Gaz lpg
OTRZYMYWANIE GAZU PROPAN-BUTAN.
W krajach EWG (a także w USA, Kanadzie i innych) wprowadzono rozróżnienie skroplonego gazu przeznaczonego do ogrzewania, oświetlania i celów przemysłowych oraz będącego paliwem silnikowym. Pierwszy oznaczono wcześniej wspomnianym skrótem LPG (w krajach frankofońskich - GPL); drugi: LPG-C (lub GPL-C). Litera „C” oznacza, że jest to paliwo odpowiadające wymaganiom norm dla paliw silnikowych.
W produkcji rafineryjnej LPG dominuje pięć państw: Niemcy, Włochy, Francja, Hiszpania i Holandia (ponad 1 mln ton). Te same kraje są również największymi konsumentami gazu „płynnego”, zużywanego do celów energetycznych. W tej kategorii czołówka europejska wygląda niemal identycznie (Włochy, Francja, Hiszpania, Niemcy oraz poprzedzana przez Wielką Brytanię i Portugalię, Holandia). Widać więc, że w państwach zużywających duże ilości LPG zabiega się o zaspokojenie popytu przede wszystkim z własnej produkcji rafineryjnej. Wyjątkiem jest tu Holandia, która z racji swojego położenia (strategiczne porty przeładunkowe, magazyny gazu, giełdy LPG) jest jednocześnie dużym eksporterem i importerem gazu płynnego, a ponadto zużywa duże ilości propanu i butanu na cele nie energetyczne (przemiany w rafineriach, produkcja chemiczna i petrochemiczna itd.) [56].
Gaz „ciekły" uzyskuje się bezpośrednio z odwiertów ropy naftowej (o ile towarzyszy jej gaz), a także z niektórych odwiertów gazu ziemnego. Największe jego ilości pozyskiwane są w rafineriach podczas przeróbki ropy naftowej i stanowią około 2% masy surowca. Składniki gazów płynnych ze złóż ropy naftowej, otrzymywane podczas jej destylacji, są produktem ubocznym wytwarzania gazoliny i benzyny syntetycznej. Gaz propan-butan powstaje podczas krakowania, czyli rozpadu dużych drobin węglowodorów zawartych w surowej ropie naftowej, na większą liczbę drobin (molekuł) w czasie jej ogrzewania bez dostępu powietrza.
Innym procesem, w czasie którego otrzymuje się gaz w postaci płynnej jest uwodornianie ropy naftowej, tzn. wzbogacanie jej w wodór pod wpływem wysokich ciśnień i temperatur. Wówczas z węglowodorów ciężkich otrzymuje się węglowodory lekkie o większej zawartości wodoru i niższej temperaturze wrzenia. Taka przeróbka nastawiona jest przede wszystkim na otrzymywanie benzyny i oleju silnikowego.
WŁAŚCIWOŚCI FIZYKO-CHEMICZNE
Propan-butan jest mieszaniną propanu (około 25%), butanu (około 45 %) i izobutanu (ok.30%). Przy ciśnieniu około 0,83 Mpa i temperaturze otoczenia utrzymuje stan p łynny i wtedy jego objętość jest 270 razy mniejsza niż fazy gazowej. Przy spadku ciśnienia paliwo przechodzi w fazę gazową, jest więc przechowywane w stanie ciekłym a spalane jako gaz.
LPG stanowi skroploną mieszaninę głównie dwóch nasyconych węglowodorów alifatycznych: propanu C3H8 i butanu C4H10, który może występować w dwóch różnych strukturach: jako N-butan lub I-butan. Przy podwyższonym ciśnieniu oba węglowodory mają względnie niską temperaturę wrzenia, która dla propanu wynosi: -42,5°C a dla butanu: -8°C. Podwyższając ciśnienie oba gazy dają się skroplić w wyższych temperaturach. Ciśnienie wymagane do skroplenia mieszaniny propanu-butanu jest określane przez właściwości składnika bardziej lotnego tj. propanu. Wynosi ono przy temperaturze 20°C około 0,8 MPa. Jest to więc ciśnienie, pod którym praktycznie jest magazynowana w butlach ta mieszanina.
Znaczne różnice w temperaturze parowania obu gazów są przyczyną, dla której w krajach o różnych warunkach klimatycznych można spotkać różne wzajemne stosunki objętościowe obu gazów w paliwie LPG. W strefach klimatycznych o niższych temperaturach stosuje się LPG o znacznie obniżonej zawartości butanu, a nawet w celu zapewnienia właściwego odparowania gazu jest stosowany czysty propan. Natomiast w krajach o ciepłym klimacie ze względu na znaczny wzrost ciśnienia propanu pod wp ływem temperatury stosuje się LPG ze znaczną przewagą butanu.
Na rysunku przedstawiono zależność ciśnienia gazu od temperatury dla różnych proporcji obu głównych składników.
|
Generalnie, gdy nie jest znany skład mieszaniny można przyjąć, iż wartość ciśnienia zawiera się między krzywą dla propanu i propano-butanu (30-70%).
Gęstość głównych składników LPG jest zróżnicowana w zależności od temperatury i ciśnienia. W poniższej tabeli ukazano wartości gęstości tych składników w stanie płynnym i gazowym.
|
Średnia gęstość mieszaniny LPG wynosi 0,56 kg/dm3. Przy przejściu ze stanu płynnego w stan gazowy objętość wzrasta 230 razy. Gęstość mieszaniny w stanie lotnym jest blisko 2 razy większa od gęstości powietrza. Dlatego związki te mają tendencję do gromadzenia się przy powierzchni gruntu w zagłębieniach, czy np. kanałach. Ze względów bezpieczeństwa w miejscu, w którym pojazd będzie dłużej przechowywany lub naprawiany musi być zapewniona odpowiednia wentylacja.
Pojazdy zasilane gazem charakteryzują się większym zużyciem paliwa niż pojazdy zasilane benzyną. Wynika to z różnych wartości opałowych oraz gęstości LPG i benzyny. Dla paliwa gazowego wartość opałowa w przeliczeniu na dm3 oscyluje wokół 25 kJ/dm3 (w zależności od wzajemnego stosunku objętościowego propanu i butanu), natomiast dla benzyny jest to około 31,6 kJ/dm3. Z tych dwóch wielkości wynika, że zużycie objętościowe LPG powinno być większe nawet o 25%. Jednak ze względu na zdolność gazu do tworzenia z powietrzem bardziej jednorodnej mieszanki, a co za tym idzie polepszenie spalania, wzrost zużycia paliwa gazowego w porównaniu do benzyny nie przekracza 20%. W poniższej tabeli przedstawiono wartości opałowe dla różnych kompozycji propanu z butanem oraz dla benzyny.
|
Następną cechą paliwa gazowego jest jego wysoka liczba oktanowa. Dla propanu liczba oktanowa wynosi 112, dla butanu 94, średnio więc dla stosunku 50:50 jest to wartość równa 103.
JAKOŚĆ SPALANIA I WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE
Prawidłowy przebieg spalania w silniku można zapewnić, jeśli spełnione są warunki wynikające ze sposobu jego pracy, określone głównie właściwościami stosowanego paliwa. W przypadku silnika o zapłonie iskrowym, paliwa charakteryzujące się małą liczbą oktanową ograniczają możliwości uzyskania większych sprawności i mocy silnika, gdyż ze wzrostem stopnia sprężania zwiększa się skłonność silnika do spalania detonacyjnego. Natomiast w silniku wysokoprężnym zastosowanie paliw o mniejszej liczbie cetanowej, charakteryzujących się dużym opóźnieniem samozapłonu, wymaga dużych stopni sprężania, aby w ten sposób nie dopuścić do twardego spalania, co w wyniku wpływa na obniżenie sprawności ogólnej silnika.
W silnikach o zapłonie iskrowym zasilanych paliwem zastępczym nie może wystąpić przedwczesny zapłon, niezależny od świecy zapłonowej, gdyż powstające dodatkowe ogniska samozapłonu wywołują spalanie detonacyjne.
W silnikach wysokoprężnych samozapłon musi wystąpić w krótkim czasie od chwili początku wtrysku, aby nie dopuścić do twardego spalania, nadmiernego wzrostu szybkości narastania ciśnienia i ciśnień maksymalnych.
W obu rodzajach silników spalanie każdego paliwa musi być całkowite i zupełne, a okres dopalania nie może być znacznie przesunięty na okres wylotu, ze względu na dopuszczalną temperaturę spalin. W przypadku zasilania silników o zapłonie iskrowym paliwem propan-butan można zapewnić praktycznie całkowicie bezdetonacyjne spalanie. Wiąże się to z wysoką liczbą oktanową paliwa LPG.
Spalanie gazu ma nieco wolniejszy przebieg niż spalanie benzyny, co powinno powodować konieczność stosowania większego kąta wyprzedzenia zapłonu. Taka potrzeba występuje dla mniejszych prędkości obrotowych, natomiast w górnym zakresie prędkości obrotowej silnika, kąt wyprzedzenia zapłonu mógłby być nieco opóźniony w stosunku do przyjętego dla benzyny. Ze względów praktycznych, w celu zachowania dwupaliwowości, na ogół pozostawia się nie zmienioną regulację zapłonu.
