A BIOETANOL ALKALMAZÁSTECHNIKAI KÉRDÉSEI OTTÓMOTORBAN ANALYSIS OF BIO-ETHANOL USED IN OTTO ENGINES
Bódi Péter Gépészmérnök (Bsc.) Robert Bosch Elektronikai Kft. Hatvan 3000 Hatvan, Robert Bosch út 1.
[email protected]
ABSZTRAKT Napjainkban jelentős probléma az üvegházhatás. Kialakulásának egyik elsődleges okozója
a
közlekedés.
Ezen
belül
a
közúti
gépjárművek
kibocsátásai
a
legmeghatározóbbak a környezetterhelés szempontjából. A Föld gépjárműállománya nagyban függ a fosszilis energiahordozóktól. A kőolajkészletek végesek, a tartalékok előreláthatólag 50 éven belül kimerülnek. A mobilitás fenntartásához elengedhetetlen alternatívák keresése a nem megújuló energiaforrások kiváltására. Új lehetőséget jelentenek a bioüzemanyagok. Írásomban bemutatom a bioetanolt, mint a benzinmotorok egyik lehetséges hajtóanyagát. A SAAB magyarországi importőr szervezetének jóvoltából ismertetek egy BioPower járművet, ami a Flex-Fuel járművek körébe tartozik. A cikkem befejező részében a már említett BioPower gépkocsin elvégzett méréseket közlöm. A járművet görgős teljesítménymérő fékpadon teszteltem. A szakirodalmak áttekintésével és az általam végzett összehasonlítás illetve mérések alátámasztották azt a tényt, hogy a bioetanol egy megfelelő alternatívát jelent Ottómotorok hajtására. Kulcsszavak: etanol, bioetanol, Flex-Fuel
ABSTRACT Nowadays Green house effect is a major issue, one of the main causes of it, is the transportation system. More directly the emissions of the automotive vehicles are the heaviest burden on our environment. Earth's motor vehicle fleet heavily depends on fossil source fuels, but the mineral oil reserves are limited, in all probability in 50 years it will be fully drained. In order to maintain mobility it is essential to search for new, alternative energy sources, to replace the non-renewal sources. Use of bio fuels is one of these new opportunities. In my script I considered the use of bio-ethanol in Otto engines. In the first section of my project I analyzed Earth's energy reserves, I descended to particulars about the emissions and regulations of the Otto engines. I reviewed the utilization potential of bio-ethanol, using several specialized literature. I realized that bioethanol is ideal to operate spark-ignition engines. Two facts guided me to this conclusion: "Reduce mineral oil dependency, and burden on environment". In the next section I introduced the "Flex-fuel" system. I discussed at length the potential ways of ethanol sensing in automotive vehicles. The SAAB’s Hungarian importation association allowed me to introduce a BioPower vehicle. In the final section I carried out some measurements on the BioPower vehicle mentioned before. The specialized literature, I reviewed, with the comparison and the tests I made confirmed the fact that bio-ethanol is a real alternative to replace the original fuel of the Otto engines. KEYWORDS: ethanol, bio-ethanol, Flex-Fuel
2
1
Bevezetés Számos példa alátámasztja, hogy a gépjárműtechnika sok más területhez
hasonlóan időről időre megújul. Nagyon nehéz megszokni ezeket a változásokat, mivel az új dolgoknál mindig lesznek újabbak. Az eddig bekövetkezett újítások már idáig is nagy feladatot jelentettek az autós társadalomnak, elsődlegesen a szervizes szakembernek. A mai járműtulajdonosokat általában nem érdeklik a technikai részletek, csak azt szeretnék, hogy a járművük mindig használható állapotban legyen. Így a nagy feladat a szerelő szakembereket terheli, mivel nekik ugyanúgy meg kell birkózniuk a 25-30 évvel ezelőtti technikai szinttel, mint a mai újításokkal. Manapság egy járműszerelőnek nem csak gépésznek, hanem jó villamos képzettségűnek is kell lennie. Mégis azt kell mondani, hogy ezek a változások kisebb mértékűek az elkövetkezendő, várhatóan nagymértékű fejlődésnél. Az alternatív hajtóanyagok és hajtási rendszerek elterjedésével még összetettebb ismeretekre kell majd szert tenni ezeknek a járműveknek a karbantartásához és javításához. Be kell látni, a mai járműipari technika nem elég jó, mivel a kőolajszármazékokra épülő járműtechnika hosszú távon nem tartható fenn. Manapság a kutatók olyan előrejelzéseket adnak, hogy a föld olajtartalékai 50 éven belül kiürülnek. Új energiaforrást kell találni a probléma orvoslására. Azt biztosan lehet állítani, hogy az olajszármazékok elégetése során a kibocsájtott szén-dioxid az üvegházhatást nagymértékben növeli. A globális felmelegedés mára már jelentős problémává lépett elő. Földünk légkörének hőmérséklete egyre növekszik, az utóbbi 30 évnek köszönhetően. Nem csak a növekedés nagysága, hanem az üteme is nagyon elgondolkodtató. Manapság egyre több tanulmány lát napvilágot a sarki jég olvadásáról és egyes területek elsivatagosodásáról. A cél egy olyan technika, technológia kifejlesztése, ami lehetővé teszi az eddigi mobilitást, vagy még több mozgásszabadságot ad. A Földet unokáink számára is élhető állapotban kell hagynunk. Ennek érdekében nagyon sokat kell tenni. Például tanulmányozni
a
bioüzemanyagokat,
azok előállítását,
használatát,
és
kémiai
tulajdonságait. Írásom célja a bioetanol bemutatása, mint Ottó-motorok hajtóanyaga, és mérésekkel alátámasztani a használatának létjogosultságát.
