Sisteme de Propulsie Neconventionale
FÂNTÂNĂ NICOLAE EUGEN
S I S T E M E D E P R O P U L S I E
N E C O N V E N Ț I O N A L E
C U P R I N S
Cuvânt înainte
CAP 1. Combustibili neconvenționali
1.1.1. Compuși organici oxigenați. Alcooli și esteri
1.1.2. Proprietățile fizico-chimice ale substanțelor pure
1.1.3. Dezavantaje ale folosirii produșilor organici oxigenați
1.3. Hidrogenul
1.4. Dezavantaje ale folosirii combustibililor gazoși la M.A.I
1.5. Uleiuri vegetale
1.6. Fabricarea combustibililor neconvenționali
1.6.1. Fabricarea compușilor organici oxigenați
1.6.2. Fabricarea alcoolilor din deșeuri vegetale
1.6.3. Hidroliza și fermentarea
1.6.4. Fabricarea hidrogenului
1.6.5. Reformarea termică a gazelor naturale
1.6.6. Obținerea hidrogenului din combustibili fosili
1.6.7. Descompunerea termică a hidrocarburilor
1.6.8. Metode bazate pe oxidarea parțială a hidrocarburilor
1.6.9. Procedeele pe bază de cărbune
1.6.10. Considerații economice a fabricării combustibililor neconvenționali
CAP 2. Sisteme de stocare a combustibililor neconvenționali la bordul automobilelor
2.1. Stocarea combustibililor lichizi
2.2. Stocarea combustibililor sub formă de gaz comprimat
2.3. Stocarea combustibililor sub formă de gaz lichefiat
2.4. Stocarea hidrogenului în hidruri metalice
2.5. Construcția rezervoarelor de hidrogen stocat în hidruri metalice
2.6. Echiparea autovehiculelor cu rezervoare de hidrogen stocat în hidruri metalice
2.7. Generatoare de hidrogen transportabile
2.8. Generatoare de hidrogen cu amoniac
2.9. Celulele de combustie sau pilele de combustie
CAP 3. Sisteme de alimentare cu combustibil neconvențional
3.1. Pentru motoare cu combustibil lichid
3.2. Pentru motoare alimentate cu gaze
3.3. Pentru motoare alimentate cu gaze de petrol lichefiate (GPL
3.4. Pentru motoare alimentate cu hidrogen stocat în stare solidă
3.5. Motoare alimentate cu doi combustibili
3.5.1. Alcooli și combustibil convențional
3.5.2. Instalații de alimentare cu gaz natural și combustibil convențional
3.5.3. Instalații de alimentare cu gaze de petrol lichefiate și combustibil convențional
3.5.4. Alimentarea cu doi combustibili în amestec
CAP 4. Sisteme de formare a amestecului aer-combustibil neconvențional
4.1. Particularitățile formării amestecului la nivelul scărilor mari, la motoarele diesel alimentate cu combustibil neconvențional în regim nominal
4.2. Particularitățile sistemului de admisie la utilizarea combustibililor neconvenționali
4.3. Echipamente pentru formarea amestecului aer-combustibil neconvențional a M.A.I
4.3.1. Carburator pentru metanol
4.3.2. Dozator pentru metanol
4.3.3. Dozator pentru gaz natural
4.3.4. Dozator de hidrogen
4.3.5. Echipamente pentru formarea amestecului aer-GPL
4.4. Particularitățile sistemului de injecție la utilizarea combustibililor neconvenționali
CAP 5. Aprinderea și arderea combustibililor neconvenționali
5.1. Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele cu aprindere prin scânteie
5.2. Particularitățile aprinderii și arderii la motorul cu aprindere prin comprimare
5.3. Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele alimentate cu emulsii de alcool în motorină
5.4. Particularitățile aprinderii și arderii la motorul funcționând cu alcool și motorină, după procedeul fumigării
5.5. Particularitățile aprinderii și arderii la motorul funcționând cu alcool și motorină, după procedeul dublei injecții
5.6. Particularitățile arderii la motorul alimentat integral cu alcool, cu aprindere asistată de o suprafață caldă
5.7. Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele alimentate integral sau parțial cu hidrogen
CAP 6. Economia de combustibil la motoarele alimentate cu combustibili
neconvenționali
6.1. Gradul de substituție a combustibilului petrolier
6.2. Gradul de economisire a căldurii la alimentarea motorului cu combustibil neconvențional
6.3. Factori care definesc gradul de substituție
6.4. Substituția combustibilului convențional o problemă de micro sau macro scară
CAP 7. Emisiile poluante la automobile alimentate cu combustibili
neconvenționali
7.1. Originea emisiilor din gazele de evacuare ale motoarelor
7.2. Emisiile motoarelor alimentate cu alcooli
7.3. Emisiile motoarelor alimentate cu gaze
7.4. Emisiile motoarelor alimentate cu hidrogen
BIBLIOGRAFIA
CUVÂNT ÎNAINTE
Această lucrare are ca scop familiarizarea studenților de la specializarea Autovehicule Rutiere cu tendințele privind sistemele de propulsie neconvenționale.
Având în vedere rezervele limitate de petrol respectiv, poluarea mediului înconjurător prin folosirea sistemelor de propulsie convenționale , se impune de urgență găsirea, respectiv implementarea unor soluții pentru înlocuirea motoarelor cu ardere internă existente cu cele care folosesc combustibili neconvenționali.
Pe parcursul cursului se prezintă principalele modificări aduse M.A.I. clasice pentru a putea îndeplini condițiile necesare funcționării cu combustibili neconvenționali (gaz natural, GPL, metanol și hidrogen).
Autorul
CLASIFICAREA SISTEMELOR DE PROPULSIE NECONVENTIONALE
Prin sistem de propulsie neconventional se intelege acel sistem de propulsie care are cel putin doua surse de energie.Cele mai cunoscute sisteme neconventionale sint sistemele hibride.
CLASIFICARE
– CU COMB CONVENTIONALI
– CU MAI
SISTEM HIBRID – CU COMB NECONVENTIONALI
-FARA MAI
SISTEME DE PROPULSIE ALTERNATIVE
– neconventionale
-fotovoltaice
-eoliene
-volante
-alte forme de energie
COMBUSTIBILI CONVENTIONALI
Combustibilii conventionali vor continua să domine piața energetică, acoperind peste 80% din cererea de resurse energetice, iar combustibilii petrolieri sunt cei mai utilizați în sectorul de transport auto.
Petrolul, care constituie încă cea mai convenabilă sursă de componenți pentru combustibili va cunoaște o creștere a cererii de la 92 mil. barili/zi în anul 2010 la 115 mil. barili/zi.
Consumul mondial de combustibili petrolieri cunoaște o dinamică continuă, iar situația pe regiuni este diferită. Estimările pentru 2020 precizează următoarele aspecte:
Cererea globală de produse va crește cu cca 30% ceea ce corespunde creșterii de la 23 mil. barili/zi la 105 mil. barili/zi;
Creșterea medie anuală este de cca 1,7 %/an;
Cererea cea mai importantă (cca 44% din total) se va înregitra în zona Asia-Pacific (China și India, acumulând cca 32 %);
America va ocupa locul al doilea, cu peste 30% din total;
Creșterea cererii în Europa Occidentală va fi de 0,4 % an, ceea ce reprezintă numai 0,8 mil. barili/zi;
Cererea de benzină arată o creștere de 1,5 % an, ceea ce reprezintă la o creștere de 5,2 mil. barili/zi; creșterea substanțială o înregistrează consumul de benzină din America de Nord (38%);
Cererea de benzină în America de Nord va reprezenta 46% din cererea mondială la nivelulul anului 2020;
În Europa Occidentală consumul de benzină este în regres, raportul benzină/motorină diesel ajungând la 0,35, în timp ce în America de Nord acest raport este estimat la valoarea de 3.
În ceea ce privește rafinarea petrolului și a produselor petroliere, modificări semnificative sunt așteptate a se produce din mers în viitoarea decadă.
Îndeplinirea cerințelor de calitate pentru produsele fabricate și în ultimă instanță a existenței rafinăriilor ca entități vor necesita eforturi suplimentere și continue din partea fiecărei rafinării.
Tehnologii individuale mai eficiente, catalizatori mai performanți, o mai bună reformulare a combustibililor finiți, asociate cu o mai bună planificare și o abordare flexibilă, managerială a cerințelor și costurilor, vor conduce la reușite depline în ceea ce privește activitatea de rafinare.
În figura I și II se prezintă dinamica producției de combustibili auto fabricați în România(bază de date Petrom), inclusiv ponderea anuală a combustibililor de tip euro, până în anul 2010.
Perspectivele cele mai sigure de utilizare, din punctul de vedere al posibilităților corelării cu cerințele motorului clasic, ca și a posibilităților de producție, stocare și distribuție, este formată din alcooli și eteri, substanțe încadrate din punct de vedere chimic în clasa compușilor organici oxigenați.
Figura I
Figura II
Specificații de calitate ale benzinelor fabricate în România:
Legat de specificațiile de calitate ale combustibililor, România s-a mișcat relativ rapid, normele europene fiind deja aplicate în rafinăriile românești. Guvernul a aprobat o serie de norme prin care sunt devansate termenele de la care va fi obligatorie comercializarea unor carburanți ce răspund normelor europene Euro 4.
Potrivit actului normativ, pe lângă alte prevederi, începand cu 1 ianuarie 2005 – și nu de la 1 ianuarie 2007, cum se prevedea inițial -, s-a admis introducerea pe piață numai a benzinei fără plumb care are un conținut de sulf de maxim 50 părți pe milion (ppm) și un conținut de hidrocarburi aromate de cel mult 35%, conform standardului Euro 4.
De asemenea, începând tot cu 1 ianuarie 2005, importurile vor fi limitate, în conformitate cu standardele naționale SR EN 590/2002, la motorină, și SR EN 228/1997, la benzine. Specificațiile de calitate impuse benzinei fabricate în prezent în România sunt prezentate în tabelul 1.
De asemenea trebuie menționat că începând din 2007, când este de așteptat ca România să devină membru al Uniunii Europene, emisiile datorate motoarelor auto trebuie reduse.
În prezent, pe piața mondială a benzinelor auto normele restrictive privind controlul emisiilor poluante conduc la obținerea de benzine neetilate, dar cu o calitate octanică superioară – benzina EN 228.
Condiții tehnice pentru benzina EN 228
Compoziția rezervoarelor cu benzină din Europa și America de Nord se află într-o continuă tranziție. Specificațiile stringente pentru sulf impuse de regulamentele Auto Oil II (Europa) și Tier II (S.U.A.), combinate cu presiunile legate de mediu asupra MTBE vor avea un impact dramatic asupra cifrei octanice a benzinei.
Specificațiile pentru benzină au suferit numeroase schimbări de la perioada plumbului din S.U.A. de la sfărșitul anilor ’70.
COMBUSTIBILI NECONVENȚIONALI
Compuși organici oxigenați. Alcooli și esteri.
Alcoolii:
Alcoolii rezultă prin înlocuirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen la hidrocarburile parafinice ciclice saturate cu grupe oxidril OH.
Alcoolul metilic (metanol) CH3OH, alcoolul etilic (etanol) C2H5OH și terț-butil alcoolul (TBA) C4H9OH care se folosesc drept combustibili pentru motoare, cuprind o singură grupă OH (alcooli monohidroxilici) fiind derivați din primii termeni ai seriei hidrocarburilor parafinice, metanul și etanul.
Eterii:
Eterii sunt derivați funcționali ai compușilor hidroxilici, rezultând formal din două molecule de alcool sau fenol, prin eliminarea unei molecule de apă.Din categoria eterilor se consideră drept combustibili potențiali pentru motoare metil-terț-butil-eterul C5H12O(MTBE) ,C4H9-O-CH3 și metil terț–amil–eterul C6H14O (MTAE) C5H11-O-CH3.
Metanolul și eterul sunt substanțe incolore, lichide la temperatura obișnuită și miscibile cu apa în orice proporție. Au un miros caracteristic de alcool și gust arzător, eterii au în general un miros plăcut eteric, cu apa nu se amestecă în orice proporție ca alcoolii. Eterii se dizolvă în multe substanțe și la rândul lor dizolvă foarte multe substaa valoarea de 3.
În ceea ce privește rafinarea petrolului și a produselor petroliere, modificări semnificative sunt așteptate a se produce din mers în viitoarea decadă.
Îndeplinirea cerințelor de calitate pentru produsele fabricate și în ultimă instanță a existenței rafinăriilor ca entități vor necesita eforturi suplimentere și continue din partea fiecărei rafinării.
Tehnologii individuale mai eficiente, catalizatori mai performanți, o mai bună reformulare a combustibililor finiți, asociate cu o mai bună planificare și o abordare flexibilă, managerială a cerințelor și costurilor, vor conduce la reușite depline în ceea ce privește activitatea de rafinare.
În figura I și II se prezintă dinamica producției de combustibili auto fabricați în România(bază de date Petrom), inclusiv ponderea anuală a combustibililor de tip euro, până în anul 2010.
Perspectivele cele mai sigure de utilizare, din punctul de vedere al posibilităților corelării cu cerințele motorului clasic, ca și a posibilităților de producție, stocare și distribuție, este formată din alcooli și eteri, substanțe încadrate din punct de vedere chimic în clasa compușilor organici oxigenați.
Figura I
Figura II
Specificații de calitate ale benzinelor fabricate în România:
Legat de specificațiile de calitate ale combustibililor, România s-a mișcat relativ rapid, normele europene fiind deja aplicate în rafinăriile românești. Guvernul a aprobat o serie de norme prin care sunt devansate termenele de la care va fi obligatorie comercializarea unor carburanți ce răspund normelor europene Euro 4.
Potrivit actului normativ, pe lângă alte prevederi, începand cu 1 ianuarie 2005 – și nu de la 1 ianuarie 2007, cum se prevedea inițial -, s-a admis introducerea pe piață numai a benzinei fără plumb care are un conținut de sulf de maxim 50 părți pe milion (ppm) și un conținut de hidrocarburi aromate de cel mult 35%, conform standardului Euro 4.
De asemenea, începând tot cu 1 ianuarie 2005, importurile vor fi limitate, în conformitate cu standardele naționale SR EN 590/2002, la motorină, și SR EN 228/1997, la benzine. Specificațiile de calitate impuse benzinei fabricate în prezent în România sunt prezentate în tabelul 1.
De asemenea trebuie menționat că începând din 2007, când este de așteptat ca România să devină membru al Uniunii Europene, emisiile datorate motoarelor auto trebuie reduse.
În prezent, pe piața mondială a benzinelor auto normele restrictive privind controlul emisiilor poluante conduc la obținerea de benzine neetilate, dar cu o calitate octanică superioară – benzina EN 228.
Condiții tehnice pentru benzina EN 228
Compoziția rezervoarelor cu benzină din Europa și America de Nord se află într-o continuă tranziție. Specificațiile stringente pentru sulf impuse de regulamentele Auto Oil II (Europa) și Tier II (S.U.A.), combinate cu presiunile legate de mediu asupra MTBE vor avea un impact dramatic asupra cifrei octanice a benzinei.
Specificațiile pentru benzină au suferit numeroase schimbări de la perioada plumbului din S.U.A. de la sfărșitul anilor ’70.
COMBUSTIBILI NECONVENȚIONALI
Compuși organici oxigenați. Alcooli și esteri.
Alcoolii:
Alcoolii rezultă prin înlocuirea unuia sau mai multor atomi de hidrogen la hidrocarburile parafinice ciclice saturate cu grupe oxidril OH.
Alcoolul metilic (metanol) CH3OH, alcoolul etilic (etanol) C2H5OH și terț-butil alcoolul (TBA) C4H9OH care se folosesc drept combustibili pentru motoare, cuprind o singură grupă OH (alcooli monohidroxilici) fiind derivați din primii termeni ai seriei hidrocarburilor parafinice, metanul și etanul.
Eterii:
Eterii sunt derivați funcționali ai compușilor hidroxilici, rezultând formal din două molecule de alcool sau fenol, prin eliminarea unei molecule de apă.Din categoria eterilor se consideră drept combustibili potențiali pentru motoare metil-terț-butil-eterul C5H12O(MTBE) ,C4H9-O-CH3 și metil terț–amil–eterul C6H14O (MTAE) C5H11-O-CH3.
Metanolul și eterul sunt substanțe incolore, lichide la temperatura obișnuită și miscibile cu apa în orice proporție. Au un miros caracteristic de alcool și gust arzător, eterii au în general un miros plăcut eteric, cu apa nu se amestecă în orice proporție ca alcoolii. Eterii se dizolvă în multe substanțe și la rândul lor dizolvă foarte multe substanțe organice.
Compușii organici oxigenați:
Combustibili de corecie promitori, prin prisma posibilitilor corelrii proprietilor cu cerinele motorului ca i a posibilitilor de obinere, stocare i distribuie, sunt compușii organici oxigenați ca alcoolul metilic i etilic, eterul izopropilic, MTBE (metil-ter-butil-eter), ETBE (etil-ter-butil-eter), TAME (ter-amil-metil-eter), DIPE (di-izo-propil-eter), cetonele etc., care sunt utilizai pentru creterea cifrei octanice. Comportarea acestor componenți în amestec diferă ntre ei, în special, în ceea ce privete CO, volatilitatea, curba de distilare și cldura de vaporizare.
Proprieti fizice ale benzinei i ale unor compui oxigenai:
Cifrele octanice ale unor componeni de benzin auto:
Proprietățile fizico-chimice ale substanțelor pure.
Analiza proprietăților fizico-chimice, ale produșilor organici oxigenați evidențiază existența unor diferențe importante față de combustibili lichizi convenționali de origine petrolieră. Utilizarea eficientă, sub formă de combustibili a produșilor organici oxigenați impune în consecința modificării de ordin constructiv și de reglare aduse motorului, pentru atenuarea unor influențe negative și valorificarea unor proprietăți favorabile.
1)Presiunea de vapori, căldura de vaporizare.
Alcoolii se caracterizează printr-o volatilitate redusă, exprimată de valorile scăzute ale tensiunii de vapori la temperatura ambiantă și a presiunii de vapori Reid. În consecință, alcoolii nu se vaporizează (figura 1) la temperaturi sub circa 100 C, făcând imposibilă pornirea motorului cu carburator.
Figura 1
O altă particularitate a alcoolilor constă în nivelul ridicat al căldurii masice de vaporizare, comparativ cu benzina. Această particularitate, asociată cu aceea privind raportul aer combustibil, explică necesitatea unui aport de căldură, pentru formarea amestecului de vapori de combustibil-aer, de 7 ori mai mare în cazul metanolului, comparativ cu combustibilii convenționali.
Eterii organici, cu călduri de vaporizare care nu se deosebesc esențial de benzină, nu comportă aceleași probleme.
2)Viteza de ardere laminară, dozaje limită, căldura de reacție.
Viteza de ardere laminară wl reprezintă una dintre proprietățile fundamentale ce caracterizează arderea amestecurilor omogene combustibil-aer. Aceasta influențează viteza degajării căldurii în procesul arderii turbulente din MAS, ca și stingerea flăcării la perete.
Cercetările experimentale au arătat că viteza de ardere laminară la amestecurile alcooli-aer este mai ridicată decât la amestecurile benzină-aer.
În consecință, sunt de așteptat durate mai reduse ale perioadei de inițiere a arderii normale în motorul cu aprindere prin scânteie funcționând cu metanol de asemenea alcooli se caracterizează prin posibilitatea sărăcirii mai avansate a amestecului (coeficient de dozaj mai mare) la limita funcționării stabile a motorului.
Căldura de reacție constituie o proprietate prin care toți compușii organici oxigenați înregistrează o diferență netă față de benzină (metanol 19937 kj/kg față de 42700 kj/kg pentru benzină). Acest aspect se compensează însă ca urmare a diferenței care există între raporturile stoichiometrice aer-combustibil care variază în același sens cu puterea calorifică. În consecință, energia chimică conținută de unitatea de volum de amestec este, la un dozaj egal, numai cu 10…15% mai mică, în cazul alcoolilor, față de benzină.
3)Cifra octanică, ușurința autoaprinderii.
Produșii organici oxigenați se caracterizează printr-o rezistență ridicată la autoaprindere și la arderea anormală cu detonație, prezentându-se sub acest aspect drept combustibili superiori pentru M.A.S, comparativ cu benzinele obișnuite (tabel 1).
Tabel 1
Rezistența ridicată la autoaprindere, creează în schimb dificultății foarte mari în utilizarea directă a acestor combustibili pentru M.A.C.
Autoaprinderea compușilor organici oxigenați poate fi ușurată prin aditivarea lor cu anumite substanțe acceleratoare de reacții, aparținând în primul rând clasei nitraților organici.
Desigur că pentru utilizarea în practică a aditivilor este de importantă decisivă creșterea costului combustibilului pe care o antrenează.
Ținând seama de această creștere inevitabilă, una dintre întrebările justificate ar fi: până la ce limită un amestec alcool-aditiv accelerator, utilizat într-un MAC, reprezintă o soluție rațională, comparativ cu alcoolul pur-mai ieftin-utilizat în MAS cu randament efectiv în orice caz inferior.
4)Probleme de toxicitate.
Alcoolul metilic este toxic. Poate pătrunde în organism pe cale respiratorie, digestivă și cutanată, provocând în general, intoxicații cu efecte grave, care depind de condițiile expunerii și susceptibilitatea individuală.
Această proprietate impune măsuri cu costuri deosebite cu privire la modificările necesare sistemelor clasice.
Dezavantaje ale folosirii produșilor organici oxigenați.
Motoare cu aprindere prin scânteie.
1. Tendința de reducere a puterii efective, la un debit constant de combustibil, ca urmare a puterii calorifice cu mult mai reduse ca a benzinei.
Prezența oxigenului în structura moleculară a acestor compuși asigură, pe de altă parte, micșorarea necesarului de aer de ardere, astfel că, în ansamblu puterea calorifică a amestecului combustibil-aer, raportată la volumul de amestec este puțin modificată.
Prin urmare se poate asigura menținerea neschimbată a puterii motorului cu o cilindree dată prin mărirea corespunzătoare a debitului de combustibil. Dificultatea pornirii la rece, este determinată de presiunea redusă de vapori la temperaturi coborâte.
Acest neajuns este depășit în cazul utilizării alcoolilor în amestec, benzina reprezentând fracțiunea principală. În cazul utilizării alcoolilor puri, pornirea la rece poate fi soluționată cu un combustibil auxiliar (benzină sau gaz petrolier lichefiat) și ameliorarea pulverizării.
2. Tendința de creștere a incidențelor de funcționare la cald, prin dop de vapori (waporlook) și a emisiilor în atmosferă prin vaporizare, determinate de temperatura de fierbere coborâtă a alcoolilor.
Aceste tendințe pot fi corectate prin limitarea proporției alcoolilor în amestecul cu benzina (la circa 15% pentru metanol). Tendința de înrăutățire a vaporizării alcoolilor în sistemul de admisie, la motoarele cu carburator, ca urmare a valorii ridicate a căldurii de vaporizare, în consecință este necesară reproiectarea sistemului de admisie.
3. Mișcibilitatea limitată a metanului în benzine, care determină condiții restrictive pentru proporția de metanol din amestec în funcție de temperatura minimă de exploatare și pentru conținutul de apă. Miscibilitatea se ameliorează prin mărirea ponderii hidrocarburilor aromate în amestec și prin aditivarea cu alcooli superiori.
4. Rezistența ridicată față de arderea anormală, cu detonație, proprietate favorabilă principală a alcoolilor, care poate fi pusă în valoare, în varianta de utilizare sub formă pură prin mărirea raportului de comprimare în varianta de utilizare în amestec cu benzina se renunță parțial sau complet la tetraetilul de plumb.
