Elementaire meettechniek (8)

Transcriptie

1 Elementaire meettechniek (8) E. Gernaat (ISBN ) 1 Meergastesters 1.1 Verbrandingstechniek 1.2 Inleiding Benzine, dieselbrandstof en LPG behoren scheikundig gezien tot de groep van koolwaterstoffen 1. In de scheikunde wordt koolstof aangeduid met de letter C en waterstof met de letter H. Nu bestaat benzine uit een mengsel van vele koolwaterstoffen waarvan oktaan (C 8 H 18 )de voornaamste is. Wanneer een stof zich verbindt met zuurstof (O 2 ) dan spreekt men van verbranding. Tijdens dit proces worden nieuwe stoffen gevormd, die we de verbrandingsgassen noemen. Scheikundig wordt dit in de vorm van een reactievergelijking opgeschreven: CH + O 2 CO 2 + H 2 O Deze reactievergelijking kan als volgt kan worden uitgelegd: Wanneer benzine (CH) wordt verbrand in de verbrandingskamer van de motor dan worden de koolwaterstofdeeltjes verbonden met de zuurstofdeeltjes. Dit gaat gepaard met een grote warmteontwikkeling. Na afloop zijn er nieuwe stoffen ontstaan nl. kooldioxide en water. Deze stoffen verlaten de motor als verbrandings- of uitlaatgassen. Dit is echter niet de praktische situatie. We werken niet met zuivere zuurstof maar met lucht. Lucht bestaat uit 20% zuurstof (O 2 ) en 80% stikstof (N 2 ). Hierbij hebben we gemakshalve kleine hoeveelheden andere gassen verwaarloosd. De eerder genoemde reactievergelijking gaat nu over in: CH + O 2 + N 2 CO 2 + H 2 O + N 2 Er verandert weinig. De stikstof doet niet mee aan de verbranding en verlaat - weliswaar opgewarmd- de verbrandingskamer. De stikstof zorgt ervoor dat de verbrandingstemperatuur beperkt blijft tot zo n 1500 o C. Deze situatie is correct wanneer de verbranding zelf ideaal verloopt en de benzine uitsluitend uit koolwaterstoffen bestaat. Hoewel het verbrandingsproces de laatste jaren enorm is verbeterd zijn er altijd nog zuurstof- en benzinedeeltjes die aan de verbranding geheel of gedeeltelijk ontsnappen. Ook is het bijzonder moeilijk om precies de juiste hoeveelheid benzine en lucht te mengen zodat praktisch de volgende reactievergelijking ontstaat: 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1

2 CH + O 2 + N 2 CO 2 + H 2 O + N 2 + CO + CH + O 2 + NO x Nieuw na het teken is: CO of koolmonoxide, een onvolledig verbrand gas; CH of onverbrande benzinedeeltjes; O 2 of zuurstofdeeltjes die niet aan de verbranding hebben deelgenomen; NO x bestaat uit NO 2 en NO 3. Dit zijn zijn stikstofverbindingen die alleen onder hoge verbrandingstemperaturen ontstaan. Van al deze gassen wordt als schadelijk ervaren: CO 2, is verantwoordelijk voor het broeikaseffect (opwarmen van de aarde). Bij grotere concentraties, door belemmering van de eigen CO 2 afgifte ook direct gevaarlijk voor mens en dier; CO, al in kleine concentraties dodelijk voor mens en dier (kolendampvergiftiging); NO x, is behalve kankerverwekkend ook verantwoordelijk voor de zure regen; HC, is kankerverwekkend. De vaste deeltjes, die bij de mengselmotoren maar in geringe hoeveelheden geproduceerd worden, zijn in de orde van grootte van 2 micron. Deeltjes kleiner dan 6 micron worden gevaarlijk geacht. De uitstoot van vaste deeltjes vindt vooral plaats bij de zgn. arme mengselmotoren. Omdat CO 2 een natuurlijk verbrandingsproduct is wordt dit gas meestal niet meegenomen in de beschouwing van schadelijke stoffen. Wanneer we ons in eerste instantie richten op de mengselmotor dan bedragen de direct schadelijke bestanddelen (dus zonder CO 2 ) slechts 1 procent van de totale hoeveelheid. Deze laten zich weer als het volgt onderverdelen. CH, 0,060 % of 600 ppm; NO x, 0,085 % of 850 ppm; CO, 0,850 % of 8500 ppm; restgassen waaronder vaste deeltjes 0,005 % of 50 ppm. Fig. 1 geeft deze verdeling grafisch weer. De Dieselmotor werkt met een luchtoverschot. In vergelijking met de mengselmotor kunnen we stellen dat: de CO-uitstoot ongeveer 30% lager ligt; de HC-uitstoot gelijk blijft of iets lager komt te liggen; het NO x -gehalte 3x zo hoog ligt; De vaste deeltjes-uitstoot (voornamelijk roet) ongeveer 7x zo hoog is; De conclusie is duidelijk. Bij de Dieselmotoren zal vooral de NO x en het roet moeten worden aangepakt. Technisch wordt door effectieve(re) verbranding, toepassing van katalysatoren, uitlaatgasrecirculatie en roetfilters, de uitstoot van CO, HC, NO x en vaste deeltjes al drastisch beperkt. De verwachting is dat het verminderingsproces tot ongeveer 2020 doorgaat. De uitstoot van kooldioxide (CO 2 ) zal echter toenemen. 2