Na rysunku pokazano charakter tej zależności.
|
W procesie spalania gazu w silniku występuje o około 30% wyższe napięcie przeskoku iskry zapłonowej, czego przyczyną jest różnica rezystancji elektrycznej gazu i odparowanej benzyny. Nie wymaga to również wprowadzenia specjalnych zmian w tradycyjnym układzie zapłonowym, choć wskazany jest tzw. zapłon elektroniczny i wysokiej jakości świece [22].
O ile przystosowanie silnika z zapłonem iskrowym do spalania paliwa propan-butan oraz benzyny (zasilanie dwupaliwowe) wiąże się z niewielkimi zmianami konstrukcji, zmiana systemu paliwowego silnika wysokoprężnego jest procesem bardziej skomplikowanym, zwłaszcza w silnikach zasilanych jednopaliwowo (tylko propan-butan). Wynika to z odmiennego charakteru przygotowania mieszanki i jej zapłonu. Duże ilości toksycznych składników spalin emitowane przez silniki wysokoprężne skłaniają jednak do poszukiwania systemu zasilania mniej uciążliwego dla środowiska. Łatwo tworzący mieszankę gazowo-powietrzną i ze stosunkowo dużym współczynnikiem gęstości magazynowania energii gaz propan-butan, emituje po spaleniu śladowe ilości substancji toksycznych.
Zakres adaptacji silnika wysokoprężnego zależy od przyjętego układu zasilania (dwu- lub jednopaliwowego) i pociąga za sobą spore ograniczenia. Zapłon mieszanki powietrzno-gazowej inicjuje się określoną dawką oleju napędowego, której wartość jest w całym, a szczególnie w dolnym zakresie obciążeń stała. Ilość energii niezbędnej do wywołania zapłonu można uzyskać ze spalenia kropli oleju napędowego o średnicy około 40 mm, jednak wydzielanie ciepła jest znacznie wolniejsze niż w iskrze elektrycznej, a więc i skutek jest inny. Przyjmuje się, że ilość ciekłego paliwa potrzebna do zapalenia gazu powinna stanowić od 1-4 % zużycia przy zasilaniu samym paliwem płynnym.
Praktycznie stosowane dawki zapłonowe paliwa płynnego znacznie przekraczają niezbędną energię zapłonu. W razie dopływu niedostatecznej ilości gazu układ wtryskowy powinien dostarczać zwiększone dawki oleju napędowego, tak aby łączna energia cieplna doprowadzona w paliwie odpowiadała chwilowemu obciążeniu silnika. Natomiast praca na samym paliwie gazowym nie jest możliwa. Wynika stąd, że dawka paliwa płynnego w silnikach dwupaliwowych może dochodzić nawet do 100%.
Temperatura końca sprężania w tych silnikach powinna być tak dobrana, aby była wyższa od temperatury samozapłonu paliwa płynnego, a niższa od temperatury samozapłonu paliwa gazowego. System spalania silnika dwupaliwowego nie różni się od systemu spalania silników wysokoprężnych, z wyjątkiem konieczności zastosowania mieszalnika gazu i powietrza. Natomiast układ zasilania paliwem płynnym musi być przystosowany zarówno do podawania małych dawek paliwa niezbędnego do zapalenia mieszanki gazowej, jak również do podawania pełnej dawki. Jednak z faktu udziału paliwa płynnego w pracy silnika zasilanego gazem propan-butan, a zwłaszcza gdy udział oleju napędowego w stosunku do gazu jest duży, wynika charakterystyczne dla silnika Diesla dymienie. Jednak w układzie dwupaliwowym istnieje możliwość kontynuowania jazdy na oleju napędowym po wyczerpaniu gazu.
Takiej możliwości nie daje adaptacja silnika Diesla na układ jednopaliwowy, lecz to rozwiązanie całkowicie eliminuje zjawisko dymienia. Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania jednopaliwowego gazem znacznie różni się od klasycznego silnika Diesla. Główny wpływ na jego konstrukcję wywiera sposób zapalania mieszanki gazowo-powietrznej, ponieważ źródłem jej zapłonu staje się przeskok iskry elektrycznej, a nie jak to miało miejsce we wcześniej omawianym przypadku - kropli oleju napędowego. Z tego powodu całkowicie eliminuje się układ wtryskowy silnika, zmienia się kształt i wymiary komór spalania (konieczny staje się montaż świec zapłonowych), a także m.in. zostaje obniżony stopień sprężania [48].
|
|
Gaz CNG
Otrzymywanie i właściwości fizyko-chemiczne
Gaz ziemny (NG - z ang. Natural Gas) jest to surowiec mineralny znajdujący się w skorupie ziemskiej w fazie gazowej. Gaz ten spotyka się albo w postaci oddzielnych skupień (złóż), albo w postaci rozpuszczonej w podziemnych wodach i ropie naftowej. Gazy powstające w skorupie ziemskiej tworzą się na skutek różnorakich procesów w niej zachodzących i często mając podobny skład chemiczny są różnego pochodzenia, co utrudnia ich klasyfikację. Spośród wielu gazów największe znaczenie mają palne gazy węglowodorowe pochodzenia biochemicznego. Tworzą one duże złoża i odgrywają ważną rolę w gospodarce światowej. To właśnie te gazy są zwane potoczne gazami ziemnymi, choć jest to pojęcie szersze i obejmuje wszystkie gazy znajdujące się w skorupie ziemskiej. Gaz ziemny otrzymywany z szybów ropy naftowej lub występujący samodzielnie, składa się z różnych węglowodorów gazowych (głównie z metanu).
Zależnie od miejsca występowania i składu rozróżnia się gaz ziemny tzw. mokry, który zawiera pewne ilości węglowodorów ciekłych i gaz tzw. suchy, otrzymywany z szybów wyłącznie gazowych, nie zawierający wspomnianych węglowodorów.
W poniższej tabeli przedstawiono procentową zawartość podstawowych składników tych gazów.
|
W zależności od złoża gazy zawierają różne ilości składników niewęglowodorowych - azotu, siarkowodoru, dwutlenku węgla i pary wodnej. Różnią się one także zawartością węglowodorów o masie cząsteczkowej większej od etanu. Zarówno te węglowodory jak
i składniki niewęglowodorowe powinny być usunięte z gazu ziemnego przed jego transportem lub przeróbką.
Para wodna w gazie ziemnym przyczynia się do poważnych trudności eksploatacyjnych w instalacjach niskotemperaturowej przeróbki gazu oraz w czasie jego transportu gazociągami. Prowadzi to do skraplania się wody i powstawania stałych hydratów blokujących aparaturę lub rurociągi, a także powoduje intensywną korozję. Z tego względu przed transportem lub przeróbką konieczne staje się osuszenie gazu.
Jedną z najważniejszych czynności przygotowujących gaz do transportu lub przeróbki jest oczyszczanie gazu ziemnego z siarkowodoru i dwutlenku węgla. Toksyczne właściwości siarkowodoru uniemożliwiają skierowanie gazu ziemnego do użytkowników komunalnych, a poza tym jest to związek silnie korodujący metale. Węglowodory o masie cząsteczkowej większej od metanu usuwa się z gazu przez tzw. odgazolinowanie. W dużych zakładach kompleksowo przygotowujących i przerabiających gaz ziemny realizowane są następujące procesy technologiczne:
przygotowanie gazu do przeróbki przez jego oczyszczanie i osuszanie,
sprężenie gazu do ciśnienia nieodzownego w procesie odgazolinowania,
odgazolinowanie,
rozdzielenie surowej gazoliny na gazolinę stabilizowaną oraz gaz płynny,
rozdzielenie gazu płynnego na poszczególne węglowodory (propan, N-butan, izobutan).
Dużą zaletą gazu ziemnego jest jego naturalne wysokie ciśnienie (od 70÷120 atm.), które umożliwia rozprowadzanie go dalekosiężnymi rurociągami na znaczne odległości.
Główny składnik gazu ziemnego - metan, w warunkach normalnych jest bezbarwnym, bezwonnym gazem o gęstości 0,7175 g/dm3. Temperatura topnienia wynosi -182,48°C, a temperatura wrzenia 161,49°C, temperatura zapłonu 595°C. Gęstość metanu względem powietrza wynosi 0,55. Metan z powietrzem tworzy mieszaniny wybuchowe w granicach stężeń 5÷15% obj. (33÷100 g/m3). Wartość opałowa gazu ziemnego wynosi 8400÷15000 kcal/m3, zależnie od jego pochodzenia [42].