Motoare cu aprindere prin compresie.
1. Tendința de reducere a puterii efective, semnalată și pentru M.A.S. În condițiile M.A.C creșterea debitului de combustibil injectat este condiționată de caracteristicile sistemului de injecție și pentru o cilindree constantă-de cantitatea de aer disponibil în cilindru. Orice măsura suplimentară adoptată, cu repercursiuni negative asupra umplerii cu aer a cilindrului, va reduce posibilitățile de redresare a puterii.
2. Întârzierea mare la autoaprindere, care a făcut ca până de curând, alcoolii să fie considerați improprii pentru utilizarea drept combustibili Diesel. Pentru funcționarea normală a motorului este indispensabilă prevederea unor măsuri speciale care să asigure o întârziere acceptabilă la autoaprindere.
3. Miscibilitatea redusă a alcoolilor în combustibilii diesel de origine petrolieră, accentuată de prezența urmelor de apă. Aceasta recomandă utilizarea cu precădere a emulsiilor alcooli-fracțiuni petroliere.
4.Calitățile defavorabile de ungere, reflectate de vâscozitatea redusă, și care afectează direct funcționarea unor cupluri de frecare, în primul rând la pompa de alimentare și în secțiunea de înaltă presiune a instalației de alimentare. Nu pot fi omise în final problemele speciale de compatibilitate a compușilor organici oxigenați cu uleiul de ungere sau cu materialele cu care ar trebui să vină în contact, cum ar fi elastomerii. Problemele speciale de uzare pot fi determinate, de asemenea, de atacul chimic direct al unor compuși specifici formați în cursul arderii.
GAZELE NATURALE
Gazele naturale sunt gaze obținute fie împreună cu țițeiul, din zăcăminte de țiței, numite în această situație gaze de sondă sau umede, fie independent de țiței numite gaze naturale uscate. Gazele de sondă reprezintă un amestec de hidrocarburi, bioxid de carbon și eventual hidrogen sulfurat, cu diferențe de compoziție importante, în funcție de zăcământ, metanul deține în orice caz ponderea principală. Și gazele naturale uscate prezintă diferențe însemnate de compoziție, după regiunea de unde provin: gazele naturale uscate extrase în țara noastră cu o compoziție în proporție de 98-99% metan pot fi considerate gaz metan tehnic pur.
Gazele naturale se utilizează de mult timp drept combustibili pentru motoare. Pentru motoarele de automobil se folosesc amestecuri de propan-butan (C3H8-C4H10) provenind din gaze de sondă sau din procese de prelucrare a țițeiului. Livrate în general sub formă lichefiată aceste gaze sunt cunoscute sub acronimul GPL (gaz petrolier lichefiat) sau denumirea autogaz.
Proprietăți fizice
Metanul, etanul, propanul și butanul constituie primii patru termeni ai seriei omoloage a hidrocarburilor parafinice. La temperatură obișnuită sunt gaze incolore, cu miros slab de benzină, practic insolubile în apă. Metanul CH4 se lichefiază cu dificultate (temperatura de fierbere la presiunea atmosferică este de –161,70C ) ceea ce are serioase implicații asupra posibilităților de stocare în rezervorul unui automobil. Una din posibilitățile de a asigura o autonomie corespunzătoare autovehiculului constă în stocarea metanului în stare gazoasă, comprimat până la presiuni de ordinul 20 Mpa. Utilizarea unor presiuni ridicate întâmpină dificultăți, legate de realizarea instalației de alimentare, ca și a rețelei de distribuție. Cealaltă posibilitate de stocare în stare lichidă în rezervoare criogenice, este mai avantajoasă din punctul de vedere al posibilității realizării unui rezervor mai ușor.
Propanul și mai ales butanul se lichefiază relativ ușor (temperatura de fierbere la presiunea atmosferică – 42,6 C și respectiv –0,5 C ). În consecință, masa rezervorului raportată la masa de combustibil este mai mică decât pentru gazul metan lichefiat sau comprimat la presiune înaltă.
Aprinderea și arderea.
Gazele naturale ard ușor, cu o flacără fără culoare.
Ecuația stoichiometrică de ardere a metanului este:
Vitezele de propagare a flăcării laminare în amestecurile metan-aer și propan-aer sunt de același ordin de mărime cu cele determinate pentru benzină-aer.
Metanul, etanul și propanul prezintă o rezistență indicată față de autoaprindere și arderea anormală cu detonație în motor.
CO pentru GPL cu 95% propan este superioară cu 15 unități față de benzină.
Pentru precizarea caracteristicilor combustibililor gazoși din punctul de vedere al tendințelor de autoaprindere și arderea cu detonație majoritatea cercetătorilor preferă să definească raportul de comprimare la limita apariției detonației detectabile .
Figura 2
La o temperatură de admisiune în motor corespunzătoare celei atmosferice, cei doi combustibili comparați se deosebesc mult după valorile ld; pentru metan ld trebuie să fie mai mare de 15, pentru propan mai mare de 7.
Pentru amândoi combustibili detonația se poate evita ușor chiar la , prin adoptarea unor amestecuri suficient de bogate sau sărace.
Influența temperaturii amestecului combustibil-aer la admisiunea în motor este de asemenea de importanță practică, în special pentru motoarele supraalimentate.
După cum era de așteptat se constată că, odată cu creșterea temperaturii avansează spre valorile inferioare și se produce și lărgirea gamei de dozaje la care apare detonația. (figura 3).
Figura 3
La valori ridicate ale temperaturii de admisie se înregistrează și autoaprinderea amestecului, în condițiile în care s-a suprimat scânteia electrică la 106oC de exemplu s-a înregistrat autoaprinderea metanului la =15 si a propanului la =14.
HIDROGENUL
Hidrogenul este cel mai răspândit element din univers. Se regăsește în atmosfera stelelor calde și în spațiul interstelar sub formă de atomi, în interiorul stelelor calde și în razele cosmice sub formă de protoni și în cantități foarte mici se găsește liber, în atmosfera pământului; combinat cu oxigenul se mai găsește în apă și combinat cu carbonul în compușii organici.
Hidrogenul este un gaz incolor, inodor și insipid. Este cel mai ușor gaz putând difuza prin orificii fine. Este absorbit de numeroase metale printre care Fe, Al, Cu, cu inserarea în rețeaua moleculară, care determină modificări ale unor proprietăți ale acestora. În cazul oțelului, hidrogenul provoacă un fenomen specific de fragilizare care se manifestă și prin tendința de dezvoltare a unor fisuri, precum și prin coroziune fisurantă sub tensiune. În acest sens au fost dezvoltate materialele speciale, ci o stabilitate acceptabilă în acțiunea fragilizantă care sunt recomandate pentru construcția instalațiilor cu hidrogen.
Hidrogenul este cel mai ușor element și corespunzător, are un volum specific foarte mare. În consecință prin adăugarea hidrogenului în aerul admis în cilindrul unui motor (la formarea amestecului în exterior) se produce o reducere sensibilă a masei aerului admis; la plină sarcină de exemplu, comparativ cu amestecul benzină-aer masa de aer admisă se reduce cu aproximativ 30%).
La o valoare aproape egală puterii calorifice pentru amestecul stoichiometric hidrogen-aer și benzină-aer va rezulta prin urmare o reducere de circa 30% a puterii indicate.
Efectul de reducere a volumului aerului disponibil se evită prin adoptarea principiului formării amestecului în interior. Hidrogenul se distinge și prin viteza ridicată de difuziune, caracterizată de coeficientul de difuziune, comparativ cu benzina, viteza de difuziune a hidrogenului este de 7-8 ori mai mare. Această proprietate favorizează amestecarea rapida a aerului chiar în condițiile formării amestecului în interior la turații ridicate de funcționare.
Cu oxigenul se combină la rece, în prezența unui catalizator, sau în prezența flăcării. Puterea calorifică a amestecului stoichiometric hidrogen-aer este apropiată de cea a amestecului stoichiometric benzină-aer. În comparație cu hidrocarburile, hidrogenul se remarcă prin limite de aprindere cu mult mai largi, precum și prin viteze ridicate de ardere depășind aproximativ cu un ordin de mărime pe cele ale metanului.
Viteza de ardere a hidrocarburilor se mărește prin amestecarea lor cu hidrogen, creșterea vitezei este însă cu mult mai redusă decât aceea proporțională cu participația volumetrică a hidrogenului în amestec în plus, alura de variație a vitezei de ardere cu presiunea este diferită față de aceea corespunzătoare combustibililor puri din amestec.
Domeniul extrem de larg cuprins între limitele de aprindere ale amestecurilor hidrogen-aer reprezintă un factor favorabil în ceea ce privește posibilitatea funcționării motorului cu amestecuri foarte sărace mărind eficiența motorului. Spre deosebire de metan, hidrogenul are o tendință pronunțată la arderea cu detonație, cercetările evidențiind arderea cu detonație la =6 la amestecuri cu exces de aer variind între =1,82 și =0,20 la o temperatură de admisiune în motor de 38oC (figura4). Combaterea detonației în motor va trebui realizată cu concursul unui ansamblu de factori: calitatea amestecului și aditivarea cu inhibitori ai reacțiilor autoaprinderii, raportul de comprimare, temperatura de admisiune, avansul la declanșarea scânteii electrice.
Figura 4
O importantă practică deosebită o are de asemenea, ușurința manifestată de amestecurile hidrogen-aer la aprinderea prin contact cu suprafețele calde sau cu gazele fierbinți indicată în primul rând de valoarea redusă a energiei minime de aprindere, de circa 10 ori mai mică decât cea necesară pentru hidrocarburi, energia minimă de aprindere devine egală cu aceea corespunzătoare unui amestec benzină-aer la o proporție hidrogen-aer de =5.
La alimentarea cu hidrogen a motoarelor cu formarea amestecului în exteriorul cilindrului, această proprietate crează riscul propagării în sens invers a flăcării, în sistemul de aprindere care este agravat de vitezele înalte de propagare a flăcării și de posibilitatea propagării flăcării până la o distanță foarte mică față de pereți reci.
DEZAVANTAJE ALE FOLOSIRII COMBUSTIBILILOR GAZOȘI LA M.A.I.
Utilizarea combustibililor gazoși la motoarele de autovehicule este condiționată de soluționarea unor dificultăți pe care le indică analiza proprietăților lor fizico-chimice.
Asigurarea unei autonomii normale a autovehiculului, căreia i se opune puterea calorifică redusă raportată la unitatea de volum, proprietate comună combustibililor gazoși. Lichefierea combustibililor gazoși care ar permite stocarea lor la bord în cantității mari este dificilă, pentru hidrogen și metan; o altă soluție care ridică obiecțiuni constă în stocarea lor în stare gazoasă, la presiune ridicată.
Tendința pronunțată la propagarea inversă a flăcării, în sistemul de admisiune și la aprindere necontrolată în cilindru, caracteristică hidrogenului și care pretinde măsuri speciale, constructive și de reglaj.
Tendința arderii rapide, cu viteze înalte de degajare a căldurii de reacție caracteristică hidrogenului, și care pretinde măsuri constructive, de reglaj sau de modificare directă a proprietăților de ardere ale combustibililor în acest sens, atrage atenția domeniului extrem de larg al dozajelor inflamabile.
Tendința de ardere anormală cu detonație a hidrogenului, pretinde un ansamblu de măsuri constructive și de reglaj pentru asigurarea funcționării eficiente a motorului. Pe de altă parte, motorul este caracterizat printr-o rezistență ridicată la arderea cu detonație care trebuie valorificată.
Pericolul de explozie, pe care îl introduc pierderile de combustibili gazoși care pretind măsuri speciale de siguranță; pericolul este maxim pentru hidrogen, din cauza vitezei mari de difuziune, a limitelor de inflamabilitate extrem de largi și a ușurinței cu care se aprinde.
ULEIURI VEGETALE
Încercările de a utiliza uleiuri vegetale drept combustibili în M.A.C. datează din anii 30.
Drept dificultăți principale s-au reliefat tendința pronunțată de formare a depozitelor cărbunoase în motor și de îngroșare a uleiului de ungere care au fost puse în legătură cu vâscozitatea foarte mare a uleiurilor vegetale.
Cercetările s-au înscris de la început pe linia modificării uleiurilor vegetale care rezultă din prelucrarea directă a semințelor de floarea- soarelui, ricin sau soia urmărindu-se în primul rând, reducerea vâscozității până la un nivel apropiat cu cel al motorinei. În această direcție se aplică un proces de transesterificare, prin care uleiul natural reacționează cu un alcool, în prezența unui catalizator, pentru a forma esteri de acizi grași.
Masa moleculară a unei molecule tipice de ester este de circa trei ori mai mică decât cea a unei molecule tipice de ulei și are o vâscozitate mult mai mică. Totuși vâscozitatea esterilor rămâne aproximativ dublă față de cea a motorinei. Volatilitatea esterilor este inferioară față de cea a motorinei. Punctele de tulburare și de picurare ale esterilor sunt cu mult mai ridicate decât cele ale motorinei.
Aceste caracteristici reliefează că esterii vor fi cu mult mai susceptibili față de problemele tipice condițiilor de exploatare la temperaturi scăzute dacă vor înlocui motorina de referință. Cifra de gume actuale, excesiv de ridicate față de cea a motorinei atrage de asemenea atenția.
Se apreciază că gumele rezultă în primul rând prin oxidarea hidrocarburilor nesăturate, prezente alături de acizii grași în compunerea esterilor. Gumele înfundă treptat filtrele de combustibil și facilitează înțepenirea acului injectoarelor de asemenea ținând seama de tendința pronunțată de formare de gume, nu va fi posibilă depozitarea pe termene lungi a esterilor.
Puterea calorifică superioară a esterilor este cu aproximativ 11% mai mică decât cea a motorinei, daca se raportează la unitatea de masă.
Esterii au proprietăți favorabile de autoaprindere, reflectate de cifra cetanică ridicată (figura 5).
1000/temperaturăK 1000/temperaturăK
Figura 5
Uleiul de floarea-soarelui are o întârziere la autoaprindere care prezintă o dependență față de temperatură, diferită de a hidrocarburilor folosite drept combustibili de referință la determinarea cifrei cetanice.
Întârzierea la autoaprindere este de 2,4 m/s la circa 940 K egală în aceste condiții cu a unui amestec de etalonare de cifra cetanică 35,8. La temperaturi inferioare devine mai mare decât a amestecului de cifra cetanică 35,8 la temperaturi superioare devine mai mică decât a unui amestec de cifră cetanică superioară astfel că la circa 900ºK, coincide cu aceea corespunzătoare unui amestec de cifră cetanică 100.
În consecință, la temperaturi scăzute, pornirea motorului alimentat cu ulei de floarea soarelui va fi mai dificilă decât în cazul alimentării cu un amestec de hidrocarbură etalon, de cifră cetanică 35. Pe de altă parte, în condiții de funcționare la cald a motorului, uleiul de floarea- soarelui se va aprinde ca un combustibil de cifră cetanică mai ridicată.
Monoesterul de floarea-soarelui are o întârziere la autoaprindere cu aceeași dependență față de temperatură ca și combustibilii etalon de cifră cetanică 59,9 în zona temperaturilor inferioare, sub circa 940 K, la temperaturi mai mari trece sub nivelul corespunzător amestecului de etaloane de cifră cetanică 100.
Ca urmare, acest combustibil se va comporta în toate condițiile de pornire a motorului asemănător unui combustibil convențional cu cifră cetanică de aproximativ 60 unități. Diferențele de comportare la autoaprindere între uleiul de floarea- soarelui și monoesterul respectiv sunt determinate, în primul rând de proprietățile lor fizice deosebite (de exemplu vâscozitatea) de care depinde întârzierea fizică la autoaprindere .
Încercările efectuate la standul de probe cu un M.A.C, cu injecție directă supraalimentat, de 70 KW la 2500 rot/min au arătat că în general, esterii asigură performanțe foarte apropiate de cele obținute cu motorina; scăderea cu numai 2…45 a puterii la o poziție constantă a cremalierei pompei de injecție, arată că puterea calorifică inferioară a esterilor este compensată de efectul combinat al densității mai mari și al reducerii scăpărilor de combustibil la pompă și injectoare, datorită vâscozității ridicate.
Nivelul emisiilor poluante a prezentat diferențe; concentrația de hidrocarburi din gazele de evacuare a fost cu circa 30% mai redusă, iar concentrația de oxizi de azot a crescut de 2…5 ori față de nivelul înregistrat pentru motorină. Fumul la regimul de plină sarcină a fost mai puțin vizibil pentru metil și etilesterul de ulei de soia, față de nivelul constant pentru motorină. Măsurile de control efectuate după o funcționare de 200 ore nu au evidențiat uzuri anormale ale pieselor; formarea de depozite s-a accentuat numai în zona canalelor portsegment din piston, în special pentru metil și butil esterii de ulei de soia.
Dificultatea principală care a intervenit în cursul probelor a constat în înfundarea frecventă a filtrului de combustibil, impunându-se înlocuirea sa după circa 50 ore de funcționare. În concluzie, monoesterul de ulei de floarea-soarelui și etil-esterul de soia apar drept cei mai promițători din punctul de vedere al utilizării lor în M.A.C. Factorul determinant care condiționează extinderea lor în domeniul combustibililor diesel
Rămâne însă posibilitatea obțineri lor la un cost suficient de scăzut, legat în bună parte și de tehnologia aplicată de transesterificare a uleiurilor.
Suspensii de cărbune în motorină
Ideea utilizării cărbunelui pulverizat într-un motor cu ardere internă a aparținut pentru prima dată lui RUDOLF DIESEL. Continuatorii și-au propus să realizeze un motor lent funcționând cu praf de cărbune introdus în aerul de admisie (funingine) și cu un pilot de combustibil diesel injectat în cilindru pentru asigurarea declanșării arderii, printre principalele dificultăți, care au rămas până la urmă nerezolvate, se menționează și cele legate de pulverizarea insuficient de fină a cărbunelui și controlul alimentării cu cărbune.
În forma actuală problema utilizării cărbunelui a fost reluată într-o variantă nouă de alimentare a motoarelor: se formează o suspensie de praf de cărbune în combustibil diesel, care se injectează în camera de ardere. Proprietățile suspensiilor studiate sunt în multe privințe similare. Conținutul de carbon și hidrogen este similar, puterile calorifice variază întrucâtva datorită diferențelor înregistrate de materialul solid. Valorile puterilor calorifice volumetrice corespunzătoare suspensiilor sunt superioare celor pentru combustibilul de bază, ceea ce arată că, la un debit invariabil al pompei de injecție, motorul ar putea dezvolta o putere mai mare, cu condiția ca arderea să decurgă identic.
Depozitele care se formează în interiorul echipamentului de injecție la funcționarea cu unele dintre suspensii pun în evidență două proprietăți
care trebuie luate în considerare: punctul de topire și solubilitatea componentului solid în fază lichidă. O măsură a solubilității componentului solid ar putea fi fracțiunea de insolubile în pentan. În acest sens se constată că suspensiile examinate, cu proporții de 30% materie solidă, sunt caracterizate prin valori cuprinse în intervalul 26,2…29,7 (grav) insolubile. Utilizarea acestora în motoare de construcție standard mai impune limitarea conținutului de sulf și cenușă; dezvoltarea motoarelor actuale în direcția utilizării suspensiilor de cărbune ar asigura desigur corectarea limitărilor impuse actualmente și, prin aceasta sporirea varietăților de suspensii utilizate în motor. O particularitate importantă a acestor suspensii este caracterul lor tixotropic , tensiunile tangențiale la
Figura 6
curgere fiind dependente de timp și de viteză de forfecare. Dependența față de viteza de forfecare este evidențiată în figura 6.
1 – suspensie de negru de fum
2 – suspensie de cocs de petrol
3 – suspensie de cărbune
4 – suspensie de cocs metalurgic pentru mai multe suspensii cu 30% materie solidă
S-a stabilit de asemenea că vâscozitățile aparente variază după natura materiei solide și viteza de forfecare. Aceste suspensii manifestă diferențe din punctul de vedere al procesului de injecție: la injecția în condiții atmosferice, se constată, de exemplu că suspensiei cu 30% negru de fum îi corespunde penetrația minimă și dispersia maximă a jetului, iar suspensiei cu 30% cocs de petrol- penetrația maximă și respectiv, dispersie minimă (figura 7).
Figura 7
1 – motorină
2 – suspensie de cocs de petrol 30%
3 – suspensie de negru de fum 30%.
Încercările au demonstrat posibilitatea funcționării unui M.A.C. rapid cu antecamera, alimentat cu suspensie de praf de cărbune în motorină, în condițiile desfășurării ceva mai defavorabile a arderii, marcate de reducerea randamentului efectiv cu 2,5…6% și ridicarea temperaturii gazelor de evacuare. Nu au fost constatate uzuri anormale.
Pentru combaterea tendinței de înțepenire a acului injectoarelor și a pistoanelor plonjoare de la pompa de injecție a fost necesar să se mărească jocurile de montaj.
La motorul cu injecție directă, diagramele degajării căldurii de reacție prezintă diferențe relativ mici față de cazul motorinei pure (figura 8).
Figura 8
În componenta a a figurii 8:
1 – motorină
2 – suspensie de negru de fum 10%
3 – suspensie negru de fum 20%
4 – suspensie de cărbune 10%
5 – suspensie de cărbune 20%
Diferențele sensibil mai mari care apar între consumurile efective specifice ce trebuie atribuite, în principal, efectului prelungirii duratei arderii; în cazul suspensiei cu 10% cărbune, s-a constatat o creștere a duratei totale a arderii cu 5oRA comparativ cu cazul motorinei pure. S-a înregistrat totodată o creștere a emisiei de fum în gazele de evacuare la alimentarea cu suspensii. În motorul cu cameră separată de preardere, suspensia de cocs metalurgic 30% a demonstrat o comportare egală cu a motorinei: întârzierea egală la autoaprindere, ca și desfășurarea similară a arderii, au condus la același randament efectiv. Pentru celelalte suspensii a rezultat însă o scădere de randament până la 7…8%.
În componenta b a figurii 8:
1 – motorină
2 – suspensie de negru de fum
3 – suspensie de cocs metalurgic 30%
4 – suspensie de cocs de petrol 30%
5 – suspnsie de cărbune
Diagrama vitezei degajării căldurii de reacție indică, pentru suspensia de cocs de petrol, o întârziere la autoaprindere mai mare, urmată de o fază amplă de ardere a amestecurilor preformate cu viteze mari de degajare a căldurii. Pentru ceilalți combustibili, diagramele vitezei de degajare a căldurii au același aspect ca și în cazul arderii motorinei pure, cu mici diferențe numai pentru durata totală a arderii.
În toate cazurile examinate se constată că în cursul arderii se consumă peste 90% din componentele solide din suspensie; arderea celor două componente este asociată, astfel că arderea incompletă și întârziată în destindere nu angajează numai componenta solidă ci ambele componente. În fine se constată că pulverizatorul cu ac cu știft și configurația de motor cu cameră separată de preardere sunt mai tolerante față de suspensiile de praf de cărbune, în comparație cu pulverizatorul cu mai multe orificii și motorul cu injecție directă.
Concluzia generală care se desprinde din aceste cercetări este că suspensiile de cărbune sau cocs în motorină pot fi utilizate cu bune rezultate în motoarele diesel.
