów prawnych w danym miejscu, gdzie są one eksploatowane oraz do zakresu potrzeb danego użytkownika (dotyczących np. dopuszczalnych poziomów emisji tlenków azotu).

1. Cel i zakres pracy

1.1. Główne zadania badawcze

Zmiany w przepisach i normach dotyczących emisji związków toksycznych do atmosfery wymagają konieczności znalezienia skutecznych metod, które pozwoliłyby ograniczyć emisję do atmosfery związków toksycznych silników gazowych. Problem ten dotyczy także silników typu GMVH–12, które, biorąc pod uwagę koszty zakupu nowych silników oraz wieloletnie plany związane z przetłaczaniem gazu, będą jeszcze eksploatowane przez wiele lat. Mimo, że są to silniki o starej konstrukcji, są one pewne w działaniu, co jest kluczowym parametrem z punktu widzenia ciągłości przesyłu gazu.

Wstępne badania tych silników (przeprowadzone na początku lat 90–tych XX wieku w tłoczni gazu w PGNiG SA w Odolanowie) wykazały, że spalanie w nich jest bardzo nierównomierne – szczególnie przy obciążeniach częściowych. Problem ten wynikał z konieczności dostosowania pracy silników i sprężarek do zmiennych parametrów pracy instalacji odazotowania.

Specyfika tłoczni gazu w Odolanowie wymusza konieczność dostosowania parametrów pracy silników i sprężarek gazu do parametrów instancji odazotowania tzn.

do zróżnicowanych ciśnień po stronie ssania sprężarek i ich wydajności.

Zmienne parametry gazu przetłaczanego z instalacji odazotowania wymusiły konieczność pracy silników typu GMVH–12 na obciążeniach częściowych przez większy okres czasu pracy. Praca silników na obciążeniach częściowych wynosi obecnie około 80 do 90% całkowitego ich czasu pracy w ciągu roku.

W czasie przeprowadzania analizy spalin podczas eksploatacji silników GMVH–12 stwierdzono, że w spalinach znacznie zostały przekroczone udziały molowe związków szkodliwych, a w szczególności NOx. Z tego powodu zaczęto zastanawiać się jak ograniczyć ich emisję.

Istnieje wiele sposobów, aby zmniejszyć emisję związków toksycznych w spalinach silników zasilanych gazem ziemnym wysokometanowym. Jednakże znalezienie najbardziej optymalnego sposobu ograniczenia emisji związków toksycznych, uwzględniającego specyfikę silników GMVH–12, ich budowę oraz zainstalowane układy zasilania jest zadaniem dość trudnym z wielu względów natury technicznej i ekonomicznej.

Jednym ze sposobów zmniejszenia emisji związków toksycznych jest bezpośrednia ingerencja w proces spalania gazu w silniku poprzez zmianę wielu parametrów pracy silnika.

W niniejszej pracy przeanalizowano i zmierzono kilka tych czynników które, biorąc pod uwagę parametry konstrukcyjne silnika, warunki pracy silników i sprężarek oraz stan techniczny silników i sprężarek, miały bezpośredni wpływ na sprawność silnika i wielkość emisji związków toksycznych, a szczególności tlenków azotu oraz powietrza dostarczanego do cylindra.

Jedna z zastosowanych metod mająca na celu zmniejszenie emisji związków toksycznych do atmosfery polegała na podniesieniu ciśnienia doładowania, co spowodowało obniżenie temperatury spalin na wylocie z cylindra silnika i miało wpływ na zmniejszenie emisji NOx w badanych silnikach. W silnikach GMVH–12 przed korektą ustawienia zaworów wtryskowych oraz przed zmianą wielkości kąta początku wtrysku gazu paliwowego nie było możliwości podniesienia doładowania do takiego poziomu, aby można było w znaczący sposób obniżyć emisję NO_x.

Kolejną metodą, która umożliwiła znaczne obniżenie emisji tlenków azotu oraz podniesienie sprawności ogólnej silnika było zastosowanie układu spalania gazu z komorą wstępną typu ECO–JET opracowaną na uniwersytecie w Colorado [31, 32].

1.2. Cel pracy

Głównym celem pracy jest poznanie procesu spalania i wymiany ładunku w cylindrach silników GMVH–12 na tyle, aby zaproponować zmiany prowadzące do:

obniżenia emisji związków toksycznych (przede wszystkim NOx), obniżenia zużycia gazu paliwowego,

zmniejszenia różnic maksymalnego ciśnienia w poszczególnych cylindrach silnika podczas procesu spalania do wartości poniżej 5 bar,

takiego zrealizowania powyższych założeń, aby nie zwiększyć awaryjności i ponad przeciętnego zużycia silników.

Powyższe założenia starano się uzyskać szczególnie w zakresie obciążeń częściowych silników i sprężarek ze względu na konieczność ich dostosowania do pracy w warunkach rzeczywistych w tłoczni gazu w Odolanowie.

Konieczność dostosowania parametrów pracy silników GMVH–12 do pracy przy obciążeniach częściowych pojawiła się w ostatnich latach i wynikała z optymalizacji procesu przetłaczania gazu wysokometanowego z Instalacji

odazotowania. Optymalizacja procesu przetłaczania polegała na przystosowaniu silników i sprężarek gazu do pracy przy takich zmiennych parametrach gazu przetłaczanego, jak:

ciśnienie przetłaczanego gazu na ssaniu sprężarek, ciśnienie przetłaczanego gazu na tłoczeniu sprężarek, ilość przetłaczanego gazu wysokometanowego.

