Hybrydy i ogniwa paliwowe
gora
Hybrydy i ogniwa paliwowe
silnik Saab SVC
Home
Powrżt do
spisu prac dyplomowych
dyplomanci: Marcin Kozżowski i Patryk
Laskowski
promotor: mgr inż. Edward Rymaszewski
ROK SZKOLNY 2001/2002
Kopiowanie pracy w cażożci lub jej
czżci bez zgody autorżw jest zabronione !!!
Spis treżci
ROZDZIAż 1. Napżdy hybrydowe
Wstżp
Toyota Prius
Fiat Multipla
Nissan Tino
E – Four Hybrid
Ford FC5
ROZDZIAż 2. Ogniwa paliwowe
Pierwsze ogniwa paliwowe
Zasada dziażania ogniwa paliwowego zasilanego metanem
Pierwszy samochżd z ogniwem paliwowym
Pokżadowa elektrownia
ROZDZIAż 3. Silnik SAAB SVC
Wstżp
Stany pracy silnika SVC
System sterowania procesem spalania SCC
Rozdziaż 1
NAPżDY HYBRYDOWE
WSTżP
Wszelkie dotychczasowe prżby śulepszenia” silnika o spalaniu wewnżtrznym za
pomocż zmiany paliwa, tak by pozbyż siż kżopotliwych emisji wżglowodorżw,
przynoszż mierne rezultaty. Idea spalania wewnżtrznego, zwiżzanego z wysokimi
temperaturami, jest nieuchronnie powiżzana z powstawaniem jakiegoż szkodliwego
skżadnika, np. tlenki azotu sż praktycznie nie do unikniżcia, pżki żrżdżem tlenu
jest powietrze atmosferyczne. Jeżeli dodaż do tego kżopoty w dystrybucji i
magazynowaniu w samochodzie nowego paliwa ciekżego czy gazowego, nie dziwi
poszukiwanie innych drżg.
Kierunkiem znanym od dziesiżcioleci, a w zasadzie jednym z
pierwszych żrżdeż napżdu stosowanych w samochodach, jest energia elektryczna.
Zerowa emisja spalin i minimalny hażas samochodżw elektrycznych oraz zalety
trakcyjne tego napżdu (duży moment obrotowy przy mażych prżdkożciach itp.)
przyczyniży siż do osiżgniżcia przez nie statusu produkcji mażoseryjnej, ale
zastosowanie nadal jest ograniczone. Maży zasiżg, masa użyteczna zmniejszona
przez ciżkie akumulatory, dżugie żadowanie, przesuniżcie emisji spalin na
elektrownie, to wady dotychczas nie przezwyciżone.
Dlatego coraz gżożniej mżwi siż o innych żrżdżach napżdu
alternatywnych, np. takich jak napżdy hybrydowe. Hybrydy, w ktżrych pożżczono
zalety silnikżw spalinowych wraz z zaletami pojazdżw elektrycznych, to dożż
nowe, ale przyszżożciowe rozwiżzanie. Specjaliżci rżnych firm starajżc siż, aby
pojazd nie zatraciż zbytnio swej dynamiki i szybkożci oraz uwzglżdniajżc coraz
bardziej zaostrzone przepisy dotyczżce toksycznożci spalin, stworzyli dożż
licznż grupż pojazdżw tego typu. Niestety, na razie tylko nie liczne projekty
trafiż do produkcji seryjnej. Tak wiżc w pojazdach takich zmniejszono zużycie
paliwa, emisjż szkodliwych dla żrodowiska substancji, masż akumulatorżw.
Zwiżkszono zaż zasiżg i czżciowo rozwiżzano problem żadowania akumulatorżw.
Wszystko to kosztem niewielkiego spadku mocy, a co za tym idzie także prżdkożci
maksymalnej. Jak to mżwiż ścoż za coż”, ale warto tak siż pożwiżciż.
spis treżci
TOYOTA PRIUS
Toyota rozpoczyna w Europie sprzedaż modelu Prius -
5-osobowego sedana o napżdzie hybrydowym, benzynowo - elektrycznym,
charakteryzujżcym siż niskż emisjż zanieczyszczeż i mażym zużyciem paliwa.
Jeszcze do niedawna o samochodach z takim napżdem mżwiżo siż tylko jako o
wehikużach przyszżożci, traktoważo wyżżcznie jako konstrukcje studyjne. Toyota
poszża krok naprzżd... Nie bez kozery nazwa samochodu - Prius - pochodzi od
żaciżskiego "pżjdż przodem".
Wedżug przedstawicieli Toyoty, prowadzone od trzech lat prace
rozwojowe nad sprzedawanym w tym czasie w Japonii Priusem pozwoliży na
osiżgniżcie wymaganych standardżw prowadzenia, przyczepnożci i osiżgżw,
oczekiwanych przez europejskich użytkownikżw.
Oprogramowanie sterujżce silnikiem, przeżożenia skrzyni biegżw oraz
charakterystyka silnika zostaży dostosowane do panujżcych w Europie warunkżw
jazdy.
System hybrydowy
Hybrydowy zespż napżdowy tworzż: 1,5-litrowy, 16-zaworowy
motor benzynowy VVT-i (system zmiennych faz rozrzżdu) o mocy ponad 70 KM i
silnik elektryczny. Wielkż bateriż o pojemnożci 6,5 amperogodzin schowano za
oparciem tylnej kanapy. Silnik elektryczny z przodu, pod maskż, obok jednostki
benzynowej. Prius nie potrzebuje zewnżtrznego żrżdża prżdu. Serce cażego zespożu
- czyli komputerowy przetwornik energii sam decyduje, bez udziażu kierowcy, co w
danej chwili jest żrżdżem energii. Podczas ruszania i w trakcie jazdy pracuje
silnik elektryczny. Gdy kierowca gważtownie przyspiesza lub auto pokonuje strome
wzniesienie, wżżcza siż silnik spalinowy. Dziaża on także wtedy, gdy komputer
wykaże zbyt duży spadek mocy baterii - nie tylko napżdza samochżd, lecz rżwnież
żaduje akumulatory.
Energia do żadowania baterii jest odzyskiwana także podczas hamowania. W efekcie
baterie zasilajżce silnik elektryczny nie wymagajż żadownia i sż zaprojektowane
na caże "życie" samochodu.
Mogż też dziażaż obydwa silniki jednoczeżnie - stopież ich wykorzystania jest
monitorowany drogż elektronicznż i zależy od prżdkożci samochodu i jego
obciżżenia, celem utrzymania jak najbardziej ekonomicznych warunkżw pracy.
Prius - wedżug producenta - zużywa w kombinowanym cyklu Euro 5,1 litra benzyny
bezożowiowej na 100 km i wydala 120 g dwutlenku wżgla na każdy przejechany
kilometr, czyli okożo 40 % mniej niż podobnej klasy konwencjonalny samochżd z
silnikiem benzynowym i automatycznż przekżadniż.
Osiżgami Prius dorżwnuje autom z klasycznym napżdem. Prżdkożż maksymalna wynosi
160 km/h, zaż od 0 do 100 km/h hybrydowa Toyota przyspiesza w 13,4 sekundy.
Na pierwszy rzut oka...
... czterodrzwiowa limuzyna o dżugożci 431,5 cm, o nowoczesnej sylwetce
niczym nie rżni siż od innych aut. Prius, ktżry trafiż do Europy, ma wiżksze
zderzaki oraz tylny spoiler. Wprowadzone zmiany zmniejszajż powierzchniż czożowż
auta oraz poprawiajż aerodynamikż (wspżczynnik oporu powietrza Cd = 0,29).
żatwo wsiżżż do Priusa i z niego wysiżżż. Sprawia to wysokożż auta - 149 cm i
wysokożż usytuowania siedzisk - 57 cm. Przy rozstawie osi wynoszżcym 255 cm
zaprojektowano sporż kabinż pasażerskż.
Automatyczna skrzynia biegżw uruchamiana jest dżwigniż umieszczonż na desce
rozdzielczej. Zastosowanie "nożnego" hamulca postojowego pozwoliżo na
wygospodarowanie przejżcia miżdzy przednimi fotelami.
Centralnie umieszczony 5,8-calowy wyżwietlacz przekazuje informacje dotyczżce
zapasżw energii elektrycznej oraz funkcji samochodu, generowane przez
elektroniczny system sprawujżcy nadzżr nad zespożem hybrydowym.
Wyposażenie
W wyposażeniu seryjnym
jest m.in. regulacja kierownicy, centralny zamek, ABS z elektronicznym systemem
rozdziażu siży hamowania, poduszki powietrzne dla kierowcy i pasażera,
elektrycznie sterowane szyby, sprzżt audio, klimatyzacja, a za dopżatż - system
nawigacji satelitarnej.
Prius objżty jest w Europie 5-letniż gwarancjż. Nie wiadomo jeszcze kiedy to
auto trafi do naszych salonżw.
rys.Przekrżj zespożu napżdowego
1 – silnik spalinowy, 2 – generator, 3 – przekżadnia, 4 – silnik elektryczny
Dane techniczne Toyoty Prius:
Silnik benzynowy 1.5 VVT-i 16V
Pojemnożż skokowa 1.497 ccm
Moc maksymalna 53 kW/72 KM - 4.500 obr./min
Maksymalny moment obrotowy 115 Nm -
4.200 obr./min
żrednie zużycie paliwa 5,1 l/100 km
Silnik elektryczny Moc 33 kW -
1.040-5.600 obr./min
Maksymalny moment obrotowy 350 Nm - od
ok. 400 obr./min
Wymiary i osiżgi
Dżugożż/szerokożż/wysokożż
431,5/169,5/149 cm
Rozstaw osi 255 cm
Masa wżasna 1240 kg
Prżdkożż maksymalna 160 km/h
Przyspieszenie 0-100 km/h 13,4 s
Tryby pracy hybrydowego ukżadu napżdowego
1. Akumulatory zasilajż silnik elektryczny (rozwija on moment obrotowy 350 Nm
już przy 400 obr./min
2. Silnik spalinowy napżdza koża i silnik
elektryczny
3. Silnik spalinowy i akumulatory zasilajż odpowiednio koża i silnik
elektryczny
4. Podczas hamowania energia jest odzyskiwana i gromadzona w akumulatorach
Silnik spalinowy dożadowuje akumulatory (gdy ich pojemnożż spadnie poniżej
60% wartożci nominalnej
spis treżci
FIAT MULTIPLA HYBRID POWER
Hybrydowa Multipla powstaża w wyniku adaptacji seryjnego
minivana. Gżżwnym celem konstruktorżw byżo obniżenie zużycia paliwa (o ok. 20%)
i emisji substancji toksycznych (o ok. 50%), przy zachowaniu funkcjonalnożci i
żatwożci użytkowania na poziomie śzwykżego” samochodu. Do poruszania siż w
mieżcie przewidziano napżd czysto elektryczny, poza nim mieszany, elektryczno
spalinowy. Silnik spalinowy to benzynowa, czterocylindrowa, szesnastozaworowa
jednostka z rodziny Torque, a elektryczny – asynchroniczna, trżjfazowa,
odwracalna maszyna prżdu zmiennego. Obydwie sż umieszczone z przodu. W skżad
ukżadu napżdowego wchodzż ponadto: transformatory, system sterowania
elektronicznego nadzorujżcy rozdziaż momentu napżdowego, usytuowany pod podżogż
zestaw 15 wentylowanych akumulatorżw NiMH o napiżciu 14,4 V i zdolnożci
gromadzenia energii 19 kWh z możliwożciż dożadowywania ze żrżdeż zewnżtrznych
oraz czteroprzeżożeniowa, mechaniczna , zautomatyzowana skrzynia biegżw typu
Selespeed. Nie ma pedażu sprzżgża, ktżrego obsżuga odbywa siż na drodze
elektrohydraulicznej.
Wyboru sposobu pracy: elektrycznego, hybrydowego lub elektrycznego z
dożadowaniem baterii, dokonuje tylko na postoju, kierowca za pomocż pokrżtża
umieszczonego pomiżdzy przednimi fotelami. W pierwszym przypadku silnik
spalinowy jest wyżżczony, a pojazd porusza tylko silnik elektryczny, co znajduje
zastosowanie w ruchu miejskim. W drugim przypadku oba żrżdża napżdu przekazujż
moment napżdowy na koża, przy czym silnik elektryczny jest wykorzystywany np.
podczas pokonywania wzniesież i gważtownego przyspieszania. Z kolei podczas
hamowania czy zjazdu ze wzniesienia silnik elektryczny funkcjonuje jako
generator, przetwarzajżc wytraconż energiż kinetycznż w energiż elektrycznż,
dożadowujżcż akumulatory. Rozruch silnika spalinowego nastżpuje po osiżgniżciu
przez samochżd prżdkożci 30 – 35 km. W trzecim przypadku Multipla jest napżdzana
przez silnik elektryczny, zaż jednostka spalinowa, pracujż ze staż prżdkożciż
obrotowż poprzez sprzżgżo elektromagnetyczne napżdza generator, ktżry uzupeżnia
zasżb energii w bateriach. Gdy osiżga on minimalny dopuszczalny poziom, zakres
ten wżżcza siż automatycznie. Po nażadowaniu akumulatorżw ukżad napżdowy wraca
do pozycji wybranej przez kierowcż. Bilans mocy jest dodatni powyżej prżdkożci
65 km/h. Powoduje to wzrost zasiżgu pojazdu bez koniecznożci korzystania z
zewnżtrznych żrżdeż prżdu. O aktualnym trybie dziażania, zażżczonym biegu i
stanie nażadowania akumulatorżw użytkownik jest informowany za pożrednictwem
wyżwietlacza. Obecnie 10 egzemplarzy Multipli Hybrid Power porusza siż po
ulicach Neapolu w ramach projektu Atena, majżcego na celu zbadanie możliwożci
stosowania napżdżw alternatywnych w aglomeracjach miejskich. Decyzja o wielkożci
produkcji seryjnej samochodu i jego cenie sprzedaży ma zostaż podjżta przez
Fiata pod koniec roku.
Fot. Bateria akumulatorżw jest umieszczona pod podżogż; pomiżdzy fotelami
usytuowano elektroniczny system sterujżcy pracż ukżadu napżdowego.
Hybrydowa Multipla ma masż wiżkszż o 450 kg od swego spalinowego pierwowzoru –
280 kg przypada na akumulatory, 140 kg na elektroniczne elementy sterujżce,
silnik elektryczny i generator. Reszta to dodatkowe wyposażenie. W samochodzie
montuje siż niezależnż, benzynowż instalacjż grzewczż. Zrezygnowano z koża
zapasowego na rzecz żrodka uszczelniajżcego w aerozolu, pozwalajżcego na naprawż
uszkodzonej opony. Producent zaleca czżste, nawet co 24 h, dożadowywanie
akumulatorżw z domowej sieci 22 V. W samochodzie zainstalowano żadowarkż z
prostownikiem. Peżne żadowanie trwa 10 godzin, a każda bateria pobiera 3 kWh
energii elektrycznej. Awaryjne, śszybkie” żadowanie, do poziomu umożliwiajżcego
jazdż, trwa 30 – 60 min. Ukżad kierowniczy i hamulcowy wspomagane sż
urzżdzeniami elektrycznymi zasilanymi z pokżadowej instalacji 12 V. Z tego
samego żrżdża zasilana jest też pompa klimatyzatora. Elektroniczny system
sterujżcy precyzyjnie kontroluje parametry pracy obu silnikżw i czas
synchronizacji podczas zmiany pożożeż. W trybie hybrydowym zmiana biegu I na II
nastżpuje przy prżdkożci 56 km/h, z II na III przy 80 km/h. Redukcja ma miejsce
odpowiednio przy 40 km/h i 60 km/h. Pożożenie najniższe (maksymalna prżdkożż
jazdy – 50 km/h), przydatne np. przy pokonywaniu stromych wzniesież o nachyleniu
powyżej 16%, wżżcza kierowca dżwigniż w centralnej konsoli. Zarżwno na tym
biegu, jak i podczas jazdy do tyżu, samochżd napżdza silnik elektryczny. W
trybie elektrycznym wykorzystywane sż tylko trzy biegi: najniższy, wsteczny i do
jazdy do przodu. Zakres elektryczny z dożadowaniem można wybraż, gdy akumulatory
sż rozżadowane w 30%. Skażenie żrodowiska jest wżwczas porżwnywalne z
zanieczyszczeniem w przypadku pojazdu cażkowicie elektrycznego, jeżli uwzglżdniż
toksyny emitowane do atmosfery podczas produkcji elektrycznej, niezbżdnej do
żadowania akumulatorżw.
Podobnie jak w przypadku Priusa, prowadzenie Multipli nie odbiega w istotny
sposżb od prowadzenia konwencjonalnego samochodu, napżdzanego silnikiem
spalinowym, wspżpracujżcym z automatycznż skrzyniż biegżw. Elektroniczny system
sterujżcy ukżadem napżdowym ostrzega kierowcż o zbyt dżugim (ponad 5 min)
korzystaniu z najniższego biegu. Wyżżczenie silnika bez przestawienia pokrżtża w
pozycjż spoczynkowż (P) powoduje zablokowanie kluczyka w stacyjce. Na ekranie
pojawia siż rżwnież informacja o koniecznożci dożadowania akumulatorżw.
Naczelnym zadaniem ukżadu sterujżcego pozostaje minimalizacja zużycia paliwa i
emisji substancji szkodliwych w spalinach.
Fot. Pokrżtżo
miżdzy siedzeniami sżuży do wyboru trybu pracy.
Spożrżd ukżadżw wykorzystujżcych do napżdu pojazdżw prżd
elektryczny systemy hybrydowe wydajż siż najbliższe rozpowszechnienia. Pozwalajż
wykorzystaż zalety silnika spalinowego: dobre osiżgi i zadowalajżcy zasiżg,
ograniczajżc jego wady: niskż sprawnożż przy czżciowym obciżżeniu i zatruwanie
atmosfery produktami spalania. Reakcja rynku na pierwsze seryjne samochody tej
kategorii bżdzie prawdopodobnie czynnikiem decydujżcym o ich dalszym rozwoju.
spis treżci
NISSAN TINO HYBRID
Na japożski rynek zostaż wprowadzony do sprzedaży nowy model
Nissana - Tino Hybrid, zbudowany na bazie popularnego modelu Tino i wyposażony w
system NEO HYBRID. Tino, ktżry zadebiutoważ na rynku w grudniu 1998 roku, jest
autem o doskonażych wżażciwożciach jezdnych i komfortowo rozwiżzanym,
przestronnym wnżtrzu.
System NEO HYBRID jest wysoko wydajnym systemem napżdowym, ktżry w sposżb
optymalny i efektywny wykorzystuje silnik benzynowy i elektryczny. W porżwnaniu
z pojazdami benzynowymi tej samej klasy, nowy Tino Hybrid ma ponad dwukrotnie
mniejsze zużycie paliwa, a emisja dwutlenku wżgla jest zredukowana o
50%.Ponadto, w sposobie prowadzenia model ten nie rżni siż od aut benzynowych.
Dodatkowe zalety auta to komfortowe wnżtrze, przeznaczonego dla 5 osżb i
przestronny bagażnik.
Motor elektryczny napżdza samochżd w sytuacjach, w ktżrych praca silnika
benzynowego jest nieefektywna takich, jak start czy jazda z mażż prżdkożciż.
Silnik benzynowy jest wykorzystywany podczas jazdy ze żredniż i dużż prżdkożciż.
Przy dużych przyspieszeniach pracujż obydwa napżdy. Napżd elektryczny ma
możliwożż autoregeneracji. Silnik wyżżcza siż automatycznie, gdy samochżd
zatrzymuje siż.
Wykorzystanie przekżadni bezstopniowej HYPER CVT pozwala na wydajniejszż pracż
obu napżdżw, lepsze przyspieszenie i doskonale wpżywa na oszczżdnożż paliwa. W
modelu Tino Hybrid zastosowano lekki, kompaktowy akumulator litowo-jonowy,
specjalnie opracowany dla pojazdżw z napżdem hybrydowym. Akumulator umieszczono
pod podżogż auta, w pobliżu jego żrodka ciżkożci, dziżki czemu zwiżkszyża siż
jego stabilnożż, bez koniecznożci ingerencji w przestronnożż wnżtrza.
Na wielofunkcyjnym ekranie ciekżokrystalicznym, 5,8-calowym, wyżwietlane sż
informacje dotyczżce warunkżw pracy silnikżw i poziomu zużycia paliwa. Ten sam
monitor wykorzystywany jest rżwnież przez zainstalowany w tym modelu system
nawigacyjny.
