Primjena alternativnih goriva u motorima s unutarnjim ... · Sadržaj • Uvod • Alternativna goriva u MSUI SI (Ottovi) motori CI (Dieselovi) motori • Dual-fuel motori Princip

Primjena alternativnih goriva u motorima s

unutarnjim izgaranjem

Ivan Taritaš, mag. ing. mech.

Sadržaj

• Uvod

• Alternativna goriva u MSUI

SI (Ottovi) motori

CI (Dieselovi) motori

• Dual-fuel motori

Princip rada

Performanse i štetne emisije

Rad na UC Berkeley, proljeće 2016.

Proračuni dual-fuel izgaranja

• Zaključak

2.9.2016. Eksperimentalno istraživanje, optimizacija i karakterizacija

rada klipnog motora uz „dual-fuel“ izgaranje - DUFCOROC 2

Uvod



[http://www.iiea.com/blogosphere/global-population-

projections-and-food-demand] [http://www.anthropower.com/china-and-

india-to-dominate-our-energy-future-eia]

[http://cleantechies.com/2014/09/24/planet-set-to-

reach-co2-threshold-in-30-years-researchers-say/] [http://petrolog.typepad.com/climate_change/transport/]



Alternativna goriva u MSUI

• Ukapljeni naftni plin UNP (engl. LPG),

• Stlačeni prirodni plin SPP (engl. CNG),

• Ukapljeni prirodni plin UPP (engl. LNG),

• Bioplin

Konstituent Molni udio (%)

Metan 87 – 96

Etan 1.8 – 5.1

Propan 0.1 – 1.5

iso-Butan 0.01 – 0.3

n – Butane 0.01 – 0.3

iso – Pentan trace – 0.14

n – Pentan trace – 0.04

Hexan trace – 0.06

Dušik 1.3 – 5.6

Ugljikov dioksid 0.1 – 1

Kisik 0.01 – 0.1

Sastav prirodnog plina

[https://www.naesb.org//pdf2/wgq_b

ps100605w2.pdf]

Plinovita vs. Konvencionalna tekuća goriva

• Jednostavnija kemijska struktura

• Veći oktanski broj

• Niža adijabatska temperatura plamena

• Veći omjer H/C;

• Manja molarna masa

• Niža laminarna brzina plamena (uvjeti u

cilindru motora)



Alternativna goriva u MSUI

Konstituent Molni udio (%)

Metan 87 – 96

Etan 1.8 – 5.1

Propan 0.1 – 1.5

iso-Butan 0.01 – 0.3

n – Butane 0.01 – 0.3

iso – Pentan trace – 0.14

n – Pentan trace – 0.04

Hexan trace – 0.06

Dušik 1.3 – 5.6

Ugljikov dioksid 0.1 – 1

Kisik 0.01 – 0.1

Sastav prirodnog plina

[https://www.naesb.org//pdf2/wgq_b

ps100605w2.pdf]

• Čišće izgaranje

• Niža emisija NOX

• Niža emisija čestica

• Niža emisija CO2 (CNG 25%)

• CH4 je štetniji od CO2

• Niža gustoća energije



Plinovita goriva u MSUI

[http://www.volvotrucks.com/trucks/global

/en-gb/trucks/new-trucks/Pages/volvo-fm-

methanediesel.aspx]

[http://news.pickuptrucks.com/2012/06/cn

g-test-drive-ford-f-250-sd-bi-fuel.html]

SI motori

• Potpuna zamjena konvencionalnih tekućih goriva

• Viši kompresijski omjer

• I dalje visoka emisija NOX

• Niži stupanj djelovanja od Dieselovih motora

CI (dual-fuel) motori

• Vrste dual-fuel motora:

Motori s homogenom smjesom i

kompresijskim paljenjem (HCCI)

Motori s izravnim ubrizgavanjem plinovitih

goriva

Konvencionalni dual-fuel motori

• Znatno niže emisije čestica

• Efikasnost i emisije štetnih tvari ovise o

režimu/tipu rada



SI (Ottovi) motori

[http://gazeo.com/automotive/technology/Autogas-system-generations,article,6486.html]

[http://autovaluk.com/index.php?do=home.showArticle&article=LPG]

[http://green.ebay.com/green-driving/compressed-natural-gas-vehicles]



SI (Ottovi) motori – CNG

[Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.]

[Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.] [Jahirul, et al., Applied Thermal Engineering, 2010.]



SI (Ottovi) motori – LPG

[Tasic, et al., Advances in Production Engineering & Management, 2011.]



SI (Ottovi) motori – bioplin (CH4 + CO2)

[Huang and Crookes, Fuel, 1998.]

[Huang and Crookes, Fuel, 1998.]



SI (Ottovi) motori

• Performanse i emisije izuzetno ovise o radnim

karakteristikama

• Bitna optimizacija prostora izgaranja i trenutka paljenja

• Radne karakteristike (CNG, UNP SI motora):

Niža emisija HC, CO, NOX

Veća efikasnost

Niža snaga

• Moguća poboljšanja:

Optimizacija prostora izgaranja i trenutka paljenja

Ubrizgavanje goriva u tekućoj fazi

Daljnji rad na upravljanju radom motora



CI (Dieselovi) motori

• Rad u tzv. dual-fuel načinu rada; primarno

gorivo je plinovito, dok je sekundarno gorivo

dizelsko gorivo

Motori s homogenom smjesom i

kompresijskim paljenjem (HCCI)

Motori s izravnim ubrizgavanjem plinovitih

goriva (engl. HPDI)

Konvencionalni dual-fuel motori (engl. dual-

fuel)

• HPDI:

Stabilan rad motora;

