Onderzoek naar strategieën om de NO x -uitstoot te reduceren bij een waterstofverbrandingsmotor

Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep voor Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek Directeur: Prof. Dr. Ir. R. SIERENS

Onderzoek naar strategie¨ en om de N Ox-uitstoot te reduceren bij een waterstofverbrandingsmotor door Jonathan Rollier & David Steen

Promotor: Prof. Dr. Ir. R. SIERENS Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. S. VERHELST en Ir. S. VERSTRAETEN

Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur

Academiejaar 2005–2006

Voorwoord Voor we de lezer loslaten op deze scriptie hadden we graag een aantal mensen bedankt. Zonder hen zou deze scriptie er niet gekomen zijn, zij verdienen dan ook een plaats vooraan deze scriptie. Graag danken we onze promotor, Prof. Dr. Ir. R. Sierens, voor het aanbieden van het onderwerp en het ter beschikking stellen van de proefstand in het laboratorium voor vervoertechniek. De bijstand, deskundige hulp en interesse in de werkzaamheden werden door ons steeds zeer op prijs gesteld. Ook het mogelijk maken van de trip naar het BMW Engineering Center in M¨ unchen werd zeer geapprecieerd. Onze begeleider, Dr. Ir. S. Verhelst, stond steeds paraat wanneer de nood het hoogst was. De weg naar zijn bureau kennen we al van buiten. Een luisterend oor en een belangrijk tipgever. We danken hem nogmaals voor het diner in het hartje van Beieren en de talrijke raadgevingen. Wij danken Ir. S. Verstraeten voor de raadgevingen en intresse. We mochten hem altijd onze problemen voorleggen. Speciale dank aan Dhr. René Janssens, de mechanicaspecialist ter zake. Zijn technische inzichten waren altijd zeer welkom. Wij appreciëren ten zeerste wat hij voor ons en de proefstand gedaan heeft. Zelfs in zeer (over-)drukke tijden en wanneer de situatie soms uitzichtloos was stond hij paraat. Voor elektronicaproblemen konden we altijd bij Dhr. Patrick De Pue terecht. Wij danken hem voor het vele zoekwerk en de realisatie van talrijke oplossingen. Van aardingen leggen tot nazien van encoders, leidingen en aansluitingen, alles gebeurde met de glimlach. Tot slot bedanken we onze ouders voor de zorgen en ondersteuning, onze collega’s voor de goede samenwerking en vrienden voor het aanhoren van onze verhalen en problemen. Ze hebben zeker nog een rondje van ons tegoed!

Jonathan Rollier & David Steen, 22 mei 2006

Toelating tot bruikleen “De auteurs geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.”

Jonathan Rollier, mei 2006

David Steen, mei 2006

Onderzoek naar strategie¨ en om de N Ox-uitstoot te reduceren bij een waterstofverbrandingsmotor door Jonathan Rollier & David Steen Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur Academiejaar 2005–2006 Promotor: Prof. Dr. Ir. R. SIERENS Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. S. VERHELST en Ir. S. VERSTRAETEN Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep voor Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek Directeur: Prof. Dr. Ir. R. SIERENS

Samenvatting Hoofdstuk 1 geeft een algemene inleiding over de waterstof ICE1 en de huidige stand van zaken in het vakgebied. In hoofdstuk 2 bekijken we de proefopstelling van naderbij en wordt dieper ingegaan op de gebruikte meetapparatuur en problemen. Hoofdstuk 3 is de aanloop naar de toekomstige metingen. Hier wordt de aanpassing van de proefstand geschetst. In hoofdstuk 4 worden EGR2 - en arme-mengselwerking besproken. Hoofdstuk 5 beschrijft de simulaties met Lotus Simulation Tools. In hoofdstuk 6 resumeren we de resultaten en worden de conclusies geformuleerd. Als laatste voorzien we enkele toekomstperspectieven.

Trefwoorden ICE, EGR, arme-mengselwerking (lean-burn), waterstof, N Ox , driewegkatalysator (TWC3 ), CO2 1

Internal Combustion Engine Exhaust Gas Recirculation 3 Three Way Catalyst 2

Research on strategies to reduce N Ox emissions on a hydrogen internal combustion engine Jonathan Rollier & David Steen Supervisor(s): Roger Sierens, Sebastian Verhelst Abstract— Hydrogen, smallest element on the Mendeljev table, could be the key to our future energy needs. We will focus on hydrogen as a fuel for internal combustion engines (ICE’s). The authors aim to examine several strategies to reduce N Ox emissions, the only harmful components that can be found in the exhaust gases of hydrogen fueled ICE’s. The effect of external exhaust gas recirculation (EGR) on indicated power output, indicated efficiency and N Ox emissions was examined and compared to lean burn operation. We also experimented with changing ignition timing. To examine which effect unburned hydrogen would have on a Three Way Catalysts (TWC) conversion efficiency, experiments were conducted with EGR while working in fuel-rich conditions (λ ≤ 1). Keywords— Internal Combustion Engine, Exhaust Gas Recirculation, lean-burn, hydrogen, N Ox , Three Way Catalyst, CO2

I. Introduction

H

YDROGEN will most likely be the fuel of the future. The CO2 emissions emitted by today’s gasoline or diesel powered cars have an undeniable effect on global warming. Whether it is used in a fuel cell or burned in an ICE, the use of hydrogen to power a car will not lead to further emissions of CO2 . If hydrogen is produced in a way that no CO2 is emitted, for instance by electrolysis with green electricity, it is possible to ban CO2 from our road transport needs. Within time, hydrogen will probably be used to power fuel cells, but in the immediate future hydrogen fueled ICE’s make a lot more sense. Fuel cells are, for the moment, too expensive and too heavy to use in cars. The step from cars running on gasoline to cars working on hydrogen is far more realistic. Hydrogen is a very interesting fuel when it comes to load control. The high flame speeds of hydrogen mixtures and its wide flammability limits permit very lean operation. Low load conditions, with very lean operation, suit this strategy very well. The only problem with lean operation is the high N Ox production under high loads. A solution to overcome the high load and intermediate load range is to use EGR. In this case part of the exhaust gases are recirculated back to the inlet of the engine. Compared to the lean burn strategy, the excess air is replaced with exhaust gases. These gases have a higher specific heat capacity (cp ) than air, this results in a higher total heat capacity of the mixture in the cylinder. This intervention causes a lower combustion temperature and also results in less N Ox production. Excess air is replaced with gases that do not participate in the combustion process which results in a lower N Ox production (less oxygen is available to react with N2 ). Another advantage of using EGR is the possibility to use a

TWC, because with EGR we work stoichiometric. The effect of EGR on indicated power output, indicated efficiency and N Ox emissions was examined and compared to lean burn operation. The conversion efficiency of the TWC was examined, with EGR in both stoichiometric (λ = 1) and fuel-rich (λ ≤ 1) conditions. In addition to the lean burn and EGR strategies, we also examined the effect of ignition timing on indicated power output, indicated efficiency and N Ox production. Delaying the ignition of the air-fuel mixture results in a lower peak burning temperature, which causes a lower N Ox production. Of course delaying the ignition has its effects on power and efficiency. II. Experimental set-up

E

XPERIMENTS were conducted on a single-cylinder CFR1 engine, adjusted to run on hydrogen and equipped with an EGR-system. Characteristics are given in Table I. Due to the valve timing there is already an amount of internal EGR present (estimated at 10 to 20%). Engine Speed Bore Stroke Cylinder volume Compression ratio () Valve Timing

600 rpm 82.55 mm 114.2 mm 611.7 cm3 variable IVO at 17 ◦ ca ATDC IVC at 26 ◦ ca ABDC EVO at 32 ◦ ca BBDC EVC at 6 ◦ ca ATDC

TABLE I Characteristics CFR engine

III. EGR vs Lean burn

R

ESULTS of the EGR and lean burn experiments are shown in Fig. 1. When working very lean (λ ≥ 1.5), the power output and efficiency for the lean burn condition are much better than for EGR. Despite this advantage lean burn is not an ideal strategy until λ ≈ 2 because of the high N Ox emissions for 1.1 ≤ λ ≤ 2. EGR should be used in this region, but in our situation, EGR is only satisfactory till EGR% = 35%. For λ = 1.1 . . . 1.5 there are no significant distictions in power output between EGR and lean burn, but N Ox emissions are much lower for EGR. 1 Cooperative

Fuel Research

higher than before (80% was easily reached). As a disadvantage we can mention a lower efficiency and a higher fuel consumption.

Fig. 1. Power and efficiency (EGR and lean burn)

IV. Influence of compression ratio () Fig. 3. N Ox emissions

B

ECAUSE of the engines variable , we were able to test different compression ratios. Results are shown in Fig. 2. Both for lean burn and EGR conditions the results were as expected. Higher means higher power output and better efficiency, although there is a operational limit for . For the CFR-engine backfire occurred while working at = 12.5 (λ = 1.2). Concerning N Ox emissions we can conclude that = 10.5 is an optimal compression ratio over the largest part of the H2 -mass flow region when working with EGR.

VI. Influence of ignition timing

O

THER tests were done with variable ignition timing under lean burn conditions (λ = 1.7; = 9). As Fig. 4 shows, there is an optimum when IT = −3 (3 ◦ ca after TDC2 ). For this optimum we get both high efficiency and low N Ox emissions. The pressure diagrams for the different ignition timings, clearly indicating that delaying the ignition causes a decrease of maximum pressure, thus also a lower maximum temperature and therefore less N Ox production.

Fig. 4. Ignition timing

VII. Conclusions Fig. 2. Efficiency (EGR and lean burn)

V. N Ox emissions with EGR strategy

E

GR results in a lower N Ox production, as explained higher. The recirculated gases are cooled to about 50 ◦ C. Fig. 3 shows the results of an EGR test with the TWC connected. This test was performed under slightly rich conditions (λ = 0.95). Tests under stoichiometric conditions did not result in an expected amount of N Ox reduction. In fuel-rich condition there is a certain amount of H2 in the exhaust (H2 is a strong reductant). Measuring the concentration of H2 before (2 vol%) and after the TWC (0, 5 vol%), we came to the conclusion that the TWC uses H2 to reduce N Ox . Conversion ratios for N Ox were much

OR the region where EGR% ≥ 35%, there is no optimal strategy for this particular engine where both N Ox emissions and power output and efficiency are acceptable. When using EGR, it is advantageous to work slightly rich which results in a higher conversion efficiency from the TWC compared to stoichiometric operation. Drawback of course is a lower efficiency and higher fuel consumption. Using a higher compression ratio results in both higher indicated power output and indicated efficiency, as is to be expected. cannot be augmented infinitely, because of the backfire phenomenon. The ignition timing has an optimum where both N Ox emissions are low and power and efficiency are high.

F

2 Top

Dead Center

Inhoudsopgave 1 Inleiding

1

1.1

Waarom waterstof? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

Waarom de waterstofverbrandingsmotor? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3

Eigenschappen van waterstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4

Doel van deze scriptie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2 Overzicht proefopstelling

7

2.1

CFR-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2

EGR-systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3

Controletafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.3.1

Motormanagementsysteem: MoTeC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.3.2

Ontstekingsbobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3.3

Potentiometer als belastingsregelaar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3.4

Ontstekingsmapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3.5

Injectiemapping

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.3.6

Thermokoppels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.4

Druksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.5

Meetkast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.6

Buffervat en Veiligheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.7

Krukhoekteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.7.1

Stoorsignalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.8

Debietmeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.9

Katalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.10 Startsequentie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.10.1 Vooraf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

i

2.10.2 Het starten zelf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.11 Toerental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.12 TDC-bepaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.13 Meetprogramma’s

20

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Eerste metingen en aanpassing proefstand

21

3.1

Situatieschets en drijfredenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2

Temperatuursmetingen op het bestaande EGR-systeem . . . . . . . . . . . . . .

22

3.3

Aanpassing en evaluatie van de ombouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4 EGR & Lean-burn metingen

27

4.1

Exhaust Gas Recirculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

4.2

EGR-berekeningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.2.1

Praktische bepaling van het EGR%

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

4.2.2

Gasconstante van de rookgassen: REGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

4.3

Meetstrategie voor EGR-metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.4

Vergelijken van EGR-metingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.5

COV: coefficient of variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.6

Meetresultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.6.1

Backfire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.6.2

Definities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

4.7

Hoge EGR-percentages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.8

Algemene trend bij ge¨ındiceerde grootheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.8.1

Ge¨ındiceerd vermogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.8.2

Ge¨ındiceerd rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

Invloed van op ge¨ındiceerde grootheden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.9.1

Compressieverhouding en lean-burn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.9.2

Compressieverhouding en EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.9.3

Compressieverhouding en rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.10 Compressieverhouding en N Ox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

4.11 N Ox -uitstoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.11.1 N Ox -uitstoot tijdens EGR (λ = 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

4.11.2 N Ox -uitstoot tijdens EGR (λ = 0, 95) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

4.9

4.12 Invloed van het ontstekingsogenblik

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.13 Temperatuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

4.13.1 Temperatuur uitlaatgassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

4.13.2 EGR-temperatuur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

5 Lotus Simulation Tools

61

5.1

Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.2

Het model van de CFR-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

5.3

Simulaties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

6 Conclusies en toekomstperspectief

65

6.1

Conclusies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

6.2

Toekomstperspectieven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

6.2.1

67

Toekomst voor de CFR-verbrandingsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . .

A Injector Pulse Width Scaling - berekeningen

68

B AVL-428 sensor

71

C Druksensoren

76

D Instellen compressieverhouding ()

78

E Klassering meetbestanden

79

F Programma’s

81

G Meetresultaten

83

G.1 Na aanpassing EGR systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lijst van figuren

83 114

Hoofdstuk 1

Inleiding 1.1

Waarom waterstof ?

Emissienormen beheersen de ontwikkeling van hedendaagse verbrandingsmotoren. Bij de verbranding van koolwaterstoffen worden immers veel schadelijke stoffen vrijgesteld. Hedendaags slaagt men er al in om via ingewikkelde motormanagementsystemen en met behulp van katalysatoren een groot deel van deze schadelijke emissies te vermijden, [1]. Er rijdt echter een toenemend aantal wagens rond op deze planeet (nu al zo’n 800 miljoen), en die zijn niet allemaal met de nieuwste technologie uitgerust. Men zegt wel eens dat twintig procent van de wagens voor tachtig procent van de vervuiling zorgt. Een inherent probleem bij het verbranden van koolwaterstoffen is echter dat er altijd koolstofdioxide vrijkomt. Dit is de belangrijkste bijdrager tot het broeikaseffect. CO2 blijft een aanhoudend probleem. Europa heeft dit ook beseft: tegen 2010 moet alle benzine en diesel minimaal 5, 75% biobrandstof bevatten, [2]. De redenering is eenvoudig: de planten waaruit de brandstof wordt gewonnen nemen tijdens hun leven de CO2 op die tijdens de verbranding wordt uitgestoten, zodat het netto effect nul is. Het is duidelijk dat dit slechts een zeer beperkte oplossing is voor het probleem. Niet alleen gaat het hier slechts om een beperkt percentage, men moet er ook rekening mee houden dat voor een overgang op biobrandstoffen een enorme oppervlakte landbouwgrond noodzakelijk is. Naast milieuvervuiling moet er ook aan gedacht worden dat onze olievoorraden eindig zijn. Niet alleen zou het erg ego¨ıstisch zijn om al deze olie op te gebruiken, olie kan ook op veel interessantere manieren gebruikt worden dan het gewoon te verbranden, zoals voor de productie van kunststoffen.

1

HOOFDSTUK 1. INLEIDING

2

Een overschakeling op waterstof is dus verstandig: bij de verbranding van waterstof in een inwendige verbrandingsmotor komen enkel N Ox , H2 O en een heel beperkte hoeveelheid koolwaterstoffen vrij (die afkomstig zijn van de gebruikte smeerolie). Via hernieuwbare energie (zoals zonne-energie, getijdenwerking, windenergie, . . . ) kan men CO2 -vrije elektriciteit opwekken om dan via elektrolyse water om te vormen tot waterstof. Gezien bij de verbranding dan weer water vrijkomt bekomen we een gesloten kring-systeem waarbij vrijwel geen CO2 uitestoten wordt. Voorlopig is de opwekking van elektriciteit op deze manier nog te duur om op grote schaal toegepast te worden. De goedkoopste manier om waterstof te maken is op dit ogenblik het reformen van methaan via stoom. Hierbij kunnen CO2 -emissies echter niet vermeden worden, zoals blijkt uit volgende formules, [1]: CH4 + H2 O → 3H2 + CO CO + H2 O → H2 + CO2

1.2

Waarom de waterstofverbrandingsmotor?

Waarom stappen we dan niet meteen over op brandstofcellen? Hierbij komt immers enkel water vrij, en hoeven we ons geen zorgen te maken over andere emissies. De reden is eenvoudig: voorlopig is de brandstofceltechnologie te duur om op korte termijn in te voeren. Ook is de brandstofcel voorlopig nog te groot en te zwaar voor het beperkte vermogen dat die kan leveren. Daarbij komen dan nog de noodzakelijke elektromotoren die voor de werkelijke aandrijving zorgen. De stap van verbrandingsmotoren op koolwaterstoffen naar verbrandingsmotoren op waterstof is veel kleiner en realistischer. Een bijkomend voordeel is dat deze eerste motoren bi-fuel motoren zullen zijn, dit wil zeggen dat ze zowel op waterstof als op benzine kunnen draaien. Hierdoor wordt het probleem van onvoldoende tankstations voor waterstof al meteen opgelost. De inwendige waterstofverbrandingsmotor is dus een logische stap om over te gaan naar een waterstofeconomie. Dat hebben ook enkele autoconstructeurs ingezien. Merken zoals BMW en Ford zijn intensief bezig met het ontwikkelen van bruikbare waterstofverbrandingsmotoren. Met directe injectie van waterstof zouden zelfs betere prestaties te bereiken zijn dan met conventionele benzinemotoren. Om praktisch bruikbaar te zijn moet echter nog gewerkt worden aan injectoren die een hoog genoeg debiet kunnen leveren, om ook bij hoge toerentallen voldoende waterstof te kunnen injecteren, [3]. Een andere strategie die BMW onderzoekt is de cryogene inspuiting van waterstof in de inlaatleiding. Daarbij wordt koude gasvormige waterstof gebruikt. Tegenwoordig hinken waterstofverbrandingsmotoren echter nog achterop ten opzichte


3

van vergelijkbare benzinemotoren. Opslag van waterstof in de wagen is ook van cruciaal belang. Het is noodzakelijk dat een auto op waterstof ongeveer even ver raakt met een tank als een wagen op benzine. Ford gelooft in gas onder hoge druk als de beste oplossing voor mobiele toepassingen. Huidige, met koolstofvezel versterkte, tanks kunnen al drukken tot 700bar aan (in Japan reeds gecertificeerd). Bij deze hoge drukken wordt al genoeg waterstof in de wagen opgeslagen om van een redelijke autonomie te kunnen spreken. BMW daarentegen ziet als enige oplossing voor een voldoende grote autonomie het gebruik van vloeibare waterstof. Hierbij moet uiteraard in rekening gebracht worden dat het vloeibaar maken van waterstof veel energie vergt. Ook het op druk brengen van waterstof vergt energie, en doordat het om zo’n klein element gaat hebben de grotere lekverliezen een negatieve invloed op het rendement van de compressoren. Op de figuur 1.1 is een recent geopend tanksta-

Figuur 1.1: Tankstation Berlijn tion te zien, waar zowel benzine als waterstof kunnen getankt worden. Het gaat om een project van het CEP (Clean Energy Partnership), waar ondermeer BMW, GM/Opel, DaimlerChrysler en Ford deel van uitmaken. Het gaat om een conventioneel tankstation van Total waar het waterstofgedeelte in ge¨ıntegreerd werd. Het is al het tweede tankstation dat het CEP opricht te Berlijn, waardoor dit project, in combinatie met de zestien waterstofvoertuigen, het grootste en meest complete demonstratieproject voor de toekomstige waterstoftechnologie ter wereld is. Belangrijk om op te merken is ook het feit dat er zowel gasvormige als vloeibare waterstof kan


4

getankt worden.

1.3

Eigenschappen van waterstof

Belangrijk is de zeer kleine dichtheid van waterstof. Waterstof is erg licht dus volumineus, bij stoichiometrisch mengsel neemt waterstof ongeveer een derde in van het volume van de cilinder. Gelukkig is de verbrandingswaarde van waterstof per kg erg groot, zodat de energie-inhoud van het mengsel in de verbrandingskamer toch aanvaardbaar is (tabel 1.1). Waterstof heeft zeer Moleculair gewicht

2.016

Dichtheid (bij normvoorwaarden)

Gas: 0.0838 kg/m3

Kooktemperatuur

-252.8 ◦ C

Stollingstemperatuur

-259.2 ◦ C

Viscositeit (bij normvoorwaarden)

Gas: 8.9 × 105 g/cm s

Diffusiecoëfficiënt (bij normvoorwaarden, in stilstaande lucht)

0.61 cm2 /s

Ontvlambaarheid in lucht (vol % H2 in lucht)

4 tot 75%

Minimale ontstekingsenergie

0.02 mJ

Minimale zelfontstekingstemperatuur (stoichiometrisch mengsel)

858 K

Adiabatische vlamtemperatuur in lucht (stoichiometrisch mengsel)

2318 K

Vlamsnelheid (stoichiometrisch mengsel; p, T normvoorwaarden)

210 cm/s

Onderste verbrandingswaarde

120 M J/kg

Octaangetal

130+

Tabel 1.1: Eigenschappen van waterstof brede ontstekingsgrenzen. Dit wil zeggen dat er zowel zeer arm als zeer rijk kan gedraaid worden, een voordeel ten opzichte van de benzinemotor. Het vermogen van een waterstofmotor kan dus geregeld worden door het aanpassen van de ingespoten hoeveelheid waterstof. Daarbij leunt de werking sterker aan bij een dieselmotor. Groot voordeel hiervan is uiteraard het vermijden van het gebruik van een gasklep die voor verliezen zorgt. Dit wil echter niet zeggen dat er geen gasklep aanwezig is, voor bepaalde gebieden van erg lage belasting kan het gebruik van een gasklep voordelig zijn voor de stabiliteit. Ook om bij EGR toepassingen voldoende uitlaatgassen te laten terugkeren naar de cilinder kan gebruik gemaakt worden van de gasklep. Samen met deze brede ontstekingsgrenzen is de lage ontstekingsenergie verantwoordelijk voor het backfire-fenomeen. Hierbij ontsteekt het waterstof-luchtmengsel in het inlaatkanaal, waar-


5

door een explosie ontstaat die schade kan veroorzaken. Op backfire gaan we verder in deze scriptie nog wat dieper in. Als laatste is het grote octaangetal te vermelden, waardoor de compressieverhouding vergroot kan worden. Dit levert een theoretisch rendement op dat groter is dan bij benzinemotoren.

1.4

Doel van deze scriptie

Experimenteel werk gebeurde op de CFR1 -proefstand in het Laboratorium voor Vervoertechniek. Het was de bedoeling verder onderzoek te verrichten naar de optimale strategie om N Ox -uitstoot te beperken, dit komt dus neer op een vergelijking tussen lean-burn en EGR-werking. De werking van de driewegkatalysator werd onderzocht in combinatie met EGR-werking. Het was eveneens de bedoeling enkele experimentele waarden te vergelijken met waarden die met het Lotus Engine Simulation programma gesimuleerd werden. Het grote probleem (en wat emissies betreft het enige) van een waterstofverbrandingsmotor is het vrijkomen van een redelijke hoeveelheid N Ox . Deze uitstoot ligt een stuk hoger dan bij de huidige verbrandingsmotoren op benzine en diesel. Manieren om deze N Ox -uitstoot te reduceren zijn uitgewerkt en worden getest. Zowel ingrepen aan de bron als ’end of pipe’-maatregelen zijn mogelijk. Bij de vorming van N Ox zijn drie parameters cruciaal: tijd, temperatuur en luchtovermaat. Hoe langer het gas op een hoge temperatuur blijft hoe meer N Ox gevormd wordt. Hoe lager de temperatuur, hoe minder N Ox gevormd zal worden. Hoe hoger de luchtfactor, hoe hoger de zuurstofconcentratie, des te hoger de tendens tot N Ox -vorming (voor λ tussen 1 en 1, 2). Dit is een probleem dat zich, door gebruik van hogere luchtfactor, ook voordoet bij dieselmotoren. N Ox -productie is maximaal bij een lambda-waarde van ongeveer 1,2 (zie figuur 1.2). De vlamtemperatuur en de zuurstofconcentratie zijn dan hoog. Bij armer werken dalen de N Ox emissies zeer snel. Men moet dus arm genoeg draaien om de vlamtemperatuur te beperken en de vorming van thermische N Ox in te dijken. Dit heeft echter nefaste gevolgen op het vermogen. Bij gemiddelde en hoge belasting worden de N Ox -emissies te groot, waardoor beter met EGR kan gewerkt worden. Bij de CFR-motor is de factor tijd belangrijk, het betreft immers een traaglopende motor (600rpm), dus relatief gezien verblijft het gas lang in de verbrandingskamer onder hoge temperatuur, met de nodige N Ox -vorming als gevolg. Omdat deze parameter constant is (want vast 1

Cooperative Fuel Research


Figuur 1.2: N Ox -uitstoot in functie van λ toerental), zullen we hem niet meer bekijken in wat volgt.

