Små dual-fuel motorer til naturgas (15-30 kw), Fase l. Projektrapport November 1997

Transkript

1 Små dual-fuel motorer til naturgas (15-30 kw), Fase l Projektrapport November 1997

2 Små dual-fuel motorer til naturgas (15-30kW), Fase l Per Pedersen Dansk Gasteknisk Center a/s Hør holm 1997

3 Titel Rapport kategori Forfaller Dato for udgivelse Copyriglll Sagsnummer Sagsnavn ISBN Små dual-fuel motorer til naturgas (15-30 kw), Fnse l Projektrapport Per Pedersen November 1997 Dansk Gasteknisk Center a/s Små dual-fucl motorer til nmurgas ( kw), Fnse l For ydelser af enhver cm udført ctf Dansk Gasteknisk Cemer a/s (DG C) gælder: ar DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige IJestemmelserjor teknisk rådgivning & bisrand (A BR 89) ", som i øvrigt ansesfor vedrager for opgctvell. m erswrningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skerder over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspddragende fejl ellerforsømmelse og altid begrænses til 100% af det vederlag, som DGC har modragetfor den pågældende ydelse. Rekvire111en holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der mrirre oversrige DG C's hæftelse. et l DGC skal - uden begrænsning - om levere egne ydelser i forbindelse med fejl og forsømmelser i DG C's materielle. Juli 1997

4 DG C-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side Forord Resume l Indledning Dieselmotoren Tænding Effektregulering l O 2.3 Forbrænding J Forkammermotorer Direkte indsprøjtning Holdbarhed Emission Svovl Partikler L CO HC NOx Opsummering Dual-fuel motorer Tænding Bankning Forbrænding Effekt Virkningsgrader Fordele ved dual-fuel frem for gnisttænding Ligeværdighed med gnisttændingsmotoren Ulemper ved dual-fuel motorer Oversigt over dual-fuel principper Fundne løsninger Suge-motorer Gasmikser Små dual-fuel motorer til naturgas (15-30 kw), Fase 1 h:\717\27\rap\dual fuel fase 1 Nov. 97

5 DG C-rapport Trykladede motorer Gas1nikser Indsprøjtning- single point Pilot injection- direkte indsprøjtning Anskaffelsespriser Driftsøkonomi Orienterende gennemgang Barrierer for udbredelse af minj kraftvarmeanlæg Appendiks Virkningsgrader Isentropisk kompression Litteranu Jjste Små dual-fuel motorertil naturgas (15-30 kw), Fase 1 h:\717\27\rap\dual fuel fase 1 Nov. 97

6 DGC-rapport 3 Forord Baggrund Denne rapport er første led i et større projekt om små dual-fuel motorer til naturgas-/dieseloliedrift for brug i små kraftvarmeanlæg. Der sigtes i efterfølgende faser på at få udviklet en færdig minikraftvarmeenhed baseret på en dieselmotor, som modificeres således, at der kan substitueres en god andel dieselolie med naturgas. Formål I nærværende arbejde er udført et omfattende litteraturstudie for dels at afdække forskning på området, dels at afdække hvad der findes på markedet i dag. Der er lagt vægt på en beskrivelse af udgangspunktet, nemlig dieselmotoren. Dette er relevant, idet dual-fuel motoren indeholder samtlige komponenter og overtager fordele og ulemper fra den oprindelige dieselmotor. Ud over den tekniske side beskrives andre relevante forhold som emission og brændstoføkonomi. Målgruppe Arbejdet henvender sig til gasselskabernes teknikere, ejere/brugere af kraftvarmeanlæg samt interesserede anlægsbyggere. Organisation Arbejdet med nærværende rapport er rekvireret af Gasselskabernes Fagudvalg 2 og udført af Per Pedersen, Dansk Gasteknisk Center a/s. Rapporten er kvalitetssikret af Jan de Wit og Lis Jacobsen, Dansk Gasteknisk Center a/s. Hørsholm, november 1997 ej?~ Per Pedersen Projektleder Afd. for Gasanvendelse Bjarne Spiegelhauer Afdelingschef Afd. for Gasanvendelse

7 DG C-rapport 4 Resume Dette projekt består af et litteraturstudie om dual-fuel motorer. Langt hovedparten af den fundne litteratur handler om større og mere avancerede motorer, end der sigtes til med dette projekt. Litteraturen er sparsom for de simple løsninger på dual-fuel principper. En hel del oplysninger er derfor fremkommet ved læsning af værkstedshåndbøger samt henvendelser til firmaer, og der er desuden indhentet priser på indgående komponenter. Flere fabrikanter arbejder på at udvikle motorer med kompressionstænding, som kan benytte naturgas i stedet for dieselolie, men disse motorer er endnu ikke kommercielt tilgængelige. Det er langt lettere at bibeholde dieselolien som tændmiddel i en dieselmotor og substituere en del dieselolie med naturgas, fx opblandet i indsugningsluften eller indsprøjtet i forbrændingskammeret Med dette koncept tales om en dual-fuel motor. Nærværende rapport opsummerer de fundne informationer præsenteret i en samlet og systematisk form. For de beskrevne udformninger gennemgås fordele og ulemper. Holdbarhed Generelt kan følgende opsummeres: Litteraturen fremhæver, at dual-fuel princippet på grund af sin enkelhed og opbygningen over solide dieselmotorer kræver minimal service, har god driftsikkerhed og lang levetid. Brændstoføkonomi Emission Sammenligner man dual-fuel motoren med en ældre gnisttændingsmotor uden emissionsbegrænsende foranstaltninger- altså hverken lean-bum eller støkiometrisk - vil der ved simple konverteringer til gasdrift opnås bedre virkningsgrad og typisk lavere emission af NOx, CO og HC med dual-fuel princippet. Hvis der ved gnisttænding optimeres til gasdrift, og der tages forholdsregler til begrænsning af emission, er der derimod ikke den store forskel i virkningsgrad ved fuldlast Det ses på store gasmotorer, hvor gnisttændingsprincippet og mager forbrænding er fremherskende. Det er ressourcekrævende at optimere en gnisttændingsmotor til gasdrift, når der skal opnås både lav emission og god virkningsgrad.