Izgaranje slično kao u konvencionalnim

Dieselovim motorima;

Niže emisije NOX i čestica u odnosu na

konvencionalne Dieselove motore

Skupa tehnologija

[http://www.westport.com/is/core-technologies/combustion/hpdi; 2015]

[http://www.westport.com/is/core-

technologies/combustion/dual-fuel; 2015]



Dual-fuel motori – princip rada

USIS KOMPRESIJA

UBRIZGAVANJE

DIZELSKOG GORIVA

SMJESA PLIN +

ZRAK + (EGR)




PALJENJE

DIZELSKOG GORIVA PALJENJE SMJESE

PLIN - ZRAK IZGARANJE SMJESE

PLIN - ZRAK




Brzina oslobađanja topline [Konigsson, F., Advancing the

limits of Dual Fuel Combustion, Licenciate thesis, Royal

Institute of Technology Stockholm, 2012.]

Prikazi iz cilindra motora [Konigsson, F., Advancing

the limits of Dual Fuel Combustion, Licenciate

thesis, Royal Institute of Technology Stockholm,

2012.]



[Lounici, et al., Energy, 2014.]

Dual-fuel motori (dizel – CNG) – performanse i

emisije



Dual-fuel motori (dizel – LPG) – performanse i

emisije

[Ashok et al., Alexandria Engineering Journal, 2015.]



Dual-fuel motori (dizel – LPG) – performanse i

emisije

[Ashok et al., Alexandria Engineering Journal, 2015.]



Dual-fuel motori – rad na UC Berkeley, proljeće

2016.)

• 2l VW Jetta motor prenamijenjen na rad u dual-fuel (metan –

dizelsko gorivo) način rada.

• U potpunosti izrađen i integriran (hardware & software) usisni

sustav i ubrizgavanje plinovitog goriva u usis.

• Izgrađen sustav (hardware & software) za izravno

ubrizgavanje dizelskog goriva u cilindar.

• Rad samo s jednim cilindrom:

Promjer cilindra = 81 mm

Hod kipa = 95.5 mm

Kompresijski omjer = 16.5




2016.)




2016.)




2016.)



-40 -20 0 20 400

20

40

60

80

100

Crank Angle (degCA)

Pre

ssu

re (

ba

r)

pi = 250 bar

pi = 500 bar

pi = 750 bar

n = 1000 rpm

pINT = 1 bar

SOI = 20 degCA bTDC

IMEPg = 5 bar

m DI = 0.03 g/s

-40 -20 0 20 400

20

40

60

80

100

Crank Angle (degCA)

Pre

ssu

re (

ba

r)

SOI = 30 degCA bTDC

SOI = 20 degCA bTDC

SOI = 10 degCA bTDC

n = 1000 rpm

pINT = 1 bar

pINJ = 500 bar

IMEPg = 5 bar

m DI = 0.03 g/s

-40 -20 0 20 400

20

40

60

80

100

Crank Angle (degCA)

Pre

ssu

re (

ba

r)

DI = 0.045 g/s

DI = 0.03 g/s

DI = 0.015 g/s

n = 1000 rpm

pINT = 1 bar

pINJ = 500 bar

SOI = 20 degCA BTDC

m DI = 0.03 g/s


2016.)



-40 -20 0 20 400

20

40

60

80

100

120

Crank Angle (degCA)

Pre

ssu

re (

ba

r)

IMEPg = 2 bar

IMEPg = 5 bar

IMEPg = 6 bar


2016.)



-40 -20 0 20 400

50

100

150

Crank Angle (degCA)

Pre

ssu

re (

ba

r)

SOI = 15 degCA bTDC; IMEPg = 9.2 bar

SOI = 25 degCA bTDC; IMEPg = 9 bar

n = 1000 rpm

pINT = 1.6 bar

pINJ = 500 bar

m DI = 0.041 g/s


2016.)



Dual-fuel motori – Proračuni dual-fuel izgaranja

• Razvijen 0-D dual-fuel proračunski model (u suradnji s AVL-

om).

• Brzi proračun (unutar 1min) radnih karakteristika dual fuel

motora te analiza (procjena) efikasnosti vozila pogonjenog

dual-fuel motorom u raznim režimima rada.



Dual-fuel motori – zaključak

• Performanse i emisije izuzetno ovise o radnim parametrima motora

(tlak ubrizgavanja, masa pojedinog goriva, trenutak ubrizgavanja) te

o samoj geometriji prostora izgaranja

• Bitna optimizacija prostora izgaranja i radnih parametara motora

• Performanse:

Niža emisija čestica i NOX

Veća efikasnost i snaga

Veća emisija HC i CO

• Moguća poboljšanja:

Optimizacija prostora izgaranja i radnih parametara motora

Rad motora na niskom opterećenju

Daljnji rad na upravljanju radom motora



Hvala na pažnji!

Pitanja??

Kontakt:

Ivan Taritaš, mag. ing. mech

Sveučilište u Zagrebu,

Fakultet strojarstva i brodogradnje,

Katedra za motore i vozila

I. Lučića 5, 10 002, Zagreb, Croatia

Phone: +385 1 6168 144

Email: [email protected]

Ovo istraživanje je napravljeno u sklopu

znanstvenog projekta “Eksperimentalno

istraživanje, optimizacija i karakterizacija rada

klipnog motora uz „dual-fuel” izgaranje –

„DUFCOROC” IP-2014-09-1089 financiranom od

strane HRZZ-a. Zahvalni smo na pomoći.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Documents

Primjena alternativnih goriva u motorima s unutarnjim ... · Sadržaj • Uvod • Alternativna goriva u MSUI SI (Ottovi) motori CI (Dieselovi) motori • Dual-fuel motori Princip