KATEDRA VOZIDEL A MOTORŮ
Paliva pro PSM
#3/14
Karel Páv
2/9
Obecné požadavky na paliva PSM
Vysoká výhřevnost na jednotku hmotnosti, resp. objemu (včetně obalu) Nízká cena Hustota energie vztažená na 1 litr objemu paliva Co nejnižší zdravotní závadnost BA 100% Chemická časová stálost NM Nekorozivnost (jak paliva, tak i spalin: síra, vanad) Etanol Schopnost tvořit směs Metanol Schopnost úplného shoření LPG Minimální tvorba škodlivých produktů spalování LNG (oxidy síry, olovo, polycyklické uhlovodíky) LH2 CNG
Rozdělení paliv pro PSM:
CH2
Fosilní (z ropy, zemního plynu, uhlí)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
Obnovitelná (z vody, zemědělských plodin) Uhlovodíková paliva
Kapalná
Lehce odpařitelná (benzin) Plynná
Vodík
Těžko odpařitelná (nafta, metylestery, rostlinné oleje) (pro vznětové motory - VM) (pro zážehové motory - ZM)
Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol)
Jsou možné kombinace různých paliv (a to nejen směsí)
3/9
Stavba uhlovodíkových paliv Nasycené uhlovodíky (s max. možným počtem H): n-alkany: (n-parafiny)
metan CH4, etan C2H6, propan C3H8, …, oktan C8H18 H přímá vazba, vysoká výhřevnost CnH2n+2 H C H
H3C
H
izoalkany: izobutan C4H10, …, izooktan C8H18 (2,2,4-trimetylpentan) (izoparafiny) větvená vazba, nevznětlivé, vhodné pro ZM CnH2n+2
cykloalkany: (cykloparafiny, nafteny)
H
C
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
H
eten (etylen) C2H4, propen C3H6, …, okten C8H16 přímá vazba s výskytem dvojné vazby CnH2n
izoalkeny: izobuten C4H8, izopenten C5H10 větvená vazba s výskytem dvojné vazby CnH2n 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 přímá vazba, celkem stabilní H H CnH2n
Nenasycené uhlovodíky:
n-alkeny: (olefiny)
H
H
H
C
C
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H
CH3 H2C
C
O CH3
C
H
cykloalkeny: kruhová vazba s výskytem dvojné vazby
H
Mocnost atomů:
4/9
Stavba uhlovodíkových paliv Aromatické uhlovodíky:
benzen C6H6, metylbenzen (toluen) C7H8 kruhová vazba 6-ti C se střídající 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 H3C
C CH3
500 400
Teplota varu [°C]
Alkoholy: metanol (metylalkohol) CH3OH, etanol (etylalkohol) C2H5OH náhradou atomu H skupinou OH nižší výhřevnost H vyšší výparné teplo H C OH CnH2n+1OH
300 200 100 0 -100 -200
O
CH3
0
5
10
15
20
Počet atomů C v molekule C x Hy
25
5/9
Kapalná paliva pro VM Lehká paliva (rychloběžné vozidlové motory): Motorová nafta (NM) Směsná NM (Bionafta s min. 30% přídavkem metylesterů) MEŘO / FAME (Fatty Acid Methyl Ester) Dimetyléter (DME) Střední paliva (stacionární, dráhové a lodní motory): Rostlinný olej (Pure Plant Oil) Hydrogenované živočišné tuky Těžká paliva (topné oleje pro námořní motory) MN se vyrábí mísením petroleje a dalších frakčních destilátů ropy Dimetyléter lze vyrobit syntézou z fosilní suroviny (plynu) nebo z biologicky odbouratelných surovin (dřevo, sláma, odpady - biomasy)
Důležité parametry motorové nafty (NM):
Přísady (aditiva):
Hustota paliva 820÷845 kg/m3 při 15°C (ovlivňuje bohatost směsi)
Zvyšovače CČ Mazivostní přísady Detergentní (čistící) přísady Protikorozní přísady Protipěnivostní přísady Přísady pro zlepšení nízkoteplotních vlastností
Obsah síry do 10 mg/kg Filtrovatelnost (odolnost proti vylučování krystalků 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 při 40°C (protichůdně ovlivňuje velikost kapek vstřikovaného paliva a schopnost mazání čerpadla)
6/9
Kapalná paliva pro VM Důležité parametry NM: Destilační křivka ČSN EN ISO 3405
400
Při 95% max.360°C 350
Počátek destilace: dáno bezpečností proti požáru 1. půle: kouřivost studeného motoru 2. půle: kouřivost teplého motoru, úsady, ředění oleje
150
8 6
95%
100
E350
200
E250
150÷180°C
Zastoupení [%]
10
Uhlovodíky v NM: C9 ÷ C23
250
t [°C]
12
300
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
Počet atomů C
0
10
20
30
min.85% 40
50
60
70
80
90
100
Obj. %
Cetanové číslo ČSN EN ISO 5165, cetanový index – schopnost samovznícení paliva - Stanovení na zkušebním jednoválci: n=900 min-1, =6÷28 srovnáním s referenčním palivem - mění se kompresní poměr tak, aby byla zachována doba průtahu vznícení 13°KH (2,407ms) Poměr mezi cetanem C16H34 (CČ=100) a 1-metylnaftalenem C11H10 (CČ=0), resp. izocetanem C16H34 (CČ=15) s přepočtem.
