Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire

Transcriptie

1 Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire door Kevin Huyge Bart Van Cauwenberge Promotor: Prof. dr. ir. R. Sierens Begeleider: ir. S. Verhelst Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur Academiejaar

2 Dankwoord i Dankwoord Eerst en vooral hadden we graag Prof. dr. ir. R. Sierens, onze promotor, willen bedanken voor de opvolging van deze scriptie, het ter beschikking stellen van de proefstand en de nuttige opmerkingen en raadgevingen. Verder gaat onze dank uit naar ir. S. Verhelst, onze begeleider, voor de talrijke suggesties en het aanreiken van achtergrondinformatie. Uiteraard was deze scriptie niet mogelijk geweest zonder Dhr. R. Janssens die steeds met toewijding en een praktische ingesteldheid de proefstanden wist aan te passen en te bedienen. Meer dan éénmaal werd de praktische oplossing van problemen mogelijk gemaakt door zijn uitgebreide ervaring en kennis op het gebied van motoren. Telkens we problemen hadden met elektrische aansluitingen en sturingen konden we rekenen op de hulp van ing. R. De Jaeger, die de oorzaken vakkundig wist op te sporen en steeds voor een geschikte oplossing zorgde. Ook hadden we graag Dhr. R. De Smet bedankt voor de hulp bij het ontwerpen van de cardankoppeling. Verder wensen we dr. ir. M. De Paepe te danken voor de goede raad bij het opstellen van de koelkring en de aankoop van de warmtewisselaar. Ook de andere medewerkers van het laboratorium hadden we willen bedanken voor hun praktische hulp. We denken daarbij vooral aan het secretariaat en de computerverantwoordelijke. Tot slot wensen we nog onze ouders, vrienden, vriendinnen en familie te bedanken voor alle denkbare steun en aanmoedigingen gedurende onze volledige opleiding. Bart en Kevin

3 Overzicht ii Overzicht Opbouw van een waterstofmotor op proefstand en verder onderzoek naar backfire door Kevin HUYGE en Bart VAN CAUWENBERGE Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur Academiejaar Promotor: Prof. dr. ir. R. Sierens Begeleider: ir. S. Verhelst Universiteit Gent - Faculteit Toegepaste Wetenschappen Vakgroep Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Laboratorium voor Vervoertechniek Overzicht In hoofdstuk 1 wordt kort geschetst wat de problemen zijn bij het werken met waterstof. Tevens wordt er vermeld wat precies het doel van deze scriptie is. In hoofdstuk 2 wordt er een algemeen overzicht gegeven van wat er over het fenomeen backfire geweten is. Er worden ook enkele suggesties gedaan voor het vermijden van backfire. In hoofdstuk 3 is er beschreven welke metingen dit jaar verricht zijn in het kader van het backfire onderzoek op de V8-motor. Dit is een project dat reeds meerdere jaren loopt. Dit onderzoek werd dit jaar afgerond. In hoofdstuk 4 wordt de opbouw van een nieuwe ééncilinderproefstand in detail geschetst. Tevens worden er enkele suggesties gedaan voor het toekomstige onderzoek op deze motor. Hoofdstuk 5 geeft een kort overzicht van de resultaten bekomen in hoofdstuk 3 en 4. Trefwoorden: Backfire, waterstofmotor, ééncilindermotor, motormanagementsysteem

4 Toelating tot bruikleen iii Toelating tot bruikleen De auteurs geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. 1 juni 2002 Kevin Huyge Bart Van Cauwenberge

5 Inhoudstafel iv Inhoudstafel Dankwoord... i Overzicht... ii Toelating tot bruikleen... iii Inhoudstafel... iv Hoofdstuk 1: Inleiding... 1 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie... 3 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Bepalen van het bovenste dode punt Veranderingen aan de proefstand Fueltrim per cilinder Drukdiagramma s Klop voor backfire Lage drukken in cycli na backfire Herstel van backfire Herneming met klop Herneming zonder klop Individueel wijzigen van de voorontsteking Effect van turbulentie Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor De motor Mechanisch gedeelte van de opbouw Cilinder + Keuze van de zuiger Vastleggen van de compressieverhouding Opmeten schadelijke ruimte De cilinderkop Opmeten van het nokprofiel Vastleggen van de kleptiming en bepalen klepoverlapping Inlaat Algemeen Berekenen debiet waterstofinjector Uitlaat... 39

6 Inhoudstafel v 2.5. Koelkring Berekening van het af te voeren vermogen Opbouw van de koelkring De warmtewisselaar De circulatiepomp Conventionele werking Expansievat Thermokoppel Temperatuur sensor Uiteindelijke koelkring Reminstallatie Aandrijving nokkenas Elektrisch gedeelte van de opbouw Het motorbesturingssysteem Installatie van het systeem Ref/Sync signaal Bougie Ontstekingsspoel Andere sensoren en signalen Injector Aansluiting PC Overzicht MAP-sensor Drukopnemer Testen van de motor Toekomst Hoofdstuk 5: Besluit Appendices Appendix A: Drukdiagramma s van een typische aanloop naar backfire Appendix B: Code Matlab-programma Appendix C: Offerte voor de warmtewisselaar van Alfa Laval Appendix D: Tekening cardankoppeling Appendix E: Aansluitschema s MoTeC Appendix F: Directory-structuur van de MoTeC-software... 95

7 vi Appendix G: Lijst van gecontacteerde bedrijven Appendix H: Prijslijst opbouw ééncilinder motor Appendix I: CD-ROM Referenties

