Motorok égésfolyamatai

Átírás

1 Motorok égésfolyamatai Alternatív égésfolyamatok Domanovszky Henrik 1

2 Alternatív motorhajtó anyagok, hajtások értékelési szempontjai Tárolhatóság MJ/kg, MJ/l Termikus hatásfok Égési folyamat sebessége Károsanyag kibocsátás Jármű töltési idő Zajterhelés Energiahordozó kezelésének biztonsága Marketing hatás Infrastruktúra rendelkezésre állása, beruházási költsége 2 Üzemanyag előállításának környezeti lábnyoma Energiahordozó -előfordulás, -kitermelhetőség, -alapanyag ár, -lokális szerep Jármű üzemeltethetőség: -üzembiztonság -szervizigény -hatótáv 2

3 Motorhajtó anyagok Üzemanyag Alsó fűtőérték (MJ/kg) TTW CO2 (kg/kg) TTW CO2 (kg/mj) Sűrűség (kg/m3) Fűtőérték (MJ/l) TTW CO2 (kg/l) Szénlánc hossz Fő komponensek tömegszázaléka Forráspont ( C) Öngyulladás pont ( C) Éghetőség gáz/levegő tartomány (vol%) Elméleti levegő szükséglet Hidrogén 120, ,0899** % H , CNG/CBG 45,1* 2,54 0, ,55-0,71 C 75 % C, 25 % H -161, , ,2 >122 Propán-bután 46 3,02 0, ,3 1,661 C2-C4 82 % C, 18 % H / 83 % C, 17 % H -43 / /480 2,1/1,9-9,5/8,4 15, Kerozin 43,1 2,59 0, ,0842 1,50738 C6-C16 87 % C, 13 % H ,7-5 14,5 Gázolaj 43,1 3,16 0, ,8592 2,62912 C10-C24 86 % C, 13 % H ,8-5,5 14,5 52 Gázolaj 5 % biod. 42,8 3,14 0, ,738 2, FAME Biodízel 36,8 2,81 0, ,752 2,5009 Szintetikus dízel 44,8 3,12 0, ,048 2, Benzin 42,9 3,19 0, ,9605 2,37655 C4-C12 86 % C, 14 % H ,4-7,6 14, Benzin 5% etanol 42,3 3,1 0, ,5981 2,3157 Etanol 26,8 1,91 0, ,2792 1,51654 C2 52 % C, 13 % H, 35 % O , DME 28,4 1,91 0, ,028 1,2797 C2 52 % C, 13 % H, 35 % O ,4-18, PPO 37, , Cetán szám Oktán szám 3 * Erősen függ a gáz összetételétől, szokásos kalkulációs érték MJ/kg, tiszta metán esetén 55 MJ/kg ** Mint gáz, légköri nyomáson 3

4 Motorhajtó anyagok energiatartalomra vetített CO 2 kibocsátása 4 4

5 Földgáz tulajdonságok, metánszám számítás Leiker és tsai., (1971) MN meghatározása: 5 5

6 Földgáz tulajdonságok két budapesti helyszínen Helyszí n Gáznap Relatív normál Sűrűség CO2 N2 metán etán propán izobután sűrűség bután C5 C6+ NCV 15/15 GCV 15/15 wobbe 15/15 MON MN , , ,3766 0,869 94,8046 2,7858 0,8383 0,1335 0,1324 0,0443 0, , , , ,71 86,90 Bp. A , , ,3585 2, ,1781 5,4527 1,3147 0,3281 0,3173 0,1744 0, , , , ,76 79, , , ,2023 0, ,41 2,6335 0,8115 0,1273 0,1232 0,0367 0, , , , ,22 87,64 Bp. B , , ,1799 0, ,5287 2,5282 0,809 0,1267 0,1239 0,036 0, , , , ,30 87,76 Emisszió 6 mérésekhez pontosan meghatározott összetételű gáz szükséges, szabvány szerint járatos a G R, vagy a G 25 6

7 Metán lamináris égési sebessége a λ-érték függvényében 7 Forrás: CIMAC 7

8 Keverékképzés Metán emisszió és fogyasztás a λ-érték függvényében százalék üzemanyag elégésének időszükséglete a főtengelyfokban, előgyújtási szög függvényében Töltet középhőmérséklet alakulása a főtengely elfordulásának függvényében 8 Forrás: CIMAC 8