3 O2 + argon N2 H2O CO % 1% schadelijk CO CH NOx 1 % = ppm diversen 0 0,5 1 % ppm Figuur 1: Globale samenstelling van het uitlaatgas van een mengselmotor. Van de 1 % schadelijke bestanddelen vormt het CO-gas het hoofdbestanddeel (1% komt overeen met ppm (parts per million)). 1.3 Verbrandingstechniek in detail We kunnen het vorige hoofdstuk uitbreiden met wat meer details. We gaan uit van de volgende gegevens: s.m. normale benzine (ρ b ) bedraagt 0,74 kg/l. Dus 1 liter benzine weegt 740 g; lucht is een mengsel van 78 % stikstof (N 2 ) en 21 % zuurstof (0 2 ). Het restant bestaat hoofdzakelijk uit Argon en CO 2 ; benzine is een mengsel van C n H 2n+2 verbindingen van C 5 H 12 tot C 10 H 22 ; het atoomgewicht van waterstof (H) is 1, van koolstof (C) 12 en van zuurstof (0) 16; als gemiddelde moleculaire benzinemassa mag nonaan (none=9) worden aangenomen. De chemische formule van nonaan is: C 9 H 20 ; het moleculair gewicht is de som van de atoommassa s van een molecuul. Dus het moleculairgewicht van C 9 H 20 bedraagt 9 x 12 g + 20 x 1 g = 128 g of anders gezegd 1 Mol benzine = 128 gram-atomen; De volledige verbranding van benzine (C 9 H 20 ) met zuurstof (O 2 ) kan worden weergegeven door de volgende reactievergelijking: C 9 H 20 + xo 2 yco 2 + zh 2 O Nu moet de reactievergelijking kloppend worden gemaakt. Ingevuld geeft dit: C 9 H O 2 9CO H 2 O Controleer dit maar. We hebben 18 zuurstofatomen nodig om de 9 koolstofdeeltjes om te zetten naar CO 2 en we hebben 10 zuurstof atomen nodig om de twintig waterstofatomen om te zetten naar H 2 O. Het totaal bedraagt 28 atomen zuurstof of 14 moleculen zuurstof. Nu gaan we weer de atoomgewichten 3

