Motorok égésfolyamatai

Motorok égésfolyamatai Alternatív égésfolyamatok Domanovszky Henrik 1

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

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 120,1 0 0 0,0899** - 100 % H -253 572 4-74,2 34 125 CNG/CBG 45,1* 2,54 0,056319 0,55-0,71 C 75 % C, 25 % H -161,6 632 5,0-15 17,2 >122 Propán-bután 46 3,02 0,065652 550 25,3 1,661 C2-C4 82 % C, 18 % H / 83 % C, 17 % H -43 / -10 500/480 2,1/1,9-9,5/8,4 15,5 90-96 Kerozin 43,1 2,59 0,060093 582 25,0842 1,50738 C6-C16 87 % C, 13 % H 170-260 220 0,7-5 14,5 Gázolaj 43,1 3,16 0,073318 832 35,8592 2,62912 C10-C24 86 % C, 13 % H 180-360 0,8-5,5 14,5 52 Gázolaj 5 % biod. 42,8 3,14 0,073364 835 35,738 2,6219 52 FAME Biodízel 36,8 2,81 0,076359 890 32,752 2,5009 Szintetikus dízel 44,8 3,12 0,069643 760 34,048 2,3712 60 Benzin 42,9 3,19 0,074359 745 31,9605 2,37655 C4-C12 86 % C, 14 % H 25-210 280 1,4-7,6 14,7 90-100 Benzin 5% etanol 42,3 3,1 0,073286 747 31,5981 2,3157 Etanol 26,8 1,91 0,071269 794 21,2792 1,51654 C2 52 % C, 13 % H, 35 % O 78 420 3,5-15 9 110 DME 28,4 1,91 0,067254 670 19,028 1,2797 C2 52 % C, 13 % H, 35 % O -24 350 3,4-18,6 9 60 PPO 37,6 920 34,592 317 40 Cetán szám Oktán szám 3 * Erősen függ a gáz összetételétől, szokásos kalkulációs érték 48 50 MJ/kg, tiszta metán esetén 55 MJ/kg ** Mint gáz, légköri nyomáson 3

Motorhajtó anyagok energiatartalomra vetített CO 2 kibocsátása 4 4

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

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 17.04.06 0,58890 1,38505 0,3766 0,869 94,8046 2,7858 0,8383 0,1335 0,1324 0,0443 0,0153 35,0613 38,8859 50,6841 131,71 86,90 Bp. A 17.04.10 0,67292 1,21210 5,3585 2,7998 84,1781 5,4527 1,3147 0,3281 0,3173 0,1744 0,0763 34,1994 37,8702 46,1740 126,76 79,75 17.04.06 0,58509 1,39406 0,2023 0,6416 95,41 2,6335 0,8115 0,1273 0,1232 0,0367 0,0139 35,1170 38,9506 50,9285 132,22 87,64 Bp. B 17.04.10 0,58433 1,39588 0,1799 0,6541 95,5287 2,5282 0,809 0,1267 0,1239 0,036 0,0135 35,0882 38,9199 50,9216 132,30 87,76 Emisszió 6 mérésekhez pontosan meghatározott összetételű gáz szükséges, szabvány szerint járatos a G R, vagy a G 25 6

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

Keverékképzés Metán emisszió és fogyasztás a λ-érték függvényében 10-90 százalék üzemanyag elégésének időszükséglete a főtengelyfokban, előgyújtási szög függvényében Töltet középhőmérséklet alakulása a főtengely elfordulásának függvényében 8 Forrás: CIMAC 8

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

Keverékképzés CNG rendszer felépítése 10 10

Keverékképzés Gáz befecskendezési rendszer 11 11

Gázbefecskendező 12 12

Keverékképzés Gázbefecskendező fúvóka kialakítás 13 13

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

Közvetlen befecskendezés is lehetséges 15 15

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

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

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

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

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 22 22 Lángfront sebesség λ-függvényében

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

Motorhajtó anyagok 24 24

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

Lamináris láng sebesség a hőmérséklet és nyomás függvényében 26 26

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

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

Gáz-dízel dual-fuel motor egységei 29 29

Dual-fuel égés lezajlása 31 31

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

Alternatív motorhajtó anyagok, hajtások 33 33

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

Gáz-dízel dual-fuel motor szilárdrészecske képződés 35 35

HPDI kettős közvetlen-befecskendezési DF rendszer 36 36

Új EuroVI Volvo HPDI2 befecskendezése és gázrendszere 37 37

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). 38 38

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 80-85 %-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

DI motor részecske képződése benzin, illetve E85 esetén 40 40

Égéstér és DF üzemanyag keverék stratégiák 41 41

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

Benzin-dízel üzemanyag hatása a gyújtási késedelemre 43 43

Égéstér Dual-fuel benzin-gázolaj RCCI eloszlás 44 44

Égéstér HD és LD RCCI kísérleti motorok 45 45

Égéstér RCCI kísérleti motor benzin-gázolaj DF üzemmel 46 46

Háttér diák Kiegészítő információ RCCI égésfolyamatokra 47 47

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

HCCI gyújtás hőmérséklet, nyomásviszony 49 49

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 53-59 % 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