5. Motoros kísérletek alternatív gáznemű tüzelőanyagokkal
5.2. Pirolízisgáz földgáz keverékek gázmotoros mérési eredményei
A fentiek alapján várható, hogy a gázmotoros felhasználás 50 V/V% producergáz tartalom felett nehézségekbe fog ütközni, amit a gázmotoros mérések alá is támasz-tottak.
A mérések során a növekvő producergáz tartalom 40 V/V%-ig nem okozott külö-nösebb változást a motor üzemelési tartományban, azonban e felett csak szegény ke-verékeket lehetett kialakítani, így a motor üzemelési tartománya beszűkült. 60 V/V%
producergáz esetén csak λ=1,4 feletti keverékeket lehetett létrehozni, ennél nagyobb producergáz tartalmú tüzelőanyag keverékkel pedig nem üzemelt a laboratóriumi gázmotor. A működési tartomány beszűkülése jelentős probléma, hiszen így a 40 V/V%-nál nagyobb producergáz tartalmú tüzelőanyag keverékkel a gázmotor konstrukciós változtatása nélkül nem lehetséges a referenciagáz üzemmel megegye-ző üzemviszonyokat kialakítani. Így nem csak a producergáz tartalom magas inert és/vagy hidrogén tartalma okozta esetleges veszteségekkel, hanem a keverék elsze-gényedése lévén fellépő veszteségekkel is számolni kell.
A hengerben kialakuló nyomás az effektív teljesítmény szempontjából fontos pa-raméter. Az 5.18. ábrán a hengerben mért csúcsnyomások láthatók különböző producergáz tartalom és légfelesleg esetén. Megfigyelhető, a hengerben kialakuló maximális nyomás a producergáz tartalom növekedésével jelentősen nem változik, azonban ha figyelembe vesszük, hogy a gázmotor 50 V/V% producergáz tartalomnál csak λ=1,1-nél szegényebb üzemre képes, akkor látható, hogy a referencia üzem leg-magasabb csúcsnyomásának legfeljebb 95%-a érhető el; 60 V/V% producergáz tarta-lom esetén pedig csak 73%-a.
5.18. ábra: Hengerben mért csúcsnyomások változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
Azért, hogy a hengerben mért nyomáslefutás is összehasonlítható legyen pirolízisgázok esetén is elvégeztem a mért nyomások normalizálását, aminek alapját földgáz esetén meghatározott csúcsnyomás képezte. Az 5.19. ábrán állandó légfeles-leg (λ=1,4) mellett ábrázolja a normalizált hengernyomás lefutást. Megfigyelhető,
25 35 45 55 65
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
pmax[bar]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
hogy a producergáz tartalom növekedése sem a csúcsnyomásokban sem a nyomásle-futásban nem okoz számottevő változást. Nem tapasztalható elhúzódó égés a producergáz magas inert-, illetve nem tapasztalható kopogásos égés sem a producergáz magas hidrogén tartalma miatt. A kopogásos égés nem csak a szegény keverékek vizsgálatakor, de a sztöchiometrikushoz közeli és dús keverékek vizsgála-takor sem jelentkezett.
5.19. ábra: Hengerben mért nyomáslefutás változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével (λ=1,4)
A hőfelszabadulási sebesség vizsgálatához a normalizálást a biogázokhoz hason-lóan a földgáz esetén meghatározott hőfelszabadulási függvény maximummal vé-geztem. A normalizált hőközlés függvényeket bemutató 5.20. ábrán sem tapasztalha-tó jelentős eltérés.