3
2
A Föld energiakészleteinek elemzése A XX. század elejétől a kőolajszármazékokkal hajtott járművek, az energiaigény
kielégítését a nem megújuló energiaforrások irányába tolták el. A napjainkban alkalmazni kívánt energia sokszor nem a hasznosításhoz megfelelő formában van jelen. Ezeket át kell alakítani a nekünk megfelelő alakra. Az átformálás minden esetben kisebb nagyobb veszteségekkel jár. A belsőégésű motorok, a hőerőgépek, a tüzelőanyagok kémiai energiáját mechanikai energiává alakítják. A kezdeti időben a hatásfokuk csak 5-10% volt, de a technika fejlődésével ez 35-42%-ra emelkedett. Ennek a növekvő tendenciának a szerkezeti anyagok mechanikai tulajdonságai szabnak gátat. Az emberek száma a Földön egyre növekszik. Ez az emelkedés növeli az összesített energiafelhasználást, mivel az egy lélekre jutó energiafelhasználás is növekvő tendenciát mutat. Az energiafelhasználás egyben környezetszennyezés. Az energiaforrások is korlátozott mennyiségűek. Ezek a hátrányok teszik kötelezővé az energiával való takarékoskodást, és a megújuló energiaforrások széleskörű kiaknázását.
1. ábra Energiaforrások és az energiafogyasztása A természet számos primer energiaforrást biztosít a számunkra. A primer energiahordozókból átalakított szekunder energiaforrások: gyártott gázok (pl. hidrogén,
4
kohógáz), lepárlási termékek (pl. benzin, gázolaj, koksz), villamos energia, hőhordozók (folyadékok, gőzök) stb. Az elsődleges energiaforrások egyik része a nem megújuló energiaforrások: A Föld külső kérgében véges mennyiségű, és egyszer használható, hosszú geológiai idő alatt képződött fosszilis keletkezésű ásványi anyagok. (szén, szénhidrogének, olajpalák) A nukleáris üzemanyagok is a természetben megtalálható szilárd ásvány-kőzet anyagokat foglalják magukba, viszont legtöbbször feldolgozott, illetve dúsított formában. A geotermikus energiaforrások. Az elsődleges energiaforrások másik nagy csoportja az állandó és időről-időre megújuló energiaforrások: A napenergia, szélenergia, folyóvizek, tengeri áramlatok, hullámzás energiája. A biológiai energiafajták: az izomerő, fotoszintézis, biomassza, mikrobiológiai reakciók. Gravitációs energia: árapály és égitestek vonzása.
2. ábra Egy főre jutó energiafogyasztás alakulása az emberré válás óta A csökkenő mennyiségű fosszilis energiaforrások, a széntartalmú energiahordozók elégetése károsítja a Föld levegőburkát a kezelhetetlen mennyiségű CO2 és sok más származékos anyagok emissziója miatt. Szoros kapcsolatban áll a nagymértékű kibocsájtás, a légszennyezettség, és a népesség jelentős hányadánál tapasztalható egészségügyi negatív irányban történő változás kötött. 5
3 Belsőégésű motorok emissziói A levegőszennyezés, mint nem elhanyagolható fogalom az ipari forradalomtól alakult ki a Földön. A fosszilis energiahordozók felhasználása nemcsak olcsó energiát adott az embereknek, hanem az emberi környezet nagyobb terhelését is jelenti. Az életterünk egyre növekvő terhelése hatással van ivóvizünk tisztaságára, és a föld szennyezésére.
3.1 A közlekedés környezeti hatása Az erőműi villamos energiatermelés után a másik legjelentősebb környezetkárosító hatású „ipar” a közlekedés. A személy- és tehergépjárművek számának egyre nagyobb emelkedése növeli a környezetszennyezést. Emiatt a kormányok, és nemzetközi egyesülések emisszió maximumot előíró un. normákat hoznak létre. Ma már az új gépjárműveknek egyre fokozottabban korlátolt kibocsájtási előírásoknak kell megfelelni. Az utakon nem csak új járművek vannak, hanem 20-25 éves, vagy akár idősebbek is. Ezek kibocsájtásai még a gyárból kigördülve is jóval meghaladták a mai normákat. A magyar gépjárműpark elöregedett. 1. táblázat: A károsanyag emisszió megoszlása kibocsátási területenként az Egyesült Államokban [1] millió tonna/év közlekedés személyautók könnyű tehergk. nehéz tehergk. motorkerékpárok légi járművek vasút
CH
CO
NO2
SOx
részecske
3,0 1,0 0,7 0,1 0,2 0,2
28,0 8,2 9,8 0,1 1,0 0,2
3,4 1,2 3,3 0,0 0,1 0,7
0,1 0,1 0,3 0,0 0,1
0,5 0,2 0,4 0,1 0,0
hajók
0,4
1,4
0,2
0,2
0,0
egyéb
0,5
4,4
0,9
0,1
0,1
közlekedés összesen
6,1
53,1
9,8
0,9
1,3
áramtermelés
0,0
0,3
6,2
14,3
1,0
ipari energia háztartás, kereskedelem ipari műveletek szemét égetés egyéb összesen közlekedés %-a
0,1 1,9 7,1 0,6 2,4 18,2 33,5
0,5 5,8 4,8 2,1 6,8 73,4 72,3
2,7 0,7 0,6 0,1 0,2 20,3 48,2
2,3 0,8 3,1 0,0 0,0 21,4 4,2
0,4 1,0 2,4 1,0 1,0 8,1 16,0
6
3.2 A kibocsájtott gázkeverékek összetétele Az égéstermékek összetétele különbözik a más körülmények között elégetett motorhajtóanyagok
összetételétől.