Dziżki zastosowaniu szyb ze szkża, absorbujżcego promieniowanie ultrafioletowe,
nie tylko poprawiajż siż warunki jazdy, ale także zwiżksza siż efektywnożż pracy
klimatyzatora. Tylne lampy Tino Hybrid majż zainstalowane diody o niskim poborze
mocy.
Nissan zdecydoważ poczżtkowo ograniczyż liczbż aut, przeznaczonych do sprzedaży,
do 100 sztuk. Nissan zamierza przyjmoważ zamżwienia za pożrednictwem internetu.
Od reakcji klientżw na Tino Hybrid bżdzie zależażo, czy firma zwiżkszy produkcjż
nowego modelu. W nadchodzżcych latach, coraz ważniejsze bżdż kwestie ochrony
żrodowiska. Nissan uznaje systemy hybrid za kluczowe rozwiżzanie technologiczne
o znaczeniu ekologicznym i w przyszżożci bżdzie kontynuoważ badania nad rozwojem
tych jednostek napżdowych.
Dane techniczne systemu NEO HYBRID
Silnik
benzynowy
Model
QG18DE (NEO)
Typ i liczba cylindrżw
Chżodzony cieczż,
DOHC, 4 cylindry w ukżadzie rzżdowym
Pojemnożż (L)
1.769
Max. moc kW
(KM)/obrotżw na minutż
74 (101)/5,200
Max. moment obrotowy N-m (kg-m)/obrotżw
na minutż
141 (14.4)/4,000
Motor elektryczny
Model
EM29
Typ
Synchroniczny AC motor
Max. moc kW/obrotżw
na minutż
17/1,390-5,600
Max. moment
obrotowy N-m (kg-m)/obrotżw na minutż
155 (15.8)/0-700
Akumulator
gżżwny
Typ
Litowo-jonowy
Numer
2 moduży
Sposżb podżżczenia
Szeregowy
Pojemnożż Ah (HR)
3 (3)
spis treżci
E – FOUR HYBRID
Toyota zaprezentoważa kolejny po uzyskujżcym znakomite opinie
modelu Prius samochżd hybrydowy. Tym razem jest to urzżdzenie iżcie rewolucyjne
– jego hybrydowożż jest wżażciwie kompleksowa. Mamy tu bowiem zbudowany na bazie
Previi wielki samochżd typu MPC (duży van), zdolny przewoziż siedem osżb i sporo
bagażu. Jest on wyposażony w potżny silnik benzynowy 2,4l (nominalnie 156 KM)
oraz aż dwa silniki elektryczne. Napżd z silnika spalinowego oraz pierwszego
elektrycznego przenoszony jest na przednie koża za pożrednictwem bezstopniowej
skrzyni biegżw CVT, tylne koża zaż napżdza drugi agregat elektryczny. Funkcje
wszystkich trzech jednostek napżdowych sż sterowane i zarzżdzane elektronicznie,
możliwe sż rżne tryby jazdy – wszystkie trzy silniki przyspieszajż, pracuje
tylko benzynowy, elektryczne jako generatory żadujż baterie, albo jeden żaduje
baterie, a drugi wspomaga motor spalinowy. W trybie miejskim możliwa jest jazda
wyżżcznie na silniku elektrycznym.
spis treżci
FORD FC5
Swżj debiut we Frankfurcie odnotoważ Ford FC5, studium
samochodu zasilanego ogniwami paliwowymi, ktżry jest propozycjż ekologicznego
samochodu na najbliższż przyszżożż. Prototyp Ford FC5 jest bardzo prawdopodobnż
wizjż tego, jak wyglżdaż bżdzie 5-drzwiowy samochżd rodzinny mniej wiżcej za
piżż lat. Dziżki napżdowi energiż elektrycznż wytwarzanż w ogniwach paliwowych
najnowszej generacji, samochżd ten bżdzie charakteryzoważ siż wyjżtkowo
niewielkim zużyciem paliwa i niskim poziomem emisji zwiżzkżw szkodliwych,
zachowujżc jednoczeżnie prżdkożż maksymalnż i osiżgi podobne do dzisiejszych
modeli napżdzanych silnikami benzynowymi.
Najnowoczeżniejszy jak dotżd zespż ogniw paliwowych dat zespożowi projektantżw
pracujżcych nad prototypem Forda FC5 daleko idżcż swobodż w ksztażtowaniu
przestrzeni wnżtrza tego peżno wymiarowego samochodu, wygodnie mieszczżcego 5
osżb.
Ogniwa paliwowe zostaży umieszczone pod podżogż pojazdu.
Wielu ekspertżw uważa, że ogniwa paliwowe sż najbardziej
praktycznż propozycja wżrżd alternatywnych żrżdeż energii dla samochodżw
rodzinnych przyszżej generacji.
Ogniwa wytwarzajż energiż elektrycznż na drodze reakcji elektrochemicznych,
żżczżcych tlen z powietrza atmosferycznego z wodorem pochodzżcym z paliwa.
Proces ten pozwala na osiżgniżcie znacznej sprawnożci energetycznej, jest cichy
i nie wymaga spalania. W przypadku Forda FC5 wodżr bżdzie pochodziż z metanolu,
ktżry nie tylko daje siż żatwo wykorzystyważ do tego celu, ale także powoduje
bardzo niewielkż ilożż zanieczyszczeż.
Metanol jako paliwo ma tż przewagż nad benzynż spalanż w klasycznych silnikach,
że ukżad paliwowy znacznie ogranicza emisjż do atmosfery gazżw przyczyniajżcych
siż do powstawania efektu cieplarnianego. Oprżcz tego, silnik zasilany metanolem
praktycznie nie emituje zanieczyszczeż stażych, ani też tlenkżw azotu czy tlenku
wżgla, ktżre sż skżadnikami powodujżcymi powstawanie smogu w aglomeracjach
miejskich.
Stosunkowo niewielkie rozmiarami, lecz bardzo przestronne nadwozie prototypu
Forda FC5 nawiżzuje do nowoczesnych, progresywnych ksztażtżw, ktżre staży siż
już znakiem rozpoznawczym Forda, dziżki takim modelom jak Ford Ka i Ford Focus.
W przypadku eksponatu we Frankfurcie, nadwozie to unosi siż nad 18-calowymi
kotami o dożż agresywnym wzornictwie, ukazujżc schemat rozmieszczenia cażego
ukżadu napżdowego, z niewielkż rozmiarami bateriż ogniw paliwowych.
spis treżci
ROZDZIAż 2
OGNIWA PALIWOWE
PIERWSZE OGNIWA PALIWOWE
Korzeni tej technologii należy doszukiważ siż
jeszcze w XIX wieku, ale dopiero dziż zaczyna ona przynosiż owoce. Sir William
Grove, brytyjski sżdzia i uczony, skonstruoważ już w 1839 roku pierwsze ogniwo
paliwowe.
W pierwszym ogniwie paliwowym jego wynalazca wykorzystyważ reakcjż żżczenia
wodoru z tlenem do bezpożredniego wytwarzania prżdu elektrycznego. Ogniwo takie
nie ma czżci ruchomych, dziaża bezszumowo, a jego jedynż substancjż odpadowż
jest woda.
Wiele lat potem naukowcy z NASA wykorzystali tż genialnie prostż ideż i
rozwinżli technologiż do poziomu umożliwiajżcego wykorzystanie jej w pojazdach
kosmicznych APOLLO, GEMINI, SKYLAB i innych, aby produkoważ energiż elektrycznż
i wodż pitnż.
Jeszcze pod koniec lat 80 ogniwa paliwowe lekceważono – z powodu ich wysokiej
ceny. Koszt takich urzżdzeż byż, niestety, astronomiczny i siżgaż 1000000
dolarżw za kilowat. Teraz ta sytuacja zmienia siż w szybkim tempie, zwżaszcza
dziżki istotnym zaletom ekologicznym. Specjaliżci oceniajż, że zastżpienie
tradycyjnych metod wytwarzania energii elektrycznej z wżgla przez ogniwa
paliwowe powinno zmniejszyż emisjż dwutlenku wżgla o 40% - 60%, zaż emisjż
tlenkżw azotu o 50% - 90%.
Coraz czżciej spotyka siż informacje o komercyjnych zastosowaniach ogniw
paliwowych, nawet w celach energetycznych. Firma Southern California Gas CO.
Opracoważa instalacjż o mocy 200 KW dla jednego z hoteli, trzech szpitali i paru
innych instytucji publicznych. Ambitne plany przewidujż budowż elektrowni o mocy
2 MW. Najwiżksze zainteresowanie przejawia jednak przemysż motoryzacyjny, a jest
to spowodowane dwoma czynnikami: dżżeniem do zwiżkszenia sprawnożci napżdu oraz
wymuszaniem przez ekologiż ograniczaniem emisji zanieczyszczeż do żrodowiska
naturalnego, w ktżrym żyjemy.
Specjaliżci renomowanego amerykażskiego Instytutu Energetyki EPRI twierdzż, że
nie ma drugiej, rżwnie czystej technologii jak ogniwa paliwowe. W zasadzie jest
to czarna skrzynka, do ktżrej z jednej strony doprowadza siż paliwo, a z drugiej
uzyskuje prżd elektryczny – przy wysokim wspżczynniku sprawnożci wykorzystania
paliwa i nikżej emisji zanieczyszczeż. Jako paliwo najprożciej byżo by
wykorzystyważ wodżr, ale lepiej używaż gazu ziemnego, ktżrego gżżwnym
skżadnikiem jest metan, zaż najbezpieczniej – metanolu.
Zarżwno zwykże baterie elektryczne, jak i ogniwa paliwowe wytwarzajż prżd
elektryczny dziżki reakcjom elektrochemicznym. W ogniwie paliwowym, zasilanym
gazem ziemnym, caży proces zaczyna siż od wydzielenia czystego wodoru w
urzżdzeniu zwanym reformerem (1). Powstajżcy przy tym dwutlenek wżgla (2) jest
usuwany na zewnżtrz. Podobnie jest w przypadku stosowania metanolu.
Nastżpnie wodżr trafia do wżażciwego ogniwa (3), wywożujżc kolejne reakcje
chemiczne: platynowy katalizator na anodzie śwyrywa” z gazu elektrony (4), a
dodatnio nażadowane jony (protony) śrozpuszczajż siż” w elektrolicie (5).
Obojżtny elektrycznie tlen, doprowadzany do katody (6) przechowuje swobodne
elektrony, Powodujżc powstanie prżdu stażego (8). Ujemnie nażadowane jony tlenu
reagujż w elektrolicie z protonami rżwnież znajdujżcymi siż w elektrolicie,
wytwarzajżc wodż (7). Powstajżcy staży prżd elektryczny zostaje w przetwornicy
przeksztażcony na prżd zmienny (9), z ktżrego żatwiej można korzystaż.
spis treżci
ZASADA DZIAżANIA OGNIWA PALIWOWEGO ZASILANEGO
METANEM
Jak dżugo do wżażciwego ogniwa paliwowego dopżywa wodżr i
tlen, tak dżugo wytwarza ono prżd elektryczny, ciepżo i wodż. Siża
elektromotoryczna pojedynczego ogniwa wynosi okożo 1 wolta lub mniej, a
natżenie prżdu elektrycznego w obwodzie zależy od powierzchni elektrod.
Napiżcie można zwiżkszyż żżczżc ze sobż szeregowo wiele takich ogniw – jak
plastry wafli przekżadanych nieprzepuszczalnymi dla elektrolitu, lecz
przewodzżcymi prżd elektryczny, membranami – zwiżkszajżc w ten sposżb ich
wydajnożż. Stos kilku niewielkich ogniw może dostarczyż moc paru watżw, zaż
wiele ogniw o powierzchni metra kwadratowego jest w stanie generoważ setki
kilowatżw.
Istnieje wiele typżw ogniw paliwowych, rżniżcych siż miżdzy sobż konstrukcjż,
materiażem elektrod, rodzajem elektrolitu i katalizatorżw. W ogniwach
wytwarzajżcych energiż elektrycznż i wodż, przeznaczonych dla promżw kosmicznych
NASA stosuje np. wodorotlenek potasu. Ale najbardziej uniwersalnymi i
niezawodnymi urzżdzeniami, majżcymi za sobż dorobek dżugotrważych prac badawczo
– rozwojowych, sż ogniwa wykorzystujżce kwas fosforowy oraz ogniwa z membranami
polimerowymi.
Elektrownia z ogniwami polimerowymi na bazie kwasu fosforowego PAFC, o mocy
szczytowej 200 KW, przy sprawnożci wykorzystania energii zawartej w paliwie
siżgajżcej 40% ma wielkożż autobusu i kosztuje ponad pż miliona dolarżw. Jeżli
dodatkowo wykorzystaż ciepżo, powstajżce podczas pracy elektrowni, do ogrzewania
pomieszczeż lub podgrzewania wody użytkowej, to żżczna sprawnożż tych urzżdzeż
wzrasta do ponad 80%. Dla porżwnania warto dodaż, że w najlepszych elektrowniach
opalanych paliwami konwencjonalnymi sprawnożż dochodzi do 30%. Urzżdzenia PAFC
mogż byż produkowane w rżnych wielkożciach. Niewielkie, przenożne 24-woltowe
ogniwa paliwowe o mocy 250W, 25 kilogramowe, sż w stanie pracoważ okożo 100
godzin na jednej butli z czystym wodorem. Z kolei w Tokio dziaża eksperymentalna
elektrownia z zestawem 18 olbrzymich PAFC o żżcznej mocy elektrycznej 11 MW.
Z pożrżd piżciu liczżcych siż odmian technologii najbardziej interesujżce sż
ogniwa paliwowe polimerowe, znane rżwnież jako ogniwa z membranż wymiany
protonowej PEM (Proton Exchange Membrane). Dziżki niskiej temperaturze pracy,
dużej trważożci i elastycznożci w przystosowaniu siż do zmiennego obciżżenia,
ogniwa PEM sż bardzo obiecujżce z punktu widzenia zastosoważ powszechnego użytku
w mażych gospodarstwach domowych (np. jako zastżpcze żrżdża prżdu), czy w
pojazdach mechanicznych. Postżp technologiczny rokuje nadzieje na obniżenie
kosztżw produkcji polimerowych ogniw paliwowych z 10000 dolarżw za metr
kwadratowy do zaledwie 50 dolarżw.
Jednym z pierwszy aut z takim żrżdżem energii byż śGreen Car” opracowany przez
firmż Florida Partners z Florydy. Dwuosobowy pojazd miaż dwa polimerowe ogniwa
paliwowe o mocy 10 KW, ktżre napżdzaży silnik elektryczny o mocy 57 KM,
wystarczajżcy do nadania pojazdowi szybkożci ponad 140 km/h. Wysoko ciżnieniowy
zbiornik wodoru umożliwiaż przejechanie okożo 200 km. Napeżnienie zbiornika
trważo okożo 4 minut (żadowanie akumulatorżw trważoby okożo 3 godziny).
spis treżci
PIERWSZY SAMOCHżD 'GREEN CAR' Z OGNIWEM PALIWOWYM
Z kolei firma Ballard Power Systems of Canada opracoważa
prototyp 21 – miejscowego autobusu z bateriż 5–kilowatowych ogniw paliwowych.
Trwajż dalsze prace rozwojowe w tym kierunku, wspierane przez Departament
Energetyki USA.
Ponieważ bezpożrednie operowanie wodorem jest bardzo niebezpieczne konstruktorzy
zdecydowali siż jako żrżdżo wodoru wykorzystaż metanol. Reakcja w ogniwie
paliwowym zachodzi w temperaturze 80 – 90 stopni Celsjusza przy ciżnieniu 3,0
bar. Ogniwo paliwowe wspomagane jest bateriż akumulatorowż, skżadajżcż siż z 44
ogniw NiMH pożżczonych szeregowo. Energia elektryczna napżdza trżjfazowy silnik
elektryczny prżdu zmiennego o mocy 101 kW (137 KM), sprzżony z przednimi kożami
za pożrednictwem jednobiegowej przekżadni. Pojazd o masie 1377 kg osiżga 100
km/h w ciżgu 10 sekund, zaż jego prżdkożż maksymalna dochodzi do 13 km/h.
Zużycie paliwa podawane jest na 3,5 l/100 km. Zasiżg pojazdu wynosi okożo 400 km
(na samych bateriach NiMH tylko 53 km), natomiast emisja dwutlenku wżgla nie
przekracza 71 g/km.
Drugi model Opel – Sintra z napżdem na przednie koża ma masż 1800 kg, zostaż
wyposażony w silnik indukcyjny o mocy 50 kW (68 KM) i rozwija prżdkożż do 150
km/h, a 100 km/h osiżga po 20 sekundach. Zbiornik paliwa mieżci 40 l metanolu, a
zbiornik na wodż ma 20 l pojemnożci.
Samochżd firmy Opel Fuel Cell
Electric EC1 – widok ogżlny:
Samochżd firmy Opel Fuel Cell
Electric EV1 – Schematyczne rozmieszczenie poszczegżlnych elementżw:
Ukżad reformera przeksztażca
metanol w gaz o dużej zawartożci wodoru. Niewielkie ilożci tlenku wżgla
powstajżcego przy rozkżadzie paliwa sż katalitycznie przetwarzane w dwutlenek
wżgla. Kontynuowane sż prace nad doskonaleniem samego reformera, jak i
pozostażych zespożżw dla tych aut.
Rżwnież firma Renault prowadzi podobne studia, a w kożcowej fazie badaż znajduje
siż model Fever z ogniwem paliwowym, wykorzystujżcym metanol. Rozwiżzania wymaga
jedynie problem zminiaturyzowania i uproszczenia cażej instalacji.
Realnie patrzżc możemy siż spodzieważ, że pierwsze modele pojazdżw z tym
nowoczesnym żrżdżem energii wejdż do produkcji w latach 2002 – 2005, ponieważ
wiele zagadnież technicznych i technologicznych wymaga jeszcze dopracowania. Ale
warto, ponieważ – poza oczywistymi zaletami jeżli chodzi o ochronż żrodowiska –
ogniwa paliwowe umożliwiajż zmniejszenie zapotrzebowania na ropż naftowż. Poza
tym ogżlna sprawnożż samochodżw z ogniwami paliwowymi oscyluje wokż 30%,
podczas gdy w przypadku pojazdżw z silnikami spalinowymi ta nie przekracza
kilkunastu procent (zwykle okożo 10%).
Technologowie myżlż też o miniaturyzacji ogniw PFM. Firma H – Power z New Jersey
opracowuje 25 – watowe baterie NoCad VidPack, majżce zastżpiż baterie niklowo –
kadmowe używane w wideokamerach. żrżdżem ma byż maży patron ze sprżonym
wodorem, wystarczajżcy na 2 godziny pracy kamery. Firma pracuje rżwnież nad
zasilaniem PEM dla laptopżw, nie wiżkszym od konwencjonalnej baterii i
umożliwiajżcym 16 godzin pracy, oraz nad czujkż dymu o żywotnożci 20 lat.
W poszukiwaniu mocniejszych i trwalszych żrżdeż energii elektrycznej naukowcy
siżgajż po mniej znane i mażo opanowane rozwiżzania ogniw paliwowych ze
stopionymi wżglanami i zestalonymi tlenkami. Oba rodzaje majż przetwarzaż paliwo
na prżd elektryczny ze sprawnożciż 50% - 60%. Ogniwa te charakteryzujż siż
wysokż temperaturż pracy: ogniwa ze stopionymi wżglanami pracujż w temperaturze
650 ŚC, a ogniwa tlenkowe w temperaturze zbliżonej do 1000 ŚC. Oznacza to, że
powstajżca jako produkt uboczny woda ma postaż pary przegrzanej, ktżrż można
wykorzystaż do napżdzania konwencjonalnej turbiny parowej z dodatkowym
generatorem elektrycznym, albo do grzania wody. Wysoka temperatura pracy
umożliwia też bezpożrednie wykorzystanie gazu ziemnego jako paliwa (zamiast
czystego wodoru). Firma Energy Research Corp. Uruchomiża już zestaw o mocy 70
kW, skżadajżcy siż z 234 ogniw paliwowych ze stopionym wżglanem, i miaża
zbudoważ elektrowniż o mocy 2 MW dla miasta Santa Clara. Sukces tego
przedsiżwziżcia mżgżby zaowocoważ zamżwieniem na 50 podobnych blokżw.
Ogromne zainteresowanie wzbudzajż ogniwa paliwowe z zestalonym tlenkiem, ktżrych
technologia jest najtrudniejsza, ale osiżgi sż niezwykle obiecujżce. Przewiduje
siż, że tego rodzaju ogniwa znajdż zastosowanie w dużych, przemysżowych
zakżadach energetycznych lub statkach transoceanicznych. Znana firma amerykażska
bada Westinghouse bada jedno z takich rozwiżzaż. Jeszcze w latach 50 powstaż
pomysż ogniw w postaci rur o dżugożci okożo 1 metra. Każde z cylindrycznych
ogniw zawiera katodż, czyli elektrodż powietrznż wewnżtrz rury, oraz elektrodż
paliwowż na zewnżtrz rury, zaż miżdzy nimi znajduje siż cienka warstwa
tlenkowego elektrolitu. Poszczegżlne egzemplarze rur przepracoważy w warunkach
laboratoryjnych bez przerwy nawet 15000 godzin.
Inny, prostszy pomysż na tlenkowe ogniwa paliwowe ma maża, mżoda firma ZTEC, z
Massachussetts. Zamiast rur ZTEC zaprasowuje elektrody z elektrolitem w postaci
pżaskiego, sztywnego dysku. Stos 16-tu takich ogniw ma zaledwie jeden cal
wysokożci (2,54 cm). Setki takich ogniw upakowane razem w sztywnej obudowie,
majżcej postaż litery U, tworzy podstawowy blok o mocy 25 kW. Takie rozwiżzanie
konstrukcyjne umożliwia szybkie uruchamianie i skuteczne odprowadzanie ciepża.
Konstruktorzy przewidujż, że elektrownia z ogniwami paliwowymi o mocy 2,5 MW
zmieżci siż na 18-kożowej przyczepie, ktżrż bżdzie można żatwo przewieżż w
potrzebne miejsce. Do jej pracy wystarczy otaczajżce urzżdzenie powietrze i
rurociżg doprowadzajżcy gaz ziemny, a powstajżca para bżdzie napżdzaż
turbogenerator.
Fot. Aparatura za siedzeniami przednimi to ogniwo paliwowe eksperymentalnego
pojazdu Fever.
Pozostajż jednak problemy zwiżzane ze starzeniem siż ogniw paliwowych.
Zanieczyszczenia zawarte w paliwie powodujż stopniowe zatykanie porowatych
elektrod, co nieuchronnie ogranicza przepżyw jonżw wodoru i tlenu, zmniejszajżc
wydajnożż prżdowż. Konstruktorzy starajż siż stworzyż zestawy o żywotnożci nie
mniejszej niż 40.000 godzin (co bżdzie oznaczażo koniecznożż wymiany cażego
bloku co 5 - 7 lat).
Ważnym czynnikiem ograniczajżcym rozwżj tej nowoczesnej technologii jest
nieubżagana ekonomia. Budowa konwencjonalnej elektrowni jest znacznie taższa od
obiektu z ogniwami paliwowymi. A bez zamżwież na ogniwa paliwowe producenci nie
mogż uruchomiż ich masowej, a wiżc taższej i zautomatyzowanej produkcji.
Zainteresowane firmy szacujż, że uruchomienie produkcji ogniw o żżcznej mocy 200
MW rocznie pozwoliżoby obniżyż ich cenż detalicznż o pożowż.
Warto sobie użwiadomiż, jak ogromnych żrodkżw wymaga usuwanie tlenkżw siarki i
azotu ze spalin w elektrowniach konwencjonalnych. Ogniwa paliwowe takich
zanieczyszczeż nie wytwarzajż w ogżle, a emisja tlenku wżgla jest niższa od jego
zawartożci w powietrzu atmosferycznym. Może wiżc inwestorom bardziej opżacażoby
siż inwestoważ w dopracowanie technologii i uruchomienie masowej produkcji ogniw
paliwowych, aniżeli przeznaczaż ogromne żrodki na dopracowywanie starych i
opracowywanie wciżż nowych metod oczyszczania spalin w elektrowniach
konwencjonalnych.
Ogniwa paliwowe majż jeszcze jednż cechż, ktżrż trudno uwzglżdniaż podczas
chżodnych kalkulacji kosztżw i korzyżci: jest to praktyczne rozwiżzanie
pobudzajżce naszż wyobrażniż. Wielu specjalistżw widzi w nich jeszcze jedno
ważne, ekologicznie czyste żrżdżo energii w XXI wieku.
spis treżci
POKżADOWA ELEKTROWNIA
Wszelkie dotychczasowe prżby śulepszenia” silnika o spalaniu
wewnżtrznym za pomocż zmiany paliwa, tak by pozbyż siż kżopotliwych emisji
wżglowodorżw, przynoszż mierne rezultaty. Idea spalania wewnżtrznego, zwiżzanego
z wysokimi temperaturami, jest nieuchronnie powiżzana z powstawaniem jakiegoż
szkodliwego skżadnika, np. tlenki azotu sż praktycznie nie do unikniżcia, pżki
żrżdżem tlenu jest powietrze atmosferyczne. Jeżeli dodaż do tego kżopoty w
dystrybucji i magazynowaniu w samochodzie nowego paliwa ciekżego czy gazowego,
nie dziwi poszukiwanie innych drżg.
Kierunkiem znanym od dziesiżcioleci, a w zasadzie jednym z pierwszych żrżdeż
napżdu stosowanych w samochodach, jest energia elektryczna. Zerowa emisja spalin
i minimalny hażas samochodżw elektrycznych oraz zalety trakcyjne tego napżdu
(duży moment obrotowy przy mażych prżdkożciach itp.) przyczyniży siż do
osiżgniżcia przez nie statusu produkcji mażoseryjnej, ale zastosowanie nadal
jest ograniczone. Maży zasiżg, masa użyteczna zmniejszona przez ciżkie
akumulatory, dżugie żadowanie, przesuniżcie emisji spalin na elektrownie, to
wady dotychczas nie przezwyciżone.
OGNIWO PALIWOWE to szansa na pogodzenie tych sprzecznożci. Elektryczny silnik
trakcyjny może z niego pobieraż prżd przy praktycznie zerowej emisji szkodliwych
skżadnikżw spalin. Paliwem jest wodżr, ktżrego zasoby w naturze sż wielkie i
odnawialne. Ogniwo ma dużż sprawnożż, teoretycznie przekraczajżcż 80%. Nawet
jeżli w praktyce można liczyż tylko na sprawnożż 50-60%, i tak jest ona
dwukrotnie wiżksza niż w silniku spalinowym.
Ideż dziażania ogniwa paliwowego jest uzyskiwanie prżdu elektrycznego z wodoru i
tlenu bez ich spalania. Za najbardziej obiecujżce w zastosowaniach
motoryzacyjnych uważa siż wykorzystanie do tego procesu przegrody protonowej
[Proton Exchange Membrane – – PEM]. Pomiżdzy elektrodami ogniwa znajduje siż
folia powleczona warstewkż katalizatora, obecnie gżżwnie platyny. Katalizator
przyspiesza jonizacjż wodoru, a przegroda przepuszcza dodatnio nażadowany jon na
stronż omywanż przez tlen, gdzie żżczż siż one ze sobż tworzżc wodż. Po stronie
śwodorowej” zostaje elektron i wytwarza siż żadunek ujemny, po stronie
śtlenowej” dodatni, mamy wiżc rżnicż potencjażżw i możemy czerpaż ok. 0,6–0,9 V
z każdego ogniwa; moc waha siż od 0,3 do 0,6 W w zależnożci od producenta. Po
zestawieniu w pakiet, można uzyskaż moc 30– 50 kW przy wielkożci urzżdzenia
umożliwiajżcej pomieszczenie go w samochodzie osobowym.
BRZMI TO żATWO, GORZEJ JEST Z PRAKTYKż. Ta pokżadowa elektrownia musi byż
podgrzana do 80 – 100˚ nim zacznie dziażaż, pżniej energii dostarcza reakcja
powstawania wody. Obecnie jeżdżżce prototypy potrzebujż ok. 3 min. Na rozruch,
co wskazuje na potrzebż posiadania na ten czas dodatkowego żrżdża energii.
Bezwżadnożż ogniwa jest znaczna, trudno uzyskaż wiżcej prżdu po wciżniżciu
pedażu przyspiesznika, a jej nadmiar przy hamowaniu trzeba wykorzystaż – to
ponownie skżania do zastosowania dodatkowych akumulatorżw. Trzeba też mież w
samochodzie wodżr. Nie jest trudne zmagazynowanie gazu skroplonego lub
zwiżzanego w wodorkach metali w ilożci zapewniajżcej zadowalajżcy zasiżg, ale
trudno liczyż na rychżż możliwożż uzupeżnienia tego paliwa na najbliższej stacji
benzynowej.
Przeglżdajżc istniejżce metody pozyskiwania wodoru, zwrżcono uwagż na reforming
metanolu. Ze wzglżdu na najwiżkszż wydajnożż, przyjżto do zasilania
samochodowych ogniw metodż, w ktżrej rozkżada siż w obecnożci katalizatora
mieszankż par wody i metanolu. Wymaga to oczywiżcie dodatkowego palnika do
odgrzewania i odparowania mieszanki oraz przegrzania par. Sż one kierowane na
katalizator Cu/ZnO, przemieniajżc siż w gaz bogaty w wodżr, ale zawierajżcy
także CO i CO2; mogż siż pojawiż rżwnież w nim żlady metanolu i
formaldehydżw. Takiej mieszanki nie znosi platynowy katalizator samego ogniwa.
Jest niezbżdna dodatkowa instalacja do obrżbki gazu, przez dopalanie tlenku
wżgla, jego adsorpcjż lub filtrowanie produktżw reformingu przez kolejnż
membranż przepuszczajżcż tylko wodżr, np. palladowosrebrowż. Dodatkowe elementy,
dodatkowe koszty.
Reformer musi byż podgrzewany w czasie dziażania do 200 – 300˚. żrżdżem ciepża
jest palnik katalityczny spalajżcy gazy odfiltrowane od wodoru, emitujżcy
niewielkie ilożci CO2 i żladowe CO, na poziomie poniżej
kalifornijskich przepisżw EZEV.
Z tego skrżconego opisu można jasno zdaż sobie sprawż ze zżożonożci instalacji
paliwowej wykorzystujżcej ogniwa wodorowo – tlenowe, zwżaszcza przy
magazynowaniu wodoru w metanolu.
W jej skżad muszż wchodziż:
zbiornik metanolu,
reformer z parownikiem, palnikiem itp.,
instalacja oczyszczanie produktżw reformingu,
zbiornik wodoru do rozruchu ogniwa i zasilania w stanach
przejżciowych,
ogniwo ze swoim wymiennikiem ciepża
zbiornik wody jako śspaliny” z ogniwa, używanej do reformingu,
ew. dodatkowe akumulatory, umożliwiajżce jazdż nim śodpali” ogniwo i
gromadzżce energiż hamowania,
sterowanie.
Przedstawione dotychczas, jeżdżżce prototypy dokumentujż
wielkożż i komplikacjż tych instalacji. Zamontowane w samochodach kombi czy
miniwanach pozostawiajż miejsce dla najwyżej dwżch osżb. Poza objżtożciż
tego systemu zasilania, walczy siż z jego masż. Obecnie, przy mocy wyjżciowej na
kożach ok. 45 kW, masa kompletnej instalacji pozyskiwania wodoru z metanolu,
ogniwa, silnika itd. przekracza 600 kg [ok.14 kg/1 kW]. W powszechnej opinii,
projektowanie systemu do nowego samochodu, zamiast dostosowania go do
istniejżcych nadwozi, już użatwi optymalizacjż objżtożci i masy. Liczy siż na
szybkie osiżgniżcie masy jednostkowej 8 kg/kW, co przy wprowadzeniu dodatkowych
rozwiżzaż konstrukcyjnych, jak opony o niskim oporze, lekkie i aerodynamiczne
nadwozia, umożliwiżoby seryjne zastosowanie ogniw. Ten wielki wysiżek ma byż na
kożcu uwieżczony nagrodż w postaci napżdu o emisji CO i NOX
stanowiżcej pojedyncze procenty w porżwnaniu z obecnymi silnikami spalinowymi,
emisja wżglowodorżw zmniejszy siż 10 – krotnie.
Schemat dziażania pojazdu z ogniwem paliwowym zasilanym ze
zbiornika wodoru.
Nastżpuje tu podwżjna przemiana energii chemicznej (A-B) wodoru ze zbiornika (2)
w elektrycznż za pomocż ogniwa paliwowego (1). Uzyskany w ten sposżb prżd jest
jeszcze kierowany do przetwornicy (4) i zamieniany na postaż dogodnż dla
silnikżw trakcyjnych (3), gdzie dochodzi do przemiany na energiż mechanicznż (B-C).
Czżż energii elektrycznej jest zużywana do napżdu sprżarki tżoczżcej powietrze
do ogniwa (C-A).
Schemat zasilania pojazdu z reformingiem metanolu jako
żrżdżem wodoru:
1 – zbiornik metanolu, 2 – reformer, 3 – ogniwo paliwowe, 4 – przetwornica, 5 –
silnik trakcyjny (schemat dotyczy fordowskiego prototypu samochodu 4X4 p2000 SUV
stżd 2 silniki), 6 – sprżarka doprowadzajżca powietrze do ogniwa.
Prace prowadzone sż w dwżch kierunkach: nie rezygnuje siż z
prostszego zasilania bezpożrednio wodorem, ale bardziej obiecujżcy reforming
metanolu, etanolu lub paliwa ropopochodnego. Prototyp Renault Fever to
przykżad pierwszego rozwiżzania. W nadwoziu Laguny kombi zainstalowano
kriogeniczny zbiornik ciekżego wodoru, mieszczżcy 8 kg gazu. Zestaw 135 ogniw
paliwowych zapewnia napiżcie 90 V i moc 30 kW, zasiżg samochodu to okożo 400 km.
W Fever zastosowano dodatkowe akumulatory NiHM dostarczajżce energiż przy
przyspieszaniu i gromadzżce jż przy hamowaniu. Ogniwa paliwowe pochodzż z
wżoskiej firmy De Nora. Symulowany bilans, uwzglżdniajżcy przemysżowż produkcjż
wodoru, pozwoliż stwierdziż, że Fever emituje 50% mniej CO2 niż
samochżd z silnikiem benzynowym.
Rodzina samochodżw zasilanych ogniwami z systemem reformingu jest coraz wiżksza.
Mercedes – Benz w ramach projektu NEKAR wykonaż seriż prototypżw; do pierwszego
potrzeboważ autobusu, drugż instalacjż zamieżciż w samochodzie dostawczym,
trzeciż już w A – klasie. Opel testuje ten ukżad w prototypowej Zafirze.
Najdalej w miniaturyzacji poszedż Ford, ktżry zamieżciż go w prototypie
samochodu żredniej klasy P2000. Także w tym przypadku prace sż prowadzono
dwutorowo: z wykorzystaniem reformingu lub niewielkich stacjonarnych instalacji
uzyskiwania wodoru tż metodż, zdolnych do zapewnienia paliwa ok. 100 pojazdom.
We wszystkich tych samochodach sż stosowane ogniwa kanadyjskiej firmy Ballard
Power System, lidera tej technologii. Poza tym dziaża jeszcze Siemens we
wspżpracy z norweskż firmż Haldor TopsŚe.
Rezultaty tych miżdzynarodowych badaż majż siż pojawiż w salonach dealerżw
najwczeżniej w 2005 r. Poza dopracowaniem samej instalacji zasilania, pozostaje
wiele problemżw technicznych z niż zwiżzanych, np. zapewnienie bezpieczeżstwa
kolizyjnego pojazdu przewożżcego wodżr i zawierajżcego liczne śgorżce” elementy.
spis treżci
ROZDZIAż 3
SILNIK SAAB SVC ZE ZMIENNYMI STOPNIAMI SPRĘŻANIA
WSTżP
W Szwecji sż prowadzone intensywne prżby trakcyjne samochodżw Saab, wyposażonych
w silnik o zmiennym stopniu sprżania SVC (Saab Variable Compression). Taka
jednostka napżdowa zostaża przedstawiona na ubiegżorocznym salonie samochodowym
w Genewie, wzbudzajżc nieukrywany podziw dla nowatorskiej idei. Wydaważoby siż,
ze w dziedzinie podstawowych zasad dziażania silnikżw nie można już nic wiżcej
wymyżliż, a tymczasem Szwedzi zaproponowali rozwiżzanie, ktżre stanowi
pożżczenie zalet silnika z zapżonem iskrowym, pracujżcego wedżug obiegu Otto, z
walorami silnika wysokoprżnego Diesla.
Dziżki zastosowaniu zmiennego stopnia sprżania silnik SVC
jest unikalnż jednostkż napżdowż, w ktżrej inaczej dokonano podziażu pomiżdzy
gżrna i dolna czżciż silnika. W porżwnaniu z klasycznym silnikiem o stażym
stopniu sprżania pżaszczyzna podziażu pomiżdzy dwoma zasadniczymi czżciami
skżadowymi silnika SVC znajduje siż 20 cm niżej. Czżż gżrna nazywana
monogżowica skżada siż z gżowicy cylindrżw na stale pożżczonej z tulejami
cylindrowymi, natomiast czżż dolna - skrzynia korbowa to kadżub silnika, waż
korbowy, korbowody oraz tżoki. Te obie zasadnicze czżci silnika sż ze sobż
pożżczone wahliwie i istnieje możliwożż ich odchylania o kat 4ż, co wystarcza do
pżynnej zmiany stopnia sprżania od 8 do 14, czyli w zakresach w ktżrych pracujż
silniki benzynowe i wysokoprżne. Pochylanie jest dokonywane samoczynnie przez
siżownik hydrauliczny, przy czym optymalny stopież sprżania w okreżlonych
warunkach jest wyliczany przez specjalnie dostosowany system, zarzżdzajżcy praca
silnika Saab Trionic.
Fot.
Ważnym elementem silnika SVC jest uszczelnianie pomiżdzy skrzyniż korbowż a
gżowicż, wykonane w postaci miecha z gumy, odpornej na olej, wysokż temperaturż
i szybkie zmiany ciżnienia
Zbiera on informacje o prżdkożci obrotowej ważu korbowego,
aktualnym obciżżeniu silnika, liczbie oktanowej stosowanego paliwa i ustala
wielkożż optymalnego w danej chwili stopnia sprżania. Jego wartożż jest wiżc
parametrem zmiennym w sposżb ciżgży. W pionowym ustawieniu obu zasadniczych
czżci silnika stopież sprżania jest najwiżkszy, stopniowe odchylanie powoduje
powiżkszanie komory spalania, a wiżc zmniejszanie stopnia sprżania.
Uszczelnianie przestrzeni pomiżdzy skrzyniż korbowa a monoglowicż, w ktżrej mogż
siż gromadziż np. lotne elementy materiażżw smarnych, jest realizowane za pomocż
gumowych miechżw. Interesujżcy jest fakt, ze Szwedzi zastosowali jako silnik
bazowy piżciocylindrowa jednostkż napżdowż o pojemnożci zaledwie 1598 cm3. Taka
zredukowana pojemnożż skokowa jest uzasadniona, jeżli weżmie siż pod uwagż, ze
silniki o mniejszej pojemnożci, aby osiżgaż moce zbliżone do dużych jednostek
napżdowych, musza pracoważ pod peżnym obciżżeniem. Mniejsze sż wżwczas straty
zwiżzane z zasysaniem powietrza, bowiem przy peżnym obciżżeniu wystżpuje
cażkowite otwarcie przepustnicy i tżok w cylindrze pokonuje mniejsze opory,
zwiżzane z dostarczaniem powietrza do cylindrżw. Zrozumiale tez, ze maże silniki
sż lżejsze i maja mniejsze opory wewnżtrzne, co stanowi o ich wyższożci nad
wiżkszymi jednostkami.
spis treżci
STANY
PRACY SILNIKA SVC
Dwa skrajne stany pracy silnika SVC. Po lewej
przy pionowym ustawieniu monogżowicy komora spalania ma najmniejszż pojemnożż i
stopież sprżania wynosi 14. Po prawej przesuniżcie monogżowicy o kat 4ż
powoduje powiżkszenie objżtożci komory spalania - na ilustracji dodatkowa
przestrzeż komory zaznaczona jest czerwonż liniż do maksimum i stopież sprżania
zmniejsza siż do 8. Zmiany ustawienia kżtowego monogżowicy realizuje ukżad
mimożrodowy (po prawej stronie silnika) bezstopniowo
Do zestawu silnika SVC wchodzi tez mechaniczna sprżarka z chżodnica powietrza
dożadowujżcego, zapewniajżca ciżnienie dożadowania do 2,8 bara. Zdecydowano siż
na wybżr takiej rzadko stosowanej, choż bardzo wydajnej sprżarki, ktżra
wprawdzie nie jest tak sprawna jak turbosprżarka, ale dziżki bezpożredniemu
elektrycznemu sprzżgniżciu z silnikiem szybko reaguje na zmianż pożożenia pedażu
przyspieszania i nie powoduje zwżoki w narastaniu ciżnienia dożadowania. Taki
typ sprżarki poza zwiżkszaniem mocy silnika pozwala na uzyskanie pżaskiego
przebiegu krzywej momentu obrotowego. Odpowiednie nastawy umożliwiajż uzyskanie
wysokich wartożci tżoczenia dopiero po wyższym obciżżeniu silnika, tak wiżc przy
delikatniejszym operowaniu pedażem przyspieszenia i niskich obrotach silnik SVC
jest rżwnie ekonomiczny jak jednostka niedożadowana.