1.3. Określenie warunków koniecznych do realizacji celu pracy

Aby zrealizować cel pracy należało wykonać następujące zadania:

a) Przeanalizować procesy zachodzące podczas spalania w silniku gazowym dwusuwowym o zapłonie iskrowym.

b) Przeanalizować parametry układu zasilania gazem paliwowym, układu zapłonowego oraz układu doładowania silnika GMVH–12.

c) Przeanalizować ilości związków toksycznych spalin (NO_x) emitowanych przez silnik GMVH–12 przy różnych parametrach pracy.

Pierwsze badania silników gazowych typu GMVH–12 eksploatowanych w PGNiG SA Oddział w Odolanowie przeprowadził autor w ramach swojej pracy dyplomowej w 2002 roku [57]. Wstępne wyniki badań silników GMVH–12 były prezentowane na kilku konferencjach naukowo–technicznych [12, 15, 34, 58]. Silniki GMVH–12 eksploatowane w tłoczni gazu w PGNiG w Odolanowie były badane także przez inne zespoły naukowców i ekspertów w Polsce [45].

2. Przebieg procesów spalania w silniku gazowym

2.1. Rodzaje silników gazowych

Tłokowe silniki spalinowe zasilane różnymi rodzajami gazu są budowane jako dwusuwowe lub czterosuwowe, w układzie cylindrów rzędowym lub widlastym, z zasilaniem mieszanką ubogą lub stechiometryczną. Istnieje kilka firm, które specjalizują się w budowie silników spalinowych służących do napędu agregatów prądotwórczych lub sprężarek gazu zasilanych gazem, o mocach od kilkuset do kilku tysięcy kilowatów. Są to na przykład tacy producenci jak: Cooper–Bessemer, GE Waukesha, Caterpillar, GE Jenbaher, Wärtsilä.

Współczesne silniki gazowe mają najczęściej zapłon mieszanki powodowany bezpośrednio przez iskrę elektryczną w komorze spalania (silniki jednopaliwowe) lub też zapłon powodowany przez rozpylenie w cylindrze niewielkiej (tzw. zapłonowej) dawki paliwa ciekłego, z którego powstaje samorzutnie zapalająca się mieszanka (silniki dwupaliwowe). W najnowszych silnikach gazowych czterosuwowych stosuje się system spalania dwuetapowego. W silnikach tych jest zamontowana komora wstępna (rys. 4), w której zapalana jest mieszanka gazu i powietrza o współczynniku nadmiaru powietrza dużo mniejszym od 1. Na ogół jest to mieszanka o współczynniku λ mniejszym od 0,6 [47]. Dokładnie mechanizm zapłonu za pomocą komory wstępnej został opisany w licznych pracach profesora A. K. Oppenheim’a [43, 44]. Jest on też opisany w książce [7], do której są załączone filmy wykonane szybka kamerą.

Skrótowo omówiono ten zapłon w rozdziale 4.

W pracy przedstawiono wyniki badania dwóch rodzajów zapłonu mieszanki w cylindrze silnika: za pomocą komory wstępnej i za pomocą iskry elektrycznej.

Z uwagi na fakt, że badane systemy spalania na silnikach GMVH–12 są dostępne jako układy dedykowane do tego typu silników, nie przedstawiono analizy literatury badań mechanizmu powstawania tego typu zapłonu. Jednak system zapłonu za pomocą komory wstępnej jest tak obiecującym systemem pod kątem obniżenia zużycia gazu paliwowego i emisji związków toksycznych , że jest w dalszym ciągu badany, jak to opisano na przykład w publikacji [3, 52].

Zasada zapłonu za pomocą komory wstępnej polega na zapaleniu bogatej mieszanki wewnątrz komory wstępnej, a następnie poprzez otwory znajdujące się na jej końcu paląca się mieszanka zapala mieszankę ubogą o stosunku objętościowym

powietrza do paliwa wynoszącą około 28:1 (dla silników WAUKESHA serii AT), znajdującą się w komorze spalania cylindra. Silniki te charakteryzują się niskim zużyciem gazu paliwowego oraz niską emisją spalin w porównaniu do silników dwusuwowych o podobnej mocy [24]. Średnio i wysokoobrotowe silniki zasilane gazem o zapłonie iskrowym wyposaża się przeważnie w takie same urządzenia zapłonowe jak silniki gaźnikowe (np. zapłon iskrownikowy), a silniki wolnoobrotowe – w urządzenia zapłonowe niskiego napięcia.

Uchwyt świecy zapłonowej

Komora wstępna Tuleja komory wstępnej

Rys. 4. Komora wstępna silnika czterosuwowego Waukesha [24]

Na rysunku nr 5 przedstawiono przekrój komory wstępnej silnika Waukesha typu 12V – AT 27 GL.

Rys. 5. Schemat komory wstępnej silnika Waukesha AT–27 GL

Przykładem silników gazowych nowej generacji są silniki firmy WAUKESHA.