FABRICAREA COMBUSTIBILILOR
NECONVENȚIONALI
Fabricarea compușilor organici oxigenați:
Fabricarea metanolului din resurse fosile:
Fabricarea metanolului se bazează pe acțiunea hidrogenului asupra oxidului de carbon din gazul de sinteză:
În afară de metanol mai rezultă că impuritate principală apa și în plus, eteri, cetone și alcooli grei. Pentru controlul reacției se folosesc în special catalizatori pe bază de cupru care permit reducerea nivelului parametrilor de lucru până la 40…80 bar și 260oC. Reacția este puternic exotermă ceea ce impune prevederea echipamentelor necesare pentru controlul eficace al temperaturii de lucru și recuperarea căldurii degajate. Gazul de sinteză CO+2H2, se poate obține din gaze naturale, fracțiuni petroliere grele cărbune inferior. În cazul fabricării din cărbune, după uscare și mărunțire, se procedează la gazeificarea prin oxidare parțială în prezența vaporilor de apă.
Fabricarea alcoolilor din deșeuri vegetale:
Gazeificarea deșeurilor ligno-celulozice
Deșeurile ligno-celulozice pot fi gazeificate printr-o oxidare parțială asemănătoare celei aplicate cărbunilor.
Procesul este complex, implicând uscarea (100…300oC), piroliza (600oC), reducerea și oxidarea.
Hidroliza și fermentarea:
Majoritatea biomaselor disponibile conțin amidon, celuloza sau alte polizaharide, care trebuie convertite mai întâi în mono sau dizaharide, pentru a putea fi transformate apoi prin fermentație în etanol. Procesul de convertire în zaharide cu structură mai simplă numit hidroliză se desfășoară în prezența acizilor sau a enzimelor.
Fabricarea compușilor oxigenați:
Metil terț –butil eterul (MTBE) se obține prin reacția izobutenei cu metanolul
CH3 CH3
| |
C- CH3 + CH3OH <===> CH3-O- C-CH3
| |
CH2 CH3
Reacția este exotermă și se desfășoară în fază lichidă la o temperatură moderată (sub 1000C) în prezența unui catalizator acid.
Metil terț amil eterul (MTAE) se poate obține pornind de la izomilene conținute în grupul C2 și metanol prin reacția:
CH3 CH3
| |
CH3- CH=C + CH3OH <=====> CH3- O- C- CH- CH3
CH2 CH3
Sinteza MTAE este similară celei prin care se produce MTBE grupul C2 rezultând prin cracarea catalitică sau vapocracare.
Fabricarea hidrogenului:
Hidrogenul este actualmente utilizat într-o serie de procese industriale: fabricarea metanolului și amoniacului, rafinarea petrolului, hidrogenarea uleiurilor comestibile fabricarea de mase plastice ș.a.
O parte importantă din hidrogenul industrial se produce prin reformarea cu vapori de apă a gazului metan sau oxidarea fracțiunilor petroliere grele. De asemenea se mai fabrică hidrogen prin gazeificarea cărbunelui și prin electroliza apei.
Alte metode, cum sunt descompunerea termochimică a apei și fotoelectroliza solară ar mai avea șanse de aplicare industrială în viitor.
Obținerea hidrogenului prin descompunerea termică a apei necesită realizarea temperaturilor mari necesare procesului (peste 2500oC la care randamentul este ridicat)
Se consideră că realizarea reacției în mai multe trepte poate constitui o soluție avantajoasă pentru obținerea hidrogenului din apă pe cale chimică, fără consum de energie electrică. Dificultățile constau în alegerea materialelor potrivite și în separarea celor două gaze.
Obținerea hidrogenului din apă:
Hidrogenul poate fi obținut din apă prin electroliză sau prin descompunere termică. În cazul electrolizei este folosit surplusul de energie electrică produs de generatoarele de curent din centralele electrice (hidrogenul astfel obținut este stocat sub formă gazoasă din cilindrii de oțel la 175 bar).
Procedee de electroliză:
– electroliza în instalații cu celule cu electrozi monopolari, catozii și anozii fiind separați prin diafragme poroase pentru prevenirea amestecării gazelor
– instalații de electroliză bipolare (necesită tensiuni înalte ale curentului electric).
– electroliza la presiune înaltă
– electroliza în faza de vapori la temperatură înaltă.
Norvegia se numără printre țările care produc hidrogen prin această metodă la scară industrială.
Un alt procedeu propus de specialiștii americani, se bazează pe utilizarea radiațiilor ultraviolete rezultate din plasma de fuziune.
Prin injectarea unor atomi cu masă mare în plasma de hidrogen, este posibilă obținerea fotonilor de o anumită lungime de undă pentru descompunerea apei, un proces similar aceluia care are loc în straturile superioare ale atmosferei.
Producerea pe scară largă a hidrogenului prin electroliza apei, asigură ca produs secundar obținerea de cantități mari de oxigen.
Obținerea hidrogenului din combustibili fosili:
Descompunerea termică a hidrocarburilor constituie în prezent procedeul industrial cel mai economic și este aplicat pe scară largă în cadrul industriei chimice de sinteză..
Procedee folosite actual:
Reformarea termică a gazelor naturale:
Hidrocarburile gazoase (metanul) împreună cu aburul, în prezența unui catalizator (nichel pe suport ceramic) la temperaturi de 650…980oC se transformă într-un amestec de hidrogen H2 și oxid de carbon CO.
Reformarea metanului cu vapori de apă cuprinde etapele:
– desulfurare, care se realizează cu cărbune activ sau ZnO,
– reformare, etapa în care metanul desulfurat împreună cu vaporii de apă (CH4/H2O=1/3) intră în reactor la presiunea de 10 bar și temperatura de 850oC. La ieșirea din reactor conțin 70..80% (v) H2, 10…15% (v) CO, CH4, CO2, etc.
– urmează o serie de etape de purificare a hidrogenului.
Descompunerea termică (piroliza) a hidrocarburilor:
Se realizează în absența oxigenului () procedeu care necesită realizarea unor temperaturi mari.
Reformarea sub presiune a benzinei grele:
Este un procedeu care s-a utilizat din 1962, în funcție de profilul rafinăriei, procesul de reformare este adaptabil la o serie de materii prime, inclusiv cele cu conținut ridicat de substanțe aromatice.
Reacția de bază în reformarea benzinei este:
Această reacție este urmată de metanare și apoi de conversie:
Metode bazate pe oxidarea parțială a hidrocarburilor:
Procedeele realizează conversia hidrocarburilor în prezența oxigenului la temperaturi înalte sub presiune și fără catalizatori. Putem aminti procedeele TEXACO (combustibilul este încălzit și amestecat cu vapori de apă la presiune ridicată și apoi este trecut în generator unde are loc reacția cu oxigenul) și SHEEL DEVELOPMENT (se desfășoară la 1400oC; îndepărtarea oxidului de carbon se face azot lichid).
Procedeele pe bază de cărbune:
Procedeul LURGI; cărbunele este gazeificat la 20..30 bar cu oxigen și abur în reactor cu strat fix la 570..620oC; datorită temperaturii scăzute și presiunii ridicate gazele rezultate au conținut ridicat de CH4 și CO2, purificarea fiind dificilă.
Procedeul KOPPERS-TOTZEK; gazeificarea are loc la presiune normală și temperatura ridicată cu oxigen și abur; temperatura fiind ridicata, conversia atinge 99% cu conținut redus de CH4 și fără alte subproduse.
Procedeul TEXACO; cărbunele măcinat formează o suspensie care este trecută în reactorul TEXACO unde, prin gazeificare, se obțin gaze care conțin CO, H2, CO2, CH4, N2, Ar, H2S, NH3, H2O, care se supun apoi unui tratament de purificare.
CONSIDERAȚII ECONOMICE A FABRICĂRII COMBUSTIBILILOR NECONVENȚIONALI
Analiza economică a diverselor procedee de obținere a combustibililor neconvenționali și aprecierea pe această bază a perspectivei utilizării acestora în viitor trebuie să ia în considerare elementele caracteristice ale unei țări sau zone geografice, fără să se piardă totodată din vedere aspectele de ordin global. Fabricarea unor compuși, cum sunt eterii sau alcoolii superiori, destinați în primul rând aditivării altor combustibili, trebuie analizată pe de altă parte într-un alt context. Produși în cantități relativ mici și susceptibili de a figura în cadrul schimburilor comerciale curente dintre țări, aceștia nu pretind accentuarea aspectelor de ordin energetic. Costul combustibililor neconvenționali, corespunzător unui procedeu, va depinde de costul materiei prime, de factorii tehnico-economici, printre care investițiile necesare, consumurile de energie și materiale, costul produselor chimice curente.
În final putem concluziona:
metanolul produs din cărbune se distinge, față de ceilalți combustibili neconvenționali, printr-o eficiență energetică superioară și un cost mai redus, apropiate de cele ale benzinei sintetice produse prin procedeul MOBIL.
Alcooli produși din biomasă prin hidroliză și fermentație sunt caracterizați prin costuri ridicate.
Hidrogenul produs prin gazeificarea cărbunelui are o eficiență energetică relativ ridicată, lichefierea în continuare a hidrogenului reduce mult eficiență energetică și sporește considerabil costul.
Hidrogenul produs prin electroliză prezintă cea mai scăzută eficiență energetică, chiar în perspectiva perfecționărilor care se întrevăd și totodată costul cel mai ridicat, de aceea acest procedeu nu apare competitiv cu celelalte procedee considerate.
SISTEME DE STOCARE A COMBUSTIBILILOR NECONVENȚIONALI LA BORDUL
AUTOMOBILELOR
Stocarea combustibililor lichizi (metanol):
Datorită puterii calorifice reduse în raport cu benzina sau motorina consumul de combustibil al motorului alimentat cu metanol este practic dublu. Capacitatea rezervorului de combustibil trebuie mărită în mod corespunzător pentru asigurarea unei autonomii de circulație echivalente a autovehiculului. Pentru motorul alimentat cu metanol pur, stocarea la bord se prevede într-un rezervor de dimensiuni mărite sau în două rezervoare independente. În cazul alimentării mixte (metanol și combustibil convențional) stocarea poate fi realizată fie într-un rezervor comun (sub formă de suspensie stabilă, cele două lichide fiind nemiscibile), fie separat (rezervor suplimentar pentru metanol sau rezervor unic, divizat în două compartimente). La proiectarea și construcția sistemului de stocare a metanolului la bordul autovehiculului trebuie să se ia în considerare proprietățile acestui combustibil, din punctul de vedere al separării fazelor alcool-combustibil convențional în prezența apei (în cazul sistemului mixt de alimentare), toxicitatea vaporilor de metanol și efectul coroziv al combustibilului asupra pieselor metalice. Pentru evitarea contactului cu atmosfera umedă și pentru prevenirea degajărilor de vapori de metanol în interiorul autovehiculului, rezervorul de combustibil trebuie etanșat corespunzător.
Stocarea combustibililor sub formă de gaz comprimat:
Stocarea gazului natural. Stocarea gazului natural comprimat se face în butelii-recipient la presiuni de 40-200 bar. Soluția de echipare a autovehiculului cu recipiente de gaz comprimat se stabilește în urma unei analize privind autonomia de circulație necesară, tipul autovehiculului și caracteristicile gazului natural utilizat (conținut de metan în gazul natural). Creșterea masei M a instalației de stocare, în funcție de numărul de recipiente, de capacitatea recipientelor și de conținutul de metan este reprezentată în figura 9.
Figura 9
Stocarea recipientelor se prevede din rațiuni de securitate, într-un spațiu separat (și etanșat) de habitaclu, în care se asigură o ventilație corespunzătoare.
În cazul autoturismelor, recipientele se instalează, în general în portbagaj. Montarea recipientelor pe acoperișul autovehiculului este o soluție rar utilizată, deoarece reduce stabilitatea autovehiculului și mărește sensibil rezistența la înaintare. De asemenea, sarcina admisibilă pe acoperiș fiind max 50-80 kg, autonomia de circulație este redusă la 40-70 km. Pentru autovehiculele utilitare se practică diferite soluții de stocare, în raport cu tipul autovehiculului. La camioanele cu platformă, recipientele se montează pe platformă, sau de preferință în spatele cabinei, în poziție verticală sau orizontală. În cazul furgonetelor, recipientele se instalează în interior, dacă există un perete despărțitor etanș între habitaclu și compartimentul destinat încărcăturii sau pe acoperiș, când nu există perete de separație, în cel de-al doilea caz este necesar un suport rigidizat. Stocarea recipientelor de gaz în cazul autobuzelor se practică fie în compartimentul bagajelor, fie pe acoperiș cu prevederea unui sistem corespunzător de rigidizare.
Stocarea hidrogenului
Stocarea la bordul autovehiculelor a recipientelor de hidrogen comprimat, de tipul celor utilizate curent în industrie, introduce penalizări extrem de severe privind volumul și încărcătura utilă a autovehiculului. Sistemul de stocare a hidrogenului comprimat în butelii, exprimat în procente din masa totală a autovehiculului, ar reprezenta 71% pentru un autoturism de cilindree mică, 60% pentru un autoturism de cilindree medie și circa 23% pentru autobuze. Acest dezavantaj, asociat coeficientului mărit de risc privind securitatea funcționării, exclude utilizarea acestui sistem de stocare pentru autovehicule.
Stocarea combustibililor sub formă de gaz lichefiat:
Stocarea gazului de petrol lichefiat. Gazul de petrol lichefiat (GPL) este stocat în butelii de formă cilindrică, din tablă de oțel sudată, capacitatea acestora variind în limitele 40-150 l. Pentru realizarea unei autonomii de circulație echivalente cu cea a unui autovehicul echipat cu motor alimentat cu benzină, recipientul de GPL trebuie să aibă o capacitate de 1,3-1,8 ori mai mare decât cea a rezervorului de benzină (1 l GPL echivalează energetic cu 0,8 l benzină) și o masă de 7-8 ori mai mare (grosimea tablei recipientului de GPL este de 4-7 bar), la o temperatură ambiantă de 50oC. Datorită tensiunii ridicate de vapori a GPL, umplerea recipientelor se efectuează la un volum de 80-85% din capacitate, pentru a lăsa spațiul necesar dilatării gazului, în condițiile creșterii temperaturii.
În figura 10 e prezentată schema unei instalații de stocare a GPL pentru autovehicule.
Figura 10
Recipientele cu gaz lichefiat se fixează prin intermediul unui sistem elastic 1 (Coliere metalice, placate cu pâslă sau cauciuc). Instalația de stocare conține robinetul de alimentare 5, indicatorul de nivel 8, cu plutitor și transmisie electrică a semnalului la tabloul de bord, robinetul de alimentare a motorului 2 și dispozitive de siguranță (supapă de sens unic 6) montată după racordul de alimentare 4, dispozitivul 7 cu plutitor, care reglează cantitatea de GPL în timpul alimentării în funcție de presiunea din recipient și robinetul 3, care permite evaluarea gazului în exterior, în cazul unei avarii).
Spațiul de stocare, izolat de habitaclu, este, în cazul autoturismelor, compartimentul portbagaj, iar pentru autovehicule utilitare compartimentul destinat mărfurilor sau bagajelor.
Stocarea hidrogenului lichid. Valoarea ridicată a densității de energie a hidrogenului lichid a determinat introducerea acestui combustibil pentru propulsia avioanelor și rachetelor. Numeroase informații în acest domeniu au favorizat, în consecință, și cercetările privind utilizarea și stocarea hidrogenului lichid pentru motoarele de autovehicul. Hidrogenul lichid poate fi stocat numai la temperatura de –253oC, fapt care impune utilizarea unor rezervoare criogenice. Sistemul de stocare la bordul autovehiculului este complicat și costisitor, datorită performanțelor tehnice ale rezervorului și echipamentelor auxiliare (schimbătoare de căldura, pompe criogenice), dificultăților de realizare a izolației (în vederea reducerii la minim a pierderilor inevitabile datorate temperaturii foarte scăzute a hidrogenului) și dispozitivelor de control, comandă și siguranță care trebuie instalate pe autovehicul. Componentele sistemului de stocare a hidrogenului lichid determină o masă de 4 ori și respectiv, un volum de 5 ori mai mare în raport cu un rezervor de benzină asigurând o autonomie echivalentă a autovehiculului.
În figura 11 e prezentată schema principială a unui rezervor pentru stocarea hidrogenului lichid.
Figura 11
1 – rezervor interior
2 – suporți de rigidizare
3 – rezervor exterior
4 – ecrane transversale
5 – încălzitoare electrice
6 – ecrane de radiație termică
7 – racord pentru traductori
8 – supapa de evacuare
9 – conducta de alimentare cu hidrogen lichid
10 – conducte de hidrogen spre motor
11 – izolație
Această soluție, realizată în baza unor tehnologii criogenice avansate, a urmărit reducerea pierderilor de hidrogen prin evaporare. În acest scop, între cele două rezervoare au fost introduse ecrane de radiație termică (folii de cupru, având grosimea de 0,8 mm).
Schimbul de căldura, datorită imperfecțiunii izolației, provoacă fierberea hidrogenului lichid în recipientul interior. Hidrogenul în stare de gaz, generat de fierbere, este utilizat pentru răcirea ecranelor de radiație micșorând astfel schimbul de căldura între cele două rezervoare. Cercetări sistematice au stabilit că nivelul pierderilor zilnice ale unui rezervor, izolat conform celor mai perfecționate tehnici criogenice existente este de circa 5%. Această valoare corespunde unei pierderi zilnice de 3l benzină. Nivelul de pierderi poate fi și mai ridicat, în cazul parcării de durată mare a autovehiculului în condițiile unei temperaturi ridicate a mediului ambiant. Printre problemele greu de rezolvat se mai poate aminti, consumul ridicat de energie primară necesar lichefierii hidrogenului, tehnologiile pretențioase de realizare a rezervoarelor criogenice și necesitatea creării unor stații de distribuție a hidrogenului lichid (care ar trebui aprovizionate prin autovehicule cisternă de dimensiuni mari).
Stocarea hidrogenului în hidruri metalice:
Procesul termodinamic de absorbție a hidrogenului în compuși metalici. Hidrurile metalice sunt compuși chimici solizi între hidrogen și un metal sau a aliajelor acestora, având proprietatea de a dizolva la anumite temperaturi hidrogenul, în cantități foarte mari. Aceasta proprietate constituie baza principiului de stocare a hidrogenului in compuși metalici, în vederea utilizării sale drept carburant sau în procese industriale.
Reacția chimică între metal (Me) și hidrogen conduce la formarea hidruri metalice (MeH)
Degajată (absorbție)
|
Me + H2 <=> MeH + Q
|
Introdusă (desorbție)
Reacția este exotermă la absorbția hidrogenului în metal și endotermă la desorbție, respectiv pentru degajarea hidrogenului din hidrura metalică este necesară introducerea unei cantități de căldură.
Utilizarea hidrurilor metalice drept rezervoare de stocare a hidrogenului pentru un anumit scop depinde de parametrii impuși pentru alimentarea cu hidrogen (presiunea și temperatura gazului) precum și de asigurarea cantității de căldură necesară desorbției hidrogenului la parametrii respectivi. Temperaturile la care presiunile de desorbție a hidrogenului sunt de 1-10 bar permit gruparea hidrurilor în două categorii:
Hidruri de temperaturi joase, care asigură o presiune de desorbție în limitele specificate, la temperaturi cuprinse între -10oC și +100oC și hidruri de temperaturi ridicate la care desorbția hidrogenului se realizează la temperaturi de 250o-350oC.
Cercetările efectuate evidențiază o capacitate maximă de stocare a hidrogenului în hidrurile de temperaturi joase de 2,3-2,5% iar în cazul hidrurilor de temperaturi înalte aceste valori pot ajunge la 8% (hidrura MgH2)
Construcția rezervoarelor de hidrogen stocat în hidruri metalice pentru acționarea motoarelor de autovehicul:
În cazul utilizării hidrurilor metalice drept sistem de stocare a hidrogenului pentru alimentarea motoarelor de autovehicul, desorbția gazului nu implică utilizarea unei energii suplimentare, căldura necesară desorbției fiind furnizată de motorul cu ardere internă.
Din acest punct de vedere pot fi utilizate atât hidrurile de temperaturi joase (agentul termic fiind fluidul de răcire al motorului) cât și hidrurile de temperaturi înalte, desorbția hidrogenului realizându-se cu ajutorul gazelor de ardere evacuate din motor.
Condiția principală impusă rezervorului de hidruri metalice pentru echiparea unui autovehicul este furnizarea unor anumite debite de hidrogen la presiuni determinate în conformitate cu regimurile de funcționare a motorului.
Aceasta presupune selecția unor hidruri metalice având o presiune convenabilă de desorbție-absorbție, pentru corelarea debitului de hidrogen cu regimurile de funcționare.
În vederea diminuării dezavantajului principal al hidrurilor metalice privind valorile ridicate ale masei rezervorului (respectiv autonomia redusă de circulație a autovehiculului), este indicată alegerea hidrurilor cu capacitate ridicata de stocare a hidrogenului.
Din punctul de vedere al alimentării autovehiculului în stația de distribuție, respectiv al procesului de absorbție al hidrogenului în hidrura metalică, aceasta trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: proces reversibil de absorbție-desorbție, presiuni și temperaturi de absorbție reduse și viteza de absorbție mare.
Siguranța în funcționare a stocării hidrogenului în hidruri metalice este net superioară în raport cu sistemele de stocare a tuturor combustibililor, convenționali sau neconvenționali.
La o eventuală distrugere a rezervorului, hidrogenul rămâne blocat în rețeaua cristalină a hidrurii.
Fiabilitatea hidrurilor metalice trebuie analizată din două puncte de vedere: toleranța față de impurități și stabilitatea la ciclurile repetate de absorbție-desorbție.
În procesele de fabricație a hidrogenului este posibil să apară în gaz unele impurități (CO, H2O) care în situația absorbției hidrogenului în hidruri, determină micșorarea vitezei de reacție și/sau a capacității de stocare a hidrurii. Acest fapt impune dotarea stațiilor de distribuție a hidrogenului cu instalații de purificare.
Din punctul de vedere al stabilității hidrurii la cicluri repetate de absorbție-desorbție, ca urmare a oboselii termice a materialului, este posibilă desprinderea unor particule metalice din masa hidrurii, care pot fi antrenate de hidrogen în cilindrii motorului. Deficiența poate fi evitată printr-un sistem de filtrare adecvat.
Construcția rezervorului de hidrogen stocat în hidruri metalice necesită realizarea unui schimbător de căldură, în care masa hidrurii este străbătută de circuitul de încălzire-răcire al agentului termic.
Primele soluții utilizau hidruri de temperatura joasă (activate de fluidul de răcire al motorului), la care circulația agentului termic este realizată printr-o serpentină înglobată în masa hidrurii.
În figura 12 e prezentată schema rezervorului de hidrogen stocat în hidruri metalice.
Figura 12
1 – cilindrul exterior
2 – cilindru interior
3 – termocuplu (măsoară temperatura hidrurii metalice)
4 – discuri de hidrură
5 – lamele (optimizarea transferului de căldură între agentul de
încălzire și hidrura
6 – tub central (intrarea respectiv evacuarea hidrogenului)
Echiparea autovehiculelor cu rezervoare de hidrogen stocat în hidruri metalice:
Instalarea unui rezervor de hidruri metalice la bordul autovehiculelor presupune o etapă preliminară de cercetare privind stabilirea capacității rezervorului de a furniza debitele de hidrogen necesare alimentării motorului, corespunzător diferitelor regimuri de funcționare, utilizând ca sursă de căldură fluidul de răcire sau gazele arse evacuate. Echiparea autovehiculelor cu rezervoare de hidrogen stocat în hidruri metalice este sever penalizată de valorile ridicate ale masei M și volumul rezervorului V. Datorită masei metalice, densitatea de energie a hidrogenului stocat în hidruri este considerabil mai mică în raport cu celelalte sisteme de stocare a hidrogenului sau în raport cu alți combustibili.