Fot.
Pochylenie wzglżdem siebie dwżch czżci silnika jest wykonane poprzez
mimożrodowy mechanizm korbowy poruszany siżownikiem hydraulicznym, sterowanym
komputerem nadzorujżcym pracż jednostki napżdowej.
Naturalnie, konstruktorzy nowego silnika Saaba zadbali o maksymalne
wykorzystanie produkowanych seryjnie czżci klasycznego silnika. Wal korbowy,
korbowody, tżoki z pierżcieniami oraz ukżad rozrzżdu sż identyczne jak w innych
jednostkach Saaba. Istotna zaleta silnika SVC jest fakt, ze zmienny stopież
sprżania uzyskano, nie modyfikujżc istniejżcej, wydajnej komory spalania z
czterema zaworami.
Jednym z zażożeż konstrukcyjnych byżo tez maksymalne wykorzystanie istniejżcych
rozwiżzaż technicznych oraz ich dostosowanie do nowej konstrukcji silnika.
Ponieważ monogżowica w silniku SVC jest wykonana jako cażożż, umożliwiżo to
zaprojektowanie optymalnego ksztażtu przewodżw chżodzżcych, co byżo niezbżdne
dla uzyskania wystarczajżco efektywnego dożadowania silnika w celu uzyskania
wymaganych osiżgżw. Wprowadzenie koncepcji zmiennego stopnia sprżania przy
zredukowanej pojemnożci skokowej silnika i wysokim ciżnieniu dożadowania
zaowocoważo rewelacyjnymi wynikami. Pierwsze jazdy dożwiadczalnymi samochodami
Saab 9-5, w ktżrych zastosowano jednostkż o zmiennym stopniu sprżania,
wykazaży, ze to nowatorskie rozwiżzanie charakteryzuje siż rzadko spotykanymi w
seryjnych samochodach osobowych walorami, ktżre raczej można przyrżwnaż do
osiżgżw pojazdżw sportowych. Testowy Saab SVC pokonaż w badaniach ok. 300 tys.
km, m.in. w rejonach Bangkoku, Toronto i Aten.
Podczas ruszania już od 3000 obr./min silnika wyczuwa siż duży nadmiar mocy,
ktżrej wartożż maksymalna wynosi 166 kW przy 6000 obr./min. Maksymalny moment
obrotowy ma wartożż 305 Nm przy 4000 obr./min (i to z silnika o pojemnożci
zaledwie 1,6 dm3!). Dotkniżcie pedażu przyspieszania powoduje gważtowny "skok"
do przodu i trzeba przyzwyczaiż siż do uważnego operowania tym pedażem.
Przyspieszaniu towarzyszy gwizd sprżarki podobny do odgżosżw pracy silnika
samochodu sportowego wysokiego wyczynu. Podczas gważtowniejszego naciżniżcia
pedażu przyspieszania pojawia siż wyczuwalne w zespożach napżdowych i na
kierownicy uderzenie, ktżre tez wymaga przyzwyczajenia i mocnego trzymania
kierownicy. Zrozumiale, ze sż to objawy, ktżre wystżpujż w samochodach
dożwiadczalnych i maja byż usuniżte w nastżpnych prototypach. Oczekuje siż, ze
korzystna metamorfoza nastżpi po zmianie oprogramowania sterujżcego, nad ktżrym
obecnie intensywnie siż pracuje; oczekiwane jest tez dalsze "spżaszczanie"
przebiegu krzywej momentu obrotowego. Na tablicy przyrzżdżw samochodu
dożwiadczalnego Saab SVC znajdujż siż ciekżokrystaliczne wskażniki wartożci
ciżnienia dożadowania i aktualnego stopnia sprżania; ich obserwacja potwierdza
zażożenia konstruktorżw - przy wysokim obciżżeniu silnika wystżpuje niski
stopież sprżania i wysokie ciżnienie dożadowania, zaż przy niskim obciżżeniu
spada ciżnienie, a wrasta stopież sprżania.
Pomiar przeciżtnego zużycia paliwa wykazyważ wartożż 7,8 dm3/100 km w
samochodzie z silnikiem SVC, natomiast w identycznym modelu Saab 9-5 z
klasycznym silnikiem o pojemnożci 2,3 dm3 i mocy 125 kW wynosiż 11 dm3/100
km.Wynik ten potwierdza zakżadanż blisko 30% oszczżdnożż w zużyciu paliwa, a
badania laboratoryjne wykazaży, ze emisja COZ w silniku SVC zostaża zredukowana
w podobnym stopniu jak zużycie paliwa, zaż emisja CO, HC i NOx speżnia wymagania
wszystkich obecnych i ogżoszonych przyszżych dyrektyw, dotyczżcych emisji
spalin.
Wymaga dopracowania cichobieżnożż silnika SVC, ale tylko w takim stopniu, aby
zachoważ sportowy charakter odgżosżw jego pracy. Inne bżdzie oprogramowanie
ukżadu sterujżcego Saab Trionic, aby m.in. wyeliminoważ uderzenie pojawiajżce
siż podczas gważtownego przyspieszania. Prace maja jednak potrważ 3 - 4 lata,
zanim ten rewelacyjny silnik trafi do salonżw samochodowych Saaba. Ma on
napżdzaż nowe modele szwedzkiej wytworni. Mżwi siż, ze bżdzie to
najprawdopodobniej cala rodzina silnikżw SVC i to w pożżczeniu z innym
opatentowanym przez Saaba systemem SCC, o ktżrym piszemy poniżej.
Od roku na najważniejszych europejskich salonach samochodowych Saab
konsekwentnie prezentuje dokonania swoich inżynierżw w zakresie budowy silnikżw
benzynowych. Dżżenie do zmniejszenia zużycia paliwa i redukcji emisji substancji
toksycznych przy jednoczesnym zachowaniu lub nawet poprawie osiżgżw zaowocoważo
jak dotychczas dwiema istotnymi innowacjami.
Wiosna podczas wystawy w Genewie zademonstrowano jednostkż napżdowa o zmiennym
stopniu sprżania, a jesieniż, w Paryżu - oryginalny system sterowania procesem
spalania. Można siż domyżlaż, ze w zapowiadanym na 2003-2004 r. kolejnym modelu
szwedzkiej firmy znajdzie siż jeszcze wiżcej podobnych rozwiżzaż, testowanych
obecnie w żcisżej tajemnicy w laboratoriach Saaba, ktżre zżoża siż w sumie, jak
kamyki mozaiki, na silnik nowej generacji, a opinia publiczna bżdzie z nimi
systematycznie zaznajamiana.
Ideż systemu SCC (Saab Combustion Control) tworzż trzy elementy. Po pierwsze,
jest to ukżad bezpożredniego wtrysku paliwa do cylindrżw. Realizuje go
pneumatyczny wtryskiwacz, ktżry zostaż konstrukcyjnie zintegrowany w jeden
podzespż ze żwiecż zapżonowż i okreżlony jako żwiecowtryskiwacz (SPI - Spark
Plug Injector). Na chwilż przed zapżonem do komory spalania podaje on niewielka
ilożż sprżonego powietrza, co powoduje zawirowanie mieszanki
paliwowo-powietrznej i wpżywa pozytywnie na przebieg procesu spalania.
Drugi czżon systemu SSC to ukżad zmiennych faz rozrzżdu. Czasy otwarcia i
zamkniżcia zaworżw dolotowych i wylotowych podlegajż pżynnej regulacji, w
zależnożci od chwilowych warunkżw pracy silnika. W ten sposżb do komory spalania
zostaje zawrżcona czżż gazżw spalinowych, ktżra miesza siż z czystym
powietrzem, podanym w żciżle okreżlonej dawce. Dziżki temu udaje siż utrzymaż
wartożż wspżczynnika nadmiaru powietrza lambda rżwna jednożci, niezbżdna dla
prawidżowego dziażania konwertera katalitycznego. Fazami rozrzżdu sterujż
krzywki o zmiennym pożożeniu. Ostatnim rozwiżzaniem zastosowanym przez twżrcżw
systemu SSC jest zmienny odstżp elektrod żwiecowtryskiwacza.
Elektroda uformowana na powierzchni tżoka porusza siż wraz z nim i uczestniczy w
tworzeniu iskry, gdy znajdzie siż w odlegżożci mniejszej niż 3,5 mm od elektrody
centralnej. Tyle bowiem wynosi staża dżugożż szczeliny miżdzy elektroda
centralna a masowa. Wysoka energia wyżadowania (80 ml) jest konieczna do zapżonu
mieszanki o dużej zawartożci spalin i jej szybkiego i sprawnego spalenia w
okreżlonym miejscu wewnżtrz cylindra.
Celem projektantżw SCC byżo z jednej strony zminimalizowanie zużycia paliwa, z
drugiej zaż stworzenie konwencjonalnemu trżjdrożnemu konwerterowi katalitycznemu
odpowiednich warunkżw funkcjonowania.
Fot. W
silniku SCC iskra zapżonowa powstaje pomiżdzy elektrodami żwiecowtryskiwacza lub
miżdzy jego elektrodż centralnż a elektrodż uformowanż w denku tżoka.