JAKOŚĆ SPALANIA I WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE
Jako paliwo silnikowe stosowany jest gaz ziemny o względnie wysokiej wartości opałowej. O wartości tego gazu jako paliwa stanowi procentowy wskaźnik zawartości metanu, który w tzw. gazie wysokometanowym przekracza 90 %. Główną wadą tego paliwa jest mała gęstość magazynowania energii w jednostce objętości. Po sprężeniu gazu ziemnego do ciśnienia 20 MPa, gęstość zmagazynowanej energii jest około czterokrotnie mniejsza od gęstości energii zawartej w benzynie. Pomimo tego iż gaz ziemny jest blisko dwukrotnie lżejszy od powietrza, doskonale się z nim miesza, tworząc w określonych granicach mieszaninę wybuchową.
W silnikach spalinowych gaz ziemny daje się spalać przy dolnym współczynniku nadmiaru powietrza rzędu =1,9. Wysoka liczba oktanowa około 110-112 pozwala na stosowanie tego paliwa do wszystkich typów silników z zapłonem iskrowym.
Metan nie ma skłonności do spalania detonacyjnego, a jego wysoka liczba oktanowa umożliwia zwiększenie stopnia sprężania silnika ZI do 12÷13 i tym samym poprawę sprawności. Dobra mieszalność gazu ziemnego z powietrzem pozwala łatwo kontrolować skład mieszanki nawet w przejściowych stanach pracy silnika. Wcześniej wspomniana mniejsza energia gazu i mniejsza wartość opałowa w porównaniu do benzyn, powoduje zmniejszenie osiągów silnika.
Stosowanie układów dążących do utrzymania współczynnik w granicach mieszanki stechiometrycznej (0,98÷ 1,02) umożliwiają znaczne zredukowanie emisji toksycznych składników spalin. Najlepsze efekty w silnikach wysokoprężnych gwarantują układy jednopaliwowe, z obniżonym stopniem sprężania i wprowadzonym zapłonem iskrowym. W tych systemach istotną rolę odgrywają systemy elektroniczne sterujące nie tylko składem mieszanki powietrzno-gazowej lecz również parametrami zapłonu, utrzymywaniem stałej prędkości biegu jałowego oraz upustem ładunków w systemach turbodoładowania. Pojazdy z takimi układami wykazują znacznie niższa emisję toksycznych składników spalin, a w szczególności występuje znaczna redukcja składników NOX i cząstek stałych.
Porównanie emisji silników wysokoprężnych zasilanych olejem napędowym i gazem ziemnym zamieszczono w poniższej tabeli.
|
Tak niski poziom emisji uzyskuje się poprzez zastosowanie elektronicznych systemów sterowania oraz katalizatorów trójfunkcyjnych, które ze względu na odmienny skład spalin gazu ziemnego, muszą być specjalnie opracowywane.
Wadą zasilania gazowego silników w stosunku do zasilania olejem napędowym jest znaczne zużycie paliwa. Wynika ono z niższej sprawności samego obiegu Otto jak również z niedoskonałości systemów regulacji składu mieszanki palnej. Znaczny spadek sprawności występuje w zakresie częściowych obciążeń silników, co wpływa na eksploatacyjne zużycie paliwa. Wzrost sprawności uzyskuje się przez optymalizację stopnia sprężania oraz zwiększenie stopnia napełnienia silnika. W przypadku silników jednopaliwowych gazowych dopuszczalny stopień sprężania wynosi około 11 i taki jest obecnie stosowany w nowych konstrukcjach. Wzrost stopnia napełnienia uzyskuje się poprzez stosowanie turbodoładowania. Na rysunku przedstawiono zależność sprawności od stopnia obciążenia silników wolnossącego i turbodoładowanego.
|
Obserwuje się mniejszy rozwój silników z systemem dwupaliwowym (tzw. "dual fuel"), które dają możliwość pracy silników wysokoprężnych na gazie ziemnym przy ograniczonej dawce oleju napędowego, bądź powrotu do pracy na oleju napędowym.
Podobnie jak w przypadku rozwiązań układów dwupaliwowych zasilanych LPG i ON, układ ten posiada tę istotną wadę, że nie umożliwia całkowitego wyeliminowania zjawiska dymienia, ze względu na sposób zapłonu mieszanki. Również występuje tu znaczny spadek sprawności silników wraz z minimalizacją dawki zapalnej oleju napędowego. Z tego względu nie jest celowe zmniejszanie tej dawki poniżej 25% dawki nominalnej.
W celu minimalizacji emisji spalin prowadzone są również badania nad mieszaniną sprę żonego gazu ziemnego z wodorem w stosunku 85% do 15%, nazwaną "hythanem". Badania te prowadzi się w Stanach Zjednoczonych, gdzie coraz ostrzejsze wymagania kalifornijskie mogą doprowadzić do wyeliminowania z miast samochodów z konwencjonalnym zasilaniem. Hythan pozwala obniżyć CO do poziomu 0,7 g/milę (CNG-2,96 g/milę), NOX do poziomu 0,2 g/milę (CNG-0,9 g/milę) oraz utrzymać emisję CnHm na tym samym poziomie co CNG, tj. 0,01 g/milę. Wyniki te wskazują na dużą przyszłość rozwoju silników zasilanych gazem ziemnym oraz wodorem, gdyż umożliwiają one spełnienie wymagań w zakresie czystości spalin [20].
Wodór
OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI FIZYKO-CHEMICZNE
Wodór należy do pierwiastków bardzo rozpowszechnionych w przyrodzie. Wprawdzie w stanie wolnym wodór prawie nie występuje, natomiast jest bardzo rozpowszechniony w postaci związków (woda, kwasy, zasady, wszystkie związki organiczne). Jeżeli weźmiemy pod uwagę nie tylko Ziemię, ale Wszechświat jako całość, to wodór okaże się jednym z bardziej rozpowszechnionych pierwiastków. Stanowi on około 80% atmosfery Słońca, a również w atmosferze gwiazd ma on znaczną przewagę ilościową nad innymi pierwiastkami.
Chemicznie czysty wodór jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, o gęstości ponad 14 razy mniejszej od gęstości powietrza. Podstawowe własności wodoru przedstawiono w poniższej tabeli.
|
Na skalę przemysłową wodór otrzymuje się metodami: chemiczną, elektrochemiczną lub fizyczną.
Metoda chemiczna polega na otrzymywaniu wodoru z paliw płynnych, paliw stałych i gazów węglowodorowych sposobem żelazo-parowym. W procesie tym paliwa te podlegają termicznemu rozkładowi lub są poddawane konwersji
z utleniaczami (woda, tlen, dwutlenek węgla).
Sposób żelazo-parowy polega na uzyskiwaniu wodoru na drodze utleniania żelaza w obecności pary wodnej wg poniższych reakcji:
Reduktorem najczęściej jest gaz wodny, w którym stężenie odtleniacza (H2 + CO) osiąga 90 %. Redukcja zachodzi wg reakcji:
Sposób żelazo-parowy przeprowadzany jest przy ciśnieniu atmosferycznym i w temperaturze 820÷1120 K. Pozyskiwanie gazu wodnego z paliw stałych określa reakcja:
W wyniku oddziaływania pary wodnej z węglem, oprócz gazu wodnego, powstaje CO2. Proces wytwarzania gazu wodnego jest pierwszym etapem otrzymywania wodoru przez gazyfikację stałych i płynnych paliw oraz gazów węglowodorowych. Następny etap to konwersja tlenku węgla z gazem wodnym. Proces konwersji jest oparty na reakcji gazu wodnego z parą, w wyniku czego tlenek węgla utlenia się do dwutlenku, a z pary wodnej jest redukowany wodór wg reakcji:
Ponieważ w obniżonej temperaturze maleje szybkość reakcji, dlatego w procesie konwersji stosuje się katalizator, którym jest tlenek chromu. Oczyszczanie wodoru z dwutlenku węgla odbywa się na drodze adsorbcji ; stosowany jest do tego CaO.
Powszechnie wykorzystywanym sposobem pozyskiwania wodoru jest konwersja gazów węglowodorowych, najczęściej metanu, która często przeprowadzana jest z udziałem utleniaczy wg poniższych reakcji podstawowych:
Do gazyfikacji paliw płynnych stosuje się te same utleniacze jak w przypadku gazyfikacji paliw stałych i konwersji gazów węglowodorowych.
Kolejną metodą uzyskiwania wodoru jest metoda elektrochemiczna polegająca na rozkładzie wody za pomocą prądu elektrycznego. Na skalę przemysłową wodór jest pozyskiwany z wody na drodze prostej elektrolizy lub termochemicznego rozkładu wody. W pierwszym przypadku zużycie energii wynosi od 5-6 kWh na 1 m3 wodoru. W ten sposób uzyskuje się prawie czysty wodór o zawartości tylko 0,2÷0,5 % tlenu. W metodzie termochemicznej ciepło nośnika energii wykorzystuje się bezpośrednio do rozkładu wody na poszczególne składniki wg reakcji:
W niewielkich ilościach, przy użyciu specjalnych instalacji, wodór uzyskuje się również innymi sposobami. Do najbardziej znanych zalicza się sposoby: kwasowy, alkaliczno-aluminiowy oraz rozkład wodorotlenków [19].