8 Hoofdstuk 1: Inleiding Hoofdstuk 1: Inleiding De steeds strenger wordende milieueisen op het gebied van uitstoot van uitlaatgassen (cfr. protocol van Kyoto dd. 10 december 1997) en de begrensdheid van de voorraad fossiele brandstoffen indachtig, is men reeds jaren op zoek naar meer milieuvriendelijke transportmiddelen. In het licht hiervan is men in het Laboratorium voor Vervoertechniek van de Universiteit Gent reeds geruime tijd bezig met onderzoek op waterstofverbrandingsmotoren. Waterstof biedt immers het voordeel dat de uitlaatgassen zuiver zijn, en vooral dat het op deze planeet in overvloed beschikbaar is. De toepassing van waterstof is echter niet triviaal. Er stellen zich namelijk een aantal problemen. Vooreerst is het vermogen dat men tot nu toe met waterstofmotoren kan bereiken eerder beperkt. Bij een hoge rijkheid van het verbrandingsmengsel treedt er immers een vroegtijdige verbranding op, nog voor de inlaatklep gesloten is. Dit fenomeen wordt backfire genoemd. Een ander punt waar de nodige aandacht moet aan besteed worden is het feit dat de fysische en chemische eigenschappen van waterstof sterk verschillen van die van conventionele brandstoffen. We denken hier bijvoorbeeld aan de lage ontstekingsenergie en de brede ontstekingsgrenzen van een waterstof-lucht mengsel. Dit zijn factoren die maken dat er bijzondere aandacht moet besteed worden aan de productie en de opslag van waterstof. Wat wij in dit afstudeerwerk willen bereiken is een beter begrip van het fenomeen backfire. In het laboratorium zijn twee motoren ter beschikking die uitgerust zijn voor het gebruik van waterstof als brandstof. De eerste is een GM Big Block V8 7.4l motor met multipoint gasinjectiesysteem, en de tweede is een Waukecha CFR-motor. Een CFR-motor (Cooperative Fuel Research engine) is een motor met variabele compressieverhouding die oorspronkelijk ontworpen is voor het bepalen van het octaangehalte van oliedestillaten. Zoals hierna duidelijk wordt, is het bij het onderzoek naar backfire aangewezen bepaalde eigenschappen van de motor te kunnen wijzigen. Wanneer men dus een geometrische aanpassing wil doen aan de cilinder moet in het geval van de V8-motor elke cilinder afzonderlijk aangepast worden. Het is duidelijk dat dit een zeer omslachtige werkwijze is. Een ander nadeel bij het werken met de V8-motor is het grote brandstofverbruik. De CFR-motor heeft dit nadeel niet, daar het een ééncilindermotor is. Het nadeel van deze motor is dat zijn toerentalbereik beperkt is. Het is een middelsnellopende motor met een 1

9 Hoofdstuk 1: Inleiding maximaal toerental van 900 rpm. De nadelen van beide motoren maken dat ze niet de meest geschikte zijn om dieper onderzoek naar backfire te doen. Daarom werd er besloten een nieuwe proefstand op te bouwen. Hiervoor is er een ééncilinder AUDI-NSU-motor ter beschikking. Doordat er maar één cilinder is, is het veel eenvoudiger de geometrie van de motor te wijzigen. Het onderwerp van ons afstudeerwerk is dus enerzijds het afronden van het backfire onderzoek op de achtcilinder motor, en anderzijds het op proefstand zetten van de ééncilinder AUDI-NSU-motor, zodat daar in de toekomst dieper onderzoek op gedaan kan worden. 2

10 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Het fenomeen backfire Backfire is de ontbranding van de verse lading (waterstof / lucht) in de cilinder voor de inlaatklep sluit. Het gevolg is een luide knal en een vlam in het inlaatkanaal. De verminderde lading in de cilinder tijdens de daaropvolgende arbeidsslag zorgt voor vermogen- en koppelverlies. Het kan zelfs leiden tot stilvallen van de motor. Over backfire zijn al heel wat artikels verschenen. Het is dan ook zowat de meest beperkende factor voor de bruikbaarheid van waterstofmotoren (naast een eventuele te vroege ontsteking). Andere termen die in de literatuur gebruikt worden voor hetzelfde fenomeen zijn bvb. backflash, pre-ignition en auto-ignition. Wij zullen in het vervolg steeds de term backfire gebruiken. Pre ignition zullen we gebruiken voor te vroege ontsteking die zich nog niet in het stadium van backfire bevindt. Het optreden van backfire is moeilijk te voorspellen. Algemeen doet het zich voor bij hoge toerentallen en zware (thermische) belasting. Typisch is het een gevolg van weglopende gloeiontsteking die overgaat in backfire [5]. De precieze oorzaken kent men echter niet, maar men gaat ervan uit dat het een samenspel is van verschillende fenomenen. Hot spots Een veelbelovende verklaring was die van de zogenaamde hot spots [9]. Dat zijn plaatsen in de verbrandingskamer die zo warm zijn dat ze de verse lading kunnen ontsteken (dus ongestuurd). Verschillende experimenten namen dan ook extra maatregelen om mogelijke hot spots te vermijden. Voorbeelden daarvan zijn het koelen van de bougie en het koelen van de klepzittingen [1], [8], [9]. Helaas werd backfire daardoor enkel uitgesteld tot hogere rijkheden en niet vermeden [9]. Mogelijks volstonden de maatregelen niet om alle hot spots te vermijden. Belangrijker is dat deze theorie niet kon verklaren waarom backfire soms optrad tijdens het starten of bij een koude motor. 3

11 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Katalytische effecten Aansluitend bij de hot spots ontdekte men dat in sommige gevallen backfire bevorderd werd door de katalytische werking van de materialen waarmee de lading in contact komt. [10] Terugvloeiende gassen tijdens zuigslag [7] Men probeerde een verband te vinden tussen de temperatuur van de elektrodetip van de bougie en het optreden van backfire. Merkwaardig genoeg vond men dat backfire gemakkelijker optrad bij lagere elektrodetip temperaturen en een compressieverhouding van 10:1 dan bij een hogere elektrodetip-temperatuur en een compressieverhouding van 12:1. Daaruit concludeerde men dat er niet per se een verband is tussen de temperatuur van de elektrodetip en het optreden van backfire. Aangezien voorgaande theorieën niet volstonden, ging men op zoek naar een nieuwe verklaring. Daartoe installeerde men twee lenzen die het spectrum van OH radicalen kunnen waarnemen. Na testen merkte men dat, in het geval van backfire of pre-ignition, de verbranding, dus de productie van de OH radicalen, niet enkel aan de bougie begon. Daarna installeerde men een hoge snelheidsvideocamera die gericht stond op de bovenste rand van de zuiger (waar men een bron van radicalen opgemerkt had) zoals te zien op figuur 2.1. Figuur 2.1 Tegelijkertijd maakte men een aangepaste zuiger waar de zuigerspeling plaatselijk vergroot was (in het zicht van de camera). Deze keer zag men op de camera dat bij pre-ignition de verbranding vanuit dat gedeelte begon. Hoogstwaarschijnlijk was dat te wijten aan een brandbaar mengsel dat vantussen de zuigerveren terug in de verbrandingskamer terechtkwam. 4

