KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Paliva pro PSM
#3/14
Karel Páv
2 / 10
Obecné požadavky na paliva PSM Vysoká výh evnost na jednotku hmotnosti, resp. objemu (v etn obalu) Nízká cena Hustota energie vztažená na 1 litr objemu paliva Co nejnižší zdravotní závadnost BA 100% Chemická asová stálost NM Nekorozivnost (jak paliva, tak i spalin: síra, vanad) Etanol Schopnost tvo it sm s Metanol Schopnost úplného sho ení LPG Minimální tvorba škodlivých produkt spalování LNG (oxidy síry, olovo, polycyklické uhlovodíky) LH2 CNG CH2
Rozd lení paliv pro PSM: Fosilní (z ropy, zemního plynu, uhlí) Obnovitelná (z vody, zem Uhlovodíková paliva
Kapalná
0%
20%
60%
80%
100%
120%
lských plodin) žko odpa itelná (nafta, metylestery, rostlinné oleje) (pro vzn tové motory - VM)
Lehce odpa itelná (benzin) Plynná Vodík
40%
(pro zážehové motory - ZM)
Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol)
Jsou možné kombinace r zných paliv (a to nejen sm sí)
3 / 10
Stavba uhlovodíkových paliv Nasycené uhlovodíky (s max. možným po tem H): n-alkany: (n-parafiny)
metan CH4, etan C2H6, propan C3H8, …, oktan C8H18 H ímá vazba, vysoká výh evnost CnH2n+2 H C H
H 3C
H
izoalkany: izobutan C4H10, …, izooktan C8H18 (2,2,4-trimetylpentan) tvená vazba, nevzn tlivé, vhodné pro ZM (izoparafiny) CnH2n+2 cykloalkany: (cykloparafiny, nafteny)
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H CH3
H
H
H
C
C
C
C
C
H CH3
CH3
H
H
metylová skupina
H
H
eten (etylen) C2H4, propen C3H6, …, okten C8H16 ímá vazba s výskytem dvojné vazby H H H CnH2n C
C
H izoalkeny: izobuten C4H8, izopenten C5H10 tvená vazba s výskytem dvojné vazby CnH2n
H
etin (acetylen) C2H2 výskyt trojné vazby CnH2n-2
H
C
- nestabilní v palivu (polymerují) vlivem dvojné nebo trojné vazby mezi C
alkiny:
C
H
H CH3
cyklopropan C3H6, cyklobutan C4H8, cyklohexan C6H12 kruhová p ímá vazba, celkem stabilní H H CnH2n
Nenasycené uhlovodíky:
n-alkeny: (olefiny)
H
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H CH3 CH3
H 2C
C
O CH3
C
H
cykloalkeny: kruhová vazba s výskytem dvojné vazby
H
Mocnost atom :
4 / 10
Stavba uhlovodíkových paliv Aromatické uhlovodíky:
benzen C6H6, metylbenzen (toluen) C7H8 kruhová vazba 6-ti C se st ídající se dvojnou a jednoduchou vazbou velmi stabilní, vhodné pro ZM, karcinogenní CnH2n-6
H C
H
H
H
C
C
C
C C
Monoaromáty (metylbenzen C7H8)
Diaromáty (1-metylnaftalen C11H10)
Polyaromáty (antracen C14H10)
CH3
H
CH3
H
H
Étery: s kyslíkovou vazbou metyl-terc-butyléter (MTBE) (CH3)3COCH3, ETBE (CH3)3COC2H5 - vzniká katalytickou reakcí izobutenu a matanolu, resp. etanolu CH3 H 3C
C CH3
500 400
Teplota varu [°C]
Alkoholy: metanol (metylalkohol) CH3OH, etanol (etylalkohol) C2H5OH náhradou atomu H skupinou OH nižší výh evnost H vyšší výparné teplo H C OH CnH2n+1OH
300 200 100 0 -100 -200
O
CH3
0
5
10
15
20
Po et atom C v molekule Cx Hy
25
5 / 10
Kapalná paliva pro VM Lehká paliva (rychlob žné vozidlové motory):
Motorová nafta (NM) Sm sná NM (Bionafta s min. 30% ídavkem metylester ) ME O / FAME (Fatty Acid Methyl Ester) Dimetyléter (DME)
