Determinarea diagramei indicate la functionarea unui motor cu aprindere cu scanteie cu adaosuri de hidrogen

Studii cu privire la solutii constructiv-functionale ale motoarelor alimentate cu hidrogen

Hidrogenul. Utilizare. Directii de dezvoltare.

Poluarea datorata motoarelor cu ardere interna, in special in zona marilor aglomerari urbane, devine din ce in ce mai mare si mai apasatoare. Cererea din ce in ce mai mare se adreseaza catre autovehicule cu zero - emisii aceasta tendinta conducand implicit la nevoia cresterii eficientei mijloacelor de transport. Aceasta o reprezinta calea pe care au adoptat-o multi dintre constructorii de automobile prin adoptarea unor solutii de scadere a masei autovehiculelor, rezistentei aero - dinamice la inaintare, si folosrea motoarelor cu performante imbunatatite dar cu consum redus de combustibil.

Alte solutii de reducere a emisiilor poluante se refera la folosirea autovehiculelor cu tractiune electrica sau cele ce folosesc pile de combustibil (fuel cell). In acest caz, poluarea nu mai poate fi luata in considerare la functionarea autovehicolului, dar trebuie considerata in etapa de producere a energiei electrice (centralele electrice) unde controlul si neutralizarea emisiilor poluante este mai facil de realizat. Competitia se desfasoara in planul pretului de cost unde autovehiculele clasice prezinta avantaje de necontestat.

Datorita faptului ca emisiile poluante produse de vehiculele echipate cu motoare cu ardere interna cum ar fi NO_x, HC, CO₂, au un impact puternic asupra atat a populatiei cat si un efect deosebit asupra incalzirii globale, acestea au fost reglementate de legislatie astfel incat efectele cresterii economice asupra incalzirii globale si a sanatatii oamenilor sa fie limitate. Acest aspect determina tendinta actuala de limitare a folosirii combustibililor fosili si gasirea unor solutii alternative de propulsie cu ajutorul carora emisiile sa atinga nivele apropiate de zero. Unul dintre combustibilii purtatori de energie este si a fost considerat hidrogenul inca din 1975.

Problemele ce apar in discutiile referitoare la hidrogen se axeaza pe producerea acestuia, depozitarea, transportul si directia de utilizare. Principalele doua cai de utilizare a hidrogenului au fost dezvoltate si reprezinta utilizarea drept combustibil pentru motoarele cu ardere interna sau pentru pilele de combustibil in care prin consumarea acestuia se produce energie electrica. Atentia deosebita va fi acordata directiei de utilizare a hidrogenului drept combustibil pentru motoarele cu ardere interna.

Proprietati ale hidrogenului. Hidrogenul este elementul cel mai des intalnit in univers. Isotopul principal este format dintr-un proton si un electron care ocupa nivelul cu energie minima. In principiu, hidrogenul se regaseste in mare parte din molecule de apa, metan sau materiale organice.

Tabel 1. Proprietatile fizice ale hidrogenului.

Datorita proprietatilor pe care hidrogenul le are precum si datorita raspandirii in natura, hidrogenul ofera potentialul unui combustibil inepuizabil, regenerabil, al caror resurse sunt practic inepuizabile.

Cantitatea de energie produsa in urma arderii hidrogenului este mai mare decat cea produsa la arderea oricarui alt combustibil, daca se discuta de mase de combustibil oxidat. In speta, cantitatea de energie produsa prin arderea hidrogenului este de 2,4 ori mai mare decat la oxidarea metanului, de 2,8 ori mai mare decat cea produsa de benzinele comerciale si de 4 ori mai mare decat a carbunelui. La ora actuala, cantitatea de hidrogen produsa pe plan mondial este de 0,1 Gtone din care 98% este obtinut din reformarea combustibililor fosili.

Principalul avantaj pe care il ofera foosirea hidrogenului drept combustibil este reprezentat de lipsa emisiei de CO₂ si de HC, avand potential de a elimina emisia de NO_x, in cazul in care temperaturile de ardere sunt limitate.

Datorita posibilitatii oferite de a produce hidrogen prin metode ecologice precum si datorita resurselor regenerabile, hidrogenul devine un purtator de energie.

Solutii de producere a hidrogenului.

Miza tehnologica determinanta pentru reusita unei economii bazate pe hidrogen poate fi productia. In prezent costul sau este foarte ridicat. Daca hidrogenul este omniprezent in spatiu el nu exista in stare naturala pe planeta noastra: el se gaseste asociat in alte molecule, trebuie deci sa-l producem.

Producerea hidrogenului se realizeaza in prezent prin doua procedee:

Termochimie (reformare)

Electroliza

Surse de energie pentru producerea hidrogenului

Primul prezinta dezavantajul utilizarii combustibililor fosili. Ori impactul asupra mediului trebuie sa fie luat in calcul, deoarece toata lumea este de acord in privinta faptului ca hidrogenul este ideal, alegerea modului de productie a acestuia este determinant pentru bilantul ecologic global a unei economii bazate pe hidrogen. Acesta este motivul pentru care cercetatori doresc sa elimine CO₂ la finele productiei. Se elimina astfel problemele de poluare, dar aceasta are ca dezavantaj cresterea preturilor de cost. Electroliza are randamente inca scazute, dar perspective ecologice incurajatoare.

Metodele termochimice de productie sunt:

Reformarea cu vapori

Oxidarea partiala

Reformarea autonoma

Gazeificarea carbunelui

Reformarea biomasei

Reformarea cu vapori utilizeaza reactia vaporilor de apa asupra unui catalizator de nichel, oxid de cupru sau zinc, in functie de combustibilul utilizat. Aceasta tehnologie a fost aleasa de multi constructori de automobile cum ar fi: DaimlerChrysler pentru Necar 5, sau Volkswagen pentru proiectul CAPRI. Reformarea cu vapori este utilizata pentru hidrocarburi usoare sau alcooli. Reactia este endotermica si reactivii sunt sub forma gazoasa. Pentru a-i vaporiza sunt incalziti la temperaturi intre 260 - 300 C (in cazul metanolului).