6

Hoofdstuk 2

Overzicht proefopstelling Bij aanvang van deze scriptie was de proefstand quasi in orde wat uitrusting betreft (over de werking hebben we het o.a. in sectie 2.3.2). De aanpassingswerken van het vorig academiejaar [4] laten nog een grote ruimte over voor nieuwe metingen zowel wat betreft EGR als armemengselwerking. De bedoeling van deze scriptie is dan ook het verderzetten van dit onderzoek en de tegenstrijdigheden (waarover later meer) van het vorige jaar verifiëren en eventueel de proefstand aanpassen zodat we realistischere metingen verkrijgen. We zullen ons vooral toespitsen op EGR werkingsregime’s bij hogere temperaturen en de invloed van de katalysator op de N Ox -reductie. De werking van de gasklep wordt onder de loep genomen bij hoge EGRpercentages. Verder is het de bedoeling de proefstand te simuleren met het Lotus Simulation Tools-programma en de berekende waarden te vergelijken met de experimentele resultaten. Tijdens dit overzicht willen we er op wijzen dat in de appendices van dit werk heel wat handleidingen, gegevens en ondervindingen in verband met apparatuur werden opgenomen. Dit zodat onze opvolgers een vlotte start kunnen maken en zoveel mogelijk tijd kunnen besteden aan het meten en onderzoeken. De CFR-motor doet al jaren dienst in het labo voor vervoertechniek (sedert 1952). De oorspronkelijke bedoeling van deze motor was het klopgetal bepalen van verschillende soorten brandstof. Enige jaren geleden werd de motor omgebouwd om hem op waterstof te laten draaien. Eerst werd een ombouwstudie gedaan, [5]. In tweede instantie werd een onderzoek gedaan naar de optimale plaatsing van de injector [6]. Nadien werd de motor voorzien van een primitief EGRsysteem. Vorig jaar tenslotte werd het EGR-systeem aangepast, de condensaataflaten werden weggehaald. Het is immers de bedoeling dat de gerecirculeerde uitlaat een zo hoog mogelijke

7

HOOFDSTUK 2. OVERZICHT PROEFOPSTELLING

8

specifieke warmtecapaciteit heeft. Water speelt daarin een cruciale rol zoals blijkt uit [4]. Tevens werd een motormanagement systeem ge¨ınstalleerd wat een veel flexibelere instelling qua injectie en ontsteking mogelijk maakte. Ook werd een katalysator gemonteerd met het oog op onderzoek naar de reductie van N Ox langs deze weg. Tenslotte werd een gasklep toegevoegd die bij hoge EGR-percentages de benodigde onderdruk moet leveren. We geven nu een korte beschrijving van de onderdelen van de proefopstelling en hun eigenschappen.

2.1

CFR-motor

Figuur 2.1: CFR-motor op 03-10-2006 De eigenschappen van de motor worden in Tabel 2.1 weergegeven. Een gedetailleerde stuktekening kan worden gevonden in de handleiding van de CFR-motor [7].

De compressieverhouding is variabel en kunnen we instellen met behulp van de meetklok en een hendel. Voor het aflezen van de meetklok en het instellen van de compressieverhouding verwijzen


9

Toerental

600 rpm

Drijfstanglengte

254 mm

Aantal cilinders

1

Boring

82.55 mm

Slag

114.2 mm

Slagvolume

611.7 cm3

Compressieverhouding ()

variabel

Tabel 2.1: Eigenschappen CFR-motor we naar Appendix D. De kleppentiming1 zien we in Tabel 2.2.

IVO

17 ◦ ca ATDC

IVC

26 ◦ ca ABDC

EVO

32 ◦ ca BBDC

EVC

6 ◦ ca ATDC

Tabel 2.2: Kleppentiming

De koeling van de motor gebeurt via een eenvoudig en doeltreffend principe: de thermische sifon. De koelvloeistof (H2 O) van de motor zal beginnen koken en verdampen. De damp zal stijgen en condenseren op de koelleidingen (die doorstroomd worden met leidingwater), druppels vormen en zo terug neervallen. Deze cyclus herhaalt zich continu tijdens het draaien. Dit systeem zorgt voor een constante bedrijfstemperatuur van de motor.

2.2

EGR-systeem

Het EGR-systeem bevat als belangrijkste componenten: de koeler (een warmtewisselaar), de regelkraan (waarmee het EGR-percentage kan worden ingesteld) en de gasklep. Een schets van het systeem wordt gegeven in Figuur 2.2. Merk op dat omwille van de verwijderde condensaatafvoeren zich in het buizenstel roestvorming voordoet die opgevolgd moet worden. De ideale oplossing zou een buizenstel in IN OX zijn, maar zolang alles naar behoren werkt, wordt voortgewerkt met het bestaande systeem. 1

Opgemeten in 2004–2005


10

Figuur 2.2: Schets EGR-systeem De koeler is een ander punt waar we in deze scriptie speciale aandacht zullen aan besteden. Deze bleek immers overbemeten. Er werd een poging gedaan om deze koeler aan te passen om meer realistische en stabielere EGR-temperaturen te bekomen en reproduceerbare metingen mogelijk te maken.

2.3 2.3.1

Controletafel Motormanagementsysteem: MoTeC

Als systeem om de motor te sturen, maken we gebruik van de MoTeC M4 pro. Deze ECU2 laat een flexibele instelling toe. Zo kan men ’mappings’ gebruiken waarin injectietijdstip en -duur kunnen worden ingesteld alsook het ontstekingsogenblik. Twee signalen zijn primordiaal voor het softwaresysteem: het REF- en SYNC-signaal. Deze geven respectievelijk de positie van de krukas en het ladingswisseling/verbrandings-moment weer (de SYNC-sensor geeft dus om de twee omwentelingen een signaal zodat verschil tussen ladingswisseling en verbranding kan worden bepaald). Beide signalen worden gegenereerd door een tandwiel (dat draait op half toerental) met 60 tanden waaruit er twee zijn weggenomen en een magnetische sensor die de tanden detecteert, figuur 2.4. 2

Engine Control Unit


2.3.2

11

Ontstekingsbobine

De ontstekingsbobine is van het type met ge¨ıntegreerde transistor die door de MoTeC rechtstreeks kan worden aangestuurd. Ze bevindt zich in een kooi van Faraday om stoorsignalen door de hoge ontstekingsspanning te minimaliseren. Het rechte cilindrische deel van de kooi dat naar de bougie leidt is langs de binnenzijde nog eens extra met teflon bekleed, om een maximale afscherming te verzekeren. Ondanks alle maatregelen blijven er stoorsignalen optreden. Na heel wat probeer- en zoekwerk werd een goede plaats gevonden voor de meetkast waarbij stoorsignalen minimaal bleken te zijn (zie ook sectie 2.7.1). De meetkast wordt nu uiterst rechts van de proefstand geplaatst ter hoogte van het dempvat voor de uitlaat.

2.3.3

Potentiometer als belastingsregelaar

De MAP3 wordt gebruikt als een maat voor de belasting van de motor. Fysisch is op de proefstand de MAP-aansluiting aangesloten op een potentiometer waarmee de belasting van de motor kan worden geregeld. Een regeling 0 ≤ MAP ≤ 100kP a is daarmee mogelijk. De reeds genoemde mappings worden dan opgesteld in functie van de potentiometerstand (of dus de MAP) en het toerental. Hierdoor is de mapping voor de CFR-motor redelijk eenvoudig omdat deze aan een constant toerental van 600rpm draait. Dus afhankelijk van de instelling van de potentiometer wordt de belasting gevar¨ıeerd en de ingestelde ontstekings- en injectiemapping doorlopen. Zo heeft men de mogelijkheid tijdens de werking van de motor, uitgaande van opgemeten rendementen en vermogens, een zekere optimalisatie van de mappings door te voeren. We bekijken even de filosofie achter de ontstekings- en injectiemapping.

2.3.4

Ontstekingsmapping

Belangrijk voor het optimaliseren van de motor is de mogelijkheid om het ontstekingsogenblik in te stellen. Afhankelijk van de MAP kan een andere waarde van de voorontsteking worden ingesteld. Nogmaals ziet men het belang van het REF- en SYNC-signaal die de MoTeC het juiste moment geven waarop de motor zijn bovenste dode punt passeert. Het SYNC-signaal staat via de criP4 , het aantal graden krukhoek tussen de twee ontbrekende tanden en het BDP van de motor, in correlatie met het BDP. De criP dient in de MoTeC te worden ingesteld (huidige 3 4

Manifold Air Pressure Crank Index Position


12

waarde: 241, 5◦ ca ). Het nauwkeurig bepalen van het BDP van de motor is dus zeer belangrijk en vereist speciale aandacht, zie sectie 2.12. Het is ten opzichte van het BDP dat de voorontsteking (positief in te geven) of de na-ontsteking (negatief in te geven) kunnen worden ingesteld.

2.3.5

Injectiemapping

De MoTeC is zo ingesteld dat het einde van de injectie steeds op hetzelfde moment valt. Bij ons is dat op 180◦ ca, dus het onderste dode punt.

Ongeacht de werkingstoestand (arme-

mengselwerking of werking met rijk mengsel) zal het einde van inspuiting vast liggen en bijgevolg het injectiebegin variabel zijn. De injectieduur kan ingesteld worden via de pulse width waarmee de injector wordt aangestuurd. De pulse width wordt uitgedrukt als een percentage van de IJPU (Injector Pulse Width Scaling). Het is dat percentage dat moet worden ingesteld in de mapping. Een IJPU van 100% komt overeen met het maximale waterstofdebiet dat wordt ingespoten. Voor de CFR-motor bedraagt dit maximaal waterstofdebiet ongeveer 2, 5N m3 /h. Een Excel-file om de IJPU snel te berekenen is te vinden op de dataschijf die bij deze scriptie is gevoegd. De berekening zelf is opgenomen in appendix A, daar wordt eveneens uitgelegd waarom 2, 5N m3 /h een goede keuze is.

De MAP werd evenredig gekozen met het waterstofdebiet. De MAP legt dus een bepaald waterstofdebiet vast en met dat waterstofdebiet correspondeert een bepaalde luchtfactor5 . Dit verklaart het verband tussen de potentiometer en de belasting van de motor. De gebruikte instellingen zijn weergegeven in tabel 2.3. Waarden tussen 0 en 100kP a worden verkregen door MAP (kPa)

Waterstofdebiet (N m3 /h)

λ

0

0, 5

≥ 3, 5

100

2, 63

≤1

Tabel 2.3: MAP instellingen lineair interpoleren. De injector is een aardgasinjector van Koltec-Necam6 .

Een uitgebreide datasheet van het

MoTeC-systeem is te vinden in de MoTeC-software zelf (kan ingelezen worden) en staat beschreven in de appendix B.2 van [4]. 5 6

Opm.: het verband tussen waterstofdebiet en de luchtfactor is niet lineair! Onlangs veranderde het bedrijf naar Teleflex Ltd.


2.3.6

13

Thermokoppels

Op de proefstand zijn 6 thermokoppels voorzien. Hiermee kunnen EGR-temperaturen voor en na de koeling gemakkelijk afgelezen worden. Naast controle van de EGR-temperaturen zijn temperaturen van inlaat, uitlaat en na de katalysator beschikbaar. Figuur 2.2 toont de plaatsing van de thermokoppels en druk pickups. De batterijspanning kan afgelezen worden op de controletafel (figuur 2.3). De waarde van UEGOsensor is normaal zichtbaar, maar deze sensor is momenteel defect. Ter vervanging is een handigere breedband λ-sonde beschikbaar. Een meetprogramma is voorhanden om alle waarden in te lezen en op een pc op te slaan. Een bedradingsschema van de thermokoppels en sensoren voor batterijspanning en UEGO-sensor kunnen gevonden worden in appendix B.1 van [4].

Figuur 2.3:

Buffervat, controletafel (met thermokoppel-uitlezing en MoTeC-systeem) en

meetkast

2.4

Druksensoren

Drukken worden op verschillende punten opgemeten in de motor, figuur 2.2. Omdat geen rechtstreekse koppel- of vermogensmetingen mogelijk zijn, zijn drukmetingen onontbeerlijk voor de CFR-motor. De verrichte arbeid en geleverd vermogen worden uit de drukmetingen berekend.


14

Drie druk pickups zijn voorzien. In de cilinder en uitlaat zijn piëzo-elektrische drukopnemers aanwezig. Zij maken gebruik van kwartskristallen die een elektrische lading opbouwen wanneer ze aan een druk onderworpen worden. Deze drukopnemers zijn echter niet absoluut. Zij geven enkel een relatief uitgangssignaal. Vandaar dat in de inlaat een ander soort druk pickup wordt gebruikt, de piëzoresistieve drukopnemer. Deze wordt zo dicht mogelijk bij de ingang van de cilinder geplaatst. Zijn uitgangssignaal is absoluut. Het dient dan ook als referentie voor de omrekening van de waarden van de andere drukopnemers. Voor een gedetailleerde beschrijving en types van de gebruikte druk pickups voor de CFR-motor verwijzen we naar appendix C waar uitgebreid gegevens en instellingen besproken worden. Wat de methodes betreft voor het bepalen van het absolute drukniveau in de cilinder en de uitlaat verwijzen we naar ([4], p109-p113) waar uitvoerig wordt beschreven hoe referentie-interval en breedte van referentieinterval worden gekozen voor de verwerking van de meetresultaten. Deze methodes hebben wij systematisch toegepast.

2.5

Meetkast

Een meeteenheid waarmee alle metingen kunnen opgenomen worden en liefst digitaal kunnen worden weggeschreven/verwerkt vinden we in de meetkast. Het geheel omvat een pc met een DAQ7 -kaart. Omdat meerdere groepen dezelfde meetinstrumenten nodig hebben, is alle meetapparatuur voor druk pickups, massadebiet-meters en encoderhardware samengestopt in een meetkast. De huidige configuratie heeft als ingangen (die ook in de verwerkingsprogramma’s in deze volgorde worden ingelezen): Kanaal

Ingang

0

Cilinderdruk

1

Uitlaatdruk

2

Inlaatdruk

3, 4, 5, 6

Vrij voor gebruik

Tabel 2.4: Ingangskanalen DAQ-kaart 7

Data Acquisition


2.6

15

Buffervat en Veiligheid

Het buffervat heeft tot doel de schommelingen in het luchtdebiet, die eigen zijn aan een motor met slechts één cilinder, op te vangen zodat een redelijke meting van het aangezogen massadebiet lucht kan worden uitgevoerd. Aan de veiligheid werd ook gedacht. Het buffervat is langs boven uitgerust met een waterstofsensor. Bij lek zal de waterstof zich een weg naar buiten zoeken en in het buffervat terechtkomen (H2 is lichter dan lucht). De waterstofsensor is op zijn beurt aangesloten op een volledig controlesysteem met alarm. Een rechtstreekse afsluiting van de waterstoftoevoer behoort tot de mogelijkheden van het controlesysteem. Tijdens het academiejaar werd het buffervat aangepast met afsluiters en kraan omdat deze nodig zijn op de Audi-proefstand. Een nieuw detectiesysteem in de vorm van een grote kap die boven de proefopstelling hangt en waar dan in het bovenste punt een waterstofsensor zit, is ondertussen bijkomend beschikbaar. Dit verhoogt de veiligheid omdat bij het oorspronkelijke systeem andere lekken dan aan de motorinlaat niet opgespoord konden worden. Een mobiele meeteenheid van het merk Buveco is ter beschikking om eventuele lekken snel en efficiënt op te sporen.

2.7

Krukhoekteller

De krukhoekteller is bevestigd op de krukas. De CAM8 -encoder genereert per graad krukhoek en per cyclus een puls. Deze pulsen worden vervolgens naar de interpolator gezonden. Deze biedt de mogelijkheid om te interpoleren tussen twee pulsen om zo de pulstrein te verfijnen. Men kan dan kunstmatig een hogere resolutie bekomen dan één puls per graad krukhoek. Een maximum is 0.1 (d.i. 10 meetpunten per graad krukhoek). Alle metingen die we uitvoeren, zijn bij deze (hoogste) resolutie gebeurd. De krukhoekteller is essentieel om drukmetingen op te nemen. Het systeem geeft immers aan wanneer het druksignaal moet worden bemonsterd (samplesignaal) en vertelt de DAQ-kaart wanneer de volgende cyclus begint (triggersignaal). Wegens problemen met de oorspronkelijke encoder werd er besloten tijdelijk een volledig nieuw systeem te installeren van Kistler, figuur 2.4. Hiermee werden de eerste compressietests en BDP-bepaling gedaan. De oorzaak van het niet meer functioneren van de oorspronkelijke encoder bleek een defecte transistor, eindversterker en contact in de kabel. Deze encoder werd na herstel opnieuw ge¨ınstalleerd. 8

Crank Angle Marker


16

Figuur 2.4: Nieuwe tijdelijke krukasencoder en oorspronkelijke krukasencoder

2.7.1

Stoorsignalen

De vele stoorsignalen die we bij de eerste metingen kregen kwamen steeds op hetzelfde neer. We kregen een ’verlopen’ van de drukdiagramma’s per opgemeten cyclus. Een zeer hinderlijke zaak aangezien dit de meetgegevens en resultaten vervalst. In figuur 2.5 zien we een voorbeeld

Figuur 2.5: Verschuiving van de drukpieken van drukkurven (in compressiewerking) die verlopen (B) en een voorbeeld van hoe het hoort te zijn (A). Ons vermoeden is dat door een stoorsignaal afkomstig van de ontsteking een ex-


17

tra samplepuls wordt gegenereerd waardoor de DAQ-kaart een extra waarde wegschrijft en zo de geregistreerde meetpunten opschuiven. Probleem is dat men niet weet waar dit tijdens het meten gebeurt wat een softwarematige aanpassing van de gegevens quasi onmogelijk maakt. We hebben lang naar oplossingen gezocht. Aardingen werden herbekeken en bijgevoegd, afschermingen werden geplaatst, verplaatst en aangepast, dit alles echter zonder veel succes. Als we nog even figuur 2.5 nader bekijken, dan zien we op uitvergroting (c) en (d) dat de verschuiving tussen de eerst en de laatst opgemeten cyclus ongeveer 4◦ ca bedraagt. 4◦ ca verschuiving over 30 cycli wil zeggen per cyclus 0, 133◦ ca verschuiving. Nu is de ingestelde resolutie bij het meten = 0.1, dit wil zeggen 10 meetpunten per graad krukhoek of per 0, 1◦ ca een meetpunt. Dus de aanname dat de ontsteking (die 1 maal per cyclus voorkomt) een vals samplesignaal genereert door stoorwerking zou wel kunnen kloppen (rekening houdend met de cyclische variatie). Uiteindelijk hebben we de meetkast, zoals eerder vermeld, radicaal van plaats verschoven, naar de rechterkant van de proefstand (mits aanpassing kabels). Het euvel bleek hiermee verholpen. De exacte reden hiervoor is onbekend. Wij vermoeden sterk dat de stoorsignalen, omwille van de grotere afstand, de gevoelige meetapparatuur niet meer konden be¨ınvloeden. Belangrijkste was dat het echte meetwerk nu kon starten.

2.8

Debietmeters

Op de proefstand zijn twee debietmeters aangebracht. Eén om het luchtdebiet te meten en één om het waterstofdebiet te meten. Beide debietmeters zijn van Bronkhorst HiTech. Deze werken volgens het gloeidraadprincipe. Naarmate het debiet stijgt, koelt de draad meer af en verandert de weerstand. Zo kan het debiet worden gecorreleerd aan de weerstand. Alle debietmeters werden voor de aanvang van het nieuwe academiejaar grondig nagezien en gekalibreerd (serienummer debietmeter waterstof voor CFR: SN98205709A/S ).

2.9

Katalysator

De katalysator is een driewegkatalysator (TWC9 ) afkomstig van Bosal (referentienummer: 099− 575). De light-off temperatuur bedraagt 280 − 300◦ C. Het is belangrijk te controleren of tijdens werking met λ ≈ 1 de light-off temperatuur gehaald wordt. 9

Three Way Catalyst


2.10

18

Startsequentie

We geven hier de volledige startsequentie voor het draaien op waterstof. Uiteraard kunnen stappen overgeslagen worden indien men enkel in compressie wil werken om de apparatuur te testen. Wanneer men dit laatste beoogt, is het niet nodig het buffervat aan te sluiten of meer algemeen de controleketen voor het draaien op waterstof aan te sluiten.

2.10.1

Vooraf

Volgende zaken moeten voor het starten in acht worden genomen: • Connecteer het buffervat en sluit het geheel aan op het controlesysteem • Vooraleer er gestart kan worden moet de elektrische hoofdschakelaar aangelegd worden (aan de achterzijde van de proefstand) • De koeling van motor, druk pickups en uitlaat moet worden geactiveerd. Een zeer belangrijk punt, voornamelijk wat de druk pickups betreft (te hoge temperaturen zijn schadelijk)! • De waterstoffles moet aangesloten zijn en ingesteld worden op 2bar overdruk (dit is tevens de injectiedruk) • De potentiometer waarmee we de MAP kunnen instellen moet op nul staan • De afzuiginstallatie voor uitlaatgassen moet worden aangelegd • Controle van het koelvloeistof niveau van de motor is aangewezen (dit is pas mogelijk wanneer de motor in regime loopt)

2.10.2

Het starten zelf

Het starten kan door de schakelaar ’ignition’ op het oude controlepaneel over te halen. Hierdoor wordt de elektromotor aangelegd, die de motor in compressie laat werken (koppel is negatief). Belangrijk is dat op dat moment de druksignalen en andere meetinstrumenten worden gecontroleerd op hun goede werking. Daarna kan overgegaan worden naar een werking op waterstof. De contactsleutel van het MoTeC systeem kan worden omgedraaid (dit veronderstelt wel dat de ECU geladen is met juiste gegevens). Door aan de potentiometer te draaien kan de MAP -en dus impliciet het waterstofdebiet- ingesteld worden. Een geleidelijk opdrijven resulteert in een overname op waterstof waarbij de elektromotor als last fungeert en de motor op constant


19

toerental houdt. Het koppel wordt vanaf dat moment positief. Een te snel opvoeren van het waterstofdebiet resulteert soms, zelfs bij grote luchtovermaat, tot backfire (dit fenomeen wordt besproken in sectie 4.6.1). Het uitschakelen kan eenvoudig gebeuren door de waterstoffles af te sluiten en de ontsteking aan te laten. De resterende waterstof in de leidingen zal nog ontbranden, daarna zal de motor in compressie gaan. Alles kan dan veilig -zonder blijvende waterstofdruk in de leidingen- worden uitgeschakeld.

2.11

Toerental

De motor kan op twee verschillende toerentallen worden ingesteld. Dit kan op 600rpm of 900rpm. Het toerental van de motor echter is vast tijdens bedrijf. Een verandering van 600rpm naar 900rpm kan door de aandrijfriemen te verleggen. Wij hebben onze metingen steeds bij 600rpm uitgevoerd.

