Partner serwisu Paliwa i biopaliwa

Zobacz również tu

Poznaj produkty

| Autor: redakcja1

Paliwa metanowe do silników spalinowych

Paliwa metanowe można sklasyfikować głównie ze względu na: surowce, skład i sposób przechowywania w układzie paliwowym silnika.

Paliwa metanowe do silników spalinowych
Podstawowymi surowcami do wytwarzania paliw metanowych są:
  • surowce kopalne – gaz ziemny zgromadzony w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających wolne przestrzenie lub w skałach macierzystych, głównie w łupku ilastym,
  • klatraty metanu (hydraty metanu) – układy, w których cząsteczki metanu są uwięzione w krystalicznych strukturach cząsteczek wody; struktury powstające w niskiej temperaturze i przy dużym ciśnieniu,
  • surowce biologiczne – biogaz będący produktem beztlenowego rozkładu materii organicznej (np. ścieki, organiczne odpady komunalne, odchody zwierzęce, odpady przemysłu rolno-spożywczego, materiał roślinny) a częściowo także ich rozpadu gnilnego.
Ze względu na skład paliwa metanowego klasyfikacja dotyczy przede wszystkim zawartości metanu w paliwie. W Polsce są dostępne rodzaje gazu ziemnego przedstawione w tabeli 1. Ze względu na sposób przechowywania paliw metanowych w układzie paliwowym silnika można wyróżnić:
  • zbiorniki niskociśnieniowe w postaci tekstylnych zbiorników gazu umieszczonych na dachu pojazdu – rozwiązanie od wielu lat nie stosowane, spotykane przykładowo w Chinach przed II Wojną Światową,
  • sprężony gaz ziemny – CNG (ang. Compressed Natural Gas) – przechowywany w temperaturze otoczenia w zbiornikach wysokociśnieniowych pod ciśnieniem rzędu (16 ÷ 25) MPa,
  • skroplony gaz ziemny – LNG (ang. Liquefied Natural Gas) – przechowywany w temperaturze –162 ºC i pod ciśnieniem atmosferycznym.
Paliwa metanowe mogą być stosowane do zasilania silników spalinowych w następujących postaciach rozwiązań technicznych silników:
1)      do zasilania silników o zapłonie iskrowym:
  • dwupaliwowych na: ciekłe paliwo lekkie (najczęściej benzynę, mogą być również np. paliwa alkoholowe) i paliwo metanowe – silnik może pracować na ciekłym paliwie lekkim lub na paliwie metanowym, z tym że na ciekłym paliwie lekkim w fazie rozruchu silnika i – często – na biegu jałowym,
  • zasilanych paliwem metanowym;
2) do zasilania silników dwupaliwowych o zapłonie samoczynnym na: ciekłe paliwo ciężkie (najczęściej olej napędowy, mogą też być np. estry olejów biologicznych) lub na paliwo metanowe z zastosowaniem dawki zapłonowej ciekłego paliwa ciężkiego;
 
3) do zasilania silników o zapłonie mieszanym: na paliwo metanowe z zastosowaniem dawki zapłonowej paliwa ciekłego (najczęściej olej napędowy, mogą też być np. estry olejów biologicznych).
 
Aby pojazd mógł być zasilany paliwem metanowym musi być do tego odpowiednio przystosowany. Silniki mogą być specjalnie zaprojektowane do zasilania wyłącznie paliwem gazowym lub adaptowane. Drugie rozwiązanie jest stosowane w wypadku silników o zapłonie samoczynnym.
 
Tab. 1 Rodzaje gazu ziemnego dostępne w Polsce

Tab. 2 Przeciętny skład biogazu

Niezbędne wtedy jest wprowadzenie takich zmian jak zmniejszenie stopnia sprężania, zabudowanie układu zapłonowego wraz ze świecami zapłonowymi czy zmiana konstrukcji układu dolotowego. Jest to spowodowane mniejszą gęstością energii paliwa metanowego w porównaniu do oleju napędowego czy benzyny. Z tego powodu najbardziej korzystne jest magazynowanie paliwa metanowego w pojeździe w postaci sprężonej bądź skroplonej. Porównując zbiorniki montowane w pojazdach zasilanych konwencjonalnym paliwem a paliwem metanowym, w wypadku sprężonego paliwa metanowego, aby uzyskać tę samą wartość gęstości energii co w wypadku oleju napędowego jest niezbędne zamontowanie w pojeździe prawie pięciokrotnie większego zbiornika. W wypadku skroplonego paliwa metanowego taki zbiornik musiałby być o 70% większy. Ponieważ temperatura skroplonego paliwa metanowego przy ciśnieniu 0,1 MPa wynosi –163 ºC, zbiorniki służącego do przechowywania tego paliwa muszą spełniać wymogi instalacji kriogenicznych. Szczególną rolę wśród paliw metanowych zajmują paliwa wytwarzane z biogazu jako paliwa odnawialne. Biogaz jest głównie mieszaniną metanu i dwutlenku węgla. Ponadto biogaz zawiera azot, tlen, wodór, amoniak, wodę oraz różne węglowodory. Ogólnie skład biogazu zależy głównie od procesu technologicznego oraz zastosowanych substratów. Przeciętny skład biogazu przedstawiono w tabeli 2. Biogaz, aby mogło powstać z niego paliwo metanowe, musi być oczyszczany. Najważniejsze technologie oczyszczania biogazu to:
  • odsiarczanie – usuwanie głównie siarkowodoru,
  • osuszanie,
  • usuwanie dwutlenku węgla,
  • usuwanie azotu,
  • usuwanie siloksanów – związków organicznych krzemu mających w swoim składzie również grupy metylowe,
  • usuwanie amoniaku i chlorowcowęglowodorów.
Paliwa z biogazu mogą być wykorzystywane do zasilania silników spalinowych jako:
  • biogaz oczyszczony z siarkowodoru, siloksanów, wody oraz amoniaku i chlorowcowęglowodorów (ale bez usuwania dwutlenku węgla i azotu – o niestałym składzie i zmiennej wartości opałowej) – paliwo to znajduje zastosowanie głównie do zasilania silników stacjonarnych, np. silników napędzających agregaty energii elektrycznej czy pompy,
  • biogaz oczyszczony do standardu paliwa wytworzonego z gazu ziemnego – paliwo to może być wykorzystane do zasilania silników pojazdów.
Biogaz oczyszczony do standardu paliwa wytworzonego z gazu ziemnego jest nazywany biometanem. Przy wytwarzaniu biometanu z biogazu jest usuwany dwutlenek węgla i azot, dzięki czemu paliwo to ma ustabilizowaną wartość opałową, znacznie większą niż w wypadku paliwa biogazowego tylko wstępnie oczyszczonego. Dzięki tym właściwościom biometan może być wtłaczany do sieci gazowej oraz stosowany do zasilania silników do napędu pojazdów. W tabeli 3 przedstawiono wymagania jakościowe dla biometanu wykorzystywanego jako paliwo do zasilania silników spalinowych w pojazdach. Biometan może zasilać silniki spalinowe w postaci sprężonej – bioCNG, CBG (ang. Compressed Biomethane Gas), bądź też skroplonej – bioLNG, LBG (ang. Liquefied Biomethane Gas). W celu zilustrowania wpływu zastosowania paliw metanowych na właściwości silników spalinowych ze względu na emisję zanieczyszczeń przedstawiono wyniki badań empirycznych. Obiektami badań na hamowni silnikowej były silniki:
  • oryginalny – silnik Cummins 6C8.3, do napędu spycharki gąsienicowej TD-15M, produkcji Huty Stalowa Wola SA; jest to silnik turbodoładowany o zapłonie samoczynnym o sześciu cylindrach, objętości skokowej 8,3 dm3, o znamionowej mocy użytecznej 153 kW przy prędkości obrotowej 1950 min–1,
  • silnik Cummins 6C8.3 zmodernizowany jako silnik o zapłonie iskrowym zasilany sprężonym paliwem metanowym.
Tab. 3. Wymagania jakościowe biometanu wykorzystywanego jako paliwo do pojazdów PN-EN 16723-1

Rys. 1. Zewnętrzna charakterystyka prędkościowa momentu obrotowego dla silnika o zapłonie samoczynnym, zasilanego olejem napędowym – PD, oraz modyfikacji silnika – silnika o zapłonie iskrowym, zasilanego sprężonym paliwem metanowym – CNG
 

Badania silników spalinowych przeprowadzono na stanowisku hamownianym wyposażonym m.in. w:
  • hamulec elektryczny AFA-E 460/4,4-9 EU produkcji firmy AVL,
  • zespół analizatorów spalin CEB II produkcji firmy AVL,
  • układ do pomiaru emisji cząstek stałych: tunel rozcieńczający częściowego przepływu Smart Sammler SPC 472 produkcji firmy AVL oraz mikrowaga MT5 produkcji firmy Mettler Toledo.
Zastosowana do badań aparatura była zgodna z wymaganiami dyrektywy 97/68/EC. Badania obejmowały dla silnika o zapłonie samoczynnym i silnika zasilanego sprężonym gazem ziemnym wyznaczenie:
  • zewnętrznej charakterystyki prędkościowej momentu obrotowego i mocy użytecznej,
  • emisji jednostkowej w testach badawczych.
Na rysunku 1 przedstawiono zewnętrzną charakterystykę prędkościową momentu obrotowego silnika o zapłonie samoczynnym oraz jego modyfikacji – silnika o zapłonie iskrowym, zasilanego sprężonym paliwem metanowym. Charakterystyki te są zbliżone do siebie. Emisję zanieczyszczeń badano w testach:
 
1)      statycznych:
  • ECE R 49.02 – tzw. teście trzynastofazowym, zgodnym z regulaminem nr 49.02 EKG ONZ, do badania silników samochodowych,
  • ESC (European Stationary Cycle), zgodnym z regulaminem nr 49.03 EKG ONZ, do badania silników samochodowych,
  • NRSC (Nonroad Stationary Cycle), tożsamym z testem C1 wg ISO 8178–4, do badania silników o zapłonie samoczynnym maszyn roboczych;
2)      dynamicznych:
  • ETC (European Transient Cycle), zgodnym z regulaminem nr 49.03 EKG ONZ, do badania silników samochodowych,
  • HDDTT (Heavy Duty Diesel Transient Test), zgodnym z regulaminem FTP (Federal Test Procedure) Stanów Zjednoczonych Ameryki,
  • NRTC (Nonroad Transient Cycle), do badania silników o zapłonie samoczynnym maszyn roboczych.
Rys. 2. Emisja jednostkowa tlenku węgla w testach badawczych dla silnika o zapłonie samoczynnym – PD oraz silnika zasilanego sprężonym paliwem metanowym – CNG
 

Rys. 3. Emisja jednostkowa węglowodorów w testach badawczych dla silnika o zapłonie samoczynnym – PD oraz silnika zasilanego sprężonym paliwem metanowym – CNG
 

Rys. 4. Emisja jednostkowa tlenków azotu w testach badawczych dla silnika o zapłonie samoczynnym – PD oraz silnika zasilanego sprężonym paliwem metanowym – CNG
 

Rys. 5. Emisja jednostkowa cząstek stałych w testach badawczych dla silnika o zapłonie samoczynnym

Na rysunkach 2–4 przedstawiono porównanie emisji jednostkowej tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu w testach badawczych dla silnika o zapłonie samoczynnym oraz silnika zasilanego sprężonym paliwem metanowym. Na rysunku 5 są przedstawione wyniki badań emisji jednostkowej cząstek stałych w testach badawczych z silnika o zapłonie samoczynnym. Emisja cząstek stałych z silnika zasilanego paliwem metanowym była na granicy dokładności pomiaru, w związku z czym nie prowadzono tych badań, przyjmując do celów porównawczych, że emisja jednostkowa cząstek stałych z silnika zasilanego paliwem metanowym wynosi 0. Jest wyraźnie widoczny korzystny wpływ zastosowania paliw metanowych na emisję zanieczyszczeń. Z tych powodów rozpowszechniło się rozwiązanie zastępowania zastosowania silników o zapłonie samoczynnym silnikami zasilanymi paliwami metanowymi do napędu pojazdów w obszarach szczególnie narażonych na pogorszenie jakości powietrza. Tymi miejscami są głównie centra wielkich miast, a pojazdami powszechnie tam stosowanymi są autobusy miejskie. Modyfikacja silników o zapłonie samoczynnym autobusów miejskich do standardu silników zasilanych paliwami metanowymi stało się rozwiązaniem często stosowanych. Dla silników takich stworzono w październiku 1999 r. standard EEV (ang. Enhanced Environmentally Friendly Vehicle – pojazdy przyjazne środowisku) o znacznie ostrzejszych wymaganiach w odniesieniu do emisji jednostkowej zanieczyszczeń niż w wypadku obowiązujących w tym czasie przepisów Euro II, a nawet od Euro V – standardu wprowadzonego w październiku 2008 r. (tabele 4 i 5). Dodatkową korzyścią zastępowania silników o zapłonie samoczynnym silnikami zasilanymi paliwami metanowymi jest zmniejszenie hałasu, co ma również znaczenie szczególnie w miejscach tak ekologicznie obciążonych jak centra wielkich miast. Oprócz wyraźnych korzyści ekologicznych ze względu na emisję zanieczyszczeń i hałaśliwość pracy dzięki zastosowaniu paliw metanowych do zasilania silników spalinowych istnieją też pewne negatywne właściwości tego rozwiązania. Należą do nich przede wszystkim: większa komplikacja instalacji zasilania oraz mniejsza gęstość energii niż dla paliw ciekłych.

Podsumowanie

Na podstawie przeprowadzonych rozważań, wyników badań, które są zawarte w literaturze, oraz wykonanych badań empirycznych można sformułowań następujące wnioski: Paliwa metanowe jako paliwa gazowe umożliwiają tworzenie w cylindrach silników bardzo jednorodną mieszankę. Umożliwia to uzyskanie znacznego zmniejszenia emisji produktów niecałkowitego i niezupełnego spalania, w szczególności emisji cząstek stałych. Tworzenie bardzo jednorodnej mieszanki umożliwia spalanie bardzo ubogich mieszanek w trybie pracy silników o zapłonie iskrowym, co sprzyja uzyskiwaniu dużej sprawności ogólnej silników, szczególnie przy częściowych obciążeniach – dzięki zmniejszaniu mocy użytecznej silników przez zubażanie mieszanki a nie przez dławienie przepływu świeżego ładunku. Spalanie bardzo ubogich mieszanek sprzyja również zmniejszeniu emisji tlenków azotu dzięki obniżeniu maksymalnej temperatury ładunku w czasie spalania. Wyniki badań empirycznych silnika o zapłonie samoczynnym i jego modyfikacji jako silnika o zapłonie iskrowym zasilanego paliwem metanowym wykazało niewielką różnicę w zakresie wskaźników energetycznych w warunkach pełnego obciążenia: momentu obrotowego i mocy użytecznej. Mniejsze wartości momentu obrotowego i mocy użytecznej dla silnika zasilanego paliwem metanowym wynikają z mniejszego współczynnika napełnienia paliwem gazowym. Badania emisji zanieczyszczeń przeprowadzono w testach zarówno statycznych, jak i dynamicznych. Były to testy stosowane do badania silników samochodowych oraz silników do napędu innych maszyn niż pojazdy samochodowe. We wszystkich wypadkach stwierdzono znaczne zmniejszenie się emisji jednostkowej zanieczyszczeń dzięki zastosowaniu paliwa metanowego. Największa różnica jest w wypadku emisji cząstek stałych – dla zasilania sinika paliwem metanowym emisja jednostkowa cząstek stałych była praktycznie zerowa – w granicach błędu pomiarów. Należy jeszcze podkreślić, że paliwa metanowe mogą być również paliwami odnawialnymi, co jest elementem zmniejszenia emisji dwutlenku węgla kopalnego. Poza tym odnawialne paliwa metanowe mogą być paliwami biologicznymi drugiej generacji, wytwarzanymi z surowców ubocznych i odpadowych, co jest również działaniem na rzecz ochrony środowiska.
 
Tab. 4. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń – e z silników do samochodów ciężarowych i autobusów w testach statycznych dla stopni Euro II – Euro V
 

Tab. 5. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń – e z silników do samochodów ciężarowych i autobusów w teście dynamicznym ETC dla stopni EEV – Euro V
 

 
Tagi:
Monitoruj tagi
źródło: