Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

Transkript

1 Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej V laboratořích Katedry vozidel a motorů Technické univerzity v Liberci byl vyvinut motor pro pohon kogenerační jednotky spalující rostlinný olej. Jedná se o čtyřválcový, čtyřdobý, řadový, přeplňovaný vertikální vznětový motor s přímým vstřikem paliva do spalovacího prostoru o zdvihovém objemu 4156 cm. Motor je vodou chlazený. U motoru s přímým vstřikem paliva je pro zajištění správného spalování rostlinného oleje vhodné provést konstrukční úpravy pístů, hlavy válců a vstřikovačů. Konstrukčními úpravami motoru pro zajištění správného spalování se zabývá například firma Elsbett. Na motoru je použit jednopalivový systém (obr.1), který má nevýhodu v podobě nutného a dostatečně dlouhého předehřevu ve fázi před spuštěním motoru, kdy dochází k předehřevu chladicí kapaliny motoru, která zajistí dostatečné prohřátí celého bloku motoru a tím i snížení rizika vzniku úsad při spouštění motoru. Pro předehřev palivového příslušenství je zajištěn ohřev rostlinného oleje pomocí elektricky vyhřívaného palivového filtru, kde je olej ohříván na požadovanou teplotu cca 70 C, čímž dojde ke snížení viskozity (obr.2). Palivový okruh pak funguje následovně. Ve fázi před spuštěním motoru během předehřevu chladicí kapaliny dojde k naplnění palivového okruhu pomocí zubového čerpadla používaného pouze pro cirkulaci paliva a takto naplněný systém je následně odpojen od palivové nádrže. Rostlinný olej je poté ohříván pomocí elektricky vyhřívaného palivového filtru. Předehřátý rostlinný olej následně cirkuluje v uzavřeném okruhu: zubové čerpadlo elektricky vyhřívaný palivový filtr vstřikovací čerpadlo odvzdušňovací ventil. Ohřev oleje pomocí chladicí kapaliny je v této předspouštěcí fázi z důvodu neefektivnosti pozastaven, jelikož by docházelo k ochlazování předehřátého paliva a dodaná energie pro ohřev by byla zbytečně zmařena. Cirkulace ohřátého paliva v uzavřené smyčce tak zajistí dostatečný předehřev palivového příslušenství na teplotu blížící se provozní teplotě motoru a jeho příslušenství. Tím je sníženo riziko vzniku úsad a je zajištěno dobré spouštění motoru. Po spuštění motoru dojde k vypnutí zubového čerpadla a funkci převezme podávací čerpadlo, které je součástí vstřikovacího čerpadla a zároveň je zapojeno paralelně před vyhřívaným palivovým filtrem se zubovým čerpadlem pro cirkulaci paliva. Dojde tak k opětovnému propojení palivového okruhu s palivovou nádrží. Je ukončen předehřev chladicí kapaliny a zároveň je možné případně otevřít ventil pro ohřev rostlinného oleje pomocí chladicí kapaliny. Elektrický předehřev palivového filtru zůstává stále zapnut. Předehřev motoru má vliv jak na snadné spuštění motoru při provozu na rostlinný olej, tak na snížení produkovaných emisí. U kogenerační jednotky je však počítáno s téměř nepřetržitým provozem, proto se nepředpokládá časté předehřívání a spouštění motoru. Motor kogenerační jednotky při provozu na rostlinný olej dosahuje při otáčkách /min výkonu 80kW a točivého momentu 500Nm (obr.). Maximální zatížení motoru v režimu kogenerační jednotky je voleno na 80% výkonu. V tomto režimu tedy zatížení odpovídá 400Nm a 6kW. V soustrojí s tímto motorem lze použít elektrický generátor o maximálním výkonu 6kW, případně o výkonu nižším. 1

2 Produkce emisí Naměřené hodnoty koncentrací plynných škodlivin byly přepočteny na smluvní 5% objemovou koncentraci zbytkového kyslíku v suchých výfukových plynech. Objemové koncentrace CO a NOx byly poté přepočteny na koncentrace hmotnostní, jelikož v hmotnostních koncentracích jsou uvedeny omezující limity. Pro předpokládané využití motoru k pohonu elektrického generátoru, případně k využití jako kogenerační jednotky o výkonu do 200 kw (počítáno jako tepelná hodnota spotřebovaného paliva), není nutné pro použití v České republice stanovovat emisní parametry. Takovéto jednotky sice spadají pod zákon o ochraně ovzduší, ale nejsou v současné době žádným způsobem regulovány. Jelikož je výkon jednotky těsně pod hranicí 200 kw, hodnoty naměřených emisí jsou z důvodu stanovení tvrdších hodnotících kritérií porovnávány dle nařízení vlády č. 146/2007 Sb., příloha č.4, B. V tabulkách 1 a 2 jsou zobrazeny naměřené a vypočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek obsažených ve výfukových plynech. Pro výpočet hodnot hmotnostních koncentrací se počítalo s následující hustotou složek při normálních podmínkách. CO 1,25 kg.m - N, NOx 2,05 kg.m - N. Pro přepočet hodnot byl použit vzorec [I] :, kde O B referenční hodnota koncentrace O 2 [%], O M naměřená hodnota koncentrace O 2 [%], E M naměřená hodnota škodlivých zněčišťujících emisí, E B vypočtená hodnota škodlivých znečišťujících emisí upravená pro referenční hodnotu koncentrace O 2. Objemové koncentrace CO a NOx byly následně přepočteny na hmotnostní koncentrace [g.m N], ve kterých jsou stanoveny omezující limity dle následujícího vzorce:, kde E M vypočtená hodnota škodlivých znečišťujících emisí upravená pro referenční hodnotu koncentrace O 2, ρ EM hodnota hustoty sledovaných škodlivých emisí, E F hmotnostní koncentrace sledované látky. Nařízení vlády č. 146/2007 Sb. určuje pro vznětové motory s kapalným palivem limitní hodnoty škodlivých emisí v kategorii 0,2 1 MW pro CO 0,65 g.m - N, NOx 4,0 g.m - N. Přepočtené hodnoty dle vzorce pro využití motoru k průmyslovým účelům jsou pro porovnání uvedeny na Obrázek 6. Z výsledků vyplývá, že motor požadavky dané nařízením vlády č. 146/2007 Sb. při pro provozu na rostlinný olej i při provozu na motorovou naftu z hlediska množství emisí NOx splňuje, CO v některých režimech nesplňuje. Pro splnění hodnot CO by mohlo napomoct použití katalyzátoru. 2

