motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME

Megújuló tüzel anyagok felhasználása bels égés motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME

Tartalom: • El zmények, várható trendek, követelmények • Bioetanol el állítása energetikai mutatók • Otto-motoros trendek, bioetanol felhasználási módszerek, átalakítási igények • Bioetanol Diesel-motoros felhasználása • Növényi olajok el állítása energetikai mutatók • Diesel-motoros trendek, növényi olaj felhasználás • Biodízel • Biogázok, felhasználások • EU-s fejlesztési tervek

Négyütem motor (1876)

Nicolaus Otto Felhasznált üzemanyag: (Gáz) Alkohol ! N. Otto: H. Ford:

1877 1880

Kompressziógyújtású motor (1892)

Rudolf C. Karl Diesel Felhasznált üzemanyag: mogyoróolaj !

Világ primer energia felhasználása

SHELL

Korszer motorokkal szemben támasztott igény: • Teljesítmény növelése • Hatásfok növelése • Károsanyag kibocsátás csökkentése Emisszió CO2

Hatásfok

CO CxHy NOx

Teljesítmény

Károsanyag emisszió komponensek és hatásaik; NOx • Nitrogén-monoxid- NO: Színtelen gáz, a leveg ben NO2-vé oxidálódik. • Nitrogén-dioxid - NO2: Vörösesbarna szúrós szagú gáz, • Dinitrogén-oxid - N2O: Színtelen édeskés szagú és íz , narkózist okozó nem toxikus gáz. NO, NO2 mérgez gázok, tüd vizeny t, a b rön égési sérüléseket (NO2), illetve a növényeknél reverzibilis fotoszintézis csökkenést és szövetelhalást okozhatnak. Továbbá szerepet játszanak a savas es kben is.

• CO

-színtelen, szagtalan, mérgez gáz. Az emberi szervezetben irreverzibilis károsodást okozhat, mivel a hemoglobinhoz ~200-szor jobban köt dik mit az oxigén, vagy a széndioxid, ezzel megakadályozza a hemoglobin CO2-O2 cseréjét. A vér karboxihemoglobin (CO-Hb) szintje 1% alatt elfogadható, azonban 10% felett már halálos is lehet.

• THC

–Total HidroCarbon, (CxHy): színtelen, egyes komponensei gyenge szaghatásúak (parafinok), az aromás komponensek kellemetlen szaghatásúak jelent s rákkelt k. Alapvet en szmogkelt , illetve üvegházhatásúak, els sorban a metán (CH4), ami a CO2-nél négyszer er teljesebb üvegházhatású gáz.

Emisszió csökkent& eljárások • Az emisszió értéke csökkenthet : a motor elött tüzel anyag

magában a motorban és konstrukció EGR légfelesleg

a motor után (szekunder eljárások) 3 utas katalizátor oxidációs katalizátor egyéb katalizátorok

CO2 kibocsátás csökkentése I. • Hatásfok növelése 80% 70%

30% 20% 10%

Diesel-motorok

40%

Kopogási határ

50%

Otto-motorok

elm.

60%

0%

0

5

10

15

20

25

30

CO2 kibocsátás csökkentése II. • Megújuló tüzel anyagok alkalmazása CO2

Biofuels

CO2

Fuel fossil

További el nyök: • • • • •

Munkahely teremtés és megörzés Parlagoltatás elkerülése Függ ség csökkentése Biztos mez gazdasági felvev piac …..

Megújuló energia hordozók fajták:

• Szilárd tüzel&anyagok • Cseppfolyós tüzel&anyagok • Gáz tüzel&anyagok (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 tüzel anyagok: • Származási hely: növényi eredet állati eredet zsírok és olajok

• Energia hordozók szerint: alkoholok olajok, zsírok észterek Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

Bioalkohol el állítása

Bioalkohol el állítása • Cukor kivonása és fermentáció • Keményít hidrolízise és fermentáció • Cellulóz hidrolízise és fermentáció

Energiagazdálkodási Kézikönyv: a biomassza energetikai hasznosítása

Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok

Alkohol el állítás Cukorrépából feldolgozás

trágya

mez gazdaság

alkohol

biogáz szeszmoslék


Alkohol el állítás búzából (keményít feldolgozás

)

szeszmoslék mez gazdaság biogáz

alkohol

szalma


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

2,0

milliárd liter

Bekeverhet ség

5

%

Termés átlag

3000

l/ha

Szükséges terület:

63*

eha (630 Km2)

• F t érték egyenértékben számolva ! (Magyarország 93000 Km2)

A bioetanol-termelés mez gazdasági hatásai

Dr. Bai Attila: A bioetanol-el állítás gazdasági kérdései, AGRÁRTUDOMÁNYI KÖZLEMÉNYEK, 2004/14.