2.12

TDC-bepaling

Zoals reeds aangehaald, is een nauwkeurige bepaling van het TDC10 van cruciaal belang voor de metingen.

De CAM-encoder moet dus goed geplaatst worden zodat een triggersignaal

gegenereerd wordt net op het moment dat de zuiger zich in het TDC bevindt. Om het bovenste dode punt te bepalen gebruiken we een capacitieve sonde die aangebracht wordt in de cilinder. Daarna laten we de motor in compressie werken. De sensor meet het verloop op en schrijft het weg via de DAQ-kaart naar de PC, waar de gegevens verwerkt worden. Wij deden de bepaling en hebben, na bijregelen van de CAM-encoder, een TDC gemeten op gemiddeld 360, 01◦ ca. Resultaten staan in tabel 2.5. Hieruit kunnen we besluiten dat de CAM-encoder nauwkeurig genoeg is afgesteld om drukmetingen te doen. Voor een beschrijving van hoe de TDC-meting gebeurt, verwijzen we naar appendix B. De meting wordt er uitgelegd en er is een korte handleiding voorzien voor het gebruik van de TDC-sensor AVL-428. Op figuur 2.6 wordt het signaal getoond dat opgemeten wordt met de TDC-sensor. Rechts (B) is het volledige signaal weergegeven, links (A) zien we een uitvergroting rond het bovenste dode punt. 10

Top Dead Center


Meting Nr.

TDC

1

360, 0162◦ ca

2

360, 0099◦ ca

3

360, 0021◦ ca

4

360, 0147◦ ca

5

360, 0185◦ ca

gemiddelde

360, 01◦ ca

20

Tabel 2.5: Resultaten van TDC-bepaling

Figuur 2.6: Verloop opgemeten door AVL-428 sensor

2.13

Meetprogramma’s

Een lijst met de gebruikte meetprogramma’s en een woordje uitleg kan gevonden worden in appendix F.

Hoofdstuk 3

Eerste metingen en aanpassing proefstand 3.1

Situatieschets en drijfredenen

Als we het EGR-gedeelte van de opstelling bekijken (figuur 3.1), kunnen we volgende opmerking maken: het buizensysteem is relatief zwaar uitgevoerd (het grootste gedeelte is uitgevoerd in gegalvaniseerde waterleidingsbuizen). Dit heeft uiteraard gevolgen op het vlak van thermische traagheid en warmteafgifte naar de omgeving.

Figuur 3.1: EGR-circuit (koeling met leidingwater)

21

HOOFDSTUK 3. EERSTE METINGEN EN AANPASSING PROEFSTAND

3.2

22

Temperatuursmetingen op het bestaande EGR-systeem

Bovenvermelde beschrijving liet ons besluiten een temperatuursmeting te doen van het EGRsysteem. Hiervoor werden de thermokoppels gebruikt om de temperatuur van de rookgassen te bepalen en een oppervlaktetemperatuursensor voor het bepalen van de wandtemperaturen van de buizen. Omdat in het verleden de opmerking al was gemaakt dat de koeling van de rookgassen te hevig was, besloten we de koeler niet te doorstromen met leidingwater en ze leeg te laten lopen voor de meting begon. Een koeling van rookgassen met leidingwater van 18 graden is niet realistisch1 . Figuur 3.2 en tabel 3.1+3.2 tonen de resultaten van deze meting2 .

Figuur 3.2: Meetpunten oppervlaktetemperatuur (zwart); meetpunten thermokoppels (rood)

Positie →

1

2

3

4

5

6

7

9

10

A

115 ◦ C

120 ◦ C

128 ◦ C

137 ◦ C

155 ◦ C

211 ◦ C

225 ◦ C

251 ◦ C

252 ◦ C

B

110 ◦ C

120 ◦ C

124 ◦ C

138 ◦ C

159 ◦ C

195 ◦ C

221 ◦ C

254 ◦ C

260 ◦ C

C

93 ◦ C

95 ◦ C

101 ◦ C

116 ◦ C

142 ◦ C

175 ◦ C

199 ◦ C

272 ◦ C

261 ◦ C

↓ Regime

Tabel 3.1: Oppervlaktetemperatuursmeting. A: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,8. B: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,4. C: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,2. Een eerste zaak die opvalt, is de enorme temperatuursval over het recht gedeelte van de EGRbuis. Een temperatuur hoger dan 115◦ C werd voor het ingaan van de rookgassen in de koeler 1 2

De metingen in 2004-2005 werden bijna uitsluitend met deze zware koeling uitgevoerd Excel-file: opp temp 121205.xls


23

niet bekomen. Dit stemt overeen met een gemiddelde temperatuursval van 150◦ C over een stuk van ongeveer één meter. Dit is een zeer grote temperatuursval, te wijten aan de grote convectie-oppervlakte van de buis. Wanneer we dan de temperatuur van de rookgassen na de koeler bekijken bekomen we 50 à 60◦ C. Deze EGR-temperatuur schommelde wel sterk tijdens de metingen, zodat de waarden op positie ’13’ zeker niet als quasi-statische waarden kunnen worden bekeken. Positie →

13

14

12

15

A

60 ◦ C

43 ◦ C

401 ◦ C

180 ◦ C

B

58 ◦ C

48 ◦ C

418 ◦ C

150 ◦ C

C

52 ◦ C

47 ◦ C

445 ◦ C

122 ◦ C

↓ Regime

Tabel 3.2: Temperatuur van de rookgassen in het EGR-buizenstel Indien we echter realistische EGR-metingen willen doen dan zouden we toch een temperatuur van 70◦ C willen verkrijgen op positie ’13’ (= EGR-temperatuur). In een voertuig zal nooit de mogelijkheid aanwezig zijn de rookgassen te koelen met leidingwater. Er zal eerder gekoeld worden met koelwater van de motor en er kan dan een temperatuur van rond de 80 graden verwacht worden. Uiteraard is een zo goed mogelijke koeling van de EGR-gassen steeds het beste voor wat het rendement van de motor betreft (de ladingsdichtheid en rendement verhogen met dalende inlaattemperatuur). Toch zal een extreme koeling zoals voorheen werd toegepast, niet mogelijk zijn in een voertuig.

3.3

Aanpassing en evaluatie van de ombouw

Om het grote warmteverlies te verminderen zijn vele mogelijkheden voorhanden: een resistief opwarmingselement, een brander, een boiler of verregaande isolatie. We opteerden om de koeler (die niks anders is dan een warmtewisselaar) om te bouwen zodat die minder extreem zou koelen. Een warmwatercircuit met boiler en circulatiepomp werd ge¨ınstalleerd. Dit zou de temperatuursval over de warmtewisselaar wat moeten drukken. Het warm water heeft tijdens circulatie een temperatuur van om en bij de 75◦ C. In figuur 3.3 zien we de ombouw van het koelcircuit. Een schematische schets is te zien in figuur


24

3.4. Twee thermokoppels werden bijgevoegd om de temperatuur van het koelwater3 te kunnen volgen.

Figuur 3.3: Aanpassing van het EGR-koelsysteem

Figuur 3.4: Schema van de huidige opstelling Na de ombouw werden de EGR-temperaturen opnieuw opgemeten, de resultaten worden in tabel 3.3 weergegeven4 . Het eerste wat opviel tijdens het opmeten was dat de EGR-temperaturen (T1) 3

Het opgewarmde water uit de boiler blijft uiteraard wel koelwater voor het EGR-circuit, ondanks de hoge

temperatuur. 4 Excel-file: EGR - Temperaturen 07032006.xls


25

veel minder schommelden en zich zeer stabiel gedroegen tussen de 55◦ C en 60◦ C. De temperatuur van het koelwater blijft nagenoeg constant op 75◦ C (≈ T6 ≈ T7). Positie →

T1

T2

T3

T5

λ=2

58 ◦ C

45 ◦ C

407 ◦ C

164 ◦ C

λ = 1, 8

58 ◦ C

42 ◦ C

404 ◦ C

149 ◦ C

λ = 1, 7

58 ◦ C

41 ◦ C

408 ◦ C

149 ◦ C

λ = 1, 6

58 ◦ C

39 ◦ C

417 ◦ C

143 ◦ C

λ = 1, 5

56 ◦ C

37 ◦ C

428 ◦ C

139 ◦ C

λ = 1, 4

56 ◦ C

37 ◦ C

437 ◦ C

131 ◦ C

λ = 1, 3

54 ◦ C

38 ◦ C

443 ◦ C

118 ◦ C

λ = 1, 2

50 ◦ C

43 ◦ C

451 ◦ C

106 ◦ C

λ = 1, 1

44 ◦ C

45 ◦ C

457 ◦ C

88 ◦ C

λ = 1, 05

38 ◦ C

46 ◦ C

463 ◦ C

76 ◦ C

Lean-burn startwaarde:

Tabel 3.3: Temperatuur van de rookgassen in het EGR-buizenstel

Bij de metingen werd steeds vertrokken van een lean-burn situatie met hoge luchtfactor. Dit wil zeggen dat vanaf de eerste instelling van de EGR-toestand (regelkraan opendraaien tot stoichiometrisch wordt verbrand), het EGR-circuit direct volledig wordt doorlopen door warme rookgassen5 . Dit heeft vanaf de eerste meting een grote opwarming van de leidingmassa tot gevolg. Resultaat hiervan is dat de volgende meetregime’s, die starten met een lagere luchtfactor en dus bij EGR-werking minder doorstroming van het buizenstel vergen, niet stabiel konden worden ingesteld. De omgekeerde meting werd daarop uitgevoerd6 . Hier starten we vanuit een tamelijk rijke toestand (λ ≈ 1, 1). Als dan overgegaan wordt naar EGR-werking vergt dit slechts een minimale opening van de EGR-kraan om λ = 1 te bekomen. Een volgende lean-burn start bijvoorbeeld bij λ = 1, 3 zal bij omschakeling naar EGR-werking een grotere opening van de regelkraan eisen. Gevolg hiervan is dat de opwarming van het buizenstel langzaam gebeurt. Vooral het feit dat het buizenstel gedurende de meting constant warmer zal worden -want een steeds groter deel van de rookgassen zal worden gerecirculeerd bij stijgende lean-burn startwaarde-, zorgt voor een grote 5 6

De meetstrategie voor EGR-metingen wordt besproken in sectie 4.3 Excel-file: EGR - Temperaturen 13032006.xls


26

stabiliteit tijdens het instellen van een EGR-regime. Als illustratie zijn in tabel 3.4 de EGR-, inlaat- en uitlaattemperatuur weergegeven bekomen met beide werkwijzen. De temperaturen zijn zeer gelijklopend. Het globaal effect is duidelijk: het buizenstel zal niet afkoelen tijdens de metingen en daardoor de volgende meting niet storen, wat in de vorige methode wel het geval was, en stabiele EGR-werkingspunten kunnen worden ingesteld. Vooral dit laatste is van groot belang. Het betekent dat de metingen reproduceerbaar worden. Alle EGR-metingen die besproken zullen worden zijn dan ook op deze manier uitgevoerd. Positie →

T 1↑

T 1↓

T 2↑

T 2↓

T 3↑

T 3↓

λ = 1, 8

60 ◦ C

58 ◦ C

40 ◦ C

42 ◦ C

403 ◦ C

404 ◦ C

λ = 1, 6

58 ◦ C

58 ◦ C

44 ◦ C

41 ◦ C

410 ◦ C

408 ◦ C

λ = 1, 5

56 ◦ C

58 ◦ C

34 ◦ C

39 ◦ C

414 ◦ C

417 ◦ C

λ = 1, 4

56 ◦ C

56 ◦ C

36 ◦ C

37 ◦ C

434 ◦ C

428 ◦ C

λ = 1, 3

56 ◦ C

56 ◦ C

37 ◦ C

37 ◦ C

440 ◦ C

437 ◦ C

λ = 1, 2

52 ◦ C

54 ◦ C

39 ◦ C

38 ◦ C

450 ◦ C

443 ◦ C

λ = 1, 1

46 ◦ C

50 ◦ C

44 ◦ C

43 ◦ C

462 ◦ C

451 ◦ C

Lean-burn startwaarde:

Tabel 3.4: Invloed van meetstrategie op EGR-temperaturen. (↓):strategie λ = 1, 8 → 1, 1; (↑):strategie λ = 1, 1 → 1, 8

Hoofdstuk 4

EGR & Lean-burn metingen Hoofddoel van deze scriptie is het vergelijken en bestuderen van EGR- en arme-mengselwerking, zowel naar vermogen en rendement als naar emissies toe. Belangrijk is stabiele meetpunten te kunnen instellen om zo de reproduceerbaarheid van de metingen te garanderen. Op de proefstand is een aftakking van de uitlaatgassen voorzien vóór en na de katalysator zodat de werking ervan kan bekeken worden. Enkel bij EGR en onder stoichiometrisch werken zal de katalysatorwerking worden onderzocht omdat deze enkel voldoende rendement haalt in de omgeving van λ ≈ 1 (enkel daar wordt de light-off temperatuur gehaald).

4.1

Exhaust Gas Recirculation

Vooraleer we beginnen met het bespreken van de meetresultaten bekijken we even de redenering die achter het gebruik van EGR zit. Figuur 4.1 illustreert de verschillende werkingstoestanden van een waterstofverbrandingsmotor. We beginnen met een stoichiometrisch mengsel (λ = 1) waarbij alle lucht deelneemt aan de verbranding (a). Dan volgt de arme-mengselwerking (lean-burn toestand). In dat geval is er steeds een luchtoverschot ten opzichte van de voor stoichiometrische verbranding nodige verbrandingslucht. Dit doordat minder H2 wordt ge¨ınjecteerd ten opzichte van (a). Dat overschot aan lucht wordt dilutielucht genoemd (b). Bij EGR-werking wordt deze dilutielucht vervangen door gerecirculeerde uitlaatgassen (c). Een manier waarop de temperatuur van de verbranding kan worden aangepakt is via EGR-

27

HOOFDSTUK 4. EGR & LEAN-BURN METINGEN

28

Figuur 4.1: Dilutielucht vs EGR werking. De EGR-gassen hebben een grotere specifieke warmtecapaciteit (cp ) dan lucht zodat de totale warmtecapaciteit van het mengsel in de cilinder stijgt (ten opzichte van de leanburn situatie). De gerecirculeerde gassen nemen niet deel aan de verbranding, toch nemen ze warmte op. Resultaat is dat de verbrandingstemperatuur daalt en bijgevolg de N Ox -vorming daalt. Daarbij komt dat tijdens EGR-werking, de overtollige dilutielucht (die O2 bevat → N Ox vorming mogelijk) vervangen wordt door EGR-gassen die enkel N2 en waterdamp bevatten, zodat de mogelijkheid tot N Ox -vorming daalt.

4.2

EGR-berekeningen

Wanneer een motor zich in een EGR-werkingstoestand bevindt kan men deze toestand het best beschrijven door gebruik te maken van het EGR%. Dit geeft aan welk percentage van de uitlaatgassen wordt gerecirculeerd. Het wordt berekend als de verhouding van het EGRmassadebiet tot het totale massadebiet: EGR% =

m ˙ EGR m ˙ EGR = m ˙ tot (m ˙ EGR + m ˙ air + m ˙ H2 )

(4.1)


4.2.1

29

Praktische bepaling van het EGR%

Het EGR-massadebiet kan berekend worden uit het verschil in hoeveelheid aangezogen lucht vóór en tijdens EGR-regime:   ∆Q lucht = Qlucht,voor − Qlucht,tijdens  m ˙ = ∆Q ·ρ EGR

lucht

EGR

Schrijven we overeenkomstig met bovenstaande vergelijking, vergelijking(4.1) uit, dan verkrijgen we: EGR% =

∆Qlucht · ρEGR (∆Qlucht · ρEGR + Qlucht,tijdens · ρlucht + QH2 · ρH2 )

(4.2)

Na deling door ∆Qlucht · ρEGR geeft dit: EGR% =

1 Qlucht,tijdens · ρlucht QH2 · ρH2 + 1+ ∆Qlucht · ρEGR ∆Qlucht · ρEGR

(4.3)

Omdat de lucht- en waterstofdebieten in N m3 /h worden opgemeten zullen we de opgemeten debieten moeten omrekenen om ze bruikbaar te maken. Dit doen we aan de hand van:   Q N,lucht · ρN,lucht = Qlucht · ρlucht  QN,H2 · ρN,H2 = QH2 · ρH2 Hieruit volgt dat: ∆Qlucht =

∆QN,lucht · ρN,lucht ρlucht

Invullen in vergelijking (4.3) geeft na vereenvoudiging: EGR% =

1 QN,lucht,tijdens · ρlucht QN,H2 · ρN,H2 · ρlucht 1+ + ∆QN,lucht · ρEGR ∆QN,lucht · ρN,lucht · ρEGR

(4.4)

In een laatste stap maken we dankbaar gebruik van de ideale gaswet1 :  ρlucht REGR ·TEGR    ρEGR = Rlucht ·Tlucht   pN plucht · ρ ·ρ RH2 · TN Rlucht · Tlucht N,H2 lucht ·TEGR   = = RREGR pN pEGR  ρ ·ρ H2 ·Tlucht   N,lucht EGR · Rlucht · TN REGR · TEGR dan kunnen we vergelijking (4.4) vereenvoudigen tot: EGR% =

1 Q QN,H2 REGR · TEGR N,lucht,tijdens 1+ · + ∆QN,lucht · Tlucht Rlucht RH2

(4.5)

Zo krijgen we een formule om het EGR% te te berekenen. Alle parameters in deze vergelijking zijn gekend of worden opgemeten, behalve REGR . Die berekenen we hieronder. 1

Hierbij veronderstellen we dat plucht = pEGR , hetgeen een redelijke aanname is


4.2.2

30

Gasconstante van de rookgassen: REGR

Eerst bekijken we de theoretische rookgassamenstelling van de gerecirculeerde uitlaatgassen bij λ = 1. Als we de verbrandingsreactie van waterstof neerschrijven en aannemen dat alle waterstof wordt verbrand, krijgen we2 : 1 1 79 1 79 · O2 + · N2 + H2 → · N2 + H2 O 2 2 21 2 21 De samenstelling van de uitlaatgassen is dan de volgende:  1 79   N2 [vol %] → 2 ·12179 = 0.6529 1+ · 2 21

1 1+ 21 · 79 21

  H2 O [vol %] →

= 0.3471

We onderstellen ook dat dit de samenstelling is van de gerecirculeerde uitlaatgassen. Om de gedachten te vestigen veronderstellen we dat er 1 N m3 /h uitlaatgassen wordt gerecirculeerd (we tonen straks aan dat deze hoeveelheid geen invloed heeft op de waarde die we zullen bekomen voor de gasconstante van de gerecirculeerde uitlaatgassen). We rekenen de volumeconcentraties nu om naar massaconcentraties:   m ˙ N2 → 0.6529 3  m ˙ → 0.3471 N m · 18 H2 O

h

N m3 h kg kmol

·

kg kmol

1 kmol 22.4 N m3 kg 1 kmol 22.4 N m3 · 18 kmol

· 28

·

= 0.8161 = 0.2789

kg h kg h

Het massadebiet gerecirculeerde uitlaatgassen is dan: m ˙ EGR = 0.2789 + 0.8161 = 1.095

kg h .

Uit

deze gegevens kunnen we de respectievelijke massafracties voor stikstof en water berekenen:   cN = m˙ N2 = 0.7453 2 m ˙ EGR m ˙  c = H2 O = 0.2547 H2 O

m ˙ EGR

De som van beide massafracties is uiteraard altijd = 1. Indien we voorheen een andere hoeveelheid gerecirculeerde gassen voorop hadden gesteld (of dus een ander EGR%), dan zouden de massafracties steeds dezelfde blijven, want die factor wordt uiteindelijk weggedeeld in bovenstaande formules voor de massafracties. De gasconstante van de gerecirculeerde rookgassen is dus onafhankelijk van het EGR%. De gasconstante van een gas kan nu eenvoudig berekend worden uit de samenstellende elementen: R = 2

R M

Hierbij is stilzwijgend verondersteld dat we de vorming van N Ox verwaarlozen

(4.6)


Hier wordt de molaire massa M3 gegeven door: M = R = 8.3144

J mol·K .

31

P

1

ci n i=1 Mi

en de universele gasconstante:

Op die manier krijgen we voor de molaire massa van de rookgassen: M

=

cH 2 O MH2 O

1 +

c N2 M N2

=

0.2547 18

1 +

0.7453 28

= 24.53

kg kmol

(4.7)

Zo kunnen we met (4.6) de gasconstante van de rookgassen berekenen: REGR =

8.3144 24.53

J mol·K kg kmol

= 338, 9

J kg · K

(4.8)

Deze waarde wordt gebruikt in alle EGR-berekeningen.

4.3

Meetstrategie voor EGR-metingen

Voor het instellen van EGR-werkingstoestanden wordt steeds vertrokken vanuit een lean-burn situatie. Daarna wordt de regelkraan van het EGR-circuit opengedraaid tot er stoichiometrisch wordt verbrand (λ = 1). Tijdens het opendraaien van de kraan wordt de dilutielucht die aanwezig was tijdens de lean-burnconditie vervangen door gerecirculeerde uitlaatgassen en wordt een EGR-werkingstoestand bekomen. Tijdens het veranderen van regime wordt het waterstofdebiet constant gehouden. Zo wordt een EGR-regime wel degelijk vergeleken met de overeenkomstige lean-burnconditie waaruit werd gestart. Het H2 -debiet wordt dan in de besprekingen gekozen als gemeenschappelijke referentie om vermogens, rendementen en N Ox -emissies te vergelijken. Zoals reeds vermeld in sectie 3.3 werden alle EGR-metingen uitgevoerd startend met de leanburnconditie met de kleinste luchtfactor omdat dan een stabielere instelling van het werkingspunt kon bekomen worden. Er wordt dus vertrokken vanuit een situatie waarbij men tamelijk rijk draait (dicht bij λ ≈ 1, 1). Drukmetingen worden uitgevoerd en alle gegevens genoteerd. Dan openen we de EGR-kraan tot λ = 1 wordt bereikt en de toestand stabiel is4 . Wanneer zich een regime heeft ingesteld (de uitlaattemperatuur van de motor is hiervoor een goede parameter) worden drukmetingen uitgevoerd. De regelkraan wordt daarna weer gesloten en geleidelijk verminderen we het waterstofdebiet zodat zich een nieuwe lean-burnconditie instelt met een hogere luchtfactor dan voordien. Zo worden de metingen herhaald (meestal van λ ≈ 1, 1 . . . 1, 9), waarbij het EGR% steeds toeneemt. Dit wordt schematisch en kwalitatief weergegeven in figuur 4.2. 3 4

Gasmengsel van n gassen met elk hun massafractie ci en molaire massa Mi In het begin vereist dit een licht bijregelen via de EGR-kraan om een constante luchtfactor te verkrijgen. Er

mag zeker niet worden bijgeregeld door meer/minder waterstof te injecteren, dit zou een latere vergelijking met de lean-burnconditie onmogelijk maken!


32

Figuur 4.2: Schets opeenvolgende stappen van de meetstrategie

4.4

Vergelijken van EGR-metingen

In tegenstelling tot lean-burn metingen waar resultaten onderling worden vergeleken bij dezelfde luchtfactor kan men EGR-metingen niet vergelijken op basis van het EGR%. Men vergelijkt EGR-metingen op basis van het waterstofdebiet. Zo kan men verschillende situaties bekijken die voortkomen uit een gelijke energie-input. Het EGR% is afhankelijk van de temperatuur en deze kan verschillen van situatie tot situatie, vooral omdat twee EGR-metingen bij verschillende temperatuur en zelfde EGR% een verschillend waterstofdebiet vergen5 ! Opmerking: de CFR-motor heeft van nature uit een inwendige EGR-werking gezien er zich geen klepoverlap voordoet (zie tabel 2.2). De uitlaatklep sluit nog voor het BDP tijdens de uitdrijving van de gassen. De inlaatklep opent zich tijdens de inlaatslag pas 17 ◦ na het BDP. Hierdoor blijft steeds een hoeveelheid uitlaatgassen in de cilinder achter na de uitdrijving van de rookgassen.