Pentru autovehiculele din categoria autoturismelor, echiparea cu rezervoare cu hidruri metalice devine eficientă, sub aspectul masei și volumului util, în următoarele situații:
Instalarea la bordul autovehiculului a unor rezervoare de hidruri metalice având mase de maxim 200 kg. Această valoare asigură stocarea unei energii echivalente cu cea obținută în 12-16 l benzină, respectiv o autonomie de circulație de 150-200 km pentru taxiuri și autoutilitare. În cazul autobuzelor, autonomia specifică poate fi sensibil mărită, prin instalarea unor rezervoare având masa de 500-600 kg, valori care nu micșorează substanțial volumul și masa utilă a autovehiculului.
Utilizarea soluției de alimentare mixtă (benzină-hidrogen sau motorină-hidrogen), care conduce la economii apreciabile de combustibil convențional (25-40%) menținând autonomia autovehiculului la nivele satisfăcătoare.
Generatoare de hidrogen transportabile:
Rentabilitatea generatoarelor de hidrogen rezidă din eliminarea operațiilor de transport și stocare a hidrogenului. Ele pot asigura debite mici de hidrogen pentru utilizarea în pilele de combustie de puteri mici și medii, locația lor fiind pe automobil.
Procedeele utilizate se bazează pe descompunerea sau reformarea catalitică a unor compuși chimici ce conțin hidrogen: hidrocarburi lichide, alcooli primari sau amoniac.
Generatoare de hidrogen care utilizează hidrocarburi.
Procedeul cuprinde două etape:
1 – reformarea catalitică cu vapori de apă la 800oC (se obține amestec gazos de H2, CO și CO2).
2 – conversia oxidului de carbon și separarea hidrogenului.
Reacția globală de cracare a hidrocarburilor în amestec cu apa este:
Soluția presupune utilizarea unui reactor termic (temperaturi peste 815oC) în care se introduc hidrocarburi lichide și apa sub presiune (80…100 bar) pentru asigurarea unui randament ridicat al reacției chimice.
Generatoare de hidrogen cu alcooli primari. Un generator de hidrogen cu alcool metilic are același principiu ca și în cazul utilizării hidrocarburilor.
1 – se trece un amestec echimolar de alcool metilic și apă peste un catalizator și se obține H2 și CO.
2 – se transformă CO în CO2 cu ajutorul vaporilor de apă la 160oC, proces în care se obține și H2.
Generatoare de hidrogen cu amoniac:
Producerea hidrogenului prin descompunerea amoniacului la temperaturi de 550….600oC este convenabilă, deoarece amestecul de N2 și H2 se obține cu un randament foarte ridicat (98%) și nu mai necesită o purificare suplimentară pentru folosirea în pilele de combustie.
În tabelul 2 e prezentat studiul performanțelor unui autovehicul alimentat cu motorină comparativ cu autovehiculul alimentat cu combustibili neconvenționali (hidrogen, GNC și GPL).
Tabel 2
Celulele de combustie sau pilele de combustie (FUEL CELL):
Folosirea hidrogenului drept combustibil în M.A.I. se mai poate evidenția cu ajutorul celulelor de combustie.
Celulele de combustie constituie cea mai atractivă soluție de producere a hidrogenului la bordul autovehiculului, care reprezintă cea mai atractivă soluție de producere a hidrogenului la bordul autovehiculului.
Principial o celulă de combustie este asemănătoare unui acumulator auto, spre deosebire de acesta ,ea nu-și micșorează puterea de livrare și nu necesită reîncărcare periodică; ea va produce energie electrică și căldură atât timp cât va fi alimentată cu combustibil.
Celula de combustie este ca un sandwich: doi electrozi între care se găsește un electrolit (o membrană permeabilă numai pentru protoni); oxigenul trece prin catodul poros, iar hidrogenul prin anodul poros, generând curent, căldură și apă (figura 13).
Figura 13
Oxigenul sau aerul intră în celula de combustie prin catodul poros. Anodul, poros și el, saturat în hidrogenul ce se obține prin transformarea oricărui combustibil- de la combustibilii fosili (gaze naturale, gaz metan, propan, butan, benzină, motorină) până la alcooli (metanol, etanol)- într-un reformator de combustibil, sau se găsește ca atare comprimat (butelii) sau lichefiat (vase criogenice) separă atomii de hidrogen în protoni și electroni printr-un catalizator plasat între el și electrolit, care se îndreaptă spre catod pe căi diferite: protonii traversează electrolitul (membrana permeabilă), iar electronii creează un curent ce poate fi folosit de un utilizator (motor electric) înainte de a ajunge la catod, unde se reunesc cu hidrogenul și oxigenul formând molecula de apă. La ieșirea din celula de combustie rezultă electricitate, apă și căldură. Procesele ce au loc în celula de combustie decurg la temperaturi joase –90….200ºC .
La anod are loc reacția:
La catod are loc reacția:
În cazul folosirii metanolului (utilizat împreună cu apa) au loc reacțiile:
La anod are loc reacția:
La catod are loc reacția:
Tipuri de celule de combustie:
1. Celule de combustie pe bază de acid fosforic PAFC (Phosphoric Acid Fuell Cell ) funcționează la temperaturi de 150…210oC cu randament de 36…45% și folosește ca electrolit acid fosforic concentrat asigurând puteri de până la 300 kW.
Avantaje:
Sunt relativ tolerante la CO și acceptă gazul metan.
Dezavantaje:
Componente scumpe, coroziune ridicată și o durată de viață scurtă.
Utilizare:
Unități stabile pentru spitale, hoteluri, școli, aeroporturi etc.
2. Celule de combustie cu membrana permeabilă pentru protoni PEM (Proton Exchange Membranes). Funcționează la temperaturi scăzute până la 100oC, folosesc un electrolit solid pe bază de fluor și au un randament de 32…40%.
Avantaje:
Au o mare densitate de putere și o flexibilitate foarte mare în funcționare.
Dezavantaje:
Nu suportă CO, au componente scumpe, iar cogenerarea este scumpă.
Utilizare:
Pentru autovehicule, submarine,în programe spațiale, pentru autovehicule ușoare.
3. Celule de combustie bazate pe săruri de carbon topite MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell ). Funcționează la 550….650oC și folosesc ca electrolit carbonați topiți de litiu sau potasiu.
Avantaje:
Randament foarte bun (50..60%) suportă CO și gazul natural, nu folosesc metale prețioase (platina).
Dezavantaje: Coroziune ridicată.
Utilizare:
Se dovedesc a fi foarte eficiente în producția de energie electrică, alimentarea localităților izolate (până la 2 MW).
4. Celulele de combustie bazate pe oxizi solizi SOFC (Solid Oxide Fuel Cell ), folosesc ca electrolit un material ceramic dur (din bioxid de zirconiu) ce permite atingerea unor temperaturi ridicate (1000..1100oC).
Avantaje: Randament foarte bun (până la 70%), pot folosi diferiți combustibili direct.
Dezavantaje: O structură fragilă la temperaturi ridicate, necesită timp îndelungat de încălzire.
Utilizare:
Centrale electrice și în aplicații industriale de mare putere, cât și pentru motoarele autovehiculelor și unității auxiliare de forță.
5. Celule de combustie alcaline AFC (Alkaline Fuel Cell), folosesc ca electrolit hidroxidul de potasiu, asigurând randamente de 55…60%. Temperatura de funcționare fiind scăzută (-70…100oC).
Avantaje: Suportă CO și folosește materiale ieftine.
Dezavantaje: Folosesc hidrogen și oxigen pure, nu suportă CO2, iar electrolitul este corosiv.
6. Celulele de combustie folosind direct metanolul DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), randamentul este de aproximativ 40%, iar temperaturile de funcționare sunt cuprinse în intervalul 49…88oC.
Avantaje: Se elimină necesitatea reformatorului de combustibil (catalizatorul de la anod atrage el însuși hidrogenul din metanol lichid).
Dezavantaje: Existența metanolului implică toate dezavantajele caracteristice alcoolilor.
7. Celulele de combustie regenerative RFC (Regenerative Fuel Cell) printre ultimele realizări în domeniu sunt atractive prin aceea că ele realizează un ciclu al generării puterii.
Cu ajutorul unui electrolizor a cărui putere este furnizată de energia solară, apa este separată în oxigen și hidrogen. Acestea fiind la saturație în celula de combustie, se combină producând energie electrică, apă și căldură.
Apa astfel rezultată este recirculată la electrolizorul alimentat cu energie solară, unde procesul se reia. (NASA).
Hidrogenul necesar funcționării celulei de combustie se poate obține prin mai multe metode prezentate în figura 14.
Figura 14
Metanolul ca o formă a gazului natural lichefiat stocat la temperatura si presiunea mediului ambiant.
Avantaje ale folosirii metanolului la celulele de combustie:
lipsa sulfului din compoziție (sulful reprezintă otravă pentru catalizatori)
este mai puțin periculos decât hidrogenul ținut în vase criogenice
este mai economic decât hidrogenul stocat în vasele criogenice
furnizează mai mult hidrogen decât benzina la folosirea unui reformator
posibilitatea de a fi folosit direct în celulele de combustie DFMC
emisii poluante zero
Dezavantaje ale folosirii metanolului în celulele de combustie:
autonomia autovehiculului se reduce
necesită un timp de încălzire mare a procesorului
necesită o infrastructură proprie
este toxic, putând provoca boli de piele la contact prelungit
Probleme ridicate de folosirea celulelor de combustie:
– pentru producerea puterii necesare, celulele de combustie sunt așezate sub formă de teanc, un teanc conținând sute de celule (apar probleme de menținere în stare umedă, dar nu inundate în apă și de optimizare a transportului de hidrogen, oxigen și apă
– evacuarea căldurii degajate de pachetul de celule de combustie ridică o problemă deosebită.
– compatibilitatea materialelor cu lichidul de răcire (nu se folosesc materiale ionice), lichidul de răcire deionizat este foarte corosiv.
– la temperaturi sub 0oC există pericolul de înghețare a apei.
Avantaje ale folosirii celulelor de combustie:
– celulele de combustie funcționează cu un randament mai bun decât M.A.I.
– din punctul de vedere al emisiilor poluante, celulele de combustie sunt net superioare M.A.I.
SISTEME DE ALIMENTARE CU COMBUSTIBIL NECONVENȚIONAL
Pentru motoare cu combustibil lichid:
Sistemul de alimentare cu alcooli a motoarelor de autovehicule prezintă anumite particularități în raport cu soluția de formare a amestecului aer-combustibil 9 carburație sau injecție). La motoarele cu carburator instalația de alimentare este practic similară cu cea corespunzătoare motoarelor cu combustibil convențional.
Transformările necesare se referă la încălzirea conductei de admisie, în scopul evitării condensării combustibilului și la modificarea diametrelor jicloarelor carburatorului în vederea măririi debitului de combustibil, ca urmare a puterii calorifice reduse a alcoolilor în raport cu combustibilii convenționali. Încălzirea conductei de admisie este realizată prin montarea acesteia într-o incintă racordată la circuitul de răcire al motorului. Modificarea la carburator constă în mărirea diametrelor jicloarelor de combustibil și micșorarea diametrului jiclorului de aer.
În cazul motoarelor cu injecție de alcool în cilindru la sfârșitul cursei de comprimare, transferul de căldură de la pereții cilindrului către vaporii de combustibil asigură vaporizarea completă a acestuia fără dispozitive de preîncălzire.
În figura 15 e prezentată schema unei instalații de alimentare prin injecție de metanol a unui motor de autoturism.
În figura 15:
pompa de combustibil
pompa de injecție
injectoare
rezervor combustibil
conducta de retur
pompa de joasă presiune
conducta de alimentare
rezervor tampon
Pentru motoare alimentate cu gaze:
Motoare alimentate cu gaz natural GNC.
Elementele specifice ale unei instalații de alimentare cu gaz natural a motoarelor de autovehicule conțin drept elemente specifice reductorul de presiune a gazului comprimat (stocat în recipienți) amestecător de gaz și dispozitivele de siguranță și reglaj în vederea realizării securității funcționării autovehiculului
În figura 16 e prezentată schema instalației de alimentare a unui MAS cu gaz metan stocat GNC în recipienți la bordul autovehiculelor.
Figura 16
1 – racord alimentare
2 – ventil de golire rapidă
3 – recipienți de gaz
4 – manometru
5 – reductor de presiune
6 – conducte de gaz
7 – electroventil de siguranță
8 – jiclor de gaz
9 – ventil de închidere
10 – carburator
11 – pompa de benzină
12 – electroventil de alimentare cu benzină
13 – conducta de benzină
14 – legatura elastică
15 – ventil de alimentare a motorului
Dispozitivele de siguranță permit evacuarea rapidă a gazului din recipienți în caz de avarie (ventilul 2) controlul presiunii gazului furnizat de reductorul de presiune (electroventilul 9) și blocarea accesului gazului spre carburator (ventilele 4 și 15). Se remarcă faptul că instalația este prevăzută cu posibilitatea alimentarii integrale cu benzină, în cazul epuizării gazului din recipienți.
Pentru motoare alimentate cu gaze de petrol lichefiate (GPL):
Sistemele de alimentare cu GPL a motoarelor de autovehicul îndeplinesc următoarele funcțiuni:
vehicularea combustibilului din instalația de stocare spre motor în condiții de securitate maximă.
vaporizarea GPL și reducerea presiunii acestuia la nivelul necesar alimentării motorului.
formarea amestecului aer-combustibil, corespunzător principalelor regimuri de funcționare a motorului.
În figura 17 e prezentată schema instalației de alimentare cu GPL a unui MAS pentru autovehicule.
Figura 17
rezervor
sorb
dispozitiv care asigură alimentarea motorului (85% din capacitate)
racord ventil
filtru
electroventil
vaporizator regulator (racordat la circuitul de răcire al motorului prin conductele 9)
conducte
amestecator
comutator la bord de întrerupere a alimentării cu gaz din rezervor
conducta de legătură
Pentru motoare alimentate cu hidrogen stocat în stare solidă:
În figura 18 e prezentată schema instalației de alimentare cu hidrogen stocat în hidrura metalică, desorbția hidrogenului fiind realizată cu absorbția căldurii din gazele de evacuare arse.
Figura 18
1 – radiator de apă
2 – colectoare de evacuare
3 – amortizoare de zgomot
4 – clapeta de derivare a gazelor de evacuare
5 – pompa suplimentară de apă
6 – rezervor de hidrură metalică
7 – schimbător de căldură
În figura 19 e prezentată schema instalației de alimentare cu hidrogen stocat în hidrura metalică, agentul de activare a hidrurii fiind circuitul de răcire al motorului.
Figura 19
1 – radiator de apă
2 – termostat
3 – pompa suplimentară de apă
4 – conducte de apă de răcire
5 – rezervor de hidrură metalică
6 – pompa de apă a circuitului de răcire al motorului
În situația alimentării motorului cu doi combustibili independenți pompa de apă suplimentară 3 este deconectată și desorbția hidrogenului se întrerupe.
În figura 20 e prezentată schema instalației de alimentare pentru motoarele alimentate cu hidrogen stocat sub formă de gaz lichefiat în rezervoare criogenice.
Figura 20
1 – supapa de siguranță
2 – rezervor de hidrogen sub presiune
3 – rezervor cu izolație prin vacuum cu pereți dublii
4 – pompa de hidrogen lichid
5 – mecanism bielă-manivelă
6 – rezervor tampon
7 – supapa de suprapresiune
8 – schimbător de căldură acționat de circuitul de răcire al motorului
9 – supapa de injecție a hidrogenului
10 – bujie
MOTOARE ALIMENTATE CU DOI
COMBUSTIBILI
Alcooli și combustibil convențional:
Conform datelor expuse până în prezent, alimentarea motoarelor de autovehicule cu alcool impune un volum important de modificări ale motorului.
În cazul M.A.S., aceste modificări vizează în general carburatorul, colectorul de admisie (preîncălzirea amestecului aer-alcool și optimizarea repartiției amestecului în cilindri), precum și prevederea unor soluții de pornire la rece. La motoarele diesel datorită cifrei cetanice reduse a alcoolilor alimentarea cu alcool pur este practic imposibilă fiind necesară introducerea bujiei incandescente sau transformarea în M.A.S.
Practica a demonstrat că pentru alimentarea cu etanol pur a fost necesară reproiectarea completă a motoarelor adaptate pentru funcționarea cu acest combustibil. Acest dezavantaj poate fi evitat prin alimentarea motorului cu doi combustibili independenți (alcool și combustibil convențional) sau prin alimentarea cu amestec de alcool-combustibil convențional.
Din punct de vedere constructiv, alimentarea separată poate fi realizată în două variante:
metoda carburație – injecție (dual-fuel), constând în aprinderea amestecului aer-alcool prin injecție pilot de motorină.
Utilizarea a două circuite de injecție separate (alcool și motorină)
La prima variantă apar dificultăți privind reglajul debitelor celor doi combustibili în funcție de sarcină, iar la soluția a doua introduce complicații de natură tehnologică privind realizarea celor doua circuite de alimentare.
În figura 21 e prezentată schema instalației de alimentare a unui motor de autovehicul utilizând două circuite separate.
Figura 21
1 – rezervor etanol
2 – rezervor motorină
3 – pompă alimentare prealabilă
4 – regulator de turație
5 – supapă de presiune constantă
6 – pompă de injecție pentru etanol
7 – injector de etanol cu presiune diferențială
8 – injector de motorină
Acest sistem de alimentare funcționează conform principiului injecției la presiune diferențiată. Pompa 3 de alimentare prealabila a motorinei debitează o cantitate mică de combustibil în zona superioară a cilindrului de presiune diferențială a injectorului de etanol 7 determinând coborârea pistonului de refulare.
Supapa de presiune constantă 6 permite accesul etanolului în spațiul de aspirație al pompei de injecție 5, în sens invers refulării, când presiunea motorinei în cilindrul diferențial este superioară presiunii etanolului. În procesul de refulare a etanolului de către pompa de injecție 5 spre injectorul de etanol 7, o cantitate mică de etanol este dirijată în cilindrul diferențial, determinând ridicarea pistonului de refulare și respectiv injecția pilot de motorină în cilindrii motorului prin injectorul 8.
În perioada următoare a ciclului are loc injecția combustibilului principal (etanolul). Ca urmare a acțiunii diferențiale a presiunii în injectorul de etanol, pompa de injecție 5 realizează atât injecția motorinei cât și a etanolului.
Instalația de alimentare cu gaz natural și combustibil convențional:
Adaptarea la funcționarea cu gaz natural a motoarelor (MAS) necesită transformări ale instalației de alimentare și ale sistemului de reglaj al regimurilor de funcționare. Practic aceste transformări reprezintă fie introducerea unui carburator suplimentar de gaz și a unui dozator, fie adaptarea carburatorului motorului pentru a asigura o dozare corespunzătoare a amestecului aer-combustibil, independent de tipul combustibilului. În ambele alternative este necesară introducerea unui organ de reglaj încorporat în instalația de alimentare.
Instalații de alimentare cu gaze de petrol lichefiate și combustibil convențional:
Răspândirea cea mai largă o au instalațiile de alimentare de tip bicarburație (alimentare separată cu GPL și benzină), în vederea asigurării unei elasticități mărite de exploatare a autovehiculului și a unei autonomii de circulație satisfăcătoare.
În figura 22 e prezentată schema instalației de tip bicarburație.
Figura 22
1 – rezervor GPL
2 – electrovalva GPL
3 – baterie de acumulator
4 – comutator în tabloul de bord
5 – întrerupător circuit electric
6 – circuit de răcire motor
6’ – circuit răcire motor
7 – vaporizator detentor
8 – conductă de legătură
9 – electrovalva benzină
10 – pompa de alimentare benzină
11 – rezervor benzină
12 – electrovalva
13 – carburator
14 – colector de admisie
Alimentarea cu doi combustibili în amestec:
Se practică acest tip de amestecuri de combustibil în vederea asigurării economiei de combustibil convențional respectiv și reducerii nivelului de emisii poluante. Amestecurile sunt formate, în general, din combustibili lichizi, cei neconvenționali fiind etanol sau metanol. Prepararea amestecului benzină-metanol implică utilizarea aditivilor, în scopul evitării fazelor. Instalațiile de alimentare ale motoarelor de autovehicul utilizând amestecuri benzină-metanol sunt similare motoarelor uzual cu aprindere și prin scânteie (MAS).
SISTEME DE FORMARE A AMESTECULUI
AER-COMBUSTIBIL NECONVENȚIONAL
Controlul calității amestecului și al dozei de combustibil la alimentarea unui motor cu combustibil convențional.
Se consideră că un motor alimentat cu combustibil standard este transformat și alimentat cu doi combustibili: unul standard S și unul neconvențional N. Alimentarea se face independent (simultan sau succesiv) sau mixt (emulsie sau amestec).
Se notează:
– doza de combustibil standard (masa de combustibil pe ciclu și cilindru)
– doza globală de combustibil
– doza de combustibil neconvențional
Se notează și proporțiile de combustibil neconvențional și standard din doza globală
În cazul general (dacă alimentare numai cu combustibil standard; dacă alimentare numai cu combustibil neconvențional).
Calitatea amestecului se controlează prin coeficientul de dozaj .
Pentru a nu compromite performanțele motorului se impune drept condiție fundamentală a transformării, egalitatea puterilor efective nominală dezvoltată de motor înainte și după transformare.
– puterea efectivă nominală a motorului inițial considerat de referință
– puterea motorului alimentat cu doi combustibili
Evident motorul transformat conservă litrajul. Se impune condiția ca motorul transformat să conserve și turația nominală. Atunci presiunile medii efective pe dezvoltate de motor în cele două condiții diferite de alimentare trebuie să fie egale.
Explicitând:
Unde: = puterea calorifică inferioară a combustibilului standard
= puterea calorifică inferioară a celor doi combustibili la un loc.
= aerul minim necesar arderii complete a combustibilului standard
= aerul minim necesar arderii complete a celor doi combustibili
= densitatea aerului în condiții inițiale de stare
= randamentul indicat al motorului înainte de transformare
= randamentul indicat al motorului după transformare
= coeficient de dozaj al aerului pentru cazul standard
= coeficient de dozaj al aerului pentru cazul celor doi combustibili
= gradul de umplere a combustibilului standard
= gradul de umplere a celor doi combustibili
= randamentul mecanic în cazul folosirii combustibilului standard
= randamentul mecanic în cazul folosirii celor doi combustibili
Se consideră îndeplinite condițiile: = ; =
Dacă se notează cu L aerul disponibil la arderea unui kilogram de combustibil rezultă:
Din relația prin explicitare rezultă:
Relație din care rezultă aerul minim disponibil:
sau:
Se calculează puterea calorifică inferioară a celor doi combustibili:
Aerul disponibil pentru un kilogram de combustibil este:
și de unde rezultă:
de unde rezultă:
Se știe că: , sunt masele de aer, respectiv de
combustibil din amestec.
Masa de aer disponibilă este determinată de mărimea cilindeei și de gradul de umplere
La transformarea motorului rămâne neschimbat rezultă:
; ;
Particularitățile formării amestecului la nivelul scărilor mari, la motoarele diesel alimentate cu combustibil neconvențional în regim nominal
Viteza unghiulară funcțională și raportul funcțional de vârtej
Este cunoscut că în MAC procesul de formare a amestecului se desfășoară la două niveluri distincte: la nivelul microscărilor, sub acțiunea difuziei turbulente, și la nivelul macroscărilor sub acțiunea mișcărilor dirijate, care alimentează cu aer jeturile de combustibil sau pelicula de combustibil depusă pe perete.