4 invullen: C 9 H 20 = 9 x x 1 = 128 g 14O 2 = 28 x 16 = 448 g 9CO 2 = 9 x x 16 = 396 g 10H 2 O= 20 x x 16 = 180 g Hier staat dus: 128 g koolwaterstoffen die verbranden met 448 g zuurstof leveren na verbranding 396 g kooldioxide op en 180 g water of: 128 g CH g O g CO 2 en 180 g H 2 O Hieruit kunnen we concluderen dat uit 128 g benzine 180 g water ontstaat. Rekenen we dit om naar liters dan gaat het om 128 g / 740 g/l = 0,1730 l benzine op 180 g / 1000 g/l = 0,1800 l water. Anders gezegd: 1 liter benzine produceert 1/0,173 x 0,18 = 1,04 liter water. De andere genoemde stoffen zijn in gasvorm zodat we de genoemde grammen om zouden moeten zetten naar m 3. Indien gewenst kan dit gebeuren met behulp van de Avogadro-constante die stelt dat het moleculair gewicht overeenkomt met 22,4 l/mol. De 396 g CO 2 komt dan overeen met 396 g x 22,4 g/l = 8870,4 l of 8,8 m 3 2 Infrarood-uitlaatgastesters Viergas-uitlaatgastesters kunnen de hoeveelheid CO, HC CO 2 en O 2 bepalen. Een vijfgastester meet tevens de hoeveelheid NO x. Ook geven de meters het lambda-getal als berekende grootheid uit de vier gemeten gassen aan. Voor het meten van CO, HC en CO 2 wordt overwegend het infrarood meetprincipe toegepast. Dit meetprincipe maakt gebruik van de eigenschap dat het CO, HC en CO 2 gas infraroodstraling (warmte) absorbeert. Nu heeft het HC-gas de eigenschap om infraroodstraling met een frequentie van 350 khz te absorberen, het CO 2 -gas doet dit voor een frequentie van 420 khz en het CO-gas voor 450 khz. Voor de meting van CO, HC, CO 2 gaan we uit van een apparaat dat infraroodstraling met een frequentie tussen de 350 en 450 khz produceert en waarvan we de intensiteit (hoeveelheid warmte) exact weten. Wanneer we vervolgens het uitlaatgas door het apparaat leiden dan zal de intensiteit van de genoemde infraroodfrequenties dalen. Deze daling is een maat voor de hoeveelheid passerend gas. De meting voor CO 2, CO en HC zal in afzonderlijke meetkamers moeten gebeuren. We nemen als voorbeeld de meting van CO 2. De infraroodstraler geeft bij C infraroodstraling af. De hoeveelheid straling wordt stootsgewijze gedoseerd door een roterende vleugelschijf (een chopper) en passeert een meetcel. Ook het uitlaatgas wordt wordt door de meetcel geleid (fig. 2). Door het CO 2 aandeel in het uitlaatgas zal de intensiteit van de 420 khz infraroodstraling in de meetkamer dalen. De resterende hoeveelheid 4

5 IR straler o khz khz voor CO detectiekamers 2 vermindering door uitlaatgas 1 2 CO 2 CO 2 temp.stijgt meetcel hittedraad elektromotor uitlaatgas volgende cel meet brug uitgang chopper voor dosering Figuur 2: De meetcel voor de infraroodmeting van CO 2 straling komt vervolgens in de eerste detectiekamer terecht. Deze kamer is gevuld met CO 2 gas en hermetisch afgesloten. Hoe minder er door het uitlaatgas aan 420 khz straling is geabsorbeerd des te meer kan er door het testgas worden geabsorbeerd. Door de absortie zal de temperatuur van het CO 2 testgas en daardoor de druk in de detectiekamer 1 stijgen. Nu staat de 1e detectiekamer door een klein kanaal in verbinding met een 2e kamer. In dit kanaal is een soort hittedraad als stromingsmeter gemonteerd (hittedraad: stroming geeft afkoeling geeft weerstandsverandering). Door de drukverhoging van de eerste kamer zal een zekere hoeveelheid CO 2 gas naar de andere kamer stromen. De hoeveelheid hiervan staat (indirect) in relatie met de hoeveelheid CO 2 in het uitlaatgas. De stromingsmeter meet deze hoeveelheid d.m.v. weerstands-verandering van de hittedraad. Met behulp van een brug van wheatstone (meetbrug) wordt deze weerstands-verandering in een elektrische spanning omgezet. Vanaf dit punt kan de spanning worden gedigitaliseerd en aan een processor voor verdere bewerking worden aangeboden. De uitgangsspanning van de CO 2 -cel zal het grootste zijn wanneer het uitlaatgas (theoretisch gesteld) geen CO 2 zou bevatten en de spanning zal lager worden naarmate het uitlaatgas meer CO 2 bevat. Om het geheel te ijken zal op gezette tijden lucht door de meetcel worden geblazen. De uitgangsspanning zal dan maximaal worden omdat de intensiteit van de 420 khz straling alleen maar door de detectiekamer wordt geabsorbeerd. (Opmerking: de buitenlucht bevat ongeveer 0,03% CO 2 terwijl het uitlaatgas van een motor ongeveer 15% bevat) 2.1 O 2 en NO x meting Zgn. actieve sensoren worden voor deze meting ingezet. Actieve sensoren zetten de gemeten waarden direct om in een spanning. De O 2 - en NO x -sensor hebben een beperkte levensduur en moeten na een paar jaar worden vervangen. De zuurstofsensor bestaat meestal uit een poreuze met goud opgedampte 5

6 teflon folie, lood elektrodes en accuzuur. Wanneer men op de sensor een voedingsspanning aansluit van 200 mv dan varieert de stroom tussen de 0 en 100 µa, afhankelijk van het zuurstofgehalte. 2.2 De λ-waarde De op de viergastester aangegeven λ-waarde geschiedt niet door meting maar door berekening. Men gebruikt hiervoor de vereenvoudigde formule van Brettschneider. In deze formule wordt de hoeveelheid CO 2, CO, O 2 en HC-gas gebruikt. De formule luidt: λ = CO 2 + CO 2 +O 1,51 2+( 3,5+ C02 CO 0,0088)(CO 2 +CO) 1,42(CO 2 +CO+8HC) Een hoeveelheid C0 2 van 15,9%, CO van 0,011%, 0 2 van 0,1% en HC van 0,0015% geeft een berekende waarde van λ = 1, Uitlaatgasmeetwaarden met de 4/5 gastester De uitlaatgasmetingen vinden in de werkplaats voornamelijk plaats met onbelaste motor op bedrijfstemperatuur en na de katalysator. Een betere indruk zou worden verkregen door te meten in belaste toestand en voor de katalysator. Helaas is dit in de praktijk meestal niet haalbaar. Er wordt gemeten in (volume) procenten of parts per million (ppm). (1% = ppm) De richtwaarden hebben hier dan ook betrekking op. Figuur 3: Crypton viergastester bij de rollenbank (ROC van Twente) 6

7 De HC-waarde (richtwaarden tussen de 10 tot 100 ppm) Hoge HC-waardes worden veroorzaakt door te veel onverbrand mengsel in het uitlaatgas. De CO-waarde (richtwaarden tussen 0,01% en 1%) Te hoge CO-waarden duiden op een onvolledige verbranding. De CO 2 waarde (richtwaarde tussen 13% en 15%). Veel CO 2 ontstaat bij volledige verbranding. In principe: hoe hoger het CO 2 gehalte, hoe beter het verbrandingsverloop. Lage CO 2 waarden duiden op een te arm of te rijk mengsel of een lekkage in het uitlaatsysteem. Het O 2 gehalte (richtwaarde 0,2% - 2%) Het zuurstofgehalte dient laag te zijn. Bij een niet goed verlopende verbranding kan het O 2 gehalte stijgen. Ook bij lekkages in het uitlaatgedeelte zal het O 2 gehalte oplopen. Het NO x gehalte (10-40 ppm) Het meten van NO x wordt bij stationair draaiende motoren niet als zinvol ervaren. NOx wordt gevormd boven de C verbrandingstemperatuur. Deze temperaturen treden alleen op bij belaste motoren. Bij een defecte EGR-klep en belaste motor kunnen de NO x waarden oplopen tot een paar duizend ppm. Fig. 4 laat de uitlezing van een viergastester zien. De viergastester was aangesloten op een wat oudere auto met carburateur en bobine-ontsteking met verdeler en contactpunten. Figuur 4: Uitlezing van een viergastester in de werkplaats 3 Roetmeting Roet (C) ontstaat voornamelijk bij Dieselmotoren ten gevolge van inwendige drukverhoging van brandende brandstofdruppeltjes. De verhoging van de druk 7

