CC BY
160
Stand for Experimental Evaluation of Effects of Hydrogen Use in Internal
Combustion Engines
Levente B., Lelea D., Birsan N.
University Politechnica Timisoara Timisoara, Romania
Abstract. Hydroxy gas or the Brown gas or simply HHO, as it is called more often now days, is a highly flammable gas that has been around since the beginning of the XX-th century, when scientist Yull Brown has dedicated his work to study the properties and means of production of HHO by water electrolysis. In the second half of the century, the oil crisis, the simplicity of HHO production and its high combustion temperature and flame propagation have spurred the interest of "garage inventors" around the world, who started doing practical experiments with HHO injection on personal vehicles and power-generators, in trying to reduce gas mileage, increase the engine performance and lower tailpipe emissions. Today, this technology is being rediscovered, again due to higher fuel prices and this time also due to some increasing concerns over global warming. Many have learned that HHO injection into the IC engine improves the gas mileage and reduces emissions, some reporting fuel savings of up to 40%, while others even claim to have reached the performance of operating their engines on HHO entirely produced onboard of the running vehicle. There are also reports that claim increased life span of the engine and engine lubrication, due to reduction effect of HHO on the solid hydrocarbon depositions onto the engine critical components, like pistons, valves, cylinder walls, etc. In this regard, the University Politehnica Timisoara Department of Mechanical Machines, Equipment and Transportation and Department for Applied Chemistry and Engineering of Inorganic Compounds and Environment, have joined together in a project to study and understand the mechanism that take place during HHO injection to IC engines, quantify the benefits and develop safer, better and more reliable materials for HHO on-demand and on-board production by water electrolysis. Keywords: hydroxy gas, internal combustion motor.
Stand pentru estimare experimentala a efectelor utilizarii hidrogenului in motoarele cu ardere interna
Levente B., Lelea D., Birsan N.
Universitatea Politehnica Timisoara Timisoara, Romania
Rezumat. Majorarea pretului la combustibil are ca urmare sporirea interesului catre tipuri noi de combustibili utilizati in motoarele cu ardere interna (MAI), inclusiv §i problemei utilizarii in aceste scopuri a hidrogenului. Injectarea HHO in Mai conduce la mic§orarea consumului de combustibil (pana la 40%) §i crearea a unor conditii mai favorabile a motorului, inclusiv majorarea duratei de viata. Totu§i, pentru a obtine rezultate masurabile §i veridice privind impactul utilizarii noilor combustibili in Mai este necesar de efectuat cercetari suplimentare in acest domeniu. La Universitatea Politehnica din Timisoara s-a realizat un proiect de cercetare, a carui obiectiv a constat in obtinerea informatiei credibile privitor la impactul utilizarii injectiei HHO in MAI, ca urmare a cercetarii proceselor conditionate de injectie §i elaborarea recomandarilor privitor la sporirea eficientei generarii HHO, de exemplu prin metoda de electroliza, inclusiv §i la bordul automobilului. S-a demonstrat, ca la consumuri mici de combustibil, pana la unu litru pe minut a motorului cu volumul cilindrilor de 1500 cm3 injectia HHO contribuie la imbunatatirea regimului de functionare a MAI, inclusiv §i a majorarii duratei de exploatare a uleiului motorului.
Cuvinte-cheie: motor cu ardere interna, oxihidrogenul, §tand.
Стенд для экспериментальной оценки эффектов использования водорода в двигателях
внутреннего сгорания Левенте Б., Леля Д., Бирсам Н.
Тимишоарский политехнический университет, Тимишоара, Румыния
Аннотация. Высокая стоимость энергоносителей привело к росту интереса к новым типам топлив для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в том числе к водороду. Инжекция смеси водорода и кислорода (гремучего газа) в ДВС снижает расход топлива и выбросы. Снижение расхода топлива при использовании данной технологии может достигнуть до 40%. Применение такого топлива также увеличивает срок. Независимо от вида используемого топлива (природный газ, бензин, дизельное
топливо), необходимо провести научные исследования в данной области. В Политехнического Университете Тимишоара выполнен исследовательский проект, который позволит изучить процессы, происходящие при инжекции ННО в ДВС, получить количественные данные об эффекте и разработать более совершенные материалы для генерации ННО с использованием электролиза, как «на месте», так и на борту автомобиля. При малом расходе топлива до одного литра в минуту инжекция ННО в ДВС с объемом цилиндров 1500 см3 улучшает режим работы двигателя, в том числе срок использования масла. Ключевые слова: гремучий газ, двигатели внутреннего сгорания, стенд.