Ennek
oka,
hogy
a
motorban
speciális
égéskörülmények vannak. A kipufogógázban kb. kétszáz féle összetevő mutatható ki, melyek közül számos csak egyes üzemállapotban van jelen. Az alkotóelemek közül csak az oxigén, a nitrogén, és a vízgőz nem okoz károkat a környezetben. A többi kisebbnagyobb mértékben terheli a környezetet. A vizsgálatok kimutatták, hogy ezeknek a szennyezőknek egy része mérgező és néhány az emberi szervezetbe kerülve akár rákos daganatokat is okozhat. A kipufogógáz összetétele több tényezőtől függ: motortípustól (Otto-motor, dízelmotor, kettő-, vagy négyütemű), a motor szerkezeti kialakításától, az égéstértől, a motor beállításától, az üzemi állapotától, a levegőszűréstől, a hajtóanyag összetételétől, a kenőolaj-fogyasztásától
és
összetételétől,
az
alkalmazott
kipufogógáz
tisztító
berendezéstől, stb. Az Otto- és dízelmotorok kipufogógázaiban ugyanazon főbb káros anyagok analizálhatóak. 3. táblázat: Benzin- és dízelmotorok kibocsátási aránya [1] benzinmotor [tf%] 74-76 0,1-2,8 1 3-6 5-11 0,5-10 0,5-3 0,01
kipufogógáz jellegzetes összetevői N2 O2 H2 H2O CO2 CO NOx SO2
(nitrogén) (oxigén) (hidrogén) (víz) (szén-dioxid) (szén-monoxid) (nitrogén-oxid) (kén-dioxid)
dízelmotor [tf%] 75-78 2-14 0,5-6 1-6 0,1-2 0,2-5 0,01
A legnagyobb részben jelenlévő nitrogén nem szennyezőanyag, már azért sem, mert az égéstérbe bejuttatott levegő 78%-a is nitrogén. Nagy jelentőségű szennyezők viszont az üvegházhatást okozó úgynevezett üvegházgázok a szén-dioxid és szénmonoxid. Ugyancsak fontosak a savas esőt okozó kén-dioxidok, nitrogén-oxidok és a sósavgáz. Egyéb szennyezőanyagok például a szénhidrogének, a benzol és az aldehidek.
7
4
Etanol felhasználási módok Otto-motorban Etanolt üzemanyagként Otto-motorban három féle módon alkalmaznak: ETBE (etil-
tercier-butil-éter)-ként, mint oktánszámnövelő adalékanyagként. Az etanolt tisztán motorhajtóanyagként való alkalmazásához a belsőégésű-motort részben át kell alakítani. Az etanol energiatartalma kisebb, mint a benziné. Víztartalma miatt korrózió előidéző hatása is van. Brazíliában már elterjedtek a tisztán alkohollal működő gépjárművek, a járműpark több mint fele ezzel a hajtóanyaggal működik. Az E 100-ra (tiszta alkohol tartalmú üzemanyag) európai előírások még nincsenek. Az etanol már kisadagú benzinhez adalékolva is nagymértékben növeli a motor üzemi tulajdonságait. Átalakítás nélkül működtethető az a motor, ami kis alkoholtartalmú keverékkel működik. A kísérletek azt mutatják, hogy a 10%-os etanol tartalmú tüzelőanyag kedvező tulajdonságokkal rendelkezik. A kémiai aktivitása és a víztűrése is kedvező. Az átlagos üzemeltetési feltételek mellett még -34°C külső hőmérsékletnél sem alakult ki szételegyedés, melyet a 2 éves kísérleti ciklus alapján lehet kijelenteni. Nagyon jó hidegindítási tulajdonságai vannak, 37°C felett gőzzár képződési problémák sem jelentkeztek, és 1500 m tengerszint feletti magasság felett sem. Összegezve elmondható, hogy a 10% etanolt tartalmazó keverék elterjedését alkalmazástechnikai problémák nem akadályozzák. Megemlítendő, hogy Nyugat-Európában az alkohol-hozzákeverést a benzinhez 5%-ban korlátozzák, pedig az USA-ban a 10%-os keverékkel a gépjárművek problémamentesen üzemelnek. A magas etanol keverési arány mellett már a motort bizonyos mértékben át kell alakítani, a megfelelő üzemelés érdekében. Ez az átalakítás hozzáillő motorbeállításokból, és bizonyos szerkezeti anyagok kicseréléséből tevődik össze. Benzinnel csak a vízmentes etanol keveredik korlátlanul, ha viszont az alkohol nem vízmentes, akkor megfelelő adalékanyagok hozzáadásával megoldható ez a nehézség. Az E85 (85%etanoltartalmú etanol-benzin keverék) már egyre több országban kapható, például Németországban, Svédországban.
Egyre
több
helyen
tankolhatunk
ilyen
típusú
üzemanyagot
Magyarországon is. Ma hazánkban több mint 100 olyan üzemanyagtöltő állomás van, ahol E85-öt lehet tankolni. Az etanol fűtőértéke 26 779 kJ/kg, ami kétharmada a benzin fűtőértékének. Ha csak ezt a tényezőt vennénk alapul, akkor térfogatra kifejezve nagyobb fogyasztás jönne ki. Az etanol azonban oxigénnövelő hatású, ami az előzővel ellentétes következményű. Ez abban nyilvánul meg, hogy a termikus hatásfok növekszik, ezáltal fogyasztáscsökkenés érhető
8
el. Ezekből az derül ki, ha kismértékben a benzinhez keverjük az etanolt, akkor a fogyasztás elhanyagolható mértékben növekszik csak meg.