Bioetanol el állítása • Energetikailag a komplex rendszerek lehetnek rentábilisak • Jelent s szerep várható terményfelesleg felszámolása területén • Jelent s hozamú, akár 4000 l/ha alkohol kinyerési lehet ség • Fontos a Cellulóz hidrolízis fejlesztése

Ottó motoros felhasználás

Hatásfok növelés lehet ségei 80% 70%

30% 20% 10%

Diesel-motorok

40%

Kopogási határ

50%

Otto-motorok

elm.

60%

0%

0

5

10

15

20

25

30

Légfelesleg tényez C8H18 + 12,5 O2 = 8 CO2 + 9 H2O C8H18 + 12,5 (O2 +79/21N2) = 8 CO2 + 9 H2O + 12,5 79/21N2 114 kg C8H18 + 400 kg O2 + 1316,67 kg N2 = 352kgCO2+ 162kgH2O + 1316,67kgN2

1 kg C8H18+ 15,06 kg leveg& = 3,09 kg CO2 + 1,42 kg H2O + 11,55 kg N2

= mvalós/melm = mvalós/B*µlo Elméleti égési leveg& igény

A káros anyagok emissziója a légfelesleg függvényében Otto-motorok gépjárm . 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 ( =1) (NSCR) NOx N2+O2 CO CO2 CxHy H2O+CO2

Oxidációs katalizátor (OCC) CO CO2 CxHy H2O+CO2

Etanol alkalmazása bels&égés7 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 Képlet

Benzin Metanol Etanol C4-C12 CH3OH C2H5OH

E-10 -

E-20 -

E-85 -

MTBE ETBE C5H12O C6H14O

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

Párolgásh [kJ/kg], 20 °C-on

349

1177

839

NA

NA

NA

337

321

F t érték [MJ/kg]

43

19,9

26,7

41,4*

39,7*

29,1

35,1

26,1

Elméleti égési leveg [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

G znyomás [kPa], 38 °C-on

40-85

32

16

NA

NA

NA

54

28

Vezet képesség [µS/m]

25-36

NA

500

NA

NA

NA

NA

NA

S r ség

* - számított adat !

Az alternatív Otto-motor üzemanyagok összehasonlítása II. 120% 1,05 1,00 96% 96%

1,00

1,01

1,02

1,00

92% 92% 82%

82% 80%

80%

0,74

68% 67% 62% 61%

61%

60% 46%

Leveg tömegre vonatkoztazott egyenérték [-]

100%

1,02

100%100%

0,75

0,50

44%

40% F t érték eltérés [%]

0,25

Elméleti égési leveg eltérés [%]

20%

Leveg tömegre vonatkoztazott egyenérték

0%

0,00 Benzin

Metanol

Etanol

E-10

E-20

E-85

MTBE

ETBE

Motor rendszer

Befecskendez rendszer

Befecskendezett dózis benzin és bioetanol tüzel anyag esetén (1024 befecskendezési ütem) befecskendezett tüzelõanyag [mg]

35 benzin etanol

30 25

Korrekció számítás (sürüség, elmlev)

20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

befecskendezés ideje [msec.]

5

6

7

Motorvezérl (ECU) szabályozási felületei Befecskendezési id

Szív ó

tér n

yom

ás

d For

El gyújtás

ám z s t ula

For

dula tszá

m

r é t ó Szív

s á m nyo

Programozható ECU (MOTEC)

Egy mérési pontban végzett optimum keresés eredményei Nyomaték [Nm]

CO [V/V %]

1500rpm, 100% nyomaték(Nm)

2.0 1.6 1.2

57 57 57 57 56 55 55 54

2.8 61 61 61 61 60 59 59

0.8

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

0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 befecskendezési id (ms)

64 65 64 64 63 62 61 60

2.4 2.0 1.6

0.1 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2

1.2

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

0.8

el gyújtás [msec] befecskendezési id [msec]

el gyújtási id (ms)

2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8

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

3.2 562.0 570.0 575.0 582.0 588.0 593.0 599.0 602.0

2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.1

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

2.0 1.6 1.2

4180 4040 3890 3680 3470 3270 3070 2890

4210 4180 4070 3940 3770 3600 3460

3880 3880 3800 3700 3630 3520 3430

0.8

3150 3120 3050 3000 2990 2850 2860

562.0 571.0 576.0 584.0 590.0 598.0 605.0 613.0

0.4 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 befecskendezési id (ms)

2.4 2.0 1.6 1.2 0.8

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

2170 2270 2170 2160 2040 1970 1840

1520 1500 1580 1480 1480 1430 1300 1160

645 660 705 650 690 740 755 750


5.4 5.4

2.8 586.0 594.0 602.0 609.0 616.0 622.0 627.0

2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1

2.4

1800 1570 1270 1070 850 740

1500rpm, 100% fajlagos fogy.[ms/M] (100ms/Nm) Fajlagos fogy.

