Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire

Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek

Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire door Kevin Huyge Bart Van Cauwenberge

Promotor: Prof. dr. ir. R. Sierens Begeleider: ir. S. Verhelst

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

Academiejaar 2001-2002

Dankwoord

i

Dankwoord Eerst en vooral hadden we graag Prof. dr. ir. R. Sierens, onze promotor, willen bedanken voor de opvolging van deze scriptie, het ter beschikking stellen van de proefstand en de nuttige opmerkingen en raadgevingen. Verder gaat onze dank uit naar ir. S. Verhelst, onze begeleider, voor de talrijke suggesties en het aanreiken van achtergrondinformatie. Uiteraard was deze scriptie niet mogelijk geweest zonder Dhr. R. Janssens die steeds met toewijding en een praktische ingesteldheid de proefstanden wist aan te passen en te bedienen. Meer dan éénmaal werd de praktische oplossing van problemen mogelijk gemaakt door zijn uitgebreide ervaring en kennis op het gebied van motoren. Telkens we problemen hadden met elektrische aansluitingen en sturingen konden we rekenen op de hulp van ing. R. De Jaeger, die de oorzaken vakkundig wist op te sporen en steeds voor een geschikte oplossing zorgde. Ook hadden we graag Dhr. R. De Smet bedankt voor de hulp bij het ontwerpen van de cardankoppeling. Verder wensen we dr. ir. M. De Paepe te danken voor de goede raad bij het opstellen van de koelkring en de aankoop van de warmtewisselaar. Ook de andere medewerkers van het laboratorium hadden we willen bedanken voor hun praktische

hulp.

We

denken

daarbij

vooral

aan

het

secretariaat

en

de

computerverantwoordelijke. Tot slot wensen we nog onze ouders, vrienden, vriendinnen en familie te bedanken voor alle denkbare steun en aanmoedigingen gedurende onze volledige opleiding. Bart en Kevin

Overzicht

ii

Overzicht Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire door Kevin HUYGE en Bart VAN CAUWENBERGE

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

Academiejaar 2001-2002

Promotor: Prof. dr. ir. R. Sierens Begeleider: ir. S. Verhelst Universiteit Gent - Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek

Overzicht In hoofdstuk 1 wordt kort geschetst wat de problemen zijn bij het werken met waterstof. Tevens wordt er vermeld wat precies het doel van deze scriptie is. In hoofdstuk 2 wordt er een algemeen overzicht gegeven van wat er over het fenomeen backfire geweten is.

Er worden ook enkele suggesties gedaan voor het vermijden van

backfire. In hoofdstuk 3 is er beschreven welke metingen dit jaar verricht zijn in het kader van het backfire onderzoek op de V8-motor. Dit is een project dat reeds meerdere jaren loopt. Dit onderzoek werd dit jaar afgerond. In hoofdstuk 4 wordt de opbouw van een nieuwe ééncilinderproefstand in detail geschetst. Tevens worden er enkele suggesties gedaan voor het toekomstige onderzoek op deze motor. Hoofdstuk 5 geeft een kort overzicht van de resultaten bekomen in hoofdstuk 3 en 4. Trefwoorden: Backfire, waterstofmotor, ééncilindermotor, motormanagementsysteem

Toelating tot bruikleen

iii

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.

1 juni 2002

Kevin Huyge

Bart Van Cauwenberge

Inhoudstafel

iv

Inhoudstafel Dankwoord .................................................................................................................................. i Overzicht .................................................................................................................................... ii Toelating tot bruikleen .............................................................................................................. iii Inhoudstafel ............................................................................................................................... iv Hoofdstuk 1: Inleiding ............................................................................................................... 1 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie .................................................................................................... 3 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor............................................................ 9 1. Bepalen van het bovenste dode punt .................................................................................. 9 2. Veranderingen aan de proefstand ..................................................................................... 12 3. Fueltrim per cilinder......................................................................................................... 14 4. Drukdiagramma’s ............................................................................................................. 15 4.1. Klop voor backfire .................................................................................................... 15 4.2. Lage drukken in cycli na backfire ............................................................................. 17 4.3. Herstel van backfire .................................................................................................. 20 4.3.1. Herneming met klop........................................................................................... 20 4.3.2. Herneming zonder klop ...................................................................................... 21 5. Individueel wijzigen van de voorontsteking .................................................................... 22 6. Effect van turbulentie ....................................................................................................... 22 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor ........................................................................ 24 1. De motor .......................................................................................................................... 24 2. Mechanisch gedeelte van de opbouw ............................................................................... 25 2.1. Cilinder + Keuze van de zuiger................................................................................. 25 2.1.1. Vastleggen van de compressieverhouding ......................................................... 25 2.1.2. Opmeten schadelijke ruimte............................................................................... 29 2.2. De cilinderkop ........................................................................................................... 31 2.2.1. Opmeten van het nokprofiel ............................................................................... 31 2.2.2. Vastleggen van de kleptiming en bepalen klepoverlapping ............................... 32 2.3. Inlaat .......................................................................................................................... 35 2.3.1. Algemeen ........................................................................................................... 35 2.3.2. Berekenen debiet waterstofinjector .................................................................... 36 2.4. Uitlaat ........................................................................................................................ 39

Inhoudstafel

v

2.5. Koelkring .................................................................................................................. 41 2.5.1. Berekening van het af te voeren vermogen ........................................................ 41 2.5.2. Opbouw van de koelkring .................................................................................. 43 2.5.3. De warmtewisselaar ........................................................................................... 46 2.5.4. De circulatiepomp .............................................................................................. 47 2.5.5. Conventionele werking ...................................................................................... 49 2.5.6. Expansievat ........................................................................................................ 51 2.5.7. Thermokoppel .................................................................................................... 51 2.5.8. Temperatuur sensor ............................................................................................ 51 2.5.9. Uiteindelijke koelkring....................................................................................... 52 2.6. Reminstallatie............................................................................................................ 53 2.7. Aandrijving nokkenas ............................................................................................... 55 3. Elektrisch gedeelte van de opbouw .................................................................................. 57 3.1. Het motorbesturingssysteem ..................................................................................... 57 3.2. Installatie van het systeem ........................................................................................ 58 3.2.1. Ref/Sync signaal................................................................................................. 59 3.2.2. Bougie ................................................................................................................ 63 3.2.3. Ontstekingsspoel ................................................................................................ 63 3.2.4. Andere sensoren en signalen .............................................................................. 64 3.2.5. Injector ............................................................................................................... 65 3.2.6. Aansluiting PC ................................................................................................... 66 3.2.7. Overzicht ............................................................................................................ 66 3.2.8. MAP-sensor ....................................................................................................... 67 3.3. Drukopnemer............................................................................................................. 68 4. Testen van de motor ......................................................................................................... 70 5. Toekomst .......................................................................................................................... 72 Hoofdstuk 5: Besluit ................................................................................................................ 74 Appendices ............................................................................................................................... 75 Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire........................ 76 Appendix B: Code Matlab-programma ............................................................................ 79 Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval ....................................... 82 Appendix D: Tekening cardankoppeling ......................................................................... 86 Appendix E: Aansluitschema’s MoTeC........................................................................... 87 Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software .............................................. 95

vi Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven ............................................................. 99 Appendix H: Prijslijst opbouw ééncilinder motor ......................................................... 101 Appendix I: CD-ROM ................................................................................................... 102 Referenties.............................................................................................................................. 103

Hoofdstuk 1: Inleiding

Hoofdstuk 1: Inleiding De steeds strenger wordende milieueisen op het gebied van uitstoot van uitlaatgassen (cfr. protocol van Kyoto dd. 10 december 1997) en de begrensdheid van de voorraad fossiele brandstoffen indachtig, is men reeds jaren op zoek naar meer milieuvriendelijke transportmiddelen. In het licht hiervan is men in het Laboratorium voor Vervoertechniek van de

Universiteit

Gent

reeds

geruime

tijd

bezig

met

onderzoek

op

waterstofverbrandingsmotoren. Waterstof biedt immers het voordeel dat de uitlaatgassen zuiver zijn, en vooral dat het op deze planeet in overvloed beschikbaar is. De toepassing van waterstof is echter niet triviaal. Er stellen zich namelijk een aantal problemen. Vooreerst is het vermogen dat men tot nu toe met waterstofmotoren kan bereiken eerder beperkt. Bij een hoge rijkheid van het verbrandingsmengsel treedt er immers een vroegtijdige verbranding op, nog voor de inlaatklep gesloten is. Dit fenomeen wordt backfire genoemd. Een ander punt waar de nodige aandacht moet aan besteed worden is het feit dat de fysische en chemische eigenschappen van waterstof sterk verschillen van die van conventionele brandstoffen.

We denken hier bijvoorbeeld aan de lage ontstekingsenergie en de brede

ontstekingsgrenzen van een waterstof-lucht mengsel. Dit zijn factoren die maken dat er bijzondere aandacht moet besteed worden aan de productie en de opslag van waterstof.

Wat wij in dit afstudeerwerk willen bereiken is een beter begrip van het fenomeen ‘backfire’. In het laboratorium zijn twee motoren ter beschikking die uitgerust zijn voor het gebruik van waterstof als brandstof. De eerste is een GM ‘Big Block’ V8 7.4l motor met multipoint gasinjectiesysteem, en de tweede is een Waukecha CFR-motor. Een CFR-motor (Cooperative Fuel Research engine) is een motor met variabele compressieverhouding die oorspronkelijk ontworpen is voor het bepalen van het octaangehalte van oliedestillaten. Zoals hierna duidelijk wordt, is het bij het onderzoek naar backfire aangewezen bepaalde eigenschappen van de motor te kunnen wijzigen.

Wanneer men dus een geometrische

aanpassing wil doen aan de cilinder moet in het geval van de V8-motor elke cilinder afzonderlijk aangepast worden. Het is duidelijk dat dit een zeer omslachtige werkwijze is. Een ander nadeel bij het werken met de V8-motor is het grote brandstofverbruik. De CFR-motor heeft dit nadeel niet, daar het een ééncilindermotor is. Het nadeel van deze motor is dat zijn toerentalbereik beperkt is. Het is een middelsnellopende motor met een

1

Hoofdstuk 1: Inleiding maximaal toerental van 900 rpm. De nadelen van beide motoren maken dat ze niet de meest geschikte zijn om dieper onderzoek naar backfire te doen. Daarom werd er besloten een nieuwe proefstand op te bouwen. Hiervoor is er een ééncilinder AUDI-NSU-motor ter beschikking. Doordat er maar één cilinder is, is het veel eenvoudiger de geometrie van de motor te wijzigen.

Het onderwerp van ons afstudeerwerk is dus enerzijds het afronden van het backfire onderzoek op de achtcilinder motor, en anderzijds het op proefstand zetten van de ééncilinder AUDI-NSU-motor, zodat daar in de toekomst dieper onderzoek op gedaan kan worden.

2

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Het fenomeen “backfire”

Backfire is de ontbranding van de verse lading (waterstof / lucht) in de cilinder voor de inlaatklep sluit. Het gevolg is een luide knal en een vlam in het inlaatkanaal. De verminderde lading in de cilinder tijdens de daaropvolgende arbeidsslag zorgt voor vermogen- en koppelverlies. Het kan zelfs leiden tot stilvallen van de motor.

Over backfire zijn al heel wat artikels verschenen. Het is dan ook zowat de meest beperkende factor voor de bruikbaarheid van waterstofmotoren (naast een eventuele te vroege ontsteking). Andere termen die in de literatuur gebruikt worden voor hetzelfde fenomeen zijn bvb. backflash, pre-ignition en auto-ignition. Wij zullen in het vervolg steeds de term backfire gebruiken. Pre–ignition zullen we gebruiken voor te vroege ontsteking die zich nog niet in het stadium van backfire bevindt.

Het optreden van backfire is moeilijk te voorspellen. Algemeen doet het zich voor bij hoge toerentallen en zware (thermische) belasting. Typisch is het een gevolg van weglopende gloeiontsteking die overgaat in backfire [5]. De precieze oorzaken kent men echter niet, maar men gaat ervan uit dat het een samenspel is van verschillende fenomenen.

Hot spots Een veelbelovende verklaring was die van de zogenaamde “hot spots” [9]. Dat zijn plaatsen in de verbrandingskamer die zo warm zijn dat ze de verse lading kunnen ontsteken (dus ongestuurd). Verschillende experimenten namen dan ook extra maatregelen om mogelijke hot spots te vermijden. Voorbeelden daarvan zijn het koelen van de bougie en het koelen van de klepzittingen [1], [8], [9]. Helaas werd backfire daardoor enkel uitgesteld tot hogere rijkheden en niet vermeden [9]. Mogelijks volstonden de maatregelen niet om alle hot spots te vermijden. Belangrijker is dat deze theorie niet kon verklaren waarom backfire soms optrad tijdens het starten of bij een koude motor.

3

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Katalytische effecten Aansluitend bij de hot spots ontdekte men dat in sommige gevallen backfire bevorderd werd door de katalytische werking van de materialen waarmee de lading in contact komt. [10]

Terugvloeiende gassen tijdens zuigslag [7] Men probeerde een verband te vinden tussen de temperatuur van de elektrodetip van de bougie en het optreden van backfire.

Merkwaardig genoeg vond men dat backfire

gemakkelijker optrad bij lagere elektrodetip–temperaturen en een compressieverhouding van 10:1 dan bij een hogere elektrodetip-temperatuur en een compressieverhouding van 12:1. Daaruit concludeerde men dat er niet per se een verband is tussen de temperatuur van de elektrodetip en het optreden van backfire. Aangezien voorgaande theorieën niet volstonden, ging men op zoek naar een nieuwe verklaring. Daartoe installeerde men twee lenzen die het spectrum van OH radicalen kunnen waarnemen. Na testen merkte men dat, in het geval van backfire of pre-ignition, de verbranding, dus de productie van de OH radicalen, niet enkel aan de bougie begon. Daarna installeerde men een hoge snelheidsvideocamera die gericht stond op de bovenste rand van de zuiger (waar men een bron van radicalen opgemerkt had) zoals te zien op figuur 2.1.

Figuur 2.1

Tegelijkertijd maakte men een aangepaste zuiger waar de zuigerspeling plaatselijk vergroot was (in het zicht van de camera). Deze keer zag men op de camera dat bij pre-ignition de verbranding vanuit dat gedeelte begon. Hoogstwaarschijnlijk was dat te wijten aan een brandbaar mengsel dat vantussen de zuigerveren terug in de verbrandingskamer terechtkwam.

4

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Bij benzine motoren is de blusafstand ongeveer 0.3mm. Zoals te zien is op figuur 2.2 is deze bij waterstof ongeveer negen keer kleiner. Het gevolg hiervan is dat wanneer men een benzinemotor op waterstof laat werken, de vlam zich kan voortplanten in de smalle ruimte tussen zuiger en cilinder.

Men suggereert dat het gevolg daarvan een vertraagde

verbrandingsreactie tussen de zuiger en de cilinderwand is.

Wanneer het verse mengel

daarmee in contact komt, kan het ontsteken. Helaas was het verschijnsel ook deze keer niet voorspelbaar: soms trad het wel en soms trad het niet op. Daardoor veronderstelde men dat het mengsel op die plaats niet altijd de ontstekingsvoorwaarden bereikte.

Figuur 2.2

Opnieuw is deze verklaring niet voldoende om alle gevallen van backfire en pre-ignition te verklaren.

Wederzijdse inductie van bougiekabels In sommige experimenten met meercilindermotoren trad backfire op als gevolg van de inductie van bougiekabels van verschillende cilinders op elkaar [10]. Dat is overigens vrij eenvoudig te vermijden door de kabels van de verschillende bougies niet samen te binden.

Nuclear Ignition Theory Reeds in 1948 [10] merkte men dat kleine partikels die in de inlaat geblazen werden klop en voorontsteking bevorderden.

Zo ontstond de theorie dat pyrolyse van smeerolie zulke

partikels in de verbrandingskamer introduceerde en voorontsteking veroorzaakte. Die theorie is overigens al door vele experimenten bevestigd.