VnC16H 34 VnC16H 34 VC11H10
15 85
VnC16H 34 VnC16H 34 VizoC16H 34
CČ=100 → krátký průtah vznícení
- Laboratorní empirické stanovení pomocí hustoty a destilační křivky – nejsou zohledněna aditiva CI
Kompresní poměr
CČ 100
CČ1
CČ
CČ2
7/9
Kapalná paliva pro ZM Automobilový benzín Přísady (aditiva): Směsi – Flexi Fuel Benzín pro motory starší konstrukce: - V roce 2001 zrušení olovnatých benzínů (tetraetyl olova Pb(C2H5)4)
Alkoholy (etylalkohol, metylalkohol)
- Do roku 2010 benzín s obsahem draslíku - Nyní je možná pouze dodatečná individuální aditivace
Zvyšovače OČ Mazivostní přísady Detergentní (čistící) přísady Protikorozní přísady Protipěnivostní přísady
250
Konec destilace (min.98%) max.210°C
Důležité parametry automobilového benzínu (BA):
200
Hustota paliva 720÷775 kg/m3 při 15°C
100
Tlak par DVPE (Dry Vapour Pressure Equivalent) při 37,8°C
30÷45°C
E70
Počátek destilace: ztráty při manipulaci s palivem E70: startovatelnost studeného motoru E100: akcelerační schopnosti motoru E150: účinnost vyhoření paliva, ředění oleje Konec destilace, destilační zbytek <2%
50
20÷50%
0 0
10
20
30
40
46÷71% 50
60
min.75% 70
80
90
100
Obj. % 30
Zastoupení [% hm.]
Odpařitelnost – Destilační křivka ČSN EN ISO 3405
E100
Minimální obsah těžkých frakcí
E150
Minimální obsah aromatických uhlovodíků a alkenů
150
t [°C]
Obsah síry do 10 mg/kg
25 20 15
10 - Schopnost tvorby směsi při studeném startu motoru 5 - Letní benzín: 45÷60 kPa Uhlovodíky v BA: C4 ÷ C11 0 - Zimní benzín: 60÷90 kPa Ekvivalentní složení BA: C7,76H14,67O0,12 - Pro jeho zvýšení se přidává butan
<4
5
6
7
8
9
10 >11
Počet atomů C v molekule
8/9
Důležité parametry BA: Oktanové číslo - antidetonační odolnost paliva (odolnost proti klepání) - Stanovení na zkušebním jednoválci s =5÷15 srovnáním s referenčním palivem:
Intenzita klepání
Kapalná paliva pro ZM
(lineární interpolace mezi dvěma vzorky paliva)
OČ1
OČ
OČ2
a) Výzkumná metoda (VM): n=600 min-1, tvzd=52°C, z=13°, dle klepání, ČSN EN ISO 5164 b) Motorová metoda (MM): n=900 min-1, tsměs=149°C, z=19÷26° při =7÷5, ČSN EN ISO 5163 Poměr mezi izooktanem C8H18 (OČ=100) a n-heptanem C7H16 (OČ=0)
OČ 100
VC8 H18 VC8 H18 VC7 H16
OČ=100 → vysoká antidetonační odolnost OČVM > OČMM
- Rozdíl ukazuje na citlivost paliva na změnu provozních podmínek (nejvyšší rozdíly vykazují aromaty).
Směsné oktanové číslo: Jednotlivá paliva ve směsi neovlivňují výsledné OČ směsi přesně podle jejich množství a vlastních OČ. - Laboratorní stanovení OČ pomocí složení paliva a empirických vztahů (ke složení paliva se využívá IR spektrometrie) Antidetonanty: - Ukončují některé větve řetězových reakcí - Tetraetyl olova nahrazen MTBE nebo ETBE - Metanol, etanol, voda
Palivo
OČ - VM
OČ - MM
Benzín
91÷100
82÷90
Metanol
112
93
Etanol
109
92
MTBE
118
101
9/9
Plynná paliva - LPG (zkapalněný propan/butan, složení podle období – letní/zimní) - CNG (zemní plyn: metan (98%), etan (1%), propan (0,5%), CO2, H2O) - LNG (zkapalněný zemní plyn při -162°C) - Bioplyny (směsi různých plynů, hlavním palivem je metan, vysoký obsah CO2, N2) - CH2 (stlačený vodík) - LH2 (zkapalněný vodík při -253°C) 1600 1400
Snadná tvorba směsi (H2 má nejvyšší difuzivitu) Široké meze zápalnosti Vysoká antidetonační odolnost Nízké emise pevných částic Nižší emise polycyklických aromatických uhlovodíků (zvláště po startu)
Tlak par [kPa]
Výhody plynných paliv:
1200 1000 800 600 400
patm
200 0 -30
Důležité parametry plynných paliv: Tlak nasycených par pro LPG Rauoltův + Daltonův zákon: Wobbeho index H u [MJ/m3 ] Wu ( p, T ) svzd ( p, T ) Metanové číslo
N
psm xiliq pi i 1
x
liq i …
molární podíly v kapalině
Poměr mezi metanem CH4 (MČ=100) a vodíkem H2 (MČ=0)
MČ 100
VCH4 VCH4 VH 2
- Antidetonační odolnost roste s podílem CO2 a N2
-20
-10
0
10
20
Teplota paliva [°C]
30
40
50