Witam, Na początku przepraszam, że zakładam nowy temat o HHO ale chciałbym się podzielić badaniami i wnioskami które zebrałem w pracy inżynierskiej oraz magisterskiej. Były to prawdziwe badania na hamowni silnikowej na dwóch różnych silnikach. Praca była realizowana w katedrze pojazdów i podstaw budowy maszyn Politechniki Łódzkiej. Praca inżynierska ostała nagrodzona w wojewódzkim jak i ogólnopolskim konkursie SIMP na najlepszą pracę dyplomową. Tematem zainteresował się jeden z koncernów samochodowych który sfinansował wszystkie badania podczas pracy magisterskiej. Dzięki współpracy z firmą KME została stworzona i zainstalowana w samochodzie instalacja HHO w której można budować własne mapy paliwowe i korygować czasy wtrysku. Zapraszam do lektury i dyskusji. Auto z opisywaną instalacją jest wystawione na sprzedaż.
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy
Maszyn
Kamil Słobiński
186015
PRACA MAGISTERSKA
na kierunku mechatronika
TEMAT
Opracowanie układu zasilania silnika o zapłonie iskrowym z
wtryskiem wielopunktowym benzyny i generatorem
wodorotlenowym. Analiza możliwości poprawy sprawności
cyklu silnika.
kierujący pracą:
dr. Jacek Leyko
ŁÓDŹ 2014
1
2
1 Zawartość
1.
Wprowadzenie .................................................................................................... 5
1.1 Cel Pracy ........................................................................................... 6
2
Stanowisko badawcze ........................................................................................ 7
2.1 Silnik .................................................................................................. 7
2.2 Hamownia silnikowa .......................................................................... 9
2.3 Alternator ......................................................................................... 14
2.4 ETAS – INCA ................................................................................... 17
2.5 Pomiar ilości gazu ............................................................................ 19
2.6 Układ zasilania silnika gazemHHO .................................................. 20
2.6.1 Wytwornica wodorotlenowa oraz elektrolit ............................ 24
2.7 Sprawność oraz wydajność generatora HHO .................................. 27
2.8 Sprawność procesu ......................................................................... 32
2.8.1 Obliczanie straty średniego ciśnienia efektywnego silnika
spowodowanej obciążeniem alternatora ........................................ 32
3
Symulacja ......................................................................................................... 34
3.1 Model obliczeniowyw programie GT-Power ..................................... 36
3.2 Wyniki symulacji .............................................................................. 38
3.3 Wyniki z hamowni ............................................................................ 43
3.3.1 Temperatura spalin ............................................................... 56
4
Porównanie wyników ........................................................................................ 58
5
Instalacja HHO w samochodzie ........................................................................ 60
5.1 Sterowanie silnikiem ........................................................................ 62
5.2 Testy drogowe ................................................................................. 65
5.3 Pomiar szkodliwych związków w spalinach ..................................... 67
6
Wnioski ............................................................................................................. 68
7
Literatura .......................................................................................................... 69
3
8
Wykaz Tabel ..................................................................................................... 69
9
Wykaz Rysunków ............................................................................................. 70
4
1. Wprowadzenie
Instalacja HHO pozwala doprowadzić do cylindrów silnika spalinowego
mieszaninę wodoru i tlenu, która powstaje w wyniku elektrolizy wody. Taki gaz,
nazywany piorunującym, pozwala uzyskać efekt przestrzennej iskry w całej
objętości komory spalania. Mieszanina wodorotlenowa posiada bardzo szerokie
granice palności, umożliwiając w silnikach benzynowych, zasilanych mieszanką
jednorodną znaczne zubożenie mieszanki do wartości stosowanych w silnikach o
bezpośrednim wtrysku i spalaniu mieszanki uwarstwionej. Prąd potrzebny przy
procesie elektrolizy jest pobierany z alternatora, a ilość wyprodukowanego gazu
jest proporcjonalna do poboru prądu. W instalacji HHO silnika wolnossącego, gaz
jest zasysany z generatora prosto do kolektora ssącego, gaz produkowany przez
wytwornice wodorotlenową jest zużywany na bieżąco. Zaproponowany układ nie
wymaga więc zbiornika do magazynowania wodoru.
Praca obejmuje budowę modelu matematycznego silnika wyposażonego w
instalację HHO oraz stanowiska badawczego
do pomiaru parametrów pracy
silnika EB2 wyposażonego w taką instalację. W pracy porównano wyniki uzyskane
ze stanowiska badawczego z symulacją modelu matematycznego w programie
GT-Power. Dodatkowo cały układ zainstalowano w samochodzie fiat Punto II i
przeprowadzono testy drogowe.
5
1.1 Cel Pracy
Celem pracy jest przygotowanie oraz analiza wyników modelu symulacyjnego
silnika wyposażonego w instalację wodorotlenową, opracowanie oraz budowa
kompletnego układu HHO, przygotowanie stanowiska badawczego, opracowanie,
budowa oraz testy drogowe prototypowej instalacji umieszczonej w samochodzie
oraz analiza wyników.
Najwyższy
moment
Optymalny
punkt pracy
Najwyższa
oszczędność
AFR
Rysunek 1 Wykres szkodliwych związków w spalinach w zależności od wsp. AFR
Badania prowadzono dla mieszanki zubożonej do wartości stosunku powietrza
do paliwa AFR (Air Fuel Ratio) równej 20,8, co odpowiada współczynnikowi
nadmiaru
powietrza
=1,4.
Zgodnie
z
Rys.1.,
gdzie
przedstawiono
charakterystyczne punkty regulacji silnika, w których silnik osiąga najmniejsze
zużycie paliwa, największą moc oraz najmniejszą emisję, taki skład mieszanki
powinien zapewnić niskie zużycie paliwa przy niewielkim poziomie emisji – przede
wszystkim tlenków azotu NOx, spełniającym obowiązujące przepisy.
6
2 Stanowisko badawcze
2.1 Silnik
Obiektem badań jest czterosuwowy silnik o zapłonie iskrowym - EB2
koncernu PSA Peugeot-Citroen. Podstawowe dane zostały przedstawione w
Tabeli 1.jego widok pokazano na Rys.2., a wymiary gabarytowe i charakterystykę
na Rys.3.
Tabela 1 Podstawowe dane silnika EB2 [1]
Standard emisjii spalin
Iość cylindrów:
Pojemność:
Skok tłoka:
Średnica tłoka:
Stopień kompresjii:
Moc netto
Moment:
Euro 5
Line 3
1199 cm3
75 mm
90.5 mm
11 : 1
60 kW / 80 hp/ 5750
118 Nm/ 2750
Rysunek 2. Silniki EB2 koncernu PSA [2]
7
Rysunek 3. Dane silnika EB2 [1]
8
2.2 Hamownia silnikowa
Stanowisko badawcze do pomiaru parametrów pracy silnika zostało
wyposażone w chłodzony wodą hamulec elektro-wirowy W130(Rys.4.)firmy
SCHENCK o mocy 130kW. Jego maksymalny moment wynosi 400Nm
i jest osiągany już przy ok. 1500 obr/min. Charakterystyka hamulca przedstawiona
na Rys.6. wystarcza do zbadania parametrów pracy silnika EB2 w całym polu
pracy.
Zgodnie ze schematem na Rys.5. na jednym
z końców wału hamulca umieszczona jest tarcza
wraz z czujnikiem do pomiaru prędkości obrotowej
(11) silnika. Z boku znajduje się natomiast ramię z
siłomierzem do pomiaru momentu i siłomierz (13).
Rysunek 5. Hamulec SCHENCK W130
Rysunek 4 Schemat hamulca W130 [3]
1) Cewka wzbudzenia. 2) Dysk wirujący w polu magnetycznym. 3)Komora chłodzenia. 4)Wirnik.
5)Odpływ wody. 6)Łożysko wirnika. 7)Łącznik podłączenia wału do obiektu badanego.
8)Wahliwe połączenie z ramą. 9)Rama. 10)Dopływ wody. 11)Czujnik prędkości obrotowej.
12)Korpus wahliwy. 13)Siłomierz.
9
Rysunek 6. Charakterystyka hamulca [3]
10
Hamulec sprzężony jest z szafą sterowniczą
(Rys.7.), która może pracować w dwóch trybach,
gdzie parametry ustalane są parami:
Obroty i położenie przepustnicy gdzie
moment jest wynikowy.
Obroty
i
moment
gdzie
położenie
przepustnicy jest wynikowe.
Szafa połączona jest z komputerem, którego
oprogramowanie pozwala zmieniać punkty pracy
sinika i tworzyć z nich zaprogramowane cykle badań.