4.5

COV: coefficient of variation

Om meetresultaten te beoordelen maken we gebruik van de COV. Die wordt telkens in de verwerking van de meetresultaten berekend. De COV wordt steeds bepaald op basis van de 5

Als TEGR ↑, moet een groter volume gerecirculeerde rookgassen aanwezig zijn in de cilinder om hetzelfde

EGR% te behalen ⇒ de hoeveelheid H2 in de cilinder moet lager liggen ⇒ om hetzelfde EGR% te bereiken moet gestart worden van een armer mengsel.


33

gemiddelde ge¨ındiceerde druk uitgemiddeld over de 30 opgemeten cycli (= IMEP6 ). De gebruikte formules worden hieronder weergegeven:  q  σIM EP = P30 (¯ 2 i=1 pi − IM EP )  COV = σIM EP · 100 IM EP

IM EP

Hierin stelt p¯i de gemiddeld ge¨ındiceerde druk over één cyclus voor en is σIM EP de standaardafwijking op de IMEP. De COV wordt uitgedrukt in [%] en dient om de cyclische variatie en stabiliteit van de verbranding in de motor te beoordelen. Een te hoge waarde betekent een te sterke schommeling van de gemiddelde ge¨ındiceerde drukken, wat op zijn beurt nefast is voor het aanhouden van een constant toerental of koppel. Het criterium dat we aannemen stelt dat de COV absoluut onder de 10% moet liggen. Uiteraard geldt: hoe lager de COV hoe beter. Te hoge COV waarden betekenen dat de verbranding onstabiel is. Dit kan verschillende oorzaken hebben. De meest gekende zijn gloeiontsteking en een slechte keuze van de voorontsteking (VO).

4.6

Meetresultaten

Bij de metingen werden telkens opgemeten: • λ-waarde van de werkingstoestand • Lucht- en waterstofdebiet • Temperaturen op verschillende plaatsen • Rookgassamenstelling voor katalysator (met het uitlaatgasanalysetoestel) • N Ox -uitstoot voor en na katalysator De injectiedruk bedroeg steeds 2bar. Het injectie-einde werd vastgelegd op 180 ◦ ca. Als het einde van de injectie vast ligt op het moment waarop de zuiger zijn ODP heeft bereikt laat dit een maximale tijd beschikbaar voor afkoeling. Dit is belangrijk met het oog op het vermijden van backfire. 6

Indicated Mean Effective Pressure


4.6.1

34

Backfire

Backfire doet zich voor wanneer het aangezogen inlaatmengsel al ontsteekt nog voor de inlaatklep is gesloten. Dit gaat gepaard met een luide knal. Bij de CFR motor is meestal ook duidelijk een vlam te zien in de inlaatleiding. Het spreekt voor zich dat dit zich niet zomaar te pas en te onpas mag voordoen bij wagens op de openbare weg. Het fenomeen heeft een sterk stochastisch karakter omdat in het geval van backfire niet de bougievonk maar ’hot spots’ de ontsteking initiëren. Hot spots zijn plaatsen in de cilinder, aan de inlaatklep of aan de bougie zelf waar lokaal de temperatuur zeer hoog is. Deze plekken kunnen een voortijdige ontsteking initiëren. Het is dus van groot belang dat er voldoende gekoeld kan worden om deze hot spots te vermijden. Meestal doet backfire zich voor wanneer rijk (λ = 1) gedraaid wordt, wat zeker niet wil zeggen dat het zich in andere werkingstoestanden niet kan voordoen, integendeel! Methodes om backfire te reduceren worden volop onderzocht. Bij BMW experimenteert men met directe injectie waarbij waterstof direct in de cilinder wordt ingespoten wanneer in- en uitlaatklep gesloten zijn zodanig dat backfire niet mogelijk is. Een andere piste die wordt bekeken is de manier waarop het mengsel wordt ontstoken. Plasma-ontsteking ter vervanging van de bougie zou hot spots in de nabijheid van de bougie zowat uitschakelen, [8].

4.6.2

Definities

De berekeningen die in de verwerking van de gegevens gemaakt worden steunen allemaal op onderstaande definities. De luchtfactor wordt berekend uit de rookgassamenstelling met een breedband λ-sensor of uit de opgemeten lucht- en waterstofdebieten: λ =

Lw m˙air ρair · Qair Qair = = = 0, 418 · Ls m˙H2 · Ls ρH2 · QH2 · Ls QH2

(4.9)

Hierin zijn Ls en Lw respectievelijk de voor stoichiometrische verbranding nodige luchthoeveelheid en de werkelijk aangezogen luchthoeveelheid (uitgedrukt in

kglucht kgbrandstof ).

Er wordt ook ge-

bruik gemaakt van φ, de ’equivalence ratio’, gedefinieerd als: φ = λ1 . Wij zullen echter steeds λ gebruiken om de rijkheid van het inlaatmengsel aan te duiden. De ge¨ındiceerde arbeid wordt berekend uit een gemiddeld drukdiagram van 30 opeenvolgende cycli: Wi =

720·r X i=1

(pi · (Vi − Vi−1 )) r

(4.10)


35

Hierin stelt r de resolutie voor (bij ons is dit 10, d.i. 10 meetpunten per graad krukhoek). Het ge¨ındiceerd vermogen is dan (met n het toerental): Pi = W i ·

n 2 · 60

(4.11)

Om vermogens onder verschillende omstandigheden (atmosfeerdruk en -temperatuur) te vergelijken maken we gebruik van het genormaliseerd vermogen: r 273 + Tatmosf eer 101325 · Pi,N ORM = Pi · patmosf eer 273 + 20

(4.12)

Tot slot definiëren we het ge¨ındiceerd rendement: ηi =

Pi,N ORM · 22, 4 1000 · QH2 · HH2

(4.13)

Hierin is HH2 de onderste verbrandingswaarde van waterstof (HH2 = 241, 8 · 103

4.7

J mol ).

Hoge EGR-percentages

Onze bedoeling is een grens op te stellen voor EGR-metingen. Tot welk EGR% kan stabiel worden gewerkt? We vertrekken hierbij uit lean-burn situaties met λ = 2, 5 en gaan zo geleidelijk naar λ = 3, 5. Dit zijn al hoge luchtfactoren en we verwachten dus zeker het optreden van instabiele werking. De eerste voorbode hiervan was al duidelijk tijdens het meten zelf. Op de oscilloscoop kon duidelijk gezien worden hoe de drukpiek stond te ’schommelen’ (normaal verwacht men constant dezelfde vorm). De meetresultaten van deze meting zijn te vinden in appendix G. In tabel 4.1 zien we een uittreksel van de metingen7 .

Op figuur 4.3 zien we de

COV. De resultaten spreken voor zich. De COV is veel te hoog, zeker wat EGR betreft (bemerk de grenswaarde COV = 10 op de figuur). Een mogelijke verklaring hiervoor is een instabiele of te trage verbranding (slechtere menging van het inlaatmengsel). Vanaf λ ≈ 3 zijn de lean-burn metingen ook niet meer betrouwbaar. We kunnen dan ook stellen dat het geen zin heeft EGRmeting uit te voeren op deze motor voor EGR% ≥ 50% . . . 60%. Deze extreem hoge EGR-percentages zijn overigens niet makkelijk te verkrijgen. De tegendruk voor EGR-werking wordt geleverd door een waterkolom in het waterslot dat zich in de kelder bevindt. De regelkraan wordt volledig opengedraaid, maar om hogere percentages te verkrijgen, 7

Excel-file: EGR-metingen160306 start hoge luchtfactor.xls


36

Regime

lean-burn

EGR

lean-burn

EGR

lean-burn

EGR

λ

2, 5

1

2, 8

1

3, 1

1

EGR%

0

59

0

63, 4

0

68

Pi,N ORM [W]

1086

645

759

486

504

287

ηi

29, 8

17, 7

23, 9

15, 3

17, 5

10

COV

5, 7

19, 4

8, 7

15, 2

16, 3

110

dp ( dα )M AX [bar/◦ ca]

0, 34

0, 31

0, 34

0, 32

0, 33

0, 31

Tabel 4.1: Metingen met hoge luchtfactor / hoog EGR%

Figuur 4.3: COV ifv EGR% en luchtfactor zoals hier, is het nodig dat een onderdruk wordt gecreëerd met behulp van de gasklep zodat de rookgassen extra worden aangezogen. Voor wat betreft lage belastingen gaat men vanaf λ = 2 zeker over naar een lean-burnstrategie en past men EGR niet meer toe. In de verdere metingen zal dan ook enkel EGR worden toegepast tot λ = 1, 9 in de overeenkomstige lean-burnconditie. De hoofdreden om vanaf dan te kiezen voor een lean-burnstrategie is het gunstiger rendement. Tevens kan een hoger vermogen behaald worden. De COV is lager, wat een stabielere werking betekent.


4.8

37

Algemene trend bij ge¨ındiceerde grootheden

Bij de lean-burn en EGR metingen die we uitvoerden op de proefstand kwamen we tot een aantal vaststellingen die geldig zijn voor de verschillende compressieverhoudingen. We bespreken hier een lean-burn en EGR meting bij compressieverhouding = 9, 5 (zie figuur 4.4)8 .

4.8.1

Ge¨ındiceerd vermogen

Figuur 4.4: Vermogen en rendement in functie van waterstofdebiet De grafiek geeft het rendement en vermogen weer in functie van het waterstofdebiet. Bovenaan wordt respectievelijk voor lean-burn en EGR, de luchtfactor en het EGR% weergegeven9 . Zolang het waterstofdebiet toeneemt (rijker mengsel), neemt het ge¨ındiceerd vermogen toe. Dit is logisch gezien er meer arbeid verricht kan worden met een grotere hoeveelheid brandstof. Voor een armer mengsel is er minder waterstof aanwezig in de cilinder, bijgevolg kan er minder vermogen gegenereerd worden. Het ge¨ındiceerd rendement daarentegen neemt af bij toenemend waterstofdebiet (hier komen we later op terug). We wijzen erop dat vanaf QH2 ≥ 1, 8N m3 /h de vermogensverschillen tussen de twee werkingstoestanden (lean-burn en EGR) zeer klein zijn, tabel 4.2. De resultaten van vorig jaar toonden aan dat er een groter vermogen gehaald werd met EGR. Dit was in strijd met verschillende andere bronnen (o.a. Ford), waar het vermogen 8 9

Excel-file: 180406 EGR Lean-burn NOx.xls Opm.: de grafieken met drie abscisassen zijn niet lineair, ze tonen enkel verschillende meetpunten


38

lager was tijdens EGR-werking ([4], p32-34). De reden hiervoor was, zoals reeds aangehaald, de excessieve koeling die de rookgassen ondergingen10 . Door het koelwater van de gerecirculeerde gassen op hogere temperatuur te brengen krijgen we hier dus realistischere resultaten. Er kan qua vermogen bijna geen onderscheid gemaakt worden tussen de EGR- en lean-burntoestand in het interval 1, 78 ≤ QH2 ≤ 2, 19. Toch stellen we vast dat met stijgend EGR% het vermogen licht inboet ten opzichte van de lean-burnwerkingstoestand. lean-burn

EGR

λ

Pi,N ORM [W ]

ηi [%]

EGR%

Pi,N ORM [W ]

ηi [%]

1, 15

1708, 53

25, 98

16, 07

1723, 38

26, 21

1, 25

1670, 47

26, 52

21, 12

1676, 78

26, 62

1, 35

1620, 41

27, 36

26, 30

1605, 16

27, 04

1, 5

1522, 15

28, 43

34, 19

1509, 35

28, 19

1, 7

1443, 13

29, 72

42, 97

1305, 94

26, 89

Tabel 4.2: Ge¨ındiceerd vermogen en rendement voor arme-mengselwerking en EGR Vanaf het moment waarop we een lean-burnstartconditie hebben waarbij λ ≥ 1, 5 krijgen we een groter onderscheid (figuur 4.4, tabel 4.2), een grotere daling van het vermogen bij EGR vanaf een EGR% = 34, 19%. Een stijgend EGR-percentage betekent immers meer uitlaatgassen die in de cilinder worden gebracht, de dilutie neemt toe en het aandeel waterstof in de cilinder daalt voortdurend. Wanneer de voorontsteking lichtjes wordt vergroot is het verschil minder uitgesproken. Toch blijft het vermogen vanaf dan relatief gezien sterker dalen in vergelijking met de lean-burnsituatie.

4.8.2

Ge¨ındiceerd rendement

Het rendement ondergaat een gelijkaardige evolutie. Een rendementstijging bij dalend waterstofdebiet, zowel wat EGR en lean-burn betreft, tot aan λ = 1, 5. Vanaf dan een rendementdaling voor EGR-werkingstoestanden en een verdere toename voor wat betreft lean-burn. Dat het rendement toeneemt naarmate we armer gaan draaien is geen toeval. ηv = 1 −

1 κ−1

(4.14)

Het volmaakt rendement stijgt immers met λ. Het is functie van de insentroopexponent κ en de compressieverhouding (constant in ons geval). κ daarentegen is afhankelijk van de 10

T↓ ⇒ specifiek volume↓ ⇒ leveringsgraad ↑ ⇒ hoger vermogen


39

gassamenstelling en de gastemperatuur en stijgt met toenemende λ, [1]. Op de figuur 4.5 zien we dat het rendement bij lean-burn ongeveer lineair stijgt met de luchtfactor (bij slechte keuze van de voorontsteking kan dit niet het geval zijn).

Figuur 4.5: Lineair verloop van het rendement met λ Voor wat de EGR-toestand betreft, kunnen we dit uitleggen aan de hand van de definitie van κ: κ=

cp cp = cv cp − R

(4.15)

κ wordt dus bepaald door de specifieke warmtecapaciteit cp . Wanneer nu het EGR% toeneemt, stijgt de warmtecapaciteit van het mengsel in de cilinder (dit is de reden waarom EGR wordt toegepast, zie sectie 4.1). Deze toename van cp door het terugvoeren van uitlaatgassen wordt enkel tegengewerkt door een dalend waterstofdebiet. Dit kan ingezien worden door de samenstellende elementen van cp te bekijken bij stoichiometrisch draaien: cp =

n X

ci · cp,i

(4.16)

i=1

ci = cH2 =

0, 02851 · (1 −

EGR% 100 )

cN2,lucht =

0, 74523 · (1 −

EGR% 100 )

cO2 =

0, 22626 · (1 −

EGR% 100 )

cN2,EGR =

0, 745 · ( EGR% 100 )

cH2 0 =

0, 255 · ( EGR% 100 )

Tabel 4.3: Afhankelijkheid massafracties van EGR% In het inlaatmengsel zitten volgende massafracties: cH2 0 en cN2,EGR afkomstig van de gerecir-


40

culeerde uitlaatgassen11 + cH2 , cN2,lucht en cO2 die worden aangezogen. Elk hebben ze hun gemiddelde specifieke warmtecapaciteit cp,i (tabel 4.4). Wanneer het EGR% zal stijgen, zal cH2 -met een hoge gemiddelde specifieke warmtecapaciteit- dalen, maar gaan cH2 0 en cN2,EGR stijgen. Daar het aandeel van cH2 sowieso al klein is (tabel 4.3), wordt deze daling ruimschoots gecompenseerd door de gerecirculeerde gassen. gas i

J cp,i ( kg·K )

EGR

1281

O2

916

N2

1038

H2

14320

H2 O

1854, 87

Tabel 4.4: De gebruikte theoretische waarden van cp,i bij 24◦ C. Een toename van cp zorgt voor een toename van de κ-waarde wat op zich (gezien de compressieverhouding constant is) voor een toenemen van het volmaakt rendement zorgt. Net zoals bij het vermogen het geval was krijgen we een plotse daling vanaf EGR-percentages = 34,29%. In werkelijkheid zitten we hier met een totaal EGR-percentage van 50 à 55% (als we de interne EGR bijtellen). Als we de COV bekijken in dit gebied, dan zien we een plotse stijging. Dit is niet het geval voor de overeenkomstige lean-burnsituatie in die regio. Dit verklaart meteen waarom we ons daar aan een vermogen- en rendementdaling mogen verwachten. De verbranding wordt er instabiel. Deze vaststelling bij = 9, 5 is geenszins een uniek geval! Het betreft een steeds terugkerend fenomeen bij verschillende compressieverhoudingen. Voor een EGR-percentage dat rond de 30 à 35% ligt, gaan zowel het rendement als het vermogen bij EGR-werking sterk dalen. We zien dit op figuren 4.4, 4.6, 4.7 en 4.8, waar respectievelijk EGR- en lean-burn metingen worden voorgesteld met verschillende compressieverhoudingen. Tabel 4.5 geeft een impressie van de COV in deze regio’s12 . Wanneer we de COV bekijken komen we tot de conclusie dat het bij deze motor niet mogelijk is om het interval λ = 1, 5 . . . 2 te overbruggen met EGR-werking. Voor dit interval is er dus eigenlijk geen optimale werkingsstrategie omdat men meestal pas vanaf λ = 2 overgaat van EGR11 12

Eventueel resterende waterstof in de uitlaat wordt hier, zoals hoger, weer verwaarloosd extracties uit: 180406 EGR Lean-burn NOx.xls, 040406 EGR Lean-burn.xls, 050406 EGR Lean-burn.xls en

200406 EGR Lean-burn NOx.xls


lean-burn

41

EGR

λ

COV [%]

COV [%]

EGR%

9, 5

1, 7

0, 75

2, 91

42, 9

9, 5

9, 5

1, 6

0, 79

0, 85

37, 49

9, 5

9, 5

1, 7

0, 75

2, 04

40, 9

9, 5

9, 5

1, 8

0, 77

3, 29

44, 7

9, 5

9, 5

1, 9

0, 72

5, 39

48, 38

9, 5

10, 5

1, 6

2, 2

1, 08

37, 62

10, 5

10, 5

1, 7

0, 93

1, 64

42, 15

10, 5

10, 5

1, 8

1, 05

2, 89

45, 11

10, 5

10, 5

1, 9

0, 83

5, 71

47, 47

10, 5

11, 5

1, 6

0, 68

3, 62

37, 85

11, 5

11, 5

1, 7

0, 82

2, 23

37, 79

11, 5

11, 5

1, 8

1, 01

3, 67

45, 62

11, 5

11, 5

1, 9

0, 92

3, 8

47, 14

11, 5

12, 5

1, 7

2, 4

1, 73

41, 77

12, 5

12, 5

1, 8

0, 93

2, 69

45, 73

12, 5

Tabel 4.5: COV voor lean-burn en EGR vanaf λ ≥ 1, 5 en EGR% ≥ 30% naar lean-burnwerking13 . De plotse daling in rendement en vermogen kan verklaard worden door het feit dat er minder waterstof verbrand wordt, door een slechte menging of doordat er af en toe een cyclus niet ontsteekt. In tabel 4.6 wordt het waterstofdebiet in de uitlaat bij lean-burn en EGR voorgesteld. Een paar punten wijken af van onze verklaring. Volgens ons ligt dit niet zo zeer aan het niet volgen van de trend op zich, maar meer aan het opmeten van de waarden zelf. Door het lange wachten op stabilisatie van de resultaten in het uitlaatgasanalysetoestel kunnen er zich wel eens minder betrouwbare resultaten voordoen. Een voorstel naar de toekomst toe is dan ook om het uitlaatgasanalysetoestel dichter bij de proefstand te zetten, zodat de uilaatgassen een kleinere afstand moeten overbruggen vooraleer gemeten te worden.

13

Reden hiervoor is de nog steeds hoge N Ox -concentratie bij λ = 1, 5 . . . 2


lean-burn

42

EGR

λ

H2 [vol%]

H2 [vol%]

EGR%

9, 5

1, 7

0, 32

0, 44

42, 9

9, 5

10, 5

1, 6

0, 16

0, 31

37, 62

10, 5

10, 5

1, 7

0, 16

0, 64

42, 15

10, 5

10, 5

1, 8

0, 19

0, 39

45, 11

10, 5

10, 5

1, 9

0, 2

0, 30

47, 47

10, 5

11, 5

1, 6

0, 21

0, 30

37, 85

11, 5

11, 5

1, 7

0, 42

0, 28

37, 79

11, 5

11, 5

1, 8

0, 27

0, 65

45, 62

11, 5

11, 5

1, 9

0, 54

0, 69

47, 14

11, 5

12, 5

1, 7

0, 14

0, 41

41, 77

12, 5

12, 5

1, 8

0, 4

0, 52

45, 73

12, 5

Tabel 4.6: H2 -concentratie in de uitlaat bij lean-burn en EGR vanaf λ ≥ 1, 5 en EGR% ≥ 30%

Figuur 4.6: Vermogen en rendement bij =10,5




43


4.9

44

Invloed van op ge¨ındiceerde grootheden

De CFR-motor is een motor met variabele compressieverhouding (). Daar hebben we bij onze metingen dankbaar gebruik van gemaakt. Zo hebben we bij lean-burn en EGR metingen telkens een reeks metingen uitgevoerd bij een verschillende compressieverhouding. We zijn gestart bij = 9, 5 en gestopt bij = 12, 5, telkens met een sprong van 1. De compressieverhouding kan ingesteld worden met behulp van een hendel en een meetklok. Voor werkwijze en instellen van verwijzen we naar appendix D. De compressieverhouding wordt gegeven door: =

Vc + Vs Vc

(4.17)

Het is de verhouding van het cilindervolume (Vc + Vs ) ten opzichte van de schadelijke ruimte (Vc ). Door het volume Vc te veranderen kan men de compressieverhouding wijzigen. Dit komt dus neer op een verschuiving van het rood gekleurde deel op figuur 4.9.

Figuur 4.9: Compressieverhouding

4.9.1

Compressieverhouding en lean-burn

We bekijken de resultaten van de lean-burn metingen op figuur 4.10. We zien het vermogen uitgezet in functie van het waterstofdebiet. We kunnen de grafiek als het ware indelen in een zone voor en na QH2 = 1, 35 N m3 /h (dit correspondeert met λ ≈ 1, 9). Voor de lagere waterstofdebieten, QH2 ≤ 1, 35 N m3 /h (hogere λ-waarden), zien we een duidelijke invloed van de compressieverhouding. Zoals verwacht stijgt het vermogen met toenemende . Naargelang de luchtfactor stijgt neemt uiteraard het vermogen af (minder waterstof wordt ingespoten). Het gebied waar QH2 ≤ 1, 35 N m3 /h (λ ≈ 1, 9) is trouwens een typisch belastingsgebied waar men zal opteren voor een lean-burnstrategie. Zoals we in sectie 4.11 zullen zien zijn daar de N Ox emissies zeer laag en hoeven er geen bijkomende maatregelen getroffen te worden om deze in te dijken (o.a. ook te zien op figuur 1.2).


45

Voor 1, 1 ≤ λ ≤ 1, 9 (QH2 ≥ 1, 35 N m3 /h), is de situatie niet altijd even duidelijk. De vermogens met = 10, 5 liggen wel steeds boven deze met = 9, 5. Bekijkt men de trend, dan stelt men vast dat ook hier met stijgende compressieverhouding het vermogen toeneemt. Dit gebied is echter niet interessant voor praktisch gebruik, de N Ox -uitstoot is er immers te hoog.


46

Figuur 4.10: Vermogen in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhoudingen


4.9.2

47

Compressieverhouding en EGR

Op figuur 4.10 zijn eveneens de resultaten van de EGR-metingen opgenomen. Het afgebeelde gebied is het typisch werkingsgebied wat EGR betreft (overeenkomstig lean-burngebied: 1, 1 ≤ λ ≤ 1, 9 of op de figuur 2, 25 N m3 /h ≥ QH2 ≥ 1, 4 N m3 /h). Afgezien van het punt ( = 11, 5; QH2 = 2, 1 N m3 /h) geldt ook hier ↑ ⇒ Pi ↑. We bekijken even de meetresultaten in dit afwijkend punt14 . We zien dat de uitlaattemperatuur van de motor met 418 ◦ C iets lager is dan de EGR-metingen met iets hoger en lager EGR% (422 ◦ C resp. 426 ◦ C). Dit doet al vermoeden dat de verbranding niet stabiel is verlopen. De hogere COV bevestigt dit. Op figuur 4.11 wordt het gemiddeld drukverloop van deze meting weergegeven. Daarop is duidelijk te zien dat het

Figuur 4.11: Gemiddeld drukverloop meting ( = 11, 5; QH2 = 2, 1 N m3 /h) gemiddeld drukverloop van de cyclus met hoge COV (in het rood) lager ligt dan de omringende EGR-metingen bij iets hoger en lager EGR%. Dit draagt bij tot de vermogensdaling ten opzichte 14

(Excel-file: 050406 EGR Lean-burn.xls)


48

van de omringende EGR-metingen. We wijzen er op dat voor het gebied waar QH2 ≤ 1, 7 N m3 /h (λ ≥ 1, 5) de vermogens en rendementen die bij EGR gehaald worden sterk dalen (zie sectie 4.8). Bij een toename van de compressieverhouding neemt het vermogen toe. Dit is als volgt te verklaren: bij een grotere compressieverhouding is het schadelijk volume verhoudingsgewijs kleiner (de expansieslag is groter), wat betekent dat de nuttige oppervlakte van het p, V -diagram groter is. De ge¨ındiceerde arbeid zal dus ook groter zijn. Dit heeft dan een groter ge¨ındiceerd vermogen als gevolg.