A doua etapa este cea de reformare si intervine la temperaturi cuprinse intre 840 -950 C si o presiune de 20 - 30 bar. Rezulta un gaz de sinteza bogat in COH₂ si ce contine de asemenea si CO₂. CO este eliminat prin intermediul unor reactii chimice de tip "high temperature shift" si "low temperature shift" la 400 si 200 C. Gazul obtinut este cu precadere compus din H₂, CO₂, H₂O putin CO si CH₄.

Urmatoarea etapa este purificarea finala a gazului ce permite obtinerea unui hidrogen pur (H₂) 99,99%.

Amestecul poate fi purificat si prin criogenie, sau prin metanizare. Cea mai raspandita metoda de formare a vaporilor utilizeaza gaz natural si unitati de 20 - 100.000 m³/h sunt deja existente. Costul de productie depinde in principal de pretul gazului natural si costul investitiei. Anumite studii, cum ar fi cel al EERE (Energy Efficiency and Rernewable Energy), previzioneaza o reducere a costurilor cu 25 - 30%.

Oxidarea partiala este o reactie obtinuta intre un carburant mai mult sau mai putin greu (gaz natural, hidrocarburi usoare si chiar carbon sau cocs de petrol care poate fii ales pentru a reduce costurile) si oxigen. Vaporii de apa sunt utilizati ca moderator de temperatura. Aceasta reactie este urmata de o purificare a gazului de sinteza prin metanizare sau prin absorbtie pentru a elimina monoxidul de carbon, si apoi de o purificare a hidrogenului. Spre deosebire de reformarea cu vapori, oxidarea partiala este puternic exotermica: caldura produsa este utilizata pentru vaporizarea si incalzirea carburantului. Totusi, randamentul producerii de hidrogen este mai scazut decat la reformarea cu vapori 55%. O unitate standard de oxidare partiala (Texaco si Shell sunt principalii utilizatori ai acestei tehnologii) are o capacitate de 43.000 t/an de H₂. Pe langa oxidarea partiala mai emite in medie 15 t de CO₂ pe tona de hidrogen produsa.

Oxidarea partiala si reformarea cu vapori pot fi combinate rezultand reformarea autonoma. Prima tehnologie este exotermica si va ceda caldura catre cea de a doua, care este endotermica. La final nici un aport de caldura din exterior nu este necesar. Apa, aerul si carburantul sunt amestecate, preincalzite si reactioneaza impreuna intr-un reactor in pat fix (catalizator pe baza de nichel, presiune de 20 - 60 bar si temperatura intre 900 - 1100 C). Ca si in cazul celorlalte doua tehnologii prezentate, reformarea autonoma necesita la final o purificare a gazului de sinteza si apoi a hidrogenului.

Putin utilizata astazi, dupa ce a avut un mare succes la inceputurile sale, gazeificarea carbunelui ofera totusi avantajul co-producerii de electricitate din carburant lichid si hidrogen. Principiul este acela al amestecarii carbunelui cu apa si aerul la 1000 C si presiune ridicata. Rezulta un gaz ce contine majoritate CO si hidrogen. Posibilitatea obtinerii unui randament de 60% in viitor face ca aceasta tehnologie sa fie atractiva in tarile cu mari rezerve de carbune, cum ar fi Canada si China. In sfarsit, reformarea biomasei reprezinta o alta cale de producere, dar care nu poseda inca, tehnologii suficient de consolidate pentru a spera sa devina un mod de productie industrial pe termen scurt si mediu.

Este mai previzibil de a utiliza biomasa ca mijloc de producere a electricitatii decat pentru fabricarea hidrogenului prin electroliza.

Schema productiei de hidrogen prin electroliza

4% din hidrogenul produs in lume este produs prin electroliza. Randamentul clasic al electrolizei in industrie este de ordinul 70 - 85%, cu un consum electric general de 4 - 6 kWh/Nm³. Alimentarea teoretica cu apa a unui electrolizor este de 0,8 l/Nm³ de hidrogen spre deosebire de 1 l/Nm³ in practica. Un lucru deloc de neglijat la electroliza este puritatea apei. Impuritatile pot conduce la formarea namolului anodic si la actiuni negative ale clorurilor asupra electrozilor. La fel conductivitatea ionica a apei, inferioara catorva mS/cm este si ea o specificatie importanta. Functionarea unui electrolizor pentru producerea hidrogenului este cea clasica: doi electrozi (anod si catod) legati la un generator de curent continuu si un electrolit.

Exista trei tipuri de electroliti ionici: o solutie apoasa acida sau bazica (hidroxid de potasiu in electroliza industriala), o membrana polimera schimbatoare de protoni sau o membrana ceramica conducatoare de ioni O_2-. Pentru electroliza de mica capacitate, posibilitatile sunt mai vaste si numerosi furnizori au propus numeroase solutii de alimentare electrica (regenerabile, biomasa) pana la furnizarea finala directa de hidrogen sub presiune.

Printre tehnologiile actuale, primele electrolize realizate au electrozi monopolari, cu fiecare anod conectat la polul pozitiv si fiecare catod la polul negativ: celulele de electroliza functioneaza in paralel. Au aparut mai tarziu sisteme bipolare. Este vorba de o placa in care o latura joaca rol de anod si cealalta de catod, conductia realizandu-se in interiorul placii. Avantajul acestei tehnologii se gaseste in compactitatea sistemului si in densitatea de curent mult mai ridicata.

Pentru modulele de mica capacitate, constructorii de electrolizoare industriale propun in general o electroliza alcalina care cuprinde o alimentare electrica, celulele de electroliza (solutii de potasiu) asamblaj mono sau bipolar, o unitate de purificare a apei, o unitate de purificare H₂, compresor, sistem de control.

