Natur- og biogass som drivstoff for tunge kjøretøyer Gassmotorteknologi for tunge kjøretøy

Transkript

1 Natur- og biogass som drivstoff for tunge kjøretøyer Gassmotorteknologi for tunge kjøretøy ved Høgskolelektor siv ing Lars M Nerheim Høgskolen i Bergen / HiB

2 Gassmotorteknologi for tunge kjøretøy: Hensikt: Gi en gjennomgang av problemstillinger knyttet til gassdrevne kjøretøymotorer og diskutere dagens teknologiske nivå for disse med fokus på tyngre kjøretøy Innhold: 1. Bakgrunn 2. Kriterier for motorvalget 3. Motortekniske utfordringer ved gassdrift 4. Aktuell motorteknologi 5. Kraftoverføringens innflytelse 6. Alternative gasstyper 7. Spesielle problemstillinger 8. Oppsummering

3 Gassmotorteknologi for tunge kjøretøyer 1. Bakgrunn Gassmotorene var de første forbrenningsmotorene; dvs lange tradisjoner Gass er problematisk i transportsektoren pga lite energi pr volumenhet (= dårlig rekkevidde) og manglende infrastruktur: dette har begrenset gasskjøretøyene til lokale anvendelser (busser, bud-biler osv) Det har likevel vært fordelaktig å bruke gass som drivstoff i ulike sammenhenger, men dette har i tidenes løp stort sett vært lokale og helst enkle tekniske løsninger:

4 1. Bakgrunn Gass som drivstoff: Mange typer gassformete brennstoffer har vært benyttet I kjøretøy. Historisk har tilgjengelighet, pris og energitetthet vært de viktigste faktorene for å velge gass, -og hvilken gasstype. Nå er kravet til miljøvennlighet og bærekraftighet blitt et stadig viktigere argument. I våre dager er det derfor naturgass og anriket biogass som er de mest aktuelle gass-drivstoffene, mens LPG (propan) som et biprodukt fra oljeindustrien bare har begerenset betydning. Hydrogen vil nok fortsatt forbli et lite brukt til forbrenningsmotorer idet det egner seg bedre for andre typer fremdriftssystemer, - om den skulle komme til anvendelse i særlig stor skala. Denne presentasjonen vil derfor ta utgangspunkt i naturgass (dvs CNG, LNG), og det aller meste som sies om den vil også være relevant for biogasser i anriket form.

5 1. Bakgrunn Naturgass vs Dieselolje og Bensin: Naturgass har spesielt gode forutsetninger for ren og fullstendig forbrenning, idet den ikke danner sot og partikler og ikke inneholder svovel i målbar grad (dvs SOx, PM ). Hovedbestanddelen i naturgass er metan som også kan produseres biologisk fra bærekraftige prosesser (biogasser). En sammenligning mot andre drivstoffer viser bl a følgende: Dieselolje Bensin Naturgass Brennverdi (MJ / kg) Energitetthet (kj / l) = ved 200 bar * Svovelinnhold (%) 0.05 ~0 0 Karboninnhold (vekt-%) CO2 (g / MJ) Oktantall 95 ~ 140

6 2. Kriterier for motorvalget En tidsmessig gass kjøretøymotor må bl a kunne: Oppfylle gjeldende og til dels kommende avgasskrav Være ytelsesmessig konkurransedyktig med alternativene Oppvise tilnærmet samme kjørbarhet som en Dieselmotor Være akseptabel mht innkjøpspris og servicekostnader Dette er meget krevende og tildels motstridende krav som bare kan løses fullverdig ved å spesial-utvikle motorene ut fra gass som drivstoff, ikke ombygginger eller mer eller lettvindte kombi-løsninger..

