En studie av den gassdrevne forbrenningsmotoren og dens potensiale

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet som en avsluttende del av sivilingeniørstudiet Maskin- prosess- og produktutvikling ved Fakultet for Realfag og Teknologi (REALTEK) hos Norges Miljø- og Biovitenskapelige Universitet (NMBU). Fakultetet ønsket å øke sin kunnskap om forbrenningsmotorer og unike systemer i kjøretøy som går på biogass og valgte derfor å initiere denne masteroppgaven i vårsemesteret 2023. Rapportens mål er å samle detaljert informasjon om gassmotorer som opererer på biogass, da dette fremstår som en spennende miljøvennlig teknologi med interessant potensiale. Dette er gjort ved hjelp av litteratursøk og innhenting av informasjon fra ressurspersoner. Det har pågått et fast samarbeid med ressurspersoner hos Norsk Scania AS. For at man skal få et godt utbytte av rapporten forutsettes det at leseren har en teknisk eller ingeniørfaglig bakgrunn. Rapporten gjennomgår kort de prosesser som er aktuelle for produksjon av biogass. Den tar også for seg det norske potensialet for produksjon av biogass, og hvilke energimengder som kan hentes ut dersom det er vilje og forutsetninger for det. Videre gis det teorigrunnlag som er relevant for forståelsen av gass-relaterte motor- og kjøretøysystemer. Til slutt er det utført en studie av en 13-liter gassdrevet ottomotor fra Scania, med tilhørende gassystem. Studiet gir en detaljert gjennomgang av gasstankene som benyttes til å lagre både flytende og komprimert gass i kjøretøyet, samt motoren og dens komponenter, systemer og virkemåte. Det er et lovende potensiale for biogassproduksjon i Norge. Det kan potensielt, dersom det er vilje til det, produseres 11,3 TWh årlig i fremtiden. Teknologien for gassdrevne kjøretøy fremstår som moden og godt egnet for tungtransport. Den gassdrevne forbrenningsmotoren har vært kjent siden før første verdenskrig, noe som har gitt god tid til utvikling av forbrenningsteknologien. Motoren fra Scania har elektronisk styrt tenning som regulerer forbrenningen i hvert stempel individuelt, EGR og et effektivt gassystem som regulerer gasstrykk- og forsyning løpende etter motorens behov. Utfordringene ligger i begrenset rekkevidde forbundet med lagring av gassen i kjøretøyet. Biogass tar henholdsvis 1,7 til 5 ganger større plass enn diesel, avhengig av om gassen er flytende eller komprimert. Flytende gass må også holdes under -161,4 ℃, noe som byr på problemer dersom kjøretøyet står ubrukt over tid. Ved bruk av kjøretøy fra Scania har komprimert gass i dag en maksimal rekkevidde på ca. 664 km per fylling, mens flytende gass har en maksimal rekkevidde på 1597 km per fylling. Det er også foreløpig knyttet utfordringer til nettverket av fyllestasjoner, da det inntil videre ikke finnes fyllestasjoner nord for Trondheim. Dette ventes løst for flytende gass innen 2026. Av litteratur som har vært nyttig for utarbeidelsen av rapporten, anbefales følgende bøker: - Natural Gas and Renewable Methane for Powertrains av Richard Van Basshuysen. - Motorteknikk av Leif Lundby m.fl.

This master's thesis has been written as the final part of the civil engineering study Machine- Processand Product Development under the Faculty of Science and Technology (REALTEK) at the Norwegian University of Life Sciences (NMBU). The faculty wanted to increase their knowledge of internal combustion engines and the unique systems associated with vehicles that run on biogas. For this reason, they chose to initiate this master's thesis in the spring semester 2023. The aim of the report is to gather detailed information about gas engines that operate on biogas, as this appears to be an exciting, environmentally friendly technology with interesting potential. This has been done using standard literature search and by obtaining information from resource personnel. There has been ongoing collaboration with personnel at Norsk Scania AS. To get the most out of the report, the reader should have a technical or engineering background. The report briefly reviews the processes that are relevant for the production of biogas. It also considers the Norwegian potential for biogas production, and the amounts of energy that can be extracted, as long as there is a will and the conditions for it are met. Further, the report supplies the theoretical basic knowledge needed for the understanding of gas-related engine- and vehicle systems. As the final part of the report, a study has been done on a 13-litre gas-powered otto engine from Scania, along with its associated gas system. The study provides a detailed review of the gas tanks used to store both liquid and compressed gas in the vehicle, as well as the engine and its components, systems, and operation. There is a promising potential for biogas production in Norway. Potentially, if there is a will to do so, 11.3 TWh can be produced annually in the future. The technology used in gas-powered vehicles appears mature and well suited for heavy transport. The gas-powered combustion engine has been known since before the First World War, which has given plenty of time for the development of the combustion technology. The engine supplied by Scania has electronically controlled ignition that regulates combustion individually for each combustion chamber, EGR and an efficient gas system that regulates gas pressure and supply continuously, according to the needs of the engine. The challenge is located in the limited range, due to challenges associated with gas storage within the vehicle. Biogas requires 1.7 to 5 times the volume of diesel, depending on whether the gas is liquid or compressed. Liquefied gas must also be kept below -161.4 ℃, which can be problematic if the vehicle is left unused for longer periods of time. When using vehicles from Scania, compressed gas has a maximum range of approx. 664 km per full tank, while liquid gas has a maximum range of 1597 km on a full tank. There are also challenges with regards to the filling station network, as there are currently no filling stations north of Trondheim. For liquefied gas, this is expected to be resolved by 2026. Regarding literature that has been useful for the creation of the report, the following books can be recommended: - Natural Gas and Renewable Methane for Powertrains by Richard Van Basshuysen. - Motorteknikk by Leif Lundby et.al.