Aceste particularități ale procesului de formare a amestecului sunt specifice motorului diesel, întrucât funcționează cu amestec neomogen aer-combustibil lichid. Perfecționarea procesului de amestecare a aerului cu combustibilul la nivelul scărilor mari este un deziderat.
Macromixtura prezintă mari constrângeri în regim nominal, în regimurile de accelerare. Controlând mai bine macromixtura, cercetarea și proiectarea au redus coeficientul de dozaj al aerului la limita de fum cu 30-40% și au satisfăcut cerința generală de creștere a turației motoarelor diesel de autovehicule.
Considerând jeturile de combustibil drept izvoare /surse locale de vapori dispuse ordonat în ansamblul spațiului de ardere din cilindru, macromixtura se dezvoltă după cele trei direcții caracteristice, direcția axială Oa, direcția radială Or și direcția tangențială Ot conform figurii 23.
Figura 23
Distribuțiile axială și radială se obțin prin orientarea jeturilor definită prin unghiul de deschidere dintre jeturile din planul longitudinal al cilindrului și prin mișcarea radială care se dezvoltă centripet și centrifug și se definește printr-o viteză caracteristică.
Distribuția combustibilului în jurul axei cilindrului, în planul transversal se realizează prin mișcarea de rotație a fluidului motor, caracterizată prin viteza unghiulară de rotație , denumită în continuare viteza unghiulară efectivă sau proiectată de rotație deoarece este realizată prin forma și dimensiunile proiectate ale unor organ din sistemul de distribuție și ale camerei de ardere. Se obișnuiește să se raporteze viteza unghiulară la viteza unghiulara de rotație a arborelui cotit . Raportul celor doua mărimi se numește raport efectiv sau proiectat de vârtej.
Particularitățile sistemului de admisie la utilizarea
combustibililor neconvenționali.
Combustibili lichizi (alcooli):
Formarea amestecului aer-vapori de alcooli poate fi realizată în exteriorul sau în interiorul cilindrilor, respectiv prin carburație sau prin injectarea combustibilului lichid în cilindri. În raport cu formarea exterioară sau interioară a amestecului sistemul de admisiune prezintă caracteristici diferite. În cazul motoarelor cu carburator alimentate cu metanol, răcirea intensă a amestecului aer-combustibil datorită căldurii de vaporizare ridicate a metanolului, determină formarea unei pelicule de metanol pe pereții traseului de admisie și în consecință, repartizarea neuniformă a amestecului în cilindrii, respectiv o ardere incompletă.
Pentru evitarea acestui dezavantaj este necesară încălzirea colectorului de admisiune. Soluția constă în racordarea colectorului la circuitul de răcire al motorului sau la traseul de evacuare al gazelor arse. La MAC metanolul lichid este introdus în cilindrii prin injecție, vaporizându-se în timpul cursei de comprimare. În acest caz, transferul de căldură de la pereții fierbinți ai camerei de ardere și ai cilindrului este suficient de mare pentru realizarea unui amestec omogen în cilindrii, iar sistemul de admisiune este practic similar cu cel al motoarelor diesel uzuale.
Combustibili gazoși:
Densitatea redusă a gazelor în raport cu cea a combustibililor convenționali, influențează în mod negativ formarea amestecului și respectiv, performanțele motorului alimentat cu gaze. În cazul formării exterioare a amestecului, calitatea umplerii scade sensibil, valorile randamentului volumetric fiind cu 10-30% mai mici în raport cu valorile corespunzătoare amestecului aer-vapori de benzină. Formarea interioară a amestecului se înrăutățește, de asemenea, datorită micșorării penetrației și dispersiei jetului de gaz injectat în aer și respectiv duratei de timp pe ciclu a formării amestecului, mai mică în raport cu formarea exterioară a amestecului.
Vitezele de difuziune în aer a combustibililor gazoși, mai mari în raport cu combustibilii convenționali reprezintă o tendință pozitivă, de omogenizare a amestecului aer-combustibil. Ca urmare, repartizarea amestecului aer-gaz în cilindrii motorului este mai uniform, fapt avantajos sub aspectul economicității și al nivelului de produși poluanți.
În cazul motoarelor alimentate cu gaz natural, elementele caracteristice ale sistemului de admisiune sunt reductorul de presiune și amestecătorul dozator. Reductorul regulator de presiune micșorează presiunea gazului comprimat de la valori de 40-200 bar la valoarea prescrisă pentru alimentarea motorului. Amestecătorul-dozator, construit după principiul carburatorului îndeplinește aceleași funcții pentru asigurarea dozajului necesar fiecărui regim de funcționare.
Din punct de vedere funcțional, în raport cu sensul de mișcare reciprocă a curenților de aer și gaz, amestecătoarele se clasifică în următoarele grupe:
amestecătoarele cu curenți de aer și gaz care se intersectează (figura 24 a)
amestecătoare cu curenți paraleli (figura 24 b)
Figura 24
Sistemele de admisiune ale motoarelor alimentate cu GPL sunt proiectate în majoritatea cazurilor cu formarea exterioară a amestecului, echipamentele principale ale sistemului fiind vaporizatorul-detentor, amestecătorul de gaz (carburatorul) și organul de reglaj al debitului de amestec aer-combustibil trimis spre cilindrii motorului.
Motoarele alimentate cu hidrogen sunt construite cu sisteme de formare exterioară a amestecului sau prin introducerea hidrogenului direct în cilindri.
Diagrama indicată a motorului care funcționează cu hidrogen (figura 25).
Figura 25
În prima variantă hidrogenul este introdus în timpul admisiunii I în colectorul de admisiune în cilindri intrând un amestec omogen aer-hidrogen între ISE și ISA.
Presiunea gazului la intrarea în colectorul de admisiune este în general ușor superioară presiunii atmosferice (1…1,2 bar). Avantajele acestui sistem sunt simplitatea construcției și presiunea joasă de alimentare a hidrogenului. Sistemul prezintă însă dezavantajele scăderii performanțelor motorului și perturbării procesului de ardere ca urmare a aprinderilor necontrolate și a întoarcerii flăcării în conducta de admisiune. Tendința întoarcerii flăcării poate fi atenuată prin introducerea hidrogenului în zona porții supapei de admisiune.
Formarea interioară a amestecului aer-hidrogen se efectuează prin introducerea separată a celor două gaze în cilindru. Aerul intră în cilindru prin sistemul de admisiune uzual, iar hidrogenul este injectat în timpul perioadei de comprimare, la presiuni joase (1,5-3 bar, la începutul comprimării II, sau la înalte 50-90 bar la sfârșitul comprimării III ); IM injecția motorinei IH- injecția hidrogenului. În cazul MAS, soluția constructivă poate fi realizată printr-o supapă de hidrogen acționată de un culbutor suplimentar solidar cu culbutorul supapei de admisiune. La motoarele diesel, hidrogenul este introdus în cilindri cu ajutorul unor injectoare cu supapă sau ac, acționate prin sisteme mecanice, hidraulice sau electromagnetice. Sistemele de admisiune ale motoarelor alimentate cu hidrogen conțin drept elemente specifice organul de reglaj al presiunii hidrogenului și echipamentul de introducere a hidrogenului în cilindri.
La motoarele cu formarea exterioară a amestecului, se utilizează dozatoare de hidrogen, datorită coeficientului de difuziune foarte ridicat al gazului nu este necesară prevederea unor amestecătoare aer-hidrogen. În cazul motoarelor cu formarea interioară a amestecului, hidrogenul este introdus în cilindri de echipamentul de injecție. În cazul stocării hidrogenului în rezervoare cu hidrura metalică, în sistemul de admisiune se montează un filtru cu capacitate de filtrare mărită, pentru reținerea particulelor desprinse din masa hidrurii, antrenate de curentul de hidrogen.
Echipamente pentru formarea amestecului
aer-combustibil neconvențional la M.A.I.
Carburator pentru metanol:
În cazul metanolului, debitul de aer necesar arderii stoichiometrice este de circa două ori mai mic în raport cu debitul corespunzător combustibilului convențional datorită conținutului ridicat de oxigen în molecula de metanol. Sistemul de formare a amestecului trebuie deci modificat în consecință.
La motoarele cu carburator, dacă mărimea difuzorului rămâne constantă, trebuie să se mărească diametrele jicloarelor de combustibil și respectiv să se micșoreze diametrul jiclorului de aer.
Dozator pentru metanol:
În cazul motoarelor diesel alimentate cu emulsii motorină-metanol preparate mecanic se utilizează dozatoare de metanol având rolul reglării proporției de metanol pentru asigurarea raportului optim al celor doi combustibili, corespunzător regimurilor de funcționare a motorului (figura 26).
Figura 26
Motorina, debitată de pompa de alimentare prin racordul 7, pătrunde în compartimentul superior 5 al dozatorului prin canalul longitudinal și orificiul radial practicat în supapa 6.
Presiunea motorinei în compartimentul superior acționează asupra membranei 8 care se deplasează într-o poziție inferioară învingând rezistența arcului 4. În același timp devine posibil accesul motorinei în compartimentul inferior al dozatorului prin secțiunea de curgere formată între conul supapei 6 și scaunul ei și respectiv, prin orificiul radial practicat în corpul amortizorului hidraulic 9. Prepararea emulsiei motorină-metanol se realizează prin intensificarea turbulenței amestecului celor doi combustibili într-un dispozitiv numit emulsor montat între dozator și pompa de injecție.
Dozator pentru gaz natural:
Amestecătorul, reprezentând soluția general utilizată la M.A.S., poate fi realizat într-o construcție compactă (figura 27).
Figura 27
1 – filtru aer
2 – obturator de gaz
3 – camera de amestec
4 – racord spre conducta de admisiune
A – sensul curentului de gaz
B – sensul curentului de aer.
Dozator de hidrogen:
În cazul motoarelor alimentate cu hidrogen , cu formarea exterioară a amestecului, echipamentul principal al instalației de alimentare îl reprezintă dozatorul de hidrogen.
În figura 28 e prezentată schema unui dozator de hidrogen pentru un motor de autoturism.
Figura 28
Hidrogenul livrat de sistemul de stocare pătrunde prin corpul dozatorului 4 (săgeata A), în interiorul pistonului 3.
Cantitatea de gaz debitat spre motor (săgeata B) este variabilă, în funcție de poziția orificiilor C (de secțiuni diferite) practicate în pistonul 3. Reglajul debitului de hidrogen este comandat de cablul de accelerație 5 care, prin intermediul tijei 1, deplasează pistonul 3.
Se realizează astfel, pentru diferite regimuri de sarcină ale motorului, debite corespunzătoare de hidrogen. Pentru regimul de mers în gol arcul 2 readuce pistonul 3 în poziția inițială.
Echipamente pentru formarea amestecului aer-GPL
Formarea amestecului aer-GPL în instalațiile de alimentare ale autovehiculelor se realizează prin vaporizarea gazului lichefiat într-un vaporizator-regulator de presiune și amestecarea gazului cu aerul în amestecătorul-dozator.
Vaporizatorul regulator tip Weber (figura 29).
Figura 29
Instalația este concepută cu trei trepte de reglare a presiunii. Treapta II alimentează motorul în regim de sarcină, iar treapta a III este prevăzută pentru regimul de mers în gol și repriză. Gazul lichefiat intră în compartimentul A al primei trepte de reglaj prin conducta 4.
Accesul se realizează de către supapa 5 prin intermediul sistemului de pârghii articulate 7 și membranei 6, deschiderea fiind comandată de arcul 8 reglat pentru presiunea de deschidere prescrisă.
În compartimentul primei trepte de reglaj lichidul se transformă în vapori datorită căldurii cedate de lichidul de răcire în spațiul F (conductele 2 si 3). Trecerea gazului în treapta II de reglaj se efectuează prin supapa 19, comandată de diferența de presiune între compartimentul D al treptei a II A (pus în legătură cu atmosfera) și compartimentul treptei I. Diferența de presiune acționează asupra membranei 18 care, prin intermediul sistemului de pârghii articulate 20 deschide supapa 19. Gazul din treapta a II de reglaj corespunzător alimentării motorului în regim de sarcină, este trimis spre amestecător prin conducta 17.
Reglarea presiunii în treapta a II a se realizează prin șurubul 1 care variază pretensionarea lamei elastice 23.
Funcționarea motorului în regim de mers în gol și repriză corespunde alimentării prin treapta III de reglaj. Compartimentul B este în legătură cu conducta de admisiune prin canalul 11. În regim de mers în gol, depresiunea din spațiul B determină comprimarea arcului 10 de către membrana 9 și ridicarea supapei 12 de pe sediu. În această situație, gazul trece din compartimentul A al primei trepte de reglaj în compartimentul C al treptei a III a.
Debitul de gaz este reglat de acul conic 15 a cărui poziție este determinată de arcul 14, comprimat mai mult sau mai puțin de membrana 9 în funcție de mărimea depresiunii în compartimentul B. Gazul astfel controlat este trimis în amestecător prin conducta 16. Reglarea mersului în gol se efectuează prin șurubul 13, care controlează ridicarea maximă a acului conic 15.
Când motorul funcționează în relanti, depresiunea din compartimentul B este maximă. În regim de repriză, depresiunea scade progresiv, odată cu deschiderea clapetei obturatorului, respectiv apare tendința de deplasare a acului conic 15 în sensul obturării secțiunii de trecere a gazului. La o anumita valoare a depresiunii transmisă în compartimentul E, membrana 21 comprimă arcul 22 prin intermediul lamelei elastice 23 și a sistemului de pârghii articulate 20 respectiv începe alimentarea motorului cu gaz prin circuitul principal.
Arcurile 14 și 10 sunt astfel proiectate încât la pornirea motorului, supapa 12 se deschide iar arcul conic 15 este în poziția de deschidere maximă, asigurând trecerea debitului de gaz necesar demarajului.
Particularitățile sistemului de injecție la utilizarea combustibililor neconvenționali.
Combustibili lichizi (alcooli):
Alimentarea motoarelor de autovehicule prin injecție de alcool introduce o problema foarte importantă din punct de vedere al formării amestecului: reglajul simultan al debitelor de aer și alcool, pentru a menține compoziția amestecului în corelare permanentă cu regimurile de funcționare ale motorului. În cazul motoarelor cu formarea interioară a amestecului, acest deziderat se realizează prin modificarea simultană a pozițiilor clapetei de obturare din conducta de admisiune a aerului și respectiv, a cremalierei pompei de injecție (figura 30).
Schema unui sistem de injecție care permite reglarea simultană a debitelor de aer și combustibil
Figura 30
Dozajul este reglat de un sistem mecanohidraulic. A fost menținută comanda clapetei obturatorului de aer prin pedala de accelerație a autovehiculului.
Semnalul preluat de la pedala de accelerație nu se transmite direct clapetei obturatorului, ci este prelucrat pentru acționarea ambelor comenzi: obturatorul de aer și cremaliera pompei de injecție.
Dispozitivul principal al sistemului de reglaj îl constituie blocul de prelucrare mecanică a semnalului transmis de pedala de accelerație. Blocul este compus din cama de comanda 7 a cremalierei 2 a pompei de injecție 1 și din cama de comanda 8 a clapetei obturatorului 10.
Când cablul de accelerație 13 este acționat, cele două came se rotesc simultan în jurul axului fix 9. Cama 7 comandă cremaliera pompei de injecție prin intermediul unei transmisii hidraulice cu piston.
Semnalul de deplasare este preluat de elementul hidraulic receptor 6, acționat de uleiul din conducta 5 și transmis cremalierei prin elementul hidraulic motor 4.
Cama 8 acționează asupra clapetei obturatorului prin intermediul pârghiei 12, care se mișcă solidar cu clapeta obturatorului, în jurul axului fix 11.
Corelația deplasărilor cremalierei și obturatorului este realizată prin profilurile convenabile ale camelor 7 și 8 care au fost determinate experimental. Sistemul de reglaj descris asigură în mod satisfăcător toate domeniile de sarcină ale motorului, inclusiv regimurile de repriză și de pornire.
Regimul de mers în gol a fost reglat cu ajutorul suportului 3, având lungime reglabilă, prin care se poate modifica poziția inițială a pistonului elementului hidraulic 4, respectiv poziția cremalierei pentru debitul minim de combustibil. Corespunzător acestei poziții, clapeta obturatorului trebuie să ofere secțiunea minimă de curgere a aerului către cilindrii.
Motorul echipat cu acest sistem de reglaj a fost realizat prin transformarea unui motor cu aprindere prin scânteie. În urma testării pe standul de probe și pe autovehicul, performanțele au fost superioare motorului alimentat cu benzină, din punctul de vedere al puterii și al consumului specific echivalent de combustibil.
Corelarea mișcării aerului în cilindri și a jetului de combustibil pulverizat reprezintă o altă problemă importantă care intervine în formarea amestecului aer-combustibil.
Organizarea mișcării aerului în fazele de admisiune și de comprimare, pentru realizarea unei turbionări corespunzătoare, se obține prin soluții constructive similare motoarelor alimentate cu combustibili convenționali (supape de admisiune cu vizieră, canale de admisiune în chiuloasă, a căror geometrie imprimă aerului o mișcare elicoidală).
Mișcarea combustibilului injectat în cilindri se organizează în raport cu mișcarea aerului, acționând asupra parametrilor funcționali (presiunea de injecție, avansul la injecție) și a parametrilor constructivi (diametrul și înclinarea orificiilor pulverizatorului, caracteristicile geometrice ale camerei de ardere).
Acești parametri sunt determinați experimental pentru fiecare motor adaptat la funcționarea cu injecție de alcool. În cadrul construcției echipamentelor de injecție pentru alcooli trebuie luată, de asemenea, în considerare problema realizării condițiilor de ungere a elementelor de injecție, ca urmare a vâscozității reduse a alcoolilor în raport cu motorina.
Problema poate fi rezolvată prin utilizarea de echipamente de injecție mixte (motorină-alcool) sau prin prevederea unor soluții constructive speciale.
Combustibili gazoși.
Pentru motoarele rapide de autovehicul, sistemul de formare exterioară a amestecului se aplică preferențial combustibililor gazoși (gaz natural). În cazul motoarelor alimentate cu hidrogen, datorită efectelor negative ale aprinderilor necontrolate și întoarcerii flăcării în conducta de admisiune, care conduc la scăderea performanțelor și a gradului de securitate, este preferabil sistemul de formare interioară a amestecului.
Din punct de vedere al formării interioare a amestecului, hidrogenul injectat în cilindru prezintă particularități în raport cu motorina. Și în cazul alimentării cu hidrogen este necesar un turbion, care însă trebuie să aibă o intensitate mai mică decât la motorul diesel uzual, datorită densității mici și coeficientului de difuziune foarte ridicat al hidrogenului.
Având în vedere acest fapt, se prevăd modificări substanțiale ale camerelor de ardere ale motoarelor diesel cu injecție directă, adaptate la funcționarea cu hidrogen, respectiv este necesară corelarea arhitecturii camerei de ardere cu valoarea redusă a turbionului (figura 31).
Camera de ardere cu turbionare redusă (diesel)
Figura 31
Injectoare de hidrogen:
Injecția la presiune joasă sau înaltă a hidrogenului determină tipul constructiv al injectorului. Injecția la presiune joasă se efectuează la începutul comprimării (1,5-3 bar) având o durată relativ scurtă (25-40º RA ).
Datorită valorii reduse a presiunii de injecție și duratei injecției pe ciclu motor, pentru introducerea în cilindru a debitului necesar de hidrogen, trebuie prevăzute secțiuni mari de trecere prin injector. Acest deziderat este realizabil prin utilizarea injectoarelor cu supapă taler, echipament specific injecției de hidrogen la presiuni joase.
Soluții de injectoare de joasă presiune pentru hidrogen (figurile 32, 33).
Figura 32
În figura 32 este prezentat un injector de joasă presiune cu supapă, la care comanda deschiderii supapei se realizează hidraulic, cu ajutorul unui echipament de injecție standard.
A – motorina recirculată din circuitul de comanda al injectorului standard
IS – injector standard
PI – pompa de injecție
M – motor.
Injectorul de hidrogen este acționat de un injector de motorină, amândouă injectoare funcționând concomitent. În timp ce se injectează hidrogen sub presiune în cilindru, se realizează și circulația motorinei refulate de pompa de injecție prin partea de comandă a injectorului de hidrogen (canalul A).
Injecția este comandată în ultima parte a cursei de comprimare, presiunea de deschidere a supapei de hidrogen fiind 76 bar.
Injector de joasă presiune pentru motoare alimentate cu amestec motorină-hidrogen (figura 33).
Figura 33
A – intrarea motorinei de la pompa de comandă pentru
acționarea pistonului hidraulic
B – ieșirea motorinei spre supapa de descărcare
C – drenarea pierderilor de motorină și de hidrogen
1 – arc
2 – racord conducte motorină
3 – supapa de hidrogen
4 – corp injector
5 – piston hidraulic
Circuitele de motorină și hidrogen sunt separate, cei doi combustibili fiind injectați în cilindru de injectoare independente. Injecția hidrogenului este efectuata la presiune joasa (1,5-2,5 bar), în prima perioada a comprimării.
Comanda deschiderii supapei injectorului este realizată hidraulic, cu ajutorul primei secțiuni de pompare a unei pompe de injecție standard, cea de-a doua secțiune fiind utilizată pentru injecția motorinei. În acest mod, se asigură un control similar al duratei și momentului începutului injecției hidrogenului, ca și în cazul injecției motorinei prin echipamentul standard.
Motorina din circuitul de comandă al injectorului de hidrogen pătrunde în injector prin racordul de alimentare A, acționând pistonul hidraulic 5, care deschide supapa de hidrogen 3. În perioada întreruperii alimentării cu motorină a circuitului de comandă, supapa 3 este menținută în poziția închis de arcul 1 , motorina sub presiune din racordul de alimentare fiind dirijată către supapa de descărcare.
Pierderile de motorină și hidrogen sunt drenate printr-un canal practicat în corpul injectorului.
Injectoarele de medie sau înaltă presiune permit introducerea hidrogenului în cilindru la sfârșitul comprimării la presiuni de 50-90 bar.
Secțiunile necesare de trecere fiind mai mici decât în cazul precedent, soluția constructivă este, în general, de tipul injector cu ac. În unele cazuri pentru mărirea debitului de hidrogen sunt utilizate și injectoare de înaltă presiune, de tipul cu supapă.
În figurile 34, 35, 36, 37 sunt prezentate soluții constructive de injectoare cu ac, pentru presiuni medii și înalte a hidrogenului.
Figura 34
1 – piesa pretensionare arc
2 – arc
3 – corp
4 – ac injector
5 – pulverizator
6 – racord de alimentare
7 – supapa de descărcare
8 – piston hidraulic
H – intrarea hidrogenului
FH – intrarea fluidului hidraulic
D – drenarea pierderilor de fluid hidraulic
Injectorul comandat hidraulic de o pompă de injecție independentă, a fost utilizat pentru alimentarea integrală cu hidrogen, la presiune medie, a unui motor monocilindric cu aprindere prin scânteie. Fluidul hidraulic, care pătrunde în injector, acționează asupra pistonului hidraulic 5, solidar cu acul injectorului 1. Acesta este menținut în poziția închis de arcul 3. Piesa 4 reglează pretensionarea arcului, reglând deplasarea pistonului hidraulic, respectiv, deschiderea acului injectorului la o presiune a fluidului hidraulic de 100 bar. În perioada ridicării pistonului hidraulic, hidrogenul care pătrunde în racordul de alimentare 7, la presiunea de 9 bar, este injectat în cilindru.