1. Introducere
Fiind o tema controversata cu multe pareri PRO §i CONTRA, prin abordarea acestei teme incercam sá clarificam consecintele pozitive §i negative ale utilizárii acestui tip de gaz in functionarea motoarelor cu ardere interna.
Hidrogenul poate fi utilizat in motoarele cu ardere interna (MAI) sub diferite forme §i in diferite conditii de injectie, astfel, din punctul de vedere al procentului masic sau volumic de hidrogen din masa sau volumul total al carburantului injectat pe ciclu, putem avea urmátoarele situatii:
• 1-30% - hidrogenul este injectat ca §i un aditiv care sa duca in general la imbunátátirea arderii din motor.
• 100% - motoare care functioneazá exclusiv cu hidrogen.
In cadrul primei categorii putem avea §i aici diverse situatii:
o Injectie sub presiune (1-3 Bar).
o Injectie de joasá presiune (300-3000Pa), sau daca tinem cont de puritatea hidrogenului utilizat sau in general de compozitia amestecului de gaze utilizta, putem avea:
■ Puritate hidrogen de 98-99,9%.
■ In amestec cu alte gaze functie de procedeul de obtinere utilizat.
In cadrul acestei lucrári vom examina injectia hidrogenului sub forma unui amestec de gaze de presiune joasa (300-3000Pa), rezultate in urma procesului de electroliza al apei, numit Oxihidrogen sau Brown Gas, fiind un amestec de hidrogen si oxigen molecular, monoatomic respectiv vapori de apa §i eventual alte gaze in procente masice foarte mici functie de tipul de electrolizor utilizat.
Oxihidrogenul este un gaz sau mai exact o mixtura de gaze in care se gasesc in proportii variabile oxigen si hidrogen sub diferite forme §i cu proprietati chimice speciale. Ca reprezentare chimica acestea ar fi: H2, H, O2, O, OH, HO, H2O, H2O2, HO2. Procesul prin care se obtine oxihidrogenul se numeste electroliza §i/sau
hidrolizä. Sunt diverse tehnologii dezvoltate pe baza hidrolizei §i electrolizei pentru producerea de diferite mixturi de gaze în proportii varilabile de oxigen, hidrogen atomic §i molecular. De aici apar §i diferentele de rentabilitate a producerii gazului din apä §i a folosirii lui. Însa fenomenul de baza este cel descris mai jos:
Catod: 2H2O + 2e ^ H2 + 2OH
Anod: 2H2O ^ O2 + 4H + + 4e
Gazul a fost descoperit de omul de çtiinta Johan Wilhelm Ritter prin anii 1800, însa denumirea de Brown Gaz a primit-o dupä numele savantului bulgar Yull Brown näscut la începutul anilor 1900 in Bulgaria, fiind cel care s-a ocupat pentru prima datä mai intens de acest gaz §i tehnologia de producere a acestuia, cel care a brevetat însa tehnologia de bazä a electrolizei a fost William A. Rhodes (USA) in 1960.
Acest gaz poate fi obtinut prin multiple proceduri chimice sau fizice, eventual combinatii ale acestora, însa a§a cum a fost prezentat §i mai sus procedeul de bazä de obtinere al acestui gaz este prin electrolizä, adicä reactia are loc într-un recipient umplut cu electrolit bun conductor de curent (sare, acid, bazä), în care se gäsesc doi electrozi printre care circulä un curent continuu.
Scopul principal al lucrarii este evidentierea consecintelor pozitive §i negative rezultate ca urmare a utilizärii oxihidrogenului la alimentarea motoarelor cu ardere interna prin injectie de presiune joasä §i procent volumic scäzut de maxim de 3% din debitul total de carburant introdus în cilindrii motorului, cu accent pe dezvoltarea elementelor cu influenta pozitiva asupra arderii din motor §i posibilitatea aplicärii la motoarele noi §i deja existente în exploatare.