12 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Bij benzine motoren is de blusafstand ongeveer 0.3mm. Zoals te zien is op figuur 2.2 is deze bij waterstof ongeveer negen keer kleiner. Het gevolg hiervan is dat wanneer men een benzinemotor op waterstof laat werken, de vlam zich kan voortplanten in de smalle ruimte tussen zuiger en cilinder. Men suggereert dat het gevolg daarvan een vertraagde verbrandingsreactie tussen de zuiger en de cilinderwand is. Wanneer het verse mengel daarmee in contact komt, kan het ontsteken. Helaas was het verschijnsel ook deze keer niet voorspelbaar: soms trad het wel en soms trad het niet op. Daardoor veronderstelde men dat het mengsel op die plaats niet altijd de ontstekingsvoorwaarden bereikte. Figuur 2.2 Opnieuw is deze verklaring niet voldoende om alle gevallen van backfire en pre-ignition te verklaren. Wederzijdse inductie van bougiekabels In sommige experimenten met meercilindermotoren trad backfire op als gevolg van de inductie van bougiekabels van verschillende cilinders op elkaar [10]. Dat is overigens vrij eenvoudig te vermijden door de kabels van de verschillende bougies niet samen te binden. Nuclear Ignition Theory Reeds in 1948 [10] merkte men dat kleine partikels die in de inlaat geblazen werden klop en voorontsteking bevorderden. Zo ontstond de theorie dat pyrolyse van smeerolie zulke partikels in de verbrandingskamer introduceerde en voorontsteking veroorzaakte. Die theorie is overigens al door vele experimenten bevestigd. 5

13 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Residuele Gassen Tijdens de inlaatslag vindt er menging plaats van de residuele gassen met de verse lading. In dat proces onderscheidt men het verwarmen en het verdunnen. Bij benzinemotoren treedt de verdunning van het verse mengsel door restgassen op voordat de brandstofconcentratie in het mengsel de onderste ontstekingsgrens heeft bereikt en voordat het mengsel de ontstekingstemperatuur bereikt. Bij waterstof daarentegen is die ontstekingsgrens zo laag dat het mengsel nog niet voldoende verdund is vooraleer de ontstekingstemperatuur bereikt wordt. Men voerde experimenten uit met poorten die het waterstofgas slechts gedurende een bepaalde periode doorlieten (cfr. laattijdige inspuiting). Men merkte dat het feit dat er in het begin enkel zuivere lucht in verbrandingskamer komt, de restgassen afkoelt en een gunstig effect heeft op de mogelijke belasting van de motor. Echter deze experimenten wezen ook uit dat pre-ignition niet altijd dezelfde oorzaak had en dat backfire niet altijd het directe gevolg was. De waargenomen verschijnselen net voor het optreden van backfire doen vermoeden dat de oorzaak meer van plaats veranderde dan men van een hot spot zoals een bougie zou kunnen verwachten. Mogelijke aanpassingen om backfire te voorkomen Over sommige aanpassingen zijn de meningen verdeeld, andere worden zowat door iedereen erkend als manieren om backfire uit te stellen. Deze laatste worden hieronder opgesomd: 1 Koelen van o.a. klepzittingen en bougies om hot spots te voorkomen [1], [9], [13] 2 Gebruik van koude bougies [8], [9] 3 Glad maken van onbewerkte gegoten onderdelen [10] 4 Elektrodeafstand van de bougie versmallen [10] 5 Kleinere zuigerspeling om olieresiduen te vermijden in de verbrandingskamer [1] 6 Aanpassingen aan de ontsteking om residuele spanningen te vermijden [1], [6], [9] 7 Late injectie [8], [10] of directe injectie [12] 6

14 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie Interne mengselvorming onderdrukt backfire aangezien de inlaatklep al gesloten is vooraleer de injectie gebeurt [12], [13]. Het probleem van te vroege ontsteking van het mengsel bleef echter. In [13] onderzocht men zowel late injectie op hoge druk als vroege injectie op lage druk. In het eerste geval was λ=1 mogelijk zonder extra maatregelen. Op de Ford P2000 motor leverde het gebruik van 2 injectoren bij verschillende injectieduren en timing geen meetbaar voordeel waardoor men de maximale rijkheid zou kunnen verhogen [3]. Hierbij moet opgemerkt worden dat het een motor is met externe mengselvorming en dat er enkel geïnjecteerd werd toen de inlaatklep geopend was. Aangezien die motor sowieso weinig last van backfire had maar vooral van preignitie lijkt die waarneming dan ook minder relevant. 8 Hogere compressieverhouding In tegenstelling met wat men zou kunnen vermoeden werd er geen direct verband vastgesteld tussen een hogere compressieverhouding en het optreden van backfire [7], [1], [10]. In sommige gevallen werd zelfs het omgekeerde vastgesteld. De hogere compressieverhouding resulteert wel in een grotere opwarming van de lading, maar aangezien de zelfontstekingstemperatuur van waterstof hoger is dan bij de klassieke brandstoffen geeft dat geen aanleiding tot een verhoogd risico op te vroege ontsteking of backfire. Meer nog, die hogere zelfontstekingstemperatuur resulteert in een hogere klopvastheid. Algemeen neemt men aan dat het octaangetal van waterstof boven de 130 ligt [3]. Tabel 2.1: Ontstekingseigenschappen van waterstof en benzine H 2 Benzine Ontstekingsenergie [mj] Ontstekingstemperatuur [K] Ontstekingsgrenzen [% lucht] Gegevens afkomstig uit [10] In tabel 2.1 kan men duidelijk zien dat waterstof in vergelijking met benzine, gemakkelijker door een vonk of een hot spot zal ontstoken worden dan door opwarming door compressie. Uit de experimenten op de Ford P2000 motor bleek 7

15 Hoofdstuk 2: Literatuurstudie overigens dat in hun geval een compressieverhouding van 14,5:1 het gunstigst was. Lagere compressieverhoudingen lieten wel een rijker mengsel toe maar dat kon de daling in thermische efficiëntie niet compenseren. Daardoor kon men bij 14,5:1 toch een groter koppel halen, zij het bij lagere rijkheden. Hogere compressieverhoudingen laten bovendien een grotere efficiëntie toe. Er lijkt dus geen reden te zijn om het onderzoek te beperken tot lage compressieverhoudingen. Integendeel zelfs. 9 Turbulente verbrandingskamer Over de aanwezigheid van turbulentie in de verbrandingskamer zijn de meningen uiteenlopend: Sommigen vermijden turbulentie om backfire te vermijden [8], terwijl anderen de turbulentie verkiezen om een homogeen mengsel te verkrijgen en op die manier slechte verbranding te vermijden [10]. Een combinatie van beide lijkt de voorkeur te verdienen. Een gasklep kan toelaten turbulentie te veroorzaken nabij stationair toerental zodat het mengsel zoveel mogelijk homogeen wordt. Bij hogere toerentallen kan de gasklep volledig geopend worden om de ladingsverliezen te beperken en een hoger rendement toe te laten [3]. 8

16 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Het onderzoek naar backfire loopt op de V8-motor reeds gedurende een zestal jaar. Oorspronkelijk was het de bedoeling de motor in te bouwen in een stadsbus. Door de problemen met backfire verschoof het onderzoek naar meer theoretisch onderzoek dat een oplossing zou kunnen geven voor backfire en waarin tevens geprobeerd werd hogere vermogens te bereiken. Het is de bedoeling dat onderzoek dit jaar af te ronden. 1. Bepalen van het bovenste dode punt Vooraleer we metingen deden, legden we de referentie van het bovenste dode punt vast. Dat was al enkele jaren niet meer gebeurd. Wetende dat een afwijking van 1 krukhoek een fout van ±5% kan geven op het geïndiceerd vermogen, lag het voor de hand daarmee te beginnen. Dat is natuurlijk vooral van belang als men specifiek vermogens onderzoekt. Voor ons was het een gelegenheid om de proefstand te leren kennen en tegelijkertijd de apparatuur af te stellen. Er zijn verschillende manieren om het bovenste dode punt vast te leggen. Een van de meest geschikte methoden is gebruikmakend van een BDP-sensor. Deze sensor is een verplaatsingsmeter die door het bougiegat in de cilinder aangebracht wordt. In een voorgaande thesis werd op die manier het thermodynamische bovenste dode punt bepaald op 2 krukhoek voorbij het mechanische bovenste dode punt [20]. We moesten met andere woorden de CAM-encoder bijregelen totdat het bovenste dode punt, zoals het te zien is op de drukmetingen, op 362 krukhoek ligt. Om dat thermodynamische bovenste dode punt te bepalen werden drukmetingen verricht met de injector van de eerste cilinder losgekoppeld. De druksensor bevindt zich namelijk in de eerste cilinder. Op die manier werkt die cilinder als compressor. Het tijdstip van de hoogste druk komt dan overeen met het thermodynamische bovenste dode punt. We maakten hierbij gebruik van een MathCAD-rekenblad dat geschreven werd door voorgaande thesisstudenten. De drukken stellen de gemiddelde drukken over 30 cycli voor. De waarden mogen niet als absoluut beschouwd worden aangezien we niet alle motorparameters aangepast hebben in het rekenblad. We hadden namelijk enkel het tijdstip van de hoogste druk nodig. Het rekenblad leverde ons figuur

17 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Figuur 3.1 Hieruit bleek dat de CAM-encoder over 4 kh verdraaid moest worden. Een kleine berekening rekening houdend met de spoed van de stelschroef leverde ons het aantal toeren waarover die verdraaid moest worden. Aanpassing stelschroef = 2 lengte sin 2 = 2 90mm = 6. 28mm hierin stelt lengte de afstand voor van de as tot de stelschroef. Het geheel moest door 2 gedeeld worden aangezien de stelschroef aan weerskanten in een bout zat. De spoed van de stelschroef bedraagt 1mm/toer. Met andere woorden de stelschroef moest over 3.14 toeren verdraaid worden. Toen we de stelschroef begonnen bij te regelen, merkten we dat er niet genoeg ruimte was om de schroef 3 toeren te verdraaien. Daarom moest de klem losgemaakt worden en verdraaid worden zodat we weer een voldoende regelbereik kregen. Na verstellen bepaalden we opnieuw het thermodynamisch bovenste dode punt. 10

18 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor werkgemdrukverloop i i Resolutie Figuur 3.2 Zoals op figuur 3.2 te zien valt, bleek het thermodynamische bovenste dode punt nog steeds op 358 kh te liggen. Deze keer hadden we echter voldoende ruimte om de stelschroef 3 toeren te verdraaien. De metingen na de correctie toonden dat het thermodynamische bovenste dode punt daarna wel degelijk op 362 krukhoek lag, zoals te zien is op figuur werkgemdrukverloop i i Resolutie Figuur

19 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor 2. Veranderingen aan de proefstand Sinds vorig jaar zijn een aantal dingen veranderd aan de proefstand. Twee jaar geleden is er oplading op de motor geplaatst. De resultaten daarvan lieten niet veel verbetering meer toe. Bovendien lag het verbruik van waterstof bij het werken met oplading een heel stuk hoger. Daarom is er besloten de oplading dit academiejaar te verwijderen. De inlaatcollector is echter behouden. Voor de motor uitgerust werd met een compressor had elk van de acht cilinders een eigen inlaat en luchtfilter. Om die allemaal met één compressor te kunnen opladen werd toen een inlaatcollector aangebracht. Vanuit die inlaatcollector liepen rubberen buizen naar de afzonderlijke cilinders. Doordat de motor steeds opgeladen werd stonden die buizen dus constant op overdruk. Tijdens de eerste metingen stelden we vast dat de rubberen inlaatbuizen sterk vervormden. Dit is te verklaren door de sterke onderdruk die gecreëerd wordt in de buizen bij het atmosferisch aanzuigen. Bij toerentallen boven de 2500 rpm bleek dat de inlaatbuizen dichtgezogen werden en begonnen te vibreren. Daarom werd gezocht naar steviger inlaatbuizen die de onderdruk wel konden weerstaan. Bijkomende moeilijkheid voor het gebruik van harde buizen was het verschil in diameter tussen de aansluitingen aan de motor en die aan de inlaatcollector. Rubberen leidingen vertonen enige elasticiteit. Bij de rubberen buizen had het verschil in diameter het voordeel dat door de extra klemming de buis steviger bevestigd zat, zodat in combinatie met de oplading de kans op loskomen verkleinde. De rubberen inlaten werden vervangen door doorzichtige plastieken buizen, die inwendig verstevigd zijn met een schroefvormig gewikkelde metaaldraad. Doordat ze transparant zijn is eventuele backfire nu ook zichtbaar. Op figuur 3.4 is de motor met de nieuwe inlaatbuizen en zonder de oplading te zien. 12

20 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Figuur 3.4: V8-motor met nieuwe inlaatbuizen Het probleem van de verschillende diameter van boven en onderkant werd opgelost door het stuk dat de buis verbindt met de bovenkant van de cilinderkop te verwijderen, en in de plaats nieuwe inlaatstukjes te vervaardigen met een ring opgelast. Deze ring heeft dezelfde diameter als de aansluitstukken op de inlaatcollector, zodanig dat de buizen zowel bovenaan als onderaan perfect passen. Daarna werden kunststof buizen gemonteerd met speciale aanspanringen. 13