9 Keverékképzés Metán emisszió és fogyasztás a λ-érték függvényében 9 9

10 Keverékképzés CNG rendszer felépítése 10 10

11 Keverékképzés Gáz befecskendezési rendszer 11 11

12 Gázbefecskendező 12 12

13 Keverékképzés Gázbefecskendező fúvóka kialakítás 13 13

14 Befecskendező szelep üzemanyag tömeg számítás K = szelep konstans = Cd A, ahol a Cd a kiürítési együttható, az A pedig a szelep átáramlási felülete. ρ1 = bemenő sűrűség, kg/m3 γ = Specifikus fűtőérték arány = Cp/Cv Cp = Gáz specifikus fűtőértéke állandó nyomáson, kj/kgk Cv = Gáz specifikus fűtőértéke állandó térfogaton, kj/kgk P1 = Abszolút bemenő nyomás, kpa P2 = Abszolút kimenő nyomás, kpa, (minimum a szívócsőnyomás 2- szerese) Teljesen nyitott pillangószelepnél alkalmazandó képlet: 14 14

15 Közvetlen befecskendezés is lehetséges 15 15

16 Közvetlen befecskendezés is lehetséges 16 16

17 Közvetlen befecskendezés is lehetséges 17 17

18 Módosított gyűrű elhelyezés Benzinmotor gázmotor Hengerfal dugattyú Elégetlen metángáz csökkentésének módja = metánszlip csökkentés 18 18

19 OEM benzinmotor átalakítása Bi-fuel gázüzemre Páncélozott szelepfészkek Sűrítési arány: 10,3 -> 13,5 : 1 Benzinmotor 19 CNG motor módosított dugattyú anyaggal Szívócső hengerenkénti befecskendező-szelep ülékekkel 19

20 VW 2,0 EcoFuel motor módosításai Síktetős Mahle standard dugattyú AlSi 12 Cu 3 ötvözetből az örvényáramú dugattyútető égéstér kialakítás helyett Sűrítési viszony 13,5:1 - széria 10,3:1 helyett Az első gyűrű ülék utólagos anódedzés megemelt kopásállóság Meghosszabbított dugattyúcsap, átmérő széria 19mm 1. dugattyúgyűrű négyzet acélból széria öntvény 2. és 3. gyűrű változatlan Vezérműtengely bütyök visszatérés módosítás finomabb szelep elengedés Kipufogószelep változtatás nélkül Beömlő szelep kiegészítő bevonat az üléknél mint BiFuel Szelepülék gyűrű beömlő és kipufogó szelepeknél kiegészítő bevonattal mint BiFuel Ez a kiegészítő bevonat szükséges, mivel a földgáz nélkülözi a benzinben megtalálható elgőzölgő adalékokat 20 20

21 Égéstér Bi-fuel motor CNG / benzin üzem hatásfok térképe 21 21

22 Égéstér A Hythane magasabb hőfelszabadulással és konzekvensen magasabb hőveszteséggel jár, HC, CO 2, NO x emisszió csökkent, növelhető sűrítés és szegénykeverék Motor hatásfok térkép földgázzal és Hythane-nal Indukált hatásfok diagram földgáz (balra) és 25 % H 2 tartalmú Hythane (jobbra) üzemanyag esetén Lángfront sebesség λ-függvényében

23 Eltérő gyújtási módszerek lángfront gyújtás Jellemzők: szívócső szegénykeverékes keverékképzés, Millerciklus, előkamrában dús keverék szikragyújtással, a kiáramló lángfront indítja el a sűrített szegénykeverék égését, égéstérben nyomásszenzor 23 23

24 Motorhajtó anyagok 24 24

25 Lángfront gyújtású motor kialakítás Lángfront gyújtás Felvétel időpont 10 fhpe Szikra gyújtás 4,3 fhpe 3,6 fhpe 2,9 fhpe 2,2 fhpe 25 1,5 fhpe 25

26 Lamináris láng sebesség a hőmérséklet és nyomás függvényében 26 26

27 Miller ciklus Otto körfolyamat Miller körfolyamat összehasonlítás Miller körfolyamat megvalósításának három módja: 1. A szívótorok és a szívószelep közé beépíteni egy pillangó szelepet, ami szabályozza a beszívott levegő mennyiséget korai forgó szelep zárás 2. Szívó ütemben a korai szívószelep zárás 3. A sűrítési ütemben a szívószelep nyitva tartása késői szívószelep zárás 27 27