4.9.3

Compressieverhouding en rendement

Grijpen we terug naar de definitie van het volmaakt rendement (4.14), dan zien we de afhankelijkheid van de compressieverhouding. Hoe hoger de compressieverhouding, hoe hoger het rendement. De resultaten in figuur 4.12 bevestigen dit. Zowel wat EGR als lean-burn betreft zien we een stijging van het rendement met een toenemende compressieverhouding, behalve bij = 12, 5. Deze meetreeks valt buiten het verwachte patroon. Een verklaring hiervoor kan gevonden worden in de meetstrategie. Zoals we in sectie 4.3 hebben besproken starten we normaal gezien een EGR meting met een lean-burnconditie in de omgeving van λ = 1, 15 en gaan zo naar hogere lean-burnstartcondities. De metingen bij = 12, 5 zijn niet volgens dit principe gemeten. Omdat we bij = 11, 5 al problemen hadden met backfire in de omgeving λ ≈ 1, 15 werd besloten om de meting bij = 12, 5 omgekeerd uit te voeren en zoveel mogelijk op te meten tot backfire optrad (bij een hogere luchtfactor in de lean-burnstartconditie is het risico op backfire een stuk kleiner). Zo werd gestart met λ = 1, 8. Bij λ = 1, 2 kregen we harde werking en backfire. Daarom werden de metingen met = 12, 5 bij λ = 1, 2 stopgezet. Zoals voorheen gesteld zal bij deze wijze van meten de voorgaande EGR-meting steeds de daaropvolgende be¨ınvloeden door de opgeslagen warmte in het EGR-circuit af te geven en de meting vervalsen.


49

Figuur 4.12: Rendement in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhoudingen


4.10

50

Compressieverhouding en N Ox

Tijdens de EGR-metingen bij verschillende compressieverhoudingen werd steeds de N Ox - concentratie opgemeten voor de katalysator. De resultaten zijn gegeven in figuur 4.13. We kunnen opmerken dat, afgezien van de metingen bij = 9, 5, de N Ox productie stijgt met toenemende . Dit kan verklaard worden door de hogere verbrandingstemperaturen en drukken bij hogere . De meting bij = 9, 5 vertoont een abnormaal gedrag qua N Ox productie.

Figuur 4.13: N Ox productie in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhouding


4.11

51

N Ox -uitstoot

De tendens van de resultaten was steeds dezelfde en consistent met de eerder geformuleerde besluiten omtrent strategie en de bijhorende N Ox -uitstoot. Op figuur 4.14 is de N Ox -uitstoot te zien in functie van het waterstofdebiet voor de twee werkingsregime’s. Zoals verwacht is de N Ox - uitstoot het hoogst voor de lean-burnstrategie. De EGR-strategie is al iets beter. Met katalysator is de toestand bij EGR dan nog wat beter, maar niet denderend (daarover hebben we het in sectie 4.11.1).

Figuur 4.14: N Ox -uitstoot bij EGR en lean-burn

Op figuur 4.15 zien we duidelijk de invloed van de luchtfactor op de N Ox productie. Dit verloop is volledig consistent met wat we voorop hadden gesteld in sectie 1.4.

Figuur 4.15: N Ox -uitstoot bij lean-burn in functie van de luchtfactor


4.11.1

52

N Ox -uitstoot tijdens EGR (λ = 1)

Er werd reeds meerdere malen op gewezen hoe belangrijk de uitstoot van N Ox is bij waterstofverbrandingsmotoren. In onze EGR-metingen (waarbij we dus λ = 1 draaiden) bleek de katalysator niet naar behoren te werken. In figuur 4.16 is de conversiegraad van de katalysator samen met de N Ox -uitstoot15 voor en na de katalysator te zien bij een compressieverhouding van 9, 5. De metingen werden uitgevoerd met het uitlaatgasanalysetoestel. Tijdens EGR-werking werd het toestel eerst voor de katalysator aangesloten, dan erna. De omgekeerde methode werd ook uitgetest, maar dit leverde dezelfde resultaten op. Het is duidelijk dat de N Ox -emissies onvoldoende gereduceerd worden. Normaal gezien verwacht men (bij benzinemotoren) een conversiegraad van ongeveer 90%, hier halen we één enkel moment even 60%. Het is onwaarschijnlijk dat de light-off temperatuur van de katalysator (280-300 ◦ C) niet gehaald wordt, de temperatuur van de uitlaatgassen schommelt immers steeds rond de 400 ◦ C en na de katalysator wordt nog vlot 200 ◦ C gehaald. Misschien wordt de light-off temperatuur niet over de gehele katalysator gehaald. Bij hoge EGR-percentages kan dit zeker het geval zijn want dan dalen de uitlaattemperaturen. De TWC vervult drie functies: oxideren van KWS en CO (gepromoot door gebruik van palladium of platina) en het reduceren van N Ox (gepromoot door gebruik van rhodium als katalysator). Bij werking van een driewegkatalysator bij benzinemotoren is er CO in de uitlaatgassen aanwezig waarbij CO en N Ox wordt omgezet in N2 en CO2 via de reactievergelijkingen: 2 · N O + 2 · CO → N2 + CO2

(4.18)

2 · CO + O2 → 2 · CO2

(4.19)

De reductie van de N Ox in de uitlaatgassen bij waterstofmotoren is moeilijk bij gebrek aan reductans, aangezien er bij waterstof vrijwel geen CO aanwezig is in de uitlaatgassen, die deze rol, bij het draaien op benzine, op zich neemt. 15

Excel-file: 180406 EGR Lean-burn NOx.xls


53

Figuur 4.16: N Ox -uitstoot en conversiegraad in functie van waterstofdebiet/EGR% (λ = 1)

4.11.2

N Ox -uitstoot tijdens EGR (λ = 0, 95)

Er werd besloten om rijker te draaien onder EGR-werkingsregime16 (λ = 0, 95; deze waarde werd tijdens het meten gecontroleerd aan de hand van het waterstof- en luchtdebiet). Er zal nu te weinig zuurstof aanwezig zijn in de verbrandingskamer om alle waterstof te verbranden. De meetresultaten tonen dan ook een groot percentage waterstof in de uitlaatgassen voor de katalysator. Na de katalysator is dit percentage sterk afgenomen. Waterstof wordt dus verbruikt in de katalysator, tabel 4.7. H2 [vol%] voor katalysator

H2 [vol%] na katalysator

2, 17

0, 58

1, 58

0, 34

1, 63

0, 55

1, 9

0

2

0

Tabel 4.7: Waterstofgehalte voor en na katalysator Op figuur 4.17 is te zien dat de N Ox -uitstoot na de katalysator eveneens sterk gedaald is. Conversiegraden van boven de 80% worden nu gehaald. Door de aanwezigheid van H2 (een 16

Excel-file: 0805 EGR Lean-burn NOx b.xls


54

sterk reductans) in de uitlaatgassen, gaat de reductie van N Ox een stuk vlotter. Waterstof reageert met de vrijgekomen O2 om water te vormen.

N O x + H2 → N 2 + H2 O

(4.20)

Merk op dat de waarden van de N Ox -uitstoot voor de katalysator al een stuk lager liggen dan in vorige situatie (EGR bij λ = 1). Dit komt doordat wij nu wat rijker draaien bij EGR, wat wil zeggen dat dus meer uitlaatgassen gerecirculeerd worden bij een zelfde waterstofdebiet ten opzichte van de situatie EGR bij λ = 1. Meer uitlaatgassen in het inlaatmengsel betekent een grotere warmtecapaciteit (cp ) van het mengsel dus een daling van de verbrandingstemperatuur. De combinatie van onverbrande waterstof in de cilinder samen met de gerecirculeerde waterstof die in de uitlaatgassen te vinden is zorgt voor een bijkomende stijging van de cp . Samen met het feit dat er nu nog minder zuurstof is om de stikstof te oxideren, zorgt dit voor een daling van de gevormde N Ox (zoals ook eerder al werd uitgelegd).

Figuur 4.17: N Ox -uitstoot en conversiegraad in functie van waterstofdebiet/EGR% (λ = 0, 95)

Dat deze strategie zijn voordelen heeft bij de reductie van N Ox -emissies blijkt uit het voorgaande, maar er zijn uiteraard ook nadelen aan verbonden. Aangezien niet alle waterstof die de verbrandingskamer binnenkomt ook werkelijk verbrand wordt, zal het rendement dalen. Dit


55

heeft dus een nefaste invloed op het verbruik, en dit is al een heikel punt bij de waterstofverbrandingsmotor17 . Ook mag het percentage waterstof in de uitlaat niet onbeperkt toenemen, anders zou een ontplofbaar mengsel kunnen ontstaan. Er zal dus naar een optimaal compromis moeten gezocht worden, waarbij zowel een aanvaardbaar rendement als een aanvaardbare reductie van de N Ox -uitstoot bekomen wordt. We vergeleken even de rendementen voor de test op de CFR-motor bij EGR-werking met λ = 1 en λ = 0, 95 (figuur 4.18). Het is duidelijk dat de rendementdaling minimaal is wanneer nog H2 in de uitlaat aanwezig is. Het loont dus zeker de moeite om wat rijker (λ = 0, 95) te draaien en zo de N Ox -uitstoot in te dijken.

Figuur 4.18: N Ox -reductie en rendement in functie van waterstofdebiet bij EGR-werking onder λ = 1 en λ = 0, 95

4.12

Invloed van het ontstekingsogenblik

Zoals reeds gezegd zijn we in staat via de motormanagement software het ontstekingsogenblik van het mengsel in de cilinder aan te passen. Dit kan door de voorontsteking (VO) te veranderen. Voorontstekingen worden positief gezien als de ontsteking van het mengsel gebeurt voor het bovenste dode punt. Bij ontsteking na het bovenste dode punt wordt ze negatief genoteerd. 17

Zie inleiding


56

Tijdens de tests op de CFR-motor hebben we een reeks metingen gedaan met variabele VO bij λ = 1, 7. De compressieverhouding werd ingesteld op 9 en we lieten de VO variëren van 10◦ ca BTDC (VO = 10) tot 5◦ ca ATDC (VO = −5). De resultaten voor vermogen en rendement zijn weergegeven in figuur 4.19. Op de figuur is duidelijk te zien dat er zich zowel voor het rendement

Figuur 4.19: Rendement en vermogen in functie van de voorontsteking als voor het vermogen een maximum voordoet bij een voorontsteking van −3 (dus na het TDC). Door de VO te verkleinen daalde eveneens de N Ox -uitstoot van 996ppm naar 260ppm, figuur 4.20. De uitlaattemperatuur steeg hierbij licht van 366◦ C naar 388◦ C (figuur 4.20).

Figuur 4.20: N Ox -uitstoot en uitlaattemperatuur in functie van de voorontsteking


57

Bij het gevonden optimum, 3◦ ca ATDC (VO = −3), krijgen we een hoog vermogen en rendement, maar even belangrijk een lage N Ox -uitstoot. Figuur 4.21 toont de drukverhoging

dp dα

en het pV-

diagram. Daarop is te zien dat door een ontstekingstiming na het bovenste dode punt er eerst een kleine daling van compressiedruk optreedt na het TDC (te zien aan de kleine drukdaling op

dp dα

-diagram). Daarna volgt de verbranding (plotse drukstijging). Dit is mogelijk dankzij de

hoge verbrandingssnelheid van het waterstofmengsel. De verbranding gebeurt bijna bij constant volume, figuur 4.21. Tenslotte dient opgemerkt te worden dat zelfs bij λ = 1, 7 (lage belasting) de gasuitwisseling quasi zonder verliezen gebeurt. Dit kan gezien worden op het lage-druk gedeelte van het pV-diagram van figuur 4.21 (in- en uitlaatslag). Op figuur 4.22 zijn de drukverlopen te

Figuur 4.21: zien bij verschillende voorontsteking.

dp dα

en pV-diagram bij VO = −3


Figuur 4.22: Drukverlopen bij variabele VO

58


4.13

Temperatuur

4.13.1

Temperatuur uitlaatgassen

59

We beschouwen de temperatuur van de uitlaatgassen voor EGR en lean-burn (figuur 4.23)18 . De vergelijking wordt gemaakt bij een gelijk waterstofdebiet. We stellen vast dat de uitlaatgastemperaturen met EGR steeds hoger liggen dan bij lean-burn, zeker voor wat de hogere EGR-percentages betreft. Dan gaat dus meer energie verloren in de uitlaat. Dit is ook te merken aan het dalend rendement bij hogere EGR-percentages waarover we het eerder hadden.

Figuur 4.23: Temperatuur uitlaatgassen voor EGR- en lean-burnwerking

Beschouwen we de uitlaatgastemperaturen tijdens EGR-werking bij verschillende compressieverhoudingen (figuur 4.24), dan zien we dat hier de temperaturen van de uitlaatgassen bij de laagte compressieverhouding het hoogst zijn. Daar is de verloren energie in de uitlaatgassen het hoogst en zoals eerder al aangetoond, het rendement het laagst.

4.13.2

EGR-temperatuur

De EGR-temperatuur tijdens de metingen bedroeg steeds tussen de 50◦ C en 55◦ C in combinatie met een koelwatertemperatuur van het EGR-circuit van 75◦ C. 75◦ C was de maximaal bereikbare temperatuur met de boiler. Na een technische ingreep werd 18

Excel-file: 040406 EGR Lean-burn.xls


60

Figuur 4.24: Temperatuur uitlaatgassen bij EGR-werking en verschillende compressieverhoudingen ervoor gezorgd dat deze temperatuur ook boven de 75◦ C kon worden ingesteld. Een absoluut maximum bedraagt nu 95◦ C. Er werd slechts één meting gestart bij deze temperatuur van het koelwater. Vaststelling tijdens het meten (bij compressieverhouding 10, 5) was dat regelmatig backfire optrad vanaf λ = 1, 3. De metingen werden stopgezet. Omdat we in al onze vorige metingen nooit echt backfire problemen gehad hebben bij = 10, 5 doet dit ons vermoeden dat er zich ergens een werkingslimiet zal instellen voor wat betreft de koeltemperatuur. Boven een bepaalde temperatuur worden de gassen niet genoeg gekoeld en krijgen we een verhoogde kans op backfire.

Hoofdstuk 5

Lotus Simulation Tools 5.1

Inleiding

Simulaties zullen in de toekomst enkel aan belang winnen, het is immers een veel snellere en goedkopere manier om bijvoorbeeld een motor op punt te stellen. Uiteraard zullen experimenten nodig blijven om de simulatiemodellen te valideren. Lotus Engine Simulation (LES) is een programma waarmee een motor gesimuleerd kan worden. Het maakt deel uit van Lotus Engineering Software, waarmee ook bijvoorbeeld een geschikt nokprofiel kan ontworpen worden. We gaan hier echter niet verder op in, en beperken ons hier tot het simuleren van de CFR-motor.

5.2

Het model van de CFR-motor

We baseerden ons op een reeds vorig jaar opgesteld model van de CFR-motor, [9]. Uit [9] werd ook duidelijk dat het simuleren van EGR-werking onmogelijk was. Dit weerhield ons er echter niet van toch een poging te doen, maar rekentijden liepen ongelooflijk op en we hebben geen enkele simulatie kunnen voltooien. We beperken ons dus tot arme-mengselwerking. Bij een eerste poging met het model van vorig jaar bleken er toch nog enkele fouten op te treden, waardoor we besloten zelf een model op te stellen. Op figuur 5.1 is het model te zien waarmee we hier werkten.

61

HOOFDSTUK 5. LOTUS SIMULATION TOOLS

62

Figuur 5.1: Model van de CFR-motor LES laat toe een enorme hoeveelheid parameters aan te passen. Uiteraard kan men alle leidingen en de motor zelf volledig dimensioneren, soort koeling instellen, brandstof aanpassen, . . . Een probleem bij het simuleren van de CFR motor was dat waterstof niet als brandstof kan ingevoerd worden. Dit probleem omzeilden we door met de Combustion Analysis Tool (CAT) een drukverloop in te voeren, waarmee LES dan het verbrandingsverloop berekent. Dit verloop kan dan op zijn beurt ingevoerd worden in het programma om de heat release te bepalen. Dit ziet er in de CAT dan als volgt uit:

Figuur 5.2: Grafisch resultaat CAT


63

Op figuur 5.3 is het ingelezen drukverloop te zien (links), in vergelijking met hoe dit drukverloop eruit ziet na opmeting op de proefstand (rechts).

Figuur 5.3: Ingelezen drukprofiel in vergelijking met het opgemeten drukprofiel Het drukverloop wordt dus correct ingelezen. Een groot probleem blijkt echter uit de grafiek voor de Mass Fraction Burn (zie figuur 5.4): dit verloop is namelijk niet fysisch, er is een piek die groter wordt dan één. Bij simulaties met dit ingelezen drukverloop worden de drukken in de cilinder overdreven groot gesimuleerd, en bekomt men vermogens die veel groter zijn dan in werkelijkheid. Op deze manier is het dus blijkbaar nog steeds niet mogelijk om de verbranding van waterstof te simuleren (Zie ook [9], p 108). Indien we zelf een heat release in Lotus zouden kunnen invoeren, is het wellicht wel mogelijk waterstof te simuleren. Deze mogelijkheid hebben we echter niet ontdekt.


64

Figuur 5.4: Berekende mass fraction burn

5.3

Simulaties

Omdat er toch niet met waterstof als brandstof kon gewerkt worden, hebben we enkele simulaties met benzine laten lopen. Het is hierbij uiteraard weinig zinvol om vermogens te beginnen vergelijken met gemeten waarden, aangezien we het hele jaar op waterstof hebben gedraaid. We vergeleken wel het drukverloop in de inlaatleiding met de gemeten waarden. De resultaten waren echter bedroevend. Qua grootteordes waren er nog enige overeenkomsten, maar verder konden maar weinig parallellen met de realiteit getrokken worden. Van deze weinig relevante resultaten werden dan ook geen grafieken ingevoegd. In [9] werd vermeld dat de katalysator aanleiding gaf tot numerieke instabiliteit. Dit is misschien een verklaring voor het uiteenlopen van het verloop van de inlaatdrukken bij simulaties en werkelijkheid, maar we betwijfelen dit doordat het om de inlaatleiding gaat. Pogingen met het equivalente pijpmodel van de katalysator gaven echter enkel aanleiding tot meer fouten.

Hoofdstuk 6

Conclusies en toekomstperspectief Tot slot bundelen we nog eens de voornaamste conclusies van deze scriptie en kijken we even in de toekomst.

6.1

Conclusies

Waterstof is als brandstof zeer interessant voor vermogenscontrole. De brede ontstekingsgrenzen en de hoge vlamsnelheid zijn hiervoor verantwoordelijk. Hierdoor is het mogelijk zeer arm te werken. Om echter vermogens te bekomen die in de zelfde grootteorde liggen als die van de huidige motoren op fossiele brandstoffen is een verhoging van de vermogensdensiteit van het mengsel waterstof-lucht nodig. Oplading kan hier voor een gedeeltelijke oplossing zorgen. Dat dit alles gepaard moet gaan met een goed rendement en lage N Ox emissies laat al duidelijk aanvoelen dat hiervoor meerdere verbrandingsstrategieën zullen noodzakelijk zijn. Twee van deze strategieën werden in deze scriptie van naderbij bekeken: EGR en lean-burn. Verder werd de invloed van de compressieverhouding bekeken, de N Ox -uitstoot opgemeten en werd de werking van een katalysator bestudeerd op een waterstofmotor. We zetten de belangrijkste conclusies nog eens op een rij: • Met EGR en lean-burn als werkingsstrategieën kan een groot deel van het belastingsgebied worden doorlopen. Voor de CFR-motor is er echter een beperking. EGR wordt toegepast voor λ ≈ 1, 1 tot λ ≈ 1, 5 (vanaf dan dalen vermogen en rendement duidelijk). Het is de bedoeling met EGR-werking de N Ox -uitstoot te reduceren. De lean-burnstrategie geniet de voorkeur vanaf λ ≈ 2. Boven deze λ-waarde blijft de N Ox -uitstoot binnen de perken. De ’dode’ zone voor de CFR-motor kan met geen van beide strategieën worden overbrugd.

65

HOOFDSTUK 6. CONCLUSIES EN TOEKOMSTPERSPECTIEF

66

• De compressieverhouding heeft een invloed op ge¨ındiceerd rendement en -vermogen. Naarmate de compressieverhouding stijgt zullen ook rendement en vermogen toenemen. De compressieverhouding kan evenwel niet eindeloos opgedreven worden. Vanaf = 12, 5 werd in het gebied λ ≈ 1, 2 harde werking en backfire waargenomen. • Naast een indeling van het belastingsgebied met het oog op N Ox -reductie werd de invloed van een katalysator bekeken tijdens EGR-werking. We kwamen tot de conclusie dat de katalysator niet naar behoren werkt wanneer men traditioneel EGR toepast bij stoichiometrisch draaien. Wanneer echter de rijkheid tijdens EGR-werking werd opgedreven (onderstoichiometrisch, λ = 0, 95), was er voldoende H2 in de uitlaat aanwezig dat op zijn beurt duidelijk in de katalysator werd geoxideerd. Dit was de sleutel tot het behalen van een conversiegraad tot boven de 80%. • Als laatste werd op de proefstand de invloed van de voorontsteking bekeken. Bij eenzelfde luchtfactor werd de voorontsteking geoptimaliseerd. Zo kon een optimale werking worden bekomen tijdens een lean-burnstrategie met λ = 1, 7. Opmerkelijk was dat dit optimale ontstekingspunt na het bovenste dode punt lag. Rendement en vermogen waren er maximaal bij een aanvaardbare N Ox concentratie. De voorontsteking kan dus gebruikt worden om lean-burntoestanden te optimaliseren. • Uit simulaties met het LES programma bleek dat dit niet geschikt was om waterstof te simuleren. Er werden geen relevante resultaten behaald.

6.2

Toekomstperspectieven

Uiteindelijk zal men hoogst waarschijnlijk evolueren naar een toestand waarbij men alle strategieën zal combineren. Bij hoge belasting en stoichiometrisch draaien zal men waarschijnlijk kiezen voor directe injectie (zit nog in vroeg experimenteel stadium, maar de resultaten zijn veelbelovend, [10]). Voor gemiddelde belasting zal men waarschijnlijk opteren voor EGR-werking (stoichiometrisch of licht rijk) met poort-injectie. De invloed van EGR op het vermogen en rendement vraagt verder onderzoek, doch de N Ox -uitstoot kan met deze strategie, in samenwerking met een katalysator, goed gereduceerd worden. Voor lage belastingen wordt een leanburnstrategie interessant en vallen de N Ox emissies in een groene zone. Indien men al deze werkingstoestanden zal willen combineren kan men niet werken met een conventioneel gaspedaal (nu al bestaan elektronische gaspedalen). Alles zal meer en meer evolueren naar een ’drive by

HOOFDSTUK 6. CONCLUSIES EN TOEKOMSTPERSPECTIEF

67

wire’-systeem waar de mechanische verbinding tussen bediening en motor zal wegvallen en de elektronica zijn kracht/betrouwbaarheid zal moeten bewijzen. Optimalisatie en rationalisatie zijn sleutelwoorden voor een beter/nieuw omgaan met energie en milieu, maar evenzeer om verkwisting tegen te gaan.

