Marek Kuna-Broniowski 1, Izabela Kuna-Broniowska 2, Piotr Makarski 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wpływ dodatku HHO na zużycie paliwa w silnikach wysokoprężnych Wstęp Silnik z zapłonem samoczynnym (ZS) będący podstawowym źródłem napędu w transporcie wykazuje w praktyce eksploatacyjnej z reguły niższą sprawność niż ta osiągnięta w warunkach laboratoryjnych. Przyczyna tego leży zwykle w niepełnym spalaniu paliwa spowodowanym np. zbyt słabym rozpyleniem paliwa, zmianami jego własności pod wpływem temperatury itp. Poprawa jakości spalania i uniezależnienie jej od warunków spalania pozwala na polepszenie sprawności silników a co za tym idzie zmniejszenie kosztów eksploatacji. Jednym ze sposobów poprawy jakości spalania jest dodanie HHO do komory spalania, który poprzez współdziałanie atomów wodoru i tlenu umożliwiła pełniejsze spalanie paliwa. Istotną zaletą eksploatacyjną HHO jest to, że jest on wytwarzany w pojeździe na bieżąco z wody destylowanej. Przegląd literatury Globalne ocieplenie oraz zagadnienia związane z racjonalizacją zużycia energii zwłaszcza tej pochodzącej z ropy naftowej, jest jednym z głównych problemów przed którymi staje środowisko naukowe. Zainteresowania ośrodków naukowych skupiają się na opracowaniu technologii niższego zużycia paliwa i zmniejszenia emisji szkodliwych dla środowiska gazów. Poszukiwane są alternatywne rozwiązania, bez konieczności radykalnej zmiany w konstrukcji pojazdu. Wśród nich wymienić można stosowanie wodoru H2 jako paliwa alternatywnego, które zwiększa efektywność silnika i działa z prawie zerową emisją zanieczyszczeń. Wodór H2 jako paliwo pozwala uzyskać najlepsze efekty w przekazaniu energii [5]. Jednakże, z komercyjnego punktu widzenia, nie jest to rozwiązanie zadowalające. Budowa systemu, który generuje H2 i zintegrowanie całego systemu z zespołem napędowym sprawia, że koszt wytworzenia gazu i eksploatacji instalacji jest zbyt wysoka [6], w następstwie odbija się to na cenie rynkowej pojazdu. Aby zmniejszyć ilość potrzebnego do spalania, lecz kłopotliwego do uzyskiwania i przechowywania, wodoru sięgnięto po mieszaniny tego gazu z gazem ziemnym [7], [8]. Jednak ze względu na znaczne rozmiary takiego zestawu, również ten system nie spełnił wymagań stawianych systemom komercyjnym. Rozwiązaniem, które pozwala pogodzić wymóg kompaktowości oraz dodawanie wodoru do paliwa, jest stosowanie dodatku HHO, czyli tak zwanego gazu Browna [5],[2],[11]. Obecnie prowadzone badania dotyczące celek paliwowych HHO, mają głównie na celu zwiększenie ich wydajności oraz zredukowania ich wymiarów [1], [3]. Efekty termiczne wprowadzenia HHO do komory spalania Metoda generowania gazu HHO (tlenowo-wodorowego, Browna), stosowana w pracach badawczych, wykorzystuje podstawowe zasady prawa Faraday a [9]. Ogniwo elektrolityczne jest zastosowane do rozkładu wody destylowanej (H2O) w celu uzyskania HHO. Ciepło generowane w wyniku procesu elektrolizy, można ograniczyć dodając do wody, zarówno KOH, jak i NaHCO3. Elektryczne źródło zasilania jest podłączone do dwóch elektrod, zazwyczaj wykonanych z obojętnego chemicznie materiału przewodzącego takiego jak np. stal nierdzewna. W prawidłowo zaprojektowanej celi, wodór pojawi się na katodzie (skąd elektrony przedostają się do wody), a tlen pojawi się na anodzie. Zakładając doskonałą sprawność procesu Faraday a, uzyskana ilość wodoru będzie dwa razy większa niż ilość moli tlenu, a obie będą wprost proporcjonalne do całkowitego ładunku elektrycznego przepływającego przez roztwór. Poniżej przedstawiono reakcje które zachodzą na katodzie i anodzie [10]: 1 Prof. dr hab. M. Kuna-Broniowski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Podstaw Techniki 2 Dr hab. I. Kuna-Broniowska, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Zastosowań Matematyki i Informatyki 3 Dr P. Makarski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Katedra Podstaw Techniki Logistyka 5/2015 301
