motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME

Átírás

1 Megújuló tüzelőanyagok felhasználása belsőégésű motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME

2 Tartalom: Előzmények, várható trendek, követelmények Bioetanol előállítása energetikai mutatók Otto-motoros trendek, bioetanol felhasználási módszerek, átalakítási igények Bioetanol Diesel-motoros felhasználása Növényi olajok előállítása energetikai mutatók Diesel-motoros trendek, növényi olaj felhasználás Biodízel Biogázok, felhasználások EU-s fejlesztési tervek

3 Négyütemű motor (1876) Nicolaus Otto Felhasznált üzemanyag: (Gáz) Alkohol! N. Otto: 1877 H. Ford: 1880

4 Kompressziógyújtású motor (1892) Rudolf C. Karl Diesel Felhasznált üzemanyag: mogyoróolaj!

5 Világ primer energia felhasználása SHELL

6 Korszerű motorokkal szemben támasztott igény: Teljesítmény növelése Hatásfok növelése Károsanyag kibocsátás csökkentése CO 2 Emisszió CO C x H y NO x Hatásfok Teljesítmény

7 Károsanyag emisszió komponensek és hatásaik; NOx Nitrogén-monoxid- NO: Színtelen gáz, a levegőben NO 2 -vé oxidálódik. Nitrogén-dioxid - NO 2 : Vörösesbarna szúrós szagú gáz, Dinitrogén-oxid - N 2 O: Színtelen édeskés szagú és ízű, narkózist okozó nem toxikus gáz. NO, NO 2 mérgező gázok, tüdővizenyőt, a bőrön égési sérüléseket (NO 2 ), illetve a növényeknél reverzibilis fotoszintézis csökkenést és szövetelhalást okozhatnak. Továbbá szerepet játszanak a savas esőkben is.

8 CO -színtelen, szagtalan, mérgező gáz. Az emberi szervezetben irreverzibilis károsodást okozhat, mivel a hemoglobinhoz ~200-szor jobban kötődik mit az oxigén, vagy a széndioxid, ezzel megakadályozza a hemoglobin CO 2 -O 2 cseréjét. A vér karboxihemoglobin (CO-Hb) szintje 1% alatt elfogadható, azonban 10% felett már halálos is lehet. THC Total HidroCarbon, (C x H y ): színtelen, egyes komponensei gyenge szaghatásúak (parafinok), az aromás komponensek kellemetlen szaghatásúak jelentős rákkeltők. Alapvetően szmogkeltő, illetve üvegházhatásúak, elsősorban a metán (CH 4 ), ami a CO 2 -nél négyszer erőteljesebb üvegházhatású gáz.

9 Emisszió csökkentő eljárások Az emisszió értéke csökkenthető: a motor elött tüzelőanyag magában a motorban és konstrukció EGR légfelesleg a motor után (szekunder eljárások) 3 utas katalizátor oxidációs katalizátor egyéb katalizátorok

10 CO 2 kibocsátás csökkentése I. Hatásfok növelése 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok

11 CO 2 kibocsátás csökkentése II. Megújuló tüzelőanyagok alkalmazása CO 2 CO 2 Biofuels Fuel fossil

12 További előnyök: Munkahely teremtés és megörzés Parlagoltatás elkerülése Függőség csökkentése Biztos mezőgazdasági felvevő piac..

13 Megújuló energia hordozók fajták: Szilárd tüzelőanyagok Cseppfolyós tüzelőanyagok Gáz tüzelőanyagok (biomassza forrás) Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

14 EU trend

15 Cseppfolyós tüzelőanyagok: Származási hely: növényi eredet állati eredetű zsírok és olajok Energia hordozók szerint: alkoholok olajok, zsírok észterek Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

16 Bioalkohol előállítása

17 Bioalkohol előállítása Cukor kivonása és fermentáció Keményítő hidrolízise és fermentáció Cellulóz hidrolízise és fermentáció Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

18 Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok

19 Alkohol előállítás Cukorrépából feldolgozás mezőgazdaság trágya alkohol biogáz szeszmoslék Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

20 Alkohol előállítás búzából (keményítő) szeszmoslék feldolgozás mezőgazdaság biogáz alkohol szalma Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

21 Motorhajtóanyagok energia mérlege (biogáz és szeszmoslék hasznosítással! ) * - a biodízel adatok 6 t/ha termés adatra vonatkozik, hazánkban ez az adat, kb. 2 t/ha!

22 Országos igény: Éves benzin fogyasztás Bekeverhetőség Termés átlag Szükséges terület: 2, * milliárd liter % l/ha eha (630 Km 2 ) Fűtőérték egyenértékben számolva! (Magyarország Km 2 )

23 A bioetanol-termelés mezőgazdasági hatásai Dr. Bai Attila: A bioetanol-előállítás gazdasági kérdései, AGRÁRTUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK, 2004/14.