St ední paliva (stacionární, dráhové a lodní motory):
Rostlinný olej (Pure Plant Oil) Hydrogenované živo išné tuky
žká paliva (topné oleje pro námo ní motory) MN se vyrábí mísením petroleje a dalších frak ních destilát ropy Dimetyléter lze vyrobit syntézou z fosilní suroviny (plynu) nebo z biologicky odbouratelných surovin (d evo, sláma, odpady - biomasy) ísady (aditiva):
ležité parametry motorové nafty (NM): Hustota paliva 820÷845 kg/m3
i 15°C (ovliv uje bohatost sm si)
Zvyšova e C Mazivostní p ísady Detergentní ( istící) p ísady Protikorozní p ísady Protip nivostní p ísady ísady pro zlepšení nízkoteplotních vlastností
Obsah síry do 10 mg/kg Filtrovatelnost (odolnost proti vylu ování krystalk parafínu) Typ B (do 0°C), typ D (do -10°C), typ F (do -20°C), typ A2 - arktická MN (do -32°C) Viskozita (kinematická) 2÷4,5 mm2s-1
i 40°C
(protich dn ovliv uje velikost kapek vst ikovaného paliva a schopnost mazání erpadla)
6 / 10
Kapalná paliva pro VM ležité parametry NM: Destila ní k ivka SN EN ISO 3405
400
i 95% max.360°C 350
Po átek destilace: dáno bezpe ností proti požáru 1. p le: kou ivost studeného motoru 2. p le: kou ivost teplého motoru, úsady, ed ní oleje
300
Uhlovodíky v NM: C9 ÷ C23
150
8 6
100
E350
200
E250
Zastoupení [%]
10
150÷180°C
t [°C]
12
95%
250
4
50 2
Ekvivalentní složení NM: C15H27
max.65%
0
0 <9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
21
22 >23
0
10
20
30
min.85% 40
Po et atom C
Cetanové íslo
50
60
70
80
90
100
Obj. %
SN EN ISO 5165, cetanový index – schopnost samovznícení paliva
- Stanovení na zkušebním jednoválci: n=900 min-1, =6÷28 srovnáním s referen ním palivem - m ní se kompresní pom r tak, aby byla zachována doba pr tahu vznícení 13°KH (2,407ms) Pom r mezi cetanem C16H34 (C =100) a 1-metylnaftalenem C11H10 (C =0), resp. izocetanem C16H34 (C =15) s p epo tem.
Vn Vn
C16 H 34
C16 H 34
VC11H10
15 85
Vn
Vn
C16 H 34
C16 H 34
Vizo
=100 C16 H 34
- Laboratorní empirické stanovení pomocí hustoty a destila ní k ivky – nejsou zohledn na aditiva CI
krátký pr tah vznícení
Horší startovatelnost Delší pr tah vznícení delší as na p ípravu ho lavé sm si tší podíl kinetického ho ení vyšší tvrdost chodu a emise NOx tší kou ivost Nižší indikovaná ú innost (ho ení se p esouvá do pozd jší expanze)
Kompresní pom r
100
1
2
7 / 10
Kapalná paliva pro ZM Automobilový benzín Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol) ísady (aditiva):
Sm si – Flexi Fuel
Zvyšova e O Mazivostní p ísady Detergentní ( istící) p ísady Protikorozní p ísady Protip nivostní p ísady
Benzín pro motory starší konstrukce: - V roce 2001 zrušení olovnatých benzín (tetraetyl olova Pb(C2H5)4) - Do roku 2010 benzín s obsahem draslíku - Nyní je možná pouze dodate ná individuální aditivace
ležité parametry automobilového benzínu (BA): i 15°C (ovliv uje bohatost sm si)
Obsah síry do 10 mg/kg
250
Minimální obsah aromatických uhlovodík a alken
Konec destilace (min.98%) max.210°C 200
Minimální obsah t žkých frakcí Odpa itelnost – Destila ní k ivka SN EN ISO 3405
