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
Produkce emisí Naměřené hodnoty koncentrací plynných škodlivin byly přepočteny na smluvní 5% objemovou koncentraci zbytkového kyslíku v suchých výfukových plynech. Objemové koncentrace CO a NOx byly poté přepočteny na koncentrace hmotnostní, jelikož v hmotnostních koncentracích jsou uvedeny omezující limity. Pro předpokládané využití motoru k pohonu elektrického generátoru, případně k využití jako kogenerační jednotky o výkonu do 200 kW (počítáno jako tepelná hodnota spotřebovaného paliva), není nutné pro použití v České republice stanovovat emisní parametry. Takovéto jednotky sice spadají pod zákon o ochraně ovzduší, ale nejsou v současné době žádným způsobem regulovány. Jelikož je výkon jednotky těsně pod hranicí 200 kW, hodnoty naměřených emisí jsou z důvodu stanovení tvrdších hodnotících kritérií porovnávány dle nařízení vlády č. 146/2007 Sb., příloha č.4, B. V tabulkách 1 a 2 jsou zobrazeny naměřené a vypočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek obsažených ve výfukových plynech. Pro výpočet hodnot hmotnostních koncentrací se počítalo s následující hustotou složek při normálních podmínkách. CO … 1,25 kg.m-3N, NOx … 2,05 kg.m-3N. Pro přepočet hodnot byl použit vzorec[I]: , kde OB OM EM EB
… referenční hodnota koncentrace O2 [%], … naměřená hodnota koncentrace O2 [%], … naměřená hodnota škodlivých zněčišťujících emisí, … vypočtená hodnota škodlivých znečišťujících emisí upravená pro referenční hodnotu koncentrace O2. Objemové koncentrace CO a NOx byly následně přepočteny na hmotnostní koncentrace [g.m3N], ve kterých jsou stanoveny omezující limity dle následujícího vzorce: , kde EM
… vypočtená hodnota škodlivých znečišťujících emisí upravená pro referenční hodnotu koncentrace O2, ρEM … hodnota hustoty sledovaných škodlivých emisí, EF … hmotnostní koncentrace sledované látky. Nařízení vlády č. 146/2007 Sb. určuje pro vznětové motory s kapalným palivem limitní hodnoty škodlivých emisí v kategorii 0,2 – 1 MW pro CO 0,65 g.m-3N, NOx 4,0 g.m-3N. Přepočtené hodnoty dle vzorce pro využití motoru k průmyslovým účelům jsou pro porovnání uvedeny na Obrázek 6. Z výsledků vyplývá, že motor požadavky dané nařízením vlády č. 146/2007 Sb. při pro provozu na rostlinný olej i při provozu na motorovou naftu z hlediska množství emisí NOx splňuje, CO v některých režimech nesplňuje. Pro splnění hodnot CO by mohlo napomoct použití katalyzátoru.
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
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, CO2 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. 8.1.2012 Ing. Aleš Dittrich
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
Příloha
Obrázek 1 Schéma jednopalivového systému s předehřevem.
Obrázek 2 Závislost kinematické viskozity motorové nafty, řepkového oleje a metylesteru řepkového oleje na teplotě.
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
Obrázek 3 Vnější otáčková charakteristika při provozu na motorovou naftu a na řepkový olej.
Obrázek 4 Procentuální porovnání hodnot produkovaných emisí.
5
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Obrázek 5 Pohled na celkové uspořádání motoru na zkušebním stanovišti.
Obrázek 6 Porovnání přepočtených emisí motoru při provozu na rostlinný olej a motorovou naftu s hodnotami emisí dle nařízení vlády č. 146/2007 Sb.
6
složení výfukových plynů přepočet
složení výfukových plynů
7
%
%
CO2
02
0,28
-3
CO
gm
1,49
-3
11,34
7,29
112
483
NOx
gm
ppm
ppm
NOx
CO
ppmC
HC
33
479
-1
kgh
73
kW
výkon
317
2199
1
Nm
min
-1
režim
moment
průtok vzduchu
skutečné hodnoty
otáčky
Rostlinný olej
0,30
0,82
12
6,73
111
252
30
410
54,8
238
2200
2
0,38
0,79
13,65
5,38
119
205
43
369
36,2
157
2199
3
0,67
0,74
15,34
3,99
171
149
70
316
18,8
81
2199
4
0,97
0,71
16,56
2,97
253
118
47
280
7,6
33
2200
5
0,46
2,22
9,74
8,49
179
857
24
362
70,4
454
1480
6
0,91
1,16
9,09
8,95
464
461
28
269
52,2
337
1481
7
0,46
1,06
10,65
7,66
270
369
78
212
34,9
225
1480
8
0,63
0,97
13,58
5,26
332
233
140
173
17,6
114
1480
9
0,96
1,08
16,26
3,1
474
166
156
156
7
45
1480
10
1,42
2,24
16,98
1,44
608
148
300
85
0,3
3
776
11
1,00
1,81
16,25
3,11
725
194
287
140
6,7
52
1239
12
1,03
2,24
16,47
2,9
743
246
213
110
5,3
50
999
13
0,67
0,99
13,21
5,51
399
233
261
171
17,5
113
1480
14
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Fakulta strojní
Tabulka 1 Naměřené a přepočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek při provozu na rostlinný olej.
složení výfukových plynů přepočet
složení výfukových plynů % %
CO2
02
8 0,23
-3
CO
gm
1,64
-3
11,08
7,12
140
451
137
477
72,8
316
2199
1
NOx
gm
ppm
ppm
NOx
CO
ppmC
HC
-1
kW
výkon
kgh
Nm
min-1
režim
moment
otáčky
průtok vzduchu
skutečné hodnoty
Nafta
0,25
0,92
11,78
6,53
138
230
134
408
54,1
235
2198
2
0,32
0,91
13,44
5,13
145
182
154
372
36,4
158
2198
3
0,60
0,86
15,12
3,77
197
132
187
318
18,3
80
2198
4
1,14
0,87
16,3
2,81
228
102
109
284
7,6
33
2201
5
0,32
2,50
9,42
8,21
269
783
125
357
69,8
450
1480
6
0,78
1,27
8,79
8,64
554
431
128
269
52
336
1479
7
0,52
1,17
10,4
7,35
242
341
150
215
35
226
1481
8
0,89
1,0
13,35
4,98
241
227
178
173
17,5
113
1482
9
2,00
1,15
16
2,92
239
165
206
158
7,1
46
1479
10
3,02
1,21
18,56
1,34
173
167
182
85
0,2
3
777
11
3,05
1,34
16,56
2,58
223
245
188
158
6,8
53
1239
12
3,28
1,78
16,42
2,65
235
313
177
113
5,4
51
999
13
1,02
0,98
13,29
4,99
259
232
192
175
17,7
114
1479
14
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Katedra vozidel a motorů Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka 461 17 LIBEREC I, Studentská 2
Fakulta strojní
Tabulka 2 Naměřené a přepočtené hodnoty koncentrací emisí jednotlivých škodlivých látek při provozu na motorovou naftu.