Urządzenie ma możliwość podłączenia 64 czujników
ciśnienia, temperatury czy innych wielkości oraz
innych urządzeń, takich jak np.: analizator spalin czy
dawkomierz paliwa komunikujących się z szafą przez
jeden
z
wielu
Kalibrowane
protokołów
mogą
być
wymiany
zarówno
danych.
analogowe Rysunek 7. Szafa sterująca
wzmacniacze sygnału prądowego lub napięciowego,
jak i wartości przetworzone na cyfrowe. Wszystkie wielkości mogą być na bieżąco
obserwowane na ekranie monitora komputera sterującego. Częstotliwość ich
odczytu wynosi 1 lub 10 Hz.
Podczas
badań
silnika
EB2
zasilanego
gazem
HHO
stanowisko
wyposażono w dawkomierz paliwaKGV2 firmy Meyer (Rys.8.) ze sterownikiem
mikroprocesorowym (Rys.9.).
11
Rysunek 8.Dawkomierz paliwa KGV2
Rysunek 9. Sterownik do dawkomierza
Badania stanowiskowe były przeprowadzone na silniku EB2. Dzięki
podłączeniu do sterownika silnika interfejsu ETAS INCA można było zmieniać
czasy wtrysku, kąt otwarcia przepustnicy, punkt zapłonu, sterować otwarciem
zaworów dolotowych i wydechowych, monitorować ciśnienia oraz temperatury.
12
Rysunek 10 Silnik na stanowisku pomiarowym
Rysunek 11 Oprogramowanie Indicom
13
Ponadto stanowisko (Rys.10.) pozwalało mierzyć i rejestrować przebieg
ciśnienia w cylindrze. Wyposażone było bowiem w piezoelektryczne przetworniki
ciśnienia
szybkozmiennego
typu
Z131Y5
firmy
AVL
wraz
z
zestawem
wzmacniaczy, przetwornikami AC, znacznikiem położenia wału korbowego oraz
oprogramowaniem Indicom (Rys.11.)
2.3 Alternator
Silnik EB2 został wyposażony w
alternator
o
mocy
1,1kW
(Rys.12.).
Alternator jest bardzo ważnym elementem
instalacji HHO, ponieważ czerpana jest z
niego
energia
potrzebna
w
procesie
elektrolizy wody.
Rysunek 12. Fabryczny alternator
silnika EB2
Napodstawie„ImprovingAlternatorEfficiencyMeasurablyReducesFuelCosts” - Mike
Bradfield, MSME Remy, Inc.[4], gdzie zamieszczono mapę sprawności typowego
alternatora w funkcji prędkości obrotowej oraz obciążenia (Rys.13.), stworzono
analogiczną mapę dla alternatora silnika EB2 za pomocą programu Uniplot
(Rys.14.)
14
Rysunek 13. Mapa sprawności alternatora w funkcji obciążenia i prędkości
obrotowej [4]
Rysunek 14. Analogiczna mapa sprawności alternatora w funkcji obciążenia i prędkości
obrotowej w programie UniPlot
Program ten pozwolił automatycznie sporządzić charakterystyki sprawności
alternatora w funkcji obciążenia prądem w A dla pięciu prędkości obrotowych –
15
1000, 1500, 2000, 2500 oraz 3000 (Rys.15.). Za pomocą wielomianu czwartego
stopnia otrzymano 5 równań interpolujących sprawność alternatora dla różnych
prędkości obrotowych i obciążeń.
80
70
Sprawnosć [-]
60
50
40
30
2000
20
3000
4000
10
5000
6000
0
0
50
100
Obciążenie [A]
150
200
Rysunek 15. Wykres sprawności alternatora w funkcji obciążenia dla różnych prędkości
obrotowych
Równania opisujące sprawność alternatora dla różnych prędkości obrotowych
alternatora w funkcji obciążenia mają następującą postać:
η2000 = -0.0000003x4 + 0.0001445x3 - 0.0255429x2 + 1.7812239x + 29.4532237
η3000 = -0.0000003x4 + 0.0001342x3 - 0.0230908x2 + 1.5824038x + 32.3815146
η4000 = -0.0000003x4 + 0.0001367x3 - 0.0229687x2 + 1.6040779x + 27.7707071
η5000 = -0.0000003x4 + 0.0001340x3 - 0.0218279x2 + 1.5687053x + 22.7572378
η6000= -0.0000001x4 + 0.0000407x3 - 0.0105038x2 + 1.0946252x + 22.0093702
We wzorach na sprawność alternatora „x” oznacza natężenie prądu wyrażoną w
[A].
Przy wykorzystywaniu równań należy uwzględnić, iż w silniku EB2 koło
pasowe na wale silnika ma dwa razy większą średnicę niż koło na wale
16
alternatora. Oznacza to, że prędkość obrotowa silnika jest dwa razy mniejsza od
prędkości obrotowej alternatora. Innymi słowy 1000 [obr/min] silnika odpowiada
2000 [obr/min] alternatora, 2000 [obr/min] silnika odpowiada 4000 [obr/min]
alternatora, itd.
2.4 ETAS – INCA
INCA to produkt firmy ETAS, która dostarcza innowacyjne rozwiązania,
usługi inżynieryjne, doradztwo, szkolenia oraz wsparcie dla rozwoju systemów
wbudowanych dla przemysłu motoryzacyjnego.
System pozwala podłączyć się do komputera sterującego silnikiem – ECU
(Electronic
Control
poszczególnych
dołączonego
Unit)
i
w
czasie
podzespołów oraz
oprogramowania
rzeczywistym
zmieniać
można
ich
zmieniać
rejestrować
parametry.
czasy
pracę
Za
pomocą
wtrysku,
otwarcie
przepustnicy, kąt zapłonu i wiele innych, a jednocześnie czujnikami znajdującymi
się w fabrycznym, standardowym wyposażeniu silnika rejestrować bieżące
wartości.
17
Rysunek 16. Schemat podłączenia modułu ES59x [5]
Schemat w jaki sposób INCA połączona jest ze sterownikiem silnika
przedstawiono na Rys.16. Moduł interfejsu ES592(Rys.17.) wyposażony jest
wjedno złącze HOST (połączenie z komputerem za pomocą interfejsu Ethernet
100 Mbit/s), jedno złącze ETK plus, dwa złącza typu CAN oraz dwa złącza typu
ETH.
Rysunek 17. Moduł interfejsu ES592 [5]
Rysunek 18. Interfejs programu INCA [5]
18
Oprogramowaniem firmowe INCA SW pracuje w czasie rzeczywistym,
zapewniając pomiar, kalibrację oraz analizę parametrów komputera sterującego
pracą silnika. Oprogramowanie wyposażone jest w narzędzie do przeprowadzenia
kalibracji odczytywanych wielkości, moduł analizy danych pomiarowych oraz
moduł do programowania pamięci FLASH – (ang. Flash memory) ECU
Podstawowe funkcje oprogramowania:
•
Gromadzenie i wyświetlanie danych odczytywanych z ECU silnika.
•
Przyjazne dla użytkownika środowisko graficzne.
•
Obsługa wielu interfejsów i modułów pomiarowych
•
Zintegrowane narzędzia do zarządzania danymi kalibracji (CDM) – (ang.
Calibration Data Managment) , analizy danych pomiarowych (MDA) – (ang.
Measurement Data Analysis)
•
Zgodność z odpowiednimi normami ASAM (Association for Standardization
of Automation and Measuring Systems –normy odpowiedzialne za
zgodność protokołów, interfejsów, formatów plików i aplikacji stosowanych
w motoryzacji)
2.5 Pomiar ilości gazu
Do pomiaru ilości gazu wykorzystywana jest
butelka o pojemności jednego litra. Została ona
umieszczona w przeźroczystej rurze ze szkła
organicznego i nałożona dnem do góry na cienką
rurkę szczelnie połączoną z wężem przez, który
płynie
gaz
wyprodukowany
przez
generator
(Rys.19.). Ciśnienie gromadzącego się gazu
wypycha naczynie do góry. Wynik uzyskujemy
przez pomiar pośredni mierząc czas całkowitego
wynurzenia się naczynia z wody, czyli czas
wyprodukowania
Rysunek 19 Urządzenie do
pomiaru ilości gazu
1l
gazu
HHO.
Schemat
urządzenia do pomiaru ilości wytwarzanego gazu
19
przedstawiono na Rys.20. Pozostałe wielkości fizyczne takie jak natężenie
prądu oraz napięcie potrzebne do obliczenia mocy mierzono za pomocą
multimetru.
Rysunek 20 Schemat urządzenia do pomiaru ilości gazu
2.6 Układ zasilania silnika gazemHHO
Cały układ został zaprojektowany tak, aby można było założyć instalację w
każdym samochodzie z silnikiem o zapłonie iskrowym. Głównym jego elementem
jest wytwornica wodorotlenowa, która jest podłączona do regulatora prądu.
Energia elektryczna potrzebna do elektrolizy pobierana jest z alternatora.