Primul pas în demararea cercetärii este realizarea stadiului actual in domeniul studiat, prin cautarea sustinuta de materiale bibliogarfice, care sä aibä tema comunä cu fenomenul abordat, atat pe suport digital, cat §i pe suport fizic (cärti scrise §i editate), parcurgerea acestei bibliografii §i respectiv analiza acesteia pentru a se putea selectiona materialul util din punctul de vedere al lucrarii, în vederea realizärii unei imagini de
ansamblu al fenomenului §i respectiv al stadiului actual in domeniu.
Dupa atingerea unui anumit grad de documentare in domeniu, initiem conceptul çtandului sau a çtandurilor de încercàri §i probe, primele idei, respectiv primele schite ale çtandului ce urmeazä a fi utilizat pentru studiul fenomenelor ce intervin in cadrul lucrärii. In prima fazä se initiazä principial, la nivel de concept, dupä care se avanseazä pas cu pas functie de materialele §i echipamentele detinute §i cele necesare a fi achizitionate, respectiv starea echipamentelor detinute, la început spre o formä functionalä ca principiu dupä care çtandul se doteazä cu elemente de sesizare, control si comandä, pentru a fi automatizat la un nivel minimal în vederea realizärii posibilitätii achizitiei de date, cu scopul obtinerii unei precizii §i acuratete corespunzätoare în achizitia de date necesare ulterior analizei fenomenelor care intervin. Bineinteles, se continua in paralel documentarea bibliografica, aceasta fiind necesarä în continuare pentru a putea rezolva diferite probleme apärute pe parcursul procesului de cercetare §i respectiv pentru a putea fi la zi cu schimbärile §i elementele noi care apar în domeniul studiat.
Un pas decisiv în cadrul procesului de cercetare este obtinerea datelor experimentale în diferite faze ale lucrärii, aceste date putând fi legate initial de anumite aspecte ale fenomenului, ulterior prin analizarea §i discutarea la nivelul grupului de cercetare §i compararea cu rezultatele obtinute §i de alti cercetçtori în diverse lucräri, pe plan national sau chiar international, trecem la urmätoarele faze ale achizitiilor de date necesare pentru explicarea intermediara a fenomenelor sesezate, acest proces ciclic de achizitie de date, analizä si comparatie, continuand pânä în momentul concluziilor finale ale lucrärii.
Rezultatele vizate în plan stiintific ar consta evident în concuziile calitative §i cantitative ale lucrärii cu utilizare directä în activitätile zilnice ce vizeaza exploatarea unor motoare cu ardere interna, iar in plan aplicativ ar fi realizarea unui §tand care face posibil studiul influentei utilizärii gazului „oxihidrogen" in motoarele cu ardere internä.
2. Stadiul actual al cercetarii în tematica tezei propuse
Radu Chiriac (2013) - în lucrarea sa dedicata studiului influentei adaosului B20 în motorina comercialä respectiv mbogätirea cu hidrogen a
acestui amestec aratä ca indiferent de prezenta B20 în motorinä sau nu au loc fenomene ce influenteazä modificarea cantitätilor de noxe în gazele de ardere atât pozitiv, cât si negativ, si anume:
• Creçterea concentratiei de NOx in gazele de ardere la viteze mari ale motorului.
• Scäderea concentratiei de fum (particule diesel) in gazele de ardere.
• Scäderea concentratiei de monoxid de carbon in gazele de ardere.
Astfel ca se constatä efectul benefic asupra reducerii fumului mai ales la viteze mari ale motorului, reducerea de CO, respectiv, ca efect negativ apare crestea concentratiei de NOx in gazele de ardere.
Cui KR, Gao XH, Timoshevsky BG, Sirota AA, Belykov SU(1992) - în lucrarea dedicatä reducerii consumului de carburant prin mbogätire cu hidrogen în diferite procente masice, constatä cä panä la 2% masic consumul specific de combustibil (sfc) scade, fapt ce il atribuie cresterii randamentului termic al motorului, însa crescând concentratia masicä de hidrogen observa functionarea mai zgomotoasä a motorului.
