primjena alternativnih goriva u motorima s unutarnjim ... · sadržaj • uvod • alternativna...
TRANSCRIPT
Primjena alternativnih goriva u motorima s
unutarnjim izgaranjem
Ivan Taritaš, mag. ing. mech.
Sadržaj
• Uvod
• Alternativna goriva u MSUI
SI (Ottovi) motori
CI (Dieselovi) motori
• Dual-fuel motori
Princip rada
Performanse i štetne emisije
Rad na UC Berkeley, proljeće 2016.
Proračuni dual-fuel izgaranja
• Zaključak
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 2
Uvod
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 3
[http://www.iiea.com/blogosphere/global-population-
projections-and-food-demand] [http://www.anthropower.com/china-and-
india-to-dominate-our-energy-future-eia]
[http://cleantechies.com/2014/09/24/planet-set-to-
reach-co2-threshold-in-30-years-researchers-say/] [http://petrolog.typepad.com/climate_change/transport/]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 4
Alternativna goriva u MSUI
• Ukapljeni naftni plin UNP (engl. LPG),
• Stlačeni prirodni plin SPP (engl. CNG),
• Ukapljeni prirodni plin UPP (engl. LNG),
• Bioplin
Konstituent Molni udio (%)
Metan 87 – 96
Etan 1.8 – 5.1
Propan 0.1 – 1.5
iso-Butan 0.01 – 0.3
n – Butane 0.01 – 0.3
iso – Pentan trace – 0.14
n – Pentan trace – 0.04
Hexan trace – 0.06
Dušik 1.3 – 5.6
Ugljikov dioksid 0.1 – 1
Kisik 0.01 – 0.1
Sastav prirodnog plina
[https://www.naesb.org//pdf2/wgq_b
ps100605w2.pdf]
Plinovita vs. Konvencionalna tekuća goriva
• Jednostavnija kemijska struktura
• Veći oktanski broj
• Niža adijabatska temperatura plamena
• Veći omjer H/C;
• Manja molarna masa
• Niža laminarna brzina plamena (uvjeti u
cilindru motora)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 5
Alternativna goriva u MSUI
Konstituent Molni udio (%)
Metan 87 – 96
Etan 1.8 – 5.1
Propan 0.1 – 1.5
iso-Butan 0.01 – 0.3
n – Butane 0.01 – 0.3
iso – Pentan trace – 0.14
n – Pentan trace – 0.04
Hexan trace – 0.06
Dušik 1.3 – 5.6
Ugljikov dioksid 0.1 – 1
Kisik 0.01 – 0.1
Sastav prirodnog plina
[https://www.naesb.org//pdf2/wgq_b
ps100605w2.pdf]
• Čišće izgaranje
• Niža emisija NOX
• Niža emisija čestica
• Niža emisija CO2 (CNG 25%)
• CH4 je štetniji od CO2
• Niža gustoća energije
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 6
Plinovita goriva u MSUI
[http://www.volvotrucks.com/trucks/global
/en-gb/trucks/new-trucks/Pages/volvo-fm-
methanediesel.aspx]
[http://news.pickuptrucks.com/2012/06/cn
g-test-drive-ford-f-250-sd-bi-fuel.html]
SI motori
• Potpuna zamjena konvencionalnih tekućih goriva
• Viši kompresijski omjer
• I dalje visoka emisija NOX
• Niži stupanj djelovanja od Dieselovih motora
CI (dual-fuel) motori
• Vrste dual-fuel motora:
Motori s homogenom smjesom i
kompresijskim paljenjem (HCCI)
Motori s izravnim ubrizgavanjem plinovitih
goriva
Konvencionalni dual-fuel motori
• Znatno niže emisije čestica
• Efikasnost i emisije štetnih tvari ovise o
režimu/tipu rada
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 7
SI (Ottovi) motori
[http://gazeo.com/automotive/technology/Autogas-system-generations,article,6486.html]
[http://autovaluk.com/index.php?do=home.showArticle&article=LPG]
[http://green.ebay.com/green-driving/compressed-natural-gas-vehicles]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 8
SI (Ottovi) motori – CNG
[Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.]
[Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.] [Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 9
SI (Ottovi) motori – LPG
[Tasic, et al., Advances in Production Engineering & Management, 2011.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 10
SI (Ottovi) motori – bioplin (CH4 + CO2)
[Huang and Crookes, Fuel, 1998.]
[Huang and Crookes, Fuel, 1998.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 11
SI (Ottovi) motori
• Performanse i emisije izuzetno ovise o radnim
karakteristikama
• Bitna optimizacija prostora izgaranja i trenutka paljenja
• Radne karakteristike (CNG, UNP SI motora):
Niža emisija HC, CO, NOX
Veća efikasnost
Niža snaga
• Moguća poboljšanja:
Optimizacija prostora izgaranja i trenutka paljenja
Ubrizgavanje goriva u tekućoj fazi
Daljnji rad na upravljanju radom motora
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 12
CI (Dieselovi) motori
• Rad u tzv. dual-fuel načinu rada; primarno
gorivo je plinovito, dok je sekundarno gorivo
dizelsko gorivo
Motori s homogenom smjesom i
kompresijskim paljenjem (HCCI)
Motori s izravnim ubrizgavanjem plinovitih
goriva (engl. HPDI)
Konvencionalni dual-fuel motori (engl. dual-
fuel)
• HPDI:
Stabilan rad motora;
Izgaranje slično kao u konvencionalnim
Dieselovim motorima;
Niže emisije NOX i čestica u odnosu na
konvencionalne Dieselove motore
Skupa tehnologija
[http://www.westport.com/is/core-technologies/combustion/hpdi; 2015]
[http://www.westport.com/is/core-
technologies/combustion/dual-fuel; 2015]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 13
Dual-fuel motori – princip rada
USIS KOMPRESIJA
UBRIZGAVANJE
DIZELSKOG GORIVA
SMJESA PLIN +
ZRAK + (EGR)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 14
Dual-fuel motori – princip rada
PALJENJE
DIZELSKOG GORIVA PALJENJE SMJESE
PLIN - ZRAK IZGARANJE SMJESE
PLIN - ZRAK
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 15
Dual-fuel motori – princip rada
Brzina oslobađanja topline [Konigsson, F., Advancing the
limits of Dual Fuel Combustion, Licenciate thesis, Royal
Institute of Technology Stockholm, 2012.]