Firma ta jest producentem kilku typów silników gazowych o mocach od kilkuset do kilku tysięcy kilowatów. Silniki tego producenta są głównie stosowane jako napędy sprężarek tłokowych do przetłaczania gazu. W Polsce w PGNiG SA oraz w OGP GAZ–SYSTEM S.A. obecnie jest eksploatowanych kilkadziesiąt silników firmy WAUKESHA o różnych mocach. Wśród eksploatowanych w Polsce silników firmy WAUKESHA są zarówno silniki z układem zasilania z komorą wstępną, jak i silniki z bezpośrednim doprowadzeniem mieszanki paliwowo–powietrznej do komory spalania i jej zapłonem za pomocą iskry elektrycznej. Silniki z układem zasilania bez komory wstępnej stosuje się przede wszystkim na tych tłoczniach gazu lub kopalniach gazu, gdzie występuje gaz paliwowy zaazotowany, gdyż tego typu zasilanie powoduje mniej problemów z prawidłową eksploatacją silników na tego typu paliwie gazowym. Silniki takie są mniej podatne na zmianę składu gazu paliwowego, co ma często miejsce, gdyż w praktyce silniki te są zasilane paliwem gazowym pochodzącym bezpośrednio z różnych kopalń gazu w których występuje różna zawartości metanu.

W tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie oprócz silników GMVH–12 są eksploatowane również trzy silniki produkcji GE WAUKESHA:

silnik typu 12V AT–27 GL (2 sztuki), silnik typu VHP 5108 GL (1 sztuka).

Silniki serii AT są oparte konstrukcyjnie na silnikach firmy SULZER typu A25.

Silniki typu 12V AT–27 GL służą do napędu sprężarek tłokowych gazowych firmy ARIEL typu JGC–4, natomiast silnik VHP 5108 GL służy do napędu sprężarki firmy ARIEL typu JGK–2. Wszystkie trzy wyżej wymienione silniki są dwunastocylindrowe, turbodoładowane oraz wyposażone w system spalania za pomocą komory wstępnej.

Podstawowe dane techniczne silników WAUKESHA eksploatowanych w tłoczni gazu w Odolanowie zamieszczono w tabeli nr 2.

Tabela 2. Dane techniczne silników Waukesha eksploatowanych w PGNiG SA Oddział w Odolanowie

Parametr 12V-AT27 GL VHP 5108 GL

Liczba cylindrów 12 w układzie V 12 w układzie V

Kąt rozmieszczenia cylindrów 60 stopni 60 stopni

Średnica x skok tłoka 275 x 300mm 216 x 191mm

Stopień sprężania 9 9

Rodzaj zasilania do cylindra wtrysk bezpośredni gazu wtrysk bezpośredni gazu

Moc silnika znamionowa 2334 KW (3175 KM) 837 KW (1138 KM)

Prędkość obrotowa (nominalna) 1000 obr/min 1200 obr/min

Kąt wyprzedzenia zapłonu (przy obciążeniu

znamionowym) 12 stopni przed GMP 10 stopni przed GMP

Temperatura powietrza doładowania 54^oC 54^oC

Ciśnienie powietrza doładowania 0,13 MPa 0,1 MPa

Ilość oleju smarującego 1100 l 350 l

Temperatura spalin na wylocie z cylindra 560^oC 431^oC Dopuszczalna różnica maksymalnego ciśnienia

spalania pomiędzy cylindrami silnika 0,52 MPa 0,52 MPa

Ciśnienie gazu za zaworem regulacyjnym 0,414 MPa 0,241 MPa Dane techniczne silników Waukesha

Na rysunkach nr 6 i 7 przedstawiono silniki Waukesha serii VHP 5108 GL, który jest eksploatowane w tłoczni gazu PGNiG SA Oddział w Odolanowie.

Rys. 6. Widok silnika typu VHP 5108 GL

Silniki serii VHP są silnikami o mniejszych mocach od silników serii AT, jednakże największą ich zaletą jest inna konstrukcja układu zasilania gazem paliwowym (produkowane w wersjach bez komory wstępnej) umożliwiająca zasilanie ich gazami paliwowymi zaazotowanymi.

Rys. 7. Silnik VHP 5108GL – widok od strony układu zasilania gazem paliwowym (1 – filtr gazu paliwowego, 2 – gaźnik, 3 – kolektor mieszanki ubogiej silnika, 4 – kolektor gazu

paliwowego do komory wstępnej)

Na rysunku nr 8 przedstawiono widok silnika 12V AT – 27 GL. Są to silniki o największych mocach produkowane przez firmę WAUKESHA, wymagają jednak zasilania wysokokalorycznymi gazami paliwowymi.

Rys. 8. Widok silnika typu 12V– AT27 GL

Spośród przedstawionych dwóch typów silników bardziej nowoczesnymi silnikami są silniki 12V AT–27 GL. Posiadają one następujące systemy zasilania:

elektroniczny układ sterowania prędkością obrotową silnika za pomocą regulatora prędkości obrotowej typu WOODWARD,

gaźnik mieszalnikowy do wytwarzania mieszanki ubogiej silnika,

układ wtrysku mieszanki bogatej z komorą wstępną wraz z układem redukcji ciśnienia gazu,

układ zapłonowy z możliwością indywidualnego sterowania kątem zapłonu na każdym cylindrze,

układ wykrywania spalania stukowego na każdym cylindrze silnika,

układ sterowania wydajnością turbosprężarek z regulacją ilości powietrza sprężanego oraz z regulacją ilości spalin podawanych na turbinę.

Wśród silników gazowych z zapłonem iskrowym stosowanych w tłoczniach gazu można wyróżnić dwie odmiany – o średnim i podwyższonym stopniu sprężania.

