1.pdf

1

PARTEA I - COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI2

Autori: Vene ia SANDU

Corneliu COFARU

1. GAZUL PETROLIER LICHEFIAT

1.1. GENERALIT I

Gazul petrolier lichefiat, numit de asemenea i gaz petrolier lichid, GPL sau

gaz auto este un amestec de hidrocarburi gazoase i este utilizat ca i combustibil în

aparate de înc lzire i vehicule. Ca to i combustibilii fosili, gazul petrolier lichefiat nu

este o surs de energie regenerabil . Gazul petrolier lichefiat (GPL) este un amestec

de propan (C3H8) i butan (C4H10) în propor ii diferite, ob inut ca produs secundar la

rafinarea i eiului, în propor ie de 5% din i eiul brut.

Sursele din care se ob in gazele petroliere lichefiate GPL sunt:

a) separarea gazului asociat produselor petroliere brute;

b) câmpurile de gaze naturale;

c) sta iile de separarea gazului ;

d) rafinarea i eiului brut.

Diferite ri utilizeaz diferite propor ii de propan – butan, dup cum urmeaz :

Tabelul 1.1. Propor ia de propan - butan din GPL

Anotimp

Var Iarn ar

propan [%] butan [%] propan [%] butan [%]

România 95 5 95 5

Germania

Anglia

Elve ia

30 70 50 50

Belgia, Olanda 60 40 60 40

Fran a 50 50 50 50

Austria - - 80 20

SUA 90 10 90 10

Propanul i butanul se lichefiaz relativ u or, temperatura de fierbere la

presiunea atmosferic fiind: -42,6 °C pentru propan i de -0,5 °C pentru butan.

Gazul petrolier lichefiat 3

Dac în cazul utiliz rii gazelor naturale, sta iile de alimentare trebuie s

dispun de instala ii de comprimare de la presiunea re elei de gaze la presiunea din

buteliile vehiculului (20 MPa), în cazul GPL alimentarea sta iilor i distribu ia lui

rezervoarele autovehiculelor se realizeaz pe instala ii asem n toare distribu iei

carburan ilor conven ionali.

Datorit propriet ilor fizico-chimice i ecologice, GPL este recomandat ca un

combustibil alternativ pentru aproape toate categoriile de autovehicule.

Tabelul 1.2. Propriet ile GPL (95% propan, 5% butan) comparativ cu cele ale

benzinei

Caracteristica GPL Benzin Densitate (15 °C) [kg/l] 0,51 0,75

Putere caloric inferioar [kJ/kg] [kJ/l]

46350 23600

43200 32400

C ldura de vaporizare [kJ/kg] 352,26 397,44 Raportul dintre c ldura de

vaporizare i puterea caloric [kJ/MJ]

7,6 9,2

Cifra octanic CO/M CO/R

97 110

82,5 92

GPL este un gaz, la presiunea atmosferic i temperatura normal a mediului

ambiant, dar el poate fi lichefiat la aplicarea de presiuni moderate sau când

temperatura este redus suficient. El poate fi condensat u or, ambalat, stocat i

utilizat, ceea ce îl face s fie o surs de energie ideal pentru o serie larg de

aplica ii. Aceste gaze pot fi utilizate în stare lichefiat la 6 – 10 bar, iar la 15ºC devin

lichide la 4,4 bar, la -15ºC devin lichide la 1,7 bar i la 50ºC devin lichide la 12,2 bar.

În mod normal, gazul este p strat în form lichid , sub presiune, în recipiente

de o el, butelii sau rezervoare. Presiunea din interiorul containerului depinde de tipul

de GPL i de temperatura exterioar . La temperaturi i presiuni normale, GPL se

evapor . Din aceast cauz , GPL este furnizat în recipiente de o el presurizate (cu

con inut redus de carbon). Pentru a permite dilatarea lichidului din container,

recipientele nu trebuie s fie umplute complet; de obicei, ele sunt umplute în

propor ie de 80-85% din capacitatea lor. Acest amestec este foarte sensibil la


varia iile de temperatur -cre terea dilat rii func ie de temperatur este foarte mare,

0,25% din volum la cre terea temperaturii cu 1ºC.

Raportul dintre volumul gazului vaporizat i cel al gazului lichefiat variaz

func ie de compozi ie, presiune i temperatur , dar este aproximativ 250:1. În stare

gazoas , la presiunea atmosferic i temperatur normal , GPL devine lichid la

15ºC, când presiunea este sc zut între 1,7 i 7,5 bar.

GPL este folosit pe scar larg drept combustibil “verde” pentru motoarele cu

ardere intern , deoarece el reduce emisiile poluante. El are cifra octanic Research

(COR) între 90 i 110 i puterea caloric superioar între 25,5 MJ/l (pentru propanul

pur) i 28,7 MJ/l (pentru butanul pur). GPL, ca i combustibil gazos, este o alternativ

la benzin i motorin . În mod special, el este atractiv din punct de vedere al utiliz rii

la autovehicule deoarece este stocat în stare lichid i folosit în stare gazoas ; acest

lucru f când posibil ob inerea unei densit i mari de stocare a energiei i ob inerea

unei combustii curate i silen ioase.

Deoarece GPL are o cifr octanic mare, motoarele cu GPL pot fi concepute

cu raport mare de compresie, acesta fiind mult mai eficient decât cel al motoarelor

conven ionale pe benzin , de i au o performan mai mic fa de motoarele diesel

(cu 20%), datorit diferen ei în eficien a ciclului de ardere.

La vehiculele grele, utilizarea GPL are ca rezultat o func ionare mai uniform

i silen ioas deoarece el asigur un cuplu mai mare la o tura ie mai mic .

Fabrican ii nu construiesc în mod normal ma ini care s func ioneze cu GPL.

De obicei, acestea sunt adaptate dup ce au fost procurate pe pia .

Exist proiecte de ma ini care permit o dubl alimentare cu combustibil, astfel

încât pe acela i vehicul poate fi utilizat atât combustibilul conven ional, cât i GPL.

Aceste proiecte necesit dublarea capacit ii de stocare a combustibilului, men inând

rezervoarele originale de combustibil i ad ugând stocarea GPL.

1.2. BENEFICII PENTRU MEDIUL ÎNCONJUR TOR I SOCIAL

GPL este unul dintre cei mai cura i combustibili disponibili, producând de

departe mult mai pu in bioxid de carbon decât benzina i mai pu ine particule i oxizi

de azot decât combustibilul diesel (motorina).

Testele paneuropene efectuate în 2003 pe vehicule noi au ar tat c utilizarea

GPL a condus la reducerea cu 20% a CO2 fa de benzin i cu 1,8% fa de

motorin . Pe drumurile urbane, în medie, un singur vehicul diesel emite acelea i


particule fine ca i 120 de vehicule alimentate cu GPL i aceea i cantitate de NOx ca

i 20 vehicule GPL. Vehiculele alimentate cu GPL pot ajuta echilibrarea considerabil

a costurilor sociale i a daunelor produse de poluare asupra s n t ii i a cl dirilor;

nivelul de zgomot fiind mai mic decât la arderea în motorul diesel.

Alte surse referitoare la emisiile GPL consemneaz urm toarele: automobilele

alimentate cu GPL produc cu 90% mai pu ine emisii de particule i cu 90% mai pu ini

oxizi de azot decât cele cu combustibil diesel. Motoarele cu GPL produc cu 75% mai

pu in monoxid de carbon decât cele cu benzin i au un poten ial de formare a

ozonului cu 87% mai mic.

Teste recente au eviden iat urm toarele avantaje ale motoarelor cu GPL,

privitor la emisii:

Comparativ cu benzina cu con inut de sulf ultra sc zut –

11% pân la 13% mai pu in CO2

15% pân la 80% mai pu ini NOx

20% pân la 40% mai pu ine hidrocarburi HC

30% pân la 35% mai pu in CO

Comparativ cu combustibilul diesel cu con inut ultra sc zut de sulf –

80% pân la 95% mai pu ine particule

99% pân la 99,8% mai pu ine particule ultra fine

90% pân la 99% mai pu ini NOx

1.3. BENEFICII ECONOMICE

În majoritatea rilor, GPL este comercializat aproximativ la jum tate din pre ul

benzinei, sau al combustibilului diesel, fiind sus inut prin taxe de drum mai mici.

Structura sa chimic simpl determin o ardere curat iar faptul c el este deja în

stare gazoas la intrarea în cilindrul de ardere, îl face s ard mai curat cu depuneri

mai mici în motor, acest lucru reprezentând o func ionare mai uniform i pentru mai

mult timp.

Majoritatea automobilelor care au un motor cu aprindere prin scânteie pot fi

adaptate la GPL, iar costul conversiei va fi rapid amortizat prin costuri de func ionare

mai mici.


1.4. ALTE BENEFICII

GPL este un produs al industriei de petrol i gaze, astfel încât furnizarea sa pe

termen lung este tot atât de sigur cât i a petrolului, în mod cert, nu mai pu in de 50

de ani.

În prezent, în Marea Britanie se afl mai mult de 1200 de sta ii de alimentare

cu GPL i acest num r este în continu cre tere. Vehiculele adaptate pot fi setate s

func ioneze cu benzin sau cu GPL. Rezervorul de benzin r mâne pe ma in i

prin ac ionarea unui comutator, se poate trece de la un combustibil la altul.

GPL este renumit pentru excelen a sa siguran , la care contribuie

depozitarea, transportul i utilizarea. Ca i combustibil pentru vehicule, GPL este tot

a a de sigur, dac nu mai sigur ca i benzina i la fel de sigur ca i combustibilul

diesel. În Viena, toate autobuzele func ioneaz cu GPL i în 30 de ani de operare nu

a fost nici un incident provocat de utilizarea GPL. Din ce în ce mai mul i automobili ti

solicit vehicule GPL, i drept urmare, acestea sunt produse de tot mai mul i

fabrican i, incluzându-i pe Vauxhall, Ford, Citroen, Diahatsu, Fiat, Mercedes, Nissan

i Proton.

În prezent, în lume sunt opera ionale peste 9 milioane de vehicule cu GPL.

Coreea de sud este lider cu peste 1,7 milioane, urmat de Italia, Polonia i Turcia,

cu peste 1 milion de vehicule, Marea Britanie având peste 117.000 de vehicule

alimentate cu GPL.

1.5. DEZAVANTAJE GENERALE ALE GPL

Exist i o serie de dezavantaje în utilizarea GPL:

Complicarea vehiculului - ma ina este mai înalt i mai grea;

Autonomie mai mic , pierderea de putere (5-10%), r spuns lent la accelerare;

Timp de alimentare dublu fa de alimentarea cu benzin ;

Infrastructuri necesare - pompe, rezervoare, debitmetre.

1.6. CONFIGURA II ALE VEHICULELOR CU GPL

În figura 1.1 sunt prezentate circuitele de alimentare cu GPL a unui

autovehicul.

Sistemele GPL sunt în general proiectate s func ioneze pe ma inile cu

benzin , dar ele difer prin gradele de sofisticare:


Figura 1.1.Circuitele de alimentare cu GPL a autovehiculelor

1.6.1. Prima genera ie GPL

Prima genera ie de sisteme GPL utilizau un tub Venturi, sisteme în bucl

deschis (f r control lambda) f r control electronic. În general au fost instalate pe

motoare cu carburator simplu, sistemul putând fi reglat în totalitate de c tre

instalatorul s u.

Fig.1.2. Prima genera ie GPL

Amestec torul (aer-gaz) ac ioneaz ca un sistem controlat cu efect Venturi,

într-o manier similar carburatoarelor cu benzin . GPL vaporizat este antrenat


printr-un orificiu determinat, ca r spuns la curgerea aerului în motor. Principiul de

proiectare de baz a r mas neschimbat de peste 30 ani. În timp ce aerul admis intr

în motor, este creat un efect Venturi prin intermediul valvei de aer a mixerului.

Aceast c dere de presiune care ac ioneaz asupra unei diafragme cu arc este

propor ional cu curgerea aerului. Aceast ac iune poate fi descris mai bine ca fiind

un debitmetru de mare acurate

a rezervorului, i nu din partea

superi

a o reglare precis a presiunii

ombustibilului pentru mixer. Deoarece cererea la regulator cre te cu sarcina

otorului, regulatorul permite trecerea unui debit mai mare, în timp ce la sc derea

cererii, regulatorul restrânge debitul, în acest fel men inându-se presiunea

combustibilului. Un regulator de înalt presiune nu este necesar deoarece GPL din

rezervor are o presiune sc zut .

Rezervorul de combustibil este instalat, având în fa un port de alimentare,

linii de alimentare i supape de presiune de siguran . Un filtru înl tur particulele ce

ar putea fi prezente în gaz. Rezervoarele sunt construite dup standarde stricte de

o el, pentru a suporta o presiune de 70 bar. Presiunea normal de lucru a

rezervorului variaz între 9 - 12 bar. Rezervoarele sunt echipate cu o supap de

refulare, care în cazul unor presiuni anormal de mari, va elibera vaporii de gaz în

atmosfer pentru a preveni explozia rezervorului.

e care controleaz curgerea combustibilului în motor

ca o func ie a curgerii aerului.

Vaporizatorul converte te propanul lichid în gaz. Sursa primar de c ldur

pentru vaporizare o constituie apa din c ma a motorului care circul prin c m i

special proiectate în interiorul corpului vaporizatorului. Este necesar ca sistemul de

alimentare cu GPL s absoarb din partea de jos

oar . Dac alimentarea motorului se face din faza de gaz, componentele grele,

cu temperatur ridicat de fierbere din GPL, se vor concentra în mod gradual în faza

lichid , creând o mas fluid cu o presiune mare de vaporizare i punct de înghe

ridicat. Acest lichid va crea diverse probleme în sistemul de alimentare. De aceea,

sistemele GPL iau gazul lichid din partea inferioar a rezervorului i îl trimit prin

vaporizator care este înc lzit de lichidul de r cire a motorului.

Func ia regulatorului este de a asigur

c

m


1.6.2. A dou

a genera ie GPL

Fig.1.3. Configura ia celei de a doua genera ii GPL

Acest sistem a fost adoptat pentru sisteme de injec ie de combustibil

onopunct utilizând sisteme analogice cu sond lambda pentru determinarea

con inutului de o torului trivalent.

Sistem

m

xigen din gazele de evacuare i a eficien ei cataliza

ul permite reglarea la mers în gol. Celelalte componente i func ionarea sunt

similare cu cele ale primei genera ii.

1.6.3. A treia genera ie GPL

Fig. 1.4. A treia genera ie GPL


Acest sistem GPL a fost adoptat pentru sisteme de injec ie de combustibil

multipu

ficate i memorate, iar

l pentru fiecare model de motor i vehicul.

pentru sisteme de injec ie secven ial , multipunct,

u controlul în bucl închis , cu microprocesor, a emisiilor admisibile. Nu este

reglabil i nu interfereaz cu sistemul de diagnoz de la bord .

este secven ial, multipunct, cu microprocesor, cu

contro

i Italia au cele mai avansate tehnologii GPL din Europa. Olanda este

liderul

te sta iile de

alimen

umului lor de

combu

noi pentru

nct, controlate cu microprocesor în bucl închis , cu respectarea emisiilor

poluante. Acestea au capacitate de autoinstruire, dar nu sunt reglabile de c tre

instalator. Defec iunile de baz sunt diagnosticate la bord, codi

software-ul GPL este scris specia

1.6.4. A patra genera ie GPL

Acest sistem se utilizeaz

c

1.6.5. A cincea genera ie GPL

Acest sistem de injec ie

lul emisiilor poluante. Nu este reglabil, dar poate fi integrat cu sistemele de

diagnoz la bord a vehiculului.

1.7.POLITICA UE I GPL

1.7.1. Pia a Uniunii Europene

Olanda

în domeniul motoarelor GPL cu injec ie multipunct. În Olanda, GPL nu este

privit ca o alternativ la benzin , ci ca un combustibil obi nuit. Toa

tare aflate de-a lungul autostr zilor furnizeaz GPL. Autoalimentarea este o

practic obi nuit , 10% dintre vehiculele de pasageri utilizând GPL. Consumul de

GPL la vehiculele de pasageri reprezint 15% din totalul cons

stibil.

Tehnologiile de vârf sunt sistemele Dutch GENTEC – VIALLE i KOLTEC –

NECAM, care sunt sisteme de injec ie multipunct controlate electronic.

În Italia, FIAT este implicat activ în adaptarea unora din automobilele sale la

GPL / CNG. Într–o asociere de proiect dintre FIAT / TNO i BK – GAS, un FIAT

Tempera 2l a fost optimizat pentru injec ia multipunct de vapori GPL.

În Fran a, Renault a f cut diferite teste la vehiculele de regim u or.

În Germania, Mercedes Benz a lansat un sistem GPL multipunct sofisticat

pentru noile sale modele. DAF a presetat un motor LT 160 GPL de regim greu.

Nissan Belgium i Continental Energy Systems au de asemenea proiecte


motoa

i taxelor pe GPL. În Marea

Britani

t, a crescut interesul pentru

utilizarea GPL, prin compania Guide Friday, subsidiar unei companiei de operare a

la punct o afacere în domeniul conversiei acestora i care

este u

e vehicule u oare ruleaz pe GPL. În Coreea de Sud, GPL este utilizat

drept combustibil pentru taxiuri i reprezint peste 90% din combustibilul utilizat pe

reea de Sud consum peste un milion de tone de

GPL p

, 350.000 de vehicule

utilizea

re de regim greu. VANHOOL (Belgia) produce în prezent curent 2 autobuze

alimentate cu GPL pentru Olanda. BOON (Bruxel) import i adapteaz pe vehicule

sistemele electronice de injec ie cu gaz ale firmelor NECAM i KOLTEC.

Câteva companii de transport public cump r autobuze diesel, care sunt

adaptate pentru a func iona cu GPL. Câteva ora e principale au flot de transport

operând pe GPL (Amsterdam, Groningen, Eindhoven i Hertogenbosch).

În Marea Britanie, folosirea GPL drept combustibil motor, a sc zut în ultimii

ani. Num rul de sta ii de alimentare cu GPL a sc zut de la, în jur de 500 în 1980, la,

în jur de 200 în zilele noastre, în principal datorit cre teri

e au r mas opera ionale un num r de vehicule cu GPL, incluzând câteva flote

mici de vehicule care opereaz în afar de bazele centrale (evitând necesitatea de a

g si combustibil de la sta iile de alimentare). Recen

autobuzelor i care a pus

tilizat acum de câ iva operatori din Marea Britanie.

În Spania, GPL a fost furnizat pentru prima oar pentru vehicule, în 1986, prin

dou sta ii de alimentare. În prezent sunt aproape 50 de puncte de alimentare de-a

lungul rii i 12.000 de vehicule cu GPL, toate taxiuri.

1.7.2. În afara pie ei UE

În Australia, 4% dintre vehiculele de pasageri (330.000) ruleaz pe GPL. O

alt pia mare este Mexicul (între 200.00 i 400.000 de vehicule). În Japonia,

300.000 d

acest segment. În particular, Co

e an i au ap rut probleme de alimentare, limitându-se utilizarea doar la taxiuri

i interzicându-se utilizarea lui la automobilele private. În SUA

z GPL, în timp ce Canada are 170.000 de autoturisme care utilizeaz

propanul.

1.7.3.Informarea despre GPL

În Olanda i Italia, informa ia privitoare la utilizarea GPL la vehiculele u oare,

autobuze i ma ini de salubrizare este adecvat i disponibil .


Totu i, în alte ri europene exist o lips de informa ii tehnice referitoare la

GPL. Angrosi tii de GPL nu îndr znesc s aib o politic puternic de pia : ei se

tem c

i taxa pe

utomobilele GPL s fie fix pentru urm torii ani. Aceasta va asigura securitate

tii GPL pentru a începe investi iile când pia a va începe s se extind .

stituie

subiec

tala ii de

ventila

iile de alimentare.

pa iile închise de parcare trebuie adaptate cu instala ii specifice de ventila ie.

nt accesibilitatea combustibilului (nu pentru operatorii de

flote c

transferat de la o ma in la alta.

vor atrage aten ia guvernului asupra acestui combustibil marginal i atunci se

va m ri taxa pe combustibilul GPL. Infrastructura existent este de asemenea prea

veche pentru a suporta o cre tere brusc a cererii de GPL. De aceea, un prim pas ar

fi de a avea o declara ie guvernamental care s certifice pre ul GPL

a

pentru angrosi

În Marea Britanie exist o asocia ie (LP Gas Asociation), care furnizeaz

informa ii i sfaturi pentru poten ialii utilizatori, dar aceasta nu are o mare publicitate.

Mai multe informa ii sunt date prin intermediul industriei de autobuze odat cu

cre terea interesului pentru conversie acestora în vederea utiliz rii GPL.

1.7.4. Riscuri

Deoarece GPL este mai u or decât aerul, în diferite ri, utilizarea lui con

tul anumitor restric ii. Atelierele de lucru trebuie adaptate pentru acest tip de

vehicule (cu GPL), respectiv, ele trebuie echipate cu sisteme electrice de siguran

împotriva incendiilor, trape de drenaj, detectoare speciale de gaz i ins

ie, toate adaptate la num rul de vehicule utilizate de c tre atelierul respectiv.

Instala iile de siguran total trebuie instalate în vehicule i sta

S

Principalele riscuri su

are se alimenteaz de la garajele proprii, ci pentru utilizatorii particulari), lipsa

m surilor guvernamentale pentru stimularea în viitor a nivelelor pre / taxe.

Siguran a stoc rii i a sistemelor de distribu ie GPL au constituit obiecte de

cercetare în Olanda, unde utilizarea gazului este larg r spândit .

1.7.5. Aspecte financiare

Barierele financiare sunt similare celor întâlnite în cazul promov rii motoarelor

cu gaz natural. Automobilele cu GPL sunt înc automobile pe benzin adaptate

ulterior pentru alimentare cu GPL. Acest lucru determin costuri suplimentare, dar

totu i nu constituie o barier fundamental , luând în considerare durata de via a

automobilului i faptul c sistemul GPL poate fi


1.7.6. Diferen e de pre

Datorit costurilor suplimentare ale echipamentului GPL, este necesar un

regim financiar corespunz tor pentru taxa de drum i accize, în caz contrar, decizia

pentru utilizarea GPL va fi grea. Taxele suplimentare, pentru automobilele GPL care

ruleaz mai pu in de 15.000 km/an, compenseaz avantajele rezultate din pre ul

GPL, comparativ cu automobilele pe benzin .

lui mic de sta ii publice de alimentare cu gaz,

cât i limit rilor determinate de disponibilitatea pe termen lung a acestuia. Totu i,

vehicule, în special cele din zona urban , cu o baz regulat ,

este o

1.7.8. Reglement ri

rtificatelor de siguran care reglementeaz

utilizar

nea actori principali pe pia a GPL (datorit originii

similar

1.7.7. Caracteristica de pia

Este neverosimil c vehiculele GPL vor lua o propor ie semnificativ pe pia a

vehiculelor private, datorit atât num ru

pia a pentru flotele de

int corespunz toare.

Faptul c persoana ce achizi ioneaz un automobil trebuie mai întâi s aleag

între unul pe benzin , respectiv, pe motorin i apoi s decid pentru instalarea

sistemului GPL ( i s pl teasc suplimentar pentru instalare i tax ), constituie o

barier clar pentru vehiculele private.

Lipsa legisla iei specifice i a ce

ea GPL în vehicule i sta iile de alimentare de-a lungul UE, ridic o barier

semnificativ la r spândirea gazului drept combustibil uzual pentru autovehicule. De

asemenea, lipsa unor standarde comune pentru GPL constituie o barier important

de interoperabilitate, deoarece este necesar reajustarea vehiculelor pentru fiecare

formul diferit de gaz.

1.7.9. Constrângeri ale infrastructurii

Infrastructura i sistemele de distribu ie necesare pentru alternativa de

combustibil GPL pot constitui o barier semnificativ la r spândirea sa. Totu i,

aceast barier este atenuat de faptul c actorii actuali de pe pia , companiile

petroliere notabile, vor fi de aseme

e a celor mai mul i combustibili tradi ionali). O sta ie GPL nu este aproape

deloc diferit de o sta ie de benzin . Producerea de autocisterne de transport GPL,

construite s transporte gaz de joas presiune, este o tehnic comun .


Re eaua actual de distribu ie nu face fa unei cre teri de mas a vehiculelor

GPL. Cre terea pie ei trebuie s fie progresiv pentru a împiedica trangul rile, dar

destul de puternic pentru a da un semnal companiilor de distribu ie, privind

necesitatea efectu rii de investi ii.

Taxe - Taxa aplicat GPL, ca i combustibil utilizat în transport, constituie un

factor decisiv privind viabilitatea financiar a acestei tehnologii. Stimulentul asupra

fiscalit ii trebuie s se bazeze pe îmbun t irile aduse asupra mediului înconjur tor,

comparativ cu utilizarea altor combustibili. Comisia European a propus ca taxa

aplicabil surselor alternative de energie s nu dep easc 10% din taxa aplicat

combustibililor fosili. Datorit reducerilor de profit pe care le pot produce, guvernele

au tratat aceast problem cu precau ie.

Factori de succes critici - Pentru a m ri r spândirea vehiculelor GPL se poate

urm ri nivelul taxelor (ex: un sistem de taxare bazat pe emisia de CO2, combinat cu

cre te

emisii de CO2 decât benzina i mai pu ine emisii de

al i po

combustibil, pentru a-i încuraja s investeasc în sistemele de

stocare i ezvolte vehicule specifice GPL,

iar utili rsia vehiculelor existente pentru

a utiliza

De asemenea, pentru ca GPL s devin viabil la scar UE, este necesar

standardizarea specifica iei GPL.

Pe deasupra, este necesar un suport din partea guvernelor na ionale, în

principal pentru:

Introducerea regulamentelor de siguran ;

Înl turarea interdic iei parc rii în interior;

Înl turarea taxelor suplimentare pentru GPL.

rea stringen ei regulamentelor pentru alte emisii poluante, vor fi în sprijinul

utiliz rii GPL, care are mai pu ine

luan i decât combustibilul diesel). Aceasta va da semnale corecte de pre :

produc torilor de

distribu ie, constructorilor de vehicule, s d

zatorilor de vehicule, s investeasc în conve

GPL.


Bibliografie

[1] Apostolescu, N., Sfin eanu, D. - Automobilul cu combustibili neconven ionali. -

Editura Tehnic , Bucure ti, 1989. ISBN 973-31-0049-8.

[2] Bobescu, Gh., a - Tehnici speciale pentru reducerea consumului de

combustibil i limitarea noxelor la autovehicule. - Universitatea din

Bra ov,1989.

[3] Cofaru, C., .a.. - Autovehiculul i mediul. Editura Universit ii Transilvania

Bra ov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[4] Cofaru.C. –Legislatia i ingineria mediului in transportul rutier Editura

Universit ii Transylvania Brasov 2002 ,ISBN 973-635-185-8

[5] Degobert, P. – Automobiles and Pollution – SAE International, 1995.

[6] Timothy, T., Maxwell, Jesse, C., Jons. - Alternative fuels. SAE 1995. ISBN 1-

56091-523-4.

[7] R. Bechtold- Alternative fuels guidebook, Society of Automotive

Engineers,1997

[8] www.howtogogreen.com/2005/05/liquid-petroleum-gas.html

[9] www.boostlpg.co.uk


Autor: Vene ia SANDU

2. GAZUL NATURAL

2.1. INTRODUCERE

Gazul natural este un amestec de hidrocarburi, constituentul principal fiind

metanul (CH4), (80 – 98%), restul amestecului fiind format din etan (C2H6), propan

(C3H8), butan (C4H10) i alte gaze, precum azotul, bioxidul de carbon, i vapori de

ap (tabelul 2.1).

Tabelul 2.1. Compozi ia tipic a gazului natural

Component Simbol Procent

Metan CH4 70-90%

Etan C2H6

Propan C3H8

Butan C4H10

0-20%

Dioxid de carbon CO2 0-8%

Oxigen O2 0-0,2%

Azot N2 0-5%

Hidrogen sulfurat H2S 0-5%

Gazele naturale sunt combustibili fosili i pot exista în z c minte

independente sau pot fi asociate cu z c mintele de i ei. În primul caz, poart

denumirea de gaze naturale uscate i au în compozi ie 98...99% metan. Gazele

asociate z c mintelor de petrol sunt numite gaze de sond sau gaze umede, aceste

gaze fiind un amestec de hidrocarburi, dioxid de carbon i eventual hidrogen sulfurat,

ponderea diferitelor categorii de hidrocarburi depinzând de z c mânt (ex: metan

80,83%, etan 6,40%, propan 5,56%, n-butan 1,15%, izobutan 0,79%, pentan 1,66%,

dioxid de carbon 0,96%, reziduu 2,65%).

Metanul, etanul, propanul i butanul sunt gaze incolore, insolubile în ap la

temperatur i presiune atmosferic . Principalele propriet i fizice sunt prezentate în

tabelul urm tor:

Gazul natural 17

Tabelul 2.2. Propriet ile fizico-chimice ale principalelor hidrocarburi ale gazelor naturale

Proprietatea Metan Etan Propan Butan Starea normal p0=0,1031 MPa, T0=273 K - densitate [kg/m3] - c ldur specific la p=ct. [kJ/Kg·K]

0,7168 2,117

1,336 1,666

2,019 1,550

2,703 1,918 (la 293 K)

Raportul c ldurilor specifice 1,30 1,22 1,14 1,11 Masa molecular 16,032 30,07 44,09 58,12 Temperatura de vaporizare [K]

111,45 184,55 230,58 273,65

C ldura de vaporizare [kJ/kg]

548,471 540, 097 447,088 403,608

Putere caloric inferioar [kJ/kg]

49949 47436 46348 45720

Temperatura de aprindere [K]

813...920 820 740...820 -

Componenta masic [%] C H

75 25

80 20

81,8 18,2

82,75 17,25

Componentul primar al gazului natural este metanul (CH4), cea mai scurt i

u oar molecul de hidrocarbur , cu un con inut de hidrogen de 25%. El se g se te

în câmpurile petroliere i de gaze naturale, precum i în straturile de c rbune; surse

biologice de metan sunt termitele, vitele (rumeg toarele) i culturile, depozitele de

gunoi i sistemele de tratare a apelor menajere. Metanul este insipid i inodor, un

extrem de eficient gaz de ser care poate contribui la înc lzirea global atunci când

este eliberat în atmosfer .

Când este utilizat pentru transport, gazul natural trebuie fie comprimat (GNC),

fie lichefiat (GNL) pentru a stoca la bord o cantitate suficient care s asigure o

autonomie acceptabil a autovehiculului.

Punctul de fierbere este foarte coborât (-162ºC), temperatura de inflamabilitate

este foarte joas fa de cea a benzinei, iar temperatura de autoaprindere este mai

mare fa de cea a acesteia din urm , sugerând c scade ansa aprinderii la

contactul cu suprafe ele calde. Limitele de aprindere sunt mai ridicate i mai largi

decât ale benzinei i a motorinei. Raportul stoichiometric al metanului este mai mare

decât al celorlal i doi combustibili, datorit faptului c metanul are un procentaj mai

mare de hidrogen. Cifrele octanice, Research (RON) i Motor (MON) sunt în jur de


120, fiind dificil de a da o valoare exact , deoarece testul CFR este pentru

combustibilii lichizi.

2.2. UTILIZAREA GAZELOR NATURALE

Pentru a fi utilizat, gazul natural trebuie comprimat sau lichefiat, pentru a

sc dea volumul de stocare. Pentru a utiliza gazul natural, exist dou posibilit i: fie

se adapteaz (mai rar) autovehiculul cu motor cu aprindere prin scânteie într-un

centru de adaptare dup cump rare, fie se utilizeaz un autovehicul dedicat (care

este preg tit s func ioneze cu gaz, direct din fabric ) precum motoarele General

Motors sau motoarele dedicate pie ei medii i grele, de la Cummins i Detroit

Diesels.

Gazele naturale con in în principal metan între 80 - 98%. Cu toate c metanul

lichefiaz cu dificultate, el este un combustibil atractiv pentru alimentarea vehiculelor

utilitare care circul în ora e (autobuze, furgonete, autogunoiere). Stocarea gazelor

naturale se realizeaz sub presiune de 20 la 50 MPa i în viitor 100 MPa, în

rezervoare amplasate la bordul autovehiculelor.

Utilizarea gazelor naturale drept combustibil alternativ pentru alimentarea

autovehiculelor (GNV) are în vedere în primul rând dimensiunea de mediu. Înlocuirea

combustibililor lichizi cu metan conduce la reducerea polu rii aerului prin reducerea

emisiunilor de particule, hidrocarburi, s ruri i miros. Emisiunile din gazele de

evacuare sunt mai pu in nocive pentru s n tate datorit reducerii emisiunilor de oxid

de carbon iar particulele emise nu con in hidrocarburi aromatice i nici aldehide. Pe

de alt parte, i nivelul emisiilor sonore este mai redus.

La scar regional , metanul contribuie într-o propor ie mai redus decât

carburan ii lichizi la formarea ploilor acide i la formarea ozonului troposferic (emisii

reduse de hidrocarburi nearse). Aceste amelior ri pot fi explicate prin natura gazoas

a carburantului care contribuie la formarea rapid a amestecului aer-combustibil i

prin aceea c metanul este cea mai simpl hidrocarbur (CH4).

La nivel global, emisiile gazoase i utilizarea metanului la alimentarea

autovehiculelor au un efect de ser mult mai redus în raport cu carburan ii petrolieri (-

80%).

Politicile rilor dezvoltate propun utilizatorilor furnizarea de gaze naturale

comprimate la 20 MPa.

Gazul natural 19

Calit ile fizico-chimice ale gazelor naturale fac din acestea un combustibil

sigur. Compozi ia GNV este simpl deoarece con ine peste 90% metan care este o

hidrocarbur foarte stabil . Temperatura de autoaprindere este ridicat , peste 540°C,

în compara ie cu 280°C pentru benzin i 235°C pentru motorin . Densitatea sa este

de ordinul 0,6 în compara ie cu aerul, ceea ce determin o diluare rapid , eliminând

riscul de explozie (acest risc apare în cazul unor concentra ii de 5-15% i dac se

atinge temperatura de autoaprindere sau dac amestecul prime te o energie mai

mare de 0,2 mJ produs de exemplu de o scânteie electric ).

Vehiculele alimentate cu GNV au sisteme de înalt securitate. Toate

componentele care echipeaz sistemul de alimentare sunt prev zute s reziste la

presiuni de peste 50 MPa. Încerc rile efectuate pentru a determina rezisten a la

incendii i ocuri de toate felurile au demonstrat fiabilitatea dispozitivelor aplicate

vehiculelor alimentate cu GNV.

Alegerea GNV drept combustibil alternativ pentru transportul urban de

persoane i m rfuri ca i pentru vehiculele utilitare are la baz trei factori principali:

1. Aprovizionarea cu gaze naturale este independent de politica rilor

produc toare de petrol i se realizeaz prin re ele de conducte cu o densitate

suficient .

2. Bilan ul ecologic la utilizarea GNV este mai bun atât pentru emisiile

poluante reglementate cât i pentru cele nereglementate. Emisiile se situeaz la

nivelul european al autovehiculelor cu grad redus de poluare (Environmentally

Enhanced Vehicle - Directiva 99/96 CEE).

3. Utilizarea GNV a atins stadiul industrial i este rentabil din punct de vedere

economic, apropiindu-se de costul carburan ilor clasici, ceea ce nu este cazul pentru

trac iunea hibrid sau pila de combustie care înc sunt prea scumpe.

Prima genera ie de autovehicule alimentate cu GNV a avut motoare cu

aprindere prin scânteie sau motoare diesel modificate i adaptate la func ionarea cu

GNV. Noua genera ie de motoare este proiectat i construit pentru func ionarea cu

GNV utilizând injec ia de gaz multipunct i amestec stoichiometric. Aceast

tehnologie asigur un raport bun între performan ele energetice i de mediu, mai ales

la regimuri tranzitorii, asigurând totodat motorului fiabilitatea necesar traficului

urban.

În cazul autobuzelor, consumul de GNV este în jur de 75 Nm3/100 km ceea ce

asigur o autonomie cuprins între 250 i 300 km. Raportul consum GNV în


Nm3/consum motorin se situeaz pân la valoarea de 1,34. Rata depan rilor în

cazul motoriz rii cu GNV este comparabil cu motorizarea pe baz de motorin , la

circuitul de gaz de înalt presiune nefiind semnalate defec iuni.

Motoarele sunt disponibile de obicei în urm toarele categorii:

2.2.1. Motoare cu aprindere prin scânteie

Motoarele dedicate sau monocombustibil folosesc gazul natural ca singur

combustibil i sunt optimizate ca eficien i emisii. Motoarele bicombustibile

func ioneaz fie cu gaz natural, fie cu benzin , dup o conversie f cut de regul

dup cump rarea vehiculului, în care benzina este folosit în principal pentru pornire.

Vehiculul tricombustibil combin vehiculul de tip 'flex-fuel' - combustibil flexibil

(benzin , etanol sau un amestec al acestora) cu vehiculul cu gaz natural.

2.2.2. Motoare cu aprindere prin comprimare

Un motor dual arde un amestec de gaz natural i motorin , cu aprinderea

amestecului aer-gaz natural cu un jet pilot de motorin . Motorina este injectat în

camera de ardere, iar gazul natural este introdus prin admisia aerului, prin carbura ie

sau injec ie. La sarcini mici, cantitatea de motorin este mai mare, iar la sarcini mari

propor ia de gaz este mai mare, putând ajunge la 80%.

Diferen a major dintre tehnologia bazat pe alimentarea vehiculelor cu gaz

natural i cea tradi ional , pe benzin , o constituie sistemul de alimentare cu

combustibil.

Conceptul de gaz natural ca i combustibil pentru autovehicule a ap rut în jurul

anului 1930 i multe ri sunt cunoscute pentru utilizarea combustibilului gazos la

flote mari. Acestea sunt Argentina, Brazilia, SUA, Canada, Marea Britanie, Italia,

Fran a (înc din 1916), Pakistan, India, Australia i Noua Zeeland . În zilele noastre

se estimeaz c flota de gaz natural este reprezentat de peste 6.300.000 de

vehicule i c exist 10 300 de sta ii de alimentare.

Vehiculele alimentate cu gaz natural se comport similar cu cele bazate pe

tehnologiile conven ionale. Dovezile arat c vehiculele cu gaz natural necesit mai

pu ine schimburi de ulei i mai pu in între inere fa de cele tradi ionale. Tehnologiile

Gazul natural 21

bazate pe gaz natural au redus costurile de între inere general , în special fa de

tehnologia diesel.

Gazul natural reprezint una dintre alternativele de combustibili disponibili,

având arderea cea mai curat i oferind o serie de avantaje fa de benzin . La

vehiculele u oare cu gaz, poluan ii evacua i în aer sunt mult mai redu i cantitativ

decât la vehiculele alimentate cu benzin . În plus, gazele produc toare de smog,

precum monoxidul de carbon i oxizii de azot, sunt reduse cu mai mult de 90% i

respectiv 60%, iar bioxidul de carbon, un gaz ce determin producerea efectului de

ser , este redus cu 30% - 40%. Vehiculele alimentate cu gaz natural, medii i grele,

au demonstrat reducerea cu mai mult de 90% a CO i a particulelor i cu mai mult de

50% a NOX, fa de motoarele comerciale diesel.

Vehiculele alimentate cu gaz natural, comparativ cu cele alimentate cu

benzin , produc mai pu in smog i efect de ser , prin raportare la kilometrii parcur i.

Vehiculele dedicate s func ioneze cu gaz natural sunt cele mai curate vehicule cu

ardere intern disponibile în zilele noastre. Vehiculele adaptate i cele dedicate spre

alimentare cu doi combustibili sunt de asemenea mai pu in poluante decât vehiculele

conven ionale.

O estimare a reducerii de emisii este ilustrat în tabelul 2.3, indicând sc derea

important de poluan i, raportat la gram de poluant pe kilometru.

Tabelul 2.3. Emisii ale vehiculelor func ionând cu benzin i gaz natural

Poluantul Motor cu

benzin (g/km)

Motor cu gaz

natural (g/km)

Reducerea adus de

gazul natural (%)

NOx 1,087 0,619 - 43%

VOCs 0,700 0,046 - 93%

SO2 0,249 0,093 - 63%

PM10 0,159 0,017 - 89%

CO 13,940 3,587 - 74%

CO2 302,740 233,890 - 23%

Vehiculele u oare i medii pe baz de gaz natural sunt disponibile cu sisteme

de alimentare cu gaz natural comprimat (GNC), în timp ce vehiculele grele sunt


disponibile fie în configura ii cu gaz natural comprimat, fie în cele cu gaz natural

lichefiat (GNL).

Sistemul de alimentare al vehiculului este pe deplin închis i etan fa de

mediul înconjur tor. Combustibilul este injectat în cilindrul motorului i aprins prin

scânteie în acela i mod ca la vehiculele alimentate cu benzin .

2.3. SISTEMELE CU GAZ NATURAL COMPRIMAT (GNC)

Aceste sisteme p streaz gazul la presiunea de 250 bar în recipiente cilindrice

care necesit un volum de trei ori mai mare decât echivalentul de benzin .

Rezervorul este f cut din o el sau aluminiu armat cu fibre de sticl . Gazul este stocat

la bord în recipiente instalate în portbagaj, sub portbagaj sau deasupra cabinei. La

ie irea din rezervor, gazul natural comprimat trece prin conductele de înalt presiune

în regulatoarele de presiune, unde este redus la presiunea atmosferic . Gazul

natural este injectat la presiunea atmosferic prin intermediul unui mixer special (sau

prin injec ie direct ) în care este amestecat cu aer în mod corespunz tor. Apoi, gazul

natural este introdus în camera de combustie a motorului i este aprins pentru a

genera putere. Valvele speciale de operare împiedic p trunderea gazului în motor,

când acesta este oprit. Exist sisteme de umplere lent i sisteme de umplere rapid

de înalt presiune, în func ie de tipul vehiculului.

Principalele avantaje ale sistemelor GNC sunt:

Chiar dac gazul natural nu este o resurs regenerabil fiind un combustibil

fosil, utilizarea lui reduce cererea de combustibil petrolier;

Emisiile sunt mai reduse decât cele ale motoarelor cu scânteie sau diesel

conven ionale ;

Durata de via a motorului este mai lung , cu costuri de între inere mai

reduse;

Randament termodinamic mai mare, consum mai redus de combustibil;

Disponibilitatea gazului foarte mare, care poate proveni i din surse

regenerabile (biogaz);

Cost al combustibilului mai redus;

Capacitate de a fi utilizat pe toate clasele de vehicule;

Cerin e minime de procesare i rafinare;

Mai sigur decât majoritatea combustibililor lichizi;

Posibilitate de alimentare de acas sau de la locul de munc ;

Gazul natural 23

Reducere important a zgomotului motorului.

Principalele dezavantaje ale sistemelor GNC sunt:

Reducere de putere de 10-15% fat de cele alimentate cu benzin , de acela i litraj.

În unele zone infrastructura este limitat ;

Cost relativ mare de conversie;

Recipientele de gaz necesit un volum excedentar i îngreuneaz construc ia

vehiculului;

Deoarece combustibilul este gazos, exist un efect de uscare al camerei de ardere

care duce la cre terea uzurii supapelor de evacuare.

2.4. GAZUL NATURAL LICHEFIAT (GNL)

GNL este gaz natural care a fost procesat pentru a înl tura impurit ile i

hidrocarburile grele, apoi a fost condensat la presiunea atmosferic , prin r cirea lui la

aproximativ - 160ºC, transportat în vase speciale i stocat în rezervoare, de

asemenea speciale. GNL are un volum de 1/600 din volumul gazului în condi ii

atmosferice standard, f cându-l mult mai economic de transportat pe distan e lungi.

Condi iile cerute pentru condensarea gazului natural depind de compozi ia sa

exact , de pia a pe care va fi vândut i de procesul ce va fi utilizat, dar în mod tipic

implic temperaturi între -120 i - 170ºC (metanul pur se lichefiaz la -161,6ºC) i

presiuni între 101-6000 kPa. Pentru stocare i transport, gazului natural condensat în

acest mod îi este redus presiunea.

Gazul natural introdus într-o sta ie de producere GNL va fi tratat în vederea

îndep rt rii apei, bioxidului de carbon i a altor componente care ar înghe a la

temperaturile necesare pentru stocare, sau ar putea fi distructive pentru materialele

de construc ie a facilit ilor de lichefiere.

GNL va necesita un volum de stocare doar de 1,5 ori mai mare decât cel necesar

benzinei echivalente, fiind un combustibil curat, f r ap , sulf sau ulei care nu pot

supravie ui lichefierii. Este necesar îns ca pere ii s fie izola i pentru a p stra o

temperatur sc zut .

GNL ofer o densitate de energie comparabil cu a benzinei i a

combustibilului diesel, este mai pu in poluant, dar costul s u de produc ie relativ


ridicat i necesitatea stoc rii în rezervoare criogenice costisitoare au împiedicat

utilizarea sa pe scar larg în aplica iile comerciale.

Bibliografie



[2] Bobescu Gh., Chiru A., Cofaru C., Radu Gh. Alex., Ab itencei H., .a. –

Motoare pentru Automobile i tractoare, vol. III, Editura Tehnic Info Chi in u,

Republica Moldova, 2000, ISBN 9975-63-015-4.




Bra ov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.

[5] Cofaru,C. Helerea,E.,Dumitrescu,L.,Perniu.D., Sandu,V., Materials-Energy

Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

[6] Sierens, R., Rosseel, E. - Variable Composition Hydrogen / Natural Gas

mixtures for increased engine efficiency and decreased emissions. ASME 4,

1998.

[7] *** Le méthane carburant issue de biomasse agricole. ADEME, Angers, 1996.

[8] R. Bechtold - Alternative fuels guidebook, Society of Automotive Engineers,

1997

[9] *** ISO 15500 Road vehicles — Compressed natural gas fuel system

components

[10] http://www.nesea.org/greencarclub/factsheets_naturalgas.pd

Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor 25

Sta ie de alimentare cu gaz natural comprimat

Autobuz alimentat cu gaz natural


Autor: Corneliu COFARU

3. PROBLEME SPECIFICE ALE UTILIZ RII BIOCOMBUSTIBILILOR

3.1. IN

ocurile

petroliere sau penuria de carburan i fosili. În timpul celui de-al doilea r zboi mondial

lab energetic care putea fi utilizat

la alim

a, Statele Unite i Brazilia are ca

origine

ie.

uplimentari sau aditivi.

superioar

redus la arderea cu detona ie. Raportul de

tua în intervalul 11-14. Rezisten a la

TRODUCERE

Biocarburan ii formeaz categoria de carburan i produ i de materiale vegetale

sau animale numite "biomas ".