7 2. Kriterier for motorvalget Generelt om avgassutslipp til luft: Det er av vesentlig betydning å skille mellom følgende: - direkte toksiske ( dvs giftige) avgassutslipp - utslipp av klimagasser Til de førstnevnte hører fremfor alt: NOx, CO, UHC, SOx og PM (svevestøv) Disse er til dels sterkt helseskadelige gasser som angriper oss når vi ferdes i og nær trafikk og noen av disse ØKER i Norge idag (NOx, PM) Virkningen av klimagassene er en global problemstilling som diskuteres sterkt, men hovedfokus i Norge de siste årene har nokså ensidig vært på å begrense sistnevnte. Målsettingen må være å redusere ALLE typer avgassutslipp

8 2. Kriterier for motorvalget EU avgassutslipp for tunge motorkjøretøy: Verdier som skal overholdes etter ETC testsyklusen: NOx CO Metan NMHC PM g/kwh g/kwh g/kwh g/kwh g/kwh Euro 5 ( ) EEV Euro 6 ( ) Det er så langt ingen EU standard om CO2 utslipp for tunge kjøretøy

9 2. Kriterier for motorvalget ETC avgass testsyklusen er meget krevende, og setter bl a store krav til motorens reguleringsevne:

10 2. Kriterier for motorvalget. Konkurransedyktige data for moderne gassdrevne kjøretøymotorer: Spesifik ytelse: HK rpm Maks spes dreiemoment: Nm/liter mellom rpm Tilsv maks eff middeltrykk: bar Beste virkningsgrad: 40 42%, tilsv ca 500 gco2 / kwh (Dieselmotor: ca 615 g CO2 / kwh) Avgassutslipp: - tilsv EEV, med potensial for EU 6 Utviklingsfokus: - EU 6 utslippskrav - forbedret kjørbarhet (som for Diesel) - vidt dreiemoment-bånd (som for Diesel)

11 3. Motortekniske utfordringer ved gassdrift. Forbrenningen i gassmotorer: Da metan har veldig dårlige selvtenningsegenskaper, har gassmotorer fremmedtenning av gass-luft-blandingen (som bensinmotorer, Ottomotor ) Typisk for Otto-prosessen er at det er luftoverskuddet under forbrenningen som er avgjørende for resultatet Derfor er det nettopp angående luftoverskuddet at dagens aktuelle gassmotorkonsepter skiller seg ut, som er: - Ottomotor uten luftoverskudd λ 1 (uten eller med EGR) - Ottomotor med høyt luftoverskudd under forbrenningen: dvs SI Lean Burn, DF-motorer osv

12 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Typiske egenskaper ved Lean Burn konseptet: Kjennetegn: styrer unna NOx-utslippene og bankegrensen ved å brenne mager luft-gass blanding (Ref: RR Bergen) Luftoverskuddet λ

13 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Magre gassblandinger krever høy tennenergi: Utfordring: Metan har snevre tenngrenser og oppviser lav forbrenningshastighet når den blir uttynnet. Dette setter store krav til tennenergi og tilstrekkelig turbulens under forbrenningen for å oppnå rask og fullstendig energiomsetning

14 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Forbedringsmetoder for mager-forbrenning: Spesiell tennpluggteknologi (Ref: Multitorch) Turbulensoptimalisering i forbrenningsrommet med CFD (Ref: Ricardo)

15 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Katalytisk etterbehandling av metan: Problem: Gass kjøretøymotorer, spesielt Lean Burn og Dual Fuel, kan ha rel. høye utslipp av uforbrent metan i transient-fasene Løsning: Spesielle katalysatorer av varmevekslertypen, som pga høye reaksjonstemperaturer konverterer metan mer effektivt Kald sone Varm reaksjonssone (Ref: ENKLAVEN)

16 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Prinsippet for λ-styringen av en 3-veis katalysator, dvs uten luftoverskudd: Avgasss ut av motor Avgass etter katalysator Luftoverskudd λ CO CO2 HC H2O + CO2 NOx N2 + O2 Kjennetegn: Luftoverskuddet λ styres nøye slik at 3-veis katalysatorteknikk kan benyttes

17 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Gassmotorer, sylinderfylling og ytelse: Gass, 10% Luft, 90% Problem: Gassformete drivstoffer, -i motsetning til de flytende, opptar en betydelig del av sylindervolumet, typisk ca 10%. Dette slår ut som om motoren hadde et tilsvarende mindre slagvolum, med derav redusert ytelse. Løsning: Overlading. Ved å tilføre luft og gass under overtrykk, får man den ønskede blandingsmengden inn i sylinderen. Høy-ytelse gassmotorer må derfor alltid være turboladet.

18 3. Motortekniske utfordringer ved Gasssdrift Gassmotorer og kjørbarhet : Gassinnblåsning før turboladeren Problem: På mange gassmotorer, spesielt de med turbolading, ligger gasstilførselen fysisk langt fra sylinderen. Dette betyr i praksis at det er betydelig tidsforsinkelse fra gasspådrag til motoren endrer ytelsen, dvs den blir treg på gassen. Kanalinnblåsning med en ventil pr sylinder Løsning: Gasstilførsel i kanalene. Ved å tilføre gassen med separate ventiler i innsugningskanalene nær sylinderen, blir tidsforsinkelsen minimal Gass kjøretøymotorer bør derfor alltid ha kanalinnblåsning.

19 4. Aktuelle gassmotorkonsepter Motorkonseptene som tilbys for tunge kjøretøyer idag er: 1: Lean burn motorer 2 : λ 1 - motorer med avgassresirkulering, EGR 3: Dual Fuel motorer med konvensjonell gasstilførsel 4: Andre

20 4. Alternative gassmotorkonsepter Lean burn motorer: Fordeler: God virkningsgrad (< CO2 ) Høy spesifikk ytelse (= lav kw-pris) Robust med lang komponent-levetid ( = lav driftskostnad) Svakheter: Kan ha redusert kjørbarhet Uforbrent metan-utslipp en utfordring Laveste NOx-utslipp vil krever SCR el. LNT katalysator (EU 6) godt egnet til alle typer kontinuerlig tung drift med optimal økonomi, men mye transient-drift (by-kjøring) krevende mht utslippene

21 4. Alternative gassmotorkonsepter λ - 1 motor med kjølt EGR: Fordeler: Meget lave utslipp (EU 6) God kjørbarhet Svakheter: Moderat virkningsgrad Redusert robusthet og komponent -levetider, komplekse systemløsninger, (kjølt EGR) Kondens og tilskitningsproblemer kan gi driftsproblemer (spesielt om vinteren) EGRkjøler best egnet til blandet belastning (bybusser o.l) Turbolader (Ref: Cummins)

22 Typiske dreiemomentkarakteristikker for en Lean Burn og en Lambda 1+EGR gassmotor (ved EEV utslippskrav): Lean burn motorer (og Dual Fuel) gir i tendensen høyere dreiemoment ved lave turtall pga lavere termisk belastning og derav mindre fare for selvtenning (motorbank)

23 4. Alternative gassmotorkonsepter Duel Fuel Diesel-gass motor: Fordeler: God virkningsgrad (= < CO2 ) God kjørbarhet Høy robusthet To drivstoff (= reserve) Svakheter: Kostbare systemløsninger på motor og i kjøretøyet med to brennstoffsystemer Rel høyt NOx-utslipp vil kreve katalysatorløsninger i tillegg (SCR, LNT) Problematisk regulering og utslippsproblemer (UHC) på del- og lavlast Diesel pilot Luft- gass blanding best egnet til kontinuerlig tung belastning (marine) uten de laveste utslippkravene (Ref: Waertsilae)

24 Om Duel Fuel motorer: Duel fuel motorer krever alltid en viss minstemengde med Dieselolje (typisk 5 10%) Gassdrift bare mulig over en viss minstebelastning (typisk > 25%) Disse begrensningene er sterkt avhengig av hvor omfattende en ombygging fra ren diesel til dual fuel drift gjøres, også på reguleringssiden