5

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Residuele Gassen Tijdens de inlaatslag vindt er menging plaats van de residuele gassen met de verse lading. In dat proces onderscheidt men het verwarmen en het verdunnen. Bij benzinemotoren treedt de verdunning van het verse mengsel door restgassen op voordat de brandstofconcentratie in het mengsel de onderste ontstekingsgrens heeft bereikt en voordat het mengsel de ontstekingstemperatuur bereikt. Bij waterstof daarentegen is die ontstekingsgrens zo laag dat het mengsel nog niet voldoende verdund is vooraleer de ontstekingstemperatuur bereikt wordt. Men voerde experimenten uit met poorten die het waterstofgas slechts gedurende een bepaalde periode doorlieten (cfr. laattijdige inspuiting). Men merkte dat het feit dat er in het begin enkel zuivere lucht in verbrandingskamer komt, de restgassen afkoelt en een gunstig effect heeft op de mogelijke belasting van de motor. Echter deze experimenten wezen ook uit dat pre-ignition niet altijd dezelfde oorzaak had en dat backfire niet altijd het directe gevolg was. De waargenomen verschijnselen net voor het optreden van backfire doen vermoeden dat de oorzaak meer van plaats veranderde dan men van een hot spot zoals een bougie zou kunnen verwachten.

Mogelijke aanpassingen om backfire te voorkomen Over sommige aanpassingen zijn de meningen verdeeld, andere worden zowat door iedereen erkend als manieren om backfire uit te stellen. Deze laatste worden hieronder opgesomd: •

1 Koelen van o.a. klepzittingen en bougies om hot spots te voorkomen [1], [9], [13]

•

2 Gebruik van koude bougies [8], [9]

•

3 Glad maken van onbewerkte gegoten onderdelen [10]

•

4 Elektrodeafstand van de bougie versmallen [10]

•

5 Kleinere zuigerspeling om olieresiduen te vermijden in de verbrandingskamer [1]

•

6 Aanpassingen aan de ontsteking om residuele spanningen te vermijden [1], [6], [9]

•

7 Late injectie [8], [10] of directe injectie [12]

6

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Interne mengselvorming onderdrukt backfire aangezien de inlaatklep al gesloten is vooraleer de injectie gebeurt [12], [13]. Het probleem van te vroege ontsteking van het mengsel bleef echter. In [13] onderzocht men zowel late injectie op hoge druk als vroege injectie op lage druk. In het eerste geval was λ=1 mogelijk zonder extra maatregelen. Op de Ford P2000 motor leverde het gebruik van 2 injectoren bij verschillende injectieduren en timing geen meetbaar voordeel waardoor men de maximale rijkheid zou kunnen verhogen [3]. Hierbij moet opgemerkt worden dat het een motor is met externe mengselvorming en dat er enkel geïnjecteerd werd toen de inlaatklep geopend was. Aangezien die motor sowieso weinig last van backfire had maar vooral van preignitie lijkt die waarneming dan ook minder relevant. •

8 Hogere compressieverhouding In tegenstelling met wat men zou kunnen vermoeden werd er geen direct verband vastgesteld tussen een hogere compressieverhouding en het optreden van backfire [7], [1], [10]. In sommige gevallen werd zelfs het omgekeerde vastgesteld. De hogere compressieverhouding resulteert wel in een grotere opwarming van de lading, maar aangezien de zelfontstekingstemperatuur van waterstof hoger is dan bij de klassieke brandstoffen geeft dat geen aanleiding tot een verhoogd risico op te vroege ontsteking of backfire. Meer nog, die hogere zelfontstekingstemperatuur resulteert in een hogere klopvastheid. Algemeen neemt men aan dat het octaangetal van waterstof boven de 130 ligt [3].

Tabel 2.1: Ontstekingseigenschappen van waterstof en benzine

H2

Benzine

Ontstekingsenergie [mJ]

0.02

0.25

Ontstekingstemperatuur [K]

858

530

Ontstekingsgrenzen [% lucht]

4.1-75

1.5.-7.6

Gegevens afkomstig uit [10]

In tabel 2.1 kan men duidelijk zien dat waterstof in vergelijking met benzine, gemakkelijker door een vonk of een hot spot zal ontstoken worden dan door opwarming door compressie. Uit de experimenten op de Ford P2000 motor bleek 7

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie overigens dat in hun geval een compressieverhouding van 14,5:1 het gunstigst was. Lagere compressieverhoudingen lieten wel een rijker mengsel toe maar dat kon de daling in thermische efficiëntie niet compenseren. Daardoor kon men bij 14,5:1 toch een groter koppel halen, zij het bij lagere rijkheden. Hogere compressieverhoudingen laten bovendien een grotere efficiëntie toe. Er lijkt dus geen reden te zijn om het onderzoek te beperken tot lage compressieverhoudingen. Integendeel zelfs. •

9 Turbulente verbrandingskamer Over de aanwezigheid van turbulentie in de verbrandingskamer zijn de meningen uiteenlopend: Sommigen vermijden turbulentie om backfire te vermijden [8], terwijl anderen de turbulentie verkiezen om een homogeen mengsel te verkrijgen en op die manier slechte verbranding te vermijden [10]. Een combinatie van beide lijkt de voorkeur te verdienen. Een gasklep kan toelaten turbulentie te veroorzaken nabij stationair toerental zodat het mengsel zoveel mogelijk homogeen wordt. Bij hogere toerentallen kan de gasklep volledig geopend worden om de ladingsverliezen te beperken en een hoger rendement toe te laten [3].

8

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Het onderzoek naar backfire loopt op de V8-motor reeds gedurende een zestal jaar. Oorspronkelijk was het de bedoeling de motor in te bouwen in een stadsbus. Door de problemen met backfire verschoof het onderzoek naar meer theoretisch onderzoek dat een oplossing zou kunnen geven voor backfire en waarin tevens geprobeerd werd hogere vermogens te bereiken. Het is de bedoeling dat onderzoek dit jaar af te ronden.

1. Bepalen van het bovenste dode punt Vooraleer we metingen deden, legden we de referentie van het bovenste dode punt vast. Dat was al enkele jaren niet meer gebeurd. Wetende dat een afwijking van 1° krukhoek een fout van ±5% kan geven op het geïndiceerd vermogen, lag het voor de hand daarmee te beginnen. Dat is natuurlijk vooral van belang als men specifiek vermogens onderzoekt. Voor ons was het een gelegenheid om de proefstand te leren kennen en tegelijkertijd de apparatuur af te stellen. Er zijn verschillende manieren om het bovenste dode punt vast te leggen. Een van de meest geschikte methoden is gebruikmakend van een BDP-sensor.

Deze sensor is een

verplaatsingsmeter die door het bougiegat in de cilinder aangebracht wordt.

In een

voorgaande thesis werd op die manier het thermodynamische bovenste dode punt bepaald op 2° krukhoek voorbij het mechanische bovenste dode punt [20]. We moesten met andere woorden de CAM-encoder bijregelen totdat het bovenste dode punt, zoals het te zien is op de drukmetingen, op 362° krukhoek ligt. Om dat thermodynamische bovenste dode punt te bepalen werden drukmetingen verricht met de injector van de eerste cilinder losgekoppeld. De druksensor bevindt zich namelijk in de eerste cilinder. Op die manier werkt die cilinder als compressor. Het tijdstip van de hoogste druk komt dan overeen met het thermodynamische bovenste dode punt. We maakten hierbij gebruik van een MathCAD-rekenblad dat geschreven werd door voorgaande thesisstudenten. De drukken stellen de gemiddelde drukken over 30 cycli voor. De waarden mogen niet als absoluut beschouwd worden aangezien we niet alle motorparameters aangepast hebben in het rekenblad. We hadden namelijk enkel het tijdstip van de hoogste druk nodig. Het rekenblad leverde ons figuur 3.1.

9


Figuur 3.1

Hieruit bleek dat de CAM-encoder over 4°kh verdraaid moest worden. Een kleine berekening rekening houdend met de spoed van de stelschroef leverde ons het aantal toeren waarover die verdraaid moest worden. Aanpassing stelschroef = 2 ⋅ lengte ⋅ sin 2° = 2 ⋅ 90mm ⋅ 0.03499497 = 6.28mm

hierin stelt lengte de afstand voor van de as tot de stelschroef. Het geheel moest door 2 gedeeld worden aangezien de stelschroef aan weerskanten in een bout zat. De spoed van de stelschroef bedraagt 1mm/toer. Met andere woorden de stelschroef moest over 3.14 toeren verdraaid worden.

Toen we de stelschroef begonnen bij te regelen, merkten we dat er niet genoeg ruimte was om de schroef 3 toeren te verdraaien. Daarom moest de klem losgemaakt worden en verdraaid worden zodat we weer een voldoende regelbereik kregen. opnieuw het thermodynamisch bovenste dode punt.

10

Na verstellen bepaalden we


16.2782 16

15.5 werkgemdrukverloop i 15

14.5 14.1119 340

345

350

355

339.238

360 i. Resolutie

365

370

375 376.149

Figuur 3.2

Zoals op figuur 3.2 te zien valt, bleek het thermodynamische bovenste dode punt nog steeds op 358°kh te liggen. Deze keer hadden we echter voldoende ruimte om de stelschroef 3 toeren te verdraaien.

De metingen na de correctie toonden dat het thermodynamische bovenste dode punt daarna wel degelijk op 362°krukhoek lag, zoals te zien is op figuur 3.3.

16.2782 16

15.5 werkgemdrukverloop i 15

14.5

14.1119 340

345

350

355

360 i. Resolutie

339.238

Figuur 3.3

11

365

370

375 376.149


2. Veranderingen aan de proefstand Sinds vorig jaar zijn een aantal dingen veranderd aan de proefstand. Twee jaar geleden is er oplading op de motor geplaatst. De resultaten daarvan lieten niet veel verbetering meer toe. Bovendien lag het verbruik van waterstof bij het werken met oplading een heel stuk hoger. Daarom is er besloten de oplading dit academiejaar te verwijderen. De inlaatcollector is echter behouden. Voor de motor uitgerust werd met een compressor had elk van de acht cilinders een eigen inlaat en luchtfilter. Om die allemaal met één compressor te kunnen opladen werd toen een inlaatcollector aangebracht. Vanuit die inlaatcollector liepen rubberen buizen naar de afzonderlijke cilinders. Doordat de motor steeds opgeladen werd stonden die buizen dus constant op overdruk.

Tijdens de eerste metingen stelden we vast dat de rubberen inlaatbuizen sterk vervormden. Dit is te verklaren door de sterke onderdruk die gecreëerd wordt in de buizen bij het atmosferisch aanzuigen.

Bij toerentallen boven de 2500 rpm bleek dat de inlaatbuizen

dichtgezogen werden en begonnen te vibreren.

Daarom werd gezocht naar steviger

inlaatbuizen die de onderdruk wel konden weerstaan. Bijkomende moeilijkheid voor het gebruik van harde buizen was het verschil in diameter tussen de aansluitingen aan de motor en die aan de inlaatcollector. Rubberen leidingen vertonen enige elasticiteit. Bij de rubberen buizen had het verschil in diameter het voordeel dat door de extra klemming de buis steviger bevestigd zat, zodat in combinatie met de oplading de kans op loskomen verkleinde.

De rubberen inlaten werden vervangen door doorzichtige plastieken buizen, die inwendig verstevigd zijn met een schroefvormig gewikkelde metaaldraad. Doordat ze transparant zijn is eventuele backfire nu ook zichtbaar. Op figuur 3.4 is de motor met de nieuwe inlaatbuizen en zonder de oplading te zien.

12


Figuur 3.4: V8-motor met nieuwe inlaatbuizen

Het probleem van de verschillende diameter van boven en onderkant werd opgelost door het stuk dat de buis verbindt met de bovenkant van de cilinderkop te verwijderen, en in de plaats nieuwe inlaatstukjes te vervaardigen met een ring opgelast. Deze ring heeft dezelfde diameter als de aansluitstukken op de inlaatcollector, zodanig dat de buizen zowel bovenaan als onderaan perfect passen.

Daarna werden kunststof buizen gemonteerd met speciale

aanspanringen.

13


3. Fueltrim per cilinder Om backfire min of meer gecontroleerd te kunnen bestuderen werd geprobeerd één cilinder rijker te laten lopen dan de andere om op die manier enkel nog in die cilinder backfire te krijgen. In het verleden was namelijk gebleken dat backfire de neiging had over te slaan naar de andere cilinders. Wanneer dat gebeurt, daalt in die cilinders ook het geleverde vermogen en het risico dat de motor uitvalt neemt sterk toe. Als we backfire in de eerste cilinder zouden kunnen isoleren, kunnen de andere cilinders de motor draaiende houden.

Bovendien

schommelt het geleverde vermogen dan veel minder bruusk, iets wat zeker beter is voor de levensduur van de motor. Omdat enkel in de eerste cilinder een drukpick-up zit, ligt het voor de hand om backfire in die cilinder te isoleren. Op die manier wordt het heel wat eenvoudiger drukmetingen uit te voeren waarop het optreden van backfire zichtbaar is.

Met behulp van de optie fueltrim kan de standaard waarde voor de injectieduur, zoals die vermeld staat in het injectieduurkenveld, aangepast worden. De trim wordt uitgedrukt in procent ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Geleidelijk aan verhoogden we de fueltrim van de eerste cilinder. Tegelijkertijd verlaagden we die van de andere cilinders. Uiteindelijk had de eerste cilinder 25% fueltrim terwijl de andere op –25% stonden zonder dat de motor onregelmatig liep. Het Zytecmotormanagementsysteem laat maximum een trim van 25% toe, zodat we meteen aan de uiterste grenzen zaten. Het was wel duidelijk te horen dat de eerste cilinder meer vermogen leverde dan de overige. Aangezien de eerste cilinder nu rijker liep dan de andere cilinders hadden we een maat nodig voor die rijkheid. De lambdasensoren die reeds op de motor aangebracht zijn laten enkel toe de λ-waarde per cilinderbank te bepalen. Daarom sloten we de uitlaatgasanalyse-apparatuur aan op de aftap van de eerste cilinder. Aan de hand van O2-metingen aan die aftap konden we met onderstaande formule de λ-waarde vrij nauwkeurig bepalen.

λ=

0.21 ⋅ (1 − [O2 ]) 0.21 − [O2 ]

14

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Hierin stelt [O2] de concentratie zuurstof in de uitlaatgassen voor, uitgedrukt in volumeprocent.

De uitlaatgasaftap bevindt zich net na de uitlaat van elke cilinder vlakbij de plaats waar de uitlaatgassen in de cilinderbank samenkomen. Daarom is het niet ondenkbaar dat de meting beïnvloed wordt door de uitlaatgassen van de andere cilinders in dezelfde cilinderbank. Om de nauwkeurigheid van de O2-meting na te gaan, koppelden we de injector van de eerste cilinder af. Nu gaven de O2-metingen ons een zuurstofgehalte dat overeenkwam met het zuurstofgehalte in zuivere lucht. We konden er dus veilig vanuit gaan dat onze bepaling van de λ-waarde in de eerste cilinder niet beïnvloed werd door de verbranding in de andere cilinders.

4. Drukdiagramma’s Het merendeel van de drukdiagramma’s werd opgenomen bij 2000-2500rpm.

Enerzijds

omdat daar al vrij gemakkelijk backfire optreedt wanneer we de motor belasten en anderzijds om het verbruik wat in te perken.

De drukdiagramma’s werden bekeken met een Matlab programma dat we voor dit doel schreven. De programmacode is terug te vinden in appendix B.

Een aantal effecten kwamen telkens terug rond het optreden van backfire. Vele van deze effecten stemmen overeen met de resultaten van het onderzoek dat men een aantal jaar geleden gedaan heeft op de Valmet motor [17].

4.1. Klop voor backfire

Typisch merkten we dat backfire voorafgegaan werd door klop. Men spreekt van klop wanneer het mengsel in meerdere punten ontsteekt zodanig dat de verschillende vlammenfronten met elkaar botsen. De botsing van die fronten geeft drukschommelingen die in extreme gevallen de zuiger kunnen beschadigen. De drukschommelingen laten toe klop duidelijk waar te nemen op drukdiagramma’s.