În perioada întreruperii alimentării cu hidrogen, fluidul hidraulic este dirijat, prin supapa de descărcare 6, în rezervorul de alimentare al pompei de injecție. Drenarea pierderilor de fluid hidraulic pe lângă piston este dirijată, de asemenea în rezervor,
În figura 35 este prezentat un injector cu ac, de înaltă presiune, pentru alimentarea unui motor diesel în sistem mixt (motorină-hidrogen).
1 – pulverizator
2 – piston ac
3 – corpul injectorului
4 – inele de etanșare
5 – arc
6 – șaibe de reglaj
7 – șurub de reglaj
A, B, C, D, – racorduri
Figura 35
Comanda hidraulică a pistonului ac 2 se efectuează de către motorina refulată de o pompă de injecție uzuală, care pătrunde în corpul injectorului 3 prin racordul A. Din injector motorina trece în circuitul de retur (racordul B), presiunea fiind reglată de o supapă de descărcare.
Deplasarea pistonului poate fi reglată prin șaibele de reglaj 6 și arcul 5 (prin șurubul de reglaj 7), în raport cu debitul de hidrogen necesar în cilindru. Hidrogenul este introdus în injector prin racordul C. În perioada ridicării acului de pe scaunul practicat în pulverizatorul 1, gazul pătrunde în cilindru.
Pierderile de hidrogen sunt limitate de inelele de etanșare 4, fiind colectate prin racordul de drenaj D și apoi recirculate în conducta de aspirație.
Pierderile de motorină prin interstițiul dintre piston si corpul injectorului sunt colectate în spațiul de lucru a arcului 5 și apoi recirculate printr-un canal practicat în șurubul de reglaj 7.
Soluția constructivă a unui injector cu ac de înaltă presiune, realizat pentru alimentarea unui motor diesel în sistem mixt (figura 36).
Figura 36
1 – acul injectorului
2 – pulverizator
3 – corp inferior
4 – corp superior
5 – supapa de sens unic
6 – șurub de reglaj al debitului de motorină
7 – inel de etanșare
8 – piston hidraulic
9 – arc
10 – șurub de reglaj al presiunii de deschidere a acului
A – intrarea motorinei
B – ieșirea motorinei spre supapa de descărcare
C – intrarea hidrogenului
D – drenarea pierderilor de hidrogen
În acest caz , pistonul hidraulic 8 și acul injectorului 1 sunt piese separate. O particularitate a acestui injector este posibilitatea introducerii în cilindru a unui amestec motorină- hidrogen. Prin acționarea șurubului de reglaj 6, debitul de motorină vehiculată în canalul E poate fi mărit până la o valoare la care este posibilă antrenarea motorinei de către hidrogen, la presiune ridicată, în cilindru (canalul E este prevăzut, în principal pentru accesul motorinei în spațiul dintre acul 1 și corpul pulverizatorului 2 în vederea lubrifierii). Accesul hidrogenului în spațiul de circulație al motorinei este obturat de supapa de sens unic 5.
Soluția constructivă a unui injector dublu (avem o secțiune pentru injecția hidrogenului și o a doua secțiune aparține circuitului închis al motorinei, pentru comanda deschiderii injectorului de hidrogen (figura 37).
Figura 37
Fluidul hidraulic sub presiune din spațiul 6 deplasează pistonul hidraulic 5 și tija 4, solidară cu pistonul. Hidrogenul sub presiune acționează asupra zonei conice a acului 1, pe care îl ridică de pe sediul pulverizatorului, învingând forța de apăsare a arcului 3. În această situație se produce injecția hidrogenului în cilindru.
La o anumită poziție a pistonului, acesta pune în legătură spațiul de presiune înaltă cu spațiul din aval, prin canalele 7, fluidul hidraulic fiind dirijat, prin supapa de descărcare 8 către rezervor. Presiunea în compartimentul 6 scăzând, pistonul este deplasat în sens contrar, de arcul 9, iar acul injectorului este aplicat pe sediul pulverizatorului 2, în poziție închis de către arcul 3.
Drenarea pierderilor de hidrogen este dirijată prin canalul D.
Din punct de vedere al acționării, comanda injectoarelor de hidrogen poate fi realizată mecanic (figura 38), electromagnetic (figura 39) și hidraulic (soluție prezentată în exemple anterioare).
Figura 38
1 – traductor de presiune
2 – racord de alimentare cu hidrogen
3 – supapa de hidrogen
4 – camă
5 – ajutaj
6 – bujie incandescentă
Figura 39
1 – miez
2 – bobina
3 – lagăr
4 – acul injectorului
5 – lagăr
6 – sediul pulverizatorului
Durata injecției în cazul comenzii electromagnetice este sensibil mai mică în raport cu injecția mecanică sau hidraulică, fiind reglabilă în limitele 6-12 ms.
APRINDEREA ȘI ARDEREA COMBUSTIBILILOR NECONVENȚIONALI
Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele cu aprindere prin scânteie.
Alcooli:
Analiza proprietăților fizico-chimice ale combustibililor neconvenționali a pus în evidență mai multe caracteristici ale alcoolilor, favorabile pentru utilizarea lor la M.A.S.: viteza laminară superioară față de cea a benzinei, care determină reducerea duratei inițiale și totale a arderii și care este totodată, responsabilă pentru avansarea limitei de inflamabilitate spre amestecuri mai sărace: rezistența superioară față de arderea anormală, cu detonație.
Reducerea duratei totale a arderii, posibilitatea funcționării cu amestecuri mai sărace și la rapoarte de comprimare superioare crează premisele ridicării randamentului efectiv. În condițiile în care durata totală a arderii nu se modifică sensibil randamentul indicat se ameliorează la constant, prin sărăcirea amestecului. În urma diluării cu aer a amestecului se obține o reducere a temperaturii flăcării, cu efecte favorabile asupra lui : descreșterea căldurii specifice a gazelor de ardere, suprimarea disocierii gazelor și diminuarea pierderilor de căldură prin pereți.
După depășirea unei limite, scăderea temperaturii maxime devine însă defavorabilă, întrucât se micșorează randamentul termic al ciclului termodinamic de referință cu aport izocor de căldură.
Variația lui cu și natura combustibilului este evidențiată în figura 40.
Figura 40
Diferențele între benzină și metanol sunt reduse și apar la dozaje sărace, pentru >1,15: aceste diferențe au rezultat numai prin reducerea arderii și a temperaturii flăcării.
O creștere semnificativă a lui se poate obține prin valorificarea posibilităților oferite de metanol de creștere a lui (figura 41).
Figura 41
Diagramele presiunii din cilindru la =1,1 declanșate din momentul producerii scânteii electrice sunt reliefate în figura 42.
Figura 42
Comparând rezultatele pentru etanol și benzină , se observă o creștere mult mai rapidă a presiunii la ciclul cu etanol, chiar dacă avansul la producerea scânteii a fost mai mare pentru benzină. În cazul etanolului, creșterea lui de la 7,5 la 12 a determinat mărirea presiunii maxime, cu reducerea presiunii în a doua parte a destinderii. Aceste diferențe sunt explicabile prin modificarea caracteristicii degajări căldurii, corespunzător reducerii duratei inițiale și a duratei totale a arderii
Gaze naturale
Metanul și propanul.
Adaptarea unui MAS, conceput pentru benzină, la funcționarea cu metan sau propan impune, în general, unele modificări aduse instalației de aprindere electrică. Bujiile se deosebesc de cele pentru benzină prin condiția unei tensiuni electrice mai mari la descărcare, combinate cu o distanță mai mică între electrozi. Avansul optim la producerea scânteii electrice este de asemenea diferit.
În cazul propanului, avansul necesar este mai mare la turațiile joase și mai mic la turațiile ridicate, față de benzină. Această diferență se atribuie vitezelor de ardere mai ridicate în cazul benzinei, compensate, în domeniul turațiilor mari, de vaporizarea incompletă a benzinei, ca urmare a timpului disponibil incomplet..
În figura 43, durata arderii se reduce odată cu ridicarea proporției de propan în amestecul binar cu metanul, pe toată gama dozajelor combustibil-aer. În același mod variază și durata perioadei inițiale a arderii .
Durata mai redusă a arderii, în cazul propanului, determină ridicarea presiunii maxime din cilindru, precum și mărirea puterii calorifice pe unitatea de volum, antrenează ridicarea puterii indicate a motorului.
Figura 43
În figura 44 se evidențiază că puterea indicată Pi crește cu proporția de propan în amestecul cu metanul, pe toată gama dozajelor, la valori constante ale avansului la producerea scânteii electrice.
Figura 44
Puterea motorului alimentat cu metan poate însă deveni sensibil mai mare decât cu propan prin ridicarea presiunii la admisie (supraalimentare), valorificându-se rezistența ridicată la detonație a metanului. În principiu, combustibilii gazoși, metanul și propanul, care pot asigura un grad superior de perfecțiune a amestecului și uniformității distribuției combustibilului, permit funcționarea cu amestecuri mai sărace decât benzina.
Hidrogenul.
Pentru adaptarea unui M.A.S să funcționeze cu hidrogen trebuie să ținem cont de următoarele caracteristici ale acestui combustibil:
viteza ridicată de propagare a flăcării și presiunii maxime foarte ridicate;
tendința aprinderilor necontrolate în cilindru și de propagare a flăcării în sistemul de admisie (întoarcerea flăcării)
căldura de reacție redusă pe unitatea de volum de amestec stoichiometric, reprezentând circa 83% din valoarea corespunzătoare amestecului benzinar, de unde tendința de scădere a puterii. Cercetările efectuate în M.A.S experimentale au pus în evidență o evoluție a procesului propagării flăcării în amestecurile H2 – aer diferită de alți combustibili.
În figura 45 se prezintă un grup de imagini fotografice, tipice pentru perioada inițială a arderii în care se compară imaginile obținute pentru H2 cu cele obținute pentru C3H8, la volume egale cuprinse de flacără.
Figura 45
Flacăra pentru H2 – aer se dezvoltă cu mult mai repede; conturul flăcării este mai puțin neregulat și se abate mai puțin de la forma sferică.
În figura 46 se ilustrează existența neuniformităților care apar în dezvoltarea flăcării, de la un ciclu la altul, pentru cei doi combustibili. În cazul H2 dimensiunile și forma conturului exterior al flăcării se reproduc strâns de la un ciclu la altul, în timp ce pentru C3H8, diferențele între imagini sunt mari, determinând o neuniformitate accentuată a diagramelor presiunii din cilindru.
Figura 46
În concluzie, arderea mult mai rapidă a amestecului H2 – aer în MAS, față de amestecurile de hidrocarburi-aer, se datorează dezvoltării mult mai rapide a flăcării în perioada inițială, cu o diferență de aproximativ un ordin de mărime, controlată în mare măsură de viteza laminară, și propagării mai rapide a flăcării turbulente; dezvoltarea mai rapidă a flăcării în faza inițială antrenează și diferențele mai mici care se înregistrează între ciclurile succesive.
Figura 47 arată că arderea cu viteze inacceptabile de creștere a presiunii tinde să se instaleze la reducerea treptată a excesului de aer și apropierea de proporția stoichiometrică, până când se ajunge la manifestări similare motorului funcționând cu benzină, în regim de detonație.
Figura 47
În figura 48 gradul de neuniformitate ciclică a fost exprimat prin raportul dintre intervalul de variație a presiunii maxime pmax și presiunea maximă medie pmax, =pmax/pmax; influența favorabilă a trecerii de la alimentarea prin carburație la injecție este evidentă.
Figura 48
Avantajul alimentării prin injecție (M.A.S) este în directă legătură cu îngustarea plajei de variație a vitezei medii de propagare a flăcării wf prezentate în figura 49.
Figura 49
Prin trecerea de la reglajul cantitativ, prin obturarea variabilă a admisiei, la reglajul calitativ, se poate obține o ameliorare sensibilă a randamentului efectiv al motorului conform figurii 50.
Figura 50
În afară de sărăcirea amestecului și reducerea avansului, metoda clasică de temperare a degajării căldurii de reacție constă în injecția de apă în cilindru. Eficiența metodei injecției de apă este ilustrată de diagramele de presiune din figura 51.
Figura 51
Numărul, forma, dimensiunile și dispoziția orificiilor pulverizatoarelor de hidrogen sunt prezentate în figura 52.
Figura 52
Alături de metoda injecției de apă, eficiența pentru combaterea preaprinderilor ca și pentru temperatura arderii, sunt și alte metode speciale de combatere ca: prevenirea punctelor calde în camera de ardere, acordarea cifrei termice a bujiei cu condițiile funcționării cu H2 și injecția de hidrogen răcit
(-30…-40oC).
Particularitățile aprinderii și arderii la motorul cu aprindere prin comprimare.
Soluții generale de control ale aprinderii și arderii.
Principalii combustibili neconvenționali (alcooli și eteri, gazele naturale și de sondă, hidrogenul) sunt caracterizați printr-o rezistență ridicată la autoaprindere, care se opune adaptării lor pentru MAC.
Metoda clasică de depășire a acestei dificultăți, aplicată încă din anii 20 la motoarele funcționând cu gaze naturale constă în utilizarea combinată a gazului natural cu motorina. Potrivit acestei metode, combustibilul principal, gazul natural, se introduce în motor împreună cu aerul de admisiune, iar combustibilul de aprindere pilotul de motorină, se injectează la finele cursei de comprimare. Jetul de flacără format prin autoaprinderea motorinei, în condițiile tipice pentru MAC, constituie o sursă puternică de aprindere forțată a combustibilului gazos, acționând atât prin efect termic, de creștere a temperaturii locale ca și prin efect chimic. Arderea este controlată în continuare de propagarea, în masa amestecului, a flăcărilor turbulente inițiate de multiple zone de aprindere formate, rezultând sub numele de „diesel-gaz”, pretinde ca aprinderea combustibilului gazos să fie întru totul dependentă de aprinderea motorinei. Autoaprinderea combustibilului gazos înainte sau după aprinderea motorinei, trebuie evitată, întrucât antrenează o desfășurare necontrolată a arderii, cu viteze exagerate de degajare a căldurii („detonație diesel”).
Principiul aprinderii combustibilului neconvențional controlat de motorină stă la baza mai multor procedee actuale de utilizare a alcoolilor și eterilor, diferențiate în special după modul de introducere a acestora în motor. Alcoolii și eterii pot fi injectați în cilindru în amestec cu motorina. Majoritatea amestecurilor nu sunt însă stabile decât în absența apei; metanolul impune în orice caz un al treilea component stabilizator în amestec, care poate fi un alcool greu. În amestec cu motorina, alcoolii și eterii măresc în orice caz rezistența la autoaprindere ( reduc cifra cetanică și vâscozitatea).
Dificultățile provocate de tendința de separare a alcoolilor și motorinei sunt evitate prin procedeul de utilizare a emulsiilor alcool-motorină care se prepară mecanic înainte de intrarea în pompa de injecție. Folosirea aditivilor organici emulgatori rezolvă prepararea emulsiilor stabilizate, dar introduc costuri inacceptabile. Emulsiile metanol-motorină conduc la performanțe convenabile ale motorului până la o proporție de circa 30% metanol.
Introducerea separată a celor doi combustibili.
Unul dintre procedee, numit și fumigare, conservă procedeul convențional de injecție a motorinei și prevede introducerea alcoolului în aerul admis în cilindru. Procedeul permite să se atingă un grad superior de substituire a motorinei, de 50…70%, dar implică sisteme de alimentare complicate care trebuie să asigure reglarea corespunzătoare a proporției celor doi combustibili, variabile cu regimul de funcționare al motorului, și controlul amestecului în vederea obținerii unor performanțe ridicate de putere, economicitate și emisii poluante.
La motoarele supraalimentate, evaporarea alcoolului în sistemul de admisie coboară temperatura amestecului comprimat admis în cilindru. Ca efect, se mărește cantitatea de aer disponibil în cilindru, cu care se poate obține, cu o proporție corespunzătoare de combustibil, creșterea puterii efective. Celălalt procedeu prevede injecția separată a combustibilului principal și a combustibilului de aprindere, pilotul de motorină 9 dublă injecție).
Necesitatea a două circuite separate de injecție face ca soluția să fie complicată și costisitoare. Procedeul se caracterizează prin posibilitatea de a atinge un grad avansat de substituire a motorinei, de 80..90% din energia de reacție totală a celor doi combustibili, la plină sarcină. Este recomandată pornirea motorului cu motorină, reglajul sarcinii efectuându-se prin varierea dozei de alcool.
În cazul hidrogenului, soluțiile de control ale aprinderii și arderii se realizează prin aplicarea principiului aprinderii cu jet de flacără, format prin autoaprinderea motorinei injectate, atât în varianta în care hidrogenul constituie combustibilul principal, iar motorina, pilotul necesar aprinderii, ca și în varianta în care hidrogenul constituie combustibilul de adaos, asigurând o anumită economie de motorină. Soluțiile care înlocuiesc complet motorina cu hidrogenul, constau în introducerea comandate prin scânteie electrică și a aprinderii asistate de o suprafață caldă (bujie de incandescență).
Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele alimentate cu emulsii de alcool în motorină.
Motoarele cu injecție directă, cu formarea amestecului în volum, prezintă în general o sensibilitate ridicată față de modificările unor proprietăți pe care le antrenează adaosul de alcool în emulsie cu motorina. Dintre acestea, o deosebită importanță o are reducerea cifrei cetanice, care antrenează mărirea întârzierii la autoaprindere, cu influență directă asupra vitezei maxime de creștere a presiunii (dp/d)max , presiunii maxime pmax și posibilității pornirii motorului la temperaturi scăzute.
De asemenea, micșorarea vâscozității și modificarea caracteristicii de vaporizare tind să determine o desfășurare a procesului formării amestecului diferit față de cel a motorinei.
În consecință, condițiile formării amestecului, optimizate pentru motorină, vor deveni în general defavorabile pentru emulsia de alcool în motorină, cu efect direct asupra dinamicii degajării căldurii- deci asupra randamentului indicat- și asupra cifrei de fum din gazele de evacuare.
Randamentul indicat relativ /(randamentul indicat , raportat la randamentul indicat al motorului funcționând cu motorină ) a înregistrat o ușoară scădere la sarcinile mari (figura 53; 1-sarcina maximă; 4- sarcina minimă), care nu a depășit 3%
Această influență redusă poate fi considerată drept rezultantă a două influențe contrare: pe de o parte cea favorabilă, de promovare a arderii rapide, în directă legătură cu creșterea duratei întârzierii la autoaprindere; pe de altă parte cea defavorabilă, de deplasare a începutului arderii spre destindere, datorită creșterii lui (întârzierea la autoaprindere). Cercetările similare efectuate pe același motor, alimentat cu emulsii de etanol în motorină, au oferit rezultate apropiate.
Motoarele cu injecție directă, cu formare peliculară a amestecului prezintă un tablou și mai complex al influențelor exercitate de proprietățile emulsiilor.
Figura 53
Cercetările experimentale pe standul de probe a demonstrat de la început posibilitatea menținerii neschimbate a puterii nominale a motorului la funcționarea cu emulsie. La un debit inițial neschimbat al pompei de injecție, mărirea proporției de metanol în emulsie a determinat, odată cu scăderea progresivă a puterii efective, ca efect al reducerii puterii calorifice a unității de volum de combustibil, și sporirea excesului de aer și, corespunzător, coborârea nivelului temperaturii gazelor evacuate te și a gradului de fum GF. La o proporție de 30% metanol, puterea nominală a motorului a scăzut cu 30%; concomitent, s-a mărit cu 40%, ceea ce subliniază existența unor rezerve pentru creșterea dozei injectate pe ciclu, în vederea restabilirii puterii motorului. Prin deplasarea suplimentară a cremalierei pompei de injecție s-a asigurat mărirea dozei injectate până la refacerea puterii nominal; la putere nominală constantă, a devenit aproape invariabil cu concentrația de metanol.
Proporția limită de metanol, la care performanțele motorului manifestă tendința de netă înrăutățire, se micșorează; în domeniul sarcinilor mijlocii și mici. Proporția limită mai este marcată de apariția fumului alb. Rezultate similare au fost obținute și la alte turații (figura 54).
Figura 54
Particularitățile aprinderii și arderii la motorul funcționând cu alcool și motorină, după procedeul fumigării
În legătură cu trecerea unui motor de la alimentarea cu motorină la alcool și motorină, prin fumigare, se semnalează în mod curent tendința de ridicare puternică a nivelului vitezei maxime de creștere a presiunii (dp/d)max și adesea în mai mică măsură, a presiunii maxime pmax care limitează și gradul de substituire a motorinei prin alcool.
Această particularitate se poate pune în legătură cu creșterea sensibilă a întârzierii la autoaprindere a motorinei prin efect, în primul rând termic, de răcire a amestecului și eventual chimic de inhibiție a reacțiilor preliminare autoaprinderii, determinat de alcoolul în amestec. Creșterea întârzierii la autoaprindere, antrenează declanșarea arderii motorinei cu viteze mari de degajare a căldurii de reacție, cu creșterea corespunzătoare a presiunii și temperaturii, a zgomotului de funcționare și a vibrațiilor motorului, până la nivelul ce caracterizează „detonația diesel”.
Desfășurarea, în ansamblu anormală, a arderii se accentuează dacă de la propagarea flăcării turbulente în toată masa de amestec alcool-aer se ajunge la autoaprinderea amestecului final (tipică pentru MAS). Această formă de ardere anormală se corelează cu prima, autoaprinderea amestecului fumigat alcool-aer fiind favorizată de creșterea puternică a presiunii și temperaturii care urmează unei întârzieri mari la autoaprindere.
În figura 55 este reprezentată variația vitezei maxime de creștere a presiunii (dp/d)max funcție de participațiunea alcoolului în amestec (r).
Figura 55
Randamentul efectiv al motorului nu se modifică sensibil la introducerea alimentării parțiale cu alcool prin fumigare, cu excepția sarcinilor reduse, la care mărirea proporției de alcool a determinat tendința de reducere a lui . În cazul introducerii alcoolului la admisia în compresor, s-a observat că la sarcini reduse, la apropierea de raportul r =100%, apar picături de alcool pe carcasa compresorului; încălzirea prin comprimare în compresorul antrenat de turbina de gaze a devenit astfel insuficientă pentru vaporizarea completă a alcoolului, care se va repartiza astfel neuniform între cilindrii motorului.
Importanța deosebită a modului de aplicare a procedeului fumigării asupra limitelor de substituire a motorinei prin alcool și performanțele motorului a fost relevată într-un experiment special în care s-a prevăzut injecția alcoolului în poarta de admisie a fiecărui cilindru, în trei variante: a) injecția în timpul procesului de admisiune, IA ; b)injecția în timpul procesului destinderii (supapa de admisiune închisă), ID; c) injecție dublă, parțial în timpul admisiunii și parțial în timpul destinderii IAD. Prin variația timpului de rezistență a alcoolului în poarta supapei de admisie, au rezultat grade diferite de omogenizare a amestecului alcool-aer admis în cilindru, cu certă influență asupra performanțelor.
În figura 56 se prezintă dependența lui (dp/d)max în funcție de gradul de substituire a motorinei prin alcool, de sarcina și de varianta aplicată pentru fumigare.
Figura 56
Pentru evitarea unor valori inadmisibil de mari pentru (dp/d)max sau pmax, cu influență directă asupra durabilității motorului, în domeniul sarcinilor mijlocii și mari, și evitarea rateurilor la aprindere la sarcinile mici, se impune varierea proporției de alcool furnizate în funcție de sarcină, alimentarea cu alcool întrerupându-se la sarcinile mici și mersul în gol. În consecință, motorul trebuie prevăzut cu un sistem de reglaj relativ complicat, cu interacțiune între sistemul de injecție a motorinei și sistemul de alimentare cu alcool prin fumigare, care să realizeze în orice caz o trecere lină la cuplarea și decuplarea sistemului de fumigare.