24 Bioetanol előállítása Energetikailag a komplex rendszerek lehetnek rentábilisak Jelentős szerep várható terményfelesleg felszámolása területén Jelentős hozamú, akár 4000 l/ha alkohol kinyerési lehetőség Fontos a Cellulóz hidrolízis fejlesztése

25 Ottó motoros felhasználás

26 Hatásfok növelés lehetőségei 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok

27 Légfelesleg tényező C 8 H ,5 O 2 = 8 CO H 2 O C 8 H ,5 (O 2 +79/21N 2 ) = 8 CO H 2 O + 12,5 79/21N kg C 8 H kg O ,67 kg N 2 = 352kgCO kgH 2 O ,67kgN 2 1 kg C 8 H ,06 kg levegő = 3,09 kg CO 2 + 1,42 kg H 2 O + 11,55 kg N 2 λ = m valós /m elm = m valós /B*µ lo Elméleti égési levegő igény

28 A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében Otto-motorok gépjármű. gázmotorok.

29 Szgj. (Otto-motorok) emissziós határai

30 Égési folyamat Otto-motorokban S.E. Trautwein: Untersuchung des Einflusses der Turbulenz auf die Flammenausbreitung unter motorischen Bedingungen, Dissertation, RWTH Aachen, (1989)

31 NO keletkezés

32 Katalizátorok 3-utas katalizátor (λ=1) (NSCR) NO x N 2 +O 2 CO CO 2 C x H y H 2 O+CO 2 Oxidációs katalizátor (OCC) CO CO 2 C x H y H 2 O+CO 2

33 Etanol alkalmazása belsőégésű motorokban Otto-motoros alkalmazások: Nyers forma: E-10, E-20, E-85, E-100 Vegyi átalakítás után: ETBE, (BioETBE)

34 Az alternatív Otto-motor üzemanyagok összehasonlítása I Benzin Metanol Etanol E-10 E-20 E-85 MTBE ETBE Képlet C4-C12 CH3OH C2H5OH C5H12O C6H14O Sűrűség 0,72-0,78 0,79 0,79 ~0,75* ~0,76* ~0,78* 0,74 0,74 Kéntartalom <150 <1 <1 <135* <120* <24* <1 <1 Párolgáshő [kj/kg], 20 C-on NA NA NA Fűtőérték [MJ/kg] 43 19,9 26,7 41,4* 39,7* 29,1 35,1 26,1 Elméleti égési levegő [kg/kg] 14,7 6,45 8,97 14,13* 13,55* 9,83 11,8 12,1 Oktánszám (MON) NA NA NA Gőznyomás [kpa], 38 C-on NA NA NA Vezetőképesség [µs/m] NA 500 NA NA NA NA NA * - számított adat!

35 120% Az alternatív Otto-motor üzemanyagok összehasonlítása II. 100% 80% 60% 40% 20% 100% 100% 46% 1,05 44% 62% 1,02 61% 1,00 96% 96% 1,00 1,01 1,02 92% 92% 82% 82% 80% 68% 67% Fűtőérték eltérés [%] Elméleti égési levegő eltérés [%] Levegő tömegre vonatkoztazott egyenérték 0,74 61% 1,00 0,75 0,50 0,25 Levegő tömegre vonatkoztazott egyenérték [-] 0% Benzin Metanol Etanol E-10 E-20 E-85 MTBE ETBE 0,00

36 Motor rendszer

37 Befecskendező rendszer

38 Befecskendezett dózis benzin és bioetanol tüzelőanyag esetén (1024 befecskendezési ütem) befecskendezett tüzelõanyag [mg] benzin etanol Korrekció számítás (sürüség, elmlev) befecskendezés ideje [msec.]

39 Motorvezérlő (ECU) szabályozási felületei Befecskendezési idő Előgyújtás Szívótér nyomás Fordulatszám Fordulatszám Szívótér nyomás

40 Programozható ECU (MOTEC)

41 Egy mérési pontban végzett optimum keresés eredményei előgyújtási idő (ms) Nyomaték [Nm] CO [V/V %] NO [ppm] 1500rpm, 100% nyomaték(nm) 1500rpm, 100% CO(V/V%) 1500rpm, 100% NO(ppm) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) befecskendezési idő (ms) előgyújtás [msec] befecskendezési idő [msec] előgyújtási idő (ms) rpm, T kipuf. 100% [ C] T ki(fok C) 1500rpm, 100% Fajlagos fajlagos fogy. fogy. [ms/m] (100ms/Nm) befecskendezési idő (ms) előgyújtási idő (ms) befecskendezési idő (ms)