5.20. ábra: Hőközlés függvény változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével (λ=1,4)
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
270 300 330 360 390 420 450
pn[-]
főtengelyfok [º]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
270 300 330 360 390 420 450
dQh,φ/dφn[-]
főtengelyfok [º]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
Megfigyelhető, hogy a producergáz tartalmú keverékek hőközlés függvényének maximuma minden esetben magasabb a referenciánál. 30V%/V% producergáz tarta-lomig az eltérés nő egészen 12%-ig, majd csökken, 60 V/V% producergáz esetén 3% a különbség. Az előzőek alapján megállapítható, hogy a producergáz tartalom nincs negatív hatással az égés lefutására. A producergáz növekedésével jelentős változás nem tapasztalható sem a közölt hő nagyságában sem a felszabadulás sebességében, amit jól szemléltet a normalizált közölt hőt bemutató 5.21. ábra is.
5.21. ábra: Közölt hő változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével (λ=1,4)
A producergáz hőközlésre gyakorolt hatásának teljes körű vizsgálatához több lég-felesleg esetén is megvizsgáltam hogyan változik a hőfelszabadulás függvény maxi-muma és a maximum kialakulási helye a tüzelőanyag keverék producergáz tartal-mának növekedésével. Az 5.22. a. ábra a normalizált hőközlés függvények maximu-mait ábrázolja a pirolízisgáz tartatom függvényében különböző légfelesleg esetén.
Megfigyelhető, hogy a vizsgált tartományban a hőfelszabadulás függvény maximu-ma a légfelesleg növekedésével csökken. A csökkenés nem lineáris. A légfelesleg-tényező egységnyi változtatásával a hőfelszabadulási függvény maximuma λ=1,1 felett közel kétszer annyit csökken, mint ennél dúsabb keverékek esetén.
A producergáz tartalom növekedése az adiabatikus lánghőmérséklet csökkenés elle-nére egyik légfelesleg esetén sem csökkenti a hőfelszabadulás függvény maximumát, sőt minden vizsgált mérési pontban a hőfelszabadulási függvény maximum maga-sabb vagy közel megegyezik a referenciával. Állandó légfelesleget vizsgálva jelentős változás vagy egyértelmű tendencia nem állapítható meg. Az 5.22. b. ábra a hőközlés függvény maximumok kialakulási helyét mutatja a producergáz tartalom függvé-nyében. Látható, hogy a légfelesleg növekedéssel a maximumok helye távolodik a felső holtponttól. A nemlinearitás a hőközlés függvény maximumoknál tapasztaltak-hoz hasonlóan itt is megfigyelhető. Állandó légfelesleget vizsgálva a producergáz növekedésének hatása jó egyezést mutat a számított lángterjedési sebességek ered-ményeivel, mivel 20-30 V/V% producergáz tartalomig a lángterjedési sebesség
eny-0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
270 300 330 360 390 420 450
Qh,φ,n[-]
főtengelyfok [º]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
hén csökken, majd e felett ismét növekszik, amit a maximumok helye jól tükröz.
A producergáz motoros alkalmazásának korlátját tehát a keverék elszegényedése jelenti. 60 V/V% producergáz tartalom felett a motor a gyulladási tartományon kívüli tüzelőanyag levegő keverék miatt nem képes üzemelni.
a, b,
5.22. ábra: Maximális hőfelszabadulási sebesség (a) és helyének (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
A füstgáz hőmérsékleteken (5.23. ábra) is látható, hogy nem okoz jelentős válto-zást a producergáz tartalom növekedése, de megfigyelhető, hogy a pirolízisgáz tar-talmú keverékek esetén a füstgázhőmérséklet jellemzően alatta marad a referenciá-nak, és λ=1,3 felett a producergáz növekedése már egyértelmű csökkenést okoz. En-nek oka a magas H2 tartalom, mely a tüzelőanyag kiégését segíti.