Zhang B, Fu WB, Wu XH (2006) - în lucrarea dedicatä influentei utilizärii hidrogenului in motoarele diesel constatä, ca mbogätirea cu hidrogen a motorinei poate duce la reducerea consumului de combustibil pe intreaga plaja de functionare a motorului, însa nu duce la reducerea consumului total de combutibil (motorina+hidrogen) în conditii de sarcini mari, putând ajunge §i la creçterea acesteia. O alta concluzie ar fi, ca cresterea temperaturii de inducere a hidrogenului, in anumite conditii particulare poate duce la reducerea consumului total de combustibil chiar §i in conditii grele de sarcinä.
Song YC (2008) - concluzioneazä faptul, ca in cazul functionärii motoarelor diesel conventionale cu un procent masic ridicat de imbogätire cu hidrogen în prima fazä se aprinde amestecul motorina-aer, iar caldura degajatä de acest proces va constitui in faza urmatoare sursa de aprindere pentru amestecul aer-hidrogen, generandu-se astfel o variatie a energiei de miscare turbionara mult mai accentuatä în cilindru decat în conditii normale de ardere.
H. Köse, M. Ciniviz (2013) - care in lucrarea dedicatä studiului comportärii motorului diesel ca urmare a imbogätirii cu hidrogen, concluzioneazä
cresterea puterii motorului, al momentului motor, al randamentului termic al motorului, respectiv, cresterea concentratiei de NOx in gazele de ardere §i a temperaturii gazelor de ardere, iar in tendinta inversa avem reducerea concentratiei de hidrocarburi nearse din gazele de ardere, reducerea monoxid de carbon din gazele de ardere, reducerea nivelului de oxigen din gazele de ardere. Açadar, exista atat efecte pozitive, cat si negative, însa per global putem concluziona efectul pozitiv.
Duraid F. Maki, P. Prabhakaran (2011) - in lucrarea dedicatâ studiului functionarii motoarelor diesel imbogâtite cu hidrogen constata faptul, ca pentru un motor cu cilindre de 1500cmc, la un debit "optim" de hidrogen de aproximativ 7lpm obtine o reducere a consumului de motorina cu pana la 20% §i a randamentului termic de 8-9%, respectiv o reducere a concentratiei de NOx .
Ali Can Yilmaz, Erinc Uludamar, Kadir Aydin (2010) - in lucrarea dedicatâ studiului performantelor §i emisiilor motorului diesel în conditii de imbogâtire cu hidrogen provenit din gaz oxihidrogen obtinut prin electroliza apei, concluzioneazâ, ca din punctul de vedere al functionarii motorului cu un adaos de astfel de gaz, plaja de functionare a acestuia se poate imparti in doua raportat la o turatie critica: a) sub care efectul adaosului de oxihidrogen conduce la rezultate negative (in sensul pierderii de putere §i moment motor fatâ de functionarea cu motorina
exclusiv), ínsa care se pot corecta prin reducerea debitului de gaz la unul "optim" ,care poate duce chiar §i la ridicarea performantelor motorului pe aceastá plajä de turatii ín comparare cu functionarea denumitá conventionalá; b) peste care efectul adaosului de oxihidrogen conduce la rezultate pozitive atat din punctul de vedere al performantelor mecanice, cat §i a emisiilor de noxe.
3. Structura instalatiei experimentale
a. Dinamometru cu role tip MAHA LPS 3000 R100, utilizat in vederea realizárii masurátorilor de putere la roata autovehiculului §i momentul motor corespunzátor.
b. Instalatie de generare gaz oxihidrogen cu posibilitatea montajului pe un autovehicul.
c. Autovehicul utilizat pentru test: Dacia Logan 1,5 dci, prezentand motorul K9K 790, cu unitatea de comanda diesel tip DCM12 §i numar soft 004C, versiune soft 0071, versiune calibrare 4845;
d. Laptop utilizat pentru achizitia de date
din sistemul automat de achizitie de date a autovehiculului de test, inclusiv cablu USB/VAG - KKL si soft adecvat, utilizat pentru realizarea legáturii informatice intre priza OBDII a masinii §i calculatorul ín care se va memoriza achizitia de date.