6.2.1

Toekomst voor de CFR-verbrandingsmotor

Zoals we reeds hadden aangehaald zou de invloed van de temperatuur van het koelwater van de koelkring van het EGR-circuit eens van naderbij moeten worden bekeken. Dit met het oog op een maximale koelwatertemperatuur voordat zich backfire voordoet. We verwachten dat zich daar ergens een plafond zal voordoen wat de werkingsmogelijkheden betreft. Nu het mogelijk is hogere temperaturen hiervoor in te stellen, zou dit zeker eens moeten worden onderzocht. Een verlaging van de compressieverhouding zou volgens ons samen met een verhoging van de temperatuur van het koelwater tot interessante resultaten kunnen leiden. Een verhoging van de EGR-temperatuur zou voor een nog realistischere situatie kunnen zorgen. Dat de katalysator werkt, daar bestaat geen twijfel over. Ons enig vraagteken is of ze wel voor 100% werkt. Wij vermoeden dat tijdens EGR-werking niet over de ganse katalysator de light-off temperatuur wordt gehaald (omwille van de tamelijk lage uitlaattemperaturen van de CFRmotor en de grote thermische massa van het leidingsgestel). Misschien moet eens overwogen worden om de katalysator op te warmen via een externe bron. Dit zou zorgen voor optimale werkomstandigheden voor de katalysator. Een verdere stijging van de conversiegraad ligt binnen de verwachtingen. Samen met de katalysatorverwarming zou nog verder onderzoek moeten gebeuren naar de EGRstrategie waarbij licht onderstoichiometrisch (rijk) wordt gedraaid. De algemene trend is al duidelijk. Toch zou een optimum moeten worden gevonden: hoeveel waterstof in de uitlaat is nodig voor een goede werking van de katalysator, zonder dat er na de katalysator nog overblijft?

Bijlage A

Injector Pulse Width Scaling berekeningen Uitgangspunt voor de IJPU is het maximale waterstofdebiet dat de motor nodig heeft en het ogenblikkelijk waterstofdebiet dat de injector kan leveren. Voor de motor onderstellen we dat het maximaal waterstofdebiet altijd kleiner is dan 2, 5N m3 /h. Dit lichten we even toe. Theoretisch zouden we een andere waarde verwachten: 1 1 N m3 · 611, 7cc · · 600rpm · 60 = 3, 6 3 2 h

(A.1)

Hierin veronderstellen we dat één derde van het volume in de cilinder ingenomen is door waterstof (we werken uiteraard bij λ = 1). Zoals te zien is op figuur A.1 is de kleppentiming van de CFR-motor van die aard dat er eigenlijk niet over de volledige 180 ◦ ca vers inlaatmengsel wordt aangezogen. De uitlaatklep sluit pas 6 ◦ ca na het TDC, waardoor er uitlaatgassen terug worden aangezogen (interne EGR). Daarna blijven de kleppen gesloten tot dat 17 ◦ ca ATDC de inlaatklep opent. Gedurende de periode 6 ◦ ca . . . 17 ◦ ca wordt dus eigenlijk een onderdruk gecreëerd boven de cilinder. Daarna wordt aangezogen gedurende de neerwaartse slag. De inlaatklep sluit echter na het BDC! Dus eigenlijk wordt maar over een interval van 137 ◦ ca vers mengsel aangezogen in plaats van over 180 ◦ ca (wat stilzwijgend was aangenomen in bovenstaande berekening). Wanneer we dit in rekening brengen krijgen we: 1 N m3 137 1 · · 611, 7cc · · 600rpm · 60 = 2, 7 180 3 2 h Dit ligt al een stuk dichter bij onze praktisch gekozen waarde.

68

(A.2)

BIJLAGE A. INJECTOR PULSE WIDTH SCALING - BEREKENINGEN

69

Figuur A.1: Schets kleppentiming Nu is het zo dat de CFR-motor redelijk wat last heeft van blow-by gassen1 (is te zien aan de carterverluchting wanneer rijk gedraaid wordt). Wij vermoeden dat tijdens de neerwaartse beweging van de zuiger, wanneer de inlaat- en uitlaatklep gesloten zijn (6 ◦ ca . . . 17 ◦ ca), gassen uit het carter, langs de zuiger naar cilinder worden gezogen. Dit zorgt voor bijkomende een daling van de aangezogen hoeveelheid ’vers’ mengsel en kan gezien worden als een soort carterventilatiesysteem. Praktisch stelden we vast2 dat tijdens rijk draaien de 2, 5N m3 /h nooit werd gehaald. Dit is dus een goede keuze en werd in de MoTeC-software ingegeven. Met 2, 5N m3 /h als maximum waterstofdebiet, verkrijgen we als gemiddeld waterstofdebiet: 2, 5

N m3 h

· 0, 0899 3600

kg N m3

· 1000

= 0, 0624

g s

(A.3)

Uiteraard is dit gemiddeld debiet verschillend van het ogenblikkelijke debiet want er wordt slechts over een kleine tijdsspanne waterstof ge¨ınjecteerd. Het ogenblikkelijk waterstofdebiet van de injector is 0.82 g/s. Het toerental van de motor 1 2

Komt door slijtage van schraap- en afdichtingsveren van de zuiger Dit was ook zo in 2004-2005

BIJLAGE A. INJECTOR PULSE WIDTH SCALING - BEREKENINGEN

bedraagt 600rpm, zo zien we dat er

600 2·60

=5

cycli s

70

zijn waarbij waterstof wordt ingespoten. Dit

stelt ons in staat om de hoeveelheid waterstof die per cyclus wordt ge¨ınjecteerd te bepalen: 0, 0624 5

g s

cycli s

= 0, 0125

g cyclus

(A.4)

Rekening houdend met de stuurtijd van de injector (1ms) bekomen we als tijd die nodig is om dit waterstofdebiet per cyclus te injecteren g cyclus 0, 82 gs

0, 0125

+ 0, 001 = 0, 0162

s cyclus

(A.5)

Dit wil zeggen dat met het maximale waterstofdebiet een pulse width van 16, 2ms overeenkomt. Dit ronden we af op 17ms. Deze waarde wordt in het MoTeC-systeem ingegeven.

Bijlage B

AVL-428 sensor Deze sensor is in wezen een capacitieve sonde die in het bougiegat wordt aangebracht. Het werkingsprincipe steunt op het feit dat de open neergaande zuiger een variabele capaciteit veroorzaakt. Wanneer de zuiger zich van de sonde weg beweegt, verkleint de capaciteit. Als output krijgt men een signaal dat toeneemt, een maximum bereikt en dan weer afneemt. Uiteraard verkrijgen we het maximum wanneer de zuiger zich in zijn bovenste dode punt bevindt. Het is de bedoeling met deze sonde de krukasencoder op zo’n manier in te stellen dat het TDC1 signaal zijn maximum bereikt wanneer ook de encoder net een puls verstuurt. Immers, er worden samples genomen van het uitgangssignaal (en later van de aangesloten meetapparatuur) als de encoder dit beveelt. Als ultiem doel moet men een waarde voor ogen houden die toch tot op twee cijfers na de komma zeer dicht bij 360, 00◦ ca ligt.

Onderdelen Om te werken met de TDC- sensor zijn volgende onderdelen nodig: • balanceereenheid • capacitieve sonde • clamping cone • voedingskabel • voeding 1

Top Dead Center

71

BIJLAGE B. AVL-428 SENSOR

72

Voeding

Figuur B.1: Gebruikte voeding

Als voeding gebruikten we de voeding van de vroegere ontstekingscontroller, figuur B.1. Deze levert een DC-spanning van -15V , +15V (rechts onderaan aan te sluiten).

Montage Gezien het de bedoeling is het bovenste dode punt te bepalen, moeten we bij montage vertrekken van een situatie die het meest gunstig is. We zetten daarom eerst de motor manueel in het bovenste dode punt. Dit kan door het vliegwiel, waar een gradenverdeling op is aangebracht, te draaien tot de gewenste stand.

Het adjustment piece bevat vier inkepingen, figuur B.2. Het is de bedoeling de diepste inkeping (fixing notch) nu eerst te passen op de clamping cone. We brengen de capacitieve sonde zo diep mogelijk in zodat hij de zuiger raakt. Daarna wordt het adjustment piece met de hand volledig vast gezet op de sensor. Het is belangrijk dat het adjustment piece niet meer wordt bewogen op de sensor zelf! Nu kan de sonde weer omhoog gehaald worden en kan een minder diepe inkeping gekozen worden. Drie standen zijn mogelijk, zie figuur B.2. Onze ondervinding leerde dat het signaal verkregen met de diepste inkeping (1.6mm) een te sterk signaal gaf. De DAQ-kaart kan maar voltages aan tussen de -5V en 5V . De uitgangsspanning van de sonde ligt echter tussen de -10V en 10V . Als de sensor te dicht staat kan het gebeuren dat de DAQ-kaart waarden boven


73

Figuur B.2: Adjustment piece + clamping cone de 5V zal afsnijden, wat foute metingen tot gevolg heeft. Wij opteerden om de derde inkeping (1, 2mm) te gebruiken. Deze waarden voldeden aan de verwachtingen (dit kan gecontroleerd worden met oscilloscoop). Nu kan de clamping cone volledig worden vastgezet.

Terwijl de motor in zijn bovenste dode punt staat moet er van de gelegenheid gebruik gemaakt worden de sensor te balanceren. Dit kan met behulp van de bijgeleverde potentiometer, figuur B.5. Door de eenheid uit te balanceren wordt vermeden dan er zich negatieve waarden zullen voordoen bij het opmeten. Dit legt het referentiepunt vast. Als de zuiger in BDP2 staat, is het de bedoeling dat dit het referentiepunt is voor de metingen en niet een punt dat halverwege ligt. De uitgang van de sonde sluiten we aan op de vrije connector van de balanceereenheid. Eén van de twee LED’s licht dan normaal op. Door aan de regelvijs van de potentiometer te draaien, figuur B.5 kunnen we ervoor zorgen dat beide LED’s doven: de sensor is uitgebalanceerd.

2

Bovenste Dode Punt


Figuur B.3: Uiteindelijke opstelling van de sensor

Figuur B.4: Schematische opstelling van de sensor

74


75

Figuur B.5: Balanceereenheid

Meten Nadat de balancering is voltooid kan de uitgang van de sensor rechtstreeks of via de oscilloscoop op de DAQ-kaart worden aangesloten (liefst op kanaal 0). Bemerk hier echter wel dat de versterker van de piëzo-elektrische drukopnemers moet losgekoppeld worden. Een versterking is niet gewenst, sterker, een verkeerd signaal op een verkeerd toestel kan de elektronica de das omdoen! Nu alles is aangesloten kan men het uitgangssignaal controleren op de oscilloscoop. Een signaal zoals op figuur 2.6 zou duidelijk te zien moeten zijn. Op de oscilloscoop zou ook al kunnen waargenomen worden of het betreffende uitgangssignaal van de sensor te grote waarden aanneemt of niet. Het opslaan van de meetgegevens gebeurt zoals steeds met het programma meetkrt.exe. De resolutie van de metingen wordt best niet te klein genomen om tot een nauwkeurig resultaat te komen. Wij namen 10 meetpunten per graad krukhoek. We kozen ervoor alle gegevens op te slaan onder xxx.prn bestanden. Alle matlab programma’s die geschreven werden, werken optimaal als ze een file inlezen met deze extensie. Voor de gegevens verwerking gebruiken we het programma Tdc.m, dat op bijhorende dataschijf terug te vinden is. Het berekent de ligging van het bovenste dode punt correct in de veronderstelling dat het echte BDP binnen de grenzen −4◦ ca...+4◦ ca van het huidige BDP ligt. Mocht het werkelijke BDP niet binnen de grenzen −4◦ ca...+4◦ ca liggen van het huidige BDP is de meting vals en moet de positie van de encoder worden aangepast. Het is immers het triggersignaal van de encoder dat zegt wanneer een meting wordt weggeschreven. Het programma bekijkt het deel van de gegevens in de buurt van BDP en berekent een derdegraads polynoom die door de meetpunten gaat. Van deze polynoom wordt het maximum dan gezocht en weergegeven.

Bijlage C

Druksensoren De drie druk pickups zijn van het merk Kistler. Het betreft twee piëzo-elektrische en één piëzoresistieve pickup(s). De twee piëzo-elektrische zijn watergekoeld. We benadrukken hier dat de koeling steeds moet aanliggen wanneer er wordt gedraaid. Te hoge temperaturen zullen de pickups onherroepelijk beschadigen. De gebruikte druk pickups en hun gegevens worden weergegeven in onderstaande tabel: Plaats

Type

Serienummer

Versterking

Gevoeligheid

Inlaat

4075A20

SN275229

Onbekend

1,52 [bar/V]

Cilinder

701A

SN639871

-81 [pC/bar]

20 [bar/V]

Uitlaat

701A

SN920872

-80,5 [pC/bar]

20 [bar/V]

Tabel C.1: Eigenschappen druk pickups De gevoeligheid en versterkingsfactor van de piëzo-elektrische opnemers moet worden ingesteld op de versterkers. Deze twee opnemers blijven normaal in de CFR-motor zitten. De piëzoresistieve pickup wordt gedeeld met de Audi-proefstand. Nadeel van de piëzoresistieve drukopnemer is dat hij traag is, groot voordeel is uiteraard de mogelijkheid tot het meten van absolute drukken. Voor aanvang van de meting moet de lokale atmosfeerdruk genoteerd worden samen met de ingangsspanning van de resistieve druk pickup. Dit laatste kan door op kanaal ’3’ een multimeter aan te sluiten. Tijdens het verwerken van de meetresultaten zal door het programma naar deze gegevens worden gevraagd. De piëzo-elektrische drukopnemers zijn veel sneller en dus aangewezen om de snel veranderende druk in cilinder en uitlaat te meten.

76

BIJLAGE C. DRUKSENSOREN

77

De versterkers versterken het signaal en sturen het door naar de DAQ-kaart. Er moet op gelet worden dat tijdens het meten en het opnemen via de DAQ-kaart de ’operate’-LED’s van de versterkers (groen) branden. Anders zullen geen signalen worden opgemeten. Beste methode is om de signalen te controleren op de oscilloscoop.

Bijlage D

Instellen compressieverhouding () De CFR-motor heeft een variabele compressieverhouding. Met behulp van de hendel en de meetklok kan de compressieverhouding worden aangepast. De compressieverhouding in functie van de meetklok wordt gegeven in figuur D.1. Dit verband werd een paar jaar geleden opgesteld nadat een ijking van de compressieverhouding werd gedaan [11].

Figuur D.1: Compressieverhouding () in functie van meetklokstand

78

Bijlage E

Klassering meetbestanden Per uitgevoerde meetreeks worden een aantal zaken opgemeten en gegenereerd, we geven hier een klein overzicht van hoe ze op de bijgevoegde dataschijf zijn ondergebracht. Een overzicht van de metingen is te vinden in appendix G De metingen zijn onderverdeeld per compressieverhouding. Daarin zijn telkens EGR, lean-burn en andere metingen te vinden. Per meetreeks zijn er verschillende bestanden van de verschillende meetpunten te vinden. De meting zelf (raw data) is te vinden als een xxx.prn. Welke file bij welke meting hoort kan gevonden worden in de tabellen van appendix G. Per meetpunt zijn volgende figuren te vinden: • dp/dalpha diagram • imep per cyclus • in-en uitlaatdruk • inlaatdruk (absoluut) • individual pressure cycles (5 gekozen gespreid over de 30 opgemeten cycli) • individual pV diagramma’s (5 gekozen gespreid over de 30 opgemeten cycli) • log(p)-log(V) diagram • maximale druk per cyclus • gemiddeld pV diagram • gemiddelde cilinderdruk diagram

79

BIJLAGE E. KLASSERING MEETBESTANDEN

• ongecorrigeerde cilinderdruk Tevens worden de gemiddelde drukken opgeslagen als volgt: • cilinderdruk: xxx apt.prn • inlaatdruk: xxx ipt.prn • uitlaatdruk: xxx opt.prn Verder worden per meting de ge¨ındiceerde grootheden weggeschreven in een xxx.xls-file.

80

Bijlage F

Programma’s MATLAB-programma’s Alle matlab-programma’s lezen xxx.prn files in. Deze worden opgenomen met de DAQ-kaart via de pc.

Tdc.m Wordt gebruikt voor het instellen van het bovenste dode punt. Eén kanaal wordt ingelezen (signaal afkomstig van de AVL-428 sensor). Resultaat is het BDP.

Compare.m Geeft de mogelijkheid verschillende gemiddelde traces van drukmetingen met elkaar te vergelijken. Resultaat is een vergelijkende grafiek.

CFR.m Leest een xxx.prn file in waarin waarden van drie kanalen zijn weggeschreven: cilinderdruk, uitlaatdruk en inlaatdruk. De gegenereerde figuren worden automatisch opgeslagen als xxx.png bestanden. De mogelijkheid bestaat om de gemiddelde inlaat-, uitlaat- en cilinderdruk op te slaan. Figuur F.1 geeft een overzicht van de structuur van dit programma:

81

BIJLAGE F. PROGRAMMA’S

82

Figuur F.1: Structuur CFR.m

Excel-files • sjabloon.xls: hierin worden de resultaten van het cfr.m programma weggeschreven (arbeid, ge¨ındiceerd vermogen, COV, . . . ). • M AP −instellingen sjabloon.xls: rekenblad om snel MAP en IJPU waarden te berekenen.

Bijlage G

Meetresultaten In deze appendix zijn de meetresultaten opgenomen. Het zijn vooral metingen die uitgevoerd zijn na de aanpassing van de proefstand. De EGR-metingen worden hier gegeven samen met de relevante lean-burn metingen met variabele voorontsteking. De rest van de metingen, tezamen met de hier gegeven resultaten, zijn terug te vinden op bijgevoegde dataschijf waar ook nog talrijke grafieken te bezichtigen zijn.

G.1

Na aanpassing EGR systeem

83

75 75

0,04

0,01 14,56

[6] Twater WW uit

[7] Twater WW in

CO2 (vol%)

O2 (vol%)Hermann

O2 (vol%)

meetbestand

NOx (ppm) na katalysator

Hermann

NOx (ppm) voor katalysator

1603a

146

[5] Tvoor WW

1603b

15,12

0,05

1,07

8,13

1603bE

1,72

0,05

-0,0185

0,06

0,97

8,26

1603c

15,73

Uitlaatgasanalyse

75

75

158

191

404

49

58

1,07

2,65

Datum: 16-03-2006

1603cE

2,7

0,06

75

75

173

191

394

50

60

0,97

2,37

EGR 1

7

1603d

16,48

0

0,87

8,37

lean-burn 3,5

open 180 9 15 12,5

Tomg [°C]:

66 180 9 15 17

6

1603dE

2,85

0

75

75

161

205

342

54

58

0,87

2,15

EGR 1

71 180 9 15 12,5

8

EGR-metingen bij hoge luchtfactor

4 5 INSTELLINGEN open 62 open 180 180 180 9 9 9 15 15 15 20 20 17 Metingen lean-burn EGR lean-burn 2,8 1 3,1

3

Inlaatspanning [V]:

1603aE

1,45

182

[4] Tna katalysator

H2 (vol%)

416

1,23

2,96

[3] Tuitlaat motor

1,23

QH2 (Nm³/h) 51

8,08

Qlucht (Nm³/h)

EGR 1

[2] Tinlaat motor

lean-burn 2,5

Regime λsonde

55 180 9 15 29

62

open 180 9 15 29

Stand Gasklep EOI CR (ε) VO (°ca) MAP (kPa)

2

[1] Tna WW

1

Meting Nr.

Waterstof CFR-motor Jonathan Rollier & David Steen Academiejaar 2005-2006 Patm [hPa]: 1025 20 Resolutie: 1

BIJLAGE G. MEETRESULTATEN 84

Figuur G.1: EGR-metingen bij hoge luchtfactor, = 9(Meetresultaten)

130,50 652,48

213504,21 19,41 30593,35

219,76 1098,80 1086,20 29,79 359547,86 5,70 33826,10

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]

IMEP [Pa] COV [%] dp/dα MAX [Pa]

17,69

645,00

58,93

2,424

EGR percentage

2,424

1,230

1,06

2,79

1,230

1

2,5

5,120

berekend

EGR 2

R H2 [J/kg*K]

Lean-burn 1

∆Q lucht (Nm³/h)

Q H2 (Nm³/h)

Q H2 (Nm³/h)

λ uitlaatgasanalyse

λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr.

Berekeningen

5,480

2,239

1,070

1,07

1

2,053

0,970

3,36

3,1

R EGR [J/kg*K]

33775,59

251245,65 8,66

23,93

759,02

767,82

153,56

31906,65

160861,67 15,19

15,32

485,97

491,60

98,32

33354,66

166752,51 16,30

17,52

503,76

509,60

101,92

63,38 Geïndiceerde grootheden

2,239

1,070

3,04

2,8

4157,2

Lean-burn EGR Lean-burn 3 4 5 Berekening luchtfactor

30795,39

95001,82 110,97

9,98

287,00

290,33

58,07

67,93

5,890

2,053

0,970

1,12

1

339

EGR 6

33489,36

105301,13 28,39

12,34

318,12

321,81

64,36

1,803

0,870

3,88

3,5

Lean-burn 7

30946,93

49407,44 109,65

5,79

149,26

150,99

30,20

H H2 [J/mol]

71,46

6,220

1,803

0,870

1,12

1

R lucht [J/kg*K]

EGR 8

241800

287


Figuur G.2: EGR-metingen bij hoge luchtfactor, = 9(Berekeningen)

235

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

996 1603La

NOx (ppm) voor katalysator Hermann

meetbestand (.prn)


O2 (vol%)

0,01 11,14

CO(2) (vol%)

O2 (vol%)Hermann

H2 (vol%)

[7] Twater WW in

[6] Twater WW uit

[5] Tvoor WW

43 366

[2] Tinlaat motor

[1] Tna WW

7,33 1,639

Lean-burn 1,7

Regime λsonde

QH2 (Nm³/h)

Open 180 9 10 50,5


Qlucht (Nm³/h)

1

Meting Nr.

Waterstof CFR-motor Jonathan Rollier & David Steen Academiejaar 2005-2006 Patm [hPa]: 1025

7,35

1603Lb

863

11,14

0,01

235

367

43

1,641

-0,0185

1603Lc

585

11,24

0,01

236

370

42

1,642

7,38

7,38

0,01

1603Ld

500

11,3

1603Le

403

11,27

0,01

239

378

42

1,644

Uitlaatgasanalyse

238

373

42

1,642

7,39

4 5 INSTELLINGEN Open Open Open 180 180 180 9 9 9 5 3 0 50,5 50,5 50,5 Metingen Lean-burn Lean-burn Lean-burn 1,7 1,7 1,7

3

Inlaatspanning [V]:

Lean-burn 1,7

Open 180 9 8 50,5

2

Datum: 16-03-2006

1603Lf

300

11,26

0,01

242

384

42

1,649

7,4

Lean-burn 1,7

7

1603Lg

260

11,33

0,02

244

388

42

1,651

7,39

Lean-burn 1,7

Open 180 9 -5 50,5

Tomg [°C]:

Open 180 9 -3 50,5

6

Variabele Voorontsteking (VO) met luchtfactor = 1,7 22 Resolutie: 1


Figuur G.3: lean-burn metingen met variabele VO bij λ = 1, 7, = 9(Meetresultaten)

berekend

Lean-burn 2

497729,24 1,01 181135,51

1486,30 30,49 490317,78 1,11 196676,32

η i [%]


30,91

1508,77

1521,08

1498,43

P i [W]

P i, NORM [W]

1,706

304,22

1,706

1,641

1,89

1,89

1,639

1,7

1,7

R H2 [J/kg*K]

Lean-burn 1

299,69

Gegevens W i [J]

EGR percentage

∆Q lucht (Nm³/h)

Q H2 (Nm³/h)

Q H2 (Nm³/h)


λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr.