21 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor 3. Fueltrim per cilinder Om backfire min of meer gecontroleerd te kunnen bestuderen werd geprobeerd één cilinder rijker te laten lopen dan de andere om op die manier enkel nog in die cilinder backfire te krijgen. In het verleden was namelijk gebleken dat backfire de neiging had over te slaan naar de andere cilinders. Wanneer dat gebeurt, daalt in die cilinders ook het geleverde vermogen en het risico dat de motor uitvalt neemt sterk toe. Als we backfire in de eerste cilinder zouden kunnen isoleren, kunnen de andere cilinders de motor draaiende houden. Bovendien schommelt het geleverde vermogen dan veel minder bruusk, iets wat zeker beter is voor de levensduur van de motor. Omdat enkel in de eerste cilinder een drukpick-up zit, ligt het voor de hand om backfire in die cilinder te isoleren. Op die manier wordt het heel wat eenvoudiger drukmetingen uit te voeren waarop het optreden van backfire zichtbaar is. Met behulp van de optie fueltrim kan de standaard waarde voor de injectieduur, zoals die vermeld staat in het injectieduurkenveld, aangepast worden. De trim wordt uitgedrukt in procent ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Geleidelijk aan verhoogden we de fueltrim van de eerste cilinder. Tegelijkertijd verlaagden we die van de andere cilinders. Uiteindelijk had de eerste cilinder 25% fueltrim terwijl de andere op 25% stonden zonder dat de motor onregelmatig liep. Het Zytecmotormanagementsysteem laat maximum een trim van 25% toe, zodat we meteen aan de uiterste grenzen zaten. Het was wel duidelijk te horen dat de eerste cilinder meer vermogen leverde dan de overige. Aangezien de eerste cilinder nu rijker liep dan de andere cilinders hadden we een maat nodig voor die rijkheid. De lambdasensoren die reeds op de motor aangebracht zijn laten enkel toe de λ-waarde per cilinderbank te bepalen. Daarom sloten we de uitlaatgasanalyse-apparatuur aan op de aftap van de eerste cilinder. Aan de hand van O 2 -metingen aan die aftap konden we met onderstaande formule de λ-waarde vrij nauwkeurig bepalen. λ = ( 1 [ O2 ]) [ O ] 2 14

22 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Hierin stelt [O 2 ] de concentratie zuurstof in de uitlaatgassen voor, uitgedrukt in volumeprocent. De uitlaatgasaftap bevindt zich net na de uitlaat van elke cilinder vlakbij de plaats waar de uitlaatgassen in de cilinderbank samenkomen. Daarom is het niet ondenkbaar dat de meting beïnvloed wordt door de uitlaatgassen van de andere cilinders in dezelfde cilinderbank. Om de nauwkeurigheid van de O 2 -meting na te gaan, koppelden we de injector van de eerste cilinder af. Nu gaven de O 2 -metingen ons een zuurstofgehalte dat overeenkwam met het zuurstofgehalte in zuivere lucht. We konden er dus veilig vanuit gaan dat onze bepaling van de λ-waarde in de eerste cilinder niet beïnvloed werd door de verbranding in de andere cilinders. 4. Drukdiagramma s Het merendeel van de drukdiagramma s werd opgenomen bij rpm. Enerzijds omdat daar al vrij gemakkelijk backfire optreedt wanneer we de motor belasten en anderzijds om het verbruik wat in te perken. De drukdiagramma s werden bekeken met een Matlab programma dat we voor dit doel schreven. De programmacode is terug te vinden in appendix B. Een aantal effecten kwamen telkens terug rond het optreden van backfire. Vele van deze effecten stemmen overeen met de resultaten van het onderzoek dat men een aantal jaar geleden gedaan heeft op de Valmet motor [17] Klop voor backfire Typisch merkten we dat backfire voorafgegaan werd door klop. Men spreekt van klop wanneer het mengsel in meerdere punten ontsteekt zodanig dat de verschillende vlammenfronten met elkaar botsen. De botsing van die fronten geeft drukschommelingen die in extreme gevallen de zuiger kunnen beschadigen. De drukschommelingen laten toe klop duidelijk waar te nemen op drukdiagramma s. 15

23 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Op figuur 3.5 is duidelijk zichtbaar dat klop optreedt. De afgebeelde cyclus werd kort daarna gevolgd door het optreden van backfire. Figuur 3.5: Drukverloop bij λ= rpm, 230Nm, 1700mbar Het mechanisme kan men als volgt verklaren: de klop geeft aanleiding tot een ophoping van warmte in de cilinder. Die opgehoopte warmte kan uiteindelijk aanleiding geven tot een weglopende gloeiontsteking die vervolgens overgaat in backfire. Een voorbeeld van weglopende gloeiontsteking is te zien in figuur 3.6. Figuur 3.6: λ= rpm, 230Nm, 1700mbar 16

24 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Net voor het optreden van backfire zagen we een drukverloop zoals getoond in figuur 3.7. Figuur 3.7: λ= rpm, 230Nm, 1700mbar De gloeiontsteking gebeurt steeds vroeger tot ze optreedt voor het sluiten van de inlaatklep. Op dat moment spreken we van backfire. Het gevolg is dat de verse lading al grotendeels buiten de cilinder verbrandt zodat de daarop volgende arbeidsslag amper arbeid kan leveren. Vaak zagen we dat de cycli met klop onmiddellijk gevolgd werden door backfire. Gloeiontsteking treedt dus niet noodzakelijk op tussen klop en backfire. Dat zou men kunnen verklaren door te stellen dat de klop zodanig vaak optrad dat de cilinder de tijd niet had om af te koelen. Een weglopende gloeiontsteking is dan niet meer zichtbaar. Men kan ook niet echt meer van gloeiontsteking spreken aangezien gloeiontsteking ontstaat door ontsteking vanuit één punt. Zoals reeds gezegd is klop de ontsteking in meerdere punten. Het optreden van klop neemt nu de taak over van het verhogen van de thermische belasting in de cilinder. De thermische belasting resulteert dan opnieuw in een ontsteking die gebeurt voor het sluiten van de inlaatklep Lage drukken in cycli na backfire In de eerste cyclus na backfire treedt enkel nog een lage drukpiek op, zoals te zien in figuur 3.8. Dat is het gevolg van de compressie. Deze druk is uiteraard merkelijk lager dan de druk bij normale verbranding. 17

