TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej V laboratořích Katedry vozidel a motorů Technické univerzity v Liberci byl vyvinut motor pro pohon kogenerační jednotky spalující rostlinný olej. Jedná se o čtyřválcový, čtyřdobý, řadový, přeplňovaný vertikální vznětový motor s přímým vstřikem paliva do spalovacího prostoru o zdvihovém objemu 4156 cm3. Motor je vodou chlazený. U motoru s přímým vstřikem paliva je pro zajištění správného spalování rostlinného oleje vhodné provést konstrukční úpravy pístů, hlavy válců a vstřikovačů. Konstrukčními úpravami motoru pro zajištění správného spalování se zabývá například firma Elsbett. Na motoru je použit jednopalivový systém (obr.1), který má nevýhodu v podobě nutného a dostatečně dlouhého předehřevu ve fázi před spuštěním motoru, kdy dochází k předehřevu chladicí kapaliny motoru, která zajistí dostatečné prohřátí celého bloku motoru a tím i snížení rizika vzniku úsad při spouštění motoru. Pro předehřev palivového příslušenství je zajištěn ohřev rostlinného oleje pomocí elektricky vyhřívaného palivového filtru, kde je olej ohříván na požadovanou teplotu cca 70°C, čímž dojde ke snížení viskozity (obr.2). Palivový okruh pak funguje následovně. Ve fázi před spuštěním motoru během předehřevu chladicí kapaliny dojde k naplnění palivového okruhu pomocí zubového čerpadla používaného pouze pro cirkulaci paliva a takto naplněný systém je následně odpojen od palivové nádrže. Rostlinný olej je poté ohříván pomocí elektricky vyhřívaného palivového filtru. Předehřátý rostlinný olej následně cirkuluje v uzavřeném okruhu: zubové čerpadlo – elektricky vyhřívaný palivový filtr – vstřikovací čerpadlo – odvzdušňovací ventil. Ohřev oleje pomocí chladicí kapaliny je v této předspouštěcí fázi z důvodu neefektivnosti pozastaven, jelikož by docházelo k ochlazování předehřátého paliva a dodaná energie pro ohřev by byla zbytečně zmařena. Cirkulace ohřátého paliva v uzavřené smyčce tak zajistí dostatečný předehřev palivového příslušenství na teplotu blížící se provozní teplotě motoru a jeho příslušenství. Tím je sníženo riziko vzniku úsad a je zajištěno dobré spouštění motoru. Po spuštění motoru dojde k vypnutí zubového čerpadla a funkci převezme podávací čerpadlo, které je součástí vstřikovacího čerpadla a zároveň je zapojeno paralelně před vyhřívaným palivovým filtrem se zubovým čerpadlem pro cirkulaci paliva. Dojde tak k opětovnému propojení palivového okruhu s palivovou nádrží. Je ukončen předehřev chladicí kapaliny a zároveň je možné případně otevřít ventil pro ohřev rostlinného oleje pomocí chladicí kapaliny. Elektrický předehřev palivového filtru zůstává stále zapnut. Předehřev motoru má vliv jak na snadné spuštění motoru při provozu na rostlinný olej, tak na snížení produkovaných emisí. U kogenerační jednotky je však počítáno s téměř nepřetržitým provozem, proto se nepředpokládá časté předehřívání a spouštění motoru. Motor kogenerační jednotky při provozu na rostlinný olej dosahuje při otáčkách 1500 1/min výkonu 80kW a točivého momentu 500Nm (obr.3). Maximální zatížení motoru v režimu kogenerační jednotky je voleno na 80% výkonu. V tomto režimu tedy zatížení odpovídá 400Nm a 63kW. V soustrojí s tímto motorem lze použít elektrický generátor o maximálním výkonu 63kW, případně o výkonu nižším.
1
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Závěr Předehřev motoru a palivového příslušenství má vliv na snazší spouštění motoru. Měření ukázala, že díky předehřívání motoru dochází oproti spouštění bez předehřevu ke snížení špičkových hodnot emisí HC, CO 2 a naopak k lehkému navýšení špičkových hodnot NOx. Hodnoty CO zůstávají při stejném zatížení ihned po startu na stejné úrovni jako u motoru bez předehřevu. Na obr. 4 je znázorněno snížení, případně zvýšení jednotlivých sledovaných emisi při režimu 50% zatížení po spuštění a režimu 80% zatížení po spuštění motoru, kdy byl motor před spuštěním předehříván. Referenční hodnotě 100% odpovídá režim, kdy nebyl motor předehříván a po spuštění byl zatížen na 80%. Porovnávány jsou maximální hodnoty emisi v jednotlivých režimech. Plochy jednotlivých bublin odpovídají buď nárůstu, nebo poklesu ve srovnání s referenční hodnotou. U jednotlivých bublin je číselně znázorněn pokles nebo narůst sledovaných emisi. Lze tedy předpokládat, že takto upravený motor s použitím katalyzátoru bude splňovat parametry dané nařízením vlády č.146/2007 Sb. v kategorii 0,2 – 1 MW, i když do této kategorie nespadá. Vhodným umístěním produktu se jeví zejména horské chaty a penziony, které tak budou energeticky soběstačné a v případě úniku paliva do okolní půdy nedojde ke kontaminaci jak okolí, tak vodních zdrojů a okolních ekosystémů. Další možnou variantou umístění pro provoz jsou farmy využívané pro agroturistiku. K výrobě paliva mohou použít vlastní zdroje a tím celkově snížit náklady na provoz celého areálu.
Ing. Aleš Dittrich
2
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Příloha
Obr. 1: Schéma jednopalivového systému s předehřevem.
Obr.2: Závislost kinematické viskozity motorové nafty, řepkového oleje a metylesteru řepkového oleje na teplotě.
3
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Obr. 3: Vnější otáčková charakteristika při provozu na motorovou naftu a na řepkový olej.
Obr. 4: Procentuální porovnání hodnot produkovaných emisí. 4
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Obr. 5: Pohled na celkové uspořádání motoru na zkušebním stanovišti.
5