Wyprodukowany gaz doprowadzony jest do kolektora dolotowego za pomocą
elastycznej rurki. Do badań instalacja została rozbudowana o dodatkowe
elementy, takie jak wymiennik ciepła, w którym elektrolit podgrzewano do zadanej
20
temperatury oraz pompa wymuszająca ciągły ruch i wymieszanie elektrolitu.
Rys.21. przedstawia instalację używaną podczas prób w hamowni.
Rysunek 21. Instalacja HHO
21
Rysunek 22. Wymiennik ciepła
Regulator prądu
Rysunek 23. Pompa perystaltyczna
Alternator
PWM
22
Wytwornica
wodorotlenowa
Bocznik,
Stałe obciążenie
(amperomierz
prądu – 23A
i woltomierz)
Rysunek 24 Schemat elektryczny instalacji HHO
Schemat połączeń elektrycznych układu zasilania silnika gazem HHO
pokazano na Rys.24. W celu zbadania wpływu instalacji gazu HHO na działanie
silnika od instalacji elektrycznej został odłączony akumulator, a alternator zasilał
wyłącznie wytwornicę gazu HHO. Stopień naładowania akumulatora ma bowiem
wpływ na obciążenie alternatora, który go doładowuje. W związku z tym wyniki
pomiarów
zmieniały się
w czasie
zgodnie
z
przebiegiem
ładowania
i
rozładowywania akumulatora. Z kolei w normalnej instalacji alternator, nawet gdy
nie doładowuje akumulatora, zasila układ sterowania silnika, zasilania benzyną
oraz układ zapłonowy. Jego obciążenie zależy zatem od obrotów i stopnia
obciążenia silnika. Dlatego w czasie badań alternator zasilał wyłącznie wytwornicę
gazu HHO, a układ sterowania i zasilania silnika był podłączony do zewnętrznego
stabilizowanego zasilacza prądu stałego. Aby warunki pracy, a przede wszystkim
jego sprawność była zbliżona do tych, które występują w samochodzie alternator
23
dodatkowo obciążono zespołem żarówek pobierających 23A, co odpowiada
poborowi prądu przez pomocnicze układy elektryczne silnika przy ok. 3000
obr/min i 30% obciążenia wraz z włączonymi jednocześnie światłami mijania.
Regulator PWM – (ang.
Pulse Width Modulation)
pozwala
na
płynną
regulację mocy pobieranej
przez układ HHO. Układ
zamienia stałe napięcie 1214V
DC
na
0
onapięciu
–
impulsy
12V
z
regulowaną częstotliwością
od
500Hz
do
150kHz.
Oprócz tego pozwala na
regulację
wypełnienia
impulsu od 0 do 100% (0%
-
przez
cały
okres
Rysunek 25 Regulator PWM
na
wyjściu jest 0V,100% - przez cały okres na wyjściu jest 12V, 30% - przez 30%
okresu na wyjściu jest 12V po czym spada do 0V). Aby układ pracował stabilnie do
wytwornicy gazu podłączono równolegle kondensatory o pojemności 44[mF].
2.6.1 Wytwornica wodorotlenowa oraz elektrolit
Wytwornica wodorotlenowa składa się z dwóch elektrod prądowych oraz
pięciu neutralnych(Rys.26.). Odpowiednio rozmieszczone otwory pozwalają na
swobodny przepływ elektrolitu oraz uwalnianie wytworzonego gazu. Między
elektrodami znajduje się uszczelka wykonana z olejoodpornej gumy –EPDM,
zapewniająca właściwą odległość między elektrodami. Zabezpiecza ona również
przed wydostaniem się gazu oraz jest odporna na warunki panujące w pojeździe.
Obudowa została wykonana z przezroczystego tworzywa odpornego na wysoką
24
temperaturę. Dzięki czemu możliwa była ciągła i bezpośrednia obserwacja
procesów
zachodzących
wewnątrz
wytwornicy.
Wszystkie
części
zostały
połączone ze sobą za pomocą śrub.
Rysunek 26 Schemat generatora HHO [6]
Bardzo ważnym elementem w budowie wytwornicy jest materiał z jakiego
zostały wykonane elektrody. W pracy [6] sprawdzono dwa gatunki kwasoodpornej
stali nierdzewnej316L oraz 304. Wyniki próby odporności materiału elektrod na
kilkunastogodzinne działanie elektrolitu zamieszczono w postaci zdjęć na Rys.27.
Na podstawie tej próby, jako materiał elektrod wytwornicy gazu HHO wybrano stal
316L.
25
a)
b)
Rysunek 27 Elektrody używane w generatorze [6]
a) stal 316L b) stal 304
Aby reakcja mogła zajść przy napięciu 12-14[V], w procesie elektrolizy
oprócz wody H2O zastosowano również katalizator. Katalizatorem może być sól
kuchenna NaCl, wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 lub wodorotlenek potasu KOH. Ta
ostatnia, silnie żrąca substancja, choć niebezpieczna dla człowieka zapewnia
wysoką wydajność procesu, pozostawiając na elektrodach tylko niewielkie ilości
osadu. Należy jednak pamiętać, by zachować szczególną ostrożność zwłaszcza,
gdy temperatura roztworu KOH jest wysoka.
Rysunek 28 Wodorotlenek potasu – KOH
Stężenie katalizatora również ma duży wpływ na wydajność procesu
elektrolitycznego wytwarzania gazu HHO. Na Rys.29. pokazano zależność
26
pomiędzy ilością KOH w [g],dodawaną do 3 L H2O przy napełnianiu wytwornicy, a
otrzymaną wydajnością gazu HHO wL/min. Wynika z niej, że zwiększanie ilości
KOH powiększa wydajność wytwornicy, aż do osiągnięcia stężenia 60 g/3L.
Powyżej 60[g/3L] (20 [g/L]) ilość wodorotlenku potasu niemalże nie ma wpływu na
produkcję gazu HHO.
0,8
0,7
LPM [L/min]
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Ilość KOH [g/3L]
Rysunek 29 Produkcja gazu HHO w zależności od ilości KOH
2.7 Sprawność oraz wydajność generatora HHO
Głównym kryterium wyrażającym sprawność wytwornicy jest współczynnik
MMW (ang. Mililiters per Minute per Wat), określający wydajność produkcji gazu w
odniesieniu do poboru mocy elektrycznej:
𝑴𝑴𝑾 =
𝑳𝑷𝑴 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎 [
𝒎𝑳
𝒎𝒊𝒏
𝑰 ∗ 𝑼 [𝒘𝒂𝒕𝒕]
]
(𝟏)
Gdzie:
LPM – ilość wyprodukowanego gazu wyrażona w litrach w ciągu jednej minuty
I – natężenie prądu [A]
U – napięcie [V]
27
Wartość współczynnika zależy od wielkości oraz liczby elektrod prądowych i
neutralnych, temperatury elektrolitu, stężenia elektrolitu i wielu innych czynników.
Dominującym parametrem pozwalającym zwiększyć sprawność wytwornicy jest
jednak liczba elektrod neutralnych. Elektrody neutralne wykazują specjalną
właściwość – dzielą napięcie na pół. „Jeżeli między elektrodami prądowymi jest
12V a między nimi zostanie umieszczona jedna elektroda neutralna to między
elektrodą neutralną a prądową będzie 6V. Jeśli między elektrodami prądowymi
zostanie umieszczone 5 elektrod neutralnych napięcie między sąsiednimi
elektrodami będzie wynosiło około 2 V” [6]
Rysunek 30 Schemat zachowania się napięcia na elektrodach generatora [6]
W Tabeli 2. pokazano jak liczba elektrod neutralnych wpływa na pobór prądu,
wydajność oraz współczynnik MMW.
Tabela 2. Właściwości wytwornicy wodorotlenowej.
Liczba
elektrod
neutralnyc
h
3
4
5
6
I [A]
U [V]
Ume[V
]
M [W]
LPM
[L/min]
(2)
MM
W
(3)
21,1
12,15
2,25
12,7
8,8
4,4
8,1
5,9
4,6
3,4
1,25
1,3
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
4,1
4,1
4,1
x
x
x
2,6
2,6
2,6
2,6
2,6
x
274
158
29,25
165
114
57,2
105
76,7
60
44,2
16,25
16,9
1,05
0,65
0,133
0,8
0,57
0,285
0,6
0,43
0,35
0,26
0,088
0,094
3,83
4,11
4,55
4,85
5
4,98
5,71
5,61
5,83
5,88
5,42
5,56
Średn
i wsp.
MMW
4,16
4,94
5,69
5,56
28
Zależność pomiędzy współczynnikiem MMW, a liczbą elektrod neutralnych
pokazano na Rys.31. Największą wartość MMW, odpowiadającą największej
sprawności procesu elektrolizy otrzymano dla 5 elektrod i dlatego właśnie tyle
wsp. MMW
elektrod umieszczono w wytwornicy używanej do zasilania silnika gazem HHO.
