Förbrä
Sjöin Exam
änningsop
Jespe Marc 2012 Prog Ämn Nivå Kursk
ngenjörsprog mensarbete
ptimering
er Ström 870 cus Johansso 2‐05‐10
ram: Sjöinge e: Självständ : 15 hp kod: SA300S
grammet
med hjälp
0616‐3931 on 870911‐39 enjörsprogra digt arbete
p av vät‐ o
933 mmet
och syrgassinblandning
391 8 Tel 0 sjo@
Lnu.s
82 Kalmar 0772‐28 80 0
@lnu.se se
0
Linnéuniversitetet
Sjöfartshögskolan i Kalmar
Utbildningsprogram: Sjöingenjörsprogrammet Arbetets art: Examensarbete, 15 hp
Titel: Förbränningsoptimering med hjälp av vät‐ och syrgasinblandning
Författare: Jesper Ström, Marcus Johansson
Handledare: Per Beijer
SAMMANFATTNING
Miljöpåverkan och bränsleförbrukning är ständigt återkommande ämnen gällande transporter till havs, luft och land. Förbränningsmotorer av idag och säkert under många år framöver spelar en stor roll för dessa transporter. Bränsleförbrukning och miljöpåverkan från dessa motorer måste därför anpassas efter framtida krav. Syftet med denna rapport är att undersöka om vät‐ och syrgasinblandning till en förbränningsprocess verkligen sänker bränsleförbrukningen och/eller de skadliga utsläppen i rökgaserna. Projektet omfattar en teoretisk och en praktisk del där teoridelen utvärderas och kompletteras med praktiska tester på ett dieselelverk. Dieselelverket modifierades och utrustning för vät‐ och syrgasframställning utvecklades. Mätningar och tester utfördes sedan vid två grundbelastningar med olika volymflöden av den tillsatta vät‐ och syrgasen. De mätningar som utförts under projektet visar på att ingen minskning av bränsleförbrukning och/eller miljöpåverkan i detta specifika fall kan påvisas. Mindre skillnader har uppmärksammats men dessa ligger inom gränserna för eventuella mätfel. Dock visar de forskningsrapporter som studerats många gånger motsatsen.
Då inga åtgärder för förändring av bränslets insprutningstidpunkt eller förfining av motorregleringen gjorts, bedöms detta kunna vara två av anledningarna till att inget positivt resultat kunnat påvisas under det specifika projektet.
Nyckelord:
Förbränningsoptimering, vätgas, förbränning, bränsleförbrukning, miljö
Linnaeus University
Kalmar Maritime Academy
Degree course: Marine Engineering Level: Diploma Thesis, 15 ETC
Title:
Hydrogen and oxygen enhanced combustion
Author: Jesper Ström, Marcus Johansson
Supervisor: Per Beijer
ABSTRACT
Environmental impact and fuel consumption is a constant recurrent topic concerning transportation at sea, land and air. Combustion engines of today and certainly for many years to come play a major role in this transportation. Fuel consumption and environmental impact from these engines must be adapted to future requirements. The purpose of this report is to examine if hydrogen and oxygen when mixed into a combustion process actually reduce fuel consumption and/or pollutant emissions in the exhaust gas. The project includes a theoretical part and a practical part in which the theoretical information is evaluated and supplemented by practical tests on a diesel generator. The diesel generator was modified and equipment for producing hydrogen and oxygen was developed. Measurements and tests were later carried out with different volume flow rates on the gas at two different base loads. Measurements performed during the project show no reduction in fuel consumption and/or reduced environmental impact. The minor differences that have been noticed are unfortunately within the limits off possible measurement errors. However the research reports studied many times shows opposite results. Since no action to change the injection timing or improvement of fuel control was performed on the engine, this is considered to be two of the reasons that no positive result was detected under this specific project.
Keywords
:
Enhanced combustion, hydrogen, combustion, fuel consumption, environment
Följande personer och företag vill vi tacka:
Pelle Beijer – Handledare
Patrik Frick – Stöd och hjälp vid problemlösning
Anders Ström – Stöd och hjälp vid problemlösning
Fredrik Sahlström – Korrekturläsare
Bert Ljungkrantz ‐ Korrekturläsare
Maskinteknik i Kalmar – Lån av verkstadsmaskiner
Sjöfartshögskolan Kalmar – Lån av lokal, dieselgenerator och rökgasinstrument
Ordlista
Här definieras olika ord och förkortningar som kan vara okända för läsaren.
PWM: Pulse Width Modulation. En metod där spänningen slås av och på som en snabb följd av pulser med mycket hög frekvens. Ett medelvärde uppnås som av förbrukaren uppfattas som konstant.
Detta möjliggör en exakt styrning av spänning och ström.
Hi: Specifika värmevärde. Ett värde på ett bränsles energiinnehåll som anger hur stor energi som utvecklas vid förbränning av bränslet.
Anges i megajoule per kilogram (MJ/Kg).
Svävkroppsprincipen: Principen bygger på gasens strömningshastighet i ett koniskt rör.
Vid gasströmning lyfter gasens rörelsemängdsmoment upp en kropp inuti röret. Denna kropps lyfthöjd är sedan proportionell mot gasflödet.
Endotermisk: En kemisk reaktion som absorberar värme utifrån.
Konduktivitet: Ett mått på hur väl ett ämne kan överföra elektrisk ström, det vill säga dess ledningsförmåga.
Innehåll
SAMMANFATTNING ... III ABSTRACT ... IV Ordlista ... VI
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte ... 2
1.3 Problemformulering ... 2
1.4 Avgränsningar ... 2
2 Metod ... 4
2.1 Metodval ... 4
2.2 Undersökningsobjekt ... 5
2.2.1 Motor‐specifikationer ... 6
2.3 Genomförande ... 6
2.4 Datainsamling ... 7
2.4.1 Mätteori ... 8
2.4.2 Utförande av mätningar ... 9
3 Teori ... 11
3.1 Vätgasens egenskaper ... 11
3.2 Hur kan vätgas förbättra en förbränningsmotor ... 11
3.3 Vätgasframställning ... 12
3.3.1 Elektrolys ... 12
3.3.2 Försiktighetsåtgärder ... 14
3.3.3 Vät‐ syrgasgenerator: Dry Cell ... 15
3.4 Systembeskrivning ... 17
3.4.1 Systemuppbyggning ... 17
4 Mätresultat ... 19
4.1.1 Mätning 1.1 och 2.1 ... 19
4.1.2 Resultat mätserie 1.1 och 2.1 ... 19
4.2.1 Mätning 1.2 och 2.2 ... 19
4.2.2 Resultat mätserie 1.2 och 2.2 ... 20
4.3.1 Mätning 1.3 och 2.3 ... 23
4.3.2 Resultat mätserie 1.3 och 2.3 ... 23
4.4.1 Mätning 2.4 ... 24
4.4.2 Resultat mätserie 2.4 ... 24
5 Diskussion av mätresultat ... 25
6 Diskussion och analys ... 26
6.1 Problem ... 26
6.1.1 Dieselgeneratorproblem ... 26
6.1.2 Vätgasgeneratorproblem ... 27
6.1.3 Avgaskontroll ... 27
6.2 Förslag till fortsatt arbete ... 28
7 Resultat ... 29
8 Referenser ... 30
9 Bilagor ... 31
Bilaga 1 Testprotokoll ... 31
Bilaga 2 Mätdata 1.1 och 2.1 ... 32
Bilaga 3 Mätdata 1.2 ... 33
Bilaga 4 Mätdata 2.2 ... 34
Bilaga 5 Mätdata 1.3 och 2.3 ... 35
Bilaga 6 Mätdata 2.4 ... 36
Bilaga 7 Mätdata Palgo VS Testo ... 37
Bilaga 8 Konstruktionsritningar DRY CELL ... 38
Bilaga 9 Elritningar ... 46
Bilaga 10 Datablad Dieselolja ... 48
Bilaga 11 Säkerhetsdatablad Kaliumhydroxid ... 49
Bilaga 12 Manual PWM ... 54
Bilaga 13 Uppsatsplan ... 58
1 Inledning
Omvärlden blir mer och mer miljöinriktad vilket gör det önskvärt att minska bränsleförbrukningen och miljöpåverkan från redan existerande förbränningsmotorer. Detta då förbränningsmotorns betydelse och etablering en lång tid framöver kommer vara stor inom transport både till sjöss och på land. Ett sätt att uppnå framtida krav på låg bränsleförbrukning och miljöpåverkan utan att ersätta befintliga förbränningsmotorer kan vara att berika förbränningsluften med små mängder vät‐ och syrgas.