Considerata ca o tehnologie de viitor, electroliza cu membrana polimera va fi, conform expertilor, principala alternativa de electroliza alcalina. Din 1989 mai multe unitati de electroliza cu membrana alcalina au fost comercializate.

Pentru tehnologia de electroliza a apei, alegerea tipului de producere de electricitate influenteaza direct costul de producere al hidrogenului. Alegerea procedeului (care variaza in functie de randament, de materie prima, de complexitate) va depinde de resursele locale disponibile si de cantitatea dorita.

Doua posibilitati de producere a electricitatii prin intermediul electrolizei par a se contura pentru viitor: disocierea apei si fotoelectroliza.

Hidrogenul poate fi separat de apa printr-un procedeu termic de inalta temperatura: pentru ca separarea sa fie ireversibila trebuie sa se atinga o temperatura de 2726 C nerealizabila astazi intr-un procedeu industrial. Acesta este momentul in care energia nucleara devine interesanta, prin doua procedee: utilizarea temperaturilor inalte sau electroliza la temperatura inalta. In primul caz un reactor de inalta temperatura este in prezent in testari in Japonia (High temperature engineering test reactor, HTTR). In cel de-al doilea caz reactorul de inalta temperatura produce mai multa caldura decat electricitate.

Conversia directa a razelor solare in energie utilizabila gaseste in prezent numeroase aplicatii pentru producerea de caldura (fototermie) si de electricitate (fotovoltaica). Mai putin cunoscuta, fotosinteza clorofiliana, care produce biomasa, fotobiologia, care produce hidrogenul, plecand de la fotosinteza microalgelor sau bacteriilor este, in final, tehnologia de producere a hidrogenului prin intermediul energiei solare.

Principalul sau atu este protectia mediului, iar principalul sau inconvenient este randamentul scazut.

Utilizarea hidrogenului drept combustibil in motoarele cu ardere interna

Utilizarea motoarelor cu ardere interna cu sisteme dual de alimentare rezolva, cel putin temporar, problema lipsei infrastructurii de distributie de hidrogen, fiind un pas intermediar in dezvoltarea econimiei bazata pe hidrogen.

Conversia unui motor cu ardere interna ce functioneaza cu combustibil clasic intr-un motor alimentat cu hidrogen prezinta avantajul unui cost mult mai redus decat a unei pile de combustibil, luand in considerare intreg sistemul ce trebuie implementat pentru functionarea cu hidrogen, mentionand sistemul de alimentare, stocare la bordul automobilului, sistemul de siguranta precum si cel de management al functionarii motorului. Cercetatorii ce sustin motoarele cu ardere interna se folosesc de dezavantajele practice pe care celulele de combustie le prezinta, pe langa pretul de cost ridicat, problemele cu pornirea la rece, necesitatea unei puritati extrem de ridicata a hidrogenului, etc.

Totodata apare avantajul legat de posibilitatea folosirii hidrogenului drept combustibil atat pentru motoarele cu aprindere prin scanteie cat si pentru motoarele cu aprindere prin comprimare.

Cele mai bune rezultate s-au obtinut prin alimentarea cu hidrogen lichid in admisie, temperatura amestecului fiind coborata la -58 °C (la aceasta temperatura volumul amestecului scade cu cca. 30%, ceea ce permite refacerea performantelor de putere atinse la functionarea cu combustibili fosili).

Aprinderea necontrolata a amestecului aer-hidrogen urmata intoarcerea flacarii in conducta de admisie, in afara de dereglarea alimentarii motoarelor policilindrice, poate provoca incendii.

Modelele teoretice cunoscute privind evolutia sistemului hidrogen-aer in timpul procesului de autoaprindere prin comprimare rapida, considera schematizari care includ in principal etapele care afecteaza inaintarea reactiilor globale. Sunt cunoscute modele cinetice care iau in considerare un set de reactii elementare, considerate importante, obtinandu-se o buna concordanta cu rezultatele experimentale (s-a considerat amestec omogen chimic si termic). O problema dificila o constitute stabilirea setului de reactii elementare care sa descrie oxidarea hidrogenului. Desi exista in aceasta directie mai multe lucrari, opiniile privind importanta reactiilor individuale si valorile vitezelor de reactie corespunzatoare sunt impartite.

Pentru amestecul stoichiometric temperatura minima de aprindere este de cca. 400°C, la presiuni foarte joase (cca. 0,005 bar), situatie care practic nu se intalneste in cazul motoarelor cu ardere intema. Considerand amestecul omogen, in conditiile de presiune si temperatura din timpul procesului de admisie - presiunea peste 0,133 bar, iar temperatura peste 527°C nu s-ar atinge limitele de explozie. Cum experienta a aratat existenta unor preaprinderi in perioada admisiei, este de la sine inteles ca aceasta s-a produs datorita temperaturii locale ridicate a unor zone ale cilindrului motorului.

Principalele proprietati ale H₂ comparativ cu ale benzinei sunt prezentate in tabelul 2.

Tabelul 2.

In situatia amestecului omogen chimic si termic, limita de explozie ar fi atinsa in timpul evolutiei de comprimare; prin cresterea presiunii si temperaturii se atinge cea de a treia limita de explozie, fig. 1. care este caracterizata printr-un mecanism de propagare cu lanturi de reactie cu ramificare rara, prin radicali activi slabi: HO₂, H₂O₂. Local, in timpul evolutiei de comprimare, pot fi indeplinite conditiile celei de a doua limite de explozie, dar, datorita cresterii presiunii, se produce o 'stingere' a reactiilor pana se atinge a treia limita de explozie si se produce reaprinderea (reactia 10 corespunde intreruperii lantului de reactii in volum, iar reactiile 19, 20 -propagarii prin radicali cu activitate redusa, tab.3.).