Silniki o średnich stopniach sprężania mogą być zasilane dowolnymi paliwami gazowymi. Silniki takie budowano dawniej jako konstrukcje specjalne opracowywane do zasilania gazami palnymi o różnej zawartości metanu. Obecnie tego rodzaju silniki są najczęściej wersjami pochodnymi produkowanych równolegle przez daną wytwórnię w zakresie małych mocy silników gaźnikowych, a w zakresie średnich i dużych mocy – silników z zapłonem samoczynnym. Zasadnicze zmiany konstrukcyjne polegają na wprowadzeniu w miejsce układu wtryskowego odpowiedniej instalacji zapłonowej oraz zmianie stopnia sprężania. Zmiana stopnia sprężania sprowadza się zwykle do wymiany tłoków, w których występują różne komory spalania.

Silniki gazowe z zapłonem uzyskiwanym za pomocą niewielkiej dawki paliwa ciekłego zwane są silnikami dwupaliwowymi, gdyż mogą być również zasilane paliwem ciekłym. Podczas suwu dolotu cylinder silnika napełnia się mieszanką palną, która zostaje sprężona, podobnie jak w silnikach z zapłonem samoczynnym. Pod koniec suwu sprężania mieszanki palnej do cylindra zostaje wtryśnięta niewielka dawka paliwa ciekłego. Paliwo to ulega samozapłonowi i zapala mieszankę znajdującą się w cylindrze silnika [5].

Współczesne silniki dwupaliwowe wtryskiwanego paliwa są wyposażone w urządzenia wtryskowe o szerokim zakresie regulacji dawkowania. Urządzenia takie mogą podawać małe dawki paliwa niezbędne do uzyskania zapłonu mieszanki gazowej

uruchamiania silnik dwupaliwowy zasila się paliwem ciekłym, po czym przechodzi się na zasilanie paliwem gazowym. Z uwagi na niższe koszty eksploatacji (paliwa gazowe są znacznie tańsze od paliw ciekłych) silniki dwupaliwowe znajdują coraz szersze zastosowanie, zwłaszcza tam, gdzie gaz jest łatwo dostępny. Jednym z najnowocześniejszych silników pracujących według tej zasady jest silnik 50/60 DF produkcji MAN, który został zaprezentowany na konferencji w Dessau [5].

O zastosowaniu danego rodzaju paliwa gazowego w silniku decyduje jego odporność na zjawisko stuku (szczególnie dla silników o podwyższonym stopniu sprężania), konstrukcja silnika oraz przewidywane warunki pracy. Duże znaczenie ma również sposób doprowadzenia gazu paliwowego, rozmieszczenie i ukształtowanie komory spalania, rodzaj przepłukania w przypadku silników dwusuwowych, rozkłady temperatur w podstawowych elementach komory spalania silnika, sposób zawirowania mieszanki palnej w komorze spalania i wiele innych czynników.

Wprowadzenie doładowania do silników gazowych mające na celu podwyższenie mocy powoduje specyficzne problemy. Największym z nich jest regulacja silnika dla różnych punktów pracy (trudniejsza od silników diesla).

Najbardziej istotnym z nich jest zagadnienie dozowania powietrza do spalania.

W silnikach gazowych ilość powietrza do spalania powinna być dokładnie regulowana, ponieważ w całym zakresie możliwych warunków pracy współczynnik nadmiaru powietrza powinien być stały i zmieniać się w możliwie małym zakresie. W takich silnikach trudno jest bowiem uniknąć różnic jakości doładowania i tworzenia mieszanki oraz niepowtarzalności przebiegów spalania w poszczególnych cylindrach.

Wpływ na to mają różnice pomiędzy ciśnieniem w cylindrze i w układzie powietrza doładowania, ponieważ są one różne dla poszczególnych cylindrów i zmieniają się też dla różnych obciążeń i prędkości obrotowych silnika. Wynika stąd niekorzystne oddziaływanie spalin o większym i prawie stałym ciśnieniu w układzie wylotowym na przebieg przepłukania niektórych cylindrów, a przy mniejszych obciążeniach spaliny mogą nawet napływać do przewodu ładującego. Stosując doładowanie pulsacyjne, przy właściwie dobranej kolejności zapłonów z zachowaniem odstępu 240° między zapłonami w cylindrach o wspólnym przewodzie wylotowym, uzyskuje się skuteczne wypłukanie spalin i unika wcześniej wspomnianych trudności.

Wprowadzenie doładowania w silniku gazowym pociąga za sobą konieczność rozwiązania rozmaitych innych problemów, a mianowicie kwestii związanych z:

doborem liczby i rozmieszczeniem świec zapłonowych (dotyczy zwłaszcza silników o dużej średnicy cylindra),

odpowiednią konstrukcją całego układu zapłonowego z regulacją kąta wyprzedzenia zapłonu oraz napięcia iskry elektrycznej,

należytym chłodzeniem komory spalania ze względu na możliwość zapłonu powierzchniowego lub wystąpienia spalania stukowego podczas sprężania gotowej mieszanki gazu z powietrzem.

Jest to spowodowane zupełnie innym procesem spalania paliwa gazowych w porównaniu z paliwami ciekłymi w silnikach o zapłonie samoczynnym.

W silnikach gazowych płomień propaguje od miejsca zapłonu poprzez całą objętość cylindra. Tylko w pobliżu ścianki w odległości nie większej niż 1 do 2 milimetrów następuje zgaszenie płomienia na skutek przechładzania mieszanki poniżej temperatury zapłonu. Zjawisko to ma miejsce jedynie w silnikach zasilanych mieszanką jednorodną typu „premix”. Silniki zasilane taką mieszanką z uwagi na emisję tlenków azotu, możliwość wystąpienia spalania stukowego oraz sprawność silnika powinny pracować przy optymalnym współczynniku nadmiaru powietrza λ, który wynosi najczęściej od 1,6 do 2,4 [33].