Particularitățile aprinderii și arderii la motorul funcționând cu alcool și motorină, după procedeul dublei injecții
O caracteristică distinctivă a procedeului dublei injecții constă în posibilitatea creată de a separa inițial cei doi combustibili în camera de ardere. Se pot asigura astfel condiții mai favorabile pentru autoaprinderea motorinei, evitându-se tendința de creștere a întârzierii la autoaprindere care ar putea fi cauzată de efectul de răcire locală prin vaporizare, ca și de efectul chimic al prezenței alcoolului. Posibilitatea menținerii neschimbate a condițiilor aprinderii motorinei prin separarea jeturilor în camera de ardere a fost demonstrată direct prin experiențe efectuate cu un motor la care pulverizatoarele de motorină și metanol au fost dispuse diametral opus, la partea superioară a cilindrului.
Întârzierea la autoaprinderea motorinei nu a fost influențată de prezența metanolului, independent de doza de metanol- motorină injectată; injecția printr-unul dintre pulverizatoarele unei emulsii metanol-motorină a condus la situația cunoscută în care crește proporțional cu fracțiunea de metanol GM/Gm din emulsie (figura 57).
Figura 57
Dispunerea reciprocă a jetului de flacără format după autoaprindere și a jeturilor de alcool, împreună cu mișcarea organizată a aerului din camera de ardere, asigură condiții favorabile pentru desfășurarea în continuare a arderii, în vederea obținerii unei caracteristici favorabile de degajare a căldurii de reacție. Aceste preocupări sunt evidente la variantele de cameră de ardere cu injecție directă (figura 58).
Figura 58
La camera plată de tip deschis (figura 58 a) se organizează un curent de aer de mică intensitate. Pulverizatorul pentru metanol, cu patru orificii, este plasat central, în vederea uniformizării distribuției combustibilului în cameră.
Pulverizatorul pentru motorină, cu un singur orificiu, este plasat la perete și dirijează combustibilul într-un plan diametral, care trece printre jeturile de alcool.
Sunt astfel create condiții pentru ca, inițial, procesele autoaprinderii motorinei să aibă loc cu o influență cât mai mică din partea alcoolului și, ulterior, trecerea norilor de amestec alcool-aer prin jetul liber de flacără, de lungime relativ mare, să permită controlul arderii.
La camera adâncă, de tip cupă (figura 58 b) este organizată o mișcare de rotație a aerului de mare intensitate.
Pulverizatorul de metanol dirijează două jeturi paralel cu peretele și în apropierea acestuia, astfel că, în prezența vârtejului de aer, să se realizeze o stratificare pronunțată a amestecului.
Pulverizatorul de motorină formează un singur jet, a cărui dispunere în camera de ardere îndeplinește condițiile enunțate: separat inițial de jeturile de alcool, a căror evoluție poate fi de altminteri și decalată în timp, dar prezent ulterior – de exemplu după aprindere – la periferia inelului amestecurilor constituite de alcool-aer.
La adaptarea unui motor conceput pentru alimentarea cu motorină la funcționarea cu alcool și motorină trebuie avute în vedere următoarele aspecte: momentele începutului arderii celor doi combustibili, care depind de avansurile la injecție, întârzierea la autoaprindere a motorinei și transportul primelor volume de amestec alcool-aer spre jetul de flacără format; intensitatea arderii alcoolului, care depinde de decalajul dintre începutul injecției alcoolului și momentul aprinderii motorinei, de caracteristicile jeturilor de alcool și motorină și repartizarea lor în cameră, caracteristicile de injecție și intensitatea mișcării aerului și nu în ultimul rând caracteristicile constructive ale sistemului de injecție pentru alcool trebuie să fie adaptate unor debite maxime de combustibil sporite, corespunzător puterii calorifice mai reduse a alcoolilor comparativ cu motorina.
Pentru ca durata totală a arderii să nu crească este necesar să se mărească viteza de injecție a alcoolului, prin echiparea motorului cu o pompă de injecție cu o camă de profil mai abrupt, și cu pistoane plonjor de diametre mai mari.
Organizarea formării amestecului metanol-aer trebuie obținută luându-se în considerare și modificările caracteristicilor jetului, introduse de diferența dintre proprietățile fizice ale alcoolului și motorinei.
Particularitățile arderii la motorul alimentat integral cu alcool, cu aprindere asistată de o suprafață caldă
O aprindere sigură a alcoolilor în M.A.C, chiar în domeniul sarcinilor reduse, se poate asigura prin prezența, în camera de ardere, a unei suprafețe care se menține la o temperatură suficient de ridicată. Pe baza unui model termocinetic pentru metanol, aprinderea de la suprafață caldă începe prin disocierea metanolului din zona învecinată de amestec, în formaldehidă și în continuare, în monoxid de carbon și hidrogen. Apoi hidrogenul formează radicali capabili să declanșeze aprinderea metanolului. Temperatura necesară a suprafeței care asigură aprinderea sigură a alcoolului se micșorează, cu condiția ridicării presiunii și temperaturii masei de aer din camera de aer, scăderii concentrației gazelor reziduale și îmbogățirii dozajului. La un motor supraalimentat prin creșterea temperaturii și presiunii aerului admis în cilindru se obține scăderea temperaturii minime a suprafeței, necesare pentru aprinderea metanolului.
Un MAC în varianta pentru metanol, a fost prevăzut cu o bujie incandescentă în camera de ardere, plasată între două jeturi de combustibil. De asemenea, la pulverizatorul standard s-a adăugat un orificiu suplimentar, central; jetul de combustibil central se sparge pe un știft atașat în centrul camerei din piston (figura 59).
Figura 59
Se crează astfel posibilitatea constituirii unei zone centrale cu amestec performat combustibil-aer, care să asigure transferul rapid al flăcării din zona de inițiere de lângă bujia de incandescență spre toate celelalte jeturi de combustibil. Scurtarea duratei arderii difuzive, care se obține în acest mod, este extrem de favorabilă pentru performanțele de economicitate și emisii de combustibil nears.
Particularitățile aprinderii și arderii la motoarele alimentate integral sau parțial cu hidrogen
În condițiile unui motor experimental de cifră cetanică, autoaprinderea amestecului hidrogen-aer a fost posibilă la valori uzuale, numai cu condiția preîncălzirii aerului la admisie.
Domeniul dozajelor utilizabile, cuprins între limita autoaprinderii urmată de ardere normală și limita autoaprinderii urmată de manifestările tipice detonației, este mult prea îngust, în raport cu condițiile practice de control al dozajului.
La rapoarte uzuale de comprimare, trebuie utilizate în orice caz metode speciale în asistarea aprinderii amestecurilor hidrogen-aer.
Un mijloc simplu, care a fost experimentat pentru controlul aprinderii, îl reprezintă bujia de incandescență, utilizată în mod curent ca mijloc de asigurare a pornirii la rece.
Experiențele, efectuate tot cu un motor experimental de cifră cetanică (cu cameră separată de vârtej), au arătat că, în cazul autoaprinderii asistate de bujia de incandescență, care oferă o suprafață fierbinte suficient de mare, se obține o aprindere stabilă, dar cu variații sensibile de la ciclu la ciclu, ale întârzierii la aprindere, la un dozaj , intervalul dintre începutul injecției și începutul creșterii presiunii datorită arderii a variat între și (1,3…1,69ms).
Începutul arderii cu viteze ridicate de degajare a căldurii este caracterizat prin formarea unor unde de presiune, a căror propagare este bine marcată pe diagramele de presiune (oscilații de 0,7MP între vârfurile oscilațiilor, pe diagrama din figura 60)
Figura 60
Condiții favorabile de desfășurare a arderii, cu valori moderate ale vitezei de degajare a căldurii , se obțin pentru întârzieri la aprindere suficient de reduse, astfel ca arderea rapidă să cuprindă o fracțiune limitată de combustibil, arderea restului combustibilului va decurge după mecanismul arderii difuzive, cu viteze controlabile prin legea de injecție.
Alte experiențe au subliniat importanța deosebită a controlului arderii, prin optimizarea corelației dintre avans și durata injecției, forma camerei de ardere, distanța dintre pulverizator și bujia de incandescență, construcția pulverizatorului și intensitatea cvârtejului de aer. Pentru accelerarea procesului formării amesctecului și arderii se organizează o mișcare de vârtej a aerului din camera de ardere.
Un alt mijloc investigat de control al aprinderii și arderii constă în injecția hidrogenului în două etape (controlul prin injecție pilot).
Optimizarea masei pilotului trebuie realizată în corelație cu avansul la injecție. Experiențele arată că masa necesară a pilotului pentru controlul aprinderii este cu atât mai mică, cu cât injecția pilotului este mai timpurie. Pe de altă parte, cu cât se mărește avansul la injecția pilotului, crește și probabilitatea funcționării cu preaprindere, favorizată de prezența unor puncte calde pe peretele camerei de ardere sau de conținutul mărit de gaze arse reziduale. Controlul aprinderii și arderii prin injecție pilot de hidrogen pare astfel dificil de realizat.
Dificultățile pe care le implică injecția hidrogenului în cilindru și a aplicării unei metode de control al aprinderii și arderii au stimulat preocupările pentru dezvoltarea unui procedeu mai simplu de alimentare a motorului cu hidrogen, prin sistemul de admisiune, și de evitare a unor procedee speciale de control al arderii, prin utilizarea combinată a hidrogenului cu motorină.
Condițiile de funcționare a motorului depind de asemenea într-o măsură importantă de mărimea dozei de combustibil-pilot. Experinețele arată că prin mărirea progresivă a dozei pilot se trece la instalarea și, în continuare, la accentuarea rapidă a mersului dur al motorului, chiar în condițiile unor dozaje sărace hidrogen-aer; dozajele bogate sunt de altminteri evitate, fiind marcate de apariția hidrogenului în gazele de evacuare. În consecință, pilotul de motorină a fost redus până la limita asigurării unei aprinderi stabile, variindu-se apoi proporția de hidrogen în amestec până la limita mersului dur.
În figura 61 se evidențiază efectul defavorabil al creșterii temperaturii amestecului la admisiunea în motor. Proporția maximă de hidrogen, la limita apariției detonației diesel se micșorează continuu, antrenând tendința de scădere a presiunii medii efective.
Figura 61
Amestecurilor sărace le corespunde pe de altă parte o întârziere mare la autoaprindere; prin îmbogățirea amestecului întârzierea se micșorează, cu atât mai mult cu cât temperatura amestecului este mai redusă.
ECONOMIA DE COMBUSTIBIL LA MOTOARELE ALIMENTATE CU COMBUSTIBILI NECONVENȚIONALI
Gradul de substituție a combustibilului petrolier
Substituirea combustibilului petrolier cu combustibil neconvențional urmărește, în primul rând, economisirea de combustibil petrolier, dar poate avea ca scop și înlocuirea lui pentru a limita emisiunile poluante.
Din punct de vedere al progresului tehnic, substituirea nu trebuie să coboare, sub nivelul deja atins, un număr relativ mare de indici de perfecțiune sau de calitate a motorului de autovehicul sau a autovehiculului în ansamblu. Dintre indicii de perfecțiune a motorului se menționează randamentul sau consumul specific de energie, densitatea de putere sau puterea litrică, emisiunile poluante chimice și sonore, pornirea ușoară a motorului rece, siguranța în funcționare, durabilitatea, costul, cheltuielile de exploatare pentru combustibil, ulei, piese de uzare, etc.
Economia de combustibil petrolier se stabilește în raport cu consumul de combustibil petrolier înregistrat la un motor înainte de alimentarea lui cu combustibil neconvențional.
În figura 62 se definesc consumurile de combustibil, în kg/h, și anume:
– consumul de combustibil standard (combustibil petrolier, adică benzină sau motorină) pretins de motor înainte de alimentare cu combustibil neconvențional (consum de referință);
– consumul de combustibil standard, la motorul alimentat simultan cu doi combustibili, unul petrolier și unul neconvențional;
– consumul de combustibil neconvențional la motorul alimentat simultan cu doi combustibili;
– consumul global de combustibil al motorului alimentat cu doi combustibili.
Figura 62
Consumul global de combustibil se referă atât la cazul în care alimentarea motorului cu doi combustibili se efectuează independent, cât și la cazul când ea este mixtă (cei doi combustibili alcătuiesc o emulsie sau un amestec oxeogen). Consumul este suma consumurilor celor doi combustibili, sau, la limită, este chiar .
Economia de combustibil standard :
Mărimea , aplicată unui parc de mașini, cu un consum mediu anual determinat, servește pentru stabilirea noilor necesități de combustibil petrolier . Totodată mărimea servește pentru a defini gradul de substituție a combustibilului petrolier , adică fracțiunea din combustibilul petrolier care se înlocuiește.
Prin definiție:
Gradul de substituție variază în limitele . Cu cât este mai mare, cu atât sporește economia de combustibil petrolier.
Gradul de economisire a căldurii la alimentarea
motorului cu combustibil neconvențional
Din punctul de vedere al progresului tehnic, interesează în ce măsură procedeul de substituție a combustibilului petrolier reprezintă un pas înainte spre perfecțiunea motorului, măsurată prin randament. În acest scop se definește economia de căldură care rezultă la utilizarea unui combustibil neconvențional.
unde:
este consumul de căldură al motorului când este alimentat numai cu combustibil standard.
este consumul global de căldură când motorul este alimentat cu doi combustibili, unul standard și unul convențional.
Se notează cu , puterile calorifice inferioare ale combustibilului standard, respectiv ale combustibilului neconvențional, în kJ/kg.
Se definește gradul de economisire a căldurii la alimentarea motorului cu combustibil neconvențional, este o mărime raportată, dată de relația:
sau
Gradul de economisire a căldurii se constituie ca un al doilea factor de eficiență (indice de perfecțiune) al procedeului de substituire a combustibilului petrolier.
Gradul de economisire a căldurii exprimă trei realități caracteristice:
Dacă , înseamnă că substituirea combustibilului standard este însoțită de un progres tehnic de natură energetică, întrucât se realizează numai dacă randamentul motorului crește, la aceeași putere nominală.
Dacă , progresul tehnic în privința randamentului este nul, dar soluția reprezintă un progres tehnic din punctul de vedere al realizării unui motor care este alimentat și cu o altă formulă de combustibil decât cea standard.
Dacă , soluția reprezintă un regres tehnic sub aspectul condiției a, dar un progres tehnic din punctul de vedere al condiției b. Factori de conjuctură economică (utilizarea unui combustibil nepetrolier disponibil, mai ieftin) ar putea sprijini promovarea soluției c pe un timp limitat.
Factori care definesc gradul de substituție
Eficiența energetică a unui motor se definește prin randamentul efectiv sau prin consumul specific efectiv de combustibil.
unde:
este consumul orar de combustibil
este puterea efectivă a motorului
Evident este o mărime măsurabilă la stand și ca urmare rezultă:
unde:
este puterea calorifică inferioară a combustibilului, în kJ/kg.
Când se folosesc combustibili neconvenționali, consumul specific se dovedește o mărime improprie, întrucât puterea calorică inferioară și densitatea combustibililor neconvenționali au valori foarte diferite. De aceea, pentru a aprecia eficiența energetică a motorului se adoptă ca indice de perfecțiune consumul specific efectiv de energie , care reprezintă consumul de energie(din motive de simplitate măsurat în MJ) necesar pentru a produce un lucru mecanic de 1kWh.
Prin definiție rezultă:
Pe baza relației de mai sus rezultă că:
iar randamentul efectiv are expresia:
Se notează cu consumul specific de energie al motorului care funcționează numai cu combustibil standard și dezvoltă puterea nominală .
Prin definiție:
Se notează cu consumul specific de energie al motorului care funcționează cu combustibil neconvențional și dezvoltă la cuplaj putere.
Se obține:
Expresia randamentelor va fi:
În relația se substituie numărătorul din membrul drept cu expresia iar numitorul cu expresia ; se folosesc și relațiile și și se obține:
Așadar, gradul de economisire a căldurii depinde de două rapoarte, și anume:
a) de raportul puterilor:
b) de raportul randamentelor sau raportul consumurilor specifice de energie:
Întrucât este comod ca toate rapoartele caracteristicile să aibă la numitor mărimea de referință pentru motorul alimentat cu combustibil standard se va inversa și raportul , astfel că:
Se înțelege că iar devine:
sau
relație care include alte două rapoarte:
și
unde:
se numește raport al puterilor calorifice inferioare;
se numește raport de consum al combustibilului neconvențional, întrucât arată în ce raport stă consumul de combustibil neconvențional față de consumul de combustibil standard la motorul inițial.
În final rezultă:
Relația de mai sus trebuie considerată ca o relație fundamentală pentru investigație și aplicație practică. Aceasta arată că gradul de substituție a combustibilului petrolier depinde de patru factori fundamentali.
Raportul reprezintă o constantă fizică și depinde de natura combustibililor de înlocuire.
Cu cât este mai mare cu atât crește gradul de substituție.
Următoarele două rapoarte din relația de mai sus, și anume și , trebuie analizate independent dar și în corelațiile care se stabilesc între ele sau cu ceilalți factori ai relației.
Substituția combustibilului convențional
o problemă de micro sau macroscară
În mod frecvent se cere substituirea combustibilului convențional la o macroscară, care poate fi un parc național de vehicule, o clasă de vehicule de pe întreg cuprinsul unei țări.
După cum se știe, unele resurse de combustibil neconvențional sunt limitate chiar la scara globului, dar se diferențiază pe zone geografice, în unele dintre acestea depășind chiar nevoile.
Se citează ca exemplu Brazilia care, datorită plantațiilor de trestie de zahăr, ar dispune, în raport cu dezvoltarea tehnologică, de cantități mari de etanol.
De aceea, problema utilizării combustibilului neconvențional ar trebui promovată diferențiat, în raport cu zonele geografice ale lumii, iar țările exportatoare de autovehicule ar trebui să ofere acestor zone procedee de utilizare a combustibilului neconvențional bine puse la punct, diferențiate pe clasele de combustibil disponibile.
Cum alimentarea cu doi combustibili păstrează întotdeauna rezerva folosirii numai a combustibilului standard, în lipsa combustibilului neconvențional, nici deplasarea pe distanța mari nu pune în pericol mișcarea autovehiculelor în absența stațiilor de distribuție.
EMISIILE POLUANTE LA AUTOMOBILELE
ALIMENTATE CU COMBUSTIBILI
NECONVENȚIONALI
Originea emisiilor din gazele de evacuare
ale motoarelor
Originea combustibilului nears din gazele de ardere
Cazul amestecurilor omogene (MAS). Prezența combustibilului nears (prescurtat CN) în gazele evacuate de motor în atmosferă demonstrează că flacăra nu poate cuprinde în întregime masa de amestec proapăt din camera de ardere.
La finele unei perioade de trei decenii de cercetări, această particularitate se atribuie în prezent următoarelor fenomene: stingerea flăcării la intrarea în interstițiile camerei de ardere; absorbția unei fracțiuni de combustibil în pelicula de ulei și în depozitele de pe pereții camerei de ardere; întreruperea propagării (stingerea) flăcării în masa de amestec din camera de ardere.
Principala sursă de combustibil nears este constituită din interstițiile camerei de ardere.
La MAS moderne, cu rapoarte de comprimare ridicate, masa de combustibil acumulată în aceste interstiții până în momentul când se atinge presiunea maximă, în primul rând între piston și chiulasă, poate reprezenta 10% din masa totală.
Amestecul cuprins în interstiții începe să fie transferat în cilindru în cursa de destindere, prin curgere cu viteze reduse (figura 63 a.), amestecul se menține în apropierea cilindrului, iar scăderea rapidă a temperaturii masei gazelor din cilindru sub 1200-1400K, după ce începe evacuarea liberă, împiedică continuarea reacțiilor.
În cursa de evacuare, a fost evidențiată formarea unui vârtej care conține o mare parte din combustibilul nears eliminat din interstițiul piston-cilindru (figura 63 b.), transportându-l spre supapa de evacuare.
Figura 63 a)
Figura 63 b)
Vaporii de combustibil sunt absorbiți de filmul de ulei în cursele de admisie și compresie ale pistonului; după trecerea flăcării, în cursele de destindere și evacuare, se produce desorbția moleculelor de combustibil nears în gazele ambiante, care sunt prea reci pentru ca oxidarea să mai fie posibilă.
Stingerea flăcării în volumul camerei de ardere constituie a treia sursă posibilă de emisii de HC. Propagarea incompletă a flăcării se produce în cazuri speciale: diluarea excesivă a amestecului proaspăt cu gaze reziduale – la funcționarea la sarcini reduse, cu presiune coborâtă în conducta de admisie – sau diluarea excesivă cu aer (dozaj foarte sărac în combustibil).
Un ultim aspect care trebuie luat în considerare la evaluarea concentrației finale de combustibil nears din gazele de evacuare îl constituie oxidarea finală realizată la trecerea prin poarta supapei de evacuare; în funcție de nivelul termic și concentrația oxigenului disponibil, se poate asigura transformarea a 10%…30% din masa emisiilor evacuate din cilindru.
Cazul amestecurilor eterogene. În gazele dde evacuare ale motoarelor care funcționează cu amestecuri eterogene apar emisii reprezentând combustibilul nemodificat chimic, care provenind din transformarea primară a combustibilului(HC în cazul combustibililor de origine petrolieră). Proporțiile între cele două categorii variază mult, în funcție de tipul motorului și regimul de funcționare.
Emisiile din prima categorie sunt provocate evident de întreruperea arderii, la stingerea flăcării în interstiții și pe pereții reci sau la stingerea în volum, datorită formării unor amestecuri excesiv de bogate (cu probabilitate mai mare în interiorul jeturilor de combustibil), excesiv de sărace(cu probabilitate mai mare în exteriorul jeturilor, iar la motoarele cu mișcare organizată a jeturilor, în aval față de jeturile de combustibil), sau cu gaze arse în exces. Cealaltă categorie de emisii se constituie prin reacții care pot fi inițiate în amestecuri bogate sau sărace. În afara compușilor oxigenați (aldehide), în cazul combustibililor hidrocarbonați reacțiile pot conduce la formarea de HC mai grele sau mai ușoare decât HC originare. Aceste mecanisme de reacție acționează atât în perioada întârzierii la aprindere (la MAC) cât și în cursul arderii (figura 64).
Figura 64
Originea oxidului de carbon
Oxidul de carbon (CO) este un produs al oxidării incomplete a hidrocarburilor sau alcoolilor. Prin urmare, proporția de CO va depinde în primul rând de calitatea amestecului; experiențele dovedesc că pentru benzină, în domeniul amestecurilor bogate, concentrația de CO crește cu circa 3,5% la fiecare îmbogățire cu 10% a amestecului(figura 65).
Figura 65
La motoarele care funcționează cu amestecuri eterogene, probabilitatea cea mai mare de formare de CO revine zonelor cu combustibil în exces, care primesc oxigen tardiv, după scăderea substanțială a temperaturii.
Originea aldehidelor
Aldehidele sunt produse de oxidare primară a hidrocarburilor sau alcoolilor. Formarea lor este favorizată de prezența unor amestecuri sărace, la temperaturi relativ joase.
Originea oxizilor de azot
Monoxidul de azot (NO) se formează în cursul arderii, prin reacțiile care au loc între azot și oxigen la temperaturi ridicate. Prin oxidarea în continuare a NO, rezultă bioxidul de azot (NO2), dar cantitatea de NO2 care se formează în realitate în motoare este, în general, redusă.
Se consideră că NO se formează printr-un lanț de reacții, cunoscut sub numele de mecanismul Zeldovici „extins”:
Viteza reacțiilor depinde exponențial de temperatură. În consecință, concentrația de NO va fi o funcție de concentrația locală de oxigen, de temperatură și de timpul disponibil.