3. ábra Motorhajtóanyagok fűtőértéke Az alkoholok elégetéséhez szükséges levegőmennyiség 1.0 légviszonytényezőnél 9.0 kg levegő/kg tüzelőanyag. Az alkohol hidrogénkoncentrációja nagyobb a széntartalmához képest arányait tekintve, mint a benziné, ezért alkalmas szegény keverékű használatra. Ennek az üzemeltetésnek kedvezőbb a hatásfoka, és a káros anyag emisszió is alacsonyabb értékre tevődik. Az etanol optimálisan 1,35 körüli légviszonytényezőnél ég el legoptimálisabban, míg a benzin 1,1-nél.
4. ábra Légviszony és károsanyag-kibocsátás összefüggése benzinnél illetve etanolnál [1] 9
A magasabb légviszonytényező érték nagyobb teljesítményt jelent, ami kompenzálja a fűtőértékből adódó teljesítmény csökkenést. Az etanolnak 1,013 bar nyomáson 904 kJ/kg a párolgáshője, ez sokszorosa a benzin párolgáshőjének. Ebből adódik, a külső keverékképzésű Otto-motorok hidegindítási problémája viszont hűti a tüzelőanyag-levegő keveréket, ami optimalizálja a motor fajlagos teljesítményét.
4.1 Alkalmazástechnikai kérdések Az Etanol felhasználása során sok technikai jellegű problémát kell leküzdeni, mert az alkoholnak másak a kémiai tulajdonságai, mint a benzinnek, vagy a gázolajnak. Ilyen problémák a következők lehetnek: Vízérzékenység A benzin-etalon keverék víztűrőképessége nem jó. A 10%-os etanol tartalmú hajtóanyagban már 0,5% víztartalom is fázisszétválasztást eredményez hideg időben. A szétválás azt jelenti, hogy két réteg alakul ki a tüzelőanyagban, egy alsó alkoholban dús rész, és egy felső alkoholszegény rész. Az alkoholban dús rész motorba jutva sok problémát okozhat. A víz tűrőképesség javításának orvoslásához sokféle lehetőség adódik. Ezeket úgy foglalhatjuk össze, hogy megfelelő adalékokkal megoldható a probléma. A tárolás alkalmával fellépő fázisszétválás ellen a következőket tehetjük: úszófedéllel rendelkező tartály egy második tőmítőszelencével, vagy fix fedéllel ellátva, a lefejtő tartályokhoz úszó-, szívó vezeték készítése. Rugalmas és műanyag alkatrészek károsítása Nagymértékben rongálja az etalon azokat az anyagokat, amelyekből a tömlők, tömítések, ragasztók készülnek. Ennek a problémának a kiküszöbölésére, csak a megfelelő anyagválasztás jelenthet megoldást. Illékonyság Az etalon illékonysága, azt eredményezi, hogy a visszavezető vezetékben és a gyűjtőcsatornában a buborékképződés megnő. Ez hátráltatja a szállítás egyenletességét, ami a motor teljesítményének a csökkenéséhez vezet. Korróziós hatás A vízrendszerbe kerülésének szekunder hatása fémek korrodálását okozza. A legnagyobb káros hatásnak a következő fémek vannak kitéve: magnézium, ón, horgany, sárgaréz, és a benzintartályt belülről borító ón-ólom ötvözet.
10
Rossz kenőképesség Az etalonnal való üzemeltetéskor a kenés az ólmozatlan benzin használatakor létrejövő kenésnek felel meg. Romlik az adagoló, a henger, a dugattyúgyűrűk kenése az etanol kisebb viszkozitása miatt. Lerakódási veszély Ebből a szempontból az alkohol nem veszélyes, mert nagyon jó hatásfokkal ég el. A különböző arányú keverékeknél pedig a benzinhez adagolt lerakódás gátlók megoldják ezt a gondot. Eltömítési veszély Ez a probléma csak átalakított motorok esetében jöhet elő, mert itt a feloldott régebbi lerakódások fellazulása nyomán jöhetnek létre eltömődés okozta üzemzavarok. A megoldást az ilyen jellegű nehézségre hajlamos alkatrészek cseréje jelenti. Üzemanyag disztribúciós hálózatban szükséges változtatások Mint már említettem, tároláskor fázisszétválás alakulhat ki. A tartályok falán keresztüli diffundáció megszüntetésére duplafalú tartályokat alkalmazunk.
5
Flex-fuel rendszer A manapság megkövetelt szén-dioxid kibocsátás csökkenés miatt az alternatív
hajtóanyagok, a hagyományos üzemanyagok versenytársaivá váltak. Az Ottó-motorok üzemeltetésére a legjobb megoldásnak az etanol tartalmú üzemanyagok tűnnek. A rugalmas üzemanyag-felhasználású etanolmotoros jármű olyan rugalmas üzemanyagfelhasználású gépjármű, amely benzinnel, vagy legfeljebb 85 % etanolt tartalmazó benzin/etanol keverékkel (E85) működik. Az etanol megújuló energiaforrásnak tekinthető.