Sprawność teoretyczna silników gazowych ƞ_t zależy głównie od stopnia sprężania Ɛ i wykładnika politropy κ. Zależność ta jest opisana wzorem [53].

1

1− 1₋

= _κ

η

t

ε

gdzie:

ε = V1/V2 oznacza stopień sprężania,

κ – wykładnik izentropy dla średniego gazu w cylindrze.

Ponieważ wykładnik politropy mieszanek paliwowo-powietrznych spalanych w silnikach z zapłonem iskrowym waha się w dosyć wąskich granicach można więc przyjąć, że jego wartość jest stała, więc Ƞ_t zależy przede wszystkim od stopnia sprężania ε [53].

Z powyższej zależności wynika, że zwiększenie stopnia sprężania Ɛ powoduje zwiększenie sprawności termodynamicznej silnika gazowego. Jednak Ɛ ograniczone jest warunkami wystąpienia samozapłonu. Odporność gazu ziemnego na samozapłon określna jest liczba metanową MN. Dla wodoru jest ona z definicji równa zeru, a dla

Przykładowe wartości liczby Metanowej przedstawiono na rysunku 9.

liczba metanowa [-]

Rys. 9. Liczba metanowa obliczona dla czystego metanu z dodatkiem wyższych węglowodorów [13]

Badania prezentowane w tej pracy zostały wykonane na terenie tłoczni gazu Odolanów, pracującej na potrzeby Instalacji odazotowania Gazu w PGNiG SA w Odolanowie. Przetłaczany gaz jest gazem uzyskanym z odazotowania gazów z różnych kopalni gazu. Z pracy instalacji odazotowania niejako naturalnie wynika stabilny skład gazu. Nie zawiera on znaczących ilości wyższych węglowodorów, a co za tym idzie jego liczba metanowa jest praktycznie równa wartości 100 czyli czystego metanu. Średni skład gazu wysokometanowego będący produktem Instalacji odazotowania w Odolanowie zestawiono w tabeli nr 3 [47].

Tabela 3. Średni skład molowy gazu wysokometanowego zasilającego silniki w tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie

Lp. Nazwa składnika Wzór Udział molowy składnika [%]

1 metan CH₄ 95,1

2 etan C₂H₆ 1,5

3 propan C₃H₈ 0,26

4 wyższe węglowodory C_XH_Y 0,017

5 azot N₂ 3,0

6 wodór H₂ 0

7 dwutlenek węgla CO₂ 0

We wszystkich silnikach eksploatowanych w tłoczni gazu w PGNiG SA Oddział w Odolanowie jest używany gaz paliwowy o składzie przedstawionym w tabeli nr 3.

Stosowanie gazu o takim składzie ma bezpośredni wpływ na bardziej stabilną pracę tych silników w porównaniu z silnikami tego samego typu zasilanymi gazami o niższej i niestabilnej zawartości metanu. Ponadto w silnikach zasilanych gazem wysokometanowym występuje mniejsze zużycie i zanieczyszczenie elementów w układzie zasilania silnika. W samym procesie spalania powstaje natomiast znacznie mniej substancji gromadzących się w formie „nagarów” w silniku. Nie jest także wymagana tak częsta wymiana oleju silnika jak w silnikach pracujących na gazie zaazotowanym lub pochodzącym np. z wysypiska śmieci (ze względu chociażby na mniejsze zanieczyszczenie oleju substancjami pochodzącymi ze spalania np. związków siarki).

2.2. Spalanie w silnikach gazowych z zapłonem iskrowym

Proces spalania w cieplnym silniku tłokowym charakteryzuje się znaczną intensywnością wyzwalania energii. Poszczególne elementy silnika są poddawane działaniu strumienia cieplnego odpowiadającego stałemu średniemu poziomowi temperatury, znacznie niższemu od chwilowej temperatury gazów występującej podczas spalania.

Parametrami decydującymi o przebiegu spalania są:

ilość energii dostarczonej w mieszance paliwowo–powietrznej przypadającej na jednostkową objętość cylindra,

kąt wyprzedzenia zapłonu, prędkość propagacji płomienia.

Czas spalania masy mieszanki znajdującej się w komorze spalania jest określony przez szybkość reakcji chemicznych utleniania i szybkość rozprzestrzeniania się płomienia. Całkowity czas spalania mieszanki roboczej jest sumą następujących czasów składowych:

czasu potrzebnego dla utworzenia pierwotnych ognisk reakcji,

czasu koniecznego do rozprzestrzeniania się strefy reakcji na całą objętość komory spalania,

czasu niezbędnego do pełnego zakończenia reakcji utleniania, zachodzących w przestrzeni objętej już strefą reakcji.

Nieodzownym warunkiem powstania i rozwoju reakcji spalania jest uprzednie wymieszanie paliwa i powietrza. Mieszanka palna może być bądź przygotowana przed

z zapłonem iskrowym spalaniu ulega przeważnie mieszanka wcześniej już przygotowana. Przygotowanie takiej mieszanki palnej w silniku gazowym polega na wymieszaniu gazu paliwowego z powietrzem oraz równomiernym rozdziale mieszanki na poszczególne cylindry i zapewnieniu jednorodnego składu w całej przestrzeni cylindra. W praktyce, stopień jednorodności ładunku w cylindrze różni się od założonego teoretycznie. Pomimo intensywnej dyfuzji i mechanicznego mieszania, skład mieszanki w poszczególnych częściach komory spalania różni się znacznie od jej wartości średniej. Występuje przy tym makroniejednorodność składu, czyli niejednakowe udziały paliwa, powietrza i spalin oraz mikroniejednorodność, uwzględniająca niejednakowy udział poszczególnych składników paliwa. Przyczyną tego jest stosunkowo krótki czas tworzenia mieszaniny oraz wpływ różnych własności fizycznych składników paliwa.