8 DG C-rapport 5 Emission Ved fuldlast opnår man de største miljøfordele ved dual-fuel princippet frem for dieseldrift. På emissionssiden viser dual-fuel motorer en emission af kvælstofilter, svovldioxid og partikler, som ligger lavere end på dieselmotorer, men højere end på store kommercielle gnisttændingsmotorer til naturgas og biogas. Dual-fuel motoren opnår sin største gasandel ved fuldlast NOx kan reduceres ved anvendelse af røggastilbageføring, som er en velkendt teknik på bilmotorer. Med hensyn til HC- og CO-emission ligger dual-fuel motorer ved fuldlast tæt på lean-bum gnisttænding og over emissionen fra dieselmotorer. Dog skal det anføres, at HC-indholdet fra dual-fuel motoren er domineret af lette ikke-reaktive kulbrinter. Ved dellast stiger CO- og HC-emissionen, med mindre der er tale om en trykladet motor. Dual-fuel motorer med direkte gasindinjektion i forbrændingskammeret viser lavere HC-emission end de bedste gnisttændingsmotorer. Dette princip begrænset til meget store anlæg, da der kræves gas under højt tryk. En oxiderende katalysatorer kan fjerne størsteparten af CO-indholdet i røggassen samt tungere uforbrændte kulbrinter. Oxidationskatalysatorer er sjældent effektive over for uforbrændt metan. Der er risiko for svovlforgiftning, hvorved katalysatoren gradvist mister sin effekt. Selv let dieselolie indeholder for meget svovl, så udstødsgassen ved høj dieselandel skal fortyndes med luft eller føres uden om katalysatoren. Kombinationen biodiesel og naturgas burde give mulighed for anvendelse af oxiderende katalysatorer, da svovlindholdet er lavt i begge brændsler, lavere end katalysatorfabrikanternes anvisninger. Afbrydelighed Dual-fuel princippet giver i de fleste udformninger en umiddelbar mulighed for at køre på l 00% dieselolie, hvis der er afbrudt for gassen. På den anden side er man med en dual-fuel motor afhængig af dieselolie, og det er ikke helt ligetil at reducere dieselandelen til under 20% af indfyret effekt. Det kan lade sig gøre: Der findes i handlen dual-fuel motorer med mulighed for mindre end 10% dieselandel Motorerne er på minimum 37 KW og er dermed lidt for store i forhold til den betragtede ydelsesklasse 15 til 30 KW.

9 DGC-rapport 6 Nye lovende y. terner I skrivende stund introduceres elektroniske indsprøjtningsanlæg - ofte kaldet "Common Rail"- til dieselmotorer. Disse systemer ser lovende ud for nye dual-fuel motorer til naturgas. Det åbner nemlig mulighed for at opnå endnu lavere dieselandel, uden at man ofrer dual-fuel motorens store aktiv, nemlig muligheden for at køre på 100% diesel ved afbrudt gasforsyning. Prisen for motoren alene udgør en relativt lille del af de samlede omkostninger for de indgående komponenter i et operationsklart kraftvarmeanlæg. Ved serieproduktion er der derfor ikke mulighed for at spare væsentligt ved at basere mini kraftvarmeanlæg på renoverede motorer. Det vil være bedre at basere kraftvarmeenheden på nye komponenter og holde sig til samme fabrikat og type. Til sidst vises en oversigt over størrelsen af forskellige motortypers emission, Figur l. Oversigten er baseret på de dokumenterede målinger, som er fremskaffet i projektet. De seneste tekniske landvindinger er ikke medtaget. Med hensyn til motortype nummer tre, gnisttænding uden emissionskontrol, er der tale om dieselmotorer ombygget til gnisttænding... c,!2 'El w Figur l Overblik over emissionfra en række motortyper fra 15 til l 50 KW

10 DGC-rapport 7 1 Indledning Dual-fuel motorer er bygget over dieselmotorer. Ved dual-fuel drift substitueres en del af dieselolien med et sekundært brændstof, oftest biogas eller naturgas. Dieselmotoren findes i et mange variationer og størrelser. Der findes, eller har været fremstillet, dieselmotorer til drift af maskiner eller fartøjer til vands, tillands og i luften. Blandt de mindste dieselmotorer var en motorcykelmotor. En af de mest særprægede dieselmotorer var en flymotor med to stempler i samme cylinder. Stemplerne bevægede sig modsat hinanden og trak hver sin krumptap. De største skibsdieselmotorer yder i dag 55 MW. Dieselmotoren har generelt lavt brændstofforbrug. De største skibsdieselmotorer har den bedste brændstoføkonomi af alle termiske energianlæg med hensyn til mekanisk arbejde. Dieselmotoren kan være enten totakts eller firetakts. Totaktsprincippet anvendes især på meget store dieselmotorer. Alle typer dieselmotorer kan i princippet ombygges til dual-fuel drift. Mitsue Engeneering and Shipbuilding Co har bygget en 40MW totaktsmotor til dual-fuel drift 11/. Den anvendes på LNG-tankskibe samt til stationære generatoranlæg. Gassen tilsættes under højt tryk direkte i forbrændingskammeret. Endvidere blev der under litteraturstudiet fundet en omtale af ombygning af en totakts Detroit Diesellastbilmotor til dual-fuel drift 1 Gassen tilføres i skylleluftportene, og derfor har man alvorlige problemer med, at skylleluften river uforbrændt naturgas med i udstødningen. Det søger man at løse ved at styre indsprøjtningstidspunktet Resultaterne er ikke overbevisende. 1 West Virginia University' s National Alternative Fuel Training Program. Review by Izmen Tunali, Reda Bata and Randolph Churchill http :l/naftp.m ae. wvu.edu/techlnfolinks/lng/ln G.html

11 DG C-rapport 8 Overvejende anvendes firetaktsmotorer som udgangspunkt for dual-fuel motorer, h vatfor der i det følgende alene betragtes firetaktsmotorer. Mange af dieselmotorens egenskaber genfindes i dual-fuel motoren. Derfor er det fundet relevant at give en grundig beskrivelse af dieselmotoren.

12 DGC-rapport 9 2 Dieselmotoren Dieselmotoren forbrænder en inhomogen blanding af forstøvet olie og luft. Olien indsprøjtes direkte i forbrændingskammeret, eller i et forkammer mod slutningen af kompressionsslaget Da der kun komprimeres luft, er en dieselmotor ikke udsat for utilsigtet selvantændelse, som fører til bankning. Derfor kan dieselmotorerne bygges med langt større cylindervolumen og højere kompressionsforhold, end det er praktisk muligt på gnisttændingsmotorer. 2.1 Tænding Dieselolie angives at have en selvantændelsestemperatur på 245 C ved atmosfæretryk. I dieselmotoren komprimeres luft så højt, at kompressionsvarmen får dieselolien til at antændes, når den sprøjtes ind i cylinderen. Ved start af dieselmotoren vil der være betydelig varmeveksling med cylindervæggene. Det betyder lavere sluttemperatur og nødvendiggør anvendelse af gløderør som starthjælp. Desuden vil den omgivende lufttemperatur have en stærk indflydelse på hvor høj temperatur, der kan opnås ved komprimeringen. Figur 13 i Appendiks viser hvilken sluttemperatur, der opnås under en række forhold. Skulle der benyttes naturgas som eneste brændstof i en dieselmotor, så skulle der benyttes urealistisk høje kompressionsforhold /2/. I stedet kan man benytte gløderør, men denne teknik er ikke operationel endnu, for nærmere omtale se /3/, side 25. Et højt kompressionsforhold fører til god virkningsgrad og gode koldstartsegenskaber. I praksis fører høje kompressionsforhold desværre også til forøget friktionstab. Der tabes energi ved dissipation i turbulente strømninger, fx gennem forkamre eller gruber i stempeloverfladen. Derfor er der et optimum for kompressionsforholdet, som i litteraturen angives til at ligge fra 15 til 18. Høje kompressionsforhold giver endvidere risiko for utilsigtet tænding ved dual-fuel drift. Tændingstidspunktet bestemmes ved indsprøjtningstidspunktet På de fleste mekaniske indsprøjtningspumper er der fast indsprøjtningstidspunkt.