15

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Op figuur 3.5 is duidelijk zichtbaar dat klop optreedt. De afgebeelde cyclus werd kort daarna gevolgd door het optreden van backfire.

Figuur 3.5: Drukverloop bij λ=1.8 2400rpm, 230Nm, 1700mbar

Het mechanisme kan men als volgt verklaren: de klop geeft aanleiding tot een ophoping van warmte in de cilinder. Die opgehoopte warmte kan uiteindelijk aanleiding geven tot een weglopende gloeiontsteking die vervolgens overgaat in backfire. weglopende gloeiontsteking is te zien in figuur 3.6.

Figuur 3.6: λ=1.8 2400rpm, 230Nm, 1700mbar

16

Een voorbeeld van

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Net voor het optreden van backfire zagen we een drukverloop zoals getoond in figuur 3.7.


De gloeiontsteking gebeurt steeds vroeger tot ze optreedt voor het sluiten van de inlaatklep. Op dat moment spreken we van backfire. Het gevolg is dat de verse lading al grotendeels buiten de cilinder verbrandt zodat de daarop volgende arbeidsslag amper arbeid kan leveren.

Vaak zagen we dat de cycli met klop onmiddellijk gevolgd werden door backfire. Gloeiontsteking treedt dus niet noodzakelijk op tussen klop en backfire. Dat zou men kunnen verklaren door te stellen dat de klop zodanig vaak optrad dat de cilinder de tijd niet had om af te koelen. Een weglopende gloeiontsteking is dan niet meer zichtbaar. Men kan ook niet echt meer van gloeiontsteking spreken aangezien gloeiontsteking ontstaat door ontsteking vanuit één punt. Zoals reeds gezegd is klop de ontsteking in meerdere punten. Het optreden van klop neemt nu de taak over van het verhogen van de thermische belasting in de cilinder. De thermische belasting resulteert dan opnieuw in een ontsteking die gebeurt voor het sluiten van de inlaatklep.

4.2. Lage drukken in cycli na backfire

In de eerste cyclus na backfire treedt enkel nog een lage drukpiek op, zoals te zien in figuur 3.8. Dat is het gevolg van de compressie. Deze druk is uiteraard merkelijk lager dan de druk bij normale verbranding.

17



Vrij vaak zagen we echter een iets andere cyclus met backfire. Na het optreden van backfire bemerkten we geregeld twee drukpieken. Dit is te zien in figuur 3.9.

Figuur 3.9: λ= 1.46 1850 rpm, 230Nm, 1900mbar (4/5 open)

De eerste piek valt hoogst waarschijnlijk samen met backfire:

het verse mengsel dat

ingespoten wordt in de inlaat net voor 0°kh, komt door de relatief lange inlaat van de motor

18

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor iets later in de cilinder aan. Daar ontsteekt de verse lading dan met als gevolg een drukpiek. De oorzaak van de ontsteking valt niet onmiddellijk af te leiden. De meest voor de hand liggende verklaring is dat de ontsteking op hot spots gebeurt: de cycli waarin klop optreedt geven aanleiding tot een ophoping van warmte ergens in de cilinder. De plaatsen waar warmte zich ophoopt ontsteken de verse lading wanneer ze ermee in aanraking komen. Als “hot spots” duidt men dikwijls de bougie aan en afzettingen op kleppen (cfr. Hoofdstuk 2: Literatuurstudie).

Andere mogelijkheden zijn bijvoorbeeld dat de ontsteking gebeurd door oliedeeltjes die vanuit het carter in de cilinder terechtkomen zoals beschreven in de nuclear ignition theory [10] of dat de ontsteking gebeurt op restgassen die al dan niet afkomstig zijn uit het carter.

19

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor 4.3. Herstel van backfire

Aangezien de andere zeven cilinders van de motor geen backfire ondervinden, blijft de motor draaien. Zo konden we elke keer ook het herstel van de normale verbrandingscyclus na backfire bekijken. Het meest algemene kenmerk van die cycli is de lagere verbrandingsdruk. Dat valt eenvoudig te verklaren doordat een deel van de lading nog steeds voor het sluiten van de inlaatklep verbrandt. Daardoor komt er nog steeds minder waterstof in de cilinder. Het gevolg is dat de uiteindelijke verbrandingsdruk beduidend lager is. In onze metingen merkten we twee types van hernemende verbanding op.

4.3.1. Herneming met klop


Wanneer we de cyclus op figuur 3.10 vergelijken met de omliggende cycli op figuur 3.11 zien we duidelijk dat er wel al verbanding is, maar dat de normale verbrandingsdruk nog niet bereikt is.

20



4.3.2. Herneming zonder klop

Figuur 3.12: λ=1.52 , 2000rpm,220Nm, 1900mbar

De knik die we zien in de drukpiek op figuur 3.12 komt vrij goed overeen met het ontstekingsmoment. De schuine flank die er aan voorafgaat wijst erop dat de ontsteking eerder te laat gebeurt. Opnieuw is de hoogste druk lager dan de normale verbrandingsdruk. 21


In appendix A is er een typisch voorbeeld van een aanloop naar backfire afgebeeld.

5. Individueel wijzigen van de voorontsteking Tijdens onze proefnemingen hebben we ook de invloed proberen nagaan van de voorontsteking op het optreden van backfire en op het geleverde vermogen. De haalbare nauwkeurigheid van de metingen beperkte enigszins de conclusies die we uit die testen kunnen trekken. Het is namelijk niet zo eenvoudig het vermogen van de eerste cilinder afzonderlijk te meten. Indien we dat zouden doen aan de hand van de drukdiagramma’s in de eerste cilinder mogen we niet vergeten dat de overige cilinders een rol kunnen spelen in het onderdrukken van backfire. Wanneer de verbranding bijvoorbeeld onregelmatiger begint te worden in de eerste cilinder kunnen de andere cilinders toch nog de totale motor stabiliseren en op die manier er voor zorgen dat de eerste cilinder mogelijks minder last ondervindt van zijn onregelmatige verbranding. Gedurende de volledige test werden de fueltrims ingesteld zoals hierboven beschreven. Achtereenvolgens werd de eerste cilinder met de ignition advance trim zo ingesteld dat het mengsel 0°kh, 4°kh en 8°kh later ontstoken werd dan opgegeven in het ontstekingskenveld. De test bij 4°kh gaf het beste resultaat, maar wanneer we alle acht de cilinders 4°kh later lieten ontsteken bleek de motor een veel lager vermogen te leveren, de motor draaide ook onstabieler en gaf vlugger backfire. Dat onstabieler draaien is echter niet meetbaar.

We vermoeden dat het goede resultaat dat we bekwamen wanneer enkel de voorontsteking van de eerste cilinder gewijzigd was, veroorzaakt werd doordat de andere cilinders de eerste cilinder stabiliseerden. De meting werd nog enkele malen herhaald met zowel eerste cilinder afzonderlijk als alle cilinders samen ingesteld op 4°kh. Dezelfde resultaten werden bekomen.

6. Effect van turbulentie Met het oog op de opbouw van de ééncilinder motor met swirl inlaat wensten we na te gaan wat het effect van meer turbulentie in de inlaat is op het optreden van backfire. De V8-motor is uitgerust met een gasklep. Bij normaal gebruik staat die echter volledig open. De motor is

22

Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor namelijk voorzien op werking volgens het dieselprincipe, dus met regeling van de hoeveelheid ingespoten brandstof. Op die manier zijn hogere rendementen haalbaar doordat de vullingsgraad van de cilinder niet daalt bij deellast. Het doel van de aanwezige gasklep is echter het waterstofgehalte in de uitlaatgassen bij stationair toerental te doen dalen. In het verleden zijn daar reeds enige positieve resultaten mee behaald. Nu werd echter gebruik gemaakt van die gasklep om een zekere turbulentie in de inlaatkanalen te veroorzaken. Om relatief veilig naar backfire te gaan werden de cilinders opnieuw met behulp van de fueltrim afzonderlijk getrimd: de eerste cilinder kreeg 25% meer ingespoten dan de waarde in het injectieduur-kenveld aangeeft en de andere cilinders 25% minder. Eerst en vooral moeten we opmerken dat de gasklep slechts heel weinig gesloten werd. Enerzijds uit veiligheidsoverwegingen: als we de kleppen te veel zouden sluiten bestaat het risico dat backfire de kleppen zou beschadigen doordat deze niet voldoende vlug kunnen openen wanneer de druk toeneemt.

Anderzijds beïnvloedt de gasklep de vullingsgraad.

Wanneer we die teveel zouden sluiten zou de vullingsgraad zodanig verlagen dat het effect van een betere menging niet veel voordelen meer kan bieden op gebied van efficiëntie. De gasklep werd in verschillende standen geplaatst en telkens werden vermogensmetingen en drukopnames gedaan.

Het vermogen daalde met ongeveer 10% naarmate de klep meer

gesloten werd. Als conclusie kunnen we dus stellen dat we met het opwekken van turbulentie door middel van de gasklep, de leveringsgraad te veel beïnvloeden om het effect van turbulentie afzonderlijk te kunnen bekijken.

23

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 1. De motor Voor het opbouwen van de proefstand, konden we beschikken over een ééncilinder Audi-NSU dieselmotor.

Deze motor is in het laboratorium vroeger gebruikt voor het

onderzoek van swirl in de cilinder van een dieselmotor. Opmerkelijk aan deze motor is dat het een relatief kleine stationaire motor is met een groot carter in verhouding tot de cilinderinhoud. In het begin van het academiejaar had de motor een compressieverhouding van 16:1, zoals vroeger gebruikelijk was voor dieselmotoren. Deze motor pasten we aan voor werking met waterstof. Hieronder vatten we de motorkenmerken samen zoals die zijn na de aanpassing.

Specifieke kenmerken van de motor

Aantal cilinders: 1 Cilinderdiameter: 76.5 mm Slag: 86.385 mm Slagvolume: 397.055 cm3

Kleptiming

Inlaatklep Open:

23°voor BDP

Inlaatklep Sluit:

50° na ODP

Uitlaatklep Open:

75° voor ODP

Uitlaatklep Sluit:

10° na BDP

24


2. Mechanisch gedeelte van de opbouw Zoals reeds gezegd werd de motor gebruikt om de stroming in de cilinder van een dieselmotor te bestuderen. Hiertoe was tussen de eigenlijke cilinder en de cilinderkop een doorzichtig stuk geplaatst, eigenlijk een soort verlengde van de cilinder. Zo was het mogelijk met behulp van een laser de werveling van de verse lading in de cilinder te bekijken. Op de zuiger was een cilindervormig stuk bevestigd, om de werkelijke werveling zo goed mogelijk te benaderen. De motor werd tijdens die experimenten aangedreven door een andere motor. De ééncilinder werd dus als compressor gebruikt, zonder verbranding in de cilinder. Omdat het onmogelijk was de machine als motor te doen werken in de toestand waarin die zich bevond, was het noodzakelijk de motor volledig te demonteren, herop te bouwen en waar nodig de vereiste wijzigingen aan te brengen. Hierna bespreken we elk onderdeel van de motor en de aangebrachte wijzingen.

2.1. Cilinder + Keuze van de zuiger

Een eerste onderdeel dat moest vervangen worden was de zuiger. De zuiger die gemonteerd was, kon niet voor verbranding gebruikt worden. Er moest dus een andere zuiger gezocht worden. Na enig opzoekingwerk kwamen we tot de vaststelling dat de boring, slag en zuigerdiameter identiek zijn aan die van de Volkswagen Passat van bouwjaren 1988 tot 1992 met een 1600cc 4-cilinder (turbo)dieselmotor. De zuigers die hierin worden gebruikt zijn van het merk Mahle met typenummer 76V36. Dit type is in de nieuwste catalogi van het merk Mahle niet meer vermeld, maar aangezien ze vroeger in motoren voor verschillende types wagens werden gebruikt (o.a. in bijna alle 1600 cc 4-cilinder dieselmotoren van de merken Volkswagen en Audi met bouwjaar midden jaren tachtig), was het niet zo moeilijk er een paar te bemachtigen.

2.1.1. Vastleggen van de compressieverhouding

Het doel is de compressieverhouding op 9:1 vast te leggen. Deze waarde werd gekozen als een compromis tussen een aanvaardbaar rendement van de motor en het gevaar op ontsteken door compressiewarmte. Tegenwoordig gaat men bij waterstofverbrandingsmotoren naar hogere compressieverhoudingen (cfr. Hoofdstuk 2: Literatuurstudie), maar ε=9:1 is in

25

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor vergelijking met de compressieverhoudingen van de andere waterstofmotoren in het labo, reeds een grotere waarde. De reden waarom men naar hogere compressieverhoudingen gaat, is dat het gevaar voor zelfontsteking bij waterstof eerder laag is daar het gas moeilijk te ontsteken is door compressie (d.i. als er geen vonk aanwezig is).

Eerst maakten we een schatting van de compressieverhouding die met de aanwezige zuiger zou overeenkomen. Omdat de cilinderinhoud gekend was, moest enkel nog de schadelijke ruimte bepaald worden. Deze omvat de ruimte in de cilinder boven de zuiger wanneer deze in zijn bovenste dode punt staat, het volume gecreëerd door de dikte van de pakking en het volume in het bougiegat rondom de bougie. De som daarvan moet dan verminderd worden met het volume ingenomen door de kleppen, aangezien deze gedeeltelijk uit de cilinderkop steken. De berekeningen zijn in tabel 4.1 weergegeven.

Tabel 4.1: Schatting van de schadelijke ruimte

Hoogte (mm)

Volume (mm3)

Volume boven zuiger 76.50

4

18390

Volume door pakking 77.85

1.95

9282

Bougiegat

8

5

251

Inlaatklep

33.55

1.15

Uitlaatklep

30.40

1.15

Diameter (mm)

Totale geschatte

1017017 835835 26071

schadelijke ruimte De compressieverhouding ε wordt dan gegeven door:

ε=

Vc + Vs 26071 + 397055 = = 16.23 Vc 26071

waarin Vc de schadelijke ruimte is en Vs het slagvolume. Om een ε van 9:1 te bekomen moet er een bijkomende Vc gecreëerd worden van 23561 mm3. Hiertoe moet de ruimte boven de zuiger vergroot worden. Dat kan bereikt worden op twee

26

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor manieren, of men verwijdert een laag materiaal van de zuiger, of men steekt een dikkere pakking tussen de cilinder en het carterblok. Een factor waar men rekening moet mee houden is de afstand dewelke de onderkant van de zuiger uit de cilinder komt wanneer hij in zijn onderste dode punt staat. Indien deze afstand te groot wordt bestaat er gevaar dat de zuiger bij het terug naar bovengaan zou kantelen, en zo schade zou aanbrengen aan de cilindervoering, of in het slechtste geval zou vastlopen. Dat moet uiteraard vermeden worden. Na meting bleek dat het hemd van de zuiger 11mm uit de cilinder kwam. Deze waarde is reeds tamelijk hoog en daarom was het niet mogelijk een extra pakking tussen de cilinder en het carter aan te brengen. De enige manier die overblijft is dus het afdraaien van de zuiger. Om de benodigde extra Vc te creëren, moet deze dus 5.13mm afgedraaid worden.

Om na te gaan of dit wel toelaatbaar was, vooral met het oog op de sterkte, werd er een zuiger van dit type doormidden gezaagd. Het resultaat is te zien op figuur 4.1. Er blijkt dat er voor de zuiger Mahle 76V36, die rechts op de foto is afgebeeld geen probleem is, met andere woorden dat er voldoende materiaal beschikbaar is boven het vuursegment, maar voor de andere zuiger, een Karl Schmidt is dat niet het geval.

Figuur 4.1: Opengezaagde zuigers (Karl-Schmidt en Mahle 76V36)

Het afdraaien van de zuiger kon niet zonder meer gebeuren. De dwarsdoorsnede van een zuiger is immers ovaal, een rechtstreekse inklemming in een draaibank is dus niet mogelijk. 27

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Daarom werd er een soort adapterstuk vervaardigd waarin de zuiger kon vastgeklemd worden en die wel een cilindrische buitenomtrek had. Het stuk dat hiervoor gemaakt werd, staat afgebeeld in figuur 4.2.