Stosunkowo większą niejednorodnością ładunku cechują się silniki dwusuwowe, gdyż – jak wykazały badania – przed zapłonem mieszanki istnieje w cylindrze wyraźne rozgraniczenie stref świeżej mieszanki i reszty spalin z poprzedniego cyklu. Zjawisku temu można zapobiec wprowadzając silne zawirowanie ładunku przez odpowiednie ukształtowanie kanałów przepłukujących, komory spalania oraz denka tłoka.

Istotnym zagadnieniem jest również równomierny rozdział mieszanki dopływającej do poszczególnych cylindrów w silniku wielocylindrowym. Różnice w rozdziale ładunku są wynikiem zjawisk falowych w przewodach dolotowych i wylotowych. Pulsacje ciśnienia w przewodach dolotowych powodują, że mieszanka dopływająca do poszczególnych cylindrów ma niejednakowe ciśnienie, a pulsacje w przewodach wylotowych powodują różnice w szybkości opróżniania poszczególnych cylindrów ze spalin. Nierównomierność rozdziału mieszanki pociąga za sobą spadek mocy silnika, gdyż poszczególne cylindry nie są wówczas jednakowo obciążone.

W silnikach z zapłonem iskrowym z wtryskiem paliwa przygotowanie mieszanki zależy od sposobu wtrysku. Wtrysk paliwa może odbywać się bądź do wspólnego przewodu dolotowego, bądź do poszczególnych kanałów dolotowych przed zaworami lub też bezpośrednio do wnętrza cylindrów. Wtrysk paliwa zapewnia lepsze wymieszanie paliwa z powietrzem i bardziej precyzyjne sterowanie składem mieszanki, mniejsze opory przepływu i prawie jednakowy rozdział paliwa na poszczególne cylindry, co w znacznym stopniu oszczędza paliwo i zmniejsza toksyczność spalin oraz podnosi moc silnika.

W silnikach gazowych typu „premix” przygotowanie mieszanki przebiega w stosunkowo prosty sposób, ponieważ w praktyce polega na wymieszaniu paliwa gazowego z powietrzem.

Mieszanka palna zostaje podgrzana podczas sprężania i praktycznie całe paliwo ulega odparowaniu, łącznie z trudno odparowującymi składnikami, a następnie pary te ulegają przegrzaniu.

Mieszankę gazu i powietrza dopływającą do cylindra charakteryzują następujące parametry:

współczynnik nadmiaru powietrza λ^, współczynnik resztek spalin,

wartość opałowa,

granice zapalności przy określonym ciśnieniu i temperaturze.

Mieszanka paliwowo–powietrzna daje się niezawodnie zapalać tylko wówczas, gdy charakteryzujący ją współczynnik nadmiaru powietrza λ zawiera się w tzw.

zakresie zapalności danej mieszanki. Zakres ten zależy od danego rodzaju paliwa.

Dla gazu wysokometanowego zakres ten wynosi od 5% do 15% objętości gazu w powietrzu.

Jakość spalania oraz pewność zapłonu mieszanki gazowo–powietrznej w silniku gazowym w znacznym stopniu zależy od energii wydzielonej przez czynnik zapalający jakim jest iskra elektryczna. Iskra elektryczna o większym zasobie energii i szybszym jej wydzielaniu będzie w stanie podgrzać większą objętość i doprowadzić do spalania także mieszaniny znajdującej się normalnie poza dolną granicą zapalności.

W silnikach gazowych minimalna energia zapłonu od iskry elektrycznej zależy od współczynnika nadmiaru powietrza oraz od rodzaju paliwa gazowego. Jeżeli w gazie jest duży udział wyższych od propanu węglowodorów, to energia zapłonu maleje – podobnie jak i temperatura. Im skład mieszanki gazowo–powietrznej jest bardziej zbliżony do dolnej lub górnej granicy zapalności, tym większa energia zapłonu jest potrzebna. Szczególnie przy spalaniu mieszanek uboższych potrzebna jest większa energia zapłonu. Kolejnym istotnym czynnikiem decydującym o zapłonie mieszanki gazowo–powietrznej jest jej temperatura – im wyższa, tym łatwiejszy zapłon.

2.3. Przebieg spalania – fazy spalania

W silniku z zapłonem iskrowym, zapłon mieszanki występuje w wyniku lokalnego podgrzania mieszanki paliwowo–powietrznej powyżej jej temperatury zapłonu od iskry elektrycznej pochodzącej od świecy zapłonowej.

W przypadku normalnego spalania, zapłon mieszanki następuje przy końcu suwu sprężania na kilka stopni obrotu wału korbowego przed GMP. Kąt wyprzedzenia zapłonu

α

_z dla silników gaźnikowych i silników z wtryskiem wynosi przeciętnie od kilku do kilkunastu stopni OWK, przy czym większe wartości odpowiadają większej prędkości obrotowej. Maksymalne ciśnienie spalania, które w silnikach o dużym stopniu sprężania może dochodzić do 8 MPa (przeciętnie 3–5 MPa), jest osiągane przy około 5–20º OWK po GMP. Nieco później, przy około 25–30º OWK po GMP osiąga swoje maksimum temperatura, dochodząca niekiedy do 2100º K.