28 Miller ciklus szívószelep változtatható zárással 28 Szívó ütemben a korai szívószelep zárás megvalósítja a változó töltetmennyiséget 28

29 Gáz-dízel dual-fuel motor egységei 29 29

30 30 30

31 Dual-fuel égés lezajlása 31 31

32 Effektív középnyomás (BMEP, bar) Termikus hatásfok NO x (g/kwh) Alternatív égésfolyamatok Gáz-dízel dual-fuel motor légfelesleg tényező Detonációs égés Opti mum műkö dési ablak Láng kialvás 32 Légfelesleg tényező (λ) 32

33 Alternatív motorhajtó anyagok, hajtások 33 33

34 Tipikus gáz-dízel keverési stratégia Indítás és leállítás: 0% 50% 65% 80% 90% 95% Gáz energiatartalom 34 % 34

35 Gáz-dízel dual-fuel motor szilárdrészecske képződés 35 35

36 HPDI kettős közvetlen-befecskendezési DF rendszer 36 36

37 Új EuroVI Volvo HPDI2 befecskendezése és gázrendszere 37 37

38 Etanol alternatíva Etanol (etilalkohol, C 2 H 5 OH) Magas oktánszám» nagyobb kompresszióviszony, Alacsony fűtőérték» magas fogyasztás, Kedvező NO x és CH kibocsátás, Alacsony gőznyomás és nagy párolgáshő, Sav- és víztartalom (korrózió)» spec. motorolaj, Benzinmotorokban viszonylag kevés átalakítással használható (dízelben gázolajjal gyújtják meg), Folyadék» tárolás, szállítás, infrastruktúra létezik, Alapanyaga: biomassza (CO2 kibocsátás=fotoszintézis), Alkalmazása megszokott (pl.: Dél-Amerika)

39 Éter alternatíva Dimetil-éter (DME = CH 3 OCH 3 ) 39 A legegyszerűbb felépítésű éter Normál körülmények között gáznemű, alacsony nyomása alatt (5-8 bar) cseppfolyósítható Alacsony energiatartalom (19 MJ)» nagy üzemanyagtartály, ráadásul %-nál jobban nem tölthető fel Magas cetánszám (CZ = 60)) jó öngyulladás, Alternatív dízelmotor hajtóanyag, ill. LPG adalékolásra is alkalmas Rossz kenőképesség miatt a keverékképző rendszert alkalmassá kell tenni, illetve adalékot is kell használni Gázolajnál alacsonyabb károsanyagkibocsátás Fosszilis szénhidrogének, vagy biomassza hulladékból (általában papíripari hulladékból) szintézisgázból állítható elő Metanol (Metil alkohol = CH 3 OH, vagy Metil-Terc-Butil-Éter) DME tulajdonságaihoz nagyon hasonló Mérgező tulajdonsága miatt felhasználása korlátos 39

40 DI motor részecske képződése benzin, illetve E85 esetén 40 40

41 Égéstér és DF üzemanyag keverék stratégiák 41 41

42 RCCI stratégiára optimalizált FPT 1,9 dízel motor Gyári kalibráció dízel hatásfok Módosított RCCI kalibrációval elért hatásfok, magasabb terhelési területek mérés alatt álltak 42 42

43 Benzin-dízel üzemanyag hatása a gyújtási késedelemre 43 43

44 Égéstér Dual-fuel benzin-gázolaj RCCI eloszlás 44 44

45 Égéstér HD és LD RCCI kísérleti motorok 45 45

46 Égéstér RCCI kísérleti motor benzin-gázolaj DF üzemmel 46 46

47 Háttér diák Kiegészítő információ RCCI égésfolyamatokra 47 47

48 Common-rail dízel / RCCI fogyasztás (UDDS ciklus) 48 48

49 HCCI gyújtás hőmérséklet, nyomásviszony 49 49

50 Égéstér RCCI motor eltérő reakciójú üzemanyag összehasonlítása RCCI motor működő képessé tehető bármely eltérő reakciójú üzemanyag esetén US EPA 2010 HD emissziós értékek a hengerben teljes mértékben teljesülnek kipufogógáz tisztítás nélkül, mialatt az % termikus hatásfok megvalósul Stabil égési folyamat és időzítés vezérlés mind alacsony, mind pedig magas terhelési viszony mellett 50 HD és LD motornál egyaránt magas termikus hatásfok (HD kb. 5%-al magasabb) 50