Tlak par DVPE (Dry Vapour Pressure Equivalent) - Schopnost tvorby sm si p i studeném startu motoru - Letní benzín: 45÷60 kPa - Zimní benzín: 60÷90 kPa - Pro jeho zvýšení se p idává butan
t [°C]
Po átek destilace: ztráty p i manipulaci s palivem E70: startovatelnost studeného motoru E100: akcelera ní schopnosti motoru E150: ú innost vyho ení paliva, ed ní oleje Konec destilace, destila ní zbytek <2%
150
30÷45°C
i 37,8°C
E100
50
20÷50%
0 0
10
20
30
E150
100
E70
Hustota paliva 720÷775 kg/m3
40
46÷71% 50
60
min.75% 70
80
90
100
Obj. %
Uhlovodíky v BA: C4 ÷ C11 Ekvivalentní složení BA: C7,76H14,67O0,12
8 / 10
ležité parametry BA: Oktanové íslo - antidetona ní odolnost paliva (odolnost proti klepání) - Stanovení na zkušebním jednoválci s =5÷15 srovnáním s referen ním palivem: (lineární interpolace mezi dv ma vzorky paliva)
Intenzita klepání
Kapalná paliva pro ZM
1
a) Výzkumná metoda (VM): n=600 min-1, tvzd=52°C,
z=13°,
b) Motorová metoda (MM): n=900 min-1, tsm s=149°C,
2
dle klepání, SN EN ISO 5164
z=19÷26°
p i =7÷5, SN EN ISO 5163
Pom r mezi izooktanem C8H18 (O =100) a n-heptanem C7H16 (O =0)
100
VC8 H18 VC8 H18 VC7 H16
=100
vysoká antidetona ní odolnost VM
>O
MM
- Rozdíl ukazuje na citlivost paliva na zm nu provozních podmínek (nejvyšší rozdíly vykazují aromaty).
Sm sné oktanové íslo: Jednotlivá paliva ve sm si neovliv ují výsledné O jejich množství a vlastních O .
sm si p esn podle
- Laboratorní stanovení O pomocí složení paliva a empirických vztah (ke složení paliva se využívá IR spektrometrie)
Palivo
- VM
Benzín
91÷100
82÷90
Metanol
112
93
Etanol
109
92
MTBE
118
101
Antidetonanty: - Ukon ují n které v tve et zových reakcí - Tetraetyl olova nahrazen MTBE nebo ETBE - Metanol, etanol, voda
- MM
9 / 10
Plynná paliva - LPG (zkapaln ný propan/butan, složení podle období – letní/zimní) - CNG (zemní plyn: metan (98%), etan (1%), propan (0,5%), CO2, H2O) - LNG (zkapaln ný zemní plyn p i -162°C) - Bioplyny (sm si r zných plyn , hlavním palivem je metan, vysoký obsah CO2, N2) - CH2 (stla ený vodík) - LH2 (zkapaln ný vodík p i -253°C) 1600 1400
Snadná tvorba sm si (H2 má nejvyšší difuzivitu) Široké meze zápalnosti Vysoká antidetona ní odolnost Nízké emise pevných ástic Nižší emise polycyklických aromatických uhlovodík (zvlášt po startu)
ležité parametry plynných paliv: Tlak nasycených par pro LPG Rauolt Wobbeho index Wu Metanové íslo
Tlak par [kPa]
Výhody plynných paliv:
1000 800 600 400
H u [ MJ/m ] ( p, T ) svzd ( p, T )
v + Dalton v zákon:
xiliq pi
psm i 1 liq i
x
0 -20
-10
0
10
20
Teplota paliva [°C] N
3
patm
200 -30
… molární podíly v kapalin
Pom r mezi metanem CH4 (M =100) a vodíkem H2 (M =0)
100
1200
VCH 4 VCH 4 VH 2
- Antidetona ní odolnost roste s podílem CO2 a N2
30
40
50
10 / 10
Meze zápalnosti paliv Meze zápalnosti homogenních palivových sm sí:
Požár vozu po 3 sek.
H2
BA
BA
NM Alkoholy LPG CNG H2 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
[-]
Požár vozu po 1 min. Energie jiskry nutná pro zážeh palivové sm si: H2
0,02 mJ
NM Metanol Etanol BA
Zvyšující se požadavek na množství energie
Propan Butan CNG
0,35 mJ
H2
BA