1.1 Bakgrund
Det är ett faktum att det krävs mer energi att tillverka vätgas än den energi vi sedan utvinner ifrån denna. Trotts detta har ett antal privata försök och dessutom ett antal vetenskapliga studier visat på positiva resultat då insugluften till förbränningsmotorer berikas med vät‐ och syrgas. En minskning av bränsleförbrukningen på upp till 15,16% och en förbättring av den termiskaverkningsgraden från 32,9% till 35,8% har konstaterats i en vetenskaplig undersökning där insugsluften blandas med vät‐ och syrgas.1 Å andra sidan visar åtminstone lika många studier på motsatta‐ eller oförändrade resultat. Det skall understrykas att gasen i samtliga fall har produceras via en vätgasgenerator som med hjälp av strömmen från motorns generator spjälkar vatten till vät‐ och syrgas. Processen är därmed sluten och framställningen belastar således motorn.
Huruvida bränsleförbrukning och/eller miljöpåverkan påverkas av inblandningen är med andra ord relativt oklart. Att vät‐ och syrgasen på något vis borde påverka förbränningen känns som en självklarhet men frågan är fortfarande hur. Det var denna oklarhet som väckte idén till detta examensarbete.
Ombord på de flesta fartyg och oljeplattformar idag produceras elektricitet via axelgeneratorer och/eller via dieselgeneratorer. Det hade därför varit optimalt att utföra undersökningar med vät‐ och syrgasinblandning till förbränningsprocessen ombord på ett fartyg med en fullstor dieselgenerator eller huvudmaskin. Men på grund av tidsaspekten och praktiska problem kommer detta inte att vara genomförbart. För att efter bästa förmåga efterlikna en
1 (Bari & Esmaeil, 2009)
dieselgenerator kommer ett mindre dieselelverk på 4,6kW att användas. Elverket kommer endast att modifieras för att lättare kunna utföra mätning av rökgaser och bränsleförbrukning.
Med andra ord kommer inga maskinella förändringar på motorn utföras. Gasproduktionen som tidigare nämnts sker med hjälp av en mindre vätgasgenerator bygger på principen att spjälka vatten. Den tillverkade gasen genereras kontinuerligt via strömmen från förbränningsmotorns generator och behöver således inte lagras. Gasen som produceras förbrännas sedan direkt tillsammans med bränslet i förbränningsutrymmet.
1.2 Syfte
Syftet är att undersöka om vät‐ och syrgasinblandning i en dieselförbränningsprocess verkligen sänker bränsleförbrukningen och/eller de skadliga utsläppen i rökgaserna.
1.3 Problemformulering
Kommer vätgasinblandningen sänka bränsleförbrukningen?
Vilka förändringar kommer att ske med rökgaserna?
1.4 Avgränsningar
Projektet avser leverera uppgifter om bränsleförbrukning och/eller rökgaser kommer att förändras då ett dieselverk får insugningsluften blandad med vät‐ och syrgas. Även hur stora dessa förändringar i sådana fall blir skall presenteras.
Praktiska prov medför att tidsbedömningen för genomförandet blir svår att uppskatta då oförutsedda händelser ständigt kan uppkomma. Någon utvärdering av vät‐ och syrgasinblandningens påverkan av motorns slitage eller liknande kommer därför inte att behandlas. Av samma anledning kommer gasens innehåll endast fastställas teoretiskt.
Lufttemperatur och luftfuktighet är faktorer som kan påverka resultatet men som i denna undersökning ej tas hänsyn till. Orsaken till detta är att det inte varit ekonomsikt möjligt att använda en provkörningslokal med möjligheten att upprätthålla en konstant temperatur och luftfuktighet. En annan aspekt som istället efterfrågats är att efterlikna verkligheten så mycket som möjligt, där motorer konstant utsätts för varierande temperatur och luftfuktighet.
Topptrycksindikering är ett önskvärt hjälpmedel som ej varit möjlig att utföra på den specifika motorn. Därför kan inga slutsatser om hur tryckuppupptagningen i cylindern sker eller liknande aspekter kring förbränningen behandlas.
Det mätinstrument för rökgasmätning som tillhandahölls av Sjöfartshögskolan i Kalmar har vissa begränsningar. Rökgasmätaren är från tillverkaren PALGO och kan mäta följande värden:
lufttemperatur (omgivning), rökgastemperatur, syre (O2), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2).
Detta ger en viss begränsning i resultatet då ingen mätning av kväveoxider (NOx) eller oförbrända kolväten (HC) kan utföras.
2 Metod
I detta kapitel beskrivs den metod som använts för att utföra undersökningen. Här redogörs också varför just denna metod valdes.
2.1 Metodval
Den metod som kommer att användas i projektet är en fallstudie då denna passar den kommande undersökningen bäst. En fallstudie innebär att ett specifikt fall undersöks och granskas, fallet i fråga kan vara i princip vad som helst. Det kan vara flera fall som ingår i studien samtidigt. Fallstudien kan vara beskrivande, förklarande eller undersökande.
”Fallstudier är lämpliga när problemen eller frågeställningarna invecklade” 2
En fallstudie kommer att göras på ett självkonstruerat fall. Det självkonstruerande fallet utgörs av dieselelverket och dess tillhörande komponenter. Det är ett faktum att det finns många faktorer som påverkar resultatet i projektet, vilket innebär att fallet inte går att generalisera.
Varje motor kan anses vara en individ vilket gör att undersökningen endast berör den specifika motorn.
Genom praktiska prov med vät‐ och syrgasinblandning på dieselelverket kan problemformuleringen besvaras. För att åstadkomma detta krävs det att utrustning och mätmetoder har en relativt hög noggrannhet. Likaså måste mätningarna upprepas för att på så vis öka resultatens noggrannhet och minska dess felmarginal. Ett mätprotokoll för att underlätta för uppföljning och granskning av mätresultaten krävs dessutom. Likaså krävs det att en testcykel för proven tags fram för att passa syftet och de avgränsningar som berörts under inledningskapitlet.