5,8
5,7
5,6
5,5
5,4
5,3
5,2
5,1
5
4,9
4,8
4,7
4,6
4,5
4,4
4,3
4,2
4,1
4
3 neutralne
4 neutralne
5 neutralne
6 neutralne
Rysunek 31. Zależność wsp. MMW od ilości elektrod neutralnych
Zbadano również wpływ powierzchni czynnej elektrod na produkcję gazu.
Tabela 3. przedstawia Ilość produkowanego gazu w zależności od powierzchni
czynnej każdej z elektrod. Zauważono, że nie ma to wpływu na sprawność
wytwornicy a jedynie na ilość produkowanego gazu. Wyniki pokazane na Rys.32.
Tabela 3. Zależność powierzchni czynnej elektrod na produkcję gazu
Powierzchnia
elektrody [cm2]
396
336
288
216
156
prąd [A]
LPM
MMW
9,6
9
8,5
8
6,8
0,74
0,68
0,65
0,6
0,52
5,94
5,83
5,83
5,83
5,95
29
1
0,95
0,9
LPM [L/min]
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
100
200
300
400
500
600
700
800
Powierzchnia jednej elektrody [cm2]
Rysunek 32.Zależność powierzchni czynnej elektrod na produkcję gazu
wskazują bowiem, że można przyjąć liniowy związek pomiędzy wydajnością
wytwornicy, a powierzchnią elektrod.
Przeprowadzone badania i próby pozwoliły zaprojektować (Rys.33.) i
zbudować (Rys.34.) wytwornicę o wysokiej sprawności, z współczynnikiem MMW
przekraczającym wartość 6. Opracowano wytwornicę wodorotlenową, która
maksymalnie wykorzysta możliwości alternatora. Była ona bowiem w stanie
wyprodukować 6 litrów gazu HHO na minutę pobierając 940 [W]. Po
uwzględnieniu
wartości
opałowej
wodoru
(Wu=121[MJ/kg]
w
warunkach
normalnych) oznacza to, że odpowiada to sprawności wytwornicy wodorotlenowej
w wysokości 75%.
30
Rysunek 33. Zaprojektowana wytwornica wodorotlenowa
Rysunek 34.Wykonanawytwornica wodorotlenowa przygotowana do badań
31
2.8 Sprawność procesu
Korzystając z równań przedstawionych w rozdziale 2.3., a dotyczących
sprawności alternatora w zależności od obrotów i obciążenia, sprawność całego
procesu złożonego najpierw z zamiany energii mechanicznej na elektryczną w
alternatorze, a następnie elektrolizy w wytwornicy gazu HHO można wyznaczyć za
pomocą następującego wzoru:
𝜂 𝑝 = 𝜂 𝑤 × 𝜂 𝑟𝑝𝑚
Gdzie:
𝜂 𝑟𝑝𝑚 –
sprawność alternatora dla danej prędkości obrotowej w funkcji
obciążenia
𝜂 𝑤 – sprawnośćwytwornicy
Sprawność wytwornicy to stosunek włożonej mocy elektrycznej do energii
uzyskanej
w
wyniku
spalenia
wytworzonego
gazu.
W
przypadku,
gdy
zaprojektowana wytwornica zostanie użyta do silnika EB2maksymalna sprawność
procesu może osiągnąć 53% (maksymalna sprawność wytwornicy – 75%
maksymalna sprawność alternatora – około 70%)
2.8.1 Obliczanie straty średniego ciśnienia efektywnego silnika
spowodowanej obciążeniem alternatora
BMEP – (ang. Brake Mean Effective Pressure) jest to średnia jednostkowa
praca użyteczna na wyjściu wału korbowego silnika, mierzona w jednostkach
ciśnienia. Obliczenia BMEP dla różnych warunków pracy silnika EB2 oraz
zmieniającej się ilości dodawanego gazu HHO prowadzono za pomocą
komercyjnego programu GT-Power, symulującego cykl silnika. Oprogramowanie
oblicza BMEP jako różnicę pomiędzy zmienną IMEP (Indicated Mean Effective
Pressure), który jest wartością średniego ciśnienia indykowanego, a więc średnią
jednostkową pracą gazu w cylindrze, a zadaną wielkością FMEP (Friction Mean
32
Effective Pressure), uwzględniającą straty poniesione na napęd układów
pomocniczych, takich jak smarowanie, rozrząd, zasilanie paliwem:
𝐵𝑀𝐸𝑃 = 𝐼𝑀𝐸𝑃 − 𝐹𝑀𝐸𝑃
W wyniku symulacji procesów cieplnoprzepływowych, którym poddany jest gaz
w cylindrze podczas pełnego cyklu w silniku otrzymywany jest IMEP. FMEP jest
natomiast wielkością stałą, zadawaną jako dana wejściowa, która nie może być
zmieniana w trakcie symulacji.
Proces obliczeń w programie GT-Power był zautomatyzowany i w kolejnych
przybliżeniach przy zmienionym położeniu przepustnicy symulacja cyklu była
powtarzana, aż do osiągnięcia zadanej wartości BMEP. Ponieważ po zmianie
położenia przepustnicy zmieniała się ilość ładunku napełniającego cylindry, to
należało to uwzględnić dobierając nową ilość dodawanego gazu HHO. To z kolei
powodowało zmianę mocy pobieranej z alternatora, której nie można było
wprowadzić do programu jako FMEP w trakcie obliczeń w postaci np. funkcji. GTPower wymaga bowiem dla tej zmiennej wielkości liczbowej o stałej wartości.
Napotkane trudności rozwiązano, tworząc nową zmienną BMEPa, wyrażającą
energię odbieraną przez alternator do zasilania wytwornicy
2×𝑃
𝜂
𝐵𝑀𝐸𝑃 𝑎 =
𝑟𝑝𝑚 × 0,0012 ×
100000
𝑟𝑝𝑚
60
[ 𝐵𝑎𝑟]
Gdzie:
𝜂 𝑟𝑝𝑚 – sprawność alternatora
𝑟𝑝𝑚– prędkość obrotowa silnika [obr/min]
𝑃– moc pobierana przez alternator do produkcji gazu [W]
Liczba 0,0012 jest pojemnością silnika EB3 wyrażoną w m3
Podczas symulacji wartość BMEPa dodawana była do zadanej wartości
średniego ciśnienia użytecznego (BMEP), które należy osiągnąć podczas
obliczeń.
33
3 Symulacja
Ilość potrzebnego wodoru jest wyliczana na podstawie jego procentowego
udziału masowego w stosunku do masy paliwa. Po uwzględnieniu gęstości
strumień objętości wodoru otrzymano z wzoru:
𝑚 𝑝𝑎𝑙 [
̇
𝑉̇ 𝐻 =
𝑘𝑔
]× 𝑝
𝑚𝑖𝑛
𝑘𝑔
𝜌𝐻[ ]
𝐿
Gdzie:
𝑚 𝑝𝑎𝑙 – strumień paliwa dostarczany do silnika w czasie jednej minuty
̇
𝜌 𝐻 – gęstość wodoru = 0,0899 [
𝑘𝑔
𝑚3
]
𝑝 – procentowa masa wodoru względem masy paliwa
Strumień paliwa 𝑚 𝑝𝑎𝑙 w [kg/min] zależy od prędkości obrotowej silnika oraz
̇
obciążenia. Jego wartości otrzymano w hamowni podczas badań silnika,
zasilanego benzyną bez dodatku gazu HHO.
Wodór dostarczany do silnika powstaje w wyniku elektrolizy wody wskutek
czego, otrzymany gaz zawiera także tlen. Tlen nie jest oddzielany i razem z
wodorem jest dostarczany do kolektora ssącego silnika. Objętościowe udziały
składników mieszaniny wodorotlenowej uzyskanej w procesie elektrolizy są
następujące:
𝑉 𝐻𝐻𝑂 = 𝑉 𝐻2 + 𝑉 𝑂2
𝑉 𝐻2 =
2
𝑉
3 𝐻𝐻𝑂
𝑉 𝑂2 =
1
𝑉
3 𝐻𝐻𝑂
Gdzie:
34
𝑉 𝐻𝐻𝑂 – objętość mieszaniny wodorotlenowej
𝑉 𝐻2 – objętość wodoru
𝑉 𝑂2 – objętość tlenu
Przykład:
Masa Paliwa = 0,002667 [kg/min]
Procent wodoru = 0,5% masy paliwa
Otrzymamy:
𝑉̇ 𝐻 =
0,002667 × 0,005
𝐿
≈ 0,15 [
]
0,0899 × 10−3
𝑚𝑖𝑛
𝑉̇ 𝐻𝐻𝑂 =
𝑉̇ 𝐻
𝐿
≈ 0,22 [
]
0,66
𝑚𝑖𝑛
Aby szybko wyznaczyć wymaganą ilość gazu, procedurę obliczeniową
zapisano w Akuszu kalkulacyjnym programu Excel(Rys.35.). Arkusz na podstawie
masy paliwa oraz zadanej procentowej ilości wodoru wylicza masę wodoru, a co
za tym idzie wymaganą wydajność wytwornicy gazu HHO. Wprowadzając
współczynnik MMW program pozwala obliczyć BMEPa, czyli pracę jaką odbiera
alternator, sprawność procesu, oraz bilans energetyczny.