Biocarburan ii au punctat întotdeauna crizele energetice cum ar fi

s-a utilizat gazogenul, sistem care produce un gaz s

entarea motoarelor cu aprindere prin scânteie. Dup cel de-al doilea r zboi

mondial, produc ia de biocarburan i din Europ

crizele petroliere din 1973, 1979 sau alte crize geopolitice. Biocarburan ii pot

fi utiliza i i în situa ia când se dore te valorificarea resurselor naturale i în acest caz

ei preiau rolul de carburant energetic de substitu

Ast zi s-au pus în eviden alte func ii ale biocarburan ilor care pot fi

exploatate. Datorit compozi iei oxigenate, ei pot îmbun t i arderea hidrocarburilor

i pot reduce anumite emisii poluante. În func ie de cantit ile utilizate ei pot fi

considera i drept carburan i s

Biocarburan ii intr în categoria energiilor regenerabile.

3.2. CARACTERISTICILE BIOCARBURAN ILOR

Principalele caracteristici ale biocarburan ilor comparativ cu carburan ii de

origine fosil sunt indicate in tabelele 3.1 i 3.2.

Alcoolii în stare pur se caracterizeaz printr-o volatilitate redus exprimat

prin valorile sc zute ale presiunii de vapori Reid. La temperaturi mai reduse de 10°C

procesul de vaporizare al alcoolilor se întrerupe.

O alt caracteristic a alcoolilor const în nivelul ridicat al c ldurii de

vaporizare, ceea ce impune un aport de c ldur pentru a realiza amestecurile alcool

- aer. Amestecurile alcool - aer au o vitez de ardere laminar

amestecurilor benzin - aer.

Produ ii organici oxigena i se caracterizeaz printr-o rezisten ridicat la

autoaprindere având o tendin

comprimare al motorului se poate si

Probleme specifice ale utilizarii biocombustibililor 27

autoaprindere creeaz

aprindere prin comprimare.

cesteia cu temperatura. Pentru reducerea vâscozit ii se aplic un proces

ioneaz în prezen a unui catalizator cu

uleiul pentru a forma esteri de acizi gra i. Volatilitatea esterilor este inferioar fa de

cea a motorinei, esterii având tendin a de a forma gume, proces datorat oxid rii

hidrocarburilor prezente al turi de acizii gra i din compunerea esterilor.

Esterii au bune propriet i de autoaprindere, cifra cetanic fiind apropiat sau

superioar motorinei, dar puterea caloric a esterilor este inferioar fa de cea a

motorinei.

Tabelul 3.1 Principalele caracteristici ale biocarburan ilor poten iali pentru MAS

comparate cu cele ale benzinei

ETBE - Etil-Ter -Butil-Eter; TBA - Ter -Butil-Alcool; MTBE - Metil-Ter -Butil-Eter; MTAE - Metil-Ter -

Amil-Eter;

Caracteristica Benzin Etanol ETBE Metanol TBA MTBE MTAE Obs.

Densitatea [kg/m3]

748...762 794 745 796 792 746 750

Temperatura de fierbere [°C]

30...190 78,3 72,8 64,85 82,8 55,3 86,3

Presiunea de vapori Reid [daN/cm2]

0,7…0,9 1,54 0,4 0,37 - - -

Puterea caloric inferioar masic

[kJ/kg] 42086 26807 36120 19937 32560 35200 36500

Componenta masic [%]

C H O

~85 ~15

-

52 13 35

- - -

37,5 12,5 50

64,86 13,50 21,64

68,18 13,63 18,19

70,59 13,72 15,69

Cifra octanic [COR]

90 - 98 120 118 120 113 117 114

În cazul uleiurilor vegetale, principala problem o constituie vâscozitatea i

varia ia a

de transesterificare prin care un alcool ac

dificult i în utilizarea alcoolilor i eterilor în motoarele cu

PA

RT

EA

I –

CO

MB

US

TIB

ILI

ALT

ER

NA

TIV

I2

8

T

abelu

l 3.2

Princi

pale

le c

aract

erist

ici a

le b

ioca

rbu

ran

ilor

pote

nia

li pentr

u M

AC

com

para

te c

u a

le m

oto

rinei

Car

acte

rist

ica

Mo

tori

n

Met

il es

ter

de

ule

i d

e ra

pi

Ule

i d

e fl

oar

ea

soar

elu

i

Mo

no

este

r d

e u

lei

de

flo

area

so

arel

ui

Met

il es

ter

de

ule

i d

e so

ia

Met

il es

ter

de

ule

i d

e so

ia

adit

ivat

Eti

l es

ter

de

soia

Eti

l es

ter

de

soia

ad

itiv

at

Bu

til

este

r d

e u

lei

de

soia

Bu

til

este

r d

e u

lei

de

soia

ad

itiv

at

Den

sita

tea

[kg/

m3 ]

82

5…87

0 87

0…90

0 92

188

788

488

7 88

188

288

787

6

Dis

tilar

e t 5

0 [°

C]

t 90

[°C

]

258

296

- -

588

-

368

372

336

342

336

347

336

344

337

351

352

364

353

369

Pun

ct

de

infla

mab

ilita

te [°

C]

92

-

-

-17

116

617

416

318

517

9

Put

erea

ca

loric

in

ferio

ar

mas

ic

[kJ/

kg]

4233

5

3755

636

856

3711

337

145

3723

937

333

3733

337

985

3789

2

Cifr

a ce

toni

c [C

C]

49…

50

49…

54

35,8

59

,9

46,2

48,7

48,2

49,0

51,7

54,0

Vâs

cozi

tate

la

40

°C

[c

St s

au N

·s/c

m2 ]

2,

39

-

33,9

34,

964,

084,

144,

414,

405,

245,

21

Sul

f [%

gra

m]

0,25

-

0,01

0,

01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

Alcoolii 29

3.3. PRODUCEREA BIOCOMBUSTIBILILOR PORNIND DE LA BIOMAS

3.3.1. Alcoolii i eterii lor

3.3.1.1. Alcoolul etilic (etanol)

Toate zaharurile cu C6 sunt fermentabile i în principal glucoza i zaharoza pot

fi transformate în alcool i dioxid de carbon dup fermentare. Procesul de fermentare

este anaerob i catalizat de o enzim produs de drojdie: Saceheromyces

Cerevisiae.

Reac iile de fermentare sunt urm toarele:

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 ( H=-412 kJ/kg) (3.1)

(glucoz ) (etanol)

C12H22O11 + H2O 4C2H5OH + 4CO2 ( H=-479 kJ/kg) (3.2)

(zaharoz ) (etanol)

H - reprezint entalpia masic .

Aceste reac ii sunt teoretice i randamentele lor sunt numite randamentele

Gay - Lussac. În fabrica ie apar subprodu i i drojdii, producerea de etanol fiind

definit de randamentul Pasteur care este 94,7% din randamentul Gay - Lussac. În

aceste condi ii, din 100 kg de zah r pornind de la glucoz i zaharoz se ob in 48,4

kg respectiv 50,95 kg alcool etilic.

Materia prim - zaharurile sunt prezente în lumea vegetal într-o stare mai

mult sau mai pu in polimerizat . Plantele “de zah r” sau zaharifere: sfecla de zah r i

trestia de zah r produc direct zaharoz i în acest caz, zah rul fermentabil este

extras prin difuzie. Plantele amilacee, cum ar fi cerealele, produc amidon care este

necesar s fie hidrolizat de c tre enzimele amilaze. Zah rul ob inut este un amestec

de glucoz i maltoz . Etanolul produs în Europa pentru a fi utilizat sub form de

biocarburant poate fi ob inut din prelucrarea zaharurilor provenite din sfecla de zah r

i grâu. Aceast filier de ob inere a biocarburan ilor genereaz i coprodu i cum ar

fi: reziduurile lichide (po irc ), ce pot fi utilizate ca fertilizant datorit con inutului

bogat de materii minerale sau pulp de sfecl de zah r i borhot de grâu, bogate în

proteine, care pot fi utilizate în hrana animalelor. Po ircile pot fi folosite i la ob inerea

prin metanizare a biogazului sau utilizate în mod direct drept biocombustibil dup

cre terea concentra iei de alcool.


Tehnologii

- Hidroliza - Se aplic industrial la prelucrarea amidonului ob inut din cereale.

Sunt utilizate dou procedee:

- metoda umed : gr un ele sunt m cinate i constituen ii (t râ e, gluten,

amidon etc.) sunt separa i clasic, prin sp lare. Numai amidonul este supus hidrolizei

enzimatice i zaharurile ob inute sunt fermentate. Coprodu ii rezulta i sunt vându i

separat pe pie e specifice.

- metoda uscat : gr un ele sunt m cinate i constituen ii sunt supu i în

totalitate hidrolizei enzimatice i ferment rii. Coprodusul este borhotul (numit în lb.

englez Dried Distiller Grain and Solubles DDGS).

Hidroliza celulozei i semicelulozelor este posibil i a f cut obiectul

cercet rilor în lumea întreag . Exceptând procedeul utilizând hidroliza acid , care a

fost utilizat în trecut, procedeele enzimatice i/sau combinate cu pretratamentele

fizice, termice i/sau chimice au f cut obiectul unor demonstra ii pilot f r s ating

aplica ii industriale.

- Fermenta ia - fermenta ia tradi ional a zaharurilor C6 (hexoze) de c tre

drojdii r mânea calea industrial de ob inere a etanolului. Numeroase lucr ri de

cercetare au abordat fermentarea cu bacterii, alte drojdii precum i cu ajutorul unor

ciuperci sau fermentarea zaharurilor C5 (pentoze). Aceste încerc ri au rezultate

interesante îns nu s-au aplicat industrial în ob inerea etanolului. În industrie la ora

actual se aplic dou metode de fermentare: metoda discontinu i metoda

continu . Metoda continu (procedeele Speichim i Biostil) este cea mai productiv i

are un randament superior metodei discontinue cu 1…6% îns este foarte sensibil

la contamin ri bacteriene.

- Separarea etanolului - distilarea frac ionat a vinului dup etapa ferment rii

conduce la separarea etanolului de restul constituen ilor, tehnologia aplicat

cuprinzând dou etape: distilarea i deshidratarea. Distilarea obi nuit permite s se

ob in o concentra ie masic de 96%. O distilare de vinuri printr-o coloan cu dublu

efect necesit 114 kg vapori/hl de alcool pentru un consum de electricitate de 2 kW/hl

alcool pur. Variantele combinate de concentrare a po ircilor cu segmente de distilare

sub vid permit îmbun t irea consumurilor energetice. Deshidratarea conduce la

ob inerea etanolului anhidru (99,7% min. masic) i poate fi realizat prin dou tehnici:

Alcoolii 31

- distilarea azeotropic la presiunea atmosferic în prezen a

ciclohexanului ca solvent de antrenare înso it de o recomprimare mecanic a

vaporilor.

- strecurare molecular ob inut prin procesele de absorb ie - desorb ie

a apei pe un suport de zeoli i sintetici sau de silicoalumina i metalici cu o structur

cristalin tridimensional poroas .

O a treia metod tehnic a fost aplicat în trecut dar nu a fost suficient adoptat

pentru ob inerea etanolului din sfecl de zah r. Aceast metod are la baz o

preevaporare printr-o membran , din punct de vedere energetic metoda putând fi

aplicat pentru al i alcooli.

În tabelul urm tor se prezint performan ele energetice industriale ale

procedeelor utilizate:

Tabelul 3.3 Produc ia i randamentul bioetanolului Cantitate din materia prim A

Randamentul biocarburantului

Materie prim pentru

1hl de alcool

pentru 1t de alcool

Randamentul materiei prime B [t/h]

B/A l/h

B/A t/h

litri biocarburant/ton materie prim

Grâu (1) Grâu (2) Grâu (3)

280 kg 280 kg 274 kg

3,526 t 3,526 t 3,451 t

7 t 9 t 7 t

2500 3214 2555

1,985 2,552 2,028

357 357 365

Sfecl de zah r

1000 kg 12,6 t 66 t 6600 5,238 100

EP2 (3) 280 kg 3,526 t - - - 357

Celuloz lemnoas (4)

568…311 kg

4,2…7,15 t

10 t 1760

… 3020

1,4 … 2,4

176…302

(1) Prin metoda umed : grâul este m cinat, f ina i t râ ele sunt separate. T râ ele sunt reîncorporate în borhotul de grâu. (2) Prin metoda uscat : grâul este m cinat iar întregul compus este amestecat cu ap pentru a se ob ine o past . (3) EP2: scurgerile fabricilor de zah r de al doilea jet. (4) Prin hidroliz chimic .

3.3.1.2. Alcoolul metilic (metanol)

Metanolul este ob inut din abunden în lumea întreag pornind de la gazele

naturale. El se poate ob ine i din biomas (pân în 1960 se putea ob ine dup

procedeul Delacotte). Dup 1980 s-a testat procedeul Fromatome (la Creusote -


Loire) de ob inere a metanolului din biomas . La ora actual , sunt testate i alte

procedee în Canada, Suedia etc.

Metanolul produs poate fi folosit drept constituent pentru fabricarea esterilor

metilici din uleiurile vegetale sau a ter -metil-butil-eter (MTBE). Costurile reduse de

ob inere din gaz natural a metanolului împiedic dezvoltarea tehnologiilor de ob inere

din biomas .

Reac iile de ob inere a metanolului din biomas sunt:

C + H2O CO + H2 ( H=130 kJ) - reac ia gazului cu apa (3.3)

C + CO2 2CO ( H=171 kJ) - reac ia Boudouard (3.4)

CO + H2O CO2 + H2 ( H=-41 kJ) - reac ia de conversie (3.5)

- sinteza de metanol cu catalizator sub presiune (5,0…10,0 MPa)

CO + 2H2 CH3OH ( H=-110 kJ) (3.6)

3.3.1.3. Fabricarea compu ilor oxigena i

- Etil ter -butil eterul (ETBE) - este un produs care se ob ine plecând de la

diverse materii prime i prin diferite procedee având la baz etanolul i izobutena

dup reac ia urm toare:

C2H5OH + H2C=C(CH3)2 CH3CH2OC(CH3)3 (3.7)

Izobutena este ob inut în rafin ri prin ruperea compu ilor C4 în urma

procesului de cracare catalitic sau vapocracare dup extragerea butadienei.

Industrial se ob ine o compozi ie de 98,5% ETBE i 1,5% etanol.

- Metil ter -butil-eterul (MTBE) - poate fi produs în mod industrial pornind de la

metanol i izobuten . Reac ia de ob inere este urm toarea:

CH3OH + H2C=C(CH3)2 CH3OC(CH3)3 (3.8)

Industrial se ob ine în amestec de 99,2% MTBE i 0,8% metanol.

- Metil ter -amil-eterul (MTAE) - se ob ine pornind de la metanol i izomilene

con inute în grupul C2, reac ia fiind:

CH3OH + CH=C(CH3)3 CH3OCCH(CH3)3 (3.9)

Sinteza MTAE este similar celei prin care se produce MTBE, grupul C2

rezultând prin cracare catalitic sau vapocracare.

Alcoolii 33

Tabelul 3.4 Bilan ul fluxurilor de materiale i consumabile pentru produc ia de ETBE i MTBE

Produc ie Materiale i energie utilizat 1kg ETBE

(98,5%) 1kg MTBE (99,2%)

Etanol [99,7%] [kg] 0,47 - Metanol [100%] [kg] - 0,36 Izobuten [kg] 0,53 0,64 Vapori [kg] 0,95 1,02 Energie electric [kWh] 0,014 0,015 3.3.2. Uleiurile vegetale i esterii lor

3.3.2.1. Uleiurile vegetale netransformate chimic

În mod clasic uleiurile vegetale se ob in prin presarea semin elor oleaginoase,

urmat de o extrac ie cu ajutorul unui solvent a uleiului rezidual con inut în turt . Ele

prezint o vâscozitate ridicat i un punct de autoaprindere sc zut care determin o

o utilizare dificil la temperaturi joase datorit lan ului lung de carbon. Uleiurile pot fi

transformate chimic i astfel caracteristicile lor se modific .

Uleiurile sunt utilizate în stare pur , filtrate i degomate, adic dup ce au fost

retrase o mare parte din fosfolipide. În Europa, uleiurile de rapi , floarea soarelui i

soia sunt indicate pentru a fi utilizate la fabricarea biocombustibililor pentru motoare

diesel.

3.3.2.2. Esterii uleiurilor vegetale

Se pot ob ine numero i esteri cu caracteristici diferite în func ie de lungimea

lan ului de carbon. Acizii gra i ai uleiurilor vegetale sunt esterifica i cu alcooli, cel mai

simplu fiind metanolul. Etanolul poate fi de asemenea utilizat, îns purificarea

industrial a esterului este mai dificil decât în cazul esterului metilic.

Reac ia utilizat în cazul esterific rii este urm toarea:

O CH2 - O - C - R CH2OH CH - O - C R + 3CH3OH 3R - C - O - CH3 + CHOH (3.10) O O CH2OH CH2 - O - C - R O ulei vegetal (1,05 t) metanol (0,1 t) ester metilic (1 t) glicerin (0,1 t)

Reac ia se desf oar cu un catalizator bazic sau acid la temperatur între 20

i 80°C i la presiune atmosferic . În cazul rapi ei, din 2,55 t de semin e se ob ine 1 t

de ulei ceea ce corespunde unei produc ii realizate pe 0,85 ha. Un hectar de rapi

poate furniza în aceste condi ii 1273 l sau 1125 kg de ester metilic.


3.4. UTILIZAREA BIOCARBURAN ILOR

3.4.1. Utilizarea alcoolilor i a eterilor

Alcoolii precum etanolul sau metanolul au fost i mai sunt înc utiliza i în stare

pur sau amesteca i în propor ii ridicate în benzin , utilizând motoare special

adaptate.

Etanolul i deriva ii s i oxigena i pot fi utiliza i în propor ii slabe drept carburant

adi ional sau aditivi în benzin . Acest mod de utilizare este ra ional deoarece

avantajele i constrângerile nu mai sunt acelea i ca la utilizarea în propor ii ridicate.

3.4.1.1. Utilizarea compu ilor oxigena i în propor ii ridicate

Compu ii oxigena i pot fi utiliza i în motoarele cu aprindere prin scânteie în

stare pur sau în amestec în propor ii ridicate în benzin . rile care acord o aten ie

deosebit acestei utiliz ri sunt: Brazilia, Statele Unite, Suedia i Fran a.

În Statele Unite i în Suedia se utilizeaz amestec de alcool etilic ob inut din

biomas cu benzin în propor ii de 85% (E85) sau 95% (E95). Ford i General

Motors prezint în catalog variantele de automobile motorizate pentru consumul

acestor combustibili. Automobilele pot func iona cu benzin pur sau cu amestec

alcool - benzin , ele sunt echipate cu captoare pentru analiza compozi iei gazelor de

evacuare pentru a efectua reglajele necesare unei aliment ri corecte. M surarea

emisiilor la un autoturism Ford Taurus alimentat cu amestec alcool - benzin au

indicat o diminuare a emisiilor de NOx de la -20 la -40%, a benzenului de la -70 la

-90% i a emisiilor toxice cancerigene de la -55 la -65%. Consumul de combustibil de

1,3 litri E85 pentru 1 litru de benzin .

În Brazilia s-au dezvoltat sistemele de alimentare a autovehiculelor cu etanol

pur hidratat (95,5 °GL) având o cifr octanic COR 130 i o putere caloric inferioar

de 24803 kJ/kg. În aceste condi ii motoarele sunt special adaptate ele ajungând la un

raport de comprimare de 12,7 pentru a compensa diferen a de putere caloric dintre

alcool i benzin . În zece ani, din 1980 pân în 1991, Brazilia a produs mai mult de 5

milioane de autovehicule func ionând cu alcool. În 1995, parcul de autovehicule

func ionând cu etanol era de 4,3 milioane autovehicule.

Alcoolii 35

În Fran a i Suedia este aplicat la motoarele Diesel pentru autobuze

alimentarea cu alcool etilic hidratat (95 °GL) i aditivat pentru îmbun t irea cifrei

cetanice.

3.4.1.2.Utilizarea compu ilor oxigena i în propor ii reduse

În Statele Unite i în Fran a, dup 1978 s-au realizat cercet ri care au

eviden iat faptul c bioetanolul poate fi încorporat în benzin în propor ii volumice de

5 la 10% f r s se afecteze construc ia i performan ele motorului. În Fran a

amestecul de alcool în benzin este reglementat i autorizeaz încorporarea

compu ilor oxigena i în limitele volumice a 3 la 15% în func ie de natura compu ilor

oxigena i; maxim 5% pentru etanol i 15% pentru eteri. În Statele Unite încorporarea

unor compu i oxigena i este reglementat la 3,7% masic, ceea ce corespunde unui

procentaj volumic de 10%. Amestecul benzin - etanol poart denumirea de gazohol.

Brazilia practic pe scar larg amestecul etanol anhidru (99,3% °GL, putere

caloric 26808 kJ/kg) în benzin pân la 22%. Motoarele utilizate au rapoarte de

comprimare de 8,7 - identice cu cele care utilizeaz numai benzin . În 1995, parcul

de autovehicule care circul cu acest tip de amestec era de 9,5 milioane.

3.4.1.3.Criteriile de utilizare a etanolului i eterilor

Adaosul de compu i oxigena i în benzin îmbun t esc cifra octanic .

Încorporarea unui procentaj volumic de 5% de etanol determin cre terea cifrei

octanice a amestecului (COR) cu 1,2 unit i în timp ce pentru a ob ine aceea i cifr

octanic trebuie ad ugat o cantitate dubl de ETBE (10%).

Tabelul 3.5 Cifra octanic COM pentru adaosuri de etanol

Propor ia de etanol [%] COM Varia ia COM datorat etanolului

0 72,5 - 5 74,8 2,3 10 76,6 1,8 15 78,5 1,9 20 80,3 1,8 25 81,4 1,1


Pe lâng îmbun t irea cifrei octanice, compu ii oxigena i aduc i un aport de

oxigen în camera de ardere care conduce la o ardere mai complet a amestecului

aer-combustibil.

Tabelul 3.6 Coresponden a între cantitatea de oxigen adus în camera de ardere i

procentajul volumic al compu ilor oxigena i încorpora i în benzin

O2

% masice Etanol % volumice

ETBE % volumice

MTBE % volumice

2 5,7 12,7 11 2,7 7,7 17,2 15 3,5 10 23,6 19,2

Pentru a elimina fenomenul de separare a etanolului de benzin , etanolul utilizat

trebuie s fie anhidru sau s aib un con inut maxim de ap de 3000 ppm. Separarea

etanolului duce la pierderi energetice i diminuarea cifrei octanice îmbun t ite

datorit alcoolului.

3.4.1.4. Bilan ul energetic

Comisia consultativ pentru carburan ii de substitu ie CCPCS (Commission

Consultative pour les Carburants de Substitusion) a stabilit în anii 1990 - 1991

bilan ul energetic pentru filierele de produc ie i utilizare a compu ilor oxigena i iar în

anii 1995 - 1996 s-a realizat un ecobilan comparat între aceste filiere.

Randamentul energetic principal este utilizat pentru a ar ta capacitatea de a

economisi i substitui energia fosil .

cheltuitafosilatotalaprimaraEnergia

oxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergieR1

Dac se fac câteva compara ii se pot trage concluzii interesante. Dac se

consider c pentru ob inerea de energie fosil consumul de energie este o unitate,

la produc ia bioetanolului pornind de la grâu consumul energetic este de 1,15 unit i

i de 1,65 unit i dac materia prim este sfecla de zah r, în regiunile cu cele mai

bune randamente i f r s se in seama de coprodu i. În cazul lu rii în considerare

a tuturor produselor ob inute la folosirea bioetanolului (paie, de euri, pulpe),

randamentul va fi urm torul:

ibiluluibiocombust

aobtineredefilierapecheltuitatotalaEnergiaR )ergie

obtinuteproduseloralecaloriceputeriloren(2

Alcoolii 37

Pentru o cheltuial de energie total de o unitate, energia total ob inut cu

ansamblul de produse este de 3,4 unit i pentru grâu, de 2,4 unit i pentru sfecla de

zah r (pentru acelea i regiuni) i de 1,4 unit i pentru ETBE. Comparativ, bilan ul

energetic pentru benzin este de 0,74 la 0,84 sau mai mic. În cazul ecobilan ului,

rela ia este urm toarea:

eterdesaualcooldeobtinela

consumatafosilatotalaprimaraEnergia

oxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergiaR )ecobilant(1

rea

folosit în

rocesul de sintez . Acest bilan este mai favorabil cu 27% fa de bilan ul energetic

al MT il i

cesul tehnologic se consum cantitate mai obute

e getice ale etanolului, esterilor i benzinei

R1 R1 ecobilan R2

Consumul de energie primar este stabilit faz cu faz pentru produc ia de

etanol i urmat de esterificare. Randamentele R1, R2 pentru diver i biocombustibili

sunt prezentate în tabelul 3.8.

Bilan ul energetic la producerea etanolului este mai mare de 1, aceasta

semnificând faptul c la ob inerea produsului consumurile de energie sunt inferioare

energiei con inute în produsul ob inut. Bilan ul energetic al ETBE este inferior valorii 1

(Ecobilan ), aceasta datorit consumului de izobuten de origine fosil

p

BE. Aceasta se datoreaz faptului c etanolul con ine energie regenerab

c în pro o mare de iz n .

Tabelul 3.7 Randamentele en

Produs

r

Etanol din grâu 1,15 4 - 3,Etanol din sfecl de zah r 1,65 - 2,4 Etanol suc ver

din sfecl de zah r (100% ) de

- 1,4 -

Etanol din sfecl de zah r (50% uc verde - 50% EP2)

- 1,18 - sETBE - 0,93 1,4 MTBE - 0,73 - Be - - 0,74…0,84 nzin

3.4.1.5. Bilan ul de mediu

Principalul interes în utilizarea compu ilor oxigena i îl constituie reducerea

emisiilor de CO, hidrocarburi i mai ales a celor nemetanice (benzen i 1,3 -

butadien ) din gazele de evacuare ale motoarelor cu ardere intern . Utilizarea

biocarburan ilor este înc pu in valorificat deoarece în acela i timp are loc o

reformulare a benzinei. Se prevede o optimizare a formul rii benzinei care va permite


o reducere a polu rii vehiculelor vechi dar i a vehiculelor cu catalizator. Aceast

optimizare prevede o încorporare de 10…15% volumice de compu i oxigena i de

i programul american Auto/Oil (Air

Quality mula i,

nd pre l urm

lul 3.8 o x i i ale reformul lProgramul Programul rogramul SUA

Auto/Oil

tipul ETBE care prin cifra octanic ridicat fac posibil reducerea concentra iei

emisiilor, substan elor aromatice i a benzenului.

Programul european de reformulare EPEFE (European Programme on

Emissions, Fuels and Engine Technology)

Improvement Program: AQIRP) au testat numero i combustibili refor

rezultatele fii zentate în tabelu tor:

Tabe Efectele c

EPEFE

mpu ilor oCE

igena rii benzine or P

Carburant Benzin rin

(medie)

Benzin IV

E10 MTBE15 ETBE17 Valori g/km] refe tip [m

Compozi ie oxigen [% 0,6 2 3,5 2,7 2,7 - masice] HC aromatice [%

e] 40 25 20 20 20 -

volumicbenzen [%

ice] 3

volum2, 0,7

- -

- -

Emisii CO - -17,2% -13,4% -9,3% -14,8% 1562 COV - -18,6% - - - - NOx - +6,36% +5,1% +3,6% -5,5% 380 benzen - - -11,5% -11,1% -8,1% 5,24 1,3 - butadien - - -5,8% -1,7% -3,8% 0,55 HC - total - - -4,9% -6,5% -5,2% 127 HC - nemetanice - - -5,9% -7,0% -6,3% 105 formaldehid - - +19,3% +15,8% -15,7% 0,98 acetaldehid - - +159% -0,9% +254,2% 0,88 B tip IV - benzin reformulat i oxigenat ; 3.4.2. Utilizarea uleiurilor vegetale i a derivatelor lor în mac Uleiul vegetal de arahide a fost folosit de inventatorul motorului cu aprindere

prin comprimare, Rudolf Diesel. În timp s-au efectuat numeroase încerc ri utilizând

ulei de rapi , floarea soarelui, p

enzin

almier, bumbac, soia. Pentru a fi utilizate, uleiurile

pure sunt filtrate i degomate. Motorul cu injec ie indirect este mai pu in sensibil la

depunerile carbonice din motor.

3.4.2.1. Esterii uleiurilor vegetale

Noua politic de dezvoltare durabil are ca linie directoare utilizarea energiilor

regenerabile. În acest context se înscrie i utilizarea uleiurilor vegetale. Pentru a fi

Alcoolii 39

utilizate trebuie s se reduc vâscozitatea acestora la valoarea motorinei. În acest

sens, se aplic un proces de transesterificare, prin care uleiul vegetal reac ioneaz

cu un alcool, în prezen a unui catalizator pentru a forma esteri de acizi gra i. Masa

molecular a unei molecule de ester este de aproximativ trei ori mai mic decât cea a

unei molecule de ulei. Esterii au vâscozitatea mai ridicat decât a motorinei, aceasta

luen

Caracteristicile esterilor utiliza i în motoarele Diesel trebuie s respecte

3.9 Specifica ia esterilor metilici ai a i a fi încorpora i pân la maxim 5% volum în motorin

inf ând calitatea injec iei carburantului i deci, m rimea i reparti ia pic turilor în

camera de ardere.

normele de calitate exemplificate în tabelul 3.9.

Tabelul uleiurilor vegetale destin

Parametrul Limite Aspect Clar, limpede la 15 °C Culoare <12 Mas volumic la 15 °C [kg/m3] 870 - 900 Vâscozitate la 40 °C [mm2/s] 3,5…5 Punct de limpezire [°C] 100 Distilare (sub presiune redus ) [% vol] 95% 360 °C Con inutul de ap [mg/kg] 200Cifra cetanic m surat 49 Reziduu de carbon pe 10% distilare în vid [%mas ]

0,30

Indicele de aciditate [mg KOH/g] 0,5 Punctul de curgere [°C] -10 Con inutul de ester [%mas ] 96,5 Con inutul de metanol [%mas ] 0,1 Con inutul de fosfor [mg/kg] 10 Con inutul în metale alcaline (Na sau K) [mg/kg]

5 sau 5

Indicele de iod 115 Con inutul în glicerin liber [%mas ] 0,02Con inutul în monogliceride [%mas ] 0,8 Con inutul în digliceride [%mas ] 0,2 Con inutul în trigliceride [%mas ] 0,2 Glicerin total [%mas ] 0,25

3.4.2.2. Utilizarea de esteri în propor ii reduse

Încorporarea de esteri în motorin se realizeaz de c tre firmele produc toare

terii ac ioneaz ca un aditiv.

i este autorizat pân la un volum maxim de 5%. Esterii îmbun t esc capacit ile

de ungere ale motorinei, deci în cantit i reduse es


Uzura provocat de utilizarea diferitelor motorine cu sau f r sulf este

belul 3.10 Îmbun t irea c ii de ungere prin încorporarea de esteri ea uzurii comparat orina pur

diminuat prin încorporarea de esteri în motorin .

Ta apacit

Reducer cu motMetil ester de rapi 0 (2) [%vol] Motorin suedez (1) Motorin EN59

0,8 15% 45% 1 45% 45% 2 70% (3) 65% (4) (1) 1 ppm sulf (2) 460 ppm sulf (3) numai 25% cu alt ester (4) numai 30% cu alt ester

Exist programe de cercet ri privind utilizarea esterilor ca i cocarburant în

ot fi utiliza i ca i carburant adi ional în propor ii volumice de pân la

ra i în motorin pot determina o reducere a emisiilor poluante cu

ân la 30%.

Obiectivul utiliz rii acestui amestec în mediul urban îl constituie ameliorarea

rodu i,

randamentul R2 exprimat în raport cu energia total ob inut este de 5,4. Bilan ul

b inere al motorinei este de 0,895, fie un rezultat inferior.

urm tor:

propor ii volumice de pân la 5%.

3.4.2.3. Utilizarea de esteri în propor ii ridicate

Esterii p

30% la motoarele vehiculelor de transport urban. S-a demonstrat c utilizarea

esterilor încorpo

p

calit ii aerului.

3.4.2.4. Bilan ul energetic

Bilan ul energetic al filierei de produc ie i de utilizare a metil esterului de

rapi a fost stabilit de CCPCS i completat cu ecobilan comparând aceast filier cu

aceea a motorinei. Randamentul energetic R1 indic c pentru o cheltuial de

ob inere a energiei fosil egal cu 1 unit i, la produc ia de ester de rapi se cheltuie

1,9 unit i energetice la un randament de 3t semin e pe hectar f r a ine seama de

coprodu i (paie, turte, glicerin ). În cazul în care se ine seama i de cop

energetic de o

Ecobilan ul permite s se calculeze randamentul R3 în modul

esteruluiobtinerealaconsumatatotalaEnergia

oxigenatcarburantdeformasubrestituitaEnergia R3

Alcoolii 41

Rezultatele acestor randamente sunt prezentate în tabelul urm to

.11 Randam energetice ale etil esterului de rap i ale motorinei

r:

Tabelul 3 entele m iProdusul R1 R2 R3

5,4 (cu paie) 3,7 (cu paie) metil ester de ulei de rapi

1,9 2,6 (f r paie) 2,7 (f r paie)

Motorin 0,885 - - Randamentul energetic la producerea metilului ester de ulei de rapi este mai

mare decât 1, ceea ce arat c se consum mai pu in energie decât energia

lui sunt reduse. Studii

efectuate cu un amestec de 5% ester în motorin arat c

oarelor. Emisiile de particule i fum se diminueaz

con inut de produsul ob inut.

3.4.2.5. Bilan ul de mediu

Esterii uleiurilor vegetale nu sunt toxici i sunt biodegradabili (98% în 21 de

zile). Esterii nu con in sulf i deci emisiile cu deriva i ai sulfu

efectuate în Germania, Fran a, Austria arat c la utilizarea esterilor uleiurilor

vegetale, efectul mutagen al gazelor de evacuare este cu aproximativ 60% mai redus

decât al gazelor de evacuare rezultate la utilizarea motorinei.

Impactul esterilor asupra polu rii aerului depinde de gradul de încorporare în

motorin . Încerc ri

emisiile de hidrocarburi i de hidrocarburi aromatice policiclice se reduc. Emisiile de

oxizi de azot cresc u or iar emisiile de aldehide i cetone nu sunt influen ate de

prezen a esterilor.

În cazul utiliz rii unor amestecuri de 30% ester în motorin , amestecuri

utilizate la alimentarea autobuzelor i a vehiculelor utilitare, emisiile depind de

calitatea motorinei i de starea mot

(-20%), nivelul de oxid de carbon din gazele de evacuare se reduce (-21%) de

asemenea reducându-se emisiile totale de hidrocarburi (-26%) în timp ce emisiile de

oxizi de azot r mân neschimbate.

Utilizarea amestecului ester i motorin permite reducerea cu 13% a

poten ialului fotochimic al gazelor precursoare form rii ozonului. În cazul utiliz rii de

100% ester, poten ialul fotochimic se diminueaz cu 45%.

În Fran a, în anul 1993 s-a realizat un ecobilan prin care se compar metil

esterul din ulei de rapi cu motorina, luând în calcul ansamblul filierei de ob inere a

esterului plecând de la produc ia de rapi i pân la utilizarea în motor. Analiza a


ar tat în mod clar c bilan ul de mediu al esterului comparat cu motorina este pozitiv.

Biocarburan ii sunt interesan i deoarece au un caracter regenerabil i nu particip la

agravarea efectului de ser , impactul lor fiind de la 4 la 5 ori mai redus. Dac se

nalizeaz poluarea local trebuie s se disting stadiul de poluare agricol de

rburant. În ceea ce prive te primul stadiu, aportul de

hnologie de depoluare. Acest procedeu este aplicat pentru

ntre 1 pân la 3 s pt mâni i se produce biogaz cu un

de materie organic degradat . Biogazul are un con inut de 20 - 45%

ppm hidrogen sulfurat, gazul

reactor pun în eviden trei etape de degradare a

i în compu i simpli solubili;

de a zi vo

egradarea acidului acetic CH3COOH CH4 + CO2 (3.11)

xidarea hidrogenului (3.12) sau

CH3COOH + 4 4 + 3)

a

stadiul de utilizare ca i ca

fertilizante i substan e fitosanitare trebuie s fie administrate în limite rezonabile

legate de nevoile plantei i s se evite pe cât posibil riscurile de poluare a apelor.

3.4.3. Utilizarea biogazului

Metanizarea este o tehnologie de conversie energetic a biomasei i în

acela i timp o te

tratamentul depozitelor urbane prin sta ii de epurare a efluen ilor industriali, a

de eurilor organice menajere i a dejec iilor din cresc toriile animaliere. Procedeul se

poate aplica pentru transformarea celor mai multe vegetale chiar dac au un con inut

redus de celuloz .

Biomasa este tratat într-un reactor care are un volum în func ie de cantitatea

tratat , de la câteva la mai multe milioane de metri cubi. Fermentarea anaerob a

materiei organice dureaz î

con inut între 55 i 80% metan, ob inându-se aproximativ 500 m3 de metan pentru

fiecare ton

dioxid de carbon i de la câteva zeci pân la câteva mii

ob inut fiind saturat cu ap .

Reac iile care au loc în

biomasei:

- hidroliza substratulu

- acidogeneza i acetogeneza: formarea ci latili, amoniac, dioxid de

carbon, hidrogen i acid acetic;

- metanogeneza prin:

d o

CO2 + 4H2 CH4 + H2O

H2 2CH 2H2O (3.1

Alcoolii 43

Tabelul 3.12 Productivit n metan ru cultu ergetice

n ale u r)

atea î pent rile enCere

Sorg Lucer (stadiimatu

Rapi

Randament aterie uscat / ha] [tone m

15 12 10 8

Productivitate [m3 metan / t materie uscat ]

347 267 270 250

Produc ie [m3/ha]

5200 3200 2700 2000

Produc ie [t

4,4 2ep/h]

,7 2,3 1,7

tep - ton echivalent petrol O unitate de metanizare poate trata substraturi omogene sau amestecuri. Din

ntului pot fi:

45% materiale ob inute în culturi energetice;

surs , rezi

3.4

iomas ca i carburant pentru autovehicule,

pre

nei activit i economice în regiunile cu resurse;

diul rural atât în zonele cultivate cât i în

zonele de cre tere a animalelor;

a balan ei comerciale;

.4.3.2. Bilan ul energetic

Energia produs este de 4,6 ori mai mare decât cantitatea de energie cheltuit

atului, transportului, tratarea biogazului i distribu ia

ra iuni energetice i ecologice trebuie s se utilizeze amestecuri.

Amestecurile supuse tratame

35% dejec ii animaliere;

20% diverse de euri si subproduse organice (de euri menajere triate la

duurile unor culturi etc.);

.3.1 Bilan ul economic

Utilizarea metanului ob inut din b

zint o serie de avantaje în compara ie cu al i biocarburan i:

dezvoltarea u

men inerea locurilor de munc în me

reducerea dependen ei energetice i anume într-un sector sensibil,

transporturi;

îmbun t ire

3

pentru producerea substr

metanului ob inut.


3.4.3.3. Bilan ul ecologic

Utilizarea metanului ob inut din biogaz la alimentarea autovehiculelor conduce

, purificate i stabilizate.

e cu mai pu ini nitra i pentru c reziduurile utilizate

restituie solului elementele fertilizante deoarece numai lan urile carbonice au fost

degradate în energie.

Utilizarea metanului drept combustibil pentru automobil reduce depunerile de

hidrocarburi pe suprafa a drumului, fenomen care se afl la originea unei polu ri

neneglijabile a solului i apelor.

la reducerea emisiilor care polueaz aerul cu implica ii pozitive asupra imisiilor

poluante la nivel local, regional i global.

Reziduurile rezultate în urma procesului de metanizare sunt bogate în

elemente fertilizante i ele pot fi utilizate în agricultur ca substrat brut deoarece sunt:

omogene, dezodorizate

Rota ia culturilor, necesar unei aprovizion ri regulate a unit ii de metanizare

permite s se men in solul acoperit cu vegeta ie i s se limiteze sp larea nitra ilor.

Culturile vor necesita tratament

Alcoolii 45

Bibliografie









Bra ov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.


Sustainable development. Editura Universitatii Transilvania Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea polu rii mediului în transporturile

rutiere. Editura Tehnic , Bucure ti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.


56091-523-4.

[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.


Sta ie de alimentare cu alcool în Brazilia

Autor: Mariana LIHTE CHI

4. ALCOOLII

4.1 DEFINI II I TIPURI

Biocarburan ii cuprind orice surs de combustibil sau de energie care este

produs din materie organic , ca i uleiuri combustibile produse din plante sau

animale. Exemple de materii utilizate la producerea biocarburan ilor sunt alcoolul din

zaharuri fermentate, lemnul i gr simile animale. Defini ia poate fi extins incluzând

de euri municipale solide i unele de euri industriale.

Biocarburan ii reprezint o surs de energie regenerabil , spre deosebire de

alte surse energetice naturale ca petrolul, c rbunele sau combustibilul nuclear.

Carbonul din biocarburan i a fost extras relativ recent din dioxidul de carbon

atmosferic de c tre plante în procesul de fotosintez astfel c prin arderea lui nu

rezult o cre tere net a dioxidul de carbon din atmosfer . Ca urmare, utilizarea

biocarburan ilor este considerat un mijloc de a reduce cantitatea de dioxid de

carbon eliberat în atmosfer i o economisire a combustibililor fosili. Pentru

Alcoolii 47

producerea energiei regenerabile se pot utiliza atât produse agricole cultivate special

pentru ob inerea de biocarburan i, dar i de euri din industrie, agricultur , silvicultur ,

activit i casnice, cum sunt paie, crengi, de euri organice animaliere sau resturi

alimentare. De obicei biocarburan ii sunt ar i pentru a degaja energia chimic .Exist

totu i o serie de cercet ri care urm resc transformarea biocarburan ilor în

electricitate cu ajutorul pilelor de combustibil. Energia din biomas acoper 15% din

consumul energetic mondial. Suedia i Finlanda asigur 17% i, respectiv, 19% din

necesarul lor energetic din biomas . Energia poate fi utilizat în transporturi,

produc ia de energie electric i înc lzire central sau individual .

Utilizarea biocarburan ilor est un instrument eficient de protec ie a mediului.

Pe lâng valorile mici ale CO2 net, arderea biocarburan ilor va genera mai pu ine

emisii de SO2, care este una din principala cauz a ploilor acide, mai pu ine emisii de

particule (funingine), hidrocarburi nearse (HC) i monoxid de carbon (CO).

Exist multe forme de biomas solid care este combustibil cum ar fi: lemnul,

paiele, alte plante uscate, resturi animaliere sau cojile cerealelor.

Exist forme de biomas lichid care poate fi folosit drept combustibil:

Bioalcooli: Etanolul produs din trestie de zah r sau cereale este utilizat drept

combustibil sau aditiv pentru benzin .

o Metanolul, care este produs current din gaz natural poate fi produs i

din biomas chiar dac în prezent nu este rentabil. Economia bazat pe

metanol este o alternativ interesant la economia bazat pe hidrogen.

Uleiuri produse biologic pot fi utilizate în motoarele diesel:

o Ulei vegetal pur.

o Ulei vegetal uzat.

o Motorin ob inut din transesterificarea gr similor animale i a uleiurilor

vegetale.

Uleiuri produse din diferite de euri:

o Depolimerizarea termic poate extrage ulei, asem n tor ob inerii

petrolului, din de euri.

Exist forme de biomas gazoas care poate fi folosit drept combustibil:

Metanul produs prin descompunerea natural a gunoiului de grajd sau a altor

resturi agricole poate fi colectat i utilizat drept combustibil.


Materialul urm tor va analiza biocarburan ii din punctul de vedere al utiliz rii lor în

domeniul transporturilor rutiere.

Pentru reducerea dependen ei de combustibili fosili (95%) i de petrol (76%), rile

europene pun în practic un set de m suri care încurajeaz i dezvolt utilizarea

biocarburan ilor la func ionarea motoarelor termice.

Func ie de tipul motorului pe care sunt utiliza i biocarburan ii sunt clasifica i în

dou grupe:

Alcooli i combustibili deriva i din alcooli care sunt utiliza i la motoarele cu aprindere

prin scânteie.

Uleiuri vegetale i combustibili deriva i din uleiuri care sunt utiliza i la motoarele cu

aprindere prin comprimare.

Al treilea tip de biocarburant care poate fi utilizat la motoarele cu aprindere

prin scânteie este biogazul; acesta se poate ob ine din biomas sau din de euri

urbane sau industriale. Totu i, din cauza densit ii mici de energie raportate la

unitatea de volum biogazul se arde în motoare sta ionare, iar aplicarea sa la miljoace

de transport rutier este deocamdat limitat .

Analiza chimic a biocarburan ilor, în special a alcoolilor, uleiurilor vegetale i

a deriva ilor acestora indic prezen a în molecul a oxigenului, pe lâng carbon i

hidrogen, de aceea biocarburan ii lichizi se mai numesc i combustibili oxigena i.

4.2 ALCOOLII I DERIVA II LOR

Combustibilii oxigena i sunt acele hidrocarburi care con in în lan ul molecular

unul sau mai mul i atomi de oxigen. Printre ace ti combustibili cei mai cunoscu i sunt

alcoolii (metanol i etanol) i deriva ii de tip eter: MTBE (Metil Tertiar Butil Eterul ) i

ETBE (Etil Tertiar Butil Eterul). Ace ti combustibili cunoscu i în ultimul secol de lumea

motoristic , au fost folosi i pentru formularea combustibililor de curse pentru a

îmbun t i performan ele motorului; totu i ei au fost exclu i de pe pia a

combustibililor din motive economice.

Utilizarea etanolului în motoare este cunoscut din 1890 i a înaintat

semnificativ în anii 1910-1920 ca i în timpul celui de-al doilea R zboi Mondial.

Interesul pentru el a sc zut din 1945 fiindc benzina ob inut din petrol era mai

ieftin . Interesul pentru combustibili oxigena i a reap rut în 1973 odat cu criza

petrolier , din motive economice i politice. În 1975, Brazilia a declan at un program

Alcoolii 49

na ional de promovare a alcoolului pentru a reduce dependen a de importul de petrol

i de a reduce deficitul comercial. Un program similar a început în SUA din 1979 cu

obiectivul cre terii "siguran ei energetice". Aceste programe scumpe s-au încheiat,

iar pre ul petrolului s-a stabilizat. În prezent, utilizarea etanolului i a altor combustibili

oxigena i este în cre tere din considerente ecologice; au ap rut i a serie de avantaje

tehnice, economice i sociale cum ar fi generarea de venituri i locuri de munc în

zone rurale s race.

Utilizarea alcoolului drept combustibil pentru motoare cu ardere intern , fie

în stare pur sau în amestec cu al i combustibili, a c p tat mult aten ie datorit

avantajelor de mediu i economice pe termen lung fa de combustibilii fosili. Atât

etanolul, cât i metanolul au fost luate în considerare. Ambele pot fi ob inute din

petrol sau gaz natural, iar etanolul pare a fi mai u or de ob inut din zah r sau amidon

din cereale, trestie de zah r sau lactoz . Prin amestecarea alcoolului cu benzina

produsul e cunoscut ca gazohol. Alte experimente au folosit butanol produs din

fermentarea plantelor.

