Högpresterande Ångmotorer
VAD ÄR UTMANINGEN?Växthuseffekten från förbränning av, samt kommande brist på, fossila bränslen och dramatiskt ökande energipriser gör omställning av världens energisystem nödvändig. Inom områdena stationär el- och värmeproduktion, elanvändning, samt för fordon/transporter, krävs utveckling av olika nya effektiva och miljömässigt uthålliga tekniker. För elförsörjning framförallt i utvecklingsländer i varma regioner där storskalig elproduktion och eldistribution saknas, är småskalig solvärmedriven elgenerering mycket intressant. Ett första steg inom området tunga transporter (lastbilar) är att effektivisera dieselmotorn. I ett lite längre perspektiv krävs nya, ej fossilbaserade, energikällor och nya drivmotorer för alla fordon. Inom alla dessa områden finns behov av småskaliga maskiner som inte behöver smörjolja för att fungera. Maskiner utan behov av smörjolja skulle också innebära miljömässigt väsentligt bättre kylaggregat och värmepumpar, med bättre prestanda – och alltså även effektivare energianvändning.HUR KAN PROJEKTET BIDRA TILL EN LÖSNING?
Projektets mål är utveckling av en demonstrator för en liten kolvmaskin som inte behöver oljesmörjning och som är vibrationsfri. Det är en ny typ av axialkolvmaskin med s.k. wobbleskiva (istället för konventionell vevmekanism) som kan användas både som motor i ett högpresterande småskaligt ångsystem och som kompressor för köldmedier. En liten kompakt ångmaskin med avancerade ångdata (högt tryck och temperatur) kan drivas med solenergi, med biobränslen eller med restvärme t.ex. från dieselmotorers avgaser. En modern ångmotor är dessutom kompakt och tystgående. Förbränningen, i de tillämpningar då ångmotorn drivs med biobränsle, sker kontinuerligt och vid relativt låg temperatur vilket är mycket gynnsamt m.h.t. avgasemissioner. Ångmotorn passar också mycket bra för småskalig solenergibaserad elgenerering.
Ångmotorn kan också användas för att effektivisera dieselmotorerna i tunga fordon, genom att utnyttja restvärme från en lastbilsdieselmotors avgaser och omvandla restvärmet till nyttigt bidrag till arbetet för framdrivningen. I ett längre perspektiv kan ett modernt ångdrivsystem användas direkt som motor i t.ex. personbilar och distributionsbilar i framförallt stadstrafik. Fördelarna är många, ångmotorns verkningsgrad är, till skillnad från bensin- (otto) och dieselmotorer, bäst vid dellast vilket passar mycket bra för fordon i stadstrafik. Motorn ger extremt hög effekt i förhållande till slagvolymen. Startmoment är mycket stort redan från stillastående och växellåda/koppling behövs därför inte.
En viktig komponent i en småskalig ångmotor är expandern, själva motorn, där ångans värmeenergi omvandlas till nyttigt arbete. I ett småskaligt ångsystem är turbiner, som används i dagens stora kraftverk, inte lämpliga. Istället har kolvmaskiner de bästa egenskaperna för en motor. Till skillnad från dagens oljesmorda kolvmaskiner krävs emellertid oljefrihet, som kan uppnås genom val av nya material kombinerat med vatten/ångsmörjning. En liten oljefri kolvmaskin kan också med fördel användas som kompressor i kylanläggningar och värmepumpar.
VILKA KOMMER ATT HA NYTTA AV RESULTATEN?
Framtagning och kommersialisering av ett högpresterande ångsystem kräver omfattande utvecklingsarbete. MISTRA-projektets resultat, att demonstrera den oljefria småskaliga kolvmaskinens fördelar, kommer att:
- Väsentligt bidra till miljömässigt uthållig småskalig elförsörjning, baserat på solenergi och biobränsle
- Ge väsentlig miljöförbättring genom eliminering av smörjolja
- Direkt kunna tillämpas för nya förbättrade kylaggregat och värmepumpar
- Verifiera den nya oljefria kolvmaskinens användbarhet som nyckelkomponent
- Bidra till utvecklingen av en småskalig högpresterande ångmotor och underlätta finansiering av fortsatt utvecklingsarbete
Utveckling av en småskalig högpresterande ångmotor pågår i bl.a. programmet ”Gröna Bilen 3” samt i ett EU-projekt med bl.a. Fiat. MISTRA-projektets resultat kommer att nyttiggöras i dessa projekt.
Pedagogiskt värde: En datorsimuleringsmodell för analys av kolvmaskinens mekaniska egenskaper har tagits fram som ett licentiatarbete vid KTH. Resultaten publiceras vid konferenser och i tidskrifter.
Lösningen av delproblem inom MISTRA-projektet; konstruktion och tillverkning av en provrigg för tätningsprovning, prototypkonstruktion och provning av snabba ventiler, samt hållfasthetsberäkning och dimensionering av komponenter, har utförts som kursprojekt och examensarbeten i civilingenjörsutbildningen vid KTH.