Figuur 4.2: Zuigerklem

De zuiger wordt in de holle cilinder geplaatst, vervolgens wordt hierop de O-ring en daarbovenop de stalen ring geplaatst en aangespannen met een zestal bouten. De rubberen ring zorgt dan voor een klemming van de zuiger. In figuur 4.3 is er een voorbeeld getoond van het geheel.

Figuur 4.3: Zuiger Mahle 76V32 gemonteerd in de zuigerklem

28

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.1.2. Opmeten schadelijke ruimte

Na het monteren van de zuiger was het mogelijk de schadelijke ruimte experimenteel te bepalen. De totale schadelijke ruimte werd in twee delen opgemeten, enerzijds het gedeelte in de cilinder zonder de pakking en anderzijds het deel in de cilinderkop, pakking inbegrepen. Voor beide metingen werd een plaat van plexiglas gebruikt die voorzien was van twee kleine gaatjes. Het ene gat was bedoeld om kruipolie naar het te meten volume te laten vloeien en het andere om de lucht eruit te laten ontsnappen. Om de olie in de cilinder te laten lopen werd een buret gebruikt.

De meting verloopt als volgt: men beweegt de zuiger naar zijn bovenste dode punt (de krukashoek is bij de motor gemakkelijk te wijzigen door aan het vliegwiel te draaien), vervolgens laat men olie in de cilinder tot er enkel nog een klein luchtbelletje aanwezig is. Aangezien de instelling van het BDP op het zicht niet exact is, vangt men dit op door aan het vliegwiel te draaien tot de luchtbel die zich bij het gaatje bevindt minimaal is. Eens dat gebeurd is, zit men zeker op het BDP en voegt men opnieuw olie toe tot de luchtbel volledig is verdwenen. Men kan dan eenvoudig het schadelijk volume aflezen aan de hand van de maatstreepjes op de buret.

Om het volume van de cilinderkop met de pakking te meten gaat men analoog te werk. De bouten die het geheel van plexiglas, pakking en cilinderkop samenspannen, worden aangedraaid met hetzelfde koppel als bij montage.

De bougie wordt in het bougiegat

gedraaid, enerzijds om de werkelijke schadelijke ruimte te kunnen meten en tegelijk zorgt ze er ook voor dat er geen olie lekt, want de cilinderkop moet ondersteboven geplaatst worden tijdens de meting. Tijdens de meting stelden we vast dat er een kleine lek was van de olie langs de kleppen, hoewel deze in gesloten stand stonden. De klepafdichting bleek dus niet voldoende te zijn bij atmosfeerdruk, dus zou dit zeker problemen geven bij verbrandingsdrukken in de orde van 50 bar. Om hieraan te verhelpen werd de klepafdichting nagekeken en bijgesteld door de firma M.R.V. B.V.B.A. te Gent. We stelden vast dat de schadelijke ruimte van de cilinder 37 cm3 was en die van cilinderkop en pakking samen 9 cm3. Als we dan de compressieverhouding berekenen, bekomen we ε=9.63:1, wat iets hoger is dan de gewenste, maar de opmerking hierboven indachtig is dit zeker niet ongunstig. 29


Indien het later opportuun zou blijken een hogere compressieverhouding te bereiken, is dat gemakkelijk te verwezenlijken door de huidige zuiger te vervangen door een exemplaar waarbij bovenaan minder materiaal is weggenomen. Een andere suggestie die we zouden willen doen voor de toekomst is de zuiger eventueel te vervangen door een exemplaar met meer

of

minder

zuigerspeling

en

de

effecten

hiervan

op

de

verschillende

motorkarakteristieken na te gaan (o.a.. vermogen, koppel, maximale rijkheid voor backfire) zoals gesuggereerd is in [7].

Zoals reeds gezegd was de motor in zijn originele versie een diesel met directe injectie. Bij dit type motoren is het moeilijk om bij hoge toerentallen een voldoende menging te bekomen indien niet op één of andere manier een versterkte luchtwerveling gecreëerd wordt. Bij deze motor wordt de swirl verwezenlijkt door een wrong in de inlaatleiding. Wat het effect van deze swirl op het gebruik van waterstof zal zijn is moeilijk te voorspellen. In de literatuur is hierover weinig informatie beschikbaar. In [10] wordt vermeld dat een wervelbeweging een positief effect heeft op het uitstellen van backfire.

30

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.2. De cilinderkop

2.2.1. Opmeten van het nokprofiel

Om de kleptiming vast te leggen is het nodig het verloop van de klepheffing te kennen. Daarom werd eerst het nokprofiel opgemeten van in- en uitlaatnok.

Hiertoe werd de

nokkenas in een draaibank geklemd. Er is eveneens een gradenschijf voorzien voor het aflezen van de graden nokkenashoek. Dan werd met behulp van een meetklok om de 10 graden nokkenashoek de uitwijking opgemeten, in gebieden met een grote gradiënt werd dit interval verkleind tot 5 graden. De opstelling is te zien in figuur 4.4.

Figuur 4.4: Opstelling voor het opmeten van het nokprofiel

Deze meting werd gedaan voor zowel in- als uitlaatnok. De nokvormen zijn in figuur 4.5 weergegeven.

31


22

12

2 -40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-8

-18

-28 uitlaatnokprofiel

inlaatnokprofiel

Figuur 4.5: Het opgemeten profiel van in- en uitlaatnok

2.2.2. Vastleggen van de kleptiming en bepalen klepoverlapping

In figuur 4.6 is de klepheffing van beide kleppen uitgezet in functie van de krukashoek. We merken op dat de relatieve positie van de beide verlopen ten opzichte van elkaar vastligt. Deze hangt immers af van de relatieve positie van de nokken op de nokkenas en aangezien de nokken vast met de nokkenas verbonden zijn, ligt deze éénduidig vast.

32


Gewenste Kleptiming 10 9 8 7

[mm]

6

uitlaatnok inlaatnok

5

referentie 0.25 referentie 0.35

4 3 2 1 0 0

100

200

300

400

500

600

700

[°kh]

Figuur 4.6: Verloop van de klepheffing in functie van de krukhoek

Om de kleptiming vast te leggen hebben we dus nog drie vrijheidsgraden: men kan de klepspeling van beide kleppen aanpassen (2 vrijheidsgraden) en men kan de positie van het verloop van de klepheffingen ten opzichte van de krukashoek variëren.

Eerst wordt de klepspeling vastgelegd. Tabel 4.2 geeft het openings- en sluitingstijdstip van de kleppen bij enkele nuttige waarden van de klepspeling.

Tabel 4.2: Openings- en sluitingshoeken van de kleppen in functie van de klepspeling

Klepspeling [mm]

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

.0.40

0.45

IN open voor BDP* 60°

40°

33°

28°

23°

17°

12°

7°

2°

IN dicht na ODP*

70°

63°

60°

50°

45°

40°

38°

35°

UIT open voor ODP* 140°

110°

100°

93°

87°

80°

75°

71°

66°

UIT dicht na BDP*

46°

36°

28°

20°

15°

10°

5°

0°

*

0.00

90°

60°

: in graden krukhoek

We leggen de klepspeling vast op 0.25mm voor de inlaatklep en 0.35mm voor de uitlaatklep. Dit zijn waarden die bij de huidige motoren frequent voorkomen. Ze worden eveneens gebruikt in de twaalfcilinder waterstofmotor die door BMW is ontwikkeld [6].

33

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor De klepspeling kan per klep geregeld worden door middel van een regelvijs in de komstoter. Voor beide kleppen is het regelbereik 0.20mm en bij een volledige draai aan de regelvijs verandert de klepspeling met 0.05mm. Omdat het regelbereik van de regelvijzen in de komstoters onvoldoende was om de gewenste klepspeling te bereiken, was het nodig de klepstelen een paar tienden millimeter af te slijpen. De inlaatklepsteel werd 0.20mm afgeslepen, de uitlaatklepsteel 0.15mm. Het huidige regelbereik van de inlaatklep is gelegen tussen 0.14 en 0.34mm en voor de uitlaatklep tussen 0.30 en 0.50mm.

Op figuur 4.6 zijn horizontale rechten aangebracht die de werkelijke klepspeling voor in- en uitlaatklep aangeven. Het verloop van de klepheffing boven deze horizontalen, geeft de werkelijke openingscurve van beide kleppen. Nu de klepspeling vastligt, ligt eveneens de klepoverlapping vast. Uit tabel 4.2 volgt dat ze met de huidige klepspelingen 33°kh bedraagt.

Een laatste vrijheidsgraad is dan de plaats van de klepheffingen ten opzichte van de krukas. Deze werd zo gekozen dat de klepoverlap symmetrisch rond het bovenste dode punt van de zuiger net voor de aanzuigslag valt. Dat is naar analogie met zowat elke gangbare motor. De positie van de nokkenas en de krukas ten opzichte van elkaar wordt vastgelegd wanneer beide assen met elkaar verbonden worden door de aandrijfriem van de nokkenas. Hoe we hiervoor praktisch te werk gingen is beschreven in paragraaf 3.2.1 Ref/Sync-sensor. Bij montage van de riem moet er namelijk ook rekening gehouden worden met de plaatsing van de krukaspositiesensor.

34

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.3. Inlaat

2.3.1. Algemeen

Het inlaatkanaal brengt het mengsel waterstof-lucht naar de cilinder.

Er moet op het

inlaatstuk dus een plaats voorzien worden voor de waterstofinjector, en er moet ook getracht worden reeds een voldoende menging van de twee gassen te bereiken.

Aangezien de bestaande inlaat een ovale vorm had en hij geen plaats bood aan de injector werd er een aanpassingsstuk aangelast. Dit diende te gebeuren met het TIG-lasprocédé daar het inlaatstuk uit gegoten aluminium bestaat. Zelf een volledig nieuwe inlaat maken, om moeilijkheden in verband met het aluminiumlassen te vermijden, was niet mogelijk wegens de speciale, asymmetrische vorm van de aansluiting.

Voor de andere 1-cilindermotor in het labo die eveneens op waterstof draait, de CFR-motor, zijn drie verschillende schikkingen van injector en luchttoevoer beschikbaar.

De

verschillende schikkingen staan afgebeeld op figuur 4.7. Om ook die stukken te kunnen gebruiken is het aanpassingstuk voorzien van inwendige schroefdraad waarin deze inlaatstukken passen. Bovendien kunnen we op die manier ook de Vialle injector van de CFR motor gebruiken. Bij gebruik van een andere injector kan deze met een overgangsstukje eveneens op deze inlaatstukken geschroefd worden.

Figuur 4.7: De drie verschillende schikkingen van injector en luchttoevoer

Figuur 4.8 toont de inlaat met aangelast aanpassingsstuk. Merk op dat de Vialle injector reeds gemonteerd is.

35


Figuur 4.8: De inlaat van de motor met gemonteerde injector

2.3.2. Berekenen debiet waterstofinjector

Om een geschikte injector te kunnen aankopen is het nodig een idee te hebben van het waterstofdebiet dat dient ingespoten te worden. Dit haalt men uit de hoeveelheid waterstof die per cyclus verbruikt wordt, en uit de tijd die beschikbaar is voor inspuiting.

Hieronder volgt de berekening van het benodigde volume waterstof. De hoeveelheid brandbaar mengsel Qw (d.i. de hoeveelheid lucht + waterstof) die per cyclus wordt verbruikt is gelijk aan:

Qw = λl ⋅

met

π ⋅ D2 4

⋅s

 m3     cyclus 

λl de leveringsgraad, D de cilinderdiameter, s de slag,

36

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Wanneer we de leveringsgraad gelijk aan 1 nemen, dan is Qw gelijk aan de cilinderinhoud, dus m3 cyclus

Q w = 397.055

Om nu het volume waterstof te kennen dat per cyclus moet ingespoten worden, moeten we eerst het volumepercent waterstof x in het cilindermengsel bepalen. Deze waarde hangt af van de luchtfactor λ. We stellen de λ = 1.

Hierbij is het in te spuiten waterstofdebiet maximaal en is de

verbranding theoretisch nog volledig. Hieruit volgt dat de werkelijk toegevoerde luchtmassa Lw gelijk is aan de stoichiometrische luchthoeveelheid Ls, welke voor de verbranding van

kg lucht bedraagt. Voor het volumedeel waterstof x geldt dan: kg waterstof

waterstof 34.48

x=

1 1 + Lw ⋅

ρH

= 29.5 vol % H 2 2

ρ lucht

waarbij ρ lucht = 1.29

kg kg en ρ H 2 = 89.3 ⋅ 10 −3 3 de massadichtheden van lucht en waterstof 3 m m

bij atmosfeervoorwaarden voorstellen. Per cyclus moet er dus x ⋅ Qw m 3 waterstof ingespoten worden. Als we dit vermenigvuldigen met de massadichtheid van waterstof bij atmosfeervoorwaarden, hebben we voor het massadebiet waterstof m H 2 :

m H 2 = ρ H 2 ⋅ x ⋅ Qw = 10.46 ⋅ 10 −6

kg waterstof cyclus

Als we dit nu vermenigvuldigen met het aantal cycli dat de motor draait per seconde, dan bekomen we het massadebiet waterstof dat wordt verbruikt bij dat specifieke toerental.

m& H 2 = m H 2 ⋅

n ⋅χ 60

37

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor waarbij

n: toerental in rpm

χ=

1 voor viertaktmotoren 2

Het beschouwde massadebiet is een continu massadebiet waterstof, dat we vanaf nu m& H 2 ,cont zullen noemen. Dit komt echter niet overeen met het massadebiet dat de injector moet kunnen leveren. Zoals eerder reeds gezegd moet rekening gehouden worden met de fractie van de cyclus die beschikbaar is voor inspuiting, dit is het aantal graden krukhoek dat de inlaatklep geopend is. Het door de injector te leveren massadebiet stellen we voor als m& H 2 ,inj .

Er geldt: m& H 2 ,inj = m& H 2 ,cont ⋅

720 ∆θ

waarbij ∆θ staat voor de openingstijd van de inlaatklep in °kh per cyclus. Met een klepspeling van 0.25mm, zoals die nu is ingesteld, volgt uit tabel 4.2 dat ∆θ = 253 . De waarden van de hierboven berekende grootheden staan in onderstaande tabel uitgezet in functie van het toerental.

Tabel 4.3: Overzicht waterstofdebieten

Rpm

g m& H 2 ,cont   s

g m& H 2 ,inj   s

1000

0.0872

0.2481

2000

0.1743

0.4961

3000

0.2615

0.7442

4000

0.3487

0.9923

5000

0.4358

1.2403

Het maximale debiet dat de injector moet kunnen leveren bedraagt dus 1.2403

38

g . s

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Als injector zou eventueel een Vialle injector kunnen gebruikt worden. Zoals reeds vermeld is dit het type injector dat bij de CFR-motor wordt gebruikt. Op de V8-proefstand worden deze injectoren eveneens gebruikt.

Het nadeel is echter dat de voedingsspanning 24V

bedraagt, zodat er een extra batterij of spanningsomzetting moet voorzien worden aangezien de meeste andere apparaten op 12V werken (MoTeC, primaire zijde ontstekingsspoel,…). De injectorspoel heeft ook een zeer lage impedantie, wat maakt dat de spoel zeer gevoelig is voor hoge stromen. Daarom is de injector i.p.v. spanningsgestuurd signaalgestuurd. Men moet bij het aansluiten van de injector hieraan bijzondere aandacht besteden (cfr. paragraaf 3.2.5.

Injector).

Een andere injector die ook kan gebruikt worden met waterstof is een Koltec-Necam GSIinjector, deze injector heeft het voordeel dat hij werkt met een voedingsspanning van 12V. Een ander verschil met de Vialle injector is dat de impedantie groot is, namelijk rond de 16 Ohm. De injector kan bijgevolg rechtstreeks gestuurd worden door de ECU (12V-voeding) en dit zonder een stuurdoos tussen te schakelen. Verdere informatie over de aansluiting is te vinden in paragraaf 3.2.5. Injector.

2.4. Uitlaat

Bij het ontwerp van de uitlaat moet rekening gehouden worden met de plaatsing van verschillende sensoren.

