Politechnika Poznańska Ochrona Środowiska w Transporcie Labolatorium	Wydział Maszyn Roboczych i Transportu	Kierunek: Transport
Temat: Badanie alternatywnych układów napędowych
Wykonawca: Ewelina Zakrzewska	Grupa dziekańska: T3	Nr. listy: 14
Semestr: IV	Rok studiów: II	Rok akademicki: 2012/2013
Prowadzący: mgr. inż. Paweł Daszkiewicz	Data wykonania ćwiczenia: 8.05.2013	Godzina rozpoczęcia ćwiczenia: 11.45

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami alternatywnych układów pomiarowych. Zadaniem, które mieliśmy zrealizować były pomiary dla instalacji LPG oraz instalacji benzynowej. Pomiary zostały odczytane z urządzenia AVL DICOM 4000.

1. Wstęp teoretyczny

Paliwo alternatywne (refused derived fuel, w skrócie RDF) jest palnym odpadem występujących w stałym stanie skupienia z przeznaczeniem do procesów przemysłowych. Powstaje ono z przetwarzania innych niż niebezpieczne odpadów, czyli takich, w których obróbka termiczna nie powoduje przekroczenia rygorystycznych standardów emisyjnych.

Cechy paliwa alternatywnego

Składa się z frakcji palnych odpadów komunalnych (guma, drewno, papier itp.) podlegających brykietowaniu Wartość opałowa – przedział między 16-18 MJ/kg. Dodatkowymi komponentami są wapno (ogranicza emisję tlenków ołowiu oraz siarki), węgiel (ogranicza emisję furanów oraz dioksyn) oraz kora (odpowiada za ograniczenie zawartości chlorowodoru oraz tlenków siarki w gazach odlotowych).

Zastosowanie paliw alternatywnych:

- zakłady energetyczne i siłownie przemysłowe (kotły fluidalne, paleniska rusztowe)

- cementownie (piece obrotowe)

- zakłady przemysłowe wykorzystujące procesy wysokotemperaturowe

• Benzyna, mieszanina lekkich węglowodorów alifatycznych, cykloalkanów, węglowodorów aromatycznych i nienasyconych. Lotna, łatwopalna ciecz o specyficznym zapachu, dobrze rozpuszczalna w rozpuszczalnikach organicznych. Jest najczęściej produktem destylacji ropy naftowej.

Zalety:

- odporna na niskie temperatury ( nic z niej się nie wytrąca, łatwy zapłon)

- bardzo wysoka kaloryczność

- możliwość otrzymywania z wielu surowców: ropa naftowa - rektyfikacja (destylacja) lub kraking cięższych frakcji, przez uwodornienie węgla

- niska zawartość siarki

Wady:
- kosztowne otrzymywanie - konieczność lepszego oczyszczenia

frakcjonowania niż diesla

- bardzo duże parownie - problemy z przechowywaniem i możliwość wybuchu

- konieczność dodawania na etapie produkcji dodatków zapobiegających

spalaniu stukowemu które nie ulegają całkowitemu spalaniu co powoduję

wzrost ceny benzyny oraz konieczność stosowania katalizatorów

platynowych co również podnosi cenę używania takiego paliwa

Produkty spalania:

- azot N₂

- tlen O₂

- dwutlenek węgla CO₂

- węglowodory HC

- tlenki azotu NO_x

- związki ołowiu i siarki

• Olej napędowy – paliwo przeznaczone do silników wysokoprężnych z zapłonem samoczynnym. Olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów parafinowych, naftenowych i aromatycznych, wydzielonych z ropy naftowej w procesach destylacyjnych. Destylaty oleju napędowego mają temperatury wrzenia znacznie wyższe (180-350 °C) niż destylaty, z których produkuje się benzynę. Z uwagi na dużą zawartość siarki w tych destylatach, konieczne jest jej usuwanie poprzez obróbkę wodorową w procesach katalitycznych (hydrorafinacja). Oleje napędowe to również produkty otrzymywane z frakcji pozostałych po destylacji, ale w tym wypadku konieczne są katalityczne procesy rozkładowe (kraking katalityczny, hydrokraking). Skład i wzajemne proporcje węglowodorów zawartych w olejach napędowych są różne w zależności od charakteru przerabianej ropy oraz od procesów technologicznych zastosowanych przy ich produkcji

