Megújuló tüzelőanyagok felhasználása belsőégésű motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME
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
Négyütemű motor (1876) Nicolaus Otto Felhasznált üzemanyag: (Gáz) Alkohol! N. Otto: 1877 H. Ford: 1880
Kompressziógyújtású motor (1892) Rudolf C. Karl Diesel Felhasznált üzemanyag: mogyoróolaj!
Világ primer energia felhasználása SHELL
Korszerű motorokkal szemben támasztott igény: Teljesítmény növelése Hatásfok növelése Károsanyag kibocsátás csökkentése CO 2 Emisszió CO C x H y NO x Hatásfok Teljesítmény
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.
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.
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
CO 2 kibocsátás csökkentése I. Hatásfok növelése 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 5 10 15 20 25 30 ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok
CO 2 kibocsátás csökkentése II. Megújuló tüzelőanyagok alkalmazása CO 2 CO 2 Biofuels Fuel fossil
További előnyök: Munkahely teremtés és megörzés Parlagoltatás elkerülése Függőség csökkentése Biztos mezőgazdasági felvevő piac..
Megújuló energia hordozók fajták: Szilárd tüzelőanyagok Cseppfolyós tüzelőanyagok Gáz tüzelőanyagok (biomassza forrás) Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
EU trend http://www.aftonchemical.com/nr/rdonlyres/410cd52a-5380-408a-a699-6740add4510c/0/biodieseltrends10252006_3.pdf
Cseppfolyós tüzelőanyagok: Származási hely: növényi eredet állati eredetű zsírok és olajok Energia hordozók szerint: alkoholok olajok, zsírok észterek Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
Bioalkohol előállítása
Bioalkohol előállítása Cukor kivonása és fermentáció Keményítő hidrolízise és fermentáció Cellulóz hidrolízise és fermentáció Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok
Alkohol előállítás Cukorrépából feldolgozás mezőgazdaság trágya alkohol biogáz szeszmoslék Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
Alkohol előállítás búzából (keményítő) szeszmoslék feldolgozás mezőgazdaság biogáz alkohol szalma Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
Motorhajtóanyagok energia mérlege (biogáz és szeszmoslék hasznosítással! ) * - a biodízel adatok 6 t/ha termés adatra vonatkozik, hazánkban ez az adat, kb. 2 t/ha!
Országos igény: Éves benzin fogyasztás Bekeverhetőség Termés átlag Szükséges terület: 2,0 5 3000 63* milliárd liter % l/ha eha (630 Km 2 ) Fűtőérték egyenértékben számolva! (Magyarország 93000 Km 2 )
A bioetanol-termelés mezőgazdasági hatásai Dr. Bai Attila: A bioetanol-előállítás gazdasági kérdései, AGRÁRTUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK, 2004/14.
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
Ottó motoros felhasználás
Hatásfok növelés lehetőségei 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 5 10 15 20 25 30 ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok
Légfelesleg tényező C 8 H 18 + 12,5 O 2 = 8 CO 2 + 9 H 2 O C 8 H 18 + 12,5 (O 2 +79/21N 2 ) = 8 CO 2 + 9 H 2 O + 12,5 79/21N 2 114 kg C 8 H 18 + 400 kg O 2 + 1316,67 kg N 2 = 352kgCO 2 + 162kgH 2 O + 1316,67kgN 2 1 kg C 8 H 18 + 15,06 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
A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében Otto-motorok gépjármű. gázmotorok.
Szgj. (Otto-motorok) emissziós határai
Égési folyamat Otto-motorokban S.E. Trautwein: Untersuchung des Einflusses der Turbulenz auf die Flammenausbreitung unter motorischen Bedingungen, Dissertation, RWTH Aachen, (1989)
NO keletkezés
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
Etanol alkalmazása belsőégésű motorokban Otto-motoros alkalmazások: Nyers forma: E-10, E-20, E-85, E-100 Vegyi átalakítás után: ETBE, (BioETBE)
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 349 1177 839 NA NA NA 337 321 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) 90-98 112 111 NA NA NA 100 102 Gőznyomás [kpa], 38 C-on 40-85 32 16 NA NA NA 54 28 Vezetőképesség [µs/m] 25-36 NA 500 NA NA NA NA NA * - számított adat!
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
Motor rendszer
Befecskendező rendszer
Befecskendezett dózis benzin és bioetanol tüzelőanyag esetén (1024 befecskendezési ütem) befecskendezett tüzelõanyag [mg] 35 30 25 20 15 10 5 0 benzin etanol Korrekció számítás (sürüség, elmlev) 0 1 2 3 4 5 6 7 befecskendezés ideje [msec.]