Na ilustracji widaż także elementy wykonawcze, ktżre pżynnie
zmieniajż pożożenie ważkżw sterujżcych zaworem
spis treżci
SYSTEM STEROWANIA PROCESEM SPALANIA SCC (Saab Combustion
Control)
1. Podczas suwu pracy nastżpuje zapżon mieszanki
paliwowo-powietrznej. Wszystkie zawory pozostajż zamkniżte. Energia cieplna
wytworzona w procesie spalania powoduje wzrost ciżnienia gazżw w cylindrze.
Tżok, poddany dziażaniu siży gazowej, przesuwa siż w dż.
2. W dolnym zwrotnym pożożeniu tżoka
otwierajż siż zawory wylotowe. Wskutek rżnicy ciżnież pomiżdzy komora spalania
a kolektorem wylotowym rozpoczyna siż proces usuwania z cylindra gazżw
spalinowych, kontynuowany nastżpnie w wyniku ruchu tżoka do gżry (suw wydechu).
3. Pod koniec suwu wydechu, tui przed gżrnym zwrotnym pożożeniem
tżoka, nastżpuje wtrysk paliwa bezpożrednio do przestrzeni nad tżokiem.
Jednoczeżnie otwierajż siż zawory dolotowe. Resztki spalin, zmieszane z podana
przez swiecowtryskiwacz benzyna, sż wypychane zarżwno do kanażu wylotowego, jak
i dolotowego. Czas wspżotwarcia zaworżw jest dobierany przez ukżad zmiennych
faz rozrzżdu odpowiednio do aktualnych warunkżw pracy. Od parametru tego zależy
udziaż gazżw spalinowych w nastżpnym cyklu spalania.
Ogżlnie biorżc, im niższeobciżżenie silnika, tym wiżcej spalin pozostaje w
cylindrze.
4. Po osiżgniżciu przez tżok gżrnego zwrotnego pożożenia
rozpoczyna siż suw ssania. Wszystkie zawory pozostajż otwarte. Podciżnienie
wytwarzane przez poruszajżcy siż w dż tżok powoduje powrżt do cylindra czżci
mieszanki spalin i benzyny z kanażu wylotowego. ,jednoczeżnie reszta mieszanki
przemieszcza siż do gżry, w kierunku kanażu dolotowego.
5. Podczas suwu ssania, wraz z ruchem tżoka w
dż, nastżpuje zamkniżcie zaworżw wylotowych. Przez nadal otwarte zawory
dolotowe do cylindra zasysana jest reszta mieszanki spalinowo-benzynowej z
kanażu dolotowego.
6. Pod koniec suwu ssania tżok osiżga dolne zwrotne pożożenie.
Cażożż mieszanki spalin z benzynż znajduje siż ponownie w cylindrze, do ktżrego
przez zawory dolotowe zostaje jednoczeżnie zassane powietrze w proporcji
stechiometrycznej do paliwa (14,7:1).
7. Na poczżtku suwu sprżania nastżpuje zamkniżcie zaworżw
dolotowych. Tżok, przesuwajżc siż w gżrż, sprża mieszankż paliwa, powietrza i
gazżw spalinowych.
Po obrżceniu siż ważu korbowego 0 45ż (w pożowie suwu sprżania, ale przed
zapżonem) poprzez swiecowtryskiwacz do komory spalania zostaje podana pod
ciżnieniem porcja powietrza. Powoduje ona powstanie w przestrzeni nad tżokiem
turbulencji /zawirowania), ktżra użatwi i przyspieszy proces spalania.
8.
Zanim tżok osiżgnie pod koniec suwu sprżania gżrne zwrotne pożożenie, pomiżdzy
elektrodami przeskakuje iskra inicjujżca zapżon mieszanki paliwowo-powietrznej i
nastżpuje przejżcie do suwu pracy. Iskra może powstaż pomiżdzy centralnż
elektroda swiecowtryskiwacza, a stal~ elektroda masowa (a) lub elektroda
ruchoma, zwiżzana z tżokiem (b). Zależy to od warunkżw pracy silnika. Jeżli jego
obciżżenie jest niewielkie, zachodzi przypadek a, jeżli duże - b. Oznacza to, że
odstżp pomiżdzy elektrodami jest zmienny w przedziale 1-3,5 mm (3,5 mm to odstżp
miżdzy elektrodami swiecowtryskiwacza). Energia wytwarzanej iskry ma wartożż 80
mJ.
Elektroda w tżoku to pomysż z 1995 r., zademonstrowany podczas salonu we
Frankfurcie. Projektanci na podstawie badaż zapewniajż, że trważożż takiego
rozwiżzania jest porżwnywalna z trważożciż silnika, szybciej zużywa siż
centralna elektroda w żwiecy niż ta uksztażtowana na tżoku .
W dotychczas stosowanych systemach bezpożredniego wtrysku benzyny problem
stanowiża, bowiem zwiżkszonż emisja tlenkżw azotu, ktżre musiaży byż
magazynowane i okresowo wydalane do atmosfery przez specjalny dopalacz.
Dodatkowym utrudnieniem byża ponadto wrażliwożż tego rodzaju urzżdzeż na siarkż
zawarta w paliwie. Szwedzi postanowili zatem poprzestaż na tradycyjnym
konwerterze i zoptymalizoważ proces spalania tak, aby zachowujżc zalety wtrysku
bezpożredniego, utrzymaż stażż proporcjż masowa paliwa do powietrza (mieszanka o
skżadzie stechiometrycznym). Osiżgniżto to wżażnie poprzez zawracanie do
cylindra gorżcych gazżw spalinowych, wypeżniajżcych 60 - 70% objżtożci
przestrzeni nad tżokiem (29 – 39 % to powietrze, 1 % - benzyna). Stosunek ten
zmienia siż wraz ze zmiana stopnia obciżżenia silnika
Niejako ubocznym efektem wprowadzonych innowacji okazażo siż także zmniejszenie
strat pompowania, wystżpujżcych przy czżciowym uchyleniu przepustnicy w
warunkach mażego obciżżenia, ponieważ do cylindra powietrze jest zasysane tylko
w ilożci koniecznej do uzyskania wspżczynnika lambda rżwnego 1.
System SCC postaż w Dziale Konstrukcji i Rozwoju Silnikżw Saaba we wspżpracy ze
specjalistyczna australijska firma Orbital. W ramach General Motors Szwedom
powierzono bowiem prace badawcze i projektowe nad turbodożadowanymi, benzynowymi
jednostkami napżdowymi na potrzeby cażego koncernu. Wedżug wstżpnych ocen silnik
z systemem SCC speżnia z zapasem zarżwno amerykażskie, jak i europejskie normy
emisji spalin. W porżwnaniu ze wspżczesnymi, seryjnymi jednostkami Saaba o
podobnych osiżgach stżenie tlenkżw wżgla i wżglowodorżw jest niższe prawie o
polowe, a tlenkżw azotu o 75%. Zużycie paliwa zmalażo 0 8=10%. Odpowiada to
wymaganiom stawianym w USA pojazdom typu ULEV, majżcym obowiżzyważ od 2005 r.
Badawcze auta wyrżnia zewnżtrznie jedynie symbol SVC. Wystarcza jednak krżtka
przejażdżka, by zorientoważ siż, że nie mamy do czynienia ze zwykżym samochodem.
Już przy ruszeniu odczuwa siż imponujżcż moc piżciocylindrowej jednostki o
pojemnożci 1,6 dm3
, wynoszżcż 225 KM. Zapewnia ona
pojazdowi nadzwyczajnż dynamikż, podkreżlanż sportowym odgżosem pracy silnika.
Niecodziennym doznaniem jest rodzaj wyrażnego stukniżcia, ktżre sżyszy siż (i
nieznacznie odczuwa na kierownicy) przy nagżej zmianie pozycji pedażu gazu. Przy
zdecydowanym przyspieszaniu lub zwalnianiu poprzecznie umieszczony silnik
zmienia bowiem stopież sprżania w granicach od 8:1 do 14:1. Przypomnijmy, że
jest to realizowane poprzez przechylanie gżowicy stanowiżcej jeden element wraz
z cylindrami.
O kżcie nachylenia gżrnej czżci silnika (a wiżc i o stopniu sprżania) oraz o
wżżczeniu lub odżżczeniu dożadowania decyduje system sterujżcy o nazwie Saab -
Trionic. Optymalnż kompresjż wylicza on na podstawie prżdkożci obrotowej
silnika, chwilowego jego obciżżenia, momentu pojawiania
siż spalania stukowego i wielu innych parametrżw. Ustalona przezeż wartożż
stopnia sprżania, a takie ciżnienia dożadowania, jest przedstawiana na
ciekżokrystalicznym wyżwietlaczu umieszczonym na tablicy wskażnikżw. Można wiżc
obserwoważ jak siż zmieniajż. Wysokiemu obciżżeniu (przyspieszanie, jazda pod
gżrż) towarzyszy niski stopież sprżania i wysokie ciżnienie dożadowania, co
zapewnia wysoki moment obrotowy i dużż elastycznożż silnika.
W miarż spadku obciżżenia maleje wydatek kompresora i rożnie stopież sprżania.
Na testowej trasie w okolicach Trollhattan, gdzie mieżci siż gżżwna siedziba
Saaba, miażem okazjż sprawdziż dożwiadczalnego Saaba 9-5 SVC i porżwnywalny pod
wzglżdem dynamiki model 9-5 z silnikiem V6 o pojemnożci 3 litrżw. Przy takim
samym stylu jazdy seryjne
auto potrzeboważo 12 I paliwa na 100 km, gdy SVC zadowalaż siż zużyciem o 30%
niższym. W takim samym stopniu ograniczona tez byża ilożż dwutlenku wżgla
wydobywajżcego siż z jego rury wydechowej. Mniej oczywiste jest natomiast, że
pod wzglżdem emisji tlenku wżgla, wżglowodorżw i tlenkżw azotu auto speżniażo
najostrzejsze normy czystożci spalin.
Piżciocylindrowa jednostkż jest prawdziwym inżynierskim
majstersztykiem
spis treżci
poczżtek strony
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Linkin Park Wszystko jest hybrydą Whitaker BradAutomatyka okrętowa – praca kontrolna 2 cmd=hrk praca&serwis=1Automatyka okrętowa – praca kontrolna 4praca w nadgodzinachpraca kontolnawięcej podobnych podstron