Dodatkowe produkty spalania:

- krople paliwa

- krople oleju smarującego

- związki siarki

- sadza

• Biopaliwo jest to paliwo powstałe z przetwórstwa biomasy, czyli produktów pochodzenia organicznego . Biopaliwo może występować w postaci stałej, ciekłej lub gazowej. Surowcami do jego produkcji są:

- Oleje otrzymywane z przetwórstwa roślin oleistych, np.: olej rzepakowy,

słonecznikowy, palmowy, sojowy.

- Surowce pozyskiwane z roślin uprawnych, takich jak m.in.: zboża, burak

cukrowy, trzcina cukrowa, ziemniaki.

- Oleje roślin niejadalnych, drewno i jego odpady, słoma, również w postaci

granulatu.

Zalety:

- emisja cząstek stałych jest mniejsza o 10 – 60 %, a tlenków węgla i węglowodorów

do 40%

- stosując BIO 100 całkowicie eliminowana jest emisja siarki do atmosfery

Wady:

- możliwość stosowania tylko do niektórych modeli silników

• LPG (skrót od ang. Liquefied Petroleum Gas) (znany jako propan butan), gazol – mieszanina propanu i butanu. Używany jako gaz, ale przechowywany w pojemnikach pod ciśnieniem jest cieczą. Należy do najbardziej wszechstronnych źródeł energii. LPG uzyskiwany jest jako produkt uboczny przy rafinacji ropy naftowej. Niewielkie jego ilości otrzymuje się także ze złóż gazu ziemnego, zwykle na początku uruchamiania nowego odwiertu. W skali światowej szacuje się, że prawie 60% globalnej produkcji LPG pochodzi z wydobycia naturalnego, zaś pozostała część z procesów rafineryjnych. Niezależnie od źródła pochodzenia, wymagania co do właściwości LPG są określane jednolicie 

Produkty spalania:

- tlenek węgla CO

- węglowodory HC

- dwutlenek węgla CO₂

- tlenki azotu NO_x

• CNG (ang. Compressed Natural Gas) jest to paliwo – gaz ziemny w postaci sprężonej do ciśnienia 20-25 MPa. Służy do napędu pojazdów silnikowych zarówno z zapłonem iskrowym jak i z samoczynnym. Wartość energetyczna 1 m³ w warunkach normalnych (Nm³) jest w przybliżeniu równa 1 litrowi benzyny. Masa 1 Nm³ gazu ziemnego wynosi w przybliżeniu 0,7 kg i jest uzależniona od składu gazu.

• Wodór – ze względu na swoją małą masę cząsteczkową oraz dużą wartość ciepła spalania ma największy stosunek energii do masy, siła eksplozji wodoru jest 2,5 raza większa niż konwencjonalnych paliw węglowodorowych. Wodór cechuje się także dobrymi wartościami charakteryzującymi paliwa. Są to m.in.:

• temperatura zapłonu -253°C (dla porównania -188°C metan, -104°C propan, -43°C benzyna, 11°C metanol)

• zakres palności jest szeroki od 4-75% V/V a wybuchowości 15-95 %V/V przy czym zakres palności rośnie razem z temperaturą (dla porównania 5.3-15 % metan, 2.2-9.6 %, 6-36.5 % metanol, 1-7.6 % benzyna, 0.6-5.5 % benzyna (% jest objętościowy))

• temperatura samozapłonu 585°C (dla porównania 540°C metan, 490°C propan, -385°C metanol, 230-480°C benzyna)

• energia zapłonu jest mała (0.02 mJ) o rząd wielkości mniejsza niż energia zapłonu wyżej wymienionych paliw, dlatego wystarcza niewielka iskra, żeby spowodować zapłon

• szybkość spalania, czyli szybkość z jaką płomień przesuwa się przez palną mieszaninę gazów dla wodoru wynosi 2.65-3.25 m/s i jest o rząd większy od spalania metanu czy benzyny.