3 Závěr Předehřev motoru a palivového příslušenství má vliv na snazší spouštění motoru. Měření ukázala, že díky předehřívání motoru dochází oproti spouštění bez předehřevu ke snížení špičkových hodnot emisí HC, CO 2 a naopak k lehkému navýšení špičkových hodnot NOx. Hodnoty CO zůstávají při stejném zatížení ihned po startu na stejné úrovni jako u motoru bez předehřevu. Na obr. 4 je znázorněno snížení, případně zvýšení jednotlivých sledovaných emisi při režimu 50% zatížení po spuštění a režimu 80% zatížení po spuštění motoru, kdy byl motor před spuštěním předehříván. Referenční hodnotě 100% odpovídá režim, kdy nebyl motor předehříván a po spuštění byl zatížen na 80%. Porovnávány jsou maximální hodnoty emisi v jednotlivých režimech. Plochy jednotlivých bublin odpovídají buď nárůstu, nebo poklesu ve srovnání s referenční hodnotou. U jednotlivých bublin je číselně znázorněn pokles nebo narůst sledovaných emisi. Lze tedy předpokládat, že takto upravený motor s použitím katalyzátoru bude splňovat parametry dané nařízením vlády č.146/2007 Sb. v kategorii 0,2 1 MW, i když do této kategorie nespadá. Vhodným umístěním produktu se jeví zejména horské chaty a penziony, které tak budou energeticky soběstačné a v případě úniku paliva do okolní půdy nedojde ke kontaminaci jak okolí, tak vodních zdrojů a okolních ekosystémů. Další možnou variantou umístění pro provoz jsou farmy využívané pro agroturistiku. K výrobě paliva mohou použít vlastní zdroje a tím celkově snížit náklady na provoz celého areálu Ing. Aleš Dittrich

4 Příloha Obrázek 1 Schéma jednopalivového systému s předehřevem. Obrázek 2 Závislost kinematické viskozity motorové nafty, řepkového oleje a metylesteru řepkového oleje na teplotě. 4

5 Obrázek Vnější otáčková charakteristika při provozu na motorovou naftu a na řepkový olej. Obrázek 4 Procentuální porovnání hodnot produkovaných emisí. 5

6 Obrázek 5 Pohled na celkové uspořádání motoru na zkušebním stanovišti. Obrázek 6 Porovnání přepočtených emisí motoru při provozu na rostlinný olej a motorovou naftu s hodnotami emisí dle nařízení vlády č. 146/2007 Sb. 6

7 Tabulka 1 Naměřené a přepočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek při provozu na rostlinný olej. Rostlinný olej režim otáčky min -1 skutečné hodnoty moment Nm výkon kw průtok vzduchu kgh -1 HC ppmc složení výfukových plynů NOx CO CO 2 ppm ppm % 02 % složení výfukových plynů - přepočet NOx CO gm - gm ,29 11,4 1,49 0, , ,7 12 0,82 0, , ,8 1,65 0,79 0, , ,99 15,4 0,74 0, , ,97 16,56 0,71 0, , ,49 9,74 2,22 0, , ,95 9,09 1,16 0, , ,66 10,65 1,06 0, , ,26 1,58 0,97 0, ,1 16,26 1,08 0, , ,44 16,98 2,24 1, , ,11 16,25 1,81 1, , ,9 16,47 2,24 1, , ,51 1,21 0,99 0,67 7

8 Tabulka 2 Naměřené a přepočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek při provozu na motorovou naftu. Nafta režim otáčky min -1 skutečné hodnoty moment Nm výkon kw průtok vzduchu kgh -1 HC ppmc složení výfukových plynů NOx CO CO2 ppm ppm % 02 % složení výfukových plynů - přepočet NOx CO gm - gm , ,12 11,08 1,64 0, , ,5 11,78 0,92 0, , ,1 1,44 0,91 0, , ,77 15,12 0,86 0, , ,81 16, 0,87 1, , ,21 9,42 2,50 0, ,64 8,79 1,27 0, ,5 10,4 1,17 0, , ,98 1,5 1,0 0, , , ,15 2, , ,4 18,56 1,21, , ,58 16,56 1,4, , ,65 16,42 1,78, , ,99 1,29 0,98 1,02 8