Rysunek 35 Widok arkusza kalkulacyjnego w programie EXCEL
35
3.1 Model obliczeniowy w programie GT-Power
Cały proces dozowania wodoru do silnika EB2 koncernu PSA Peugeot
Citroen został zasymulowany programem GT-Power. Stworzony schemat
obliczeniowy silnika, odtwarzający proces spalania, wymiany ciepła w cylindrze,
procesy przepływowe w rozgałęzionych układzie dolotowym i wylotowym wraz z
filtrem powietrza i katalizatorem spalin, wtrysk benzyny, wodoru i tlenu, oraz
emisję szkodliwych składników spalin przedstawiono na Rys.36.
Wszystkie potrzebne dane związane ze sprawnością alternatora, wytwornicy
wodorotlenowej oraz kąty spalania zostały wpierw wyliczane w arkuszu
kalkulacyjnym. Dane te pozwalały oszacować ile gazu HHO należy dodać oraz o
ile należy powiększyć zadaną wartość BMEP by uwzględnić moc dodatkowo
odbieraną przez alternator.
Rysunek 36 Model symulacyjny w programie GT-Power
W porównaniu z silnikiem zasilanym wyłącznie benzyną do modelu
obliczeniowego silnika należało dodać dodatkowe wtryskiwacze, które wtryskiwały
wodór oraz tlen. Obliczenia prowadzono dla współczynnika nadmiaru powietrza
λ=1,4. Założono bowiem, że wodór umożliwi zapłon tak zubożonej, jednorodnej
mieszanki, która powinna spalać się z większą sprawnością niż normalna o
składzie stechiometrycznym, tzn. przy λ=1.Jednocześnie spodziewano się
36
mniejszej emisji szkodliwych składników spalin niż przy ok. λ=1,1, gdy sprawność
silnika jest największa.
Algorytm programu modelującego silnik sterowany był dostępnym w GT-Power
blokiem numerycznego regulatora PI (Rys.37.), który sterował przepustnicą w taki
sposób, by otrzymać zadany BMEP. Współczynniki regulatora otrzymano stosując
metodę Zieglera-Nicholsa.
Rysunek 37. Ustawienia regulatora PID w modelu symulacyjnym
37
3.2 Wyniki symulacji
Celem obliczeń było znalezienie takich warunków zasilania silnika EB2
benzyną z niewielkim dodatkiem gazu HHO, gdy zużycie benzyny jest
najmniejsze. W silnikach o zapłonie iskrowym najniższe zużycie paliwa uzyskuje
się przy współczynniku AFR = 16,2 (ang. Air Fuel Ratio) co odpowiada λ = 1,12.Z
uwagi na występującą wówczas dużą emisję tlenków azotu, taka regulacja nie
powinna być stosowana. Przy dalszym zubożaniu mieszanki zużycie paliwa co
prawda nieco wzrasta ale jednocześnie emisja tlenków azotu bardzo mocno
spada. Niestety dla silnie zubożonej mieszanki, gdy λ przekracza 1,2 praca silnika
staje się niestabilna. Niestabilności pracy winien zapobiec wodór, którego granice
zapalności są znacznie większe niż benzyny i dlatego przyjęto, że obliczenia za
pomocą programu GT-Power będą prowadzone dla mieszaniny zubożonej do λ=
1,4 (AFR= 20.8). Ponadto, przeprowadzono obliczenia dla silnika zasilanego
wyłącznie benzyną, których wyniki stanowiły odniesienie do oceny wpływu
dodawania gazu HHO do benzyny. Dla warunków odniesienia przyjęto λ=1 (AFR =
14,7) co jest regulacją stosowaną przy częściowych obciążeniach ze względu na
osiąganą wtedy najwyższą efektywność pracy katalizatora trójfunkcyjnego,
oznaczającą najmniejszą emisję szkodliwych składników spalin.
Model obliczeniowy silnika z instalacją HHO pozwolił oszacować ile gazu
HHO należy dostarczyć do kolektora dolotowego. Wykres poniżej przedstawia
zużycie paliwa w zależności od ilości wodoru. Podczas symulacji uzyskano tą
samą moc i prędkość obrotową uwzględniając obciążenie alternatora oraz
sprawność poszczególnych elementów układu HHO.
38
Masowy przepływ paliwa [g/s]
Rysunek 38. Zużycie paliwa w zależności od masy wyprodukowanego wodoru
Gdzie „Case number” odpowiada odpowiednio:
1. Lambda 1, 0% wodoru względem masy paliwa
2. Lambda 1.4, 0.1% wodoru względem masy paliwa
3. Lambda 1.4, 0.2% wodoru względem masy paliwa
4. Lambda 1.4, 0.3% wodoru względem masy paliwa
5. Lambda 1.4, 0.4% wodoru względem masy paliwa
6. Lambda 1.4, 0.5% wodoru względem masy paliwa
7. Lambda 1.4, 0.6% wodoru względem masy paliwa
8. Lambda 1.4, 0.7% wodoru względem masy paliwa
9. Lambda 1.4, 0.8% wodoru względem masy paliwa
10. Lambda 1.4, 0.9% wodoru względem masy paliwa
11. Lambda 1.4, 1% wodoru względem masy paliwa
39
Z wykresu wynika, że aby uzyskać korzyści ze zubożonej mieszanki oraz
obecności gazu wodorotlenowego opłaca się wyprodukować tylko 0,3% masy
wodoru względem masy paliwa.
Podczas symulacji sprawdzono również ilość tlenków azotu – NOx wyrażoną w
Koncentracja związków NOx [ppm]
[ppm] przy zaworze wydechowym w zależności od wsp. λ.
Rysunek 39. Ilość tlenków azotu w zależności od λ
Gdzie „Case number” odpowiada odpowiednio:
1. Lambda 1
2. Lambda 1,04
3. Lambda 1,09
4. Lambda 1,15
5. Lambda 1,19
6. Lambda 1,26
7. Lambda 1,31
40
8. Lambda 1,36
9. Lambda 1,42
10. Lambda 1,45
11. Lambda 1,51
Z symulacji wynika, że ilość tlenków azotu maleje wraz ze zwiększaniem
współczynnika λ, jednak największe stężenie powinno być przy wsp. lambda
równym 1.12. Rozbieżność może wynikać z niedokładności modelu.
Sprawdzono również temperaturę spalin zaraz przed katalizatorem. Wraz
ze wzrostem wsp. lambda temperatura zmniejsza się. Rysunek 40. przedstawia
wyniki symulacji. Na rysunku tym znaczenie „Case number” jest takie samo jak na
Temperatura spalin [K]
Rys.39.
Rysunek 40. Temperatura spalin przed katalizatorem
Symulację przeprowadzono dla kilku prędkości obrotowych i obciążeń.
Otrzymane wyniki pokazano na Rys.41., gdzie ilość dodawanego wodoru
41
ograniczono do 0,3% względem masy benzyny, gdyż dla większych ilości cały
proces elektrolitycznego wytwarzania gazu HHO dostarczanego do silnika
przynosił straty.
7
6
Oszczędności paliwa [%]
5
2bar 0.15%
4
3bar 0.15%
4bar 0.15%
3
2bar 0.3%
3bar 0.3%
2
4bar 0.3%
1
0
750
-1
1250
1750
2250
2750
3250
Prędkość obrotowa [obr/min]
Rysunek 41. Wykres oszczędności w zużyciu paliwa otrzymany w wyniku symulacji
Dla wszystkich obciążeń 2, 3 i 4 bar większe oszczędności, ok. 6% w
zakresie prędkości obrotowej 1250-2500 obr/min, uzyskano dla mniejszej ilości
dodawanego wodoru, tzn. 0,15%. Dla 0,3% wodoru największe zmniejszenie
zużycia paliwa sięgało 4,5%. Wskazywałoby to, że źródłem oszczędności jest
raczej zubożenie mieszanki, niż oddziaływanie wodoru na przebieg procesu
spalania. Należy jednak pamiętać, że przeprowadzona symulacja jest tylko
pewnym
przybliżeniem
cyklu
silnika
i
otrzymane
wyniki
powinny
być
zweryfikowane na stanowisku hamownianym.
42
3.3 Wyniki z hamowni
Pierwszym etapem badań w hamowni silnikowej jeszcze przed założeniem
instalacji HHO było wyznaczenie zużycia paliwa przez silnik EB2 zasilany
wyłącznie benzyną i pracujący przy standardowym współczynniku nadmiaru
powietrza λ=1. Było to odniesienie do wyników badań silnika, pracującego przy
współczynniku nadmiaru powietrza λ=1,4, do którego dodawany był w różnych
ilościach gaz wytwarzany w instalacji HHO. Porównanie otrzymanych wyników
przedstawiono na Rys.42. i Rys.43. Po dodaniu 0,15% wodoru (Rys.42.)
osiągnięto, podobnie jak w symulacji spadek zużycia paliwa sięgający 6%.