Fig. 1 Dinamometrul cu Role MAHA LPS 3000 R100
a. Dinamometru cu role tip MAHA LPS 3000 R100:
Aceasta instalatie este utilizatä în general pentru a se putea mäsura puterea de tractiune a
unui autovehicul atät la roatä, cät §i la cupla motorului (vezi fig. 1 - poza din imagine este unul cu titlu informativ pentru a se putea vedea toate elementele §tandului dinamometric cu role).
Dinamometrele cu role reprezintäa în general un ansamblu de elemente active §i pasive care permit preluarea miscärii de la rotile motoare ale autovehiculului §i il transmit cätre un generator electric, care functie de parametrii electrici care ii furnizeazä in continuare în lantul de mäsurare, da ca rezultat final în urma procesärii datelor electrice §i convertirea lor în date mecanice reale, curbele de putere §i moment motor ale autovehiculului atât la roatä, cât §i la cupla motorului, asta în cazul general, deoarece çtandurile moderne sunt de fapt multifunctionale, ele putând fi folosite §i la simulare de trafic sau încarcarea autovehicolului în diferite conditii de încercare, precum §i altele.
Prezentam in continuare succint elementele principale ale unui astfel de çtand:
• corpul principal al ansamblului, care înglobeaza în general celelalte subansambluri componente ale sistemului, poate fi msotitä sau nu de o rampä de acces suprateranä pentru accesul autovehiculului la role;
• rolele pentru preluarea miscärii;
• liftul pentru urcarea §i coborârea rotilor motoare din pozitia de repaus în pozitia de încarcare dinamicä;
• generatorul electric care transforma parametrii mecanici în parametri electrici pentru a putea fi cuantificate de cätre un sistem de achizitie de date;
• sistemul de achizitie de date central care asigurä colectarea datelor de la toate subansamblele sistemului pentru a putea fi furnizate cât mai complete §i corecte (aici inträ inclusiv calculatorul de procesare §i respectiv interfata umana - monitorul -cu tot cu partea de control de la distanta);
• sistemul de racire al autovehiculului care constä dintr-un ventilator întru furnizarea aerului de räcire cätre radiatoarele de räcire principale ale masinii pentru a nu se supraincalzi, deoarece intreg ansamblul, fiind plasat intr-o incapere la rularea autovehicului un timp indelungat poate incalzi aerul înterior §i acest lucru ar putea influenta parametrii de functionare ai motorului;
• sistemul de evacuare a gazelor arse asigura evacuarea gazelor de esapament rezultate în timpul functionärii motorului în exteriorul încaperii de încercari;
• sistemul de mäsurare a emisiilor §i noxelor rezultate ca urmare a functionärii
ín diferite conditii a motorului autovehiculului cu posibilitate de achizitie de date ín timpul diferitelor tipuri de teste - existánd operatiuni ín care datele de la acest subansamblu pot fi doar urmarite ín timp real, nu §i salvate ca §iruri de date.
In cadrul experimentului acest §tand va fi utilizat la determinarea caracteristicilor de functionare ale motorului autovehiculului ín diferite conditii, respectiv, testul de noxe pentru a putea determina opacitatea gazelor de ardere ín acelea§i conditii de íncárcare a motorului, ínsá cu diferite procente de adaos de oxihidrogen in galeria de admisie a motorului autovehiculului.
Mai jos vom da cáteva date tehnice principale ale §tandului dinamometric cu role tip MAHA LPS 3000 R100:
Acuratetea másurárii: 2%
Siguranta 16A
Frecventa Alimentare Re tea 50Hz
Incárcarea pe Ax 2500kg
Masa Totalá 1200kg
Viteza Max Test 260km/h
Forta Max Tractiune 6000N
Putere Max la Roatá 260kW
Dimensiuni Principale Subansamblu Role LxBxH 3345x1100x625mm
Distanta Role 540mm
Diametru Role 318mm
Lungime Role 750mm
Látime Max Autovehicul ' 2300mm
Látime Min Autovehicul 800mm
Tensiune Alimentare 23 0V
Diametral Max Testabil de Roata 305mm
b. Instalatie de generare gaz oxihidrogen:
Reprezintá un electrolizor uscat cu placi multiple deservit de o serie de elemente anexe, sub forma unui ansamblu electromecanic cu rolul de a realiza electroliza apei. Principalele elemente ale acestei instalatii sunt urmatoarele (vezi fig. 2):
1 - Generator gaz oxihidrogen, sub forma unui vas de electrolizá cu anod, catod §i pláci neutre interpuse - existánd o mare diversitate de celule de electrolizá ín literatura de specialitate, fiecare dintre acestea prezentánd o serie de avantaje §i dezavantaje. In urma analizei efectuate asupra acestora am ales celula uscatá de electrolizá cu volum mic de electrolit, electrozi multiplii (11 electrozi), tensiune medie aplicata
(10-14V), avand ca solutie de electrolit hidroxidul de sodiu de concentratie mare (28%) pentru a se putea utiliza §i pe perioada sezonului rece, având în vedere, ca suntem sub influenta climatului Temperat Continental Moderat de Tranzitie (vezi fig. 3):
Elemente:
1 - Anod - tabla INOX 316L SS.
