NEPRIKLAUSOMAS  TYRIMAS – KOKIA VANDENILIO DUJŲ ĮTAKA VIDAUS VARIKLIO DEGIMO PROCESO EIGAI ?

Vandenilio generatorius ar dujų iranga LPG dyzeliniam varikliui? Klausimas, į kurį galėsite sau atsakyti perskaitę viską – nuo A iki Z.  Prašymas – nepatingėti ir skaityti viską atidžiai!

Vandenilio priedo, skirto padidinti įprasto dyzelinio variklio efektyvumą, panaudojimas buvo tiriamas keleto tyrėjų. Ir gauti rezultatai yra daug žadantys. Tačiau su gryno vandenilio gamyba ir sandėliavimu susijusios problemos šiuo metu vis dar riboja gryno vandenilio naudojimą dyzeliniuose varikliuose.

Išeitis – HHO generatoriai

Galimybė automobiliuose montuoti vandenilio oksido generatorius, kurie vandens elektrolizės proceso metu gamina H2/O2 mišinį, smarkiai padidino šios technologijos potencialą ir išsprendė daugelį problemų.  Šiame bandyme nagrinėjamos įprasto dyzelinio variklio efektyvumo padidinimo galimybės, naudojant H2/O2 mišinį, gaminamą vandens elektrolizės proceso metu.

Bandymo rezultatai parodė, kad į dyzelinį kurą atitinkamai įmaišius 4,84 %, 6,06 % ir 6,12 % H2/O2 mišinio, terminis kuro efektyvumas padidėja nuo 32,0 % iki 34,6 %, nuo 32,9 % iki 35,8 % ir nuo 34,7 % iki 36,3 %, kai variklio galia atitinkamai yra 19 kW, 22 kW ir 28 kW.

Tai sudaro 15,07 %, 15,16 % ir 14,96 % kuro ekonomiją. HC, CO2 ir CO emisija sumažėja, tuo tarpu padidėja NOx emisija. Dėl senkančių iškastinio kuro išteklių ir nuolat didėjančios naftos kainos, viso pasaulio vidaus degimo variklių gamintojai pastaruoju metu intensyviai ieško galimybių padidinti kuro ekonomiją ir sumažinti kenksmingų dujų emisiją.

Viena iš galimybių padidinti dyzelinių variklių efektyvumą, yra kartu su dyzelinu naudoti tam tikrus priedus, mažinančius kuro sąnaudas ir toksinių dujų emisiją.

Tačiau būtina atlikti detalų galimų priedų tyrimą ir nustatyti optimalų variklio efektyvumą užtikrinančią reikiamą procentinę šio priedo koncentraciją.

Dyzelinio kuro priedai neprilygsta vandenilio galiai!

Įvairiose pasaulio šalyse gyvenantys tyrėjai yra ištyrę keleto dyzelinio kuro priedų įtaką dyzelinio variklio efektyvumui . Forson et al.  jatropha panaudojo kaip dyzelinio kuro priedą ir ištyrė variklio efektyvumą, naudojant skirtingus jatropha aliejaus ir dyzelinio kuro mišinius (2,6 / 97,4 % , 20/80 % ir 50/50 %).

1. Naudojant dinamometrą, įvairiomis sąlygomis varikliui buvo suteikiamos apkrovos (nuo 2 kg iki 10 kg). Buvo nustatyta, kad didinat jatropha aliejaus kiekį mišinyje, terminis efektyvumas ir galia padidėja visais apkrovos atvejais.

2. Tarp visų išbandytų mišinių, 2,6 % jatropha aliejaus ir 97,4 % įprasto dyzelinio kuro turintis mišinys pasižymėjo maksimaliu terminiu efektyvumu ir galia. Naudojant šį mišinį, terminis efektyvumas padidėjo nuo 15,5 % iki 19,7 % (lyginant su įprasto dyzelinio kuro parametrais).

3. Kuro sprogimo galia taip pat padidėjo nuo 1,07 kW iki 1,32 kW. Tuo tarpu abiem atvejais išliko toks pat sukimo momentas, lygus 9,2 Nm.

4. Naudojant šios sudėties mišinį, specifinės kuro sąnaudos taip pat sumažėjo nuo 560 g/kWh iki 440 g/kWh. Yanfeng et al. įvertino 2-methoxyethyl acetato (MEA) naudojimą, kuris yra prisotintas deguonies dyzelinio kuro priedas, naudojamas dyzeliniuose varikliuose įvairios koncentracijos mišinio formomis (10 %, 15 % ir 20 %).

5. Naudojant MEA10, MEA15 ir MEA20 mišinį, prie 2000 min-1 sūkių, terminis efektyvumas atitinkamai padidėjo 2,5 %, 5,7 % ir 7,1 %. Tačiau, naudojant mišinius MEA10, MEA15 ir MEA20, dėl žemesnės mišinio kaitinimo vertės, variklio galia atitinkamai sumažėjo 3,9 %, 5,7 % ir 8,1 %. Siekiant išlaikyti tokią pat variklio galią (lyginant su įprasto dyzelinio kuro naudojimu), reikia naudoti didesnį cikliškai tiekiamo mišinio kiekį.