5.23. ábra: Mért füstgázhőmérséklet változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével 0,5
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
0 10 20 30 40 50 60
max. dQh,φ/dφn[-]
producer gáz [V/V%]
λ=0,8 λ=1,1 λ=1,4
356 360 364 368 372 376 380
0 10 20 30 40 50 60
főtengelyfok [°]
producer gáz [V/V% ]
λ=0,8 λ=1,1 λ=1,4
600 625 650 675 700 725
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Tfg[K]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
A bevitt hőteljesítmény a várakozásoknak megfelelően alakult. A producergáz tar-talom növekedése okozta csökkenő fűtőérték ellensúlyozható volt a tüzelőanyag fo-gyasztás növekedésével (5.24. a. ábra), így a bevitt hőteljesítmény közel állandó ma-radt (5.24. b.ábra). 50 V/V% feletti producergáz tartalomnál a keverék elszegényedése miatt alakult ki a kedvezőtlenül alacsony hőbevitel, mivel a motor ilyen magas producergáz tartalom mellett csak szegény keverékkel volt képes üzemelni.
a, b,
5.24. ábra: A tüzelőanyag fogyasztás (a) és a bevitt hőteljesítmény (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
Az effektív teljesítmény a teljes vizsgált légfelesleg tartományban közel állandó volt, bár jellemzően kissé alatta maradt a referenciának, azonban egyértelműen nem csökkent a producergáz tartalom növekedésével (5.25. a. ábra). Ez a közel azonos teljesítmény azonban csak a megnövekedett fajlagos fogyasztással érhető el.
A számított effektív hatásfok eredményeket az 5.25. b. ábra szemlélteti. A mérési eredményekből egyértelműen következik, hogy nincs jelentős változás az effektív hatásfokban sem, és hasonlóan az effektív teljesítményhez jellemzően kissé alatta marad a referenciának.
1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
tüzelőanyag fogysztás · 10-3[m3/s]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
50 55 60 65 70 75 80 85 90
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Qbe[kW]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
a, b,
5.25. ábra: Effektív teljesítmény (a) és effektív hatásfok (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
A hasznos hő figyelembevételével a motor összhatásfoka sokkal magasabb, mint az effektív hatásfok (5.26. ábra). Az összhatásfok közel állandó, hiszen az effektív teljesítmény, a hasznos- és a bevitt hőteljesítmény is közel állandó volt a vizsgált tar-tományban.
5.26. ábra: Összhatásfok változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
Az 5.27. ábra a fajlagos tüzelőanyag fogyasztást mutatja. Látható, hogy a producergáz tartalom növekedésével egységnyi hasznos teljesítményt egyre nagyobb tüzelőanyag fogyasztással lehet csak elérni. A producergáz tartalom növekedés okozta fajlagos tüzelőanyag fogyasztás növekedés nem lineáris. Megfigyelhető, hogy a fajlagos tüzelőanyag fogyasztás légfelesleggel szembeni érzékenysége a
10 12 14 16 18
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Pe [kW]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
18%
19%
20%
21%
22%
23%
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
ηe [%]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
50%
55%
60%
65%
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
ηö[%]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
producergáz tartalom növekedésével nem növekszik, ellentétben a biogázoknál ta-pasztaltakkal.
5.27. ábra: Fajlagos tüzelőanyag fogyasztás változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
Az 5.28. a. ábrán látható füstgáz CO2 koncentráció jellegre jó egyezést mutat a füstgáz hőmérséklettel, az effektív teljesítménnyel és a hasznos hőteljesítménnyel.
Az elméleti számításokat alátámasztva sem a füstgáz CO2 koncentrációja, sem a mo-tor fajlagos CO2 kibocsátása nem növekszik jelentősen a tüzelőanyag keverék producergáz tartalmának növekedésével (5.28. b. ábra). Szegény keverékeknél ta-pasztalható mérsékelt növekedés, ami 60 V/V% producergáz és λ=1,4 esetén is min-dössze 13%.
a, b,
5.28. ábra: Füstgáz CO2 koncentráció (a) és fajlagos CO2 kibocsátás (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
be[m3/kW]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
6 7 8 9 10 11 12
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
CO2[V/V%]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
600 700 800 900 1 000
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
CO2[g/kWh]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
A füstgázban mért NOx koncentrációk az 5.29. a. ábrán láthatók. A NOx képződé-sét az égési hőmérséklet jelentősen befolyásolja. A kapott görbék jó egyezést mutat-nak a hatásfokokkal, mivel maximumuk λ=1,1 körül van. Alátámasztják az elméleti számításokat is, mivel a tüzelőanyag keverék producergáz tartalmának növekedésé-vel a füstgáz NOx koncentrációja számottevően nem csökken, hiszen nem csökken jelentősen az égési hőmérséklet. A fajlagos NOx kibocsátás vizsgálatakor is hasonló az eredmény (5.29. b. ára).