2 - Catod - tabla INOX 316L SS.
3 - Placa de presiune - cu rol de imbinare a pachetului de electrozi §i distantiere. Este construit din PLEXIGLASS, acesta fiind un material cu bune proprietâti izolatoare atât din pinct de vedere electric, cât §i termic, rezistentâ mecanicâ corespunzâtoare §i în plus este un material transparent, astfel ca se pot observa macrofenomene ce au loc în interiorul celulei;
4 - Distantiere executate din cauciuc vulcanizat cu bune proprietati electroizolatoare;
5 - Electrod neutru ce se interpune intre Anod §i Catod;
6 - Ansamblu surub, piulite, saibe, utilizate pentru îmbinarea pachetului de electrozi §i distantiere.
2 - PWM - modulator de puls cu reglaj de tensiune (U), curent(I) si frecventa (F) -ansamblu construit la comandä pe baza schemei electrice ataçate (vezi fig.4.), având rolul de a mentine relativ constant curentul de electrolizä pentru o anumita tensiune aplicatä vasului de electrolizä §i o anumita frecventä a formei de unda.
3 - Sursa de tensiune (baterie) 12V Curent Continuu - inträ în constructia standard a autovehiculului utilizat la test Rombat Premier 12V, 70Ah.
4 - Siguranta fuzibilä 32A: siguranta fuzibilä standard achizitionatä din comert.
5 - Filtre de picaturi pentru separarea fazei lichide a apei rämase sub forma de umiditate în gazul generat. Se utilizeazä filtre de benzinä cu montaj pe conductä din motive de simplitate constructivä, economicitate (acesta fiind de fapt un consumabil), prezentând un raport bun pret/functionalitate, respectiv, accesibilitate.
SCHEMA GENERALA DE PRINCIP.il) A NSTALAUEI DE GENERARE HUMO MONTAT PE A0TOVEHICULJUL DE TEST
L * u Ï. I ""
Esa—
-SB®
£3=
dinspre —s fi It ru aer
&
s pre galerie aspiratie
1 — Generator gaz oxihidrogen, sub forma unui vas de electroliza cu anod, catod si placi neutre interpuse;
2 — PWM — madulator de puis cu régla] de tensiune (U), curent(l) si frecventa (F);
3 — Sursa de tensiune (baterie) 12V Curent Continuu — intra in constructia standard a autovehiculului utilizat la test;
4- — Siguranta fuzîbila 32A;
5 — Filtre de picaturi pentru separarea fazei lichide a apei ramase sub- forma de umiditae in gazul generat;
6 — Element de siguranta cu volum de apo pentru imp-i.edicarea propagarii flacarii in caz de accident;
7 — Priza de masurare pentru manomet.ru digital; S — Presostat pentru limitarea presiunii de lucru a generatorului;
9 — Presostat presiune ulei din rampa principóla de ungere a motorului pentru interconditíonarea functionariî generatoruluí de gaz;
10 — Intrerupator electric general pentru dezactivarea sistemului;
11 — Tubulatura principala de aer din traseul de aspiratie al matorului, situât dupa filtrul de aer principal;
12 — Punct de injectie a gazului oxihidrogen in tubulatura de aspiratie principal al motorului;
T3 — Generatcr electricitate - intra in constructia standard a autovehiculului utilizat la test.