Zo is er een plaats voorzien voor een temperatuursensor, een

druksensor en is er eveneens een aftap voor analyse van de uitlaatgassen. Er moet ook een lambdasensor in de uitlaatleiding voorzien worden. Een lambdasensor is een sensor die de rijkheid van het verbrandingsmengsel meet. Omdat deze sensor een tamelijk groot volume inneemt, is er ter plaatse van de sensor een verbreding aangebracht. Zo wordt de obstructie voor de uitlaatgasstroom beperkt. De verbreding en de voorziene plaatsen voor de sensoren zijn te zien in de figuur 4.9.

39


Figuur 4.9: De uitlaat van de motor

40

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.5. Koelkring

2.5.1. Berekening van het af te voeren vermogen

Bij het opstellen van de koelkring zijn we vertrokken van een schatting van het benodigd koelvermogen op basis van de cilinderinhoud en de eigenschappen van waterstof.

De schatting werd op 2 manieren uitgevoerd:

1e manier

De stoichiometrische luchtfactor is

Ls =

kg lucht 100 ⋅ 8h = 34.48 kg brandstof 23.2

Veronderstellen we bvb. λ = 2 , dan krijgen we als werkelijke luchtfactor

Lw=68.97

kg lucht kg brandstof

In de veronderstelling dat zowel het motorvermogen Pe als het koelvermogen qk 30% van de totale beschikbare warmte opnemen, m.a.w. dat ηe=0.3, geldt:

qk = Pe = met

pr ⋅ Vs λl n ⋅ ⋅ H u ⋅ ηe ⋅ i ⋅ ⋅ χ Ri ⋅ Tr 1 + Lw 60

pr = referentiedruk = 101325 Pa R = specifieke gasconstante voor cilindermengsel lucht = 287.1 Tr = referentietemperatuur = 293 K Vs = slagvolume = 397.055 cm3

41

J kg ⋅ K


Hu = verbrandingswaarde voor waterstof = 120 000

kJ kg

λl = leveringsgraad = 1 (ondersteld) χ=

1 voor viertaktmotoren 2

i = aantal cilinders = 1

Dat geeft ons voor de totale af te voeren warmte

qk = Pe

η e = 0.3 n = 5000

= 10.25kW

2e manier Veronderstellen we terug λ=2, dan wordt 17.3% van het slagvolume ingenomen door waterstof. Met Hu

H2

ρH

, atm

= 120 000 = 0.0893

ρ lucht, atm = 1.29

kJ kg

kg m3

kg m3

betekent dit dat er per cyclus 0.173 ⋅ 400 ⋅ 10 −6 ⋅ 0.0893 ⋅ 120.10 6 = 742 J warmte vrijkomt. Hetgeen maakt dat er bij een omwentelingssnelheid van 5000 rpm 602 J ⋅

5000 1 = 31kW warmte vrijkomt. 60 ⋅ 2 s

Onderstellen we dat 30% hiervan door de koeling moet afgevoerd worden, dan moet er 30% ⋅ 31kW = 9.3kW warmte door het koelwater opgenomen worden. In beide gevallen bekomen we ongeveer dezelfde waarde. We hebben de volledige koelkring begroot op de grootste waarde (10kW).

42


2.5.2. Opbouw van de koelkring

Een klassieke koelkring, zoals die in personenwagens gebruikt wordt, is zeer eenvoudig opgebouwd: hij bestaat uit een koelwaterleiding, waarin water circuleert dat de warmte afgegeven door verbranding opneemt en terug afgeeft in een warmtewisselaar.

Het

secundaire fluïdum is meestal lucht, die door een ventilator over de warmtewisselaar wordt gestuurd (radiator). De warmte wordt deels door rechtstreeks contact van het water met de cilinder en de cilinderkop afgevoerd, en deels via het oliecircuit, dat zijn warmte op zijn beurt afgeeft aan het koelwater via een olie-water warmtewisselaar. Een pomp geeft het water de nodige energie om de verliezen in warmtewisselaars en leidingen te compenseren.

Het

koelwater stroomt slechts door de radiator als de temperatuur ervan voldoende hoog is. Zoniet wordt het door een bypassleiding gestuurd.

Dit laatste wordt geregeld door de

thermostaat. De koelkring hierboven beschreven is afgebeeld op figuur 4.10.

Figuur 4.10: Schema van een klassieke koelkring

Voor toepassing in een waterstofmotor wordt doorgaans getracht om de temperaturen niet te hoog te laten oplopen.

Op die manier probeert men “hot spots” (cfr. Hoofdstuk 2:

Literatuurstudie) te vermijden.

De commercieel beschikbare thermostaatkleppen openen doorgaans bij vrij hoge temperaturen (±90°C). Door de kleine cilinderinhoud van de proefstandmotor hebben we aanvankelijk nog gezocht naar een thermostaat afkomstig van een motorfiets, maar zulke 43

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor thermostaten bleken vrijwel steeds geïntegreerd in het motorblok. De twee motoren die wel beschikten over een afzonderlijke 2-wegthermostaat waren sportmotoren met name de Yamaha FZR600 (vanaf 1994) en de MV Agusta. Gevolg was dat ook deze thermostaten bij te hoge temperaturen openden om in een waterstofmotor gebruikt te worden.

Uiteindelijk bleek dat we van het klassieke concept van een koelkring met bypassleiding en thermostaat moesten afwijken.

Een alternatieve koelkring werd daarom gekozen.

Het

schema van deze koelkring is afgebeeld in figuur 4.11.

Figuur 4.11: Schema van de aangepaste koelkring

Als we deze koelkring vergelijken met de klassieke, zien we dadelijk een aantal verschilpunten. Zo wordt de warmte afgegeven aan de warmtewisselaar niet afgevoerd door lucht, maar door leidingwater. In tegenstelling tot in het geval van een rijdend voertuig, is dit in het labo wel voorhanden. Ten tweede zien we in plaats van een kringloop met bypass een enkelvoudige gesloten kringloop. De thermostaat is verdwenen. In plaats hiervan is er in de primaire kring een temperatuurssensor geplaatst. Deze stuurt een AVTA-klep en regelt zo het debiet aan de koude zijde van de warmtewisselaar, ze bepaalt met andere woorden de toevoer van leidingwater in de open kringloop. Een temperatuursstijging in de warme kring zorgt voor een grotere toevoer van leidingwater aan de koude zijde van de warmtewisselaar, waardoor er meer warmte wordt afgevoerd. Door instellen van de AVTA-klep kan men binnen beperkte 44

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor grenzen de temperatuur in de koelkring regelen. Als de koelwatertemperatuur laag is, bijv. bij het opstarten van de motor zal de koelwatertemperatuur de AVTA-klep nog niet doen opengaan. Hierdoor kan de motor sneller op temperatuur komen. Figuur 4.12 toont de AVTA-klep.

Figuur 4.12: De AVTA-klep

Een voordeel van de klep is dus dat er geen leidingwater verbruikt wordt indien het niet nodig is. Dit beperkt het waterverbruik.

Aangezien de ééncilinder beschikt over een groot carter werd de oliekoeler voorlopig weggelaten.

Bovendien draait een proefstand doorgaans in korte perioden zodat een

oliekoeler niet onmiddellijk nodig is. Uiteraard moet de olietemperatuur wel geobserveerd worden tijdens het draaien van de motor. Indien uit meting hiervan zou blijken dat ze te hoog oploopt dient een oliekoeler te worden geplaatst. Deze kan dan gewoon in de primaire kring tussengevoegd worden.

45

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.5.3. De warmtewisselaar

Bij de keuze van de warmtewisselaar is vooral het over te dragen vermogen belangrijk.

We vertrokken van een over te dragen vermogen van 10kW en van onderstaand temperatuursregime.

Tabel 4.3: Vooropgesteld temperatuursregime van de warmtewisselaar

Inlaattemperatuur

Uitlaattemperatuur

Warme Zijde

75°C

70°C

Koude Zijde

15°C

Vrij

Om het volledige regime te bepalen is nog één waarde nodig bvb. leidingwaterdebiet. Dat werd vastgelegd op 2.6 l/min (een courante waarde).

Uit de warmtebalans

Q& = m& h ⋅ c p , h ⋅ ∆Th = m& c ⋅ c p ,c ⋅ ∆Tc met

cp,c=4174

J kg ⋅ K

volgt dan dat

Tc ,uit =

10000W + 15°C = 70.2°C J kg 1 min 4174 ⋅ 2 .6 ⋅ kg ⋅ K min 60 s

Met de warmtewisselaar in tegenstroom aangesloten bekomt men dan voor het gemiddeld logaritmisch temperatuursverschil: ∆Tln =

∆T1 − ∆T2 (75 − 70.2) − (70 − 15) = = 20.584 K ∆T1 75 − 70.2 ln ln 70 − 15 ∆T2

Het totale warmtewisselend oppervlak bedraagt dan

46


A=

Q& = ∆Tln ⋅ k

10000W W 20.584 K ⋅ 2891 2 m ⋅K

= 0.168m 2

waarbij de warmtedoorgangscoëfficiënt k afkomstig is van de offerte van Alfa Laval. Deze is terug te vinden in appendix C. De aangekochte warmtewisselaar is getoond in figuur 4.13.

Figuur 4.13: De warmtewisselaar

2.5.4. De circulatiepomp

Uit de warmtebalans

Q& = m& h ⋅ c p , h ⋅ ∆Th = m& c ⋅ c p ,c ⋅ ∆Tc volgt dat, indien we een stijging van 5°C vooropstellen, aan de warme zijde een debiet nodig is van m& h =

10000 l = 0.478 4180 ⋅ 5 s

of voor 10°C temperatuurstijging 0.239

l s

47


We hebben eerst enkele debietmetingen gedaan op een in het labo aanwezige Boschturbopomp afkomstig van een turbokoeler. De gemeten debieten waren ruim onvoldoende en dus werd een alternatief gezocht. Een bijkomend nadeel van het Bosch-pompje, zoals met elk pompje afkomstig van een auto, is dat een afzonderlijke batterij of voeding nodig is. Om zonder afzonderlijke voeding te kunnen werken hebben we daarom gezocht naar een autonome pomp. Meest voor de hand liggend waren de circulatorpompen zoals men vindt in centrale verwarmingsinstallaties.

Naast het debiet moet bij de keuze van de pomp ook rekening gehouden worden met de benodigde opvoerhoogte. Deze wordt hieronder berekend: m3 l Veronderstellen we een debiet van Q=1 =0.278 s s

en een leidingdiameter van

D=3/4”=19.05mm (de cilinderkop is namelijk voorzien op een aansluiting van die diameter). Dan is v ≈ 0.97 ≈1

m . s

Stellen we in de totale kring een tiental plotse verbredingen en versmallingen voorop dan krijgen we een ladingsverlies van ∆h1=0.25mWk

Houden we rekening met een totaal van 1m leiding dan krijgen we een supplementaire drukval van ∆h2=0.0638mWk. Alles samen wordt het ladingsverlies gegeven door ∆htot=0.3138mWk. Als richtwaarde hebben we dan ook ∆htot=0.5mWk genomen (aangezien we voor de cilinderkop geen nauwkeurige ladingsverliezen kennen).

In figuur 4.14 worden de werkingskarakteristieken van een Grundfos UPS 25-20 circulatiepomp. De curven 1 tot 3 komen overeen met de drie verschillende snelheden die kunnen ingesteld worden.

48


Figuur 4.14: Werkingskarakteristieken van de pomp

We zien dat deze pomp ruim voldoet aan de vereisten, eventueel zelfs in de eerste stand.

Merken we wel op dat 5°C temperatuurdaling over de warmtewisselaar bij vol vermogen moeilijk te bereiken is door de sterk toenemende ladingsverliezen in de warmtewisselaar bij hogere debieten. De 10kW waarvan sprake is echter slechts af te voeren indien men langere tijd op vollast aan 5000rpm draait. Bij halflast (5kW af te voeren) is er geen enkel probleem om die 5°C te halen.

2.5.5. Conventionele werking

Om een idee te krijgen van de algemene eigenschappen van de motor kan het nuttig zijn ook enkele testen te doen met benzine als brandstof. koelkring voldoet voor het werken met benzine.

49

Daarom hebben we nagekeken of de

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor We veronderstellen λ=1.

Voor benzine is Ls=14.8 en Hu = 41868

kJ kg

zodat we voor de af te voeren warmte krijgen:

q k = Pe =

=

p r ⋅ Vs λl n ⋅ ⋅ H u ⋅ηe ⋅ i ⋅ ⋅χ R i ⋅ Tr 1 + L w 60

101325 ⋅ 397.055 ⋅ 10 −6 1 5000 1 ⋅ ⋅ 41868 ⋅ 0.3 ⋅ ⋅ 287.1 ⋅ 293 1 + 1 ⋅ 14.8 60 2

⇒ q k = 15.8kW (We veronderstelden leveringsgraad λl=1)

Om nu te zien of de koelkring het dit vermogen kan afvoeren, maakten we gebruik van de applicatie webcALC™ die te vinden is op de website van Alfa-Laval. (http://extranet.alfalaval.com/webcalc/wwwcalc/design.asp) In figuur 4.15 is een screenshot afgebeeld.

Figuur 4.15: Screenshot van het webcALC™-programma

50

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor We veronderstellen bvb. een temperatuursval van 15°C over de warmtewisselaar (96° 81°C), een koelkringdebiet van 0.3kg/s, een leidingwaterdebiet van 0.08kg/s en een leidingwatertemperatuur van 15°C. Vervolgens drukken we op Heat Balance. Het programma geeft ons dan Tc,uit=71.44°C en Q& =19kW zodat de koelkring voldoet mits we een grotere temperatuursval toelaten over de warmtewisselaar.

2.5.6. Expansievat

Als buffer voor het koelwater wordt een expansievat aangebracht. Het is langs deze weg dat er koelwater in de koelkring wordt gebracht.

Het reservoir neemt ook de

volumeveranderingen van het water op wanneer dit laatste opwarmt. In het reservoir is er een scheidingslijn tussen lucht en vloeistof. De ruimte boven het water-lucht scheidingsvlak wordt verbonden met het hoogste punt van de koelkring. De ruimte onder het water-lucht scheidingsvlak wordt verbonden met de zuigzijde van de pomp.

2.5.7. Thermokoppel

Er is in de koelkring ook een thermokoppel geïnstalleerd. Het werd geplaatst net voor de warmtewisselaar. Op deze plaats is de temperatuur van het koelwater immers maximaal, want de vloeistof heeft net de motor verlaten.

Aan de hand van de temperatuur die het

thermokoppel aangeeft kan de AVTA-klep bijgeregeld worden. Het is eveneens een extra controlemiddel.

2.5.8. Temperatuur sensor

Ook deze zal geplaatst worden nadat het koelwater uit de cilinderkop komt maar voor de warmtewisselaar. De temperatuursensor stuurt een signaal naar de MoTeC om eventueel de brandstofinjectie en de ontsteking te parametriseren.

51

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.5.9. Uiteindelijke koelkring

Een afbeelding van de koelkring is te zien in figuur 4.16.

Figuur 4.16: De koelkring

De onderdelen:

1

AVTA-klep

2

warmtewisselaar

3

pomp

4

expansievat

5

thermokoppel

52

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.6. Reminstallatie

Om proefnemingen uit te voeren is het nodig dat men het geleverde vermogen kan opmeten en dat men verschillende belastingen kan aanleggen aan de motor. Hiertoe moet de uitgaande as van de motor aangesloten worden op een regelbare reminstallatie. In ons geval wordt gebruikt gemaakt van een gelijkstroommotor die men als generator laat werken.

De

geproduceerde elektrische energie wordt aan het net afgegeven. Het voordeel dat dit type rem biedt ten opzichte van bijvoorbeeld een Froude of een Foucaultrem, is dat ze ook kan gebruikt worden als motor. Door bij het starten van de waterstofmotor de rem als motor te laten werken fungeert deze laatste als startmotor en kan een conventionele startmotor dus achterwege gelaten worden.

Na aanlopen kan de injectie en de ontsteking van de

waterstofmotor ingeschakeld worden en laat men de werking van de elektromotor geleidelijk veranderen van motor naar generator. Op figuur 4.17 is de reminstallatie weergegeven.