Dotyczyło to jednak tylko obszaru pomiędzy prędkością obrotową 1200 a 2400
obr/min i obciążenia powyżej 3,5 bar. Poza tym obszarem oszczędności były
mniejsze a dla prędkości poniżej 1000 obr/min i obciążenia mniejszego od 3,5 bar
zanotowano nawet wzrost zużycia paliwa oznaczający straty po dodaniu gazu
HHO, co zaznaczono na rysunku kolorem czerwonym.
43
Oszczędności [%]
Rysunek 42. Oszczędności w zużyciu paliwa przy = 1,4 oraz 0.15%H
Po dodaniu 0,3% wodoru największe oszczędności, podobnie jak w
symulacji były mniejsze i wynosiły ok. 3,5%. Większy był też obszar strat
obejmujący wszystkie wartości obciążenia przy prędkości obrotowej poniżej 1000
obr/min.
44
Oszczędności [%]
Rysunek 43. Oszczędności w zużyciu paliwa przy = 1,4 oraz 0.3%H
Ważnym kryterium oceny pracy silnika jest tzw. stabilność „cykl do cyklu”.
Punktem odniesienia jest stabilność pracy oryginalnego silnika bez żadnych
modyfikacji.
Ponieważ
stabilność
najwyraźniej
zabuża
wypadanie
zapłonu
w
poszczególnych cyklach, to jej oceny można dokonać sprawdzając IMEP (ang.
Indicated Mean Effective Pressure) – średnie ciśnienie indykowane w kolejnych
cyklach. Jeżeli wartość IMEP jest mniejsza od 0 to znaczy że w danym cyklu nie
nastąpił zapłon, astabilność pracy określić można wówczas jako procentowy
udział cykli, w których wartość IMEP była ujemna. W przeprowadzonych
pomiarach jako akceptowalną granicą stabilności pracy silnika przyjęto 2.5%.
45
46
Rysunek 44. Stabilność pracy silnika dla różnych prędkości obrotowych i obciążeń
Na Rys.44. można zaobserwować, że mimo dodania 0,3% wodoru, przy
niskich prędkościach obrotowych i małych obciążeniach (BMEP & lt; 2 bar) silnik
pracuje niestabilnie. Przy większych obciążeniach (BMEP ≥ 2 bar) silnik pracuje
stabilnie tzn. można uznać, że nie występuje wypadanie zapłonów.
Aby ocenić wpływ ilości dodawanego wodoru na przebieg spalania
odłączono alternator, a wytwornicę gazu HHO podłączono do zewnętrznego
zasilania. Ocenę przeprowadzono tylko w jednym punkcie pola pracy, gdysilnik
pracował z obciążeniem BMEP = 3bar przy obrotach 2000rpm po czym
zarejestrowano przebieg ciśnienia w cylindrze. W punkcie tym rejestrowano
przebiegi ciśnienia w cylindrze najpierw, gdy silnik pracował przy =1 i był zasilany
wyłącznie benzyną, a następnie przy =1,4
bez wodoru (0%) i z wodorem
dodawanym w ilości 0,3%, 1,0% i 1,5%. Zarejestrowane przebiegi przedstawiono
na Rys.45,46,47 i 48
47
.
48
Rysunek 45. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki, Lambdzie
1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 0.3%H
49
50
Rysunek 46. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki, Lambdzie
1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 1%H
51
52
Rysunek 47. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki, Lambdzie
1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 1.5%H
53
54
Rysunek 48. Przebieg ciśnień w cylindrze przy procentowym udziale wodoru od 0.3 do
1.5%H
55
Na podstawie zamieszczonych wykresów możemy zaobserwować, że w
części obejmującej sprężanie przebiegi pokrywają się, a wyraźną poprawę
procesu spalania dopiero po dodaniu 1% wodoru. Jednakże nawet po dodaniu
1.5% wodoru przebieg ciśnienia nadal leży poniżej od przebiegu odniesienia,
którym był przebieg rejestrowany przy =1 i zasilaniu wyłącznie benzyną, choć
wykres wyraźnie przesunął się w lewo co oznacza, że taka ilość wodoru
przyspieszyła spalanie mieszanki.
3.3.1 Temperatura spalin
Podczas pomiarów rejestrowana była temperatura gazów wydechowych.
Otrzymane wyniki przedstawiono na Rys.49, 50, 51 i 52. Podobnie jak przy
porównaniu przebiegów ciśnienia w cylindrze odniesieniem był przypadek, gdy
silnik zasilany był wyłącznie benzyną a =1, a na wykresach pokazano spadek
temperatury względem tego odniesienia. Dla wszystkich zbadanych prędkości
obrotowych i obciążeń temperatura spadła, nawet o ok. 60°C po zubożeniu
mieszanki do =1,4 i zasilaniu silnika benzyną bez dodawania wodoru (0%
wodoru). Powinno sprzyjać to oczekiwanemu zmniejszeniu emisji tlenków azotu
NOx. Spadek ten zależał przede wszystkim od obrotów silnika, powiększając się w
miarę ich wzrostu. Zależał także, choć w mniejszym stopniu od obciążenia
albowiem temperatura nieznacznie obniżała się wraz ze wzrostem obciążenia.
Natomiast dodanie do 0,3% wodoru w niewielkim stopniu ok. 10°C, lub nawet
wcale nie zmniejszało temperatury gazów wydechowych.
56
Lambda 1.4 Bez wodoru
BMEP [bar]
0,00
Różnica temperatur [C]
-10,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
-20,00
-30,00
1000
-40,00
2000
3000
-50,00
-60,00
-70,00
Rysunek 49. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 – bez wodoru
0.15% H
BMEP [bar]
Różnica temperatur [C]
0,00
-10,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
1000
-20,00
1500
-30,00
2000
-40,00
2500
3000
-50,00
-60,00
-70,00
Rysunek 50. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 - 0.15%H
57
0.3% H
BMEP [bar]
0,00
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Różnica temperatur [C]
-10,00
1000
-20,00
1500
-30,00
2000
2500
-40,00
3000
-50,00
-60,00
Rysunek 51. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 - 0.3%H
Lambda 1.4 0.3% H moc z poza układu
BMEP [bar]
0,00
Różnica temperatur [C]
-10,00
0
1
2
3
4
5
6
-20,00
-30,00
1000
-40,00
2000
-50,00
3000
-60,00
-70,00
-80,00
Rysunek 52. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 – bez wodoru, wodór
produkowany przez zewnętrzne źródło zasilania
4 Porównanie wyników
Zamodelowany silnik prawidłowo reagował na zmiany obciążenia i obrotów.
Otrzymane wyniki z symulacji potwierdziły się na hamowni. Oszczędności
uzyskane na stanowisku są jednak nieco niższe niż w symulacji. Porównanie
wyników w tabeli 4. oraz tabeli 5. Przy 0,15%H z obliczeń uzyskano 6,15%
oszczędności, a z pomiarów najwyżej 5%, przy 0,3%Hz obliczeń uzyskano z kolei
4,4% oszczędności, a z pomiarów najwyżej 3,65% Przy niższych obciążeniach i
małych prędkościach zaobserwowano w pomiarach straty czego nie było widać
58
podczas symulacji. Wynika to z ograniczeń programu GT-Power, który nie
uwzględnia np. wypadania zapłonów.