-- Traseu electric; — Traseu gaz. Anod Curent Continuu (l2-14Vcc); Catod Curent Continuu (12-14Vcc). An ad Curent Pulsatoriu (12-14V); Catod Curent Pulsatoriu (12-14V).
Fig. 2 Schema generala al generatorului de oxihidrogen
Vedere de Anscmblu FRONTALE LATERA LA.
Plexiglass g = 20rnm
Inox Inox
g=1mm g = 1 mm
©
Vas (célula) electroliza
Caucluc g=3mm
Fig. 3 Structura generatorului de oxihidrogen
1Г
- V Battery (-) or chassis
Fig. 4 Schema Electrica al modulatorului de unda (PWM)
6 - Element de sigurantä cu volum de apä pentru împiedicarea propagärii fläcärii în cazul producerii unui rateu accidental.
7 - Priza de mäsurare pentru manometru digital - utilizat pentru eventuale achizitii de date a valorilor de presiune a gazului injectat, respectiv, pentru reglajul presostatului de lucru al generatorului "8".
8 - Presostat pentru limitarea presiunii de lucru a generatorului - in functionare, generatorul de oxihidrogen poate debita diferite valori ale debitului de gaz în functie de reglajele de tensiune, curent §i frecventa a modulatorului de unda (2) prin care se alimenteazä vasul de electrolizä, iar motorul de asemenea aspirä cantitati diferite de gaz în functie de regimul de turatie §i sarcinä la care acesta functioneazä pe moment, astfel, ca se produc minime §i maxime de presiune în punctul de control; pentru a evita atingerea unor maxime în punctul de control presiunea de alimentare se limiteazä ca valoare maximalä 350Pa.
9 - Presostat presiune ulei din rampa principalä de ungere a motorului pentru interconditionarea functionarii generatorului de
gaz - acesta este un element original al motorului autovehiculului de test, având functia de semnalizare (interconditionare) a existentei unei presiuni corespunzätoare în rampa de ungere a motorului; tinand cont de acest aspect, acest semnal a fost divizat §i utilizat la interconditionarea pornirii generatorului de oxihidrogen, astfel ca în cazul în care motorul se opreste fie in mod normal, fie accidental, generatorul se opreste odata ce nu mai exista semnal de presiune pe presostatul de ulei.
10 - Întrerupator electric general pentru dezactivarea sistemului - acesta este întrerupatorul general al sistemului, cu ajutorul acestuia se poate porni sau opri sistemul indiferent de starea autovehiculului.
11 - Tubulatura principala de aer din traseul de aspiratie al motorului situat dupa filtrul de aer principal - element original al sistemului de aspiratie al motorului autovehiculului, in care se va implementa punctul de injectie al oxihidrogenului.
12 - Punct de injectie a gazului oxihidrogen în tubulatura de aspiratie principal al motorului -realizat sub forma unui ajutaj Venturi, acesta are
rolul de a crea un efect de aspiratie al gazului din instalatia de producere indiferent de regimul de functionare al motorului, deoarece s-a constatat, ca undele stationare ce se genereazä în traseul de aspirate datoritä functionärii motorului, prezintä o variatie sinusoidalä a valorii presiunii statice în tubulatura în punctul de injectie, iar utilizarea unui astfel de ajutaj eliminî acest neajuns.
13 - Generator electricitate - inträ în constructia standard a autovehiculului utilizat la test, având ca parametrii principali: 125Ah, 14V.
Date tehnice generale ale generatorului de oxihidrogen: Debite de gaz Max 1,5 l/min
Nominal 1 l/min
Parametrii Electrici Max 20A, 14V
Nominal 15A, 13,6V
Min 1,5A, 8V
Dimensiune gabarit electrozi: 140x185mm Solutia de electrolit folositä NaOH, 28% masic
Carcasa Electrozi
Configura.ie electrozi principali
PLEXIGLASS INOX 316L 3 electrozi
c. Autovehicul utilizat pentru test:
Dacia Logan 1,5 dci, prezentand motorul K9K 790 (norma de poluare Euro 3), cu unitatea de comandä diesel tip DCM12 numar soft 004C, versiune soft 0071, versiune calibrare 4845;
Autovehiculul este unul standard, model Euro3 din 2006, pe care s-a montat instalatia de producere oxihidrogen de constructie proprie sub forma unei celule uscate de electrolizä dupa schema de principiu prezentata mai sus (vezi fig. 2).
Date tehnice principale ale motorului autovehiculului de test conform cu fi§a tehnicä datä de constructor:
Motorizare Diesel
Cilindre 1461 [cmc]
Alezajx Cursa 76x80,5[mm]
Numar Cilindrii 4 in linie
Raport Volumetric 18.3:1
Numar Total de Supape 8 Norma de Depoluare Euro 3
Putere Maxima 48(65) [kW/CP]
Regim de Putere Maximä 4000 [rot/min] Cuplu Maxim CEE 160 [Nm]
Regim de Cuplu Maxim 2000 [rot/min]
Tip Injectie Directa cu Common Rail Sferic
si Turbocompresor Carburant Motorina
Consum Conform Normelor CEE 99/100 Ciclu Complet 4,8 [l/100km]
Ciclu Urban 5,8 [l/100km]
Ciclu Extra-Urban 4,3 [l/100km]
Emisie CO2 128 [g/km]
d. Laptop utilizat pentru achizitia de date din sistemul automat de achizitie de date a autovehiculului de test, inclusiv cablu USB/VAG - KKL §i soft adecvat, utilizat pentru realizarea legäturii informatice intre priza OBDII a masinii §i calculatorul în care se va memoriza achizitia de date.
Concluzii
Inducerea de oxihidrogen in galeria de admisie la debite mici de pänä la 1l/m in cazul unui motor diesel supraalimentat cu cilindreea de 1500cmc favorizeaza urmatoarele fenomene:
• Nu are efect asupra parametrilor mecanici maximali dezvoltati de motor.
• Functionarea tot mai stabila a motorului in timp.
• Schimbarea culorii tobei in sectiunea finalä de evacuare din negru inchis spre negru cenusiu.
• Creste durata de mentinere a uleiului la culoarea initiala de fabricatie, de dinaintea introducerii în motor la schimburile de ulei de la cateva minute la cateva saptamani.
De asemenea se mentioneazä, ca se vor efectua mäsurätori pe instalatia experimentalä descrisä în capitolele anterioare, care vor genera mai multa lumina cu privire la consumul specific al combustibilului, puterea efectivä sau emisiile de poluanti.
References
[1] Radu Chiriac, Nicolae Apostolescu - Emissions of a diesel engine using B20 and effects of hydrogen addition - International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 30, 8 October 2013, Pages 13453-13462.
[2] H. Köse, M. Ciniviz - An experimental investigation of effect on diesel engine performance and exhaust emissions of addition at dual fuel mode of hydrogen - International Journal of Hydrogen Energy.
[3] Duraid F. Maki, P. Prabhakaran - An Experimental Investigation on Performance and Emissions of a Multi Cylinder Diesel Engine Fueled with Hydrogen - Diesel Blends - World Renewable Energy Congress 2011 - Sweden.;
[4] Ali Can Yilmaz, Erinc, Uludamar, Kadir Aydin -Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines - International Journal of Hydrogen EnergyXXX2010 (1-7).
[5] Cui K.R., Gao X.H., Timoshevsky BG, Sirota A. A., Belykov S.U. - Research on reducing fuel consumption by adding hydrogen into diesel
engines - Journal of Wuhan University of Water Transportation Engineering 1992;16(3):253e9.
[6] Zhang B, Fu WB, Wu XH - Effect of hydrogen on fuel consumption of diesel engine - Journal of Combustion Science and Technology 2006;12(3):238e42.
[7] Song YC - Study on fuel-air mixture forming and combustion process in hydrogen-diesel engine of premixed charge compression ignition -Dissertation for degree, Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.
[8] Lee Schipper - Fuel Economy Trends in Industrialized Countries When the Rubber Hits the Road Sneak Preview of a Spring '09 Course.
Despre autor:
Nicolae Birsan. Masters of Science from the University of Windsor, Ontario-Canada, PhD candidate at UPT Timisoara-Romania, is a former Automotive Engineer from Detroit-USA, currently working in the Green Energy field and representing Westinghouse Plasma Corp. www.westinghouse-plasma.com in the Republic of Moldova and Romania. E-mail: [email protected]