A Bosch cég az említett üzemanyagfajta terén felhalmozott tudásának
köszönhetően nem csupán a motorvezérlés és az ahhoz kapcsolódó minden egyéb komponens beszállítójaként, hanem fejlesztési partnerként is ügyfelei rendelkezésére áll. Az egyre szűkülő fosszilis energiaforrások és a megkívánt szén-dioxid kibocsátás csökkenés megköveteli bizonyos hajtáselképzelések átgondolását. Az emelkedő olajár egyre gazdaságosabbá teszi az alternatív energiát, és tudatosítja, hogy a fenntartható mobilitáshoz megfelelő energiabázis szükséges. A fejlődés középpontjában a belsőégésű motorok további optimalizálása áll, például a benzin közvetlen befecskendezése, amely méretcsökkenést tesz lehetővé ugyanolyan teljesítmény leadás mellett. A hajtásrendszer továbbfejlesztése
a
jármű
belsőhatásfokának 11
növelése
céljából
intelligens
hajtásvezérléssel és végül a hibriddé alakítás. Ezeknél a koncepcióknál nem szabad átsiklani azon, hogy a belső égésű motor további fejlődését az üzemanyag minőségi változása jelentheti. A klasszikus belsőégésű motorok tervezésénél a károsanyagkibocsátás csökkentése és a hatásfok növelése marad az alapvető elv. Az alternatív üzemanyagok a mobilizáció jövőbeli biztosításának egy kulcsa lehet. Brazília mellett, ahol már 30 éve bevezették üzemanyagként az etanolt, és itt E24 és E100 formában a járműpark 50%-a üzemel, Európa és az USA is erős aktivitást mutat, ám itt az E85üzemanyagot támogatják. Az olajimport időbeli függetlenedése és a manapság köztudatban is egyre előre tört klímaváltozás koncepciója miatt, az USA elnöke aláírta az US. Energy Policiy Act of 2005 nyilatkozatot. Ez az etanoltermelés nagyfokú kiépítését veszi tervbe és az ehhez kacsolódó infrastruktúra megvalósítását államilag támogatja. A brazil motor gyártók az erőforrások kompresszió tartományát megnövelték, mivel itt a benzin általánosan legalább 24 % etanolt tartalmaz és ez magasabb üzemagyag oktánszámhoz vezet.
5. ábra A gőznyomás hőmérsékletbeli lefutása különböző hajtóanyagok esetén 4. táblázat: Az E100, E85 és S98 főbb adatai [9]. S98
E85 I
E85 III
Alkoholtartalom [Vol %]
<5
~79
~70
Alsó fűtőérték [MJ/kg]
~42,5
29,1
31,5
Levegőigény [-]
14,8
9,8
10,7
Párolgási entalpia [kJ/kg]
~370
~800
~680
Oktánszám (RON)
98
Forrási hőmérséklet [°C]
25…215
~109 25-78215
~106 25-78215
12
A 5. ábrán és a 4. táblázatban az E85 fontosabb tulajdonságai láthatók és a hozzá tartozó gőznyomásvonalak a benzin összehasonlításában. Az E85-ös üzemanyagoknak manapság megfelelőnek kell lenniük, nyáron és télen is, hogy a sűrítési nyomás a jármű hidegindításához megfelelő legyen. A továbbiakban az alábbi jelölések használandók: Class I nyári- és a Class III a téli- üzemanyag-variáció. Ezek a NAFTA ASNT 5798-99 szabványában vannak leírva. A motorikus teljesítőképesség magas oktánszámban és magas sűrítési entalpiában mutatkozik meg. Az alacsony gőznyomás, részleges egyedi forráspont, és alacsony energiatartalom kihívás elé állítja a rendszer tervezőit. Elsődlegesen az üzemanyag-vezető alkatrészeket kell hozzá illeszteni az E85-ös üzemeltetéshez. Az üzemanyagtartály anyagválasztása, vezetékei és összekötők mellett vannak speciális üzemanyag-szállító összetevők is. Ezeket az E85-ös üzemhez kell idomítani, mint például elektronikus üzemanyag-szivattyú, befecskendező szelepek (közvetlen, hagyományos szívócsöves befecskendezők), magas nyomású szivattyú (közvetlen befecskendezésnél) és etanol tartalomhoz megfelelő gyújtógyertyák. A motorvezérlés optimális paraméterei az aktuális benzin/etanol keverék arányából származik, mely kétféle módon állapítható meg: egy etanol-szenzor segítségével, vagy egy úgynevezett virtuális szenzor, ami az említett mértéket egy szoftver segítségével állapítja meg. Az, hogy a két lehetőség közül melyik alkalmazható, az elérhető keverékarány minősége mellett a költséghatékonyság határozza meg. Az alternatívák közül a szoftveres megoldás tűnik kedvezőbbnek. Az E85 tulajdonságai arra utalnak, hogy a közvetlen befecskendezés és a turbófeltöltő kombinációja speciális lehetőséget kínál. Az eddigi kísérleti eredmények azt mutatják, hogy az E85-ös és a normál benzines üzemeknél a hidegindításban van különbség.
6
SAAB Flex-fuel gépjármű bemutatása Ez a jármű az úgynevezett Flex-fuel (kettős üzemű) járművek csoportjába tarozik.