Originea fumului
Motoarele diesel emit trei categorii de fum: alb,albastru și negru. La pornire și în perioada de încălzire, și eventual la funcționarea în gol și sarcini mici, motorul emite o suspensie de particule de combustibil lichid și urme de ulei, care conferă gazelor de evacuare culoarea alba; prezența lor este determinată de regimul termic coborât de funcționare, care împiedică arderea lor completă. Fumul albastru mers in gol si sarcini mici.
Fumul negru apare în domeniul sarcinilor mari, la regimuri termice ridicate de funcționare, și constă dintr-o suspensie de particule carbonoase, cu dimensiuni medii de ordinul , și care sunt purtătoarele unei mari varietăți de compuși organici.
Formarea funinginii în MAC începe din perioada arderii amestecurilor preformate; pentru particulele rezultate există însă o mare probabilitate de ardere completă, datorită disponibilității ridicate a oxigenului. În perioada arderii difuzive, probabilitatea ca funinginea care se formează să primească oxigenul necesar scade însă treptat, în special în zonele din centrul jeturilor de combustibil și la pereții camerei de ardere.
Emisiile motoarelor alimentate cu alcooli
Emisiile de combustibili nears
Emisiile din gazele de evacuare
Motorul cu aprindere prin scânteie.
La MAS alimetat cu metanol sau etanol, arderea incompletă din cilindru se evidențiază prin prezența acestor alcooli în gazele de evacuare, în concentrații care depind de particularitățile constructive, reglajele și regimul de funcționare a motorului.
Imperfecțiunile vaporizării metanolului în sistemul de admisie oferă două explicații pentru creșterea emisiunilor de CN: în primul rând, coborârea nivelului genral al temperaturilor încărcăturii cilindrului, deci și a temperaturii flăcării, pe de o parte, creșterea gradului de neuniformitate a distribuției combustibilului între cilindrii motorului, pe de altă parte.
Multitudinea factorilor implicați în geneza emisiilor de metanol sau etanol, care intervin cu ponderi diferite în funcție de particularitățile motorului, precum și de deosebirile dintre tehnicile aplicate de măsurare a acestor emisii, ale căror detalii nu sunt îndeajuns de bine precizate în lucrările publicate, pot explica diferențele semnalate.
Mărirea raportului de comprimare determină, în general, creșterea substanțială a emisiei de CN în toate variantele de alimentare a motorului.
MAS cu amestec stratificat prezintă în general emisii mari de CN – metanol sau etanol – la alimentarea cu alcooli.
Apariția unor emisii deosebit de ridicate de CN la alimentarea cu alcooli (până la 25% din combustibilul injectat în cilindru la mersul în gol al motorului) poate fi explicată dacă se ține seama de mecanismul general al genezei cambustibilului nears la acest tip de motor, apropiat de cel al motorului diesel cu injecție directă, ca și de elementele specifice introduse de proprietățile alcoolilor.
În acest sens, se menționează:
a) formarea unor zone de amestec excesiv de sărac combustibil-aer, mai probabilă la sarcini mici; stingerea flăcării în aceste zone, mai probabilă în cazul alcoolilor, datorită temperaturii mai reduse a flăcării;
b) depunerea combustibilului pe peretele cupei din piston, posibilă în cazul injecției alcoolilor, chiar și la sarcini mici; soarta vaporilor emiși va depinde de sincronizarea cu propagarea flăcării, vaporii care difuzează în masa dce gaze după trecerea flăcării evitând eventual exidarea, din cauza temperaturii insuficiente.
Impactul creșterii emisiei de CN din gazele de evacuare ale motoarelor alimentate cu alcooli trebuie evaluat cu luarea în considerare a toxicității și reactivității metanolului și etanolului în atmosferă.
Motorul cu aprindere prin comprimare. Influența asupra emisiilor poluante a înlocuirii parțiale sau totale a combustibilului diesel convențional printr-un alcool depinde, în afară de proprietățile sale fizico-chimice, de factorii constructivi și funcționali ai MAC, care controlează procesele de formare a amestecului și ardere, implicate și în geneza produșilor poluanți. O deosebită importanță are de asemenea procedeul aplicat, de utilizare a alcoolilor.
În cazul utilizării emulsiilor de alcool în motorină, emisiile din gazele de evacuare sunt influențate atât de compoziția chimică a combustibilului emulsificat, cât și de modificările proprietăților fizice intervenite față de combustibilul diesel de bază. Modificarea vâscozității combustibilului, de exemplu, se repercutează asupra caracteristicilor jetului, penetrația, finețea pulverizării, etc., asupra debitului de combustibil și dinamicii injecției.
Motoarele diesel alimentate cu emulsie alcool-motorină emit CN în gazele de ardere sub formă de HC, în proporții în general mărite față de cazul alimentării simple, cu motorină. Această creștere poate fi pusă în legătură cu reducerea vitezei de vaporizare și deci de formare a amestecului, determinată de valoarea ridicată a căldurii de vaporizare; în plus, la un MAC conceput pentru funcționarea cu motorină, simpla adaptare la funcționarea cu emulsie antrenează o desfășurare defavorabilă a procesului formării amestecului și din cauza modificării caracteristicilor jetului.
Tendința de creștere a emisiilor de HC a fost constatată și în condițiile în care, în loc de emulsii, s-au utilizat soluții de etanol în motorină, la MAC cu injecție directă.
Procedeul de introducere a alcoolului sub formă vaporizată în încărcătura proaspătă (procedeul fumigării) este caracterizat de tendința creșterii puternice a emisiilor de CN. În acest caz, emisiile măsurate de CN cuprind desigur și alcool în proporție însemnată, pe de o parte din cauza posibilității trecerii sale directe în sistemul de evacuare în perioada deschiderii simultane a supapelor – care are durata maximă la motoarele turbosupraalimentate – și, pe de altă parte, datorită posibilității stingerii flăcării în amestecul omogen alcool-aer.
În orice caz, pentru procedeul de introducere a alcoolului prin fumigare, emisiile de CN pot reprezenta un factor de limitare a gradului de suplinire a motorinei prin alcool.
Procedeul injecției duble, de alcool și motorină, este mai bine investigat din puctul de vedere al emisiilor poluante caracteristice, cu precizarea de exemplu a emisiilor de CN separat sub forma de HC și de alcooli, cu atât mai necesară, cu cât gradul posibil de înlocuire a motorinei prin alcool, asigurat de procedeu, este foarte avansat.
Procedeele care fac posibilă înlocuirea completă a motorinei prin alcooli sunt caracterizate prin emisii de CN (alcool) comparabile cu cele măsurate la dubla injecție, de alcool și motorină.
Emisiile prin evaporare
Adaosurile de alcooli în benzine, în proporții de până la 15…20%, determină ridicarea presiunii de vapori față de nivelul caracteristic pentru benzină. În condiții egale, vor rezulta astfel pierderi sporite de combustibil prin evaporarea din rezervor și din carburator.
Emisiile de aldehide
Motorul cu aprindere prin scânteie.
Utilizarea alcoolilor în MAS:
motoarele alimentate cu benzină sau cu metanol emit în special formaldehida (HCHO), iar motoarele alimentate cu etanol în special acetaldehida (CH3CHO)
motoarele alimentate cu amestecuri benzină-metanol (sau etanol), emisiile de aldehide cresc cu proporția de alcool din amestec, ajungându-se ca la alimentarea cu metanol pur, emisia de HCHO să fie de 2…10 ori mai mare decât la alimentarea cu benzină;
factorii care determină o creștere a emisiei de CN antrenează și creșterea aldehidelor
formarea aldehidelor are loc în cilindru, procesul continuându-se eventual în sistemul de evacuare.
La motorul cu amestec stratificat, trecerea de la benzină la alcool a determinat o creștere și mai puternică a emisiilor de aldehide: de circa 13 ori la mersul în gol și de 6 ori la sarcinile mijlocii.
Motorul cu aprindere prin comprimare.
În general, arderea alcoolilor în MAC se caracterizează prin emisii relativ mari de aldehide. O explicație în acest sens este legată de mecanismul de oxidare, procedând exclusiv prin formarea de aldehide; în cazul hidrocarburilor, oxidarea prin treapta intermediară a formării de aldehide este concurată de oxidarea cu formarea de peroxizi, ultima putând deține ponderea principală. Ca și în cazul MAS, tendința de creștere a emisiilor de aldehide o dată cu cele de CN este evidentă. Emisiile de aldehide cuprind în cea mai mare parte HCHO, la alimentarea cu metanol. În cazul alimentării cu etanol, spectrul aldehidelor din gazele de evacuare este mai larg, CH3CHO având ponderea principală; spectrul aldehidelor emise în cazul alimentării cu motorină rămâne în orice caz cu mult mai larg.
Procesele de înlocuire completă a motorinei prin alcooli sunt caracterizate printr-un nivel al emisiilor de aldehide comparabil cu cel măsurat la motoarele din aceeași clasă, funcționând cu motorină.
Emisiile de oxid de carbon
Motorul cu aprindere prin scânteie. Emisiile CO nu suferă modificări importante la trecerea de la benzină la alcooli, la MAS.
Motorul cu aprindere prin comprimare. Trecerea unui MAC la alimentarea cu alcooli nu este, în general, favorabilă sub aspectul emisiunilor de CO, care înregistrează, în unele cazuri, o creștere sensibilă; emisiile de CO se mențin în orice caz coborâte comparativ cu un MAS.
Emisiile de oxid de azot
Motorul cu aprindere prin scânteie. Înlocuirea benzinei prin alcooli antrenează reducerea emisiei de NOx.
O primă explicație a acestor tendințe este oferită de analiza regimului temperaturilor gazelor în timpul arderii, care exercită o influență esențială asupra vitezei de formare a NOx în masa gazelor arse.
La dozajele sărace , temperaturile cele mai ridicate se obțin pentru amestecul benzină-metanol, justificând astfel constituirea concentraților maxime de NOx. O dată cu creșterea vitezei reacțiilor de formare de NOx, ridicarea temperaturii determină, în principiu, și creșterea vitezei reacției inverse, de descompunere a masei acumulate de NOx; în zona amestecurilor sărace, reacția inversă are însă o pondere redusă și influența predominantă a temperaturii rămâne aceea de promovare a acumulării de NOx.
Motoare cu aprindere prin comprimare. Alimentarea cu alcool a unui MAC are influențe diferite asupra emisiilor de NOx, după procedeul de alimentare complicat.
Utilizarea alcoolului în emulsie cu motorina este legată de mai multe efecte, de care depinde formarea de NOx. Pe de o parte, prezența alcoolului în emulsie antrenează o creștere a întârzierii la autoaprindere și a vitezei de creștere a presiunii, care pot antrena tendința de creștere a nivelului temperaturii maxime; ecestei tendințe i se opune căldura mărită de vaporizare, care antrenează coborârea nivelului general al temperaturilor.
Dacă avansul la injecție se menține constant, mărirea proporției de metanol în emulsie poate determina, o dată cu efectul de creștere a întârzierii în cursa de destindere, la care rezultă un regim mediu de temperatură mai coborât, defavorabil pentru formarea de NOx.
Modificarea câmpului de concentrații și temperaturi, determinată de caracteristicile deosebite ale jetului de emulsie reprezintă încă un efect care influențează formarea de NOx. În funcție de ponderea cu care intervin acești factori, se constată că sunt posibile situații opuse privind emisiile de NOx.
Emisiile de particule și fum
Motoarele cu aprindere prin comprimare alimentate cu alcool beneficiază de posibilitatea unei reduceri puternice a emisiilor de particule și fum feță de combustibilul diesel convențional, în toate variantele de alimentare cu alcool.
La aplicarea procedeului emulsionării alcoolilor cu motorina, emisiile de particule și fum se reduc aproape proporțional cu cantitatea de alcool în emulsie.
Tendința de reducere a emisiilor de particule și fum este mai evidentă la aplicarea procedeului fumigării.
Procedeul dublei injecții, care permite aplicarea celui mai avansat grad de înlocuire a motorinei prin alcooli, conduce și la reducerea cea mai drastică a emisiilor de particule și fum.
Emisiile motoarelor alimentate cu gaze
Motoare cu aprindere prin scânteie. Cercetările efectuate cu motoare de autoturism alimentate cu GPL au arătat că nivelul emisiunilor de HC, CO și NOx prezintă diferențe mari față de cazul alimentării cu benzină.
Figura 66
Rezultatele prezentate în figura 66 au fost obținute cu un motor de serie, la un regim de sarcini parțiale (corespunzător deplasării pe autostradă cu viteza de 90km/h). Se observă că, la același reglaj al calității amestecului, emisiile de NOx sunt mai mari pentru GPL.
Alimentarea cu GPL permite însă funcționarea stabilă a motorului cu un grad de sărăcire cu mult mai avansat decât pentru benzină (în cazul considerat, până la , față de pentru benzină), ceea ce creează posibilitatea unei reduceri considerabile a emisiilor de NOx, fără un sacrificiu din punctul de vedere al emisiilor de HC.
Motoarele cu aprindere prin comprimare. Cercetările efectuate cu motoare alimentate cu gaze naturale sau propan după procedeul cu injecție pilot de motorină (procedeul diesel-gaz) au pus în evidență, în general, emisii importante de CN(HC), CO și aldehide la sarcinile mici.
În figura 67 au fost prezentate emisiile de CN ale unui motor de automobil, alimentat alternativ cu gaze naturale și cu propan, la funcționarea pe caracteristica de sarcină.
Proporția de gaz indicată în figură – exprimată în funcție de energia disponibilă totală a combustibilului gazos și pilotului de motorină – a variat, fiind stabilită, la fiecare regim de funcționare, la limita apariției detonației. Emisiile de CN au atins niveluri înalte la 25% sarcină, cu 230g/kWh pentru gazul natural și, respectiv, 125g/kWh pentru propan, față de 1g/kWh înregistrat la alimentarea cu motorină.
Concentrația emisiilor de CN descrește rapid la mărirea sarcinii și ajunge comparabilă cu nivelul de referință stabilit pentru motorină, la plina sarcină. Sarcina influențează esențial și compoziția emisiilor de CN.
Figura 67
Emisiile de CO manifestă aceleași tendințe ca și cele de HC, cu un nivel foarte ridicat la sarcini mici, care se reduc la mărirea sarcinii, devenind comparabile, la sarcini mari, cu cele ale motorului alimentat cu motorină.
Emisiile de NOx se prezintă în figura 68.
Figura 68
În general alimentarea cu gaz natural sau cu propan antrenează micșorarea emisiilor de NOx, la toate regimurile de funcționare, față de nivelul de referință pentru motorină. Micșorarea cantității relative de motorină injectate față de gazul combustibil apare favorabilă pentru reducerea producerii oxizilor de azot.
Dintre oxizii de azot, NO este mai puțin reactiv decât NO2. Din această cauză prezintă interes constatarea că, spre deosebire de cazul alimentării cu motorină, când NO constituie fracțiunea principală la toate sarcinile, la motorul alimentat cu gaze proporția de NO scade de la circa 80%, la plina sarcină, până la 8-12% la 25% sarcină; prin urmare la sarcinile mici, la care emisiile de NOx sunt reduse în valoare absolută, ele cuprind în cea mai mare parte NO2 atât pentru propan, cât și pentru gazele naturale.
Emisiile de aldehide, produse ale oxidării parțiale, urmăresc tendințele semnalate pentru HC și CO, cu valori foarte ridicate la sarcini mici; la 25% sarcină, motorul a emis, în varianta cu gaze naturale, de 7 ori mai multe aldehide decât în varianta cu motorină (figura 69); ele au reprezentat HCHO în proporție de 91…98% față de 65…76% la alimentarea cu propan și 52…61% la alimentarea integrală cu motorină.
Figura 69
Figura 70
Emisiile de particule sunt reprezentate în figura 70. Alimentarea cu gaze a asigurat reducerea emisiilor de particule la plină sarcină, cu circa 50% față de varianta cu motorină; situația se inversează în domeniul sarcinilor mici și mijlocii; activitatea biologică a particulelor este practic aceeași.
Emisiile motoarelor alimentate cu hidrogen
Motoarele cu aprindere prin scânteie.
Spectrul emisiilor poluante ale motorului alimentat cu hidrogen este diferit de cel al combustibilului convențional, corespunzător diferențelor de compoziție chimică. Pe de o parte, în lipsa carbonului din structura combustibilului, emisiile de HC și CO vor fi extrem de reduse, fiind generate numai de arderea incompletă a uleiului care accede în camera de ardere.
Pe de altă parte, formarea de NOx este favorizată de tendința desfășurării arderii cu temperaturi ridicate ale flăcării; aceasta poate fi combătută prin utilizarea unor amestecuri sărace sau mărirea conținutului de gaze arse reziduale (recircularea gazelor arse), prin care se obține reducerea temperaturii produșilor arderii.
Utilizarea combinată de hidrogen și benzină (alimentare integrală cu hidrogen la sarcini mic, mixtă la sarcini mijlocii și integrală cu benzină la sarcini mici apare avantajoasă prin posibilitatea reducerii emisiilor comparativ cu motorul alimetat numai cu benzină.
Motoare cu aprindere prin comprimare.
În condițiile alimentării cu hidrogen, preocupările pentru emisiile poluante se reduc și la MAC la oxizii de azot, generați în proporții care depind esențial de particularitățile desfășurării arderii.
În consecință, optimizarea corelației dintre factorii constructivi și de reglaj, de care depinde desfășurarea proceselor formării amestecului și arderii, se stabilește considerând nivelul maxim admisibil al emisiei de NOx drept o condiție restrictivă importantă.
Introducerea alimentării cu doi combustibili, hidrogen și combustibil diesel, au evidențiat, în general, tendința de reducere a emisiilor de fum o dată cu micșorarea consumului de hidrocarburi al motorului.
B I B L I O G R A F I E
Apostolescu, N. ș.a. Automobilul cu combustibili neconvenționali, Editura Tehnică, București, 1989
Apostolescu, N. ș.a. Cercetări privind adaptarea la funcționarea cu amestecuri metanol-motorină a unui motor diesel rapid. În: Construcția de Mașini, nr.2, 1983
Apostolescu, N. ș.a. Contribuții la realizarea unui MAC alimentat cu metanol și motorină. Sesiunea de comunicări șt. I.P.B., 1983
Apostolescu, N. ș.a. Cercetări privind optimizarea corelației de funcționare – avans la injecție – grad de recirculare a gazelor, la un motor diesel rapid, alimentat cu emulsii de metanol în motorină. În: Construcția de Mașini, nr.4, 1984
Apostolescu, N. ș.a. Evaporation of methanol in diesel oil emulsion in a M-Diesel engine. În: Rev. Roum. Des Sci. Techn. – Electrotech. Et Energ., 29, No.3, 1984
Apostolescu, N. ș.a. Compression ratio influence on gasoil savings at the truck engine D-2156, operating with methanol-gasoil emulsion at low loads. În: Rev.Roum.Des Sci.Techn.-Electrotech.Et Energ., 32, No.3, 1987
Apostolescu, N. ș.a. Results obtained by applying an original method to use methanol in gasoil emulsion in a diesel-M truck engine. 17th Congress CIMAC, Paper D-10, Warsaw, 1987
Baker, N. ș.a. Use of alcohol-in-diesel fuel emulsions and solutions in a medium speed diesel engine. În: S.A.E. Paper Nr.810254, 1981
Bansal, B.B. și Mathur, H.B. Performance studies of a SI engine using hydrogen as a supplementary fuel. În: Proc. 3rd WHEC, p.1063, 1980
Baranes, B.B. și Mathur, H.B. Fumigation of alcohol in a diesel engine. În: S.A.E. Intern. Off-highway Meeting, sept., 1980
Barnes, K.D. ș.a. Effect of alcohols as supplemental fuel for turbocharged diesel engines. În S.A.E. Paper No.750469,1975
Berg., P.S. ș.a. Verwendung verschiedener Kraftstoffe im Diesel motor mit zwei Einspritz-systemen. În: MTZ 42 nr.7/8, 1981
Brinkman, N.D. ș.a. Ethanol-fuel – a single – cylinder engine study of efficiency and exhaust emissions. În: S.A.E. Paper No.810345, 1981
Browne, K.R. ș.a. Fuel propety effects on fuel/air mixing in an experimental diesel engine. În: S.A.E. Paper No.860223, 1986
Chen, Y. ș.a. Ethanol fumigation of a turbocharged diesel engine. În: S.A.E. Paper No.810680, 1981
Dietrich, W. și Schönbeck, A. Der MWM-Zündstrahl-Alkohol-Brennverfahren. În: MTZ 43 nr.12, 1982
Marcel Ginu Popa, ș.a. Motoare diesel. Procese. Editura MatrixRom, București 2003.
B I B L I O G R A F I E
Apostolescu, N. ș.a. Automobilul cu combustibili neconvenționali, Editura Tehnică, București, 1989
Apostolescu, N. ș.a. Cercetări privind adaptarea la funcționarea cu amestecuri metanol-motorină a unui motor diesel rapid. În: Construcția de Mașini, nr.2, 1983
Apostolescu, N. ș.a. Contribuții la realizarea unui MAC alimentat cu metanol și motorină. Sesiunea de comunicări șt. I.P.B., 1983
Apostolescu, N. ș.a. Cercetări privind optimizarea corelației de funcționare – avans la injecție – grad de recirculare a gazelor, la un motor diesel rapid, alimentat cu emulsii de metanol în motorină. În: Construcția de Mașini, nr.4, 1984
Apostolescu, N. ș.a. Evaporation of methanol in diesel oil emulsion in a M-Diesel engine. În: Rev. Roum. Des Sci. Techn. – Electrotech. Et Energ., 29, No.3, 1984
Apostolescu, N. ș.a. Compression ratio influence on gasoil savings at the truck engine D-2156, operating with methanol-gasoil emulsion at low loads. În: Rev.Roum.Des Sci.Techn.-Electrotech.Et Energ., 32, No.3, 1987
Apostolescu, N. ș.a. Results obtained by applying an original method to use methanol in gasoil emulsion in a diesel-M truck engine. 17th Congress CIMAC, Paper D-10, Warsaw, 1987
Baker, N. ș.a. Use of alcohol-in-diesel fuel emulsions and solutions in a medium speed diesel engine. În: S.A.E. Paper Nr.810254, 1981
Bansal, B.B. și Mathur, H.B. Performance studies of a SI engine using hydrogen as a supplementary fuel. În: Proc. 3rd WHEC, p.1063, 1980
Baranes, B.B. și Mathur, H.B. Fumigation of alcohol in a diesel engine. În: S.A.E. Intern. Off-highway Meeting, sept., 1980
Barnes, K.D. ș.a. Effect of alcohols as supplemental fuel for turbocharged diesel engines. În S.A.E. Paper No.750469,1975
Berg., P.S. ș.a. Verwendung verschiedener Kraftstoffe im Diesel motor mit zwei Einspritz-systemen. În: MTZ 42 nr.7/8, 1981
Brinkman, N.D. ș.a. Ethanol-fuel – a single – cylinder engine study of efficiency and exhaust emissions. În: S.A.E. Paper No.810345, 1981
Browne, K.R. ș.a. Fuel propety effects on fuel/air mixing in an experimental diesel engine. În: S.A.E. Paper No.860223, 1986
Chen, Y. ș.a. Ethanol fumigation of a turbocharged diesel engine. În: S.A.E. Paper No.810680, 1981
Dietrich, W. și Schönbeck, A. Der MWM-Zündstrahl-Alkohol-Brennverfahren. În: MTZ 43 nr.12, 1982
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme de Propulsie Neconventionale (ID: 163612)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.