Motorvezérlő (ECU) szabályozási felületei Befecskendezési idő Előgyújtás Szívótér nyomás Fordulatszám Fordulatszám Szívótér nyomás
Programozható ECU (MOTEC)
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) 3.2 3.2 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 52 52 50 50 49 47 47 45 57 57 57 57 56 55 55 54 61 61 61 61 60 59 59 63 64 63 63 63 62 61 64 65 64 64 64 63 62 65 65 65 65 64 63 62 65 65 65 64 63 63 62 61 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 befecskendezési idő (ms) 64 65 64 64 63 62 61 60 előgyújtási idő (ms) 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.6 0.5 0.5 0.5 0.4 0.6 0.4 1.3 1.2 1.3 1.3 1.3 1.3 1.2 1.7 1.7 1.7 1.7 1.6 1.7 1.6 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.1 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 előgyújtási idő (ms) 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 3200 2600 1800 1570 1270 1070 850 740 4180 4040 3890 3680 3470 3270 3070 2890 4210 4180 4070 3940 3770 3600 3460 3880 3880 3800 3700 3630 3520 3430 3150 3120 3050 3000 2990 2850 2860 2170 2270 2170 2160 2040 1970 1840 1520 1500 1580 1480 1480 1430 1300 1160 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 645 660 705 650 690 740 755 750 előgyújtás [msec] befecskendezési idő [msec] előgyújtási idő (ms) 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 1500rpm, T kipuf. 100% [ C] T ki(fok C) 1500rpm, 100% Fajlagos fajlagos fogy. fogy. [ms/m] (100ms/Nm) 3.2 544.0 550.0 564.0 572.0 578.0 587.0 596.0 605.0 562.0 570.0 575.0 582.0 588.0 593.0 599.0 602.0 586.0 594.0 602.0 609.0 616.0 622.0 627.0 599.0 608.0 614.0 621.0 628.0 634.0 637.0 600.0 606.0 616.0 622.0 629.0 634.0 639.0 595.0 601.0 610.0 616.0 624.0 630.0 636.0 580.0 584.0 591.0 599.0 604.0 614.0 622.0 628.0 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 562.0 571.0 576.0 584.0 590.0 598.0 605.0 613.0 előgyújtási idő (ms) 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 5.4 5.4 5.6 5.6 5.7 5.9 6.0 6.2 5.3 5.2 5.3 5.3 5.4 5.4 5.5 5.6 5.3 5.3 5.3 5.3 5.3 5.4 5.5 5.4 5.4 5.4 5.4 5.4 5.5 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.7 5.8 5.9 5.8 5.9 5.9 6.0 6.0 6.1 6.2 6.2 6.2 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési idő (ms) 6.5 6.5 6.6 6.6 6.7 6.7 6.9 7.0
Anyag kiválasztási problémák
Vezető képesség Benzin Etanol Vezetőképesség [µs/m] 25-36 500 Tüzelőanyag szivattyú Az etanol vezetőnek tekinthető!!!
Hengerenkénti befecskendezés
Viszkozitási értékek összehasonlítása 2,5 Viszkozitás mm²/sec 2 1,5 1 0,5 Benzin Etanol 0 0 20 40 60 80 Hőmérséklet [ c]
A befecskendezés vizsgáló rendszer
Benzin befecskendezése
Etanol befecskendezése
A motor égéstere nyersszeszes mérések előtt és után
FFV (Flex(ibel) Fuel Vehicles)
Könnyűgépjármű eladások Braziliában (2003-05) 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
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
Menet tulajdonságok Henry Joseph Jr.: Long Term Experience from Dedicated & Flex Fuel Ethanol Vehicles in Brazil Brazilian Automotive Manufacturers Association, ANFAVEA Volkswagen do Brasill
Motor átalakítási igény (E-85, E-100) Befecskendezés optimalizálása Polyamid alkatrészek! Tüzelőanyag nyomásszabályzó Polyamid alkatrészek! Szívóvezeték Levegő előmelegítése célszerű Gyújtás optimalizálása Kenőolaj Adalékolás
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
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
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
Hatásfok növelés lehetőségei 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 5 10 15 20 25 30 ε η elm. Otto-motorok Kopogási határ Diesel-motorok
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
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
Etanol-gázolaj emulziók mérési eredményei Emőd I. Pollák I. Zöldy M.: Megújuló motorhajtóanyagok alkalmazása Magyarországon etanol-gázolaj emulziók
Etanol befecskendezés/bepárologtatás 90-95 % Ethanol! NOx FSN CO (határérték alatt marad) P eff Kettős tüzelőanyag rendszer Átalakítás igény
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
Kettős tüzelőanyagú befecskendezés Emőd - Tölgyesi Zöldy: Alternatív járműhajtások
Növényi eredetű olajok
Olajos növény termelési adatai (M.o.) Repce Napraforgó Szója Átlag termés 2,03 1,69 1,705 t/ha Kinyerhető olaj 430 420 400 l/t Kinyerhető olaj 872,9 709,8 682 l/ha Nemzetközi adatok 4-6 t/ha termés adatra vonatkoznak!
Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok
Olaj préslés és szűrés Repceolaj (~35-55 %) Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása
Olaj tisztítás: szűrés foszfatid mentesítés savtalanítás vízmentesítés
Diesel-motoros technika