42 Anyag kiválasztási problémák

43 Vezető képesség Benzin Etanol Vezetőképesség [µs/m] Tüzelőanyag szivattyú Az etanol vezetőnek tekinthető!!!

44 Hengerenkénti befecskendezés

45 Viszkozitási értékek összehasonlítása 2,5 Viszkozitás mm²/sec 2 1,5 1 0,5 Benzin Etanol Hőmérséklet [ c]

46 A befecskendezés vizsgáló rendszer

47 Benzin befecskendezése

48 Etanol befecskendezése

49 A motor égéstere nyersszeszes mérések előtt és után

50 FFV (Flex(ibel) Fuel Vehicles)

51 Könnyűgépjármű eladások Braziliában ( ) FFV piacra kerülése Henry Joseph Jr.: Long Term Experience from Dedicated & Flex Fuel Ethanol Vehicles in Brazil Brazilian Automotive Manufacturers Association, ANFAVEA Volkswagen do Brasill

52 Emissziós adatok katalizátor elött katalizátor után Henry Joseph Jr.: Long Term Experience from Dedicated & Flex Fuel Ethanol Vehicles in Brazil Brazilian Automotive Manufacturers Association, ANFAVEA Volkswagen do Brasill

53 Menet tulajdonságok Henry Joseph Jr.: Long Term Experience from Dedicated & Flex Fuel Ethanol Vehicles in Brazil Brazilian Automotive Manufacturers Association, ANFAVEA Volkswagen do Brasill

54 Motor átalakítási igény (E-85, E-100) Befecskendezés optimalizálása Polyamid alkatrészek! Tüzelőanyag nyomásszabályzó Polyamid alkatrészek! Szívóvezeték Levegő előmelegítése célszerű Gyújtás optimalizálása Kenőolaj Adalékolás

55 Jármű átalakítási igény (E-85, E-100) Tüzelőanyag szűrő Szűrő elem Polyamid alkatrészek! Tüzelőanyag szivattyú Elektromos szigetelés Polyamid alkatrészek! Tüzelőanyag tartály szellőztetés Kisebb gőznyomás Katalizátor Alacsonyabb füstgáz hőmérséklet Katalizátor bevonat optimalizálása Kipufogócső Felület védelem Vízgőz kondenzáció Tüzelőanyag vezetékek

56 Összefoglalás: E-10, E-20 bekeverésnek elsősorban a felhasznált alkatrészek etanol tűrés szab gátat E-85, E-100 Jelentős beavatkozást igényel a motor szabályzásába Hidegindítási problémák Jelentősebb alkatrészek etanol tűrési problémák

57 Etanol alkalmazása Diesel-motorokban (Bio)Etanol-gázolaj keverékek (Bio)Etanol-gázolaj emulziók (Bio) Etanol befecskendezés Kettős tüzelőanyag befecskendezés (Bio)Etanol-biodízel-gázolaj keverékek Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások

58 Hatásfok növelés lehetőségei 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok

59 Etanol-gázolaj keverékek Maximum 40%-ig tartható oldatban 0 C hőmérséklet felett. Az etanol nagy vízmegkötő képessége miatt az ilyen keverék szétválik a tárolás alatt. kevés alkatrészcsere szükséges és a teljesítményoptimalizálás is kevés utána állítást kíván. THC kibocsátás általában növekszik, CO emisszió kis mértékben növekszik, NOx kibocsátás alig változik, Füstölés és részecske csökken. Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások

60 Etanol-gázolaj emulziók emulzióképző alkalmazás (növelik a keverék víztűrő képességét). igen drágák (az etanol mennyiségével azonos mennyiségű emulzióképző szükséges) csökkenti az NOx kibocsátást, növekvő THC emisszió CO kibocsátás változatlan csökken a füstkibocsátás. A a kénoxid emisszió az etanol részarányának megfelelően csökken Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások

61 Etanol-gázolaj emulziók mérési eredményei Emőd I. Pollák I. Zöldy M.: Megújuló motorhajtóanyagok alkalmazása Magyarországon etanol-gázolaj emulziók

62 Etanol befecskendezés/bepárologtatás % Ethanol! NOx FSN CO (határérték alatt marad) P eff Kettős tüzelőanyag rendszer Átalakítás igény

63 Kettős tüzelőanyagú befecskendezés optimális esetben akár a gázolaj 90%-a helyettesíthető etanollal részterhelés esetén a legjobb teljesítmény eléréséhez 50-60% gázolaj helyettesíthető etanollal. lágy alapjáratot biztosít minimális füstölés és részecske kibocsátás mellett. A füstöléshatár kiterjesztése teljesítménynövelést is lehetővé tehet. bonyolult műszaki megoldások, THC, CO emisszió nem változik NOx és a füstölés viszont jelentősen csökkent. Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások

64 Kettős tüzelőanyagú befecskendezés Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások

65 Növényi eredetű olajok

66 Olajos növény termelési adatai (M.o.) Repce Napraforgó Szója Átlag termés 2,03 1,69 1,705 t/ha Kinyerhető olaj l/t Kinyerhető olaj 872,9 709,8 682 l/ha Nemzetközi adatok 4-6 t/ha termés adatra vonatkoznak!

67 Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok

68 Olaj préslés és szűrés Repceolaj (~35-55 %) Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

69 Olaj tisztítás: szűrés foszfatid mentesítés savtalanítás vízmentesítés

70 Diesel-motoros technika