Na przebieg procesu spalania w silniku zasilanym gazem znaczny wpływ ma skład mieszanki gazowo–powietrznej, rodzaj paliwa i wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ. Zbyt mała wartość współczynnika λ(mieszanina bogata) powoduje zmniejszenie sprawności ogólnej silnika, natomiast zbyt duża jego wartość wpływa na spowolnienie prędkości przenoszenia płomienia, co powoduje wydłużenie procesu spalania na suw rozprężania i związane z tym straty cieplne [53].

W procesie spalania można wyróżnić trzy okresy:

wstępny,

właściwego spalania, dopalania.

Okres wstępny (indukcji) rozpoczyna się w chwili wystąpienia iskry na świecy zapłonowej, a kończy w chwili, gdy następuje widoczny wzrost ciśnienia spowodowany spalaniem. Okres wstępny obejmuje chemiczne opóźnienie zapłonu i tworzenie się początkowego ogniska spalania. Prędkość reakcji chemicznych zależy od rodzaju paliwa gazowego, koncentracji tlenu oraz stopnia zanieczyszczenia ładunku spalinami.

Stąd czas trwania okresu zimnego spalania jest uzależniony od następujących czynników:

składu mieszanki palnej λ i struktury cząsteczek paliwa, stopnia sprężania (większy

ε

skraca okres wstępny),

energii iskry i odstępu pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej, ilości świec zapłonowych.

Okres właściwego spalania trwa od chwili rozpoczęcia wzrostu ciśnienia do wystąpienia maksimum ciśnienia. Okres ten cechuje rozprzestrzenianie się płomienia po całej objętości komory spalania w wyniku podgrzewania powyżej temperatury zapłonu sąsiednich warstw mieszanki, co ma decydujący wpływ na masową szybkość spalania oraz na moc i ekonomiczność pracy silnika. Na długość okresu właściwego spalania, poza czynnikami warunkującymi długość okresu wstępnego wpływa dodatkowo:

ukształtowanie komory spalania i umieszczenie w niej świecy zapłonowej, intensywność zawirowania mieszanki palnej,

kąt wyprzedzenia zapłonu

α

_z^,

zawartość spalin pozostałych z poprzedniego cyklu, stopień sprężania,

wartości opałowej gazu paliwowego.

Dla właściwego przebiegu spalania szczególne znaczenie ma właściwy kąt wyprzedzenia zapłonu. Zbyt wczesny zapłon powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia w czasie gdy tłok silnika jest jeszcze oddalony od położenia GMP. Powoduje to znaczne obciążenia układu korbowo – tłokowego silnika. Zbyt późny zapłon powoduje z kolei przesunięcie właściwego spalania na suw rozprężania, co wpływa na znaczne pogorszenie sprawności ogólnej silnika oraz powoduje przegrzanie cylindra, tłoka, głowicy oraz układu wylotowego spalin z cylindra [53].

Okres dopalania obejmuje końcowe stadia rozprzestrzeniania się płomienia, a głównie dopalania zapalonej już mieszanki oraz spalanie się cząstek paliwa, które w wyniku zawirowań w cylindrze łączą się z resztkami tlenu. Szybkość reakcji popłomiennych zachodzących w gorącej strefie za czołem płomienia jest średnio kilkaset razy mniejsza od szybkości reakcji burzliwego spalania. Czas trwania okresu dopalania zależy od:

stopnia zawirowania mieszanki pod koniec spalania, współczynnika nadmiaru powietrza,

kąta wyprzedzenia zapłonu.

Charakter pracy silnika z zapłonem iskrowym zależy w głównej mierze od średniej prędkości narastania ciśnienia w czasie okresu właściwego spalania, określonej wielkością przyrostu ciśnienia przypadającego na 1º obrotu wału korbowego. Szybkość tę wyraża zależność:

OWK P MPa

P

P ₀

2 3

2

3 =0,15−0,25 /

−

= −

∆

∆

α α

α ^,

Szybkość narastania ciśnienia decyduje o „twardości” pracy silnika, co ma istotny wpływ na wytrzymałość jego elementów (przede wszystkim w układzie korbowo – tłokowym).

Na rysunku nr 10 przedstawiono wykres zależności przebiegu ciśnienia spalania w funkcji kąta obrotu wału korbowego dla silnika z zapłonem iskrowym. Kolejnymi liczbami i cyframi zaznaczono odpowiednio:

1 – zapłon, (1 – 2) – okres wstępny, (2 – 3) – okres właściwego spalania, 3 – po tym punkcie następuje dopalanie, T – linia temperatury spalania, P – linia przebiegu ciśnienia w cylindrze.

Rys. 10. Przebieg zmiany ciśnienia i temperatury w cylindrze silnika ZI w funkcji kąta OWK [53]

Intensywność zawirowań mieszanki wokół świecy zapłonowej wpływa na twardość pracy silnika. Jeżeli najpierw spala się powoli około 15% mieszanki, czyli przyrosty ciśnienia są stosunkowo nieznaczne (co uzyskuje się w przypadku słabych zawirowań mieszanki w sąsiedztwie świecy zapłonowej), to wtedy reszta mieszanki może spalać się dosyć szybko. Dopuszczalne są przyrosty ciśnień rzędu 0,35 MPa/ºOWK bez wyczuwalnej nadmiernej twardości pracy silnika [38].