13 DGC-rapport 1 O 2.2 Effektregulering Dieselmotoren har intet gasspjæld. Effekten reguleres alene ved den tilførte brændstofmængde. Brændstofsystemet er mekanisk på ældre typer. På nyere typer er elektromekaniske eller elektrohydrauliske principper på vej. De nyere typer kan variere indsprøjtningstidspunktet som funktion af omdrejningstallet og belastning. For en nærmere beskrivelse af brændstofsystemer til dieselmotorer henvises tillitteraturen /3/, /4/, /5/ og /6/; visse detaljer læses dog bedst i værkstedshåndbøger. Mekaniske brændstofsystemer Af størst interesse for dette projekt er de mekaniske brændstofsystemer. I den mest almindelige udformning (fx system Bosch) benyttes en stempelpumpe til hver dyse. Stemplets effektive slaglængde kan varieres ved at dreje stemplet, idet der er spiralformede furer i stemplet, som tidligt eller sent i pumpeslaget trykaflaster olien over stemplet. Der er et stempel, som leverer olie til hver enkelt indsprøjtningsdyse. Pumpetrykket løfter en nåleventil i indsprøjtningsdysen, hvorved indsprøjtningen finder sted. Pumpestemplerne drives af en kamaksel, der igen drives fra krumptapakslen. En tandstang, der er i indgreb med en fortanding på hvert pumpestempel, udgør effektreguleringen. Tandstangen er også i indgreb med en omdrejningsregulator. Indsprøjtningstidspunktet kan grundjusteres ved at dreje kamakslens stilling i forhold til krumtappen. Der er ikke fundet gode skitser af princippet i litteraturen. V ærkstedshåndbøgernes tegninger af dieselpumper er ikke egnet til at illustrere princippet. De nyeste system er Engelske og amerikanske dieselmotorer benytter ofte et anderledes princip, efter hvilket der kun er en højtrykspumpe (tandhjulspumpe), og hvor dieselolien fordeles til hver dyse efter et system, der i princippet minder om strømfordeleren på en benzinmotor. Der er en skitse i /4/, side 32, som illustrerer systemets særdeles komplicerede mekaniske opbygning. Bilindustrien satser i øjeblikket på et nyt system ofte kaldet "Common rail" til automobildieselmotorer. Systemet består af en enkelt højtrykspumpe, der leverer olie under tryk til et rør, der passerer forbi hver cylinder. Der er af-

14 DG C-rapport 11 greninger til injektionsdyserne. Da olien er under konstant tryk, er der indskudt en ventil før hver dyse. Ventilerne styres fra en kontrolboks, mængde og tidspunkt for indsprøjtning til de enkelte cylindre varieres ved at styre ventilerne. Olietrykket er væsentligt højere end i de rent mekaniske indsprøjtningsanlæg. Det høje tryk giver finere forstøvning, og oliedråberne spredes over et større område af forbrændingskammeret Systemet giver endvidere mulighed for en såkaldt pre-injektion. Først sprøjtes en ganske lille mængde ind. Denne mængde bryder i brand og forvarmer cylinderen, hvilket fremskynder forbrændingen ved den efterfølgende indsprøjtning. Den hurtigere forbrænding betyder lavere NOx og siges at give mindre støj. De fleste automobil dieselmotorer er udviklet til høje omløbstal og har for høj effekt i forhold til den betragtede effektklasse KW. Det kan lade sig gøre at neddrosle dem til 1500 RPM. Det kræver formentlig indgreb som afstemning af indsugningsrør. Common Rail systemet kunne måske være interessant for naturgasbaseret dual-fuel drift. Det giver mulighed for tændingstidpunkter, der følger omløbstal og belastning, hvilket giver mulighed for ekstrem lav dieselandel Det vil kræve indgreb i kontrolboksen, der skal udvides med et dual-fuel program. I skrivende stund er der dog ikke fundet nogen arbejder med de nye elektroniske systemer anvendt i dual-fuel motorer. Til brug i biogas dual-fuel motorer er der nogen skepsis blandt anlægsudbydere; man mener, at der skal en vis minimal dieselandel til for at sikre robust tænding. Derfor er der måske ikke det store behov for systemer, der kan håndtere meget små dieselandele til biogasmotorer. Trykladning Motorer, der ikke har trykladning, vil udvise stor variation i brændstof-luft mængden, således at der ved høj belastning er mindre luft til stede. Det fører til soddannelse. Motorer med trykladning er mindre tilbøjelige til soddannelse, fordi luftmængden følger belastningen. De er dog langtfra sodfrie. Ved acceleration kan turboladeren ikke følge med, og bl.a derfor ser man sort røg fra selv de nyeste lastbiler og busser under acceleration.

15 DGC-rapport 12 For at beskrive soddannelsen nærmere betragtes forbrændingen af dieselolie: 2.3 Forbrænding Dieselmotoren arbejder med en inhomogen blanding af en afgrænset sky af fine brændstofdråber. Dråberne afgiver brændstofdampe, som blandes med den omgivende varme luft og antændes. Forbrændingen i dieselmotoren kan beskrives som foregående i to trin. Første trin i forbrændingen: aco + f3 H 2 +(x- V2a)0 2 2 ren forbrænding x:22a Andet trin: \ c + 02 ~ co2 2xCO + f3 H 2 +(a- 2x)C 2 CO + J/20 2 ~ C0 2 H2 + J120 2 ~ H20 (lav reaktionshastighed) (høj reaktionshastighed) (høj reaktionshastighed) Tabeli Forbrænding i dieselmotoren 14/, side 638 og /6/ soddannelse X<2a Dieselolie er tungt fordampeligt i forhold til benzin. For at få trin l i gang kræves fint forstøvet dieselolie til at afgive oliedampe. Sodgrænse Da dieselmotorens effekt reguleres med den indsprøjtede mængde brændstof, vil der ved høj effekt blive mindre afstand mellem dråberne. Sammenholdt med en højere cylindertemperatur vil der ske en hurtigere fordampning fra dråberne. Med stigende effekt vil der altså lokalt begynde at optræde zoner med for meget brændstof, til at sodfri forbrænding kan finde sted - Tabel l. Man taler derfor om en sodgrænse, som er den højeste effekt, man kan belaste en dieselmotor med, inden soddannelsen bl i ve r uacceptabel. Sodpartiklerne kan nemlig ikke nå at efterforbrænde fuldstændigt i andet trin.

16 DG C-rapport 13 Til forskel fra dieselmotoren forbrænder gnisttændingsmotorer en homogen blanding af luft og fordampet brændstof i hele forbrændingskammerets udstrækning. De kan derfor tilføres mere brændstof end dieselmotoren, uden at det giver anledning til soddannelse. Det er grunden til, at en benzinmotor yder højere effekt end en tilsvarende dieselmotor uden trykladning. Det fremgår altså af reaktionsligningerne, at en god forstøvning og opblanding af den indsprøjtede dieselolie er af stor betydning for begrænsning af soddannelsen, fordi det medfører tilstedeværelse af flere iltmolekyler ved første del af forbrændingen. Trykladning er en effektiv metode til at forøge sodgrænsen, fordi der både tilføres mere luft og sker større opblanding. Der er mange grunde til at undgå soddannelse: Sodpartikler absorberer giftstoffer på overfladen og kan derfor skade lungevævet Sodpartikler ødelægger endvidere smøreolien og giver anledning til ringere virkningsgrad bl.a ved forøget strålevarmetab til cylindervæggene. Dieselmotorens øvrige emissionsproblemer omtales i efterfølgende afsnit. 2.4 Forkammermotorer Mindre dieselmotorer udformes efter tidligere praksis som forkammermotorer. I litteraturen omtales princippet som IDI (!ngirect!njection) Luften presses i kompressionsslaget ind i forkammeret gennem en forsnævring og bringes herved til at hvirvle kraftigt rundt. Brændstof sprøjtes ind i forkammeret. Det opblandes med luften, bryder i brand, og blandingen skyder ind i hovedkammeret som en fakkel, hvor resten af forbrændingen finder sted. Når faklen skyder ind i hovedforbrændingskammeret, opstår igen kraftig turbulens, som giver yderligere opblanding. Det giver en hurtig forbrænding, og dermed kan en forkammermotor køre med høje omløbstal Dette er grunden til, at næsten alle små dieselmotorer hidtil har været udformet som forkammermotorer. Der er ulemper forbundet med forkammermotorer. Dels er der varmetabet fra overfladen i forkammeret, og dels er der tab som følge af friktion ved strømning til og fra forkammeret. Det giver dårligere virkningsgrad. I litte-

17 DG C-rapport 14 raturen /3/ angives, at det mekaniske arbejde er 5 til 10% lavere, end hvad der kan opnås ved direkte indsprøjtning og samme mængde brændstof. Sagt på en anden måde: brændstofforbruget på en forkammermotor er 5-10% større end på en tilsvarende dieselmotor med direkte indsprøjtning. 2.5 Direkte indsprøjtning Direkte indsprøjtning betegnes i litteraturen som DI. I stedet for et forkammer benyttes gruber i stempeloverfladen til at skabe turbulens. Princippet var tidligere kun anvendt store langsomtgående motorer, men med en hensigtsmæssig udformning af gruberne i stempeloverfladen kan der opnås god opblanding og dermed en hurtigere forbrænding. Direkte indsprøjtning vinder frem i de mindre størrelser, fordi der er fordele i form af bedre virkningsgrad. 2.6 Holdbarhed Det anføres ofte, at dieselmotoren er solid og er lettere at renovere end en benzinmotor. Mange dieselmotorer har løse cylinderforinger. Ved hovedrenovering skal cylindrene derfor ikke udbores; man udskifter blot foringen. Der kan anvendes samme størrelse stempler efter renoveringen. På større motorer er der separate topstykker på hver cylinder. En hovedrenovering kan derfor foregå på stedet, idet de slidte dele udskiftes med nye eller renoverede dele. Langt de fleste kommercielle gasmotorer med gnisttænding har enten oprindelse i dieselmotordesign, eller der er tale om ombyggede dieselmotorer. Uanset konstruktionsprincip er holdbarheden af en motor afhængig af stempelhastighed og belastning. Stempelhastigheden som middel over et arbejdsslag udregnes som 2 slaglængde (i mm) RPM/60/1000 [m/s] Hvis stempelhastigheden som middelværdi over et arbejdsslag ligger under l O mis, så kan der trækkes et passende tykt lag smøreolie mellem stempel og cylindervægge, og motoren vil teoretisk set kunne holde evigt. Slitage optræder, fordi motorerne udsættes for koldstarter, for høje omdrejningstal,

18 DG C-rapport 15 svigtende olietryk, nedslidt smøreolie og mange andre ikke-ideale driftsbetingelser. Belastningen udtrykkes som det effektive middeltryk, Brake Mean gffective r_ressure, der beregnes efter følgende formler: (la) BMEP = K._! 10 5 [Bar] anvendes når effekten er kendt V R (Ib) BMEP = 2 K. n. -r v [Bar] når drejningsmomentet er kendt K= 2 vedfiretakt og l ved totakt hvor P er motorens effekt i watt, V er slagvolumen i m 3, R er omdrejninger pr. sekund, og 'r er drejningsmoment i N m. Det effektive middeltryk beregnes ved motorens normale driftspunkt Kender man mnløbstallet og enten effekt eller drejningsmoment i det normale drifstpunkt, kan det effektive beregnes. Det effektive middeltryk er et mål, der kan benyttes til at sammenligne motorer. I Tabel 3 er der beregnet stempelhastighed og middeltryk for tre forskellige motorstørrelser, hvis specifikationer er angivet i Tabel 2. Det bemærkes, at der er lighed på trods af de store fysiske forskelle. Data Modelflymotor WV Polo 1,4 benzin Stor trykladet naturgasmotor Boring [mm] 12, Slaglængde [mm] 13, Slagvolumen/cyl. [liter] 1,63E-3 0,35 31,73 Effekt/cyl. (Watt] 100-2,83E+05 RPM ved normal drift Drejningsmoment/cyl. [Nm] Princip totakt firetakt firetakt Tabel2 Oplyste motorspecifikationer for tre vidtforskellige motorstørrelser.

19 DG C-rapport 16 Data Modelflymotor WV Polo 1,4 benzin Stor trykladet naturgasmotor BMEP [bar] 3,2 10,4- formel {1b) 14,3 Middel stempelhastighed 5,0 6,5 9,0 [m/s] Tabel3 Effektivt middeltryk og stempelhastighed ved de tre vidtforskellige motorstørrelser (Tabel 2) Lejer og bevægelige dele, såsom krumptap, stempler, stempelstænger, i en given motor er dimensioneret til en bestemt belastning ved tryk eller vridmoment. Hvis motoren overbelastes, forøges slitagen på lejerne; i værste fald sker der havari på stempler eller krumtap. 2.7 Emission Dieselmotoren arbejder med en inhomogen blanding af luft og brændstof i forbrændingskammeret Det giver zoner med høj og lav brændstofkoncentration. I zoner med meget brændstof dannes partikler og mellemprodukter af brændstoffet under forbrændingens første fase. I zoner med meget luft er forbrændingshastigheden lav, og det giver anledning til dannelse af mellemprodukter som CO og HC ved efterforbrændingen. I litteraturen omtales dette som "overleaning" /4/, side 622. Problemet med mager blanding og emission af uforbrændte bestanddele kendes også fra gnisttændingsmotorer 17 l og /11/. I zoner med høj temperatur (over 1500 C) accelererer NOx-dannelsen. Det høje kompressionsforhold og inhomogenitet i luft-brændstof blandingen resulterer i, at der lokalt i dieselmotorens forbrændingskammer vil optræde sådanne zoner. Lige som det er kendt fra gnisttændingsmotoren vil tiltag, der modvirker dannelse af CO og HC som regel føre til forøget emission af NOx Svovl Både dieselolie og smøreolie indeholder svovl. Størsteparten af dette svovl forlader motoren som S0 2 i udstødsgassen, mens en lille del er bundet på

20 DG C-rapport 17 partiklerne. Det eneste man kan gøre for at begrænse svovlemissionen er at anvende svovlfattigt brændstof i form af let dieselolie og sørge for god vedligeholdelse af motoren, så smøreolieforbruget holdes på lavest mulige niv eau. Svovlindholdet vanskeliggør endvidere anvendelse af oxiderende katalysatorer. Fabrikanterne foreskriver et svovlindhold i dieselolien på højst 0,03 vægt pct., hvor let dieselolie i dag ligger på 0,05 vægt pct. 2 Der er alternativer tillet dieselolie, som indeholder mindre svovl. En mulighed er Svensk Miljøklasse l dieselolie, og en anden mulighed er rapsoliemetylester, bedre kendt som biodiesel Biodiesel har været afprøvet til busdrift /8/, og katalysatordrift blev også afprøvet, men rapporten omtaler ikke levetider for katalysatorerne. Der er dog grund til en vis optimisme, idet svovlindholdet i biodiesel er angivet til at være lavere end den foreskrevne værdi Partikler Partiklerne består hovedsageligt af sod, der dannes i den første del af forbrændingen i brændselsrige zoner (ved diffusionsflammer). I den anden del af forbrændingen oxideres en del af disse partikler, men omsætningshastigheden er lav. Derfor gælder det om at begrænse soddannelse i forbrændingens første fase. Som allerede nævnt, er det soddannelsen, der sætter grænsen for, hvor høj en effekt man tillader en dieselmotor at udvikle. Løsningen er trykladning, som følger motorbelastning, og som giver høj turbulens i forbrændingskammeret Til trykladning benyttes turboladere, eller i sjældne tilfælde Comprex- kompressorer, fordi begge disse typer udnytter energi i udstødsgassen, som ellers går tabt eller udnyttes som varme. Partiklerne indeholder eller absorberer endvidere svovl fra dieselolie samt smøreolie og tunge uforbrændte kulbrinter fra både smøreolie, dieselolie og forbrændingsprodukter dannet underforbrændingen. Partiklerne udgør en 2 DTI Energi/Motorteknik Århus

21 DGC-rapport 18 sundhedsfare, idet de afsættes i lungevæv og herved forstærker giftvirkningen af tunge kulbrinter CO Det fremgår af Tabel l, at der dannes kulilte under forbrændingens første del, men da dieselmotoren altid arbejder med et vist luftoverskud, forsvinder denne komponent under efterforbrændingen (Tabel l, trin 2). Hvis der er for meget luft, kan forbrændingen dog ikke nå at forløbe fuldstændigt. Det vil sige, at ved fuldlast er der ikke problemer med CO. Ved dårlig opblanding og ved lav last kan der dannes CO, men ikke i det omfang det kendes fra benzinmotorer. Ved ombygning til dual-fuel drift skal man være opmærksom på CO-emissionen HC Her gælder det samme forhold som for CO. Der er ikke de store problemer ved fuldlast, med ved lav last stiger emissionen af uforbrændte kulbrinter på grund af "overleaning" effekten. Det giver ofte en karakteristisk lugt fra udstødningen. Ved dårlig forstøvning og ringe opblanding vil der også optræde forhøjet HC-emission. Sammensætningen af HC i dieseludstødning er domineret af tunge kulbrinter, der er giftige og reaktive i forbindelse med smogdannelse. Ved ombygning til dual-fuel drift skal man være opmærksom på Reemissionen, især ved dellast Ganske vist vil sammensætningen af HC være langt mindre reaktiv og giftig. HC-sammensætningen vil være domineret af metan, der er en drivhusgas NOx NOx dannes ved høj temperatur og ved luftoverskud. Det vil sige, at i brændselsrige zoner dannes lidt NOx, mens der ved en vis opblanding dan-

22 DG C-rapport 19 nes større mængder. Ved endnu større opblanding falder NOx dannelsen igen, fordi temperaturen falder. Ved stigende motorbelastning stiger NOx-dannelsen, fordi temperaturen stiger, men hvis forbrændingen sker hurtigt, så kan der ikke nå at dannes større mængder NOx. Det er virkemåden bag pre-injektionen omtalt side 11. En metode, der virker ved at begrænse temperaturen, er EGR (~xhaust Gas Recirculation). Ulemperne er lidt mindre virkningsgrad og forøget emission af de øvrige komponenter. Ulemperne er meget begrænsede ved lav recirkulation. Man skal være opmærksom på, at effekten af EGR er afhængig af hvilket luft-brændstof forhold motoren arbejder med. Jo mere mager forbrænding, jo lavere effekt af EGR /9/. I praksis vil det rør, der leder røggas tilbage til indsugningen, med tiden tilstoppes af sod. Det kræver altså vedligehold at opretholde effektiviteten af et røggastilbageføringssystem på en dieselmotor. Hvis motoren ombygges til dual-fuel princippet, reduceres sodmængden drastisk. EGR er således egnet til dual-fuel motorer Opsummering Som det fremgår, er det uhyre kompliceret at bekæmpe alle de nævnte forureningskomponenter på en gang. De relevante parametre og deres respektive virkninger er listet i tabellen nedenfor.

23 DG C-rapport 20 Virkningsgrad NO x CO+ HC Partikler Tidlig tænding + +?"..,... EGR Trykladning +.., '- Tabe/4 Megetforenklet opsummering af indgreb og virkning på dieselmotorer. + betyder forøgelse, mens +står for reduktion. De i Tabel4 nævnte tiltag bør udføres hos motorfabrikanten eller i samarbejde med denne. Tabel4 må ikke tages for bogstaveligt. Der er grænser for, hvor langt man kan avancere indsprøjtningstidspunktet I de fleste dieselmotorer er der fast indsprøjtningstidspunkt, og for tidlig indsprøjtning vil medføre, at motoren ikke kan starte. Trykladning kombineret med høj turbulens er derimod et effektivt virkemiddel for lav partikelemission. EGR virker bedst ved lav tilbageføring, hvilket skyldes, at NOx-dannelsen er eksponentielt voksende med temperaturen. En lille sænkning af temperaturen betyder derfor forholdsvis meget større reduktion end en stor sænkning af temperaturen. Når der tilbageføres store mængder udstødsgas, så reduceres virkningsgraden, og forbrændingshastigheden falder med mere sod, kulilte og uforbrændte kulbrinter til følge. Ved overgang til dual-fuel drift gælder forholdene i Tabel4 stadig, men der kommer nye komplikationer til. 3 I /3/ side 14 står, at tidlig indsprøjtning- og hermed tænding- modvirker HC. DGC's målinger på flere motorer viser det modsatte for HC og CO, ganske vist er der her målt på gnisttændingsmotorer.

24 DGC-rapport 21 3 Dual-fuel motorer Begrebet dual-fuel anvendes om motorer, der kan køre på to forskellige brændstoffer samtidigt. Der findes mange motorer, som kan køre på flere brændstoffer, bare ikke samtidigt. Sådanne motorer betegnes bi-fuel. Et eksempel er Volvo' s og BMW' s naturgasbiler. På grund af problemer med tankningskapacitet har man valgt at have to brændstofsystemer, et til benzin og et til naturgas. Dual-fuel motorer er tilpassede versioner af dieselmotorer. Der er tilføjet et brændstofsystem for tilførsel af et sekundært brændstof, oftest naturgas eller biogas. Motoren starter på dieselolie, og effekten reguleres siden ved tilførsel af det sekundære brændstof, som således substituerer dieselolie. Dual-fuel drift giver således anderledes drifts- og emissionsforhold end dieseldrift. Forskellen kommer af, at der - i langt de fleste udformninger - tilføres en homogen blanding af gas og luft i indsugningsslaget i stedet for ren luft. Det betyder, at dual-fuel motoren arver emissionsproblemer fra både dieselmotoren og gnisttændingsmotoren. Desværre er litteraturen meget sparsom med hensyn til emissionsmålinger på den relevante motorstørrelse. 3.1 Tænding Dieseloliens opgave er at sikre tænding, men den vil stadig medvirke til at drive motoren. Ved en simpel konvertering er det vanskeligt at bringe dieselolieandelen ned under 20% af den tilførte energimængde ved fuldlast Årsagerne er dels begrænsninger på minimum dieselolieandel og dels begrænsninger på, hvor meget naturgas der må være i luft-brændstof blandingen. Begrænsningerne skyldes, at

25 DG C-rapport 22 dyserne ikke kan forstøve optimalt ved lav mængde dyserne køles af den mængde dieselolie, der indsprøjtes 4 der er risiko for bankning- ukontrolleret selvantændelse- i den homogene naturgas-luft blanding. Nye elektroniske indsprøjtningssystemer er interessante for fremtidig dualfuel drift, fordi det giver mulighed for mindre dieselandel Eftersom det er muligt med pre-injektion af ganske små mængder dieselolie, så kunne man forestille sig, at der i kontrolboksen tilføjes et dual-fuel program, som giver en pre-injektion for at tænde gasblandingen og en række efterfølgende små injektioner for at køle injektionsdysen, mens forbrændingen står på. 3.2 Bankning Ukontrolleret selvantændelse af det sekundære brændstof kan indtræde med stemplet tæt ved topstilling i en uforbrændt gasmængde, der er fanget mellem stemplet og flammefronten. Selvantændelse kan også indtræde før forbrændingen er startet. Det kan forekomme ulogisk, at det sekundære brændstof ikke må selvantænde. Som forklaring kan anføres følgende: Dieselolien er på dråbeform, og dråberne afgiver oliedamp. At en rumligt begrænset mængde oliedamp bryder i brand, fører ikke til voldsomme påvirkninger. Forbrændingen er begrænset af, at olien skal fordampe, før den kan brænde. Det forholder sig ganske anderledes med gas- og benzindamp. Hvis en større mængde spontant bryder i brand, fører det til en voldsomt hurtig trykforøgelse. En ukontrolleret selvantændelse i det sekundære brændstof kan altså føre til en eksplosion, snarere end forbrænding med begrænset udbredelseshastighed. Følgende forhold er medbestemmende for tilbøjeligheden for selvantændelse: 4 Dette er tilfældet på den motorstørrelse, der betragtes i dette projekt. Store motorer har derimod oliekøling af dyserne.

26 DGC-rapport 23 brændstoffet skal være på gasform luft-brændstof forholdet den kemiske sammensætning af det sekundære brændstof højt kompressionsforhold og/eller trykladning tilstedeværelse af kimdannere (varme irregulære dele af forbrændingskammeret Risikoen for ukontrolleret selvantændelse - motorbankning - stiger, når koncentrationen af naturgas i luft-brændstof blandingen stiger. Med A betegnes i det følgende det aktuelle luft-brændstof forhold i forhold til det støkiometriske luft-brændstof forhold. I praksis anvendes A> 2,5 i blandingen på dualfuel motorer. Der er dog eksempler på motorer, som har kørt ved lavere værdier af A /15/. Brændstoffer med gode bankningsegenskaber er biogas og til dels naturgas, og derfor kan der opnås højere gasandele med disse brændstoffer. Det kan lade sig gøre at køre med LPG, men der kan ikke opnås samme høje brændstofandel som med de to første. LPG består af propan og butan, som ikke har så gode bankningsegenskaber som metan. I det følgende betragtes næsten udelukkende naturgas som sekundært brændstof. Selvantændelse er betinget af tilstrækkelig høj temperatur. Det vil sige, hvis indsugningsluften er varm, så er risikoen for selvantændelse større. Hvis kompressionsforholdet er højt, er der ligeledes større risiko for selvantændelse 119/. Udformningen af forbrændingskammeret kan også påvirke risikoen for bankning. I Il Ol nævnes, at forkammermotorer er mindre egnede. Forkammeret er en irregularitet i forbrændingskammeret og virker som kimdanner for selvantændelse. Det samme kan siges om skarpkantede gruber i stemplerne på DI-motorer. 3.3 Forbrænding En mager luft-brændstof blanding giver mindre risiko for selvantændelse. Dieselinjektionen giver en uhyre kraftig tænding, som sikrer tænding ved en

27 DG C-rapport 24 langt mere mager luft-brændstof blanding, end det er muligt med gnisttænding. Alligevel må luft-brændstof blandingen ikke blive for mager, idet det fører til forøget HC-emission, der belaster udstødsventilerne På ældre benzindrevne biler kender automekanikere problemet med brændte ventiler som følge af kørsel på for mager blanding. Det skyldes formodentligt, at der ved fastholdt motorydelse og højt luftoverskud sker et fald i forbrændingshastigheden, og sammen med større udstødsgasmængde betyder det større varmepåvirkning af udstødsventilerne. I praksis anvendes A> 2,5 i blandingen på dual-fuel motorer. Til sammenligning kører kommercielle lean-burn gnisttændingsmotorer op til l MW elydelse ved A fra 1,5 op til 1,8. Sådanne motorer bygges med et slagvolumen per cylinder på op til4,3 liter. De tryklades med mere end l bar og har kompressionsforhold højere end l: l O. Ultra lean-burn motorer med forkammergnisttænding kører ved/.. op til2,3. Disse forkammermotorer bygges med et slagvolumen pr. cylinder på helt op til 32liter. De tryklades med op over 2 bar og har kompressionsforhold højere end l: l O, 111/. 3.4 Effekt Ringere cylinderfyldning - lavere effekt Ved gasdrift med prernikset luft-gas blanding fortrænger gassen forbrændingsluft Det gælder både gnisttænding og dual-fuel. Tilføres gas svarende til A= 2, så fortrænger naturgas 4,5% af forbrændingsluften, mens urenset biogas fortrænger 7%. Det kan være med til at begrænse ydelsen, men andre forhold som bankningstendenser kan nødvendiggøre en yderligere reduktion af ydelsen på dual-fuel motorer. Når naturgas tilføres premikset med forbrændingsluften og ved en fordeling af tilført brændstofenergi på 20% dieselolie og 80% gas, så observeres generelt en effektnedgang på 10%. Ved konvertering af en busmotor til dual-fuel drift faldt effekten med 10% ved 19,5% diesel og resten naturgas /12/ og /13/. På biogas er der fundet et tilsvarende resultat 114/. En enkelt reference rapporterer uændret effekt 115/.

28 DGC-rapport Virkningsgrader I litteraturen beskrives forbrændingsmotorens arbejdsprincip som bestående af fire idealiserede processer: l. isentropisk kompression 2. varmetilførsel 3. isentropisk ekspansion 4. varmeafkast Processen ved varmetilførsel beskrives forskelligt for henholdsvis gnisttændings-og dieselmotoren, idet der regnes med konstant volumen ved gnisttændings- og konstant tryk ved dieselmotoren. Processerne er nærmere beskrevet i Appendiks, hvor det konkluderes, at tilstedeværelsen af metan i arbejdsgassen ikke påvirker de termodynamiske processer med hensyn til virkningsgrad i samme grad som andre brændstoffer, fx benzin. Når der alligevel konstateres en nedgang i virkningsgrad på nogle dual-fuel anlæg sammenlignet med dieseldrift, som omtalt i forrige afsnit, så skyldes det, at motoren belastes lavere. Selv om en motor yder mindre, så er der stadig mekanisk friktion at overvinde, fordi der fortsat køres med samme rotationshastighed. Anlæg med langsomt roterende motorer har typisk en bedre virkningsgrad end hurtiggående motorer. Ved lav rotationshastighed falder den effekt, der skal opveje friktionstabet Slagvolumenet pr. cylinder er af betydning for virkningsgraden. Jo mindre cylinderen er, jo større bliver overfladen i forhold til volumenet. Dermed bliver der større tab til cylinderkøling og friktion. Derfor er små motorer ofte udstyret med færre cylindre. I stedet for fx fire små cylindre anvendes tre, eller to større cylindre. Motorerne skal drive generatorer. Små generatorer har ringere virkningsgrad end de større. Det er derfor vanskeligt at give en generel oversigt over forventet elvirkningsgrad som funktion af anlægsydelse.

29 DGC-rapport 26 I den betragtede størrelsesklasse bør man kunne forvente mellem 27% og 30% elvirkningsgrad 60, ~ 50. ff. -g 40 c, Ul Cl c ~ 30 s: ::.!. Ul ~ 20. (l) Cylindervolumen [liter] 100 Figur 2 Termiske virkningsgrader somfunktion af slagvolumen 3.6 Fordele ved dual-fuel frem for gnisttænding Tændingsenergi Tændingsenergien er langt kraftigere end ved almindelige tændrør. H vor meget kraftigere fremgår af følgende regnestykke: Tændenergien i en enkelt gnist i et tændingssystem ligger på 25 mj eller lidt højere, se /4/, side 436 og /16/. Til sammenligning med tændenergien i en dual-fuel motor betragtes en 3- cylindret Perkins motor, der i dual-fuel drift tilføres 0,7 liter dieselolie i timen. Motoren kører ved 1500 RPM. Der er tale om en firetaktsmotor. Derfor er der /3 = 0,0267 sekund mellem hver indsprøjtning. Det giver indsprøjtninger i timen. På en time forbruges 0,7 36,2 MJ. Til en enkelt indsprøjtning forbruges følgelig 188 J. I det betragtede tilfælde er tændingsenergien godt 7500 gange højere i dualfuel motoren end de 25 mj i gnisttændingsmotoren. I dual-fuel motoren er tændingsenergien fordelt over et relativt stort volumen sammenlignet med gnisttænding, hvor energien udlades mellem tændrørets elektroder.

30 DG C-rapport 27 Tænding med en gnist svarer til at tænde et bål med en enkelt tændstik. Ilden breder sig langsomt fra det punkt tændstikken fik sat i brand. Tænding i en dual-fuel motor svarer til at hælde benzin på bålet, før man tænder. Den del af bålet, der er gennemvædet med benzin, bryder øjeblikkeligt i brand. Den høje tændingsenergi giver dual-fuel motoren en stor fordel i biogasanlæg. Gaskvaliteten kan svinge, og det kan tvinge en gnisttændingsmotor, der kører mager forbrænding, ud over den såkaldte lean-limit, altså grænsen for hvor en elektrisk gnist kan antænde brændstof-luft blandingen. Det giver dels en meget urolig motorgang som følge af tændingsudsætninger, dels giver det voldsomt høje UHC udslip. Den høje tændingsenergi er formentligt en medvirkende årsag til, at man konstaterer lave UHC-udslip fra store naturgasfyrede dual-fuel motorer sammenlignet med gnisttændingsmotorer. Afbrydelighed Ved dual-fuel drift er der i de tilfælde, hvor den oprindelige dieselpumpe og de oprindelige dyser er bevaret, mulighed for at køre på dieselolie alene, hvis der afbrydes for gassen. Det er interessant både af forsyningsmæssige og afregningsmæssige årsager. Med hensyn til emission og virkningsgrad er det ressourcekrævende at optimere en benzinmotor til gasdrift Enten skal motoren køre støkiometrisk, eller også skal den ombygges til at køre magerdrift Begge dele kræver en hel del indgreb for at opnå vedvarende lav emission og god virkningsgrad. Her har dual-fuel princippet en fordel, idet det er lettere at opnå en nogenlunde lav emission ved en simpel ombygning, fordi dieselmotoren har mager forbrænding. Skal en dual-fuel motor overholde fx T A-luft, eller de danske grænseværdier for stationære gasmotoranlæg over 120KW indfyret effekt, så er det nødvendigt med EGR, oxiderende katalysator og svovlfattig dieselolie. Hermed