a, b,
5.29. ábra: Füstgáz NOx koncentráció (a) és fajlagos NOx kibocsátás (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
A tökéletlen égés termékeinek füstgázban mért koncentrációját az 5.30 – 5.31. a.
ábrák mutatják. A tökéletlen égés termékek koncentrációja a producergáz tartalom növekedésével eltérően alakul. A THC emisszió szempontjából kedvező hatású a tü-zelőanyag magas H2 és CO tartalma, mert ezzel csökken a tüzelőanyag szénhidrogén aránya, illetve a fennmaradó rész kiégését segíti a magas H2 tartalom, így a többlet-fogyasztás sem okoz THC emisszió növekedést. A szénhidrogén legalább CO-vá el tud égni, azonban az égési reakciók itt befagyhatnak, ami többlet CO kibocsátást eredményezhet.
A fentieknek megfelelően az 5.30. a. ábrán látható THC mérési eredményekben nem tapasztalható számottevő eltérés, és jó egyezést mutatnak az hatásfok eredmé-nyekkel. A görbék minimuma a hatásfok maximumnál van, ott ahol az égés körül-ményei optimálisak, λ=1,1 körül. A fajlagos THC kibocsátás független a producergáz tartalomtól, csak szegényebb keverékek esetén (λ>1,4) tapasztalható kismértékű elté-rés a számított értékekben (5.30. b. ábra).
0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
NOx[ppm]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
0 10 20 30 40 50 60
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
NOx[g/kWh]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
a, b,
5.30. a-b. ábra: Füstgáz THC koncentráció és fajlagos THC kibocsátás változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
A füstgáz CO koncentrációkban és a fajlagos CO kibocsátásokban nagyobb eltérés tapasztalható (5.31. a-b. ábra). Dús keverékek esetén a producergáz tartalom növeke-dése csökkenti, míg szegény keverékeknél növeli a CO kibocsátást. A fajlagos CO kibocsátás 60 V/V% esetén kétszerese a referenciának.
a, b,
5.31. ábra: Füstgáz CO koncentráció (a) és fajlagos CO kibocsátás (b) változása a gázkeverék producergáz tartalmának növekedésével
400 500 600 700 800 900 1 000
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
THC [ppm]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
0 5 10 15
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
THC [g/kWh]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
100 1 000 10 000 100 000
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
CO [ppm]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
1 10 100 1 000
0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
CO [g/kWh]
λ[-]
0% prod. 10% prod.
20% prod. 30% prod.
40% prod. 50% prod.
60% prod.
Összefoglalás
A gázmotoros mérések alapján megállapítottam, hogy a növekvő producergáz tar-talom 40 V/V%-ig nem okoz különösebb változást sem a motor üzemelési tarto-mányban, sem a motor legtöbb üzemi paraméterében. 40 V/V% producergáz tarta-lom felett a fogyasztásnövekedés ellenére is elszegényedik a keverék, ezért beszűkül a motor üzemelési tartománya, de nem tapasztalható számottevő teljesítmény és ha-tásfok csökkenés a földgáz üzemű motorhoz képest, és a motor 60 V/V%-os producergáz bekeverésig stabilan üzemel. Az indikálási vizsgálatok alapján megál-lapítottam, hogy a producergáz tartalom állandó légfelesleg mellett nincs negatív hatással az égés lefutására, de a légfelesleg növekedésével a hőfelszabadulás függ-vény maximuma csökken. Megállapítottam, hogy környezetvédelmi szempontból nem kedvezőtlen a producergáz földgázhoz keverése.