2.4. Mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia

Zapłon mieszanki wywołany w danym punkcie przez iskrę elektryczną powoduje rozchodzenie się płomienia we wszystkich kierunkach cylindra silnika dzięki przewodnictwu cieplnemu mieszanki paliwowo–powietrznej. Płomień rozprzestrzeniając się od świecy zapłonowej na samym początku ma prędkość zbliżoną do prędkości spalania laminarnego [9].

Zapalona w najbliższym sąsiedztwie świecy zapłonowej część mieszanki palnej w cylindrze powoduje podgrzewanie dalszych jej części i w ten sposób płomień rozprzestrzenia się na cały ładunek z szybkością nazywaną szybkością rozprzestrzeniania się płomienia. Szybkość ta jest różna dla różnych mieszanek gazowo-powietrznych i jest ona uzależniona do składu gazu paliwowego, jednorodności i przewodności cieplnej mieszanki w cylindrze silnika.

Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia, określa się szybkość przemieszczania czoła płomienia licząc od miejsca jego powstania, a zależy ona wyłącznie od szybkości z jaką cząsteczki sąsiadujące z cząsteczką spaloną osiągną temperaturę pozwalającą im z kolei wejść w reakcję. Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia w cylindrze silnika jest w znacznym stopniu uzależniona od prędkości mieszaniny w cylindrze silnika i jej zawirowania, jednak zbyt duże ruchy gazów w czasie spalania w cylindrze silnika sprzyjają większemu oddawaniu ciepła do ścianek cylindra co ma wpływ na zmniejszenie sprawności ogólnej silnika.

Rzeczywista szybkość rozprzestrzeniania się płomienia w cylindrze silnika jest wypadkową normalnej szybkości rozprzestrzeniania się płomienia oraz szybkości ruchu mieszanki w cylindrze wynikającej z zawirowań i rozprężania produktów spalania.

Burzliwość tego ruchu zwiększa szybkość rozprzestrzeniania się płomienia. Jednym z czynników mających wpływ na zmniejszenie szybkości rozprzestrzeniania się płomienia w cylindrze silnika jest zawartość dwutlenku węgla, azotu i innych gazów obojętnych w mieszance paliwowo-powietrznej.

Innym znaczącym wpływem na przebieg procesu spalania jest stosunek ilości paliwa do ilości powietrza, przy czym największe prędkości rozprzestrzeniania się płomienia występują przy λ=0,9 – 0,95 czyli przy mieszance bogatszej. Zmiana tego składu w kierunku mieszanki uboższej lub bogatszej powoduje obniżenie szybkości spalania, co niekorzystnie wpływa na sprawność cieplną procesu spalania.

Sprawność termodynamiczna silnika jest uzależniona od szybkości spalania, gdyż im większa szybkość, tym krzywa spalania na wykresie indykatorowym zbliża się do teoretycznej linii odpowiadającej spalaniu przy stałej objętości. Szybkość spalania stechiometrycznej mieszanki gazowej zależy od jej odporności na spalanie stukowe.

Ogólnie przyjmuje się, że szybkość spalania danego paliwa jest tym mniejsza, im większa jest jego liczba oktanowa. Największą szybkość spalania ma wodór, a najwolniej spala się metan, co związane jest z ich składem chemicznym. Innymi ważnymi czynnikami wpływającymi na szybkość spalania są temperatura i ciśnienie mieszanki; im wyższe wartości tych parametrów tym większa szybkość spalania.

W tabeli nr 4 przedstawiono niektóre wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych.

Tabela 4. Wielkości charakterystyczne wybranych paliw gazowych [62]

Gęstość Wartość opałowa paliwa

Zapotrzebowanie powietrza L_min

Wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej

LHV

Zawartość tlenu w mieszance stechiometrycznej

Współczynnik nadmiaru powietrza dla dolnej granicy

zapłonu

Szybkość spalania mieszanki stechiometrycznej SL

Liczba metanowa

MN

[kg/m³] [kJ/m³] [m³/m³] [kJ/m³] [%] [λ] [m/s] [-]

Wodór 0,082 10200 2,38 720 14,8 9,84 2,7 0

Tlenek węgla 1,147 12100 2,4 3500 14,8 2,94 0,42 73

Metan 0,655 36000 9,5 3400 19 1,88 0,34 100

Propan 1,8 83000 23,8 3300 20,2 1,96 0,39 35

Butan 2,37 110000 31 3400 20,3 1,83 - 10,5

Gaz ziemny 0,695 34700 9,5 3400 18,9 2,1 0,32 90

Gaz koksowniczy 0,468 13000 4,5 3350 - - - 95

Gaz generatorowy 1,015 5650 1,2 2600 10,9 4,35 - 80

Gaz świetlny 0,614 17000 3,9 3250 16,9 2,5 0,69 90

Gaz fermentacyjny - 24200 6,6 3200 18,2 1,94 0,31 90

Mieszanina Propan

+ butan 50/50 % 2,08 96500 27,38 3350 20,25 1,91 0,83 30

Paliwo gazowe

Wartości podane w tabeli nr 4 można w większości przypadków określić za pomocą badań zgodnie z normą [27]. Szybkość rozprzestrzeniania się płomienia podczas spalania w silnikach gazowych wynosi przeciętnie 35–60 m/s, zależnie od