Figuur 4.17: De elektrische rem

De verbinding tussen de motor en de elektrische rem is een essentieel onderdeel. Aangezien we te maken hebben met een ééncilindermotor, zit er heel wat variatie in het geleverde koppel. Deze variaties worden uitgedempt door het vliegwiel. De piekkoppels die niet 53

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor volledig uitgedempt worden door de traagheid van het vliegwiel, moeten door de koppeling kunnen opgevangen worden.

De verbinding moet tevens in staat zijn eventuele

uitlijningsfouten op te nemen.

We kozen voor een elastische cardankoppeling omdat die grote uitlijningsfouten verdraagt en tegelijk extra dempt zodat we te grote resonantieamplitudes kunnen vermijden.

Op die

manier wordt ook de montage vereenvoudigd. Het is namelijk niet nodig de motor zo te positioneren dat de krukas volledig in het verlengde ligt van de rem-as. Los van de praktische haalbaarheid van zo een exacte uitlijning, is er dus een grotere bedrijfszekerheid bij een elastische koppeling

Aangezien in de handel geen geschikte koppeling te vinden was, werd die bijna volledig zelf gemaakt. De conceptie en de uitwerking ervan werden gedaan door dhr. R. Janssens. De stuktekeningen, die te vinden zijn in appendix D zijn gemaakt door dhr R. Desmet. Figuur 4.18 toont de 3-D tekening van de koppeling.

Figuur 4.18: 3-D tekening van de cardankoppeling

De piekmomenten worden overgebracht via de elastische rubberen ringen. De combinatie van twee bolscharnieren kan een grote verplaatsing opvangen en garandeert tegelijkertijd dat de assen met elkaar verbonden blijven.

De rubbers zijn op de tekening doorzichtig.

bolscharnieren zijn lichtblauw gekleurd en bevinden zich onder de rubberen ringen.

54

De

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor De koppeling wordt met de motor verbonden door een flens die met bouten op het vliegwiel bevestigd wordt. Aan de zijde van de rem wordt de cardankoppeling via een conische klemkoppeling verbonden met de as van de elektrische rem. Deze klemkoppeling laat ook een zekere axiale verschuiving van de motor ten opzichte van de rem toe. Op die manier moet de motor niet altijd op precies dezelfde afstand van de rem geplaatst worden vooraleer men de koppeling kan monteren. De klemkoppeling en cardankoppeling zijn zodanig op elkaar afgestemd dat de motor niet moet verschoven worden om de cardankoppeling te kunnen monteren.

Figuur 4.19 toont de gemonteerde cardankoppeling.

Links is de

klemkoppeling te zien en rechts de flens die de cardan met het vliegwiel verbindt. Er is ook een afschermkap voorzien die bij eventuele breuk van de koppeling, de omstaande personen beschermt.

Figuur 4.19: De gemonteerde cardankoppeling

2.7. Aandrijving nokkenas

Zoals eerder reeds vermeld wordt de nokkenas aangedreven door een tandriem.

De

tandriemschijf die gemonteerd zat op de krukas, was echter niet meer in goede staat. Zoals op figuur 4.20 te zien is, is ze op verschillende plaatsen zwaar beschadigd. Dat was te wijten aan het feit dat de steek van de tandriem en de steek van de tandriemschijf niet overeenkwamen. Daarom werd er een nieuwe schijf aangekocht en gemonteerd. De tandriemschijf op de nokkenas had wel dezelfde steek als de tandriem.

55


Figuur 4.20: Oude, beschadigde tandriemschijf

Doordat de tandriemschijf zich op de krukas tussen het vliegwiel en het motorcarter bevindt, zit het vliegwiel in uitkraging op een aanzienlijke afstand van het krukaslager. Dit is te zien op figuur 4.21. Deze positie is niet de meest gunstige daar het lager en het stukje as waar het vliegwiel op bevestigd zit hierdoor zwaar belast worden. Hieraan konden we echter niet verhelpen daar de tandriemschijf op de krukas loodrecht onder de tandriemschijf op de nokkenas dient te blijven. Bovendien komt de krukas slechts aan een zijde uit het carter zodat we het vliegwiel noodgedwongen aan dezelfde zijde moesten monteren.

Figuur 4.21: Ongunstige bevestiging van het vliegwiel

56


3. Elektrisch gedeelte van de opbouw 3.1. Het motorbesturingssysteem

De vermogenregeling van de motor gebeurt door het regelen van de hoeveelheid waterstof die per cyclus wordt ingespoten. De injectiedruk is constant ( ±3 bar ), dus wordt de hoeveelheid bepaald door de openingstijd van de injector. Deze tijd wordt dan weer geregeld door een motormanagementsysteem dat aan de hand van verschillende primaire en secundaire factoren de injector stuurt.

Primaire factoren zijn het toerental en de belasting, secundaire zijn

bijvoorbeeld de temperatuur van de brandstof, de temperatuur van de lucht, enz.

Op de GM achtcilindermotor staat een Zytec ECU (Engine Control Unit) met bijhorende software gemonteerd. Voor de ééncilinder werd echter besloten om uit te kijken naar een ander systeem en dit om twee belangrijke redenen: de regelmogelijkheden van het systeem zijn eerder beperkt in vergelijking met andere systemen en er dient ieder jaar een licentie aangekocht te worden om de bijgeleverde software te kunnen blijven gebruiken.

Een

alternatief voor het Zytec-systeem hiervoor is het systeem van het merk MoTeC. Bij dit systeem wordt de ECU aangekocht tegen een hogere prijs dan bij het Zytec systeem, maar de benodigde software en upgrades kunnen gratis gedownload worden van de website van MoTeC (http://www.motec.com.au/).

Op termijn is dit zeker de duurzaamste oplossing.

Bovendien is het softwarepakket uitgebreider en kan het eenvoudig up-to-date gehouden worden.

In het MoTeC-gamma zijn er drie verschillende producten: M4, M48 en M8. De laatste twee hebben 8 injectoruitgangen, ze zijn dus bestemd voor de zogenaamde 8 groep motoren. Dat wil zeggen dat er met de acht injectoruitgangen wel zestiencilindermotoren aangedreven kunnen worden indien we per uitgang twee injectoren aanbrengen. Er zijn echter maar acht onafhankelijke injectoren te sturen. Ook kan het aantal injectoren een veelvoud van acht zijn in het geval men meerdere injectoren per cilinder plaatst. (bijvoorbeeld een achtcilindermotor met één injector per cilinder, een viercilinder met twee injectoren per cilinder of een achtcilinder met twee injectoren per cilinder.)

De M4, die vier uitgangen heeft voor

injectorsturing, is passend voor cilinderaantallen van 1 tot 4 of voor 8 cilinders indien

57

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor injectoren van meerdere cilinders door eenzelfde uitgang gestuurd worden. Omdat wij een ééncilinder motor hebben, is dit laatste het aangewezen type. Er werd een volledig MoTeC M4 Pro systeem aangekocht. Een afbeelding van de ECU is te zien op figuur 4.22.

Figuur 4.22: De MoTeC-unit

Voorlopig zal slechts één injector aangestuurd worden, maar in de toekomst kunnen er eventueel, met het oog op het verkorten van de inspuitingsduur, twee injectoren in de inlaatleiding geplaatst worden. Die kunnen dan ook apart gestuurd worden aangezien we de mogelijkheid hebben vier injectoren afzonderlijk te sturen.

3.2. Installatie van het systeem

De aansluitschema’s van de fabrikant van de unit zijn bijgevoegd in appendix E.

Het

aansluitschema zoals de aansluitingen op dit moment zijn, vindt men eveneens terug in appendix E. Hieronder bespreken we kort de verschillende aansluitingen.

Aan de ingangen 1 en 25 wordt de batterij geschakeld.

58

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 3.2.1. Ref/Sync signaal

De positie en de omwentelingssnelheid van de krukas wordt bepaald door de twee trigger sensors die op het algemeen schema zijn getekend, namelijk een ‘Ref-sensor’ en een ‘Syncsensor’. Deze geven de nodige timing informatie door aan de ECU zodat deze weet wanneer de injectie- en de ontstekingspulsen te sturen. De ‘Ref-sensor’ geeft het toerental van de motor door. Er zijn sensoren die slecht éénmaal per omwenteling een signaal doorsturen, andere doen dit om de graad krukhoek. De ‘Sync-sensor’ geeft een signaal wanneer een volledige cyclus is doorlopen. Beide sensoren kunnen samengebracht worden in één sensor, op voorwaarde dat de ECU uit het signaal ondubbelzinnig de nodige informatie kan afleiden. Beide sensoren kunnen zowel magnetisch, optisch of volgens het Hall-Effect principe werken.

Er werd gekozen voor een uitvoering waarbij het mogelijk is beide sensoren te vervangen door één: Men plaatst een tandwiel met 60 zachtmetalen tanden op de nokkenas. Hierop plaatst men een magnetische voeler. In de sensor wordt er een spanning opgewekt telkens wanneer er een tand onder doorkomt.

Er zijn echter twee opeenvolgende tanden verwijderd.

Deze

ontbrekende tanden zorgen voor het “sync”-gedeelte van het signaal. De tanden genereren dan om de 6° nokkenashoek, dit is om de 12° krukashoek, een signaal dat naar de ECU gestuurd wordt met éénmaal per cyclus een onderbreking. Een stukje van het gegenereerde signaal is getoond in figuur 4.23.

Figuur 4.23: Het Ref/Sync signaal.

De plaatsing van het tandwiel met de sensor op de nokkenas is te zien in figuur 4.24.

59


Figuur 4.24: Plaatsing van de positiesensor

De manier waarop het referentiesignaal gegenereerd wordt moet in de MoTeC-software ingesteld worden. De directory-structuur van de MoTeC-software is afgedrukt in appendix F. Dit instellen gebeurt door in General Setup onder het submenu Main Setup de optie Ref/Sync Mode te selecteren en de waarde 81 of 83 in te vullen. De 8 duidt op twee ontbrekende tanden, één keer per verbrandingscyclus dus met het tandwiel op de nokkenas gemonteerd. De 1 of 3 geeft aan of er getriggerd wordt op een stijgende of een dalende tandflank. Ook het aantal tanden van het tandwiel moet ingegeven te worden. Men dient er echter op te letten het aantal tanden in te geven gerefereerd t.o.v. de krukas. (Crank Ref Teeth). Hiermee wordt het aantal tanden bedoeld dat voorbij komt bij een volledige omwenteling van de krukas. Aangezien bij ons het tandwiel op de nokkenas zit, is het nodig het aantal tanden dus te delen door twee, dus 30 i.p.v. 60.

Het tandwiel is op de nokkenas gemonteerd tussen het aandrijvende tandwiel en de cilinderkop. Het is zodanig opgesteld dat de plaats waar de twee tanden ontbreken, net onder de sensor voorbijkomt wanneer de versnelling van de zuiger (en dus van de krukas) minimaal is, namelijk middenin tussen het onderste en het bovenste dode punt. De nokkenas werd dus zodanig verbonden met de krukas dat de ontbrekende tanden op 90° krukhoek of 45° nokkenashoek voorbij het bovenste dode punt. Echter, zoals reeds gezegd in paragraaf 2.2.2 Vastleggen van de kleptiming, wordt ook de kleptiming bepaald door de relatieve positie van nokkenas en krukas. Er moet hiermee dus ook rekening gehouden worden wanneer men de nokkenas en krukas verbindt. Praktisch gingen we als volgt te werk: aangezien we voldoende vrijheidsgraden hadden konden we de tandriemschijf op de nokkenas verbinden met het tandwiel voor de

60

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor krukaspositiesensor zonder de afstelling ervan te compromitteren. Deze verbinding gebeurt met behulp van drie bouten. Vervolgens werd de krukas aan de hand van de op het vliegwiel aangebrachte markeringen op 90° krukhoek voor het bovenste dode punt geplaatst. Het tandwiel van de krukaspositiesensor werd dan met de ontbrekende tanden net onder de sensor gepositioneerd. Zo wordt het ‘Sync’-signaal gegeven 90° voor het BDP. Zoals gezegd is dit het meest gunstige voor de nauwkeurigheid.

Dan verbonden we krukas en nokkenas-

tandriemschijf in die positie door het opleggen van de tandriem. Op dat moment zat het tandwiel van de nokkenas nog altijd los op de nokkenas.

Vervolgens draaiden we de

nokkenas tot de uitlaatnok aansloeg tegen de komstoter. De krukas werd op 75° voor het ODP geplaatst (deze waarde lezen we af uit tabel 4.2). Nu konden we met behulp van een speciaal daarvoor vervaardigd klemstuk de nokkenas-tandriemschijf vastschroeven op de nokkenas.

Voor de verbinding tussen MoTeC en referentiesensor moet een afgeschermde kabel gebruikt worden. Over de sensor ontbrak echter elke vorm van documentatie. Ook de website van de fabrikant (Bosch) bevatte geen technische documentatie. Na enig opzoekingswerk op het internet kwamen we te weten dat dezelfde sensor (zelfde typenummer) gebruikt wordt in de productiemodellen van de Porsche 944 2.5l. Met deze informatie konden we in Autodata CD de testmethode van deze sensor opzoeken en daaruit de werking afleiden. Een screenshot van de gegevens in Autodata CD is te zien in figuur 4.25.

Figuur 4.25: Screenshot Autodata CD met gegeven s over de krukaspositiesensor

61


Een magnetische sensor heeft overigens geen voedingsspanning nodig. De beweging van de zachtmetalen tanden induceert een signaal in de sensor. Tabel 4.4 toont de aansluitingen.

Tabel 4.4: Aansluitingen toerentalsensor

Pin 1

Signaal (geaard)

Pin 2

Signaal naar MoTeC pin 6

Pin 3

Afscherming en aarding

Zoals uit de figuur 4.25 blijkt zijn pin 1 en 2 de signaaldraden. Aangezien het gegenereerde signaal een wisselspanning is maakt de polariteit niet uit. Dat heeft enkel belang voor de keuze voor een falling/rising edge-trigger (zie appendix E, Schema voor het aansluiten van de krukaspositiesensor).

We lieten vervolgens de elektrische rem de ééncilinder aandrijven en met behulp van een oscilloscoop konden we het gegenereerde signaal waarnemen. De afstand van de sensor tot het tandwiel bepaalt de sterkte van het signaal. Een verkleining van die afstand was nodig om de minimum vereiste spanning te behalen. (zie appendix E, Schema voor het aansluiten van de krukaspositiesensor).

Figuur 4.26: Aansluitschema Ref/Sync sensor

Pin 2 werd daarna verbonden met pin 6 van de MoTeC. Pin 1 verbonden we met de massa. Ook de afscherming moet zoals we zien op figuur 4.26, geaard worden. 62

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 3.2.2. Bougie

De bougie is van een uitzonderlijk klein formaat. Ze heeft een M10-schroefdraad. Dit soort bougies vindt men ook terug in grasmaaiers. De ruimte rond het bougiegat is bovendien zo smal dat een bougiesleutel moest afgedraaid worden om de bougie te kunnen bereiken. Als bougie kozen we een Bosch U260 T1 met een zo laag mogelijke warmtegraad. Op die manier proberen we de vorming van hot spots (cfr Hoofdstuk 2: Literatuurstudie) te vermijden. Bedoeling is dat de warmte zich niet op de bougie kan opstapelen, maar zo vlug mogelijk geëvacueerd wordt. Dit is bovendien analoog met bestaande waterstofmotoren.

De bougie is rechtstreeks verbonden met de ontstekingsspoel. Op die manier vermijden we lange bougiekabels en wordt de kans op vonkdoorslag in de lucht beperkt. Hieraan werd bewust aandacht besteed, omdat men er in het verleden reeds problemen mee gehad heeft. In principe vermijden we zo ook dat er in de bougiekabels onderlinge inductie optreedt en zo ongewenste vonken ontstaan. In het geval van een ééncilinder met één bougie en dus één bougiekabel was daar sowieso echter geen gevaar voor.