Katoda (redukcja): 2H 2 O + 2 e H 2 + 2OH (1) Anoda (oksydacja): 4OH O 2 + 2H 2 O + 4 e (2) Całkowity bilans reakcji: 2H 2 O 2H 2 (g) + O 2 (g) (3) Otrzymany w wyniku reakcji gaz HHO jest niezwykle wydajnym komponentem palnym pod względem konfiguracji atomowej paliwa. Wodór i tlen występują jako małe niezależne klastry, składające się z nie więcej niż dwóch atomów na jednostkę palną. Dla porównania - kropelka rozpylonego w cylindrze silnika oleju napędowego składa się wielu tysięcy dużych cząsteczek węglowodorów. Ta dwuatomowa konfiguracja gazu HHO powoduje wzrost efektywności spalania, ponieważ atomy wodoru i tlenu oddziałują bezpośrednio bez żadnych opóźnień propagacji zapłonu, wskutek krótkiego czasu reakcji powierzchniowej. W czasie zapłonu, jego przedni front płomienia przemieszcza się w cylindrze ze znacznie większą prędkością niż w zwykłym spalaniu mieszanki paliwo powietrze [6]. Fala ciepła i ciśnienia HHO generuje fragmentację kropelek paliwa i eksplodując przemieszcza je w kierunku tlenu, poprawiając efektywność spalania. To skutecznie poprawia jakość mieszaniny paliwowo-powietrznej dzięki czemu każdy tłok więcej energii przekazuje w cyklu spalania. Spalanie staje się bardziej efektywne co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa. Stanowisko badawcze Głównym celem prezentowanych badań było wykorzystanie własności wodoru w spalaniu paliwa w silniku, bez konieczności radykalnej zmiany w konstrukcji pojazdu i przy zachowaniu podstawowych oryginalnych parametrów silnika. Może to być osiągnięte przez wprowadzenie celki ogniwa HHO do systemu zasilania paliwa. Tak więc, paliwo staje się mieszaniną oleju napędowego i gazu HHO. Celka ogniwa HHO jest urządzeniem wytwarzającym gaz Browna i doprowadzającym go do powietrza zasysanego przez silnik do komory spalania. Gaz HHO jest wytwarzany w oparciu o proces elektrolizy, który rozkłada wodę destylowaną (H2O) do HHO [5]. W wyniku procesu elektrolizy jest generowane ciepło, w przeprowadzonych badaniach dodawano KOH, w celu przyspieszenia rozkładu H2O w HHO i zapewnienia kontroli wydzielania ciepła. Tak powstała mieszanina w wyniku rozpadu cząsteczki wody na HHO, posiada wysoką wartość kaloryczną, która jest w przybliżeniu 3 razy większa niż wartość kaloryczna oleju napędowego. Opracowane i wykonane w Katedrze Podstaw Techniki kompaktowe urządzenie do wytwarzania gazu HHO, w oparciu o proces elektrolizy (rys.1), zostało dostosowane do wymagań silników i może być zainstalowane w komorze silnika. Rys. 1 Schemat budowy i wygląd celki ogniwa HHO wykonanej w Katedrze Podstaw Techniki Uniwersytetu Przyrodniczego w Lublinie Źródło: opracowanie własne. Elektrody urządzenia zostały wykonane ze stali nierdzewnej kwasoodpornej i odseparowane od siebie elektrycznie za pomocą przekładek izolacyjnych. Dodatni biegun zasilania podłączony jest do anody, skąd 302 Logistyka 5/2015
prąd przepływa, poprzez elektrolit, do katody. Zestaw elektrod jest zamknięty w pojemniku ze szkła organicznego, który jest starannie uszczelniony aby zapobiec wydostawaniu się gazu. Pojemnik wypełniony jest wodą destylowaną z dodatkiem KOH aby zmniejszyć przewodność elektrolitu i zmniejszyć generację ciepła. Produkt elektrolizy, czyli gaz Browna, wydostaje się pod własnym ciśnieniem i doprowadzany jest do kolektora ssącego silnika, tak jak to pokazano na rysunku 2. Rys.2 Schemat stanowiska badawczego Źródło: opracowanie własne Wyniki badań Badania przeprowadzono na specjalnie opracowanym stanowisku badawczym. Składało się ono z silnika ZS, prądnicy, obciążenia elektrycznego i systemu pomiarowego (tab. 1). Tab. 1 Dane techniczne urządzeń stanowiska badawczego Silnik, model KM 186 Pojemność - średnica / skok tłoka Moc Prądnica moc/napięcie znamionowe Obciążenie Źródło: opracowanie własne Jednocylindrowy, 4-ro suwowy, chłodzony powietrzem, wysokoprężny 418 cm 3-86 x 72 mm 11 KM (8,0 kw) 6,0 kw / 230 V Rezystancyjne - Pmax = 6,6 kw Logistyka 5/2015 303
Rys.3 Wpływ dodatku HHO na sprawność energetyczną silnika Źródło: opracowanie własne Badania stanowiskowe były przeprowadzone przy stałej prędkości obrotowej n= 3 000 obr/min, natomiast obciążenie zmieniano płynnie od 0-6 kw. Badania wykonano według typowej metody BSFC (Brake specific fuel consumption) z której następnie wyliczono sprawność energetyczną η silnika w oparciu o znaną wartość opałową oleju napędowego wynoszącą 42 MJ/kg. Pomiary wykazały istotny wpływ dodatku HHO na sprawność silnika szczególnie w zakresie średnich obciążeń silnika. 