25 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Figuur 3.8: λ= rpm, 230Nm, 1700mbar Vrij vaak zagen we echter een iets andere cyclus met backfire. Na het optreden van backfire bemerkten we geregeld twee drukpieken. Dit is te zien in figuur 3.9. Figuur 3.9: λ= rpm, 230Nm, 1900mbar (4/5 open) De eerste piek valt hoogst waarschijnlijk samen met backfire: het verse mengsel dat ingespoten wordt in de inlaat net voor 0 kh, komt door de relatief lange inlaat van de motor 18

26 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor iets later in de cilinder aan. Daar ontsteekt de verse lading dan met als gevolg een drukpiek. De oorzaak van de ontsteking valt niet onmiddellijk af te leiden. De meest voor de hand liggende verklaring is dat de ontsteking op hot spots gebeurt: de cycli waarin klop optreedt geven aanleiding tot een ophoping van warmte ergens in de cilinder. De plaatsen waar warmte zich ophoopt ontsteken de verse lading wanneer ze ermee in aanraking komen. Als hot spots duidt men dikwijls de bougie aan en afzettingen op kleppen (cfr. Hoofdstuk 2: Literatuurstudie). Andere mogelijkheden zijn bijvoorbeeld dat de ontsteking gebeurd door oliedeeltjes die vanuit het carter in de cilinder terechtkomen zoals beschreven in de nuclear ignition theory [10] of dat de ontsteking gebeurt op restgassen die al dan niet afkomstig zijn uit het carter. 19

27 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor 4.3. Herstel van backfire Aangezien de andere zeven cilinders van de motor geen backfire ondervinden, blijft de motor draaien. Zo konden we elke keer ook het herstel van de normale verbrandingscyclus na backfire bekijken. Het meest algemene kenmerk van die cycli is de lagere verbrandingsdruk. Dat valt eenvoudig te verklaren doordat een deel van de lading nog steeds voor het sluiten van de inlaatklep verbrandt. Daardoor komt er nog steeds minder waterstof in de cilinder. Het gevolg is dat de uiteindelijke verbrandingsdruk beduidend lager is. In onze metingen merkten we twee types van hernemende verbanding op Herneming met klop Figuur 3.10: λ= rpm, 230Nm, 1300mbar (2/3 open) Wanneer we de cyclus op figuur 3.10 vergelijken met de omliggende cycli op figuur 3.11 zien we duidelijk dat er wel al verbanding is, maar dat de normale verbrandingsdruk nog niet bereikt is. 20

28 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor Figuur 3.11: λ= rpm, 230Nm, 1300mbar (2/3 open) Herneming zonder klop Figuur 3.12: λ=1.52, 2000rpm,220Nm, 1900mbar De knik die we zien in de drukpiek op figuur 3.12 komt vrij goed overeen met het ontstekingsmoment. De schuine flank die er aan voorafgaat wijst erop dat de ontsteking eerder te laat gebeurt. Opnieuw is de hoogste druk lager dan de normale verbrandingsdruk. 21

29 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor In appendix A is er een typisch voorbeeld van een aanloop naar backfire afgebeeld. 5. Individueel wijzigen van de voorontsteking Tijdens onze proefnemingen hebben we ook de invloed proberen nagaan van de voorontsteking op het optreden van backfire en op het geleverde vermogen. De haalbare nauwkeurigheid van de metingen beperkte enigszins de conclusies die we uit die testen kunnen trekken. Het is namelijk niet zo eenvoudig het vermogen van de eerste cilinder afzonderlijk te meten. Indien we dat zouden doen aan de hand van de drukdiagramma s in de eerste cilinder mogen we niet vergeten dat de overige cilinders een rol kunnen spelen in het onderdrukken van backfire. Wanneer de verbranding bijvoorbeeld onregelmatiger begint te worden in de eerste cilinder kunnen de andere cilinders toch nog de totale motor stabiliseren en op die manier er voor zorgen dat de eerste cilinder mogelijks minder last ondervindt van zijn onregelmatige verbranding. Gedurende de volledige test werden de fueltrims ingesteld zoals hierboven beschreven. Achtereenvolgens werd de eerste cilinder met de ignition advance trim zo ingesteld dat het mengsel 0 kh, 4 kh en 8 kh later ontstoken werd dan opgegeven in het ontstekingskenveld. De test bij 4 kh gaf het beste resultaat, maar wanneer we alle acht de cilinders 4 kh later lieten ontsteken bleek de motor een veel lager vermogen te leveren, de motor draaide ook onstabieler en gaf vlugger backfire. Dat onstabieler draaien is echter niet meetbaar. We vermoeden dat het goede resultaat dat we bekwamen wanneer enkel de voorontsteking van de eerste cilinder gewijzigd was, veroorzaakt werd doordat de andere cilinders de eerste cilinder stabiliseerden. De meting werd nog enkele malen herhaald met zowel eerste cilinder afzonderlijk als alle cilinders samen ingesteld op 4 kh. Dezelfde resultaten werden bekomen. 6. Effect van turbulentie Met het oog op de opbouw van de ééncilinder motor met swirl inlaat wensten we na te gaan wat het effect van meer turbulentie in de inlaat is op het optreden van backfire. De V8-motor is uitgerust met een gasklep. Bij normaal gebruik staat die echter volledig open. De motor is 22

30 Hoofdstuk 3: Onderzoek naar backfire op de V8-motor namelijk voorzien op werking volgens het dieselprincipe, dus met regeling van de hoeveelheid ingespoten brandstof. Op die manier zijn hogere rendementen haalbaar doordat de vullingsgraad van de cilinder niet daalt bij deellast. Het doel van de aanwezige gasklep is echter het waterstofgehalte in de uitlaatgassen bij stationair toerental te doen dalen. In het verleden zijn daar reeds enige positieve resultaten mee behaald. Nu werd echter gebruik gemaakt van die gasklep om een zekere turbulentie in de inlaatkanalen te veroorzaken. Om relatief veilig naar backfire te gaan werden de cilinders opnieuw met behulp van de fueltrim afzonderlijk getrimd: de eerste cilinder kreeg 25% meer ingespoten dan de waarde in het injectieduur-kenveld aangeeft en de andere cilinders 25% minder. Eerst en vooral moeten we opmerken dat de gasklep slechts heel weinig gesloten werd. Enerzijds uit veiligheidsoverwegingen: als we de kleppen te veel zouden sluiten bestaat het risico dat backfire de kleppen zou beschadigen doordat deze niet voldoende vlug kunnen openen wanneer de druk toeneemt. Anderzijds beïnvloedt de gasklep de vullingsgraad. Wanneer we die teveel zouden sluiten zou de vullingsgraad zodanig verlagen dat het effect van een betere menging niet veel voordelen meer kan bieden op gebied van efficiëntie. De gasklep werd in verschillende standen geplaatst en telkens werden vermogensmetingen en drukopnames gedaan. Het vermogen daalde met ongeveer 10% naarmate de klep meer gesloten werd. Als conclusie kunnen we dus stellen dat we met het opwekken van turbulentie door middel van de gasklep, de leveringsgraad te veel beïnvloeden om het effect van turbulentie afzonderlijk te kunnen bekijken. 23

31 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 1. De motor Voor het opbouwen van de proefstand, konden we beschikken over een ééncilinder Audi-NSU dieselmotor. Deze motor is in het laboratorium vroeger gebruikt voor het onderzoek van swirl in de cilinder van een dieselmotor. Opmerkelijk aan deze motor is dat het een relatief kleine stationaire motor is met een groot carter in verhouding tot de cilinderinhoud. In het begin van het academiejaar had de motor een compressieverhouding van 16:1, zoals vroeger gebruikelijk was voor dieselmotoren. Deze motor pasten we aan voor werking met waterstof. Hieronder vatten we de motorkenmerken samen zoals die zijn na de aanpassing. Specifieke kenmerken van de motor Aantal cilinders: 1 Cilinderdiameter: 76.5 mm Slag: mm Slagvolume: cm 3 Kleptiming Inlaatklep Open: Inlaatklep Sluit: Uitlaatklep Open: Uitlaatklep Sluit: 23 voor BDP 50 na ODP 75 voor ODP 10 na BDP 24

32 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2. Mechanisch gedeelte van de opbouw Zoals reeds gezegd werd de motor gebruikt om de stroming in de cilinder van een dieselmotor te bestuderen. Hiertoe was tussen de eigenlijke cilinder en de cilinderkop een doorzichtig stuk geplaatst, eigenlijk een soort verlengde van de cilinder. Zo was het mogelijk met behulp van een laser de werveling van de verse lading in de cilinder te bekijken. Op de zuiger was een cilindervormig stuk bevestigd, om de werkelijke werveling zo goed mogelijk te benaderen. De motor werd tijdens die experimenten aangedreven door een andere motor. De ééncilinder werd dus als compressor gebruikt, zonder verbranding in de cilinder. Omdat het onmogelijk was de machine als motor te doen werken in de toestand waarin die zich bevond, was het noodzakelijk de motor volledig te demonteren, herop te bouwen en waar nodig de vereiste wijzigingen aan te brengen. Hierna bespreken we elk onderdeel van de motor en de aangebrachte wijzingen Cilinder + Keuze van de zuiger Een eerste onderdeel dat moest vervangen worden was de zuiger. De zuiger die gemonteerd was, kon niet voor verbranding gebruikt worden. Er moest dus een andere zuiger gezocht worden. Na enig opzoekingwerk kwamen we tot de vaststelling dat de boring, slag en zuigerdiameter identiek zijn aan die van de Volkswagen Passat van bouwjaren 1988 tot 1992 met een 1600cc 4-cilinder (turbo)dieselmotor. De zuigers die hierin worden gebruikt zijn van het merk Mahle met typenummer 76V36. Dit type is in de nieuwste catalogi van het merk Mahle niet meer vermeld, maar aangezien ze vroeger in motoren voor verschillende types wagens werden gebruikt (o.a. in bijna alle 1600 cc 4-cilinder dieselmotoren van de merken Volkswagen en Audi met bouwjaar midden jaren tachtig), was het niet zo moeilijk er een paar te bemachtigen Vastleggen van de compressieverhouding Het doel is de compressieverhouding op 9:1 vast te leggen. Deze waarde werd gekozen als een compromis tussen een aanvaardbaar rendement van de motor en het gevaar op ontsteken door compressiewarmte. Tegenwoordig gaat men bij waterstofverbrandingsmotoren naar hogere compressieverhoudingen (cfr. Hoofdstuk 2: Literatuurstudie), maar ε=9:1 is in 25

33 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor vergelijking met de compressieverhoudingen van de andere waterstofmotoren in het labo, reeds een grotere waarde. De reden waarom men naar hogere compressieverhoudingen gaat, is dat het gevaar voor zelfontsteking bij waterstof eerder laag is daar het gas moeilijk te ontsteken is door compressie (d.i. als er geen vonk aanwezig is). Eerst maakten we een schatting van de compressieverhouding die met de aanwezige zuiger zou overeenkomen. Omdat de cilinderinhoud gekend was, moest enkel nog de schadelijke ruimte bepaald worden. Deze omvat de ruimte in de cilinder boven de zuiger wanneer deze in zijn bovenste dode punt staat, het volume gecreëerd door de dikte van de pakking en het volume in het bougiegat rondom de bougie. De som daarvan moet dan verminderd worden met het volume ingenomen door de kleppen, aangezien deze gedeeltelijk uit de cilinderkop steken. De berekeningen zijn in tabel 4.1 weergegeven. Tabel 4.1: Schatting van de schadelijke ruimte Diameter (mm) Hoogte (mm) Volume (mm 3 ) Volume boven zuiger Volume door pakking Bougiegat Inlaatklep Uitlaatklep Totale geschatte schadelijke ruimte De compressieverhouding ε wordt dan gegeven door: Vc + V ε = V c s = = waarin V c de schadelijke ruimte is en V s het slagvolume. Om een ε van 9:1 te bekomen moet er een bijkomende V c gecreëerd worden van mm 3. Hiertoe moet de ruimte boven de zuiger vergroot worden. Dat kan bereikt worden op twee 26

34 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor manieren, of men verwijdert een laag materiaal van de zuiger, of men steekt een dikkere pakking tussen de cilinder en het carterblok. Een factor waar men rekening moet mee houden is de afstand dewelke de onderkant van de zuiger uit de cilinder komt wanneer hij in zijn onderste dode punt staat. Indien deze afstand te groot wordt bestaat er gevaar dat de zuiger bij het terug naar bovengaan zou kantelen, en zo schade zou aanbrengen aan de cilindervoering, of in het slechtste geval zou vastlopen. Dat moet uiteraard vermeden worden. Na meting bleek dat het hemd van de zuiger 11mm uit de cilinder kwam. Deze waarde is reeds tamelijk hoog en daarom was het niet mogelijk een extra pakking tussen de cilinder en het carter aan te brengen. De enige manier die overblijft is dus het afdraaien van de zuiger. Om de benodigde extra 5.13mm afgedraaid worden. V c te creëren, moet deze dus Om na te gaan of dit wel toelaatbaar was, vooral met het oog op de sterkte, werd er een zuiger van dit type doormidden gezaagd. Het resultaat is te zien op figuur 4.1. Er blijkt dat er voor de zuiger Mahle 76V36, die rechts op de foto is afgebeeld geen probleem is, met andere woorden dat er voldoende materiaal beschikbaar is boven het vuursegment, maar voor de andere zuiger, een Karl Schmidt is dat niet het geval. Figuur 4.1: Opengezaagde zuigers (Karl-Schmidt en Mahle 76V36) Het afdraaien van de zuiger kon niet zonder meer gebeuren. De dwarsdoorsnede van een zuiger is immers ovaal, een rechtstreekse inklemming in een draaibank is dus niet mogelijk. 27

35 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Daarom werd er een soort adapterstuk vervaardigd waarin de zuiger kon vastgeklemd worden en die wel een cilindrische buitenomtrek had. Het stuk dat hiervoor gemaakt werd, staat afgebeeld in figuur 4.2. Figuur 4.2: Zuigerklem De zuiger wordt in de holle cilinder geplaatst, vervolgens wordt hierop de O-ring en daarbovenop de stalen ring geplaatst en aangespannen met een zestal bouten. De rubberen ring zorgt dan voor een klemming van de zuiger. In figuur 4.3 is er een voorbeeld getoond van het geheel. Figuur 4.3: Zuiger Mahle 76V32 gemonteerd in de zuigerklem 28

36 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Opmeten schadelijke ruimte Na het monteren van de zuiger was het mogelijk de schadelijke ruimte experimenteel te bepalen. De totale schadelijke ruimte werd in twee delen opgemeten, enerzijds het gedeelte in de cilinder zonder de pakking en anderzijds het deel in de cilinderkop, pakking inbegrepen. Voor beide metingen werd een plaat van plexiglas gebruikt die voorzien was van twee kleine gaatjes. Het ene gat was bedoeld om kruipolie naar het te meten volume te laten vloeien en het andere om de lucht eruit te laten ontsnappen. Om de olie in de cilinder te laten lopen werd een buret gebruikt. De meting verloopt als volgt: men beweegt de zuiger naar zijn bovenste dode punt (de krukashoek is bij de motor gemakkelijk te wijzigen door aan het vliegwiel te draaien), vervolgens laat men olie in de cilinder tot er enkel nog een klein luchtbelletje aanwezig is. Aangezien de instelling van het BDP op het zicht niet exact is, vangt men dit op door aan het vliegwiel te draaien tot de luchtbel die zich bij het gaatje bevindt minimaal is. Eens dat gebeurd is, zit men zeker op het BDP en voegt men opnieuw olie toe tot de luchtbel volledig is verdwenen. Men kan dan eenvoudig het schadelijk volume aflezen aan de hand van de maatstreepjes op de buret. Om het volume van de cilinderkop met de pakking te meten gaat men analoog te werk. De bouten die het geheel van plexiglas, pakking en cilinderkop samenspannen, worden aangedraaid met hetzelfde koppel als bij montage. De bougie wordt in het bougiegat gedraaid, enerzijds om de werkelijke schadelijke ruimte te kunnen meten en tegelijk zorgt ze er ook voor dat er geen olie lekt, want de cilinderkop moet ondersteboven geplaatst worden tijdens de meting. Tijdens de meting stelden we vast dat er een kleine lek was van de olie langs de kleppen, hoewel deze in gesloten stand stonden. De klepafdichting bleek dus niet voldoende te zijn bij atmosfeerdruk, dus zou dit zeker problemen geven bij verbrandingsdrukken in de orde van 50 bar. Om hieraan te verhelpen werd de klepafdichting nagekeken en bijgesteld door de firma M.R.V. B.V.B.A. te Gent. We stelden vast dat de schadelijke ruimte van de cilinder 37 cm 3 was en die van cilinderkop en pakking samen 9 cm 3. Als we dan de compressieverhouding berekenen, bekomen we ε=9.63:1, wat iets hoger is dan de gewenste, maar de opmerking hierboven indachtig is dit zeker niet ongunstig. 29

37 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor Indien het later opportuun zou blijken een hogere compressieverhouding te bereiken, is dat gemakkelijk te verwezenlijken door de huidige zuiger te vervangen door een exemplaar waarbij bovenaan minder materiaal is weggenomen. Een andere suggestie die we zouden willen doen voor de toekomst is de zuiger eventueel te vervangen door een exemplaar met meer of minder zuigerspeling en de effecten hiervan op de verschillende motorkarakteristieken na te gaan (o.a.. vermogen, koppel, maximale rijkheid voor backfire) zoals gesuggereerd is in [7]. Zoals reeds gezegd was de motor in zijn originele versie een diesel met directe injectie. Bij dit type motoren is het moeilijk om bij hoge toerentallen een voldoende menging te bekomen indien niet op één of andere manier een versterkte luchtwerveling gecreëerd wordt. Bij deze motor wordt de swirl verwezenlijkt door een wrong in de inlaatleiding. Wat het effect van deze swirl op het gebruik van waterstof zal zijn is moeilijk te voorspellen. In de literatuur is hierover weinig informatie beschikbaar. In [10] wordt vermeld dat een wervelbeweging een positief effect heeft op het uitstellen van backfire. 30

38 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor 2.2. De cilinderkop Opmeten van het nokprofiel Om de kleptiming vast te leggen is het nodig het verloop van de klepheffing te kennen. Daarom werd eerst het nokprofiel opgemeten van in- en uitlaatnok. Hiertoe werd de nokkenas in een draaibank geklemd. Er is eveneens een gradenschijf voorzien voor het aflezen van de graden nokkenashoek. Dan werd met behulp van een meetklok om de 10 graden nokkenashoek de uitwijking opgemeten, in gebieden met een grote gradiënt werd dit interval verkleind tot 5 graden. De opstelling is te zien in figuur 4.4. Figuur 4.4: Opstelling voor het opmeten van het nokprofiel Deze meting werd gedaan voor zowel in- als uitlaatnok. De nokvormen zijn in figuur 4.5 weergegeven. 31

39 Hoofdstuk 4: Opbouw van de 1-cilindermotor uitlaatnokprofiel inlaatnokprofiel Figuur 4.5: Het opgemeten profiel van in- en uitlaatnok Vastleggen van de kleptiming en bepalen klepoverlapping In figuur 4.6 is de klepheffing van beide kleppen uitgezet in functie van de krukashoek. We merken op dat de relatieve positie van de beide verlopen ten opzichte van elkaar vastligt. Deze hangt immers af van de relatieve positie van de nokken op de nokkenas en aangezien de nokken vast met de nokkenas verbonden zijn, ligt deze éénduidig vast. 32