Badania możliwości poprawy wskaźników ekologicznych silników o

Paweł Jan Daszkiewicz
Politechnika Poznańska / Wydział Maszyn Roboczych i Transportu /
Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Badania możliwości poprawy wskaźników ekologicznych silników o
zapłonie samoczynnym zasilanych paliwami konwencjonalnymi z
domieszką wodoru
Konstrukcja układów odpowiedzialnych za parametry pracy i emisję związków
toksycznych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym w okresie mijającego 50-lecia
uległa znacznej zmianie. W wyniku szybkich zmian poziomu dopuszczalnego stężenia
związków toksycznych w spalinach i utrzymywanie go na bardzo niskim poziomie przyczyniło
się do znacznych modyfikacji systemu spalania oraz wprowadzenia złożonych układów
oczyszczania spalin. Obecnie wprowadzenie nowych norm emisyjnych wiąże się z dodaniem
do układu oczyszczania spalin nowej części ograniczającej konkretny związek toksyczny.
Przyczynia się to do wzrostu kosztów oraz prawdopodobieństwa awarii pojedynczej
jednostki, dlatego ciągle poszukuje się nowych rozwiązań problemu zmniejszenia emisji
związków toksycznych zawartych w spalinach. Obiecującym rozwiązaniem jest poszukiwanie
paliw, których skład chemiczny decyduje o rodzaju emitowanych związków i ich stężeniu
podczas jego spalania, oraz dającego się wytwarzać z łatwo dostępnych związków, co
pozwoliłoby ograniczyć zużycie paliw kopalnych i ograniczyło możliwość wystąpienia kryzysu
energetycznego.
Paliwem tego typu jest zaprezentowany w pracy wodór dający teoretycznie podczas
spalania wodę z której ponownie można go odzyskać. Związek ten posiada jednak bardzo
specyficzne właściwości, które sprawiają znaczne trudność w jego eksploatowaniu.
Trudności dotyczą wytwarzania, magazynowania oraz spalania, co zniechęca, a niekiedy
uniemożliwia jego stosowanie. Nie zmienia to jednak faktu, że w ocenie autora dobrym
kierunkiem rozwoju jest próba wykorzystania wodoru w silniku z zapłonem samoczynnym.
Pomimo tego, że bardzo trudnym jest spalanie go w czystej formie, to współ-spalanie go z
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
olejem
napędowym
daję
zadawalające
rezultaty.
Z
przeglądu
literatury
jak
i
przeprowadzonych badań można wnioskować o znaczącym redukującym wpływie dodatku
wodoru na stężenie emitowanych związków szkodliwych spalin. Dodatkowo zaproponowane
rozwiązanie
zwiększyło
bezpieczeństwo
użytkowania
wodoru
gdyż
nie
miał
on
bezpośredniego kontaktu z powietrzem jak ma to w przypadku dostarczania go do układu
dolotowego. Zaletą transportowania wodoru do komory spalania za pośrednictwem oleju
napędowego jest również możliwość stosowania konwencjonalnego układu dolotowego i
recyrkulacji spalin EGR bez obawy niekontrolowanego zapłony spowodowanego zmianą
warunków termodynamicznych panujących w kanale dolotowym. Spalanie wodoru
mieszanego z konwencjonalnym paliwem powoduje, że ilość potrzebna do zapewnienia
określonego zasięgu pojazdu jest mniejsza niż w przypadku czystego wodoru. Pozawala to
na zmniejszenie koniecznej ilości wodoru magazynowanej w dodatkowym zbiorniku. W takim
przypadku zastosowanie metod sorpcyjnych jest bardziej realne do użycia ich jako sposobu
magazynowania wodoru, co dodatkowo zwiększa bezpieczeństwo eksploatowanego
pojazdu. Wadą zastosowania współ-spalani jest nie możliwość wyeliminowania emisji
związków węgla z racji obecności ich w konwencjonalnym paliwie. Jednak zaproponowane
rozwiązanie zasilnia silnika z zapłonem samoczynnym mieszanką dwupaliwową stwarza
możliwość wykonania dodatkowej instalacji dla istniejących konstrukcji silników i w rezultacie
uzyskać spełnienie przez nie wyższych norm emisji, a niżeli tych do których zostały one
zbudowane.
Uzyskane wyniki badań świadczą o znacznym wpływie redukującym dodatku wodoru
na stężenie związków szkodliwych. Analizując wyniki można zauważyć, że wraz ze wzrostem
zawartości wodoru w paliwie stężenie tlenku węgla maleje i dla najbogatszej mieszaniny
oleju napędowego z wodorem otrzymano redukcję oscylującą około 60%. Podobny wpływ
dodatku wodoru na emisję związków toksycznych można odnotować w przypadku
węglowodorów HC, których zawartość w spalinach zmniejszyła się
od 15% do 55% w
zależności od czasu otwarcia wtryskiwacza. Zmniejszeniu uległo także zadymienia spalin,
którego obniżenie wahało się w granicach 30 – 60 % w stosunku emisji silnika w którym
spalano paliwo bez dodatku wodoru. Rosnąca emisja tlenków azotu dla obu przypadków
prędkości obrotowej jest w pełni uzasadniona zwiększającą się temperaturą w komorze
spalania pomimo użycia systemu recyrkulacji spalin na poziomie 25%, gdzie widać, iż wzrost
emisji jest znaczący. Przy czasie wtrysku równym 0,55 ms, i przy dodatku wodoru 0,1 bar
przy prędkości obrotowej 1200 obr/min wzrost emisji NOx wynosi 19% (i był to najmniejszy
procentowy przyrost stężenia tego związku), natomiast dla czasu wtrysku 0,97 ms, i przy
dodatku wodoru 0,2 bar zanotowano wzrost emisji tego związku na poziomie 84 % ( co
stanowiło największy przyrost stężenia zawartości tego związku w spalinach).
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego