FORFATTER(E) Ole Andreas Bergh. Senioringeniør Arne Bardalen GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG. Fortrolig

Transkript

1 Norsk Marinteknisk Forskningsinstitutt AS TITTEL MARINTEK RAPPORT Postadresse: Boks 4125 Valentinlyst 7450 TRONDHEIM Besøksadresse: Marinteknisk Senter, Otto Nielsens v.10 Telefon: Telefaks: Foretaksregisteret: MVA Test av vannemulgert diesel tilsatt urea FORFATTER(E) Ole Andreas Bergh OPPDRAGSGIVER(E) Vegdirektoratet Postboks 8142 Dep 033 OSLO RAPPORTARKIVNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. Fortrolig Senioringeniør Arne Bardalen GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG Fortrolig REFERANSENR. PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) P Ole Andreas Bergh Ole Thonstad RAPPORTNR. DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) Kjell Olav Skjølsvik, Gruppeleder SAMMENDRAG I juni 2005 gjennomførte MARINTEK en korttidstest for å verifisere hvilken virkning vannemulgert diesel tilsatt Urea (levert av Q-Company) har på en dieselmotors brennoljeforbruk og utslipp av skadelige avgasser og partikler. Testen ble gjennomført på en Scania DC 1102 som er en typisk motor for tunge kjøretøyer. Målinger ble først foretatt der motoren ble kjørt med dieselolje uten tilsetting av vann og urea (referanseolje). Deretter ble det kjørt med vannemulgert diesel (samme dieselkvalitet med 10 % vann, 2% emulgator og urea). Motoren ble kjørt på denne i 2 timer før nye målinger ble tatt. Målingene ble tatt under kjøring av 8-modesyklusen ISO C1. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 Maskineri Machinery GRUPPE 2 Brennstoff Fuels EGENVALGTE Avgassutslipp Emission

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1. Sammendrag /konklusjoner Utslipp av NOx Utslipp av CO Utslipp av THC Partikler AVL røkmålinger Brennoljeforbruk Innledning Beskrivelse av testoppsett Motor, drivstoff og smøreoljer Måleparametere Utstyr for datainnsamling Testgjennomføring Måleresultater og vurderinger Brennoljeforbruk og avgass-sammensetning Utslipp av NOx Utslipp av CO Utslipp av THC Spesifikt brennstoff-forbruk Røyktall Partikkelutslipp...16 Vedlegg I Vedlegg 2 Måleresultater Data, tunneldiesel

3 3 1. Sammendrag /konklusjoner I juni 2005 gjennomførte MARINTEK en korttidstest for å verifisere hvilken virkning vannemulgert diesel tilsatt Urea (levert av Q-Company) har på en dieselmotors brennoljeforbruk og utslipp av skadelige avgasser og partikler. Testen ble gjennomført på en Scania DC 1102 som er en typisk motor for tunge kjøretøyer. Målinger ble først foretatt der motoren ble kjørt med dieselolje uten tilsetting av vann og urea (referanseolje). Deretter ble det kjørt med vannemulgert diesel (samme dieselkvalitet med 10 % vann, 2 % emulgator og urea). Motoren ble kjørt på denne i 2 timer før nye målinger ble tatt. Målingene ble tatt under kjøring av 8-modesyklusen ISO C Utslipp av NOx. Referansetest, veid verdi 7,05 g/kwh Tilsatt 10 % vann, 1% smøremiddel/urea, veid verdi 6,28 g/kwh Sammenlignet med referansemålingene viser veide verdier at det spesifikke utslippet av NOx er ca. 11 % lavere for Hvit diesel +urea. Fra tidligere har vi sett at NOx-utslippet reduseres med ca. 1 % for hver prosentandel tilsatt vann. Reduksjonen av NOx er derfor som forventet ved tilsetting av 10 % vann. Det ser ikke ut som om tilsettingen av urea gir noen signifikant påvirkning av NOx-utslippet. 1.2 Utslipp av CO. Referansetest, veid verdi 0,65 g/kwh Tilsatt 10 % vann, 1% smøremiddel /urea, veid verdi 0,48 g/kwh Veid verdi for spesifikt utslipp av CO er 26 % lavere for målingene der motoren ble kjørt på Hvit diesel + urea. Spesielt er reduksjonen betydelig for motorturtallet 1150 rpm. 1.3 Utslipp av THC. Referansetest, veid verdi 0,29 g/kwh Tilsatt 10 % vann, 1 % smøremiddel /urea, veid verdi 0,28 g/kwh Det er ikke registrert noen signifikant endring i utslippet av THC ved bruk av Hvit Diesel + urea. 1.4 Partikler Det ble foretatt partikkelmålinger under kjøring av mode 6 (75 % last ved 1150 rpm). Referansetest, måleverdi for mode 6 0,143 g/kwh Tilsatt 10 % vann, 1 % smøremiddel /urea, måleverdi for mode 6 0,054 g/kwh Partikkelmassen i eksosen er ca. 60 % lavere for kjøringer med Hvit Diesel + urea i mode 6.

4 4 1.5 AVL røkmålinger For alle moder ble det registrert en markert reduksjon i røyktallet ved kjøring av Hvit diesel + urea. 1.6 Brennoljeforbruk Ved å trekke 10 % (oppgitt vannandel fra leverandør) fra den målte verdien blir brennoljeforbruket ca 1-2% lavere for kjøring med Hvit diesel +urea.

5 5 2. Innledning Etter forespørsel fra Vegdirektoratet gjennomførte MARINTEK i juni 2005 en korttidstest ved Marinteknisk Senter for å verifisere hvilken virkning vannemulgert Diesel (levert av Q-Company) har på en dieselmotors drivstoff-forbruk og utslipp av skadelige avgasser og partikler. Testen ble gjennomført på en Scania DC 1102 som er en typisk motor for tunge kjøretøyer. Målinger ble først foretatt der motoren ble kjørt med dieselolje uten tilsetting av vann og urea (referanseolje). Deretter ble det kjørt på vannemulgert diesel (samme dieselkvalitet med 10 % vann 1 % smøremiddel / urea). Motoren ble kjørt på denne kvaliteten i 2 timer før nye målinger ble tatt. Målingene på begge drivstoffene ble foretatt under kjøring av 8-modesyklusen ISO C1. Det ble også gjennomført en test av Hvit diesel i Under den testen var vanntilsettingen på 7,9 % uten tilsetting av urea. Resultatene fra testen i 2004 er beskrevet i rapport nr. MT28 F Beskrivelse av testoppsett 3.1 Motor, drivstoff og smøreoljer Testen ble gjennomført på er en Scania DC Dette er en pumpedyse motor og er typisk for lastebiler og busser. Motoren er en av prøvestandene i maskinerilaboratoriet ved Marinteknisk Senter (MTS) i Trondheim. Motoren er bygget i 1995 og hadde ca driftstimer siden siste overhaling. Motordata Type motor : SCANIA DC 1102 Antall sylindere : 6 Sylinderdiameter : 127 mm Slaglengde : 140 mm Slagvolum : 10,6 dm 3 Maksimum moment : 1750 Nm ved rpm Maksimum effekt : 280 kw ved 1800 rpm Drivstoffet Drivstoffet ble sendt til MARINTEK i 2 beholdere. En beholder inneholdt tunneldiesel uten vann. Den andre beholderen inneholdt den samme dieselkvalitet, men var tilsatt 10 % emulgert vann og 1 % smøremiddel. I tillegg var vannet tilsatt et lite kvanta urea. Drivstoffet ble sendt av representanter fra Q-Company som er leverandør av den vannemulgerte dieselen. Data av tunneldieselen er vist i vedlegg 2.

6 6 3.2 Måleparametere Motoren er godt utstyrt med måleinstrumenter for overvåking av forskjellige motorparametere. Følgende måleparametere inngår i prøvestandens standard måleutrustning: - Eksostemperaturer før og etter turbin - Brennoljetemperatur - Brennoljeforbruk - Smøreoljetrykk og smøreoljetemperatur - Kjølevannstrykk - Laderlufttrykk og laderlufttemperatur - Luftforbruk, motor - Kjølevannstemperatur inn og ut av motoren - Lufttemperatur inn på motoren - Motorturtall - Dreiemoment For å registrere omgivelsesforhold måles: - Temperatur i motorcelle - Barometertrykk - Relativ luftfuktighet (%RH) For en test av denne type er det nødvendig med ekstra måleutrustning. I maskinerilaboratoriet er det mobilt utstyr som kan koples opp til den enkelte prøvestand. Følgende ekstra måleutrustning ble koplet til Scania DC1102 prøvestanden: - Avgassanalysator for måling av NOx, CO, CO 2 og O 2. Denne analysatoren er en Horiba PG 250 som har måleprinsipp og målenøyaktighet som tilfredsstiller kravene til ISO Måleprinsipp NOx - CLD Måleprinsipp CO og CO 2 - NDIR Måleprinsipp O2 - Paramagnetisk målecelle Analysatoren kalibreres med gass med kjent sammensetning (sertifisert kalibreringsgass levert av AGA) før hver test. Det ble benyttet samme kalibreringsgasser under hele testen. Avgassmålingene har da en relativ nøyaktighet som er bedre enn ± 2 %. - Avgassanalysator for måling av THC (Total Hydro Carbon). Denne analysatoren er en JUM THC-måler med FID måleprinsipp. Målenøyaktighet og måleprinsipp tilfredsstiller kravene til ISO Analysatoren kalibreres med gass med kjent sammensetning før hver test. Det ble benyttet samme kalibreringsgass under hele testen. Avgassmålingene har da en relativ nøyaktighet som er bedre enn ± 2 %.

7 7 - Partikkelmåling. Massen av partikler i eksosen måles ved hjelp av en uttynningstunnel som oppfyller kravene til ISO En delstrøm eksos tas ut av eksosrøret og ledes til uttynningstunnelen. Denne blir uttynnet med luft. Uttynningsforholdet er ca. 1 del eksos og 10 deler luft. Uttynningsgraden fastsettes nøyaktig ved hjelp av NOx måling før og etter uttynning. Et kjent volum av den uttynnede blandingen blir deretter sugd gjennom et glassfiberfilter (vekten av filtret er kjent). Etter at eksosen har passert filtret vil partiklene ligge igjen på dette. Filtret veies etter at det kjente volumet av den uttynnede eksosen har passert filtret. Det ble kjørt uttynnet eksos gjennom 8 filter for hver drivstoffkvalitet. - AVL røykmåling. Måleprinsippet er at et volum på 1 liter eksos ledes gjennom et hvitt papirfilter. Mørkhetsgraden på filtret varierer etter hvor mørk eksosen er (sotpartikler legges igjen på filtret). Mørkhetsgraden på filtret avleses optisk. Tallverdien på mørkhetsgraden fastsettes i FSN (Filter Smoke Number). AVL røykmåling ble foretatt for alle moder. 3.3 Utstyr for datainnsamling Prøvestanden er utstyrt med PC og et LabView datainnsamleprogram. Måleparametere ble logget med denne. Loggehastigheten var 0,5 Hz. Følgende data ble registrert manuelt (notert): Omgivelsesforhold Data fra uttynningstunnel som: - Temperatur på uttynnet avgass - Temperatur i gassmåleur som måler gassvolum gjennom filter - Trykk i gassmåleur - Volum gassmåleur (gjennom filter). - NOx innhold i rå og i uttynnet avgass (for å beregne uttynningsgraden). - Filtre som den uttynnede gassen passerer igjennom veies før og etter bruk.

8 8 4. Testgjennomføring Det ble foretatt registreringer av måledata ved forskjellige spesifiserte driftspunkter på motoren. Driftspunktene følger 8-modetesten ISO 8178 syklus C1. Denne består av motorturtall og bremsemoment som er vist i tabell Hver Mode (driftspunkt) har en veiefaktor. Ved å benytte de forskjellige modenes veiefaktor og summere de veide verdiene kan en definere brennoljeforbruk og utslipsnivå for hver avgasskomponent med en tallverdi. Tabell Kjøresyklusen ISO 8178 C1. Mode no Speed Rated speed (1800 rpm) Intermedate speed (1150 rpm) Lowidle Torque (%) Torque (Nm) Weighting 0,15 0,15 0,15 0,1 0,1 0,1 0,1 0,15 Under 8-modetestene ble data logget med 0,5 Hz i ca. 2 minutter. Gjennomsnittsverdier for hver mode er gjengitt i rapporten. Under denne testen kunne vi ikke oppnå 100 % last på motoren siden det var 10 % vann i drivstoffet. For mode 1 og mode 5 ble momentet derfor redusert med 100 Nm (mode 1: 1300 Nm, mode 5: 1500 Nm). Først ble det kjørt på referanse-drivstoff. Denne testen er i rapporten kalt betegnet for Referanse. Deretter ble det skiftet til drivstoff med 10 % emulgert vann tilsatt urea og 1 % smøremiddel. Motoren ble kjørt i 2 timer på denne ved ca. 50 % last før målinger ble gjennomført. Denne testen er beskrevet som Hvit diesel + urea.

9 9 5. Måleresultater og vurderinger 5.1 Brennoljeforbruk og avgass-sammensetning Måling av drivstoff-forbruk, avgassammensetning, sot og motorparametere ble foretatt for alle moder. Partikkelmålinger ble kun gjennomført for Mode 6. Årsaken til dette er at partikkelmålinger med uttynningstunnel er svært tidkrevende. Det var derfor på forhånd avtalt med oppdragsgiver at partikkelmålinger ble gjennomført ved den moden som har størst partikkelutslipp. For hver test ble det ble sugd avgass gjennom 8 filtre. Måledataene som er presentert er gjennomsnittsverdier for de 8 filtrene. Tabell tabell viser utvalgte parametere for de 2 testene. Øvrige måledata er vist i vedlegg 1. Måleresultatene som er presentert er gjennomsnittsverdier for loggeperioder på 2 minutter. Avgassmålingene er korrigert i henhold til ISO De spesifikke verdiene for mode 8 er ikke presentert siden belastningen her er så liten (tomgang) at små forskjeller på måleresultatene vil gi store forskjeller i det spesifikke utslippet. Tomgangskjøringene inngår i de veide verdiene som er vist senere i rapporten. Tabell Referansetest. TYPE TEST : Referansetest Fuel: Tunneldiesel Dato: juni 2005 MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE Parameter Unit Engine power kw 245,3 198,0 132,0 26,4 180,9 144,4 96,3 1,6 Dreiemoment Nm 1300,0 1050,1 699,7 140,2 1501,0 1198,0 800,0 20,0 Turtall RPM 1802,0 1801,0 1802,0 1800,0 1151,0 1151,0 1150,0 750,0 Eksostemp f. lader o C Laderlufttemp. o C 54,0 46,7 40,5 38,2 39,0 40,6 40,1 25,4 Laderlufttrykk baro 1,54 1,16 0,70 0,16 0,97 0,68 0,04 0,0 Drivstoff-forbruk g/kwh 204,6 203,3 209,0 341,3 199,8 200,9 202,8 957,0 Filter Smoke Number snitt FSN 0,26 0,39 0,73 0,33 0,87 1,48 1,06 0,17 NOx ISO-korrigert g/kwh 5,8 6,5 7,0 10,1 7,0 8,1 9,8 CO ISO- korrigert g/kwh 0,27 0,32 0,39 3,25 0,55 1,67 1,22 THC ISO-korrigert g/kwh 0,23 0,29 0,36 1,78 0,13 0,14 0,22 CO 2 ISO-korrigert g/kwh 633, Partikkelinnhold g/kwh 0,143

10 10 Tabell Kjøring på drivstoff med 10 % vann tilsatt urea og 1 % smøremiddel. TYPE TEST : Hvit diesel (tilsatt vann, smøremiddel & Urea) Dato: 28 juni 2005 MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE Parameter Unit Effekt kw 245,2 197,9 132,2 26,2 180,8 144,3 96,4 1,6 Dreiemoment Nm 1300,1 1050,0 700,8 139,1 1502,0 1198,6 800,8 20,4 Turtall RPM 1801,0 1800,0 1802,0 1800,0 1150,0 1150,0 1150,0 751,0 Eksostemp f. lader Ladelufttemp. o C o C 54,0 46,0 40,0 40,1 40,8 40,4 39,0 30,7 Laderlufttrykk baro 1,52 1,14 0,68 0,16 0,97 0,66 0,35 0,0 Drivstoff-forbruk med vann g/kwh 223,0 218,9 224,2 368,1 217,7 216,2 217,3 1012,0 Drivstoff-forbruk uten vann g/kwh 202,8 199,0 203,8 334,6 197,9 196,6 197,5 920,0 Filter Smoke Number snitt FSN 0,05 0,07 0,16 0,23 0,23 0,44 0,24 0,10 NOx ISO-korrigert g/kwh 5,2 5,6 6,2 9,5 6,2 7,3 9,1 CO ISO- korrigert g/kwh 0,25 0,31 0,40 3,92 0,28 0,74 0,62 THC ISO-korrigert g/kwh 0,21 0,25 0,34 1,88 0,17 0,16 0,19 CO 2 ISO-korrigert g/kwh 628, Partikkelinnhold g/kwh 0,054 I det etterfølgende er de spesifikke måleverdiene for avgasser og sot presentert grafisk for de enkelte moder bortsett fra mode 8 som er tomgangkjøring. I tillegg er veid verdi i henhold til veiefaktorene i ISO 8178-C1 gjengitt for avgassutslipp.

11 Utslipp av NOx. Figur viser spesifikt utslipp av NOx for 7 av modene Spesifikt utslipp av NOx 12.0 Referanse "Hvit diesel" + urea 10.0 NOx [g/kwh] Mode nr. Figur Spesifikt utslipp av NOx. De veide verdiene for NOx-utslippet er: Referansetest, veid verdi for NOx Hvit diesel tilsatt urea, veid verdi for NOx 7.05 g/kwh 6,28 g/kwh Kommentarer Sammenlignet med referansedrivstoffet viser veide verdier at det spesifikke utslippet av NOx er ca. 11 % lavere for Hvit diesel. Fra tidligere har vi sett at NOx-utslippet reduseres med ca. 1 % for hver prosentandel vann. Reduksjonen av NOx er derfor som forventet ved tilsetting av 10 % vann. Det ser ikke ut som om tilsettingen av urea gir noen signifikant påvirkning av NOxutslippet.

12 Utslipp av CO Figur viser spesifikt utslipp av CO for 7 av modene Spesifikt utslipp av CO Referanse 4.00 "Hvit diesel" + urea CO [g/kwh] Mode nr. Figur Spesifikt utslipp av CO. De veide verdiene for CO-utslippet er: Referansetest, veid verdi for CO Hvit diesel tilsatt urea, veid verdi for CO 0,65 g/kwh 0,48 g/kwh Kommentarer Veid verdi for spesifikt utslipp av CO er 26 % lavere for målingene der motoren ble kjørt på Hvit diesel + urea. Spesielt er reduksjonen synlig for det laveste motorturtallet (mode 5 mode 7).

13 Utslipp av THC Figur viser spesifikt utslipp av THC (Total Hydro Carbon) for 7 av modene Spesifikt utslipp av THC 2.50 Referanse "Hvit diesel" + urea THC [g/kwh] Mode nr. Figur Spesifikt utslipp av THC. De veide verdiene for THC-utslippet er: Referansetest, veid verdi for THC Hvit diesel tilsatt urea, veid verdi for THC 0,29 g/kwh 0,28 g/kwh Kommentarer Det er ikke registrert noen signifikant endring i utslippet av THC ved bruk av Hvit diesel + urea.

14 Spesifikt brennstoff-forbruk Brennstoff-forbruket er vist i figur Den ene søylen viser drivstoff-forbruket når vannandelen er trukket i fra den målte drivstoffmengden for Hvit diesel + urea. Leverandøren av Hvit diesel opplyste om at det var tilsatt 10 % vann i brennoljen. Spesifikt brennoljeforbruk [g/kwh] Spesifikt brennoljeforbruk Mode nr. Referanse "Hvit diesel" + urea (vannandel trukket fra) Målt verdi (med vann) Figur Spesifikt brennoljeforbruk Kommentarer Ved å trekke 10 % (oppgitt vannandel fra leverandør) fra den målte verdien blir brennoljeforbruket ca 1-2 % lavere for kjøring med Hvit diesel +urea.

15 Røyktall Røyktallet ble målt for alle 8 moder. Figur viser måleresultatene for alle modene. Filter Smoke Number Filter Smoke Number Referanse Hvit diesel + urea Mode nr. Figur Filter Smoke Number. Kommentarer Det er en markert reduksjon i røyktallet for alle modene ved kjøring av Hvit diesel i forhold til referansekjøringen.

16 Partikkelutslipp Partikkelutslippet ble kun målt på mode 6 (75 % last ved 1150 rpm). Motoren har høyest utslipp av partikler ved dette lastpunktet. Det ble kjørt en blanding av eksos og luft gjennom 8 filter for hvert drivstoff. Tabell viser måleverdiene for alle filtrene og gjennomsnittsverdier. Tabell Resultater, partikkelmåling med uttynningstunnel. Referansediesel "Hvit diesel"+ urea [g/kwh] [g/kwh] Filter Filter Filter Filter Filter Filter Filter Filter Gjennomsnitt Standard avvik Kommentarer Det er målt over 60 % reduksjon i partikkelutslipp for mode 6 ved kjøring av Hvit diesel + urea i forhold til kjøring med referansediesel.

17 17 VEDLEGG I Måledata

18 18 TYPE TEST : Referansetest Fuel: Tunneldiesel Dato: juni 2005 MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE Parameter Unit Effekt kw Dreiemoment Nm Turtall RPM Eksostemp f. lader o C Laderlufttemp. o C Laderlufttrykk baro Drivstoff-forbruk g/kwh Drivstofftemperatur o C Lufttemp i celle o C Luftfuktighet % Barometertrykk millibar NOx ppm THC (C 3 ) ppm CO ppm CO 2 % O 2 % Filter Smoke Number snitt FSN NOx utynnet ppm Eksos Uttynnet o C 50.0 Trykk gassur millibar 1001 Volum gjennom filter A&B liter 1000 Volum gjennom filter C&D 900 Volum gjennom filter E&F 700 Volum gjennom filter G&H liter 900 Temperatur telleverk o C 28.0 Lambda Spesifikk eksosstrøm kg/kwh NOx ISO-korrigert g/kwh CO ISO- korrigert g/kwh THC ISO-korrigert g/kwh CO 2 ISO-korrigert g/kwh Partikkelinnhold g/kwh 0.143

19 19 TYPE TEST : Vann&Urea Fuel nr.: Dato: 28 juni 2005 MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE MODE Parameter Unit Effekt kw Dreiemoment Nm Turtall RPM Eksostemp f. lader o C Ladelufttemp. o C Laderlufttrykk baro Drivstoff-forbruk med vann g/kwh Drivstoff-forbruk uten vann g/kwh Drivstofftemperatur o C Lufttemp i celle o C Luftfuktighet % Barometertrykk millibar NOx ppm THC (C 3 ) ppm CO ppm CO 2 % O 2 % Filter Smoke Number snitt FSN NOx utynnet ppm Eksos Uttynnet o C 50.0 Trykk gassur millibar 1005 Volum gjennom filter A&B liter 1200 Volum gjennom filter C&D liter 900 Volum gjennom filter E&F liter 1000 Volum gjennom filter G&H liter 1000 Temperatur telleverk o C 28.0 Lambda Spesifikk eksosstrøm kg/kwh NOx ISO-korrigert g/kwh CO ISO- korrigert g/kwh THC ISO-korrigert g/kwh CO 2 ISO-korrigert g/kwh Partikkelinnhold g/kwh 0.054

20 20 VEDLEGG 2 Data tunneldiesel