8 aan de buitenzijde doet inwendig kooldeeltjes ontstaan. De hoeveelheid geproduceerde roet hangt bij eenzelfde motor af van de belasting. Meer brandstof, minder luchtoverschot, meer roet (fig.5). De roetmeting geschiedt tegen ,15 concentratie (Vol ppm) luchtoverschotsgetal (lambda) CO HC NOx roet 0,1 0,05 0 roet (g/m3) Figuur 5: De relatie tussen de hoeveelheid roet, CO, HC en NOx t.o.v. de luchtverhouding bij een direct ingespoten motor woordig door een optisch meetprincipe volgens de absorbtiemethode. In deze zgn. opaciteitsmeting wordt de lichtdoorlaatbaarheid of vertroebelingsgraad van de gassen gemeten. Men maakt hiervoor gebruik van een lichtstraal verkregen door een groene led en een foto-elektrische cel (16 mv komt overeen met 50% vertroebeling). Slechts een deel van de uitlaatgassen wordt door de meetbuis gevoerd. Er wordt geen aanzuiging toegepast. De optische vensters worden van roet vrijgehouden door voorbijstromende lucht. De lengte van de meetkamer bedraagt exact 550 mm (fig. 6). De maximale lichtdoorlaat wordt Figuur 6: Doorsnede van een roetmeter. 1 meetsonde, 2 groene led, 3 ventilator, 4 compensatie spoellucht, 5 klep voor kalibratie, 6 verwarming, 7 foto-elektrische cel, 8 verwerkingselektronica. 8

9 op 0% gesteld en een algehele verduistering op 100%. De mate van verduistering (vertroebelingsgraad) in procenten wordt rekenkundig omgezet in een lichtabsorbtie-coëfficiënt de zgn. K-waarde. In formulevorm: waarin: K= -1/L.Ln (1-N/100) K = lichtabsorbtiecoëfficiënt m 1 L = lengte van de meetbuis in m N = opaciteit in % Ln = natuurlijke logaritme Fig. 7 geeft eerder genoemde relaties weer. K 10 8 absorbtiecoefficient m vertroebelingsgraad % Figuur 7: De relatie tussen de K-waarde in m 1 en vertroebelingsgraad in procenten 3.1 Meetprocedure voor de K-waarde Roetmeting is alleen zinvol onder vollast condities. Metingen kunnen worden uitgevoerd op een rollentestbank of volgens de vrije acceleratiemethode. Door maximaal te accelereren wordt gedurende de acceleratietijd het volle vermogen van de motor aangesproken. De meting volgens de vrije acceleratiemethode wordt verkregen door vanuit het stationair toerental maximaal te accelereren naar het maximum afgeregelde toerental. Vervolgens dient de motor een aantal seconden op het maximum toerental te draaien (fig. 8). De meting dient een aantal malen (3x) te worden herhaald om een stabiele uitlezing te krijgen. Momenteel is 1 meting voldoende. De maximale K-waarde wordt door de meetapparatuur weergegeven. Voor de toelaatbare K-waarde worden voertuigen in twee katagorieën ingedeeld: 1. atmosferische Dieselmotoren. K-waarde maximaal 2,5 m 1 2. turbo Dieselmotoren. K-waarde maximaal 3,0 m Analyse van de K-waarde grafiek Een goede diagnose mogelijkheid geven grafische voorstellingen van het verloop van de k-waarde en het toerental van de motor. De afbeelding van fig. 9 9

10 n max. toerental n stat. n90 n10 t10 t90 acc. tijd meettijd stabilisatie tijd stat. stabililisatietijd tijd gaspedaal ingetrapt Figuur 8: Uitvoeringsvoorwaarden van de vrije acceleratiemeting voor roetmeting. De acceleratietijd moet lineair oplopen en tussen de 0,5 en 2,0 s zijn. geeft een correct diagram van een indirect ingespoten dieselmotor met turbocompressor van een personenauto. In de afbeelding begint de K-waarde duidelijk onder de 0,3 m 1. Dit punt geeft de k-waarde bij onbelast stationair draaiende motor weer. Zie de bovenliggende toerentallijn. Tijdens de acceleratiebelasting, stijgt de K-waarde tot de maximum waarde van 1 m 1. Na het bereiken van het afgeregelde toerental, (het horizontaal gedeelte van de bovenste lijn) neemt de toerentalregelateur de inspuithoeveelheid zo ver terug, dat de motor onbelast op het maximum afgeregelde toerental verder draait. Nu daalt de K-waarde duidelijk. Bij het bereiken van het afgeregelde maximum toerental moet de K-waarde 30 tot 40% ten opzichte van de maximum waarde gedaald zijn. Als het gaspedaal wordt losgelaten, moeten toerental en K-waarde terugvallen naar de waarden, zoals die in de begintoestand gemeten zijn. 100 % m t/min o sec Figuur 9: Het verloop van de K-waarde en het toerental als functie van de tijd 10

11 4 Vragen en opgaven Zie boek 11