Tabelul 3.

Asa cum s-a mentionat si mai devreme, cresterea randamentului motorului este un pas important, fiind demonstrat ca un motor cu aprindere prin scanteie alimentat cu hidrogen poate atinge un randament de 52% iar unul cu aprindere prin comprimare poate sa ajunga la 49%.

Se estimeaza ca numarul total de automobile pe plan mondial atinge nivelul de 800 milioane. Inlocuirea acestora cu automobile propulsate cu sisteme bazate pe pila de combustibil ar reprezenta o provocare aproape imbosibil de atins.

Aspecte privind utilizarea hidrogenului in m.a.i.

Publicatii cu privire la foosirea hidrogenului drept combustibil pentru m.a.i. au existat in mod constant incepand cu anii 1930. Toate acestea desi au prezentat diverse aspecte ale utilizarii hidrogenului, au fost concentrate in perioade de timp ce au coincis cu crizele de petrol pe plan mondial. In continuare vor fi prezentate diferite aspecte ale utilizarii hidrogenului in m.a.i.

Arderea anormala.

Fenomene de ardere anormala au fost prezente inca de la primele teste, acestea avand o importanta influenta asupra solutiilor constructive adoptate, modului in care se realizeaza formarea amestecului aer - hidrogen precum si a strategiilor de control a sarcinii motorului.

Pentru motoarele cu aprindere prin scanteie s-au reliefat trei tipuri de ardere anormala: detonatia (autoaprinderea end-gasului), preaprinderea datorata unor puncte cu temperatura ridicata (fenomen ce apare inaintea producerii scanteii electrice) si intoarcerea flacarii sau rateuri in admisie (aparitia flacarii in timpul procesului de admisie, ce poate fi asimilata unui proces de preaprindere). Consecintele acestor fenomene de ardere nedorite sunt foarte bine cunoscute: in varianta optimista cresterea nivelului de zgomot si a vibratiilor, in varianta mai putin optimista, distrugerea motorului. Rateurile in admisie au fost semnalate in special la m.a.i. pentru care formarea amestecului se realizeaza in exteriorul cilindrului iar cauzele pentru care fenomenul apare pot fi:

punctele cu temperatura ridicata din camera de ardere; hidrogenul se aprinde de la piese ale motorului incalzite la temperaturi relativ coborate, cca. 530 °C, necesitand o energie de aprindere mult mai redusa decat alti combustibili (la dozaj stoechiometric, energia de aprindere este de 2530 ori mai mica decat pentru metan, iar raportul creste rapid la micsorarea dozajului); puncte de aprindere pentru hidrogen pot fi: electrozii fierbinti ai bujiei, talerul supapelor de evacuare, depozitele carbonoase ajunse la incadescenta; gazele arse reziduale; produsii de piroliza ai uleiului; gazele de ardere ajunse pe traseul de admisie, datorita curgerii inverse.

energia reziduala in circuitul de aprindere: datorita unei concentratii scazute de ioni din flacara unui amestec aer - hidrogen comparativ cu o flacara aer - hidrocarburi, este posibil ca energia de activare sa nu fie in totalitate transferata catre flacara si sa ramana partial in circuitul de aprindere pana cand conditiile din cilindru devin propice si aceasta este transferata in totalitate catre amestec, in special cand nivelul de presiune este scazut, in speta pe cursa de admisie;

inducerea aprinderii datorita cablurilor de transport a energiei electrice pentru scanteie: daca motorul folosit este unul policilindric, parte din energia electrica folosita pentru aprinderea controlata intr-unul dintre cilindri poate fi transferata in alt cablu pentru alt cilindru (fisa de bujie) aparand astfel o descarcare electrica de intensitate mai mica intre electrozii bujiei din cilindrul care la momentul respectiv era in admisie;

procese de post ardere in interstitiile din cilindru in momentul deschiderii supapei de admisie ce conduc la transfer de energie catre incarcatura proaspata generand aprinderea amestecului aer - hidrogen in timpul admisiei;

preaprinderea in cilindru ce poate aparea de la punctele de incandescenta in timpul cursei de comprimare ducand la cresterea temperaturii acestora si generand in urmatorul ciclu repetarea fenomenului.

Fig. 1. Limitele de inflamabilitate pentru amestecuri stoichiometrice hidrogen-aer

Au fost realizate cercetari experimentale in care toate punctele de incandescenta au fost eliminate printr-o curatare amanuntita a cilindrului, s-a folosit un control drastic al consumului de ulei (chiar si operarea cu motoare fara ungere), eliminarea controlata a gazelor de ardere din cilindru, folosirea bujiilor cu electrozi raciti precum si a supapelor racite cu sodiu si cu toate aceste masuri de preventie preaprinderea si rateurile in admisie au existat in continuare. Concluzia ce a putut fi obtinuta este ca aceste fenomene de ardere anormala se datoreaza continuarii procesului de oxidare a amestecului aer - hidrogen in interstitiile dintre piston si cilindru sau in apropierea segmentilor. Solutiile constructive utilizate in aceste cazuri au fost aceleasi ca pentru motoarele alimentate cu amestecuri aer - hidrocarburi normale insa datorita limitelor foarte largi de inflamabilitate precum si a puterii de patrundere ridicate in spatii foarte mici a amestecurilor aer - hidrogen, fenomenele de ardere anormala continuau sa apara.

Cand au fost adoptate masuri constructive specifice utilizarii hidrogenului drept combustibil pentru m.a.i., si in special reducerea interstitiilor din cilindrul motorului, fenomenele de preaprindere si-au diminuat intensitatea conducand la concluzia ca existenta unor procese de ardere locale in aceste interstitii conduceau la aparitia acestor fenomene nedorite.

In urma celor reliefate mai sus se poate concluziona ca trebuiesc adoptate solutii constructive specifice functionarii cu hidrogen in vederea eliminarii fenomenelor nedorite.