Główne sposoby pozyskiwania wodoru - w wyniku konwersji płynnych i gazowych węglowodorów, posiadają tę istotną wadę, iż metodami tymi produkuje się stosunkowo niewielkie ilości wodoru na skalę uniemożliwiającą powszechne stosowanie go jako paliwa zastępczego dla motoryzacji. Główną przyczyną takiego stanu rzeczy są względy ekonomiczne. Przy produkcji wodoru z węgla kamiennego około 1/3 część surowca jest zużywana jako paliwo w procesie produkcji, w związku z czym cena uzyskania wodoru jest wysoka.
Koszty pozyskania wodoru mogą się znacznie obniżyć dzięki wykorzystaniu taniego odpadowego ciepła z reaktorów atomowych oraz energii słonecznej. Przyszłość wygląda obiecująco dla metody pozyskiwania wodoru z wody morskiej za pomocą energii słonecznej w procesie dwustopniowym (patrz rysunek). Pierwszy stopień polega na przemianie energii elektrycznej poprzez rozbudowany system baterii ogniw słonecznych. Kolejny krok to wytworzenie wodoru na drodze elektrolizy z wykorzystaniem zgromadzonej energii.
Perspektywa wykorzystania wodoru jako paliwa przyszłości budzi duże zainteresowanie z kilku istotnych względów. Przede wszystkim jego zasoby są wręcz nieograniczone, jest najbardziej czystym paliwem ponieważ w wyniku jego spalania nie pojawia się dwutlenek węgla, a jedynym produktem spalania jest para wodna [38].
Jednak poza ekonomicznymi aspektami pozyskiwania wodoru stanowiącymi obecnie dużą barierę hamującą rozpowszechnienie tego paliwa, dużym problemem staje się również sposób przechowywania wodoru. Aby zamienić go w ciecz jego temperatura musi zostać obniżona do -252,8°C. Dodatkowo temperaturę tę trzeba utrzymać podczas jego magazynowania. Ciekły wodór bez przerwy wrze pod wpływem otaczającego go środowiska, którego temperatura jest około 270 stopni wyższa, a ponadto podczas parowania ciekłego wodoru, wydziela się dodatkowo ciepło wskutek wewnątrzcząsteczkowej przebudowy wodoru. Niezbędnym czynnikiem utrzymującym wodór
w stanie ciekłym staje się dobra izolacja i dodatkowe chłodzenie. Główną przeszkodą w przechowywaniu ciekłego wodoru staje się zdolność wodoru do tworzenia silnie wybuchowych mieszanin z tlenem. Nawet niewielka ilość tlenu zawartego w powietrzu może stanowić istotne zagrożenie w postaci gwałtownej reakcji z wodorem [2].
JAKOŚĆ SPALANIA
PROBLEMATYKA PRZECHOWYWANIA WODORU
Biorąc pod uwagę stosunki masowe, wodór ma 2,8 razy większą wartość opałową niż benzyna. Stechiometryczny stosunek powietrza do wodoru wynosi 34,5 : 1 (w przypadku benzyny 14,7 : 1). Wodór posiada wysoki współczynnik dyfuzji w powietrzu, dlatego łatwo tworzy jednorodną mieszankę. Wodorowo-powietrzna mieszanka charakteryzuje się szerokim przedziałem zapłonu (przy udziale wodoru od 4÷75% objętości) i wybuchu (przy udziale 18,3÷74% objętości). Wodór charakteryzują najwyższe parametry energetyczne na jednostkę masy. Uwzględniając dysocjację przy ciśnieniu 7,84 MPa obliczeniowa wartość opałowa wynosi 117,99 MJ/kg. Toteż pod względem wartości opałowej z jednostki masycony wodór przewyższa tradycyjne paliwa węglowodorowe około 2,5-3 razy. Jednak na skutek bardzo małej gęstości objętościowe wskaźniki są niskie - patrz tabela.
Wartości opałowe wodoru:
|
Wartość opałowa 1 m3 stechiometrycznej mieszanki wodorowo-powietrznej wynosi
3,1 MJ, czyli jest o 15% mniejsza niż benzyny. Na temperaturę samozapłonu znaczący wpływ ma skład mieszanki. Dla mieszanki stechiometrycznej wynosi ona 773-783 K. Stabilny zapłon mieszanki można zapewnić w szerokim zakresie wartości współczynnika nadmiaru powietrza . Jednak na skutek dużej aktywności wodoru występują objawy spalania detonacyjnego mieszanki o składzie 0,2 < < 1,82 już przy stopniu sprężania =6. Wodór charakteryzuje się najniższą energią zapłonu (jest ona około 70 razy mniejsza niż metanu), ponadto spala się z największą szybkością. Maksymalna szybkość spalania mieszanki wodorowo-powietrznej będzie jest zależna od jej składu oraz temperatury. Wpływ temperatury mieszanki wodorowo-powietrznej na szybkość spalania obrazuje poniższa tabela.
|
Prawdopodobnie właśnie ta duża szybkość spalania mieszanek wodorowych oraz niska liczba oktanowa, powodują nadmierną skłonność do spalania detonacyjnego. Granice składu mieszanki, przy których występuje zjawisko spalania detonacyjnego ulegają rozszerzeniu ze wzrostem stopnia sprężania. Przykładowo przy = 15 skład mieszanki wynosi 0,12 < < 2,85. Bezdetonacyjną pracę silnika zasilanego wodorem, w znacznie poszerzonym zakresie wartości stopnia sprężania, można zapewnić przy dostatecznie zubożonej mieszance ( = 2 ÷5).
Do najskuteczniejszych środków eliminujących powstawanie niepożądanych źródeł zapłonów (nagary, rozgrzane zawory, przegrzane świece zapłonowe, wyładowania iskrowe) należą: doprowadzanie wody do mieszanki wodorowo-powietrznej (zapewnia to chłodzenie ścianki komory spalania tłoka i zaworów) oraz recyrkulacja spalin.
Do zalet stosowania wodoru jako paliwa zastępczego należą: szerokie granice palności mieszanki (0,14 < < 9,9), co umożliwia regulację obciążenia silnika poprzez zmianę sk ładu mieszanki (regulacja jakościowa), jak i chyba najważniejsza cecha spalania wodoru, tj. prawie całkowity brak toksycznych składników spalin. Wynikiem spalania jest tutaj para wodna oraz niewielkie ilości NOX.
W poniższej tabeli porównano emisję toksycznych składników spalin samochodów napędzanych benzyną i wodorem w teście miejskim [39]
|
Stosowanie wodoru w silnikach spalinowych pociąga jednak za sobą szereg problemów technicznych. Ze względu na możliwość znacznych przedmuchów mieszanki wodorowo-powietrznej z komory spalania do skrzyni korbowej, w wyniku nieszczelności pierścieni tłokowych, wodór stwarza potencjalne źródło wybuchu.
W powiązaniu z parą wodną paliwo to niekorzystnie wpływa na trwałość i niezawodność mechanizmów silnika. Oddziaływanie to jest bardzo złożone i trudne do rozwiązania, bowiem wodór posiada dużą zdolność wnikania w fazę metaliczną i w sieć krystaliczną metalu, wywołujące w rezultacie tzw. kruchość wodorową metali. Wodór może wchodzić w reakcję chemiczną ze składnikami stopu oraz powodować proces odwęglenia stali.
Kolejnym istotnym problemem jest zdolność wodoru do rozkładu chemicznego olejów smarujących, co powoduje powstawanie agresywnych związków silnie oddziaływujących na elementy silnika.
Jak już wspomniano, dużym problemem technologicznym staje się przechowywanie wodoru. Po tankowaniu w zbiornikach wodór może być magazynowany w trzech następujących postaciach:
gazowym, przy wysokim, dochodzącym do 200 barów ciśnieniu, co powoduje konieczność stosowania zbiorników w postaci butli stalowych;
płynnym, przy ciśnieniu zbliżonym do atmosferycznego, jednak przy zachowaniu niskiej temperatury (-253 °C), a więc wymaga to stosowania szczególnych rodzajów izolacji;
w postaci chemicznej związanej, jako związku wodoru z metalami (wodorki), tankowane do zbiorników, które są jednocześnie wymiennikami ciepła.
Spośród tych trzech sposobów akumulacji wodoru, postać płynna przedstawia się najbardziej obiecująco.
Prace nad zastosowaniem skroplonego wodoru były przeprowadzane m.in. przez koncern BMW. Firma ta opracowała trzy generacje doświadczalnych zbiorników przeznaczonych do samochodów osobowych: zbiornik dwupłaszczowy z przestrzenią próżniową zapewniającą szczelność układu, zbiorniki ze spawanej stalowej blachy wewnętrzny i zewnętrzny, zapewniający pojemność 130 dm3, co stanowi równowa żność energetyczną 40 dm3 benzyny. Paliwo wodorowe z izolowanego zbiornika o temperaturze -253°C, przy ciśnieniu 2-3,5 barów, jest pompowane do zbiornika pośredniego przy ciśnieniu 15 barów i temperaturze -240°C. Do poszczególnych cylindrów jest ono dostarczane za pośrednictwem pompy ciśnieniowo dawkującej. Zatankowanie zbiorników trwa 3 minuty i kontrolowane jest przez mikroprocesor.