25 5. Alternative gasstyper Både av tilgjengelighets- og miljøhensyn kommer ofte ønsket opp om å utnytte alternative gasstyper De mest aktuelle alternative gasstypene i våre dager er: - biogass (dvs en blanding av typisk 60% metan og 40% CO2) - hydrogen Logistikk og rekkevidde er de umiddelbare system-utfordringene ved slike konsepter og som er krevende og kostbar i seg selv Motorteknisk: - biogass: dette er i hovedsak metan, og som er meget velegnet som gassmotor-drivstoff. Problemet er den lave energitettheten (pga CO2-en) noe som krever anriking eller meget høye gasstrykk for å oppnå akseptabel rekkeveidde. Anriket biogass kan bli et interessant drivstoff i fremtiden, men dyrt! - hydrogen egner seg best som innblanding i beskjedne mengder ( < 10%) sammen med f. eks metan. Ren hydrogen gir lav effekt i vanlige gassmotorer og alvorlige driftsproblemer pga store mengder vanndamp i motoren

26 6. Kraftoverføringens innflytelse Kraftovergøringen, dvs girkasse og øvrig drivlinje, kan påvirke det totale framdriftskonseptet i betydelig grad. Kraftoverføringen kan sørge for at motoren drives i det mest optimale driftsområdet ved et gitt pådrag, noe som igjen påvirker: - Kjørbarheten, dvs kjøretøyets oppførsel i trafikken - Avgassutslippene, spesielt under akselerasjon og lavlast Moderne elektronisk styrte kraftoverføringer tar i noen grad slike hensyn. Nå til dags diskuteres hybrid drift av kjøretøy i mange sammenhenger og dette anses som det kommende framdriftskonseptet. Man kan tenke seg mange varianter, men felles er kombinasjonen av elektrisk og mekanisk framdrift i et forsøk på å hente det beste fra begge teknologiene. Fordeler: - den elektriske framdriftsdelen vil i betydelig grad kunne ta over transientdriften - ved at forbrenningsmotoren (-gass) dermed kan drives på konstant og mest mulig optimal belastning, vil alle typer avgassutslipp kunne reduseres - muliggjør regenerering av bremseenergi Ulemper: - vekt, plass, kostnader - total-virkningsgraden (?)

27 7. Spesielle problemstillinger i gass kjøretøymarkedet PROBLEM: Lav Gassmotor utviklingsaktivitet hos produsentene! Gass kjøretøymotorer er et utpreget nisjeprodukt Små serier og divergerende kundekrav gir meget lav prioritering Dette gir seg utslag i lav utviklingsaktivitet og mindre gjennomarbeidete tekniske løsninger Det er generelt lav gassmotor kompetanse hos motorleverandørnene, - som er typisk tunge Dieselmiljøer Til sist er det kunden som lider gjennom middelmådige tekniske løsninger og u-forholdsmessig høye priser LØSNING: Kundene (= fremfor alt Busselskapene) må øke sin motorkomptanse og i større grad samordne sine produktkrav mot felles tekniske løsninger for å få ned variant-tallet og dermed få frem bedre gjennomarbeidete løsninger til redusert pris

28 8. Sammendrag Gassmotorer til framdrift av kjøretøy er på kort og mellomlang sikt en interessant anvendelse miljømessig og økonomisk Naturgass og anriket biogass er best egnet til dette, selv om de byr på endel tekniske utfordringer. Egnet motorteknologi finnes og forbedres stadig λ 1 + EGR konseptet synes spesielt attraktivt til kjøretøy dersom driftsprofilen ikke er for tung og det noe høye gassforbruket ikke betyr for mye. Kjørbarheten er meget god. Potensielle problemer ved vinterdrift kan oppstå. Lean Burn -konseptet er best til tung drift med mindre grad av transient-drift (bykjøring) og hvor driftskostnader veier tungt. Hensynet til uforbrent metan krever spesiell katalysator-teknologi. De øvrig nevnte motorkonseptene kjøretøydrift ( buss). er ikke like attraktive for krevende Hybrid kraftoverføring med gassmotor og e-motor i kombinasjon er et meget interessant konsept og byr på mange variasjonsmuligheter. Derigjennom kan gassmotoren begrenses til å drives i sitt optimal-område med best mulig virkningsgrad og lavest mulig utslipp. Gass kjøretøymotorer er et utpreget nisjeprodukt med lav prioritet hos motor (buss-)fabrikantene. Kundene, busselskapene, har mye å oppnå både på pris og kvaliten av løsningene ved å samordne sine konsepter og opptre i fellesskap overfor produsentene.