31 DG C-rapport 28 bliver ombygningen formentligt ligeså ressourcekrævende som at optimere en gnisttændingsmotor til gasdrift 3.7 Ligeværdighed med gnisttændingsmotoren Tændingssystem Det er anført som argument for dual-fuel motoren, at den ikke har et elektrisk tændingssystem 5 og dermed kræver mindre vedligehold. Moderne tændingsanlæg er kontaktløse og kræver ikke andet vedligehold end tændrørsskift og ved sjældnere lejligheder skift af tændkabler. De er robuste over for selv større mængder vand, fx motorvask. I referencen tænker man på ældre typer tændingssystemer med mekaniske kontakter, som ikke tåler den mindste antydning af fugt. Sådanne systemer er gået af brug for længe siden. Det anføres ofte, at dual-fuel motoren "arver" dieselmotorens gode virkningsgrad. Det er ikke helt rigtigt. I de referencer, hvor der er målt virkningsgrader, ser man ofte en nedgang i virkningsgrad på dual-fuel drift. Se afsnit 3.5. Dual-fuel princippet har i praksis en fordel i forhold til gnisttænding. Det er nemlig lettere at opnå høj virkningsgrad med en dieselmotor konverteret til dual-fuel, end det er at konvertere en benzinmotor til gasdrift og høj virkningsgrad. Sidstnævnte kræver som minimum en forøgelse af kompressionsforholdet og formodentlig indgreb i tændingsanlægget for at sikre en kraftigere gnist og tilstrækkelig tidlig tænding. Ombygning tillean-bum drift kræver yderligere udskiftning af ventiler, montage af turbolader og ladeluftkøler. Alt sammen ressourcekrævende. V en tiloverlap Det hævdes ofte, at der anvendes store ventiloverlap på dieselmotorer. Det er ikke altid tilfældet. Værkstedshåndbøgerne til FORD 2720 industri dieselmotor, SAAB 900 og OPEL Kadett viser det modsatte, som det fremgår af følgende 5 Brevveksling Erwin Koberle, Obermarchtal, HauptstraØe 6 til Jørgen B. Grosen Lintrup Biogasanlæg- 23. oktober 1996.

32 DG C-rapport 29 Ventiler Slagvolumen liter Indsugning Udstødning Teoretisk åbner lukker overlap FORD 2720 diesel TDC 12 ATDC 25 SAAB type H benzin TDC 18 ATDC 28 standard OPEL Kadett S benzin 1,3 24 8TDC 36 ATDC 60 1,3 OCH TabelS Ventiloverlap. BTDC står for antal grader før stempelet er i topstilling, ATDC står for antal grader, efter at stempelet stod i topstilling Ventil åbne- og lukketider er angivet ud fra knastakslens kurveform. Da ventilerne skal have et spillerum til knastakslen eller vippearmen for at udligne forskelle i termisk ekspansion, bliver det faktiske overlap mindre. Dieselmotorer har typisk sideliggende knastaksel, som påvirker ventilstammen gennem stødstænger og vippearme. De to benzinmotorer har overliggende knastaksel, og den sidste af de to har hydraulisk spillerumsudligning. På motorer med stødstænger og vippearme er det let at justere spillerummet. Formindsker man spillerummet, kan man måle forøget HC-udslip, hvilket antyder, at ventiloverlap er en betydende faktor for HC-emissionen. På Lunds Tekniske Højskole arbejdes med en forsøgsmotor. Det er en dieselmotor ombygget til gnisttænding. Mellem udgivelsen af to rapporter har man ændret knastakslen, således at der ikke er ventiloverlap. Betragtes de to rapporter, synes det at fremgå, at HC er noget lavere med den nye knastaksel /17/ og /18/. Det nævnte fald er ikke kommenteret i rapporterne. Moderne gnisttændingsmotorer - både benzin- og store kommercielle gasmotorer- har fire ventiler for hver cylinder og der er stort set intet ventiloverlap. 3.8 Ulemper ved dual-fuel motorer Høj NOx Samtlige fundne emissionsmålinger fra dual-fuel anlæg viser høje NOxemissioner i forhold til den for stationære anlæg over 120 KW gældende grænseværdi. En del af målingerne viser, at ved dual-fuel falder NOx med stigende gasandel Der er forventeligt, fordi en homogen mager gasblanding har jævn og

33 DG C-rapport 30 lav forbrændingstemperatur, og med mindre dieselandel er der færre varme zoner som kan danne NOx. Der er ikke nogen af de refererede anlæg, hvor der er truffet foranstaltninger til begrænsning af NOx - fx EGR. Med hensyn til CO og HC kan det anføres, at der er en serie dual-fuel motorer på markedet, som kan påbygges katalysatorer. Det angives, at disse motorer overholder T A-luft. Fast tændingstidspunkt Tændingstidspunktet, som følger kort efter indsprøjtningen, er normalt fast på dieselmotorer med mekanisk indsprøjtning. Det vil sige, at tændingstidspunktet ikke følger omløbstal og belastning. Det er en ulempe, da især NOxdannelsen og virkningsgraden afhænger af tændingstidspunkt ved forbrænding af en homogen brændstof-luft blanding. Svovl Svovlindholdet i udstødsgassen fra en dieselmotor er, som tidligere nævnt, betydeligt højere end ved en gnisttændingsmotor kørende på naturgas. Dualfuel motoren arver en del af dieselmotorens S0 2 -emission. Det rejser nogle problemer: forgiftning af oxiderende katalysatorer korrosion ved kondenserende røggaskøling og surt kondensat skal behandles inden det ledes til kloak røggassen kan ikke benyttes til co2 gødskning af planter I Tabel 6 er der lavet regnskab for S0 2 -emission fra en dual-fuel motor, der benytter ultralet dieselolie. Konklusionen af regnestykket er, at man ikke kan bruge lidstødsgassen fra dual-fuel motoren til co2 gødskning uden en omfattende rensning for S0 2. Desuden skal der renses for NOx, CO og kulbrinter.