rpm
0.15%H
bmep
oszczednosci
0.3%H
rpm
bmep
oszczednosci
998.8
2.01211
-6.70925
998.8
2.01211
-3.94786
999
3.15843
-2.46119
999
3.15843
-4.03714
999
999
4.04913
5.05435
0.17114
0.78419
999
999
4.04913
5.05435
-1.31751
-1.45337
1498
1.95563
0.32198
1498
1.95563
-1.72525
1498
2.96
4.59507
1498
2.96
3.65495
1498
4.03062
4.15329
1498
4.03062
2.95732
1498
5.03358
4.78314
1498
5.03358
2.06858
1998.4
2.99968
3.30714
1998.4
2.99968
0.87023
1998.4
5.10686
4.5002
1998.4
5.10686
1.63755
1998.6
2.01285
3.28473
1998.6
2.01285
0.54588
1998.8
4.0049
4.97826
1998.8
4.0049
2.79673
2499
2.03318
1.12527
2499
2.03318
1.0012
2499
5.03384
2.71767
2499
5.03384
0.45461
2499.2
2.98578
3.39963
2499.2
2.98578
2.00983
2499.2
4.08337
2.61156
2499.2
4.08337
0.29156
2998
2998.2
2998.4
2998.4
5.05165
3.02604
2.00936
4.05876
3.80625
3.06919
3.94956
3.62992
2998
2998.2
2998.4
2998.4
5.05165
3.02604
2.00936
4.05876
1.07083
0.96405
-0.15314
1.00502
Tabela 4 Wyniki uzyskane podczas prób na stanowisku
0.15 symulacja
rpm
bmep
0.3 symulacja
oszczędnosci
rpm
bmep
oszczędnosci
1000
2
5.810298
1000
2
3.912514
1000
3
5.778486
1000
3
3.784479
1000
4
5.896644
1000
4
4.397184
1500
2
5.993032
1500
2
4.222472
1500
3
6.155453
1500
3
4.172216
1500
4
5.851597
1500
4
3.490381
2000
2
5.752337
2000
2
4.029762
2000
3
5.934173
2000
3
3.994759
2000
4
6.026701
2000
4
4.067102
2500
2
5.577359
2500
2
3.668854
2500
3
4.563077
2500
3
3.496809
2500
4
5.991547
2500
4
4.256271
3000
2
5.053547
3000
2
3.057575
3000
3
3.443609
3000
3
2.914147
3000
4
4.461216
3000
4
2.227789
Tabela 5 Wyniki uzyskane podczas symulacji
59
5 Instalacja HHO w samochodzie
Rysunek 53. Fiat Punto II z instalacją HHO
Instalacja HHO została założona w samochodzie Fiat Punto II z
czterocylindrowym silnikiem o pojemności 1.2L z wielopunktowym wtryskiem
paliwa. W komorze silnika zainstalowano generator wodorotlenowy wraz z
regulatorem PWM do regulacji ilości produkowanego gazu. Zbiornik na elektrolit
został umieszczony przy chłodnicy wody, z którego grawitacyjnie dostarczany jest
elektrolit do wytwornicy. Układ został wyposażony w urządzenie zapobiegające
cofnięciu się płomienia. Wężyk dostarczający gaz do silnika został podłączony za
filtrem powietrza przed przepustnicą. Dodatkowo w kolektorze wydechowym
zamontowano termoparę typu K do monitorowania temperatury spalin. Układ
zasilający podłączony jest do zacisków alternatora lecz zostanie uruchomiony
dopiero gdy zacznie pracować pompa paliwa i zostanie włączony przycisk w
kabinie samochodu. W ten sposób zabezpieczony układ pracuje tylko wtedy, gdy
użytkownik tego chce i nie ma możliwości aby gaz był produkowany gdy silnik nie
pracuje.
60
Rysunek 54. Komora silnika z prototypową instalacją
61
5.1 Sterowanie silnikiem
Aby instalacja przyniosła oczekiwane korzyści musi zostać zmieniona
oryginalna tablica (mapa) czasu wtrysku benzyny. W tym celu został założony
sterownik NEVO firmy KME przeznaczony do instalacji wtrysku gazu LPG.
Zaprojektowano specjalny układ elektryczny, w którym sterownik silnika wysyła
impulsy na oporniki o takiej samej oporności co cewki wtryskiwaczy. Wtryskiwacze
natomiast otrzymują odpowiednie sygnały ze sterownika NEVO, który czyta
i
zmienia oryginalny czas otwarcia na podstawie własnej, programowalnej tablicy
(mapy) danych. Układ sterowany jest przez przekaźniki, tak by możliwa była praca
z użyciem wyłącznie sterownika silnika, lub po przełączeniu z udziałem sterownika
od gazu.
Rysunek 55. Sterownik NEVO
Głównym
problem
podczas
sterowania
pracą
silnika
były
„stany
nieustalone” – gwałtowne wciśnięcie pedału przyspieszenia, zdjęcie nogi z gazu,
nierównomierne przyspieszanie. Mimo wprowadzenia korekty czasu wtrysku na
podstawie prędkości obrotowej i podciśnienia przed przepustnicą nie udało się
uniknąć „szarpania” podczas jazdy. Było to spowodowane tym, że oryginalny
sterownik korygował mapę na podstawie sygnałów z sondy lambda. W momencie
gdy ustawiono wyższy współczynnik lambda sonda wysyłała niepoprawny sygnał
do sterownika. Wypróbowano dwa sposoby obejścia tego problemu. Jednym z
nich było odłączenie sondy Lambda w skutek czego pojawiał się błąd silnika. Silnik
nie korygował czasów wtrysków ustawionych przez użytkownika, ale prawidłowa
62
ich
kalibracja
była
praktycznie
niemożliwa.
Mimo
wielu
prób
podczas
przyspieszania autem szarpało, silnik często gasł przy ruszaniu ze świateł, każdy
gwałtowny ruch pedałem przyspieszenia skutkował nieoczekiwanym zachowaniem
silnika.
Rysunek 56 Mapa czasu wtrysku paliwa
Rysunek 57 Parametry pracy silnika ze sterownikiem NEVO
63
Drugim ze sposobów był emulator sondy lambda. Urządzenie cały czas wysyłało
napięcie od 0.1 do 0.9[V] z częstotliwością około 2[Hz]. Dzięki temu zabiegowi nie
pojawiała się kontrolka silnika, lecz dalej pojawiały się wyżej wymienione
problemy. Układ sprawdzał się właściwie tylko w ustalonych warunkach – jazda ze
stałą prędkością, lub bieg jałowy.
Znaleziono nowy sposób na zmianę czasów
wtrysków paliwa. Zamiast standardowej sondy
lambda
zainstalowano
szerokopasmową.
pomocą
mikrokontrolera
ARDUINO
–
Za
MEGA
odczytywano sygnał z czujnika tlenu i zamieniano
go na 0.1-0.9V w zależności czy mieszanka była
zbyt bogata czy zbyt uboga. Opracowany Rysunek 58 Arduino Mega [7]
program
pozwalał
zmienić
punkt
zmiany
napięcia z 0.1V na 0.9V przy dowolnym współczynniku nadmiaru powietrza. Dzięki
temu zabiegowi sterownik silnika sam korygował czas wtrysku na podstawie
wskazań sondy. Za pomocą potencjometru można ustawić λ od 0,9 do 1,4. Silnik
pracuje stabilnie nawet w stanach nieustalonych jak ruszanie ze świateł, nagłe
zdjęcie nogi z gazu, gwałtowne przyspieszanie.
Rysunek 59. Mikrokontroler sterujący pracą silnika umieszczony w kabinie
64
5.2 Testy drogowe
Przeprowadzono wstępny test w którym samochód z prototypową instalacją
przebył trasę z Łodzi do Katowic i z powrotem. Próba miała jedynie sprawdzić czy
instalacja działa a jej wstępne wyniki są tylko orientacyjne.
Produkcja gazu HHO była ustawiona na stałe i wynosiła 1L/min.
Współczynnik λ podczas próby wynosił 1,3. Auto poruszało się ze średnią
prędkością około 90-100km/h na piątym biegu stosując się do przepisów ruchu
drogowego. Na trasie występowało zmienne ukształtowanie terenu, pojazd musiał
pokonać opory powietrza. W samochodzie były dwie osoby.
Rysunek 60 Mapa przebytej trasy
Przed wyruszeniem w trasę auto zostało zatankowane do pełna. Po powrocie
zatankowano do pełna na tej samej stacji przy tym samym dystrybutorze. Auto
zużyło 16,84 litry paliwa co daje średnie zużycie ok. 4.3 L/100km. Średnie zużycie
według portali motoryzacyjnych dla tego auta wynosi 5.5 L/100km w cyklu poza
65
miejskim. Według katalogu dostępnego na stronie www.automobile-catalog.com
zużycie paliwa przy prędkości 90 km/h na piątym biegu wynosi 4,2L lecz przy
stałej prędkości, bez przyspieszania i hamowania, na płaskiej powierzchni oraz
bez oporów powietrza.
Prędkość
Zużycie paliwa
50 km/h
3,6 l/100 km
60 km/h
3,7 l/100 km
70 km/h
3,8 l/100 km
80 km/h
4 l/100 km
90 km/h
4,2 l/100 km
100 km/h
4,5 l/100 km
120 km/h
5,1 l/100 km
140 km/h
6 l/100 km
Tabela 6 Zużycie paliwa według katalogu [8]
66
5.3 Pomiar szkodliwych związków w spalinach
Po testach drogowych sprawdzono emisję szkodliwych związków w spalinach. Po
włączeniu instalacji HHO zmniejszyła się emisja tlenku węgla, dwutlenku węgla
oraz węglowodorów. Zwiększyła się emisja tlenków azotu.
750
rpmBenzyna
CO
0,27%
750
rpmBenzyna
+ HHO
0,01%
2500
rpmBenzyna
0,64%
2500
rpmBenzyna
+ HHO
0,01%
CO2
14,50%
12,20%
14,50%
12,60%
HC
89 ppm
6 ppm
98 ppm
10 ppm
NOx
0 ppm
27 ppm
0 ppm
111 ppm
67
6 Wnioski
1. W wyniku strat spowodowanych sprawnością instalacji elektrolitycznego
wytwarzaniu
wodoru
zasilanej
alternatorem
samochodowym,
bilans
energetyczny jest ujemny. Oznacza to że moc silnika odebrana przez
alternator jest większa niż otrzymana w wyniku jego spalania.