Olika principer och mätmetoder kommer att användas för att utföra de nödvändiga mätningarna. För mätning av bränsleförbrukning tillverkas en cylindrisk tank som utrustats med nivårör och millimeterskala. Generatorbelastningen mäts med hjälp av en tångamperemeter på respektive fas. Spänningen över faserna mäts med en multimeter, ett
2 (Backman, 1998)
medelvärde mellan dessa faser beräknas sedan. Vät‐ och syrgasgeneratorns strömförbrukning och spänning mäts på samma sätt som generatorbelastningen, det vill säga med multimeter och tångamperemeter. Gasflödet från vät‐ och syrgasgeneratorn kontrolleras och mäts med hjälp av en mekanisk svävkroppsmätare där flödet kan finjusteras med hjälp av en nålventil.
Generatorns utfrekvens mäts med ett fristående frekvensinstrument. Avgastemperatur och övriga rökgasvärden mäts via ett påsvetsat mätrör efter motorns avgasljuddämpare.
Mätningen i denna punkt utförs med Sjöfartshögskolans rökgasinstrument.
2.2 Undersökningsobjekt
Dieselgeneratorer är vanliga inom sjöfarten för att förse fartygen med elkraft. Då undersökningen strävar efter att på ett realistiskt sätt vara knutet till sjöfarten utgörs undersökningsobjektet av ett mindre dieselelverk. Dieselverket efterliknar således en dieselgenerator ombord på ett fartyg. Eftersom det inte vore tidsmässigt eller praktiskt möjligt att utföra undersökningen ombord på ett fartyg ansågs dieselelverket vara ett lämpligt undersökningsobjekt. Tekniskt sätt kan då denna undersökning vara applicerbar på en fullstor dieselgenerator ombord på ett fartyg.
Motorn i elverket är en 4‐takts direktinsprutad encylindrig luftkyld dieselmotor med två ventiler. Kamaxeln styr ventilernas stängning och öppning och den driver även bränslets insprutningspump. En enklare centrifugalregulator reglerar motorns varvtal och på så vis generatorns frekvens. Denna regulatorkonstruktion borde underlätta för resultatet då ingen yttre enhet som reglerar bränsleinsprutningen utifrån data och reglervärden måste manipuleras eller justeras.
Dieselelverket kommer att utrustas med en egentillverkad vät‐ syrgasgenerator vars grundkonstruktion är hämtad från en så kallad Dry cell.3 Mindre modifikationer på dieselelverket för att underlätta för mätning har också utförts. Beakta att inga maskinella förändringar på motorn utförs.
3 (HHO2U.com, 2007)
2.2.1 Motor‐specifikationer4
Modell Glendale Diesel Engine GE188DE (Taiwan)
Typ Luftkyld 4‐takts dieselmotor
Cylinderantal 1
Cylinderdiameter x Slaglängd (mm x mm) 86 x 72
Cylindervolym (CC) 418
Varvtal (rpm) 3000/3600
Maximal effekt (HP) 8,8HP/3000rpm, 10HP/3600rpm
Maximal effekt (kW) 5
Maximal kontinuerlig generatoreffekt (kW) 4,6
Effektfaktor 0,8
Nettovikt (kg) 48
Startsystem Magnapull/elstart
2.3 Genomförande
Genomförandet utförs efter ett testprotokoll som utformats för att passa det specifika undersökningsobjektet. Utformningen av protokollet genomfördes under inkörningsperioden.
Ett tomt testprotokoll återfinns i bilaga 1.
Då dieselelverket är nytt måste det först köras in för att uppnå normal bränsleförbrukning.
Inkörningen kommer att göras med tre stycken en‐fas byggfläktar med ställbar effekt i tre lägen (Ungefärliga effekter: 650, 1300, 2000W). Var och en av dessa byggfläktar är inkopplade till elverkets faser för att uppnå jämn belastning över faserna. Vät‐ och syrgas kommer sedan att tillföras till förbränningsluften och motorn kommer att köras efter samma testcykel och vid samma belastningar som tidigare. Vedertagna testcykler finns att tillgå men då många av de punkter som på grund av tidsaspekter eller begränsningar i mätutrustningen i denna undersökning inte går att genomföra togs istället en skräddarsydd testcykel fram. Testcykeln togs fram under inkörningsperioden för att på bästa sätt passa undersökningen. Mer om denna testcykel under stycket; 2.4.2 Utförande av mätningar. Vät‐ och syrgasproduktionen kommer att varieras med hjälp av en PWM för att finna det optimala volymflödet vid en specifik belastning.
4 (Min, 2011)
En cylindrisk tank med nivårör och millimeterskala kommer att användas som bränsletank, detta för att så exakt som möjligt veta hur mycket bränsle som förbrukas. Denna tank har tillverkats av ett oljebeständigt avloppsrör med tillhörande bottenplugg. Ett nivårör i form av två nipplar och en genomskinlig bränsleslang monterades. Då förbrukningen stabiliserats kommer en tabell uppföras för bränsleförbrukning vid olika belastningar.
Avgastemperatur och övriga rökgasvärden mäts med Sjöfartshögskolans rökgasinstrument. Ett mätrör har anpassats efter mätinstrumentet och påsvetsats i direkt anslutning till motorns avgasljuddämpare. I denna punkt åstadkoms en mätning där instrumentets mätprob vid mätning är centrerad i motorns rökgaser.
Generatorn belastas som tidigare nämnts med tre byggfläktar. För att bestämma belastningen i respektive fas används en multimeter för mätning av fasspänningen och en tångamperemeter för mätning av amperestyrkan. Generatorns totalbelastning beräknas sedan utifrån medelvärdet på fasspänningarna tillsammans med den sammanlagda belastningen från samtliga faser. Utfrekvens mäts med ett fristående frekvensinstrument mellan två av generatorns faser. Vät‐ och syrgasgeneratorns strömförbrukning och spänning mäts på samma sätt som generatorbelastningen, det vill säga med multimeter och tångamperemeter. Här sker mätningen emellertid bara på den fas som gasgeneratorn tillsammans med tillhörande nätaggregat belastar.
Gasflödet från vät‐ och syrgasgeneratorn kontrolleras och mäts med hjälp av en mekanisk svävkroppsmätare där flödet kan finjusteras med hjälp av en nålventil. Denna mätning sker i direkt anslutning till torkfiltret. Placeringen av flödesmätaren tydliggörs i teorikapitlet under stycket; 3.4 Systembeskrivning.
2.4 Datainsamling
Praktiska tester och prov ligger till grund för att styrka de fakta som behandlats. Detta då inga konkreta data på mätvärden från liknande försök som styrker sambandet med sänkt bränsleförbrukning och/eller förbättrade rökgasvärden har påträffats.
Ett dieselelverk tillsammans med inköpta och egentillverkade delar ligger som grund för undersökningsobjektet. Delarna utöver dieselelverket återfinns under teoridelen.
Mätinstrumenten som använts är de som tillhandahållits av Sjöfartshögskolan i Kalmar.
Alla tester och mätvärden som erhålls under undersökningens gång ligger till grund för det resultat som redovisas i slutet av denna rapport.
2.4.1 Mätteori
Rökgasmätningen utfördes med instrumentet PALGO RBR Ecom J2k. Instrumentet utför mätningar efter principen med elektrokemiska celler och beräkningar.5 Senare under mätomgångarna provades även ett inlånat och nykalibrerat mätinstrument som referens.
Detta instrument, ett TESTO 340 var utlånat av Nordtec Instrument AB och utför mätningar efter samma princip som instrumentet från PALGO.6 Notera att det rökgasinstrument som ligger till grund för resultatet är instrumentet från PALGO.
Sotmätning genomfördes även, detta med hjälp av en manuell sotpump likaså den från tillverkaren TESTO. Rökgastemperaturen mäts med hjälp av rökgasmätarens inbyggda temperaturmätare. Då denna mätning sker efter ljuddämparen har även en separat avgastemperaturmätare placerats i grenröret för att åstadkomma ett tillförlitligare värde.
Avgasmätningen i grenröret har endast använts för att kontinuerligt kunna se om avgastemperaturen varierar eller går över ett skadligt värde.
Som tidigare nämnts i metodkapitlet används en stående cylindrisk högtank med millimeterskala. Denna millimeternivå nedtecknas vid testets start och avslut. Genom volymberäkning kan sedan en tämligen exakt bränsleförbrukning beräknas fram. Bränslet som använts under testerna har varit av samma typ och med samma specifika värmevärde (Hi).
Detta för att uppnå så jämförbara resultat som möjligt. Bränslets specifika värmevärde samt andra uppgifter återfinns i bilaga 10.
Belastningen på generatorns tre faser och deras spänning mäts med hjälp av en digital multimeter och en tångamperemeter. Då belastningen under försöken är konstant behövs
5 (ftr, 2006)
6 (Testo AG, 2011)
endast en mätning per försök genomföras. Utfrekvensen från generatorn mäts med hjälp av en fristående frekvensmätare och ett oscilloskop.
Vät‐ och syrgasgeneratorns strömförbrukning mäts även den med hjälp av en tångamperemeter. Gasflödet mäts med hjälp av en enklare flödesmätare som arbetar efter svävkroppsprincipen.
2.4.2 Utförande av mätningar
Samtliga mätningar har utförts efter det att motorn körts in under 10 timmar. Efter dessa 10 timmar ansågs bränsleförbrukningen vara stabiliserad. Innan mätningarna påbörjades byttes även motorns smörjolja. Mätningarna har sedan genomförts efter en testcykel som utformats för att passa undersökningen och den problemformulering som fastställts. Nedan följer den testcykel som använts.
Till grund för jämförelser utfördes mätningar utan tillkopplad vät‐ och syrgas vid låglast (2100W) och vid höglast (4100W). Dessa mätningar gjordes tre gånger för var belastning, detta för att uppnå ett så korrekt medelvärde som möjligt. Varje mätning utfördes under två timmar, där förbrukningen i sammanställningen därefter är beräknad per timme.
Med tillkopplad vät‐ och syrgas utfördes mätningarna sedan vid samma två grundbelastningar som ovan. Vät‐ och syrgasflödet varierades i steg om 0,1 l/min från 0,1 l/min till 0,9 l/min vid båda grundbelastningar. Vid ökat gasflöde ökar belastningen något, denna belastning påverkade således totalbelastningen på motorn. Det gasflöde som sedan gav det positivaste resultatet för båda belastningarna användes sedan för att utföra de två upprepade mätningarna. Detta för att på samma vis som ovan uppnå ett rättvisande medelvärde. Samt för att undersöka om resultaten i de andra två mätningarna skiljer sig från den första mätningen.
Då totalbelastningen av motorn ökar något vid gasframställningen utfördes även två mätserier på vardera 30 minuter där gasflödet med det positivaste resultatet från ovan användes. Med det ”positivaste resultatet” menas där kombinationen av utsläpp och bränsleförbrukning är som lägst. Gasen tillfördes dock inte motorn utan släpptes ut i den fria luften. Detta för att lättare kunna jämföra de värden då belastningen var identisk men då gasen var tillkopplad motorn.
För att ytterligare undersöka hur resultatet förändrades då motorn inte belastades av vät‐ och syrgasgeneratorn provades det även att driva denna via en separat strömkälla. Detta för att lättare jämföra skillnaderna med mätvärdena då motorn kördes utan tillsatt vät‐ och syrgas vid identiska belastningar.
Alla mätningar har utförts efter det att motorn körts i ca: 10 minuter på den belastning och det gasflöde som mätningen utförs på. Detta för att motorn skall anpassa sig till både belastning och gasflöde, men framförallt för att motorn skall uppnå en stabil arbetstemperatur.
Mätserierna som utfördes förkortades efter ett antal testcykler från två timmar till en timme, då detta inte på något vis påverkade mätresultaten. Minskningen av tiden för testcyklerna medförde istället att mer tid kunde läggas på förbättringar och problemlösning runt gasframställningen.
3 Teori
Detta kapitel behandlar kort vätgasens egenskaper och vilka förbättringar vätgasen kan bidra till i en förbränningsprocess. Framställningen av vät‐ och syrgasen med hjälp av en så kallad Dry Cell behandlas. Övrig systemutrustning och dess utformning tas även upp i detta kapitel.
3.1 Vätgasens egenskaper
Vätgasen medför miljöfördelar då den vid förbränning endast bildar vatten. Gasen är också lukt och färglös och till skillnad från andra brännbara gaser inte heller giftig eller fotokemiskt aktiv. En annan egenskap som skiljer vätgasen från andra gaser är att den värms vid expansion.
Detta då vätgas till skillnad från de flesta andra gaser har en negativ Joule‐Thomson koefficient7. Koefficienten beskriver temperaturförändring vid tryckändring vid konstant entalpi. 8
En viktig säkerhetsaspekt gällande vätgas är att den brinner med en nästintill osynlig låga vilket gör att den är svår att lokalisera. Då väte är det lättaste av alla grundämnen innebär det också att vätgasen är ytterst lättflyktig. En annan viktig aspekt att känna till är att vätgas i högsta grad är lättantändligt. Endast en tiondel av det energitillskott som behövs för att antända en bensinluftblandning krävs för att antända vätgas9. Vätgasen är dessutom lättantändlig inom ett utbrett koncentrationsområde. 10
3.2 Hur kan vätgas förbättra en förbränningsmotor
Som förbränningsmotorn är idag, utnyttjas inte bränsleenergin fullt ut. En liten del av bränslet åker ut i atmosfären oförbränt, således utnyttjas inte det insprutade bränslets energiinnehåll fullständigt. Då man tillför vät‐ och syrgas till förbränningsluften bidrar detta till att påskynda förbränningsförloppet på grund av vätgasens höga förbränningshastighet.11 Detta snabbare förlopp kan påverka förbränningsresultatet positivt. Den ökade förbränningshastigheten kan också bidra till att det bränsle som finns i cylindern förbrännas fullständigt, vilket i sin tur borde leda till en effektivare förbränning. Motorn borde få en lugnare gång, lägre
7 (Elvingsson, 2010)
8 (Karlsson, 2001)
9 (Pratt, 1997)
10 (Karlsson, 2001)
11 (Karlsson, 2001)
förbränningstemperatur och i sin tur mindre utsläpp. Rätt timing för bränsleinsprutningen är dock av vikt. En för tidig insprutning av bränslet kan medföra en motsatt effekt då bränslet antänds redan innan kolven passerat ÖD(övre dödläge). Vilket innebär att flampunkten uppnås innan kompressionen har nått sitt maximum. I sin tur medför detta att kolven innan den passerat ÖD påverkas av ett kraftigt övertryck med en nedåtriktad kraft vilket minskar energieffektiviteten och verkningsgraden. Fenomenet kallas knackning eller spikning och ger ojämn gång och kan även skada motorn.
3.3 Vätgasframställning
3.3.1 Elektrolys
Ett sätt att framställa vätgas är genom elektrolys, där elektricitet tillförs för att spjälka vatten till vätgas och syrgas. Denna elektrokemiska process sker i en sluten behållare där ett antal elektroder är omslutna av en elektrolyt. I behållaren tillförs destillerat vattnet Natriumhydroxid (NaOH) eller Kaliumhydroxid (KOH) för att bilda en konduktiv elektrolyt. Det är av vikt att destillerat vatten används, då kranvatten innehåller mineraler och metaller som fälls ut då anod‐ och katodplattorna spänningsätts.12 En sådan utfällning resulterar i att det kan bli kortslutning mellan plattorna vilket leder till en kraftfullt försämrad gasproduktion.
Beroende på hur mycket NaOH eller KOH som tillförs blir elektrolyten olika konduktiv.
Konduktiviteten styr sedan hur mycket ström processen kommer att förbruka. NaOH samt KOH är starkt basiska och därmed frätande vilket innebär att stor försiktighet måste iakttas när man handskas med elektrolyten. Vid hantering av elektrolyten skall därför alltid lämplig skyddsutrustning användas, se bilaga 11 för mer information om KOH. I testet har en koncentration på 10% viktprocent KOH använts. Kaliumhydroxiden förbrukas ej under spjälkningen och behöver således bara tillsättas en gång. Det är endast vattnet i processen som förbrukas.
12 (Karlsson, 2001)
Figur 1 Spjälkning av vatten (egenproducerad)
Vid katoden bildas vätgasen H2 och vid anoden bildas syrgasen O2 enlig följande formel:
2H2O => 2H2 + O2. Detta kallas för att spjälka vatten och reaktionen är endotermisk. När gaserna förbränns bildas åter vatten.13
13 (Borén, Boström, Börner, Larsson, Lillieborg, & Lindh, 2005)
Teoretisk uträkning av mängden vätgas och syrgas som bildas av en liter vatten.14 Uträkningen sker vid STP (standard temperature and pressure) Temperatur: 298,15°K Tryck: 1,013bar
2 2
ä 1 , 16
2 1 ∗ 2 16 36g
2 2 1 ∗ 2 4
0 2 ∗ 16 32
1 1000
ä 4
36 ∗ 1000 111,11 2 ä ä 22,4
ä 22,4
2 ∗ 111,11 1244,432
36 32
32
36 ∗ 1000 888,89
32 ä 22,4
22,4
32 ∗ 888,89 622,22
1244,432 622,22
1866,65 ä
Framställning av vätgas är en energikrävande process och den vätgasmängd som produceras har lägre energiinnehåll i förhållande till den energimängd framställningen förbrukat. Omkring 30‐40 procent av energin förloras genom elektrolysen.15
3.3.2 Försiktighetsåtgärder
Vätgas tillsammans med syrgas är extremt explosivt inom ett stort koncentrationsområde, därför bör största försiktighet iakttas. Ett vattenlås och användningen av en backventil av god kvalitet är därför av yttersta vikt för att förhindra eventuell baktändning, på grund av vätgasens snabba flamutbredningshastighet.16 Dessutom vill man inte ha någon gasproduktion när motorn inte är i drift, mer om detta i nästa avsnitt.
14 (Borén, Boström, Börner, Larsson, Lillieborg, & Lindh, 2005)
15 (Vätgas Sverige)
16 (Karlsson, 2001)
Utrustningen för framställning bör vara placerat i ett väl ventilerat utrymme. Elektrolyten är starkt frätande så lämplig skyddsutrustning bör användas.
3.3.3 Vät‐ syrgasgenerator: Dry Cell
Huvudkonstruktionen för vät‐ och syrgasgeneratorn som tillverkats för att kunna utföra undersökningarna härstammar från en så kallad Dry Cell. Anledningen till att den kallas för Dry Cell är att plattornas kanter samt elanslutningar inte är i kontakt med elektrolyten.
Konstruktion har sedan förfinats och ändrats under byggandets gång och allt eftersom olika problem uppstått.
3.3.3.1 Konfiguration
Figur 2 Dry Cell sidovy (egenproducerad) Figur 3 Dry Cell sprängskiss (egenproducerad) Gavlarna är tillverkade av Lexanglas (Polykarbonat) med åtta hål för de gängade stängerna som är jämt placerade i gavlarnas ytterkanter. Ytterligare ett hål är borrat för slanganslutningen.
Plattorna är tillverkade av syrafast rostfritt stål och är 23 till antalet. De är staplade med O‐
ringar emellan och vridna så att anslutningshörnet på plåten kommer i kontakt med rätt gängad stång.
Den svarta anslutningen i figur 2 är negativ och den röda positiv. Plattorna är kopplade enligt följande potentialer: n‐nnnn+nnnn‐nnnn+nnnn‐n (n: neutral, ‐ : negativ, + : positiv). Runt de neutrala gängstängerna är en blå plastslang monterad för att motverka metallisk kontakt mellan platta och gängstång.
Nippeln är tillverkad av svart POM (Acetalplast) och är pressad mot den yttersta neutrala plattan med hjälp av den överliggande hållaren, med en O‐ring som tätning. Den nedre anslutningen som är till vänster i figur 3 är kopplad till expansionstankens nedre anslutning och
ser därför till att fylla cellen med elektrolyt. Den övre anslutningen är kopplad till expansionstankens anslutning ovan vätskenivån, det är genom denna anslutning som den tillverkade gasen transporteras. Se figur 4 för ökad förståelse.
Plattorna har putsats med en grov smärgelduk i ett X mönster för att öka ytarean samt göra det lättare för gasen att släppa plattorna.
Se bilaga 8 för detaljerade ritningar på ingående komponenter.
3.3.3.2 Konstruktionsfördelar
Eftersom hela cellpaketet inte är nedsänkt i elektrolyten uppnås inga problem med läckströmmar mellan plattorna och dess kanter. Läckströmmarna minskar vät‐ och syrgasgeneratorns verkningsgrad samt ökar dess arbetstemperatur. Till skillnad från konfigurationer där hela generatorns cellpaket är nedsänkt i elektrolyten blir inte heller de elektriska anslutningarna utsatt för den starkt korrosiva elektrolyten.17
Större delen av den korrosiva elektrolyten förvaras i ett expansionskärl placerat något högre än cellen. Värmen som bildas vid gasframställningen gör att en självcirkulation mellan expansionskärlet och cellen uppstår. Cirkulationen av elektrolyt tillser inte bara att cellen alltid är tillräckligt fylld med elektrolyt utan fungerar till viss del även som kylare. För att förbättra cellens kylning ytterligare har en 120mm fläkt monterats på cellens sida.
17 (University, 2012)
3.4 Systembeskrivning
3.4.1 Systemuppbyggning
Figur 4 Översiktsritning av systemets uppbyggnad (egenproducerad)
Figur 4 visar systemets uppbyggnad i stort och visar även gasens väg från vät‐ och syrgasgeneratorn till förbrukaren (motorn). Systemet möjliggör endast för gasframställning då motorn är i drift då gasgeneratorns ström förses från förbränningsmotorns generator. Den genererade strömmen kopplas via en kWh‐
mätare till en kontaktor monterad i elcentralen. Två knappar på elcentralens framsida styr sedan tillslag och frånslag av kontaktorn som i sin tur styr till‐ och frånslag av vät‐ och syrgasgeneratorn. Från kontaktorn är strömmen sedan kopplad till ett switchat nätaggregat där 240V
växelström omvandlas till 12V likström. Bild 1 Elcentral
Likstr uppb PWM vät‐
expan elekt att en har t en ba att b neda
Bild 2 S 3
römen är se byggd på insid
M:en möjliggö och syrgas nsionskärlet rolyt som fö n eventuell b ill uppgift at ackventil som
landa sig me n framgår de
System 4
dan kopplad dan. För sam
ör kontroll a flödet regle
genom ett öljt med gase
baktändning tt fånga upp m även den f ed resten av et hur system
2
5
d till gasgene mtliga elritnin
v strömmen eras. Gasen vattenlås so en. Vattenlås når vätgasge fukt i gasen fungerar som v insugslufte met är uppby
6 8
eratorn via e ngar Se bilag
n som levere som bilda om har till u
set fungerar eneratorn. V n. Innan gase m ett flamsk
n innan den yggt.
1
7
en PWM. Se ga 9.
ras till vätga as i vätgasg
ppgift att ”r även som e Vidare leds g en leds till m
ydd. I luftfilt n passerar m
1. B
2. E
3. E
4. G
5. V
6. V
7. F
8. B
e bild 1 för h
sgeneratorn generatorn rengöra” gas
tt flamskydd asen genom motorns luftf tret får gasen motorns insug
Bränsletank Elcentral Expansionskä Gasgenerato Vattenlås Vattenfälla/t Flödesmätar Backventil
hur elcentra
n och på så v leds sedan sen från eve d för att mot m ett torkfilte filter passera n sedan möj gsventil. Av
ärl or
torkfilter re
len är
vis kan n från entuell tverka er som ar den jlighet Bild 2
4 Mätresultat
4.1.1 Mätning 1.1 och 2.1
Mätning 1.1 och 2.1 utfördes på dieselelverket utan tillkopplad vät‐ och syrgas. Mätning 1.1 belastades med totalt 2100W och belastningen representerar låglast. Mätning 2.1 belastades med totalt 4100W och representerar höglast.
Mätning 1.1 upprepades tre gånger för att ge ett tillförlitligt resultat. Den första testcykeln av dessa tre kördes i två timmar medan de andra två kördes en timme vardera.
Mätning 2.1 upprepades tre gånger och samtliga tre testcykler kördes två timmar vardera.
4.1.2 Resultat mätserie 1.1 och 2.1
Medelvärde Låglast 1.1 Höglast 2.1
Förbrukning [l/h] 0,964 1,443
Avgastemperatur [°C] 213 312
CO [ppm] 59 30
CO2 [%] 2,6 2,97
Sottal 5 7
4.2.1 Mätning 1.2 och 2.2
Mätning 1.2 och 2.2 utfördes på dieselelverket men med tillkopplad vät‐ och syrgas till insugsluften. Dessa mätningar utfördes i testcykler på 30 minuter med ett varierande gasflöde från 0,1 l/min till 0,9l/min i steg om 0,1l/min. Samtliga nio testcykler gjordes för både låg‐ och höglast. Att notera är att belastningen ökar för varje steg gasflödet ökar. Detta då vät‐ och syrgasgeneratorn matas från generatorn. Grundbelastningen varieras inte under testcyklerna.
Mätning 1.2 representerar låglast som grundbelastning, 2.2 representerar höglast som grundbelastning.
Dessa kortare mätcykler användes för att utvärdera vilket gasflöde som resulterade i största önskvärda effekt.
4.2.2 Resultat mätserie 1.2 och 2.2
Bränsleförbrukningens trend vid ökat gasflöde
Avgastemperaturens trend vid ökat gasflöde
0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Bränsleförbrukning [l/h]
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Avgastemperatur [°C]
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
Kolmonoxidens trend vid ökat gasflöde
Koldioxidens trend vid ökat gasflöde
0 10 20 30 40 50 60 70
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
CO [ppm]
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
0 1 2 3 4 5 6
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
CO2 [%]
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
Sottalens trend vid ökat gasflöde
Totalverkningsgradens trend vid ökat gasflöde
4 6 8 10
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Sottal
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Verkningsgrad
Vät‐Syrgasinblandning [l/min]
1.2, 2.2
1.2, Låglast 2.2, Höglast
4.3.1 Mätning 1.3 och 2.3
Mätning 1.3 och 2.3 utfördes på dieselelverket med tillkopplad vät‐ och syrgas av ett flöde på 0,3l/min. Detta gasflöde valdes då bränsleförbrukningen vid höglast här var som lägst. Även en tydlig tendens till minskat kolmonoxidvärde vid låglastkörning uppmättes vid gasflödet 0,3 l/min. Mätning 1.3 representerar låglast och mätning 2.3 representerar höglast. Mätning 1.3 utfördes i två testcykler på vardera en timme och mätning 2.3 utfördes i två testcykler på vardera en timme. På samma vis som tidigare varierades inte grundbelastningarna under mätningarna.
4.3.2 Resultat mätserie 1.3 och 2.3
Tabell över mätningarnas specifika medelvärden Medelvärde Låglast 1.3 Höglast 2.3
Förbrukning [l/h] 0,993 1,5
Avgastemperatur [°C] 224,5 334
CO [ppm] 55,5 24
CO2 [%] 3,1 4,7
Sottal 5,75 7,25
Totalverkningsgrad [%] 23,4 29,1
4.4.1 Mätning 2.4
Då inget resultat som indikerade i en förändring av bränsleförbrukning och/eller rökgasvärden som går utanför ramen för mätfel påträffades, utfördes ytterligare en mätserie med grundbelastningen höglast. Då det rökgasinstrument som lånats av Sjöfartshögskolan vid dessa mätningar inte var funktionsdugligt kan inget resultat annat än bränsleförbrukning visas.
Den första mätningens medelvärde på bränsleförbrukning är hämtad från mätning 1.2, den representerar Serie 1 i diagrammet.
De två andra mätningarna på 30 minuter vardera utfördes med en vät‐ och syrgasinblandning på 0,3l/min, men denna gång matades gasgeneratorn inte från dieselelverket utan från en separat strömkälla. Det vill säga att belastningen under båda dessa mätningar var 4162,4W.
Medelvärdet från dessa två mätningar representerar Serie 2 i diagrammet.
Vidare utfördes ytterligare en mätning där grundbelastningen var den samma som ovan och gasflödet likaså. Vätgasgeneratorn drivs i detta fall från motorns generator. Dock anslöts inte gasen till motorns insug utan fick strömma ut i fria luften. Denna mätning representerar Serie 3 i diagrammet.
Efter 30 minuter anslöts sedan gasen till motorns insug och kördes i ytterligare 30 minuter.
Mätning representerar således Serie 4 i diagrammet.
4.4.2 Resultat mätserie 2.4
Diagram över bränsleförbrukning vid de 4 olika testserierna.
1,38
1,4 1,42 1,44 1,46 1,48 1,5 1,52
1
Bränsleförbrukning [l/h]
Serie 1 Serie 2 Serie 3 Serie 4
5 Diskussion av mätresultat
Ovanstående mätningar och dess resultat visar att ingen större förbättring av bränsleförbrukning och/eller reduktion av skadliga rökgaser inte har påträffats. Inte heller har någon mindre förbättring som inte går in under gränserna för mätfel anträffats.
Endast då vät‐ och syrgasen på prov producerades från elnätet så minskade bränsleförbrukningen med ca: 1%. Men då gasen producerades med elkraft från dieselgeneratorn så förändrades inte bränsleförbrukningen då vätgasen kopplades in till motorns insug. Därför kan inte heller dessa mätresultat ses som en förbättring då de inte bedöms gå under gränserna för mätfel.
Ett annat rökgasinstrument provades även under en mätserie där dieselmotorn kördes vid höglast som grundbelastning både med och utan tillkopplad vät‐ och syrgas vid ett flöde av 0,3 l/min. Detta mätinstrument var av märket TESTO och lånades av Nordtec Instrument AB. Med hjälp av detta förhållandevis moderna och nykalibrerade instrument kunde vi med ett förvånande resultat avgöra skillnaderna i mätvärden mellan de två instrumenten. TESTO instrumentet gav tydliga och stabila mätvärden vid varje mätning medan det av Sjöfartshögskolan lånade PALGO instrumentet gav varierande och därför opålitliga mätresultat. Värdena från instrumenten skiljde sig även ifrån varandra. Då TESTO instrumentet ansåg vara nykalibrerat antogs detta som en tämligen exakt referens vilket gav resultatet att PALGO instrumentet gav otillförlitliga mätvärden som ständigt varierade. Detta resultat gör en analys av resultatet från rökgasmätningarna besvärlig och får endast ses som en fingervisning i resultaten ovan.
Det tydligaste resultatet från mätningarna med TESTO instrumentet är att avgastemperaturen stiger med tillkopplad vät‐ och syrgas. Då instrumentet även kunde mäta NOx kunde här ingen ökning eller minskning av NOx värdena antydas vid tillkopplad vät‐ och syrgas. Dock påträffades en tydligare ökning av NOx värdena då en representant från Nordtec förevisade ett mer avancerat TESTO instrument, detta förmodligen då avgastemperaturen i detta fall hade ökat ytterligare jämfört med tidigare mätningar. Slutsatsen från dessa mätningar blir att en temperaturökning på rökgaserna framkommer då vät‐ och syrgas tillkopplas insugsluften, vilket oftast leder till ökade NOx värden.
6 Diskussion och analys
Arbetet grundade sig i att undersöka de fakta och de påståenden som finns angående bränslebesparing och minskad miljöpåverkan med hjälp av vät‐ och syrgasinblandning till förbränningsluften. Vi har utifrån våra testresultat kommit fram till att varken någon förändring vad gäller bränsleförbrukning eller miljöpåverkan sker. Detta anser vi förvånande då källor från både institut och företag har visat positiva resultat.
Anledningen till att vi i denna undersökning inte uppnått något positivt resultat beror troligtvis på motorns enkla konstruktion och grova bränslereglering. Hade en noggrannare bränslereglering tillsammans med en justerbar insprutningstidpunkt varit möjlig hade resultatet från undersökningen sannolikt varit annorlunda. Utifrån de motordata som finns att tillgå har ingen information om insprutningsmängd, insprutningstidpunkt eller liknande förekommit. Resultaten från mätningarna indikerar ökad avgastemperatur då vät‐ och syrgasen tillsäts. Trotts att topptrycksmätning inte utförts kan slutsatsen att en för tidig insprutning av bränslet sker, då en för tidig insprutning ofta ökar avgastemperaturerna.
6.1 Problem
6.1.1 Dieselgeneratorproblem
Under projektets gång har det uppstått en hel del problem. Kvalitén på dieselgeneratorn är mycket låg, exempelvis gängor på skruvar och muttrar skär utan nämnvärd belastning eller åtdragning. Detta medför att en demontering av en kåpa plötsligt tar mycket länge tid än förväntat. Då avgastempgivaren skulle monteras krävdes det att ljuddämparen demonterades, det uppmärksammades då att avgasrörsflänsarna ej var planfrästa efter svetsning vilket innebar att de var mycket skeva. Flänsarna krävde därför planfräsning innan återmontage för att avgasläckage inte skulle uppstå.
Eftersom dieselgeneratorn ger upphov till stora vibrationer utmattades materialet i ljuddämparen med sprickor som följd, detta endast efter ca 40 timmars drift. Sprickorna reparerades med en MIG‐svets, detta utan att någon demontering av ljuddämparen krävdes.
Vibrationerna medförde även att den flexibla avgasslangen som använts för att leda ut rökgaserna vibrerade sönder.
Vid ett manuellt startförsök av motorn baktände denna vilket resulterade i att startsnöret brast. Detta gick dock förhållandevis lätt att åtgärda.
6.1.2 Vätgasgeneratorproblem
Originalkonfigurationen av vätgasgeneratorn har under projektets gång förändrats allt eftersom problem uppstått. Ursprungligen var nipplarna gängade i lexangavlarna med en konisk gänga. Efter några timmars drift började sprickor bildas kring hålet där nipplarna var anslutna, vilket i sin tur medförde läckage. För att åtgärda detta problem monterades en 6mm polycarbonatskiva innanför lexangaveln. Skivan gängades inte och för att få en tät koppling till nippeln användes istället en O‐ring som pressades mellan polycarbonatskivan och den svarvade nippeln, precis på samma sätt som i den slutliga konfigurationen. Efter ett antal timmars drift uppmärksammades även sprickor i polycarbonatskivan kring hålet där elektrolyten samt vät/syrgasen transporteras. Spänningar på grund av gängan uteslöts, sprickorna berodde troligtvis på den starkt frätande elektrolyten. För att slippa fler problem med sprickor monterades rostfria plåtar istället för polycarbonatskivan, detta har visats sig fungera felfritt. För att se hur de är monterade se bilaga 8.
Efter ett antal timmars drift med vät‐ och syrgasgeneratorn kunde bränd elektronik luktas i provkörningslokalen. Det visade sig att fläkten till det switchade nätaggregatet hade havererat och gjort att nätaggregatet blivit överhettat. Nätaggregatet demonterades och ett nyinköpt monterades omgående. Dessvärre hade det nya nätaggregatet hälften så stor uteffekt, men testen gick trots detta att genomföra utan påföljder.
6.1.3 Avgaskontroll
Som nämnts tidigare slutade PALGO‐instrumentet att fungera, vilket medförde att inga ytterligare mätningar av rökgasvärden kunde genomföras. Detta inträffade i slutet av undersökningen vilket turligt nog innebar att alla värden som behövdes redan var uppmätta.
6.2 Förslag till fortsatt arbete
Att utföra en likvärdig undersökning på en motor där det finns möjlighet att ställa om insprutningstidpunkt. En Common Rail motor med möjlighet att mäta topptryck hade varit optimalt då det finns möjlighet att kontrollera och justera förbränningen på ett helt annat sätt än på en konventionell motor.
Andra bränslen så som bensin, etanol, metanol, biogas eller liknande som huvudbränsle kombinerat med inblandning av vät‐ och syrgas på samma sätt som under detta försök. Även här med möjlighet till topptrycksmätning för att kunna utföra korrekta förbränningsjusteringar.
7 Resultat
Syftet med detta examensarbete var att undersöka om vät‐ och syrgasinblandning i en förbränningsprocess verkligen sänker bränsleförbrukningen och/eller de skadliga utsläppen i rökgaserna. Kommer vätgasinblandningen sänka bränsleförbrukningen och vilka förändringar kommer att ske med rökgaserna var de frågor som ställdes.
Slutresultatet av detta examensarbete har resulterat i en studie och en rapport där effekterna av vät‐ och syrgas blandat med insugsluften till en förbränningsprocess på en enklare dieselmotor utan maskinella modifieringar beskrivs. Dokumentet består av två delar där den första i stort teoretiskt beskriver gasframställning och de effekter som kunde förväntas av en inblandning av vät‐ och syrgas till förbränningsluften. Den andra delen är praktisk där dessa påståenden om positiva effekter utvärderas i from av mätningar på det självkonstruerade fallet.
Det har visat sig att inblandning av vät‐ och syrgas till en dieselmotors insugsluft i detta fallet inte påverkar förbränningseffektiviteten eller rökgasvärdena. De små förbättringar som uppmärksammats under de olika mätserierna ligger inom ramen för mätfel. Dock har en ökning av rökgastemperaturen skett. Detta bekräftades även då
en representant från Nordtec förevisade ett mer avancerat rökgasinstrument. Ökningen kan som nämnts tidigare bero på den felaktiga bränsleinsprutningstidpunkten som uppkommer vid inblandningen av vät‐ och syrgas till förbränningsluften. Här hade en topptrycksmätning underlättat för att finna orsaken eller orsakerna till de ökade avgastemperaturerna.
Med anledning av mätinstrumentproblemen som berörs i kapitel 5 betraktas mätvärdena från PALGO‐instrumentet som osäkra. Därmed kan ingen garanti på mätvärdena lämnas.
8 Referenser
HHO2U.com. (2007). Hämtat från http://www.hho2u.com/Free_HHO_Plans_and_Stuff.html den 15 Januari 2012
Backman, J. (1998). Rapporter och uppsatser. Lund ‐ Studentlitteratur.
Bari, S., & Esmaeil, M. M. (den 4 September 2009). Effect of H2/O2 addition in increasing the thermal efficiency of a diesel engine. Hämtat från
http://smacksboosters.110mb.com/HHOdiesel.pdf den 12 Februari 2012
Borén, H., Boström, A., Börner, M., Larsson, M., Lillieborg, S., & Lindh, B. (2005). Kemiboken A.
Stockholm: Liber.
Elvingsson, C. (den 23 Mars 2010). Kemisk termodynamik. Uppsala, Sverige.
ftr. (den 31 Januari 2006). j2k. Iserlohn, Tyskland.
Karlsson, A. (den 17 December 2001). Vätgasinblandning i CNG. Hämtat från Svenskt Gastekniskt Center: http://www.sgc.se/dokument/sgc122.pdf den 12 Februari 2012
Min, W. (den 11 Oktober 2011). GE Diesel Engine. GE Diesel Engine. Taiwan: Glendale GE Diesel Engine.
Pratt, T. H. (1997). Electrostatic Ignitions of Fires and Explosions. Center for Chemical Process Safety/AIChE.
SGC. (2009). Svenskt Gastekniskt Center. Hämtat från SGC: http://www.sgc.se/index.asp den 10 November 2011
Testo AG. (2011). Testo. Hämtat från http://www.testo.us/online/abaxx‐
?$part=PORTAL.USA.SimpleContentDesk&$event=show‐from‐
menu&categoryid=68361695 den 13 Februari 2012
University, P.‐B. (den 10 Januari 2012). Hydroxy Course. Hämtat från Panaceauniversity:
http://www.panaceauniversity.org/Hydroxy%20Boosters.pdf den 12 Februari 2012
Vätgas Sverige. (u.d.). Vätgas Sverige. Hämtat från http://www.vatgas.se/ den 10 November 2011
Med vätgas/syrgas‐inblandning Test X Testtid
Effektutag [W]
Bränsletank före [liter]
Bränsletank efter [liter]
Förbrukning [liter]
Förbrukning [l/h]
kWh mätare före kWh mätare efter kWh mätare skillnad
kWh mätare vätgasgen. Före kWh mätare vätgasgen. Efter kWh mätare vätgasgen. skillnad Strömförbrukning [A]
Fasspänning [V]
Fasström L1 [A]
Fasström L2 [A]
Fasström L3 [A]
Vätgas/syrgas‐flöde [l/min]
Frekvens [Hz]
Gasreglageläge [mm]
Avgastemperatur [°C]
T.luft [°C]
T.Gas [°C]
O2 [%]
CO [ppm]
CO2 [%]
Luftöverskott Sottal
Totalverkningsgrad [%]
Gångtid motor före [timmar]
Gångtid motor efter [timmar]
Gångtid motor skillnad [timmar]
Utan vätgas/syrgas‐inblandning Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 30/11 Test 5 12/12 Test 6 12/12 Test 1 Test 2 Test 3
Testtid 2 timmar Inkörning Inkörning Inkörning 16:00‐17:00 17:00‐18:00
Effektutag [W] 2101,46 2101,46 2101,46 2101,46 2090,848 2081,472 4117 4117 4117
Bränsletank före [liter] 6,917 4,98 3 6,81 3,743 2,782 6,32 3,45 6,9
Bränsletank efter [liter] 4,98 3 1,06 4,86 2,782 1,821 3,45 0,54 4,2
Förbrukning [liter] 1,938 1,98 1,97 1,946 0,96 0,96 2,87 2,91 2,88
Förbrukning [l/h] 0,969 0,99 0,985 0,973 0,96 0,96 1,435 1,455 1,44
kWh mätare före 10,5 14,7 18,9 23,9 97,8 99,8 31,8 40 49,2
kWh mätare efter 14,7 18,9 23,1 28,1 99,8 101,9 40 48,2 57,4
kWh mätare skillnad 4,2 4,2 4,2 4,2 2 2,1 8,2 8,2 8,2
Fasspänning [V] 234,8 234,8 234,8 234,8 234,4 234,4 237 237 237
Fasström L1 [A] 3,02 3,02 3,02 3,02 3,03 3,03 5,86 5,86 5,86
Fasström L2 [A] 3,06 3,06 3,06 3,06 3,06 3,04 5,89 5,89 5,89
Fasström L3 [A] 2,87 2,87 2,87 2,87 2,83 2,81 5,62 5,62 5,62
Frekvens [Hz] 51,2 51,2 51,2 51,2 51,0‐51,4 51,1‐51,5 50,2‐50,6 50,2‐50,6 50,5‐51
Gasreglageläge [mm] 102 102 102 102 102 102 104 104 104
Totalverkningsgrad [%] 21,5 21,0 21,1 21,4 21,5 21,4 28,4 28,0 28,3
Avgastemperatur [°C] 270 280 280 280 280 280 400 390 390
T.luft [°C] 17 18 20 18 15 14 16 18 16
T.Gas [°C] 216 221 220 215 210 215 313 314 309
O2 [%] 16,6 17,1 16,7 17 17,4 17,8 16,8 18,8 15,2
CO [ppm] 306 235 272 220 47 71 31 28 31
CO2 [%] 3,2 2,9 3,2 2,9 2,6 2,3 3,1 1,6 4,2
Luftöverskott 4,77 5,38 4,88 5,25 5,83 6,56 5 9,55 3,62
Sottal 5 5 7 7 7
Gångtid motor före [timmar] 4,1 6,1 8,1 10,4 32,2 33,2 14,1 16,1 18,4
Gångtid motor efter [timmar] 6,1 8,1 10,1 12,4 33,2 34,2 16,1 18,1 20,4
Gångtid motor skillnad [timmar] 2 2 2 2 1 1 2 2 2