Do akumulacji wodoru wykorzystuje się również zdolność do tworzenia przez niego roztworów stałych lub połączeń z niektórymi metalami. Wybór sposobu magazynowania zależy od celu do jakiego wodór jest wykorzystywany [38].
Problematykę związaną z przystosowaniem pojazdu do zasilania wodorem i jego magazynowania częściowo ilustruje podany przykład: pojazd z silnikiem o mocy 54 kW zużywa około 1,5 kg wodoru na 100 km przebiegu, natomiast do przejechania 300 km bez uzupełniania zbiornika trzeba zużyć 5 kg wodoru. Aby zmagazynować taką ilość wodoru, sprężonego do 30 MPa, należy użyć butli o masie około 350 kg. Do zmagazynowania 5 kg płynnego wodoru potrzebna jest kriogeniczna izolowana termicznie butla o pojemności 50 litrów i masie 16 kg. Dlatego ze względu na dużą masę i objętość układy gromadzące sprężony wodór, mimo swej prostoty, znajdują zastosowanie jedynie w pojazdach ciężarowych i autobusach przystosowanych do ruchu w warunkach miejskich.
Stosowanie wodoru w postaci płynnej pociąga za sobą problem utrzymania jego niskiej temperatury. W tym celu należy więc stale doprowadzać energię do izolowanego termicznie zbiornika, co wpływa na wzrost ceny wodoru jako paliwa. Dla zapewnienia pełnego bezpieczeństwa pojazdu zasilanego płynnym wodorem, muszą być spełnione warunki gwarantujące niezawodną szczelność układu paliwowego.
W tym celu stosuje się urządzenia chroniące zbiornik przed nadmiernym wzrostem ciśnienia oraz służące do katalitycznego dopalania upuszczanych par wodoru [19].
Instalacje
Instalacje LPG
Zasada działania instalacji gazowej
Instalacje LPG w układach wtryskowych
Instalacje LPG w silnikach wysokoprężnych
Instalacje gazu ziemnego w silnikach z zapłonem iskrowym (ZI)
Instalacje gazu ziemnego w silnikach z zapłonem samoczynnym (ZS)
Instalacje wodorowe
Instalacje biogazowe
INSTALACJE LPG
Współczesne silniki na paliwa gazowe to przeważnie konstrukcje pochodne od wytwarzanych seryjnie silników z zapłonem iskrowym gaźnikowych i wtryskowych oraz silników wysokoprężnych. Do powszechnie dziś stosowanych instalacji gazowych należą instalacje zasilania gazem LPG i gazem ziemnym, ze względu na szeroko rozbudowaną sieć dystrybucji tych gazów, zwłaszcza paliwa propan-butan. Wysoce zaawansowane prace prowadzi się nad uzyskaniem optymalnej i bezpiecznej instalacji zasilania wodorem.
Na typową instalację do zasilania gazowego samochodów składają się następujące podstawowe elementy:
zbiornik ciśnieniowy gazu,
osprzęt zbiornika,
elektrozawór odcinający dopływ gazu i benzyny,
reduktor - regulator ciśnienia (parownik),
mieszalnik gazu,
przewody gazowe,
elementy sterowania elektrycznego elektrozaworów.
Na rysunku poniżej przedstawiono ogólny schemat gazowej instalacji propan-butan. Następnie zostaną krótko scharakteryzowane najistotniejsze elementy instalacji.
|
1- zbiornik ciśnieniowy LPG, 2- reduktor (parownik), 3- zawór zespolony, 4- system wentylacji bagażnika, 5- elektromagnetyczny zawór gazowy z filtrem, 6- elektromagnetyczny zawór benzynowy, 7- przełącznik rodzaju paliwa, 8- trójnik, 9- mieszalnik, 10- zewnętrzny wlew LPG, 11- przewody wysokociśnieniowe, 12- przewody niskociśnieniowe, 13- przewody elektryczne, 14- przewód podciśnieniowy, 15- przewody układu chłodzenia silnika [22].
Zbiornik gazu - służy do magazynowania paliwa pod ciśnieniem. Jako tzw. "urządzenie ciśnieniowe" podlega pod kontrolę dozoru technicznego, zarówno w fazie produkcji jak i eksploatacji. Odznaczają się dość lekką konstrukcją. Powszechnie stosowane są butle cienkościenne, przeważnie stalowe spawane, choć dopuszcza się również zbiorniki z innych materiałów o porównywalnej wytrzymałości. Stosowane są dwa rodzaje zbiorników: walcowe i toroidalne.
Zbiorniki walcowe mają pojemność od 30 do 110 dm3, toroidalne zaś od 20 do 65 dm3. Z uwagi na znaczną rozszerzalność cieplną gazu, do zbiornika można zatankować tylko 80% jego całkowitej pojemności.
W trakcie napełniania zbiornika nie występuje obawa o "przepełnienie" butli, bowiem w chwili, gdy ciśnienie w zbiorniku osiągnie określoną wartość, specjalny czujnik odetnie dopływ paliwa z dystrybutora.
Zbiorniki toroidalne mają kształt napompowanej dętki samochodowej i montowane są we wnęce koła zapasowego, jednakże powstaje tym samym problem z przewożeniem tegoż koła. Osprzęt zbiornika zawiera szereg elementów mogących występować oddzielnie lub jako zespolone. Poniższy rysunek przedstawia przykład rozmieszczenia tych elementów.
|
1- osłona, 2- płyta zbiornika, 3- zbiornik, 4- zespół do napełniania z zaworem zwrotnym, 5- przewód wentylacyjny, 6- rura poboru gazu, 7- urządzenie ograniczające stopień napełnienia, 8- zawór nadciśnieniowy (bezpie-czeństwa), 9- zawór roboczy ręczny lub elektromagnetyczny, z zaworem ograniczenia wypływu (zawór natężeniowy), 10- wskaźnik poziomu napełnienia [22].
Elektrozawór odcinający - ma za zadanie otwierać dopływ gazu ze zbiornika do reduktora. Często zawór ten zawiera w sobie również filtr gazu;
Reduktor - regulator ciśnienia (parownik), stanowi również odparowacz gazu. Jest głównym elementem systemu zasilania. Reduktor ma za zadanie:
obniżyć ciśnienie pobieranego z butli gazu, do ciśnienia dolotu, które jest niższe od atmosferycznego,
samoczynnie dostosować ilość gazu doprowadzanego do mieszalnika, do chwilowego obciążenia silnika,
zamknąć przewody doprowadzające gaz natychmiast po zatrzymaniu samochodu.
Silniki samochodowe są zwykle wyposażane w samoczynne przeponowe reduktory ciśnienia, w których ruch przepony jest przenoszony na zawór za pośrednictwem uk ładu dźwigni. Najczęściej stosowany jest dwustopniowy regulator, którego schemat przedstawia poniższy rysunek.
|
I - pierwszy stopień redukcji, II - drugi stopień redukcji, 1 - przepony, 2 - sprężyny, 3 - śruby do regulacji napięcia sprężyn [25].
W pierwszym stopniu reduktora ciśnienie gazu dopływającego ze zbiornika zostaje zredukowane do 200¸400 kPa. W drugim stopniu ciśnienie to redukowane jest do podciśnienia rzędu 0,4 kPa.
Mieszalniki gazu są urządzeniami montowanymi na drodze ssania powietrza do silnika. Mieszalniki powinny wytwarzać jednorodną mieszaninę powietrza z gazem, którego niezbędną ilość dawkuje reduktor. Mieszalniki powinny wytwarzać mieszankę palną zapewniającą łatwy rozruch silnika, równomierną pracę na biegu jałowym, szybkie i łagodne przejście z małej częstotliwości obrotów na dużą, ekonomiczność pracy silnika przy częściowym obciążeniu i dużą moc przy pełnym otwarciu przepustnicy.
Konstrukcja mieszalników powinna zapewniać możliwie jak najmniejsze opory przepływu mieszaniny powietrza z gazem. Urządzenia te umieszcza się w gaźniku lub wewnątrz filtra powietrza. W zależności od konstrukcji gaźnika, mieszalnik może przybrać formę płytki ze zwężką lub rurkami doprowadzającymi gaz do zwężki w gaźniku. Poniżej przykład mieszalnika.
|
Przewody gazowe są wykonane z rurek stalowych lub mosiężnych. Za reduktorem stosowane są przewody gumowe lub syntetyczne w oplocie z drutu.