Alcoolii pot fi utiliza i ca înlocuitori totali sau par iali ai benzinei la autoturisme

sau alte autovehicule comerciale. Totu i s-au studiat i alte metode neconven ionale

de utilizare a alcoolilor în pile de combustie, fie direct, fie ca materie prim pentru

producerea de hidrogen. Alcoolii pot fi produ i dintr-o varietate de recolte, cum sunt

trestia de zah r, sfecla de zah r, ov z, orz, cartofi, floarea soarelui, eucalipt, etc.

Dou ri au dezvoltat programe semnificative pro-alcool: Brazilia (etanol din trestie

de zah r) i Rusia (metanol din eucalipt). Etanolul pentru uz industrial este adesea

ob inut sintetic din materii prime petroliere, de obicei prin hidratare catalitic a etilenei

cu acid sulfuric pe post de catalizator. Acest proces este mai ieftin decât produc ia

prin fermenta ie. Se poate ob ine i din eten sau acetilen , din carbura de calciu,

c rbune sau gaze petroliere.

Alcoolul ob inut din agricultur necesit cantit i substan iale de teren

cultivabil, cu soluri fertile i ap . Este pu in probabil ca acest lucru s se poat

produce în zonele aglomerate i industrializate din Europa de vest. De exemplu,

dac Germania ar fi ocupat total de planta ii de trestie de zah r, s-ar acoperi numai

jum tate din nevoile sale energetice (incluzând combustibil i electricitate).Totu i,

dac alcoolul este f cut din resturi agricole, atunci nu mai este nevoie de teren

suplimentar. Utilizând aceste resurse pentru acest scop va fi nevoie de materie


suplimentar pentru hrana animalelor, fertilizatori i combustibili pentru centralele

electrice.

Pentru a fi viabil o economie bazat pe alcool trebuie sa aib un bilan al

energiei nete pozitiv, adic energia total cheltuit în producerea de alcool incluzând

fertilizarea, sem narea, recoltarea, transportul, fermentarea, distilarea i distribu ia

ca i combustibilul utilizat la construc ia fermei i a sta iei, nu trebuie sa dep easc

con inutul energetic al produsului.

4.2.1. Etanolul

Etanolul este denumit i alcool etilic având formula molecular C2H5OH , este

un lichid transparent cu densitatea de 0,789 g/cm³, solubil în ap , cu punctul de

fierbere la 78,4 °C (351,6 K),fiind inflamabil.

Etanolul poate fi ob inut din porumb, grâu, cartofi, paie de orez, rumegu ,

reziduuri urbane, reziduuri din industria hârtiei, crengi, trestie de zah r, alge, recolte

în exces i alte reziduuri celulozice. Petrolul este folosit de asemenea pentru a se

ob ine etanol industrial.

Etanolul care este acela i cu alcoolul din b uturi alcoolice, poate atinge 96%

ca puritate volumic prin distilare i este limpede ca apa, aceast puritate fiind

suficient pentru combustia etanolului. Etanolul arde mai curat ca mul i combustibili i

nu produce CO2 net .Când arderea este complet , produ ii sunt doar CO2 i ap

care sunt produ ii descompunerii resturilor celulozice. De aceea, etanolul este favorit

pentru scheme de transport ecologic i e utilizat la autobuze urbane. Totu i, etanolul

pur reac ioneaz sau dizolv unele cauciucuri i materiale plastice i nu poate fi

utilizat în motoare care nu au modific ri de materiale. În plus, etanolul are cifra

octanic mai mare decât benzina obi nuit , cerând schimb ri ale raportului de

comprimare sau ale avansului la scânteie pentru a ob ine performan e maxime.

Pentru a modifica o ma in de la func ionarea cu benzin la func ionarea cu etanol

pur sunt necesare debite de combustibil cu circa 50% mai mari. Este necesar i un

sistem de pornire la rece pentru a asigura vaporizarea suficient pentru o bun

ardere i pentru reducerea etanolului nevaporizat i nears. Dac 10-30% din etanol

se amestec cu benzina, atunci nu sunt necesare modific ri ale motorului. Multe

autoturisme moderne pot func iona cu amestec, cu o bun fiabilitate.

Termenul "E85" este folosit pentru un amestec de 15% benzin i 85% etanol.

Începând cu modelele din 1999, multe autovehicule au fost dotate cu motoare care

Alcoolii 51

pot s func ioneze cu benzin i etanol de la 0% la 85% , f r modific ri. Multe

utilitare u oare au fost proiectate s func ioneze cu doi combustibili (flexible fuel) i

acestea pot detecta automat tipul de combustibil i pot comanda schimbarea

necesar în func ionarea motorului, în principal dozajul i avansul la scânteie pentru

a compensa diferitele cifre octanice ale combustibilului din motor.

Etanolul produce mai pu ini poluan i de tipul CO, CO2 i HC, comparativ cu

benzina pur în teste echivalente. Studiile arat o cre tere a emisiilor de NOx i

compu i organici volatili, care sunt precursorii form rii smogului.

Etanolul în amestec cu benzina înlocuie te tetraetilul de plumb, benzenul i

MTBE – to i fiind aditivi de ridicare a cifrei octanice. Etanolul cu cifra octanic de 110

dep e te benzina obi nuit i compenseaz nevoia de al i aditivi antidetonan i.

Totu i etanolul poate cre te presiunea de vapori a benzinei ducând la m rirea

emisiilor evaporative care totu i nu sunt mai grave decât emisiile de plumb, benzen

sau MTBE.

Etanolul este mai pu in periculos decât benzina în ceea ce prive te pericolul

de incendiu; metanolul fiind mai volatil, este mai probabil s produc incendii sau

explozii. Totu i fiindc etanolul i metanolul se dizolv în ap (benzina plute te pe

ap ) incendiile se pot stinge cu conducte obi nuite de ap .

Pentru Europa recoltele cu posibilit i de extragere a alcoolului sunt cele de

sfecl i cele de cereale (grâu, porumb i ov z).

În ciuda faptului c alcoolii pot fi folosi i în stare pur la vehicule cu motoare

speciale, este mult mai practic s le folose ti în motoare conven ionale ca un

amestec de diferite propor ii de combustibil diesel i de benzin ; aceste amestecuri

îmbun t esc de obicei comportamentul combustibililor tradi ionali.

Principalele avantaje tehnice ale folosirii acestor amestecuri de combustibili cu

benzina sunt:

a) Ridicarea cifrelor octanice a benzinelor: tendin a de detona ie este redus ,

permi ând cre terea raportului de compresie sau cre terea avansului la scânteie; în

consecin randamentul termodinamic al combustiei este mai mare.

b) Cre terea performan ei motorului: Oxigenul din combustibil reduce dozajul

stoichiometric, permi ând introducerea unei cantit i mai mari de combustibil în

fiecare ciclu. (Controlul prin sonda lambda regleaz cantitatea de combustibil

necesar corespunz tor amestecului stoichiometric.) Limita cantit ii de oxigen care

poate fi ad ugat combustibilului depinde de construc ia motorului prin cantitatea


minim de gaze necesare pentru men inerea temperaturii de evacuare; mai mult,

c ldura de vaporizare ridicat a alcoolilor reduce temperatura de admisie i o

cantitate mai mare de amestec poate fi introdus în cilindru (eficien a volumetric mai

mare).

c) Referitor la consumul de combustibil, de i combustibilii oxigena i au o putere

caloric mai mic decât benzina, experimentele au ar tat consumuri similare

exprimate în l/km i de obicei mai mici când sunt exprimate în unit i de energie

(MJ/km).În ambele cazuri s-a observat un consum mai mic în ciclurile urbane.

d) În plus CO2 este recuperat din balan a global a emisiilor prin absorb ia de CO2

atmosferic a plantelor din combustibilii vegetali i utilizarea acestor amestecuri de

combustibili produce o descre tere a emisiilor de hidrocarburi nearse (în special a

benzenului cancerigen) i o important sc dere a emisiilor de monoxid de carbon .

Utilizarea alcoolilor în amestec cu benzina prezint o serie de dezavantaje :

a) Puterea caloric este mai mic , iar sistemul de alimentare trebuie adesea

modificat.

b) Afinitate mare pentru ap ; apare separarea fazelor benzin -alcool atunci când

exist ap în combustibili.

c) Poten ial de coroziune ridicat; alcooli pot ataca vopsele i pot genera depuneri în

conductele de combustibili, în special în prezen a apei; trebuie utilizate conducte

metalice i plastice rezistente la ac iunea alcoolilor.

d) Apar probleme la pornirea la rece din cauza c ldurii de vaporizare ridicate.

e)Manevrabilitatea pe vreme cald poate sc dea din cauza volatilit ii ridicate a

alcoolilor care provoac dopuri de vapori în sistemul de alimentare.

f) Presiunea de vapori a amestecurilor benzin -alcooli este foarte ridicat , crescând

emisiile evaporative.

Alcoolii au cifre octanice mari i c lduri latente de vaporizare mari (tabelul 4.1).

Tabelul 4.1. Caracteristicile combustibililor

M rimea Unitatea Metanol Etanol Benzin f r plumb

Cifra octanic Research

106 107 92-98

Cifra octanic Motor

92 89 80-90

C ldura latent de vaporizare

MJ/kg 1,154 0,913 0,3044

Alcoolii 53

Puterea caloric inferioar

MJ/kg 19.95 26,68 42-44

Presiunea de vapori

kPa 31,9 16,0 48-108

Limita inferioar de inflamabilitate

% 6,7 3,3 1,3

Limita superioar inflamabilitate

% 36,0 19,0 7,1

Temperatura de autoaprindere

°C 460 360 260-460

Punctul de inflamabilitate

°C 11 13 -43--39

4.2.2. Metanolul Metanolul, cunoscut ca alcool metilic este un compus chimic cu formula

CH3OH. Este cel mai simplu alcool, este u or, (densitate 0,7918 g/cm³), volatil,

incolor, inflamabil, otr vitor, care este folosit ca lichid antigel, solvent sau combustibil.

Metanolul este produs natural prin metabolism anaerobic de mai multe tipuri de

bacterii. Ca rezultat exist o mic propor ie de metanol în atmosfer . Pe durata

câtorva zile, metanolul atmosferic se oxideaz la lumin rezultând dioxid de carbon i

ap . Metanolul a fost considerat un combustibil care poate înlocui benzina i a fost

mai pu in studiat din cauza problemelor proprii. Principalul s u avantaj este c poate

fi ob inut u or din metan (principalul constituent al gazului natural ) ca i prin piroliza

multor materiale organice . Metanolul de origine vegetal poate fi ob inut din biomas

prin gazeificarea i tratarea gazelor ob inute, (CO i H2) într-un reactor catalitic la

presiuni i temperaturi mari. Metanolul, spre deosebire de etanol, este toxic;

expunerea prelungit poate duce la probleme grave de s n tate, provocând chiar

orbire.

Metanolul este utilizat în mic m sur la motoare cu ardere intern fiindc nu

este atât de inflamabil ca benzina. Amestecurile cu metanol sunt utilizate la ma inile

de curse i la aeromodele comandate prin radio.

Pilele de combustie cu metanol sunt unice prin func ionarea la temperatur

joas i presiune atmosferic , permi ând miniaturizarea la un nivel f r precedent.

Acest fapt combinat cu u urin a manevr rii i siguran a stoc rii a deschis calea

utiliz rii acestor dispozitive în alimentarea echipamentelor electronice.


4.2.3. Deriva ii alcoolilor

Mai recent decât alcoolii, deriva ii acestora, eterii, au fost folosi i ca i

componen i combustibili (ETBE i MTBE). Ace ti compu i prezint acelea i avantaje

ca i alcooli, dar sunt mai capabili de a dep i obstacolele alcoolilor fiindc ei

dovedesc:

a) O putere caloric mai mare i un raport stoichiometric apropiat de cel al benzinei,

de aceea sistemul de alimentare nu are nevoie de nici o modificare.

b) O foarte mic solubilitate în ap astfel c amestecurile benzin -eter sunt stabile în

prezen a apei.

c) Au un poten ial coroziv mult mai redus decât al alcoolilor.

d) C ldura latent de vaporizare este mult mai mic decât a alcoolilor, apropiat de

cea a benzinei, facilitând pornirea la rece.

e) Eterii au mult mai pu ine probleme de manevrabilitate decât alcooli pe vreme cald

fiindc amestecurile benzin -eter au o volatilitate mai sc zut .

f) Emisiile evaporative sunt la acela i nivel cu cele ale benzinei i mult mai sc zute

decât cele ale amestecurilor benzin -alcooli.

Comportarea ETBE i MTBE ca aditivi de cre tere a cifrei octanice este similar .

Singura diferen notabil este descre terea volatilit ii amestecurilor benzin - ETBE

care nu apare la amestecurile benzin - MTBE. Emisiile de hidrocarburi sunt mai

pu in toxice cu ETBE, iar unele studii pe animale apreciaz c MTBE este probabil

cancerigen.

Alcoolii 55

Bibliografie

[1] The oil companies’ European organization for environment, health and safety

(CONCAWE): Energy and Greenhouse Gas Balance of Biofuels for Europe –

an Update, Brussels, 2002

[2] Dri.wefa and Arthur d. Little: Future Powertrain Technologies, Lexington;

Cambridge, 2001

[3] European Commission, Directorate-General for Energy, Limited: A Technical

Study on Fuels Technology related to the Auto-Oil II Programme – Final

Report Volume II: Alternative Fuels, (writer: Arcoumanis; Bechtel), 2000

[4] European Parliament: Bioethanolbeimengung zu Kraftstoff, (writer: Oestling,

A.; Chambers, G.) Theme paper No. 07/2001, Luxembourg, Brussels, 2001

[5] International Energy Agency (IEA): Automotive Fuels for the Future – The

Search for Alternatives, Paris, 1999

[6] F. Tinaut et al. Motor biofuels: history, current status and future perspectives,

Fisita Congress,1998

[7] R. Bechtold - Ghidul combustibililor alternativi, Societatea Inginerilor de

Automobile,1997


Poluare industrial

Uleiuri vegetate 57

Autori: Corneliu COFARU Daniela FLOREA

5.ULEIURI VEGETALE

5.1. INTRODUCERE

Preocup rile privind problemele mediului înconjur tor legate de exploatarea

autovehiculelor au devenit probleme politice majore deoarece privesc calitatea vie ii.

Pe plan mondial sunt avansate mai multe op iuni pentru a aplica tehnologii

“curate” în afara reînnoirea parcului de autovehicule cum ar fi:

Utilizarea combustibililor alternativi în locul energiilor fosile tradi ionale;

Utilizarea combustibililor de substitu ie în parte de origine regenerabil ;

Instalarea pe vehiculele existente de echipamente de depoluare a gazelor de

evacuare;

Utilizarea unor noi sisteme motopropulsoare pentru autovehicule, cum ar fi

trac iunea elecric , pila de combustie fiind surs energetic sau bateriile

electrice de stocare a energiei electrice preluate din re ea.

În acest context, utilizarea biocombustibililor apare ca o solu ie viabil

deoarece r spunde principalelor cerin e, cum ar fi: sunt regenerabili, sunt

biodegradabili, i au un impact mai redus aspra mediului.

În Europa, datorit politicilor agricole, op iunea utiliz rii biocarburan ilor pentru

alimetarea autovehiculelor constituie o puternic premis pentru dezvoltarea durabil

a sectorului agricol i a sectorului de transport.

România, în perspectiva integr rii în Uniunea European va trebui s adopte

politicile Comunitare în toate domeniile iar prin aplicarea acestora se va confrunta cu

o limitare a suprafe elor agricole destinate produc iei alimentare. Pe de alt parte, va

trebui s aplice politicile Comunitare privind calitatea combustibililor i de mediu. Din

corela ia acestor politici rezult c România poate deveni în perioada urm toare un

important furnizor i utilizator de biocombustibili.

5.2. TENDIN ELE ACTUALE ÎN EVOLU IA TRANSPORTURILOR

5.2.1. Evolu ia cererii de transport în Europa

Studii publicate au ar tat c între anii 1975 – 1990 ratele cre terii anuale de

transport m surate în tone – km i c l tori – km au fost de 2,8% în Europa i 2,3% în

Statele Unite i de 2,6% în Japonia (pentru rate anuale de cre tere a PIB de 2,6%,


2,8% i respectiv 4,2%). S-a constatat pentru aceast perioad c rata de cre tere a

cererii de transport nu urm re te întotdeauna rata de cre tere a PIB.

La programarea infrastructurilor speciali tii din rile Uniunii Europene au luat

în calcul c în perioada 2000-2010 va exista o cre tere diferen iat pe ri a cre terii

de transport dar care va prezenta i câteva puncte comune, cum ar fi:

1. Cre terea cererii de transport va fi datorat mai mult m ririi distan elor

parcurse decât volumului de m rfuri i al persoanelor transportate;

2. Cel mai probabil, ritmul de cre tere al PIB va fi mai mult sau mai pu in

deconectat de ritmul de cre tere al cererii de transport;

3. Fluxurile de transport se concentreaz în general pe axele rapide;

4. Cele mai frecvente preocup ri vor viza cre terea puternic a traficului na ional

i interna ional, circula ia urban i regional putând genera poluare i

consumul resurselor aparent rare.

5.2.2. Consumul de energie i poluarea atmosferic rile dezvoltate consum 80% din energia mondial utilizat pentru

transporturile rutiere.

Dac ne referim acum la transporturile rutiere, ele consum mai mult de 90%

din consumul energetic al sectorului transporturi pe plan mondial, combustibilii

utiliza i fiind lega i cvasi-exclusiv de petrol, consumul energetic situându-se în 1988 la

1,12 Gtep având un trend de cre tere la 2,76 Gtep în 2020 i de 5,06 Gtep în 2060,

când se a teapt dublarea parcului mondial de autovehicule. În aceste condi ii,

gazele cu efect de ser vor fi multiplicate cu 2,7, tone echivalent în carbon, în raport

cu 1992. Ponderea emisiilor de CO2 datorat vehiculelor utilitare va cre te de la 1/3

din globalul de CO2 al anului 1988 la 2/3 în 2060.

Se apreciaz în studiile publicate c toate rezervele de petrol accesibile pot

asigura consumul energetic la actualul ritm de dezvoltare pe o perioad de 40 ani i

de 75 ani dac se vor utiliza i alte resurse fosile cum ar fi isturile bituminoase.

Problema energiei necesare mobilit ilor de persoane i de m rfuri trebuie

pus în mod serios pentru urm torii 50 de ani.

În ceea ce prive te mediul înconjur tor se apreciaz c în 2010 principala

surs de emisii de CO vor fi vehiculele cu motoare cu aprindere prin scânteie iar

principala surs de emisii de NOx vor fi vehiculele dotate cu motoare Diesel. Cele

Uleiuri vegetate 59

dou tipuri de motoare se consider c vor avea emisii de hidrocarburi nearse

sensibil egale.

Tabelul 5.1 Perspective asupra emisiilor poluante ale autovehiculelor Joumard 1994

Renault* PSA** PSA** MIES 1990-2000

Corinair 1985-2000

Emisia

Sector transport

Autovehicule

Autovehicule

Autoturism

Sector transport

Sector transport

CO2 +22% - - - - +20%

CO -75% -80% -83% -85% -60% -40%...

-60%

HC -60% -75% -83% -91% -50% -40%...

-60%

NOx -33% -65% -52% -72% -35% Constant

Particul

e Constant Constant -45% -28% - -

* ipotez : 50% din parc cu motoare Diesel în 2010; ** ipotez : 40% din parcul de autoturisme, 80% vehicule utilitare i 100% autovehicule grele cu motoare Diesel în 2010. Raportul din 1994 al grupului DRI/McGraw Hill estima c emisiile de CO2 ale

Uniunii Europene vor cre te cu 6,4% între anii 1990 i 2000 dintre care 80% îi vor

reveni transportului iar pentru anii 2000 – 2015 emisiile vor cre te cu 15% din care

40% îi vor reveni sectorului transport în ipoteza c centralele electrice nucleare se

vor închide i vor fi folosite centrale electrice cu combustibili fosili. În consecin ,

efectul de ser se va accentua în urm torii ani.

Un alt aspect care nu trebuie neglijat îl constituie cre terea continu a

con inutului de ozon troposferic. În 1800 con inutul de ozon se situa la nivelul a 5 …

15 µg/m3 ca în 1991 s se ridice la 30 … 50 µg/m3.

Se estimeaz c în 20 de ani con inutul de ozon va atinge valori de 75 … 80

µg/m3. Pentru a limita cre terea concentra iei de ozon troposferic trebuie s se

limiteze i s se diminueze emisiile de precursori ai ozonului.

Un alt efect care îngrijoreaz este rarefierea stratului de ozon stratosferic care

protejeaz lumea vie de radia iile ultraviolete.


5.3. CARACTERISTICILE DETERMINANTE ALE COMBUSTIBILILOR PENTRU PROCESELE DE AMESTECARE, AUTOAPRINDERE I ARDERE

Combustibilii destina i aliment rii motoarelor pentru autovehicule trebuie s îndeplineasc o serie de condi ii dintre care cele mai importante sunt:

1. S asigure pornirea sigur i rapid a motorului pentru orice temperatur a

mediului ambiant;

2. Sa asigure func ionarea sigur a motorului cu un randament cât mai ridicat;

3. S nu produc solicit ri mecanice i termice ridicate precum i uzuri

exagerate;

4. S ard complet, f r a produce emisii poluante d un toare s n t ii umane

i mediului ambiant;

5. Sa nu aib o ac iune coroziv asupra materialelor cu care vine în contact;

6. S poat fi transportat, depozitat i distribuit în siguran i s - i men in

propriet ile în timp;

7. S aib un pre acceptabil;

8. S fie în cantitate suficient .

La motorul cu aprindere prin comprimare, combustibilul conven ional este

motorina.

Urm toarele propriet i intervin în procesele de formare a amestecului aer-

combustibil, autoaprindere i ardere la utilizarea motorinei ca i la ultilizarea

biocombustibililor.

Compozi ia frac ionat

Define te u urin a de vaporizare a combustibilului.

La motorul cu aprindere prin comprimare compozi ia frac ionat influenteaz

viteza de vaporizare a pic turilor de combustibil i autoaprinderea.

Pe curba de distilare a combustibilului se precizeaz trei puncte de fierbere i

anume punctele la care distil 10%, 50% i 90% dintr-un volum de combustibil. Ele

se noteaz cu t10, t50 respectiv t90.

De exemplu, la cre terea lui t50 de la 232 °C la 288 °C, con inutul de fum din

gazele de evacuare cre te cu 30%. Frac iunile grele din combustibil au cifra cetanic

mai mare, adic o mai mare u urin la autoaprindere cu toate c m rirea

temperaturii t50 de la 225 °C la 285 °C a condus la cre terea timpului de pornire de

nou ori.

Uleiuri vegetate 61

Densitatea

Densitatea reflect con inutul de frac iuni u oare din combustibil i

influen eaz direct unele caracteristici ale combustibilului, ca indicele Diesel.

Densitatea motorinelor se situeaz în limitele 820-900 kg/m3.

Viscozitatea

Viscozitatea influen eaz caracteristica jetului de combustibil, rezisten a la

deplasarea combustibilului prin conduct , ungerea pieselor în mi care din sistemul

de injec ie.

Limita superioar a viscozit ii este impus de calitatea de pulverizare a

combustibilului i de calitatea de fluiditate.

Pentru motorul cu aprindere prin comprimare, prezint interes fluiditatea

combustibilului la temperaturi sc zute deoarece viscozitatea scade la reducerea

temperaturii. Viscozitatea motorinei este de 1,2-17 °E20 sau 2,5-8,5 cSt (2,5·10-6 –

8,5·10-6 m2/s).

Tensiunea superficial

Tensiunea superficial influen eaz pulverizarea combustibilului deoarece

este determinat de lucrul mecanic necesar pentru m rirea suprafe ei lichidului

[kJ/m2 sau N/m]. Ea scade cu cre terea temperaturii i presiunii i cre te cu

con inutul de frac iuni grele din combustibil.

Cifra cetanic (CC)

Reprezint u urin a la autoaprindere a combustibilului. Pentru motorul cu

aprindere prin comprimare este cea mai important caracteristic deoarece de ea

depinde u urin a pornirii i func ionarea normal a motorului. Cifra cetanic se

determin prin compararea combustibilului cu un amestec etalon (cetan, c ruia i se

atribuie cifra cetanic 100 i -metil-naftalenul c ruia i se atribuie cifra cetanic 0).

Indicele Diesel (ID)

ID apreciaz u urin a de autoaprindere. Cu cât ID este mai mare, cu atât cifra

cetanic este mai mare. Pentru motorin , ID=45-53.


Punctul de congelare

Este temperatura la care combustibilul î i pierde fluiditatea i poate cauza

întreruperea aliment rii motorului.

Indicele de cocs (IC)

Reprezint procentul de cocs care se formeaz la înc lzirea unei mase de

combustibil. IC=(mcs/mc)·100 – unde mcs este masa de cocs, mc este masa de

combustibil.

Puterea caloric

C ldura degajat în exterior prin arderea complet a unit ii de cantitate (kg,

kmol, m3) de substan combustibil se nume te c ldura de reac ie.

C ldura de reac ie depinde de natura combustibilului i de condi iile de

presiune, temperatur , volum, în care se desf oar reac ia.

C ldura de reac ie precizat la presiunea constant de 0,1 MPa i

temperatura constant de 273 °K se nume te putere caloric .

Când puterea caloric include i c ldura de vaporizare se nume te putere

caloric superioar (Qs).

În motoarele cu ardere intern , produsele de ardere se evacueaz la o

temperatur superioar temperaturii de condensare a vaporilor de ap , de aceea,

prin ardere se degaj mai pu in c ldur decât Qs. Dac se scade din Qs c ldura de

vaporizare a apei se ob ine puterea caloric inferioar Qi.

Puterea caloric pentru motorin este 41850 [kJ/kg]. Puterea caloric

inferioar poate fi calculat cu o formul care d valori satisf c toare:

Qi = 34013c + 125600h – 10900(o – s) – 2512(9h + u) [kJ/kg]

unde:

c,h,o,s,u – frac iunile masice de carbon, hidrogen, oxigen, sulf i umiditate din

combustibil.

5.4. TENDIN E DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR DIESEL

La ora actual agricultura european este victima propriului succes i

problema supraproduc iei alimentare tinde s schimbe sistemul de pl i al fermierilor.

Plata fermierilor se realizeaz pentru acele culturi ale c ror fermieri accept ca o

Uleiuri vegetate 63

parte a p mântului lor s r mân necultivat (în rezerv ) ei netrebuind s creasc

produc ia agricol pentru a primi subven iile.

Cultivarea p mântului în rezerv este admis numai pentru plantele

“energetice” cum ar fi rapi a, uleiul de rapi putând fi utilizat ca substitut al motorinei

pentru motoarele Diesel.

Aceast idee nu este nou . Rudolf Diesel, inventatorul motorului cu aprindere

prin comprimare a prezentat prototipul motorului la Expozi ia de la Paris în 1900,

alimentat cu ulei de arahide.

Cele mai multe din motoarele Diesel actuale au fost dezvoltate s func ioneze

pe baz de motorin ob inut din petrol i dac ele ar func iona pe baz de ulei de

rapi , pulverizatorul s-ar înfunda datorit procesului de cocsare al uleiului iar

ungerea motorului ar fi compromis datorit degrad rii uleiului de ungere. Exist

dou solu ii tehnice:

Modificarea motorului pentru a fi alimentat cu uleiuri vegetale. Motorul Elsbett,

dezvoltat în Germania func ioneaz cu o gam larg de combustibili printre care i

uleiuri vegetale. Dificultatea major este ca produc ia de uleiuri vegetale s fie

semnificativ pentru a fi implementat în infrastructur i acele motoare s devin

viabile din punct de vedere comercial.

Modificarea uleiurilor. Acesta este un simplu proces chimic de transesterificare prin

care se produce ester metil de rapi (Rape methyl ester RME) care are propriet i

apropiate de motorina ob inut din petrol. Prin prelucrarea semin elor oleaginoase se

ob in ca subprodus turte cu înalt con inut de proteine pentru hrana animalelor i

glicerin .

O a treia cale posibil o constituie filtrarea uleiurilor vegetale pentru

îndep rtarea impurit ilor i amestecarea cu motorin în propor ie de 20% sau mai

mult.


Semin e

- turte

(hran animalier )

Extragere ulei

ulei +

metanol +

catalizatori

Distilare

- glicerin

(uz farmaceutic, hran

animalier )

Biocombustibil

Metanol

(reutilizabil)

Fig. 5.1. Schema de principiu de ob inere a biocombustibililor Diesel i a

subproduselor plecând de la semin ele (fructele) oleaginoase

5.4.1. Ce este biocarburantul Diesel ? Biocarburantul Diesel (ester alchil ai acizilor gra i) este un înlocuitor al

motorinei ob inut din resurse naturale regenerabile, cum ar fi uleiurile vegetale i

gr simile animale.

Amestecat pân la 20% în motorin poate fi utilizat aproape în toate motoarele

Diesel i este compatibil cu majoritatea echipamentelor de stocare i distribu ie.

Propor iile mici de amestecare nu necesit nici o modificare asupra motoarelor, ele

asigurând acelea i performan e ca i motorina pur .

Amestecurile mai bogate în biocombustibili Diesel sau biocombustibilul pur

(B100) pot fi utilizate de motoarele construite dup 1994 f r sau cu mici modific ri .

Transportul i stocarea în acest caz poate necesita un management special.

Uleiuri vegetate 65

Utilizarea biocombustibililor Diesel într-un motor Diesel conven ional reduce

substan ial emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon, sulfa i, hidrocarburi

aromatice policiclice, hidrocarburi aromatice policiclice nitrate i particule. Aceste

reduceri cresc cu cantitatea de biocombustibil Diesel aflat în motorin , atingând

maximul pentru biocombustibilul Diesel pur B100.

Utilizarea biocombustibililor Diesel conduce la mic orarea frac iunii de carbon

solid din particule (oxigenul aflat în combustibil este capabil s produc arderea mai

complet a acestuia) i s reduc frac iunea de sulfa i (biocombustibilii Diesel con in

mai pu in de 24 ppm sulf) în timp ce frac iunile solubile sau frac iunile de hidrocarburi

r mân în acelea i concentra ii. Biocombustibilii Diesel se comport bine cu noile

tehnologii de tratare a gazelor cum ar fi convertorul catalitic de oxidare (care reduce

frac iunile solubile ale particulelor dar nu i frac iunile de carbon solid).

Emisiile de oxizi de azot cresc cu concentra ia de biocombustibili Diesel din

motorin dar exist aditivi care ad uga i pot inhiba aceast cre tere.

Tabelul 5.2. Caracteristicile fizice ale biocombustibililor Diesel (B100) i motorinei Nr. Crt.

Caracteristici Biocombustibil Diesel (B100)

Motorin

1 Densitate specific 0,87-0,89 0,85 2 Viscozitate cinematic la 40 °C 3,7-5,8 1,3-4,1 3 Cifra cetanic 46-70 40-55 4 Sulf [%] 0,0 0,05 max. 5 Punctul de tulburare [°C] (-3)-12 (-15)-5 6 Punctul de limpezire [°C] (-15)-16 (-35)-(-15) 7 Indicele de iod 60-135 - 8 Puterea caloric interioar [kJ/kg] 36856-37985 42355 9 Amestecul stoichiometric ( ) 13,8 15 10 Punctul de fierbere [°C] 182-338 188-343 11 Punctul de aprindere [°C] 100-170 60-80 12 Carbon [%] masice 77 87 13 Hidrogen [%] masice 12 13 14 Oxigen [%] masice 11 0 15 Ap [ppm/kg] 0,05% max. 161 16 Temperatura de autoaprindere [°C] 316 - 17 Compozi ia combustibilului C12-C22 C10-C21 Biocombustibilii Diesel se pot ob ine din uleiuri vegetale proaspete sau uzate

i din gr simi animale care sunt resurse regenerabile netoxice i biodegradabile.

Gr simile i uleiurile sunt supuse unor reac ii cu un alcool – metanolul este cel mai

utilizat pentru a ob ine compu i cunoscu i ca esteri metil ai acizilor gra i.


5.4.2. Comportarea biocarburan ilor Diesel în procesele de formare a amestecului aer-combustibil, ardere i formare a emisiilor poluante

S-au efectuat numeroase studii care au examinat performan ele i emisiile

poluante ale motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil.

Datorit diferen elor fizice în compara ie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai

ridicat ) exist probleme la pulverizarea biocombustibililor precum i a mecanismelor

de formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.

Pentru a în elege mecanismele de vaporizare i de ardere ale jetului de

biocombustibil în motorul Diesel este necesar s se izoleze i s se studieze o

pic tur din jetul de combustibil.

Cercet ri efectuate privind mecanismul de vaporizare a pic turilor S-au

efectuat numeroase studii care au examinat performan ele i emisiile poluante ale

motoarelor Diesel care au utilizat uleiuri vegetale drept combustibil. Datorit

diferen elor fizice în compara ie cu motorina (cum ar fi viscozitatea mai ridicat )

exist probleme la pulverizarea biocombustibililor precum i a mecanismelor de

formare a depozitelor pe timpul arderii acestora.

Pentru a în elege mecanismele de vaporizare i de ardere ale jetului de

biocombustibil în motorul Diesel este necesar s se izoleze i s se studieze o

pic tur din jetul de combustibil.

Cercet ri efectuate privind mecanismul de vaporizare a pic turilor În func ie

de compozi ia chimic a uleiurilor vegetale i a esterilor lor, cantitatea de reziduuri

care se formeaz poate fi mai mare sau mai mic .

Pentru diferite uleiuri vegetale, ierarhia în func ie de viteza de vaporizare a

pic turilor din jet este urm toarea:

cocos > palmier > floarea soarelui > rapi > bumbac > soia > in

Pentru îmbun t irea folosirii uleiurilor vegetale drept biocombustibili i pentru

diminuarea efectului asupra mediului este necesar s se în eleag procesele chimice

care au loc pe timpul arderii i s se identifice produsele formate pe timpul reac iilor

de piroliz i oxidare.

Sunt studii care s-au efectuat pentru a analiza cracarea termic a uleiurilor

vegetale. În func ie de natura uleiurilor vegetale i de temperatur (400-500 °C)

reac iile de piroliz transform cei mai mul i esteri ai trigliceridelor în oxizi carboxilici.

Lan urile nesaturate sunt transformate în hidrocarburi aromatice.

Uleiuri vegetate 67

Pe timpul pirolizei uleiului de floarea soarelui au fost identifica i urm torii

compu i: alcani, alcene, diolefine, acizi carboxilici i aromatici.

În func ie de temperatur , degradarea termic a uleiurilor vegetale este o

polimerizare (200-300 °C). Peste 300 °C, uleiurile se degradeaz în acrolein ,

cetene i acizi gra i formând alcani i alcene. La peste 500 °C se formeaz un

amestec gaz-lichid.

Principalii compu i ai pirolizei esterului metil de rapi sunt: alcani, alcene,

hidrocarburi aromatice (benzen i toluen), metil-esteri (satura i i nesatura i). Etilena

este produsul principal la temperaturi ridicate (850 °C) în timp ce esterii metil se

descompun în produ i secundari în intervalul de temperatur 600-800 °C.

Metil esterii uleiurilor vegetale se evapor ca i componen i puri dup o faz

important de preînc lzire.

Cercet rile experimentale efectuale în bombe de cercetare la presiuni de 0,3-2

MPa i temperaturi cuprinse între 900-2000 °K cu diferite dozaje aer-combustibil au

fost înregistrate cu aparate video de mare vitez . Amestecuri omogene i heterogene

au putut fi ob inute prin injec ia combustibilului înainte sau dup reflectarea undei de

oc.

Amestecul aer-metil ester de rapi arde într-un mod diferit de amestecul aer-

motorin unde flac ra este aproximativ uniform . La utilizarea uleiului vegetal,

pungile care con in combustibilul aprins persist pe o perioad mai lung , ceea ce se

explic prin existen a unor pic turi de dimensiuni mai mari i care ard cu flac r

difuziv într-un timp mai lung decât cel disponibil în motor.

Dac se realizeaz o injec ie secundar mai târziu, în condi iile de

temperatur i presiune ridicat atunci apare o ardere rapid în tot volumul de

reac ie. Efectul imediat este c piroliza combustibilului la temperatur ridicat d

emisii mai reduse.

Cantitatea de funingine rezultat din arderea uleiurilor este mai redus decât

la arderea motorinei.

Analiza funinginii a scos în eviden existen a hidrocarburilor aromatice

policiclice care sunt diferite de cele date de combustibilii clasici.

Cercet ri experimentale efectuate cu mai multe tipuri de pulverizatoare au

demonstrat c se poate ac iona asupra proceselor din cilindrii motorului prin influen a

pe care o are asupra procesului de atomizare a biocarburantului Diesel.


Prin în l area pozi iei de pulverizare se poate ac iona asupra form rii

amestecului i arderii, consecin a fiind sc derea emisiilor de oxizi de azot îns cresc

cantit ile celorlal i poluan i iar performan ele generale ale motorului se înr ut esc.

Întârzierea injec iei biocarburantului Diesel determin sc derea cantit ii de

oxizi de azot forma i.

Modificarea concomitent a pozi iei pulverizatorului i momentului de injec ie

poate determina o reducere cu 75% a cantit ilor de poluan i din camera de ardere.

Pentru motorul încercat, pierderea de putere la tura ia maxim a fost de 17%, de

10% la o tura ie mai sc zut i neglijabil la tura ii mici.

5.4.3. Beneficiile utiliz rii biocarburan ilor Diesel

Biocombustibilii Diesel pot fi utiliza i în orice motor Diesel conven ional f r

modific ri constructive care s produc conversia motorului spre combustibilul

alternativ. Biocombustibilii Diesel pot fi stoca i oriunde, ca i motorina, toat

infrastructura de alimentare incluzând: pompe, rezervoare, autocisterne putând fi

utilizat f r modific ri. Utilizarea biocombustibililor Diesel reduce emisiile de dioxid

de carbon cu 100% (CO2 cauzând “efectul de ser ”).

Biocombustibilii Diesel pot fi folosi i singuri 100% (B100) sau în orice amestec

cu motorina. Un amestec de 20% biocombustibil cu motorin este numit “B20”, un

amestec de 5% biocombustibil cu motorin este denumit “B5”.

Biocombustibilii au calit i de ungere superioare motorinei, ceea ce conduce la

m rirea duratei de func ionare a motorului i poate s înlocuiasc sulful ca agent

lubrifiant care prin ardere produce dioxid de sulf care conduce la formarea ploilor

acide. În locul sulfului, în Fran a toate motorinele con in 5% biocombustibil Diesel.

Biocombustibilul Diesel poate fi manipulat în siguran fiind biodegradabil i

netoxic. Conform “National Biodiesel Board”, biocombustibilul Diesel este

biodegradabil ca zah rul i mai pu in toxic decât sarea.

Transportul biocombustibililor Diesel este mai sigur deoarece are temperatura

de aprindere de aproximativ 148,9 °C pe când temperatura de aprindere a motorinei

este de 51,6 °C.

Motorul Diesel alimentat cu biocombustibil Diesel are aceea i autonomie ca i

la func ionarea cu motorin . Autoaprinderea, consumul de combustibil, puterea i

cuplul motor nefiind afectate de func ionarea cu biocombustibil.

Mirosul generat la func ionarea motorului cu biocombustibil Diesel este pl cut

în compara ie cu mirosul emanat la func ionarea cu motorin .

Uleiuri vegetate 69

5.5. POLITICILE DE UTILIZARE A BIOCOMBUSTIBILILOR

La începutul noului mileniu, întreaga lume este preocupat de riscurile

datorate polu rii, înc lzirii planetei i degrad rii mediului înconjur tor. Datorit

incertitudinii siguran ei de aprovizionare cu petrol pe de o parte i datorit aportului

important la poluarea global al sectorului de transport, se caut noi resurse

energetice regenerabile i care s r spund mai bine cerin elor de mediu pentru a fi

folosite în acest sector.

Biocombustibilii Diesel provin din resurse regenerabile, fiind biodegradabil i

netoxic Biocarburantul Diesel este un combustibil alternativ precum i un aditiv

lubrifiant al motoarelor Diesel. El este un ester metilic sau etilic al uleiurilor vegetale

sau gr similor animale.

Biocarburantul Diesel poate fi utilizat în stare pur sau în amestec cu benzina

sau motorina conven ional . El poate fi fabricat pornind de la numero i produ i,

incluzând gr simile animale, uleiuri vegetale pure sau reciclate, provenite din culturi

de soia, arahide, porumb, rapi , floarea soarelui i m sline. Biocarburantul Diesel

poate fi ob inut i din deriva i oleagino i de calitate inferioar , uleiuri uzate în

buc t ria restaurantelor i din uleiul produs de anumi i l stari rezulta i ca rebuturi în

industria lemnului. Biocombustibilii Diesel utiliza i drept combustibili alternativi, ca i

aditivi lubrifian i atrag din ce în ce mai mult aten ia în func ie de interesul crescând al

societ ii pentru problemele ecologice i de dezvoltare a tehnicilor economice de

ob inere.

Problemele acute de mediu cu care se confrunt omenirea sunt:

cre terea concentra iei de ozon troposferic;

înc lzirea global a planetei;

Ozonul aflat la suprafa a solului provoac probleme respiratorii oamenilor i

moartea plantelor. Ozonul troposferic nu ajut la ridicarea concentra iei ozonului

stratosferic care protejeaz planeta de radia iile ultraviolete. Mai mul i compu i

reac ioneaz sub ac iunea radia iei solare pentru a forma ozonul de suprafa .

Aceast form a ozonului în combina ie cu umiditatea i particulele aflate în

suspensie creeaz smogul, forma vizibil a polu rii aerului. Precursorii chimici ai

ozonului de suprafa sunt: oxidul de carbon, hidrocarburile nearse, benzenul, oxizi

nitro i i nitrici.

“Efectul de ser ” const în re inerea razelor solare de c tre atmosfer .

Sinonimul este înc lzirea planetei i se manifest prin m rirea temperaturii medii


terestre, care provine din cre terea concentra iilor gazelor cu efect de ser provenite

din activit ile industriale, transporturi i cre terea popula iei. Gazele cu efect de ser

includ: dioxidul de carbon, metanul i oxizii de azot.

“Schimb rile climatice” se refer la mai multe schimb ri ale condi iilor

meteorologice rezultate din înc lzirea planetei. O cre tere important a temperaturii

medii planetare va modifica parametrii agricoli i va topi calotele glaciare polare

determinând ridicarea nivelului m rilor i inundarea regiunilor costiere joase.

Utilizarea biocarburan ilor Diesel ca înlocuitor al motorinei sau în amestec cu

aceasta poate conduce la reducerea emisiei gazelor cu efect de ser deci, ace ti

carburan i ofer o oportunitate de a contribui la ridicarea calit ii aerului prin

reducerea emisiilor de: sulf, oxid de carbon, aldehide, compu i aromatici,

hidrocarburi, particule i dioxid de carbon în compara ie cu combustibilii deriva i din

petrol. Reducerea emisiilor poluante este foarte important în marile ora e i în

spa iile înguste cu o ventila ie slab ca de exemplu în mine.

Încerc rile conduse de National Biodiesel Board i U.S. Environmental

Protection Agency care au dat aprob rile pentru biocarburantul Diesel ca poten ial

înlocuitor al motorinei au ar tat c emisiile poluante date la utilizarea biocarburantului

Diesel în compara ie cu motorina sunt mai reduse cu: 50% oxid de carbon, 30%

particule (legate de problemele respiratorii), 30% aldehide, 95% hidrocarburi, 50-95%

compu i aromatici suspecta i ca fiind cancerigeni i eliminarea complet a emisiilor

de oxid de sulf i sulfa i care sunt prezen i în centrele urbane i mine i care pot

provoca probleme respiratorii sau cardiace, consecin a fiind moartea prematur .

Când biocombustibilul a efectuat un ciclu complet, emisiile de dioxid de carbon sunt

extrem de reduse.

Dioxidul de carbon emis în timpul produc iei de biocarburant i în timpul arderii

în motor este egal cu cel absorbit de plante pe timpul cre terii lor.

Emisiile sunt mai reduse i din cauza unor mai bune propriet i de ungere,

National Renewable Energy Laboratory determinând c efectul consum rii de

biocombustibil pur la efectuarea unui ciclu complet este acela c emisia de dioxid de

carbon este mai redus cu 78%.

Emisiile de oxizi de azot pot cre te în cazul utiliz rii biocarburan ilor îns

aceste emisii pot fi controlate cu ajutorul convertoarelor catalitice sau prin întârzierea

aprinderii.

Uleiuri vegetate 71

Bilan ul de mediu al biocombustibililor este mai bun decât în cazul

combustibililor conven ionali.

La utilizarea unui amestec de motorin cu 20% biocarburant, s-au constatat

reduceri ale emisiilor poluante cu: 20% oxid de carbon, 22% particule, 30%

hidrocarburi, 13-50% compu i aromatici. Emisiile de sulf sunt mai reduse cu 20%

îns emisiile de oxizi de azot pot cre te cu 2%. Când se efectueaz un ciclu complet

, amestecul motorin + biocombustibil determin reducerea dioxidului de carbon cu

16% comparativ cu motorina pur .

Tabelul 5.3. Valorile de reducere a emisiilor poluante

Poluant B100 B20 CO -50% -20% PM -30% -22% Aldehide -30% Nespecificat HC -95% -30% SO2 Eliminat Nespecificat SO3 Eliminat -20% NOx -4% … +13% 0 … +2% CO2 -70% -16% Riscul de incendiu la utilizarea biocarburantului Diesel este mai redus decât în

cazul motorinei.

La utilizarea biocombustibilului Diesel pur, acesta este complet biodegradabil.

Când biocarburantul este utilizat în amestec cu motorina biodegradabilitatea

amestecului este de trei ori mai ridicat decât în cazul motorinei. Datorit

biodegradabilit ii, devers rile accidentale de biocarburant sunt mai pu in

periculoase. De asemenea, el nu necesit o depozitare special . Datorit toxicit ii

reduse i biodegradabilit ii, biocombustibilii sunt recomanda i s fie utiliza i în zone

ecologice sensibile (c ile marine).

National Renewable Energy Lab a realizat o analiz a ciclului complet al

biocarburantului. Cel mai bun bilan energetic pentru industrie, utilizând soia este de

3,24 la 1 ceea ce înseamn c energia produs de biocombustibil este de 3,24 ori

aceea cerut pentru cre terea bobului de soia i la producerea biocombustibilului.

Poten ialul pentru industrie când produc torii utilizeaz tehnici pân la punctul final

este de 4,1 la 1.

Materialele oleaginoase din care provin biocombustibilii Diesel sunt reciclabile.

Producerea de biocombustibili Diesel prezint o bun oportunitate de a utiliza


gr simile vegetale uzate utilizate în restaurante. Semin ele de rapi amestecate cu

un gel pot fi utilizate în criblur .

Datorit dezvolt rii metodelor de produc ie care sunt durabile i care respect

mediul, impactul produc iei agricole este minimizat.

a) Europa

În Europa primele cercet ri privind posibilitatea de utilizare a biocombustibililor

au fost începute în anul 1970. Aceste cercet ri s-au extins în timp i în alte regiuni

cuprinzând Statele Unite i Canada îns Europa se situeaz în fruntea acestui

demers. Ast zi instala iile europene pot produce peste 450.000 tone de

biocombustibil pentru motoarele Diesel. Trebuie notat faptul c acest progres a putut

fi atins în mare parte prin politicile de subven ie i alte programe puse în oper de

statele europene.

Uniunea European pe de alt parte a impus o politic obligatorie pentru

statele membre în ceea ce prive te cultivarea suprafe elor agricole prin care se

limiteaz supraproduc ia de produse alimentare în Europa a a ca excedentul de

suprafe e agricole poate fi utilizat la cultivarea plantelor oleaginoase.

rile care au pus accentul pe ob inerea de biocombustibili Diesel s-au înscris

în mod continuu în programele de mediu. De exemplu, Austria a început s

încurajeze utilizarea biomasei ca surs energetic înainte de intrarea în vigoare a

politicii Uniunii Europene. A a c , promovarea biocombustibililor Diesel a ap rut ca

alegerea logic în cadrul reglement rilor privind cultivarea terenurilor agricole.

În plus, densitatea popula iei este mare i problemele de poluare sunt grave,

ceea ce a determinat luarea unor m suri prin care s se conserve mediul.

Pe de alt parte, în compara ie cu alte ri din lume, în Europa se întâlne te o

propor ie ridicat de motoriz ri Diesel la autovehiculele care circul în mediul urban.

Acest lucru determin biocombustibilii Diesel s devin combustibili privilegia i

datorit emisiilor poluante reduse pe care le genereaz la utilizarea lor la alimentarea

autovehiculelor.

Politica de restrângere obligatorie a culturilor agricole alimentare combinat cu

programele de mediu adoptate de Uniunea European pentru reducerea polu rii i

de a încuraja utilizarea energiilor regenerabile, la care sunt ad uga i factorii proprii

diferitelor ri au favorizat dezvoltarea cu succes a industriei de biocarburan i Diesel.

În anumite ri, agricultorii primesc subven ii suplimentare pentru a cultiva plante care

pot servi produc iei de biocombustibil Diesel. În acela i timp, un mare num r de ri

Uleiuri vegetate 73

încurajeaz cercet rile privind dezvoltarea tehnologiilor de produc ie i utilizare a

biocombustibililor Diesel prin atribuirea de subven ii i reducerea taxelor fiscale.

Toate aceste facilit i conduc la reducerea pre ului biocombustibililor Diesel

raportat la carburan ii conven ionali, pe baz de petrol.

rile europene care nu au oferit subven ii i reduceri fiscale pentru a încuraja

punerea la punct a biocombustibililor Diesel nu au o industrie viabil în acest sens.

b) Statele Unite i Canada

În Statele Unite, interesul pentru biocombustibili Diesel a ap rut înainte de

1980. În acea perioad biocombustibilii Diesel erau în general percepu i ca un

combustibil de înlocuire, acceptabili din punct de vedere tehnologic sau ca un produs

care putea fi amestecat cu motorina ins , costurile de produc ie a biocombustibililor

erau prohibitive în compara ie cu motorina i ceilal i deriva i petrolieri.

Mai recent, adoptarea Clean Air Act Amendaments în 1990 i Energy Policy

Act în 1992 au relansat activit ile axate pe comercializarea biocombustibililor Diesel

în Statele Unite.

Clean Air Act Amendaments a fost adoptat ca r spuns la problemele mediului

înconjur tor. Aceste amendamente prev d noi constrângeri normative pentru emisiile

poluante i de asemenea punerea în practic a unor programe de reglement ri

precise.

Aceste programe vizeaz emisiile produse de autobuzele urbane, motoarele

cu aplica ii marine i vehiculele “tous terrain” i care vor necesita utilizarea unor

carburan i mai pu in periculo i pentru mediu.

Energy Policy Act (EPACT) a fost adoptat de Congresul american în 1992 cu

scopul de a cre te securitatea energetic a Statelor Unite prin promovarea

carburan ilor de înlocuire ca substitut al petrolului importat. În virtutea acestui

document trebuie ca începând din anul 2000, 75% din toate autovehiculele de stat i

90% din parcurile de vehicule ale furnizorilor de combustibili de înlocuire, s fie

alimentate cu combustibili de înlocuire.

În Statele Unite, promotorii biocombustibililor Diesel au ales ca prim segment

de utilizare transportul urban, care ocup un loc important pe pia a de motorin i

care este supus Clean Air Act Amendaments.

Se estimeaz c distribu ia de biocarburan i Diesel va fi mai u oar pentru

acele segmente sectoriale unde revitalizarea vehiculelor se realizeaz în depouri

centralizate. S-a constatat c aceast prim aplicare a biocombustibililor a fost de


succes pentru c ast zi un mare num r de firme de transport cu autobuze utilizeaz

acest carburant i îl consider drept un important carburant de înlocuire.

Sectorul de transport este actualul consumator de biocarburant Diesel în

Statele Unite.

La o scar mai redus , biocarburan ii sunt utiliza i la parcul de vehicule

reglementate, exploat rile navale i în aplica iile miniere.

Industria de biocarburant Diesel se g se te într-un stadiu incipient,

biocarburantul Diesel nefiind înc subven ionat de stat, în cea mai mare parte el fiind

utilizat cu titlu experimental, cercet rile f când în schimb obiectul unor subven ii

acordate de stat.

Firma Procter&Gamble este principalul fabricant de biocombustibili Diesel în

Statele Unite. Aceast firm vinde biocombustibili Diesel întreprinderilor distribuitoare

de carburan i care la rândul lor îi vinde direct utilizatorilor finali. În 1994, societatea

Procter&Gamble a vândut 11.300 l de biocarburant care a fost utilizat drept

carburant. Recent, firma Twin Rivers Technologies Inc. a achizi ionat o veche uzin

de s pun a firmei Procter&Gamble cu scopul de a o transforma în uzin de

producere de biocarburan i Diesel.

Costul de produc ie a biocarburan ilor Diesel constituie în Statele Unite o frân

în comercializarea acestora.

În Statele Unite i Canada, biocarburan ii Diesel trebuie s fac fa atât

concuren ei combustibililor deriva i din petrol cât i altor carburan i de înlocuire.

Canada a adoptat în 1995 legea asupra combustibililor de înlocuire prin care

se prevede utilizarea vehiculelor cu carburan i de înlocuire în parcul guvernamental

de vehicule.

Drept combustibili de înlocuire sunt considera i metanolul, etanolul, gazul

natural, gazele petroliere lichefiate i supercetanul. Metanolul este un alcool

carburant care poate fi produs plecând de la resurse regenerabile i neregenerabile.

În Canada, metanolul este produs prin sintetizare din gaz metan. În SUA circul

aproximativ 18.000 de vehicule alimentate cu metanol iar în Canada 500. Metanolul

este un carburant de înalt performan îns este toxic i are o putere caloric

inferioar benzinei.

Alcoolul etilic este un alt carburant ce se ob ine prin fermentarea zaharurilor

con inute în diverse fructe i cereale. În Canada, produc ia de etanol-carburant este

de aproximativ 21 milioane de litri. Acest carburant este vândut sub form de

Uleiuri vegetate 75

amestec sau combinat cu benzina în propor ie de 10% sau mai pu in, ceea ce nu

determin modific ri asupra motoarelor autovehiculelor. La concentra ii ce dep esc

20% alcool, motoarele trebuie s suporte modific ri. La ora actual sunt constructori

de motoare care pot utiliza f r modific ri combustibili ce con in mai mult de 80%

etanol. Etanolul este în general considerat ca un carburant neutru în ceea ce prive te

emisia de dioxid de carbon, celelalte emisii fiind mai reduse în compara ie cu

benzina, în plus, cifra octanic a etanolului fiind mai ridicat .

Gazele naturale pot fi utilizate drept carburant în motoarele cu ardere intern .

În Canada, mai mult de 36.000 de vehicule au fost convertite la func ionarea cu gaze

naturale comprimate. Majoritatea vehiculelor sunt construite pentru a fi alimentate bi-

carburant, ceea ce înseamn c aceste autovehicule pot fi alimentate fie cu un

combustibil clasic pe baz de petrol, fie cu un carburant de înlocuire, deci în cazul de

baz fie benzin , fie gaz natural. Gazele naturale sunt mai ieftine i dau emisii

poluante mai reduse, i în plus au o cifr octanic mai ridicat . Dezavantajul cu

func ionarea la gaz natural este autonomia redus i necesitatea existen ei sta iilor

de comprimare a gazului natural pentru alimentarea autovehiculului. Canada ofer

numeroase subven ii pentru convertirea vehiculelor la utilizarea gazelor naturale i

pentru amenajarea sta iilor de alimentare.

Gazele petroliere lichefiate sunt în general sub produse ale trat rii gazelor

naturale. În Canada circul peste 170.000 de vehicule alimentate cu gaze petroliere

lichefiate i care se pot alimenta din peste 5000 de sta ii.

Supercetanul este un combustibil de înlocuire Diesel pus la punct în 1998 la

Saskatchewan Research Council i are surs primar uleiurile vegetale, gr simile

animale i uleiurile arborilor. Combustibilul de înlocuire ob inut este denumit

“supercetan” deoarece are o cifr cetanic ridicat . Procedeul de ob inere a

supercetanului este similar rafin rii utilizate în industria petrolier iar aceast

tehnologie de ob inere permite utilizarea lui în motoarele Diesel f r nici o modificare.

Supercetanul congeleaz la temperaturi mai ridicate i este mai scump din cauza

costurilor ridicate ale materiei prime.

5.5.1 Disponibilitatea materiilor prime pentru uleiurile vegetale Sursele mondiale de uleiuri i gr simi vegetale asigur o cantitate de

aproximativ 62 milioane tone anual. O parte important din aceste uleiuri i gr simi

vegetale este destinat produselor alimentare iar o mic parte produselor chimice.


Utilizarea uleiurilor vegetale ca surs a combustibililor este limitat , ea putând

fi eviden iat în trei regiuni ale lumii: America de Nord, cu o produc ie anual de ulei

vegetal de aproximativ 17 milioane tone, Europa Continental cu o produc ie de

aproape 16 milioane de tone i Asia de Sud Est cu o produc ie de 8 milioane de tone.

Aceste trei regiuni produc mai mult de 66% din produc ia mondial de uleiuri

vegetale.

Tabelul 5.4. Produc ia mondial de uleiuri vegetale

Tipul de ulei Produc ie [milioane tone] Soia 12,0 Rapi 8,5 Bumbac 5,0 Floarea Soarelui 7,0 Arahide 3,5 Nuci de cocos 2,6 In 0,5 Palmier 10,0 M sline 1,6 Alte plante 10,9 Total 61,6

Reparti ia cantit ilor de ulei vegetal în func ie de regiunile de produc ie este

prezentat în urm torul tabel.

Tabelul 5.5. Reparti ia regional a produc iei de uleiuri vegetale

Regiunea Milioane tone America de Nord 16,6 America de Sud 7,4 China 3,0 India, Pakistan, Bangladesh 3,7 Spa iul Sovietic (fosta URSS) 6,2 Europa (f r Spa iul Sovietic) 9,8 Africa 3,1 Malaiezia, Filipine, Indonezia 8,0 Al ii 3,8 Total 61,6

Ast zi, produc ia mondial de uleiuri vegetale dep e te cererea alimenta iei

umane, animaliere i cererea industriei. Se estimeaz c din excedentul de ulei

vegetal se pot produce aproximativ 3-5 milioane de tone de biocarburant Diesel.

5.5.2. Caracteristicile materiei prime a biocarburan ior Diesel Biocarburantul Diesel este fabricat din uleiuri vegetale, gr simi de buc t rie

reciclate i gr simi animale. Combustibilul con ine pân la 14 acizi gra i diferi i care

sunt transforma i pe cale chimic în metil esteri ai acizilor gra i.

Uleiuri vegetate 77

Tabelul 5.6. Formula structural a acizilor gra i folosi i la biocarburantul Diesel

Acidul gras

Nr. carbon i duble leg turi

Structura chimic

Caprilic C8 CH3(CH2)6COOH

Capric C10 CH3(CH2)8COOH

Lauric C12 CH3(CH2)10COOH

Miristic C14 CH3(CH2)12COOH

Palmitic C16:0 CH3(CH2)14COOH

Palmitoleic C16:1 CH3(CH2)CH=CH(CH2)7COOH

Stearic C18:0 CH3(CH)16COOH

Oleic C18:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

Linoleic C18:2 CH3(CH2)4CH=CHCH2CH= CH(CH2)7COOH

Linolenic C18:3 CH3(CH2)2= CHCH2CH =CHCH2CH=CH(CH2)COOH

Arahidic C20:0 CH3(CH)18COOH

Eicosenic C20:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)9COOH

Behenic C22:0 CH3(CH2)20COOH

Erucic C22:1 CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Diferite frac iuni ale fiec rui tip de metil ester al acizilor gra i se g sesc în

semin ele sau fructele diferitelor plante.

5.5.3. Efectele caracteristicilor materiei prime asupra propriet ilor biocombustibililor Diesel Biocarburantul Diesel, din punct de vedere chimic este simplu deoarece nu

con ine decât ase sau apte esteri ai acizilor gra i.

De cele mai multe ori, esterii nu acoper toate propriet ile importante ale

carburantului cum ar fi: cifra cetanic , viscozitatea, punctul de tulburare, punctul de

curgere i gradul de saturare. Propriet ile carburantului sunt influen ate în egal

m sur de prezen a impurit ilor. În consecin , propriet ile biocombustibililor Diesel

sunt tributare alegerii materiei prime. În calitate de carburant alternativ al motorinei,

biodiesel-ul prezint o cifr cetanic mai ridicat îns viscozitatea i punctul de

tulburare sunt mai slabe.

Esterii acizilor gra i prezen i în moleculele saturate i în lan urile carbonate

lungi au o cifr cetanic ridicat .

Ester Densitate

[kg/m3]

la 15,5 °C

Viscozitate

cSt la 40 °C

Cifra

cetanic

Putere

caloric

[MJ/kg]

Punct de

amestec

°C

Palmitat 867 4,37 74 39,4 30,6

Stearat 867 5,79 75 40,1 39,1

Oleat 878 4,47 55 39,9 -19,8

Linoleat 890 3,68 33 39,7 -35,0

PARTEA I – COMBUSTIBILI ALTERNATIVI

Propriet ile esterilor componen i în stare pur sunt prezentate în tabelul

urm tor:

Amestecul dintre biocarburantul Diesel i motorin prezint o rela ie aproape

liniar pentru cele mai multe dintre propriet ile carburantului. La un amestec de 20%

biodiesel cu 80% motorin (B20), cele mai multe din propriet ile amestecului sunt

mai apropiate de motorin decât de biocarburantul Diesel.

Prin compara ie cu motorina, biocombustibilii Diesel au cifra cetanic ,

viscozitatea i punctele de tulburare i de curgere mai ridicate.

78

Viscozitatea biocarburantului produs din ulei vegetal reciclat din restaurante i

gr simi animale este mai ridicat în compara ie cu viscozitatea biocarburantului

Diesel produs din uleiuri vegetale virgine de soia i rapi .

Propriet ile de fluaj cum ar fi punctele de tulburare i de curgere sunt

importante pentru utilizatorii de biocarburant Diesel la utilizarea pe timp de iarn .

În general, biocombustibilii Diesel ob inu i din gr simi animale i uleiuri

saturate reciclate au puncte de tulburare i de curgere mai ridicate, ceea ce îi face

improprii pentru utilizare la temperaturi sc zute.

Diferite uleiuri i gr simi animale pot con ine diferite tipuri de acizi gra i, în

consecin i propriet ile biocarburantului Diesel sunt diferite dup cum sunt

prezentate în tabelul urm tor.

Tabelul 5.7 Propriet ile esterilor metilici ai acizilor gra i în stare pur

PA

RT

EA

I –

CO

MB

US

TIB

ILI

ALT

ER

NA

TIV

I

Tabelu

l 5.8

. P

ropriet

ile b

ioco

mb

ust

ibili

lor

Die

sel

C

FP

P –

tem

pera

tura

de c

urg

ere

la li

mita

filt

rabili

tii.

PID

– p

unct

ul d

e înce

put al d

istil

rii;P

SD

– p

unct

ul d

e s

fâr

it al d

istil

rii;

Nr.

Crt

. C

arb

ura

nt

Cif

ra

ceta

nic

Pu

nct

ul

de

lim

pez

ire

[°C

]

PID

[°C

]

T1

0

[°C

]

T5

0

[°C

]

T9

0

[°C

]

PS

D

[°C

]

Den

sita

te

[kg

/m3]

Pu

tere

calo

ric

sup

.

[MJ

/kg

]

Pu

tere

calo

ric

inf.

[MJ

/kg

]

Pu

nct

de

tulb

ura

re

[°C

]

Pu

nct

de

curg

ere

[°C

]

CF

PP

Vis

cozi

tate

[cS

t]

la 4

0°C

Ind

ice

de

iod

1

Mo

tori

n

D2

4

0-5

2

6

0-7

21

85

210

260

315

345

850

44,9

43,4

(-2

5)-

(-

15)

(-2

5)-

5

(-1

0)-

(-

20)

2,6

8,6

2

Est

er

met

ilic

de

soia

50,9

1

31

299

328

336

340

346

885

40,4

37,0

-0,5

-3,8

-4,4

4,0

81

33

,2

3

Est

er

met

ilic

de

rap

i

52,9

1

70

326

340

344

348

366

883

40,7

37,3

-4,0

-10

,83

,64

,83

97,4

4

Est

er e

tili

c

de

soia

4

8,2

1

60

--

336

344

-8

81

40,0

--1

,0-4

,0-

4,4

11

23

,0

5

Est

er e

tili

c

de

rap

i

64,9

1

85

--

--

-8

76

40,5

--2

,0-1

5,0

-6

,17

99,7

6

Est

er

met

ilic

de

un

tur

58,8

1

17

209

324

328

342

339

876

40,2

-1

3,9

9,0

11

4,8

-

7

Est

er e

tili

c

de

ule

i

reci

clat

61

1

24

--

--

-8

72

40,5

37,2

9,0

8,0

-5

,78

-


Propriet ile i compozi ia chimic a biocarburantului Diesel depinde de

lungimea i de gradul de nesaturare al acizilor gra i. Un acid saturat nu poate fi

hidrogenat chimic, pe când unul nesaturat poate fi. Acizii satura i au un punct de

congelare mai ridicat decât acizii nesatura i. Punctul de fierbere depinde de lungimea

lan ului de carbon fiind mai pu in influen at de gradul de nesaturare. Efectele structurii

chimice asupra punctelor de amestecare si fierbere se aplic i esterilor acizilor

gra i.

Tabelul 5.9. Efectul structurii chimice asupra punctelor de amestecare i fierbere ale

acizilor gra i i esterilor metilici

Acidul gras

Atomi de carbon

Punct de amestec al acidului [°C]

Punct de fierbere al acidului [°C]

Punct de amestec al esterului metilic [°C]

Punctul de fierbere al esterului metilic [°C]

Caprilic C8 16,5 239 -40 193 Capric C10 31,3 269 -18 224 Lauric C12 43,6 304 5,2 262 Miristic C14 58,0 332 19 295 Palmitic C16:0 62,9 349 30 415 Palmitoleic C16:1 33 - 0 - Stearic C18:0 69,9 371 39,1 442 Oleic C18:1 16,3 - -19,9 - Linoleic C18:2 -5,0 - -35 - Linolenic C18:3 -11,0 - - - Arahidic C20:0 75,2 - 50 - Eicosenic C20:1 23 - -15 - Behenic C22:0 80 - 54 - Erucic C22:1 34 - - -

Cifra cetanic

Biocombustibilii Diesel au în general cifra cetanic mai ridicat decât a

motorinelor obi nuite. Efectul amestec rii biocombustibililor cu motorina asupra cifrei

cetanice este o manifestare liniar în func ie de con inutul de esteri amesteca i.

Cifra cetanic a biocarburan ilor Diesel depinde de con inutul de acizi gra i din

materia prim din care provine uleiul vegetal. Dac lan ul de carbon al acizilor gra i

este lung i dac moleculele sunt mai saturate atunci cifra cetanic a carburantului

este mai ridicat . Materiile nesaponificabile prezente în biocombustibilul Diesel nu

prezint efecte asupra cifrei cetanice.

Uleiuri vegetale 81

Densitatea

Biocarburantul Diesel prezint o densitate superioar care variaz între 870-

890 kg/m3 fa de motorin (aprox. 850 kg/m3). Densitatea carburantului influen eaz

caracteristicile jetului de combustibil i prin urmare procesele de formare a

amestecului aer-combustibil i arderea.

Viscozitatea

Viscozitatea este o alt proprietate important a biocombustibilului Diesel prin

care se influen eaz asupra func ion rii sistemului de injec ie, în particular la

temperaturi sc zute. Viscozitatea m rit afecteaz fluiditatea carburantului,

biocombustibilii Diesel au o viscozitate mai ridicat decât a motorinei. O viscozitate

ridicat influen eaz negativ atomizarea combustibilului în procesul de pulverizare.

Comparativ cu motorina, viscozitatea biocarburan ilor Diesel i a amestecurilor

cre te rapid cu sc derea temperaturii ambiante.

Propriet ile de curgere la temperaturi sc zute

Punctul de tulburare este temperatura la care parafina sau ceara începe s se

solidifice.

Punctul de curgere este temperatura la care cantitatea de parafin sau cear

dintr-o solu ie este suficient pentru a solidifica carburantul, fiind deci cea mai

coborât temperatur la care combustibilul poate curge. În aceste condi ii, punctul de

tulburare subestimeaz aptitudinile combustibilului de a fi utilizat la temperaturi

sc zute, punctul de curgere supraestimându-le.

Comparativ cu motorina, biocombustibilii Diesel au cele dou puncte mai

ridicate.

Stabilitatea biocombustibililor Diesel

Termenul de stabilitate înglobeaz stabilitatea termic la temperaturi ridicate i

joase, rezisten a la oxidare, polimerizare, absorb ia apei i activitatea microbian .

Principala surs de instabilitate a biocombustibililor Diesel o constituie lan urile

de acizi gra i nesatura i.

Metalele i elastomerii, în contact cu biocarburan ii Diesel pe timpul depozit rii

pot influen a asupra stabilit ii.


Prezen a apei în biocarburan ii Diesel poate cauza ruginire i coroziune pe

când prezen a acizilor i hidroperoxizilor genereaz oxidarea carburantului. Prezen a

apei favorizeaz proliferarea microbian la interfa a apei cu biocarburantul Diesel.

Indicele de iod

Indicele de iod permite cuantificarea gradului de nesaturare al combustibilului.

Nesaturarea poate antrena formarea depozitelor i poate pune probleme asupra

stabilit ii biocarburantului Diesel la depozitare.

Esterii metilici de soia i rapi au indici de iod de 133 i respectiv 97. Nu

exist date asupra esterilor gr similor animale îns se a teapt un indice de iod

sc zut, luându-se în considerare procentul ridicat de acizi gra i satura i afla i în

materia prim .

Cercet ri efectuate de Mercedes Benz au ar tat c un biocombustibil cu un

indice de iod superior a 115 nu este acceptabil din cauza depozitelor excesive de

carbon.

5.5.4. Tehnologii de ob inere a biocarburan ilor Diesel (Biodiesel) Procesul de transesterificare constituie procedeul clasic de ob inere al

biocarburantului Diesel. Prin acest procedeu uleiurile vegetale virgine sau uzate,

gr simile animale i/sau uleiurile pe baz de microalge sunt amestecate cu un alcool

(metanol sau etanol) în prezen a unui catalizator (hidroxid de sodiu sau potasiu)

pentru a forma esteri gra i (ester metilic sau etilic). Transformarea uleiurilor

trigliceride în esteri metilici sau etilici permite reducerea masei moleculare la o treime

din cea a uleiurilor utilizate, reduce viscozitatea de opt ori i cre te volatilitatea.

Temperatura, tipul catalizatorului, raportul alcool/ester i viteza de amestec sunt

variabile importante care influen eaz tipul de desf urare a reac iilor de

transesterificare i eficien a transform rii. Puritatea agen ilor reactivi, de exemplu

prezen a apei, a acizilor gra i liberi i a altor produ i ce contamineaz uleiurile

nerafinate ( i alte materii prime) sunt de asemenea variabile importante.

Un bilan stoichiometric simplificat al materialelor poate fi prezentat sub forma

urm toarei ecua ii:

Ulei sau gr simi + Metanol = Ester metilic + Glicerin

1000 kg 107,5 kg 1004,5 kg 103 Kg

Uleiuri vegetale 83

Ca urmare a reac iilor, produsele sunt separate în dou faze, ceea ce va

u ura evacuarea glicerinei i a subprodusului industrial util ob inut în cursul primei

faze a procesului. Amestecul rezidual alcool-ester este apoi separat, excesul de

alcool fiind reciclat.

Urmeaz apoi o sp lare i o epurare a esterilor prin sp lare cu ap , distilare,

uscare sub vid i filtrare.

Biocarburantul Diesel ob inut pe aceast cale este cunoscut sub denumirea

comun de ester vegetal.

În tabelul urm tor se prezint propriet ile elementare ale esterilor metilici

produ i plecând de la diferite uleiuri vegetale.

Tabelul 5.10. Propriet ile biocarburantului Diesel

Uleiul utilizat

Densitate g/cm3

Viscozitate cSt la 40° C

Cifra Cetanic

Putere caloric MJ/kg

Punct de tulburare [°C]

Palmier 0,880 5,7 62 37,8 +13 Soia 0,884 4,08 46,2 39,8 +2 Floarea soarelui

0,880 4,6 49 38,1 +1

Seu/untur 0,877 4,1 58 39,9 +12 Rapi 0,880 4,4 49,6 40,1 -1 Al doilea procedeu de ob inere face apel la hidrogenarea catalitic simultan cu

procesul de cracare a uleiurilor vegetale.

Acest procedeu este utilizat pentru a produce un tip de biocarburant Diesel

plecând de la un subprodus numit “tallol” de tratare pastelor Kraft. Principalele

elemente constituente ale tallolului sunt acizii gra i C18 nesatura i, acizii r inici i

hidrocarburile nesaporificabile ca alcoolii i aldehidele. Prin acest procedeu se ob ine

un biocarburant Diesel numit “supercetan”, deoarece prezint o cifra cetanic în jur

de 60.

Se estimeaz c produc ia mondial de tallol este de 1,2 milioane de tone din

care 60% revin Statelor Unite.

Utilizarea tradi ional a tallolului presupune ca acesta s fie degudronat i apoi

distilat pentru a ob ine un subprodus de valoare con inând acizi gra i de tallol i r ini

de tallol.

Procedeul CANMET care vizeaz transformarea tallolului în subprodu i de

valoare utilizeaz hidrogenarea catalitic simultan cu cracarea tallolului degudronat.


La acest procedeu de produc ie a “Supercetanului”, tallolul degudronat este

pompat într-un circuit de înalt presiune unde se amestec cu hidrogenul, faza lichid-

gaz trecând apoi printr-un grup de înc lzire electric înainte de a intra în reactorul

catalitic pe un pat rulant. Produsul este trecut prin dou coloane de vaporizare apoi

decantat pentru a se elimina apa. Dup acest proces, produsul este distilat i trecut

printr-un alimentator dozator pentru a se ob ine frac iunile dorite. Gazul este tratat i

reciclat dup ce impurit ile au fost îndep rtate cu ajutorul separatoarelor.

În instala ia de ob inere a supercetanului (biocarburantului Diesel) este

important reparti ia celor trei puncte de fierbere ale tallolului degudronat i separare

a hidrocarburilor lichide în trei frac ii: nafta-petrol <160 °C, supercetan (frac iunea

supercetan biodiesel 160 – 325 °C) i p cur (frac iuni grele >325 °C).

Propriet ile supercetanului, ale tallolului degudronat i ale motorinei (D1) sunt

prezentate în urm torul tabel.

Tabelul 5.11. Propriet ile supercetanului (SC) i tallolului degudronat

comparativ cu ale motorinei (D1)

Proprietate Tallol degudronat

Supercetan Motorin D1

Densitate [kg/m3] 961,6 829,7 850 C % masice 79,1 86,4 - H % masice 11,0 13,5 - O % masice 9,5 0,02 - N mg/dm3 58 1,3 - S mg/dm3 993 18,6 500 Indice de aciditate gKOH/g

152,2 <0,05 0,1

10% [°C] 345 225 215 90% [°C] 404 322 288 Distilare 100%[°C] 573 344 316

Cifra cetanic - 64 40

Uleiuri vegetale 85

5.6. CERCET RI PRIVIND UTILIZAREA BIOCARBURAN ILOR DIESEL

Sursele de energie regenerabil prezint un interes în cre tere deoarece ele

vin în întâmpinarea cerin elor de viitor cunoscut fiind faptul c sursele energetice

tradi ionale sunt limitate.

Materiile prime utilizate pentru ob inerea biocarburan ilor Diesel sunt:

uleiurile vegetale virgine i uzate;

gr simile animale.

Biocombustibilii Diesel ob inu i prin metoda transesterific rii sau prin metoda

hidrogen rii pot fi utiliza i în amestec (BX) sau în stare pur (B100).

Prin cercet ri intense se vizeaz posibilitatea utiliz rii la alimentarea

motoarelor Diesel, f r modific ri constructive, a uleiurilor vegetale virgine f r a fi

transformate chimic.

5.6.1. Utilizarea amestecurilor motorin -biocarburant Diesel

Biocombustibilii Diesel (metil ester sau etil esteri/ulei vegetal) prezint o bun

miscibilitate cu motorina, neseparându-se în prezen a apei.

În cazul unui amestec cu motorina a unei cantit i de biocombustibil mai mic

de 5% (ex. B2, B5) se îmbun t esc calit ile lubrifiante ale motorinei f r a afecta

major performan ele ecologice ale motorinelor, se îmbun t e te economia de

combustibil i se reduc emisiile de CO2 simultan.

Pe plan mondial se comercializeaz un amestec de 20% biocombustibil Diesel

în motorin (B20). Utilizarea acestui amestec nu necesit nici o modificare

constructiv a motorului Diesel. Cercet rile experimentale au demonstrat c

performan ele energetice ale motoarelor nu se modific , în schimb emisiile poluante

se reduc dup cum urmeaz : CO cu 20%, particule cu 22%, hidrocarburile nearse cu

30%, compu ii sulfului cu 20%, CO2 cu 16%, pot cre te u or emisiile de oxizi de azot

(cu pân la 2%). Nivelul zgomotului datorat arderii amestecului B20-aer este mai

redus decât în cazul utiliz rii motorinei pure.

Un alt avantaj pe care îl are utilizarea amestecului B20 îl constituie uzura mai

mic a motorului.


5.6.2. Utilizarea biocarburan ilor Diesel în stare pur (B100)

Propriet ile biocarburan ilor Diesel (metil ester, etil ester/ulei vegetal, gr simi)

sunt apropiate de cele ale motorinei.

Cercet ri experimentale au ar tat c motoarele Diesel actuale pot func iona

cu B100 f r modific ri constructive. Performan ele energetice se diminueaz cu

aproximativ 8% îns printr-o ajustare a pompei de injec ie se poate compensa

aceast diminuare.

Ceea ce recomand utilizarea biocarburantului Diesel sunt calit ile de mediu

ale acestuia, emisii reduse i biodegradabilitate.

5.6.3. Utilizarea uleiurilor vegetale pentru alimentarea motoarelor Diesel Reducerea costului biocombustibililor Diesel se poate realiza prin eliminarea

unor procese tehnologice costisitoare.

Utilizarea uleiurilor vegetale în stare pur presupune anumite modific ri

constructive aduse motorului datorit diferen elor dintre propriet ilor motorinei i ale

uleiului vegetal.

Au fost efectuate cercet ri experimentale pentru a stabili posibilitatea de

utilizare a uleiului de rapi în stare pur .

Propriet ile comparative ale motorinei i uleiului de rapi sunt prezentate în

urm torul tabel.

Tabelul 5.12. Propriet ile comparative ale motorinei i uleiului de rapi

Caracteristica Motorin Ulei de rapi Cifra cetanic 51 41 Densitate [kg/m3] [15 °C] 850 920 Putere caloric [MJ/kg] 43,6 37,3 Viscozitate [mm2/S] [20 °C] 4,7 75 C : O : H [%] 86 : 14 : 0 78 : 10 : 12 Sulf [%] 0,20 0,0012 Ap [%] - 0,07 Cenu [%] - 0,01 Hidrocarburi aromatice [%] 21,5 - Acizi gra i liberi [%] - 0,86 Cifra de neutralizare [mg KOH/g] - 1,54

Uleiul de rapi utilizat a fost ob inut în parte prin presare la o temperatur de

80 pân la 100 °C i cu ajutorul haxanului din turtele rezultate la presare. Uleiul astfel

ob inut a fost filtrat, separat de ap i gume.

Uleiuri vegetale 87

Uleiul de rapi este compus dintr-un num r de acizi gra i satura i i

nesatura i, cel mai important fiind acidul oleic (60%), linoleic (21%), -linoleic 10% i

acidul palmitic (5%).

Cu toate c uleiul de rapi are cifra cetanic mult mai sc zut , experimentele

efectuate au ar tat c întârzierea la autoaprindere i procesul de ardere sunt similare

motorinei.

Puterea caloric a uleiului de rapi este cu 14% mai sc zut decât a

motorinei îns dac se raporteaz la volum, diferen a este de numai 7%.

Uleiul de rapi prezint o viscozitate puternic dependent de temperatur , la

20 °C fiind de 16 ori mai mare decât a motorinei.

Uleiul de rapi congeleaz la -5 °C. Curbele de distilare pentru motorin i

uleiul de rapi arat o diferen notabil la temperaturi reduse unde sunt impuse

bune condi ii de evaporare.

Cercet rile experimentale au ar tat c randamentul efectiv este superior la

utilizarea uleiului de rapi pe întreaga gam de sarcini i tura ii (cu pân la 3%).

Degajarea de c ldur este similar pentru cei doi combustibili, micile diferen e fiind

datorate densit ilor diferite.

5.6.4. Impactul utiliz rii biocarburan ilor Diesel asupra mediului

M sur tori privind emisiile nocive la alimentarea motoarelor Diesel cu

biocombustibili în stare pur i în amestec cu motorina au ar tat nivele mai reduse

decât în cazul utiliz rii motorinei pure.

Poten ialul de formare al ozonului de suprafa pornind de la precursorii da i

de biocarburan ii Diesel este cu aproape 50% mai redus decât în cazul utiliz rii

motorinei.

Emisiile de compu i ai sulfului sunt complet elimina i la utilizarea

biocarburantului Diesel pur.

Încerc rile experimentale au ar tat c la utilizarea biocombustibililor Diesel

emisiile de hidrocarburi nearse, oxid de carbon i particule sunt substan ial mai

reduse iar emisiile de oxizi de azot r mân acelea i sau cresc u or.

Emisiile de oxid de carbon (gaz otr vitor) sunt mai reduse cu aproximativ 47%

în cazul utiliz rii biocombustibililor Diesel comparativ cu cele date de motorin .


Tabelul 5.13. Gradul de reducere/cre tere a emisiilor poluante i a efectelor

nocive ale biocarburantului Diesel în compara ie cu motorina

Emisia B100 B20 Oxid de carbon -48% -12%

Hidrocarburi -67,0% -20,0%

Oxizi de azot +10% +2%

Particule -47% -12%

Sulfa i -100% -20%

Hidrocarburi aromatice policiclice -80% -13%

Hidrocarburi aromatice policiclice nitrate

(nPAH) -90% -50%

Ozonul poten ial datorat precursorilor -50% -10%

Toxicitatea aerului -60% … -90% -12% … -20%

Mutagenitate -80% … -90% -20%

Emisiile de particule sunt considrate drept periculoase pentru s n tatea

uman . Emisia de particule datorate utiliz rii biocarburan ilor este cu aproximativ

47% mai sc zut decât în cazul motorinei.

Hidrocarburile nearse care contribuie la formarea ozonului troposferic sunt mai

reduse ca i concentra ie în gazele arse ale biocombustibililor Diesel comparativ cu

motorina.

Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel pot fi

mai mari sau mai mici în func ie de caracteristicile motorului i de procedurile de

încercare. Emisiile de oxid de azot provenite din utilizarea biocombustibililor Diesel

puri cresc cu 10%. Lipsa sulfului din combustibil permite utilizarea unor metode de

control imposibil de aplicat în cazul utiliz rii motorinei.

Utilizarea biocarburantului Diesel reduce riscurile asupra s n t ii umane care

sunt asociate utiliz rii produselor petroliere.

Analiza gazelor de evacuare ale autovehiculelor care utilizeaz biocombustibili

arat o sc dere a nivelului de hidrocarburi aromatice policiclice i de hidrocarburi

aromatice policiclice nitrate care sunt identificate ca substan e cancerigene.

Cercet ri recente au ar tat c diminuarea emisiilor hidrocarburilor aromatice

policiclice este de 75% pân la 85% cu excep ia benzo(a)antracen care s-a redus cu

aproximativ 50%. În ceea ce prive te hidrocarburile aromatice policiclice nitrate

Uleiuri vegetale 89

(nPAH), emisiile s-au redus dramatic la utilizarea biocombustibilului Diesel, astfel: 2-

nitrofluorena i 1-nitropirena s-au mic orat cu aproape 90% restul acestei categorii

de hidrocarburi s-a redus pân la categoria de “urme”.

Biocombustibilii Diesel nu con in substan e toxice pentru s n tatea uman .

În cazul manipul rii lor, vaporii pot cauza irita ia mucoaselor i a ochilor iar

contactul îndelungat sau periodic poate cauza iritarea pielii, care este mai redus

decât cea indus de o solu ie 4% s pun în ap .

Ingurgitarea biocombustibilului Diesel este letal la o doz mai mare de

17,4g/kg-corp. Prin compara ie, sarea de buc t rie este de 10 ori mai toxic .

Biocombustibilii Diesel nu produc toxicitate a apelor, experimentele ar tând c

pe 96 ore concentra ia letal a trebuit s fie mai mare de 1000g/litru ap . În

consecin , se consider c toxicitatea biocombustibililor Diesel în ap este

nesemnificativ .

Un alt element important pe care-l reprezint biocarburan ii Diesel asupra

mediului ambiant în reprezint biodegradabilitatea lor. Biocarburantul Diesel se

degradeaz de mai mult de patru ori mai repede decât motorina. În 28 de zile, un

biocarburant Diesel se degradeaz în propor ie de 85-88% în ap .

Amestecarea biocarburan ilor Diesel în motorin , B20 de exemplu,

accelereaz biodegradabilitatea amestecului de dou ori în compara ie cu cea a

motorinei.

5.7. CONSIDERA II TEORETICE PRIVIND PROCESELE DIN CILINDRII MOTORULUI

5.7.1. Formarea amestecului în motoare cu aprindere prin comprimare

Formarea amestecului în motorul Diesel comport aspecte specifice, cum ar fi:

Necesitatea unui nivel energetic dat de mi carea înc rc turii proaspete i de jetul de

combustibil

Et = Ea + Ec (5.1)

unde:

Ea – energia înc rc turii proaspete;

Ec – energia jetului de combustibil;


Timpul scurt avut la dispozi ie pentru a preg ti sub aspect fizic i chimic amestecul

pentru autoaprindere;

Existen a unei pronun ate neomogenit i a amestecului în camera de ardere;

Suprapunerea par ial a procesului de formare a amestecului cu procesul de ardere.

5.7.1.1. Mi carea aerului în camera de ardere a MAC

Formarea amestecului aer-combustibil necesit ca înc rc tura proasp t s

posede un nivel energetic optim dat de mi carea organizat i neorganizat a

înc rc turii proaspete.

Mi carea organizat este indus în general în timpul cursei de admisie,

intensitatea componentelor acesteia depinzând de caracteristicile constructive i

func ionale ale motorului.

Mi carea organizat a aerului poate fi descompus dup trei direc ii în raport

cu axa cilindrului:

- Mi carea tangen ial a aerului, de rota ie (swirl), este generat de

amplasarea tangen ial a canalului de admisie în raport cu alezajul cilindrului.

Intensitatea acestei mi c ri poate fi realizat prin utilizarea canalelor de

admisie elicoidale sau a supapelor cu ecran.

- Mi carea axial a aerului este generat de deplasarea pistonului între

punctele moarte, sensul ei fiind cel al pistonului.

- Mi carea radial poate fi dinspre camera de ardere spre oglinda cilindrului

când volumul de deasupra pistonului este în cre tere i dinspre oglinda cilindrului

spre camera de ardere când volumul de deasupra pistonului se mic oreaz .

Toate aceste componente ale mi c rii aerului au intensit i diferite pentru

diferitele pozi ii ale pistonului în ciclul motor, care trebuie controlate pentru a

r spunde cerin elor energetice i de mediu.

Mi c rile neorganizate reprezint turbulen a înc rc turii proaspete, aceste

mi c rii referindu-se la pachete mici de înc rc tur i sunt induse de construc ia

motorului (canal de admisie rugos, poart a supapei i chiar supap ) sau de

utilizarea fenomenelor dinamice ale schimbului de gaze. Utilizarea supraaliment rii

acustice centreaz poarta supapei ca o surs de unde în cilindrul motorului.

Mi carea de rota ie (swirl) este generat de curgerea aerului pe direc ie tangen ial

la periferia cilindrului i este dat de pozi ia tangen ial a canalului de admisie.

Uleiuri vegetale 91

Fig. 5.1 – Supapa de admisie cu ecran

Aceast mi care este caracterizat de raportul de vârtej r definit prin raportul

dintre viteza unghiular de rota ie a aerului a i viteza unghiular a arborelui cotit .

r

raar (5.2)

rentul de aer în partea opus pozi iei lui

brica ie i reducerea gradului de umplere datorit cre terii rezisten ei

cu ecran sunt în parte eliminate prin utilizarea unor

anale de admisie elicoidale.

unde:

na, n – tura iile corespunz toare vitezelor unghiulare.

O mi care de rota ie de intensitate sporit se organizeaz în cursa de admisie

prin intermediul unor construc ii speciale cum ar fi utilizarea supapei de admisie cu

ecran prin intermediul c reia se dirijeaz cu

pe supap amplificând mi carea de rota ie.

Supapele ecranate antreneaz unele dezavantaje cum ar fi: complicarea

tehnologiei de fa

gazodinamice.

Dezavantajele supapei

Fig. 5.2 – Canal de admisie elicoidal

c


La construc iile moderne, mi carea de rota ie a înc rc turii proaspete poate fi

controlat in func ie de tura ia motorului prin utilizarea a mai multor canale de

admisie cu forme si amplasame în raport cu cilindrul motorului, debitul de

er prin canale putând fi controlat în func ie de cerin ele intensit ii mi c rii de vârtej.

ie a aerului poate fi optimizat inând seama de

faptul c aceasta trebuie corelat cu tipul camerei de ardere, num rul jeturilor de

combustibil i dispersia jeturilor:

nte diferite

a

Fig. 5.3 – Utilizarea canalelor de admisie cu forme i aranjamente diferite

Viteza unghiular de rota

a zn

opt j12 (5.3)

nde:

ghiul de dispersi

Zj – num rul de orificii de pulverizare al pulverizatorului

pe sec iunea transversal .

Forma camerei de ardere poate influen a nivelul componentelor mi c rilor

urii proaspete.

u

n – tura ia motorului;

– un e a jetului;

injectorului.

Mi carea radial (squish) este determinat prin efectul de prag.

Mi carea axial este generat de deplasarea pistonului. Viteza de deplasare

axial a fluidului proasp t este variabil

organizate ale înc rc t

Uleiuri vegetale 93

Mi carea turbulent

Prin mi care turbulent se în elege mi carea dezordonat a unor pachete de

fluid de dimensiuni reduse cu viteze diferite i care pot fi descrise cu valori medii,

distin a liber (în masa

n

tele de fluid

se ordoneaz de la o dimensiune maxim pân la o dimensiune minim .

lui contribuie la ob inerea unui amestec favorabil

i controlului

care se analizeaz calitatea pulveriz rii

ombustibilului, fine ea i omogenitatea.

în

trului mediu al particulelor de combustibil din jet se poate

statistice.

Se ge turbulen a pe perete (în stratul limit ) i turbulen

fluidului).

Valorile medii ale m rimilor care caracterizeaz turbulen a se definesc în

raport cu timpul sau în raport cu distan a i rezult dou sc ri distincte ale

turbulen ei; o scar temporal i o scar spa ial . În primul caz, într-un punct dat din

spa iu, un anumit model de mi care se repet , mai mult sau mai pu in regulat dup

un timp determinat; în al doilea caz, în dou puncte distincte din spa iu, la u

moment dat, se repet un anumit model de mi care mai mult sau mai pu in regulat.

Când mi carea turbulent nu este între inut , intensitatea ei scade treptat în

timp pân se anuleaz . Amortizarea mi c rilor turbulente este determinat de

disiparea energiei cinetice a pachetelor de fluid în energia cinetic a moleculelor.

Mecanismul de disipare a energiei turbulente presupune c pache

5.7.1.2. Pulverizarea combustibilului

Elementul central al form rii amestecului motorului cu aprindere prin

comprimare îl constituie jetul de combustibil pulverizat prin intermediul injectorului. În

afar de parametrii de stare ai înc rc turii proaspete (temperatur i presiune),

nivelul energetic al mi c rii aeru

autoaprinderii i arderii acestuia.

Dezvoltarea jetului de combustibil d m sura optimiz rii

aprinderii i emisiilor poluante la motorul cu aprindere prin comprimare.

Analiza jetului de combustibil se poate realiza pe baza caracteristicilor de

calitate ale acestuia, caracteristici prin

c

Fine ea pulveriz rii înf i eaz gradul de f râmi are a jetului de combustibil

curentul de aer i se apreciaz prin diametrul mediu al particulelor de combustibil.

Calculul diame

realiza cu formulele:


k

i i

k

i ii

am

n

ndd

1

1

, (5.4) a)

i iidn1

2 b)

kdn 3

(5.5)

nde:

mai multe rela ii de calcul ale

ot fi aplicate acelea i formule

a nd tervin decât m rimi fizice.

Rela iile prezentate în literatura de specialitate pentru diametrul mediu al

ic turilor în cazul motorinei, dup diferi i autori sunt:

sm

sm

(5.6)

u

k

i ii

smd1

,

u

di – diametrul mediu al unui grup de pic turi;

ni – num rul de pic turi;

k – num rul grupurilor de pic turi;

Pe baza experimentelor au fost exprimate

diametrului mediu al pic turilor, experimentele fiind efectuate cu motorin . Se

suspecteaz c în cazul biocombustibililor Diesel p

vâ în vedere c nu in

p

][107,0

][)(Re107,8

223,011,0157,0576,0186,05

,

28,06

,

mmpd

mWedd

ccc

i

a

nde:

Re – criteriul Reynolds

c

iinjdwRe (5.7)

We – criteriul Weber

c

ciinjdw

(5.8)

];

mbustibilului [Ns/m3], 2/s];

We

a – densitatea aerului [kg/m3

c – densitatea combustibilului [kg/m3];

c, c – viscozitatea dinamic , respectiv cinematic a co

[m

Uleiuri vegetale 95

p – diferen a între presiunea de injec ie i presiunea din cilindrul motorului

cantitatea de combustibil injectat pe ciclu [kg/ciclu];

torului [m].

ine s se utilizeze

âns. Se poate aprecia printr-un calcul statistic reparti ia dimensional a

ul L str b tut de jetul de combustibil în

camera de ardere pe direc ia orificiului pulverizatorului în timpul .

Penetra ia jetului se adopt în func ie de caracteristicile camerei de ardere în

a a fel încât pe timpul injec iei, aceasta s str bat întreaga camer de ardere

pentru a utiliza aerul disponibil. La formarea amestecului aer-combustibil,

preponderent în volum, pic turile de combustibil nu trebuie s ating pere ii reci ai

camerei de ardere, în acest caz penetra ia jetului fiind un factor de optimizare a

amestecului.

La momentul , penetra ia jetului poate fi descris cu rela ii empirice stabilite

e experimentale, ele fiind de tipul:

[Pa];

mc –

winj – viteza de injec ie [m/s];

c – tensiunea superficial a combustibilului [N/m];

di – diametrul orificiului de pulverizare al injec

Pentru a calcula diametrul pic turii de combustibil prin care se poate aprecia

omogenitatea combustibilului Diesel, în faza de proiectare este b

formula în care intr cele mai multe m rimi fizice ale combustibilului.

Omogenitatea pulveriz rii caracterizeaz gradul de uniformitate al dimensiunilor

pic turilor.

Omogenitatea este cu atât mai bun cu cât intervalul de varia ie al pic turilor

este mai restr

pic turilor de combustibil într-un jet de combustibil.

Penetra ia jetului reprezint drum

pe baz

][10621,6 54,062,0213,031,054,04 mzdmL iiacc

][31 25,05,0 mpa673,162

][0

5,02

515,0

15

dL

mL

cc

ai

c

a

5.9)

unde:

461, 7,011,0 thp

25,0


zi – num rul de orificii ale pulverizatorului;

bi cazulindL ,95,1a

(5.10)

b

c

p

cazulinp

L 0,2

39,0

25,0

unde:

p

d

a

icb 65,28

(5.11)

Dac în cilindru exist organizat o mi care de rota ie caracterizat de

raportul de vârtej r , atunci penetra ia jetului poate fi rima exp t cu rela ia:

Ld

pLnrLra

2 i3

88,101 (5.12)

mbustibil este unghiul de

ispersie ( ) ale jetului format de tangentele la conturul jetului, concurente în orificiul

pulverizatoru ie caracterizeaz gradul de împr tiere a

ic turilor de combustibil în camera de ardere.

Dispersia pic turilor din jetul de combustibil poate fi apreciat i prin raza de

Un alt element prin care se apreciaz jetul de co

d

lui. Unghiul de dispers

p

dispersie Rd.

Rela iile de calcul sunt:

p 115,014,0

2

mHdwR iinjd

acc

45,02,0766,0

09,003,097,0

(5.13)

unde: H – distan a de la injector la peretele camerei de ardere; În cazul existen ei unei mi c ri de rota ie a înc rc turii în camera de ardere,

unghiul de dispersie al jetului poate fi apreciat cu formula:

Uleiuri vegetale 97

2

3.88,101

a

i

r

dpLnr (5.14)

5.7.1.3 Factorii de influen ai calit ii pulveriz rii

Pulverizarea combustibilului este influen at de o multitudine de factori care

dac sunt controla i pot influen a calitatea amestecului de combustibil.

ermin pe de o

i pe de alt parte influen eaz parametrii de

e terea nivelului presiunii din camera de ardere

eriferia

geometrie a orificiului

itatea pic turilor

i penetra ia jetului.

ura i

ei

ce va determina viteza medie a

fine ea i penetrabilitatea

tului de combustibil datorit amplific rii energiei cinetice a acestuia.

atea jetului se diminueaz .

Presiunea din camera de ardere

Valoarea presiunii aerului la sfâr itul cursei de comprimare det

parte nivelul de temperatur al aerului

calitate ai jetului de combustibil. La cr

se îmbun t e te fine ea pic turilor de combustibil îns penetra ia jetului se reduce

datorit rezisten ei m rite la înaintarea acestuia i a frec rilor sporite la p

jetului, existând posibilitatea neutiliz rii eficiente a aerului disponibil în camera de

ardere

Presiunea de injec ie

Valoarea presiunii de injec ie pentru o anumit

pulverizatorului poate influen a to i parametrii de calitate ai jetului de combustibil.

M rirea nivelului presiunii de injec ie influen eaz fine ea i omogen

de combustibil, influen eaz pozitiv dispersia

T a motorului

Tura ia motorului influen eaz în mod direct asupra tura iei arborelui pomp

de injec ie (la sistemele conven ionale), ceea

pistona ului pompei de injec ie.

M rirea tura iei motorului va m ri viteza medie a pistonului pompei de injec ie,

ceea ce va spori nivelul presiunii de injec ie, influen ând

je

Geometria orificiului de pulverizare

a) Diametrul orificiului de pulverizare

Reducerea diametrului orificiului de pulverizare îmbun t e te fine ea i

omogenitatea jetului de combustibil iar penetrabilit


La men inerea unei valori constante a dozei de combustibil pe ciclu, mic orarea

diametrului orificiilor de pulverizare va conduce la cre terea penetrabilit ii jetului ca

urmare a cre terii vitezei pic turilor de combustibil din jet.

rea lungimii orificiilor prelucrate în vârful pulverizatorului se

itatea acestuia.

l im

e a acului injectorului se realizeaz reducerea

ific rii curgerii turbulente.

ei medii a pistonului pompei de injec ie determin amplificarea

cul aer-combustibil în motorul cu aprindere prin comprimare se

caracterizeaz printr-o puternic neomogenitate i prin urmare procesele de

autoaprindere i de ardere sunt foarte complexe.

se scurge o perioad de timp care poart denumirea de întârziere la

in existen a unor fenomene de

eg t

erizarea i vaporizarea combustibilului;

r de oxidare;

nt fizic îaf în care au loc procesele de formare a amestecului;

b) Lungimea orificiului de pulverizare

Prin mic ora

m re te dispersia jetului i se mic oreaz penetrabil

În ea de ridicare a acului injectorului

Prin limitarea în l imii de ridicar

diametrului pic turilor de combustibil din jet datorit ampl

Viteza medie a pistonului pompei de injec ie

M rirea vitez

energiei cinetice a jetului de combustibil ceea ce va conduce la cre terea

penetrabilit ii jetului de combustibil în camera de ardere.

5.7.2. Autoaprinderea i arderea amestecurilor aer-combustibil în motoarele Diesel Ameste

De la începutul procesului de injec ie i pân în momentul autoaprinderii

amestecului

autoaprindere.

Întârzierea la autoaprindere poate fi explicat pr

pr ire a arderii:

- pulv

- amestecarea combustibilului cu aerul;

- ini ierea reac iilo

- parcurgerea stadiilor autoaprinderii polistadiale.

În mod conven ional, perioada întârzierii la autoaprindere se descompune în

dou componente:

- o compone

- o component chimic îach în care are loc preg tirea chimic prealabil

aprinderii i arderii.

Uleiuri vegetale 99

În consecin , întârzierea la autoaprindere poate fi privit ca sum a acestor

componente:

chf iaiaia (5.15)

În realitate, cele dou componente se suprapun. Întârzierea la autoaprindere

i combustibilul rece sub efectul

at de dezvoltarea rapid în întreaga

i ia unor noi centre

nsider în

c cre terea

rite de oxizi de azot.

, procesul de ardere

des în destindere.

erii, urmeaz o a treia

faz , a e z se caracterizeaz prin men inerea presiunii la

o valo m), arderea este influen at de

perfec i a celui care se

mai inj t

depinde de:

- temperatura i presiunea amestecului ini ial la sfâr itul comprim rii;

- propriet ile fizico-chimice ale combustibilului;

- schimbul de c ldur între aerul înc lzit

turbulen ei;

- propor ia relativ între combustibil, oxigen i gazele inerte aflate în amestec

i în camera de ardere.

Apari ia centrelor de autoaprindere marcheaz intrarea în faza arderii rapide.

Faza arderii rapide este caracteriz

camer de ardere ca urmare a propag rii fl c rii turbulente i apar

de autoaprindere.

Momentul în care presiunea înceteaz s mai creasc rapid se co

mod conven ional ca sfâr itul celei de-a doua faze ( r).

Procesul arderii în faza a doua se caracterizeaz prin viteza mare de cre tere

a presiunii în camera de ardere.

Dac durata întârzierii la autoaprindere este mare, atunci cre te cantitatea de

amestec preformat i apare posibilitatea desf ur rii reac iilor de ardere cu viteze

extrem de mari iar cantitatea de c ldur degajat este mare i provoa

rapid a presiunii efectul fiind func ionarea brutal a motorului, m rirea solicit rilor

mecanice i termice i posibilitatea form rii unor cantit i spo

În cazul în care întârzierea la autoaprindere este mic , atunci în cilindrii

motorului ajunge o cantitate redus de combustibil, ca urmare, viteza de degajare a

c ldurii este redus iar cre terea presiunii este neînsemnat

f urându-se cu eficien redus

Deoarece nu tot combustibilul g se te aerul necesar ard

rd rea moderat . Aceast fa

are relativ constant . În aceast faz (

iunea amestec rii combustibilului r mas din faza precedent

ec eaz cu oxigenul necesar arderii.


e

are în acest caz un caracter difuziv, adic , viteza de

formar port cu viteza reac iei chimice.

t t postarderea, proces prin care combustibilul care a

sc pat t reac ii de oxidare total sau

par ial considerat o subfaz a arderii moderate. C ldura

deg z este utilizat neeconomic îns din punctul de vedere al

i depind nivelele

de CO C prindere prin comprimare.

n i presiunii din cilindrul unui motor cu aprindere prin

compr ele procese ce au loc.

scopul ob inerii unor performan e ridicate de putere,

economicit poate realiza prin factorii de

influen

ui în momentul injec iei, prin:

dmisie cu caracteristici diferite;

;

combustibilului;

2. Arderea rapid

Cantitatea de amestec preformat pân în momentul aprinderii, prin:

dere;

legea de injec ie;

combustibilului:

num r de jeturi;

arhitectura camerei de ardere;

Ac ast faz se încheie când presiunea începe s scad .

Faza arderii moderate

e a amestecului este dominant în ra

Ul ima faz o reprezin

reac iilor de oxidare în primele faze supor

. Faza postarderii este

ajat în aceast fa

emisiilor poluante este foarte important deoarece de desf urarea e

, H i particule emise de motorul cu a

Di analiza evolu ie

imare se pot identifica principal

Controlul arderii în

ate i nivel redus de emisii poluante se

ai fazelor de ardere:

1. Întârzierea la autoaprindere

M rimile de stare ale aerul

raportul de comprimare;

presiunea i temperatura de admisie;

intensitatea mi c rii aerului prin:

arhitectura canalului de admisie;

utilizarea mai multor canale de a

supap cu ecran;

arhitectur a camerei de ardere;

avansul la injec ie

calit ile de aprindere ale

calit ile pulveriz rii;

durata întârzierii la autoaprin

distribu ia

Uleiuri vegetale 101

intensitatea vârtejului;

Num rul nucleelor de flac r , prin:

num rul de jeturi;

3. Arderea difuziv

nsitatea turbulen ei;

legea de ardere;

e i caracteristicile jetului de

influen eaz direct durata întârzierii la autoaprindere.

rsei de

cre terea temperaturii aerului admis

rovoac sc derea emisiei de hidrocarburi nearse i cre terea emisiei de oxizi de

Cre terea cantit ii de gaze reziduale determin reducerea întârzierii la

autoaprindere datorit m ririi temperaturii amestecului ini ial. Diluarea amestecului cu

Formarea amestecului aer-combustibil:

distribu ia combustibilului:

arhitectura camerei de ardere;

inte

viteza de difuzie;

Caracteristica de degajare a c ldurii:

durata aprinderii;

arhitectura camerei de ardere.

5.7.2.1. Influen a factorilor de stare

Presiunea aerului

Valoarea presiunii la sfâr itul cursei de comprimare determin în principal

nivelul de temperatur al înc rc turii proaspet

combustibil i deci se

Temperatura aerului

La cre terea temperaturii de admisie cre te temperatura la sfâr itul cu

comprimare ceea ce va influen a pozitiv durata întârzierii la autoaprindere.

Prin cre terea temperaturii aerului admis, randamentul umplerii se

înr ut e te.

Din punctul de vedere al polu rii,

p

azot.

Cantitatea de gaze arse reziduale

Gazele arse care r mân în camera de ardere de la ciclul anterior sunt inerte

din punct de vedere chimic.


gaze inerte va înr ut i arderea, combustibilul nemaig sind în timp util oxigenul

necesar reac iilor de oxidare.

Recircularea unei p r i a gazelor arse se aplic pentru reducerea emisiilor de

a direct fiind cre terea întârzierii la autoaprindere.

rii la intensificarea mi c rii de vârtej datorit îmbun t irii

condi iilor de formare a amestecului.

îmbun t e te economicitatea i determin

emisiilor poluante din gazele de evacuare.

c rii de vârtej poate

i ii,

rbulente se manifest asupra întârzierii la autoaprindere

tate concomitent cu sc derea

nivelului emisiilor poluante.

oxizi de azot îns emisiile de CO i particule cresc.

Umiditatea aerului

Vaporizarea apei în colectorul de admisie va mic ora temperatura aerului

admis în motor, consecin

Dac apa este introdus în cilindrii motorului printr-un procedeu oarecare, va

avea loc un efect suplimentar asupra caracteristicii de degajare a c ldurii i prin

urmare temperatura de ardere se diminueaz . Parametrii de putere pot fi diminua i

îns emisiile de particule i NOx scad drastic.

Mi carea organizat a înc rc turii proaspete

Formarea amestecului aer-combustibil la motorul cu aprindere prin

comprimare se afl în rela ie direct cu intensitatea mi c rii înc rc turii din camera

de ardere i în principal cu mi carea de rota ie (swirl).

Se remarc o reducere a întârzierii la autoaprindere i cre terea vitezei

maxime de degajare a c ldu

Intensificarea procesului de ardere

reducerea

Intensitatea mi c rii de rota ie a înc rc turii trebuie corelat cu num rul

jeturilor de combustibil.

Pentru un anumit num r de jeturi, intensificarea mi

determina transportul de gaze arse dintr-un jet în altul ceea ce va avea ca efect

utilizarea neeficient a aerului disponibil în camera de ardere. În aceste cond

parametrii de putere i economicitate se deterioreaz iar emisiile poluante cresc.

Turbulen a

Influen a mi c rilor tu

i asupra fazei de ardere difuziv . Controlul intensit ii acestor mi c ri poate optimiza

parametrii acestor faze, ob inându-se o sc dere a întârzierii autoaprinderii i o

des vâr ire a arderii în faza ultim . Prin controlul acestor mi c ri se pot ob ine

îmbun t iri ale parametrilor de putere i economici


5.7.2.2. Influen a factorilor func ionali

Sarcina

La motorul cu aprindere prin comprimare, varia ia sarcinii se realizeaz

modificarea calit ii

lui aer-combustibil va modifica i evolu ia

i temperaturii pe parcursul desf ur rii proceselor din cilindrii motorului.

a la

eaz i emisiile poluante. S r cirea amestecului prin reducerea

ere prin comprimare.

În primul rând, la cre terea tura iei motorului apare o cre tere a regimului

datorit reducerii pierderilor de c ldur prin pere i. În aceste

ndi i

lverizare i o

calitativ prin modificarea dozei de combustibil pe ciclu, deci prin

amestecului caracterizat de coeficientul de exces de aer .

Modificarea calit ii amestecu

presiunii

La reducerea sarcinii, temperatura înc rc turii proaspete din cilindru are o

valoare mai redus datorit mic or rii dozei de combustibil i întârziere

autoaprindere se m re te.

Reducerea sarcinii pân la o anumit valoare poate îmbun t i procesul

arderii datorit excesului de oxigen îns sub aceast valoare amestecurile aer-

combustibil devin prea s race i arderea se înr ut e te, ceea ce provoac o

deteriorare a parametrilor de putere i economicitate.

Durata procesului de ardere se mic oreaz la reducerea sarcinii. Reducerea

sarcinii influen

sarcinii influen ând negativ asupra arderii determin cre terea emisiilor de HC i CO

datorit arderii incomplete.

Emisiile de fum au o tendin de sc dere la mic orarea sarcinii.

S r cirea amestecului determin sc derea temperaturii de ardere, ceea ce va

influen a pozitiv asupra form rii NOx.

Tura ia

Influen a tura iei motorului se manifest pe mai multe planuri asupra

proceselor ce se desf oar în cilindrii motorului cu aprind

termic al motorului

co i, temperatura înc rc turii proaspete în momentul injec iei va avea valori mai

mari. De asemenea, valoarea presiunii înc rc turii proaspete va fi mai mare.

Consecin a direct va fi pe de o parte îmbun t irea procesului de pu

mai bun vaporizare a combustibilului, rezultatul direct fiind sc derea întârzierii la

autoaprindere.


În al doilea rând, prin cre terea tura iei apare un efect secundar care va

influen a pozitiv procesele de amestecare i de ardere i anume intensificarea

t irea procesului de amestecare

i de ardere, îndeosebi în fazele de autoaprindere i de ardere difuziv .

upra proceselor din cilindrii motorului va

rmare a poluan ilor i nivelul de emisie al acestora. De

nomicitate i emisii poluante.

ermic al motorului

Regimul termic al motorului este influen at de tura ia i sarcina motorului.

fluen eaz asupra fazei de autoaprindere a

az asupra întârzierii autoaprinderii.

are prin influen ele pe care le are asupra procesului de

mi c rilor organizate i neorganizate ale înc rc turii din cilindrii motorului.

M rirea tura iei motorului determin îmbun

Modificarea tura iei, influen ând as

influen a i procesele de fo

asemenea, nivelul de zgomot cre te cu tura ia motorului.

Avansul la injec ie

Momentul de început al injec iei este un factor determinant în desf urarea

proceselor de formare a amestecului aer-combustibil i de ardere i deci va influen a

decisiv asupra parametrilor de putere, eco

Valori optime ale avansului de injec ie pentru toate regimurile de tura ie i

sarcin ale motorului se pot ob ine numai cu sistemele electronice de reglare.

Regimul t

Cre terea regimului termic in

amestecului în sensul sc derii întârzierii la autoaprindere.

În consecin , arderea este mai lini tit iar nivelul de zgomot al motorului se

diminueaz i emisiile poluante gazoase se reduc.

5.7.2.3. Influen a factorilor constructivi

Raportul de comprimare

Valoarea raportului de comprimare determin nivelul presiunii i temperaturii

înc rc turii proaspete la sfâr itul procesului de comprimare, prin urmare se

influen e

Cre terea raportului de comprimare, cu toate c îmbun t e te randamentul

arderii, valoarea acestuia este limitat deoarece determin nivelul de solicitare

mecanic i termic a pieselor motorului.

Raportul de comprim

ardere va influen a i procesele de formare a poluan ilor i nivelele de emisie ale

acestora.


Dimensiunea alezajului cilindrului

La motorul cu aprindere prin comprimare, influen a dimensiunii alezajului

ri i prin urmare se influen eaz pozitiv asupra proceselor ce

rului se îmbun t e te.

echipamentului de

jec ie

a pulveriz rii combustibilului se

un

te prin realizarea unui bun compromis între

asupra procesului

e injec ie i asupra caracteristicilor jetului de combustibil.

Num rul de orificii de pulverizare realizeaz distribu ia combustibilului în

oaspete.

in comprimare cu injec ie direct au camera de

ardere plasat te legate de nivelul emisiilor

poluante se aplic ia combustibilului preponderent în volum.

jetul de combustibil nu

reac ii chimice

ilor carbono i.

înc rc tura în mi care în jurul

pulverizatorului injectorului. F eaz nivelul mi c rilor

organizate

trebuie s se realizeze în corela ie cu dimensiunea cursei pistonului prin raportul S/D.

Cre terea raportului S/D amplific nivelul mi c rilor organizate i neorganizate

ale înc rc turii din cilind

au loc, astfel c economicitatea moto

Echipamentul de injec ie

Pentru o anumit presiune i temperatur date ale înc rc turii proaspete,

caracteristicile jeturilor de combustibil sunt date de caracteristicile

in .

La nivelul pompei de injec ie, caracteristica principal o constituie presiunea

de injec ie. La cre terea presiunii de injec ie, calitate

îmb t e te iar viteza de vaporizare cre te, aceasta conducând la sc derea

întârzierii la autoaprindere.

Presiunea de injec ie se stabile

economicitatea motorului i nivelul de emisii poluante. În acela i mod se stabile te i

durata de injec ie.

Diametrul i lungimea orificiului de pulverizare influen eaz

d

camera de ardere i acesta se coreleaz cu intensitatea mi c rii de rota ie a

înc rc turii pr

Caracteristicile camerei de ardere

Motoarele cu aprindere pr

în cap tul pistonului. Din consideren

injec

Principiul la aceste camere de ardere este acela c

trebuie s ating peretele rece al acestora deoarece se favorizeaz

lente care conduc la formarea compu

Camera de ardere concentreaz

orma camerei de ardere influen

i neorganizate ale aerului.


ma camerei de ardere, aceasta este dezvoltat din

consid cologice prin luarea în considerare a particularit ilor

mi c r icilor de injec ie a combustibilului.

5.8. CONCLUZII

ombustibililor Diesel a scos în eviden

urm to

Existe surse pentru a fi utilizate:

gr

Posibilit

Uleiuri vegetale pure:

sau mai reduse în func ie de m rimea dimensiunilor

fundamentale ale motorului;

area motorului i instala iilor vehiculului

1. sisteme de injec ie;

Uleiuri

na;

În ceea ce prive te for

erente energetice i e

ilor aerului i caracterist

Analiza privind utilizarea bioc

arele:

n a unor importante

plantele oleaginoase;

uleiuri de buc t rie uzate;

simi animale;

i de utilizare:

F r modificarea motorului

1. performan e apropiate de cele ale motorinei;

2. emisii mai ridicate

Modific

2. camer de ardere;

3. sistemul de filtrare;

4. rezervor de combustibil înc lzit;

5. sistem de alimentare dual;

transformate:

1. transesterificare;

2. hidrogenare:

3. utilizare în amestec cu motorina (B2, B5, B20);

4. utilizare în stare pur (B100);

5. utilizarea nu necesit modific ri ale motorului;

6. performan e nealterate;

7. emisii poluante reduse comparativ cu motori


Existen a unor politici na ionale i interna ionale de promovare a combustibililor

erabili, biodegradabili i care prin utilizare în motoarele cu ardere intern au un regen

impact redus asupra mediului.

[1]

[2] a,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol. I .Editura

[3]

. MTZ 53, nr.7/8.

[5]

Oil and Methyl Ester of Seed Oils. SAE 861564.

[7]

n Ignition

[8] ns by

[9] y performance and regulatory

[11] ppett, S.L. (1995). Fuel properties of tallow and

soybean oilesters. JAOCS, Vol.72, No.12, page 1557, 1995.

Bibliografie

Cofaru,C.Legislatia si ingineria mediului in transpotul rutier. Editura

Universitatii Transilvania Brasov ,2002 ISBN973-635-185-8.

Negurescu,N.,Pana,C.,Pop

MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-2-X.

Negurescu,N.,Pana,C.,Popa,M.G.Motoare cu ardere interna. Vol.II .Editura

MATRIX ROM SRL Bucuresti 1995.ISBN 973-97004-3-8.

[4] Constien,M., Woschni,G. Vorausberechnung des Brennverlaufes aus dem

Einspritzverlauf fuer einen direkteinspritzenden Dieselmotor

1992.

Kumar,S.,Watson,H.,Milkins,E.,Edsell,J. Combustion Modelling of Diesel

fuel,Seed

[6] Lustgarten,G. Modelluntersuchungen zur Gemischbildung Verbrennung im

Dieselmotor und. MTZ nr.4. 1974.

Mathur,H.B.,Gajendra,Babu, M.K. Prasad,Y.N. A Thermodynamic Simulation

Model for a Dual Fuel Open Combustion Chamber Compressio

Engine. SAE 861275

Uchida,N.,Daisho,Y.,Saito,T. The Control Of Diesel Emissio

Supercharging and Varying Fuel-Injection Parameters. SAE 920117.

ABA, IRI (1994). Biodiesel: a technolog

overview.Rapport préparé par l’American Biofuels Association et Information

Resources, Inc.pour le compte du National Soydiesel Development Board,

Jefferson City, MO, USA.

[10] Ahouissoussi, N.B. et Wezstein, M.E., (1996). The Economics of

EngineReplacement I Repair for Biodiesel Fuels, Final Report, Department of

Agriculturaland Applied Economics, University of Georgia, mars 1996.

Ali, Y., Hanna, M.A. et Cu


[12] Bagby, M.O.et Freedman, B. (1989). Diesel Engine Fuels from Vegetable

Oils,document présenté à la 80eréunion annuelle de l’American Oil Chemists'

Society.

[13] Bickel, K.L., McDonald, J., Fruin, J.E. et Tiffany, D. (1997). Economic

comparison ofBiodiesel blends to commercially available exhaust emission

ersité du Minnesota, janvier 1997.

ELI/SP-42O-5571 - Rev.2.

[16] Crichton, B.A.L. et Cruse, H.W.

55.

[20] for Diesel Engines. Gas

[21]

10.

e, organisée par l’ASAE, page

[23]

944.

Engine Manufacturers Association (1995). Biodiesel fuels and their

reduction technologiesfor underground mines. Rapport final au National

Biodiesel Board préparé parl’Univ

[14] Biofacts (1995). Produit pour le compte de l’U.S. Department of Energy par le

NationalRenewable Energy Laboratory,NR

[15] Biofuels Update (1997). Rapport de l’U.S. Department of Energy Biofuels

Technology,Vol.5, Issue 2, printemps, 1997.

Blackburn, J.H., Pinchin, R. Nobre, J.l.T.,

(1983).Performance of lubricating oils in vegetable oil ester fuel diesel engines.

Documentde la SAE, no8313

[17] Blondeau, J., Pon, G., Bresciani, S. et Reaney, M. (1996). Analysis of

Selected DieselFuel Markets in Canada: Markets for Canola Biodiesel, rapport

pour le compted’Agriculture Canada et de la Saskatchewan Canola

Development Commission.

[18] Booz-AIlen & Hamilton (1995). Technical and Economic Assessment of

Biodiesel forVehicular Fuel Use, document présenté au National Soydiesel

Development Board,avril 1995.

[19] Canadian Grains Industry Handbook (1996). Publié par la Commission

canadiennedes grains, Winnipeg, Manitoba, Canada.

Chowdury, D.H. (1942). Indian Vegetable Fuel Oils

and OilPower, Vol. 37, page 80.

Clark, S.J. et al. (1984). Methyl and ethyl soybean esters as renewable fuels

for dieselengines, JAOCS, Vol. 61, no

[22] Clements, L. Davis (1996). Blending Rules for Formulating Biodiesel Fuel.

Compterendu de la 3rd Liquid Fuels Conferenc

44, Nashville,TN, USA, 15 au 17 sept. 1996.

De Vedia, M.R. (1944). Vegetable Oil as Diesel Fuel. Diesel Power, Vol. 22,

page1298, décembre 1

[24] Dunn, R.O., Shockley, M.W. et Bagby, M.O. (1997). Document, no 971682 de

la SAE.


use in dieselengine applications. Rapport préparé par l’Alternative Fuels

Committee de l’EMA,Chicago, Ill., USA.

[26] cturing and Development (1994). Emissions Testing on

[27] anufacturing and Development (1995). Optimize 20% Methylsoyate

[30] M.S., Ross, J.D. et McCormick, R.L. (1996). Document no961166 de

[31]

[32] B.P. (1997). Winter 1997 Evaluation of Canola Methyl Ester and a

onnement

[34]

eir Mixtures, JAOCS.

[25] Feug, Y., Wong, A. et Monnier, J. (1993). Chemical Composition of Tall Oil-

BasedCetane Enhancer for Diesel Fuels. Compte rendu de la First Biomass

Conference of the Americas, Burlington, VT, USA, 30 août au 2 sept. 1993.

Fosseen Manufa

Biodieseland Biodiesel Blends. Rapport final noNSDB4F15 au National Soy

DieselDevelopment Board, Jefferson City, MO, USA.

Fosseen M

and Diesel Blend - 1997 DDC 6V-7lN Coach. Rapport au National Biodiesel

Board, Contract 219-2, janvier 1995.

[28] Freedman, B. et Bagby, M.O. (1989). Heats of Combustion of Fatty Esters and

Triglycerides. JAOCS, Vol. 66(11), page 1601.

[29] Graboski, M.S. et McCormick, R.L. (1997). Combustion of fat and vegetable oil

derived fuels in diesel engines. À paraître dans Progress in Energy and

Combustion Science.

Graboski,

laSAE.

Hendren, F. (1996). Results of SuperCetane testing at MSED, lettre à Ed

Hogan,CANMET, 14 février 1996.

Hertz,

Canola Oil Derivative obtained for heated seed as Lubricity Additive for Diesel

Fuel, rapportpréparé pour le compte d’Agriculture et Agroalimentaire Canada,

novembre 1997.

[33] Howes, P. et Rideout, G. (1995). Evaluation of Biodiesel in Urban Transit

Buses,rapports no 95-26743-1 et no 95-26743-2 du MISTC, Envir

Canada.

Janarthanan, A.K., Clements, E.D., Clements, L.D. (1996). Densities and

Viscosities of Methyl Esters of Fatty Acids and Th

[35] Krawczyk, T. (1996). Biodiesel Fuel. International News on Fats, Oils and

Related Materials (INFORM), Vol. 7, no8, page 801, août 1996.

[36] Lawson, A. et Thurston, D. (1986). Design, Development, Fabrication,

andEvaluation of a Fuel Management System to Permit a Farm Tractor to


Operate on Various Fuels. Contrat no23 SU.01843-2-EL 19, Agriculture

Canada.

Manicom, B., Gr[37] een, C. et Goetz, W. (1993). Methyl Soyate Evaluation of

[38] er of tallow and grease on exhaust

[39] , W., Schumacker, L., Howell, S. (1995). Engine Exhaust Emissions

[40]

istics of soy methyl ester fuels in an IDI compression

[41]

[42] Tritthart, P., (1988). Diesel fuel derived from vegetable oils,

[43] ach, M.P., Tritthart, P. et Junck, H. (1983). Diesel fuel derived from

, USA.

[46] . A Study of the Catalytic Esterification of

[47] ond

Edition,publié par la SAE, Warrendale, PA, USA, 1995.Paris, France (1993).

Various Diesel Blends in a DDC 6V-92TA Engine, ORTECH International,

rapport final no 93-E14-21 à Fosseen Manufacturing and Development, avril

1993.

Marshall, W.F. (1993). Effects of methylest

emissions and performance of a Cummins L-10 engine. National Institute for

Petroleum and Energy Research, Bartlesville, Oklahoma, USA.

Marshall

Evaluation of a Cummins LIOE when Fueled with a Biodiesel Blend.

McDonald, J.F., Purcell, D.L., McClure, B.T. et Kittelson, D.B. (1995).

Emissions character

ignition engine.Document no 950400 de la SAE.

Midwest Biofuels Inc. (1993). Biodiesel Pour Point and Cold Flow Study,

rapport auNational Soydiesel Development Board, 30 sept. 1993.

Mittelbach, M.P.,

Ill:Emissions tests using methyl esters of used frying oil. Journal of the

American OilChemists' Society, Vol. 65 (7), page 1185.

Mittelb

vegetableoil, II: Emissions tests using rape oil methyl ester. Energy Agriculture,

Vol. 4, page208.

[44] Monnier, Jacques (1997). Laboratoires de recherches énergétiques de

CANMET,Ottawa, Canada. Communications personnelles.NBB (1997).

Communications personnelles et renseignements obtenus auprès du National

Biodiesel Board, Jefferson City, MO

[45] Niehaus, R. A., Goering, C.E., Savage, L.D. et Sovenson, S.C. (1985).

Crackedsoybean oil as a fuel for a diesel engine. Document no 85-1560 de

l’ASAE.

Nye, M. et Southwell, P. (1983)

Rapeseed Oil as a Fuel for Diesel Engines. Contrat no 23 SU. 01843-2-EL 12,

Agriculture Canada.

Owen, K. et Coley, T. (1995). Automotive Fuels Reference Book, Sec


[48] *** Lifecycle Analysis of Biodiesel: Report to the Prolea Onidal,Ecobalance,

Ltd. mars 1993.

[49] Perkins, L.A. et al. (1991). Durability testing of transestrified winter rape oil as

fuel in small bore, multi-cylinder, Dl, Cl, engines. Document no911764 de la

SAE.

[50] Peterson, C.L. (1986). Vegetable Oil as a Diesel Fuel: Status and

ResearchPriorities. Transactions of ASAE, Vol. 29 (5), page 1413.

[51] Pischinger, G.M., Falcon, A.M., Siekmann, R.W. et Fernandes, F.R.

(1982).Methylesters of plant oils as diesels fuels, either straight or in blends.

Vegetable OilFuels, publication no 4-82 de l’ASAE, page 198, Amer. Soc.

Agric. Engrs., St. Joseph,Ml, USA.

[52] Prakash, C.B. et Goetz, W. (1995). Impact of Biodiesel on Emissions

andPerformance of a Heavy Duty Diesel Engine, compte rendu de la

[53] l, H. et Worgetter, M. (1996). Influence of the iodine number of biodiesel

15 au 17 sept. 1996.

[55]

at rapeseed oil as an alternative to diesel fuel. Document

[56] n oil methyl

[57]

érence sur les sources énergétiques de

[58]

EleventhInternational Symposium on Alcohol Fuels, Vol. 3, page 837, SunCity,

South Africa, 14au 17 avril 1996.

Prank

to theengine performance. Compte rendu de la 3rd Liquid Fuels Conference

organisée parl’ASAE, page 191, Nashville, TN, USA,

[54] Reaney, M. (1997). Agriculture et Agroalimentaire Canada, Saskatoon,

Saskatchewan,communications personnelles.

Reece, D.L. et Peterson, C.L. (1993). A report on the Idaho on-road vehicle

test with RME and ne

no 93-5018 del’ASAE.

Scholl, K.W. et Sorenson, S.C. (1993). Combustion of a soybea

ester in adirect injection diesel engine. Document no 930934 de la SAE.

Schumacker, L.G., Hires, W.G. et Borgelt, S.C. (1992). Fueling a diesel engine

with methyl ester soybean oil. Liquid Fuels from RenewableResources -

compte rendud’une conf

remplacement, Nashville, TN, USA.

Schumacker, L.G., Borgelt, S.C. et Hires, W.G. (1993). Soydiesel I Biodiesel

BlendResearch. Document no 93-6523 de l’ASAE.

[59] Schumacker, L., Borgelt, S., Hires, W., Fossen, D. et Goetz, W. (1995).

Fueling Diesel Engines with Blends of Methyl Ester Soybean Oil and Diesel

Fuel.


[60] Schumacker, L.G., Weber, J.L., Russell, M.D., Krahl, J.G. (1995A). An

Alternative Fuelfor Urban Buses - Biodiesel Blends.

Schumacke[61] r, L.G. et Van Gerpen, J. (1996). Research needs resulting from

[62] B. (1987). Preparation and

[63]

Biodiesel: Established of Engine

Montana

[65] 994). Transient Emissions Testing of Biodiesel in a 6V-92tA

sel Board, octobre 1994.

[67] Injection

par provinces.

[69] Oils as Diesel Substitutes and

[70] B.C. et Clements, L.D. (1988). Properties of Fatty Acids and Their

[71]

experiences of fueling of diesel engines with biodiesel, compte rendu de la 3rd

Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 207, Nashville,TN, USA,

15 au 17 sept.1996.

Schwab, A.W., Bagby, M.O. et Freedman,

properties of diesel fuels from vegetable oils. Fuel 66, page 1372.

Shafer, A. (1994). Biodiesel Research. Mercedes Benz - Engine Warranty

Policy,présenté à Commercialization of

Warranties, page 125, University of Idaho National Center for Advanced

Transportation Technology.

[64] Sharp, C.A. (1996). Emissions and Lubricity Evaluation of Rapeseed Derived

Biodiesel Fuels, rapport final du Southwest Research Institute au

Department of Environmental Quality, novembre 1996.

Sharp, C.A. (1

DDECH Engine, rapports no 6602 et 6673 du Southwest Research Institute au

National Biodie

[66] Sninivasan, R.P. et Gopalakrishnan, K.V. (1991). Vegetable oils and their

methylesters as fuels for diesel engines. Indian Journal of Technology, Vol. 29.

Page292.

Starr, M.E. (1997). Influence on Transient emissions at various

Timings,Using Cetane Improvers, Bio-Diesel, and Low Aromatic

Fuels.Document no 972904 de la SAE. Statistique Canada (1996). Demande

en carburant diesel au Canada,

[68] Stotter, R., Human, D. (1995). Transient Emission Evaluation of Biodiesel Fuel

Blendin a 1987 Cummins L-10 and DDC 6V-92TA, rapport no ETS-95-128 au

National Biodiesel Board, novembre 1995.

Stumborg, M. et Craig, W. (1996). Vegetable

Extenders: A Canadian Perspective, rapport à Agriculture Canada.

Teoh,

Derivatives,, Fats et Oils Laboratory, University of Nebraska, Lincoln.

Tyson, S.K. (1997). Présentation d’un projet du NREL sur le biodiesel au DOE,

16 sept.1997.


[72] Tyson, S.K. (1998). Communications personnelles et réunion au NREL, 8

janvier 1998.

USBM (1995). Field trials of soy methyl esters as a fuel for diesel p[73] owered

A, 15 au17 sept. 1996.

ction of Transportation Fuels.

février

[77]

The Role of Unburnt Fuel in the Organic Fraction Composition.

[78]

[79] gievan.org/

alia, Commonwealth of Australia, Canberra, 1999

ources for Western Australia, Energy Advisory Council of WA, Perth,

[81]

s, March 1980, Perth.

[83] Personal communication, Murdoch University, 1999

equipment in underground mines. Rapport final de l’AF 95 au National

Biodiesel Board, USBM CRDA, no 6200-0063.Van Gerpen, J., Hammond,

E.G., Yu, L. et Monyen, A. (1997). Document no 971685 de la SAE.

[74] Van Gerpen, Jon (1996). Cetane number testing of biodiesel. Compte rendu

de la 3rd Liquid Fuels Conference organisée par l’ASAE, page 197, Nashville,

TN, US

[75] Venendaal, R. (1997). European Energy Crops Overview - Utilization for

Power andHeat Generation and for the Produ

Compte rendu de la Third Biomass Conference of Americas, Vol. 2, page

1291, Montréal, Canada, 24 au 29 août 1997.

[76] Whiteway, P.(1997). Diesel Stinks, Canadian Mining Journal, page 10,

1997.

Williams, P.T., Andrews, G.E. et Bartle, K.D. (1987). Diesel Particulate

Emissions:

Document no 870554 de la SAE.

Ziejewski, M., Kaufman, K.R., Schwab, A.W. et Pryde, E.H. (1984). Diesel

engine evaluation of a nonionic sunflower oil - aqueous ethanol microemulsion.

Journal of the American Oil Chemists Society, Vol. 61(10), page 1620.

Tickell, J. The Great American Veggie Van Adventure,http://veg

Australian Greenhouse Office Australia’s StateandTerritoryGreenhouseGas

Inventory – Western Austr

[80] Pullan, C. et al Research Priorities for Transport Fuels from Biomass and

Other S

1981

Parker, A.J. et al Transport Fuels from Biomass. Research Opportunities

Symposium Proceeding

[82] Australian Greenhouse Office Alternative Fuels Program – Issues Paper,

Commonwealth of Australia, Canberra, 1999

Barton, Alan (Prof)


[84] Sims, R. Yields, Costs and Availability of Natural Oils/Fats as Diesel Fuel

Substitutes, Report No LF2021 for the Liquid Fuels Trust Board, Wellington

(NZ) 1982

[85] SECWA (Now Western Power), Evaluation of Rapeseed and Sunflower oil in a

Stationary Diesel Generator, NERDDC Project No 80/0294, Januar 1984 Perth

hort.purdue.edu/newcrop/duke_energy/dukeindex.html

[89] ent Australia (National Heritage Trust) (2000b). Setting National Fuel

rs (Petrol

[90] ., Brown, R., Edwards, J., Nelson, P., Watson, H., Williams,

D. (2000) Life-Cycle Emission Analysis of Alternativ

tralia

s, R. A Comparison Of Life-Cycle Emissions Of Liquid Biofuels

[94]

[96]

849 – 858, NREL

[86] Duke, J. A. Handbook of Energy Crops, (written 1983) Unpublished on paper

but available from

http://www.

[87] Lide, D.R. et al Handbook of Chemistry and Physics, 76th Edition, CRC Press,

Boco Raton, USA, 1996

[88] Goering, B. USDOE Seminar II. Vegetable Oils as Diesel Fuel, Oct. 21, 22,

1981

Environm

Quality Standards – Paper 2 - Proposed Standards for Fuel Paramete

and Diesel), Canberra

Beer, T., Grant, T

e Fuels for Heavy Vehicles.

CSIRO, Aus

[91] Calais P. & Sim

And Liquid And Gaseous Fossil Fuels In The Transport Sector, Proceedings of

Solar 2000, Brisbane 2000

[92] Beer T. et al Comparison of Transport Fuels, Report EV45A/2/F3C for the

Australian Greenhouse Office, 2001

[93] Sheehan, J., Camobreco, V., Duffield, J., Graboski, M., Shapouri, H. (1998).

An Overview of Biodiesel and Petroleum Diesel Life Cycles. NREL, Golden,

Colorado.

Quick, G.R. A summary of some current research in Australia on vegetable oils

as candidate fuels for diesel engines. Seminar II, USDA, Peoria, IL., 1981

[95] Sims, R., (1996). The Potential for Biodiesel in New Zealand. Proceedings of

Conference ‘Applications of Bioenergy Technologies’ Rotarua, pp 139 – 148

EECA.

Sims, R., (1995). The Biodiesel Research Program of New Zealand.

Proceedings of the Second Biomass Conference of the Americas, Oregon, pp

Biogazul 115

Autor: Corneliu COFARU 6. BIOGAZUL

6.1. GENERALIT I

Biogazul este un amestec de gaze combustibile, care se ob ine prin

descompunerea substan elor organice vegetale sau animale în mediu umed i lips

etanul din gazele de mla tin .

anice

vegeta

Age (20 - 45° ) au

fost cercet ul a stabilit în 1899 c la

acest proc rodu ii de fermenta ie ai celulozei

una dintre e i importante de metan - Bacillus cellulosae

methanicu ntit i importante de hidrogen - Bacillus cellulosae

hydrogenic te specii au fost reunite sub denumirea comun de

Methanob e

Ca m

de oxigen. Din acest amestec de gaze componenta de baz o reprezint metanul (50

– 70 %), i cantit i variabile de CO2, vapori de ap i hidrogen sulfurat, pot exista i

alte substan e în func ie materialele supuse procesului. Primele descrieri a biogazului

au fost prezentate de c tre Volta la sfâr itul secolului al XVII-lea. Volta a extras

pentru prima dat m

Fermentarea materiei organice se nume te metanizare i se poate produce

natural sau spontan in cazul colectoarelor de de euri sau poate fi provocata artificial

în reactoare destinate acestui scop. Fermentarea anaerob a materialelor org

le sau animale se desf oar în trei etape: hidroliz , acidogenez i

metanogenez .

n ii ferment rii anaerobe ai celulozei la temperaturi mezofile

a i de Söhngen, Hoppe-Seyler si Omelanski. Ultim

es participa 2 specii de bacterii. Printre p

le formeaza cantit

s - iar cealalt , ca

us. Ulterior aces

act rium omelianski.

aterie prim la formarea biogazului serve te biomasa, ce reprezint materiale

organice reziduale. Materia organic moart înmagazineaz energie solar

convertit în energie chimic , în componentele fotosintetizate de plantele din care a

provenit. O cantitate apreciabila din energia solara, acumulat de plante, este

stocat în celuloz .

Celuloza este principalul component a materiei organice utilizate la formarea

biogazului. Con inutul celulozei în materia organic este de circa 50%. Dintre alte

componente putem men iona plantele acvatice, algele, resturile animaliere etc.

În prezent exist circa apte procedee de recuperare a energiei din reziduurile

organice agricole:

fermentarea anaerob la temperatura mediului ambiant;


fermentarea anaerob la temperaturi ridicate;

descompunere anaerob termofil ;

distilarea distinctiv ;

Compostarea;

;

m , cantitatea de metan în diogaz este de 35-80%. Alte

surse

ele de energie,

cercet

ste zambila de apa (Eichhornia crassipes). Aceasta cre te spontan în

ei este trecut prin

inii i oxigenului, în

La descompunerea materiei organice mai

fermentative nespecializate: bacterii celulozice, lactice,

ficatoare, precum i numeroase specii de ciuperci

Incinerarea;

transferul de c ldur

Cel mai ridicat poten ial îl are procesul de fermentare anaerob la temperaturi

în jur de 40°C. Prin fermentarea anaerob microorganismele descompun materia

organic , eliberând o serie de metaboli i, în principal dioxid de carbon i metan. În

dependen de materia pri

de biomas , care pot fi convertite în biogaz, sunt reprezentate de biomasele

foarte hidratate. Într-o clasificare a biomaselor, în raport cu problem

torii au inclus în grupa biomaselor foarte hidratate, plantele acvatice i algele.

Acestea au un con inut de ap de aprox. 95%.Caracteristic pentru culturile

energetice foarte hidratate este capacitatea extrem de mare de a- i multiplica

biomasa într-un timp relativ scurt, ceea ce creeaz o disponibilitate de materie

organic ce poate fi folosit în filiera de metanizare. Dintre plantele acvatice, cea mai

cunoscuta e

lacurile din inuturile tropicale din Africa i America de Sud. Alte asemenea plante

sunt: pistia, azola, iarba de mare, alga brun i laminaria, care creste aproape 50 cm

pe zi

Cantitatea maxim de metan se ob ine la fermentarea resturilor animaliere, în

special de la complexele avicole.

Biogazul necesit a fi prelucrat pân la utilizare. De obic

separatoare speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea

biogazului brut (preseparat) poate duce la intoxicare, deoarece în restul gazelor se

poate con ine gaze toxice.

Dintre componentele chimice ale materiei organice gradele cele mai ridicate

de conversiune în biogaz au celulozele, hemicelulozele i gr simile.

Fermentarea anaerob nu poate avea loc în prezen a lum

lipsa unui mediu cu umiditate mare.

particip microorganismele

acetice, sulfat-reductoare i denitri

Biogazul 117

i unele drojdii. Microorganismele men ionate î i petrec activitatea în prima fa

ferment rii.

z a

În fa

ritatea metanobacteriilor

folo

prin re os de c tre metano-

bac

CO2 + 2O + Q(energie) (6.1)

En

între in

circa 4 ea procesului de fermentare f r

ene

mai eli , indol i scatol.

1 - Sta ale;

- Decantor gravita ional;

3 – Sistem de manevrare n molui

4 - Sta ie de dis

- Reactor de fermenta ie anaerob dotat cu un clopot metalic pentru captarea

biogaz

rile rezultate în sta iile de epurare. Metanizarea acestora permite

eliminarea compu ilor organici, iar sta ia respectiv poate deveni

re energetic;

iogaz.

za urm toare, numit metanogenez , ac ioneaz bacteriile metanogene

anaerobe specializate în producerea de metan. Majo

sesc ca substrat numai hidrogenul i dioxidul de carbon. Metanul se formeaz

ducerea dioxidului de carbon i oxidarea hidrogenului gaz

teriile, care folosesc hidrogen. Reac ia sumar a procesului este:

4H2O --> CH4 + 2H

ergia eliminat în urma procesului este mic i, de obicei, se utilizeaz la

erea procesului de baz , care are o productivitate mai mare la temperaturi de

0°C, ceea ce permite pe timp de iarn realizar

rgie termic din exterior (nu necesit instala ii suplimentare). Pe lâng metan se

min hidrogen, hidrogen sulfurat, vapori de ap , amoniac, azot

O sta ie de biogaz industrial este format în general din:

ie de pompare a apei rezidu

2

tribu ie a n molului;

5

ului.

Sursele de biomas ce pot fi u or supuse procesului de metanizare cu scopul

ob inerii metanului i al reducerii polu rii mediului de pot fi:

De euri urbane, îns biogazul ob inut are o calitate slab , rolul major al

prelucr rii fiind evitarea emisiilor de metan în atmosfer ;

De euri colectate selectiv i de euri putrescibile i care pot fi metanizate în

bioreactoare;

N molu

independent din punct de vede

Dejec iile animaliere, acestea supuse metaniz rii pot aduce un surplus de

metan înafara consumului propriu care poate fi comercializat;

Efluen ii rezulta i în industria agro-alimentar pot constitui o surs important

pentru ob inerea de b


Fig. 6.1. Schema reactorului de metanizare a biomasei

cu volum mare sau presiuni ridicate în

olume mici.

re speciale, unde metanul este separat de restul gazelor. Utilizarea

at) poate du intoxicare, deoarece în restul gazelor

t în eliminarea de CO2, a

zat const în sp larea gazului cu ap .

Metanul este componentul care confer biogazului valoare energetic . În

stare pur este un gaz combustibil, lipsit de culoare, miros sau gust; mai u or decât

aerul (M=16); arde cu flac r alb struie; are o putere caloric de 97 MJ pe mililitru

(pu in mai mult ca motorina). Biogazul, comparativ cu metanul pur, are o putere de

25 MJ/ml, din cauza prezen ei în el a bioxidului de carbon i altor gaze. Metanul nu

se lichefiaz la temperatura mediului ambiant (de la -20°C pân la +40°C). Se

p streaz la presiuni joase în containere

v

6.2.VALORIFICAREA BIOGAZULUI

Biogazul necesit a fi prelucrat pân la utilizare. De obicei este trecut prin

separatoa

biogazului brut (presepar ce la

poate con ine gaze toxice.

Epurarea biogazului este indispensabil pentru a-l putea comprima i utiliza la

alimentarea motoarelor. Opera ia de epurare cons

hidrogenului sulfurat i a apei. Tehnologia utili

O variant consta în utilizarea apei sub presiune (20 bar).

Biogazul 119

Tabelul 6.1. Epurarea biogazului

Compu i Biogaz brut Biogaz epurat CH4 65% 99,5% CO2 34% 0,2...0,5% H2S 0,05% < 5 ppm

Biogazul ob inut în cantit i suficiente contribuie la diminuarea efectului de ser prin

diminuarea consumului de gaze naturale i al i combustibili fosili. Utilizarea

biogazului aduce un câ tig financiar, o parte acoperind investi iile în instala ii pentru

b ine

s. În energetic poate fi ars într-un motor cu gaz

sau o

) Metanul poate fi utilizat la ob inerea hidrogenului prin descompunere

2 (6.2)

are, când se ob ine carbon, vapori de ap sau oxizi de carbon i

2CH4

acest

clorme

Prin c

organ

o rea lui, iar pe de alt parte reduce efortul financiar pentru asigurarea pie ei cu

combustibili similari.

Biogazul poate fi utilizat în diverse aplica ii, cum ar fi:

a) Metanul se întrebuin eaz ca agent energetic. Este un combustibil superior

c rbunelui i chiar unor produse petroliere prin puterea caloric mai mare, cheltuieli

de exploatare i transport mai redu

turbin cu gaze pentru producere de electricitate care s fie introdus în re ea

sau poate fi ars pentru c ldur pentru cogenerare. El poate fi utilizat în egal m sur

în întreprinderile consumatoare de combustibil,cum ar fi : termocentrale, fabrici de

ciment , centrale de înc lzire locuin e, etc.

b

CH4 --> C + 2H

au prin oxids

hidrogen

+ O2 --> 2CO + 4H2 (6.3)

c) Poate fi folosit ca materie prim pentru ob inerea unor produse superioare, în

sens este important reac ia de clorurare a metanului, în urma c rora se ob ine

tan, diclormetan, tricolormetan, tetraclormetan

CH4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl (6.4)

lorurarea metanului se ob in unii dizolvan i i agen i frigorifici.

Prin nitrarea metanului se ob ine nitrometanul, folosit ca dizolvant i în unele sinteze

ice prin amonooxidare.


d)Poate fi folosit drept combustibil al alimentarea motoarelor cu ardere intern

Biogazul ob inut este epurat i poate fi folosit drept combustibil în motorul cu

intern , el fiind id

ardere entic cu gazul natural (GNV = gaz natural pentru vehicule).

aprins în motoare cu

func ionarea pe gaz (rezervor, regulator de presiune, amestec tor).

20 Mp este echivalent cu 1,1l benzin ). Un studiu realizat în

uedia pe un autobuz alimentat cu biogaz i prev zut cu catalizator a eviden iat o

ducere de 80% a emisiilor de CO, 40% a emisiilor de NOx i 90% a emisiilor de

articule. Numai emisiile de hidrocarburi au crescut cu 20% (emisii metanice) fa de

n autobuz dotat cu motor Diesel.

Marele avantaj la utilizarea biogazului îl constituie diminuarea emisiilor de

etan în atmosfer datorate fermenta iei anaerobe a compu ilor organici care sunt

e cele mai multe ori de euri. Dioxidul de carbon rezultat în urma utiliz rii biogazului

re un impact mai redus asupra efectului de ser în compara ie cu emisiile de metan

rezultat din aceia i cantitate de materiale organice.

Bibliografie









Bra ov, 1999. ISBN 973-98512-3-1.


Sustainable d Brasov, 2002 ISBN

973-635-199-8

Datorit calit ilor de autoaprindere sc zute, amestecul aer-biogaz trebuie

cu ajutorul unei bujii. Deci motoarele Diesel trebuie convertite

aprindere prin scânteie. i motoarele cu aprindere prin scânteie trebuie adaptate la

Pentru a se asigura autonomia autovehiculului gazul trebuie comprimat (max.

a) (1 Nm3 biogaz epurat

S

re

p

u

m

d

a

evelopment. Editura Universitatii Transilvania

Biogazul 121

[6] Negrea, V., D., Sandu, V. - Combaterea polu rii mediului în transporturile

rutiere. Editura Tehnic , Bucure ti, 2000. ISBN 973-31-1455-3.


56091-523-4.

[8] W H. Crouse and D.N. Anglin, - Automotive Emission Control - McGraw Hill,

New York, 1977, 278 p.

Unitate de producere biogaz în Germania


Audi A2 H2 dotat cu pil de combustie

Fiat Panda dotat cu pil de combustie alimentat cu hidrogen

Utilizarea hidrogenului in pila de combustie 123

Autor: Corneliu COFARU

7. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN PILA DE COMBUSTIE

7.1. UTILIZAREA HIDROGENULUI IN TRANSPORT

Hidrogenul este cel mai r spândit element din Univers. Este un gaz incolor,

odor se g se te în cantit i mici în atmosfera

sindu-se combinat cu oxigenul sau cu carbonul în

ste absorbit de metale cum ar fi: Fe, Al, i Cu,

lin care determin modificarea unor propriet i ale

in i insipid. În stare gazoas

P mântului, în cantit i mari g

compu ii organici. Hidrogenul gazos e

cu inserarea în re eaua crista

acestora.

Propriet ile fizico-chimice ale hidrogenului sunt prezentate în tabelul urm tor:

Tabelul 7.1 Propriet ile fizico-chimice ale hidrogenului

Proprietatea Valoare Masa molecular 2,0156

Starea normal (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - densitatea [kg/m3] - densitatea relativ la aer - c ldura specific la p=ct. [kJ/kg·K]

0,08987 0,06984 14,235

Temperatura de fierbere [°C] 0=0,1

-252,78 (p 013 MPa) Raportul c ldurilor specifice 1,41 Aerul teoretic arderii [Nm3 aer/Nm3 H2] 2,38 Puterea caloric inferioar [kJ/Nm3] [kJ/kg]

10760 119617

Energia minim de aprindere [mJ] 0,02 Temperatura de autoaprindere [K] 845

Limitele de inflamabilitate (p0=0,1013 MPa; T0=273 K) - amestecuri s race (coeficientul de exces de aer ) - amestecuri bogate

10 0,394

Hidrogenul poate fi stocat pentru a fi utilizat ulterior în urm toarele moduri:

- comprimat în butelii, procedeu dezavantajos datorit restric iilor privind

volumul i presiunea de înc rcare care penalizeaz drastic înc rc tura util a

ilizarea acestui mod

de stocare la bordul autovehiculului este neconvenabil din punctul de vedere al

autovehiculului;

- în stare lichid ; hidrogenul lichid poate fi stocat numai la temperatura de

-253 °C ceea ce impune folosirea unor rezervoare criogenice. Ut


complexit ii i costului sistemului (rezervor, echipamente auxiliare cum ar fi

schimb toarele de c ldur , pompele criogenice precum i echipamentele de control,

bsorb ia hidrogenului în metal are loc printr-o reac ie exoterm iar desorb ia

rintr-o reac ie endoterm .

Hidrogenul u benzina (de 7-8

ai mare). A acteri

ridicate de func ionare ale motoru

estecu - limite de aprindere foarte largi i se

az prin viteze ridicate de ardere.

alt caracteristic a uti ogenulu ustib te tendin a

cu deton curil - ae d u or prin contact cu

i.

ilizarea p unor suri constructive i de reglaj al

i pentru

- propagarea invers a fl c rii;

hidrogen - aer s race i prin recircularea unei p r i din gazele de

vacuare.

motoare cu aprindere prin scânteie cât i

comand i siguran );

- în hidruri metalice: hidrurile metalice sunt compu i chimici solizi între

hidrogen i un metal (Fe, Ni, Cu, Mn, La, Ti, Zn, V, Pa) sau aliajele acestuia.

A

p

prezint o vitez ridicat de difuzie comparabil c

ori m ceast car stic favorizeaz

lui.

formarea amestecului la tura iile

Am rile hidrogen aer au

caracterize

O liz rii hidr i drept comb il es

arderii a ie. Ameste e hidrogen r se aprin

suprafe ele calde ale motorului sau gazele fierbin

Ut hidrogenului im une luarea m

motorulu a se evita:

- tendin a arderii rapide;

- tendin a de ardere anormal ;

- pericolul de explozie;

Din punctul de vedere al emisiilor poluante, motorul cu ardere intern

alimentat cu hidrogen poate fi considerat un motor relativ curat. Emisiile de

hidrocarburi si oxid de carbon sunt extrem de mici, ele avându- i originea în arderea

incomplet a uleiului care ajunge în camera de ardere. Cantit ile de oxizi de azot

care se formeaz în camera de ardere a motorului alimentat cu hidrogen sunt

importante datorit desf ur rii arderii cu temperaturii ridicate ale fl c rii. Reducerea

ratei de formare a oxizilor în camera de ardere se poate realiza prin utilizarea unor

amestecuri

e

Pot fi alimentate cu hidrogen atât

motoare cu aprindere prin comprimare.


Datorit complexit ii constructive a mo i, sistemului de alimentare i torulu

st rilor.

- aer

a gazelor arse.

b inut în pila de combustie.

bustibil în energie electric . Energia electric ob inut este

l combustibilului i oxidantului

Presiunea de func ionare [Mpa]

proceselor ce au loc în cilindrii motorului, alimentarea cu hidrogen nu a dep it faza

te

Rezultate bune au fost ob inute la utilizarea hidrogenului drept carburant

adi ional. Adaosul de hidrogen în amestecurile combustibil conven ional

determin îmbun t irea procesului de ardere, diminueaz dispersia ciclic ceea ce

va conduce la diminuarea emisiilor de CO, HC i particule. Emisiile de NOx au

tendin a de cre tere îns pot fi reduse prin utilizarea unor amestecuri s race i prin

recirculare

7.2. PILA DE COMBUSTIE

Autovehiculul electric cu pil de combustie poate fi considerat ca un vehicul

hibrid la care energia primar este o

Configurarea unui automobil cu pil de combustie difer de un automobil

hibrid serie, elementele de trac iune, comand i control fiind asem n toare.

Pila de combustie este dispozitivul care transform direct energia chimic

con inut de un com

rezultatul procesului de oxidare a combustibilului la anod i reducere a oxidantului la

catod.

Tabelul 7.2 Caracteristicile pilelor de combustie

Temp. de TipuTip Electrolit func ionare

[°C]

PEMFC Membran

(P Pschimb toare de protoni

70 - 80 HCMS )

0,3 - 1 2 + CO2

AAlcalin 80 - 100

HFC CA) Aer f r CO2

0,1 2 - pur (PPAFC (PCAF)

Acid fosforic 190 - 200 H2 + CO (< 0,5% CO)

0,1 - 0,8

MCFC (PCCT)

Carbonat topit 600 - 65 - - 0

SOFC (PCOS)

Oxid solid - 800 - 1000 -

PCMSP - pil de combustie cu membran schimb toare de protoni;

PCCF - pil de combustie cu carbonat topit; PCOS - pil de combustie cu oxid solid.

PCA - pil de combustie alcalin ; PCAF - pil de combustie cu acid fosforic;


Avantajul unic i absolut al pilei de combustie este func ionarea cu hidrogen

drept combustibil. Hidrogenul poate fi stocat la bordul autovehiculului comprimat,

în idruri etalic

la b rdul

n ei la bordul autovehiculului a unei

stala ii de reformare pentru ob inerea hidrogenului, pot exista emisii de CO2 (de

rsat în

tmosfer ).

.2.1. Pila de combustie alcalin (AFC) Aceast pil utilizeaz drept electrolit o solu ie apoas de KOH. Reac iile

lectrochimice sunt:

- Anod: H2 + 2OH- 2H2O + 2e- (7.1)

- Catod: 1/2O2 + H2O + 2e- 2OH- (7.2)

- Reac ia global : H2 + 1/2O2 H2O (7.3)

Performan ele electrozilor sunt ridicate dac se adopt un bun compromis

tre o conductivitate ridicat i activitatea catalitic a acestora la 70 - 80 °C.

Ambele gaze, H2 i aer sunt circulate în sistem la presiuni reduse: 2 - 4 kPa.

În aerul atmosferic co ximativ 300 ppm; pentru a

ia acestuia cu electrolitul, con inut de CO2 din aer trebuie diminuat la

<50 ppm.

Materialul electrozilor se bazeaz pe politetrafluoretilen acoperit cu un strat

de carbon i sus inut de o gril de Ni. Materialul activ îl constituie cristalele de Pt

absorbite pe particulele de carbon.

Pentru ca gazele ce alimenteaz pila s ajung la cristalele de Pt este

necesar ca acestea s nu con in vapori de ap . Scurgerea electrolitului spre

compartimentele gazelor este împiedicat de c tre un separator poros din

politetrafluoretilen .

Cristalele de Pt ale anodului pot fi scoase din func iune dac hidrogenul

con ine CO.

Randamentul unei unit i standard variaz între 69% (la 25 A) i descre te la

2% (la 120 A) pentru o temperatur de lucru de 70 °C. La temperatura de 25 °C

ndamentul este de 67% (la 25 A) i 48% (la 87,5 A).

lichefiat în rezervoare criogenice sau h m e sau poate fi ob inut la bordul

autovehiculului. În cazul stoc rii hidrogenului o autovehiculului, emisiile

poluante ale acestuia sunt zero. În cazul existe

in

exemplu, reformarea metanolului produce 25% CO2, care va fi deve

a

7

e

în

n inutul de CO2 este de apro

se evita reac

5

ra


Tensiunea unit ii standard este:

- la 70 °C : 5,4 V pentru 0 A i 3,87 V pentru 120 A;

- la 25 °C : 5,5 V pentru 0 A i 3,5 V pentru 88 A.

Pornirea pilei de combustie se realizeaz în câteva minute.

Fig. 7.1. Schema pilei de combustie alcaline

7.2.2. Pila de combustie cu acid fosforic (PCAF)

Principalele reac ii electrochimice care au loc într-o pil de combustie cu acid

fosforic sunt:

- Anod: H2 2H+ + 2e- (7.4)

- Catod: 1/2O2 + 2H+ + 2e- H2O (7.5)

- Reac ia global : H2 + 1/2O2 H2O (7.6)

În figurile 7.2. i 7.3. se prezint configura ia unei celule a pilei de combustie.


Fig. 7.2. Configura ia celulei

a m terial lor la nc ionarea la temperatura de

încorporate în pudra de carbon depus pe suport din politetrafluoretilen sub form

Fig 7.3. Dispunerea elementelor celulei

Din cauz c apare coroziune a e fu

200 °C, numai carbonul sau grafitul poate fi folosit pentru componentele structurale

ale pilei de combustie cu acid fosforic.

Electrozii utilizeaz platin , mai recent aliajele pe baz de platin care sunt


de hârtie, pâsl sau spum , cu separatori din grafit. Cantitatea de platin utilizat

este de 0,25 mg/cm2 pentru anod i 0,5...1 mg/cm2 pentru catod.

În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza hidrogen care con ine

CO2 i CO, CO2 ac ionând ca un diluant i reducând presiunea par ial a H2.

CO este tolerat de c tre anod datorit temperaturilor ridicate de func ionare (la

inere în

ind de

Membrana schimb toare de protoni este o re ea polimeric la care se

capabile s schimbe cationi sau anioni. În general materialul este

id la care

nionii

190 °C impurificarea hidrogenului cu 0,5% C este tolerat de anod).

Pentru a porni o pil de combustie cu acid fosforic este necesar ca aceasta s

fie înc lzit la 130 °C. Mai mult, celula trebuie men inut sub o sarcin par ial

pentru a preveni coroziunea suportului de carbon al catodului. Pornirea de la

temperatura ambiant dureaz în jur de o or iar de la temperatura de men

câteva minute.

Sunt utilizate mai multe metode de r cire, în func ie de construc ia sistemului.

Performan ele electrochimice al pilei de combustie cu acid fosforic dep

presiunea i temperatura sistemului.

7.2.3. Pila de combustie cu membran schimb toare de protoni

ata eaz grupuri

un acid la care grupul acid se include în matrice. Toate membranele schimb toare de

protoni acide sunt geluri i cer prezen a moleculelor de ap pentru conductivitatea

protonilor.

Raportul H2O la H+ pentru a realiza conductivitatea este 3:1. În aceste condi ii,

membrana schimb toare de protoni poate fi privit ca un simplu electrod ac

a sunt imobiliza i în structura polimerului.

Sec iunea transversal a unei celule a pilei de combustie cu electrolit

polimeric este prezentat în figura 7.4.


Fig. 7.4. Schema pilei de combustie cu membran schimb toare de protoni

Celula const dintr-o plac conductiv bipolar (de exemplu grafit) care este presat

2H2O (7.8)

ie c mem ran schimb

bus cu emb n schimb

este absorbit, ceea ce face posibil

bu tibili sili ( etan, hidrocarburi, metanol,

itul combustibilului; circuitul de r cire; circuitul aerului.

pe ansamblul membranei electrod. Pe fa a anodului, hidrogenul suport reac ia :

H2 2H+ + 2e- (7.7)

Protonii rezulta i trec prin electrolitul polimeric spre catod, unde sunt catalitic

combina i cu O2 i electroni dup reac ia:

4H+ + O2 + 4e-

Încerc rile au ar tat ca cel mai bun material catalitic este platina pentru ambii

electrozi.

Avantajul major al pilei de combust u b toare de protoni

este c poate func iona la temperatura mediului ambiant. Randamentul acestei pile

de combustie este de 46% pân la 57%.

La sistemul de pil de com tie m ra toare de protoni,

datorit acidit ii electrolitului CO2 nu

func ionarea cu H2 derivat din com s fo m

c rbuni). Deoarece sistemul func ioneaz la temperaturi sc zute, este extrem de

sensibil la prezen a CO în hidrogen, determinând "otr virea" catalizatorului.

Sistemul con ine: circu


Temperatura de func ionare este de 80 °C la presiune de 0,35 MPa dar poate

fi i mai ridicat de 1,0 MPa. Presurizarea necesit existen a unui compresor.

putere.

7.2 bustie

ating 99,95%.

La pornirea pilei de combustie trebuie s se debiteze combustibil i aer.

Sistemul se înc lze te în câteva minute i poate debita întreaga

.4. Reactan ii utiliza i în pila de com

a) Combustibilul

Pila de combustie utilizeaz ca unic combustibil hidrogenul, care poate fi

stocat în rezervoare comprimat, lichefiat sau în hidruri metalice sau poate fi produs la

bordul autovehiculului.

Puritatea hidrogenului depinde de metoda de ob inere i de tipul pilei. Pentru

pila de combustie alcalin , puritatea hidrogenului trebuie s

În pila de combustie cu acid fosforic se poate utiliza un amestec de H2 i CO2

ob inut prin reformarea metanolului sau a gazelor naturale. Asemenea amestec

poate fi utilizat i în pila de combustie cu membran schimb toare de protoni.

Tabelul 7.3. Restric iile de impurificare a hidrogenului

PCA PCAF PCMSP CO2 <50 ppm f r restric ii f r restric ii CO <50 ppm <0,5% câteva ppm H2O - - saturat PCMSP - pil de combustie cu membran schimb toare de protoni.

b) Oxigenul

În pilele de combustie cu acid fosforic i cu membran schimb toare de

rotoni se utilizeaz aerul ambiental. În cazul pilei de combustie alcaline , trebuie s

50 ppm la sub 50 ppm.

p

se reduc con inutul de CO2 al aerului ambiental de la 250…3

c) Instala ia de generare a hidrogenului

Alcoolii i combustibilii fosili susceptibili de a fi folosi i la alimentarea pilei de

combustie nu au reactivitate electrochimic i din aceast cauz ei nu pot fi folosi i

direct. De aceea este nevoie de o instala ie de procesare (reformare) catalitic

pentru a se ob ine hidrogenul necesar aliment rii pilei de combustie.


Instala iei de reformare catalitic I se impun o serie de cerin e la utilizarea pe

autovehicul: livrarea hidrogenului în func ie de regimul de func ionare al pilei de

combustie, s intre rapid în func iune, s urm reasc comenzile rapid, s realizeze

conversie total a combustibilului pentru toate valorile de sarcin , în procesul de

reformare s se ob in cantit i neglijabile de CO pentru a se evita otr virea

anodului, s aib emisii poluante zero, s fie u oar , compact i ieftin .

Instala ia de reformare catalitic include întotdeauna un reactor unde

combustibilul este descompus într-un amestec de H2, CO2 i urme de alte gaze

n hidrogen, folose te procesul numit

formarea aburilor care este endotermic. Reac ia global este de forma:

CH3OH + H2O 3H2 + CO2 (7.9)

reac ie este rezultatul a dou trepte în reac ia de descompunere a

CH3OH CO + 2H2 (7.10)

C H2O CO2 + H2 (7.11)

°C. La reactor se ob in 75% volumice H2 i 25% volumice CO2 con inând

tor sau

sunt: etanolul, benzina i gazele naturale.

reform

CO2;

rezulta

redus an i pot fi solu ii apoase de mono sau dietanolamin care

dintre care principalul este CO. În func ie de tipul pilei de combustie este posibil s

se foloseasc amestecul a a cum a fost ob inut sau s fie trecut printr-o instala ie de

purificare amplasat dup reactor.

Reactorul, pentru a converti metanolul î

re

Aceast

metanolului, prima treapt fiind endotermic de forma:

iar, a doua reac ie este u or exotermic :

O +

Aceste reac ii au loc cu un catalizator Cu-Zn la temperaturi mai mari de 180

ie irea din

urme de CO i al i compu i.

Necesarul de c ldur pentru reac ia endoterm este furnizat de un arz

un sistem elastic de înc lzire.

Al i combustibili cu poten ial de a fi folosi i la alimentarea pilei de combustie

Instala ia de purificare a amestecului de gaze rezultat din procesul de

are poate folosi o multitudine de procedee, printre care:

absorb ia

preoxidare i injec ie de oxigen;

difuzia prin membrane Pd/Ag.

Pentru a diminua con inutul de CO2 pot fi utiliza i mai mul i absorban i. Gazele

te pot fi sp late cu ap în turnuri presurizate unde con inutul de CO2 poate fi

la 0,1%. Al i absorb


pot fi regenerate folosind c ldura. Utilizarea de solven i în locul apei pentru

rea con inutului de COreduce ldur

ecesar regener rii agentului de sp lare.

Pentru reducerea con inutului de CO se utilizeaz instala ii de oxidare

catalitic care utilizeaz o cantitate de aer controlat cu precizie pentru a nu afecta

debitul de hidrogen. Instala ia poart numele de unitate de oxidare preferen ial . În

aceast unitate, drept catalizator se utilizeaz platina pe suport de Al2O3. Cantitatea

de oxigen injectat trebuie s dep easc ori con inutul de CO din gazele

ite din reactor.

O metod de purificare a hidrogenului o constituie t

gaze ob inut prin reformare prin membrane Pd/Ag. Principiul de func

bazeaz pe faptul ca membrana este impenetrabil la gaze, numai ionii de hidrogen

XILIARE PILEI DE COMBUSTIE

tinuu

ap , p

2 poate determina reducerea cantit ii de c

n

de dou

ie

recerea amestecului de

ionare se

putând migra prin paladiu. Hidrogenul ob inut prin acest procedeu de purificare are o

puritate de 99,9999%.

7.3. ECHIPAMENTELE AU

Instala ia de control al aerului are rolul de a furniza oxigenul necesar

func ion rii pilei de combustie. Elementul principal al acestei instala ii îl constituie

compresorul i motorul de antrenare al acestuia care trebuie s asigure presiunile

necesare func ion rii pilei. În instala ia de control al aerului sunt amplasate i o serie

de schimb toare de c ldur prin care se regleaz temperatura i umiditatea

acestuia.

Un element important în func ionarea pilei de combustie îl constituie controlul

temperaturilor i circula ia apei. În celulele pilei de combustie se produce în con

rin combina ia electrochimic a hidrogenului i a oxigenului, care trebuie

înl turat . Gazele utilizate în pil trebuie s con in vapori de ap pentru a preveni

uscarea membranelor. Deci, apa este produs i consumat în sistem. Atât

elementele pilei de combustie cât i cele ale instala iei de reformare func ioneaz cu

temperatur controlat iar circuitul apei realizeaz acest lucru dispunând de un

sistem complex de schimb toare de c ldur .

Controlul parametrilor de func ionare ai unei instala ii de ob inere a energiei

electrice cu pil de combustie este dificil datorit complexit ii. trebuie reglate


debitele, temperaturile i presiunile gazelor i fluidelor care particip în proces pentru

a ob ine eficien a global maxim a sistemului.

[3] Le

ecomposition.Haldor Topsoe

requirements

vol.23A,1989.

[6] Proceedings of the 24th ISATA International Symposium on Automotive

brid drive. 3.Aachener Colloquium Automobile and Engine Technology,

Bibliografie

[1] Linden, D. Handbook of Baterries and Fuel Cell. Mc.Graw-Hill Book Company

.1983

[2] Appleby,A.J., Foulkes,F.R. Fuel Cell Handbook. Van Nostrand Rheinhold. New

York. 1988

mons,R.A. Fuel Cell for Transportation. Journal of Power Sources 29.1990

p.251-264.

[4] Laursen,J.K. Hydrogen Generation by Methanol D

A/S DK-2000 Lyngby, Copenhagen, Denmark.

[5] DeLuchi,M., Wang, Q.,Sperling,D.. Transportation Research, Electric Vehicles:

Performances, Life Cycle Costs, Emissions, and recharging

Technology and Automation. Florence, Italy, 20-24 May 1991. Electric/Hybrid

Vehicles.

[7] Kaberlah, Q. Hybrid drives systems for cars. Automotive Engineering

Vol.99,No 7 July 1991.

[8] Harbola,B.,Buschhaus,W. Concept selection and development of a passenger

car hy

Aachen, Oct.1991.

[9] Maggetto,G., Van den Bossche,P. Advanced Electric Drive Systems for Buses,

Vans and Passenger Cars to Reduce Pollution. Summary Report .1992

Utilizarea hidrogenului la alimentarea MAI 135

Autori: Roger SIERENS

Sebastian VERHELST

8. UTILIZAREA HIDROGENULUI LA ALIMENTAREA MOTOARELOR CU A

chipate cu catalizatoare cu 3 c i i cu sisteme

compli

cred – care sunt deja foarte rari au trebuit s admit

posibil

25% din totalul emisiilor de CO2) la 140 g/km în

2008.

RDERE INTERN

8.1. DE CE HIDROGEN?

Încuraj rile pentru dezvoltarea unei economii bazat pe hidrogen ca purt tor

de energie sunt foarte bine cunoscute, cele mai importante argumente fiind emisiile

sc zute i varietatea de termen lung a metodelor de producere. Pot exista diferende

pe tema emisiilor „curate”, care au devenit din ce în ce mai nepoluante în cazul

motoarelor moderne pe benzin , e

cate de management al motorului. S-a demonstrat c unele autovehicule

aflate deja pe pia au un nivel foarte sc zut al emisiilor poluante, noile tehnologii

permi ând autovehiculelor chiar s cure e aerul din zona în care se deplaseaz .

Totu i, emisiile r mân o problem inând cont c num rul poluan ilor este în

cre tere, l sând la o parte tehnologiile de reducere a polu rii. Al doilea interes pentru

hidrogen îl reprezint combustibilii fosili. Ace tia sunt în general hidrocarburi, din

compozi ia c rora rezult CO2, care a fost numit ca fiind cel mai radioactiv pentru

atmosfera p mântului, rezultând înc lzirea global sau a a numitul “efect de ser ”[

termenul “for are radioactiv ” este folosit în tiin pentru a ar ta tulbur rile radia iilor

atmosferice prin comparare a energiei primite (soarele) i cea cedat (radia ia în

spa iu).]. Chiar i cei ce nu

itatea efectelor dezastruoase rezultate din continuarea emiterii sau chiar

cre terea emisiilor de CO2 având provenien activit ile umane.

Toate p r ile protocolului de la Kyoto, s-au angajat s reduc antropogeneza

emisiilor de dioxid de carbon sub nivelul celui din 1990 în perioada 2008-2012, astfel

eficien a transform rii energiei va trebui s[ creasc sau trebuie promovate sursele

alternative de energie ce nu produc dioxid de carbon. Asocia ia Constructorilor de

Automobile Europeni au ajuns la un acord privind reducerea emisiilor de CO2 din

transportul rutier (cu aproximativ


Hidrogenul este privit ca un agent de m rire securit ii energiei, fiindc

rezerv

faptul c produc ia

MIA DE HIDROGEN

i rezolvat de orice ar care are surse de

energi

bustie) cât i mari facilit i de produc ie. Înlocuirea bateriilor laptop-urilor

i tele

te surse sunt

ele de combustibili fosili sunt concentrate geografic, cea mai mare concentrare

a resurselor energetice fiind în regiunile instabile politic.

Mai mult rezervele energetice clasice sunt finite, este evident

petrolier a atins un maxim sau va fi atins în viitorul foarte apropiat În sfâr it,

combustibili fosili vor deveni materie prim pentru industria polimerilor.

8.2. ECONO

Aceast lucrare ar fi incomplet f r câteva remarci asupra economiei de

hidrogen, un cuvânt cheie privind numeroasele posibilit i de utilizare a hidrogenului

ca purt tor de energie. Aceste posibilit i au fost create datorit num rului mare de

utilizare a tehnologiilor de producere de hidrogen. Câteva ilustra ii sunt prezentate

aici, pentru cititorii interesa i sunt referiri în alte lucr ri detailate prezentate în

bibliografie.

Dac hidrogenul poate fi ob inut din combustibili fosili i din surse

regenerabile, problema energiei poate f

e suficient de mari. Câteva dintre insulele retrase cu surse regenerabile, pot

avea primele economii bazate pe hidrogen, inând cont c sectorul de transport al

acestora se bazeaz pe importuri de uleiuri scumpe i amenin area cu schimbarea

climei, i-au manifestat interesul i au f cut i primii pa i în acest sens, Islanda,

Hawaii i Noua Zeeland , care pot s se confrunte cu mari greut i în viitor

(cre terea nivelului marilor).

Hidrogenul poate fi ars în motoarele cu ardere intern sau în turbinele cu gaze

sau în combina ii cu oxigenul în pilele de combustie, producând electricitate. Astfel,

hidrogenul poate (în teorie) înlocui surse mici de energie (înlocuind bateriile cu mici

pile de com

foanelor mobile, poate fi foarte profitabil , astfel încât cre terea autonomiei

dat de pilele de combustie poate fi un avantaj competitiv la un nivel mai mare.

Cuvinte de precau ie sunt amintite în literatura i în informa iile generale

privind economia de hidrogen i pile de ardere. Se pare c cele mai mul

foarte optimiste sau vin de la oponen i fanatici. Omiterea datelor esen iale

(inten ionat sau nu), false sau adev rate, în elegeri gre ite, etc. sunt din p cate

destul de comune. Studiile Sond la roat “Well To Wheels” (WTW) au astfel de


înclina ii i rezultatele depind în mare m sur de grupurile de interese, publicând

(sau pl tind) studiile ( de exemplu studiile privind alegerea celui mai bun combustibil

pentru

a interesului publicului i persoanelor neimplicate în

tiin ,

este justificat

de teh

TERN ?

rea a

hidrogenului. Alimentarea motoarelor cu ardere intern cu hidrogen precum i a

crare s-a ocupat de utilizar enului la motoarele cu ardere intern

otoarele cu e intern au beneficiat de o dezvoltare

mai mult de un seco c mai prez oten ial pentru optimiz ri

ogia pile e combustie înc la început; aceasta

lor d bustie fiind prohibitiv. Cei ce încurajeaz

mbustie, spun c pre ul va sc dea (pre ul curent face diferen a

pilele de ardere, vezi Dunn).

Cu toate c aceste rezultate sunt controversate, ele au fost în parte

responsabile pentru cre tere

în continuare trebuie avut grij s nu se piard credibilitatea publicului

general. Este important s aib o privire realist asupra posibilit ilor, la fel asupra

problemelor asociate cu utilizarea hidrogenului. Una peste alta, putem spune c

hidrogenul ofer poten ial pentru a câ tiga o parte din pia . Aceasta

nologiile curente bazate pe hidrogen, la fel i p r ile care au investit ( sau au

de gând s investeasc ) sume mari în proiecte de cercetare, dezvoltare, demonstra ii

i educa ie. P r ile implicate cuprind guverne (U.S., E.U., Japonia, .a), companii

petroliere (Shell, BP, Amoco, .a.), ri produc toare de petrol(Dubai) si marii

produc tori de autovehicule.

Cele mai importante provoc ri pentru dezvoltarea economiei de hidrogen, se

poate împ r i în trei categorii, economic, de exemple: costul produc iei de hidrogen,

transport, stocare unde pila de combustie i motoarele termice pe hidrogen trebuie

s devin competitive; tehnologic, aici problemele privind stocarea sunt cele mai

presante i în fine dar nu cea din urm categorie social unde percep ia publicului

asupra hidrogenului trebuie sa fie legat strâns legat de lan ul producere de energie

i utilizatorul final (datorit descentraliz rii producerii energiei sau chiar for rii pentru

utilizarea energiei regenerabile)

8.3. DE CE HIDROGEN ÎN MOTOARELE CU ARDERE IN

A a cum s-a men ionat înainte, sunt un num r de tehnologii de utiliza

pilelor de combustie, sunt dou c i propuse sectorului transport.

Aceast lu ea hidrog

din urm toarele motive: m arder

continu timp de l i în int p

viitoare.

Pe de alt parte, tehnol lor d este

se reflect i în pre , costul al pile

utilizarea pilelor de co

e com


între pile de combustie i motoare ardere in ) prin intermediul unor

econ e , dar treb se ia în c rile

lelor electrice care nu au reu it s devin ate. În

nui mo cu ardere in în motor cu hidrogen îi

dar acest cost este limitat.

ard intern , permite func ionarea cu doi

cât i pe hidrogen)

i cerin ele de autonomie. Acest lucru ar

putea facilita începutul unei economii bazate pe hidrogen, unde experien a

acumulat

mbustie, randamentul total fiind astfel mai sc zut.

În plus, eficien

iile cu regim de lucru u or deoarece ele sunt înc rcate par ial

majoritatea timpului, dar poate deveni un lucru important din punct de vedere al

cu hidrogen.

Frecvent se face men iunea c pila de combustie nu este limitat de

randamentul ciclului Carnot al motoarelor termice, ceea ce este în fond adev rat, dar

cei mai mul i uit c randamentul Carnot este expresia celei de a doua lege a

le cu tern

dezvolt ri ulterioare i diferen e omic uie s alcul p re

despre pre urile bateriilor vehicu realit

mod normal, transformarea u

cre te costul

tor tern

Folosirea motoarelor cu ere

combustibili (ex. motorul poate func iona atât pe benzin

crescând densitatea sta iilor de benzin

în leg tur cu transportul, alimentarea i depozitarea se transfer în mod

direct asupra vehiculelor alimentate cu hidrogen.

Pilele de combustie au înc handicapul problemelor legate de pornirea la rece

(înghe area pilelor de combustie) i de necesitatea utiliz rii unui hidrogen pur pentru

a evita otr virea pilelor de combustie. Motorul cu ardere intern nu are asemenea

probleme.

Eficien a teoretic reprezint cel mai mare avantaj al pilelor de combustie.

Totu i, pilele de combustie înc nu ating aceast eficien ridicat . Stiva de pile de

combustie (al c rui randament este de cele mai multe ori men ionat) este o parte a

sistemului pilei de co

a scade o dat cu cre terea sarcinii (pierderile din cadrul pilelor cresc

cu p tratul curentului din pila de combustie). Acesta nu este un dezavantaj major

pentru aplica

aplica iilor cu regim de lucru greu.

Diferen a mare dintre eficien a teoretic a stivei de pile de combustie i

eficien a efectiv a unui motor cu ardere intern apare doar pe hârtie, în practic ,

aceasta fiind mult mai mic .

În plus, motoarele cu hidrogen au poten ial pentru a cre te puterea motorului,

cu un randament indicat demonstrat de 52%, pentru un motor cu aprindere prin

scânteie alimentat cu hidrogen i cu un randament pentru puterea generat de 49%,

pentru un motor cu aprindere prin comprimare alimentat


termodinamicii, ceea ce este valabil i pentru pila de combustie i atunci totul

condu

Tabel

ce spre un randament teoretic maxim.

În concluzie, atât motoarele cu ardere intern cât i pilele de combustie care

sunt alimentate cu hidrogen au amândou avantaje i merit s fie cercetate pentru

a li se demonstra adev ratul poten ial. Motorul cu ardere intern alimentat cu

hidrogen poate fi folosit ca o tehnologie de tranzi ie spre pilele de combustie sau

poate avea propria parte de pia al turi de acestea ( i alte tehnologii). În principal

aceast sec iune trateaz propriet ile hidrogenului importante pentru M.A.I,

compara ia între hidrogen i combustibilii conven ionali i prezint starea actual a

cercet rilor legate de m.a.i.-ul pe baz de hidrogen.

8.4. PROPRIET I RELEVANTE ALE HIDROGENULUI

Hidrogenul are propriet i foarte diferite fa de combustibilii tradi ionali.

8.1. Compara ia propriet ilor hidrogenului cu cele ale metanului i ale benzinei

Propriet i Hidrogen Metan Benzin

Greutate molecular (g/mol) 2.016 16.043 ~107

Densitate (kg/m3 ) 0.08 0.65 ~750

Difuzitatea masic în aer (cm2/s) 0.61 0.16 0.05

Viscositatea cinematic (mm2/s) 110 17.2 1.18

Propor ia volumic pentru amestec 29.5 9.5

stoichiometric (în aer)

1.65

Energia minim de aprindere (mJ) 0.02 0.28 0.25

Temperatura de auto aprindere(K) 858 813 ~500-750

Temperatura fl c rii adiabatice(K) 2390 2225 ~2275

Emisivitatea fl c rii normalizate

(200K,1atm)

1 1.7 1.7

Limita de inflamabilitate în aer (vol.%) 4-75 5-15 1.0-7.6

Distan a de stingere a fl c rii (mm) 0.64 2.03 ~2.0

Valoarea caloric inferioar (MJ/kg) 120 50 45

Valoarea caloric superioar (MJ/kg) 142 55 48

Tabelul 8.1 prezint cele mai importante propriet i fizice i cele legate de

ardere ca punct de referin pentru urm toarea prezentare. Toate temperaturile i

presiunile dependente sunt date în condi ii de temperatur i presiune normal ,


propriet ile legate de ardere citate sunt în condi ii stoichiometrice de ardere. Mare

parte din date sunt fie rotunjite, fie aproximate pentru a facilita compararea lor.

Datele exacte pot fi g site în bibliografia citat .

Temperatura de autoaprindere a hidrogenului este mai mare decât cea a

metanului i decât cea a benzinei. Acest lucru face ca hidrogenul s fie potrivit mai

ales pentru procesul de aprindere cu scânteie i nepotrivit pentru aprinderea prin

comprimare.

Restul lucr rii va trata în consecin exclusiv motoarele cu aprindere cu

rin care un

motor

i o form

incipie

scânteie mai pu in în cazul în care se afirm explicit c se va vorbi despre un alt

element.

8.5. SINTEZ LITERATUR : CERCETAREA EXPERIMENTAL

Literatura de specialitate care trateaz motoarele cu ardere intern alimentate

cu hidrogen este foarte stufoas , lucr ri pe acest subiect au fost publicate începând

cu anul 1930 i pân în prezent, majoritatea concentrându-se în anumite perioade de

timp (ex. în timpul i dup perioada crizei petrolului). Un rezumat al celor mai

importante descoperiri este realizat în urm toarele sec iuni cu scopul de a clarifica

unele afirma ii contradictorii i de a oferi o imagine asupra tr s turilor p

pe baz de hidrogen difer de unul conven ional.

8.5.1 Arderea anormal

Suprimarea arderii anormale în motoarele cu hidrogen s-a dovedit a fi foarte

provocatoare i m surile luate pentru a evita aceste arderi au implica ii asupra

proiect rii motorului, form rii amestecului i controlul umplerii. Pentru M.A.S. exist

trei tipuri de ardere anormal : detona ia (autoaprinderea amestecului aflat în fa a

frontului de flac r ), aprindere în avans înainte de scânteie (ardere necontrolat

indus de c tre un punct cald, prematur al aprinderii cu scânteie) i întoarcerea

fl c rii (aprinderea prematur în timpul de admisie care poate fi privit ca

nt a pre-aprinderii).Efectele detona iei i pre-aprinderii sunt bine cunoscute:

în cel mai bun caz zgomotul si vibra ia, iar în cel mai r u caz afectarea major a

motorului. Efectele întoarcerii fl c rii sunt un zgomot puternic în cel mai bun caz , o

oprire a motorului datorat consumului de combustibil înainte ca acesta s poat

intra în cilindrii i s lucreze sau o distrugere a colectorului de admisie în cel mai r u

caz.


Întoarcerea fl c rii a fost un obstacol dificil de surmontat în dezvoltarea

motoarelor cu hidrogen. Majoritatea, dac nu chiar toat literatura de specialitate

timpurie men ioneaz cauzele întoarcerii fl c rii deoarece se produce foarte des în

cazul

i particulele provin din arderea (par ial ) uleiului lubrifiant

i/sau

aprinderea într-un alt cilindru

când c

rinderea este des întâlnit în motoarele cu hidrogen datorit

energi

vansului a pre-aprinderii continu pân ajunge în cursa de admisie ceea

ce va determin întoarcerea fl c rii determinând rateuri. Mecanismul este numit

motoarelor pe baz de hidrogen cu formarea extern a amestecului

(întoarcerea fl c rii se poate produce când combustibilul este prezent în canalul de

admisie).Cauzele citate pentru întoarcerea fl c rii sunt:

• Puncte calde în camera de ardere: depuneri i particule, bujia, gazele reziduale,

supape de evacuare, etc. Aceste puncte calde sunt citate ca fiind cauzele întoarcerii

fl c rii “datorit energiei sc zute de aprindere a hidrogenului” care este în ordinea

magnitudinii mai mic decât a hidrocarburilor i a limitelor largi de inflamabilitate (vezi

Tabel 1.1.) Depunerile

form rii de rugin pe parcursul unei neutiliz ri prelungite (motoare mai vechi).

• Energie rezidual în circuitul de ardere datorit concentra iei sc zute de ioni a

fl c rii hidrogen/aer comparat cu flac ra hidrocarbur /aer ,este posibil ca energia

de ardere s nu fie complet cuprins în flac r i s r mân în circuitul de aprindere

pân când condi iile cilindrului sunt în a a fel încât o a doua nedorit aprindere se

poate produce mai ales în timpul destinderii sau al admisiei când presiunea este

sc zut .

• Induc ia în cablul de aprindere, la motoarele cu mai mul i cilindrii aprinderea

controlat într-unul dintre cilindrii poate cauza i induce

ablurile de aprindere sunt plasate unul lâng celalalt.

• Arderea în zona superioar a capului pistonului persist pân în momentul

deschiderii supapei de admisie aprinzând noua înc rc tur . Aceasta este cauzat de

un strat limit mai redus stingere a fl c rii a amestecurilor de hidrogen comparat cu

cel al hidrocarburilor tipice, acest fapt d ocazia fl c rii de hidrogen s se propage la

suprafa .

• Pre-aprinderea: pre-ap

ei sc zute pentru aprindere i a limitelor de inflamabilitate largi ale

hidrogenului. Ca i o ardere prematur care cauzeaz arderea majorit ii

amestecului în timpul compresiei, temperatura în camera de ardere cre te, ceea ce

determin apari ia punctelor calde care conduc spre pre-aprindere la o temperatur

m rit , rezultând pre-aprinderea amestecului mai devreme la ciclul urm tor. Aceast

înaintare a a


func io

rinde în mod spontan. Din

mome

easta înseamn c distan a de stingere a hidrogenului (împreun cu

limitele

f r rateuri este atribuit de constructorii solu iilor privind r cirea intensiv , controlul

nare anormal a preaprinderii i poate rezulta i de la un ciclu cu detona ie

care cre te temperatura camerei de ardere i care creeaz puncte calde.

Opinia autorului este aceea c energia de aprindere cu nivel sc zut este

deseori considerat drept cauza principal a rateurilor. Energia necesar aprinderii

se define te ca energia minim necesar pentru a aprinde amestecul. Pentru ca

amestecul s se aprind , în timp ce aprinderea maselor precum supapele sau gazele

reziduale influen eaz temperatura de autoaprindere a amestecului, temperatura

trebuie s ating nivelul la care amestecul se va ap

nt ce temperatura de autoaprindere a hidrogenului este destul de ridicat (mai

mare decât cea a metanului si a benzinei, vezi Tabelul 8.1), pare aproape imposibil

ca aceste mase termice s determine rateul, deoarece, în cazul în care motorul este

setat corespunz tor, ele ating foarte greu temperatura de autoaprindere.

S-a demonstrat c pentru a asigura autoaprinderea în cazul motoarelor cu

ardere intern care folosesc hidrogen, sunt necesare raporturi foarte mari de

comprimare. Din acest motiv, este pu in probabil ca gazele reziduale, spre exemplu,

s determine în mod termic aprinderea (în cazul unor condi ii normale de func ionare,

având un timp optim pentru scânteie, etc). În plus, acest lucru nu explic apari ia

rateurilor în condi ii de temperaturi mici. De asemenea, în cazul unui motor ce

func ioneaz în condi ii bune, apar depuneri i particule de i concentra ia acestora

este foarte mic la motoarele cu hidrogen. Praful din aer este totu i prezent, în ciuda

func ion rii filtrului de aer.

Au avut loc experimente în care au fost eliminate aprinderile necontrolate, dar

i toate punctele calde (prin cur area cu mare aten ie a motorului, un control

avansat al uleiului sau chiar opera iuni nelubrifiate, evacuarea gazelor reziduale, bujii

reci, supape de evacuare r cite...) i totu i au ap rut întoarceri ale fl c rii, deci,

rateuri . Ac

largi de inflamabilitate) care determin arderea amestecului aflat în zona

superioara a pistonului este de fapt un parametru care a fost trecut cu vederea de

c tre mul i constructori.

De asemenea, s-a demonstrat c motoarele func ionând cu hidrogen în

amestec stoichiometric nu au avut întoarceri ale fl c rii printr-o selectare atent a

segmen ilor de piston i a volumului intersti iilor, nefiind nevoie de injec ie

sincronizat sau de r cirea supapelor de evacuare . Cre terea zonei de func ionare


uleiului prin montarea de diferi i segmen i de piston, baleiaj intensiv al camerei de

ardere etc. Atribute prin care se ob ine o func ionare f r rateuri pentru a reduce

puncte

rii camerei de ardere. Al ii îns , consider c este necesar o cre tere a

portului de comprimare, ce rezult într-o cre tere a raportului dintre suprafa a i

tfel determinând cre terea transferului de c ldur i a

r cirii g

. Amândou sunt mecanisme valide i indic existen a unui raport de

com r a puterii datorit cre terii

ran

pentru

motoru

cauzele

enu e

motor cestui fenomen, având în

ved e

norma uit ca rezultat al zonelor fierbin i,

apa i pre-aprinderea

ceea

„hidrogenul are o cifra octanica efectiv mare” iar alta c „cifra octanic echivalent a

le calde dar în acela i timp îns , constructorii au luat m suri (chiar poate f r

a o realiza) de diminuare a arderii cauzat de intersti ii.

În literatura de specialitate ce se refer la leg tura dintre rateuri-raportul de

comprimare exist totu i unele ambiguit i. Unii autori men ioneaz o sc dere a

raportului de comprimare pentru a cre te rezisten a la rateuri prin sc derea

temperatu

ra

volumul camerei de ardere, as

azelor reziduale.

Un raport de comprimare m rit determin sc derea cantit ii de gaze

reziduale

p imare optim: m rirea lui determin o cre tere

damentului pân la un anumit punct, în timp ce amestecul trebuie s fie mai s rac

a evita pre-aprinderea amestecului în acest caz va apare o sc dere a puterii

lui.

Pentru a încheia discu ia cu fenomenul de întoarcere a fl c rii: toate

m rate mai sus pot avea ca rezultat aprinderea invers i prin proiectarea unui

alimentat cu hidrogen se poate încerca evitarea a

er ca sunt posibile i alte condi ii de func ionare ale motorului decât cele

le. Chiar dac aprinderea invers care e atrib

ri a zonelor fierbin i trebuie s fie prevenit deoarece pot cauza

ce determin cre terea înc rc rii termice a motorului i poate avea efecte

d un toare chiar f r s conduc la aprindere invers .

Comportamentul la detona ie al motoarelor cu hidrogen a fost în eles gre it

mai mult decât fenomenul de aprindere invers . Cu aprindere invers , câteva cauze

au fost încurcate sau efectele lor au fost supraestimate, dar având în vedere

detona ia, exist afirma ii contradictorii în literatura de specialitate. Majoritatea

lucr rilor nu reu esc s sublinieze faptul c rezisten a la detona ie este o proprietate

a amestecului aer/combustibil, specificând cifrele octanice dar f r a da rapoartele

de echivalen corespunz toare. Unele lucr ri pretind c cifra octanic are valori

foarte sc zute, altele ca au valori foarte ridicate. O lucrare a afirmat atât c


hidrogenului este destul de sc zut ”!. Doar câteva lucr ri men ioneaz cifrele

octanice ca func ie a unui amestec bogat. Experimentele au indicat i faptul c

hidrogenul poate ac iona ca un antidetonant atunci când este ad ugat într-un

amestec de iso-octan f r plumb.

Exist dovezi care arat cauzele detona iei hidrogenului pot fi diferite de cele

ale detona iei benzinei, fiind cauzat de vitezele foarte mari ale fl c rii i nu ca o

reac ie a gazelor aflate în fa a frontului fl c rii. Astfel, reducerea gradientului presiunii

ar fi o m sur mai eficient pentru a controla detona ia decât s se limiteze perioada

de ardere.

Din literatura experimental despre M.A.S.-urile alimentate cu hidrogen, pre-

aprinderea pare s fie factorul de limitare al rapoartelor de comprimare, avansului la

aprindere i al amestecului i nu detona ia. Au fost publicate rezultatele m sur rilor

realiza

amestecurile

stoichi

Au fost testate mai multe modalit i de formare a amestecurilor pentru

oritatea urm rind func ionarea f r aprindere

invers

te pe motor cu raport de comprimare de 11:1 i presiune de supraalimentare

de 0.85 bar la amestecuri stoichiometrice i de asemenea rezultatele la utilizarea

unor amestecuri s race la rapoarte de comprimare de 14:1 sau mai mult f r apari ia

detona iei. Astfel, se pare c se poate spune c hidrogenul are o cifra octanica

efectiv mai mare decât benzina regular i ar fi interesant dac ar fi disponibile date

cantitative.

Se poate nota c munca experimental i teoretic a lui Karim i a colegilor

s i indic regiuni foarte largi de detona ie, unde se spune c

ometrice pot detona i la rapoarte de comprimare de 6:1. Deoarece aceste

rezultate contrazic toate experimentele raportate în literatura de specialitate acestea

par a fi foarte neverosimile i sunt probabil afectate de alte cauze, necunoscute

autorilor.

8.5.2 Formarea amestecului

motoarele alimentate cu hidrogen, maj

Amestec format în exterior folosind un carburator;

Amestec format în exterior prin „induc ie paralel ”: câteva modalit i de

întârziere a alimentarii cu hidrogen, ex. conducta de alimentare este închis

de o supap separat pozi ionat deasupra supapei de admisie care se

deschide doar când supap de admisie s-a deschis suficient de mult ;


Amestec format în exterior folosind un carburator i injec ia de apa, câteodat

folosind i recircularea gazelor de evacuare (EGR);

Amestec format în exterior cu injec ie de combustibil în colector sau în poarta

supapei câteodat i cu „induc ie paralel ;”

Amestec format în interior prin injec ie direct de combustibil.

Injec ia de apa, introducerea întârziat a hidrogenului i injec ia direct sunt

toate menite s întârzie sau s previn aprinderea invers fie prin r cire

suplimentar sau evitând un amestec ce se poate aprinde în timpul ciclului de

admisie. În ultimul deceniu, doar injec ia în poarta supapei i injec ia direct (în

timpul compresiei sau mai târziu) au fost utilizate deoarece alte metode nu sunt la fel

de flexibile i nu pot fi controlate atât de u or. Formarea amestecului în exterior prin

injec ia în poarta supapei a dovedit a avea eficien a crescut , func ionare prelungit

cu amestecuri s race, varia ii ciclice mici i niveluri mai sc zute de NOx în

compara ie cu injec ia direct . Aceasta este consecin a cre terii omogenit ii datorate

itat din cauza sc derii coeficientului de umplere: din

cauza

e întârzie momentul

injec iei. Formarea amestecului în exterior ofer un grad de libertate crescut privind

perioadelor prelungite de amestecare pentru injec ia în poarta supapei ,de asemenea

i amestecarea mai ineficient pentru injec ia direct deoarece turbulen a generat

de admisie contribuie mai pu in la formarea amestecului. În plus, costul i

complexitatea sunt semnificativ mai sc zute pentru injec ia în poarta supapei fa de

injec ia direct i este posibil echiparea ulterioar a echipamentului pe un motor

existent. Pe de alta parte, puterea unui motor cu hidrogen a c rui amestec se

formeaz în exterior este lim

densit ii sc zute a hidrogenului i cerin ele sc zute de aer pentru amestecuri

stoichiometrice, volumul ocupat de hidrogen în cilindru în amestec stoichiometric

poate ajunge la 29.5% (Tabelul 8.1) Aceasta duce la o sc dere a nivelului de energie

cu 18% a hidrogenului în compara ie cu benzina. Dac injec ia direct este folosit

pentru a introduce hidrogenul dup ce supapa de admisie a fost închis , puterea

maxim poate fi cu pân la 17% mai mare decât la utilizarea benzinei.

Avantajul important al injec iei directe fa de injec ia în poarta supapei este

imposibilitatea apari iei autoaprinderii. i aceasta determin cre terea puterii maxime

a motorului în cazul injec iei directe fa de injec ia în poarta supapei, deoarece pot fi

folosite amestecuri mai bogate f r riscul de a ap rea aprindere invers . Pre-

aprinderea poate totu i ap rea, exceptând cazul în care s


stocarea hidrogenului: Injec ia direct în timpul compresiei necesit hidrogen sto

la presiuni înalte, deci necesit stocarea hidrogenului în stare lichid .

Astfel, atât

cat

formarea exterioar cât i interioar a amestecului au avantaje i

dezava

valu ri recente ale tehnicilor

trolul

arcinii. Vitezele ridicate ale fl c rii amestecului hidrogenului i nivelul sau ridicat de

mestecuri s race i substan ial diluate.

Randa

u or de utilizat i poate realiza u or amestecuri s race.

Hid r

poate

rezerv

Compr

i o cr

clapeta de accelera ie deschis la maxim este folosit pentru a utiliza avantajul

cre

loc de

din po

maxim

foarte

strang

cre te

Mai m

sc der

strang

atunci

ntaje. Injec ia direct este mai bun pentru performan e în sarcin maxim

(putere maxim ) i injec ia în poarta supapei este mai bun la sarcini par iale

(randament maxim al motorului). Au fost propuse proiecte diferite de motoare,

folosind ambele modalit i de formare a amestecului. E

de formare a amestecului pentru hidrogen pot fi g site în bibliografia prezentat

8.5.3 Strategii de control al sarcinii

Hidrogenul este un combustibil foarte instabil când e vorba de con

s

inflamabilitate permite func ionarea sa în a

mentul motorului i emisiile de NOx sunt cei doi parametrii folosi i pentru a

stabili strategia de control a sarcinii A fost folosit un raport constant de echivalen

pentru func ionare clapetei de accelera ie, în special pentru scopuri demonstrative

deoarece este destul de

ru ile metalice pot furniza doar hidrogen la presiune joas , hidrogenul comprimat

fi utilizat dar aceasta limiteaz con inutul efectiv al rezervorului deoarece

orul nu poate fi golit decât la presiunea de injec ie a combustibilului.

imarea hidrogenului gazos la bordul autovehiculului ar necesita un compresor

e tere substan ial de energie necesar . Unde este posibil, func ionarea cu

terii randamentului, reglând sarcina i bog ia amestecului (controlul calitativ) în

coeficientul de umplere (controlul cantitativ) deci evitând pierderile rezultate

mpaj. Limit rile privind func ionarea cu clapeta de accelera ie deschis la

sunt datorate lipsei aprinderii, hidrogen nears i stabilitate sc zut la sarcini

mici (ralanti) i emisiile de NOx crescute la sarcini medii i mari. Astfel,

ularea prin închiderea clapetei este utilizat la sarcini foarte mici pentru a

stabilitatea arderii i s scad nivelul de emisii de hidrogen nears.

ult, aceasta cre te randamentul în aceste condi ii: cre terea randamentului prin

ea emisiilor de hidrogen nearse compenseaz sc derea randamentului prin

ulare datorat de închiderea clapetei de accelera ie. Randamentele motoarelor

când sunt strangulate i atunci când func ioneaz cu clapeta de accelera ie


deschi

amest la care se folose te strangularea depinde de motor i variaz între =

3/

genera

accele

folosea

NOx d

Motoru

putând r cu c i pentru reducerea NOx urmând astfel o

sc

gazelo

stoichi

depen

fa de

nivelul

nu est

tura ie

serie, nt

ulte

Sunt p

motoru

posibil

amest

8.5 M

cuprin

hidrog

vedere

ile reci pot fi folosite deoarece aproape

ca nici nu exista depuneri pe bujie i care trebuie s fie arse. Nu folosesc bujii

s la maxim sunt comparate în materialele bibliografice prezentate, limita de

ec s rac

=0.33 i =4/ =0.25.

Pentru sarcini mai mari, temperaturile fl c rii dep esc rapid limitele de

re a NOx. Aceasta duce la o limit a NOx la func ionarea cu clapeta de

ra ie deschis la maxim. S-ar putea limita calitatea amestecului i s se

sc amestecuri suficient de s race pentru ca aceste emisii s fie sub limita de

e 10 sau 100 ppm, dar aceasta implic o sc dere mare a puterii maxime.

l poate fi sugrumat peste aceast limit folosind amestec stoichiometric,

astfel folosi un catalizato

dere a randamentului motorului. O alt strategie implic utilizarea recircul rii

r arse(RGA) pentru a putea controla sarcina: folosind amestecuri

ometrice dar în locul sugrum rii, refolosind gazele de evacuare într-o propor ie

dent de cerin a de putere. Aceasta cre te randamentul

sugrumare. Injec ia de ap poate de asemenea fi folosit pentru a reduce

de emisii NOx de la amestecurile bogate i este mai eficient decât (RGA) dar

e practic .

Dac un motor cu hidrogen este proiectat pentru func ionare la o singura

/putere, ex. pentru generarea de putere sta ionar într-un vehicul hibrid în

se poate ob ine o func ionare foarte curat i foarte eficient f r tratame

rior (al c rui randament ar putea sc dea cu timpul)

osibile emisii de NOx situate sub 10 ppm sau chiar 1 ppm, cu randamente ale

lui de 50%. Hidrogenul este singurul combustibil cu care acest lucru este

(la utilizarea hidrocarburilor emisii reduse de NOx se ob in la arderea de

ecurilor s race care implic cre teri ale emisiilor de hidrocarburi nearse )

.4 AS alimentate numai cu hidrogen

În aceast parte a lucr rii, se realizeaz o prezentare pentru a oferi o vedere

z toare asupra proiect rii motoarelor pentru a profita de avantajele

enului i s contracareze dezavantajele sale, elementele care trebuie avute în

la proiectare sunt:

Bujii-folosirea bujiilor reci pentru a evita temperaturi ale electrodului ce

dep esc limita de autoaprindere. Buji


cu electrozi de platin deoarece acestea pot ac iona ca i catalizator pentru

oxidarea hidrogenului (platina a fost utilizat la evacuare pentru a oxida

hidrogenul nears)

Sistemul de aprindere- se evit aprinderea necontrolat datorate energiei

reziduale de aprindere prin împ mântarea corespunz toare a sistemului de

aprindere sau schimbând rezisten a cablului de înalt tensiune, se evit

aprinderea prin induc ie într-un cablu învecinat, prin utilizarea unui sistem

bobina - bujie se poate ob ine o ten

siune mai ridicat în secundarul sistemului

sta nu reprezint o problem pentru motoarele cu hidrogen

folosind injec ie direct în

elor de evacuare; folosirea chiulaselor cu mai multe

în colector, fie injec ie direct ); asigurarea unui baleiaj corespunz tor (ex.

folosind distribu ie variabil ) pentru a sc dea temperatura gazelor reziduale

(probabil din cauza concentra iei mai reduse de ioni de hidrogen în flac r )

sistemul bobin bujie poate satisface aceast condi ie. Alternativ, distan a

dintre electrozii bujiei poate fi mic orat pentru a sc dea tensiunea de

aprindere, acea

deoarece nu vor fi depuneri aproape deloc. Distan e între electrozi de 0.25mm

au fost folosite (de i ulterior au fost m rite la 0.5 mm din cauza dificult ilor

întâmpinate la pornirea la rece a motorului datorit apei condensate pe vârful

bujiei)

Sistemul de injec ie: pentru temporizarea injec iei se utilizeaz , fie injec ie în

poarta supapei i injec ia s fie programat astfel încât perioada ini ial de

r cire cu aer s aib loc în faza ini ial a cursei de admisie i sfâr itul injec iei

s fie astfel încât tot hidrogenul sa fie aspirat, f r s r mân hidrogen în

colector când supap de admisie se închide, fie

timpul compresiei. Injectoare cu debit foarte mare sunt necesare în ambele

cazuri, mai multe injectoare pentru fiecare cilindru putând astfel u ura

îndeplinirea acestei cerin e

Regiunile fierbin i: existen a acestora în camera de ardere ar putea ini ia pre-

aprinderea sau aprinderea invers pentru a se evita aceste procese se

realizeaz r cirea supap

supape pentru a reduce i mai mult temperatura supapelor de evacuare;

asigurarea unui control corespunz tor al lubrifiantului; realizarea unor camere

de trecere a lichidului de r cire suplimentare în jurul supapelor i a altor zone

cu înc rcare termic mare (dac este posibil); întârzierea introducerii

combustibilului pentru a crea o perioada de r cire cu aer (folosind fie injec ie


olum, se folosesc

toleran e de 0.152 mm pentru a stinge flac ra de hidrogen. Schimbarea

volumului intersti iilor i/sau a segmen ilor cu scopul de a reduce curgerea

i.

ia pozitiv în carter

cât de

Segmen ii si volumul intersti iilor: sc derea jocului dintre capul pistonului i

cilindru pentru a preveni ca flac ra s ajung în acest v

secundar a amestecului nears c tre capul pistonului (prevenind „alimentarea”

unei fl c ri din acest spa iu în timpul evacu rii si admisiei)

Scaunele de supap i injectoarele: nivelul foarte sc zut de lubrifiere al

hidrogenului trebuie luat în considerare iar proiectarea injectoarelor trebuie s

in cont de acest lucru. Aceasta este problema cu orice combustibil gazos

uscat (cum ar fi gazul natural) dar problema este mai mare pentru hidrogen

(gazul natural comprimat con ine mici cantit i de uleiuri din cea a de ulei a

compresorului, pe când compresoarele de hidrogen au toleran e mai mici

pentru a evita scurgerile de hidrogen)

Lubrifierea: trebuie ales un lubrifiant compatibil cu o concentra ie mai mare

de ap în carter, un raport al unui drive test în Germania realizat de c tre TUV

a utilizat doua op iuni: un ulei de demulsifiere i un ulei sintetic care formeaz

o solu ie cu apa. De Luchi pretinde o durat de via crescut a uleiului

deoarece uleiul nu este diluat de c tre hidrogen i se formeaz mai pu ini

acizi. Un ulei f r calciu este recomandat pentru evitarea regiunilor fierbin

Efectul hidrogenului asupra compozi iei i structurii chimice nu a fost înc

relatat în literatura de specialitate.

Ventila ia carterului: este în general recomandat ventila

datorit func ion rii f r clapet (presiune ridicat a aerului în colector) i

descre terii concentra iei de hidrogen din carter (prin scurgerile datorate

neetan eit ii).

Raportul de comprimare: alegerea raportului optim de comprimare este

asem n toare cu aceea a oric rui alt combustibil, trebuie ales pe

avantajos posibil pentru a cre te randamentul motorului, limita fiind stabilit

prin cre terea transferului de c ldur sau prin prezen a arderii anormale (în

cazul hidrogenului, în principal pre-aprinderea). Alegerea poate depinde de

utilizare, deoarece raportul de comprimare optim pentru randamentul

motorului poate fi diferit fa de cel mai înalt punct al puterii la ie ire. În


general raportul de comprimare al unui motor pe baz de hidrogen poate fi

mai mare decât al unui motor pe baz de benzin .

e de ardere

eldovich. Viteza de ardere

lamina

Turbulen a în cilindri: datorit vitezei mari de ardere a hidrogenului pot fi

folosite, camerele de ardere cu turbulen a redus (camer

orizontale sau camere de ardere cu forma de disc sau galerii de admisie

aliniate axial simetric), i care aduc beneficii asupra randamentului motorului.

Ele sunt necesare pentru a evita ardere anormal în timpul func ion rii cu

amestec stoichiometric.

Accelera ia electronic : dup cum s-a men ionat mai sus, motoarele pe baz

de hidrogen ar trebui s func ioneze cu clapeta de accelera ie deschis la

valoarea maxim în orice moment, dar diminuarea sec iunii de curgere este

necesar pentru a men ine la înc rc ri joase stabilitatea arderii i limita

emisiilor de hidrogen nears. În cazul sarcinilor medii pân la înalte, diminuarea

sec iunii de curgere poate fi necesar pentru a limita emisiile NOx. Acest lucru

poate fi realizat doar cu un sistem de conducere electronic.

8.6. LITERATUR DE SPECIALITATE:CERCET RI ANALITICE

Literatura de specialitate care se refer la simularea motoarelor cu hidrogen

este destul de limitat . Fagelson i colegii s i folosesc un model cvasi-dimensional

pentru a calcula puterea la ie ire i emisiile NOx la un M.A.S. pe baz de hidrogen. Ei

folosesc un model aproape empiric de ardere turbulent de forma ut = AReBul, unde A

si B sunt constante, Re este num rul Reynolds bazat pe diametrul pistonului, viteza

medie a pistonului i propriet ile gazelor arse; ut i ul sunt vitezele arderii turbulente

i respectiv arderii laminare. Se consider propagarea sferic a frontului de flac r ,

transferul de c ldura este neglijat i formarea NOx este calculat folosind 10 zone

constante de mas ale gazelor arse i mecanismul Z

r este calculat dintr-o reac ie general de ordinul doi i energia estimat

pentru activare. Modelul este validat numai pentru m sur torile efectuate prim

varia ia raportului de echivalen i avans la aprindere. Prahbu-Kumar i colegii s i

folosesc acest model pentru a determina performan ele unui motor pe baz de

hidrogen supraalimentat, dar nu au f cut nici o schimbare asupra modelului original.

Ei noteaz o supraestimare a ratei cre terii presiunii ( i implicit a vitezei de ardere).


Keck prezint m sur torile pe un motor accesibil optic, ce func ioneaz i pe

az de propan i de hidrogen i folose te un model cu turbulen pentru a compara

tendin

vansului la aprindere i tura ie a motorului.

Dezvo

eac iei bazate pe cele doua rate globale ale

reac iil idrogenului i ale benzinei.

Valida

un model semi-

n tor celui PDF bazat pe o rat m surat a c ldurii disipat e

pozi ie f cut pentru a

nu a putut fi

folosit primul model al arderii pentru optimiz ri, dat fiind faptul c el permite un num r

b

ele prev zute cu cele ale observa iilor experimentale.

Johnson folose te codul de simulare a motorului Kiva-3V creat la Los Alamos

National Laboratory cu modelul standard de mi care ciclic eddy pentru a simula un

motor pe baz de hidrogen la dozaj i coeficient de umplere fixe. Modelul standard

con ine un parametru liber care este adaptat pentru hidrogen i este men inut

constant pentru diferite valori ale a

lt rile urm toare se vor axa pe aceste referin e urm rind s includ

dependen a modelului constant în func ie de raportul amestec aer-combustibil,

presiune i temperatura în viteza de ardere laminar . Cei de la Fontana au modificat

codul Kiva-3V pentru a putea simula cu el un motor cu aprindere prin scânteie

alimentat cu un amestec de benzina i hidrogen. Modelul folosit, a fost un model

hibrid pentru care rata global a reac iei este dat fie de modelul standard

transformat, fie de o rat masic a r

or de ardere ale h

rea modelului s-a realizat pe baza func ion rii pe benzina i apoi au fost

calculate efectele ad ug rii diferitelor cantit i de hidrogen în benzina.

Modelele zero si multi-dimensionale au fost folosite la Universitatea Tehnica

din Cehia pentru a simula un motor ce func ioneaz cu hidrogen. Un model zero-

dimensional bazat pe codul GT-Power este folosit împreun cu legea lui Wiebe

adaptat pentru a m sura ratele de disipare a c ldurii, mecanismele Zeldovich

extinse folosite în calcularea emisiilor de NOx. Un a a numit model avansat eulerian

cu zone multiple a fost dezvoltat pentru simul rile multidimensionale. Acest model

este un amalgam de elemente zero-dimensionale i multidimensionale: camera de

ardere pare a fi limitat la ni te geometrii simple din cauza limit rilor date de

generarea re elei de elemente finite, iar transferul de c ldura este modelat pentru

con inutul cilindrului ca un volum compact. Modelul arderii, este

empiric asem e i p

supozi ia c frontul de flac r are o forma semisferic , su

localiza propagarea fl c rii. A doua op iune pentru modelarea arderii se bazeaz pe

un mecanism al reac iei foarte detailat, dar se pare ca momentan

integrat în codul complet al motorului din cauza unor „dificult i numerice”. Autorii au


limitat de calcule, dar scopul final este acela de a integra i cinetica reac iei chimice

în cod. În orice caz, momentan r mâne incert cantitatea de informa ii suplimentare

câ tigat din combinarea unui model zero-dimensional al arderii cu un model

multidimensional din punct de vedere al calculelor referitoare la dinamica fluidelor,

p rând la prima vedere c cele doua nu au nici o leg tur ; de asemenea, dac

cinetica reac iei chimice este i ea integrat în cod, timpii necesari efectu rii

calculelor nu vor mai justifica folosirea sa în optimizare.

tor

cu hid

e c

neliniarit ile regimurilor sunt dependente de defini ia dat grosimii laminare a fl c rii,

permi ând deci varia ia limitelor sale.

Se dau rela iile:

l < K (8.1)

K <dl < (8.2)

l > (8.3)

În sfâr it, cei de la Maetal. folosesc un model zero-dimensional, bazat pe

legile lui Wiebe. Nu este îns clar c ror legi se supun aceste date. Modelul este

folosit pentru a calcula efectele modific rii raportului de compresie i a avansului la

aprindere i pentru a determin un „diametru optim al cilindrului” pentru un raport de

echivalen fix. Nu este dat nici o validare cu date experimentale i nici o justificare

pentru extrapol rile condi iilor, care sa fie potrivite cu modelul dat. De aceea calitatea

rezultatelor din raport este îndoielnice.

8.7 STRUCTURA FL C RII ÎN MOTOARELE CU HIDROGEN

În aceasta sec iune se încearc o clasificare a structurii fl c rii într-un mo

rogen. Aceast estimare este f cut pentru a afla efectele diferitelor propor ii

de hidrogen în compara ie cu hidrocarburile într-un regim de ardere turbulent .

Analiza este f cut folosind o diagrama a regimului de ardere, folosind presupuneri

simple. Singurul scop este ilustrarea diferen elor dintre modul de ardere al

hidrogenului i al hidrocarburilor.

Bazându-se pe raportul dintre sc rile chimice i turbulente se pot deosebi în

regimurile turbulente ale amestecurilor pre-formate. O clasificare folosit pe scar

larg a lungimilor de baza ale sc rilor va conduce la trei zone în structura fl c rii

date de urm toarele caracteristici. Se presupune c avem de-a face cu o reac ie

chimic într-un singur pas i cu un singur reactant. De asemenea se presupun


Aici l este grosimea frontului laminar de flac r (definit aici ca /ul) cu viscositatea

cinematic i ul ul viteza de ardere laminar . . K este scala de lungime a lui

Kolmogorov i scala integral de lungime. Scara integral este o m sur a

structurilor ce con in cea mai mult energie în cazul unei arderi turbulente,

dimensiunea ei este determinat de geometria ce con ine curgerea. Scara de

lungime a lui Kolmogorov . K determin dimensiunea celor mai mici curen i. În

aceast scal , disiparea viscozit ii moleculare dep e te energia cinetic

turbulent , astfel încât nu pot exista structuri mai mici. Defini ia sc rii K este dat de

rata disip rii energiei turbulente , i de viscositatea cinematic :

K =( 3/ )0.25 (8.4)

Ca o alternativ , . K poate fi calculat din rela ia dat de :

/ K=(Ret)0.75 (8.5)

unde Ret este num rul lui Reynolds pentru curgeri turbulente, dat de:

Ret =u’ / (8.6)

unde u’ este radicalul vitezei turbulente. Spectrul sc rii lungimii turbulente este deci

limitat de i erea printr-o

oar s deformeze i s bruieze

grosim

de K.. Cele mai mari sc ri de lungime sunt date de curg

geometrie dat , dimensiunea lor fiind deci men ionat mai sus i fiind determinat de

geometrie. Sc rile mai mici î i au originea în cascad a energiei turbulente: ele sunt

formate în momentul sc derii curen ilor de turbulen a datorit disip rii. Scara lungimii

lui Kolmogorov reprezint limita de jos pentru acest nivel, energia turbulent fiind

disipat în c ldur .

Pentru a relua clasificarea regimului de ardere laminar ec.(8.1) scoate în

eviden o regiune în care grosimea fl c rii l este mai mic decât cea mai mic

m sura pe scara . K. Aceasta este cunoscut sub numele de criteriul Klimov-

Williams. În aceast regiune mi c rile turbulente pot d

ea fl c rii laminare. O serie de termeni sunt folosi i pentru a denumi aceasta

regiune (front laminar de flac ra bruiat , regim superficial de reac ie, regim de flac r

mixt ), de asemenea sunt date i diverse descrieri (flac ra laminar înconjurat de o

curgere turbulent , flac ra laminar bruiat , suma fl c rilor laminare înconjurate de

un câmp de curgere turbulent ), dar în final toate descriu aceea i structur . În

aceast lucrare, referirile la aceasta regiune se fac prin regimul de flac r bruiat .

Ecua ia (8.3) marcheaz o regiune în care toate regimurile turbulente pe o

scar a lungimii sunt mai mici decât grosimea laminar a frontului de flac r . Aceasta

ecua ie este cunoscut sub numele de criteriul Damköhler. În aceast regiune,


fenomenul de transport în zona de reac ie a fl c rii nu mai este determinat în mod

singular de un proces molecular ci este în egal m sura determinat de o mi care

turbulent . Aceasta mi care poate fi descris ca o împletire de curen i în zona de

reac ie, ceea ce explic faptul c denumirea de ”front de flac r ” nu mai poate fi

considerat folositoare. Diferite nume sunt folosite din nou în literatura de specialitate

pentru a descrie aceast regiune (reactorul de amestec omogen, reactorul de

amestec perfect , regimul distributiv de reac ie, regimul fl c rilor cu front gros).

Figura 8.1. Regimurile unei arderi turbulente preformate

Printre aceste regiuni, în zona marcat prin ecua ia (8.2), se g se te o regiune în

care o parte din curen ii turbulen i sunt înconjura i de frontul de flac r , curen ii

respectivi au o scar a lungimii mai mic decât l. Numele folosite în literatura de

specialitate pentru a indica aceast regiune pot crea confuzii ca în ref.[73] ,aceast

regiune poate fi g sit sub numele de „zona de reac ie distribuit ”, nume care, dup

cum s-a men ionat anterior, este folosit de numero i autori pentru a descrie regiunea

descris în ec. (8.3). Pentru al i autori aceast zon nu are un nume, referirile la ea

f cându-se cu „regiune intermediar ”. În alte lucr ri este folosit numele de „front de

flac ra înconjurat de un regim de curen i turbulen i”.

Regimurile de flac r pot fi reprezentate în diagrame care vor ar ta rela iile

dintre diferite m rimi adimensionale, de exemplu în diagrama Borghi, raportul u' /ul


reprezentat împreun cu raportul / l este folosit pentru a ar ta grani ele fiec rui

regim de flac r . Alt posibilitate este aceea de a plota o diagram cu num rul lui

Reynolds pentru regimuri turbulente pe abscisa i num rul lui Damköhler pe

ordonat . O astfel de diagram este prezentat în figura 8.1. Aici num rul lui

Damköhler este reprezentat de raportul timpului caracteristic unei curgeri turbulente

raportat la timpul caracteristic al reac iilor chimice. În func ie de aplica ia aleas , se

poate

c r se vor deosebi, deci pe baza sc rilor

de lun

u nu poate exista în aceste condi ii.

regiunea intermediar (‘B’ în figur ) mecanismul arderii poate fi reprezentat

de un

opta pentru diverse sc ri de timp, o op iune posibil fiind reprezentat de

integrarea sc rii uzuale a timpului I dat de / u' ,care este o m sura a timpului de

via a unei structuri vortex din componen a curgerii. Scara timpului în cazul reac iei

chimice I poate fi aleas ca timp de referin în regimul fl c rii laminare l/ul l.

Urmatorul num r Damköhler este apoi derivat:

Da= I/ l = =( /u’ )/( l/ul ) (8.7)

În figura 8.1, diferitele regimuri de flac ra sunt separate de drepte ce reprezint

egalit ile K = l i = . Regimurile de fla

gime asem n toare cu discu iile de mai sus. În regiunea < l, deci sub linia

< l = 1, este valabil regimul distribuit de reac ie (regiunea ‘C’ în figura). Aceasta

regiune este p truns în cazul sc rilor de lungime mici integrate i în cazul valorilor

mici ale num rului Damköhler. Combina ia dintre sc rile de lungime mici integrate,

deci a pasajelor de curgere mici, i cu intensit i de turbulen mari, deci viteze mari,

nu apar la motoarele cu ardere intern . Pentru aceast problem nu exist înc o

p rere clar dac acest fel de ardere poate sa

Pentru regiunea K > l, deci deasupra liniei K / l =1, regimul de ardere este

valabil (regiunea ‘A’ în figura). În acest regim Da > 1, lucru care indic faptul c în

regiune exist o reac ie chimic rapid (în compara ie cu amestecul turbulent).

Modelarea arderii turbulente permite separarea chimiei din turbulen , lucru ce

simplific mult modelul. Modelarea reac iilor chimice poate fi grupat în corela ie cu

viteza de ardere laminar , influen a turbulen elor se limiteaz la suprafa arderii i la

cre terea suprafe ei frontului de flac r .

În

a a numit model „de curen i frân i”. Aici ideea se leag de faptul ca rata arderii

este determinat de rata cu care regiunile cu gaze nearse sunt divizate în regiuni mai

mici (fapt determinat de rata turbulen ei de disipare ), astfel fiind m rit suprafa de

contact dintre amestecul nears i gazele calde, pân ce aceasta devine destul de


mare pentru a porni reac ia chimic . Rata arderii este extins mult datorit ratelor de

amestec turbulent i deci de lungimile sc rilor turbulente.

Abraham et al. au determinat valorile minime i maxime ale num rului lui

Reynolds i ale num rului lui Damköhler ce pot exista în condi iile unei arderi în

otoarele cu amestecul pre-format. În figura.8.1, aceste valori sunt reprezentate prin

dreptunghiul cu linii sub iri în care este situat flac ra în motoarele cu ardere intern .

rit limitelor de inflamabilitate)

ordinele de m rime ale u’ i sunt similare i în alte

referin e, dup cum sunt considerate varia iile tura iei motorului i dimensiunile

acestu

m

În aceast categorie intr i motoarele comerciale i motoarele de cercetare. S-a

ajuns la concluzia c procesul de ardere în motoarele considerate se situeaz în

regimul de flac r bruiat i c procesul de ardere în motoarele comerciale se

situeaz în regiunea intermediar , excep ie f când motoarele cu viteze de rota ie mai

mici de 1500 rpm, pentru care regimul de ardere se situeaz în regimul de flac ra

bruiat . Deci regimul de flac r bruiat împreun cu regimul de ardere intermediar

sunt regimurile ce prezint importan pentru studiul arderii în motoarele cu aprindere

prin scânteie.

Referin a [72] este folosit ca baz pentru calculul valorilor minime i maxime

ale numerelor Damköhler i Reynolds în motoarele cu hidrogen. Valorile lor se vor

schimba datorit diferitelor motive: viscositatea cinematic a hidrogenului este mai

mare decât cea a hidrocarburilor, vezi Tabelul 1.1 (viscositatea cinematic mai mic

se compenseaz cu densitatea mai mic ), i varia ia vitezei de ardere laminar este

mai mare cu mai mult de un ordin de m rime (viteze foarte mari de ardere la

amestecul stoechiometric, în plus este posibil i un mod de operare cu amestec

s r cit dato

Presupunerea legat de

ia. Pentru un raport de comprimare se consider o varia ie mai mare (7 -14),

de asemenea pentru frac iunea de gaze reziduale (0- 50 vol%) i de asemenea

pentru raportul de echivalen (. =1 4 sau =0.25 1). Propriet ile amestecului

au fost calculate utilizându-se codul ecua iei gazelor (Gas eq code). Viteza de ardere

laminar a fost luat din datele g site în [1].

Valorile rezultate sunt reprezentate de linia îngro at din diagrama vitezei

fl c rii în figura. 8.1. Dup cum se poate vedea apare o cre tere semnificativ în

suprafa a regimului de func ionare (scara logaritmic !). Acest fapt se datoreaz în

principal varia iilor mari ale raportului de echivalen , care determin viteza de ardere

laminar , dar care poate cauza de asemenea varia ii în propriet ile amestecului


(vezi Tabelul 1.1, aprox. 30% din volumul cilindrului pentru un amestec stoichiometric

de hidrogen în cazul condi iilor u oare de func ionare = 4.0/ , ceea ce reprezint

9.5%).

Prima observa ie este aceea c regiunea de ardere bruiat cre te. Acest fapt

este cauzat de vitezele de ardere mai mari posibile la hidrogen (regim chimic rapid).

În orice caz, suprafa a aflat în regim de ardere intermediar se m re te i ea (varia ii

mai mari în Ret datorate varia iilor mai mari în viscositatea amestecului). Deci ambele

regimuri pot co-exista în cazul unui motor alimentat cu hidrogen. Structura fl c rii va

depinde de condi iile de func ionare ale motorului (sarcin mic - amestec s rac-

regim intermediar, sarcina mare- amestec aproape stoichiometric- regim de ardere

bruiat . Heywood and Vilchis confirm experimental apartenen a amestecurilor

stoichi

cu privire la prezentul studiu este prezentat în continuare.

oate motoarele men ionate sunt în patru timpi cu aprindere prin scânteie. Munca

eral Motors descris în Sec iunea 8.8.2 este de

surii necesare de precau ie a motoarelor

limentate cu hidrogen. În continuare, Sec iunea 8.8.3 prezint munca pe motorul

CFR c

ogen

dovedeau un concept. Pe scurt spus a fost luat un motor diesel cu injec ie direct

ometrice de hidrogen la regimul de ardere turbulent .

8.8 CERCETAREA EXPERIMENTAL

Departamentul autorului are în spate o istorie în cercet rile asupra motoarelor

cu aprindere prin scânteie alimentate cu hidrogen de aproape 15 ani. O scurt

prezentare asupra activit ii anterioare este prezentat în Sec iunea 8.8.1. Munca

experimental executat

T

experimental pe motorul Gen

ansamblu general, posibilit i i m

a

u aten ie special acordat m sur torilor presiunii din cilindru, care au fost

colectate pentru a forma o baza de date contra c rora sa fie validate rezultatele

simul rilor. În final, Sec iunea 8.8.4.discut despre munca ini ial i viitoare pe

motorul Audi. Viitoare opera ii asupra strategiilor de lucru a motorului cu hidrogen

privitoare la puterea dezvoltat i emisiile de NOx care urmeaz sa fie executate pe

motorul CFR si Audi, sunt de asemenea discutate. Toate datele despre emisii sunt

date brute, ie ite din motor, m sur torile gazelor evacuate (f r tratamente

ulterioare)

8.8.1. Istoria experimentelor

Chiar primele experimente f cute pe motoare alimentate cu hidr


(marca Valmet torina au fost

rap l de comprimare t sc zut (de la rin

a de diferite pentru a tare a fost mont de

fluen a parametrilor motorului asupra arderii hidrogenului a fost studiat

ega ldura pe baza m sur rii presiunii din cilindru. Studiul

presiunii în cilindru înainte i în timpul apari iei exploziilor datorate întoarcerii fl c rii

prinder ntrolate care d teuri. Pre era în

de deton ri i a fost propus un algoritm de detectare a detona iilor

datele presi pentru a evita detona iile i întoarcerea fl c rii.

arburatorul de gaz e fost, într-un final, schimbat cu un sistem de injec ie

secven ial , implicând si testarea injectoarelor pentru hidrogen (la momentul

u de g sit în comer i erau nefiabile). Supraalimentarea motorului a

dar se nu putea dezvolta o putere mai ridicat comparativ

cu motorul normal as

rac comparativ cu func ionarea pe gaz natural. Interesant,

ad ugarea unei anumite cantit

autobuzul men ionat în sec iunea precedent era doar dovada unui concept, iar

, patru cilindri în linie, 4.4 litri), injectoarele de mo

înlocuite cu bujii, ortu a fos 16:1 la 8.7:1) p

montare pistoane iar limen at un carburator

gaz. In

folosind analiza d j rii de c

ar tau auto-a

general înso it

i neco uceau la ra -aprinderea

bazat pe unii din cilindru

C

respectiv nu era

fost de asemenea testat

pirat din cauza utiliz rii amestecului s rac necesar pentru a

evita întoarcerea fl c rii. În paralel, dovada de concept a fost demonstrat într-un

program Belgian i European prin modificarea unui autobuz diesel, folosit la transport

public, la func ionarea cu hidrogen. Modific rile au constat în cele descrise mai sus,

i instalarea unui rezervor de hidrogen cu hidruri metalice fiind instalate i m suri de

siguran .

Avantajele alimentarii cu hidrogen la motoarele cu gaz natural cu aprindere

prin scânteie au fost cercetate de c tre General Motors i prezentate în Sec iunea

2.3. Alimentarea cu hidrogen a crescut randamentul motorului si a m rit gama de

func ionare cu amestec s

i de gaz natural la hidrogen (aproximativ 20% în

volume) rezult într-o func ionare f r întoarcerea fl c rii indiferent de concentra ia

amestecului carburant.

8.8.2 Motorul General Motors

8.8.2.1 Cercet ri Experimentale

Un motor General Motors de tipul 454 (mai cunoscut sub denumirea de

Chevrolet BigBlock) a fost adaptat pentru combustibili gazo i. Interesul pentru acest

motor s-a trezit deoarece era folosit la un autobuz alimentat cu gaz natural,


sponso

Tabe tors

ipul motorului V8 DSA 42 oRAC IPMS

rul laboratorului de lucr ri cu hidrogen a dorit continuarea proiectului cu un

pas mai înainte, prin convertirea unui autobuz de pe gaz natural pe hidrogen. Motorul

a fost ini ial echipat cu un carburator de gaz, experimentele cu amestecuri de gaz

natural i hidrogen men ionate în sec iunea precedent foloseau acestui ansamblu.

Ca parte din experimentele f cute de prezentul autor, a fost montat un sistem de

injec ie multi-punct secven ial cu un sistem programabil de control. Caracteristicile

motorului sunt prezenta i în Tabelul 8.2

lul 8.2. Caracteristicile motorului General Mo

T

Alezaj 107.95 mm ISA 95 oRAC DPMI

Cursa 101.6 mm DSE 93 oRAC IPMI

Cilindree total 7.4 litri ISE 62 oRAC DPMS

Raportul de

comprimare

8.5:1 ordinea de

aprindere

18436572

Tura ia 750-4000 rpm

8.8.2.2 Injec ia

Controlul sarcinii

Dup cum este men ionat în introducere (Sec iunea 1.4), limitele mari de

inflamabilitate ale hidrogenului în aer permit un control al sarcinii prin varia ia calit ii

amestecului aer/hidrogen. Acest control calitativ este benefic pentru randamentul

motorului comparativ cu amestecul cantitativ folosind o clapet de accelera ie. De

altfel, la tura ia de mers în gol a fost m surat emisia de hidrogen nears în evacuare

din cauza rateurilor cu amestec s

ie de varia iile mediului de

rac folosit. Ca atare accelerarea este folosit la

tura ia de mers în gol pentru a asigura arderea complet i stabil . În toate celelalte

condi ii clapeta de accelera ie este larg deschis . Toate experimentele precizate în

acest capitol sunt f cute cu clapeta de accelera ie larg deschis , numai dac nu este

men ionat altfel.

Sistemul de control al motorului calculeaz începutul, durata precum i

reglarea injec iei în func ie de variabilele principale, care sunt tura ia i puterea

motorului. Valorile astfel calculate sunt corectate în func


func ionare: presiunea (de obicei 3 bari) i temperatura combustibilului, presiunea i

temperatura aerului i temperatura agentului de r cire. A fost utilizat un accelerator

ilar cu caracteristica unei pompe diesel: independent de

tura ia motorului i dependent liniar fa de pozi ia pedalei de accelera ie.

Caracteristica duratei de injec ie este prezentat în figura 8.2. A fost ob inut o

func ionare mai stabil la relanti prin programarea unei durate de injec ie mai lung

atunci când tura ia motorului scade sub tura ia de relanti, astfel încât motorul s

revin la tura ia de func ionare la relanti.

ca parametru de sarcin , utilizând un generator func ie de unde pentru a produce o

und p trat cu o frecven reglabil pentru a simula semnalul senzorului de

presiune a aerului din colectorul de admisie. Sistemul de control al motorului (Zytek)

folose te o scara de înc rcare de la 0 la 2000 mbar. Astfel în graficele rezultate

puterea este propor ional cu presiunea aerului din colector, dat în mbar, 0 bar

pentru sarcin 0% si 2000vmbar pentru sarcin de 100%.