3.2.3. Ontstekingsspoel

De ontstekingsspoel werd bijgeleverd bij het MoTeC-systeem. Ze is van het merk BERU en heeft typenummer 996 602 102 00 – 0 040 100 021. Bij de ontstekingsspoel waren echter geen aanwijzingen geleverd. We moesten dus eerst en vooral op zoek welke aansluiting welke functie had. De verkoper had ons verzekerd dat de spoel rechtstreeks met de MoTeC moest verbonden worden. We gingen dus op zoek naar de aansluitschema’s van soortgelijke modules in Autodata CD. De gevonden aansluitingen vergeleken we met deze van de GM-motor.

Toen dat ook nog overeenstemde met de

algemene cijfercodes zoals gevonden in het referentiehandboek van Bosch konden we er vanuit gaan dat de aansluitingen waren zoals vermeld in tabel 4.5: de ontstekingsspoel werd dan ook op deze manier aangesloten.

63


Tabel 4.5: Aansluitingen ontstekingsspoel

Pin 1

Signaal afkomstig van ECU

Pin 2

Aarding

Pin 3 (15a)

Voedingsspanning

Bij testen van de ontsteking slaagden we er helaas niet in vonken op te wekken. Nameten van het signaal uitgezonden door de MoTeC wees erop dat dit in orde was. Wanneer we echter met een oscilloscoop het spanningsverloop in de toevoerdraden van de spoel bestudeerden, zagen we dat er een uitslingering was. De uitslingering wijst erop dat de spoel laadt en ontlaadt. De uitslingering was echter niet zo groot als ze zou moeten zijn. Hieruit kan afgeleid worden besluiten dat de energie bij ontlading van de spoel onvoldoende groot was om een vonk op te wekken.

Dit kon enkel het gevolg zijn van het feit dat er geen

ontstekingsmodule tussen de spoel en de ECU aanwezig was.

We besloten hierop de

ontstekingsmodule van de CFR-motor aan te sluiten. Wanneer we vervolgens de ontsteking testten bleek deze te werken. Er werd een soortgelijke module aangekocht en geïnstalleerd. Het aansluitschema van de module is terug te vinden in appendix E.

3.2.4. Andere sensoren en signalen

Om een wirwar van draden te vermijden is voor de aansluiting van de injector, de ontsteking en andere sensoren zoals lambda-, druk- en temperatuursensoren één kabel voorzien met 18 genummerde draden + 1 aarding. In tabel 4.6 zijn de verschillende draden op nummer weergegeven samen met hun functie.

Tabel 4.6: Aansluitingen van de verbindingskabel

Draadnummer

Functie

1

Pin 1 injector

2

Pin 2 injector

3

Pin 1 Ontsteking

4

Pin 2 Ontsteking

5

Pin 3 Ontsteking

6

64

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Geel/groen

Massa

3.2.5. Injector

Als injector is voorlopig de Vialle injector van de CFR-motor geïnstalleerd. Deze injector werkt op een spanning van 24V. De spoel van deze injector heeft een zeer lage impedantie. Dit maakt dat de spanning niet rechtstreeks aan de injector mag aangelegd worden, maar dat er een stuurdoos moet tussengeschakeld worden. Als we het aansluitschema van de ECU (appendix E) bekijken zien we dat men één draad van de injector aan de voedingsspanning legt, en dat de andere draad de signaaldraad is die met de MoTeC verbonden wordt. Door de stuurdoos is de aansluiting bij de Vialle injector echter anders. Hier wordt de stuurdoos apart gevoed van een 24V-batterij en dus mag er aan de twee resterende draden geen spanning meer aangelegd worden (dit zou de injector beschadigen). Het komt erop neer dat in plaats van een verbinding te maken met 12V-voeding en MoTeC, die draden nu moeten verbonden worden met de massa en met de injectoruitgang van de MoTeC.

Zoals in paragraaf 2.3.2 reeds vermeld, wordt er een GSI-injector aangeschaft. Deze injector heeft een grotere impedantie, waardoor hij rechtstreeks kan gestuurd worden (zonder stuurdoos). Voor deze injector kan dan wel de aansluiting gevolgd worden zoals vermeld op het ECU-aansluitschema.

65

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 3.2.6. Aansluiting PC

Voor de verbinding tussen MoTeC en PC wordt gebruikt gemaakt van een D9 connector kabel. Hoewel deze kabel aan beide uiteinden een vrouwelijke stekker heeft, mag hij slechts op één manier aangesloten worden. De kant van de ECU is namelijk gemarkeerd. De kabel kan echter niet rechtstreeks ingeplugd worden in de ECU. Er moest een overgangsstuk worden gemaakt. Hiertoe diende eveneens draad te worden gebruikt van 1.5mm² doormeter aangezien de speciale klemmetjes aan ECU-zijde ook hierop moesten worden geplaatst. Aan de andere zijde werden ze gesoldeerd aan een mannelijke D9 stekker. De kleurcode die werd gebruikt staat genoteerd in tabel 4.7.

Tabel 4.7: Kleurcode van de PC-kabel

Nummer Pin

Kleur

MoTeC Pin nummer

1

Wit/zwart

24

2

Geel/groen

21

3

Zwart/groen

22

4

Blauw

23

5

Rood/zwart

11

6

Zwart

9

7

Rood/geel

12

8

Niet gebruikt

9

Wit/rood

10

3.2.7. Overzicht

Een algemeen schema van de elektrische bedrading is terug te vinden in appendix E. In figuur 4.27 is de achterzijde van het bedieningspaneel van de motor afgebeeld. Hierop zijn onder andere 4 relais, de zekeringen, de MoTeC en een contactdoos te zien.

66


Figuur 4.27: Het elektrisch gedeelte van de motor

Het is de bedoeling van de motorbesturing in te bouwen in een desk, die voor de proefstand wordt geplaatst.

Het volledige bedieningspaneel met contactsleutel, controlelampjes en

noodstop zal ook daarin ingebouwd worden.

3.2.8. MAP-sensor

Opdat de MoTeC het motorvermogen zou kunnen regelen moet een vorm van aanwijzing gegeven worden voor het te leveren vermogen. De meest gangbare methoden zijn de stand van de gasklep of gaspedaal en het gebruik van een MAP-sensor (Manifold Air Pressure). Aangezien de motor volgens het dieselprincipe werkt en dus zonder gasklep is uitgerust, sloten we een signaal aan de ingang van de MAP-sensor aan. De MAP-sensor geeft aan wat de druk is in de inlaatbuizen. Hoe hoger die druk hoe meer vermogen de motor moet leveren. Bij een atmosferische motor is die druk maximaal gelijk aan atmosfeerdruk.

Via een

potentiometer werd een signaal gecreëerd. Het vereiste signaal moet namelijk een voltage tussen 0V en 5V leveren.

Uiteindelijk bleek het ook mogelijk om via de menuoptie Sensor Setup -> sensor defaults de “gasklep”-stand softwarematig in te stellen.

Op die manier wordt het mogelijk om de

afstelling nog nauwkeuriger uit te voeren.

Nadeel is wel dat deze werkwijze veel

omslachtiger is.

67

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 3.3. Drukopnemer

Wanneer men proefnemingen wil doen op een motor, moet men het drukverloop in de cilinder kunnen bestuderen. Men kan er immers het geïndiceerd vermogen mee bepalen, het optreden van fenomenen als klop uit afleiden, enz. Om het drukverloop te kennen, moet er een drukopnemer (ook wel drukpick-up genoemd) geïnstalleerd zijn. Dit is een component die de druk in de cilinder omzet in een elektrisch signaal. Dat signaal wordt dan via een DAQ-kaart door een PC ingelezen en opgeslagen. Met deze informatie kan dan bijvoorbeeld een PVdiagram geconstrueerd worden. Voor het plaatsen van een drukopnemer heeft men twee mogelijkheden: of men kiest voor een drukopnemer geïntegreerd in een bougie, of men plaatst de drukopnemer door de cilinderkop rechtstreeks in de cilinder. Omdat de bougie tamelijk klein is, is de eerste mogelijkheid hier niet toepasbaar. Er zijn immers slechts geïntegreerde bougie-drukopnemers verkrijgbaar voor een schroefdraad M14 of groter. De firma Emtec, waarmee we hieromtrent contact opnamen, wist ons wel te vertellen dat Kistler aan geïntegreerde drukopnemers van die grootte werkt, maar die zullen slechts binnen een paar jaar te verkrijgen zijn. De drukopnemer zal dus rechtstreeks door de cilinderkop geplaatst moeten worden. Een voorbeeld van een mogelijke schikking is getoond in figuur 4.28.

Figuur 4.28: Een mogelijke schikking van de drukopnemer

In dit geval moet er wel voldoende aandacht besteed worden aan de afdichting. Dit om lek te vermijden zowel van het koelwater naar de cilinder als van cilindergassen naar het koelcircuit.

68

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Wanneer men een drukopnemer plaatst, moet men ook een CAM-encoder (Crank Angle Marker-encoder) voorzien. Deze levert de referentiesignalen per graad krukhoek en stuurt per omwenteling een synchronisatiesignaal naar de data-acquisitiekaart, zodanig dat deze het opgemeten drukdiagram kan refereren ten opzichte van het bovenste dode punt.

69


4. Testen van de motor Zoals eerder gezegd wordt het synchronisatiesignaal naar de ECU gestuurd 90° graden voor het bovenste dode punt. (Het bovenste dode punt dat hier bedoeld wordt is het bovenste dode punt tussen compressie- en expansieslag, en niet dit tussen uitdrijfslag en aanzuigslag.) Deze bepaling is echter slechts benaderd gebeurd. Omdat het belangrijk is dat de MoTeC tot op de graad krukhoek juist weet wanneer de zuiger in zijn bovenste dode punt staat, moet deze bepaling nog op een meer precieze manier gecontroleerd worden. De precieze bepaling is nodig om de voorontsteking en de positie van inspuiting fatsoenlijk te kunnen instellen. Om dit te controleren werd het volgende gedaan. We gingen in de MoTeC-software naar de optie ‘Crank Index Position’ onder het menu IGNITION. In dit scherm staat de waarde voor ‘Crank Index’ vermeld. Deze waarde is nu ingesteld op 630° (Het referentiesignaal wordt immers gestuurd 90° voor het bovenste dode punt: 630+90=720). Er staat ook de term ‘Test Advance’ vermeld. Dit is de voorontsteking waarmee op dat moment wordt getest. Deze staat standaard op 20°, maar voor onze test hebben wij die op 0° gezet. We maken ook gebruik van een stroboscooplamp zoals men gebruikt om de voorontsteking van motoren af te stellen. Deze lamp biedt de mogelijkheid om het ontstekingssignaal als trigger te gebruiken. Er moet gewoon een klem op de bougiekabel geplaatst worden en dan flitst de lamp bij elke ontsteking.

Wij hadden echter nog een probleem.

De bougie zit rechtsreeks in de

ontstekingsspoel geplugd, er is dus geen bougiekabel aanwezig. Dit werd opgelost door tussen bougie en ontstekingsbobijn een klassieke bougiekabel te aan te brengen. Door nu de stroboscooplamp op het vliegwiel te richten, zagen we dat de ontsteking niet op het bovenste dode punt gebeurde. Ze gebeurde 17,2° te laat. .Dit was het gevolg van het feit dat het synchronisatiesignaal niet op 90°, maar op 72.8° voor het bovenste dode punt naar de ECU gestuurd werd. Door nu de ‘Crank Index’ te wijzigen van 630° naar 647.2° gebeurde de ontsteking wel op juiste moment (dus net op het bovenste dode punt). Het wijzigen van de ‘Crank Index’ gebeurt door de waarde van de optie ‘Crank Index Position’ (terug te vinden onder menu ‘General Setup’ submenu ‘Main Setup’) te veranderen. Voorgaande maakt dat de referentie van de MoTeC nu voldoende precies ingesteld was opdat de gekozen voorontsteking of tijdstip van injectie met de werkelijke zou overeenstemmen.

Eens de referentie van de MoTeC gecontroleerd, werd er besloten de motor als test te laten draaien op methaangas. Hiertoe werd een gasfles aan de injector aangesloten.

70

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor De motor werd gestart met behulp van de elektrische rem en eens het toerental voldoende hoog was, bleek de motor de aandrijving probleemloos over te nemen.

Er vallen echter wel een paar zaken op te merken. Vooreerst was er het feit dat de ontstekingsmodule zeer warm werd. Hieraan werd getracht te verhelpen door de dwell-time, dit is de tijd dat de spoel opgeladen wordt, te verkleinen. Op het eerste zicht leek dit echter niets op te lossen. Een tweede puntje is het feit dat de koppelmeter van de rem nogal sterk schommelt. Dit is natuurlijk te wijten aan de variatie van het koppel van een ééncilindermotor. Hieraan kan waarschijnlijk verholpen worden door de instellingen van de rem te wijzigen.

71


5. Toekomst Hierna wordt kort overlopen wat er volgend jaar nog dient te gebeuren om de motor klaar te maken voor onderzoek.

Er moet een drukopnemer geplaatst worden. Dit is in paragraaf 3.3 reeds besproken

Er moet eveneens een carterventilatie voorzien worden. Dit moet gebeuren om de opstapeling van een brandbaar mengsel van lucht en waterstof te vermijden. Een carterventilatie kan op verschillende manieren uitgevoerd worden. Ze kan ofwel natuurlijk ofwel geforceerd zijn. Een natuurlijke carterventilatie krijgt men wanneer men het carter verbindt met de inlaatleiding van de motor. Wanneer er zich echter veel waterstof in het carter bevindt, met andere woorden als de lek groot is, wordt er meer waterstof naar de cilinder gebracht dan door de ECU bepaald. Dit kan een nadeel zijn. Geforceerde ventilatie is een ventilatiesysteem zoals men terugvindt op de V8-motor. Hier worden de cartergassen afgezogen door middel van een vacuümpomp en naar buiten geleid, waar ze ontsnappen in de atmosfeer. In de afzuiginstallatie dient een olie-afscheider geplaatst te zijn, die de afgescheiden olie terugbrengt naar het carter. Een analoge olie-afscheider als op de GM-motor kan geïnstalleerd worden, maar dan in een kleinere uitvoering.

Verder moet er ook nog een inlaatcollector met luchtfilter voorzien worden. Deze zal op een statief voor de inlaat moeten geplaatst worden. De inlaat van de motor is namelijk niet in staat dit extra gewicht te dragen. De inlaat collector is reeds aanwezig in het labo, er moet enkel nog een statief vervaardigd worden. Een ander element dat de nodige aandacht verdient is de stralingswarmte van de uitlaat naar de inlaat. Deze twee buizen zitten namelijk dicht tegen elkaar. Hier zou eventueel een isolerende afscherming kunnen aangebracht worden.

Er dienen ook nog een aantal sensoren geplaatst te worden.

Zo moet er een

temperatuursensor komen in de koelkring, een temperatuursensor om de olietemperatuur te controleren en temperatuursensoren in in- en uitlaatleiding en een λ-sensor.

In in- en

uitlaatleiding moeten er ook nog druksensoren geplaatst worden. Een ander punt zijn de debietmeters. Er is reeds een debietmeter geïnstalleerd in de toevoerleiding van de brandstof, maar bij de plaatsing van de inlaatcollector, moet er ook één voorzien worden die het

72

Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor aangezogen luchtdebiet meet. De signalen van al deze meters en sensoren dienen vervolgens verbonden te worden met de ECU. Deze houdt met de gemeten waarden dan rekening bij het regelen van het brandstofdebiet.

Verder moet er nog een volledige optimalisatie uitgevoerd worden van de werkingsparameters en moet er voor een oplossing gezorgd worden voor het opwarmen van de ontstekingsmodule. Tevens moet ook de werking van de elektrische rem aangepast worden om het schommelen van de koppeluitlezing in te perken.

73

Hoofdstuk 5: Besluit

Hoofdstuk 5: Besluit Het onderzoek op de GM-motor werd dit jaar afgerond. De resultaten die we bekwamen zijn grotendeels in overeenstemming met die van het onderzoek op de Valmet-motor enkele jaren geleden. Enkele tendensen werden weergegeven. De duidelijkste tendens is het optreden van klop voorafgaand aan backfire. Een nauwkeurige controle van het koelwater kan mogelijks toelaten de backfire-grens naar rijkere waarden te verleggen doordat we de thermische belasting op de cilinder verminderen. De voornaamste hindernis bij het werken met de GM-motor is dat de geometrie van de motor niet eenvoudig aan te passen is. Daarom werd besloten een nieuwe proefstand op te bouwen. Het grootste deel van deze scriptie is daaraan gewijd.