2. Wodór dodany do komory spalania przyspiesza proces spalania mieszaniny
paliwowo powietrznej dopiero przy udziale 1% wodoru względem masy
paliwa.
3. Z uwagi na niestabilną pracę silnika na biegu jałowym i przy obciążeniu
poniżej 1000 obr/min, instalacja może być stosowana tylko dla większych
obciążeń silnika.
4. W badanym nowoczesnym silniku EB2, zoptymalizowanym pod względem
zużycia paliwa instalacja HHO pozwala zmniejszyć zużycie paliwa od 4 do
6%.
5. Wprowadzenie gazu HHO do kolektora ssącego z udziałem wodoru
powyżej 1% w stosunku do masy benzyny oraz zubożenie mieszanki
paliwowo powietrznej powinnoograniczyć emisję wszystkich objętych
przepisami szkodliwych związków w spalinach.
68
7 Literatura
1. http://www.peugeot-citroenmoteurs.fr/cache/docs_public/6666cd76f96956469e7be39d750cc7d9/17_engb_main_data_sheet.pdf
2. https://www.google.pl/search?q=eb2+peugeot & safe=active & rlz=1C1AVNC_en
PL564PL564 & espv=2 & source=lnms & tbm=isch & sa=X & ei=HvLtU_mVKubjywP2
joCYCQ & ved=0CAcQ_AUoAg & biw=1280 & bih=595#facrc=_ & imgdii=_ & imgrc=
MUhxFhQT8g2nQM%253A%3B7ZZqzQIBzHVILM%3Bhttp%253A%252F%25
2Fwww.autowebfrance.com%252Fimg%252Fdossier%252FDossier_PeugeotEB.jpg%3Bhttp%
253A%252F%252Fwww.autoweb-france.com%252Fdossiers%252F3_Guidedes-moteurs-Peugeot-Citroen.php%3B350%3B364
3. Karta katalogowa hamulca firmy SCHENCK pt. „TechnischeDokumentation
EWBR01.D
4. „Improving Alternator EfficiencyMeasurablyReducesFuelCosts” - MIKE
BRADFIELD, MSME Remy, Inc.
5. http://www.etas.com/en/products/compact_es500_ecu_bus_interface_modules
.php
6. Praca inżynierskiej pt. „Projekt i badania wstępne wpływu dodania wody za
pomocą generatora HHO na działanie silnika o zapłonie iskrowym” Kamil
Słobiński, Politechnika Łódzka
7. https://www.sparkfun.com/products/11061
8. www.automobile-catalog.com
8 Wykaz Tabel
Tabela 1 Podstawowe dane silnika EB2 [1] ............................................................ 7
Tabela 2. Właściwości wytwornicy wodorotlenowej. ............................................. 28
Tabela 3. Zależność powierzchni czynnej elektrod na produkcję gazu ................. 29
Tabela 4 Wyniki uzyskane podczas prób na stanowisku ...................................... 59
Tabela 5 Wyniki uzyskane podczas symulacji....................................................... 59
Tabela 6 Zużycie paliwa według katalogu [8] ........................................................ 66
69
9 Wykaz Rysunków
Rysunek 1 Wykres szkodliwych związków w spalinach w zależności od wsp. AFR 6
Rysunek 2. Silniki EB2 koncernu PSA [2] ............................................................... 7
Rysunek 3. Dane silnika EB2 [1] ............................................................................. 8
Rysunek 4 Schemat hamulca W130 [3] .................................................................. 9
Rysunek 5. Hamulec SCHENCK W130 .................................................................. 9
Rysunek 6. Charakterystyka hamulca [3] .............................................................. 10
Rysunek 7. Szafa sterująca................................................................................... 11
Rysunek 8.Dawkomierz paliwa KGV2
Rysunek 9. Sterownik do dawkomierza 12
Rysunek 10 Silnik na stanowisku pomiarowym ..................................................... 13
Rysunek 11 Oprogramowanie Indicom ................................................................. 13
Rysunek 12. Fabryczny alternator silnika EB2 ..................................................... 14
Rysunek 14. Analogiczna mapa sprawności alternatora w funkcji obciążenia i
prędkości obrotowej w programie UniPlot ............................................................. 15
Rysunek 13. Mapa sprawności alternatora w funkcji obciążenia i prędkości
obrotowej [4].......................................................................................................... 15
Rysunek 15. Wykres sprawności alternatora w funkcji obciążenia dla różnych
prędkości obrotowych ........................................................................................... 16
Rysunek 16. Schemat podłączenia modułu ES59x [5] .......................................... 18
Rysunek 17. Moduł interfejsu ES592 [5] ............................................................... 18
Rysunek 18. Interfejs programu INCA [5] .............................................................. 18
Rysunek 19 Urządzenie do pomiaru ilości gazu.................................................... 19
Rysunek 20 Schemat urządzenia do pomiaru ilości gazu ..................................... 20
Rysunek 21. Instalacja HHO ................................................................................. 21
Rysunek 22. Wymiennik ciepła
Rysunek 23. Pompa perystaltyczna ................. 22
Rysunek 24 Schemat elektryczny instalacji HHO.................................................. 23
Rysunek 25 Regulator PWM ................................................................................. 24
Rysunek 26 Schemat generatora HHO [6] ............................................................ 25
Rysunek 27 Elektrody używane w generatorze [6]................................................ 26
Rysunek 28 Wodorotlenek potasu – KOH ............................................................. 26
Rysunek 29 Produkcja gazu HHO w zależności od ilości KOH ............................. 27
70
Rysunek 30 Schemat zachowania się napięcia na elektrodach generatora [6] ..... 28
Rysunek 31. Zależność wsp. MMW od ilości elektrod neutralnych ....................... 29
Rysunek 32.Zależność powierzchni czynnej elektrod na produkcję gazu ............. 30
Rysunek 33. Zaprojektowana wytwornica wodorotlenowa .................................... 31
Rysunek 34.Wykonanawytwornica wodorotlenowa przygotowana do badań ....... 31
Rysunek 35 Widok arkusza kalkulacyjnego w programie EXCEL ......................... 35
Rysunek 36 Model symulacyjny w programie GT-Power ...................................... 36
Rysunek 37. Ustawienia regulatora PID w modelu symulacyjnym ........................ 37
Rysunek 38. Zużycie paliwa w zależności od masy wyprodukowanego wodoru... 39
Rysunek 39. Ilość tlenków azotu w zależności od λ .............................................. 40
Rysunek 40. Temperatura spalin przed katalizatorem .......................................... 41
Rysunek 41. Wykres oszczędności w zużyciu paliwa otrzymany w wyniku
symulacji ............................................................................................................... 42
Rysunek 42. Oszczędności w zużyciu paliwa przy = 1,4 oraz 0.15%H .............. 44
Rysunek 43. Oszczędności w zużyciu paliwa przy = 1,4 oraz 0.3%H ................ 45
Rysunek 44. Stabilność pracy silnika dla różnych prędkości obrotowych i obciążeń
.............................................................................................................................. 47
Rysunek 45. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki,
Lambdzie 1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 0.3%H ................................................ 49
Rysunek 46. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki,
Lambdzie 1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 1%H ................................................... 51
Rysunek 47. Przebieg ciśnień w cylindrze przy oryginalnym składzie mieszanki,
Lambdzie 1.4 bez wodoru, Lambdzie 1.4 i 1.5%H ................................................ 53
Rysunek 48. Przebieg ciśnień w cylindrze przy procentowym udziale wodoru od
0.3 do 1.5%H ........................................................................................................ 55
Rysunek 49. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 – bez wodoru 57
Rysunek 50. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 - 0.15%H........ 57
Rysunek 51. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 - 0.3%H.......... 58
Rysunek 52. Różnica temperatur w funkcji obciążenia przy =1.4 – bez wodoru,
wodór produkowany przez zewnętrzne źródło zasilania ....................................... 58
Rysunek 53. Fiat Punto II z instalacją HHO ......................................................... 60
71
Rysunek 54. Komora silnika z prototypową instalacją ........................................... 61
Rysunek 55. Sterownik NEVO .............................................................................. 62
Rysunek 56 Mapa czasu wtrysku paliwa ............................................................... 63
Rysunek 57 Parametry pracy silnika ze sterownikiem NEVO ............................... 63
Rysunek 59. Mikrokontroler sterujący pracą silnika umieszczony w kabinie ......... 64
Rysunek 58 Arduino Mega [7] ............................................................................... 64
Rysunek 60 Mapa przebytej trasy ......................................................................... 65
72