Formarea amestecului aer - hidrogen

Mai multe metode de formare a amestecului au fost folosite, toate in vederea unui control cat mai bun a acestuia precum si pentru evitarea fenomenelor de ardere anormala.

Metodele folosite in vederea formarii amestecurilor aer - hidrogen sunt:

formarea amestecului in exteriorul cilindrului cu ajutorul unui carburator de gaz;

formarea in exteriorul cilindrului cu ajutorul unei electrovalve plasata in colectorul de admisie si a carei deschidere poate fi controlata pentru a se realiza in momentul optim, cand curgerea aerului in cilindru are viteza maxima pentru a nu apare fenomenul de aprindere in admisie;

formarea in exteriorul cilindrului cu ajutorul unui carburator de gaz cu folosirea injectiei de apa astfel incat sa se reduca temperatura locala cat si prin folosirea gazelor de ardere recirculate;

formarea in exterior cu ajutorul unui injector prin care injectia de hidrogen se realizeaza in faza lichida pentru racirea locala;

formarea amestecului in interiorul cilindrului prin injectia directa de hidrogen prin care se elimina fenomenele de aprindere in admisie dar si diminuarea puterii motorului prin injectarea hidrogenului dupa ce intreaga cantitate de aer a fost admisa in cilindru.

Fig. 2. - Modalitati de alimentare cu hidrogen a motorului prin separarea hidrogenului de aer: a) - introducerea hidrogenului printr-o supapa amplasata pe galeria de admisie; b) canalizatie de admisie separata pentru hidrogen, inclusiv supapa de hidrogen plasata in camera de ardere.

In ultimii ani metodele folosite cu preponderenta de cercetatori au fost injectia in faza lichida in poarta supapei de admisie precum si injectia directa in cilindrul motorului, toate folosite pentru evitarea fenomenelor de ardere anormala.

S-a dovedit ca injectia in poarta supapei de admisie a demonstrat cresterea randamentului motorului, o functionare cu dispersie ciclica mai redusa, posibilitatea functionarii pe o plaja mai larga de dozaje precum si cantitai de NO_x mai reduse obtinute in urma procesului de ardere.

Injectia directa de hidrogen ofera posibilitatea reducerii avansului la injectie pentru regimuri de functionare la sarcini mari cu consecinte importante in reducerea emisiei de NO_x, precum si realizarea unor amestecuri stratificate si reducerea zgomotului de functionare precum si vibratiilor motorului.

In plus costurile de realizare a injectiei directe de hidrogen sunt net superioare fata de cazul in care injectia se realizeaza in poarta supapei de admisie.

Din alt punct de vedere, problema care apare la formarea amestecului in exteriorul cilindrului o reprezinta scaderea puterii litrice a motorului datorita faptului ca pentru un amestec stoichiometric volumul din cilindru ocupat de hidrogen este de aproximativ 30 % in comparatie cu acelasi amestec pentru care benzina ocupa doar aproximativ 2 % din volumul cilindrului. Scaderea puterii motorului este de aproximativ 18 %. Prin folosirea injectiei directe de hidrogen, puterea motorului poate sa creasca cu pana la 25 % comparativ cu acelasi motor alimentat cu benzina.

Desi ambele metode ofera atat avantaje cat si dezavantaje, injectia directa este mai eficienta atunci cand se folosesc sarcini mari ale motorului, cu toate ca inca nu exista injectoare de hidrogen pentru injectia directa la comercializare (spre deosebire de cele pentru injectia indirecta optimizate deja).

Strategii de control a sarcinii motorului

Hidrogenul prezinta o mare flexibilitate atunci cand se pune problema controlului sarcinii motorului. Deoarece hidrogenul prezinta limite de inflamabilitate foarte largi precum si a vitezelor flacarilor de hidrogen, este posibil ca sa se foloseasca dozaje foarte sarace fara a periclita stabilitatea in functionare a motorului.

Randamentul motorului precum si emisia de NO_x reprezinta factorii care stabilesc strategia de reglaj a sarcinii motorului. Un dozaj constant pe intreaga plaja de sarcini a motorului cu folosirea reglajului cantitativ cu ajutorul clapetei obturatoare a fost folosit mai mult in scop demonstrativ. Atunci cand este posibil, se foloseste clapeta obturatoare complet deschisa (WOT) pentru a beneficia de avantajul cresterii randamentului motorului cand reglajul sarcinii este calitativ prin folosirea unor dozaje diferite functie de necesitatile de putere. Astfel pot fi diminuate pierderile cu pompajul. Totusi exista limitari in cazul in care se foloseste WOT datorita faptului ca la sarcini mici apar cicluri fara ardere, hidrogen nears si in consecinta stabilitatea motorului este periclitata iar pentru sarcini mari creste emisia de NO_x, datorita cresterii temperaturii in timpul arderii.

Fig. 3. Energia minima de aprindre pentru diferiti combustibili gazosi.

Exista o metoda de gestionare a emisiei de NO_x chiar pentru sarcini mari astfel incat emisia sa ramana sub nivelul de 100 ppm prin folosirea unor amestecuri indeajuns de sarace astfel incat sa nu se mai atinga nivelul de temperatura in timpul procesului de ardere favorabil formarii oxizilor de azot. Aceasta metoda conduce la inrautatirea performantelor de putere ale motorului. Ca si alternativa, pentru a reface puterea motorului, poate fi folosit reglajul cantitativ cu ajutorul clapetei obturatoare pentru un dozaj stoichiometric si in consecinta un catalizator pentru reducerea emisiei de oxizi de azot.

O alta metoda de control al sarcinii motorului este folosirea recircularii gazelor de ardere fara a fi folosita clapeta obturatoare, prin cresterea sau scaderea procentului de gaze recirculate functie de nevoia de putere.