Nem csak hagyományos motorbenzinnel, hanem bioetanollal is üzemeltethető. Meghajtására nem tiszta bioetanolt kell tankolni, hanem E85-ös benzin-bioetanol keveréket. Ez az üzemanyag 85% bioetanolt és 15% hagyományos motorbenzint tartalmaz. Az etanol más néven etilalkohol. Azonos típusú, azzal az alkohollal, amit pl. a borban, sörben, vagy vodkában találhatunk. Kevésbé illékony, mint a benzin. Vezeti az áramot és keverhető vízzel, vagy benzinnel is. A fagypontja: -144 0C, forráspontja: +78 0C. Az 13
etanol sűrűsége kissé nagyobb, mint a benziné (benzin (RON 95): 0,74 kg/l, az etanol: 0,789 kg/l). Az alkohol energiatartalma kisebb, mint a benziné (benzin: 33,1 MJ/l, etanol: 23,7 MJ/l). Az E85 a legelterjedtebb keverék, színe piros. Az E85 mint üzemanyag ideális Ottó-motorok számára, és nagy teljesítmény leadására. Az E85 üzemanyag oktánszáma 104 (RON). Alkalmazása során magasabb turbónyomás érhető el, a kopogásos égés veszélye nélkül. Nagy motorterhelés esetén csökkenthető az üzemanyagdúsítás aránya. Az alacsonyabb kipufogógáz hőmérséklet a turbómotoroknál különösen pozitív hatású. Az etanol párolgása magasabb hőelvonással jár, mely alacsonyabb hőmérsékletű beszívott levegőt és magasabb levegősűrűséget eredményez. Fontos, hogy az etanolnak alacsonyabb az energiatartalma, ezért több üzemanyagra van szükség. Az elméleti számítások szerint 30%-os üzemanyagtöbbletre van szükség az ugyanolyan minőségű égéshez, ám ez terheléstől függően változik. Az E85 agresszívebb a műanyag, gumi és fém alkatrészekkel szemben. A vízzel keveredik, és a jobb elektromos vezetési tulajdonsága miatt nagyobb az esély a korrózió kialakulására.
6. ábra BioPower átalakítás Az E85 üzemanyag nagyon tisztán ég. Benzinhez viszonyítva a koromképződés a dugattyún és az égéstérben jelentéktelen. Fontos megemlíteni, hogy milyen átalakítások szükségesek etanol használatához (6. ábra). Ez az átalakított autó üzemeltethető legalább 91 (RON) oktánszámú benzinnel, E85-el, vagy az előzőek bármilyen arányú keverékével. Az etanol jellemzőinek nagymértékű különbségei miatt számos motor, és üzemanyagellátó rendszer elemét ki kell cserélni. Az üzemanyagtartályt vastagabb falúra kell cserélni. Ez az etanol magasabb illékonysága miatt szükséges. Az üzemanyag-vezetékeket, az üzemanyag-szivattyút, az 14
üzemanyag nyomásszabályzót, a szívószelepet, a szívó- és kipufogó-szelepülést etanolállóra kell cserélni. Az üzemanyag-vezetékeket sok esetben a gyár nem csak etanol-állóra, hanem vastagabb falúra is cseréli, a párolgásból adódó veszteségek mérséklésére. A gyújtógyertyát is etanol használathoz alkalmasra kell módosítani. A hidegindítási problémák miatt a SAAB minden bioetanollal üzemelő járművébe elektromos motorfűtést szerel. Mindezek mellett a motorvezérlő elektronikát is át kell alakítani. A motorvezérlő rendszer saját maga kalkulálja az üzemanyagtartály etanol tartalmát, és számos paramétert ehhez állít be a motor optimális működéséhez. Ez az adaptáció a tankolást követően automatikus. Javítást, alkatrészcserét követően a szerviz manuálisan is képes a keverési arányt beállítani. A Saab BioPower motorok esetén nem szükséges újabb szenzor a keverési arány meghatározására, ezt a λ-szonda jel alapján kalkulálja a motormenedzsment. Az adaptáció a következő esetekben automatikus:
Az üzemanyagszint magasabb az utolsó gyújtáskikapcsolása óta.
A gépjármű álló helyzetében az üzemanyag szint növekedett (minimum 1,5 perc időtartam alatt gyújtáson)
Az üzemanyag szintje kevesebb, mint 8 liter, és a λ-szonda jele +/- 10%-nál jobban eltér.
A hibakód törlésekor.
A teljesítményre illetve a nyomatékra is hatással van az etanol tartalom. A motor maximális teljesítménye és nyomatéka változik az aktuális etanol koncentráció függvényében. A motorvezérlés rögzített memóriatáblája magasabb etanol tartalom esetén nagyobb nyomatékot és teljesítményt enged. 0-5% etanol koncentráció esetén a benzines tábla, 8085% etanol tartalom esetén az etanol tábla az érvényes. 5-80% etanol adaptáció esetén e két tábla között változik. +550C motorhőmérséklet alatt a motor nyomatéka alacsonyabb értéken korlátozott az etanol gyengébb párolgási tulajdonsága miatt. A hideg motor indítása alacsony külső hőmérséklet esetén az etanol rosszabb párolgási tulajdonságából adódóan nehezebb. Az E85 üzemanyag használatával -10°C-ig indítható a motor. E hőmérséklet alatt elektromos motorfűtés használata indokolt. Ha ez nem megoldható, akkor a benzin koncentrációját kell növelni az üzemanyagtartályban. E85 használata esetén az indítózás időtartama hosszabb hideg motornál, mint benzin esetén. 0°C hőmérséklet felett az indítózás időtartama nagyjából azonos, kevesebb, mint 1
15
másodperc, -10°C esetén 1,5-2 másodperc. Az elektromos motormelegítő használatával gond nélkül indítható -25°C-ig. A nagyobb igénybevétel miatt a gyújtógyertyák cseréje 30.000 km-enként esedékes. A motorolaj és az olajszűrő cseréjét 15.000 km-enként kell megoldani, ennek oka a hideg motor esetén kicsapódó üzemanyag.