Zawory - możliwość korzystania z gazu lub benzyny zapewnia, elektromagnetyczny zawór benzynowy, elektromagnetyczny zawór gazowy oraz przełącznik elektryczny, umożliwiający kierowcy sterowanie elektrozaworami (przełącznik “benzyna-gaz”)
ZASADA DZIAŁANIA INSTALACJI GAZOWEJ
Zasada działania opiera się na zgromadzeniu w zbiorniku paliwa w fazie ciekłej i utrzymywaniu go pod ciśnieniem, wywieranym przez fazę lotną gazu. Dalej gaz jest doprowadzany przez elektrozawór odcinający, do reduktora-parownika. W ogrzewanym płynem chłodzącym reduktorze, gaz zostaje odparowany i zredukowany do ciśnienia bliskiego atmosferycznemu. Następnie gaz jest zasysany do mieszalnika, w którym następuje tworzenie mieszanki gazowo-powietrznej. Mieszanka ta jest następnie podawana do poszczególnych cylindrów silnika [22].
INSTALACJE LPG W UKŁADACH WTRYSKOWYCH
Z uwagi na sprostanie ciągle rosnącym wymaganiom w zakresie emisji spalin, układy zasilania gazowego są stale ulepszane. Priorytet w tej dziedzinie mają firmy wprowadzające nowoczesną elektronikę. Ma to również miejsce w przypadku silników z układami wtrysku benzyny. Takie instalacje gazowe różnią się przede wszystkim wprowadzeniem elektronicznych układów sterujących odpowiednim składem mieszanki gazowo-powietrznej. Na podstawie analizy sygnałów wejściowych mikroprocesor steruje specjalnym zaworem dozującym zainstalowanym pomiędzy reduktorem a mieszalnikiem. Głównym parametrem wejściowym jest sygnał z sondy lambda zainstalowanej w układzie wylotowym, przez co układ sprzężenia zwrotnego, korygując ilość zasysanego gazu, dąży do utrzymania optymalnego współczynnika lambda od 0,98-1,02. Na poniższych dwóch rysunkach przedstawiono schemat blokowy zasilania gazowego w układach wtryskowych oraz przykładowe rozmieszczenie elementów w samochodzie osobowym.
|
|
INSTALACJE LPG W SILNIKACH WYSOKOPRĘŻNYCH
Budowę gazowych instalacji LPG stosowanych w silnikach wysokoprężnych determinują dwa znacznie różniące się od siebie kierunki: układy jedno- i dwupaliwowe. Układy jednopaliwowe w zasadzie nie różnią się od układów gazowych stosowanych w silnikach ZI. Istotną różnicą jest to, że jednostka jednopaliwowa zdolna jest do pracy tylko na gazie propan-butan, a układ paliwowy zasilania olejem napędowym zostaje całkowicie wyeliminowany.
Odmienną konstrukcję stanowią dwupaliwowe, gazowe układy zasilające, których zasada działania jest bardziej zbliżona do konwencjonalnego sposobu zasilania olejem napędowym, źródło zapłonu nadal stanowi tutaj wtrysk małej dawki oleju napędowego. W tym przypadku system zasilania paliwem płynnym (oleju napędowego) musi być przystosowany do podawania szerokiego zakresu dawek paliwa niezbędnego do zapłonu mieszanki gazowej, co ma wpływ na budowę zaworu tłoczącego i tłoczka pompy wtryskowej. Układ wtryskowy musi również zapewnić odpowiednią zmianę kąta wyprzedzenia wtrysku, tak więc poza osobną instalacją zasilania gazem niezbędnymi stają się zmiany adaptacyjne w układzie wtryskowym.
INSTALACJE GAZU ZIEMNEGO W SILNIKACH ZI
Obecnie stosowane silniki zasilane sprężonym gazem ziemnym są na ogół dwupaliwowe z gaźnikowym systemem zasilania. W miarę przechodzenia do pojazdów zasilanych wyłącznie CNG i z konieczności spełnienia rygorystycznych norm dotyczących emisji spalin, staje się niezbędne stosowanie wtrysku wielopunktowego umożliwiającego utrzymanie stechiometrycznego składu mieszanki. Główne elementy instalacji CNG w zasadzie nie odbiegają pod względem konstrukcyjnym od wcześniej omawianych instalacji LPG. Są to butla ciśnieniowa, zawór trójdrożny do napełniania instalacji, reduktor ciśnienia zmniejszający ciśnienie panujące w zbiornikach (około 20 MPa) do wymaganego 0,7 MPa i utrzymującego taką wartość niezależnie od stanów pracy silnika, elektrozawór odcinający oraz mieszalnik gazu lub układ wtryskowy z centralką sterującą (w przypadku układów wtryskowych). Na rysunku poniżej przedstawiono schemat dwupaliwowej instalacji zasilania samochodu FIAT Marea Bipower [36].
|
1- elektroniczny układ kontrolny wtrysku gazu, 2- reduktor, 3- przełącznik rodzaju zasilania, 4- wskaźnik poziomu gazu, 5- szyna paliwowa zasilania gazowego, 6- układ sterujący wtryskiem benzyny, 7- wtryskiwacze benzyny, 8- zbiornik benzyny, 9- zbiornik gazu, 10- wlewy paliwa pod wspólną pokrywą [36].
INSTALACJE GAZU ZIEMNEGO W SILNIKACH ZS
Podobnie jak w powyższym przypadku, instalacje gazu ziemnego w silnikach wysokoprężnych nie różnią się zbytnio od ich odpowiedników zasilanych LPG. Ciekawym rozwiązaniem może być przykład dwupaliwowego jednoczesnego zasilania olejem napędowym i gazem ziemnym. Systemy te wykorzystują bezpośredni wtrysk gazu ziemnego (sprężonego lub ciekłego) do komory spalania. Cel takiego rozwiązania jest bardzo prosty i zmierza do uzyskania porównywalnej mocy jednostki napędowej, utrzymania na tym samym poziomie jej sprawności, ponadto zapewnienia jej niezawodności i ekonomiczności przy jednoczesnym, znacznym obniżeniu poziomu emisji składników toksycznych w spalinach i co ważne zapewnieniu niskiego kosztu adaptacji. Jedyną wprowadzaną modyfikacją silnika wysokoprężnego jest wymiana wtryskiwaczy na wtryskiwacze dwudrożne, które umożliwiają jednoczesne podawanie oleju napędowego i gazu ziemnego (rysunek poniżej).
|
Mała dawka oleju napędowego (dawka pilotująca) jest wtryskiwana do cylindra bezpośrednio przed końcem suwu sprężania, a następnie z niewielkim opóźnieniem wtryskiwany jest gaz ziemny. Dawka pilotująca oleju napędowego zapala się inicjując spalanie wtryskiwanego pod wysokim ciśnieniem gazu ziemnego. Wielkość dawki pilotującej jest ściśle ustalona i zależy od obciążenia silnika, zazwyczaj nie przekracza jednak 5% całkowitej energii dostarczonej do cylindra. Stosunek dawki pilotującej do całkowitej ilości paliwa jest większy dla małych obciążeń silnika a niższy dla większych obciążeń. Praca wtryskiwacza jest kontrolowana przez elektroniczny system sterowania. Ciśnienie pod jakim wtryskiwany jest gaz ziemny ma wartość od 16 do 30 MPa.
Silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem gazu ziemnego do komory spalania z pilotującą dawką oleju napędowego zachowują swoją sprawność termiczną przy znacznym obniżeniu poziomu emisji składników toksycznych w spalinach. Dalsze obniżenie zawartości składników toksycznych w spalinach silnika dwupaliwowego jest możliwe poprzez wprowadzenie układu recyrkulacji spalin. System zasilania dwupaliwowego z bezpośrednim wtryskiem gazu ziemnego do komory spalania wymaga stosowania zabudowanej na pojeździe małej sprężarki, najczęściej hydraulicznej, która pozwala na sprężenie gazu do wymaganego ciśnienia wtrysku [13].
Przykładem instalacji jednopaliwowej wykorzystującej gaz ziemny może być system wykorzystywany do napędu autobusów miejskich. Adaptacja takiego pojazdu polega na zmniejszeniu stopnia sprężania (ε=12); wprowadzeniu układu zapłonu iskrowego wraz z osadzeniem świec zapłonowych gniazdach wtryskiwaczy, zabudowie mieszalnika gazu na drodze ssania powietrza do silnika oraz zastosowaniu układu ograniczania prędkości obrotowej silnika. Ponadto w samym pojeździe należy wprowadzić pewne zmiany konstrukcyjne umożliwiające mocowanie butli ciśnieniowych, montażu elementów instalacji gazowej, wprowadzenia instalacji elektrycznej sterującej układem.
Schemat jednopaliwowej instalacji gazowej zamieszczono na poniższym rysunku.
|
Poniżej komora spalania silnika z układem jednopaliwowym [21].
|
Gaz magazynowany jest pod ciśnieniem 20 MPa w butlach. Zawory na butlach poł ączone są przewodem stalowym z zaworem napełnienia umieszczonym w komorze silnikowej. Zawór ten jest jednocześnie zaworem odcinającym dopływ gazu zmagazynowanego w butlach.
Następnym elementem instalacji jest reduktor - regulator wyposażony w dwa elektrozawory. Wylot gazu z reduktora połączony jest z mieszalnikiem gazu zamontowanym na kolektorze ssącym silnika. Mieszalnik składa się ze zwężki, z której podsysany jest gaz oraz z obrotowej przepustnicy umożliwiającej regulację mocy silnika. Dodatkowa instalacja elektryczna zapewnia zapewniająca działanie układu jest przyłączona do istniejącej w pojeździe instalacji zasilanej z akumulatora o napięciu 24V. W jej skład wchodzi instalacja zapłonowa oraz instalacja osprzętu zasilania gazowego oraz czujnika indukcyjnego modułu cewek, przewodów i świec [21].
INSTALACJE WODOROWE
Przystosowanie silnika do zasilania wodorem pociąga za sobą konieczność wprowadzenia wielu istotnych zmian w konstrukcji. Każdy z produkowanych obecnie silników można przystosować do zasilania wodorem.
Najbardziej dogodnym okazuje się konwencjonalny silnik czterosuwowy o stopniu sprężania około 16-17. Wybór takiego silnika (o dużym stopniu sprężania) uzasadnia możliwość uzyskania większej sprawności i ograniczenia resztek spalin (pary wodnej), pogarszających napełnienie i warunki zapłonu mieszanki wodorowo-powietrznej. Podstawowymi problemami konstrukcyjnymi i technologicznymi w pojazdach przystosowanych do zasilania wodorem są: eliminacja przedmuchów mieszanki wodorowej do skrzyni korbowej, dobór materiałów konstrukcyjnych podstawowych elementów silnika, opracowanie układów zasilania, dobór środków smarnych oraz, jak już wspomniano przy okazji omawiania paliwa wodorowego, sposoby magazynowania wodoru.
W konstrukcji układów obserwuje się tendencje do stosowania bezpośredniego wtrysku wodoru do cylindra. Umożliwia to uzyskanie lepszego napełnienia i stosunkowo prostej konstrukcji takiego układu. Stosuje się także wtrysk wodoru do układu ssącego silnika oraz mieszalniki wodoru z powietrzem, jednakże takie rozwiązanie nie tylko pogarsza napełnianie cylindrów, ale stwarza niebezpieczeństwo wybuchu związane z utlenianiem się wodoru w razie nieszczelności zaworu mieszalnika.
Przykładem konstrukcji może być układ przedstawiony na rysunku po prawej, gdzie zasysanie wodoru do komory spalania następuje podczas suwu ssania po odsłonięciu przez zawór ssący wylotów rurek 4.
1- sprężyna dociskowa, 2- trzpień, 3- zawór ssący, 4- rurki doprowadzające wodór [19].
W innym rozwiązaniu (rysunek po lewej) wodór jest dozowany bezpośrednio pod zawór ssący. Trzpień 2 pozostający w stałym kontakcie z grzybkiem zaworu ssącego 3 jest dociskany sprężyną 1 i ciśnieniem wodoru wynoszącym 0,1 MPa. Układ jest tak wyregulowany, że otworki przez które jest wprowadzany wodór są odsłaniane później niż zawór ssący, a zamykany wcześniej, także łączny czas ich otwarcia jest o połowę krótszy niż czas otwarcia zaworu ssącego [19].
Jak wcześniej wspomniano, korzystniejszym rozwiązaniem jest bezpośredni wtrysk wodoru do komory sprężania. Taka konstrukcja eliminuje niebezpieczeństwo wybuchu wodoru, a moc silnika nie ulega zmniejszeniu, a nawet może być zwiększona o 10-15%. Badania nad przystosowaniem silnika o zapłonie iskrowym samochodu FIAT 126p były przeprowadzone przez Wyższą Szkołę Oficerską imienia Stefana Czarnieckiego w Zakładzie Techniki Bojowej. Owocem tych badań jest silnik z dodatkowym układem, wraz z urządzeniem dawkującym, które przedstawiono na rysunku poniżej. W badanym silniku zachowano bez zmian układ zasilania mieszanką benzynowo-powietrzną.
|
1- głowica, 2- prowadnica zaworowa, 3- zawór, 4- kanał promieniowy w prowadnicy zwrotnej, 5-króciec [18].
Paliwo wodorowe przechowywane w butlach pod ciśnieniem 30 MPa doprowadzony do silnika po zredukowaniu ciśnienia do 0,15 MPa. Aby zachować bezpieczeństwo pracy, w układzie zastosowano zawory elektromagnetyczne zamykające wypływ gazu przy włączonym zapłonie oraz zawór zwrotny zabezpieczający cofnięciu się płomienia do instalacji gazowej. Gaz jest podawany do cylindrów silnika tylko w czasie suwu ssania przez specjalnie przystosowaną do tego celu głowicę i zawory dolotowe [18].
Ciekawym osiągnięciem silnikowym japońskiego koncernu MAZDA jest zastosowanie paliwa wodorowego, do zasilania silnika o tłokach obrotowych. Znane są od dawna prace firmy nad rozwojem silnika WANKLA, natomiast zasilanie go wodorem stanowi bardzo ważny krok w kierunku poprawy największego dotychczas mankamentu tego silnika - dużej toksyczności spalin. Wodorowy silnik WANKLA jest nową konstrukcją o dwóch wirujących tłokach, całkowitej objętości skokowej 998 cm3, mocy maksymalnej 76 kW i maksymalnym momencie obrotowym 127 Nm.
Lekki aluminiowy blok silnika jest mniejszy i lżejszy niż w klasycznym silniku o dwóch tłokach obrotowych zasilanych benzyną. Masa i wielkość silnika są dodatkowo zmniejszone poprzez wyeliminowanie katalizatora spalin, zbędnego przy zasilaniu wodorem oraz zastosowanie aktywnego układu regulacji momentu obrotowego (ATCS - z angielskiego "Active Torque Control System"), który integruje w sobie wiele urządzeń osprzętu silnikowego (między innymi rozrusznik i alternator). Wewnątrz silnika zastosowano opatentowane przez MAZDĘ ceramiczne uszczelnienia wierzchołków wirnika oraz ceramiczne pokrycia powierzchni ciernych. Układ zasilania to niskociśnieniowy wtrysk bezpośredni do kanału dolotowego. Mieszanie się paliwa wodorowego z powietrzem jest procesem dwustopniowym: najpierw komora spalania wypełnia się powietrzem, a następnie kanał dolotowy zamyka się po czym następuje wtrysk wodoru w trakcie suwu sprężania. Każdy suw silnika o tłoku obrotowym trwa w przybliżeniu 1,5 razy dłużej niż w klasycznym silniku tłokowym, dając w ten sposób mieszance paliwowo-powietrznej więcej czasu na dobre zmieszanie[67].
SPIS LITERATURY
Adamczyk A. publikacja pt. "Paliwo z rzepaku szansą dla rolnictwa"
2. Aziernikov V. "Od zapałki do paliwa przyszłości" - PW "Wiedza Powszechna", Warszawa, 1964
BASF-Polska "Uszlachetniające dodatki BASF do benzyny". Paliwa, Oleje, Smary w eksploatacji", nr 62, 1999
4. Bądkowski A. "Alkohol etylowy - Etanol C2H5OH", Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, nr 46, 1998,
5. Bądkowski A. "Alkohol metylowy - Metanol CH3OH", Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, nr 47, 1998,
6. Bernhardt M. "Eter dimetylowy jako paliwo do silników o zapłonie samoczynnym", Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, nr 59, 1999,
7. Bernhardt M. "Problem bezpieczeństwa samochodowych zbiorników gazu skroplonego, Biuletyn Informacyjny Nr 3, Warszawa, 1999
8. Błaziński W., "Wraca nowe", Auto Expert" 1/1998
9. Bonczek J. "Związki tlenowe - alternatywa dla związków ołowiu w benzynach samochodowych", I Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 5-6 czerwca 1997, Radom 1997.