Daca motorul este gandit pentru o singura turatie de functionare (pentru un generator sau pentru un sistem de tractiune hibrid) este posibila functionarea cu randament crescut precum si cu emisii apropiate de nivelul zero. Aceasta solutie poate ajunge la performanta de 1 ppm emisie de oxizi de azot precum si la un randament indicat de 50 %, lucru care nu este posibil decat atunci cand hidrogenul este folosit, pentru orice alt combustibil folosirea dozajelor foarte sarace pentru reducerea emisiei de NO_x nu numai ca inrautateste stabilitatea in functionare a motorului dar conduce si la cresterea emisiei de hidrocarburi nearse.

Limitele generale pentru care s-a observat ca functionarea motorului este posibila sunt cuprinse intre λ = 0,4 pana la λ = 4.

Cercetari efectuate in vederea alimentarii m.a.i. cu hidrogen.

Prima generatie de motoare alimentate cu hidrogen foloseau carburatoare pentru gaz ce ofereau dezavantajul ca in permanenta in colectorul de evacuare exista o mare cantitate de amestec aer - hidrogen ce putea sa se aprinda generand fenomene de ardere nedorite. Pentru a evita aceste fenomene motorul functiona cu amestecuri sarace (λ=2) periclitand performantele de putere ale motorului.

Cea de-a doua generatie foloseste un sistem de injectie indirecta de hidrogen in poarta supapei de admisie precum si un sistem de management electronic al functionarii motorului. Poate fi folosita o strategie de intarziere a injectiei de hidrogen astfel incat in prima faza aerul sa reduca temperatura colectorului de admisie precum si a ciindrului motorului. Problema apare atunci cand se doreste folosirea unor amestecuri stoichiometrice datorita timpului relativ redus pentru injectie si a scaderii puterii litrice a motorului.

Cea de-a treia generatie care este in prezent in dezvoltare foloseste amestecuri stoichiometrice pentru sarcini mari. Pentru a evita rateurile in admisie, se folosete atat clapeta obturatoare cat si recircularea gazelor de ardere precum si un sistem de catalizatori cu trei cai pentru reducerea emisiei de oxizi de azot. Prin folosirea unui sistem de supraalimentare si a unui sistem de racire pentru aerul comprimat, performantele de putere pot fi similare cu cele ale motorului alimentat cu benzina. Cercetatorii de la compania germana BMW au reusit sa atinga un nivel pentru presiunea medie indicata de 18 bar iar cei de la Ford au reusit sa refaca performantele de putere ca pentru alimentarea cu benzina prin folosirea unei presiuni de supraalimentare (absoluta) de 1,85 bar.

Cea de-a patra generatie de motoare alimentate cu hidrogen este in curs de aparitie si cu siguranta va folosi sistemul de injectie directa de hidrogen si amestecuri stratificate.

Cercetarile legate de promovarea hidrogenului drept combustibil pentru motoarele cu aprindere prin scanteie s-au dezvoltat pe doua directii: inlocuirea integrala a benzinei prin hidrogen si substitutia partiala a benzinei cu hidrogen.

In legatura cu prima directie se constata ca marile companii producatoare de autovehicule au in prezent programe de dezvoltare de autoturisme alimentate integral cu hidrogen (ex. motorul Ford P2000 prezentat in anul 2002).

Se poate observa avantajul pe care il prezinta strategia de control a sarcinii motorului prin folosirea diverselor procente de recirculare gaze de ardere din punct de vedere al reducerii nivelului de emisie de oxizi de azot. Pentru amestecuri stoichiometrice sau chiar pentru dozaje bogate, concentratia de hidrogen in gazele de evacuare devine indeajuns de mare incat acesta sa actioneze ca un element de reducere a oxizilor de azot. Se poate observa ca odata cu cresterea procentului de recirculare gaze de ardere randamentul catalizatorului cu trei cai scade probabil datorita scaderii temperaturii gazelor de evacuare sub nivelul de activare a catalizatorului.

Model de calcul zerodimensional pentru motorul cu aprindere prin scanteie

Ipoteze de calcul

Se considera cilindrul unui motor cu aprindere prin scanteie in care evolueaza gazele. In timpul desfasurarii proceselor se pot grupa doua mari tipuri: transformari fara schimb de masa si transformari in care are loc schimb de masa. De asemenea, in timpul arderii are loc transformarea chimica generata de procesele de oxidare.

Ipotezele care stau la baza modelului sunt:

Presiunea in cilindru este constanta in tot volumul acestuia, dar variabila in timp.

Temperatura in cilindru este constanta in tot volumul acestuia, dar variabila in timp.

Propietatile termodinamice ale amestecului depind de natura acestora. Compozitia chimica a continutului cilindrului se modifica in perioada de ardere si in timpul schimbului de gaze.

Curgerea din si dinspre galeriile de admisie si evacuare se face prin orificiile oferite de supape in miscarea lor comandata de came. La poarta supapelor se considera parametrii termodinamici constanti pe toata durata ciclului.

Durata de ardere este dependenta de cantitatea de hidrogen aflata in amestec cu benzina. Se considera ca viteza de propagare a amestecului este dependenta de proportia de hidrogen, astfel incat o cantitate mai mare de hidrogen determina o viteza de propagare mai mare, deci o durata mai redusa.

Ecuatiile sistemului

Ecuatiile de curgere ale gazului prin supape

In forma generala, ecuatia diferentiala a debitului de gaz care trece prin orificiul controlat de supapa este:

unde m este variatia de masa schimbata prin orificiu, n turatia motorului, m coeficientul de debit al sectiunii, r densitatea gazului, A sectiunea instantanee oferita de supapa si w viteza de curgere prin orificiu.