Prikazi iz cilindra motora [Konigsson, F., Advancing
the limits of Dual Fuel Combustion, Licenciate
thesis, Royal Institute of Technology Stockholm,
2012.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 16
[Lounici, et al., Energy, 2014.]
Dual-fuel motori (dizel – CNG) – performanse i
emisije
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 17
Dual-fuel motori (dizel – LPG) – performanse i
emisije
[Ashok et al., Alexandria Engineering Journal, 2015.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 18
Dual-fuel motori (dizel – LPG) – performanse i
emisije
[Ashok et al., Alexandria Engineering Journal, 2015.]
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 19
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
• 2l VW Jetta motor prenamijenjen na rad u dual-fuel (metan –
dizelsko gorivo) način rada.
• U potpunosti izrađen i integriran (hardware & software) usisni
sustav i ubrizgavanje plinovitog goriva u usis.
• Izgrađen sustav (hardware & software) za izravno
ubrizgavanje dizelskog goriva u cilindar.
• Rad samo s jednim cilindrom:
Promjer cilindra = 81 mm
Hod kipa = 95.5 mm
Kompresijski omjer = 16.5
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 20
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 21
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 22
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 23
-40 -20 0 20 400
20
40
60
80
100
Crank Angle (degCA)
Pre
ssu
re (
ba
r)
pi = 250 bar
pi = 500 bar
pi = 750 bar
n = 1000 rpm
pINT = 1 bar
SOI = 20 degCA bTDC
IMEPg = 5 bar
m DI = 0.03 g/s
-40 -20 0 20 400
20
40
60
80
100
Crank Angle (degCA)
Pre
ssu
re (
ba
r)
SOI = 30 degCA bTDC
SOI = 20 degCA bTDC
SOI = 10 degCA bTDC
n = 1000 rpm
pINT = 1 bar
pINJ = 500 bar
IMEPg = 5 bar
m DI = 0.03 g/s
-40 -20 0 20 400
20
40
60
80
100
Crank Angle (degCA)
Pre
ssu
re (
ba
r)
DI = 0.045 g/s
DI = 0.03 g/s
DI = 0.015 g/s
n = 1000 rpm
pINT = 1 bar
pINJ = 500 bar
SOI = 20 degCA BTDC
m DI = 0.03 g/s
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 24
-40 -20 0 20 400
20
40
60
80
100
120
Crank Angle (degCA)
Pre
ssu
re (
ba
r)
IMEPg = 2 bar
IMEPg = 5 bar
IMEPg = 6 bar
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 25
-40 -20 0 20 400
50
100
150
Crank Angle (degCA)
Pre
ssu
re (
ba
r)
SOI = 15 degCA bTDC; IMEPg = 9.2 bar
SOI = 25 degCA bTDC; IMEPg = 9 bar
n = 1000 rpm
pINT = 1.6 bar
pINJ = 500 bar
m DI = 0.041 g/s
Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće
2016.)
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 26
Dual-fuel motori – Proračuni dual-fuel izgaranja
• Razvijen 0-D dual-fuel proračunski model (u suradnji s AVL-
om).
• Brzi proračun (unutar 1min) radnih karakteristika dual fuel
motora te analiza (procjena) efikasnosti vozila pogonjenog
dual-fuel motorom u raznim režimima rada.
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 27
Dual-fuel motori – zaključak
• Performanse i emisije izuzetno ovise o radnim parametrima motora
(tlak ubrizgavanja, masa pojedinog goriva, trenutak ubrizgavanja) te
o samoj geometriji prostora izgaranja
• Bitna optimizacija prostora izgaranja i radnih parametara motora
• Performanse:
Niža emisija čestica i NOX
Veća efikasnost i snaga
Veća emisija HC i CO
• Moguća poboljšanja:
Optimizacija prostora izgaranja i radnih parametara motora
Rad motora na niskom opterećenju
Daljnji rad na upravljanju radom motora
2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija
rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 28
Hvala na pažnji!
Pitanja??
Kontakt:
Ivan Taritaš, mag. ing. mech
Sveučilište u Zagrebu,
Fakultet strojarstva i brodogradnje,
Katedra za motore i vozila
I. Lučića 5, 10 002, Zagreb, Croatia
Phone: +385 1 6168 144
Email: [email protected]
Ovo istraživanje je napravljeno u sklopu
znanstvenog projekta “Eksperimentalno
istraživanje, optimizacija i karakterizacija rada
klipnog motora uz „dual-fuel” izgaranje –
„DUFCOROC” IP-2014-09-1089 financiranom od
strane HRZZ-a. Zahvalni smo na pomoći.