7
Mérések SAAB Biopower személygépkocsin Méréseimhez egy SAAB 2.0t Biopower típusú gépjárművet használtam. Az autó az
úgynevezett flex-fuel járművek csoportjába tarozik. Az általam mért erőforrást a 5. táblázatban mutatom be. 5. táblázat Saab 2.0t Biopower személygépkocsi gyári adatai [13] 2.0t Biopower 200LE E85/Benzines motor Gyújtás/ üzemanyag befecskendezés Lökettérfogat (cm3) Furat/Löket (mm) Sűrítési arány Max. turbónyomás (bar) Max. teljesítmény (Benzin) Max. nyomaték (Benzin) Max. teljesítmény (E85) Max. nyomaték (E85) Ajánlott üzemanyag (oktánszám) Max. sebesség (km/h) Gyorsulás 0-100km/h 60-100km/h negyedik sebességben 80-120km/h ötödik sebességben Fogyasztás (l/100km)* CO2 kibocsátás (g/km)
Soros négyhengeres, alumínium hengerfejek és blokk. Kétfokozatú turbófeltöltő töltőlevegő-hűtéssel. DOHC, 16 szelep. Kiegyenlítő tengely. Saab Trionic 8 motorvezérlő elektronika. Gyújtásvezérlés. Közvetlen, hengerenkénti befecskendezés. 1998 86 / 86 9.5:1 1.2 129kW (175LE) 5500-as percenkénti fordulatszámon 256Nm 2500-4000-es percenkénti fordulatszámon 147kW (200LE) 5500-as percenkénti fordulatszámon 300Nm 2500 - 4000-es percenkénti fordulatszámon 95 (minimum 91)/E85 Manuális hatsebességes (M6) 230; M6 7.9s M6 7.3s M6 10.0s M6 11.1/6.0/7.9; M6 264/144/189;
*Városi/országúti/vegyes használatban, az 1999/100 uniós direktíva szerint. Nincsenek hivatalos adatok az E85-re vonatkozóan, így a számok benzines használatra vonatkoznak.
16
7.1 A teljesítménymérés
7.1.1 Alapadatok, mérés menete A teljesítménymérést a Szent István Egyetem egyik laborjában egy görgős teljesítménymérő próbapadon lett elvégezve. Az adatgyűjtés előtt a jármű átvizsgálását a Saab munkatársai elvégezték. A mérés előtti lépések:
Beállás a próbapadra.
A jármű rögzítése.
A motor hűtését szolgáló ventilátor beállítása.
A kipufogógáz elszívó rendszer aktiválása.
Mindezek elvégzése után megkezdődött a mérés. 7.1.2 A görgős teljesítménymérő próbapad rövid ismertetése Mechanikai adatok a következők: a mérőgörgők átmérője 0,403 m; maximális tengelyterhelés 20kN; maximális vizsgálati sebesség 204 km/h; fékgép maximális fordulatszáma 4000 1/perc; mérőgörgők szélessége 700 mm. Fontos megjegyezni, hogy a fékpad 1 perces maximális teljesítménye 300 kW.
7.1.3 Mérési eredmények A mérési eredményeket az átláthatóság miatt táblázatban mutatom be. A Benzinnel hajtott üzemben mért adatokat a 6. táblázat tartalmazza. Az E85-ös mérési eredményeket a 7. táblázat tartalmazza. Mindkét táblázat az aktuális sebességet km/h-ban, a motor fékpad által számított fordulatszámát 1/perc-ben, a motor nyomatékát Nm-ben, és a motor teljesítményét kW-ban. A motor teljesítménye tartalmazza a különböző veszteségeket. Ez tehát nem effektív motorteljesítmény, amit a specifikációk megadnak.
17
6. táblázat: Benzines üzemben a mért értékek. v (km/h) nmotor (1/perc) 1 141,2 2 134,4 3 129,5 4 125,2 5 120,1 6 114,1 7 109,7 8 105,1 9 100,0 10 93,8 11 89,2 12 83,7 13 78,8 Látható, hogy a két táblázat adatainál a
Mmotor(Nm) Pmotor(kW) 4591 197,7 102,02 4369 222,9 102,40 4209 219,0 97,28 4069 223,5 97,82 3903 232,7 94,00 3708 233,6 91,50 3564 228,9 86,34 3415 238,7 85,23 3249 246,9 83,88 3049 247,4 79,67 2899 245,2 74,37 2720 250,3 71,30 2561 243,7 67,70 sebesség, és fordulatszámok csak igen kis
mértékben térnek el. Ennek az oka az, hogy ugyanazon a járművön, és ugyanazon a próbapadon lettek a mérések elvégezve. 7. táblázat: Etanolos üzemben a mért értékek. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
v (km/h) 140,6 134,9 130,5 125,7 120,0 115,1 109,6 104,9 99,8 94,6 89,1 84,2 79,4
nmotor(1/perc) 4571 4385 4242 4085 3900 3741 3561 3409 3243 3075 2896 2736 2580
18
Mmotor(Nm) 235,3 246,1 246,1 256,9 258,6 265,4 263,1 271,3 273,8 274,3 271,8 275 276,9
Pmotor(kW) 112,61 113,02 109,30 109,91 105,62 103,98 98,11 96,85 92,99 88,33 82,45 78,79 74,81
7.1.4 Mérés kiértékelés A kiértékelés során a kapott eredményeket összevetettem a gyár által kiadott adatokkal. Ennek oka egyrészt, hogy összehasonlítsam, mennyi veszteség adódik a motor és a mérőgörgők közötti kapcsolatokból, másrészt hogy megtudjam mennyi a tényleges eltérés az E85-ös és a normál benzines üzem között. A 7. ábrán a gyár által közölt adatokat szemléltetem. Az „x” tengelyen a fordulatszámot 1/percben, az első „y” tengelyen a teljesítményt kW-ban, a második „y” tengelyen pedig a nyomatékot Nm-ben szemléltetem.