Bij de keuze van een motor voor de nieuwe proefstand ging de voorkeur uit naar een snellopende ééncilindermotor. De geometrie van een ééncilinder is namelijk eenvoudiger aan te passen dan die van een achtcilinder. Bovendien heeft een snellopende ééncilinder een toerentalbereik dat gebruikelijker is in de vervoertechniek dan dat van bijvoorbeeld de ééncilinder CFR-motor. Aan de opbouw van die proefstand werd dit jaar begonnen vertrekkende van een ééncilinder dieselmotor met swirl-inlaat. Gaandeweg werd de motor, die tot dan toe alleen maar als compressor had gewerkt, omgebouwd tot een volwaardige proefstandmotor.

Door het

zeldzame karakter van de motor moesten we vrij vaak beroep doen op op maat gemaakte onderdelen. Het voordeel is uiteraard dat we de onderdelen veel specifieker op de ééncilinder konden afstellen. We denken daarbij vooral aan de cardanas of aan de inlaat. De toepassing van een modern motormanagementsysteem laat toe om op een eenvoudige menu-gestuurde manier vele motorparameters aan te passen en aan elkaar te koppelen. Door de uitgebreide log-mogelijkheden van dat MoTeC-systeem kan men bovendien de metingen meer integreren. Op die manier kan de meting nauwkeurig gecontroleerd verlopen. De opbouw van de proefstand is grotendeels afgerond. De motor heeft reeds enkele malen op methaangas gedraaid. Mits de plaatsing van een aantal sensoren is de motor klaar voor een volledige optimalisatie van de motorparameters. Eens dit gebeurt, kan het onderzoek naar backfire vervolgd worden op deze motor.

74

Appendices

Appendices Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire Appendix B: Code Matlab-programma Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval Appendix D: Tekening cardankoppeling Appendix E: Aansluitschema’s MoTeC Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven Appendix H: Prijslijst opbouw ééncilinder motor Appendix I: CD-ROM

75

Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire

76

Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire

77

Appendix A: Drukdiagramma’s van een typische aanloop naar backfire

78

Appendix B: Code Matlab-programma Appendix B: Code Matlab-programma

Om de drukdiagramma’s te kunnen bekijken is het nodig de meetfile samen met het programmabestand druk.m te verplaatsen naar de werkmap van Matlab, nl. de map Work. Dat is een subdirectory van de map Matlab. Eens Matlab opgestart, typt men aan de prompt ‘druk’ en daarna geeft men de bestandsnaam in (opgelet: de bestandsnaam moet tussen enkelvoudige accenten geplaatst worden, bijvoorbeeld ‘meting2.prn’), vervolgens geeft men het aantal cycli dat gemeten werd en de fase waarover de meting verschoven is (meestal 0° of 360°) in. Matlab doet de nodige berekeningen en men krijgt twee figuren, de eerste geeft de eerste cyclus weer, en de tweede geeft het gemiddelde verloop berekent uit alle cycli uit de meetfile. In de eerste figuur kan men via de knoppen vorige en volgende alle drukdiagramma één voor één bekijken. Om het gemiddelde te kunnen berekenen, is het nodig dat ook het bestand gemiddelde.m zich in de map Work bevindt.

Hierna volgt de code van het programma: echo off; bestand=input('Naam van het bestand: '); Nmax=input('Hoeveel cycli zijn er gemeten? '); fase=0; fase=input('Offset: ') %Voer parameters in

fid=fopen(bestand); A=fscanf(fid,'%u',720*Nmax); %Leest het volledige bestand in en slaat het op in A

A=(A-2048)*20*5/2048; C=sum(A(100+fase:200+fase))/100; D=.9-C; A=A+D; %Legt het relatieve nulpunt vast (gemiddelde van 100° tot 200° is gelijk aan 0.9*Patm)

n=1;

79

figure; handlecurrentfigure=plot(A(1+fase:720+fase)); %Plot het eerste drukdiagram

title(int2str(n)); axis([0 720 -5 60]); %Instellingen figuur

handlecurrentfigure=gcf; %....

verplaats=['n=floor(get(gco,''Value''));N=n1;B=A(N*720+1+fase:(N+1)*720+fase);plot(B);title(int2str(n));axis([0 720 -10 60]);']; sliderHndl = uicontrol('Parent',handlecurrentfigure,... 'Style','slider',... 'Units', 'Normalized',... 'Position',[ 0.13 0.010 0.78 0.048 ],... 'Min',1,... 'Max',Nmax,... 'Value',1,... 'CallBack',verplaats,... 'visible','on'); %Creëer een schuifbalk + toekennen functie

eenverder=['n=n+1;N=n1;B=A(N*720+1+fase:(N+1)*720+fase);plot(B);title(int2str(n));axis([0 720 -10 60]);']; volgende = uicontrol('Parent',handlecurrentfigure, ... 'Units','normalized', ... 'ListboxTop',0, ... 'Position',[

0.715686274509804

0.187908496732026 0.0391304347826087 ], ... 'Enable','on',... 'Tag','Volgende',... 'visible','on',... 'String', 'Volgende',...

80

0.943478260869565

'Callback',eenverder); %Creëer de knop volgende + toekennen functie

eenterug=['n=n-1;N=n1;B=A(N*720+1+fase:(N+1)*720+fase);plot(B);title(int2str(n));axis([0 720 -10 60]);']; vorige = uicontrol('Parent',handlecurrentfigure, ... 'Units','normalized', ... 'ListboxTop',0, ... 'Position',[ 0.13562091503268 0.941304347826087 0.194444444444444 0.0369565217391304 ], ... 'Enable','on',... 'Tag','Vorige',... 'visible','on',... 'String', 'Vorige',... 'Callback',eenterug); %Creëer de knop vorige + toekennen functie

figure; for i=1:Nmax-1 echo off; alles(1:720,i)=A(((i-1)*720)+1+fase:i*720+fase); end; G=gemiddelde(alles,Nmax); plot(G); %Berekent het gemiddelde en plot dit

81

Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval

Hieronder is de offerte van Alfa Laval weergegeven

blz 1/4

82

Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval

blz 2/4

83


blz 3/4

84


blz 4/4

85

Appendix D: Tekening cardankoppeling Appendix D: Tekening cardankoppeling

86

Appendix E: Aansluitschema’s MoTeC Appendix E: Aansluitschema’s MoTeC

Hieronder zijn de bijgeleverde MoTeC-aansluitschema’s weergegeven. Algemeen schema:

87

Appendix E: Aansluitschema’s MoTeC

Schema van de aansluiting van de ontstekingsspoel

88


Schema van de aansluiting van de ontstekingsmodule

89


Schema voor het aansluiten van een λ-sensor

90


Schema voor het aansluiten van de krukaspositiesensor

91


Schema voor het aansluiten van de PC-kabel

92


Algemene richtlijnen bij het bevestigen van de MoTeC-klemmen

93


Schema van de aansluitingen zoals ze op dit moment zijn

94

Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software

Bij het opstarten van MoTeC krijg je een lijst van de programma’s die geîntegreerd. Ze zijn hieronder opgesomd, samen met een korte omschrijving •

EMP

Instellingen van de ECU bekijken en aanpassen

•

EMP+TELEM

Idem maar met telemetrie

•

GETLOG

Haal de intern gelogde data op uit ECU

•

ENABLE

Optionele functies inschakelen

•

UPGRADE

Nieuwe controle-software naar ECU zenden

•

INTERPRET

Programma voor het bekijken van logging-files

•

DRAWINGS

Bekijken van allerhande technische tekeningen

•

NOTES

Release Notes

Hieronder worden de verschillende menu’s van het programma Emp opgesomd: •

Adjust

o FUEL

MAIN Table

Injection Timing

Overall Trim

Second Load Table

Individual Cyl Trim

Individual Cyl Tables

Secondary Balance Table

Secondary Injection Timing

Air Temp Comp

Eng Temp Comp

MAP Comp

Aux Temp Comp

Aux Volt Comp

Gear Comp

Injector Dead Time Comp

95

Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software

o IGNITION

MAIN Table

Crank Index Position

Overall Trim

Individual Cyl Trim

Individual Cyl Tables

Rotary Split

Accel Advance

Air Temp Comp

Eng Temp Comp

MAP Comp

Aux Temp Comp

Aux Volt Comp

Gear Comp

Dwell Time

o Boost Limit

MAIN Table

Trim

Air Temp Comp

Eng Temp Comp

Aux Temp Comp

Aux Volt Comp

Average Position

o Misc Functions

Warning Alarms

Gear Ratios

Gear Change Ignition Cut

Overrun Fuel Cut

Boost Enhancement (Anti Lag)

Ground Speed Limiting

Lambda Control _ Off

Traction Contrl _ Off

96

Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software

o Input/Output Functions

Aux Output 1

Aux Output 2

Aux Output 3

Aux Output 4

Digital Input 1

Digital Input 2

o Accel Enrichment

Sensitivity & Decay Factors

Accel Clamp

Accel Decay

Accel Sensitivity

Decel Clamp

Decel Decay

Decel Sensitivity

o Cold Start o RPM Limit o General Setup

Main Setup

Miscellaneous Setup

Miscellaneous Setup 2

Password

Firing Order

Odd Fire TDCs

o Sensor Setup

Throttle Position HI/LO

Sensor Setup

Sensor Cal Tables

Ref/Sync Levels

Sensor Defaults

o Site Setup

97

Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software •

File

o Select File o Edit File Comments o List Files o Copy Files to / from Floppy o Duplicate Current File o Delete File •

Encryption

o Encrypt File o List Encrypted Files o Copy Files to / from Floppy o Delete Encrypted File •

Help

•

Quit

98

Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven

Hieronder vindt men de lijst van de bedrijven waar een onderdeel is aangekocht of die een dienst geleverd hebben:

Aankoop MoTeC motormanagementsysteem + toebehoren

AD Sport – Klaverbladstraat 23b – B-3560 LUMMEN – Tel.: +32 13 52 21 25 Fax: +32 13 51 21 16 Contactpersoon: Jurgen Damen http://www.adsport.yucom.be

Aankoop warmtewisselaar Alfa Laval

Alfa Laval NV – Bazellaan 5 – B-1140 BRUSSEL – Tel.: +32 2 728 38 11 – Fax: +32 2 728 38 03 Contactpersoon: ing. Jo Vanhoren – Tel.: +32 2 728 39 55 http://www.alfalaval.com

Aankoop Danfoss AVTA-klep

Danfoss België – Joseph Wybranlaan 45 – B-1070 BRUSSEL – Tel.: +32 2 525 07 11 Fax: +32 2 525 07 57 http://www.danfoss.be

Aankoop Grundfos circulatiepomp

Carnoy Verkoop nv – Afrikalaan 203 – B-9000 GENT – Tel.: +32 9 255 55 55

99

Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven Aankoop van cilinderkoppakkingen Aankoop van onderdelen voor cardankoppeling Afslijpen van de klepstelen

M.R.V. Gent BVBA – Tortelduifstraat 27 – B-9000 GENT – Tel.: +32 9 226 17 65

Aankoop van een tandriem + tandriemschijf

M.E.A. BVBA – Kraankinderstaat 1-7 – B-9000 GENT – Tel.: +32 9 265 95 85

Aanvraag informatie in verband met drukopnemers

EMTEC – Fr. Pelletierstraat 56 – B-1030 BRUSSEL – Tel.: +32 2 736 89 60 Fax: +32 2 733 01 73 Contactpersoon: J.P. Timmermans http://www.emtec-instruments.be

Aanvraag informatie in verband met een waterstofinjector

Koltec-Necam BV – Rudonk 4 – NL-4824 AJ BREDA – Tel.: + 31 76 548 23 00 http://www.koltec-necam.nl

100

Appendix H: Prijslijst opbouw ééncilinder motor Appendix H: Prijslijst opbouw ééncilinder motor

MoTeC motormanagementsysteem

€ 3712.55

Warmtewisselaar Alfa Laval

€ 192.50

Danfoss AVTA klep

€ 268.48

Grundfos circulatiepomp Onderdelen cardankoppeling Pakkingen Afslijpen klepstelen

}

€ 89.69

€ 282.25

Riem + tandriemschijf

€ 44.18

Totale kostprijs onderdelen

€ 4589.65

101

Appendix I: CD-ROM Appendix I: CD-ROM

Achteraan zit een CD-ROM bijgesloten met alle meetgegevens en andere nuttige informatie

De inhoud van de CD-ROM is gedetailleerd weergegeven in het bestand ‘Leesmij.txt’

102

Referenties

Referenties 1

Stockhausen, et al, “Ford Hydrogen Engine Design and Vehicle Development Program”, SAE 2002-01-0240

2

Natkin, R. J., et al, “Ford Hydrogen Labatory Testing Facility”, SAE 2002-01-0241

3

Tang, et al, “Ford P2000 Hydrogen Engine Dynamometer Development”, SAE 2002-01-0242

4

Szwabowski, et al, “Ford Hydrogen Engine Powered P2000 Vehicle”, SAE 2002-01-0243

5

Sierens R. and Rosseel E., “Knock Detection in a Hydrogen Engine”, SAE 970039

6

“Mit Wasserstof in die Zukunft – der BMW 750hL”, ATZ 2/2002 p.120

7

Koyanagi K., et al., “Study on Mechanism of Backfire in Hydrogen Engines”, SAE 942035

8

Swain M., Schade G. and Swain M., “Design and Testing of a dedicated HydrogenFueled Engine”, SAE 961077

9

Kondo T.,Lio s. and Hiruma M., “A Study on the Mechanism of Backfire in External Mixture Formation Hydrogen Engines – About Backfire Occured by Cause of the Spark Plug-”, SAE 971704

10

Das, L., “Hydrogen-Oxygen Reaction Mechanism and its Implication to Hydrogen Engine Combustion”, Int J. Hydrogen Energy Vol.21, No.8, pp.703-715, 1996

11

74001 - Backfire Control Techniques for Hydrogen Fueled Internal Combustion Engines, URL: http://www.science.edu/tech/h74001.htm

103

Referenties 12

Kim Ji Moon, Y.T. Kim, J.T. Lee and S.Y. Lee “Performance Characteristic of Hydrogen Fueled Engine with the Direct Injection and Spark Ignition System”, SAE 952498

13

F. Meier, e.a. “Cycle-resolved hydrogen flame speed measurements with high speed schlieren technique in a hydrogen direct injection si engine”, SAE 942036

14

Prof. Dr. ir. R. Sierens, Zuigermachines, Universiteit Gent (2000-2001)

15

Prof. Dr. ir. R. Sierens, Zuigermotoren, Universiteit Gent (1999-2000)

16

Prof. Dr. ir. P. Vandevelde, Warmtewisselaars, Universiteit Gent (2001-2002)

17

V. Welvaert en P. De Paepe, Ontwikkeling van een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (1995-1996)

18

D. Dhooge en B. Pussemier, Ombouwen van een GM-motor tot een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (1996-1997)

19

L. Van Boxlaer en T. Poot, Optimalisatie van een inlaatsysteem voor een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (1997-1998)

20

J. Fryns en S. Verhelst, Inbouw van en onderzoek rond een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (1998-1999)

21

T. Robeyn en K. Van Damme, Optimalisatie en oplading van een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (1999-2000)

22

J. Bracquez en W. De Smet, Optimalisatie en oplading van een waterstofmotor, afstudeerwerk Universiteit Gent (2000-2001)

23

Auto-elektriciteit en Elektronica Bosch, diverse auteurs, Delta Press BV (1989), ISBN 90 6674 959 8

104

Referenties 24

Viertakt tuning, Ludwig Apfelbeck, Peter’s Uitgeversmaatschappij BV (1980), ISBN 90 6127 141 x

25

Benzine en dieselmotoren, H.Grohe, Kluwer Technische Boeken BV (1982), ISBN 90 201 1463 8

105

Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire

Recommend Documents