10. Ciechanowicz W. "Problemy rozwoju systemu paliw i energii", PWN Warszawa - Łódź, 1981.
11. Cisek J., Szlachta Z. "Właściwości rozruchowe silnika wysokoprężnego zasilanego mieszaninami oleju rzepakowego i napędowego", III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
12. Cupiał K., Dużyński A., Grzelka J., Mendera K., "Biogazowy zespół elektrociepłowniczy z silnikiem 8A20G", V Międzynarodowa Konferencja Naukowa "Silniki gazowe 2000" - 8-12.05.2000, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000
13. Flekiewicz M. "Systemy zasilania paliwem gazowym w samochodach ciężarowych i autobusach", Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, nr 66, 1999
14. Frączek K. "Kierunki zmian jakościowych w produkcji paliw w USA i w Europie" Referat nr 2 na II Sympozjum Paliw Płynnych, produktów smarowych i płynów eksploatacyjnych w transporcie samochodowym, Jachranka, 24 -26 październik 1994,
15. Gronowicz J. "Ochrona środowiska w transporcie lądowym" Wyd. PP Poznań 1997
16. Jakóbiec J. "Smarowanie silników zasilanych paliwem LPG", Paliwa, oleje i smary
w eksploatacji, nr 46, 1998
17. Jakóbiec J., Wysopal G. "Niektóre sposoby ograniczania zagrożeń środowiska naturalnego związanego z rozwojem motoryzacji w Polsce", II Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 9-10 czerwca 1999, Radom 1999
18. Jakubczak M. "Techniczne apekty zasilania silników paliwem wodorowym" EKODIESEL '98
19. Jakubowski J. "Silniki samochodowe zasilane paliwami zastępczymi", WKŁ Warszawa, 1987
20. Jarczewski M. "Gaz ziemny - ekologiczne paliwo alternatywne dla transportu miejskiego", - Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 1,1994
21. Jarczewski M. "Paliwa gazowe w motoryzacji", Paliwa, oleje i smary w eksploatacji, wrzesień 1995
22. Jarczewski M. "Propan-butan jako paliwo silnikowe" - Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 11,1993
23. Jurek A., Mendel S., Sitnik L., "Paliwa silnikowe z odpadów komunalnych", II Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 9-10 czerwca 1999, Radom 1999
24. Kaca W. "Instalacje gazowe pojazdów", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 1,1998.
25. Kijewski J. "Silniki spalinowe", WsiP, Warszawa, 1994
26. Karwas W., "Elektryczny Seicento" Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 5, 1998
27. Karwas W., "Ogniwa paliwowe: pokładowa elektrownia", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 3, 1999
28. Kowalewicz A., "Ogniwo paliwowe: napęd przyszłości?", II Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 9-10 czerwca 1999, Radom 1999
29. Kowalewicz A., "Szkodliwe składniki spalin: jak powstają, jak im zapobiegać", Auto-Technika Motoryzacyjna, 9/94
30. Lizis A., "Rozwój silników gazowych produkowanych w zakładach mechanicznych "PZL-Wola S.A"., ?" III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
31. Luft S., "Aspekt ekologiczny zasilania parami metanolu dwupaliwowego silnika o zapłonie samoczynnym", I Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 5-6 czerwca 1997, Radom 1997.
32. Luft S. "Aspekt ekologiczny zasilania parami metanolu dwupaliwowego silnika o zapłonie samoczynnym", IV Sympozjum "Ekodiesel '98", Warszawa 22-24 kwietnia, 1998
33. Lotko W., Luft S. "Wpływ paliwa roślinnego na podstawowe osiągi silników", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 2, 1995
34. Łada W., "Paliwa alternatywne czy napęd elektryczny?", Paliwa płynne, 1/96
35. Łoda R. "Napędy hybrydowe pojazdów samochodowych", praca dyplomowa 2/ZZ/SiC/98/99.
36. Majak M. "Nie samym LPG...", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 1,1998
37. Mayer L. "Etanol jako komponent benzyn silnikowych", Referat nr 3 na Sympozjum Paliw Płynnych, produktów smarowych i płynów eksploatacyjnych w transporcie samochodowym, Jawor, 15 -17 czerwiec 1992,
38. Merkisz J. "Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych" - Wyd. PP, Poznań 1994
39. Merkisz J. "Ekologiczne problemy silników spalinowych", Tom 2, Wyd. PP, 1999
40. Michałowska J. "Leksykon - paliwa, oleje, smary samochodowe", WKŁ, Warszawa 1983
41. Michałowski K. "Pojazdy samochodowe o napędzie elektrycznym i hybrydowym", WKiŁ 1989,
42. Molenda J. "Gaz ziemny - surowiec i paliwo", wyd. "Śląsk", Katowice 1974
43. Michałowski K., Ocioszyński J., "Pojazdy samochodowe o napędzie elektrycznym i hybrydowym", WKiŁ Warszawa 1989
44. Nowosielski A., "Mercedes A-klasy bez spalin!" Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 5,1998
45. Pągowski Z. "Paliwa alternatywne z roślin oleistych" Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 3, 1997
46. Pągowski Z. "Paliwo rzepakowe w systemie "silnik - paliwo - środowisko" ?" III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
47. Pągowski Z., Wiślicki B., Zdrodowska B., "Badania paliwa rzepakowego w samochodzie Polonez Caro Diesel", IV Sympozjum "Ekodiesel '98", Warszawa 22-24 kwietnia, 1998
48. Piłat P. "Adaptacja wózka widłowego do zasilania gazem", Biuletyn informacyjny SHELL "LPG - Gaz płynny".
49. Popławski E., "Napęd elektryczny w samochodzie a ochrona środowiska", I Konferencja Naukowo-Techniczna - "Pojazd a środowisko", Jedlnia - Letnisko 5-6 czerwca 1997, Radom 1997.
50. Potocki W., "Genewskie "pięć" minut dla napędów", Auto-Technika Motoryzacyjna, 5/98.
51. Potocki W. "Citroen Berlingo Dynavolt", Auto-Technika Motoryzacyjna, 5/99
52. Potrykus R., Ruszkiewicz J., "Elektrownia biogazowa na wysypisku odpadów w Gdańsku Szadółkach", V Międzynarodowa Konferencja Naukowa "Silniki gazowe 2000" - 8-12.05.2000, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000.
53. Redey L., "Ogniwa paliwowe", WNT, Warszawa 1973
54. Roszkowski A. "Aktualny stan i perspektywy produkcji biopaliwa z rzepaku w rolnictwie" III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
55. Roszkowski A. "Paliwa roślinne - paliwami politycznymi?" IV Sympozjum "Ekodiesel '98", Warszawa 22-24 kwietnia, 1998
56. Rudnicki P. Biuletyn informacyjny SHELL "LPG - Gaz płynny", dane statystyczne rok 1995.
57. Sapiński A. "Spalanie olejów roślinnych w silnikach z zapłonem samoczynnym", Journal of KONES, Vol. 6, No. 3-4, 1999
58. Sawicki J., "Napęd elektryczny - o krok bliżej celu", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 1,1993
59. Sawicki J., "Samochody elektryczne: małe, średnie i największe" Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 9,1993
60. Sawicki J., "Wodorowe ogniwo paliwowe - nadzieja napędu elektrycznego", Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 3,1995,
61. Szelichowski S. "Coraz więcej samochodów ma napęd gazowy" - Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 1,1999
62. Szelichowski S., "Genewskie napędy alternatywne", Auto-Technika Motoryzacyjna, 5/99
63. Szelichowski S. "Hybryda Forda", Auto-Technika Motoryzacyjna, 6/94
64. Szelichowski S. "Paliwa gazowe - tradycja czy nowość?" Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 11,1993
65. Seremak P., "Volvo ECC realistyczny samochód ekologiczny", Auto-Technika Motoryzacyjna, 6/93.
66. Wiślicki B., Krzyżanowski R., "Estry metylowe oleju konopnego alternatywnym paliwem do silników o zapłonie samoczynnym", III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
67. Teodorczyk A.: "Niskotoksyczne silniki mazdy dla pojazdów XXI wieku". Auto-Technika Motoryzacyjna, nr 10,1992
68. Zabłocki M, Ekert K., "Podstawowe problemy ekologicznego rozwoju silników spalinowych", III Sympozjum "Ekodiesel '96", Warszawa 25-26 kwietnia, 1996
69. Zwierzycki W., "Paliwa, oleje, motoryzacyjne płyny eksploatacyjne", Wyd. i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu, 1998
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
agresja ostateczna praca, materiały pedagogika
CUKRZYCA TYPU 2, Praca- materiały
PRACA!!!!!!!!!!, materiały na studia
pierwsza praca], Materiały, Geologia, Geologia złóż
CUKRZYCA TYPU II, Praca- materiały
Jakość życia pacjentów z cukrzycą typu II, Praca- materiały
praca materialoznawstwo aaaa
postawy i zmiana postaw, praca licencjacka - materiały
praca z ekonomiki, UR materiały, materiały z I roku, ekonomika
Pedagogika-praca, pedagogika resocjalizacyjna - notatki, Prezentacja i materiały - SZKOŁA JAKO INSTY
12 ćwiczenia na emisję głosu, Materiały na zajęcia teatralne, Praca WARSZTATY TEATRALNE
Protokół, praca - kadry, płace, lm, rozmowa kwalifikacyjna, Materiały do zorganizowania obozu lub ko
streszczenie panelu, Prace dyplomowe i magisterskie, praca dyplomowa, materiały z internetu
Praca Piotra, Akademia Morska -materiały mechaniczne, szkoła, Mega Szkoła, szkola1, III
materialy kopertynska sp menedzerskie ii , motywacja, motywowanie, system motywacyjny, organizacja
Biznes plan - praca zaliczeniowa, Studia - materiały, semestr 7, Zarządzanie, Marketing, Ekonomia, F
1st str rozkladu materialu, praca SP
Internet - UE prawo, Studia - IŚ - materiały, Semestr 07, Praca dyplomowa
więcej podobnych podstron