Pobierz opis

mgr inż. Ksenia Siadkowska
Politechnika Lubelska
Wydział Mechaniczny
Wtrysk i spalanie w silniku Wankla paliwa syntetycznego otrzymywanego metodą ETG
Przedmiotem badań jest proces spalania w silniku Wankla zasilanym paliwem
syntetycznym otrzymywanym z bioetanolu. Istotą jest określenie wpływu składu
chemicznego paliwa na rozwój płomienia w skomplikowanej geometrii komory spalania
silnika Wankla. Badania obejmują skład spalin, sprawność energetyczną oraz skłonność do
spalania stukowego, moc, moment obrotowy itp. Praca jest realizowana wspólnie
z przedsiębiorstwem wytwarzającym paliwo syntetyczne, które może zostać wykorzystane
bezpośrednio do napędu lub pośrednio do kogeneracji. W obu przypadkach zastosowanie
znajdzie silnik Wankla.
Aktualne uregulowania prawne nakładają na Polskę obowiązek stopniowego
zwiększania udziału biopaliw w całkowitej produkcji energii. Jest to oczywiście spowodowane
chęcią ograniczenia emisji zanieczyszczeń oraz malejącymi zapasami ropy naftowej. Spośród
wielu alternatywnych źródeł energii biopaliwa pochodzenia roślinnego (w tym przypadku
bioetanol) mają największe szanse wykorzystania na Lubelszczyźnie, co jest spowodowane
niskim uprzemysłowieniem regionu. Pojazdy typu Flexible Fuel (FFV) mogą być zasilane
paliwem alkoholowym typu E85 bez konieczności konwersji, jednak w chwili obecnej udział
tych pojazdów na rynku motoryzacyjnym w Polsce jest znikomy, a E85 można zatankować na
jednej stacji benzynowej w kraju. Tzw. model brazylijski (w 2010 r. udział pojazdów typu FFV
wyniósł 78%) jest w Polsce mało prawdopodobny z uwagi na brak powszechnie
występujących roślin tak wysokoenergetycznych, jak trzcina cukrowa. Relacja ceny E85 do
benzyny Pb95 również nie uzasadnia ekonomicznie stosowania takiego paliwa. Jednym
z czynników powodujących taką sytuację, jest konieczność odwadniania i oczyszczania
etanolu. W sytuacji kiedy jest on przetwarzany do postaci paliwa węglowodorowego,
możliwe jest wykorzystanie etanolu nieoczyszczanego.
Myślą przewodnią pracy jest przekonanie autorki, że istnieje potrzeba opracowania
systemów zasilania syntetycznym paliwem. Parametry przetwarzania bioetanolu na paliwa
węglowodorowe mają istotny wpływ na ich właściwości, a tym samym na pracę silnika.
Badania stanowiskowe umożliwią dobór najkorzystniejszych parametrów wejściowych do
procesu otrzymywania paliwa syntetycznego. Ciągłe doskonalenie warunków pracy
katalizatora benzyny i wynikowa zmienność składu chemicznego syntetycznej benzyny
powoduje zagrożenie niedopasowania dawki paliwa do aktualnych potrzeb silnika. Jak duże
jest to zagrożenie? Zmiana dawki paliwa już o 0,5% w stosunku do optymalnej skutkuje
przekroczeniem norm emisji. Aby umożliwić dobór najkorzystniejszych parametrów
wejściowych procesowania paliwa syntetycznego, niezbędne jest przeprowadzenie szeroko
zakrojonych badań stanowiskowych. Należy zaznaczyć, że na właściwości produktu
wyjściowego wywiera wpływ wiele czynników: konstrukcja katalizatora alkoholu, rozkład
temperatury na jego płaszczu, ciśnienie substratów i produktów, skład chemiczny i poziom
zużycia aktywnego materiału katalitycznego. Każdorazowo uzyskuje się różną mieszaninę
kilkudziesięciu węglowodorów, nazywanych potocznie benzyną.