Datorit controlului sarcinii asem n tor motoarelor diesel, caracteristica

duratei de injec ie este sim

Figura 2.1: Caracteristica duratei de injec ie

Ardere invers

Instalarea unui sistem de injec ie secven ial multipunct m re te rezisten a

împotriva întoarcerii fl c rii deoarece cantitatea de hidrogen la un moment dat în

colectorul de admisie este mai mic în compara ie cu un motor cu carburator. Mai

mult, utilizând o injec ie întârziat , atunci când injectoarele sunt dimensionate

corespunz tor: sfâr itul injec iei este setat în a a fel încât tot combustibilul este

injectat înainte de închiderea supapei de admisie. Dac injectoarele sunt suficient de


mari a

stfel camera de ardere i zonele cu temperatura ridicat

care a

ecesar. Aceast variabil a limitat caracterul bogat al amestecului pentru a garanta

o func ionare sigur în vederea evit rii înto rcerii fl c rii . ~ 2 ( ~ 0.5) i astfel se

ob ine o putere de aproximativ 105kW (la 3750rot/min).

8.8.2.3 Aprinderea

mal pentru valoarea cea mai mic la care

se ob

moment ridicat i în acela i timp se

limitea

stfel încât sa distribuie cantitatea necesar de combustibil într-un timp scurt,

începutul injec iei poate fii setat astfel încât ini ial, în timpul cursei de admisie, s fie

introdus doar aer, r cind a

r putea declan a întoarcerea fl c rii. Sunt necesare mari curgeri masice de

combustibil în condi ii de sarcin total i tura ie ridicat , dac injectoarele sunt alese

pentru a ob ine o injec ie întârziat , trebuie men ionat îns c la sarcin si tura ie

redus reproducerea ciclic a evenimentului apar probleme. Utilizând injectoarele

prototip folosite la motoarele GM, s-au constatat probleme pentru func ionarea la

relanti printr-o deviere a duratei de injec ie între fiecare injector.

Astfel au fost montate versiuni mai noi cu o curs mai mic pentru a asigura

un timp de r spuns egal pentru duratele de injec ie mai scurte. Unghiul conului acului

injectorului a fost modificat pentru a fi mai obtuz, astfel încât sa nu se diminueze

curgerea maxim de combustibil. Cu toate acestea , la sarcina total i tura ie mare,

nu s-a putut folosi o injec ie întârziat datorit volumului mare de combustibil

n

a

Avansul la aprindere este setat nor

ine momentul optim (Maximum Brake Torque timing)(MBT timing).

Compromisul f cut pentru cel mai bun cuplu este asem n tor pentru motoarele cu

hidrogen ca pentru orice motor cu aprindere prin scânteie. Acest lucru este prezentat

în figura 2.2. Graficul este pentru sarcin total (a a cum a fost men ionat mai sus,

set rile sunt pentru . ~ 2 / ~ 0.5) i tura ie ridicat (3500 rot/min)). Astfel, un reglaj

al aprinderii de aproximativ 15° RAC va da un

z emisiile de NOx.


Figura 2.2: Momentul motor si emisii NOx în func ie de reglarea aprinderii

l

amestecului, gazele de evacuare con in emisii mici de NOx sub valoarea de 100 ppm

(echivalentul a 1g/ekWh).

ele folosite, au fost f cute câteva modific ri la sistemul

origina

Pentru amestecuri s race (sarcini reduse si tura ii mici), reglarea optim a

aprinderii se ob ine pân la 50° RAC înainte de PMS, puterea motorului având o

influen a considerabila. Pentru sarcini totale si tura ii mari (puterea maxim ), reglarea

optim a aprinderii se ob ine la aproximativ 20° înainte de PMS. Astfel în figura 2.3

este reprezentat reglarea aprinderii în func ie de puterea si tura ia motorului.

Randamentul unui motor alimentat cu hidrogen depinde de reglarea cât mai corect

a aprinderii în func ie de controlul cantitativ al amestecului (de exemplu, puterea, a a

cum a fost men ionat mai sus). Figura 8.4. reprezint influen a considerabil a puterii

fa de tura ia motorului.

Utilizând reglajul pentru cuplul optim (MBT) i controlul cantitativ limitat a

Referitor la dispozitiv

l de aprindere: distribuitorul si bobina de aprindere separat au fost înlocuite

cu un sistem bobin - bujie. Prin folosirea bobinelor individuale pentru fiecare cilindru

i montarea lor deasupra bujiei, se evit interferen ele care ar putea duce la

inversarea fl c rii. De asemenea se ob in tensiuni de aprindere ridicate (pentru

amestecuri s race) f r a ap rea probleme legate de izola ie. Datorit tensiunilor

mari de aprindere m surate în anumite condi ii (Capitolul 1.5.4), distan a între


electrozi a fost redus substan ial de la valoarea original de 0.9mm la 0.4mm. Acest

lucru a dus la diminuarea tensiunii necesare pentru aprindere i a îmbun t it

stabilitatea arderii. Pentru motoarele alimentate cu hidrogen, distan a dintre electrozi

poate fi diminuat datorit cantit ii reduse de depuneri (cauzate numai de lubrifiant).

Figura 8.4: Diagrama aprinderii

8.8.2.4. Ungerea i ventila ia carterului

În timpul m sur rii compozi iei gazelor din carter, s-a observat un procent

ridicat de hidrogen (+ 5vol%, dep ind scara dispozitivului de m surare), datorit

sc p rilor datorit neetanseit ii segmen ilor. Sc p rile pot fi foarte accentuate

datorit cre terii mari de presiune si densitatea mic a hidrogenului. Compozi ia

lubrifiantului (ulei semi sintetic ‘universal’, clasa de viscozitate 15W50) a fost

analizat i comparat cu lubrifiantul nefolosit.

.

Concentra iile diferi ilor adit a rezisten ei la uzur , de

sfat de zinc) au sc zut iar esterii prezen i în lubrifiantul nefolosit

n totalitate în lubrifiantul folosit. Concluziile au fost trase

analizâ

Propriet ile lubrifiantului s-au schimbat prin diminuarea calit ilor de lubrifiere

ivi (de lubrifiere si de m rire

exemplu dialkilditiofo

au disp rut aproape î

nd absorb ia diferitelor elemente în spectrul infraro u. Acest lucru se poate

în elege atunci când se tie c hidrogenul este utilizat în industrie pentru a

transforma uleiurile în gr simi hidrogenate (prin desfacerea leg turilor duble de

carbon).


Viscozitatea lubrifiantului a crescut în condi ii atmosferice (având ca rezultat

for e de frecare mari la pornire) si a sc zut atunci când temperatura a crescut (având

ca rezultat o lubrifiere insuficient când motorul a ajuns la temperatura de

func ionare). Viscozitatea cinematic înregistrat la 40°C a lubrifiantului folosit a fost

de 141.9 mm2/s , în compara ie cu valoarea înregistrat pentru lubrifiantul nefolosit de

111.8mm2/s.

La 100°C au fost înregistrate valori de 14.33 mm2/s respectiv 17.25 mm2/s.

Indexul de viscozitate pentru lubrifiantul folosit s-a ridicat pân la 99, cu mult mai mic

decât cel pentru lubrifiantul nefolosit cu valoarea de 163.

La analiza cu s fost detectate uzuri

pentru comp otorului, fiind normal pentru un motor cu timp de

tfel a caracte lubrifiantului es

influen a gazelor sc pate în carter.

mai bun fi utilizarea unui lubrifiant spe re

hidrogen, îns momentan nu este disponibil . D

ecuritate s-a utilizat un sistem de ventila ie for at a carterului pentru a men ine

rului comprimat i supapa de by pass de la intrarea pompei de vacuum.

Concentra ia de hi ub 1vol%.

5 Supraalimentarea

A a cum a mai fost men ionat, motorul de la GM a fost conceput pentru

puterea i momentul motoarelor aspirate natural erau prea

care folosit pe aceste autobuze. S-au efectuat

i un

pectrometru fluorescent cu raze X nu au

majore onentele m

testare redus. As sch aimb re risticii te strict legat de

Cea solu ie ar cial pentru motoa

alimentate cu in considerente de

s

concentra ia de hidrogen mult sub limita de inflamabilitate. Aerul este introdus în

carter utilizând re eaua de ventila ie a laboratorului, setat la o suprapresiune redus

prin folosirea unor supape de reglare. Pentru a elimina gazele din carter s-a folosit o

pomp de vacuum, nu înainte de a trece gazele printr-un separator de ulei.

Presiunea din carter este controlat pentru a ob ine o u oara subpresiune prin

controlul ae

drogen în carterul cu ventila ie a fost înregistrat s

8.8.2.

autobuze urbane. Îns

mici pentru transmisia automat

studii pentru a evalua poten ialul de supraalimentare al motorului. Pentru experiment

a fost ales un compresor antrenat mecanic. Viteza de rota ie al compresorului

VortechV1 a fost controlat cu un invertor care controleaz frecven a semnalului la

motorului electric asincron folosit la antrenarea compresorului. A fost folosit


intercooler pentru a reduce temperatura aerului comprimat pân la valoarea în

condi ii normale.

În figura 8.5 este prezentat momentul maxim ob inut la un motor

supraalimentat în compara ie cu cel aspirat natural. Se poate observa c

supraalimentarea nu este în totalitate dorit pentru acest motor. Diminuarea brusc a

momentului motor peste 2000 rot/min, a a cum se vede i pe curb , pentru varianta

cu supraalimentare, se datoreaz unui amestec s rac, necesar pentru a evita

întoarcerea fl c rii i probabil par ial datorit asimetriei colectorului de admisie,

rezultând într-o ardere mai bogat în cilindrii 1 si 2 (arderea invers se înregistreaz

întotdeauna într-unul din ace ti cilindrii). Momentul rezultat reprezentat pentru

motorul supraalimentat este momentul efectiv, în a a fel încât sa compenseze

momentul necesar antren rii compresorului. Aceste rezultate au ar tat c utilizând

un agregat de supraalimentare îmbun t it se pot ob ine valori mai ridicate ale puterii

i momentului (ceea ce nu era valabil pentru motorul Valmet descris în subcapitolul

8.8.1).

Figura 8.5: Compara ie între momentul motor la motorul supraalimentat si motorul

aspirat natural productie GM

8.8.3 M

t pentru combustibili

ul curelei

de transmisie – pentru test a fost folosit tura ia de 600 rot/min) i varia ia raportului

otorul CFR

8.8.3.1 Experimental

Motorul CFR (Cooperative Fuel Research), a fost echipa

gazo i i este folosit de obicei pentru determinarea cifrei octanice a combustibilului.

Acest lucru se realizeaz prin men inerea unei tura ii constante a motorului, prin

cuplarea acestuia cu un motor electric (600 sau 900 rot/min în func ie de tip


de comprimare. Ini ial a fost folosit o instala ie special aferenta standului de

încercare pentru alimentarea cu comb fost montat un sistem de

injec ie secven ial. Pentru configura ia cu instala ie separat de alimentare,

caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin varia ia presiunii de alimentare.

Pentru versiunea cu injec ie caracterul bogat al amestecului a fost reglat prin varia ia

duratei de injec ie la o presiune constant a combustibilului. Specifica iile principale

pentru acest motor sunt date în Tabelul 8.3..

Tabelul 8.3. Specifica iile motorului CFR

Alezaj 82.55 mm DSA 10 oRAC DPMS

ustibil, dup care a

Curs 114.2 mm ISA 34 oRAC DPMI Lungimea bielei 254 mm DSE 40 oRAC IPMI

Cilindree 612.5 cm3 ISE 15 oRAC DPMS Raport comprimare

variabil Tura ie 600 rpm (constant )

Controlul distribu iei dat în Tabelul 8.3. este distribu ia standard prescris de

manua zura

componentelor din ansamblul pele se deschid mai târziu i

se închid mai devreme în compara ie cu valorile date. Valorile distribu iei m surate

sunt date în tabelul 8.4. Un factor important este dispari ia timpului de suprapunere a

supapelor.

Tabelul 8.4.Distribu ia m surat pe motorul CFR o

lul ASTM pentru motorul CFR . Datorit jocului cauzat de u

ac ionarii supapelor, supa

DSA 18 RAC IPMS

ISA 25 RAC DPMI o

DSE 34 oRAC IPMI

ISE 7 oRAC DPMS

A a cum este prezentat în Tabelul 8.3 avem o suprapunere a deschiderii supapelor

e 5 0RAC în configura ia original . Totu i, datorit uzurii, supapa de admisie se

lucru

diminueaz substan ial coeficientul de umplere.

În chiulas s-a instalat un traductor de presiune piezoelectric r cit cu apa,

proiectând combustibilul pe peretele camerei de ardere. Un amplificator transform

semnalul de la traductorul de presiune în tensiune. Semnalul este apoi citit de un

d

deschide la 110RAC dup ce supap de evacuare se închide. Acest


sistem înregistrare de date prin intermediul unui senzor de marcaj de unghi

(CrankAngleMarker -CAM) i un interpolator care permite o acurate e în m surare de

1, 0.5, 0.25 sau 0.1oRAC. Presiunea de referin a a fost ob inut prin egalarea

presiunii medii efective din cilindru în timpul schimbului de gaze cu presiunea

atmosferica minus c derea de presiune din ghidajul si supap de admisie minus

c derea de presiune din canalul de admisie, determinat în func ie de debitul de aer

(aceasta procedura a atins cerin ele necesare pentru un motor CFR cu tura ie

constanta).

Debitul de aer si de hidrogen au fost m surate cu debitmetre masice. Datorit

caracterului puls , un rezervor

tire a fost pozi ionat între debitmetrul de aer i motor pentru a ob ine valori

sate pe stand sunt utilizate pentru a

calcula

ru amestecuri bogate cu viteza

de ard

atoriu al curgerii pentru un singur cilindru la tura ie mic

de lini

precise. Valorile ob inute cu debitmetrele ampla

raportul aer/combustibil. Un senzor de oxigen cu banda larg a fost plasat pe

conducta de evacuare pentru a transmite valoarea ini ial a caracterului bogat al

amestecului, îns toate calculele sunt f cute utilizând valorile date de debitmetre.

8.8.3.2 Rezultate ob inute pentru versiunile cu carburator

A fost m surat influen a raportului aer/combustibil (cu sarcina) la diferite

valori ale distribu iei i rapoarte de comprimare asupra puterii indicate Pi i

randamentului indicat i. Domeniul rapoartelor de comprimare utilizate a fost de 7:1

la 9.5:1, rapoartele de echivalen aer/combustibil de la 1.4 la 2.7 ( între 0.37 i

0.72) i avans la aprindere de la 10 to 20 0RAC înainte de PMS. Figura 8.6(a)

reprezint puterea indicat (normalizat la 293K i 1 atm pentru a compensa varia iile

din mediul de func ionare) i figura. .8.6(b) reprezint randamentul indicat în func ie

de raportul de aer/combustibil i pentru diferite valori ale avansului (pentru un raport

de comprimare de 9:1).

Reglarea avansului este foarte important : pent

ere mare, avansul trebuie sa fie mic pentru a evita punctul de presiune

maxim care este dispus prea devreme în ciclu de func ionare.

Pentru amestecuri mai s race cu viteza de ardere mic avansul trebuie m rit. În

figura 8.7 sunt reprezentate emisiile de NOx. Acestea se m resc când avem un

amestec mai bogat decât =2( =0.5), datorit m ririi temperaturii fl c rii.


(a) Putere indicat

(b) Randament indicat

Fig. 8.6: Puterea indicat i randamentul în func ie de raportul echivalent

aer/combustibil i avans


Figura 8.7. Emisii NOx v.s. raport echivalent aer combustibil

8.8.3.3

Variantele de injec

a) Jonc iune-T ; b) Jonc iune-Y; c) Jonc iune la 45o; d) Jonc iune invers la 45o.

Rezultate ob inute pentru versiunile cu injec ie

ie a hidrogenului permit o libertate mai mare pentru condi iile

ini iale, utilizând un control variabil al injec iei i presiunii. Influen a geometriei de

injec ie a fost de asemenea m surat , injectorul fiind pozi ionat la diferite unghiuri

relativ la direc ia de curgere a aerului în admisie Figura 8.8 prezint cele patru

geometrii de admisie examinate ( diferite jonc iuni):

Fig. 8.8: Geometrii ale admisiei – pozi ii ale injectorului


Geometria admisiei i începutul injec iei (II)

Figura 8.9 arat puterea indicat produs pentru diferite jonc iuni ca func ie de

momentul de începere al injec iei în grade IPMS- schimb de gaze ( pentru . = 2/

=0.5, MA = 15 grade IPMS, RC=8:1) Jonc iunea Y la momentul de începere al

injec iei de 80 de grade produce cea mai mare putere ( o minima este atinsa la II ~

40 grade) Diferen a dintre cea mai mare i cea mia mic valoare este de aproape

10%. Importan a momentului de începere al injec iei poate fi observat la consumul de

aer i de combustibil în raport cu momentul începerii injec iei. Debitele de aer i

combustibil, i asemenea presiunea în camera de ardere sunt maxime la momentul

închiderii supapei de admisie, pentru începerea injec iei la 80 de grade, i atunci de

asemenea presiunea în cilindru este cea mai ridicat la momentul începerii injec iei,

dup cum poate fi v zut în figura 8.10 Din aceasta rezult cel mai ridicat coeficient

de umplere i implicit cea mai ridicat putere. Explica ia pentru aceasta evolu ie es

intera

(de la închiderea i deschiderea supapei de admisie).

La momentul deschiderii supapei de admisie (18 grade IPMS), presiunea din

cilindru este pu in sc zut fa de cea din canalul de admisie. Presiunea din canalul

de admisie scade i se produce o destinde r undele de depresiune circul prin

cana

se p

sunt înt rite nea este

sc zut , apar „interferen e distructive”. Acestea pot fi v zute în figura 8.11 unde

începu

ximativ 150

e grade, în timp ce pentru momentul de început al injec iei la 80 de grade (puterea

dezvoltat mai mare) presiunea maxim apare mai târziu. Pentru momentul de

început al injec iei la 80 de grade, maximul este de asemenea mai mare, presiunea

continu s creasc dup 150 de grade i la momentul închiderii supapei de admisie,

în cilindru este o presiune de 1.1 bar. Astfel rezultând un câ tig al puterii de 10%.

Influen a jonc iunii (a geometriei admisiei) asupra puterii este mai mic decât

începutul injec iei i toate jonc iunile dezvolt puterea maxim aproximativ la

te

c iunea dintre jetul de H2 injectat i presiunea undelor din canalul de admisie

re, ia

l, ca apoi s fie respinse la deschidere ca o unda de comprimare. Dac injec ia

roduce când undele de presiune la admisie sunt la valoarea maxim , undele

i presiunea va cre te. Dac injec ia începe când presiu

tul injec iei este optim (80 de grade), prea devreme (40 de grade) i prea

târziu (100 de grade). Începutul injec iei se remarc prin cre terea brusc a

semnalului presiunii. Nu doar amplitudinea undelor este influen at , dar i pozi ia în

timpul maximului de presiune se schimb semnificativ. Cu începutul injec iei la 40 de

grade (puterea dezvoltat este mai mic ) presiunea maxim este la apro

d


momentul începerii injec iei de 80de grade.(vezi figura 8.8). Jonc iunea Y dezvolt

cea mai ridicat putere iar jonc iunea invers de 45 de grade dezvolt cea mai mic

putere. În cea din urm , fluxul de aer (cel mai mare debit de aer) trebuie s fac cea

mai mare cotitur , rezultând cele mai mari pierderi de presiune. Jonc iunea Y pare s

fie cea mai bun combina ie între omogenizarea amestecului i pierderile în

presiune, dezvoltând cea mai mare putere.

ite jonc iuFig.8.9. Puterea dezvoltat cu difer ni, în func ie de începerea injec iei

Fig.8.10 Presiunea maxim în cilindru cu diferite jonc iuni în func ie de începutul

inje iei

Figura 8.12 prezint ran rite jonc iuni în func ie de

începutul injec iei ( din nou . . = 2/ = 0.5,.=2/f=0,5, MA=15 grade IPMS, RC= 8:1)

c

damentul indicat pentru dife


Influen a începutului injec iei asupra randamentului este mai sc zut decât asupra

puterii dezvoltate. Jonc iunea de 45 de grade a dat cele mai bune rezultate

randament. Cele mai ridicate randamente sunt cu începerea injec iei la 40 de grade

IPMS. O posibil explica ie este c pentru un început al injec iei la 40 de grade

undele de presiune sunt r sfirate, apare o cre tere a turbulen elor care dau un

amestec mai omogen al aerului cu combustibilul rezultând, astfel, o ardere mai

complet (din nefericire m sur tori asupra emisiilor care s confirme acest lucru nu

s-au efectuat în timpul acestor experimente).

Raportul de echivalen i momentul aprinderii

Figura 8.13 arat influen a raportului de echivalen aer/combustibil i a

momentului aprinderii asupra puterii indicate pentru doua momente de început ale

injec iei ( jonc iune Y i RC=8:1). Momentul aprinderii a fost schimbat de la 2 la 20 de

grade IPMS. Cu momentul de aprindere optim puterea dezvoltat variaz aproape

liniar cu raportul de echivalen aer/combustibil.

Fig. 8.11. Curbele de presiune în canalul de admisie (la 8 cm de supap de

admisie) pentru II=400 RAC, II=80 oRAC, II = 100 oRAC

Momentul aprinderii este dependent de raportul de echivalen aer/combustibil

(schimbând de la 2 0RAC la . =1.7/ =0.6 la 20 0RAC la =2.5/ =0.4).

Din nou influen a MII se observ în figur , este de asemenea remarcat c la

fieca

re raport de echivalen , MII de 80 de grade dezvolt cea mai ridicat putere.


Fig.8.12. Randamentul indicat pentru diferite jonc iuni în func ie de II(începutul

injec iei)

Fig.8.13 Puterea dezvoltat în func ie de raportul de echivalen aer/combustibil

pentru momentul aprinderii variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA optim este

mai crescut pentru amestec mai s rac) jonc iune Y, RC= 8:1.


Figura 8.14 red randamentul indicat pentru diferite jonc iuni în func ie de

raportul de echivalen aer/combustibil ( i momente de aprindere diferite).

Bineîn eles cel mai ridicat randament a fost ob inut pentru un moment de aprindere

optimizat (acela i cu care se dezvolt cea mai ridicat putere). Cel mai ridicat

randament ob inut pentru jonc iunea de 45 de grade este din nou ob inut.

Fig.8.14 Randamentul indicat în func ie de raportul de echivalen aer/combustibil

cu MA variind de la 2 la 20 de grade IPMS (MA mai mare pentru amestecuri mai

i devreme pentru presiuni joase de injec ie.

s race)

Presiunea de injec ie

Toate testele de mai sus au fost realizate cu o presiune de injec ie de 3 bar.

Figura 8.15. arat influen a presiunii de injec ie i a începerii injec iei asupra

puterii indicate pentru jonc iunea de 45 de grade la . = 2/ = 0.5, MA=10 grade

i RC=8:1.

Figura 8.15 arat c la cea mai joas presiune a injec iei interac iunea dintre

jetul de combustibil i undele de presiune din canalul de admisie scade, fapt care

determin i sc derea influen ei momentului injec iei asupra puterii dezvoltate.

Momentul optim de injec ie este ma


Influen a presiunii de injec ie asupra randamentului este foarte mic (mai pu in de

0,1%)

Fig.8.15. Puterea dezvoltat în func ie de momentul de începere al injec iei la

diferite presiuni de injec ie.

Strategia injec iei târzii

Injectorul folosit pe motorul CFR pentru m sur torile prezentate în aceasta parte a

fost de acela i model cu cel folosit i pe motorul GM, cu mici modific ri, pentru a

îmbun t i reproductibilitatea rezultatelor pentru durate scurte ale injec iei.

Dimensiunile mari ale injectorului au permis testarea tuturor strategiilor de injec ie

prezentate în Sec iunea 8.8.2.2. Figura 8.16 arat evolu ia puterii indicate în func ie

de raportul de echivalen aer/combustibil pentru 2 MA, demonstrând capacitatea de

a func iona în condi ii stoichiometrice ( = 1) f r ca flac ra s se întoarc . Aici, a

fost utilizat jonc iunea Y, lungimea canalului de admisie a fost sc zut comparativ

cu m sur torile prezentate anterior (injectorul a fost dispus aproape de supap de

admisie),a fost utilizat presiunea de injec ie de 7 bar, cu momentul de injec ie la 170

de grade IPMS (schimb de gaze). Func ionarea cu MII=150 de grade i raportul de

echivalen aer/combustibil de 0,92 ( =1.09) a fost stabil pentru o func ionare

stabil f r întoarceri ale fl c rii. Experimente efectuate mai târziu au ar ta c exist

posibilitatea de a func iona stoichiometric f r întoarceri ale fl c rii pân la un raport


de -

aprinderea

comprimare de 12:1. la raportul de comprimare 13:1 a început s apar auto

Puterea indicat în func ie de raportul de echivalen aer/combustibil,

8.8.3.4unt privitoare în mare parte la reducerea

. GA)

este o trivit pentru

rii pe trei-c i

astfel

pierde

pentru a studia posibilit ile de reducere a NOx la func ionarea stoichiometric

r ial oxidate (ex

CO) c nseaz prin existen a agentului puternic reduc tor

ara

func io u amestecuri stoichiometrice +

n ei la

întoar convertoare catalitice cu trei c i pentru

amestecuri s race precum i filtre pentru NOx. Catalizatori cu reducere catalitic

Fig.8.16.

strategia injec iei târzii.

. Strategii de reducere a NOx

Lucr rile executate pe motorul CFR s

NOx Dup cum s-a men ionat în Sec iunea 1.5.3. recircularea gazelor arse (R

metoda eficient pentru reducerea NOx i este o op iune foarte po

func ionarea stoichiometric , pentru c astfel se pot utiliza catalizato

(CTC) pentru reducerea NOx. Mai mult de atât, se poate modifica puterea dezvoltat

prin modificarea cantit ii de gaze recirculate, în loc de accelerare, evitând

rile la randament. Un sistem RGA a fost montat pe motorul CFR de încerc ri

folosind CTC, ar putea fi dezavantajat prin absen a hidrocarburilor pa

u toate c acesta se compe

H2. În aceast perioad se execut lucr ri de cercetare pentru a comp

narea cu amestecuri s race i func ionare c

RGE, asupra randamentului, puterii dezvoltate, emisiilor de NOx i reziste

cerea fl c rii. Sunt planificate teste cu


selectiv (RCS) nu vor fi considera i inte principale pe motoarele vehiculelo

eri unde nu este de dorit rezervorul în plus.

r de

pasag

8.8.4.1

estul de folositor

a preg tirii motoarelor pentru

limentarea cu hidrogen, dar în timp a definit impropriu ca motor de cercetare. Cei 8

e ( i scump) de

hidrog f cut la to i 8 cilindri. Cu atât mai mult c pentru

arte,

iunea 8.8.3. este mai adecvat din punct de vedere al

senzo

consta este prea sc zut - i nu este reprezentativ pentru

sa se

fost folosit un motor de cercet ri de la firma Audi-NSU utilizat în anii 80 pentru studiul

tor,

numit a iile motorului sunt

prin

preluc

pentru a monta o bujie.

teristicile motorului Audi

A

8.8.4. Motorul Audi

Cercet ri experimentale

Motorul General Motors prezentat la Sec iunea 8.8.2 a fost d

pentru a c p ta experien la aspectele practice

a

cilindri i capacitatea cilindric mare însemn un consum mar

en i fiecare adaptare trebuia

datele de presiune din cilindru nu era nevoie decât de un cilindru. Pe de alta p

monocilindrul de la CFR din Sec

cercet rilor pentru c poate accepta diver i senzori de presiune (sau altfel de

ri) i variaz foarte pu in în gama de tura ii. Pe de alta parte, aceast tura ie

nt este un dezavantaj:

motoarele de autovehicule, i nu poate red date la diferite tura ii. Ca atare s-a decis

construiasc un stand de încercare cu un monocilindru de tura ie ridicat . A

curgerii în motoarele diesel cu injec ie direct pentru autovehicule, Acest mo

motorul Audi a fost ales ca baz pentru noul stand. Specific

prezentate în tabelul 8.5 Raportul de comprimare a fost redus de la 16:1 la 11:1

rarea pistoanelor, orificiul de montare original pentru injector a fost utilizat

Tabel 8.5. Carac

lezaj 77.02 mm DSA 23o RAC IPMS

Curs 86.385 mm ISA 50o RAC DPMS

C I ilindree 402.5 cm3 DSE 80o RAC IPM

o RAC DPMI Raport de 11:1 ISE 15

comprimare

Tura ie 1000-4500 rpm


O schem a standului de încercare a motorului Audi este prezentat în figura

8.17 Momentul de aprindere i momentul de injec ie (de începere al injec iei i durata

i

simula i

r cire,

carter sferat pe motorul Audi (Section 8.8.2.4).

ificil

decât ire pentru

t ). O

diafrag ui

senzo , pentru c doar un cap t al

arbore ibra iilor a complicat i mai mult prelungirea arborelui

locui

pe cea a ob ine astfel un

t p

o alini

piezor ea i

cu cea imbului

de ga de presiune dintre ele este mic . Influen a duratei i a

ie între

20 de

motoarele cu hidrogen

de

ardere nd momentul MBT în func ie

a

contro la

frân (pmef) cu raportul de echivalen aer/combustibil.

Momentan, cel mai bogat amestec nedetonant este în jurul valorii . =1.4/ =0.7

injec ei) sunt controlate de o unitate de control MoTec M4Pro, cu tura ie i sarcina

t MAP (vezi Sec iunea 8.8.2.2.) ca parametrii de baz . Temperatura lichidulu

de r cire u or ajustabil de c tre o supap automat , controlând debitul de lichid de

temperatura lichidului fiind stabilit la 75 grade C. Sistemul de ventila ie al

ului folosit la motorul GM a fost tran

Montarea unui senzor de presiune în cilindru pe motorul Audi a fost mai d

pe motorul CFR. Într-un final s-a optat pentru un senzor f r r c

compactitate, produs în special pentru a limita ocul termic (precizie crescu

m special permite precizii de nivelul senzorilor r ci i cu lichid. Montarea un

r pe arborele cotit s-a dovedit de asemenea dificil

arborelui cotit era liber. Cu atât mai mult ca un al doilea arbore era condus de c tre

le cotit pentru reducerea v

cotit. O noua contragreutate cu diametrul mai mic a fost calculat pentru a o în

original pentru a permite prelungirea arborelui cotit pentru

cap liber. Aceasta a permis ca un senzor de rota ie al arborelui s fie montat, du

ere precis a extensiei arborelui.

Pentru citirea presiunii de referin , a fost folosit metoda senzorilor

ezistivi monta i în canalul de admisie. Aici presiunea din cilindru este ace

(absolut ) din canalul de admisie la punctul mort inferior în timpul sch

ze, când diferen a

pozi i intervalului pentru referin a fost verificat , un interval optim a fost g sit

grade i 50 de grade DPMS. (aceasta valoare depinde de motor).

8.8.4.2 Rezultate ini iale

O gam larg de momente de aprindere a folosit la

(datorit gamei largi a raportului de echivalen aer/combustibil, implicit viteze

) Acest fapt este demonstrat în figura 8.18, ar tâ

de raportul de echivalen aer/combustibil la 2800 rpm

Rela ia dintre raportul de echivalen i puterea dezvoltat , folosit pentru

la sarcina este prezentat în figura 8.19 calculând presiunea medie efectiv


Fig.8.17. Schema standului de încercare a motorului Audi

Figura 2.18: Momentul MBT în func ie de reportul de echivalen aer/combustibil


Figura 2.19 Controlul calitativ al sarcinii

Munca actual i de vii8.8.4.3 tor

udi,

experi ermi ând o

durat ultatele ini iale arat

a fl c

ii în cilindru la motorul Audi au fost f cute pentru a

tem

[1] g in waterstofverbrandingsmotoren -

[2] B., Heck R.M., and Poles T.C. PremairR catalyst system – a new

[3] , UK edition, 2002.

int/.

Se prevede a evalua eficacitatea strategiei injec iei târzii pe motorul A

mente ini iale au fost f cute folosind 2 injectoare în loc de unul, p

mai scurt a injec iei i o injec ie mai târzie. Rez

posibilitatea folosirii unor amestecuri mai bogate f r a exista procesul de întoarcere

rii, în special la tura ii mai mari.

M sur tori ale presiun

ob ine date la diferite tura ii (la motorul CFR nu se puteau ob ine)

Se prev d schimb ri la standul de încercare prin care s se prevad un sis

de recirculare a gazelor arse (RGA) i un compresor.

Bibliografie

Verhelst S. Onderzoek naar de verbrandin

A Study of the Combustion in Hidrogen-Fuelled Internal Combustion Engines.

PhD thesis, Ghent University, 2005.

Hoke J.

approach to cleaning the air. SAE, paper nr 1999-01-3677, 1999.

Rifkin J. The hidrogen economy. Polity Press

[4] United Nations Framework Convention on Climate Change, http://unfccc.


[5]

scenario. Int. J. Hidrogen Energy, 28:267–

[6]

[9] New Zealand for use of

[10]

[11]

[12]

http://www.eere.energy.gov/hidrogenandfuelcells/.

[13]

[14] NEDO New Energy and Industrial Technology Development Program,

[15]

ble hidrogen –a research objective for Shell. Int. J. Hidrogen Energy,

ogen

cture, Montreal,

s affecting the acceptance of

[18]

Automotive Congress, paper nr F2004F397,

[19] ,

r 2002-01-0242, 2002.

Barreto L., Makihira A., and Riahi K. The hidrogen economy în the 21st

century: a sustainable development

284, 2003.

Lovins A.B. Twenty hidrogen myths. White paper published at

http://www.rmi.org, 2003. ´

[7] Arnason B. and Sigf´usson T.I. Iceland – a future hidrogen economy. Int. J.

Hidrogen Energy, 25:389–394, 2000.

[8] Dunn S. Hidrogen futures: towards a sustainable energy system. Int. J.

Hidrogen Energy, 27:235–264, 2002.

Kruger P., Blakeley J., and Leaver J. Potential in

hidrogen as a tranportation fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 28:795–802, 2003.

Cherry R.S. A hidrogen utopia? Int. J. Hidrogen Energy, 29:125–129, 2004.

State of the union address of the president to the joint session of

congress,January 28, 2003, USA.

Hidrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program,

The European Hidrogen and Fuel Cell Technology Platform,

http://www.HFPeurope.org.

–

http://www.nedo.go.jp/english/.

Gosselink J.W. Pathways to a more sustainable production of energy:

sustaina

27:1125–1129, 2002. 35

[16] Segal L. Transition infrastructure for hidrogen fuel. 14th World Hidr

Energy Conference, plenary session on hidrogen infrastru

June 2002.

[17] Schulte I., Hart D., and van der Vorst R. Issue

hidrogen fuel. Int. J. Hidrogen Energy, 29:677–685, 2004.

Kazuyukin. et al. Study on fuel cell poisoning resulting from hidrogen fuel

containing impurities. Fisita World

2004.

Tang X. et al. Ford P2000 hidrogen engine dynamometer development. SAE

paper n


[20] Akagawa H. et al. Development of hidrogen injection clean engine. 15th World

Hydrogen Energy Conference, paper nr 28J-05, Yokohama, Japan, July 2004.

Lutz A.

[21] E., Larson R.S., and Keller J.O. Thermodynamic comparison of fuel

[22] .

Hidrog 3, 1990.

on. Int. J. Hidrogen Energy, 21:703–715, 1996.

gy,

4th

ed paper, Montreal, Canada, 2002.

h IECEC

ural application. Int. J. Hidrogen Energy, 27:479–487, 2002.

mbustion engine group,

King’s College, London, UK, 1980.

[29] Berckm¨uller M. et al. Potentials of a charged SI-hidrogen engine. SAE, paper

nr 2003-01-3210, 2003.

0] Stockhausen W.F. et al. Ford P2000 hidrogen engine design and vehicle

development program. SAE, paper nr 2002-01-0240, 2002.

1] Swain M.R., Swain M.N., and Adt R.R. Consideration in the design of an in

expensive hidrogen-fueled engine. SAE, paper nr 881630, 1988.

[32] Project Coordinator Motor Vehicles and Road Transport, T UV Rheinland e.V.

for the Federal Ministry for Research and Technology. Alternative energy

sources for road transport -hidrogen drive test. Technical report, T UV

Rheînland, 1990.

[33] Kondo T., Iio S., and Hiruma M. A study on the mechanism of backfire in

external Mixture formation hidrogen gines –about back fire occurred by the

cause of the spark plug–. SAE, paper nr 971704, 1997.

cells to the Carnot cycle. Int. J. Hidrogen Energy, 27:1103–1111, 2002.

Das L.M. Hidrogen engines: a view of the past and a look into the future. Int. J

en Energy, 15:425–44

[23] DasL.M. Hidrogen-oxygen reaction mechanism and its implication to hidrogen

engine combusti

[24] KarimG.A. Hidrogen as a spark ignition engine fuel. Int. J. Hidrogen Ener

28:569– 577, 2003.

[25] Bardon M.F. and Haycock R.G. The hidrogen research of R.O. King. 1

World Hidrogen Energy Conference, invit

[26] MacCarleyC.A. A study of factors influencing thermally induced back firing in

hidrogen fuelled engines, and methods for backfire control. 16t

conference, Atlanta, USA, 1981.

[27] Das L.M. Near-term introduction of hidrogen engines for automotive and

agricult

[28] LucasG.G. andMorrisL.E. The back fire problem of the hidrogen engine.

Symposium organized by the university’s internal co

[3

[3

en


[34] Swain M.R.,SchadeG.J.,and Swain M.N. Design and testing of a dedicated

hidrogen fueled engine. SAE, paper nr 961077, 1996.

5] KoyanagiK.,HirumaM.,and FuruhamaS. Study on mechanism of back fire in

hidrogen engines. SAE, paper nr 942035, 1994.

6] Lee J.T., Kim Y.Y., Lee C.W., and Caton J.A. An investigation of a cause of

backfire and its control due to crevice volumes în a hidrogen fueled engine.

USA, 2000.

[37] Lee S.J., Yi H.S., and Kim E.S. Com stion characteristics of intake port

injection type hidrogen fueled engine Int. J. Hidrogen Energy, 20:317–322,

1995.

[38] Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, 1988.

[39] Jorach R.W. Low nitrogen oxide emission combined with high power density

by using the hidrogen combustion m with advanced internal micuture

formation. MTZ Worldwide, 58-4:5–8, 1997.

0] Jing-Ding L., Ying-Qing L., and Tian-Shen D. Improvement on the combustion

of a hidrogen fueled engine. Int. J. Hidrogen Energy, 11:661–668, 1986.

1] Natkin R.J. et al. Hidrogen IC engine boosting performance and NOx study.

SAE, paper nr 2003-01-0631, 2003.

2] Binder K. and Withalm G. Mixture formation and combustion in hidrogen

engine using hidrogen storage technology. Int. J. Hidrogen Energy, 7:651–659,

1982.

3] Li H. and Karim G.A. Knock in spark ignition hidrogen engines. Int. J. Hidrogen

ergy, 29:859–865, 2004.

4] Heffel J.W., Johnson D.C., and Shelby C. Hidrogen powered Shelby Cobra:

vehicle conversion. SAE, paper nr 2001-01-2530, 2001.

[45] Smith J.R., Aceves S., and Van Blarigan P. Series hybrid vehicle and

optimized hidrogen engine design. SAE, paper nr 9

[46] Li H. and Karim G.A. Hidrogen fuelled spark ignition engines: pr

ex-perimental performance. ASME Spring Technical Conference, paper nr

.

Olavson L.G., Baker N.R., Lynch F.E., and Meija L.C. Hidrogen fuel for

underground mining machinery. SAE, paper nr 840233, 1984.

[3

[3

ASME Spring Technical Conference, paper nr 2000-ICE-284, San Antonio,

bu

.

ethod

[4

[4

[4

[4

En

[4

51955, 1995.

edictive and

ICES2003-548, Salzburg, Austria, 2003

[47]


[48] Davidson D., Fairlie M., and Stuart A.E. Development of a hidrogen-fuelled

[53]

d passenger automobile. SAE,

designed for single speed/power operation. SAE, paper nr 961690, 1996.

[59]

combustion proces. Fisita World Automotive Congress, paper

nr F2004V113, Barcelona, Spain, 2004.

farm tractor. Int. J. Hidrogen Energy, 11:39–42, 1986.

[49] Heffel J. W.,Mc Clanahan M.N.,and Norbeck J.M. Electronic fuel injection for

hidrogen fueled internal combustion engines. SAE, paper nr 981924, 1998.

[50] Meier F. et al. Cycle-resolved hidrogen flame speed measurement with high-

speed Schlieren technique in a hidrogen direct injection SI engine. SAE, paper

nr 942036, 1994.

[51] Furuhama S. Problems of forecasting the future of advanced engines and

engine characteristics of the hydrogen injection with LH2 tank and pump.

Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 119:227–242, 1997.

[52] Guo L.S., Lu H.B., and Li J.D. A hydrogen injection system with solenoid

valves for a four-cylinder hidrogen-fuelled engine. Int. J. Hydrogen Energy,

24:377–382, 1999.

Kim J.M., Kim Y.T., Lee J.T., and Lee S.Y. Performance characteristics of

hidrogen fueled engine with the direct injection and spark ignition system.

SAE,paper nr952498, 1995.

[54] Yi H.S., Min K., and Kim E.S. The optimized mixture formation for hydrogen

fuelled engines. Int. J. Hidrogen Energy, 25:685–690, 2000.

[55] Peschka W. and Escher W.J.D. Germany’s contribution to the demonstrated

technical feasibility of the liquid-hydrogen fuele

paper nr 931812, 1993.

[56] RottengruberH.etal. A high-efficient combustion concept for direct injection

hidrogen internal combustion engine. 15th World Hidrogen Energy

Conference, paper nr28J-01, Yokohama, Japan, 2004.

[57] Heffel J.W. NOx emission reduction în a hidrogen fuelled internal combustion

engine at 3000 rpm using exhaust gas recirculation. Int. J. Hidrogen Energy,

28:1285–1292, 2003.

[58] Van BlariganP. Development of a hydrogen fueled internal combustion engine

Aceves S.M. and Smith J.R. Hybrid and conven ional hidrogen engine vehicles

that meet EZEV emissions. SAE, paper nr 970290, 1997.

[60] GerbigF.et al. Potentials of the hydrogen combustion engine with innovative

hidrogen specific


[61]

bustion Science

Theoretical

charged hidrogen engine. Int. J. Hidrogen

tructure and speed în spark-ignition engines. 19th

ymp. es 1451–1466, 1982.

as a zero-emission, high-efficiency fuel: uniqueness,

Int. Conf. ICE97, Internal combustion engines:

, Naples, Italy, 1997.

7]

premixed lean gasoline-hidrogen-air mixtures. 14th

eal, Canada, 2002.

eled reciprocating engine as an automotive prime

tive Congress, paper nr F98T/P693, Paris,

ats M., and Vítek O. Application of advanced

simulation methods ans their combination with experiments to modeling

ngine emission potentials. SAE, paper nr 2002-01-0373,

n on the

structure in premixed charges. SAE, paper nr 850345, 1985.

[73] Warnatz J., Maas U., and Dibble R.W. Combustion. Springer, 1996.

DeLuchi M.A. Hidrogen vehicles: an evaluation of fuel storage, performance,

safety, environmental impacts, and cost. Int. J. Hidrogen Energy, 14:81–130,

1989.

[62] Strebig K.C. and Waytulonis R.W. The bureau of mines’ hidrogen powered

mine vehicle. SAE, paper nr 871678, 1987.

[63] Fagelson J.J., McLean W.J., and de Boer P.C.T. Performance and NOx

emissions of spark-ignited combustion engines using alternative fuels — quasi

one-dimensional modeling. I. hidrogen fueled engines. Com

and Technology, 18:47–57, 1978.

[64] Prabhu-Kumar G.P., Nagalingam B., and Gopalakrishnan K.V.

studies of a spark-ignited super

Energy, 10:389–397, 1985.

[65] Keck J.C. Turbulent flame s

S (Int.) on Combustion, pag

[66] Johnson N.L. Hidrogen

experiments and simulation. 3rd

experiments and modelîng

[6 Fontana G., Galloni E., Jannelli E., and Minutillo M. Numerical modeling of a

spark ignition engine using

World Hydrogen Energy Conference, Montr

[68] Takáts M. et al. Hidrogen fu

mover? Fisita World Automo

France, 1998.

[69] Polá.sek M., Macek J., Tak´

ofhidrogenfueled e

2002.

[70] MaJ.,SuY.,ZhouY., and Zhang Z. Simulation and predictio

performance of a vehicle’s hidrogen engine. Int. J. Hidrogen Energy, 28:77–83,

2003.

[71] Turns S.R. An Introduction to Combustion. McGraw-Hill, 2000.

[72] AbrahamJ.,Williams F.A., and BraccoF.V.A discussion of turbulent flame


[74] Gaseq, http://www.c.morley.ukgateway.net/.

[75] Heywood J.B. and Vilchis F.R. Comparison of flame development in a spark-

ignition Engine fueled with propane and hidrogen. Combustion Science and

7]

8] Sierens R.and Rosseel E. Back fire mechanism in a carburetted hidrogen

12th World Hidrogen Energy Conference, pages 1537–1546,

idrogen engine. SAE,paper nr

ns R.Greenbus: a hidrogen fuelled citybus. Int. J.

fficiency and decreased emissions. Journal of

Engineering for Gas Turbines and Power, 122:135–140, 2000.

rating motor fuels by motor and research methods.

Technology,38:313– 324, 1984.

[76] Sierens R. Installation and first experimental results of a hidrogen fuelled

engine. 9th World Hidrogen Energy Conference, pages 31–40(Addendum),

1992.

[7 Sierens R.and Rosseel E. The computation of the apparent heat release for a

hidrogen fuelled engine. ASME Fall Technical Conference, ICE 27-3:99–108,

1996.

[7

fuelled engine.

Buenos Aires, 1998.

[79] Rosseel E.and Sierens R .Knockd etection in a h

970039, 1997.

[80] Sierens R. and Rosseel E. Sequential injection of gaseous fuels. 5th EAEC

European Automotive Congress, paper nr SIA 9506A03, 1992.

[81] Vandenborre H.and Siere

Hidrogen Energy, 21-6:521–524, 1996.

[82] Sierens R. and Rosseel E. Variable composition hidrogen/natural gas mixtures

for increased engine e

[83] ASTM. ASTM manual for

1964.

[84] Brunt M.F.J. and Pond C.R. Evaluation of techniques for absolute cylinder

pressure correction. SAE, paper nr 970036, 1997.

1.pdf

Documents

Transcript of 1.pdf