Największa zaletą wodoru jest brak emisji CO₂ podczas spalania. Problemami są skłonność wodoru do wycieku, zapalność i zapłon mieszaniny wodorowej, wysoka temperatura płomienia wodoru, problemy z przechowywaniem oraz z transportem.

1. Stanowisko badawcze

Silnik o zapłonie iskrowym

Produkcji Fiat MPFI

Pojemność: 1,2 dm³

Moment obrotowy: 102Nm/3250 min^-1

Ilość cylindrów: 4

Liczba zaworów: 16

Skok tłoka: 78,8 mm

Stopień sprężenia: 9,1:1

1. Wyniki pomiarów

n = 3000 obr/min

Mo [Nm]	Ge [g/s]	λ [%]	CO [%]	CO2 [%]	O2 [%]	HC [ppm]	Ne [ kW]	ge [g/kWh]
0	0,5	1,11	0,59	12,9	2,67	252	0	-
10	0,92	1,014	0,61	14,2	0,93	285	3,14	1054,777
20	1,19	1,01	0,6	14,3	0,83	241	6,28	682,1656
30	1,32	1,014	0,58	14,2	0,93	233	9,42	504,4586
40	1,42	1,017	0,63	14,2	0,99	227	12,56	407,0064
50	1,55	1,016	0,64	14,2	0,95	218	15,7	355,414
0		1,143	0,65	11,4	2,94	263
10		1,03	0,41	12,7	1,17	259
20		1,042	0,32	12,8	1,17	238	LPG
30		1,047	0,26	12,7	1,29	238
40		1,029	0,48	12,9	1,01	244
50		1,025	0,58	12,8	1,01	240

Przykładowe obliczenia N_e dla benzyny

$$N_{e} = \frac{Mo*n}{9554,14}\left\lbrack \text{kW} \right\rbrack$$

$N_{e} = \frac{10*3000}{9554,14} = 3,14\ \left\lbrack \text{kW} \right\rbrack$

Przykładowe obliczenie g_e dla benzyny:

$$g_{e} = \frac{{3600*\ G}_{e}}{N_{e}}\left\lbrack g/kWh \right\rbrack$$

$$g_{e} = \frac{3600*0,92}{3,14} = 1054,777\ \left\lbrack g/kWh \right\rbrack$$

1. Charakterystyki

Benzyna

1. Wnioski

Oprócz składników nieszkodliwych spaliny silnika zawierają substancje niekorzystne dla środowiska i ludzi. Są to m.in. tlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu i cząstki stałe.

Po obserwacjach można stwierdzić, że zużycie paliwa wzrasta ze wzrostem prędkości obrotowej. Podczas jazdy samochodem objętość spalanego gazu jest większa o ok. 1,1 na 100km, niż w przypadku benzyny. Wynika to z faktu, że w przypadku gazu LPG mieszanka paliwowo powietrzna jest bardziej uboga. Emisja CO₂ wówczas jest mniejsza. Wydzielanie tlenu w obu przypadkach wygląda podobnie, jednak nieznacznie więcej jest go podczas spalania LPG. Emisja niespalonych węglowodorów w obu przypadkach bardzo się waha.

Korzystanie z instalacji LPG jest bardziej ekologiczne i tańsze, jednak dla samochodu instalacja benzynowa jest lepsza i jazda jest dynamiczniejsza. LPG zawiera węglowodory, których spalanie powoduje wydzielanie się mniejszej ilości gazów cieplarnianych niż w przypadku benzyny. W związku z tym osoby, które dbają o ekologię wybiorą instalację LPG.