304 Wnioski Cały cykl badań przeprowadzono na w pełni rozgrzanym i w idealnym stanie technicznym, nowym silniku, w okresie letnim przy temperaturze otoczenia w granicach 25 C. Analizując, wpływ dodatku HHO na przebieg procesu spalania w tych optymalnych warunkach pracy silnika jest stosunkowo najmniejszy. Warunki rzeczywiste użytkowania samochodu osobowego z silnikiem ZS związane są na ogół ze stosunkowo krótkimi trasami przejazdu. Zbyt krótka trasa przejazdu, zwłaszcza w okresie jesienno-zimowym, sprawia iż silnik przez cały okres pracy jest niedogrzany i jego sprawność wyraźnie spada - co przejawia się w zwiększonym zużyciu paliwa. W takich warunkach wpływ dodatku HHO na efektywność pracy silnika i zużycie paliwa powinien być znacznie wyraźniejszy. Streszczenie Silnik z zapłonem samoczynnym (ZS) wykazuje w praktyce eksploatacyjnej z reguły niższą sprawność niż ta osiągnięta w warunkach laboratoryjnych. Jednym ze sposobów poprawy jakości spalania jest dodanie HHO do komory spalania. W artykule przedstawiono wyniki badań przeprowadzone w za pomocą generatora HHO opracowanego i wykonanego w Katedrze Podstaw Techniki UP w Lublinie. Dodanie HHO do powietrza spalanego w silniku, przyniosło w rezultacie poprawę efektywności spalania, co w rezultacie skutkuje zmniejszeniem zużycia paliwa w pojeździe. Generator HHO dzięki swojej kompaktowej budowie może być łatwo umieszczony w komorze silnika większości pojazdów. Jego stosowanie nie wnosi dodatkowych zagrożeń eksploatacyjnych, gdyż wytwarzany gaz palny nie jest magazynowany lecz natychmiast spalany w silniku. Produkt do wytwarzania gazu - woda destylowana, jest tani i łatwo dostępny, zaś dodatek ułatwiający elektrolizę - w tym wypadku KOH, nie zużywa się trakcie procesu. EFFECT OF ADDITION OF HHO FUEL IN COMPRESSION-IGNITION ENGINE Abstract Compression-ignition engine as the primary source of propulsion for transport is operating in practice, as a rule, with a lower efficiency than that obtained under laboratory conditions. The reason for this is usually part of fuel combustion caused by different effects such as: too poor atomization of fuel, changes its properties under the influence of the temperature etc. To improve the quality of combustion and to separate her Logistyka 5/2015
from the combustion conditions allows to improve the efficiency of the engine and thus reducing operating costs. One such way is to add HHO to the combustion chamber, which through interaction of hydrogen atoms and oxygen prevented accurate fuel burning. An important advantage of the length of the HHO is that it is generated on the fly for the vehicle without the collection of the item of explosive gases and uses easily available substance that is most commonly distilled water. Literatura [1] Akikusa J., Adachi K., Hoshino K., Ishihara T., Takita Y.: Development of a low temperature operation solid oxide fuel cell. J. Electrochem. Soc. 2001;148:A1275 8 [2] Appleby A.J.: Fuel cell electrolytes: evolution properties and future prospects. J. Power Sources 1994,15 34. [3] Barclay F.J. : Fundamental thermodynamics of fuel cell, engine, and combined heat and power system efficiencies. P. I. Mech. Eng. A-J Powder 2002;216:407 17. [4] Batawi E.: High temperature fuel cell. United States Patent. 04/30/1996. US patent 5691075. [5] Brown Y.: Brown s gas. United States Patent. US Patent 4014,777; March 28, 1978. [6] Fanhua Ma, Mingyue Wang. Performance and emission characteristics of a turbocharged spark-ignition hydrogen-enriched compressed natural gas engine under wide open. Int. J. Hydrogen Energy 2010;35:12502 9. [7] Fanhua Ma, Yefu Wang, Shangfen Ding, Long Jiang.: Twenty percent hydrogen- enriched natural gas transient performance research. Int. J. Hydrogen Energy 2009;34:6523 31. [8] Fanhua Ma, Wang Yu, Haiquan Liu, Yong Li, Wang Junjun, Shuli Zhao.: Experimental study on thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn hydrogen enriched natural gas engine. Int J Hydrogen Energy 2007;32(18):5067 75. [9] Saed A. Musmar, Ammar A. Ai-Rousan: Effect of HHO gas on combustion emission in gasoline engine. International Journal of Fuel. 90, 2011, 3066-3070 [10] Yadav Milind S., Sawant S. M.: Investigations on oxy-hydrogen gas and producer gas, as alternative fuels, on the performance of twin cylinder diesel engine International Journal of Mechanical Engineering and Technology. 2011, Vol.2. Issue 2 May-July. [11] Yilmaz A.C., Uludamar E., Aydin K.: Effect of hydroxy (HHO) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines. Int. J. Hydrogen Energy 2010; 35:11366 72. Logistyka 5/2015 305
306 Logistyka 5/2015