1,709

1,642

1,92

1,707

1,644

1,92

1,7

R EGR [J/kg*K] 1,7

160695,04

501522,08 0,64

31,13

1520,27

1532,68

306,54

142662,31

501085,05 0,95

31,10

1518,94

1531,34

306,27

130034,35

502408,49 0,74

31,15

1522,95

1535,38

307,08

Geïndiceerde grootheden

1,709

1,642

1,91

1,7

4157,2

Berekeningen Lean-burn Lean-burn Lean-burn 3 4 5 Berekening luchtfactor

111058,73

506971,85 0,98

31,33

1536,79

1549,33

309,87

1,707

1,649

1,91

1,7

339

Lean-burn 6

113112,88

495707,67 1,17

30,60

1502,64

1514,91

302,98

1,704

1,651

1,93

1,7

Lean-burn 7

H H2 [J/mol]

R lucht [J/kg*K]

241800

287


Figuur G.4: lean-burn metingen met variabele VO bij λ = 1, 7, = 9(Berekeningen)

30 43

42 444 269

[1] Tna WW

[2] Tinlaat motor

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

5,67

4456,6


CO (vol%) negatief ! meetbestand (.prn)

0,074 0304a

3,25

O2 (vol%) Hermann

2,93

O2 (vol%)Hermann


0,09 0,092

4001 0,053 0304aE

0,04 0304b

4240,8

6,22

4,32

0,038

0,11

292

445

44

2,267

6,37

1,15

Lean-burn

open 180 9,5 -5 75

3

4

5

-0,0155

open 180 9,5 -2,5 71

289

434

43

2,18

6,49

1,2

0,017 0304bE

3080

3607

3,55

0,85

0,097

0,11

0,022 0304c

3836,7

7,2

5,35

0,094

0,12

Uitlaatgasanalyse (1)

77

77

70

278

458

45

46

2,267

5,46

1,02

Metingen (1) EGR Lean-burn

open 180 9,5 -5 75

Datum: 03-04-2006

0,071 0304cE

2601

2020,4

3,57

0,181

0,012

0,13

76

76

74

273

450

30

52

2,18

5,25

1,01

EGR

7

0,03 0304d

3496

8,06

6,18

0,1

0,11

286

427

42

2,11

6,6

1,25

Lean-burn

open 180 9,5 -2,5 67,5

Tomg [°C]:

open 180 9,5 -2,5 71

6

0,04 0304dE

2575

2765,3

3,42

1,08

0,107

0,12

76

76

74

267

443

45

52

2,11

5,06

1,01

EGR

open 180 9,5 -2,5 67,5

8

EGR/Lean-burn -metingen bij ε = 9,5

INSTELLINGEN (1)

Inlaatspanning [V]:

4051,6

3,42

1,01

0,101

0,08

75

[7] Twater WW in

H2 (vol%)

75

[6] Twater WW uit

CO2 (vol%)

52

[5] Tvoor WW

276

456

2,34

6,3 2,34

1,01

1,11

QH2 (Nm³/h)

EGR

Lean-burn

Regime λsonde

Qlucht (Nm³/h)

open 180 9,5 -2,5 82,5

open 180 9,5 -2,5 82,5


2

1

Meting Nr.

Waterstof CFR-motor Jonathan Rollier & David Steen Academiejaar 2005-2006 Patm [hPa]: 1014,5

0,027 0304e

3088,2

8,8

7,01

0,098

0,11

281

421

39

2,05

6,7

1,3

0,004 0304eE

1909

2194,7

3,39

1,68

0,109

0,15

76

76

92

260

442

34

54

2,05

4,93

1,01

EGR

open 180 9,5 -2,5 64

10

20 Resolutie: 1

Lean-burn

open 180 9,5 -2,5 64

9

0,027 0304f

0,08 0,098 8,26 9,58 2164

43 400 240

Lean-burn 1,35 6,7 2,01

-1,5 63

open 180 9,5

11


Figuur G.5: EGR & lean-burn metingen, = 9, 5(Meetresultaten(1))

2

1

2,340

Q H2 (Nm³/h)

364,63

596571,50 0,45 421223,96

361,23 1806,17 1803,95 25,74 591015,27 0,95 473502,60

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]


Conversiegraad NO x [%]

8,23

1,25

25,98

1820,90

1823,15

0,630

EGR percentage

2,340

1,01

1,15

1,01

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

1,13

Q H2 (Nm³/h)

1,14


1,11

R H2 [J/kg*K]

EGR

Lean-burn

λ berekend (uit debieten)

λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr. 5

11,85

0,910

2,267

1,01

1,16

1,02

2,180

1,25

1,41

1,2

R EGR [J/kg*K]

Berekening luchtfactor (1)

4

Berekeningen (1) EGR Lean-burn

15,98

1,240

2,180

1,01

1,16

1,01

339

26,02

1766,77

1768,95

353,79

26,49

1729,27

1731,41

346,28

26,49

1729,52

1731,65

346,33

26,84

1696,31

1698,40

339,68

2,110

1,31

1,49

1,25

7

8

EGR

2,050

1,37

1,57

1,3

26,93

1701,50

1703,59

340,72

9

Lean-burn

27,31

1676,92

1678,99

335,80

H H2 [J/mol]

19,66

1,540

2,110

1,00

1,15

1,01

R lucht [J/kg*K]

Lean-burn

27,15

1666,89

1668,95

333,79

241800

22,39

1,770

2,050

1,01

1,15

1,01

287

10

EGR

27,73

1669,33

1671,39

334,28

2,010

1,39

1,66

1,35

11

Lean-burn

14,61

Conversiegraad (1) -28,74

6,88

13,02

421451,82 331315,10 389257,81 287174,48 350081,38 235823,57 314811,20 186230,47 320475,26

579847,87 578835,29 566550,78 566630,83 555750,19 557450,14 549398,05 546114,07 546913,27 0,55 0,42 0,50 0,44 0,70 0,45 0,59 0,39 0,55

26,07

1769,86

1772,04

354,41

6

EGR

Geïndiceerde grootheden (1)

2,267

1,18

1,33

1,15

4157,2

3

Lean-burn


Figuur G.6: EGR & lean-burn metingen, = 9, 5(Berekeningen(1))

4,5 57

Lean-burn 1,4 6,8 1,946

-1,5 63

EGR 1,01 4,89 2,01 40 45 421 215 79 75 75

0,08 0,091 2,74 9,51 2823 2251 0,031 0304fE

open 180 9,5

open 180 9,5

0,018 0304g

0,09 0,1 8,76 8,57 2586

44 398 248

13

12

9,09 0,094 2,11 7,26 2662 1304 0,027 0304gE

EGR 1 4,55 1,946 52 47 422 231 73 75 75

4,5 57

open 180 9,5

14

0,001 0304h

0,016 0,092 9,91 5,21 2196

44 388 259

Lean-burn 1,5 6,97 1,82

8 53,5

open 180 9,5

15

0,18 0,085 2,28 11,28 1980 742 0,004 0304hE

EGR 1 4,34 1,82 52 47 408 237 72 76 76

8 53,5

open 180 9,5

16

9,5

9,5

9,5

180

open

7,6 9 47 42 Metingen (2) Lean-burn EGR Lean-burn 1,6 1,01 1,7 7,11 4,06 7,24 1,725 1,725 1,631 52 44 47 28 383 406 375 257 233 256 73 76 76 Uitlaatgasanalyse (2) 0,13 0,14 0,09 0,097 0,92 0,092 10,78 2,19 11,72 8,15 12,22 3,63 1499 1180 445 299 0,004 0,04 0,008 0304i 0304iE 0304j

180

7,6 47

open

180

18 19 INSTELLINGEN (2)

open

17

0,16 0,076 1,23 13,02 373 191 0,005 0304jE

EGR 1 3,88 1,631 56 48 404 229 78 76 76

9 42

9,5

180

open

20


0,012 0304k

0,19 0,091 11,9 13,43 241

41 367 249

Lean-burn 1,8 7,37 1,55

10 38

0,18 0,085 0,65 10,24 166 123 0,004 0304kE

EGR 1 3,66 1,55 56 50 399 218 138 76 76

10 38

9,5

open 180

open 180 9,5

22

21

0,002 0304l

0,24 0,077 12,52 12,72 133

42 363 245

Lean-burn 1,91 7,47 1,47

10 36,5

9,5

open 180

23

0,18 0,08 6,7 6,01 97 100 0,001 0304lE

EGR 1 3,45 1,47 56 51 402 213 152 76 76

10 36,5

9,5

open 180

24

0,012 0304m

0,3 0,094 12,71 4,31 86,7

35 359 241

Lean-burn 2 7,5 1,436

11,6 33,5

9,5

open 180

25



1,46

1,946

1,02

2,010

1,946

0,98

1,14

28,23

1538,91 28,11

1532,07

37,49

3,050

1,725

0,98

2,11

1,01

1,631

1,86

1,16

1,7

40,90

3,360

1,631

304,19

29,40

1519,06

1520,94

298,74

28,88

1491,85

1493,69

294,07

30,06

1468,54

1470,35

0,99

2,28

1

20

EGR

279,61

28,59

1396,35

1398,07

30,41

1411,85

1413,60

282,72

1,550

1,99

2,39

1,8

21

Lean-burn

28,37

1316,91

1318,53

263,71

44,77

3,710

1,550

0,99

1,74

1

22

EGR

30,82

1356,93

1358,60

271,72

1,470

2,13

2,20

1,91

23

Lean-burn

26,60

1171,16

1172,60

234,52

48,38

4,020

1,470

0,98

1,31

1

24

EGR

30,86

1327,25

1328,89

265,78

1,436

2,18

1,20

2

25

Lean-burn

20,26

51,01

62,53

147135,42

74,66

Conversiegraad (2)

81738,28

48,79

47851,56

117773,44

25,90

34651,69

76009,11

-3,09

28906,25

69921,88

327425,13 179899,09 260872,40 117919,92 199788,41

27,67

1612,51

306,79 1533,96

19


18



1,725

1,72

1,50

1,6

17

Lean-burn

197363,28

27,65

27,64

308,16 1540,81

32,67

2,630

1,820

1,00

1,91

1

16

EGR

527897,24 528296,64 504182,82 501942,95 497681,46 488766,02 481127,06 457475,94 462556,67 431449,56 444561,97 383698,93 434840,03 0,69 0,49 0,85 0,87 0,79 0,85 0,75 2,04 0,77 3,29 0,72 5,39 1,01

1611,29

1663,75

322,90 1614,50

1,820

1,60

1,26

1,5

15

Lean-burn

545082,87 0,56

322,66

1613,28

333,16

1665,80

28,38

1,54

1,65

1

2,250

1,4

1,01

14

22,90

13

12

EGR

1,810

Lean-burn

EGR



15 27,5

42 344 244

Uitlaatgasanalyse (3) 0,23 0,081 14,32 15,46 77

0,005 0304o

41 348 244

0,21 0,087 13,65 14,86 69,7

0,012 0304n

Metingen (3) Lean-burn Lean-burn 2,2 2,4 7,7 7,83 1,318 1,216

9,5

9,5

28 29 INSTELLINGEN (3) open 180

27

13,8 31

open 180

26


30



27

3,18

2,69

1,216

2,89

2,44

1,318

1126,07

30,92

1224,69

31,03

38492,84

Conversiegraad (3)

31787,11

401237,47 368927,70 1,79 4,10

225,49

1127,46

245,24

1226,20


2,4


2,2

26

Berekeningen (3) Lean-burn Lean-burn



231

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

6,95

2470

CO (vol%) negatief meetbestand (.prn)

0,016 1804VV1

10,86

O2 (vol%) voor katalysator



10,87

0,047

CO2 (vol%)

0,013 1804VV2

2534

0,043

0,32

0,35

231

364

44

1,785

6,94

-0,0167

6,93

230

364

44

1,788

6,93

230

364

44

1,792

0,02 1804VV4

2576

10,79

0,063

0,03 1804VV5

2670

10,75

0,04

Uitlaatgasanalyse 0,32 0,31

0,02 1804VV3

2545

10,88

0,049

0,31

233

364

44

1,786

Datum: 18-04-2006

Tomg [°C]:

Lean-burn meting: variabele VO bij luchtfactor 1,5 (ε = 11,5)

4 5 INSTELLINGEN open open open 180 180 180 11,5 11,5 11,5 8 8,5 9 54,5 54,5 54,5 Metingen Lean-burn Lean-burn Lean-burn 1,51 1,5 1,5

3

Inlaatspanning [V]:

Lean-burn 1,51

open 180 11,5 7,1 54,5

2

H2 (vol%)

[7] Twater WW in

[6] Twater WW uit

[5] Tvoor WW

44 365

[2] Tinlaat motor

[1] Tna WW

6,95 1,787

Lean-burn 1,51

Regime λsonde

QH2 (Nm³/h)

open 180 11,5 6,2 54,5


Qlucht (Nm³/h)

1

Meting Nr.


0,013 1804VV6

1375

12,64

0,04

0,33

225

344

43

1,61

7,15

Lean-burn 1,7

open 180 11,5 15 43,5

6

22 Resolutie: 1


Figuur G.11: EGR & lean-burn metingen (N Ox ), = 9, 5(Meetresultaten)

1,63 1,787

Q H2 (Nm³/h)

338008,49

1553,55 28,93 507250,29 0,90 343177,53 28

P i, NORM [W]

η i [%]


Best passende cyclus


508089,34 0,67

1550,18

P i [W]

19

29,01

1556,12

1552,75

310,04

310,55

1,785

1,63

1,83

1,51

Gegevens W i [J]

EGR percentage

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

1,83

1,51


Q H2 (Nm³/h)

Lean-burn 2

R H2 [J/kg*K]

Lean-burn 1


λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr.

1,788

1,62

1,82

1,792

1,62

1,81

1,5

R EGR [J/kg*K] 1,5

28,50

1531,42

1528,10

305,62

28,12

1514,08

1510,80

302,16

24

2 27 Conversiegraad

360183,19 361378,64 353279,90

503296,30 500025,08 494362,93 1,21 1,14 1,06

28,72

1541,44

1538,10

307,62

Geïndiceerde grootheden

1,786

1,63

1,83

1,51

4157,2

Berekeningen Lean-burn Lean-burn Lean-burn 3 4 5 Berekening luchtfactor 339

H H2 [J/mol]

R lucht [J/kg*K]

18

259832,97

456475,53 1,32

28,90

1398,04

1395,01

279,00

241800

1,610

1,86

2,17

1,7

287

Lean-burn 6


Figuur G.12: EGR & lean-burn metingen (N Ox ), = 9, 5(Berekeningen)

40 45

43 426 256

[1] Tna WW

[2] Tinlaat motor

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

5,34

4345



0,003 0404a

6,27

O2 (vol%) Hermann

4,98

O2 (vol%)Hermann


0,07 0,096

0,005 0404b

4228

7,02

6,09

0,096

0,07

282

422

45

2,184

6,42

1,2

Lean-burn

open 180 10,5 -2,8 71

3

4

5

-0,0156

open 180 10,5 -2,4 66

282

414

43

2,099

6,56

1,25

0,016 0404bE

1800

2700

3,04

1,7

0,109

0,36

0,016 0404c

3600

8,17

7

0,092

0,1


75

75

68

267

434

45

42

2,184

5,14

1


open 180 10,5 -2,8 71

Datum: 04-04-2006

0,002 0404cE

2360

2800

3,62

2,26

0,086

0,14

76

76

74

262

433

34

52

2,099

5,09

1,01

EGR

7

0,008 0404d

3313

8,74

7,62

0,089

0,1

276

409

43

2,051

6,62

1,3

Lean-burn

open 180 10,5 -1,4 63

Tomg [°C]:

open 180 10,5 -2,4 66

6

0,035 0404dE

1550

2000

3,2

2,32

0,1

0,2

75

75

73

255

428

46

52

2,051

4,85

1

EGR

open 180 10,5 -1,4 63

8

EGR / Lean-burn compressieverhouding 10,5

INSTELLINGEN (1)

Inlaatspanning [V]:

0,004 0404aE

2700

3400

3,17

2,74

0,091

0,21

75

[7] Twater WW in

H2 (vol%)

75

[6] Twater WW uit

CO2 (vol%)

67

[5] Tvoor WW

263

446

2,275

6,31 2,275

1,01

1,14

QH2 (Nm³/h)

EGR

Lean-burn

Regime λsonde

Qlucht (Nm³/h)

open 180 10,5 -5,5 77

open 180 10,5 -5,5 77


2

1

Meting Nr.


0,009 0404e

3000

9,58

8,44

0,095

0,12

272

399

43

1,971

6,72

1,35

0,007 0404eE

1230

1480

3,02

1,96

0,106

0,28

75

75

98

246

421

47

54

1,971

4,61

1

EGR

open 180 10,5 1,3 59

10

22 Resolutie: 1

Lean-burn

open 180 10,5 1,3 59

9

0,014 0404f

0,12 0,094 9,11 10,14 2740

44 386 265

Lean-burn 1,41 6,83 1,903

6,6 56

open 180 10,5

11



2

1

2,275

Q H2 (Nm³/h)

364,51

596378,85 0,33 414853,85

361,88 1809,42 1807,11 26,52 592077,13 0,63 505068,02

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]



12,82

20,59

26,72

1820,24

1822,56

0,970

EGR percentage

2,275

0,98

1,14

1,01

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

1,16

Q H2 (Nm³/h)

1,33


1,14

R H2 [J/kg*K]

EGR

Lean-burn


λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr. 5

16,75

1,280

2,184

0,98

1,13

1

2,099

1,31

1,50

1,25

R EGR [J/kg*K]

18,92

1,470

2,099

1,01

1,16

1,01

339

27,20

1778,96

1781,23

356,25

27,51

1729,18

1731,38

346,28

27,46

1726,25

1728,46

345,69

27,79

1706,76

1708,94

341,79

2,051

1,35

1,56

1,3

7

8

EGR

1,971

1,43

1,66

1,35

27,81

1708,28

1710,46

342,09

9

Lean-burn

28,19

1663,78

1665,90

333,18

H H2 [J/mol]

22,74

1,770

2,051

0,99

1,14

1

R lucht [J/kg*K]

Lean-burn

28,11

1659,42

1661,54

332,31

241800

26,94

2,110

1,971

0,48

1,13

1

287

10

EGR

28,04

1597,86

1599,90

319,98

1,903

1,50

1,73

1,41

11

Lean-burn

33,33

Conversiegraad (1) 15,71

22,50

16,89

470669,45 356091,73 422093,88 261348,33 390234,38 246533,20 367659,51 196093,75 378955,08

575353,26 582853,85 566543,15 565586,11 559198,09 559695,84 545116,16 543688,91 523520,11 0,51 0,36 0,56 0,44 0,49 0,39 0,41 0,60 0,68

26,85

1756,07

1758,31

351,66

6

EGR


4



2,184

1,23

1,39

1,2

4157,2

3

Lean-burn



0,15 0,093 1,8 3,75 1400 800 0,004 0404fE

EGR 1,01 4,62 1,901 54 47 407 237 112 75 75

0,006 0404g

0,36 0,078 10,4 11,19 2200

31 371 258

Lean-burn 1,51 7 1,802

0,35 0,095 2,55 3,61 840 440 0,007 0404gE

EGR 1 4,23 1,802 56 48 405 231 118 76 76

8 54

8 54

10,5 6,6 56

open 180 10,5

open 180 10,5

open 180

14

13

12

0,005 0404h

0,16 0,087 11,06 12,02 1530

43 370 256

Lean-burn 1,6 7,09 1,728

7,7 48

open 180 10,5

15

0,31 0,099 2,36 3,11 350 240 0,024 0404hE

EGR 1 4,05 1,728 58 40 403 219 136 77 77

7,7 48

open 180 10,5

16 open 180 10,5

open 180 10,5


8,3 10 43,5 39 Metingen (2) Lean-burn EGR Lean-burn 1,7 1 1,8 7,21 3,78 7,32 1,638 1,638 1,549 56 42 50 43 365 395 354 247 214 244 138 77 77 Uitlaatgasanalyse (2) 0,16 0,64 0,19 0,079 0,099 0,093 11,85 1,68 12,63 12,87 2,9 13,33 838,6 233 460 122 0,008 0,008 0,029 0404i 0404iE 0404j

10,5 8,3 43,5

open 180

17

0,39 0,094 1,95 2,89 160,5 91 0,01 0404jE

EGR 1 3,62 1,549 56 51 391 208 146 77 77

10 39

open 180 10,5

20


0,025 0404k

0,2 0,084 13,17 14,12 180

43 348 240

Lean-burn 1,9 7,45 1,477

10 37,5

open 180 10,5

21

0,29 0,097 2,91 3,62 101 68 0,001 0404kE

EGR 1 3,52 1,477 56 51 390 207 150 77 77

10,5 10 37,5

open 180

22

15 30

open 180 10,5

24

15 25

open 180 10,5

25

0,031 0404l

0,25 0,097 13,66 14,7 120

43 343 237

0,012 0404m

0,26 0,088 14,42 15,78 82

41 328 238

0,016 0404n

0,26 0,088 14,82 16,03 75

41 325 235

Lean-burn Lean-burn Lean-burn 2 2,2 2,4 7,52 7,72 7,84 1,392 1,3 1,233

11,7 33,5

open 180 10,5

23



1,62

1,802

1,02

1,901

1,802

0,98

1,16

45,11

3,700

1,549

297,51

30,29

1485,68

1487,57

285,20

29,03

1424,17

1425,99

288,02

31,00

1438,25

1440,09

0,98

1,12

1

266,33

28,67

1329,96

1331,66

31,35

1386,77

1388,54

277,71

1,477

2,11

2,61

1,9

26,85

1187,71

1189,23

237,85

47,47

3,930

1,477

1,00

1,16

1

22

EGR

32,51

1355,18

1356,91

271,38

1,392

2,26

2,82

2

23

31,72

1234,96

1236,54

247,31

1,300

2,48

3,36

2,2

24

31,37

1158,46

1159,94

231,99

1,233

2,66

3,51

2,4

25

Lean-burn Lean-burn Lean-burn

31,43

87288,41

191943,36

156933,59

47,64

Conversiegraad (2)

52848,31

43,30

35058,59

103548,18

32,67

34602,86

85856,12

51953,13

38232,42

47,62

28,99

1500,24

1,549

1,98

2,36

1,8

21

Lean-burn

42,86

30,58

1582,57

42,15

3,430

1,638

0,97

1,11

1

20

EGR

316552,73 145621,74 245475,26

28,72

1550,11

300,43 1502,16

19


18



1,638

1,84

2,24

1,7

17

Lean-burn

213932,29

28,71

28,21

316,92 1584,59

37,62

3,040

1,728

0,98

1,13

1

16

EGR

507547,10 507874,67 518508,65 491535,80 486763,79 466612,46 471225,17 435745,68 454359,15 389139,64 444009,38 404620,76 379555,35 0,82 1,24 2,20 1,08 0,93 1,64 1,05 2,89 0,83 5,71 2,19 1,08 2,47

1549,11

1605,81

310,42 1552,09

1,728

1,72

2,05

1,6

15

Lean-burn

526123,16 0,46

310,22

1551,09

321,57

1607,86

34,49

1,88

1,17

1

2,770

1,51

1,01

14

27,83

13

12

EGR

2,210

Lean-burn

EGR



46 46

44 413 265

[1] Tna WW

[2] Tinlaat motor

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

5,21

Hermann


NOx (ppm) na katalysator 0,014 0504a

6,83 4454

O2 (vol%)


O2 (vol%)Hermann

0,2 0,138

0,022 0504b

4167

7,25

0,087

0,29

271

406

45

2,126

6,37

1,2

Lean-burn

open 180 11,5 -2,6 70,5

3

4

5

-0,0224

open 180 11,5 -2,5 65,5

277

404

45

2,072

6,45

1,25

0,024 0504bE

3367

4,67

0,093

0,27

0,008 0504c

3690

7,84

0,088

0,21


76

76

72

273

418

47

52

2,126

5,15

1


open 180 11,5 -2,6 70,5

Datum: 05-04-2006

0,005 0504cE

2988

4,51

0,103

0,69

76

76

73

259

422

37

52

2,072

4,98

1,01

EGR

7

0,004 0504d

3157

8,96

0,1

0,23

282

391

43

1,966

6,61

1,3

Lean-burn

open 180 11,5 0,4 60

Tomg [°C]:

open 180 11,5 -2,5 65,5

6

0,003 0504dE

2046

4,29

0,007

0,81

76

76

72

252

410

46

52

1,966

4,6

1

EGR

open 180 11,5 0,4 60

8


INSTELLINGEN (1)

Inlaatspanning [V]:

0,027 0504aE

3791

4,04

0,094

0,44

76

[7] Twater WW in

H2 (vol%)

76

[6] Twater WW uit

CO2 (vol%)

71

[5] Tvoor WW

259

426

2,193

6,3 2,193

1,01

1,16

QH2 (Nm³/h)

EGR

Lean-burn

Regime λsonde

Qlucht (Nm³/h)

open 180 11,5 -5 75

open 180 11,5 -5 75


2

1

Meting Nr.