Paliwo syntetyczne może być wykorzystywane w dwojaki sposób: bezpośrednio do
napędu, bądź pośrednio do kogeneracji. Niezbędne jest ciągłe doskonalenie warunków pracy
katalizatora, by zapobiegać zmienności składu chemicznego syntetycznej benzyny. W
przeciwnym wypadku istnieje zagrożenie niedopasowania dawki paliwa do aktualnych
potrzeb silnika. Wpływ składu chemicznego na rozwój płomienia skomplikowanej geometrii
komory spalania silnika Wankla jest nieznany. Efektem tego jest nieokreślony skład spalin,
sprawność oraz skłonność do spalania stukowego.
Celem naukowym rozprawy jest zbadanie wpływu składu chemicznego syntetycznej
benzyny na spalanie i charakterystykę silnika spalinowego. Celem utylitarnym jest
opracowanie mechatronicznego systemu zasilania paliwem syntetycznym silnika Wankla jako
jednostki napędowej układu kogeneracji lub napędu rozszerzającego zasięg pojazdu
elektrycznego.
Postawiono tezę: Istnieje istotna zależność przebiegu wtrysku i spalania syntetycznej
benzyny od przebiegu katalizy w technologii ETG.
Aby umożliwić dobór najkorzystniejszych, zarówno pod względem ekologicznym jak
i energetycznym, parametrów wejściowych procesu otrzymywania paliwa syntetycznego
niezbędne jest przeprowadzenie złożonych badań stanowiskowych. Realizacja powyższych
badań będzie miała istotny wpływ na czas konieczny do wdrożenia masowej produkcji
innowacyjnego paliwa oraz na uzyskanie produktu o jak najlepszych właściwościach,
spełniającego wymogi prawne. Należy zaznaczyć, że są to badania niepowtarzalne, gdyż na
właściwości produktu wyjściowego ma wpływ wiele czynników.
Planowane badania wpłyną na poprawę jakości oferowanego paliwa, umożliwią
zdobycie nowych rynków, wzbogacą ofertę przedsiębiorcy, a także pozwolą na zmniejszenie
kosztów energii i spełnienie wymagań prawnych i standardów. Umożliwią także
racjonalizację zużycia materiałów. Praca doktorska będzie miała charakter innowacji
ekologicznej. Wyniki badań przyczynią się do zmniejszenia emisji spalin z układów zasilanych
silnikiem Wankla. Warto zwrócić uwagę na fakt, iż w czasie produkcji paliw syntetycznych
powstają energetyczne produkty uboczne, które także mogą zostać wykorzystane do
otrzymywania ekologicznej energii. Paliwa syntetyczne są realną alternatywą dla paliw
ropopochodnych. Badania eksploatacyjne zostaną przeprowadzone na nowoczesnym
stanowisku hamownianym wyposażonym w wysoce innowacyjny silnik Wankla. Jest to
jedyny silnik czterosuwowy (czterotaktowy) o rozrządzie bezzaworowym. Ze względu na
prostotę budowy jest idealnym silnikiem badawczym, dzięki czemu możemy wyeliminować
wpływ czynników, które należałoby uwzględnić przy badaniu procesu spalania w innych
typach silników. Zasada działania silnika z tłokiem obrotowym jest podobna do tradycyjnego
silnika czterosuwowego. Firma Mazda, pionier w stosowaniu silnika Wankla w motoryzacji
od 1967 roku konsekwentnie go doskonali. W efekcie prac japońskich inżynierów silnik
Renessis napędzający Mazdę RX-8, został uznany silnikiem roku 2003 w prestiżowym
plebiscycie "International Engine of the Year”. Obecnie Mazda wstrzymała produkcję seryjną
samochodów z silnikiem Wankla, by przejść do fazy badawczej i udoskonalić Renessis,
poprzez dostosowanie do spalania paliw alternatywnych oraz opracowanie zapłonu
laserowego.