544.0 550.0 564.0 572.0 578.0 587.0 596.0 605.0

1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9


1500rpm, 100%[°C] T ki(fok C) T kipuf. 3.2

3200 2600

2.8 el gyújtási id (ms)

2.4

50 50 49 47 47 45

3.2

0.1 0.1



2.8

3.2

52 52


3.2

NO [ppm]

1500rpm, 100% NO(ppm)

1500rpm, 100% CO(V/V%)

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

6.5 6.5 6.6 6.6 6.7 6.7 6.9 7.0


Anyag kiválasztási problémák

Vezet képesség

Vezet képesség [µS/m]

Benzin Etanol 25-36 500

Tüzel anyag szivattyú

Az etanol vezet nek tekinthet !!!

Hengerenkénti befecskendezés

Viszkozitási értékek összehasonlítása

Viszkozitás mm²/sec

2,5 Benzin

2

Etanol

1,5 1 0,5 0 0

20

40 H mérséklet [°c]

60

80

A befecskendezés vizsgáló rendszer

Benzin befecskendezése

Etanol befecskendezése

A motor égéstere nyersszeszes mérések el tt és után

FFV (Flex(ibel) Fuel Vehicles)

Könny gépjárm 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


Menet tulajdonságok


Motor átalakítási igény (E-85, E-100) Befecskendezés optimalizálása •Polyamid alkatrészek !

Tüzel anyag nyomásszabályzó •Polyamid alkatrészek !

Ken olaj •Adalékolás

Szívóvezeték •Leveg el melegítése célszer Gyújtás optimalizálása

Járm átalakítási igény (E-85, E-100) Tüzel anyag sz r •Sz r elem •Polyamid alkatrészek !

Tüzel anyag szivattyú •Elektromos szigetelés •Polyamid alkatrészek !

Tüzel anyag tartály szell ztetés •Kisebb g znyomás

Tüzel anyag vezetékek Katalizátor •Alacsonyabb füstgáz h mérséklet •Katalizátor bevonat optimalizálása

Kipufogócs •Felület védelem •Vízg z kondenzáció

Összefoglalás: • E-10, E-20 bekeverésnek els sorban a felhasznált alkatrészek etanol t rés szab gátat • E-85, E-100 – Jelent s beavatkozást igényel a motor szabályzásába – Hidegindítási problémák – Jelent sebb alkatrészek etanol t rési problémák

Etanol alkalmazása Diesel-motorokban • (Bio)Etanol-gázolaj keverékek • (Bio)Etanol-gázolaj emulziók • (Bio) Etanol befecskendezés • Kett s tüzel anyag befecskendezés • (Bio)Etanol-biodízel-gázolaj keverékek

Em d - Tölgyesi – Zöldy: Alternatív járm hajtások

Hatásfok növelés lehet ségei 80% 70%

30% 20% 10%

Diesel-motorok

40%

Kopogási határ

50%

Otto-motorok

elm.

60%

0%

0

5

10

15

20

25

30

Etanol-gázolaj keverékek • Maximum 40%-ig tartható oldatban 0°C h mérséklet felett. • Az etanol nagy vízmegköt 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.


Etanol-gázolaj emulziók • emulzióképz képességét).

alkalmazás

(növelik

a

keverék

vízt r

• igen drágák (az etanol mennyiségével azonos mennyiség emulzióképz szükséges) • csökkenti az NOx kibocsátást, • növekv THC emisszió • CO kibocsátás változatlan • csökken a füstkibocsátás. A • a kénoxid emisszió az etanol részarányának megfelel en csökken


Etanol-gázolaj emulziók mérési eredményei

Em d I. – Pollák I. – Zöldy M.: Megújuló motorhajtóanyagok alkalmazása Magyarországon – etanol-gázolaj emulziók

Etanol befecskendezés/bepárologtatás • • • • •

90-95 % Ethanol ! NOx FSN CO (határérték alatt marad) Peff

• Kett s tüzel anyag rendszer • Átalakítás igény

Kett s tüzel anyagú befecskendezés •

optimális esetben akár a gázolaj 90%-a helyettesíthet etanollal

•

részterhelés esetén a legjobb teljesítmény eléréséhez 50-60% gázolaj helyettesíthet etanollal.

•

lágy alapjáratot biztosít minimális füstölés és részecske kibocsátás mellett.

•

A füstöléshatár kiterjesztése teljesítménynövelést is lehet vé tehet.

•

bonyolult m szaki megoldások,

•

THC, CO emisszió nem változik

•

NOx és a füstölés viszont jelent sen csökkent.


Kett s tüzel anyagú befecskendezés


Növényi eredet olajok

Olajos növény termelési adatai (M.o.) Repce Napraforgó

Szója

Átlag termés

2,03

1,69

1,705 t/ha

Kinyerhet olaj

430

420

400

l/t

Kinyerhet olaj

872,9 709,8

682

l/ha

Nemzetközi adatok 4 - 6 t/ha termés adatra vonatkoznak !

Motorhajtóanyagok kihozatali átlagok

Olaj préslés és sz rés Repceolaj (~35-55 %)


Olaj tisztítás:

sz rés

foszfatid mentesítés

savtalanítás

vízmentesítés

Diesel-motoros technika

motorokban Dr. Bereczky Ákos Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék BME

Recommend Documents