Din ecuatia de conservare a energiei curentului de gaz se pot deduce expresiile vitezelor de curgere:

• in regim subcritic:

• in regim critic

In ecuatiile de mai sus indicele 0 se refera la marimile initiale din amontele orificiului; marimile fara indici se refera la sectiunea de iesire a orificiului. Raportul adiabatic (al caldurilor specifice) se considera constant pentru pasul de timp considerat.

Cele doua formule sunt valabile pentru orice tip de curgerea, alegerea formei vitezei se face in functie de raportul critic al presiunilor:

• presiunea criticase poate calcula in raport cu presiunea din amonte. Regimul de curgere se stabileste prin compararea presiunii din sectiunea de iesire a orificiului controlat de supapa cu presiunea din avalul orificiului. Daca presiunea din aval este mai mica decat presiunea critica viteza se calculeaza in regim critic, altfel se calculeaza cu cea de-a doua formula.

Aria oferita de supapa se determina in raport cu inaltimea critica a supapei, care depinde de forma constructiva a supapei:

Daca h_s h_cr se obtine: A=ph_scos(g)(d_m+0.5h_ssin(2g

Altfel:

Caracteristica de ridicare a supapei este determinata de forma camei, iar inaltimea de ridicare maxima depinde de parametrii acesteia. Curgerea gazelor prin orificiul oferit de supape se face cu pierderi generate de frecarea gazelor cu peretii, coeficientul de debit depinzand de pozitia supapei si parametrii geometrici ai acesteia:

 

Ecuatia diferentiala a conservarii masei

Daca se noteaza cu mcil masa din cilindru la un moment dat variatia masei se poate determina cu ajutorul ecuatiei:

unde:

m_cil este masa din cilindru la un moment dat;

m_gac este masa care patrunde in cilindru dinspre galeria de admisie;

m_gec este masa care patrunde in cilindru dinspre galeria de evacuare;

m_cga este masa care iese din cilindru dinspre galeria de admisie;

m_cge este masa care iese din cilindru dinspre galeria de evacuare;

Ecuatia de conservare a masei a tinut cont de toate variantele de curgere posibile dinspre cele doua galerii astfel m_gac este masa care curge dinspre galleria de admisie spre cilindru, m_gec este masa care curge dinspre galeria de evacuare spre cilindru, m_cge este masa care curge dinspre cilindru in galeria de evacuare si m_cga este masa care curge dinspre cilindru in galeria de admisie.

Ecuatia de conservare a energiei este cea care va determina variatia temperaturii din cilindru. Acesta poate fi scrisa astfel:

In aceasta ecuatie s-au luat in considerare entalpiile maselor schimbate cu exteriorul, transferul de caldura spre pereti si lucrul mecanic efectuat.

Ecuatia de transfer de caldura se obtine cu relatia:

unde C_c este coeficientul de transfer de caldura, A_r aria de schimb de caldura. T_cil temperatura gazelor din cilindru si T_p este temperatura peretelui cilindrului.

Pentru coeficientul de transfer de caldura s-a utilizat relatia:

 unde n turatia motorului, V,p,T volumul, presiunea si temperatura motorului.

Variatia lucrului mecanic se determina cu relatia:

Pentru calculul performantelor motorului s-a determinat un amestec de hidrogen, benzina si aer cu urmatoarele caracterstici:

excesul de aer

Proportia de hidrogen din amestec

Puterea calorifica a amestecului

Deoarece raportul puterilor calorifice este aproximativ egal cu cel al aerului minim necesar pentru ardere rezulta ca pentru un amestec de benzina si hidrogen se pastreaza aproximativ aceeasi cantitate de caldura disponibila, indiferent de proportia de hidrogen.

Importante sunt si celelalte marimi caracterstice pentru ardere ale hidrogenului. Dintre acestea se mentioneaza domeniul de inflamabilitate mult mai crescut la hydrogen, cuprins intre excese de aer 0.4 si 4, precum si viteza de propagare a hidrogenului, mult mai mare decat a benzinei.

In continuare se va studia variatia propietatilor de combustie a amestecului proaspat din camera de ardere functie de concentratia de H₂ .Variatia acestor parametrii vor influenta in mod direct performantele de ardere ale amestecului si de aici si functionarea motorului.

In camera de ardere se gasesc zone de amestec aer - benzina - hidrogen aflate la diverse concentratii, definite in capitolul anterior. Acestea s-au calculat avand la baza un procent energetic de inlocuire a benzinei cu hidrogen.

Viteza de propagare a flacarii este considerata ca fiind o functie de doi parametrii: viteza laminara a combustibilului si viteza turbulenta a flacarii pentru combustibilul utilizat. De aceea viteza de propagare a flacarii poate fi scrisa cu relatia:

unde w_b este viteza de propagare a flacarii in motor, w_l este viteza laminara de propagare a flacarii amestecului de combustibil si k este coeficientul datorat turbulentei.

In cazul motorului utilizat se considera ca turbulenta este putin afectata de introducerea hidrogenului.

unde W reprezinta viteza laminara de propagare a flacarii, F_H2 este procentul de energie corespunzator hidrogenului aflat in amestec Din prelucrarea acestei relatii se poate obtine:

sau

Raportul vitezelor de propagare laminara intre hidrogen si benzina este in medie 6 pe toate zonele de presiuni si temperaturi. Modificarea vitezei de propagare a flacarii laminare se va reflecta in durata de ardere aceasta fiind modificata cu proportia de hidrogen din amestec. Pentru calculul raportului dintre energia disponibila in hidrogenul din amestec si energia totala a amestecului se determina initial energia disponibila intr-un kilogram de aer:

Excesul de aer al hidrogenului se poate determina din concentratia sa:

unde x_hidrogen este concentratia hidrogenului exprimata in procente.

Cresterea vitezei laminare de propagare a flacarii se poate transforma in o reducere corespunzatoare a duratei de ardere amestecului din cilindru.