Pats efektyviausias HHO

Tarp daugelio įvairių priedų, unikaliomis savybėmis išsiskiriantis vandenilis, atrodo yra pats efektyviausias priedas, kuris gali smarkiai sumažinti kuro sąnaudas ir kenksmingų dujų emisiją (lyginant su įprasto dyzelinio kuro naudojimu).

Vandenilis pasižymi platesnėmis degumo ribomis, didesniu liepsnos greičiu ir didesniu degimo greičiu . Tai leidžia varikliui dirbti su labai liesu mišiniu . Priešingai negu kiti priedai, vandenilis yra atsinaujinantis ir švarus degantis kuras .

Vandenilio sumaišymas su įvairiomis angliavandenilio pagrindu gaminamomis kuro rūšimis, nepadidina toksinių dujų emisijos.

Vandenilį galima išgauti iš įvairių šaltinių, tokių kaip iškasamas kuras, biomasė, vanduo ir kai kurios pramoninės atliekos . Dėl unikalių vandenilio degimo savybių, į kurą pilami vandenilio priedai, pasižymintys žemu degimo santykiu, gali pagerinti bendrą gaunamo mišinio degimo santykį. 

Vandenilis, kaip kuro priedas – rezultatas, kuris jau džiugina!

Vandenilio, kaip dyzelinio kuro priedo naudojimas, buvo tiriamas keliose studijose. Senthil et al. įvertino dyzelinio variklio efektyvumą, naudojant skirtingus vandenilio priedo kiekius, pilamus į biodyzeliną ir įprastą dyzelinį kurą.

Tyrimų metu jis nustatė, kad šie priedai padidina terminį efektyvumą ir variklio išvystomą galią. Be to, buvo pastebėtas ir smarkus dujų emisijos sumažėjimas.

Tomita et al. taip pat pranešė apie panašius tyrimų rezultatus, kurių metu jis naudojo dyzelinio kuro vandenilio priedus.

Saravanan et al. vandenilį naudojo kaip papildomą kurą, kuris buvo atitinkamai tiekiamas nuolatiniu 10 l/min ir 20 l/min srautu. Jis nagrinėjo dyzelinių variklių su / be išmetamųjų dujų pakartotinės cirkuliacijos sistemomis (EGR) efektyvumo parametrus. Šių tyrimų rezultatai taip pat parodė padidėjusį terminį efektyvumą ir sumažėjusias specifines kuro sąnaudas.

Grynas vandenilis ir laikymo automobilyje problemos

Daugelio šių tyrimų metu ypatingas dėmesys buvo skiriamas į kurą pilamo priedo – gryno vandenilio panaudojimas. Tai sukelia papildomas medžiagos laikymo automobilyje problemas.

Vandenilis pasižymi didele specifine energija ir labai mažu tankiu, todėl netgi suslėgtas (dažniausiai 70 MPa) arba chemiškai sujungtas su metalo lydiniu, vandenilis užima didelį tūrį.

Norint vandenilį laikyti automobilyje suslėgtų dujų, šaldymo skysčio arba metalo hidridų formose ištirpusių dujų formoje, susidaro dideli kiekiai medžiagos, kurią reikia sandėliuoti ir vežioti automobilyje.

Tai padidina bendrąją automobilio masę. Be to, vandenilį sandėliuojant skystoje formoje, brangiai kainuoja ne tik šaldymo skysčio konteineriai, tačiau yra reikalingi dideli energijos kiekiai, sunaudojami norint dujinę vandenilio formą paversti skysčiu. Dėl to dažniau yra naudojami maži ir lengvi vandenilio konteineriai, skirti kelionėms nedideliais atstumais.

Tačiau vandenilio tiekimo infrastruktūra nėra išvystyta, todėl ji turėtų būti vystoma artimiausioje ateityje. Dar viena su vandeniliu susijusi problema yra didelis jo degumas, todėl ši kuro rūšis yra pavojinga sandėliuoti.

Vandenilis gali užsidegti esant atmosferiniam slėgiui, kai jo koncentracija yra 4 – 74,2 % tūrio.

Vienas iš galimų šios problemos sprendimų yra vandenilį išgauti vietoje, naudojant vandens elektrolizės procesą, o išgautą vandenilį naudoti vandenilio – deguonies (H2/O2) mišinio forma. Iki šiol nebuvo atlikta jokių detalių H2/O2 mišinio panaudojimo dyzeliniuose varikliuose tyrimų.

Šio bandymo tikslas yra ištirti H2/O2 mišinio priedo įtaką dyzelinių variklių, prijungtų prie elektros generatoriaus, efektyvumo parametrams.

1. Tiriamas variklis veikė vienodu greičiu (1500 min-1).
2. Į dyzelinį kurą buvo maišomi skirtingi H2/O2 priedo kiekiai (1 – 6 %).
3. Variklis buvo apkrautas trijų skirtingų dydžių apkrovomis: 19 kW, 22 kW ir 28 kW.