0,008 0504e

3014

9,44

0,085

0,22

274

384

43

1,937

6,7

1,35

0,017 0504eE

2317

3,63

0,092

0,32

75

75

103

246

408

47

54

1,937

4,55

1

EGR

open 180 11,5 2,6 58,5

10

21 Resolutie: 1

Lean-burn

open 180 11,5 2,6 58,5

9

0,027 0504f

9,8 2842

0,19 0,094

43 380 261

Lean-burn 1,4 6,63 1,905

5,5 56,5

open 180 11,5

11



2

1

2,193

Q H2 (Nm³/h)

346,57

567019,50 1,27 396972,66

351,12 1755,61 1755,57 26,70 574470,42 1,56 508688,04

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]



14,46

26,35

1732,80

1732,84

1,090

EGR percentage

2,193

0,99

1,18

1,01

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

1,20

Q H2 (Nm³/h)

1,37


1,16

R H2 [J/kg*K]

EGR

Lean-burn


λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr. 5

16,11

1,220

2,126

1,01

1,22

1

2,072

1,30

1,46

1,25

R EGR [J/kg*K]

19,18

1,470

2,072

1,01

1,20

1,01

339

25,64

1634,20

1634,24

326,85

27,93

1735,03

1735,07

347,01

28,00

1739,83

1739,87

347,97

28,02

1652,01

1652,04

330,41

1,966

1,41

1,58

1,3

7

8

EGR

1,937

1,45

1,64

1,35

28,53

1681,82

1681,85

336,37

9

Lean-burn

28,87

1676,49

1676,52

335,30

H H2 [J/mol]

25,95

2,010

1,966

0,98

1,18

1

R lucht [J/kg*K]

Lean-burn

29,01

1684,79

1684,82

336,96

241800

27,45

2,150

1,937

0,48

1,16

1

287

10

EGR

28,57

1632,11

1632,15

326,43

1,905

1,46

1,68

1,4

11

Lean-burn

Conversiegraad (1)

511213,63 313038,79 446726,83 309149,38 387038,66 223161,37 393335,80 210213,50 404583,11

565577,61 534755,69 567750,63 569318,91 540581,70 550335,97 548591,91 551308,03 534071,94 1,01 1,89 0,57 0,32 0,59 0,98 0,62 0,70 0,68

27,11

1728,39

1728,43

345,69

6

EGR


4



2,126

1,25

1,41

1,2

4157,2

3

Lean-burn



open 180 11,5

8 53,5

Lean-burn 1,51 6,9 1,786

open 180 11,5

5,5 56,5

EGR 1 4,51 1,905 56 36 404 232 114 76 76

0,37 0,083

11,27 2335

0,009 0504g

0,28 0,091

3,26 1580

0,031 0504fE

43 362 254

13

12

0,009 0504gE

3,46 1271

0,31 0,094

EGR 1 4,44 1,786 54 48 383 228 111 77 76

8 53,5

open 180 11,5

14

0,006 0504h

11,34 1910

0,21 0,092

40 359 248

Lean-burn 1,6 6,98 1,694

7,6 46,5

open 180 11,5

15

0,025 0504hE

3,29 432

0,3 0,098

EGR 1 3,96 1,694 58 40 394 214 131 76 76

7,6 46,5

open 180 11,5

16 open 180 11,5

open 180 11,5


0,009 0504i

12,77 910 0,004 0504iE

3,5 179

0,004 0504j

11,94 424

9,9 10 40,5 36,5 Metingen (2) Lean-burn EGR Lean-burn 1,7 1 1,8 6,79 3,86 7,27 1,575 1,575 1,513 54 42 48 43 347 379 343 242 217 241 123 76 77 Uitlaatgasanalyse (2) 0,42 0,28 0,27 0,08 0,097 0,088

9,9 40,5

open 180 11,5

17

0,002 0504jE

3,5 334

0,65 0,082

EGR 1 3,55 1,513 54 49 377 214 135 77 77

10 36,5

open 180 11,5

20


0,015 0504k

11,83 306

0,54 0,098

43 334 241

Lean-burn 1,9 7,32 1,418

11,1 34

open 180 11,5

21

0,014 0504kE

3,4 189

0,69 0,082

EGR 1 3,48 1,418 54 49 370 241 132 76 76

11,1 34

open 180 11,5

22

15 26,5

open 180 11,5

24

15 21,5

open 180 11,5

25

0,004 0504l

14,73 134

0,55 0,095

41 323 237

0,004 0504m

15,45 136

0,43 0,079

41 315 234

0,004 0504n

16,32 117

0,43 0,08

40 315 234

Lean-burn Lean-burn Lean-burn 2 2,2 2,4 7,32 7,45 7,6 1,326 1,264 1,132

14,8 30

open 180 11,5

23



1,62

1,786

0,99

1,905

1,786

1,04

1,15

30,79

1563,79 29,78

1512,76

37,79

2,930

1,575

1,02

1,15

1

1,513

2,01

2,03

1,8

45,62

3,720

1,513

292,50

30,97

1462,46

1462,49

278,76

29,51

1393,79

1393,82

287,96

31,74

1439,77

1439,80

0,98

1,14

1

20

EGR

263,21

29,01

1316,04

1316,07

32,18

1368,16

1368,19

273,64

1,418

2,16

1,99

1,9

21

Lean-burn

26,51

1127,36

1127,38

225,48

47,14

3,840

1,418

1,03

1,14

1

22

EGR

32,18

1279,44

1279,46

255,89

1,326

2,31

2,80

2

23

31,79

1205,00

1205,03

241,01

1,264

2,46

3,14

2,2

24

31,37

1064,73

1064,75

212,95

1,132

2,81

3,68

2,4

25

Lean-burn Lean-burn Lean-burn

77771,42

196171,20

139732,62

Conversiegraad (2)

54923,22

40493,67

105132,00

38456,36

79690,87

61590,79

43052,94

345517,91 188543,91 273555,36

29,68

1589,63

302,56 1512,80

19


18



1,575

1,80

2,20

1,7

17

Lean-burn

204589,84

29,53

28,61

312,77 1563,83

37,85

3,020

1,694

0,98

1,14

1

16

EGR

517476,90 520171,75 511715,81 495017,54 478555,48 456085,60 471130,95 430645,04 447699,89 368902,01 418666,41 394309,31 348409,00 0,62 0,58 0,68 3,62 0,82 2,23 1,01 3,67 0,92 3,80 0,81 1,44 3,51

1581,40

1634,32

317,93 1589,67

1,694

1,72

1,92

1,6

15

Lean-burn

534792,94 1,23

316,29

1581,43

326,87

1634,35

30,71

1,90

1,14

1

2,460

1,51

1

14

27,37

13

12

EGR

2,120

Lean-burn

EGR



60 48 375

38 352 195

[1] Tna WW

[2] Tinlaat motor

[3] Tuitlaat motor

[4] Tna katalysator

3,6

7 0,03 2004bE

CO (vol%) meetbestand (.prn)

Datum: 20-04-2006

3,74

6,85

4,42

0,06 2004c

505

12,65

0,017

0,002 2004cE

25

123

2,73

0,052

0,004 2004d

2400

11,06

0,05

0,043 2004dE

630

1130

2,54

0,056

0,43

75

102

190

384

48

54

1,813

Uitlaatgasanalyse 0,14 0,41 0,11

194

348

43

1,813

75

75

122

191

379

50

56

1,613

EGR 1

7

0,022 2004e

2580

9,73

0,047

0,35

217

373

45

1,871

6,72

Lean-burn 1,4

open 180 12,5 0 60,5

Tomg [°C]:

open 180 12,5 4,7 57

6

75

219

342

42

1,613

7,1

4 5 INSTELLINGEN open open open 180 180 180 12,5 12,5 12,5 7,7 7,7 4,7 47,5 47,5 57 Metingen Lean-burn EGR Lean-burn 1,7 1 1,5

3

-0,0151

0,025 2004eE

790

1570

3,4

0,049

0,42

75

75

105

220

400

38

56

1,871

4,31

EGR 1

open 180 12,5 0 60,5

8

6,54

0,097 2004f

3480

8,16

0,055

0,32

237

388

44

2,008

0,096 2004fE

1190

2650

2,49

0,039

0,41

75

75

102

231

411

47

52

2,008

4,78

EGR 1

open 180 12,5 -2,4 68,5

10

21 Resolutie: 1

Lean-burn 1,3

open 180 12,5 -2,4 68,5

9

EGR / Lean-burn -metingen bij ε = 12,5. NO x voor en na katalysator met uitlaatgasanalyse Inlaatspanning [V]:

NOx (ppm) na katalysator 0,025 2004b

310

42

2,52

13,1

O2 (vol%)voor katalysator


0,52 0,147

0,4 0,042

75

[7] Twater WW in

H2 (vol%)

75

[6] Twater WW uit

CO2 (vol%)

114

[5] Tvoor WW

181

1,537

7,38

EGR 1

1,537

Lean-burn 1,8

Regime λsonde

open 180 12,5 9,8 40,5

QH2 (Nm³/h)

open 180 12,5 9,8 40,5


2

Qlucht (Nm³/h)

1

Meting Nr.



Figuur G.21: EGR & lean-burn metingen, = 12, 5(Meetresultaten)

2,01 1,537

Q H2 (Nm³/h)

260,87

426803,64 2,69 45932,11

286,89 1434,43 1433,69 31,12 469373,82 0,93 180226,29 11

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]




45,73

83,33

22

28,30

1303,66

1304,33

3,780

EGR percentage

1,537

0,98

1,10

1

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

2,28

1,8


Q H2 (Nm³/h)

EGR 2

R H2 [J/kg*K]

Lean-burn 1


λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr.

3,360

1,613

0,97

1,11

1

1,813

1,58

1,87

1,5

R EGR [J/kg*K]

29,66

1433,73

1434,47

286,89

28,62

1555,05

1555,85

311,17

29,02

1576,77

1577,58

315,52

30,58

2,430

1,813

1,02

1,10

1

339

EGR 6

28,87

1618,69

1619,52

323,90

1,871

1,50

1,67

1,4

Lean-burn 7

2,008

1,36

1,49

1,3

Lean-burn 9

28,62

1604,89

1605,71

321,14

28,32

1704,45

1705,33

341,07

H H2 [J/mol]

30,94

2,410

1,871

0,96

1,14

1

R lucht [J/kg*K]

EGR 8

28,43

1710,70

1711,58

342,32

241800

22,81

1,760

2,008

1,00

1,10

1

287

EGR 10

15

61035,16

79,67

44,25

20

6

49,68

7

5

55,09

13

363449,62 161587,42 349053,74 133267,11 449100,89 269531,25

3 15 Conversiegraad

228027,34

495727,24 469385,91 509105,75 516215,88 529939,89 525421,59 558017,39 560061,78 2,40 1,73 0,81 0,47 0,66 0,73 0,58 0,44

31,32

1514,19

1514,97

302,99


1,613

1,84

2,19

1,7

4157,2

Berekeningen Lean-burn EGR Lean-burn 3 4 5 Berekening luchtfactor


Figuur G.22: EGR & lean-burn metingen, = 12, 5(Berekeningen)

5,28

1679 275 0,044 0805aEx


CO (vol%) meetbestand (.prn)

O2 (vol%)voor katalysator


92

[7] Twater WW in 2,17

92

[6] Twater WW uit

0,58

73

[5] Tvoor WW

H2 (vol%) na katalysator

271

[4] Tna katalysator

2,11

6,35

6,42

4,57

0,037 0805bEx

235

1508

0,036 0805cEx

196

1120

0,55

1,63

0,34

Uitlaatgasanalyse 1,58

75

104

242

419

36

56

2,015

75

2,015

EGR 0,95

open 180 10,5 0 60,5

6

74

74

71

211

423

47

48

2,11

4,8

4 5 INSTELLINGEN open open open 180 180 180 10,5 10,5 10,5 -2 68,5 Metingen Lean-burn EGR Lean-burn 1,26 0,95 1,33

3

1,96

6,67

Lean-burn 1,42

open 180 10,5

7

0,029 0805dEx

240

1065

0

1,9

75

75

108

237

405

48

54

1,96

4,41

EGR 0,95

open 180 10,5 4,1 55

8

1,869

6,77

Lean-burn 1,51

open 180 10,5

9

0,035 0805eEx

220

638

0

2

75

75

118

236

400

49

54

1,869

4,28

EGR 0,95

open 180 10,5 7 47,5

10

Datum: 08-05-2006 EGR metingen bij ε = 10,5. NO x voor en na katalysator met uitlaatgasanalyse (rijk draaien tijdens EGR, λ = 0,95) Inlaatspanning [V]: -0,0192 Tomg [°C]: 23 Resolutie: 1

H2 (vol%) voor katalysator

437

2,318

[3] Tuitlaat motor

QH2 (Nm³/h) 48

6,23 2,318

Qlucht (Nm³/h)

EGR 0,95

50

Lean-burn 1,12

Regime λberekend

open 180 10,5 -3,3 71,5

[1] Tna WW

open 180 10,5


2

[2] Tinlaat motor

1

Meting Nr.



Figuur G.23: EGR metingen, = 10, 5(Meetresultaten)

0,95

1,26

0,95

564882,37 0,80 288102,21

359,99 1799,95 1809,59 25,90 588980,93 0,47 514160,16 16 83,62

Gegevens W i [J]

P i [W]

P i, NORM [W]

η i [%]




1,33 2,015

84,42

12 Conversiegraad

27,29

1735,55

1726,31

345,26


12,77

1,550

2,110

0,950

2,110

R EGR [J/kg*K]

EGR percentage

2,318

4157,2

Berekeningen Lean-burn EGR Lean-burn 3 4 5 Berekening luchtfactor

∆Q lucht (Nm³/h)

berekend

1,12 2,318

Q H2 (Nm³/h)

Q H2 (Nm³/h)

EGR 2

R H2 [J/kg*K]

Lean-burn 1



λ Hermann

Gegevens λ sonde

Regime Meting Nr.

82,50

10

139501,95

535607,47 1,85

27,09

1645,61

1636,84

327,37

24,70

1,850

2,015

0,95

339

EGR 6

1,960

1,42

Lean-burn 7

1,869

1,51

Lean-burn 9

77,46

16

216634,11

532867,81 0,87

27,71

1637,19

1628,47

325,69

H H2 [J/mol]

29,30

2,260

1,960

0,94

R lucht [J/kg*K]

EGR 8

65,52

6

143066,41

512349,85 1,58

27,94

1574,15

1565,77

313,15

241800

31,99

2,490

1,869

0,96

287

EGR 10


Figuur G.24: EGR metingen, = 10, 5(Berekeningen)

Bibliografie [1] Prof. Dr. Ir. R. Sierens. Zuigermotoren. Universiteit Gent - UGent, 2005-2006. [2] De Standaard. 9-12-2005. [3] G. Elsasser N. Brehm & C. Schwarz H. Rottengruber, M. Berckmuller. Operation strategies for hydrogen engines with high power density and high efficiency. BMW AG D-80788, Germany, 2005. [4] Jean-Jaques Biot & Jan Corne. Vergelijkende studie van EGR en arme-mengselwerking op een 1-cilinder waterstofverbrandingsmotor. scriptie, Universiteit Gent - UGent, 2004-2005. [5] Fryns J. & Verhelst S. Inbouw van en onderzoek rond een waterstofmotor. scriptie, Universiteit Gent - UGent, 1998-1999. [6] Delbarge B. & D’haveloose T. Experimentele studie en optimalisatie van waterstofinjectie in een CFR-motor. scriptie, Universiteit Gent - UGent, 1999-2000. [7] ASTM. ASTM manual for rating motor fuels by motor and research. 1964. [8] H. Eichlseder A. Wimmer F. Gerbig, W. Strobl. Potentials of the hydrogen combustion engine with innovative hydrogen-specific combustion processes. BMW Group Research and Technology, Germany & Graz University of Technology (Paper Offer Number 03FTT-68), 2004. [9] Bart Buysse. Simulatie van verbrandingsmotoren met lotus engine simulation. scriptie, Universiteit Gent - UGent, 2004-2005. [10] H. Eichlseder T Wallner R. Freymann, J. Ringler. The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario. BMW Group Munich & Graz University of Technology (F2004V113), 2004.

108

BIBLIOGRAFIE

109

[11] Claerhoudt M. & Lagae J. Ontwikkeling van een EGR-systeem voor een waterstofmotor & Onderzoek naar het effect op backfire en de uitlaatgasemissies. scriptie, Universiteit Gent - UGent, 2002-2003.

Lijst van figuren 1.1

Tankstation Berlijn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.2

N Ox -uitstoot in functie van λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.1

CFR-motor op 03-10-2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2

Schets EGR-systeem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.3

Buffervat, controletafel (met thermokoppel-uitlezing en MoTeC-systeem) en meetkast 13

2.4

Nieuwe tijdelijke krukasencoder en oorspronkelijke krukasencoder . . . . . . . . .

16

2.5

Verschuiving van de drukpieken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.6

Verloop opgemeten door AVL-428 sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1

EGR-circuit (koeling met leidingwater) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2

Meetpunten oppervlaktetemperatuur (zwart); meetpunten thermokoppels (rood)

22

3.3

Aanpassing van het EGR-koelsysteem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.4

Schema van de huidige opstelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

4.1

Dilutielucht vs EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.2

Schets opeenvolgende stappen van de meetstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.3

COV ifv EGR% en luchtfactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.4

Vermogen en rendement in functie van waterstofdebiet . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.5

Lineair verloop van het rendement met λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.6

Vermogen en rendement bij =10,5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

4.7


43

4.8


43

4.9

Compressieverhouding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.10 Vermogen in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhoudingen 46 4.11 Gemiddeld drukverloop meting ( = 11, 5; QH2 = 2, 1 N m3 /h) . . . . . . . . . .

110

47

LIJST VAN FIGUREN

111

4.12 Rendement in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhoudingen 49 4.13 N Ox productie in functie van waterstofdebiet bij verschillende compressieverhouding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

4.14 N Ox -uitstoot bij EGR en lean-burn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.15 N Ox -uitstoot bij lean-burn in functie van de luchtfactor . . . . . . . . . . . . . .

51

4.16 N Ox -uitstoot en conversiegraad in functie van waterstofdebiet/EGR% (λ = 1) .

53

4.17 N Ox -uitstoot en conversiegraad in functie van waterstofdebiet/EGR% (λ = 0, 95) 54 4.18 N Ox -reductie en rendement in functie van waterstofdebiet bij EGR-werking onder λ = 1 en λ = 0, 95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.19 Rendement en vermogen in functie van de voorontsteking . . . . . . . . . . . . .

56

4.20 N Ox -uitstoot en uitlaattemperatuur in functie van de voorontsteking . . . . . . .

56

dp dα

en pV-diagram bij VO = −3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

4.22 Drukverlopen bij variabele VO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

4.23 Temperatuur uitlaatgassen voor EGR- en lean-burnwerking . . . . . . . . . . . .

59

4.21

4.24 Temperatuur uitlaatgassen bij EGR-werking en verschillende compressieverhoudingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.1

Model van de CFR-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

5.2

Grafisch resultaat CAT

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

5.3

Ingelezen drukprofiel in vergelijking met het opgemeten drukprofiel . . . . . . . .

63

5.4

Berekende mass fraction burn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

A.1 Schets kleppentiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

B.1 Gebruikte voeding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

72

B.2 Adjustment piece + clamping cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

B.3 Uiteindelijke opstelling van de sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

B.4 Schematische opstelling van de sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

B.5 Balanceereenheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

D.1 Compressieverhouding () in functie van meetklokstand . . . . . . . . . . . . . .

78

F.1 Structuur CFR.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

G.1 EGR-metingen bij hoge luchtfactor, = 9(Meetresultaten) . . . . . . . . . . . . .

84

G.2 EGR-metingen bij hoge luchtfactor, = 9(Berekeningen) . . . . . . . . . . . . . .

85

LIJST VAN FIGUREN

112

G.3 lean-burn metingen met variabele VO bij λ = 1, 7, = 9(Meetresultaten) . . . .

86

G.4 lean-burn metingen met variabele VO bij λ = 1, 7, = 9(Berekeningen) . . . . .

87

G.5 EGR & lean-burn metingen, = 9, 5(Meetresultaten(1)) . . . . . . . . . . . . . .

88

G.6 EGR & lean-burn metingen, = 9, 5(Berekeningen(1)) . . . . . . . . . . . . . . .

89


90


91


92


93

G.11 EGR & lean-burn metingen (N Ox ), = 9, 5(Meetresultaten) . . . . . . . . . . .

94

G.12 EGR & lean-burn metingen (N Ox ), = 9, 5(Berekeningen) . . . . . . . . . . . .

95

G.13 EGR & lean-burn metingen, = 10, 5(Meetresultaten(1)) . . . . . . . . . . . . .

96

G.14 EGR & lean-burn metingen, = 10, 5(Berekeningen(1)) . . . . . . . . . . . . . .

97

G.15 EGR & lean-burn metingen, = 10, 5(Meetresultaten(2)) . . . . . . . . . . . . .

98

G.16 EGR & lean-burn metingen, = 10, 5(Berekeningen(2)) . . . . . . . . . . . . . .

99

G.17 EGR & lean-burn metingen, = 11, 5(Meetresultaten(1)) . . . . . . . . . . . . . 100 G.18 EGR & lean-burn metingen, = 11, 5(Berekeningen(1)) . . . . . . . . . . . . . . 101 G.19 EGR & lean-burn metingen, = 11, 5(Meetresultaten(2)) . . . . . . . . . . . . . 102 G.20 EGR & lean-burn metingen, = 11, 5(Berekeningen(2)) . . . . . . . . . . . . . . 103 G.21 EGR & lean-burn metingen, = 12, 5(Meetresultaten) . . . . . . . . . . . . . . . 104 G.22 EGR & lean-burn metingen, = 12, 5(Berekeningen) . . . . . . . . . . . . . . . . 105 G.23 EGR metingen, = 10, 5(Meetresultaten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 G.24 EGR metingen, = 10, 5(Berekeningen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Lijst van tabellen 1.1

Eigenschappen van waterstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1

Eigenschappen CFR-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.2

Kleppentiming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3

MAP instellingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4

Ingangskanalen DAQ-kaart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.5

Resultaten van TDC-bepaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1

Oppervlaktetemperatuursmeting. A: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,8. B: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,4. C: EGR-waarden startend uit lean-burnconditie waarbij luchtfactor = 1,2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.2

Temperatuur van de rookgassen in het EGR-buizenstel . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.3

Temperatuur van de rookgassen in het EGR-buizenstel . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.4

Invloed van meetstrategie op EGR-temperaturen. (↓):strategie λ = 1, 8 → 1, 1; (↑):strategie λ = 1, 1 → 1, 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

4.1

Metingen met hoge luchtfactor / hoog EGR% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.2

Ge¨ındiceerd vermogen en rendement voor arme-mengselwerking en EGR . . . . .

38

4.3

Afhankelijkheid massafracties van EGR% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.4

De gebruikte theoretische waarden van cp,i bij 24◦ C. . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.5

COV voor lean-burn en EGR vanaf λ ≥ 1, 5 en EGR% ≥ 30% . . . . . . . . . .

41

4.6

H2 -concentratie in de uitlaat bij lean-burn en EGR vanaf λ ≥ 1, 5 en EGR% ≥

4.7

30% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

Waterstofgehalte voor en na katalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

113

LIJST VAN TABELLEN

C.1 Eigenschappen druk pickups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

114

76

Onderzoek naar strategieën om de NO x -uitstoot te reduceren bij een waterstofverbrandingsmotor

Recommend Documents