Presupunand ca durata de ardere normala pentru acest tip de motor este de 60 de grade RAC la 5000 rot/min se pot determina duratele de ardere pentru diverse proportii de hidrogen. Acestea se reduc cu un raport de circa 1.8 pentru un raport de inlocuire de 50%. Acesata reducere va conduce la o crestere a randamentului, ciclul fiind mai apropiat de varianta cu ardere izocora.

Figure Durata arderii functie de procentul de inlocuire

Utilizarea hidrogenului permite folosirea unor excese de aer mai mari, cu aspecte benefice pentru reducerea emisiilor poluante si a randamentului. Din literatura se poate utiliza diagrama urmatoare pentru a vedea influenta excesului de aer asupra vitezei de propagare a flacarii:

Figure Viteza de propagare in raport cu excesul de aer

Din combinatia celor doi parametrii, raportul de inlocuire a benzinei cu hidrogen si variatia excesului de aer se poate deduce durata de ardere pentru mai multe situatii:

Figure Durata de ardere functie de proportia de hidrogen si exces

Se remarca ca pentru un exces de aer de 1.5 este necesara utilizarea unui procent de inlocuire de circa 50% pentru a obtine aceeasi durata de ardere, iar la excesul de aer 2 durata de ardere creste cu circa 30% chiar la un procent ridicat de inlocuire.

Rezultate obtinute

Motorul analizat este un m.a.s. in patru timpi cu dimensiunile fundamentale de D=77 mm si S=80 mm echivalent unui motor cu patru cilindri de 1.6l. Turatia nominala de functionare a motorului este de 5000 rotatii/min.

Figure Diagrama indicata pentru 0% Hidrogen

Pentru doua avansuri, de 15 si 20 de grade, presiunea medie indicata este aproximativ egala aparand o diferenta de 4 bari la presiunea maxima. Pentru calculele urmatoare se va considera un avans constant de 15 grade. Cu aceste date s-au obtinut urmatoarele rezultate:

Variatia presiunii maxime

Variatia temperaturii maxime pe ciclu

Variatia presiunii medii indicate pe ciclu

Aceste rezultate globale s-au obtinut pe baza analizei diagramelor indicate ale celor 15 regimuri studiate. Forma caracteristicii de degajare a caldurii s-a pastrat constanta, cu acelasi coeficient de forma al functiei Viebe, modificandu-se doar durata arderii (figura 3)

Figure Caracteristici de ardere la 10 si 50% procent de inlocuire

Cu aceasta ipoteza s-au facut rulari pentru exces de aer 1 si diverse procente de inlocuire.

Figure Diagramele de presiune la exces de aer 1

Figure Variatia temperaturii in raport cu proprtia de hidrogen

Deoarece cantitatea de caldura este constanta pe ciclu, deoarece s-a luat in considerare procentul de inlocuire al benzinei cu hidrogenul, variatia lucrului mecanic nu este semnificativa.

Figure Variatia presiunii medii indicata

Aceste valori sunt obtinute la un avans la aprindere constant de 15 grade, ce conduce la o situatie de avans neoptimizat pentru procentele de inlocuire ale hidrogenului. La un avans optim pentru aceast punct de functionare se poate remarca o crestere a presiunii medii indicate de 5%. Pe de alta parte se remarca si o crestere a presiunii maxime cu circa 12 bar, ajungand la circa 68 de bar, presiune care poate influenta negativ structura de rezistenta a motorului.

Pentru procentul de inlocuire de 50% s-a realizat o analiza a proceselor in functie de avansul la scanteie. In aceste conditii, se remarca realizarea unei cresteri de putere de circa 5% in contextul reducerii avansului la scanteie de la 15 grade la 5 grade RAC.

Figure Avans optim pentru procent de substitutie 50%

Utilizarea hidrogenului este interesanta si din punct de vedere al posibilitatii utilizarii acestuia la excese de aer mai mari ca 1. Acesta va conduce la reducerea emisiilor de oxizi de azot, dar si la scaderea presiunii medii indicate. Astfel fata de o presiune medie indicata de circa 10 MPa la un exces de are stoichiometric, la un exces de aer de 1.5 presiunea medie indicata scade la circa 6.8 MPa si la circa 5 MPa la un exces de aer 2.

Figure Diagrama indicata pentru exces de aer 1,5

Introducerea unei cantitati de caldura mai reduse va determina, de asemenea, o scadere importanta a temperaturii gazelor din cilindru.

Figure Temperatura gazelor in cilindru la exces de aer 1.5

Figure Presiunea medie indicata la exces de aer 1,5

La excese de aer mari de aer presiunile pe ciclu scad datorita reducerii cantitatii de caldura pe ciclu si reducerii vitezei de ardere, durata arderii aproape dublandu-se.

Figure Diagrama indicata la exces de aer 2

Reducerea cantitatii de caldura prin scaderea combustibilului amestecat cu aerul va conduce la micsorarea puterii motorului la jumatate. Pentru a reface puterea motorului se poate opta pentru utilizarea supraalimentarii.

Figure Temperatura in cilindru la exces de aer 2

Figure Presiunea medie indicata la exces de aer 2.0

Concluzii

Lucrarea urmareste influenta utilizarii adaosurilor de hidrogen in benzina la un motor cu aprindere prin scanteie.

Comportarea motorului a fost analizata cu ajutorul unui model de calcul unizonal, bazat pe o lege de ardere de tip Voschni cu un singur coefficient.

Utilizarea hidrogenului a influentat viteza de propagare a flacarii (exprimata prin durata de ardere), cantitatea de caldura realizata prin ardere si compozitia gazelor de ardere.

S-a urmarit comportarea motorului la un exces de aer stoichiometric plus doua variante de amestecuri sarace (lamda 1.5 si 2.0). La aceste excese de aer, caracterizate prin posibilitatea reducerii emisiilor de oxizi de azot, presiunea medie indicata scade la fel ca si temperatura din cilindru.