7. ábra Gyári BioPower teljesítmény és nyomaték görbék
A 7. ábrán az általam vizsgált motor teljesítménye és nyomatéka látható benzines és etanolos üzemmódban. Jól látható, hogy a maximális teljesítmény 13%-al a maximális nyomaték 12%-al tér el az E85 használata esetén a benzineshez képest az etanolos üzem javára. Az itt látható diagramot a SAAB magyarországi importőr szervezetétől kapott adatok alapján szerkesztettem. Megfigyelhető az ábrán egy sötét sáv, ezt azért tüntettem így fel, mert a mérésem során ez lesz a mérési tartomány. A mérésem intervalluma az általam használt mérőgéptől függ.
19
8. ábra E85 mért eredmények és gyári adatok összevetése
A 8. ábrán a benzines mérésemet hasonlítottam a gyár által rendelkezésemre bocsátott benzines adatokkal, 9. ábrán pedig az E85-ös mérésemet vetettem össze a gyári E85-ös adatokkal. Ezt azért végeztem, hogy a jármű egyéb motor, és hajtás veszteségeiről képet kapjak. Az ábrán jól látható az eltérés. Nagyságát meghatároztam számítással. Azt tapasztaltam, hogy a benzines üzemben a motor teljesítményének 19%-a elveszik a különböző veszteségekből. A motor által leadott nyomaték 14%-a nem hasznosul.
20
9. ábra Benzin mért értékek összevetése a gyári adatokkal
10. ábra A mért adatok összevetése (E85, Benzin)
21
A 10. ábrán a lefolytatott mérés eredményeit ábrázoltam diagramon, hogy megvizsgáljam, milyen különbség van ténylegesen az E85, és benzin használata esetén Ottó-motorban. Látható, hogy a görbék a szakirodalomnak, és a gyár adatainak megfelelően alakultak. Sikeres volt annak a megállapítása, hogy a SAAB BioPower motorja E85-el magasabb teljesítményre, és nyomatékra képes. Ez a teljesítmény és nyomatéknövekedés a megnövelt turbófeltöltő nyomásából adódik. Az alkohol nagyobb oktánszáma (RON) miatt nagyobb az elérhető/megengedhető turbónyomás. Mivel az etanol párolgása nagyobb, mint a benziné, ezért a befecskendezett üzemanyag-levegő keverék hőmérséklete alacsonyabb. Ez teszi lehetővé, a magasabb turbónyomást a motor károsodása
nélkül.
A
mérési
eredmények
azt
igazolták,
hogy
12%-os
a
teljesítménynövekedés etanolos üzemben. Valamint kiderült, hogy a nyomatéknövekedés 15%. Ha ezt összevetjük az etalonként kezelt gyári adatokkal és azzal a ténnyel, hogy nem sikerült a teljes gyári intervallumon mérni, akkor láthatjuk, az eltérés csekély, tehát valós a gyár által közölt tény.
8
Összefoglalás Napjainkban jelentős probléma az üvegházhatás. Kialakulásának egyik elsődleges
okozója
a
közlekedés.
Ezen
belül
a
közúti
gépjárművek
kibocsátásai
a
legmeghatározóbbak a környezetterhelés szempontjából. A Föld gépjárműállománya nagyban függ a fosszilis energiahordozóktól. A kőolajkészletek végesek, a tartalékok előreláthatólag 50 éven belül kimerülnek. A mobilitás fenntartásához elengedhetetlen új alternatívák keresése a nem megújuló energiaforrások kiváltására. A szakirodalmak áttekintésével és az általam végzett összehasonlítás, illetve mérések alátámasztották azt a tényt, hogy a bioetanol egy megfelelő alternatívát jelent Ottómotorok hajtására.
22
Irodalomjegyzék 1. DR. EMŐD I, TÖLGYESI Z., ZÖLDY M..: Alternatív járműhajtások Budapest: Maróti Könyvkereskedés és Kiadó KFT, 2006. 2. DR. EMŐD I.: Alkohol hajtóanyag alkalmazása Otto-motorokban. Megbízó: Győri Olajipari Rt. 1-20. 1995. 3. DR. HANCSÓK J.: Korszerű motor és sugárhajtómű üzemanyagok III. Alternatív motorhajtóanyagok Veszprém: Veszprémi Egyetemi Kiadó, 2004. 4. DR. HANCSÓK J.:I. Környezetbarát motorbenzinek és dízelgázolajok Ökológia, Regionalitás, Vidékfejlesztés Nemzetközi Nyári Egyetem és Workshop Százhalombatta, 2008. 5. HANCSÓK J., DR. LAKATOS I., VALASEK I.: Üzemanyagok és felhasználásuk Budapest:Tribotechnik KFT, 1998. 6. KOVÁCS A.: Alternatív üzemanyagok In.:Csináljuk jól!, Budapest: Energia Központ Kht., 1999. 7. Rendszeres Környezetvédelmi Felülvizsgálat. Dr. PAÁR I. et.al.: Budapest: Közlekedéstudományi Intézet Kht, 2005. 8. Anton F., Johannes B.: Ethanol Sensors for Flex Fuel Operation. In:Motortechnische Zeitschrift, 2008.,9.sz., p.732-735. 9. Klaus B. et.al.: Flexfuel Systems for Gasoline Direct Injection Engines In: Motortechnische Zeitschrift, 2007.,8.sz, p.592-598. 10. http://www.hik.hu 11. http://www.ebpower.eu 12. http://www. saab.hu 13. http://www.saab.com 14. http://www.epa.oszk.hu/00600/00691/00015/03.html 15. http://forestpress.hu/jie_hu/index.php?option=com_content&task=view&id=9978 &Itemid=34 16. http://www.nonfood.bme.hu/research01.html
23