Šio eksperimento metu buvo naudojamas keturių cilindrų, vandeniu aušinamas, dyzelinis Hino WO4D variklis su tiesioginio įpurškimo sistema. Variklis buvo prijungtas prie elektros generatoriaus, o generatorius buvo sujungtas su reguliuojama apkrova.

 H2/O2 mišinys buvo išgaunamas vandens elektrolizės proceso metu, naudojant deguonies – vandenilio generatorių Epoch EP-500. Siekiant supaprastinti sistemos nustatymus, H2/O2 mišinys buvo generuojamas naudojant 24 V išorinį elektros energijos šaltinį.

Realiomis sąlygomis šis mišinys gali būti gaminamas naudojant akumuliatoriaus / generatoriaus elementus, montuojamus kiekviename variklyje.

H2/O2 mišiniui gauti sunaudojama energija yra įtraukta kaip variklio naudojama galia. Gautas mišinys yra nukreipiamas pro džiovinimo konteinerį ir srauto matuoklį.

Tik tada jis patenka į variklį pro įeinančio oro kolektorių. H2/O2 mišinio tiekimo linija yra įžeminta naudojant įprastą laidą. Tokiu būdu yra išvengiama statinių elektros krūvių koncentracijos, kurie gali sukelti sprogimą. Du liepsnos ribotuvai yra sumontuoti H2/O2 linijoje. Jie apsaugo šią liniją nuo vidinių sprogimų.

1. Dwyer modelio RMC dujų srauto matuoklis buvo naudojamas į variklį tiekiamo H2/O2 mišinio srauto matavimui. Srautas buvo matuojamas ± 0,5 l/min tikslumu.
2. Varikliui tiekiamas oro srautas buvo matuojamas naudojant oro tiekimo kanale sumontuoto antgalio pagalba (nesinaudojant autodiagnostika ). Išilgai antgalio susidaręs slėgio skirtumas buvo matuojamas ± 0,01 kPa tikslumu. Šiam tikslui buvo naudojamas U formos vamzdelio manometras.
3. Dyzelinio kuro kiekis buvo matuojamas naudojant skaitmenines svarstykles, kurių skalės tikslumas yra ± 1 g. Be to, buvo naudojamas chronometras. CO ir CO2 dujų emisija buvo matuojama naudojant nedispersinį infraraudonųjų spindulių (NDIR) dujų analizatorių, kurio tikslumas yra ± 0,1 %.
4. Cheminis – liuminiscensinis metodas buvo naudojamas azoto oksido (NOx) aptikimui. Šio metodo tikslumas yra ± 0,1 ppm.
5. Liepsnos jonizacijos nustatymo (FID) metodologija buvo naudojama matuojant HC emisiją. Matavimų tikslumas yra ± 0,1 ppm.

Variklio greitis buvo matuojamas skaitmeninio sūkių matuoklio pagalba. Matavimo tikslumas ± 1 min-1.

Variklis dirbo vienodu 1500 min-1 greičiu. Jis buvo apkraunamas trijų lygių apkrovomis (19 kW, 22 kW ir 28 kW). Kiekvienos apkrovos sąlygomis tiekiamo dyzelinio kuro srautas ir kiti parametrai iš pradžių buvo užfiksuojami be H2/O2 mišinio.

Po to, esant tokiom pat eksperimentinėm sąlygom, nedidelis kiekis H2/O2 mišinio buvo nukreipiamas į variklį. Tada buvo užfiksuojami visi H2/O2 mišinio sukelti variklio efektyvumo parametrų pasikeitimai: išvystoma galia, dyzelinio kuro sąnaudos, išmetamųjų dujų temperatūra, oro srautas, H2/O2 mišinio srautas, variklio greitis ir dujų emisija.

Po to buvo padidinamas varikliui tiekiamas H2/O2 mišinio kiekis ir iš naujo užfiksuojami visi variklio efektyvumo parametrai. Tai buvo kartojama, kol nebuvo pasiekta optimali kuro ekonomija.

Bandymo eigos reziume

Šio tyrimo metu dyzelinio variklio efektyvumo ir emisijos charakteristikos buvo studijuojamos didinant varikliui tiekiamo H2/O2 mišinio kiekį. Tuo tarpu variklio greitis išliko pastovus (1500 min-1). H2/O2 mišinio srauto vertė buvo keičiama siekiant išgauti optimalų variklio efektyvumą. Tyrimo metu buvo naudojamos trys skirtingos apkrovos (19 kW, 22 kW ir 28 kW). Šio eksperimento metu H2/O2 mišinys buvo išgaunamas naudojant 24 V išorinį elektros energijos šaltinį, o H2/O2 mišiniui išgauti būtina energija buvo pridėta prie variklio sunaudojamos energijos.

Terminis skilimo efektyvumas

Terminio skilimo efektyvumo kitimas, keičiantis H2/O2 mišinio koncentracijai: bandymo metu galima pastebėti, kad nepaisant apkrovos lygio, didinant H2/O2 mišinio koncentraciją kuro mišinyje, taip pat didėja ir variklio terminio skilimo efektyvumas.

Gerbiamieji, laukite tęsinio, kelių dienų bėgyje…